Tugas Akhir
Menghitung Tegangan Thumb Bucket pada Ekskavator Hidrolik 320D Kelas 20 Ton
BAB II TEORI DASAR
2.1
Hydraulic Excavator Secara Umum.
2.1.1
Definisi Hydraulic Excavator. Excavator adalah alat berat yang digunakan untuk operasi loading dan unloading. Berdasarkan sistem penggeraknya, excavator dibedakan menjadi dua, yaitu: 1)
Sistem Tali, pada saat sekarang jarang digunakan karena kurang efisien dalam operasionalnya.
2)
Sistem hidraulik dengan media utama fluida, banyak digunakan dan terus mengalami perkembangan yang disebabkan efisiensi yang lebih baik, operasional yang lebih mudah dan perawatan yang sederhana. Untuk selanjutnya excavator yang dimaksud oleh penulis adalah excavator dengan sistem hidraulik (hydraulic excavator).
Universitas Mercu Buana
6
Tugas Akhir
Menghitung Tegangan Thumb Bucket pada Ekskavator Hidrolik 320D Kelas 20 Ton
2.1.2
Fungsi Hydraulic Excavator. Fungsi dari hydraulic excavator adalah untuk mengeruk, menggali, dan mengangkat suatu material, di mana pada lokasi pertambangan hydraulic excavator digunakan untuk menggali, mengangkat dan memindahkan hasil tambang dari suatu tempat ke tempat yang lain.
2.1.3
Tenaga Penggerak. Pada dasarnya tenaga penggerak hydraulic excavator dibagi menjadi dua, yaitu: 1) Engine Type (Diesel) 2) Battery Type (Motor Listrik) Secara umum tenaga penggerak utama hydraulic excavator adalah mesin diesel yang digunakan untuk mengubah energi mekanik menjadi energi hidraulik melalui tekanan pompa yang kemudian didistribusikan ke silinder hidraulik untuk menghasilkan gerakan. Sedangkan motor listrik untuk menghidupkan mesin dan menyuplai energi komponen-komponen elektrik seperti dinamo, lampu, alat ukur operator, dan sebagainya.
2.1.4
Konstruksi. Secara umum konstruksi hydraulic excavator terdiri dari: 1)
Attachment Attachment terdiri dari:
Universitas Mercu Buana
7
Tugas Akhir
Menghitung Tegangan Thumb Bucket pada Ekskavator Hidrolik 320D Kelas 20 Ton
a. Boom adalah attachment yang menghubungkan base frame ke arm dengan panjang tertentu untuk menjangkau jarak loading / unloading b. Arm adalah attachment dari boom ke bucket. c. Bucket adalah attachment yang berhubungan langsung dengan material pada saat loading. d. Thumb adalah attachment yang digunakan untuk membantu menjepit material / log yang diambil pada saat bucket beroperasi. 2)
Base Machine. Base Machine terdiri dari: a. Base Frame adalah bagian yang terdiri dari cabin (untuk pusat operasional operator), mesin, counter weight dan komponen lainnya yan berada di atas track frame. b. Track Frame adalah komponen yang terdiri dari center frame dan crawler frame yang menjadi tumpuan operasional hydraulic excavator. c. Track Shoe adalah komponen yang berfungsi seperti roda pada kendaraan, untuk menggerakkan hydraulic excavator.
Untuk memperjelas konstruksi hydraulic excavator beserta bagian-bagiannya dapat dilihat pada gambar 2.1 berikut:
Universitas Mercu Buana
8
Tugas Akhir
Menghitung Tegangan Thumb Bucket pada Ekskavator Hidrolik 320D Kelas 20 Ton
Gambar 2.1. Bagian-Bagian Utama Excavator. [8]
2.1.5
Mekanisme Kerja. Mekanisme kerja pada hydraulic excavator yang digerakkan secara hidraulik
adalah:
Mesin diesel memutar pompa kemudian mengalirkan fluida hidraulik dari tangki ke dalam system dan kembali lagi ke tangki.
Komponen-komponen yang mendapat distribusi fluida hidraulik dari pompa adalah bucket cylinder, arm cylinder, boom cylinder , swing motor dan travel motor untuk menghasilkan suatu kondisi kerja tertentu.
