Pengembangan Excavator Mini Amfibi Pengeruk Sampah di Sungai Kecil Kapasitas Bucket 0.4 m3 Dhimas Kirana Sainan Program Studi Teknik Perkapalan, Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia
Abstrak Salah satu permasalahan yang dihadapi Provinsi DKI Jakarta adalah penanganan sampah yang belum maksimal, sehingga terjadi penumpukan sampah, termasuk di antaranya wilayah jalur air dan sungai. Desain peralatan pelaksana yang tepat untuk penanganan penumpukan sampah di wilayah jalur air dan sungai perlu dilakukan untuk menyediakan solusi dari permasalahan tersebut. Alternatif peralatan pelaksana pembersihan yang dipilih pada pembahasan yaitu excavator mini amfibi, dimana desain disesuaikan dengan karakteristik sungai dan jalur air di wilayah Provinsi DKI Jakarta, dengan aspek-aspek desain berupa pemilihan excavator, lambung pontoon, mooring, hambatan, propulsi. Kata kunci: excavator amfibi, pontoon, mooring, hambatan, propulsi
1.
Start
Pendahuluan
Menurut data BPS tahun 2011, volume sampah yang dihasilkan oleh penduduk Jakarta dalam satu hari mencapai ±27.966 m3/hari, sementara sampah yang dapat ditangani untuk dipindahkan menuju Tempat Pembuangan Akhir (TPA) sebanyak ±25.925 m3/hari. Jika dikalkulasikan masih terdapat ± 2.041 m3 yang tidak mampu dikelola, sehingga terjadi penumpukan di beberapa titik di wilayah Jakarta. Secara khusus, sebanyak ±1.800 m3/hari terjadi penumpukan di wilayah jalur air dan sungai, dan yang dapat ditangani dengan peralatan yang ada saat ini yaitu berupa long arm hydraulic excavator sebanyak ±1.395 m3/hari. Artinya masih terjadi penumpukan sampah di wilayah air sebesar ±405 m3/hari, dan sampah yang tidak dapat ditangani tersebut disebabkan karena titik penumpukan berada pada pemukiman padat, seperti pada Kali Sunter, Kali Pesanggrahan, Kali Angke, Kali Ciliwung, Kali Cipinang, dan Kali Krukut, sehingga menyulitkan akses bagi peralatan berat untuk melakukan penanganan. Oleh karena itu diperlukan peralatan tambahan untuk menangani masalah penumpukan sampah di wilayah sungai dan air yang tertutup oleh pemukiman padat, yaitu berupa excavator mini amfibi. Excavator amfibi memiliki keunggulan jika dibandingkan dengan long arm excavator yang telah digunakan saat ini, karena memiliki daya jelajah dan mobilitas yang tinggi untuk melakukan penyusuran sungai-sungai kecil dan menangani tumpukan sampah yang selama ini menjadi permasalahan di provinsi DKI Jakarta 2.
Proses Perancangan
Tahapan perancangan excavator mini amfibi yang telah dijelaskan pada bagian sebelumnya, dapat digambarkan dengan flow chart sebagai berikut.
Akumulasi penumpukan sampah di sungai Jakarta
Ukuran minimal sungai di Jakarta dengan bantaran padat penduduk
Pemilihan kapasitas excavator
Penentuan ukuran utama pontoon
Apakah kapasitas mencukupi? floating?
