ANALISIS STATIS STRUKTUR RANGKA MESIN PENGERING KOTORAN TERNAK Putra Akbar, Iqbal1, Wenny Marthiana2 Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri Universitas Bung Hatta Email :
[email protected]
ABSTRACT A period of now, along with growth of technology which is fast progressively, specially related to tools / materials. Beside that is, assorted exploiting in material specially steel or iron many us meet in everyday life like trellis, house fence, bridge,etc. One of application which used in steel and iron usage of profile steel of L with total dimension of length 2040 mm, wide 1540 mm and also high 820 mm used as base in order to machine dryer of livestock dirt . Where intention of this research is to get maximum tension and factor safety the frame and also get comparison of result analyse loading manually and graphical. As for method which used in this research with static analysis method with encumbering of apportionment theoretically and simulation method use software. From got theoretical result of maximum tension equal to 1803 N/cm2 and of safety factor equal to 1,52 and also result of simulation got maximum tension equal to 2195,2 kg/cm2 and safety factor equal to 1,28, hence the frame expressed peaceful to be used. Keyword : Steel, Static Analysis, Simulation I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Dimasa sekarang, seiring dengan perkembangan teknologi yang semakin pesat, khususnya yang berkaitan dengan material / bahan. Disamping itu, berbagai macam pemanfaatan dalam material khususnya besi atau baja banyak kita temui dalam kehidupan sehari-hari seperti teralis, pagar rumah, jembatan,dan lain-lain. Besi dan baja banyak dipakai sebagai bahan industri yang merupakan sumber yang sangat besar, dimana sebagian ditentukan oleh nilai ekonominya, tetapi yang paling penting karena sifat-sifatnya yang bervariasi. Yaitu bahwa bahan tersebut mempunyai berbagai sifat dari yang paling lunak dan mudah dibuag sampai yang paling keras dan tajam pun untuk pisau pemotong dapat
dibuat, atau apa saja dengan bentuk apapun dapat dibuat dengan pengecoran. Salah satu aplikasi yang digunakan dalam besi dan baja yaitu pada rangka mesin pengering kotoran hewan, dimana rangka yang digunakan adalah profil L dengan dimensi total 2040 mm x 1540 mm x 820 mmyang digunakan sebagai base dalam mesin pengering tersebut dengan menggunakan sambungan las. Sebagai acuan dari masalah diatas, maka penulis menggunakan rangka profil L sebagai komponen utama dalam analisis statis pada pembebanan rangka rangka mesin pengering dengan menggunakan simulasi software grafis. 1.2 Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan tegangan maksimum dan 1
faktor keamanan pada rangka mesin pengering sehingga dengan pendekatan secara analisis dan simulasi. 1.3 Batasan Masalah Penelitian ini hanya untuk menghitung momen dan tegangan yang bekerja pada komponen rangka mesin pengering, serta melakukan simulasi dengan menggunakan SolidWorks 2010. Kemudian melakukan perbandingan antara hasil perhitungan teoritis dengan hasil simulasi. 1.4 Manfaat Penelitian Adapun manfaat dari penelitian ini adalah 1. Untuk mengetahui hasil simulasi dengan membandingkan penghitungan secara teoritis. 2. Untuk mendapatkan acuan seperti faktor keamanan (safety factor) pada rangka hasil lasan. II.
