1
Analisis, Simulasi dan Percobaan Getaran pada Mesin Pengering Ramah Lingkungan Analysis, Simulation and Experimental of Vibration on Green Dryer Machine
La Ode Mohammad Firman, Program Studi Magister Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Pancasila, Jakarta Selatan, E-mail:
[email protected]
Abstract The observation was found that dryer machines for various agricultural commodities were ineffective. The using of vibration system for moving agricultural commodities such as cashew nuts were on the shelf could not be moved optimally. Beside that most of the surface of cashew nuts were on the shelf could not get hot air flow, so that on a specific moment cashew nuts must be taken out from the drying chamber to be manually moved. The previous study by using an unbalance mass and a piston engine explained that the spring load on dryer machine was too large, so that the spring used as pedestal of shelves would be broken fastly. Futhermore the previous study only did research on ratio of angular speed and natural frequency, r < 1. To solve the problems of the dryer machines and to develope the results of previous study, then it needs to do the study about: analysis, simulation and experimental of vibration. Beside that the study only uses an unbalance mass and the ratio of angular speed and natural frequency is r > 1. General purpose of this study is to do analysis, simulation and experimental of vibration on green dryer machine by using unbalance mass. The study uses observation, literature study, analysis, simulation and experimental methods and cashew nuts as the commodity tested on the each shelf. The experimental results explained that the spring would not quickly broken and the vibration optimally was found on condition of the vibration approached resonance, namely: r = 1.004 to 1.31. Keywords: Vibration, analysis, simulation, experimental.
2
Abstrak Pengamatan diperoleh bahwa terdapat banyak mesin pengering komoditi pertanian yang tidak efektif dan penggunaan sistim getaran untuk menggerakkan komoditi pertanian seperti kacang mete yang berada di atas rak tidak bergerak secara optimal. Selain itu sebagian besar permukaan kacang mete yang berada di atas rak tidak mendapat aliran udara panas sehingga pada saat tertentu kacang mete harus dikeluarkan dari ruang pengering untuk digerakkan secara maual. Penelitian sebelumnya yang menggunakan sebuah unbalance mass dan sebuah mesin torak menjelaskan bahwa beban pegas terlalu besar sehingga pegas yang digunakan sebagai tumpuan rak akan cepat rusak. Selanjutnya penelitian sebelumnya hanya melakukan penelitian pada rasio kecepatan sudut putar dengan kecepatan sudut alamiah, r < 1. Untuk
menyelesaikan
permasalahan
pada
mesin
pengering
tersebut
dan
mengembangkan hasil-hasil penelitian sebelumnya maka perlu dilakukan penelitian lanjut tentang: analisis, simulasi dan percobaan getaran. Disamping itu, penelitian ini hanya menggunakan unbalance mass dan rasio kecepatan sudut putar dengan kecepatan sudut alamiah adalah r > 1. Secara umum tujuan penelitian ini adalah: Melakukan analisis, simulasi dan percobaan getaran pada mesin pengering ramah lingkungan dengan menggunakan unbalance mass. Metode yang digunakan pada penelitian ini adalah: pengamatan, studi literatur, analisis, simulasi dan percobaan serta kacang mete merupakan komoditi yang diuji yang berada di atas rak pengering. Hasil percobaan menjelaskan bahwa pegas tidak cepat rusak dan getaran optimal diperoleh pada saat kondisi getaran mendekati resonansi yakni: r = 1.004 sampai 1.31. Kata kunci: Getaran, Analisis, simulasi, percobaan.
