PERANCANGAN POROS PADA KINCIR ANGIN SUMBU HORIZONTAL UNTUK POMPA AIR Diajukan sebagai salah satu syarat mendapatkan gelar Sarjana Strata Satu Bidang Ilmu Teknik Jurusan Teknik Mesin.
Disusun Oleh
Nama
: Slamet Riyanto
NIM
: 41305110052
Fakultas
: Teknologi Industri
Jurusan
: Teknik Mesin
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UNIVERSITAS MERCU BUANA JAKARTA 2009
LEMBAR PENGESAHAN
PERANCANGAN POROS PADA KINCIR ANGIN SUMBU HORIZONTAL UNTUK POMPA AIR
Diajukan sebagai syarat untuk memperoleh gelar Kesarjanaan Strata Satu di Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Universitas Mercu Buana
Di susun oleh: Nama : Slamet Riyanto NIM
: 41305110052
Jakarta, Juli 2009
Telah disetujui dan diperiksa Dosen Pembimbing
DR.Ir.H Abdul Hamid,M.Eng Mengetahui
Mengetahui
KaProdi Teknik Mesin
Koordinator Tugas Akhir Teknik Mesin
DR.Ir.H Abdul Hamid,M.Eng
Nanang Ruhyat, ST. MT
ii
PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI
Saya yang bertanda tangan di bawah ini: Nama
: Slamet Riyanto
NIM
: 41305110052
Fakultas
: Teknologi Industri
Jurusan
: Teknik Mesin
MENYATAKAN Bahwa tugas akhir ini saya buat dan saya selesaikan sendiri dan bahwa tugas akhir ini bukan karangan orang lain. Tugas akhir ini saya buat dengan acuan hasil kuliah dan buku – buku referensi dan bimbingan dosen.
Jakarta, Juli 2009
(Slamet Riyanto)
iii
KATA PENGANTAR
Syukur alhamdulillah penulis panjatkan kehadirat Allah SWT,karena atas rahmat dan hidayah-Nya pula sehingga penulis dapat menyelesaikan pembuatan tugas akhir ini tanpa kendala yang berarti. Adapun kesalahan dan kekurangan yang terdapat dalam penulisan tugas akhir ini tidak lebih dikarenakan keterbatasan ilmu pengetahuan, wawasan serta pengalaman penulis. Oleh karena itu penulis mohon maaf atas kekurangan tersebut dan dilain pihak penulis juga tidak menutup diri dan akan berkenan menerima terhadap segala saran dan kritik yang bersifat membangun demi kesempurnaan laporan ini. Selama mengerjakan tugas akhir ini, banyak hal yang penulis peroleh, seperti pengetahuan baru, pengalaman, dan lain-lain. Untuk itu pada kesempatan kali ini penulis ingin mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya atas segala bantuan dan bimbingannya, kepada: 1. Bapak DR.Ir.H.Adul Hamid, M.Eng. Selaku KaProdi Teknik Mesin Universitas Mercubuana Jakarta. 2. Bapak Nanang Ruhyat,ST.MT Selaku coordinator tugas akhir tugas akhir. 3. Bapak Ir. Rully Nutranta M.Eng Selaku dosen pembimbing tugas akhir. 4. Bapak Ir.Yuriadi Kusuma Msc. Selaku dosen pembimbing tugas akhir. 5. Segenap dosen dan karyawan program kulah karyawan di Universitas Mercu Buana
iv
6. Ayahanda, ibunda dan anggota keluarga lainya yang tercinta dan tersayang, yang telah memberikan doronga dan doa sehingga tugas akhir ini dapat selesai dengan baik. 7. Teman – teman angkatan ke-7 PKK jurusan Teknik Mesin Universitas Mercu Buana. 8. Segenap staff dan karyawan PT Graha Kerindo Utama yang sudah membantu banyak dalam penulisan tugas akhir ini. Semoga Allah SWT membalas kebaikan semua pihak yang telah membantu dalam penyusunan tugas akhir ini. Bekasi, Juli 2009 Penyusun
( Slamet Riyanto )
v
ABSTRAKSI Kebutuhan energi di Indonesia khususnya dan di dunia pada umumnya terus meningkat karena pertambahan penduduk serta pertumbuhan ekonomi yang menuntut pada peningkatan pola konsumsi masyarakat. Sedangkan energi fosil yang selama ini merupakan sumber energi utama, ketersediaaanya sangat terbatas dan terus mengalami penipisan. Terbesit di benak penulis dan rekan-rekan sesama Mahasiswa Program Studi Teknik Mesin angkatan ke 7, Program Kelas Karyawan Fakultas Teknologi Industri Universitas Mercu Buana untuk menciptakan sebuah karya Tugas Akhir secara bersama-sama yang bermanfaat bagi almamater. Sehingga terpilihlah sebuah tema prototype dari sebuah windmill yang berfungsi sebagai pompa air. Kincir angin ini dipilih dengan alasan penerapan konsep green energy pada proyek tugas akhir bersama ini. Pada akhirnya setiap mahasiswa memiliki tema masing-masing yang membahas setiap pembahasan pada kincir angin. Pada tugas akhir ini pembahasan yang diangkat oleh penulis adalah tetang perancangan poros pada kincir angin sumbu horizontal yang diaplikasikan untuk pompa air. Yaitu akan dibahas mengenai proses perancangan dan pembuatan sebuah poros kincir angin. Dengan harapan dapat dijadikan inspirasi dan referensi untuk masa yang akan datang dalam pengembangan konsep green energy. Pada perancangan ini didapatkan hasil diameter poros sebesar 48 mm dengan menggunakan bahan VCN yang ekuivalen dengan bahan SNCM1 yang mempunyai tegangan tarik 850N/mm2. Kata kunci: Poros, kincir angin, gaya, momen.
vi
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL......................................................................................
i
LEMBAR PENGESAHAN............................................................................
ii
SURAT PERNYATAAN...............................................................................
iii
KATA PENGANTAR....................................................................................
iv
ABSTRAKSI..................................................................................................
vi
DAFTAR ISI..................................................................................................
vii
DAFTAR GAMBAR......................................................................................
ix
DAFTAR TABEL..........................................................................................
x
DAFTAR NOTASI........................................................................................
xi
BAB I
PENDAHULUAN.........................................................................
1
1.1. Latar Belakang.......................................................................
1
1.2. Tujuan penulisan....................................................................
2
1.3. Pembatasan masalah..............................................................
2
1.4. Metode penulisan...................................................................
2
1.5. Sistematika penulisan............................................................
3
BAB II TEORI DASAR.............................................................................
5
2.1. Pengertian umum kincir angin...............................................
6
2.2. Pandangan umum mengenai pompa air.................................
10
2.3. Pompa sentrifugal..................................................................
11
2.4 Pompa piston...........................................................................
13
vii
BAB III METODOLOGI PERANCANGAN...............................................
15
3.1. Prinsip kerja............................................................................
15
3.2. Dasar teori perancangan.........................................................
17
3.2.1. Macam – poros...........................................................
17
3.2.2. Hal – hal penting dalam perancangan........................
18
3.2.3. Poros dengan beban puntir........................................
20
3.2.4. Poros dengan beban lentur murni..............................
22
3.2.5. Poros dengan beban puntir dan lentur......................
22
3.3. Prosedur perancangan............................................................
23
BAB IV PERANCANGAN DAN PERHITUNGAN...................................