TEORI DASAR
2.1 Struktur Baja Baja adalah paduan logam yang tersusun dari besi sebagai unsur utama dan karbon sebagai unsur penguat. Unsur karbon banyak berperan sebagai peningkatan kekerasan. Perlakuan panas dapat mengubah sifat fisis baja dari lunak seperti kawat menjadi keras seperti pisau. 2.1.1 Baja Karbon Baja karbon terdiri dari besi dan karbon. Karbon merupakan unsur pengeras besi yang efektif dan murah dan oleh karena itu umumnya sebagian besar baja hanya mengandung karbon dengan sedikit unsur paduan lainnya (Smallman, 1991)
Baja karbon ini digolongkan menjadi 3 bagian yaitu: 1. Baja karbon rendah (<0,30 % C) 2. Baja karbon menengah (0,3%0,7% C) 3. Baja karbon tinggi (0,70% 1,40% C) 1. Baja Karbon Rendah a) Baja karbon rendah mengandung 0,04% C digunakan untuk plat strip dan badan kendaraan. b) Baja karbon rendah mengandung 0,05% C digunakan untuk keperluan badan kendaraan. c) Baja karbon rendah mengandung 0,15% - 0,25% C digunakan untuk kontruksi dan jembatan. 2. Baja Karbon Menengah Baja karbon menengah mengandung 0,03 – 0,6% C. Baja karbon menengah dibagi menjadi 4 bagian menurut kegunaanya yaitu: a) Baja karbon 0, 35- 0,45% C digunakan menjadi roda gigi dan poros. b) Baja karbon 0,4% C digunakan untuk keperluan industri kendaraan, mur, poros, engkol dan batang torak. c) Baja karbon 0,5 – 0,6 % C digunakan untuk roda gigi. d) Baja karbon 0,55 – 0,6 % C digunakan untuk pegas. Baja karbon menengah memiliki ciri- ciri a. Memiliki sifat mekanik yang lebih baik dari pada baja karbon rendah. b. Lebih kuat dan keras dari pada baja karbon rendah dan tidak mudah dibentuk oleh mesin. c. Dapat dikeraskan dengan mudah (quenching). 3. Baja Karbon Tinggi Baja karbon tinggi mengandung karbon antara 0,6 – 1,7% C berdasarkan kegunaan dibagi menjadi: 2
a) Baja karbon 0,6 – 0,7% C digunakan untuk pembuatan pegas, perkakas (landasan mesin, martil) dan alat-alat potong. b) Baja karbon 0,75 – 1,7% C diguanakan untuk pembuatan pisau cukur, mata gergaji, bantalan peluru dan bantalan mesin. Baja karbon tinggi memiliki ciri-ciri sebagai berikut: a) Sangat kuat dan keras serta tahan gesekan. b) Sulit dibentuk oleh mesin. c) Mengandung unsur sulfur dan fosofor mengakibatkan kurangnya sifat liat. d) Dapat dilakukan proses heat treatment yang baik. Pengklasifikasian baja karbon menurut standar American International and Steel Iron (AISI) dan Society for Automotive Engines (SAE) diberi kode dengan empat angka. Dua angka pertama adalah 10 yang menujukan nominal 1/100 % sebagai contoh AISI-SAE 1045 menunjukan kadar karbon 0,45 %. Menurut SNI 2002, baja struktur dapat dibedakan berdasarkan kekuatannya menjadi beberapa jenis, yaitu BJ 34, BJ 37, BJ 41, BJ 50, dan BJ 55. Besarnya tegangan leleh (fy) dan tegangan ultimit (fu) berbagai jenis baja struktur sesuai dengan SNI 2002, disajikan dalam tabel dibawah ini : Tabel 2.1 Kuat tarik batas dan tegangan leleh Macam Baja St 34 St 37 St 41 St 44
(kg/cm2)
St 50 2900 St 52 3600 St 55 4100 Sumber : SNI 2002 2.4.2 Sifat Mekanis
Sifat-sifat mekanis dapat dilihat dari suatu percobaan tarik Akan terjadi : NL Perpanjangan : L E A N Tegangan : A L Regangan : L Keterangan : N = Gaya aksial (kg/cm2) L = Panjang semula (cm) A = Luas penampang (cm2) E = Modulus Elastisitas (kg/cm2) (Hannis Burhan, 2007) Sifat-sifat bahan teknik perlu diketahui secara baik, karena bahan tersebut dipergunakan untuk berbagai macam keperluan dalam berbagai keadaan. Menurut (Saito, dan Surdia, 2005), sifat mekanis logam adalah kemampuan logam untuk menahan beban yang dikenakan padanya, baik pembebanan statis maupun pembebanan dinamis.Pembebanan statis adalah pembebanan yang besar dan arahnya tetap setiap saat. Pembebanan dinamis adalah pembebanan yang besar maupun arahnya berubah setiap saat.
(kg/cm2) 2.4.3
2100 2400 2500 2800
5000 5200 5500
3400 3700 4100 4400
Faktor Safety)
Keamanan
(Factor
of
Faktor keamanan n adalah faktor yang digunakan untuk mengevaluasi keamanan dari suatu elemen mesin (Achmad, 1999). 3
Analisis faktor keamanan banyak digunakan pada proses membandingkan antara tegangan dengan kekuatan untuk menaksir angka keamanannya. Cara menentukan faktor keamanan adalah:
n=
Fi jin
=
Tabel 2.2 Faktor Keamanan Berdasarkan Tegangan Luluh Nilai No. keamanan, n
σ i jin
1,25+1,5
Untuk bahan yang sesuai dengan penggunaan pada kondisi terkontrol dan beban tegangan yang bekerja dapat ditentukan dengan pasti.