Pendahuluan
Latar Belakang Pengeringan biasanya menggunakan mesin pengering untuk mengeringkan kacang mete yang berada di atas rak. Pengamatan yang telah dilakukan menunjukkan bahwa pengeringan tersebut tidak efektif, kapasitas ruang pengering relatif kecil dan kacang mete yang berada di atas rak tidak bergerak secara optimal. Pada pengamatan tersebut ditemukan pula bahwa terdapat mesin pengering yang menggunakan kincir angin serta ada pula yang menggunakan an unbalance mass (massa tak seimbang) dan mesin torak sebagai penggetar rak. Hal ini menyebabkan adanya ketergantungan 3
pada kecepatan angin serta beban pegas terlalu besar sehingga pegas yang digunakan sebagai tumpuan rak akan cepat rusak. Selain itu sebagian permukaan kacang mete yang berada di atas rak tidak mendapat aliran udara panas sehingga pada saat tertentu kacang mete harus dikeluarkan dari mesin pengering untuk digerakkan secara manual. Itulah sebabnya waktu yang dibutuhkan saat mengeringkan kacang mete pada mesin pengering akan bertambah dan menimbulkan kehilangan panas akibat pintu mesin pengering sering dibuka. Selanjutnya penelitian sebelumnya hanya melakukan penelitian pada rasio kecepatan sudut putar dengan kecepatan sudut alamiah, r < 1 sehingga perlu dilakukan penelitian lanjut pada r > 1.
Perumusan dan Pemecahan Masalah Beberapa perumusan masalah yang digunakan pada penelitian ini yaitu: Berapa besarnya getaran agar diperoleh getaran rak yang optimal yakni getaran pada rak yang dapat menyebabkan aliran udara panas pada kacang mete yang sedang dikeringkan terdistribusi dengan baik. Bagaimana bentuk bangunan mesin pengering yang memiliki kapasitas ruang pengering yang relatif lebih besar.
Bagaimana
penempatan peralatan maupun bagian-bagian mesin pengering agar komoditi kacang mete tidak perlu diaduk secara manual dan pintu mesin pengering tidak perlu dibuka selama proses pengeringan berlangsung. Bagaimana melakukan analisis, simulasi dan percobaan pada r > 1. Pemecahan masalah
yang perlu dikembangkan pada penelitian ini adalah
penerapan sistim getaran pada rak unit pengering dengan menggunakan unbalance mass dan tidak menggunakan mesin torak. Selanjutnya dilakukan analisis, simulasi dan percobaan getaran pada r > 1 hingga diperoleh getaran yang optimal.
Status Ilmiah Penelitian sistim getaran yang pernah dilakukan antara lain: 1. Penelitian amplitudo getaran pada rak bergetar telah dilakukan oleh Brod et al. (2004). Analisis menggunakan frekwensi getaran, f = 60 Hz, kecepatan sudut putar, ω = 377 rad/s, percepatan gravitasi, g = 9.81 m/s. Penelitian tersebut menghasilkan amplitudo getaran sebesar, X = (0.15 hingga 1.55) 10-3 m. 2. Pengering dengan menggunakan rak getar telah dilakukan oleh Eko Arif Rahman et al. (2007). Pengering tersebut menggunakan kincir savonius dan 2 unit rak pengering yang akan digetarkan. Penelitian yang telah dilakukan 4
menjelaskan bahwa kecepatan angin untuk memutar kincir savonius adalah 1.14 m/s hingga 1.72 m/s. 3. Unjuk kerja pengeringan dengan menggunakan getaran yang dibantu oleh pengering infra merah telah dilakukan oleh Das et al. (2009). Penelitian tersebut diperoleh bahwa pengeringan padi yang berkelembaban tinggi dengan menggunakan tingkat intensitas radiasi pada 3100 W/m2 dan 4290 W/m2 menunjukkan penurunan kadar air hingga 40% selama 33 menit dan 29 menit. Amplitudo optimum diperoleh sebesar, X = 8 mm hingga 9 mm. 4. Penelitian yang berhubungan dengan resonanasi pada getaran telah dilakukan oleh Djatmiko (2010). Pada penelitian tersebut dijelaskan bahwa Peningkatan nilai konstanta pegas dapat menyebabkan menurunnya nilai resonansi. 5. Penelitian getaran pada rak kacang mete dengan menggunakan mesin torak dan unbalance mass telah dilakukan oleh LM Firman et al (2011). Hasil penelitian
menunjukkan bahwa besarnya putaran poros motor listrik
mempengaruhi besarnya getaran.
