BAB II. Kelapa Sawit. Sumber : PTPN IV. TBS. Universitas Sumatera Utara

BAB II I TIN NJAUAN PUSTAKA P

2.1 Tinjau uan Umum m Pengolahaan buah keelapa sawit yang lazim m disebut dengan tanndan buah segar (TBS) dim maksudkan untuk mem mperoleh minyak m sawitt dari daginng buah dan inti sawit darri biji. Perrlakuan terrhadap tan ndan buah segar muulai dari panen, p transportaasi, dan pro oses pengollahan di paabrik akan menentukaan kuantitass dan kualitas minyak m yang g akan dihassilkan.

Gambar 2.1 Skem ma proses Pengolahan P Kelapa Saw wit Sumber : dimodifika asi dari Birro Perencan naan, Peng gkajian dann Pengemba angan PTPN IV. dapat diagraam alir proses pengolah han buah saawit yang teerbagi Pada gambbar 2.1 terd menjadi beberapa b baagian secaraa umum. Pada dasarny ya proses ppengolahan TBS menjadi minyak m dan inti sawit dapat dibag gi dalam beeberapa stassiun, antaraa lain:

Universitas Sumatera Utara

Stasiun Penerimaan Buah, Stasiun Perebusan (Sterilizing Station), Stasiun Penebahan (Threshing Station), Stasiun Pengempaan (Pressing Station), Stasiun Klarifikasi (Clarification Station), Stasiun Kernel (Kernel Station). 2.2 Stasiun Pengempaan (Pressing Station) Pada stasiun pengempaan terdapat dua unit sistem yang memegang peranan dalam satuan operasi pengolahan kelapa sawit yang terdiri atas mesin digester dan mesin screw press. Instalasi digester dan screw press pada pabrik pengolahan kelapa sawit dapat dilihat pada gambar 2.2. 2.2.1 Pengadukan (Digester) Digester berasal dari kata dasar “digest” yang berarti mencabik, jadi yang dimaksud dengan mesin digester adalah suatu mesin yang digunakan untuk mencabik sambil mengaduk, dalam hal ini yang diaduk adalah buah sawit yang lepas (rontok) setelah melewati stasiun threshing , dilumatkan dengan cara menyayat-nyayat daging buah dan diaduk dalam ketel adukan (digester). Buah dapat hancur akibat adukan pisau-pisau stirring arm sehingga buah dapat bergesekan dengan dinding digester, yang mana prosesnya dibantu oleh uap (steam) yang berasal dari Back Preassure Vessel (BPV) dengan suhu 115 0C dengan cara injeksi uap bertekanan 3 kg/cm2. Pengadukan berlangsung selama 30 menit, baru pintu pengeluaran di buka, minyak yang mulai keluar dari bottom bearing ditampung ditalang minyak untuk selanjutnya di kirim ke vibrating screen. Setelah sampai pada tingkat terbawah maka buah selanjutnya di kirim oleh expeller arm ke bagian chute untuk selanjutnya diperas minyaknya di screw press yang berupa lumatan buah sawit yang disayat-sayat dimana struktur jaringan buah telah rusak dan membuka sel sel yang mengandung inti minyak, daging buah (pericarp) pecah dan terlepas dari biji (nut), serat –serat buah harus masih jelas kelihatan dan bersifat homogen. Proses pengadukan maupun pemotongan yang harus dijalani oleh daging buah untuk memperoleh minyak secara maksimal merupakan proses yang cukup penting untuk dimengerti hakikatnya dengan baik, yaitu dari proses pengadukan untuk mendapat perhatian dan pengawasan dalam proses pengolahannya.


Gambar 2.2 2 Instalassi Digester dan Screw press pada Pabrik Penngolahan Kelapa K Sawit. Secara um mum, buah kelapa saw wit terdiri dari d daging g buah, canngkang, dan n inti. Tebal dagging buah dari d buah yyang cukup p baik atau u normal bberkisar anttara 2 hingga 8 mm m sesuai dengan d ukurran buahnyaa. Tujuan utaama dari prroses pengaadukan adallah untuk mempersiapk m kan daging buah untuk di-ppress, sehin ngga minyaak dengan mudah dap pat dipisahk hkan dari daging buah denngan kerug gian yang sekecil-kecilnya. Un ntuk mencaapai tujuan n itu diperlukann syarat-syaarat sebagai berikut : a. Pengaddukan haru us menghassilkan pemerasan/cincangan yangg baik sehingga dagingg buah terleepas seluruhhnya dari biijinya dan tiidak boleh aada lagi terrdapat buah yang y utuh, dimana d dagging buah masih m melekaat pada bijinnya. b. Pengaddukan harus menghasillkan massa yang sama rata. c. Dagingg buah tidaak boleh terremas terlallu lumat meenjadi bubuur, harus tampak struktuur serabut dari d daging bbuah.


Penelitiann terhadap syarat-syara rat diatas adalah a pentting sekali, sebagian besar diperoleh dari pengllihatan dann pengamattan minyak k yang kelluar dari bejana b pengadukaan. Jangka waktu peengadukan yang dialaami oleh ddigester seb belum dikempa atau a di-presss juga meerupakan faktor yang cukup c pentting untuk dapat memenuhii syarat-syaarat pengaddukan yang g baik. Semakin bannyak isian suatu digester maka m semak kin lama buuah teraduk k sebelum masuk m ke sccrew press. Jadi gabungan kedua faktor diatas daapat disimpulkan bahw wa isian diggester dan jaangka waktu pengadukan harus diusaahakan sejauh mungk kin untuk dipenuhi secara s simultan. 2.2.2 Penggempaan (P Presser) Pengempaaan bertuju uan untuk mengambiil minyak dari adukaan hasil output o digester, dimana d buaah-buah yanng telah diaduk secara bertahap dengan bantuan pisau-pisaau stirring arm a di digeester dimassukkan ke dalam d feed screw conveyor dan menddorongnya masuk m ke ddalam mesin n pengempa (twin scrrew press). Pada gambar 2.3 dapat dilihat model w worm screw w press.