1,5+2,0
Untuk bahan yang sudah diketahui dan pada kondisi lingkungan beban dan tegangan yang tetap dan mudah ditentukan dengan mudah.
2,0+2,5
Untuk bahan beroperasi lingkungan dan beban tegangan ditentukan.
2,5+3,0
Untuk bahan getas di bawah kondisi, lingkungan beban dan tegangan dapat ditentukan.
3,0+3,5
Untuk bahan belum diuji yang digunakan pada kondisi lingkungan, beban dan tegangan rata-rata atau untuk bahan yang sudah
F σ (Harahap, 2000) Keterangan:
1.
Fijin = Beban yang diijinkan, kg F = Beban yang bekerja, kg σ ijin = Tegangan yang diijinkan, σ = Tegangan yang bekerja Faktor keamanan dipilih untuk memastikan tegangan yang diijinkan tidak melebihi ukuran batas tegangan untuk material, tetapi pertimbangan secara umum akan mempengaruhi nilai faktor keamanan tersebut. Yang mempengaruhi adalah : a. Sifat dari material itu sendiri dan spesifikasi keandalannya. b. Sifat pembebanan (sifat mampu beban) c. Sifat ketahanan material dari korosi d. Kemungkinan dampak dari pengerjaan pemesinan. e. Akibat kegagalan (kelelahan) material pada waktu proses pembentukan. Untuk komponen mesin yang mengalami beban bervariasi terus-menerus, maka faktor keamanan dihitung berdasarkan ketahanan lelah bahan yang digunakan. Menurut pendapat J. P. Vidosic dalam Achmad, angka keamanan disesuaikan berdasarkan tegangan luluhnya. Berikut ini adalah angka keamanan menurut J. P. Vidosic: Menurut Achmad (1999), Berikut ini adalah nilai faktor keamanan menurut P. Vidosic (tabel 2).
2.
3.
4.
5.
Keterangan
yang pada biasa serta dapat
4
diketahui baik yang bekerja pada tegangan yang tidak pasti.
2.4.4 Jenis Pembebanan Pembebanan melintang merupakan gaya yang tegak lurus terhadap sumbu longitudinal dari benda. Pembebanan transversal menyebabkan benda untuk membengkok dan membelokkan dari posisi semula, dengan tegangan tarik internal dan tegangan tekan menyertai perubahan kelengkungan dari benda. Pembebanan melintang juga menginduksi gaya geser yang menyebabkan deformasi geser material dan meningkatkan defleksi melintang dari benda tersebut. Beban aksial berupa gaya collinear dengan sumbu longitudinal dari benda tersebut. Pasukan menyebabkan benda untuk baik peregangan atau memperpendek. Torsi beban berupa tindakan memutar yang disebabkan oleh sepasang eksternal diterapkan sama dan diarahkan kekuatan pasangan yang bekerja pada bidang sejajar atau oleh beberapa eksternal tunggal diterapkan pada benda yang memiliki satu ujung tetap terhadap rotasi.(Sumber:Wikipedia.org, Strenght of Material) 2.4.5 Profil Baja Terdapat banyak jenis bentuk profil baja struktural yang tersedia di pasaran. Semua bentuk profil tersebut mempunyai kelebihan dan kelemahan tersendiri. Beberapa jenis profil baja menurut AISCM bagian I diantaranya adalah profil IWF, tiang tumpu (HP), O, C, profil siku (L), dan profil T struktural.
Profil IWF terutama digunakan sebagai elemen struktur balok dan kolom. Semakin tinggi profil ini, maka semakin ekonomis untuk banyak aplikasi. Profil M mempunyai penampang melintang yang pada dasarnya sama dengan profil W, dan juga mempunyai aplikasi yang sama. (Sumber : Repository USU).
Gambar 2.11 Gambar Profil Baja Sumber : AISCM Handbook
III.
