BAB III PERANCANGAN DAN PERHITUNGAN 3.1 Diagram Alir Proses Perancangan Proses perancangan konstruksi mesin pengupas serabut kelapa ini terlihat pada Gambar 3.1.
Mulai
Survei alat yang sudah ada dipasaran
Membuat gambar sketsa rangka
Perencanaan dan pemilihan material rangka
Perhitungan kekuatan rangka dan sambungan las
Proses pembuatan
Proses perakitan
Perbaikan
Evaluasi Tidak
Ya Selesai
Gambar 3.1. Perencanaan alur pengerjaan
13
14
3.2. Pengertian Alat Mesin pengupas serabut kelapa ini diracang untuk mengupas serabut atau kulit terluar dari buah kelapa. Dimana nantinya buah kelapa akan terjepit dan tertusuk oleh mata pisau yang dibuat berduri sehingga diharapkan nantinya serabut kelapa akan terkelupas. 3.3. Mekanisme Kerja Mekanisme kerja mesin pengupas serabut kelapa adalah menggunakan tenaga dari motor dengan power 1/2 hp. Daya motor ini akan ditransmisikan dengan puli dan sabuk pada kecepatan tertentu. Putaran mesin akan direduksi oleh redukser dengan perbandingan 1:10 dan ouput dari reducer akan diteruskan ke pisau melalui rantai. Saat pisau berputar buah kelapa akan diletakkan diantara dua pisau dan buah kelapa juga akan ditekan dengan tuas penekan ini dimaksudkan agar buah kelapa agar tetap pada posisinya. Dengan pisau yang dibuat berduri memungkinkan buah kelapa akan tertusuk sehingga serabut kelapa akan terkelupas. Serabut kelapa yang sudah terkelupas akan turun melalui saluran output. Berikut ini adalah gambar rancangan mesin pengupas serabut kelapa. Desain rancangan 3D dapat dilihat pada Gambar 3.2.
Gambar.3.2. Desain rancangan 3D
15
3.4. Perhitungan Perencanaan rangka ada dua beban yang akan ditahan pada batang besi profil L. Batang A-B sebagai penahan beban pisau, batang E-F sebagai penahan beban motor listrik, dan batang I-J sebagai penahan beban reducer. Bagian rangka yang terkena beban dapat dilihat pada Gambar 3.3.
B
A B
J B
I B
F E
B
B
Gambar 3.3. Rangka batang A-B, E-F, dan I-J
16
3.4.1. Perhitungan Gaya Pada Batang A-B Pembebanan pada rangka batang A-B dapat dilihat pada Gambar 3.4. Poros 1 Poros 2 A
B
B
B
B
B
Gambar 3.4. Rangka batang A-B Perhitungan perencanaan rangka bagian poros dan pisau adalah sebagai berikut:
Beban pisau dan poros = 50 N
Gaya pada kelapa
= 16 N
Beban roda gigi 1
= 10 N
Gaya pada rantai
= M . g + ( 𝑡1 − 𝑡2 ) = 1,5 kg . 10 𝑚/𝑠 2 + (268,65 N – 107,46 N) = 15 N + 162,19 N = 176,19 N (sumber : Wahyu Sasongko (2016))
beban pisau dan poros+
Gaya pada poros 1
=
𝑏𝑒𝑏𝑎𝑛 𝑝𝑎𝑑𝑎𝑘𝑒𝑙𝑎𝑝𝑎 2
2
beban roda gigi 1 + gaya pada rantai
+
17
=
50 𝑁+8 𝑁 2
+10 N + 176,19 N
= 29 N + 10 N + 176,19 N = 215,19 N
beban pisau dan poros+
Gaya pada poros 2
=
𝑏𝑒𝑏𝑎𝑛 𝑝𝑎𝑑𝑎𝑘𝑒𝑙𝑎𝑝𝑎 2
2
beban roda gigi 2 =
50 𝑁+8 𝑁 2
+13 N
= 29 N + 13 N = 42 N 1. Analisa pada batang A-B Gaya yang bekerja pada batang A-B dapat dilihat pada Gambar 3.5.