25
4.1. Data dan analisa kecepatan angin...........................................
25
4.2. Beban yang bekerja pada poros..............................................
26
4.2.1. Beban pompa...............................................................
27
4.2.2. Beban air......................................................................
32
4.2.3. Beban rotor...................................................................
33
4.3. Perancangan dan perhitungan poros kincir angin...................
34
BAB V PENUTUP.......................................................................................
46
5.1. Kesimpulan.............................................................................
46
5.2. Saran........................................................................................
46
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
viii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1a Angin laut...............................................................................
6
Gambar 2.1b Angin darat.............................................................................
6
Gambar 2.2
Macam – macam kincir angin poros datar..............................
7
Gambar 2.3
Macam – macam kincir angin poros tegak..............................
8
Gambar 3.1
Gambar prosedur perancangan kincir angin............................
24
Gamabr 4.1
Diagram aliran untuk merencanakan poros dengan beban puntir dan lentur......................................................................................
ix
34
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1
Spesifikasi beberapa kincir angin modern................................
9
Tabel 3.1
Penggolongan baja secara umum..............................................
20
Tabel 3.2
Faktor – faktor koreksi daya yang ditransmisikan....................
21
Tabel 3.3
Diameter poros..........................................................................
21
Tabel 3.4
Faktor tambahn tegangan pada gander.....................................
22
Tabel 4.1
Kecepatan angin tiap bulan di jakarta tahun 2008....................
26
x
DAFTAR NOTASI
P
Daya
Watt
Ar
Luas sapuan rotor
m2
Vr
Kecepatan angin rata – rata
m/s
η
Efisiensi
-
m
Massa
kg
l
Panjang
m
ρ
Massa jenis
kg/m2
n1
Potaran poros
rpm
fc
Faktor koreksi
-
Pd
Daya rencana
Watt
T
Momen rencana
N.m
F
Gaya
N
D
Jarak
m
M
Momen lentur
N.m
σB
Tegangan tarik
N/m2
τa
Tegangan lentur
N/m2
Sf
Safety faktor
_
Km
Faktor koreksi lenturan
_
Kt
Faktor koreksi puntiran
_
xi
DAFTAR NOTASI ds
Diameter poros
m
G
Modulus geser
N/m2
θ
Defleksi puntiran
(o)
y
Lenturan poros
_
W
Berat
N
Nc
Putaran kritis poros
rpm
N c0
Putaran kritis keseluruhan dari sistem
rpm
xii
BAB I PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang Penulisan Angin sudah dimanfaatkan sebagai sumber energi sejak ratusan tahun yang lalu. Di benua Eropa telah menggunakan angin sebagai sumber tenaga untuk pemompaan air dan penggilingan biji – bijian sejak abad ke-12. Pada abad ke 19 angin mulai digunakan oleh sebagian orang untuk pembangkit listrik tenaga
angin,
seiring
berkembangnya
peralatan
elektronik
yang
menggunakan listrik. Pada awal abad ke-21 ini, isu tentang semakin tipisnya lapisan ozon sebagai pelindung bumi dari sinar matahari langsung dan pemanasan global semakin mencuat, yang notabene penyebab terbesarnya adalah emisi gas buang yang dihasilkan oleh mesin-mesin berbahan bakar minyak. Karena alasan – alasan tersebut diataslah, sehingga
penggunaan
energi alternatif
semakin
digalakkan kembali. Di daerah – daerah pertanian terpencil sistem irigasinya masih tergantung pada air hujan dan masih jauh dari jangkauan listrik, hal ini bisa diatasi karena potensi angin didaerah pertanian Indonesia sangatlah melimpah. Penggunaan kincir angin sebagai energi alternatif untuk memenuhi permintaan irigasi didaerah tersebut merupakan sebuah solusi tepat dan perlu dicoba. Jika dipergunakan motor diesel sebagai penggerak pompa, maka transportasi bahan bakar dan harga solar yang tinggi menjadi kendala
1
para petani. Penggunaan kincir angin sederhana untuk solusi irigasi para petani di musim kering layak untuk dipertimbangkan.
1.2 Tujuan penulisan 1. Dapat merancang poros kincir angin sumbu horizontal yang sesuai dengan fungsi dan kekuatanya. 2. Perancangan yang telah dibuat dapat bermanfaat bagi banyak orang dan dapat bekerja dengan optimal.
1.3 Pembatasan masalah Agar penulisan tugas akhir ini bisa terarah dan mudah dipahami atas maksud dan tujuanya maka penulis hanya fokus membahas tentang perhitungan – perhitungan pada perancangan poros kincir angin sumbu horizontal yang diaplikasikan untuk pompa air. Yang mudah – mudahan bisa bermanfaat bagi kita semua dan bisa mensejahterakan masyarakat umum demi kelangsungan hidup kita bersama.
1.4 Metode penulisan Metode penulisan yang digunakan penulis dalam penyusunan tugas akhir ini adalah. 1. Metode Pustaka Metode kepustakaan merupakan metode pengumpulan data yang dilakukan berdasarkan literature dari buku-buku yang didapatkan dari
2
perusahaan atau perpustakaan sebagai dasar teoritis dalam penulisan referensi terhadap hasil yang diperoleh. 2. Metode Pengamatan & Pengalaman Metode ini dilaksanakan dengan melakukan pengamatan secara langsung dan berdasarkan pengalaman kerja sehari – hari . Dengan metode ini penulis dapat mengetahui bagaimana proses produksi perencanaan sampai dengan barang jadi dari awal sampai akhir dan permasalahan yang timbul di lapangan.
1.5 Sistematika Penulisan Penyusunan bab – bab pada penulisan tugas akhir ini dimaksudkan untuk mempermudah dalam pembahasan. Adapun sistematika penulisan tersebut disusun penulis dengan urutan sebagai berikut : BAB I PENDAHLUAN Berisi tentang latar belakang, tujuan penulisan, pembatasan masalah, metode penulisan dan sistematika penulisan. BAB II TEORI DASAR Pada bab ini berisikan tentang teori dasar tentang kincir angin, macam macam kincir angin, Teori dasar tentang pompa dan macam macam – pompa. BAB III METODOLOGI PERANCANGAN Pada bab ini akan membahas tentang prinsip kerja kincir angin dan dasar perancangan poros. BAB IV PERANCANGAN DAN PERHITUNGAN
3
Pada bab ini berisi data dan analisa kecepatan angin serta perhitungan – perhitungan perancangan poros. BAB V PENUTUP Pada bab ini berisi tentang kesimpulan dan saran dari perancangan poros pada kincir angin sumbu horizontal untuk pompa air. DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
4
BAB II TEORI DASAR
Energi angin telah lama dikenal dan dimanfaatkan manusia baik untuk keperluan di darat maupun di laut. Sebagai contoh untuk kebutuhan dilaut adalah perahu layar yang sudah dikenal nenek moyang kita sejak zaman dahulu. Sedangkan yang digunakan untuk kebutuhan di darat banyak sekali yaitu diantaranya untuk pembangkit listrik, terbang layang, kincir angin. Pada kesemptan ini penulis akan membahas tentang kincir angin yang digunakan sebagai pompa air. Kincir angin di negeri Belanda yang digunakan untuk irigasi dan penggiling tepung hingga kini masih tersohor, waluapun pada saat ini hanya berfungsi sebagai obyek wisata. Akan tetapi dalam rangka mencari bentuk – bentuk sumber energi yang bersih dan terbaru, kembali energi angin mendapat perhatian yang sangat besar. Sebagaimana diketahui angin terjadi karena perbedaan suhu antara udara panas dan dara dingin. Di daerah kathulistiwa yang banyak matahari, sehingga udara menjadi sangat panas, mengembang dan menjadi ringan, naik keatas dan bergerak kearah yang lebih dingin misalnya kutub. Sebaliknya di daerah kutub yang dingin, udaranya menjadi dingin dan turun ke bawah. Dengan demikian terjadi suatu perputaran udara, berupa perpindahan udara dari kutub utara ke garis khathulistiwa menyusuri permukaan bumi, dan sebaliknya suatu perpindahan udara dari garis khatulistiwa kembali kekutub utara, melalui lapisan udara yang lebih tinggi. Pada dasarnya angin terjadi karena adanya perbedaan suhu antara udara panas dan
5
udara dingin dan perbedaan tekanan udara, dimana angin pada siang hari berhembus dari laut ke darat, biasa disebut angin darat, sedangkan dimalam hari berhembus dari darat ke laut yang disebut angin laut.