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Perencanaan Perencanaan pada rangka mesin pengering meliputi : 1. Rangka Rangka yang digunakan adalah profil L dengan dimensi 40 x 40 x 4 mm. Dimensi keseluruhan rangka adalah 2040 x 1540 x 820 mm
2. Las Parameter yang digunakan dalam sambungan las pada rangka adalah: - Las busur listrik arus AC 5
-
Jenis logam yang digunakan adalah St.37 karena merupakan baja karbon rendah. - Jenis kampuh las adalah las tumpul dengan kampuh V - Tebal las adalah 3 mm 3. Analisis Statis - Jenis Pembebanan yang digunakan adalah pembebanan terpusat pada satu titik - Gaya luar yang diberikan sebesar 1000 N. - Pemberian tumpuan pada rangka adalah pada kaki-kaki rangka. 3.2 Simulasi Simulasi merupakan kegiatan untuk memodelkan suatu sistem dengan suatu kondisi yang telah ditentukan dengan menggunakan bantuan komputer. Tujuan dari simulasi kali ini adalah untuk mengetahui karakteristik pengaruh hasil lasan terhadap kekuatan rangka dengan mendapatkan hasil simulasi dari pembebanan pada rangka tersebut. 3.2.1 Proses Pre-Processing Proses ini merupakan proses yang dilakukan sebelum pengujian (simulasi SolidWorks). Proses Pre-Processing meliputi, pemodelan, dan pembuatan mesh (meshing). Pemodelannya adalah rangka profil L yang disambung menggunakan sambungan las sudut dengan tebal 3 mm. Profil L yang disambung menggunakan las memiliki dimensi. Diberikan gaya luar sebesar 254,5 N/m dengan pembebanan merata. 3.2.1.1 Pembuatan Model Pembuatan model rangka profil L dalam simulasi ini digambar pada Software
SolidWorks 2010 dengan dimensi total keseluruhan rangka utama yaitu 2040 x 1040 x 820 mm.
Gambar 3.1 Rangka Utama
Panjang Rangka Batang Lebar Rangka Batang Tinggi Rangka Batang
3.2.1.2 Menentukan Pembebanan
= 2040 mm = 1540 mm = 820 mm
Studi
Analisis
Sebelum melakukan pengujian (simulasi), kita tentukan analisa pembebanan statis dalam simulasi. Dimana bisa menentukan tumpuan pada rangka tersebut sebagai acuan utama , memberikan gaya luar dengan pembebanan merata dan penentuan material yang digunakan adalah St 37. 3.2.2 Pembuatan Mesh Dalam pembuatan mesh sangat diperhatikan ukuran mesh dan jenis mesh yang digunakan, Semakin kecil ukuran mesh yang digunakan pada model, maka hasil yang didapati akan semakin teliti, tetapi membutuhkan daya komputasi dan waktu yang lebih lama dibandingkan dengan mesh yang memiliki ukuran lebih besar. 3.2.3 Solusi Dalam simulasi dicantumkan besaran, menjalankan analisis
tersebut akan perletakan dan yaitu dengan
6
menggunakan beban terpusat dan terbagi rata dan langsung di proses.
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Pembebanan pada Rangka 4.1.1 Pembebanan Merata Pada Rangka
3.2.4 Proses Post-Processing
Utama F
Proses lebih lanjut dan menampilkan hasil analisis yaitu : Tegangan dan Momen Defleksi Faktor keamanan Diagram momen dan gaya 3.3 Diagram Alir Simulasi Uraian langkah-langkah penelitian dapat dijabarkan ke dalam diagram alir penelitian pada gambar 3.2 sebagai berikut :
Gbr 4.1 Pembebanan Terdistribusi Merata
Panjang rangka =2,04 m Profil L = 0,04 m x 0,04 m x 0,005 m Massa jenis baja = 7800 kg / m3 Berat baja = Luas profil L x massa jenis baja = 0,04 m x 0,04 m x 7800 kg/m3 = 25,45 kg/m Gaya berat= berat baja x percepatan gravitasi = 25,45 kg/m x 10 m/s2 = 254,5 N/m Gaya terdistribusi merata diubah menjadi gaya terpusat (Q) Q = 254,5 N/m x 2,04 m = 519,18 N F 0 Penyelesaian : M 0 DBB
Gbr 4.2 Diagram Alir Penelitian
Gbr 4.2 Diagram Benda Bebas
7
F 0 0 FA FB 519,18 N
M 0 1 x A x 2 1 0 M 254,5 x x 259,59 x 2 254,5 2 0M x 259,59 x 2 254,5 2 M 259,59 x x 2 sehingga x0M 0 0 M q
FA FB 519,18 N
M 0 0 FB 2,04m 519,18 1,02m FB
529,56 259,59 N 2,04m
x 1,02 M 132,39 Nm x 2,04 M 0
Diagram Gaya Geser
Kemudian tentukan persamaan momen Maka : q
1/2x V Gbr 4.3 Diagram Gaya Geser
M x
Diagram Momen Bengkok
A=500 kg
q 254,5 N
m
x
q 254,5 x Maka :
F 0 0 A q V 0 259,59 N 254,5 x V V 259,59 N 254,5 x sehingga x 0 V 259,59 N x 1,02 V 0 x 2,04 V 259,59 N
Gbr 4.4 Diagram Momen Bengkok
Kemudian : Tegangan Maksimum yang didapat Dari Tabel Profil L dimensi 40 x 40 x 5 mm didapat y =1,17cm, I = 8,59 cm4. M y 13239 Ncm 1,17cm max max I 8,59cm 4
1803,21N / cm 2
8
Safety factor Tegangan izin Baja 1.0037 = 2750 N/cm2
n
σ izin 2750 N / cm 1,52 σ 1803,21N / cm 2 2
4.2 Hasil Simulasi Rangka 4.2.1 Hasil Tegangan Tegangan yang terjadi akibat pembebanan yang diberikan pada rangka utama adalah 2195,2 kg/cm2 yang ditunjukkan pada gambar.