Universitas Mercu Buana
9
Tugas Akhir
Menghitung Tegangan Thumb Bucket pada Ekskavator Hidrolik 320D Kelas 20 Ton
Kondisi kerja Hydraulic Excavator di bagi menjadi enam yaitu: 1. Kondisi netral Kondisi dimana hydraulic excavator tidak melakukan kerja. Pada kondisi ini, pompa tetap berputar sehingga terdapat aliran fluida dari tangki. Aliran ini kemudian masuk ke flow devider, dalam kondisi netral semua aliran fluida diteruskan ke control valve, dan di alirkan ke dalam tangki. 2. Kondisi clamping Kondisi clamping adalah kondisi dimana hydraulic excavator memuat suatu material dengan menggerakkan lever secara manual maka katu ke cylinder bucket dan katup ke cylinder thumb pada control valve akan terbuka sehingga fluida hidrolis mengalir untuk menggerakan bucket dan thumb untuk clamping. 3. Kondisi lifting Kondisi dimana hydraulic excavator mengangkat bucket dengan menggerakan boom dan arm. System gerakan ini dilakukan secara manual
dengan
menggerakan lever, maka katup yang menuju boom cylinder dan arm cylinder pada control valve membuka. Sehingga fluida hidraulik akan mengalir dan memutar boom ke atas menggerakan arm agar muatan bucket tidak tumpah. 4. Kondisi swing Kondisi dimana pada saat body dan attachmet hydraulic excavator berputar sampai 3600. System gerakan ini adalah dengan menggerakan lever yang membuka katup pada control valve yang berisi fluida hidraulik agar mengalir
Universitas Mercu Buana
10
Tugas Akhir
Menghitung Tegangan Thumb Bucket pada Ekskavator Hidrolik 320D Kelas 20 Ton
ke swing motor sehingga hydraulic excavator akan berputar dengan putaran tertentu. 5. Kondisi lowering Kondisi pada saat gerakan bucket melepaskan muatan setelah sampai pada tempat yang dituju. System gerakan ini sama dengan saat loading, hanya saja tidak memberikan tekanan tetapi dengan membebaskan tekanan fluida hidraulis pada bucket cylinder. 6. Kondisi traveling Kondisi ini dibagi menjadi dua gerakan yaitu gerakan maju dengan gerakan mundur sehingga ada dua spool pada control valve. Energi hidraulik dari pompa akan diubah lagi menjadi energi mekanis melalui travel motor. Travel motor memutar sprocket selanjutnya menggerakan track shoe sehingga menghasilkan gerakan pada hydraulic excavator.
Universitas Mercu Buana
11
Tugas Akhir
Menghitung Tegangan Thumb Bucket pada Ekskavator Hidrolik 320D Kelas 20 Ton
Mekanisme dan kondisi kerja excavator secara hydraulic dapat dilihat pada gambar di bawah ini.
Gambar 2.2 Mekanisme dan Kondisi Kerja Hydraulic Excavator. [8]
Keseluruhan kondisi kerja tersebut merupakan siklus kerja hydraulic excavator. Secara operasional siklus kerja akan sangat menentukan besarnya biaya operasi dan kepemilikan, sehinga diperlukan analisis yang cermat baik dalam desain, produksi maupun pada saat operasi kerja dilapangan.
Universitas Mercu Buana
12
Tugas Akhir
Menghitung Tegangan Thumb Bucket pada Ekskavator Hidrolik 320D Kelas 20 Ton
2.2
Thumb Bucket.
2.2.1
Definisi Thumb Bucket. Thumb Bucket merupakan suatu attachment Hydraulic Excavator yang
dipergunakan untuk membantu bucket pada saat melakukan operasi pengerukan, menggali atau memindahkan material seperti tanah, bahan tambang, batu-batuan dari satu tempat ke tempat yang lain. Komponen utama thumb bucket terdiri dari dua bagian attachment yaitu bucket dan thumb. Selain dua komponen tersebut terdapat beberapa komponen lain sepeti link thumb, link bucket, cylinder thumb dan cylinder bucket. Komponen-komponen tersebut dapat dilihat pada gambar berikut ini.
Keterangan: 1. Thumb 2. Link Thumb 3. Cylinder Thumb 4. Arm 5. Bucket 6. Link Bucket 7. Cylinder Bucket Gambar 2.3. Komponen Thumb Bucket. [8]
Universitas Mercu Buana
13
Tugas Akhir
Menghitung Tegangan Thumb Bucket pada Ekskavator Hidrolik 320D Kelas 20 Ton
2.2.2
Prinsip Kerja Thumb Bucket. Thumb dan bucket beroperasi secara bersamaan atau sinergis dan masing-masing digerakkan oleh silinder yang dihubungkan oleh link. Fungsi dari thumb sendiri adalah sebagai alat bantu untuk menjepit material diambil oleh bucket pada saat operasional.
2.2.3
Desain Konsep. Adapun desain konsep yang akan dipergunakan pada thumb bucket ini adalah sebagai berikut:
Digunakan untuk mengangkat kayu, pembersihan lahan industri, pembuatan kontruksi jalan dan lain sebagainya.
