14
METODOLOGI PENELITIAN Tahapan Penelitian Tahap-tahap penelitian terdiri dari : (1) proses desain, (2) konstruksi alat, (3) analisis desain dan (4) pengujian alat. Adapun skema tahap penelitian seperti Gambar 5. Mulai Indentifikasi masalah Gagasan awal Pengembangan dan penyempurnaan gagasan Perhitungan dan perencanaan elemen mesin (analisis)
Pelaksanaan
Hasil rancangan
Mempersiapkan bahan dan peralatan pembuatan hasil rancangan Perakitan hasil rancangan
Penyetelan hasil rakitan
Tidak Pengujian kinerja hasil rakitan (kapasitas)
Sesuai Sesuai
Penyempurnaan hasil rakitan Bucket elevator hasil rancangan Selesai
Gambar 5 Tahapan penelitian
15
Proses Desain Dalam mendesain bucket elevator perlu dilakukan proses desain. Adapun tahap-tahap dalam proses desain seperti yang disajikan sebagai berikut.
Identifikasi Masalah
Bucket elevator yang ada di pasaran pada prinsipnya bisa untuk biji-bijian namun perlu pengaturan dan penyesuaian apabila digunakan untuk pemindah bahan (biji jagung) pada sistem pengering Efek Rumah Kaca (ERK)-Hybrid dan
In-Store Dryer (ISD). Oleh karena itu perlu dirancang bucket elevator khusus sebagai mesin pemindah bahan (biji jagung) yang disesuaikan dengan bentuk dan posisi alat terintegrasi pengering ERK-Hybrid dan ISD. Desain bucket elevator dibuat khusus karena untuk memenuhi :1) kapasitas yang diharapkan 1400 kg/jam karena biji jagung yang dikeringkan menggunakan pengering ERK-Hybrid berkapasitas 1400 kg, 2) digunakan untuk memindahkan biji jagung dalam kondisi kering dengan kadar air rata-rata 16%, 3) ketinggian pengangkutan 5,1 m, dan 4) sistem pengumpanan dari pengering ERK-Hybrid harus ditampung terlebih dahulu di bak penampungan. Skema rangkaian pengering ERK-Hybrid – Bucket
Elevator – ISD dapat dilihat pada Gambar 6.
Gambar 6 Skema rangkaian pengering ERK-Hybrid – Bucket Elevator – ISD
Gagasan Awal Gagasan awal dalam membuat bucket elevator adalah disesuaikan dengan bentuk dan posisi alat pengering ERK-Hybrid dan ISD terintegrasi, sehingga rancangan ini diharapkan bisa digunakan dan optimal dalam kinerjanya.
16
Mekanisme kerja bucket elevator diawali pengaliran bahan (biji jagung) dari saluran pengeluaran pengering ERK-Hybrid ke corong pemasukan bucket elevator yang kemudian dipindahkan dari corong pengeluaran bucket elevator ke penyimpan ISD. Pemindahan biji jagung dengan kapasitas yang diharapkan 1400 kg/jam dilakukan dengan membuat kecepatan putar di puli atas yang sesuai untuk mendapatkan kapasitas tersebut. Pemindahan biji jagung dengan kondisi kadar air kering 16% dilakukan dengan membuat corong pemasukan dan corong pengeluaran dengan sudut kemiringan di atas sudut curah biji jagung, yaitu 400. Ketinggian pengangkutan dicapai dengan memasukan kaki rangka ke bawah tanah. Bak penampung untuk menampung biji jagung dibuat dengan ukuran yang besar dengan sudut kemiringan bak di atas sudut curah biji jagung, yaitu 350. Desain Fungsional. Bucket elevator yang didesain digunakan untuk memindahkan biji jagung dari pengering ERK-Hybrid ke penyimpan ISD. Biji jagung dari pengering ERK-Hybrid yang sudah mencapai kadar air 16% dikeluarkan secara kontinyu melalui lubang pengeluaran pengering ERK-Hybrid, kemudian biji jagung tersebut ditampung di bak penampung. Dari bak penampung ini biji jagung langsung disalurkan ke corong pemasukan bucket elevator, dari corong pemasukan biji jagung akan mengalir menuju bucket-bucket sebagai wadah yang bergerak berputar ke atas.