Putaran motor listrk yang dapat
menghasilkan getaran XM/me terbesar terjadi pada n = 334.59 rpm. Hal ini disebabkan oleh putaran tersebut terjadi resonansi yaitu: r = 1. 6. Sorimuda Harahap et al (2015) melakukan analisis getaran pada rak unit pengering kacang mete dengan menggunakan unbalance mass. Penelitian yang telah dilakukan hanya pada kecepatan sudut putar lebih kecil dari kecepatan sudut alamiah atau r < 1. Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan dijelaskan bahwa getaran optimal diperoleh pada r = 0.97 hingga 0.99 atau kecepatan sudut putar mendekati kecepatan sudut alamiah.
Tujuan Penelitian dan Hasil Penelitian yang diharapkan Tujuan penelitian ini adalah: 1. Melakukan analisis, simulasi dan percobaan getaran pada mesin pengering yang memiliki kapasitas ruang pengering yang relatif lebih besar yakni 3 unit pengering dengan beban pegas tiap unit pengering bervariasi yakni: M = 40 kg, M = 30 kg dan M = 20 kg. 2. Melakukan percobaan getaran pada rak unit pengering dengan menggunakan unbalance mass dan kecepatan sudut putar lebih besar dari kecepatan sudut alamiah atau r > 1 hingga diperoleh getaran yang optimal.
5
Hasil penelitian yang diharapkan adalah: mesin pengering yang memiliki kapasitas ruang pengering yang relatif lebih besar dengan menggunakan 3 unit pengering dan dapat diterapkan pada beban pegas maksimum 120 kg. selain itu pemanfaatan unbalance mass diharapkan dapat menyebabkan getaran yang optimal sehingga seluruh permukaan kacang mete memperoleh aliran udara panas.
Alat dan Bahan serta Metode
Alat dan bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah: 1. Satu buah ruang pengering 2. Tiga buah unit pengering 3. Pegas, Alat penukar kalor dan Blower 4. Rak, Kacang mete dan Tachometer 5. Motor listrik, poros, kopling dan unbalance mass 6. Timbangan, Mistar dan Komputer.
Metode yang digunakan pada penelitian ini adalah: 1. Pengamatan pada beberapa mesin pengering komoditi kacang mete 2. Studi literatur sesuai dengan bidang penelitian 3. Analisis, simulasi dan percobaan getaran. Saat melakukan percobaan dipastikan bahwa alat dan bahan telah diletakkan sesuai dengan tempatnya masing-masing. Motor listrik dioperasikan dan unbalance mass turut berputar. Putaran unbalance mass harus mampu menggetarkan rak unit pengering secara optimal serta pintu mesin pengering dipastikan tidak dibuka selama proses
pengeringan
berlangsung.
Selanjutnya
dilakukan
pengukuran
guna
memperoleh data-data percobaan yaitu: 1. Jumlah kacang mete yang berada di atas rak unit pengering. 2. Jumlah pegas yang digunakan. 3. Beban pegas 4. Berat dari unbalance mass 5. Daya dan putaran motor listrik. 6. Perubahan ketinggian posisi pegas. Data-data yang diperoleh selama percobaan pada mesin pengering, selanjutnya dianalisis serta disimulasi melalui komputer. 6
Hasil dan Pembahasan
Mesin Pengering Ramah Lingkungan Peralatan dan dimensi yang digunakan pada mesin pengering ini disesuaikan dengan jumlah kacang mete serta besarnya beban yang diterima oleh pegas. Peralatan motor listrik dan unbalance mass diletakkan di bawah rak unit pengering. Dinding ruang pengering terbuat dari material stainless steel dengan ketebalan 0.001 m dan dimensi ruang pengering yakni panjang 4 m, lebar 1.2 m dan tinggi sebesar 1.2 m. Untuk menghasilkan mesin pengering yang ramah lingkungan maka mesin pengering ini menggunakan sumber energi panas yang diperoleh dari bahan bakar Liquefied Petroleum Gas (LPG) yang diletakkan di bawah alat penukar kalor serta carbon fiber sebagai penyerap panas energi surya yang diletakkan dalam ruang pengering. Mesin pengering ini memiliki 24 buah rak, 1 buah blower, 3 buah motor listrik, 3 buah unbalance mass, 12 buah pegas serta 3 buah unit pengering yang diletakkan dalam ruang pengering. Tiap unit pengering memiliki 8 buah rak, 1 buah motor listrik, 1 buah unbalance mass, dan 4 buah pegas. Beban pegas keseluruhan dapat mencapai 120 kg, sedangkan beban pegas tiap unit pengering pada percobaan ini bervariasi yaitu: 40 kg, 30 kg dan 20 kg. Dimensi panjang, lebar dan tinggi tiap unit pengering adalah masing-masing 1 m. Pada saat pengeringan, kacang mete diletakkan di atas rak unit pengering dan udara dari lingkungan dialirkan ke dalam ruang pengering melalui alat penukar kalor. Mesin pengering ramah lingkungan dengan kapasitas ruang pengering relatif lebih besar ditampilkan sebagaimana Gambar 1. Sedangkan kacang mete yang diletakkan di atas rak unit pengering ditampilkan pada Gambar 2.