Gambar 3.5. Gaya yang bekerja pada batang A-B ∑ 𝑀𝐴 = 0 ( 215,9 N . 220 mm ) + ( 42 N . 330 mm) – ( RBY . 550 mm) = 0 47341,8 N.mm + 13860 N.mm – 550 N.mm . RBy = 0 RBy =
61201,8 550
= 111,27 N
∑ 𝐹𝑦 = 0 RAy + RBy – (215,19 N + 42 N) = 0 RAy + RBy – 257,19 N = 0 RAy = 257,19 N – RBy RAy = 257,19 N – 111,27 N RAy = 145,92 N
+
18
∑ 𝑀𝐴 = 0 ∑ 𝑀𝐷 = RAy . 220 mm = 145,92 N . 220 mm = 32102,4 N.mm ∑ 𝑀𝐶 = RBy . 220 mm = 111,27 N . 220 mm = 24479,4 N.mm Diagram Gaya : Diagram NFD, SFD dan BMD seperti terlihat pada Gambar 3.6. NFD
SFD
BMD
Gambar 3.6. NFD, SFD, dan BMD batang A-B
19
2. Tegangan pada rangka A-B a. Dimensi Rangka : 30mm x 30mm x 2mm l = 30 mm, b = 28mm, c = 2 mm karena pada rangka (l) terdapat lubang baut dengan diameter 10 mm, maka
l = 30 mm - 10 mm = 20 mm. Tipe bentuk pengelasan
ditunjukkan pada Gambar 3.7.
Gambar 3.7 Tipe bentuk pengelasan b. Momen Inersia (I): I= t[
(b + l)4 −6 (l)2 (b)2
I= 2[
12(𝑏+𝑙)
]
(28 + 20)4 −6 (20)2 (28)2 12(28+20)
]
I= 2 x 5949,32 mm4 I= 11898,64 mm4 c. Jarak titik berat 𝑏2
272
784
Y = 2 (b + l) = 2 (28+30) = 116 = 6,758 mm d. Momen Maksimum (Mmax) = 32102,4 N.mm e. Faktor keamanan (Sf) = 3 karena beban statis maka faktor keamanan = 3 (Vidosic, 1957) f. Tegangan yield (σy) = 240 N/mm2 (G. Nieman, Elemen Mesin jilid 1) g. Tegangan ijn (σi) =
240 𝑁/𝑚𝑚2 3
h. Tegangan tarik rangka (σ)=
= 80 N/mm2
𝑀max . 𝑌
=
𝐼 32102,4 . 6,758 11898,64
= 18,23 N/mm2 Jadi karena σ < σi maka pemilihan rangka dengan beban besi Profil L ST 37 dengan dimensi 30 mm x 30 mm x 2 mm aman untuk menahan beban.
20
3.4.2. Perhitungan Gaya Pada Batang E-F Perhitungan perencanaan rangka batang E-F adalah sebagai berikut: Massa motor listrik = 20 kg Beban (F) = massa total . gaya gravitasi = 20 kg . 10 m/s2 = 200 N Motor listrik ditumpu oleh 4 baut sehingga beban motor listrik dibagi rata pada setiap baut yaitu 200 N : 4 = 50 N.
Rangka batang E-F dapat dilihat pada Gambar 3.8.
F E
Gambar 3.8. Rangka Batang E-F
21
1. Analisa pada batang E-F Gaya yang bekerja pada batang E-F dapat dilihat pada Gambar 3.9.
Gambar 3.9. Gaya yang bekerja pada batang E-F ∑ 𝑀𝐸 = 0 ( 50 . 30 ) + ( 50 . 160 ) – ( RFY . 230 ) = 0 1500 N.mm + 8000 N.mm – 230 N.mm . RFy = 0 9500 N.mm = 230 RFy RFy = ∑ 𝐹𝑦 = 0 REy + RFy – 100
=0
REy + 41,3 – 100 = 0 REy – 58,7 = 0 REy = 58,7 N ∑ 𝑀𝐸 = 0 ∑ 𝑀𝐻 = REy . 30 mm = 58,7 N . 30 mm = 1761 N.mm ∑ 𝑀𝐸 = RFy . 70 mm = 41,3 N. 70 mm = 2891 N.mm ∑ 𝑀𝐹 = 0
9500 230
= 41,3 N
22
Diagram gaya: Diagram NFD, SFD dan BMD seperti terlihat pada Gambar 3.10. NFD
SFD
BMD
Gambar 3.10. NFD, SFD, dan BMD batang E-F
2. Tegangan pada Rangka E-F a. Dimensi Rangka : 30mm x 30mm x 2mm l = 30 mm, b = 28mm, c = 2 mm
23
karena pada rangka (l) terdapat lubang baut dengan diameter 10 mm, maka
l = 30 mm - 10 mm = 20 mm. Tipe bentuk pengelasan
ditunjukkan pada Gambar 3.11.