Bucket-bucket akan menampung biji
jagung dengan dua cara yaitu menangkap bahan dari corong pemasukan dan menyendok bahan dari bagian dasar bucket elevator. Untuk meletakkan bucket-bucket tersebut digunakan sabuk datar yang dipasang mengelilingi puli atas dan bawah. Untuk mengerakkan sabuk datar diperlukan puli penggerak atas yang akan digerakkan oleh motor listrik, karena kecepatan putar di motor listrik biasanya terlalu tinggi maka diperlukan gear box untuk mereduksi kecepatan putar menjadi kecepatan putar yang diharapkan. Untuk menghubungkan poros motor ke gear box dan poros gear box ke poros puli atas penggerak bucket elevator digunakan sabuk-V dan puli transmisi. Lalu bucket yang berada di bagian atas puli atas akan melemparkan biji jagung ke arah corong pengeluaran bucket elevator. Dari corong pengeluaran disalurkan menggunakan saluran pengeluaran yang berupa selang fleksibel ke
17
penyimpan ISD. Untuk menjamin tegaknya bagian-bagian tersebut dan menopang semua beban yang diletakkan di atasnya serta dapat menahan gaya-gaya yang terjadi akibat transmisi tenaga dan berat beban, dibutuhkan rangka mesin. Rangka mesin ini terdiri dari rangka ruang pemindah bahan dan kaki rangka. Agar biji jagung yang diangkut ke penyimpan ISD selama bucket elevator beroperasi tidak ke luar dari bucket elevator maka digunakan penutup. Penutup terdiri dari tiga bagian yaitu penutup ruang pemindah bahan, penutup atas dan penutup bawah. Dengan keadaan tersebut di atas bucket elevator secara fungsional dapat memindahkan bahan (biji jagung) dari pengering ERK-Hybrid ke penyimpan ISD. Desain Struktural. Penentuan dimensi komponen mesin disesuaikan dengan dimensi komponen mesin yang lain. Penentuan dimensi mesin akan didasarkan hasil analisa teknis dengan mempertimbangkan ketersediaan bahan serta memperhatikan segi ekonomis dan efisiensi kerja. Rangka Mesin. Rangka mesin bucket elevator terdiri dari kaki rangka dan rangka ruang pemindah, yang keduanya terbuat dari bahan besi siku 40 x 40 mm dengan tebal 4 mm. Dasar pertimbangan menggunakan ukuran tersebut adalah kekuatan menahan beban. Massa keseluruhan beban (m) yang ditopang oleh kaki rangka yang terbuat dari besi siku adalah 149 kg. Gaya menahan keseluruhan beban F (N) :
F = m × g .........................................................................................................
(5)
= 149 × 9,81 = 1461,69 N Luas penampang kaki rangka yang terbuat dari besi siku A (m2) : A = p × l...........................................................................................................
(6)
= 0,5 × 0,5 = 0,25 m 2 Sehingga kekuatan besi siku menahan beban σ (Kpa) : F ................................................................................................................. (7) A 1461,69 = = 5846,76 N / m 2 = 5,847 KPa 0,25 di mana m : massa keseluruhan beban (kg)
σ =
g : percepatan gravitasi (m/detik2) Kaki rangka yang terbuat dari bahan besi siku mempunyai tegangan patah (ultimate strength) 350 Mpa (Howatson AM, Lund PG, Todd JD.” Engineering
18
Tables and Data” p 41). Dengan kekuatan besi siku menahan beban tidak melebihi tegangan patah maka kaki rangka yang terbuat dari besi siku cukup kuat menahan beban. Kaki rangka berbentuk ruang trapesium dengan panjang 500 mm, lebar 500 mm dan tinggi 500 mm. Di mana penampang atas berbentuk persegi panjang berukuran lebar bagian dalam 140 mm, lebar bagian luar 220 mm, panjang bagian dalam 330 mm dan panjang bagian luar 415 mm, ukuran ini diperoleh berdasarkan ukuran panjang dan lebar rangka ruang pemindah bahan. Sketsa kaki rangka seperti terlihat pada Gambar 7.
Gambar 7 Kaki rangka Adapun dimensi rangka ruang pemindah terdiri dari : lebar rangka bagian dalam 140 mm dan lebar rangka bagian luar 220 mm. Ukuran lebar rangka ruang pemindah bagian luar (Lr) diperoleh dari : Lr = pb + j p ...................................................................................................... (8) = 116 + 94 = 210 mm di mana pb : panjang bucket (mm) jp : jarak sisi kiri dan kanan bucket ke penutup depan dan belakang (mm) Panjang rangka bagian dalam 330 mm dan panjang rangka bagian luar 415 mm. Ukuran panjang rangka ruang pemindah bagian luar (Pr) diperoleh dari : Pr = 2 × lb + d p + j p .......................................................................................... (9) = 2 × 100 + 90 + 125 = 415 mm di mana lb : lebar bucket (mm) dp : diameter puli atas atau bawah (mm) jp : jarak sisi depan bucket ke penutup kiri dan kanan (mm)
19
Tinggi rangka ruang pemindah (Trp) diperoleh dari Trp = t isd + t st ................................................................................................... (10) = 3750 + 1135 = 4885 mm di mana tisd : tinggi ISD (mm) tst : tinggi sisi tegak yang membuat kemiringan 350 Dari ukuran panjang, lebar, dan tinggi rangka ruang pemindah didapat bentuk rangka ruang pemindah yang dapat dilihat pada Gambar 8.
Gambar 8 Rangka ruang pemindah bahan Bucket. Produk yang diangkut adalah berupa biji jagung dengan kapasitas pemindahan yang diharapkan 1400 kg/jam. Dari nilai kapasitas 1400 kg/jam = 0,388 kg/detik, dengan nilai kecepatan sabuk 0,433 m/detik dan jarak antar bucket 0,3 m yang telah diketahui, didapatkan volume bucket dari persamaan berikut :
V ×v ............................................................................................................ (11) s Q×s V = v 0,388 × 0,3 = = 0,27 kg 0,433 di mana V : kapasitas bucket (kg) Q=
Q : kapasitas pemindahan bahan (kg/detik) v : kecepatan sabuk (m/detik) s : jarak antar bucket (m)
20
Setelah massa bucket dikonversi ke volume didapat nilai 0,37 liter. Bucket yang digunakan yang tersedia di pasaran, karena tidak ada kapasitas bucket yang sama maka dipilih yang mendekati yaitu kapasitas 0,5 liter dengan ukuran sebagai berikut : panjang 116 mm, lebar 100 mm, tinggi 90 mm. Sehingga diperoleh volume satu bucket :
Volume = panjang × 1 / 2 lebar × tinggi .......... .......... .......... .......... .......... .....