Pada saat operasi, posisi thumb tidak boleh menghalangi jarak pandang.
Kondisi ujung bucket dengan ujung thumb harus berhimpit pada saat posisi jangkauan unit maksimum, posisi arm vertical dan posisi jangkauan unit minimum.
Pada saat cylinder thumb minimum dan cylinder bucket maksimum, bucket dan thumb tidak boleh kontak.
Bucket dan thumb memiliki sumbu putar (pivot) yang sama.
Unit hydraulic excavator yang dilengkapi attachment thumb harus tetap stabil pada saat pengoperasian.
Universitas Mercu Buana
14
Tugas Akhir
Menghitung Tegangan Thumb Bucket pada Ekskavator Hidrolik 320D Kelas 20 Ton
2.3
Momen Inersia Empat Persegi Panjang. Terminologi momen inersia adalah hubungan gaya dengan massa yaitu inersia
benda dan percepatannya. Definisi matematis momen inersia I = ∫ρ2dA menunjukkan bahwa luas dibagi menjadi elemen kecil seperti dA dan masing-masing luas dikali dengan kuadrat lengan momennya terhadap sumbu acuan seperti gambar (2.4). Apabila koordinat dA adalah (x,y), momen inersia terhadap sumbu X adalah jumlah perkalian setiap luas dA dengan kuadrat lengan momennya y, dinyatakan dalam : Ix = ∫y2dA
(2.2)
Dengan cara yang sama, momen inersia terhadap sumbu Y, dinyatakan dalam:
Iy = ∫x2dA
(2.3)
Gambar 2.4. Momen Inersia. [5]
Universitas Mercu Buana
15
Tugas Akhir
Menghitung Tegangan Thumb Bucket pada Ekskavator Hidrolik 320D Kelas 20 Ton
Untuk persegi panjang seperti pada gambar (2.5) dengan panjang h dan lebar b. Semua bagian elemen terletak pada jarak sama dari sumbu titik berat X0.
Gambar 2.5. Momen Inersia pada Empat Persegi Panjang. [5] Dengan menggunakan persamaan (2.2), didapatkan momen inersia titik berat menjadi:
Universitas Mercu Buana
(2.4)
16
Tugas Akhir
Menghitung Tegangan Thumb Bucket pada Ekskavator Hidrolik 320D Kelas 20 Ton
2.4
Gaya Geser dan Momen pada Bidang. Dasar utama masalah bahan adalah menetapkan hubungan antara tegangan
dan deformasi yang disebabkan oleh beban yang bekerja pada setiap struktur. Pengaruh pembebanan dalam bentuk gaya geser dan momen lentur, disebut juga geser dan momen.
Gambar 2.6. Kesetimbangan Segmen Sebelah Kiri dan Kanan Setiap Penampang Selidik a-a.
Gambar (2.6) memperlihatkan sebuah balok sederhana dengan beban P yang ditumpu pada R1 dan R2. Jika balok tersebut dibagi menjadi dua bagian dengan jarak X dari R1. Gambar (2.6b) menunjukkan diagram benda bebas yang berada pada bagian kiri, terlihat ada beban luar R1.
Universitas Mercu Buana
17
Tugas Akhir
Menghitung Tegangan Thumb Bucket pada Ekskavator Hidrolik 320D Kelas 20 Ton
Untuk menjaga agar balok seimbang, pada penampang a-a diberikan gaya tahanan Vr , yang disebut gaya tahanan geser. Sehingga kondisi ∑y = 0 terpenuhi. Difinisi gaya geser dinyatakan dalam:
V= ( ∑Y ) L
[5]
(2.5)
Subskrip L beban luar yang bekerja pada segmen balok sebelah kiri penampang yang ditentukan. Tahanan geser Vr yang ditimbulkan pada penampang selalu sama tetapi arahnya berlawanan dengan gaya geser V. Ketika menghitung V, gaya atau beban yang bekerja keatas dianggap positif. Momen lentur didefinisikan sebagai jumlah semua gaya yang bekerja disisi kiri atau kanan penampang terhadap sumbu titik berat penampangnya yang dipilih, dan dinyatakan dalam
M = ( ∑ M ) L = ( ∑ M )R
Universitas Mercu Buana
[5]
(2.6)
18
Tugas Akhir
Menghitung Tegangan Thumb Bucket pada Ekskavator Hidrolik 320D Kelas 20 Ton
Subskrip L menyatakan beban yang bekerja disebelah kiri penampang dan R berkaitan dengan beban disebelah kanan penampang. Dalam menentukan tanda yang menyatakan bahwa gaya luar yang bekerja keatas menghasilkan momen lentur positif terhadap setiap penampang, begitu juga sebaliknya.