Gambar 2.1 a. angin laut
b. angin darat.
Kecepatan angin juga tegantung pada ketinggian dan kekasaran daerah. Semakin tinggi ke arah langit, kecepatan semakin besar dan semakin banyak hambatan kecepatan semakin rendah.
2.1 Pengertian Umum Kincir Angin Kincir angin merupakan salah satu mesin konversi energi yang menghasilkan gerak mekanis yang dapat dimanfaatkan untuk keperluan manusia sehari-hari. Pemanfaatan gerak mekanis ini bisa dipakai untuk menggerakkan pompa air untuk irigasi atau disambungkan ke generator sebagai pembangkit tenaga listrik. Kincir angin secara umum dapat dikatakan sebagai suatu alat yang digerakkan udara untuk menghasilkan gaya mekanis dan dilanjutkan sesuai dengan kebutuhan masing – masing, sebagai pembangkit listrik atau sebagai pompa air. Jika sebagai pembangkit listrik maka membutuhkan generator tapi jika sebagai pompa air maka membutuhkan suatu pompa yang speknya sesuai
6
dengan kincir angin yang digunakan. Model yang paling sederhana didasarkan pada suatu teori daya gerak yang dikembangkan selama seabad yang lalu untuk meramalkan bentuk baling-baling kapal. Adaptasi dari teori awal ini untuk memutar turbin telah dikerjakan oleh Bilau pada tahun 1925 dan Betz pada tahun 1927 yang dipahami selama bertahun-tahun kincir angin yang utama menjadi keinginan umum antara lain adalah horizontal-axis (poros datar) dan vertical-axis (poros tegak).
Gambar 2.2 Macam-macam kincir angin poros datar (Horisontal axis wind turbin)
7
Gambar 2.3 Macam-macam Kincir Angin Poros Tegak (Vertical Axis Wind Turbin) Teknologi kincir angin kecil untuk penerapan yang spesifik itu terus berkembang sebagai energi alternatif yang menguntungkan. Energi angina ini biasa dan banyak digunakan oleh para nelayan untuk mencari ikan di laut karena kebanyakan nelayan tradisional masih menggunakan perahu layar untuk mencari ikan. Tapi ada juga sekarang yang sudah menggunakan perahu motor untuk menangkap ikan di laut. Perahu motor memang bisa lebih cepat dari
8
perahu layar tapi untuk mendapatkan perahu motor harganya lebih mahal jika dibandingkan dengan perahu layar tradisional.
Tabel 2.1 Spesifikasi Beberapa Kincir Angin Modern Manufaktur
Bergey Wind
Northern
Windturbine
Micon
Carter Wind
Power CO
power system
industries
Energysystem
system
Model:
BWC 1500
NortWind3
EESI-12,5/23
M.22
25
Diameter rotor
3,1 m
5,0 m
7,0 m
9,8 m
9,9 m
Daya rated
1,5 kW
3 kW
12,5 kW
22 kW
2 kW
Lokasi rotor
Arus-hulu
Arus-hulu
Arus-hulu
Arus-hulu
Arus-hulu
Jumlah sudu
3
3
3
3
2
Control Pitch
Tidak ada
Rotor tilt
Variable
Tetap
Tetap
tem
Tidak ada
Furling tegak
Disk-mech
Elect-mech
Disk-mech
-normal
Furling
Furling tegak
Aerodi-
Aerodinamik
aerodi-
-speed. lebih
datar
Gear box
Tidak ada
Braking sys-
namik Tidak ada
Offshet
namik Poros sejajar
Gigi miring bundar
hypoid Generator tipe
Alternator
Alternator
Alternator
Induksi
Induksi
Kecepatan
60-450 rpm
<300 rpm
Variable
1800 rpm
1836 rpm
Tegangan
Opsi
Opsi
Variable
480 V AC
220440VAC
System yaw
Pasif
Pasif
Pasif
Aktif
Pasif
Tipe menara
Opsi
Opsi
Latis
Tubular
Tubular
tanpa pen-
berpenguat
guat
9
Pada dasarnya penggunaan tenaga angin diperkirakan untuk keperluankeperluan seperti di bawah ini: a. Menggerakkan pompa-pompa air untuk irigasi. b. Menggiling padi untuk mendapatkan beras. c. Membangkitkan energi listrik d. Untuk kegiatan olah raga Angin banyak sekali fungsinya untuk membantu kegiatan dan keperluan manusia. Dengan memanfaatkan kekutan angin secara maksimal akan dapat menghasilkan sumber energi yang ramah lingkungan.
2.2 Pandangan Umum Mengenai Pompa air Pompa air adalah suatu perangkat yang berfungsi mengalirkan, memindahkan bahkan dapat pula mensirkulasikan fluida cair dengan cara menaikkan tekanan dan kecepatan melalui gerak piston atau impeller. Gerak tarik bumi atau yang biasa dikenal dengan gravitasi, menyebabkan suatu cairan yang mengalir dari tempat yang lebih tinggi ke tempat yang lebih rendah, sehingga cairan dapat mengalir dan apabila cairan dikedua tempat memiliki tekanan yang sama, maka cairan tidak dapat mengalir ke salah satu tempat tersebut. Pompa adalah suatu alat yang dapat memindahkan cairan dari tempat yang lebih rendah ke tempat yang mempunyai tekanan yang sama. Pompa menambah tekanan pada cairan sehingga dapat mengatasi gaya potensial, sehingga cairan dapat mengalir. Pompa disamping berfungsi sebagai yang tersebut diatas juga dapat menempatkan kecepatan aliran dari cairan dan juga digunakan untuk memindahkan lebih banyak dalam batas waktu tertentu.