Gbr 4.5 Hasil Simulasi Tegangan Maksimum
4.2.2 Hasil Simulasi pada Deformasi Deformasi maksimum yang terjadi akibat pembebanan yang diberikan pada rangka tersebut adalah 5,26 mm dan deformasi minimum sebesar 1 mm yang ditunjukkan pada gambar.
4.2.3 Hasil dari Safety Factor Safety faktor yang terjadi akibat beban yang diberikanpada rangka pemegang kolimator adalah seperti terlihat pada gambar. Dari hasil analisis dapat dilihat bahwa safety faktor maksimal 3 dan safety faktor minimal 1 didapat sebesar 1,28. Hal ini dapat diartikan desain rangka yang digunakan sangat aman untuk menerima beban statik.
Gbr 4. Hasil Simulasi Safety Factor
4.2.4 Hasil dari Momen Maksimum Berdasarkan simulasi rangka didapat momen maksimum sebesar 3,53 x 104 kgcm dan momen minimum sebesar -2,858 x 103 kgcm setelah dilakukan pembebanan merata pada kondisi statis.
Gbr 4.6 Hasil Simulasi Deformasi Gbr 4.7 Hasil Simulasi Momen
9
V.
Kesimpulan
5.1 Kesimpulan Dari hasil simulasi tentang analisis pembebanan terhadap rangka mesin pengering maka didapat diambil kesimpulan sebagai berikut : 1. Rangka Dimensi Total = 2040 x 1040 x 820 mm Jenis Profil = Profil L Dimensi Profil L = 40 mm x 40 x 4 mm 2. Hasil Simulasi dari Analisis Pembebanan secara Keseluruhan a. Tegangan Maksimum = 2195,2 kg/cm2, kurang dari tegangan izin Baja St.37 sebesar 2750 kg/cm2 berarti baja pada rangka tersebut aman dan layak digunakan. b. Faktor keamanan pada rangka didapat 1,28 c. Deformasi akibat perubahan panjang setelah disimulasi didapat 5,26 mm. d. Momen maksimum didapat 3,53 x 104 kgcm
DAFTAR PUSTAKA 1.
AISCM Handbook
2.
Burhan, Hannis. 2007. SI-322 Struktur Baja I. Penerbit ITB Groover.P Mikel. 2001. Automation, Production Systems, and Computerintegrated Manufacturing. Edisi 2. Prentice Hall. R.E. Smallman.1991. Metalurrgi Fisik Modern, Jakarta: PT. Gramedia. Rohyana, S. 1999. Pengetahuan dan Pengolahan Bahan SMK Kelompok Teknologi dan Industri. Bandung: Humaniora Utama Press (HUP) Saito, S., & Surdia, T. 2005. Pengetahuan Bahan Teknik. Jakarta: Pradnya Paramita Strength Of Materials, diakses dari http://en.wikipedia.org/wiki/Strength _of_materials.html pada tanggal 1 Januari 2015. Zainun, Achmad, 1999. Elemen Mesin 1. Bandung : Refika Aditama.
3.
4. 5.
6.
7.
8.
5.2 Saran 1. Untuk mendapatkan suatu rangka yang aman dan layak untuk digunakan maka perlu adanya faktor keamanan dan tegangan maksimum yang dapat menjadi acuan dalam memberikan suatu pembebanan pada rangka. 2. Perlu adanya penyesuaian pembebanan pada rangka. 3. Dengan adanya simulasi dengan penggunaan software maka waktu yang dibutuhkan untuk analisis statis relatif lebih cepat dan waktu yang singkat.
10