Gambar 2.3 2 Model Screw S presss yang digun nakan pada Pengolahann Kelapa Saawit Oleh karenna adanya tekanan t screew yang dittahan oleh cone, c massaa tersebut diiperas sehingga melalui m lub bang-lubangg press cag ge minyak dipisahkan d dari serabu ut dan biji. Hasil yang keluaar dari pros es berupa ampas a dan biji b yang seelanjutnya masuk m ke Cake Bake Convveyor dan m minyak kassar yang masih m menggandung ko otoran seperti pasir, serat-seerat dan air yang selanj njutnya akan n melewati tahap klarifikasi ank untuk m memisahkan n pasir dari minyak kaasar yang beerasal berupa Saand Trap Ta dari screw w press dan Vibrating SScreen untu uk memisah hkan serat-sserat dari minyak


kasar tersebut dan selanjutnya dikirim ke Crude Oil Tank sebagai tangki penampungan minyak kasar.

Hal-hal yang perlu diperhatikan dalam proses pengempaan ini antara lain: a. Ampas kempa (press cake) harus merata keluar di sekitar konus b. Tekanan hidraulyc pada kumulator 30-40 kg/cm2 c. Bila screw press harus berhenti pada waktu yang lama, screw press harus dikosongkan. d. Tekanan kempa yang terlalu tinggi akan mengakibatkan persentase inti pecah bertambah dan kerugian inti bertambah. e. Tekanan kempa yang terlalu rendah akan mengakibatkan cake basah, looses pada ampas, pemisahan ampas dan biji tidak sempurna, bahan bakar ampas basah sehingga pembakaran dalam dapur boiler tidak sempurna.

2.3 Tegangan Geser Pada Poros Perhitungan tegangan geser yang terjadi pada poros akibat torsi yang bekerja pada screw dari worm screw press dapat dilihat pada gambar 2.4.


Gambar 2.4. Deform masi pada poros p P Pada gambaar 2.4. terllihat torsi yang y bekerj rja pada ujuung poros bulat padat, serrat AB yan ng semula llurus akan memuntir menjadi heeliks AC karena k poros punntir sebesar  . Sehinggga deformassi total  s  sama denggan DE. Panjang deformasi ini adalah busur lingkkaran dengaan jari – jarri r dan berrhadapan deengan sudut  raadian, panjaang diberikaan oleh :

 s = DE = r 

(2-1)

Regangann geser satuaan

 =

s L



r L

(2-2)

Dengan peersamaan teegangan gesser dari hukum Hooke :  G   r  L 

  G  

(2-3)

Luas pennampang diferensial d M-N padaa jarak rad dial r darri sumbu poros menghasillkan beban tahanan t dife ferensial dP =  dA. Dengan koondisi keseiimbangan sttatis

M = 0 Dimana toorsi yang beekerja sama dengan torsi tahanan dari d poros (T Tr).


 r dP   r (

T = Tr =

dA)

(2-4)

Subtiusi dari persamaan (2-4) sehingga T=

G r 2 dA L 

T=

G J L



r

2

dA  J

(2-5)

Dengan mensubtitusikan persamaan (2-3) ke persamaan (2-5) diperoleh



Tr J



T .r r 4 2

 J=



r 4 2

2T r 3

Diperoleh rumus tegangan geser maksimun terhadap poros padat, yaitu :

 maks 

2T 16T  3  .r  .d 3

(2-6)

Momen inersia polar (J) untuk poros berongga, yaitu : J=

r

R 2

4

 r4



Sehingga rumus tegangan geser maksimun terhadap poros berongga, yaitu :

 maks 

16TD  D4  d 4





(2-7)

2.4 Kosentrasi Tegangan Suatu diskontinutas geometri dalam bentuk benda, seperti misalnya lubang atau takik, berakibat distribusi tegangan tak merata di sekitar diskontinuitas tersebut. Pada beberapa daerah di dekat diskontinuitas, tegangan akan lebih tinggi daripada tegangan rata – rata yang jauh letaknya dari diskontinuitas. Jadi, terjadi kosentrasi tegangan pada diskontinuitas, atau pembangkit tegangan (stress raiser). Gambar 2.5 memperlihatkan sebuah pelat dimana terdapat lubang sirkular yang mengalami beban uniaksial. Kalau beban tidak ada, tegangan akan terbagi rata pada penampang melintang pelat. Karena ada lubang, distribusi itu sedemikian rupa, sehingga aksial mencapai harga tinggi pada tepi lubang dan turun dengan cepat semakin jauh dari lubang.


