BAB III PERENCANAAN DAN GAMBAR
3.1 Flowchart Perencanaan Pembuatan Mesin Pemotong Umbi Proses Perancangan mesin pemotong umbi seperti yang terlihat pada gambar 3.1 berikut ini: Mulai mm
Studi Literatur
Penentuan Spesifikasi Mesin
Perancangan Desain 2D dan 3D
Tidak
Sesuai ? Ya Penentuan dan pembelian Komponen
Proses Pembuatan
Perakitan
Perbaikan/ Penggantian Komponen
Tidak Uji Kinerja Mesin
Ya Pembuatan Laporan
SSSSSSSSSSS Selesai
Gambar 3.1 Flowchart Perencanaan dan Pembuatan Mesin Pemotong Umbi 10
11
3.2 Prinsip Kerja Mesin Pemotong Umbi Prinsip kerja dari mesin pemotong umbi ini dirancang untuk memotong berbagai macam umbi seperti singkong, ubi jalar dan kentang. Alat ini memiliki 2 jenis pisau yang menghasilkan potongan umbi-umbian berbentuk bulatan tipis dan berbentuk kotak. Ukuran potongan antara 1 mm sampai dengan 1,5 mm untuk pisau pemotong berbentuk bulat tipis, untuk pisau pemotong kotak ukuran 0,5 cm x 0,5 cm. Motor listrik menggerakkan pisau dengan perantara pulley dan v-belt. Pisau berputar dengan kecepatan tertentu dan kemudian memotong umbi. Umbi diletakkan pada bagian depan pisau dan diberi tekanan atau dorongan agar umbi bisa terpotong. Hasil pemotongan akan keluar melalui saluran output seperti terlihat pada gambar 3.2 dibawah ini.
Gambar 3.2. Desain Mesin Pemotong Umbi Keterangan : 1. Cover samping 2. Pisau pemotong bulat tipis 3. Cover pisau pemotong bulat tipis 4. Pemutus poros 5. Cover pulley
12
6. Pulley 7. Pisau pemotong stik 8. Cover Pisau pemotong stik 9. Poros 10. V-Belt 11. Motor listrik 12. Pulley penggerak 13. Rangka 14. Saluran output potongan 15. Bearing
3.3. Desain Dalam pembuatan mesin pemotong umbi dengan penggerak motor listrik diperlukan desain dari komponen-komponen yang terdiri dari bagian-bagian yang memiliki fungsi masing-masing. Komponen ini disusun menjadi suatu satuan yang memiliki kegunaan lebih kompleks dan mampu memenuhi kebutuhan yang diharapkan. Adapun komponen-komponen dari desain mesin pemotong umbi sebagai berikut. 3.3.1. Rangka Rangka berfungsi sebagai penyangga dan tempat dipasangnya komponenkomponen mesin pemotong umbi, seperti motor listrik, poros, pisau, pulley dan vbelt. Rangka terbuat dari besi profil L yang dilas. Rangka dibuat setinggi 70 cm dan lebar 50 cm serta panjang 85 cm. Penyambungan pada rangka penunjang dilakukan dengan cara dibaut. Proses untuk merakit rangka hingga menjadi satu kesatuan dibutuhkan tenaga seperti terlihat pada gambar 3.3 dibawah ini.
13
Gambar 3.3. Desain Rangka Mesin Pemotong Umbi 3.3.2. Pisau Pisau berfungsi sebagai pemotong umbi menjadi potongan tipis-tipis dan potongan kotak-kotak.Gambar pisau dapat dilihat pada gambar 3.4 dibawah ini.
Gambar 3.4. Desain Pisau Pemotong Tipis
14
Gambar 3.5. Desain Pisau Pemotong Kotak-Kotak 3.3.3. Penutup Pisau dan Pulley Bagian penutup pisau berfungsi sebagai penutup pisau serta berfungsi sebagai perantara jatuhnya hasil potongan umbi. Sehingga hasil potongan umbi tidak berceceran. Penutup pisau dapat dilihat seperti gambar 3.6 dibawah ini.