10
Pemindahan fluida ini dapat terjadi menurut arah mendatar ataupun tegak lurus. Pada pemindahan fliuda secara mendatar, hambatan terdapat atas gesekan atau pusaran, sedangkan pada pemindahan fluida secara tegak, hambatan yang terjadi sama ditambah dengan hambatan yang diakibatkan karena adanya perbedaan tinggi antara muka hisap dan muka tekan. Tenaga penggerak pompa biasanya adalah steam engine, gas engine, steam turie, motor listrik dan motor bakar, akan tetapi disini pompa tersebut akan digerakkan dengan kincir angin. Alternatif pemilihan pompa untuk mendistribusikan air bersih untuk irigasi haruslah diperhatikan beberapa pokok alasan dalam pemilihan pompa, hal tersebut adalah : a. Karakteristik fluida itu sendiri. b. Tekanan. c. Kapasitas. Hal ini dikarenakan dimana pompa yang akan dipergunakan bertujuan untuk mengalirkan air bersih dari permukaan yang lebih rendah ke permukaan yang lebih tinggi.
2.3 Pompa Sentrifugal Pompa jenis ini sangat luas penggunaannya dan juga banyak dipakai untuk berbagai keperluan. Fluida pada pompa sentrifugal dihisap kipas sudu-sudu impeller ditengah-tengah mengelilingi poros, dan keluar secara radial dengan kecepatan yang merupakan jumlah antara kecepatan radial dan kecepatan air yang meluncur mengikuti putaran impeller. Dalam rumah pompa (volute cas-
11
ing). Fluida berkurang kecepatannya akibat berputarnya impeller dan tenaga geraknya diubah menjadi tenaga tekan atau dorong, maka fluida yang ada akan mengalir keluar pompa dengan mengatasi tekanan yang ada. Daya mekanis yang diberikan pada poros pompa diubah dalam sudu-sudu menjadi energi kinetis dari fluida yang dipindahkan dengan cara memperkecil kecepatan didalam volute. Keuntungan pompa sentrifugal adalah sebagai berikut : a. Biaya investasi dan perawatannya rendah. b. Bobot pompa relatif ringan dan luas ruang instalasinya relative kecil. c. Getaran yang terjadi relatif kecil pada saat pengoperasiannya, sehingga pondasi dudukan pompa dapat dibuat ringan. d. Dapat memompa fluida dengan kapasitas besar dan tekanan yang tinggi. e. Beroperasi pada putaran tinggi, biasanya dihubungkan langsung dengan penggeraknya sehingga rugi-rugi transmisi kecil. f. Jika konstruksinya disesuaikan, maka dapat dipergunakan untuk mengalirkan fluida yang kotor dan berlumpur serta yang mengandung bahan kimia. g. Aliran fluidanya dapat kontinyu tidak terputus-putus. Kerugian pompa sentrifugal adalah sebagai berikut : a. Pada pemakaian normal, tidak dapat menghisap sendiri (tidak dapat memompakan udara), oleh sebab itu pada awal menghidupkan pompa harus dipancing.
12
b. Efisiensi pompa relatif rendah jika dibandingkan dengan pompa piston, terutama jika kapasitas zat cair kecil sedangkan tinggi kenaikan besar. c. Kurang sesuai untuk memompakan zat cair kental terutama pada aliran volume yang kecil.
2.4 Pompa Piston Pompa piston memiliki efisiensi yang lebih tinggi dibandingkan dengan pompa sentrifugal, tetapi kemajuan-kemajuan perencanaan pada pompa sentrifugal telah mengimbangi efisiensi yang tinggi ini, bila beroperasi pada kondisi-kondisi tertentu, dimana pompa sentrifugal ini paling sesuai dan banyak digunakan. Pompa piston digunakan secara luas, dimana kemampuan variable tekanan adalah pertimbangan yang penting. Keuntungan pompa piston adalah sebagai berikut : a. Dapat bekerja langsung tanpa melakukan pemancingan. b. Memiliki efisiensi yang tinggi daripada pompa sentrifugal. c. Pada putaran yang konstan, dapat menghantarkan fluida yang berbedabeda pada tekanan yang hampir sama. d. Pada putaran yang konstan, dapat menghantarkan zat cair pada kapasitas yang tetap pada tekanan yang berubah-ubah pada saluran yang tetap. Kerugian pompa piston dibandingkan dengan pompa sentrifugal : a. Rumit dalam hal pemeliharaan
13
b. Pondasi harus kokoh karena memiliki bobot atau dimensi yang cukup besar. c. Tidak dapat dihubungkan dengan motor penggerak sehingga memerlukan transmisi. d. Menimbulkan suara yang berisik yang diakibatkan gerakan bolakbalik. e. Memerlukan tempat yang lebih luas. Setelah melihat alternatif diatas maka karena penggerak pompa menggunakan kincir angin yang dayanya disesuaikan dengan kecepatan angin setempat. Pompa piston merupakan pilihan yang tepat karena memiliki efisiensi yang tinggi dan dapat bekerja tanpa harus “dipancing” terlebih dahulu. Maka dalam perencanaan ini dipilih pompa piston karena sesuai dengan kondisi yang ada.
14
BAB III METODOLOGI PERANCANGAN
3.1
Prinsip kerja Pada dasarnya kincir angin yang dibuat ini adalah kincir angin sumbu horizontal dengan dua belas sudu variable. Prinsip kerja kincir angin ini yaitu angin yang bertiup kearah sudu maka sudu akan bergerak memutar. Dengan menggunakan penghubung sederhana mekanisme putaran dari poros dikonfersikan ke gerakan naik dan turun tuas pompa yang mana bergerak searak membalas gerakan pompa piston. Sedangkan ekor dari rangka atas akan berputar di sekeliling rangka tower sehingga dapat menjaga baling – baling tetap tegak lurus terhadap angin. Jika terjadi badai hebat kincir angina ini dilengkapi dengan mekanisme pengamanan sederhana yaitu dengan melepaskan kerangka atas dengan dari struktur ekor secara otomatis. Yang mana rangka atas termasuk baling – baling berputar 90o dari garis angin. Rotor rangka atas dan struktur tower tersusun dari besi siku 1.5” kecuali rangka kaki tersusun dari besi siku 2” dan besi palte 1.25” dan untuk mengurangi
terjadinya
getaran
maka
hamper
semua
sambungan
menggunakan las listrik. Penggunaan baut dan mur sebagai penyambung sangat dibatasi sekali. Baut dan mur hanya digunakan untuk pegangan bagian besi lembaran dan beberapa sambungan seperti engsel, sambungan batang pompa dlsb. Kincir angina ini menggunakan poros berdiameter 50 mm yang berputar pada bearing kedap debu. karena da. Gaya - gaya yang
15
terjadi pada sudu – sudu kincir angin ini kombinasi dari gaya – gaya aerodinamis, gaya dorong dan gaya tekan angin, sehingga dapat menghasilkan momen torsi yang besar. Kincir angin merupakan salah satu mesin konversi energi yang dapat merubah energi kinetik dari pergerakan angin menjadi energi mekanik untuk menggerakkan pompa air piston.