No
Yes Perencanaan awal sistem kerja, konstruksi unit, dan bentuk lambung pontoon
Pembuatan kurva karakteristik lambung pontoon berdasarkan bentuk lambung
Penentuan dimensi dan material plat, welding berdasarkan pembebanan berupa axial stress, bending stress, shear stress, buckling, impact, dan hidrostatis
A
Pengembangan Excavator..., Dhimas Kirana Sainan, FT UI, 2013
A
Analisa stabilitas kinematis dan pembebanan pada kondisi-kondisi ekstrim
Pemilihan wire rope untuk mooring system berdasarkan hasil analisa stabilitas kinematis dan pembebanan pada kondisi ekstrim
Pemilihan anchor berdasarkan anchor load maksimal yang diakibatkan oleh gaya pada wire rope, serta pemilihan winch
(b)
Perhitungan hambatan total berdasarkan metode ITTC 1957, berupa hambatan gesek (RF) dan hambatan sisa (RR)
Penentuan spesifikasi main engine dan komponen sistem transmisi daya, berdasarkan nilai hambatan dan unit yang telah didapatkan
Spesifikasi
Stop
(c) Gambar 1. (a) Tampak samping; (b) Tampak depan; (c) Tampak atas
2.2. Kurva Karakteristik Lambung Kurva karakteristik lambung digambarkan berdasarkan data-data ukuran utama pontoon sebagai berikut. LOA = 5.3 m Lpp =5m Draft = 1.2 m H = 1.5 m
2.1. General Arrangement Perencanaan awal dilakukan sebagai gambaran sistem kerja secara umum untuk menentukan proses desain bagi komponen-komponen yang terdapat di dalam unit excavator amfibi. Kapasitas excavator ditentukan berdasarkan waktu siklus, volume sampah, dan jam kerja maksimal. Sedangkan gambar perencanaan awal keseluruhan unit excavator amfibi adalah sebagai berikut Gambar 2. Lines Plan
1.4 WL Length (m)
1.2 1
WL Beam (m)
0.8 0.6 (a) Keterangan gambar 1. Excavator unit 2. Winch 3. Anchor 4. Sprocket
5. Pontoon hull 6. Chain 7. Track plate
We5ed Area (m2)
0.4 0.2
Waterplane Area (m2)
0 0
20
40
(a)
Pengembangan Excavator..., Dhimas Kirana Sainan, FT UI, 2013
2.3
1.4 1.2 Displacement (kg)
1 0.8
Safety Factor Safety factor yang digunakan pada keseluruhan proses desain ditentukan dengan menggunakan Pugsley Equation sebagai berikut.
Immersion (TPc) kg/cm
0.6 0.4
MTc (kg.m)
0.2
x 103
0 0
5
10
15 (b)
1.4 Gambar 5. Pugsley Safety Factor
1.2 1 0.8
KB (m)
0.6
KG (m)
0.4 0.2 0 0
0.2
0.4
0.6
Dengan nilai, A = Good B = Good C = Good D = Not Serious E = Not Serious Melalui persamaan
ns = nsx . nsy
0.8
(2.1)
maka didapatkan safety factor dengan nilai 1.75.
(c)
2.4
1.4 1.2
Block Coeff.
1 0.8
Midship Area Coeff.
0.6 0.4
Waterpl. Area Coeff.
0.2 0 0
0.5
1
Penentuan Dimensi dan Material Plat Untuk menentukan pemilihan dimensi dan material dilakukan berdasarkan analisa pembebanan berupa buckling, axial stress, shear stress, bending stress, impact, dan pembebanan akibat tekanan hidrostatis. Adapun pontoon akan dibagi menjadi 5 section dengan jarak antar section sebesar 1 m. Sebagai estimasi awal, dilakukan kontrol terhadap dimensi ketebalan plat yaitu ditentukan sebesar 3 mm. Pembebanan ditentukan berdasarkan persamaan Fc =
1.5
(d) Gambar 3. (a) Grafik Draft - (Waterline Length, Waterline Beam, Wetted Area, Waterplane Area); (b) Grafik Draft – (Displacement, Immersion, MTC); (c) Grafik Draft – (LCB to Amid, KB, KG); Grafik Draft – (Cb, Cm, Cw)
!! ! !
Axial σ = τ=
!!
10 deg
0.8
20 deg 30 deg
0.6
40 deg
0.4
50 deg
0.2
60 deg
0 0
5
10
15
Gambar 4. Cross Curve
80 deg
(2.2) !
(2.3)
!
(2.4)
!!
Bending σ = σ1,2 =
1
! ! !
!! !!! !
! !
(2.5)
!
±
!! +
!! !!! ! !
σVon Misses = σ! ! + σ! ! − σ! . σ! σmaterial = σVon Misses . SF !!! !
=
!! ! !!!
+ Pδb !!!
δmax = − !"# !"
(2.6) (2.7) (2.8)
(2.9) (2.10)
Sehingga ditentukan material berupa ASTM A36 Steel. 2.4 Central Joint Fillet Welding
Spesifikasi fillet welding yang digunakan ditentukan berdasarkan analisa terhadap bending stress dan shear stress dengan persamaan sebagai berikut.