Gambar 2.5 2 Distrib busi tegangaan akibat (a) lubang sirrkular dan ((b) lubang eliptis e horizontall (c) lubang eliptis vertiikal (Shigleey, 2004). 2.5 Faktoor Kosentra asi Teganggan Koosentrasi teg gangan dinyyatakan den ngan faktor kosentrasi k ttegangan teo oritis, dengan teegangan nominal, ataas dasar penampang p sesungguhhnya, sekaalipun sementaraa ilmuwan memakai harga teg gangan nom minal atass dasar seeluruh penampanng melintang g pada daerrah dimana tidak t terdap pat kosentraasi tegangan n. Kt 

 maaks  no min m al

(2-8) (

Pada dasarrnya kosenttrasi teganggan terjadi akibat tiga beban yaitu : (a) Beeban lentur Dengan ruumus tegang gan yang di gunakan :

 nom 

Mc I

(b) Beeban aksial Dengan ruumus tegang gan yang di gunakan :

 nom 

P A

(c) Beeban puntir Dengan ruumus tegang gan yang di gunakan :

 nom 

Tc J


Diagram faktor kosentrasi tegangan dapat dilihat pada gambar 2.6. Pada skripsi ini kosentrasi tegangan yang terjadi akibat beban puntir, dengan momen inersia polar (J) untuk poros berongga J 

 32

( D 2  d 4 ) . Maka tegangan geser nominal

dihitung dengan persamaan :

 nom 

16TD  (D4  d 4 )

Disamping menyebabkan kosentrasi tegangan, sebuah takik juga menimbulkan kondisi tegangan biaksial atau tegangan triaksial setempat. Umpamanya, untuk lubang sirkular dalam pelat dimana bekerja beban aksial, ditimbulkan baik tegangan radial maupun tegangan membujur. Tegangan yang ditimbulkan dalam sebuah pelat yang lebar tak terhingga dan dimana terdapat beban sirkular dan dibebani aksial, dapat dinyatakan sebagai (Hutton, 2004):

r     



a2    a4 a2  1  2   1  3 2  4 2  cos 2 r r  2 r  2



a2    a4  1  2   1  3 2  cos 2 r  2 r  2

(2-9)



a4 a2  1  3 2  2 2  sin 2 r r  2


Gambar 2.6 Faktor kosentrasi tegangan. (a) ( beban lentur, (b) bbeban aksiaal, (c) beban punntir (Harsok koesoemo,19990). Penelitiann terhadap tegangan inni memperrlihatkan baahwa

tegaangan makssimun

terjadi di titik t A, bilam mana θ = π//2 dan r = a. a Untuk hal ini (Huttonn, 2004)

   3   maks

(2-10)

Dimana σ = tegangaan tarik ratta – rata yaang terdapat pada ujunng pelat. Deengan demikian faktor koseentrasi teganngan teoritis untuk pelat dengann lubang sirrkular sama denggan 3. Mem mpelajari peersamaan in ni lebih lan njut tampakk bahwa σθ = -σ


untuk t = a dan θ = 0. karena itu, kalau pada pelat bekerja tegangan tarik, muncul tegangan tekan yang sama dengan besarnya pada tepi lubang di titik B dalam arah tegak lurus pada sumbu beban dalam bidang pelat. Hal lain yang menarik perahatian dan yang memiliki pemecahan analitis untuk kosentrasi tegangan, ialah hal lubang eliptis kecil pada sebuah pelat. Gambar 2.5 memperlihatkan geometri lubang. Tegangan maksimun pada lubang diberikan oleh persamaan 2-11 (Hutton, 2004).  

a b

 maks   1  2 

(2-11)

Persamaan (2-11) memperlihatkan bahwa tegangan bertambah besar dengan perbandingan a/b. Karena itu, lubang yang sangat sempit, seperti retak misalnya yang tegak lurus pada daerah arah tarik, akan berakibat tegangan yang sangat tinggi. 2.6. Metode Penentuan Kosentrasi Tegangan 2.6.1. Photoelastis

Suatu metode yang sangat dapat diandalkan dan banyak dipakai untuk mencari tegangan pada suatu titik adalah metode photoelastis (photoelastisity). Suatu bahan tembus sinar yang mempunyai sifat membias secara ganda, bila diberi tegangan, dipotong dalam bentuk yang sama seperti bagian mesin yang diinginkan akan menerima tegangan tersebut. Model tersebut diletakkan pada suatu rangka pembebanan, dan suatu berkas sinar polarisasi diarahkan pada model tersebut menuju pelat atau layar photograf. Bila model diberi beban, sinar berwarna yang berasal dari titik – titik tegangan maksimun akan meminggir, dan apabila bahan tersebut dinaikkan, berkas sinar berwarna tersebut akan bergerak dari sisi bayangan ke arah titik pusat. Suatu tegangan tertentu dikaitkan dengan setiap peminggiran warna tersebut sehingga seorang dapat mencari tegangan pada sisi hanya dengan menghitung peminggiran warna dari awalnya tadi.


Kosentrasi ttegangan Pada fillet

Wr

uatu roda gigi g didapat at melalui proses p Gambar 2.7 Distribusi tegangaan dalam su photoelasttis (Hutton, 2004). Gaambar 2.7 adalah ssuatu gamb bar, yang diambil dengan metode m photoelasttis, berupa peminggiran p n sinar padaa roda gigi dari d roda giigi yang dib bebani oleh gayaa Wr . Pemu usatan tegaangan terjad di pada titik k dimana ggaya bekerjaa dan juga pada kedua jari – jari kelenggkungan (fillet) pada ak kar dari giggi tersebut. 2.6.2

Meetode Elem men Hinggaa

Teknik inni sangat mujarab m dann merupakaan suatu cara pendekkatan baru yang dimungkinnkan oleh kemajuan bbidang kom mputer. Elemen hinggga tersebut biasa berupa gaaris, segitigaa, atau setiaap bentuk geometri. g Anggota yanng akan dian nalisa pertama – tama dibaagi menjadii sejumlah elemen terrhingga yanng banyak, yang mungkin dari bebeerapa ukuraan yang berbeda. b Dimulai D daari diketahuinya pembebannan dan kon nsfigurasi daaerah batas (boundary configuratiion) dan keendala – kendala (constraintt), suatu anaalisa kompu uter dibuat dan diiteraasi sampai semua s kondisi teerpenuhi. Peenggunaan m metode ini memerlukaan pengetahhuan matem matika matrik dann elastisitas linier dan kkebiasaan dengan d suatu u bahasa koomputer. Gambar 2.8 2 bagaim mana metodde ini dipak kai untuk menganalisa m a tegangan pada pelat yangg menerima beban akksial. Dapaat dilihat bahwa teganngan maksiimum berangsur – angsur berkurang bila menjaauh gaya F dan koseentrasi tegaangan terdapat juuga pada sissi lingkarann.