Teknologi ini sudah sangat lama
digunakan diatas muka bumi ini. Angin merupakan energi melimpah yang masuk kedalam renewable energi yaitu energi yang dapat diperbaharui. Sekarang sampai dimana kemauan kita mau memanfaatkan energi ini untuk kemaslahatan orang banyak. Secara teoritis daya yang dapat dibangkitkan oleh kincir angin adalah: PKincir =
0.15 2 Ar .Vr 0. 1
(3.1)
Dimana :
PKincir = Daya yang dibangkitkan oleh kincir. Ar = luas sapuan rotor Vr = kecepatan angin rata-rata. Jika efisiensi kincir angin η dan kecepatan tertentu V diperhitungkan, maka daya yang dihasilkan kincir angin menjadi: 1 P = η.ρ . Ar .V 3 2
(3.2)
Dengan mengetahui besarnya daya keluaran kincir angin tersebut, maka akan didapat apakah daya ini sesuai dengan besarnya daya yang diperlukan untuk perancangan poros kincir. Sehingga kita dapat menentukan berapa
16
besar diameter
poros kincir untuk perancangan kincir angin secara
keseluruan
3.2
Dasar teori perancangan poros 3.2.1 Macam – macam poros Bentuk, ukuran dan jenisnya poros ada bermacam – macam. Dari yang kecil sebesar jari sampai yang berdiameter satu meter lebih ada. Dari semua poros itu mempunyai fungsi dan karakteristik masing – masing. Adapun jenis – jenis poros yang berfungsi sebagai penerus daya adalah sebagai berikut. 1. Poros transmisi Poros transmisi yaitu poros yang menerima beban puntir murni atau poros yang menerima beban puntir dan beban lentur. Daya ditransmisikan pada poros ini melelui kopling, roda gigi, pully sabung atau sprocket rantai, dll. 2. Spindel Spindel yaitu poros transmisi yang relative pendek, seperti poros utama pada mesin perkakas, dimana beban utamanya berupa puntiran. Syarat utama yang harus dipenuhi oleh poros ini adalah deformasinya harus sekecil mungkin dan entk dan ukuranya harus teliti. 3. Gandar Poros gandar yaitu poros yang seperti terpasang diantara roda – roda kereta barang, dimana tidak mendapat beban punter, bahkan
17
kadang – kadang tidak boleh berputar . Gandar ini hanya mendapat beban lentur, kecuali jika digerakan oleh penggerak mula dimana akan mengalami bean puntir juga.
3.2.2 Hal – hal penting dalam perancangan poros Dalam merancang sebuah poros tidak boleh ngasal dan sembarangan menentukan ukuran dan jenis matrialnya karena ukuran dan matrial akan sangat menentukan umur dari poros tersebut. Maka dari itu ada hal - hal penting yang harus diperhatikan dalam merancang sebuah poros yaitu; 1. Kekuatan poros. Poros transmisi itu bisa mengalami beban puntir atau beban lentur atau gabungan antara beban puntir dan beban lentur seperti yang telah dijelaskan diatas. Juga ada poros yang mendapatkan beban tarik atau beban tekan seperti poros pada baling – baling kapal atau turbin. Kelelahan, tumbukan atau pengaruh konsentrasi tegangan bila diameter poros diperkecil atau bila poros mempunyai alur pasak, harus diperhatikan. Sebuah poros harus direncanakan hingga cukup kuat untuk menahan beban – beban yang akan diterima. 2. Kekakuuan poros. Meskipun sebuah poros mempunyai kekuatan yang sangat besar tetapi jika lenturan atau defleksi puntirnya terlalu besar akan menyebabkan ketidak telitian jika digunakan pada mesin perkakas
18
atau getaran dan suara jika digunakan pada turbin atau gear box. Oleh karena itu selain kekuatan poros kekakuannyapun harus juga diperhatikan dan disesuaikan dengan fungsinya pada mesin tersebut 3. Putaran kritis Jika putaran mesin dinaikan sampai suatu harga tertrentu maka akan terjadi getaran yang sangat luar biasa besarnya. Hal ini dapat terjadi pada turbin, motor torak, motor listrik dll. Sehingga dapat mengakibatkan kerusakan pada poros dan bagain – bagain lainya. Maka dari itu sebisa mingkin diusahakan putaran kerja poros lebih rendah dari putaran kritisnya. 4. Korosi Jika digunakan pada fluida yang korosif maka harus di pilih bahan – bahan poros yang tahan korosi sebagai contoh pada poros propeller dan poros pompa. Tidak hanya itu saja untuk poros – poros yang terancam kavitasi dan poros – poros mesin yang sering berhenti dalam kurun waktu yang lama. Sampai batas – batas tertentu dapat dilakuakn perlindngan korosi. 5. Bahan poros Biasanya poros – poros untuk mesin umum menggunakan bahan – bahan yang ditarik dingin dan difinis, bahan karbon untuk konstruksi mesin biasanya disebut bahan S-C dengan kadar karbonya yang terjamin. Tapi bahan ini kelurusannya agak kurang tetap dan dapat mengalami deformasi karena tegangan yang kurang
19
seimbang misalnya bila diberi alur pasak. Karena ada tegangan sisa didalam terasnya. Penarikan dingin ini membuat permukaan poros menjadi keras dan kekuatannya bertambah besar. Poros – poros yang dipakai untuk meneruskan putaran tinggi biasanya digunakan dari bahan baja paduan dengan pengerasan kulit terhadap keausan. Beberapa diantarnya adalah baja khrom nilkel, baja khrom nikel molibden, baja khrom, baja khrom molibden, dll. Namun pemakaian baja khusus tidak selalu dianjurkan sekalipun digunakan untuk putaran yang tinggi dan beban yang berat. Dalam hal yang demikian itu maka perlu diperhatikan pemakaian baja khrom yang diberi perlakuan panas secara tepat untk memperoleh kekuatan secara tepat. Tabel 3.1. Penggolongan baja secara umum Golongan Kadar carbon (%) Baja lunak -0.15 Baja liat 0.2-0.3 Baja agak keras 0.3-0.5 Baja keras 0.5-0.8 Baja sangat keras 0.8-1.2 (Dasar perencanaan dan pemilihan elemen mesin Sularso hal.4) 3.2.3 Poros dengan beban puntir Macam dan kegunaan poros itu banyak sekali dan salah satunya adalah poros dengan beban puntir yaitu jika sebuah poros hanya mendapat pembebanan utama sebuah torsi, yaitu seperti poda poros motor dengan sebuah kopling. Jika merencanakan sebuah poros yang hanya mendapat beban berupa torsi, maka diameter poros tersebut dapat lebih kecil dari diameter poros yang dibayangkan. Tapi jika diperkirakan
20
akan terjadi lenturan, terikan, atau tekanan, yaitu jika sebuah sabuk, rantai, atau roda gigi dipasangkan pada poros motor. Maka tambahan pembebanan
tersebut
harus
diperhatikan
dengan
menambah
perhitungan faktor keamanan.
Tabel 3.2. Faktor – faktor koreksi daya yang akan ditransmisikan Daya yang akan ditransmisikan
Faktor keamanan
Daya rata – rata yang diperlukan 1.2-2 Daya maksimum yang diperlukan 0.8-1.2 Daya normal 1.0-1.5 (Dasar perencanaan dan pemilihan elemen mesin Sularso hal.7 Tabel 3.3. Diameter poros 4
10 11
4.5
*11.2 12
5
*12.5
*5.6
14 (15) 16 (17) 18 19 20 22
6 *6.3
*22.4 24 25
40
28 30 *31.5 32
45
35 *35.5
55 56
38
60
42
48 50
63
65 70 71 75 80 85 90 95
7 *7.1 8 9
100 (105) 110 *112 120 125 130 140 150 160 170 180 190 200 220
*224 240 250 260 280 300 *315 320 340
400
*355 360 380
560
420 440 450 460 480 500 530
600 630
Keterangan: 1.