T : Temperature M: Electrical Motor H : Humadity CF: Carbon Fiber
Gambar 1 Mesin pengering ramah lingkungan yang memiliki 3 unit pengering dengan menggunakan unbalance mass 7
Gambar 2 Kacang mete di atas rak unit pengering
Getaran pada Rak Unit Pengering Suatu elemen massa M dengan tumpuan pegas memiliki konstanta pegas sebesar k dan diperoleh persamaan sebagaimana berikut [William TT., 1986]:
n
k M
.
(1)
Sistim getaran pada unit pengering menggunakan putaran unbalance mass dengan gerakan ke arah vertikal ditampilkan pada Gambar 3.
Gambar 3 Sistem getaran pada rak unit pengering
Sistem getaran di atas dijelaskan bahwa M adalah beban pegas, m adalah unbalance mass, n adalah putaran motor listrik, k adalah konstanta pegas dan e adalah jarak poros ke unbalance mass. Motor listrik beroperasi dengan kecepatan sudut putar sebesar ω serta kecepatan sudut alamiah sebesar ωn dan r merupakan rasio antara kecepatan sudut putar dan kecepatan sudut alamiah. Konstanta pegas, daya motor listrik dan jarak unbalance mass ke poros motor listrik yang digunakan adalah
8
konstan yaitu: k = 49050 N/m, P = 0.5 HP dan e = 0.1 m. Masing-masing parameter didefinisikan sebagaimana persamaan berikut [William TT., 1986]: r
n
(2).
2 n 60
(3).
Y
m e2 k
X m e2 k X
X Y
(5)
me
(k
X m e/M
(4)
2
M 2 )
r2 (1 r ) 2
2
2
(6)
(7)
Pada saat motor listrik dioperasikan maka unbalance mass akan berputar dan menimbulkan getaran pada rak unit pengering. Penggunaan unbalance mass yang diletakkan di bawah rak unit pengering
berfungsi untuk menghasilkan getaran
sehingga kacang mete bergerak dan seluruh permukaan kacang mete yang berada di atas rak unit pengering bisa memperoleh udara panas.
Unbalance mass yang
diletakkan di bawah unit pengering tersebut ditampilkan pada Gambar 4.
Gambar 4 Letak unbalance mass
9
Getaran optimal yang diperoleh dari percobaan terjadi pada saat kondisi getaran mendekati resonansi yaitu: n = 438 rpm, X = 0.00288 m, dan r = 1.31. Jumlah kacang mete yang sedang dikeringkan sebanyak 26.3 kg, M = 40 kg dan m = 0.48 kg. Besarnya amplitudo getaran yang diperoleh pada penelitian ini hampir sama dengan penelitian yang telah dilakukan oleh Brod et al. (2004) yakni X = 0.00015 m hingga 0.00155 m. Namun sebaliknya hasil penelitian ini berbeda dengan penelitian yang telah dilakukan oleh Das at al. (2009) yakni pengeringan padi yang juga menggunakan getaran, dimana amplitudo optimum diperoleh, X = 0.008 m hingga 0.009 m. perbedaan ini disebabkan oleh dimensi biji padi yang relatif lebih kecil dibanding dengan dimensi biji kacang mete sehingga amplitudo optimum yang dibutuhkan pada pengeringan padi relatif lebih besar dibanding amplitudo optimum untuk pengeringan kacang mete. Hasil analisis, simulasi dan percobaan getaran pada saat M = 40 kg dan m = 0.48 kg ditunjukkan pada Tabel 1.