(12)
= 0,11 6 m × 1 / 2 × 0,10 m × 0,09 m = 0,0005 m 3 Dengan densitas kamba jagung = 718 kg/m3 diperoleh dari Tabel 11.2 Grain properties related to pneumatic conveying (ASAE Data D241.2 dalam Srivastava et al. 1993). Diperoleh massa jagung satu bucket : massa jagung = volume × densitas kamba ....................................................... (13) = 0,0005 m 3 × 718 kg / m 3 = 0,36 kg Sketsa bucket dapat dilihat pada Gambar 9.
Gambar 9 Bucket Bucket yang digunakan pada penelitian ini terbuat dari plastik, dengan alasan memiliki kelebihan dibanding dari bahan plat : lebih mudah dalam pemasangan, harga pembuatan lebih murah, ukuran bucket lebih seragam, tidak merusak bahan, umur pakai bucket lebih lama. Sabuk Datar. Sabuk datar yang digunakan pada penelitian ini terbuat dari karet dengan empat lapisan. Sabuk datar dari bahan karet tersedia di pasaran dengan bermacam-macam ukuran lebar seperti : 40 mm, 60 mm, 80 mm, 100 mm, 200 mm dengan tebal masing-masing sama yaitu 5 mm. Dipilih ukuran sabuk
21
dengan ukuran lebar 100 mm, karena bucket yang akan dikaitkan ke sabuk mempunyai panjang 116 mm, sehingga sabuk sudah dapat menyanggah bucket. Sedangkan panjang sabuk (Ps) diperoleh dari persamaan :
( ) ( ) = (t p × 2 )+ (2 ×1 / 2 × π d )
Ps = t p × 2 + 2 ×1 / 2 × k p ............................................................................
(14)
= (4,885 × 2 ) + (2 ×1 / 2 × 3,14 × 0,09) = 9,77 + 0,28 = 10,05 m di mana tp : tinggi pemindahan (m) kp : keliling puli (m) Gaya untuk menarik bucket kosong (sisi kendor, Ts) berjumlah 13 buah F (N) : F1 = m1 × g = (0,1× 13) × 9,81 = 12,75 N Gaya untuk menarik bucket berisi biji jagung (sisi ketat, TL) berjumlah 13 buah
F (N) : F2 = m2 × g = (0,37 × 13) × 9,81 = 47,19 N
Ftot = F1 + F2 ................................................................................................. (15) = 12,75 + 47,19 = 59,94 N Luas penampang sabuk datar A (m2) : A = l × t............................................................................................................. (16) = 0,10 × 0,005 = 0,0005 m 2 Sehingga kekuatan menarik beban σ (kPa): F ................................................................................................................ (17) A 59,94 = = 119880 N / m 2 = 119880 Pa = 119,88 KPa 0,0005 di mana m : massa bucket berisi biji jagung (kg)
σ =
g : percepatan gravitasi (m/detik2) Sabuk datar dari bahan karet ini mempunyai tegangan patah (ultimate strength) sebesar 15 Mpa (Howatson AM, Lund PG, Todd JD.” Engineering Tables and Data” p 41), dengan kekuatan tarik yang tidak melebihi tegangan patahnya, maka sabuk datar cukup kuat untuk menarik beban sehingga tidak menyebabkan robek. Sketsa sabuk datar (flat belt) dapat dilihat pada Gambar 10.
22
Gambar 10 Sabuk datar (flat belt) Dipilih sabuk dari karet bukan rantai atau bahan lain karena produk yang akan diangkut adalah biji-bijian, dalam hal ini biji jagung yang digunakan untuk keperluan pangan maka bahan yang paling cocok adalah sabuk dari karet. Jika menggunakan rantai sebagai transmisi, akan sering dilakukan pelumasan yang akan berakibat biji jagung kotor terkena minyak. Sabuk datar dari bahan karet mempunyai kelebihan : harga lebih murah, mudah dalam pemasangan, dapat dipakai untuk jarak poros yang jauh. Sabuk dari karet yang dipakai dapat dilihat pada Gambar 11.
Gambar 11 Sabuk datar dari karet Puli silinder. Puli silinder atas dan bawah terbuat dari pipa baja dengan panjang 130 mm, karena dengan panjang tersebut, sabuk datar sudah dapat diletakkan. Sedangkan diameter puli silinder diperoleh dari persamaan berikut : (π × d × n) .................................................................................................. 60 (v × 60) d = (π × n )
v=
=
(18)
(0,433 × 60) = 0,089 m = 9 cm (3,14 × 92)
di mana d : diameter puli silinder (cm) v : kecepatan sabuk (m/detik) n : kecepatam putar puli (rpm) Puli silinder atas dan bawah ini kiri dan kanannya diberi penutup. Penutup puli silinder terbuat dari plat datar yang berbentuk lingkaran dengan diameter
23
130 mm dan tebal 5 mm. Sedangkan kekuatan puli silinder diperoleh dengan persamaan : Gaya untuk menahan sabuk datar F1 (N) :
F1 = m 1 × g = 6,120 × 9,81 = 60,04 N Gaya untuk menahan bucket kosong yang berjumlah 13 buah F2 (N) : F2 = m2 × g = 0,1 ×13 × 9,81 = 12,75 N Gaya untuk menahan bucket berisi jagung yang berjumlah 13 buah F3 (N) : F3 = m3 × g = 0,37 ×13 × 9,81 = 47,19 N Gaya untuk menahan beban keseluruhan Ftot (N) :
Ftot = F1 + F2 + F3 ............................................................................................ (19) = 60,04 + 12,75 + 47,19 = 119,98 N di mana m1 : massa sabuk datar (kg) m2 : massa bucket kosong (kg) m3 : massa bucket berisi biji jagung (kg) Luas penampang puli silinder A (m2) : 1 π D 2 ................................................................................................... 4 1 = x 3,14 × 0,09 × 0,09 m 2 4
A=
(20)
= 0,00635 m 2 Sehingga kekuatan tekan puli silinder σ (Kpa) :
σ = =
F .............................................................................................................. (21) A 119,98 N 0,00635 m 2
= 18894,5 N / m 2 = 18894,5 Pa = 18,894 kPa Puli silinder dari bahan baja mempunyai tegangan patah (ultimate strength) sebesar 760 Mpa (Howatson AM, Lund PG, Todd JD.” Engineering Tables and Data” p 41). Dengan kekuatan tekan puli silinder yang tidak melebihi tegangan
24
patahnya berarti puli silinder cukup kuat menahan beban. Sketsa puli silinder dapat dilihat pada Gambar 12.