Tanda * menyatakan bahwa bilangan yang besangkutan dipilih dari bilangan standart.
21
2.
Bilangan di dalam kurung hanya dipakai untuk bagian dimana akan dipasang bantalan gelinding.
(Dasar perencanaan dan pemilihan elemen mesin Sularso hal.9)
3.2.4 Poros dengan beban lentur murni. Contoh poros dengan beban lentur murni adalah gander dari kereta tambang dan kereta rel tidak dibebani dengan puntiran melainkan mendapatkan pembebanan lentur saja. Dalam kenyataanya gander tidak hanya mendapat beban statis saja melainkan juga mendapat beban dinamis. Tabel 3.4. Faktor tambahan tegangan pada gander Faktor tambahan tegangan
Pemakaian gander Gandar
pengikut
(tidak
termasuk 1.0
gandar dengan rem cakram) Gandar yang digerakan; ditumpu pada
1.1-1.2
ujungnya Gandar
yang
digerakan;
lenturan 1.1-1.2
silang Gandar
yang
digerakan;
lenturan 1.2-1.3
terbuka
(Dasar perencanaan dan pemilihan elemen mesin Sularso hal.13) 3.2.5 Poros dengan beban puntir dan lentur Selain poros dengan beban puntir dan poros dengan beban lentur murni ada juga gabungan dari keduanya yaitu poros dengan beban puntir dan lentur. Yaitu pada umumnya poros meneruskan daya melalui sabuk, roda gigi, dan rantai. Sehingga poros tersebut dapat dikatakan mendapat beban puntir dan lentur secara bersamaan sehingga pada
22
permukaan poros akan terjadi tegangan geser karena momen puntir dan tegangan karena momen lentur. Pada umumnya beban yang terjadi pada poros aalah beban yang berulang. Maka dari itu untuk menghitung tegangan yang bekerja pada poros harus memasukan pengaruh kelelahan karena beban berulang.
3.3
Prosedur perancangan Adapun prusedur yang harus dilakukan dalam perancangan kincir angin sumbu horizontal untuk pompa air ini adalah diantaranya sebagai berikut yaitu melakukan pengujian terhadap kajian teoritis yang dituangkan dalam bentuk hipotesis yang kemudian dicocokan dengan hasil pengukuran. Adapun prosedur perancanganya seperti yang ditunjukan pada gambar di bawah ini.
23
Mulai
Studi literatur Diskusi dan konsultasi pada pembimbing
Observasi Bahan tersedia
Perancangan kincir angin
Perakitan kincir (Assembly)
Uji alat
Alat berfungsi sesuai yang diharapkan Selesai
Gambar 3.1 Prosedur perancangan kincir angin
24
BAB IV PERANCANGAN DAN PERHITUNGAN
4.1 Data dan Analisa Kecepatan Angin Sebagai bahan studi untuk perancangan kincir angin poros horizontal. Penulis mengambil data kecepatan angin yang diperoleh penulis berdasarkan data yang valid yang berasal dari stasiun pemantau cuaca Badan Meteorologi dan Geofisika yang berada didaerah Jakarta yang berada di wilayah Cileduk, dimana data tersebut adalah data angin yang tercatat lima tahun terakhir dan untuk kepentingan penulisan tugas akhir ini penulis mengambil data angin pada tahun 2008. Dari pengamatan saya potensi keadaan angin wilayah Jakarta tidaklah sebesar didaerah pesisir lainya, tapi kekuatannya setidaknya cukup untuk memutar kincir hasil rancangan team Windmill Project. Keadaan angin dari tahun ke tahun sangatlah fluktuatif tapi dengan melihat data angin yang ada bawah ini sangatlah cukup untuk memutar kincir rancangan ini dan pompa airnya. Adapun data angin yang kita dapatkan di BMG Cileduk adalah sebagai berikut :
25
Tabel 4.1 kecepatan angin tiap bulan di Jakarta tahun 2008 Bulan
V rata –rata (knot)
Januari
3,0
Februari
2,5
Maret
2,6
April
3.5
May
3,0
Juni
3,0
July
3,0
Agustus
5,7
September
4,9
Oktober
5,8
November
4,3
Desember
6,5 (Sumber: BMG Cileduk)
Dari data angin diatas dapat diperoleh hasil analisa sebagai berikut : = 3,9 knot =
3,9 x1853 = 2,0 m/s 3600
Kecepatan terendah (februari) = 2,5 knot =
2,5 x185 = 1,28 m/s 360 0
Kecepatan angin rata-rata
4.2 Beban yang bekerja pada poros Data awal dalam perancangan poros sudu ini adalah sbb: Beban kincir
: 156 kg
Kecepatan angin rata – rata
: 2m/s
Panjang poros
: 1300mm
26
Poros ditumpu oleh dua bearing pada jarak 85 mm da 585 mm Pada poros kincir angin ini mendapatkan 2 beban utama yaitu beban dari kincir beban dari pompa dan beban dari air yang terangkat oleh pompa air. Beban kincir sudah diketahui yaitu 156 kg Sedangkan beban pompa dan beban air yang terangkut oleh pompa air dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut.
4.2.1 Beban pompa Pompa air ini dibagi menjadi beberapa bagian yaitu terdiri dari rumah pompa, pipa bagian penyalur tekan dan bagian penghisap, plate penghubung antara liner pompa dan pipa penyalur, dan yang terakhir piston dan batang pompa.
4.2.1.1 Beban dari rumah pompa dapat dihitung dengan rumus sbb: Data spesifik rumah pompa yang digunakan adalah : Bahan liner pompa
: pipa besi Ø 6” = 152,4 mm
Tebal
: 3 mm
Tinggi liner
: 460 mm
Besarnya massa liner pompa dapat ditentukan dengan menggunakan harga massa jenis bahan pipa besi yaitu ρ = 7850 kg/m3 dan harga volume liner piston tersebut adalah m1 = ρ .v ……………………………………..........……...(4.1)
27
m1 = ρ (v pipa − vudara ) m1 = ρ (πr 2 t − πr 2 t ) m1 = 7850kg / m 3 (3,14 x76,2 2 x 460 − 3,14 x73,2 2 x 460) m1 = 7850kg / m 3 (8386821,936 − 7739441,856) m1 = 7850kg / m 3 x647380,08mm 3 m1 = 7850kg / m 3 x0,000647380m 3 m1 = 5,08kg Jadi beban dari rumah pompa adalah m1 = 5,08kg
4.2.1.2 Pipa Bagian Penyalur Tekan Dan Bagian Penghisap Data spesifik pipa tekan dan hisap sama, data yang digunakan adalah sebagai berikut: Bahan
: Pipa besi
Diameter
: 4” = 101,6 mm
Tebal bahan
: 1mm
Tinggi
: 550 mm
Besarnya massa pipa penyalur tekan dan pipa penyalur hisap dapat dihitung dengan harga massa jenis bahan pipa besi ρ = 7850 kg/m3. Besarnya massa kedua pipa itu masing-masing.