n
Tabel 1 Hasil analisis, simulasi dan percobaan getaran pada saat M = 40 kg dan m = 0.48 kg ω ω2 X ωn r MX/me -1
-1 2
-1
(det )
(m)
(det )
(rpm)
det
334.59
35.02
1,226.4
9.81
35.02
438
45.84
2,101.3
0.00288
950
99.43
9,886.32
1,050
109.9
12,078.01
X/Y
(-)
-
1
8,175
≈
35.02
1.31
2.40
1.4
0.00137
35.02
2.84
1.14
0.141
0.0007
35.02
3.14
0.58
0.059
Hasil penelitian sebagaimana yang ada pada Tabel 1 menunjukkan hasil yang sama dengan penelitian yang telah dilakukan oleh LM Firman et al. (2011) yakni XM/me terbesar terjadi pada keadaan resonansi yaitu r = 1. Keadaan resonansi berhubungan dengan besarnya getaran sebagaimana penelitian yang telah dilakukan oleh Djatmiko (2010). Mesin pengering pada penelitian ini hanya menggunakan unbalance mass tanpa mesin torak sehingga beban pegas lebih kecil dan hal ini menyebabkan pegas tidak cepat rusak. Hasil yang diperoleh dari analisis, simulasi dan percobaan getaran dengan beban pegas bervariasi ditampilkan pada Gambar 5, Gambar 6 dan Gambar 7.
10
7 Nilai X M / m e
6 5 4 3 2 1 0 0
500
1000
1500
2000
2500
Putaran motor listrik (rpm)
Gambar 5 Perubahan MX/me terhadap n dengan beban pegas, M = 40 (kg) Gambar 5 menunjukkan hasil analisis, simulasi dan percobaan getaran pada beban rak, M = 40 kg. Jumlah kacang mete yang sedang dikeringkan pada tiap unit pengering sebanyak 26.3 kg. Hasil percobaan menunjukkan bahwa kondisi getaran yang mendekati resonansi terjadi pada n = 438 rpm, m = 0.48 kg serta nilai XM/me = 2.4. Hasil percobaan berikutnya menunjukkan bahwa kondisi getaran yang mendekati resonansi terjadi pada n = 413 rpm, m = 0.26 kg serta nilai MX/me = 5.38. 6
Nilai X M / m e
5 4 3 2 1 0 0
200
400
600
800
1000
1200
Putaran motor listrik (rpm)
Gambar 6 Perubahan MX/me terhadap n dengan beban pegas, M = 20 (kg) Gambar 6 menunjukkan hasil analisis, simulasi dan percobaan getaran pada beban rak, M = 20 kg. Jumlah kacang mete yang sedang dikeringkan pada tiap unit pengering sebanyak 6.3 kg. Hasil percobaan menunjukkan bahwa kondisi getaran yang mendekati resonansi terjadi pada r = 1.004, n = 475 rpm, m = 0.2 kg serta nilai XM/me = 5. Hasil percobaan berikutnya menunjukkan bahwa kondisi getaran yang mendekati resonansi terjadi pada n = 395 rpm, m = 0.25 kg serta nilai MX/me = 4. 11
6 5
X/Y
4 3 2 1 0 0
0,5
1
1,5
2
r
Gambar 7 Perubahan r terhadap X/Y dengan beban pegas, M = 30 kg Gambar 7 menunjukkan hasil analisis, simulasi dan percobaan getaran pada beban rak, M = 30 kg. Jumlah kacang mete yang sedang dikeringkan pada tiap unit pengering sebanyak 16.3 kg. Hasil percobaan menunjukkan bahwa kondisi getaran yang mendekati resonansi terjadi pada r = 1.08 dan X/Y = 4.6. Hasil percobaan berikutnya menunjukkan bahwa kondisi getaran yang mendekati resonansi terjadi pada r = 1.16 dan X/Y = 4.5. Hasil penelitian ini menunjukkan hasil yang sama dengan hasil penelitian yang dilakukan oleh Sorimuda Harahap et al. (2015) yakni unit rak pengering dapat bergerak secara optimal pada saat getaran mendekati keadaan resonansi. Namun demikian penelitian yang telah dilakukan oleh Sorimuda Harahap et al. (2015) tersebut menggunakan r < 1 sedangkan pada penelitian ini menggunakan r > 1.