Pengembangan Excavator..., Dhimas Kirana Sainan, FT UI, 2013
Z = bd + M=
!!
! ! !
δmax =
(2.11)
!
(2.12)
!
(2.13)
! ! (!!!)!
(2.14) (2.15) (2.16)
J = ! T=F.L τmax = 0.4 . δmax τmax =
Setelah itu dilakukan proyeksi titik berat terhadap tumpuan (dalam hal ini berupa sistem tambat/mooring system), yang dapat digambarkan sebagai berikut
! !
! !
(2.17)
! !
t = s sin θ
(2.18)
Gambar 6. Central Joint Welding
Sehingga dihasilkan fillet welding dengan spesifikasi standar AISC J2.6 70 ksi electrodes, dengan nilai s = 3 mm dan t = 3 mm. 2.5 Analisa Stabilitas Pada Kondisi Ekstrim Analisa stabilitas dilakukan dengan pemodelan overestimate menggunakan persegi panjang homogen. Secara keseluruhan excavator dibagi menjadi 5 buah persegi panjang, dimana: Tampak samping 1 = Operator’s cabin 2 = Excavator’s engine 3 = Pontoon’s hull 4 = Excavator’s arm and boom 5 = Bucket Tampak depan 1 = Excavator unit 2 = Pontoon’s hull 1 3 = Pontoon’s hull 2 4 = Excavator’s arm and boom 5 = Bucket
Gambar 8. Proyeksi Titik Berat Terhadap Mooring
Gambar 9. Proyeksi Titik Berat dengan Tumpuan Mooring
Dengan syarat kondisi setimbang maka, Σ Fy = 0 Ra + Rb – F + Fb = 0 Σ Ma = 0
(2.19)
!"!!"
+ Rb (La + Lb) = 0 (2.20) (F . La) – Fb ! Didapatkan nilai maksimal Ra = 2.934 ton (2.21) Selain itu, dilakukan pula analisa kinematis pada posisi ekstrim yang berpengaruh pada stabilitas. Adapun analisa kinematis dilakukan dengan mengabaikan penggunaan sistem tambat (mooring system).
Gambar 7. Pemodelan Analisa Stabilitas Kerja
Pengembangan Excavator..., Dhimas Kirana Sainan, FT UI, 2013
Maka didapatkan anchor dengan nilai load maksimal sebesar 2.625 ton 2.8
Pemilihan Winch Spesifikasi winch yang akan digunakan ditentukan berdasarkan data massa anchor dan wire rope secara keseluruhan, dengan memperhitungkan safety factor, maka ditentukan winch dengan kapasitas maksimal 227 kg. 2.9
Perhitungan Hambatan Total Hambatan total diperhitungkan pada saat unit excavator berada di dalam air. Parameter utama yaitu berupa kecepatan kerja dan luas bidang basah. Menurut ITTC 1957, hambatan total merupakan penjumlahan dari frictional resistance dan residual resistance, yang didapatkan dari persamaan. ! .! (2.26) Rn = !
CF =
!.!"#
!"#!" !"!! ! ! RF =CF ! ! ! ! ! RR =CR ! ! ! !
(2.27) S
(2.28)
S
(2.29)
RTotal =RF + RR (2.30) Dan didapatkan hambatan total sebesar 55959.25 N Gambar 10. Analisa Kinematis untuk Stabilitas
2.6
Pemilihan Wire Rope Berdasarkan nilai pembanan maksimal yang didapatkan pada persamaan (2.3), pemilihan wire rope dapat ditentukan, sehingga nilai kekuatan wire rope dapat dihitung dengan
2.10 Pemilihan Daya Main Engine Daya main engine yang diperlukan, dihitung berdasarkan kondisi pembebanan di darat, dengan pemodelan crawler sebagai berikut.
σs = σr . ns (2.22) Kekuatan wire rope yang digunakan adalah sebesar 5134.5 kg.