28
m2 = ρ .v m2 = ρ (v pipa − vudara ) m2 = 7850kg / m 3 (πr 2t − πr 2t ) m2 = 7850kg / m 3 (3,14 x50,82 x550 − 3,14 x 49,82 x550) m2 = 7850kg / m 3 (4456765,28 − 4283029,08) m2 = 7850kg / m 3 x173736,2mm3 m2 = 7850kg / m 3 x0,000173736m 3 m2 = 1,36kg Karena panjang kedua pipa sama maka total m2 = 2 x1,36 = 2,72kg
4.2.1.3 Pelat Penghubung Liner Pompa dan Pipa Penyalur Data spesifik pelat penghubung liner pompa dan pipa penyalur data yang digunakan adalah sebagai berikut: Bahan
: Pelat besi
Tebal bahan
: 3 mm
Diameter luar
: 6” = 152,6 mm
Diameter dalam
: 4” = 101,6 mm
Maka volume pelat besi tersebut dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut.
29
m3 = ρ .v m3 = ρ (v plate − vudara ) m3 = 7850kg / m 3 (πr 2 t − πr 2 t ) m3 = 7850kg / m 3 (3,14 x76,2 2 x3 − 3,14 x50,8 2 x3) m3 = 7850kg / m 3 (54696,66 − 24309,63) m3 = 7850kg / m 3 x30387,03mm 3 m3 = 7850kg / m 3 x0,000030387 m 3 m 3 = 0,24kg Karena volume penampang atas dan bawah adalah sama maka massanya menjadi m3 = 2 x0,24 = 0,48kg
4.2.1.4 Piston dan Batang Pompa Batang pompa dan piston merupakan komponen penggerak utama pompa dalam melakukan kinerjanya didalam liner pompa. Besar kecilnya
clearance
antara
rumah
pompa
dan
piston
sangat
mempengaruhi kinerja dari pompa itu sendiri. Di sini perancang sekaligus penulis membuat clearance antara rumah pompa dan piston sebesar 1 mm. Data lengkap spesifikasi rumah piston dan batang pompa adalah sebagai berikut: Batang pompa : Panjang
: 950 mm
Diameter : 20 mm
30
Piston kayu : Panjang
: 75 mm
Diameter : 151,4 mm Dari data diatas dapat kita hitung harga massa keduanya. volume batang pompa yang terbuat dari besi Carbon VCN tersebut dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut.
m4 = mba tan gpompa + m pistonkayu m4 = ( ρ .v) + ( ρ .v) m4 = (7850kg / m 3 xπr 2 t ) + (7850kg / m 3 xπr 2 t ) m4 = (7850kg / m 3 x3,14 x10 2 x950) + (1600kg / m 2 x3,14 x75,7 2 x75) m4 = (7850kg / m 3 x 298300mm 3 ) + (1600kg / m 2 x1349530,4mm 3 ) m4 = (7850kg / m 3 x0,0002983m 3 ) + (1600kg / m 3 x0,00134953m 3 ) m4 = 2,34kg + 2,15kg m4 = 4,49kg Maka masa piston dan batang pompa adalah m4 = 4,49kg Jadi massa total pompa secara keseluruhan, bila baut pengikat dan karet sebagai valve diabaikan maka massa total adalah sebagai berikut: mtotal = m1 + m2 + m3 + m4 mtotal = 5,08kg + 1,36kg + 0,48kg + 4,49kg mtotal = 11,41kg
31
Pada perancangan kincir angin untuk pompa air ini rumah pompanya terikat pada dinding sumur sehingga pada saat penghitungan beban pompa yang berhubungan dengan poros kincir angin maka beban rumah pompa tidak dihitung karena terikat pada dinding sumur. Jadi beban pompa yang harus ditanggung oleh poros kincir angin adalah:
m pompa = m2 + m3 + m4 m pompa = 1,36kg + 0,48kg + 4,49kg m pompa = 6,33kg
4.2.2 Beban air Pompa air ini terhubung kesumur dengan menggunakan pipa 4” sedalam 5 meter maka dari itu pipa sepanjang 5 meter itu akan penuh dengan air yang akan terangkat oleh pompa. Sehingga berat air yang akan terangkat oleh pompa air adalah sbb: mair = v air
mair = πr 2 t mair = 3,14 x50,8 x50,8 x5000 mair = 40516048mm 3 mair = 40,5dm 3 mair = 40,5liter mair = 40,5kg
32
Untuk dapat melakukan perancangan poros kincir angin sumbu horizontal dengan tepat maka harus terlebih dahulu mengetahui data – data awal dari kincir angin yang akan dibuat, adapun data awal yang didapat sebelum merancang diameter poros yang tepat untuk kincir angina sumbu horizontal ini adalah: Daya kincir(P)
: 255,9Watt
Putaran rata – rata kincir
: 20 rpm
Kecepatan angin rata – rata
: 2m/s
Poros pada kincir angin selain mendapatkan selain mendapatkan beban puntir juga mendapatkan beban lentur sehingga pada perhitungan perancangan ini akan merancang poros yang mendapatkan beban puntir sekaligus mendapatkan beban lentur. Adapun diagram aliran untuk merencanakan poros dengan beban punter dan beban lentur adalah sebagai berikut. 4.2.3 Beban rotor. Rotor ini terdiri dari banyak part kecil – kecil sehingga akan sangat susah sekali untuk menghitung beratnya satu persatu. Maka dari itu beban rotor ini diketahui dengan cara di timbang. Pada saat penimbangan maka didapatkan harga beban poros sebesar 156kg.
33
START
a b
1. Daya yang ditrasmisikan Putaran poros
14. Defleksi puntiran
θ
(o)
n1 (rpm)
2. Faktor koreksi
3. Daya rencana
P (kW)
fc
>
15.
θ : θ max
Pd (kW)
<
4. Momen rencana T (N.mm)
16. Perhitungan defleksi maksimum
5. Keadaan beban (digambarkan)
>
6. Prhitungan beban horz. Perhitungan beban Vert.
c
17.
y : y max <
d 18. Berat masing – masing
7. Gaya reaksi engsel
benda yang berputar
W1 (kg)
8. Momen lentur rata - rata 19. Putaran kritis untuk masing – masing benda yang berputar 9. Momen lentur gabungan
MR
N ci
(rpm)
(N.mm) 20. Putaran kritis system
N co
(rpm)
10. Bahan poros Perlakuan panas Kekuatan tarik
σB
(kg.mm2)
Apakah ada tangga atau alur pasak Faktor keamanan
b
Sf 1 , Sf 2
c
11. Tegangan lentur yang diijinkan
d
12. Faktor koreksi lenturan
σB
>
n1 : (0.6 − 0.7) N co
(N/mm2) <
Faktor koreksi puntiran
Km
Kt
Diameter poros
ds
(mm)
Bahan poros Perlakuan panas 13. Diameter poros
ds
(mm)
a
STOP
Gambar 4.1 Diagram aliran untuk merencanakan poros dengan beban puntir dan lentur.