Gambar 3.6 Desain Penutup Pisau Tipis
15
Gambar 3.7 Desain Penutup Pisau Kotak-Kotak
Gambar 3.8 Desain Penutup Pulley 3.3.4 Poros Elemen mesin yang merupakan salah satu bagian terpenting dari tiap-tiap mesin adalah poros (shaft). Pada mesin pemotong umbi poros dilengkapi pemutus poros agar pisau dapat bekerja salah satu maupun secara bersamaan. Poros digunakan sebagai sumbu utama yang dihubungkan dengan transmisi v-belt dan pulley. Gambar poros dapat dilihat pada gambar 3.9 dibawah ini.
16
Gambar 3.9 Desain Poros dan Pemutus Poros 3.3.5. Bearing Bearing digunakan untuk menopang poros yang berputar. Bearing berfunsi untuk mengurangi gaya gesek dari poros yang berputar agar tidak cepat mengalami keausan. Bearing terbuat dari bahan yang cukup kuat karena untuk menahan tekanan dari permukaan yang bergerak. Bearing tidak ada toleransi keregangan, tujuannya adalah agar didapatkan koefisien dari semua bagian yang bergerak dan tidak menimbulkan suara akibat gesekan yang ditimbulkan oleh setiap bagian, sehingga tidak terlalu banyak tenaga yang terbuang. Bearing dapat dilihat pada gambar 3.10 dibawah ini.
Gambar 3.10 Bearing 3.3.6. Motor Listrik Motor listrik berfungsi sebagai penggerak utama sistem transmisi pada mesin
pemotong
umbi.
Motor
listrik
merupakan
sebuah
perangkat
elektromagnetik yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Motor listrik yang digunakan adalah motor listrik yang berkapasitas ½ hp seperti pada gambar 3.11 dibawah ini.
17
Gambar 3.11 Motor Listrik 3.3.7. V-Belt Sabuk v adalah komponen yang berfungsi meneruskan daya dari motor listrik dan poros melalui pulley. Gambar sabuk v seperti yang terlihat pada gambar 3.12 dibawah ini.
Gambar 3.12 Sabuk V 3.3.8. Pulley Pada mesin pemotong singkong terpasang dua buah pulley. Pulley terpasang pada poros dan motor listrik yang dihubungkan dengan V-belt. Gambar pulley terlihat seperti pada gambar 3.13 dibawah ini.
18
Gambar 3.13 Pulley 3.3.9. Saluran Output Hasil Pemotongan Saluran output berfungsi sebagai saluran agar hasil potongan tidak jatuh berceceran, saluran output dibuat miring agar hasil potongan bisa jatuh ke bawah yang kemudian diberi wadah untuk menampung hasil potongan. Gambar saluran output dapat dilihat pada gambar 3.14 dibawah ini.
Gambar 3.14 Saluran Output
19
3.4 Perhitungan Putaran Pisau Perhitungan ini digunakan sebagai langkah awal untuk menganalisa komponen-komponen pada mesin pemotong umbi. Kapasitas mesin perajang singkong (Q)
= 75 kg/jam
Tebal singkong hasil pemotongan (t)
= 1 mm
Gaya pisau perajang (F)
= 6 kg
Panjang singkong rata-rata (Ls)
= 200 mm
Diameter singkong rata-rata (ds)
= 50 mm
Jari-jari pisau (r)
= 150 mm
Jumlah pisau perajang (np)
= 3 pisau
Masa jenis singkong ()
= 0,915.10-3 g/mm3 (artikel skripsi Hafizh Ardhian Putra)
a. Volume singkong rata-rata Vs
= π . r2 . Ls = 3,14 . 252 . 200 = 392500 mm3
b. Jumlah putaran untuk memotong 1 buah singkong ns
=
= = 66,6 putaran c. Massa satu singkong (ms) ms
= . Vs = 0,915.10-3 gr/mm3 . 392500 mm3 = 3591375 gr = 0,3591375 kg
d. Jumlah singkong untuk kapasitas 1,25 kg/menit (Qs) Qs
=
= = 3,4 singkong/menit
20
e. Putaran Perajang Maka untuk merencanakan agar memenuhi kapasitas 1,25 kg/menit atau 75 kg/jam memerlukan putaran perajang sebesar : n
= ns . Qs = 66,6 . 3,4 = 231,8 rpm
3.5 Perhitungan Daya Daya rencana mesin pemotong umbi ini dicari untuk memenuhi besar daya motor yang sesuai dengan daya yang dibutuhkan mesin. Daya rencana ini dipengaruhi oleh faktor torsi dan putaran perajang, yang dapat dihitung dengan mencari gaya potong singkong. a. Cara pengujian dilakukan dengan meletakkan pisau di atas neraca (posisi tegak lurus terhadap neraca), kemudian singkong diarahkan ke pisau. Ketika singkong terpotong, pada saat yang bersamaan neraca akan menunjukkan berapa kg gaya potong maksimal yang terjadi.