G Gambar 2.8 8 Analisa teegangan pad da pelat metode elemenn hingga 2.6.3 Mettode Intuisif Adalah sangat penting bagi perenncanaan un ntuk mengem mbangkan ssuatu “rasa”” akan pemusatann tegangan tersebut m muncul dan n apa yang g harus dilaakukan ataas hal tersebut. Perasaan P seeperti ini juuga akan membantu m dalam d meraamalkan Kt dari diagaram atau dalaam menakssir faktor pemusatan tegangan apabila sarana s percobaann tak mungk kin dipakai. Annalogi aliran n mungkin aadalah satu – satunya cara c dalam m menggambarkan pemusatann tegangan tersebut. G Gambar 2.9aa menunjuk kkan suatu bbatang rata yang diberikan tegangan, dan d gaya diigambarkan n seperti meengalir melaalui batang. Jadi setiap gariis aliran dallam gambarr tersebut mewakili m bessar gaya terttentu, dan karena k batang adaalah merataa, garis aliraan tersebut jaraknya saama. Pada ggambar 2.9b b kita beri takikaan pada bataang untuk m menunjukkaan kenaikan tegangan. PPada penam mpang yang jauhh dari takikaan tersebut akan berjaarak teratur sama sepeerti gambar 2.9a. Begitu garris – garis ini i mendekaati takikan, akan lebih banyak meelengkung dalam d usahanya mendekati bukan yanng terhambaat tersebut. Kepelikann dari pemu usatan i berbandiing lurus deengan jumlaah lengkung gan dari gariis arus. tegangan ini

Gambar 2.9 Garis aliran dalam m menggam mbarkan pem musatan teggangan (a) tanpa takikan (bb) dengan takikan (Shiggley, 2004)


Kegagalann yang paliing sering terjadi pad da bagian mesin m yang berputar adalah a kegagalann karena kellelahan darii poros. Baantalan, rodaa gigi, dan bagian – bagian b lain harus duduk pad da suatu bahhu, dan pad da dasar bahu inilah ke kegagalan teerjadi. mbar 2.10 ditunjukkan bbentuk gariis aliran. Un ntuk mendaapatkan harrga Kt Pada gam yang renddah maka jarri – jari keleengkungan r harus besaar, tetapi biiasanya r dib batasi oleh perenncanaan baagian tersebbut. Kt yan ng lebih kecil dapat ddengan mem mbuat potongan di bawah bahu b (Gambbar 2.10b). Pada Gam mbar 2.10d takikan perrtama haruslah lebih dalam m dari takkikan keduaa, tetapi diameter paada alas takikan haruslah sedikit s lebih h besar. Daapat dilihat bahwa pem motongan taambahan takikan sering sanngat efektif dalam d menggurangi pem musatan tegaangan.

2 Sebuah h poros berb rbahu dalam m lenturan. (a) ( Perencannaan biasa; (b-d) Gambar 2.10 Perbaikann rencana un ntuk mengurrangi besar pemusatan (Shigley, 22004). 2.7 Teorri – Teori Kegagalan K Unntuk mengaaji kekuatann suatu maaterial solid sebagai akkibat dari beban b luar yangg bekerja, akan a membbutuhkan pemahaman p terhadap bbeberapa aspek. a Aspek – aspek a terseebut adalah tegangan, regangan dan d peminddahan, hubu ungan tegangan dan d regangaan, tegangann – tegangaan utama dan n teori kegaagalan. Pembahasan aspek a diataas dikaji den ngan mengaambil beber erapa asumssi dan pertimbaggan bahwa material m sollid adalah kontinue, k ho omogen, dann isotropis, yang berarti prooperti elastik k adalah sam ma untuk kee segala araah.


Ketika komponen dibebani maka akan terjadi tegangan unaksial, yang mana tegangan dan kekuatan dapat langsung dibandingkan untuk menentukan faktor keamanan, atau menyelidiki kapan komponen rusak. Metode ini dapat digolongkan sederhana, karena hanya ada satu tegangan dan hanya ada satu nilai kekuatan, apakah itu kekuatan luluh, kekuatan ultimate, kekuatan geser atau lainya sebagai pendekatan. Pada perancangan elemen mesin terdapat dua bentuk kegagalan yang terjadi, yaitu Kegagalan Statis dan Kegagalan Dinamis. 2.7.1 Kegagalan Statis

Suatu beban statis adalah suatu gaya atau momen yang bekerja secara diam pada suatu bagian mesin. Supaya diam, gaya atau momen tersebut haruslah mempunyai besaran yang tidak berubah, titik tangkap tidak berubah, dan arahnya tidak berubah. Suatu beban statis bisa berupa gaya tarik atau gaya tekan aksial, beban geser, beban lentur, atau berupa gabungan dari beban tersebut. Permasalahan akan bertambah kompleks jika tegangan adalah biaksial atau triaksial. Dalam beberapa kasus ada tingkatan dari tegangan, tetapi hanya ada satu kekuatan yang menentukan. Untuk menentukan kekuatan itu ada beberapa teori yang umun dipergunakan yaitu : Teori Tegangan Normal Maksimum, Teori Regangan Normal Maksimum, Teori Energi Distorsi Maksimum. 1. Teori Tegangan Normal Maksimum