Gambar 12 Puli silinder Puli silinder digunakan untuk meletakkan sabuk (belt) yang berfungsi untuk mentransmisikan daya, puli ini dapat berputar dengan kecepatan sama atau berbeda. Untuk sabuk datar (flat belt) umumnya dipakai pada crowned pulleys. Gambar Crowned pulley dapat dilihat pada Gambar 13.
Gambar 13 Crowned Pulley Puli silinder yang digunakan adalah crowned pulley terbuat dari pipa baja yang ditutup oleh plat baja datar. Puli silinder dari bahan pipa baja mempunyai kelebihan : konstruksi kuat, slip antara sabuk dan puli rendah, harga pembuatan lebih murah dan mudah dalam pembuatan.
Gambar 14 As As. As yang digunakan terdiri dari dua buah terbuat dari besi pejal berbentuk silinder dengan panjang masing-masing 500 mm serta diameter masingmasing 20 mm. As ini diletakkan di tengah-tengah puli silinder sebagai poros transmisi. Untuk memilih as mengikuti diagram alir pada Lampiran 1 dan dari
25
perhitungan diameter as pada Lampiran 2 dihasilkan diameter poros lebih besar dari 17 mm. Sketsa as dapat dilihat pada Gambar 14. Corong Pemasukan. Penampang atas corong pemasukan berbentuk trapesium dengan ukuran dimensi sebagai berikut : sisi besar 100 mm, sisi kecil 80 mm, sisi sejajar 80 mm, corong pemasukan ini dibuat melengkung dengan sudut kelengkungan 40o, tinggi corong 80 mm, lengkungan kecil 100 mm dan lengkungan besar 200 mm. Corong pemasukan ini terbuat dari plat baja dengan ketebalan 1 mm. Corong pemasukan terbuat dari bahan plat baja karena mudah didapat, kuat dan mudah dibentuk. Adapun sketsa corong pemasukan dapat dilihat seperti Gambar 15.
Gambar 15 Corong pemasukan Corong Pengeluaran. Penampang lubang corong pengeluaran awal berbentuk persegi panjang dengan ukuran dimensi sebagai berikut : lubang pengeluaran awal panjang 300 mm dan lebar 100 mm, corong pengeluaran berbentuk silinder yang dibuat miring, dengan sudut kemiringan 40o, sisi kemiringan kecil 340 mm, sisi kemiringan besar 640 mm, lubang pengeluaran akhir panjang 100 mm dan lebar 100 mm. Corong pengeluaran ini terbuat dari plat baja dengan ketebalan 1 mm. Corong pengeluaran terbuat dari bahan plat baja karena mudah didapat, kuat dan mudah dibentuk. Sketsa corong pengeluaran dapat dilihat pada Gambar 16.
Gambar 16 Corong pengeluaran
26
Penutup Mesin. Penutup terdiri dari penutup ruang pemindah bahan, penutup atas dan penutup bawah. Penutup ruang pemindah terdiri dari empat bagian lembaran plat eser persegi panjang dengan ukuran panjang 4885 mm dan lebar 415 mm sebanyak dua buah dan dengan ukuran panjang 4885 mm dan lebar 220 mm sebanyak dua buah. Untuk penutup atas dan bawah tidak dibuat rangka, karena berbentuk setengah lingkaran, sehingga langsung digunakan plat baja yang berukuran tebal 1 mm dengan ukuran panjang 415 mm, lebar 220 mm dan tinggi minimum 120 mm dan tinggi maksimum 250 mm. Untuk penutup ruang pemindah terbuat dari plat eser dengan alasan bahan mudah didapat, kuat dan mudah dibentuk. Adapun pemilihan bahan penutup atas dan bawah terbuat dari bahan plat baja adalah karena plat ini mudah didapat, kuat dan mudah dibentuk sebagai penutup. Sketsa penutup atas dan bawah dapat dilihat dalam Gambar 17.