Gambar 3.11. Tipe bentuk pengelasan b. Momen Inersia (I): I= t[
(b + l)4 −6 (l)2 (b)2
I= 2[
12(𝑏+𝑙)
]
(28 + 20)4 −6 (20)2 (28)2 12(28+20)
]
I= 2 x 5949,32 mm4 I= 11898,64 mm4 c. Jarak titik berat 𝑏2
272
784
Y = 2 (b + l) = 2 (28+30) = 116 = 6,758 mm d. Momen Maksimum (Mmax) = 2891 N.mm e. Faktor keamanan (Sf) = 3 karena beban statis maka faktor keamanan = 3 (Vidosic, 1957) f. Tegangan yield (σy) = 240 N/mm2 (G. Nieman, Elemen Mesin jilid 1) g. Tegangan ijn (σi) =
240 𝑁/𝑚𝑚2 3
h. Tegangan tarik rangka (σ)=
= 80 N/mm2
𝑀max . 𝑌
=
𝐼 2891 . 6,758 11898,64
= 1,69 N/mm2 Jadi karena σ < σi maka pemilihan rangka dengan beban besi Profil L ST 37 dengan dimensi 30 mm x 30 mm x 2 mm aman untuk menahan beban.
24
3.4.3. Perhitungan Gaya Pada Batang I-J Perhitungan perencanaan rangka batang I-J adalah sebagai berikut: Massa reducer = 10 kg Beban (F) = massa total . gaya gravitasi = 10 kg . 10 m/s2 = 100 N Reducer ditumpu oleh 4 baut sehingga beban reducer dibagi rata pada setiap baut yaitu 100 N : 4 = 25 N
Rangka batang E-F dapat dilihat pada Gambar 3.12.
J I
Gambar 3.12. Rangka batang I-J
25
1. Analisa pada batang I-J Gaya yang bekerja pada batang 1-J dapat dilihat pada Gambar 3.13.
Gambar 3.13. Gaya yang bekerja pada batang I-J ∑ 𝑀𝐼 = 0 ( 25 N. 15 mm ) + ( 25 N . 125 mm ) – ( RJY . 390 mm ) = 0 375 N.mm + 3125 N.mm – 390 N.mm . RJy = 0 3500 N.mm – 390 RJy = 0 RJy = ∑ 𝐹𝑦 = 0 RIy + RJy – 50 N = 0 RIy + 8,97 N – 50 N = 0 RIy – 41,03 = 0 RIy = 41,03 N ∑ 𝑀𝐼 = 0 ∑ 𝑀𝐿 = RIy . 15 mm = 41,03 N . 15 mm = 615,45 N.mm ∑ 𝑀𝑘 = RJy . 265 mm = 8,97 N . 265 mm =2377,05 N.mm ∑ 𝑀𝐼 = 0
3500 390
= 8,97 N
26
Diagram gaya: Diagram NFD, SFD dan BMD seperti terlihat pada Gambar 3.14. NFD
SFD
BMD
Gambar 3.14. NFD, SFD, dan BMD batang I-J
2. Tegangan pada Rangka I-J a. Dimensi Rangka : 30mm x 30mm x 2mm l = 30 mm, b = 28mm, c = 2 mm
27
karena pada rangka (l) terdapat lubang baut dengan diameter 10 mm, maka
l = 30 mm - 10 mm = 20 mm. Tipe bentuk pengelasan
ditunjukkan pada Gambar 3.15.
Gambar 3.15. Tipe bentuk pengelasan b. Momen Inersia (I): I= t[
(b + l)4 −6 (l)2 (b)2
I= 2[
12(𝑏+𝑙)
]
(28 + 20)4 −6 (20)2 (28)2 12(28+20)
]
I= 2 x 5949,32 mm4 I= 11898,64 mm4 c. Jarak titik berat 𝑏2
272
784
Y = 2 (b + l) = 2 (28+30) = 116 = 6,758 mm d. Momen Maksimum (Mmax) = 2377,05 N.mm e. Faktor keamanan (Sf) = 3 karena beban statis maka faktor keamanan = 3 (Vidosic, 1957) f. Tegangan yield (σy) = 240 N/mm2 (G. Nieman, Elemen Mesin jilid 1) g. Tegangan ijn (σi) =
240 𝑁/𝑚𝑚2 3
h. Tegangan tarik rangka (σ)=
= 80 N/mm2
𝑀max . 𝑌
=
𝐼 2377,05 . 6,758 11898,64
= 1,35 N/mm2 Jadi karena σ < σi maka pemilihan rangka dengan beban besi Profil L ST 37 dengan dimensi 30 mm x 30 mm x 2 mm aman untuk menahan beban.