Simpulan
Hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa: 1. Mesin pengering ramah lingkungan ini menggunakan kapasitas ruang pengering yang relatif lebih besar yakni 3 unit pengering dan 24 buah rak yang ditempatkan dalam ruang pengering serta hanya menggunakan unbalance mass.
12
2. Getaran yang optimal pada kecepatan sudut putar lebih besar dari kecepatan sudut alamiah atau r > 1 dapat terjadi saat kondisi getaran mendekati resonansi yakni: -
M = 40 kg, r = 1.31, n = 438 rpm, m = 0.48 kg, XM/me = 2.4.
-
M = 20 kg, r = 1.004, n = 475 rpm, m = 0.2 kg, XM/me = 5.
-
M = 30 kg, r = 1.08, X/Y = 4.6.
Ucapan Terima Kasih
Penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada rekan-rekan peneliti serta ketua program studi Magister Teknik Mesin, Universitas Pancasila, Jakarta yang telah membantu kelancaran dalam penyelesaian peneltian ini. Penulis mengucapkan banyak terima kasih pula kepada pihak Redaksi Jurnal Keteknikan Pertanian (JTEP), IPB, Bogor yang bersedia menerima hasil-hasil penelitian yang layak untuk dipublikasikan melalui jurnal terakreditasi yakni Jurnal Keteknikan Pertanian (JTEP), IPB, Bogor.
Jakarta,
September 2016
Penulis, La Ode Mohammad Firman
Daftar Pustaka 1. Djatmiko. 2010. Perancangan Sistem Peredam Getaran Pada Muatan Roket RX 320 Lapan. Jurnal Teknologi Dirgantara, Vol. 8 Nomor 1: 70 -75. 2. Eko Arif Rahman, Dyah Wulandani, Kamaruddin Abdullah. (2007). Pengeringan Ikan Teri Jengki dengan menggunakan Energi Surya Hybrida ERK, Biomassa, dan Angin. Creata, LPPM-IPB. Teknologi Berbasis Sumber Energi Terbarukan Untuk Pertanian: 267 - 265 3. F.P.R. Brod, K.J. Park. 2004. Image Analysis to Obtain the Vibration Amplitude and the Residence Time Distribution of a Vibro-Fluidized Dryer. Journal of Food and Bioproducts Processing, Volume 82, issue 2: 157 – 163.
13
4. Ipsita Das, SK Das, Satish Bal. 2009. Drying Kinetics Of High Moisture Paddy Undergoing Vibration-Assisted Infrared (IR) Drying. Journal Of Food Engineering, Volume 95, Issue 1: 166-171. 5. LM Firman, Kamaruddin Abdullah, Leopold O. Nelwan, Dyah Wulandani. 2011. Simulasi Getaran pada Rak Pengering Kacang Mete. Jurnal Teknologi, Vol. 1 Nomor 2:179-192. 6. Sorimuda Harahap, LM Firman. 2015. Green Drying Chamber by using Vibration Component, Heat Exchanger and Micro Hydro in Buton Island, Indonesia. Proceedings of Joint International Conference 2015: Solutions for Sustainable Water and Enviromental Management, Kuala Lumpur, Malaysia, 19 – 21 August 2015: Pijic2015_9: 89 - 94. 7. William TT. 1986. Teori Getaran Dan Penerapannya. Edisi ke -2. Erlangga, Jakarta.
14