Gambar 17 Penutup atas dan bawah Bentuk setengah lingkaran ini dipilih untuk menyesuaikan bentuk puli atas dan bawah yang berbentuk lingkaran, sehingga memudahkan pemasukan dan pengeluaran bahan (biji jagung) dari corong pemasukan dan pengeluaran yang dibuat miring dengan sudut kemiringan 40o. Motor Listrik. Penggerak mesin bucket elevator menggunakan sumber tenaga penggerak motor listrik, agar efisien maka perlu direncanakan daya dan putaran yang dibutuhkan untuk memindahkan bahan dari pengering ERK-hybrid ke penyimpan ISD. Secara umum motor listrik berfungsi untuk mengubah energi listrik menjadi energi mekanik yang berupa tenaga putar di dalam motor AC, kumparan motor tidak menerima energi listrik langsung tetapi secara induksi seperti yang terjadi pada kumparan sekunder transformator. motor AC dikenal dengan motor induksi.
Oleh karena itu
Sebenarnya motor induksi dapat
diidentifikasikan dengan transformator yang kumparan primernya sebagai
27
kumparan motor. Motor listrik yang digunakan pada penelitian ini dengan spesifikasi daya : 550 Watt dan kecepatan putar : 1400 rpm. Bagian transmisi. Bagian transmisi merupakan bagian terpenting dalam mesin bucket elevator dan unit ini terdiri dari : puli transmisi, gear box, dan sabuk-V (V-belt). Unit transmisi diletakkan di bagian atas bucket elevator karena letak motor penggerak terletak di atas. Letak motor listrik di atas dikarenakan motor listrik berfungsi untuk menggerakan bucket dari bawah ke atas. Puli Transmisi. Puli transmisi digunakan untuk mentransmisikan daya, pada mesin bucket elevator ini ada 4 buah puli transmisi yang berbentuk lingkaran dengan beralur V. Perhitungan diameter poros dan jarak antar poros dengan mengikuti diagram alir pada Lampiran 3. Puli transmisi yang menghubungkan poros motor ke poros gear box masing-masing berukuran 2 inchi, dengan diameter lubang poros 13 mm dan 13 mm dengan jarak antar poros 287-313 mm (Lampiran 4). Sedangkan puli transmisi yang menghubungkan poros gear box ke puli silinder atas berukuran masing-masing 6 inchi dan 3 inchi, dengan diameter lubang poros 39 mm dan 25 mm dengan jarak antar poros 269-339 mm (Lampiran 5). Adapun bahan pembuat puli transmisi (beralur V) terbuat dari bahan almunium pejal. Dipilih bahan ini dengan pertimbangan : bahan mudah didapat, harga relatif murah dan kuat. Gear box. Gear box digunakan untuk mempercepat dan mengurangi kecepatan putar motor sehingga diperoleh kecepatan putar yang diharapkan. Karena kecepatan putar yang diharapkan 92 rpm, sedangkan kecepatan putar motor 1400 rpm, maka dipilih perbandingan gear box dengan rasio 1 : 30. Dengan rasio ini dihasilkan kecepatan putar di gear box keluaran 46 rpm dan kecepatan putar di puli silinder atas 92 rpm. Diagram pengaturan kecepatan putar puli dapat dilihat pada Lampiran 10. Sabuk-V (V-belt). Berdasarkan hasil perhitungan dalam merencanakan sabuk-V pada Lampiran 4 dan 5, untuk penggerak gear box dipilih sabuk-V standar tipe A, No 31 dengan panjang sabuk 787 mm dan tebal sabuk 9 mm. Sedangkan hasil perhitungan sabuk-V untuk penggerak bucket elevator dipilih sabuk-V standar tipe A, No 27 dengan panjang sabuk 686 mm dan tebal sabuk 9 mm. Kelebihan sabuk-V adalah sebagai berikut : sabuk-V lebih kompak, slip
28
kecil dibanding flat belt, operasi lebih tenang, mampu meredam kejutan saat mulai, putaran poros dapat dalam 2 arah dan posisi kedua poros dapat sembarang. Dipilih sabuk-V standar bertipe A, karena paling sesuai dengan puli beralur V. Adapun gambar sabuk-V tipe standar A dapat dilihat pada Gambar 18.
Gambar 18 Sabuk-V tipe standar A Pengembangan dan Penyempurnaan Gagasan
Gagasan perancangan bucket elevator dikembangkan dan disempurnakan dengan menyesuaikan bentuk dan posisi pengering ERK-Hybrid dan ISD. Hal ini dilakukan dengan cara melakukan perhitungan untuk mendapat ukuran/bentuk dan bahan. Disamping itu perlu diperhatikan kendala yang ada di lapangan. Apabila ditemui kendala di lapangan, maka dilakukan solusi untuk mengatasinya. Analisis
Analisis desain mesin bucket elevator mencakup perencanaan elemen mesin, baik aspek mekanika, kebutuhan tenaga, ketersediaan komponen dipasaran maupun kendala yang mungkin terjadi di lapangan. Agar mesin bucket elevator dapat melakukan pemindahan bahan secara tepat dan efisien maka perlu dilakukan beberapa pertimbangan dalam merancangnya. Perhitungan dan perencanaan elemen mesin dilakukan dengan terlebih dahulu menetapkan kapasitas yang diharapkan 1400 kg/jam. Dengan kapasitas tersebut dicari nilai-nilai untuk memenuhinya seperti perhitungan pada Lampiran 10. Dari perhitungan didapatkan nilai kecepatan sabuk (bucket) 0,433 m/detik, kecepatan putar 92 rpm, tinggi pengangkutan 5,1 m, volume bucket 0,5 liter, jarak antar bucket 0,3 m, dan jumlah bucket 26 buah. Perencanaan Kapasitas. Dalam merancang mesin bucket elevator ini direncanakan kapasitas pemindahan bahan (biji jagung) sebesar 1400 kg/jam. Dengan pertimbangan
bahan yang dikeringkan pada pengering ERK-Hybrid
29
sebesar 1400 kg dan proses pemindahan dapat selesai dalam 1 jam. Kapasitas bucket elevator ditentukan oleh : kapasitas bucket, kecepatan sabuk dan jarak antar bucket. Perencanaan Daya Penggerak. Setelah dilakukan perhitungan kebutuhan daya, maka dibutuhkan daya penggerak sebesar 253 watt dengan putaran yang diharapkan sebesar 92 rpm. Karena sulit didapat penggerak dengan daya tersebut maka dipilih motor penggerak 1 fase berdaya 550 Watt dengan putaran 1400 rpm, motor listrik ini dipilih karena banyak di pasaran, harga murah dan daya lebih besar dari daya yang dibutuhkan.