Gambar 3.15 Analisa gaya potong umbi menggunakan neraca tekan
Tabel 3.1 Data percobaan uji gaya potong pada singkong Percobaan
Gaya potong (kg)
Keterangan Singkong
I
5
Singkong terpotong 75%
II
5,5
Singkong terpotong 90%
II
6
Singkong terpotong keseluruhan
21
Tabel 3.2 Data percobaan uji gaya potong pada kentang Percobaan
Gaya potong (kg)
Keterangan kentang
I
4
kentang terpotong 75%
II
5
kentang terpotong 80%
II
5,5
kentang terpotong keseluruhan
Hasil dari percobaan gaya potong terhadap batang singkong di atas diketahui gaya potong maksimal (F) adalah 6 kg dan gaya potong maksimal kentang adalah 5,5 kg. b.
Caranya
dengan
memberi
beban (kg) secara
berkala
pada
pisau
pemotong, kemudian singkong diletakkan pada bagian mata pisau yang ujung pisaunya telah diberi beban. Untuk lebih jelasnya lihat gambar 3.16 dibawah ini.
Gambar 3.16 Analisa gaya potong singkong menggunakan beban berkala
Tabel 3.3 Data percobaan gaya potong singkong menggunakan beban berkala Percobaan
Gaya potong (Kg)
Keterangan Singkong
I
5
Singkong terpotong 75%
II
5,5
Singkong terpotong 90%
III
6
Singkong terpotong keseluruhan
22
Tabel 3.4 Data percobaan gaya potong kentang menggunakan beban berkala Percobaan
Gaya potong (Kg)
Keterangan Kentang
I
4
kentang terpotong 75%
II
5
kentang terpotong 90%
III
5,5
kentang terpotong keseluruhan
Hasil dari percobaan gaya potong terhadap singkong dan kentang di atas diketahui gaya potong maksimal singkong(F) adalah 6 kg dan gaya potong maksimal kentang adalah 5,5 kg. Dari percobaan diatas maka disimpulkan diperoleh gaya rata-rata potong maksimal singkong yaitu sebesar 6 kg. Diameter pisau (d)
= 300 mm = 0,3 m
Jari-jari pisau (r)
= 150 mm = 0,15 m
Gaya potong (F)
= 6 kg
Gravitasi (g)
= 10 m/s2
a. Gaya pada pisau potong F
=m.g = 6 . 10 m/s2 = 60 N
b. Torsi yang bekerja pada pisau T
=FxR = 60 N x 0,15 m = 9 Nm
c. Daya yang dibutuhkan untuk menggerakkan pisau P
= = = 218,36 watt = 0,292 HP ( 1 watt = 0,00134 HP)
Jadi dipilih tenaga motor listrik dengan daya ½ HP, karena sesuai dengan motor listrik yang ada di pasaran.