Teori

ini

menyatakan

bahwa

setiap

kombinasi

tegangan

yang

menghasilkan tegangan normal utama terbesar yang melebihi tegangan-batas yield σy akan menyebabkan komponen mengalami yield . Tegangan normal utama terbesar terjadi dalam sebuah komponen mesin menentukan kekuatan komponen mesin. Jika tegangan-batas yield untuk tarik Syt berbeda untuk tegangan-batas yield untuk tekan Syc , maka beberapa keadaan tegangan dalam gambar 2.11 menunjukkan keadaan tegangan seperti yang ditunjukkan oleh lingkaran Mohr yang tepat mengakibatkan komponen mesin mengalami yield.


Gambar 2.11 Diaagram Moohr untuk beberapa kondisi menunjukkkan

terjad dinya

yield ld

pada

teori t

tegan ngan

tegangan yang

norm mal

maksiimum

(Harsokoeesoemo,1990). Dari gambar 2..11 dapat ditarik keesimpulan bahwa keaadaan tegangan yang sebag gian dari linngkaran Mo ohr-nya terlletak diluarr dua buah garis vertikal yang y melaalui Syt daan Syc ad dalah keadaaan teganggan yang telah mengakibaatkan komp ponen menggalami yield d. Reepresentasi grafik yaittu dari teorri tegangan n normal m maksimum untuk u keadaan teegangan duaa dimensi ddiperlihatkan n pada gamb bar 2.12


ori tegangaan normal maksimum pada kkoordinat σ1-σ2 Gambar 2.12 Teo (Harsokoeesoemo,1990) Paada diagram m di atas suaatu keadaan n tegangan digambarkaan oleh satu u titik yang mem mpunyai koordinat σ1, σ2, yaitu teegangan utaama dari keeadaan tegaangan dua dimeensi tersebu ut tadi. Keedua tegan ngan terseb but dapat ddihitung deengan persamaann :

 1 , 2 

 x  y 2

  x  y    2

2

    yx2 

Keadaan tegangan dua d dimennsi yang menyebabka m an kegagalaan yield adalah a keadaan teegangan pad da gambar 22.12 berupaa sebuah titiik yang terleetak di luarr segiempat. wa teori teegangan norrmal maksiimum Daari hasil peercobaan terrnyata bahw ternyata cocok untuk k material yyang getas atau a brittle kecuali keaadaan hidro ostatik yang dalam m kenyataaannya hargaa tegangan hidrostatik beberapa kkali lipat Syty atau Syc masih dapat ditah han oleh matterial tanpa yielding ataau patah.

Teori tegaangan

normal maaksimum ternyata tidakk cocok untuk material yang ulet.


gan Geser M Maksimum m 2. Teeori Tegang Teeori tegangaan maksimuum menyataakan bahwaa setiap kom mbinasi keaadaan tegangan dua dimen nsi yang teegangan gesser maksim mumnya meelebihi tegaangan d. Besar teegangan yieeld τy geser bataas yield τy mengakibaatkan kegaagalan yield ditentukann dari uji tarrik standar ddan τy = ½ σy . Paada gambarr 2.13 ditun unjukkan tig ga keadaan n tegangan yang lingkaran Mohr-nyaa tepat men ngakibatkann keadaan yield. y Kead daan teganggan dua dim mensi yang sebaagian dari liingkaran M Mohr-nya terrletak di luaar garis sejaajar menand dakan bahwa keeadaan tegaangan dua dimensi tersebut t tellah menyebbabkan maaterial mengalam mi kegagalan n yield.

Gambar 2.13 2 Prinsipp diagram Mohr M (Harso okoesoemo, 1990)

Gambar 2.14. Ilustrrasi teori teegangan gesser maksim mum pada kkoordinat σ1 - σ2 (Harsokoeesoemo,1990)


Representtasi teori teg gangan geseer maksimu um pada diaagram σ1 - σ 2 adalah seeperti yang ditunnjukkan pad da gambar 22.14. Segi-eenam pada gambar 2.114 diperoleh h dari 3 buah peersamaan teg gangan ges er maksimu um dan keaadaan tegang ngan dua dim mensi dalam arahh tegangan utama σ1 > σ2 > 0 dan σ3 = 0

 maks   maks   maks 

1  2 2

1  3 2

 2  3 2

 y



1



2

2

2

 y

 y

Gambar 2.15 Representasi eleemen dari keadaan tegangan paada titik O. O (a) Elemen orriginal; (b) prinsip p elem men; (c) bid dang 1-2; (d) bidang 1-33; (e) bidan ng 2-3 (Harsokoeesoemo,1990).