Putaran motor 1400 rpm lebih besar dari
kebutuhan putaran motor yang diharapkan 92 rpm, oleh karena itu digunakan perbandingan putaran puli dan pereduksi putaran dengan perbandingan putaran 1 : 30 seperti ditampilkan dalam Lampiran 10. Untuk mendapatkan perbandingan putaran penggerak gear box diasumsikan kecepatan putar motor penggerak (n1) = 1400 rpm, diameter puli penggerak (dp) = 50 mm dan diameter puli yang digerakkan (Dp) = 50 mm, sehingga didapat perbandingan putaran puli untuk menggerakan gear box (n2) sebagai berikut : Dp n1 1400 50 1400 = ⇒ = ⇒ = 1 ⇒ n2 = 1400 rpm n2 dp n2 n2 50 sehingga didapatkan putaran puli untuk menggerakan gear box sebesar 1400 rpm, karena gear box mempunyai perbandingan 1 : 30 maka keluaran gear box sebesar 46 rpm. Untuk mendapatkan perbandingan putaran penggerak bucket elevator, diasumsikan kecepatan putar gear box (n1) = 46 rpm, diameter puli penggerak (dp) = 150 mm dan diameter puli yang digerakkan (Dp) = 75 mm, maka kecepatan putar puli atas untuk menggerakkan bucket elevator adalah : Dp n1 46 75 46 = ⇒ = ⇒ = 0,5 ⇒ n2 = 92 rpm n2 dp n2 150 n2 Perencanaan Sistem Transmisi Sabuk –V. Puli adalah suatu bagian mesin yang berguna untuk mendistribusikan daya dari satu poros ke poros lain, sehingga mekanisme mesin dapat berjalan dengan baik. Pada umumnya puli terbuat dari baja, baja tuang, dan almunium. Berdasarkan kedudukan rodanya, puli dapat dibagi menjadi puli tetap dan puli bergerak. Puli tetap adalah puli yang rodanya
30
berputar pada poros yang tidak bergerak, sedangkan pada puli bergerak rodanya berputar pada poros yang kedudukannya dapat bergeser naik turun. Diagram alir untuk memilih sabuk-V (V-belt) dapat dilihat di Lampiran 3. Kelebihan penggunaan puli adalah biaya pembuatan dan perawatan relatif lebih murah, suaranya lebih halus dibandingkan dengan roda gigi/sprocket dan lebih mudah mentransmisikan daya yang letak porosnya berjauhan. Sedangkan kekurangan penggunaan puli adalah efisiensinya lebih kecil dibanding roda gigi/sprocket dan lebih mudah slip kerena puli memakai transmisi sabuk. Dalam perancangan puli ini, penulis menentukan diameter puli untuk mendapatkan perbandingan putaran, sehingga putaran dari motor dapat disalurkan baik dibesarkan atau dikecilkan sesuai dengan perancangan dengan menggunakan persamaan dari Sularso dan Kiyokatsu Suga (1978) : Dp n1 ............................................................................................. (22) = n2 dp di mana n1
: putaran poros motor penggerak (rpm)
n2
: putaran poros motor digerakkan (rpm)
Dp : diameter puli yang digerakkan (mm) dp
: diameter puli penggerak (mm)
Pelaksanaan
Merupakan langkah untuk mewujudkan hasil rancangan ke dalam bentuk fisik (bucket elevator). Untuk diagram alir perencanaan dan pengujian bucket elevator ditampilkan dalam Gambar 5. Bentuk fisik (bucket elevator) dibuat berdasarkan rancangan bucket elevator yang sudah dipindahkan ke dalam gambar teknik dan dilengkapi dengan informasi yang diperlukan. Konstruksi Bucket Elevator
Rangka mesin dibuat dari bahan besi siku. Penyambungan antar rangka menggunakan las listrik sedangkan penggerindaan dilakukan dengan gerinda tangan untuk menghaluskan pengelasannya. Setelah Rangka mesin dibuat dilakukan pemasangan puli silinder atas dan bawah dengan terlebih dahulu meletakkan as di tengah-tengah puli silinder atas dan bawah, lalu dilakukan pemasangan sabuk datar. Pemasangan sabuk datar dilakukan dengan mengelilingi
31
puli silinder atas dan bawah dan setelah kencang dilakukan penyambungan kedua sisi sabuk dengan pengikat sabuk. Setelah sabuk datar terpasang, baru dilakukan pemasangan bucket-bucket pada posisi horizontal, hal ini dilakukan untuk memudahkan dalam pemasangan. Peletakkan bucket dilakukan dengan cara menandai sabuk datar dari posisi awal ke posisi berikutnya berjarak 300 mm. Setelah ditandai dilakukan pelubangan dengan bor listrik untuk tempat pemasukan mur dengan diameter lubang 6 mm dan ditutup dengan ring per masing-masing sebanyak 52 buah. Pembuatan corong pemasukan, corong pengeluaran, penutup atas dan penutup bawah dilakukan dengan memotong plat baja dengan ukuran masingmasing yang sudah ditentukan dengan menggunakan pemotong plat dan penyambungan
bagian-bagian
potongan
dilakukan
dengan
pengelasan