23
3.6 Perhitungan Pulley dan V-belt a. Perhitungan pulley Perhitungan untuk menentukan diameter pulley (d2) pada poros perajang Putaran motor listrik (n1)
= 1400 rpm
Diameter pulley penggerak (d1)
= 50 mm
Putaran pisau (n2)
= 231,8 rpm
= d2
=
d1
=
. 50
= 301 mm Sehingga dapat dihitung dengan rumus: n1 . d1
= n2 . d2
1400 . 50
= n2 . 301
n2
= 232,5 rpm
b. Perhitungan V-belt Putaran motor listrik (n1)
= 1400 rpm
Diameter pulley penggerak (d1)
= 50 mm
Putaran pisau (n2)
= 231,8 rpm
Diameter pulley pisau (d2)
= 301 mm
Jarak antar sumbu poros (x)
= 450 mm
Bahan pulley
= Besi cor
Jenis sabuk
= V-belt
2
= 38
a. Panjang sabuk (L) L
= π (r1 + r2) + 2x + { = π (25 +150) + 2.450 + {
} }
= 1484,2 mm = 58,43 Inchi (1 mm = 0,03937 Inchi) Berdasarkan IS : 2494-1974 menggunakan sabuk V standar tipe A-57 dengan panjang 1458 mm
24
b. Kecepatan linear sabuk V
= = = 3,65 m/s2
c. Sudut kontak Sin α = = Sin α = 0,27 α
= 16,12
= ( 180 – 2α) = ( 180 – 2 . 16,12) = 2,57 rad
d. Tarikan sisi kencang (T1) dan sisi kendor (T2) sabuk: 2,31 log
=
2,31 log
=
2,31 log
=
log
=
= 10,70 T1
= 10,70.T2
Pmotor
= (T1 . T2) V
373,1
= (10,70 . T2 - T2) 3,65
373,1
= 9,70 T2 . 3,65
T1
T2
=
T2
= 10,5 N
= 10,70 . 6,16 = 112,7 N
25
e. Luas penampang sabuk
Gambar 3.17 Penampang Sabuk (Khurmi, R.S., 2002) Tan 19
=
x
= 8 x 0,34
x
= 2,75 mm
c
= b – 2x = 13 – 2.2,75 = 7,56 mm
A
= ½ (c+b) t = ½ (7,56+13) 8 =82,24 mm2
f. Massa belt per meter Massa belt per meter dapat dihitung dengan rumus: m
= area x panjang x density = 0,82 cm2 x 100 cm x 1,14 gr/cm3 = 93,48 gr = 0,09 kg
g. Tegangan maksimal Tegangan maksimal dapat dihitung dengan rumus: Tmax
= xA = 1,7 x 82,24 = 139,8N
h. Daya yang ditransmisikan sabuk P
= (T1 – T2) V = (112,7 N – 10,5 N) 3,65
26
= 373,03 watt i. Cek kekuatan sabuk tipe A Tegangan maksimal sabuk: Tmax
= 139,8 N > T1
= 112,7 N
Jadi pemilihan sabuk dengan tipe A aman karena gaya yang bekerja < gaya maksimal sabuk.
3.7 Perhitungan Poros Poros penerus daya mesin pemotong umbi ini berfungsi untuk meneruskan daya dari motor listrik ke pisau pemotong. Pada poros ditumpu oleh 4 buah bearing, kemudian terdapat 3 beban poros yaitu pisau pemotong dan pulley, seperti terlihat pada gambar 3.18 dibawah ini.
Gambar 3.18 Pembebanan Poros Pada gambar 3.18 A, B, C dan D adalah titik penumpu berupa bearing. Titik E dan G adalah gaya atau beban yang diterima poros dari pisau pemotong dan titik F adalah gaya atau beban yang diterima poros dari pulley. a. Menentukan beban pada poros Poros menerima beban dari 2 pisau pemotong dan pulley mesin pemotong. Beban pisau 1 = Berat pisau 1 + F potong = 2 kg. 10 m/s + 60 N = 80 N Beban pisau 2 = Berat pisau 2 + F potong = 4 kg. 10 m/s + 60 N = 100 N
27
Beban pulley = Berat Pulley + T1 + T2 = 1 kg. 10 m/s + 112,7 N + 10,5 N = 133,2 N b. Reaksi poros Asumsi: Poros utuh Berat flendes pemotong poros diabaikan Poros dipotong untuk mempermudah perhitungan Reaksi pembebanan poros potongan 1 dapat dilihat pada gambar 3.19 dibawah ini.