Secara umum m teori teggangan geser maksimum, mempprediksi yieelding

ketika :

 maks 

1   3 2



Sy atau σ1 - σ 3 ≥ Sy 2

(2.12) (

uai gambar 2.14, dipeeroleh Persamaann tegangan bidang unntuk setiap kasus sesu dengan peersamaan :

Kaasus 1 : σA ≥ σB ≥ 0. Pada kasu us ini, σ1 = σA = 0. Seesuai persaamaan

(2.12) diperoleh yield d (Shigley, 22004) σA ≥ Sy

(2.13) ( Kaasus 2 : σA ≥ 0 ≥ σB. D Disini, σ1 = σA dan σ3 = σB , sehiingga persaamaan

(2.12) mennjadi (Shiglley, 2004) σA – σB ≥ Sy

(2.14) (

Kaasus 3 : 0 ≥ σA ≥ σB . untuk kasu us ini, σ1 = 0 dan σ3 = σB , sehingga persamaann (2.12) men njadi (Shiglley, 2004) σB ≥ -Sy

Gambar 2.16

(2.15) (

Diaagram Mohhr representtasi dari tiiga keadaann tegangan n tiga

dimensi paada titik O (Harsokoes ( oemo,1990)


Dari hasil percobaan ternyata bahwa teori tegangan geser maksimum cocok untuk material yang liat atau ductile. 3. Teori Energi Distorsi Maksimum

Bersamaan dengan terjadinya tegangan dalam elemen volume terjadi juga regangan dan energi regangan dalam elemen volume tersebut. Pada elemen utama, tegangan dan regangan tersebut adalah : σ1 , σ2 dan σ3 e1 , e2 dan e3 sedangkan energi regangan total persatuan volume adalah :

1 1 1 U   1e1   2 e2   3 e3 2 2 2 Yang ditulis sebagai berikut (Harsokoesoemo,1990) :

U

1  ( 12   22   32 )  ( 1 2   1 3   2 3 ) 2E E

(2.16)

Keadaan tegangan utama σ1 , σ2 dan σ3 dapat dianggap terdiri dari keadaan seperti pada gambar 2.17.


um (Harsokkoesoemo,19 990) Gambarr 2.17 Teori umum disttorsi tegangan maksimu

Ketiga teggangan padaa keadaan teegangan perrtama masin ng-masing aadalah :

1 3

 ave  ( 1   2   3 ) Dari hubuungan tegang gan-regangaan σ1 = Ee1 , σ2 = Ee2 dan d σ3 = Eee3 maka regaangan yang ditim mbulkan oleh σave adalaah :

1 eave  (e1  e2  e3 ) 3


Perubahan volume per satuan volume untuk keadaan tegangan (σ1 , σ2 , σ3) adalah (Harsokoesoemo,1990):

ev 

(1  e1 )dx (1  e2 )dy (1  e3 )dz  d x d y d z

(2-17)

dxd ydz

Atau, jika produk e1e2 , e1e3 , e2 e3 dan e1e2e3 diabaikan karena kecil dibandingkan e1 , e2 dan e3 : ev  e1  e2  e3 Perubahan volume per satuan volume pada keadaan tegangan (σave , σave , σave) adalah (Harsokoesoemo,1990) :

ev 

(1  eave )dx(1  eave )dy (1  eave )dz  d x d y d z

(2-18)

d xd yd z

atau

 ev  eave  eave  eave  3eave

 3

1 e1  e2  e3   e1  e2  e3 3 Jadi ternyata ev = ev’ atau dengan kata lain perubahan volume persatuan

volume pada keadaan tegangan (σave , σave , σave) adalah sama dengan perubahan volume persatuan volume pada keadaaan tegangan (σ1 , σ2 , σ3). Kesimpulan selanjutnya ditarik bahwa keadaan tegangan (σ1 – σave , σ2 – σave , σ3 – σave ) tidak disertai dengan perubahan volume , yang terjadi pada perubahan bentuk elemen tanpa perubahan volume. Dengan kata lain hanya terjadi distorsi. Perubahan volume per satuan volume pada keadaan tegangan (σ1 – σave , σ2 – σave , σ3 – σave ) adalah : (e1 – eave ) + (e2 – eave ) + (e3 – eave ) = 0


Energi total persatuan volume U dapat dianggap terdiri dari energi perubahan volume persatuan volume UV dan energi distorsi per satuan volume Ud (Harsokoesoemo,1990): U = UV + Ud Ur = ½ σave eave + ½ σave eave + ½ σave eave = ½ σave ev

(2-19)

Perubahan volume per satuan volume ev : ev =

1 2v (σ1 + σ2 + σ3) E

yaitu dengan mensubtitusikan e1 =

1 (σ1 vσ2 - vσ3) E

Ke dalam persamaan ev  e1  e2  e3 . Perubahan volume per satuan volume dapat ditulis sebagai : ev =

3(1  2v) σave E Energi distorsi per satuan volume adalah selisih antara U dan Ur :

Ud = U – Ur

atau Ud =

1 3  2  12   22   32   1 2   1 3   2 3   (1  2 ) ave 2E 2E E





1 Dengan mensubtitusi  ave  ( 1   2   3 ) 3

(2-20)

ke dalam persamaan (2-20)

diperoleh persamaan (2-21) (Harsokoesoemo,1990):


Ud =



1   1   2 2   2   3 2   3   1 2 6E



(2-21)

Untuk keaadaan uniak ksial, maka : Ud =

1 v 1 3E

Gambar 2.18 Teg gangan uniiaksial rep presentasi dari d teori energi diistorsi (Harsokoeesoemo,1990) Teeori energi distorsi maaksimum menyatakan m bahwa b kom mbinasi tegaangan yang mennimbulkan energi e distroosi sama deengan energ gi distrosi uuniaksial σ1 = σy akan menyyebabkan kegagalan yiield. Untuk keadaan teg gangan uniaaksial yang gagal karena yieeld mempun nyai energi ddistrosi : Ud =

1 v y 3E

Keedaan

teg gangan

um mum

yan ng

gagal

karena

yield

adalah a

(Harsokoeesoemo,1990) : Ud =

1 v  1   2 2   2   3 2   3   1 2  1  v  y 6E 3E

atau

 1   2 2   2   3 2   3   1 2  2 y2

(2-22a)


Untuk keaadaan tegan ngan dua dim mensi σ3 = 0 , sehingga energi disstorsi maksiimum menjadi :

 12   1 2   22   y2

(2-22b)

Persamaann tersebut adalah sebuaah elips pad da diagram σ1 – σ2

Gambar 2.19 2 Teori tegangan geeser maksim mum oktaheedral direpreesentasikan n pada koordinat σ1 – σ2 (Haarsokoesoem mo,1990). Perbandinngan ketiga teori kegaagalan dalam m bidang σ1 – σ2 daapat dilihat pada gambar 2.20.