menggunakan las listrik. Sedangkan penutup ruang pemindah bahan dilakukan dengan menggunakan plat eser sebanyak empat bidang persegi panjang yang dipasang dengan menggunakan baut dan mur di sekeliling sisi-sisinya. Pemasangan plat eser dilakukan dengan melubangi sisi-sisi plat eser menggunakan bor listrik dan memasang mur berdiameter 8 mm dan 2 mm dengan menggunakan obeng serta mengencangkan baut menggunakan tang. Tempat dan Waktu
Penelitian ini dilakukan dengan dua tahap yaitu pembuatan bucket elevator dilakukan di bengkel Teknik Pertanian, Departemen Teknik Pertanian di Leuwikopo dan pengujian bucket elevator dilakukan di lokasi Laboratorium Energi dan Elektrifikasi, Departemen Teknik Pertanian di Leuwikopo. Waktu penelitian dilakukan dari bulan Juli 2007 sampai Mei 2008. Bahan dan Alat
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini terdiri dari dua bagian, yaitu : bahan pembuatan bucket elevator dan bahan pengujian bucket elevator. Bahan yang digunakan dalam pengujian bucket elevator adalah biji jagung yang didapat dari pedagang pengumpul di Jakarta sebanyak 1400 kg per satu kali pengujian. Adapun bahan yang digunakan untuk pembuatan bucket elevator disajikan pada Tabel 3.
32
Tabel 3 Nama bahan untuk pembuatan bucket elevator No 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16.
Nama bahan Bucket Sabuk datar ( flat belt) Besi siku Plat eser Bearing As Puli silinder Ring Puli Baut+mur untuk bucket Ring untuk bucket Puli transmisi Sabuk-V (V-belt) Baut+mur besar untuk plat penutup Baut+mur kecil untuk plat penutup Motor Listrik Gear Box
Ukuran p :11,6 cm; l :10 cm; t :9 cm p :10,2 m; l :10 cm; t :5 mm 40 mm x 40 mm, t : 4 mm tebal : 0,8 mm Ø : 19 mm Ø : 20 mm Ø : 9 cm; p : 13 cm Ø : 13 mm, t :5 mm Ø1 : 6 mm
Jumlah 26 buah 1 buah 6 batang 6,38 m2 4 buah 2 buah 2 buah 4 buah 52 buah
Ø1 : 8 mm
52 buah 4 buah 2 buah 30 buah
Ø1 : 2 mm
240 buah
daya : 500 Watt; n : 1400 rpm perb 1:30
1 buah 1 buah
Ø1:50 mm; Ø2:75 mm; Ø1:150 mm
Alat yang digunakan dalam penelitian ini terdiri dari dua bagian, yaitu : alat pembuatan bucket elevator dan alat pengujian bucket elevator. Adapun alat yang digunakan dalam pembuatan bucket elevator adalah : 1) Mesin las listrik, digunakan untuk proses pengelasan dan penyambungan besi 2) Solder, untuk pengelasan dan penyambungan besi dan plat eser skala kecil; 3)
Gerinda potong, untuk memotong besi sesuai ukuran;
4) Pemotong plat, untuk memotong plat sesuai ukuran; 5) Gerinda tangan, untuk menghaluskan besi hasil pengelasan; 6) Bor listrik, untuk membuat lubang; 7) Tang, untuk mengecangkan baut; 8) Obeng, untuk membuka dan menutup mur; 9) Meteran dan penggaris, untuk mengukur dan menggambar bagian yang akan dipotong; 9) Jangka sorong, untuk mengukur ketebalan bagian bahan; 10) Busur derajat, untuk mengukur sudut curah untuk saluran pengeluaran. Sedangkan alat yang digunakan dalam pengujian bucket elevator adalah : 1) Timbangan digital, untuk mengukur seberapa besar biji rusak;
33
2) Timbangan analog, untuk mengukur seberapa besar biji tersisa; 3) Clampmeter, untuk mengukur arus yang ke luar dari sumber listrik; 4)
Multimeter, untuk mengukur tegangan yang ke luar dari sumber listrik;
5) Moisturetester, untuk mengukur kadar air bahan yang dipindahkan. 6) Tachometer, untuk mengukur seberapa besar kecepatan putar poros puli penggerak dan poros motor penggerak. 7) Stop watch, digunakan untuk mengukur waktu pemindahan bahan. 8) Kalkulator, digunakan untuk menghitung nilai-nilai yang ingin dicari. Pengujian
Pengujian yang dilakukan pada penelitian ini meliputi : Uji Fungsional
Uji ini dilakukan untuk melihat apakah seluruh komponen berfungsi seperti yang diharapkan. Cara melakukan uji ini adalah dengan melihat satu persatu bagian-bagian mesin bucket elevator apakah bagian-bagian tersebut sudah menjalankan fungsinya masing-masing dengan baik saat mesin beroperasi. Uji Kinerja