28
3.5. Perhitungan Las Penggabungan konstruksi rangka mesin penepung singkong ini dilakukan dengan proses pengelasan. Perhitungan berdasarkan tipe pengelasan seperti pada Gambar 3.16.
Gambar 3.16. Bentuk pengelasan Beban terberat yang diambil dari hasil perhitungan di atas yaitu 257,19 N. Diketahui data-data sebagai berikut : Pmax
= 257,19 N
e
= 275 mm
l
= 30 mm
b
= 28 mm
Tegangan geser (𝜏𝑚𝑎𝑥 )
= 70 N/mm2 (Khurmi,2005, Machine design)
Tebal plat (s) dapat dihitung dengan langkah-langkah sebagai berikut: a. Mencari Throat area A=txl = 0,707 s x 30 = 21,21 s mm b. Tegangan geser
𝜏= =
𝑃 𝐴
257,19 21,21 𝑠
29
=
212,125 𝑠
N/mm
c. Moment bending M=Pxe = 257,19 x 275 = 70727,25 N.mm d. Mencari Section Modulus Z =𝑡 [
4𝑙𝑏+𝑏 2 6
=𝑡[
]
4(30)(28)+282 6
]
= 488,30 s mm2 e. Tegangan bending 𝑀
𝜎𝑏 =
𝑍
70727,25
=
=
488,30 𝑠
144,84 𝑠
N/mm
f. Diketahui tegangan geser max (𝜏𝑚𝑎𝑥 ) = 70 N/mm2 (Khurmi,2005)
τmax =
70 =
1 2
1
√(σb )2 + 4. τ2
2
√(
+ 4. (
1
20978,625
2
s2
1
21566,6875
70 = √
70 = 2 √
70 =
144,84 2 ) 𝑠
+
12,125 2 ) 𝑠
588,0625 s2
s2
73,428
s=
𝑠 73,428 70
s = 1,04 mm Jadi, nilai s yang didapat dari perhitungan di atas sebesar 1,04 mm
30
3.6. Simulasi Analisa Kekuatan Rangka Menggunakan Software Solidwork 1. Faktor keamanan (Factor of safety/FOS/SF) Factor of safety merupakan acuan utama yang digunakan dalam menentukan kualitas suatu produk. Acuannya, jika nilai FOS minimal kurang dari 1, maka produk tersebut kualitasnya jelek, tidak aman untuk diproduksi. Sebaliknya jika nilai FOS lebih dari 1 maka produk tersebut berkualitas baik. Warna merah pada hasil safety faktor menginformasikan bahwa area tersebut dinyatakan aman. Nilai FOS menunjukkan angka sebesar 14,07. Factor of safety dapat dilihat pada Gambar 3.17.
Gambar 3.17. Factor of safety 2. Von mises Metode Von mises memiliki keakuratan lebih besar dibanding metode lain, karena melibatkan tegangan tiga dimensi. Von mises merupakan kriteria kegagalan untuk meterial ulet. Untuk menentukan kriteria dari material tersebut dinyatakan aman atau tidak, maka dapat menggunakan hasil analisis von mises ini. Jika tegangan von mises lebih kecil dari yield strength material yang digunakan maka kekuatan struktur tersebut aman.
31
Nilai tegangan von mises sebesar 44,1 N/mm2 sedangkan nilai yield strength 620,4 N/mm2, maka rangka dinyatakan aman. Von mises rangka ditunjukkan pada Gambar 3.18.
Gambar 3.18. Von mise rangka
3. Perubahan bentuk ( Displacement ) Displacement adalah perubahan bentuk pada benda yang dikenai gaya. Jika beban semakin besar maka displacement yang akan dihasilkan akan semakin besar, jika beban semakin kecil maka displacement yang dihasilkan juga kecil. Nilai tegangan Displacement menunjukan angka maksimal sebesar 2,728 mm. Displacement rangka ditunjukkan pada Gambar 3.19.
32
Gambar 3.19. Displacement rangka