Gambar 12. Pemodelan Crawler
2.7
Pemilihan Anchor Sama halnya dengan pemilihan wire rope, pemilihan anchor didasarkan pada gaya maksimal yang dialami unit excavator saat bekerja. Anchor berfungsi sebagai counter weight dalam menjaga stabilitas. Dilakukan dengan menggunakan persamaan Catenary
Gambar 13. Crawler
Daya main engine ditentukan melalui persamaan berikut
(2.14) (2.15)
ω= ! P =ω . T
(2.16) (2.17)
! !
Gambar 11. Skema Mooring
Friction= fc . w. xb Loadmax = Tmax – (w . h) – Friction Loadanchor= Loadmax . SF
fs =µ . F ! T = . rsprocket
(2.23) (2.24) (2.25)
Maka didapatkan daya main engine yang dibutuhkan sebesar 137.42 HP.
Pengembangan Excavator..., Dhimas Kirana Sainan, FT UI, 2013
3.
Kesimpulan
Kesimpulan dari pengembangan merupakan kumpulan dari spesifikasi unit excavator dan peralatannya sebagai berikut. Spesifikasi Pontoon LOA = 5.3 m LPP = 5 m H = 1.5 m T = 1.2 m v = 2.4 knot Δ = 11.24 ton Cb = 0.83 Cp = 0.7 Cm = 0.995 Cw = 0.88 Spesifikasi Excavator Tipe = Compact Hydraulic Excavator Komatsu PC70-8 Kapasitas = 0.39 m3 Spesifikasi Plat Material = Steel Grade = ASTM A36 Tensile Strength = 400 MPa Yield Strength = 250 MPa Spesifikasi Welding
AISC J2.6 70 ksi electrodes s = 3 mm t = 3 mm Spesifikasi Wire Rope Produsen = West Coast Wire Rope Diameter = 8 mm Breaking Strength = 4690 kg Weight = 1.06 kg/m Tipe = General Purpose Material = 6 x 25 IWRC
Faires, V.M. . Design of Machine Elements. 4th Edition. 1970 A. Allvalone, Eugene and Baumeister, Theodore. Mark’s Standard Handbook for Mechanical Engineers. 10th Edition. 1996 Bhavikati, S.S. and Rajashekarappa, K. G. Engineering Mechanics. 6th Edition. 1994 Norton, Robert L. Design of Machinery. 3rd Edition. May 2003 Derrett, D.R. and Barrass, C. B. Ship Stability for Masters and Mates. 5th Edition. Butterworth Heinemann. 1999 Okumoto, Yasuhisa, Takeda, Yu, Mano, Masaki, Okada, Tetsuo. Design of Ship Hull Structures. Springer. 2008 Paik, Jeom Kee, Thayamballi, Anil Kumar. ShipShaped Offshore Installations. Cambridge. 2007 Eyres, DJ. Ship Construction. 6th Edition. Butterworth Heinemann. 2007 Bucciarelli, Louis L. Engineering Mechanics for Structures. 2009 Garza-Rios, Bernitsas, Nishimoto, K. Catenary Mooring Lines with Nonlinear Drag and Touchdown. January, 1997 IALA Guideline No. 1066 on The Design of Floating Aid to Navigation Moorings. 1.1 Edition. June, 2010. Talahatu, Marcus A. Teori Merancang Kapal I. 1985 Shigley’s Mechanical Engineering Design. 8th Edition. McGraw-Hill. 2006 Rochmanhadi dan Sosrodarsono, Suyono. AlatAlat Berat dan Penggunaannya. Departemen Pekerjaan Umum. Badan Penerbit Pekerjaan Umum. 1982 Huzij, Robert, Spano, Angelo, and Bennet, Sean. Heavy Equipment Systems. NATEF. 2008 Donghyun, Seok. Construction Engineering (Heavy Equipment). Dong Jin. 2011 R, Graeme Quick. The Compact Tractor Bible. Country Workshop. 2006
Spesifikasi Anchor Produsen = Stockless Anchor Gruson Massa = 80 kg Max Load = 2.9 ton Spesifikasi Electric Winch Produsen = Ingersol Raid Capacity = 227 kg Tipe = 500A20/B20 Spesifikasi Main Engine Produsen = Komatsu Tipe = SAA6D107E-1 Power = 148 HP
4.
Daftar Pustaka
Pengembangan Excavator..., Dhimas Kirana Sainan, FT UI, 2013