Uji kinerja dilakukan secara curah pada biji jagung yang diangkut setelah dikeringkan oleh pengering ERK-Hybrid dan dilakukan 3 kali pengujian. Uji kinerja tambahan dilakukan pada tiga tingkatan kadar air yang meliputi : kadar air kering panen (28%), kadar air setengah kering (18%) dan kadar air kering/aman untuk penyimpanan (14%) masing-masing 1 kali ulangan. Tujuan penggunaan kadar air kering panen (28%), agar bucket elevator dapat juga digunakan untuk pemasukan biji jagung ke pengering ERK-Hybrid, kadar air setengah kering (18%), bucket elevator digunakan untuk pemindahan biji jagung dari pengering ERK-Hybrid ke ISD dan kadar air kering (14%), agar bucket elevator dapat juga digunakan untuk pemasukan biji jagung dari ISD ke truk. Uji kinerja meliputi : 1) kapasitas, 2) biji tersisa, 3) biji rusak dan 4) kebutuhan daya listrik. Jumlah bahan (biji jagung) yang dipindahkan dalam satu siklus dan waktu yang diperlukan untuk pemindahan dalam satu siklus diperlukan untuk menghitung kapasitas kerja bucket elevator. Cara melakukan uji kapasitas: pertama, menimbang keseluruhan biji jagung yang sudah dikeringkan dari pengering ERK-Hybrid dengan menggunakan timbangan biasa; kedua, bucket
34
elevator dijalankan dengan cara menghidupkan motor listrik sehingga biji jagung dapat dipindahkan ke penyimpan ISD; ketiga, diamati waktu dari awal hingga akhir pemindahan bahan dengan menggunakan stopwatch. Kapasitas kerja bucket elevator diperoleh dengan persamaan :
q=
n ..................................................................................................... (22) t
di mana
q
: kapasitas kerja bucket elevator (kg/jam)
n
: jumlah biji jagung yang dipindahkan (kg)
t
: waktu yang diperlukan untuk satu siklus pemindahan biji jagung (jam) Cara melakukan perhitungan biji tersisa yaitu : pertama, timbang bobot
keseluruhan biji yang akan diangkut dengan timbangan biasa; kedua, setelah selesai pemindahan, timbang bobot biji yang tercecer di lantai luar bucket elevator menggunakan timbangan analog; dan ketiga, timbang bobot biji yang tertinggal di bagian dasar bucket elevator menggunakan timbangan analog. Lalu lakukan perbandingan bobot biji tercecer dan tertinggal dengan bobot biji keseluruhan. Untuk menghitung seberapa besar biji tersisa diperoleh dengan persamaan : Btersisa =
n1 + n2 × 100 % ................................................................... (23) ntot
di mana
Btersisa
: persen biji jagung yang tersisa (%)
n1
: bobot biji jagung yang tercecer di luar lantai bucket elevator (kg)
n2
: bobot biji jagung yang tertinggal di bagian dasar bucket elevator (kg)
n tot
: bobot biji jagung keseluruhan yang diangkut (kg) Definisi biji rusak adalah biji yang bentuknya tidak utuh lagi.
Cara
melakukan perhitungan biji rusak yaitu : pertama, ambil sampel menggunakan tempat tertentu (dalam hal ini menggunakan bucket) kemudian timbang bobotnya dengan timbangan digital;
kedua, timbang bobot biji jagung rusak dengan
menggunakan timbangan digital dan ketiga, timbang bobot biji jagung baik menggunakan timbangan digital. Lalu lakukan perbandingan bobot biji jagung rusak dengan bobot biji jagung sampel keseluruhan.
35
Peningkatan biji jagung rusak akibat penggunaan bucket elevator diperoleh dengan mengurangi biji jagung rusak sebelum dan sesudah pemindahan. Untuk menghitung seberapa besar biji rusak diperoleh dengan persamaan :
B rusak =
m1 ×100 % ............................................................................ (24) m2
di mana B rusak
: persen biji jagung yang rusak (%)
m1
: bobot biji jagung yang rusak (gram)
m2
: bobot biji jagung sampel awal keseluruhan (gram) Kebutuhan daya listrik merupakan jumlah penggunaan daya yang digunakan
oleh peralatan listrik. Pengukuran voltase dilakukan dengan multimeter dan arus dilakukan dengan menggunakan clampmeter sedangkan pengukuran waktu didasarkan pada lamanya proses pemindahan bahan (biji jagung) dengan menggunakan stopwatch. Kebutuhan daya listrik dilakukan pada keadaan bucket elevator tanpa beban dan ada beban. Perhitungan daya listrik diperoleh dengan persamaan :
P = V × i ............................................................................................... (25) di mana P : daya (Watt)
V : tegangan (Volt) i : arus (Ampere) Uji Stabilitas
Uji stabilitas dilakukan untuk melihat letak titik berat mesin bucket elevator dan berapa besar gaya yang harus dihindari agar mesin bucket elevator tidak terguling. Uji stabiltas dilakukan dengan cara menghitung keseluruhan gaya dan momen gaya yang bekerja pada mesin bucket elevator dalam keadaan ditegakkan, sehingga didapatkan gaya terbesar yang diperbolehkan diberikan agar mesin
bucket elevator tidak terguling. Untuk perhitungan uji stabiltas dapat dilihat pada Lampiran 11.