Gamba ar 2.20 Teoori kegagalan n (Harsokoesoemo,19990)

2.7.2 Kegagalan Din namis Beban diinamis adaalah suatu gaya yan ng bekerjaa pada koomponen mesin m menimbullkan tegang gan yang beerfluktuasi antara a bebeerapa harga.. Misalnya suatu serat terteentu pada permukaan p poros yan ng berputar diberi bebban lentur, akan mengalam mi kedua teg gangan tarikk dan tekan pada p setiap putaran darri poros terssebut. Kekuatan lelah suaatu bahan disusun dari d serang gkaian perrcobaan deengan pemberiann beban sampai s terjjadi kegag galan pada siklus ter ertentu, hassilnya digambarkkan dalam suatu benntuk kurva S-N (Kurrva Wohleer) seperti yang ditunjukkaan pada gam mbar 2.21. P Pada kurvaa S-N, tegan ngan (S) dippetakan terh hadap jumlah siiklus hingg ga terjadi kkegagalan, sedangkan n N adalahh jumlah siklus s tegangan yang meny yebabkan teerjadinya patah p sempu urna bendaa uji . Tegaangan yang dipetakan dap pat berupaa S a

(tegaangan bolaak-balik), Smaks

(tegaangan

maksimum m) dan Smin (tegangan m minimum). Menurut Dieter D (19866), nilai tegaangan


adalah teggangan nom minalnya deengan demik kian tidak terdapat t peenyesuaian untuk u konsentrassi tegangan.

Gaambar 2.21 1. Kurva S--N dari hasil pengujian Metode Staandar Uji F Fatik (Collin ns, pp. 375) Pada bajaa, siklus (N N) yang meelampaui batas b lelah (N > 107)), baja dian nggap mempunyyai umur taak terhinggga atau keg gagalan dip prediksi tida dak akan teerjadi, sedangkann untuk logam bukan bbesi (non ferrous) fe tidaak terdapat batas lelah yang signifikann, memiliki kurva S-N N dengan grradien yang g turun sediikit demi seedikit sejalan denngan bertam mbahnya jum mlah siklus. Tegangan pada spesim men di suattu titik terten ntu dengan tipe pembeebanan cantiilever ditentukann dengan rum mus berikutt (shigley, 1995): 1 Sc 

M cYc I zx

(2-23)

dimana: Sc = teganngan pada titik c di perm mukaan speesimen Mc = mom men pada titik c akibat bbeban pada spesimen Yc = jarakk maksimum m dari titik ppusat spesim men ke arah titik c padaa perm mukaan spesiimen Izx = mom men inersia polar p spesim men =

 64

dc

4

dc = diameeter pada tittik c spesim men Huubungan anttara kekuataan spesimeen akibat beeban dengann jumlah pu utaran sampai terrjadi patah lelah l sempuurna adalah::


S f  10 C N b

103 ≤ N ≤ 106

(2-24)

dimana : Sf = Kekuatan lelah (MPa) N = Jumlah siklus tegangan

0.8S ut 1 b   log 3 Se

C  log

0.8S ut 2 Se

Se = ka. kb. kd. ke. Se’

(Shigley, 1995)

dimana Se’

= batas ketahanan (endurance limit) dari spesimen = 0,504 (Sut)

Sut

= kekuatan tarik maksimum (MPa)

ka

= faktor permukaan

kb

= faktor ukuran

kd

= faktor suhu

ke

= faktor modifikasi terhadap pemusatan tegangan

Sebaliknya bila diketahui Sf

dan N yang dicari, maka persamaan (2-24)

menghasilkan

N  10 C / b S 1f / b

103 ≤ N ≤ 106

(2-25)

Kegagalan lelah disebabkan beban berulang (beban dinamis) atau perubahan struktur permanen, terlokalisasi dan progresif yang terjadi pada bahan yang dibebani dengan tegangan/regangan fluktuasi yang dapat mengakibatkan retak atau patahan setelah jumlah siklus tertentu. Sedangkan yang menyebabkan kegagalan lelah adalah tegangan tarik maksimum yang cukup tinggi, variasi atau fluktuasi tegangan yang cukup besar, dan siklus penerapan tegangan yang cukup besar. Tegangan berulang yang menyebabkan kelelahan digambarkan berbentuk sinusoidal antara tegangan maksimum dan minimum, tegangan tarik dianggap


positif dann tegangan tekan diannggap negaatif. Pada tiipe pembebbanan cantilever, tegangan maksimum dan minim mum tidak sama, tegangan tarik lebih besarr dari tegangan tekan t sepertti yang ditun unjukkan pad da gambar 2.22. 2

Gambar 2.22 2 Siklus tegangan leelah (Hertzb berg, R.W., 1996) 2.8 Pemb buatan Kurrva S – N U Untuk Elem men Mesin Baja B Pada gam mbar 2.23 diijelaskan peembuatan kurva k S – N untuk eleemen mesin n baja pada susunnan sumbu log – log.