Gambar 3.19 Reaksi Pembebanan Poros Potongan 1 Perhitungan gaya horizontal pada poros Fx = 0 Perhitungan gaya vertikal pada poros FY
=0 RAY + RBY – 80 N – 66,6 N = 0 RAY + RBY = 146,6 N
MA = 80 N (0,07) - RBY (0,34) + 66,6 N (0,40) = 5,6 - RBY (0,34) + 26,64 = 32,24 - RBY (0,34) RBY (0,34) RBY
= 32,24 N = 94,82 N
Jadi reaksi gaya vertikal pada titik B adalah 94,82 N Maka, RAY + RBY
= 146,6 N
RAY + 94,82 N= 146,6 N
28
RAY
= 146,6 N – 94,82 N = 51,7 N
Jadi reaksi gaya vertikal pada titik A adalah 51,7 N RBF
= 66,6 N
RBA
= RB - RBF = 94,82 N – 66,6 N = 28,22 N
MB
= 66,6 N (0,071) = 4,71 Nm
ME
= RA . (0,07) = 51,7 (0,07) = 3,61 Nm
Diagram NFD, SFD dan BMD seperti terlihat pada gambar dibawah ini.
Gambar 3.20 Diagram NFD, SFD dan BMD Gaya Vertikal
29
Reaksi pembebanan poros potongan 2 dapat dilihat pada gambar 3.21 dibawah ini.
Gambar 3.21 Reaksi Pembebanan Poros Potongan 2 Perhitungan gaya horizontal pada poros Fx = 0 Perhitungan gaya vertikal pada poros FY
=0 RAY + RBY – 66,6 N – 100 N = 0 RAY + RBY = 166,6 N
MC = -66,6 N (0,06) + 100 N (0,25) + RDY (0,33) = - 3,996 + 25 + RDY (0,33) = 28,996 - RDY (0,33) RDY (0,33) RDY
= 28,996 N = 87,86 N
Jadi reaksi gaya vertikal pada titik D adalah 87,86 N Maka, RCY + RDY
= 166,6 N
RCY + 87,86 N= 166,6 N RCY
= 166,6 N – 87,86 N
RCY
= 78,73 N
Jadi reaksi gaya vertikal pada titik C adalah 78,73 N RCYF
= 66,6 N
RCYD = RCY - RCYF = 78,73 N – 66,6 N = 12,14 N
30
MC
= 66,6 (0,06) = 3,9 Nm
MD
= RD . (0,08) = 87,86 N (0,08) = 7,02 Nm
Diagram NFD, SFD dan BMD seperti terlihat pada gambar dibawah ini.
Gambar 3.22 Diagram NFD, SFD dan BMD Gaya Vertikal
31
c. Spesifikasi perencanaan poros Pembebanan yang terjadi pada poros mesin pemotong umbi merupakan pembebanan ringan. Bahan poros yang digunakan yang sering digunakan pada pembebanan ringan adalah baja karbon ST 37. Maka beban untuk pembuatan poros dipilih menggunakan baja karbon ST 37 dengan tegangan tarik ijin ( ) = 37 kg/mm2 = 370 N/mm2 x 0,36 = 133,2 N/mm2, tegangan geser ijin ( ) = 24 kg/mm2 = 240 N/mm2 x 0,18 = 43,2 N/mm2. Momen ( M ) = 7020 Nmm dan torsi ( T ) = 15300 Nmm. Torsi yang bekerja pada poros dapat dihitung dengan rumus: T
=
= = 15300 Nmm d. Perhitungan menggunakan torsi equivalen dapat dihitung dengan rumus: Te
=√ =√ =√ =√ = 16833,6 Nmm
e. Perhitungan menggunakan momen equivalen dapat dihitung dengan rumus: Me
= ½ ( M + Te ) = ½ (7020 Nmm + 16833,6 Nmm) = 11926,8 Nmm
32
f. Perhitungan diameter poros menggunakan torsi equivalen dapat dihitung dengan rumus:
d= √ d= √ d =√ d =√ d = 12,56 mm 13 mm g. Perhitungan diameter poros menggunakan torsi equivalen dapat dihitung dengan rumus:
d =√ d =√ d =√ d =√ d = 9,69 mm 10 mm Jadi diameter minimal poros yang aman adalah 10 mm. Pada aktualnya poros yang digunakan adalah poros dengan diameter 20 mm, sehingga konstruksi mesin pemotong umbi dinyatakan aman.
3.8 Kapasitas Mesin Dalam waktu 1 menit mesin pemotong umbi dapat memotong umbi sebanyak 1,25 kg. Maka mesin ini dapat memotong umbi 75 kg/jam.