2.5
Tegangan. Tegangan adalah gaya yang terjadi persatuan luas, pada dasarnya dibagi
dalam dua macam yaitu: 1.
2.
2.5.1
Tegangan normal, σ : a.
Tegangan normal akibat beban aksial, σa
b.
Tegangan normal akibat beban momen lentur, σb
Tegangan geser, τ : a.
Tegangan irisan geser akibat gaya geser, τs
b.
Tegangan geser akibat torsi, τt
Tegangan Normal. Tegangan normal didefinisikan sebagai gaya yang terjadi tegak lurus terhadap
irisan penampang yang dianalisa. Tegangan normal dibagi dua yaitu :
Universitas Mercu Buana
19
Tugas Akhir
Menghitung Tegangan Thumb Bucket pada Ekskavator Hidrolik 320D Kelas 20 Ton
a.
Tegangan normal terjadi disebabkan oleh gaya aksial (tarik/tekan) dan bekerja tegak lurus terhadap suatu bidang.
Gambar 2.7. Tegangan Normal pada Batang Akibat Beban Aksial. [3]
Besarnya tegangan normal akibat gaya aksial adalah:
σa =
Keterangan : σa
P A
[3]
= Tegangan normal akibat beban aksial (N/mm2)
A
= Luas penampang batang (mm2)
P
= Beban (N)
Universitas Mercu Buana
(2.7)
20
Tugas Akhir
Menghitung Tegangan Thumb Bucket pada Ekskavator Hidrolik 320D Kelas 20 Ton
b.
Tegangan normal yang disebabkan oleh momen lentur.
Gambar 2.8. Tegangan Normal pada Batang Akibat Momen Lentur. [5]
Besarnya tegangan normal akibat momen lentur adalah:
σb =
Keterangan : σb
Mxy I
[5]
(2.8)
= Tegangan normal akibat momen lentur (N/mm2)
M
= Momen lentur (N.mm)
I
= Momen inersia penampang (mm4)
y
= Jarak antara sumbu titik berat dengan kulit terluar yang hendak dihitung momen inersianya pada penampang (mm).
Universitas Mercu Buana
21
Tugas Akhir
Menghitung Tegangan Thumb Bucket pada Ekskavator Hidrolik 320D Kelas 20 Ton
2.5.2
Tegangan Geser. Tegangan geser disebabkan oleh gaya yang bekerja sepanjang atau sejajar
dengan luas penahan gaya. Tegangan geser dibagi dua yaitu: a.
Tegangan geser yang disebabkan oleh torsi.
Gambar 2.9. Tegangan Geser pada Batang Akibat Torsi. [5]
Besarnya tegangan geser akibat torsi adalah:
Keterangan:
τt =
Tr J
τt
= Tegangan geser akibat torsi (N/mm2 )
T
= Torsi ( N.mm)
r
= Jari-jari (mm)
J
= Momen inersia polar (mm4)
Universitas Mercu Buana
[5]
(2.9)
22
Tugas Akhir
Menghitung Tegangan Thumb Bucket pada Ekskavator Hidrolik 320D Kelas 20 Ton
b.
Tegangan geser yang disebabkan oleh gaya geser.
Gambar 2.10. Tegangan Geser pada Batang Akibat Gaya Geser. [3]
Besarnya tegangan geser akibat gaya geser adalah: τs =
Keterangan : τs
VQ It
[3]
= Tegangan geser (N/mm2)
V
= Gaya geser (N)
Q
= Momen statis (mm3)
I
= Momen inersia (mm4)
t
= Lebar potongan penampang (mm)
Universitas Mercu Buana
(2.10)
23
Tugas Akhir
Menghitung Tegangan Thumb Bucket pada Ekskavator Hidrolik 320D Kelas 20 Ton
2.6
Faktor Keamanan. Kekuatan merupakan salah satu sifat dari bahan atau elemen mesin. Kekuatan
suatu elemen tergantung dari pemilihan, perlakuan dan pengerjaan yang dilakukan terhadap bahan tersebut. Istilah faktor keamanan adalah faktor yang digunakan untuk mengevaluasi keamanan dari suatu elemen mesin. Metode yang digunakan dalam perhitungan faktor keamanan ini adalah metode Pugsley, yaitu :
SF
=
Keterangan : σizin
izin
; SF > 1
= Tegangan ijin (N/mm2)
σp
= Tegangan perencanaan (N/mm2)
SF
= Faktor Keamanan
Universitas Mercu Buana
(2.11)
p
24