G Gambar 2..23 Pembuaatan kurva S – N (Harso okoesoemo,,1990). Dengan σu = Sut meru upakan kekuuatan lelah spesimen sttandar baja, τu = 0,8 Sutt . Dalam perrhitungan σn = Se seperrti yang telaah dijelaskan n pada pasaal 2.7.2.


2.9 Fakttor-Faktor Yang Mem mpengaruhii Kekuatan n Lelah Faktor-fakktor yang mempengar m ruhi atau ceendrung mengubah koondisi keleelahan atau kekuuatan lelah h yaitu tippe pembebaanan, putarran, konsenntrasi tegaangan, kelelahan bahan, ko omposisi kkimia bahan n, tegangan n-tegangan sisa, suhu u dan tegangan kombinasii. Faktor yyang mem mpengaruhi dan cendrrung meng gubah kekuatan lelah pada skripsi ini adalah fak ktor permuk kaan, faktoor ukuran, faktor f kosentrasii tegangan . a. Faktor Permukaa an

Gambaar 2.24 Faktor modifikkasi pengerjaaan akhir un ntuk baja (SShigley, 199 95) Faktor perrmukaan ka (dapat dillihat pada gambar g 2.24 4) tergantunng pada ku ualitas perngerjaaan akhir daan kekuatann tarik dari suatu bend da. Pada skkripsi ini bahwa b worm scrrew press menggunaka m an bahan Cast C Carbon n Steel denngan pengeerjaan akhir denggan mesin. b. Faktorr Ukuran Pengaruh ini karena k ukurran, bentuk dan metode pembebannan yang diisebut n faktor uk kuran kb unntuk baja dapat pengaruh ukuran (siize effect). Penentuan digunakann dengan persamaan 2-226 berikut (R. ( Kuguel, 1961) :


d  0,3 in or d  8 mm 8 mm  d  250 mm

1 kb   0 , 097  1,189 d

(2-26)

Untuk poros berongga d diperoleh dengan : d=

2

2

(Dp  d p )

c. Faktor Suhu

Suhu mempengaruhi sifat mekanis dari bahan dan bahwa adanya suatu tegangan statis atau rata – rata juga menyebabkan perubahan perlahan – lahan dalam bahan tersebut. Faktor pengaruh suhu kd terhadap baja dapat dilihat pada persamaan 2-27 berikut (Shigley, 1995):  1,0  k d  1  5,8(10) 3 (T  450) 1  3,2(10) 3 (T  450) 

T  450 0 C (840 0 F ) 450 0 C  T  550 0 C

(2-27)

840 F  T  550 C 0

0

d. Pengaruh Kosentrasi Tegangan

Hampir semua bagian mesin mempunyai lobang, alur, takikan, atau ketidak mulusan lainnya mengubah distribusi tegangan yang menyebabkan kosentrasi tegangan pada daerah tertentu. Kosentrasi tegangan harus dipertimbangkan bila diberi beban lelah. Dalam kondisi ini, ternyata bahwa beberapa bahan tidak terlalu peka terhadap adanya takikan, sehingga tidak perlu memakai harga faktor kosentrasi tegangan teoritis secara penuh. Maka untuk bahan yang seperti ini dipakai harga Kt yang dikurangi. Faktor yang dihasilkan dinyatakan dengan persamaan :

Kf 

batas ketahanan benda percobaan bebas takikan batas ketahanan bentuk percobaan bertakik

Dimana Kt biasa disebut dengan faktor kelelahan pemusatan-tegangan (fatigue stress-concentraction factor). Besar kepekaan takikan (Notch sensitivity) q dinyatakan dengan persamaan :


q

K f 1

(2-28)

Kt  1

Appabila harga q = 0, K f = 1, daan bahan tiidak memppunyai kepeekaan terhadap takikan t sam ma sekali, tetapi kalaau q = 1, maka Kf = Kt dan bahan b mempunyyai kepekaan n penuh. Paada gambar 2.25 dan 2.226 diperlihaatkan grafik k kepekaan terhadap takikan untuk bahan baja dan n aluminium m campuran..

Gambar 2.25 Grafiik kepekaann takikan untuk u baja dan alumiinium camp puran tempa yanng diberi beb ban aksial bbolak balik (Shigley, 19 995).


Gambar 2.26 2 Grafik k kepekaan takikan unttuk bahan yang y diberi puntiran bo olak – balik (Shiggley, 1995). 2.10 Mek kanisme Keerja Mesin Screw presss Adappun mekaniisme kerja ddari mesin screw presss dapat dilihhat pada gaambar 2.27. Broondolan yan ng telah menngalami pen ncacahan daan keluar daari bagian bawah b digester sudah s berup pa ‘bubur’. Hasil cacaahan tersebut langsungg masuk kee alat pengempaaan (mesin screw presss) yang beerada persissi dibagian bawah dig gester. Proses peemisahan minyak m terjaadi akibat putaran p scrrew mendessak bubur buah, sedangkann dari arah h berlawanaan tertahan n oleh slin nding cone. Selama proses p pengempaaan berlangssung air pannas 900C dittambahkan ke dalam sccrew press.

Gambar 2.27 M Mekanisme kerja k mesin screw presss


Hal ini bertujuan untuk pengenceran (dillution) sehingga massa bubur buah yang dikempa tidak terlalu rapat. Proses pengempaan akan menghasilkan minyak kasar dan ampas.


BAB II. Kelapa Sawit. Sumber : PTPN IV. TBS. Universitas Sumatera Utara

Recommend Documents