34
Dengan melihat diagram aliran diatas maka perancangan poros sudu dapat dilakukan. Adapun urutan perhitungan perancanganya adalah sebagai berikut : 1. Daya yang ditrnsmisikan P (kW)
P = 255,9Watt
= 0,26kW Putaran poros n1 (rpm) n1 = 20rpm
2. Faktor koreksi f c Dengan melihat tabel faktor – faktor koreksi daya yang akan ditransmisikan yaitu pada tabel 2 maka dapat diambil faktor koreksinya 1,4. f c = 1,4
3. Daya rencana Pd (kW) Pd = f c xP ………………………………..……………(4.1)
(Dasar perencanaan dan pemilihan ele men mesin, Sularso hal.7)
Pd = 1,4 x0,26 p d = 0,36kW
4. Moment rencana T (N.mm) T = 9,74 x10 5
Pd ………………………………………(4.2) n1
(Dasar perencanaan dan pemilihan elemen mesin, Sularso hal.7)
35
0,36 20 5 T = 9,74 x10 x0,018 T = 9,74 x10 5
T = 1,7 x10 4 N .mm 5. Keadaan beban (digambarkan)
Dari gambar diatas dapat kita ketahui semua beban yang bekerja pada poros kincir angin sumbu horizontal. 6. Perhitungan beban horizontal H 1 , H 2 ( N ) Perhitungan beban vertical V1 ,V2 ( N ) Beban horizontal H1 = 0 H2 = 0 Beban vertical V1 = 1560 N V2 = 468,3 N 7. Gaya reaksi engsel RV 1 , RV 2 ( N ) Karena beban horizontal tidak ada maka, R H 1 dan R H 2 = 0
RV 1 =
F1 xl1 + F2 xl 2 ……………………………………….(4.3) 1300
36
RV 1 =
1560 x715 + 468,3 x585 1300
RV 1 =
1115400 + 273955,5 1300
RV 1 =
1389355,5 1300
RV 1 = 1068,7 N
RV 2 = ( F1 + F2 ) − RV 1 ………………………………………(4.4) RV 2 = (1560 + 468,3) − 1068,75 RV 2 = 2028,3 − 1068,7 RV 2 = 959,6 N 8. Momen lentur rata – rata Harga momen lentur rata – ratanya adalah sebagai berikut: M V 1 = RV 1 xl1 .......................................................................(4.5) M V 1 = 1068,7 x715 M V 1 = 742670,5 N .mm
M V 2 = RV 2 xl 2 ……………………………………………..(4.6) M V 2 = 959,6 x85 M V 2 = 81566 N .mm 9. Momen lentur gabungan Karena gaya horizontal tidak ada maka
37
M V 1 = M R1 ..........................................................................(4.7) Dan M V 2 = M R 2 ..........................................................................(4.8) Karena gaya horizontal tidak ada jadi: M R1 = 742670,5 N .mm M R 2 = 81566 N .mm
10. Bahan
poros
VCN
yang
ekwivalen
dengan
matrial
SNCM1
σ B = 850 N / mm 2 τ a dihitung atas dasar batas kelehlahan puntir yang besarnya diambil 40% dari batas kelelahan tarik yang besarnya kira – kira 40% dari kekuatan tarik. Jadi kelelahan puntir adalah 18% dari kekuatan tarik. Sesuai dengan standart ASME. Untuk harga 18% ini faktor keamanan diambil 1/0,18 = 5,6. ini diambil untuk bahan SF dengan kekuatan yang dijamin dan 6,0 untuk bahan dari S-C dengan pengaruh masa dan baja paduan. Faktor ini dinyatakan dengan Sf 1 . Selanjutnya perlu ditinjau apakah poros tersebut diberi alur pasak atau dibuat bertangga, karena pengarug konsentrasi tegangan cukup besar. Pengaruh
kekerasan
permukaan
juga
harus
diperhatikan.
Untuk
memasukan pengaruh – pengaruh ini dalam perhitungan perlu diambil faktor yang dinyatakan dengan
Sf 2 . Dengan harga sebesar 1,3 sampai
dengan 3,0. (Dasar perencanaan dan pemilihan elemen mesin, Sularso hal 8)
38
Maka dari keterangan di atas dapat diambil harga Sf1 dan Sf 2 yaitu 6 dan 2 Sf 1 = 6 Sf 2 = 2
11. Tegangan lentur yang diizinkan τ a (N/mm2)
τa =
σB Sf 1 xSf 2
………………………………………………..(4.9)
(Dasar perencanaan dan pemilihan elemen mesin, Sularso hal.8)
τa =
850 6 x2
τa =
850 12
τ a = 70,8 N / mm 2 12. Faktor koreksi lenturan K m Faktor koreksi puntiran K t Faktor koreksi puntiran dipilih sebesar 1,0 jika beban dikenakan secara halus, 1,0-1,5 jika terjadi sedikit kejutan atau tumbukan. Dan 1,0-3,0 jika beban dikenakan dengan kejutan atau tumbukan besar. Pada poros yang berputar dengan pembebanan momen lentur yang tetap, beasrnya faktor koreksi lenturan adalah 1,5. Untuk beban dengan tumbukan ringan faktor koreksi lenturan berkisar antara 1,5-2,0. Dan
39
untuk beban dengan tumbukan berat faktor koreksi lenturanya terletak antara 2 dan 3. Maka dari keterangan diatas dapat diketahui harga faktor koreksi lenturan dan faktor koreksi puntirannya adalah 1,5 dan 1,5 K m = 1,5 K t = 1,5 13. Diameter poros d s (mm) 1
⎡ 5,1 ⎤3 d s ≥ ⎢( ) ( K m .M ) 2 + ( K t .T ) 2 ⎥ ………………………………..(4.10) ⎣ τa ⎦ (Dasar perencanaan dan pemilihan elemen mesin, Sularso hal.18) 1
⎡ 5,1 ⎤3 ds ≥ ⎢ (2 x742670,5) 2 + (1,5 x17000) 2 ⎥ ⎣ 70,8 ⎦
[
d s ≥ 0,07 14853412 + 25500 2
]
1 3
[
d s ≥ 0,07 2206237886281 + 650250000
[
d s ≥ 0,07 2206888136281
]
1 3
]
1 3
d s ≥ [0,07 x1485559,87]3 1
d s ≥ 103989,19
1 3
d s ≥ 47,02mm ⇒ 48mm Jadi diameter poros yang diperlukan untuk kincir angin sumbu horizontal ini adalah Diameter 48 mm
40
Pada poros dilubangi diameter 12mm untuk baut pengikat rotor sehingga konsentrasi tegangan pada lubang poros adalah: 6 = 0,125 ⇒ α = 2 ………………………………………(4.11) 48 (Dasar perencanaan dan pemilihan elemen mesin, Sularso hal.18)
τ=
5,1 (2 x742670,5) 2 + (1,5 x17000) 2 3 48
τ = 0,000046 14853412 + 25500 2 τ = 0,000046 2206237886281 + 650250000 τ = 0,000046 2206888136281 τ = 0,000046 x148555,87 τ = 68,3N / mm 2
Jika τ a .Sf 2 dibandingkan dengan τ .α Maka:
70,8 x 2 > 68, x 2 ⇒ Baik ⇒ Lanjut Jadi poros diameter 48 ini meskipun dikasih lubang dengan diameter 12mm untuk pengikat rotor masih aman. 14. Perhitungan defleksi puntiran G = 8,3 x10 4 N / mm 2
41
θ = 584
Tl Gd s
4
......................................................................................(4.12)
(Dasar perencanaan dan pemilihan elemen mesin, Sularso hal.18)
θ = 584
17000 x1300 83000 x 48 4
θ = 584
22100000 83000 x5308416
θ = 584
22100000 440598528000
θ=
12906400000 440598528000
θ = 0,030
15. 0,030 < 0,25 0 ⇒ Baik ⇒ Lanjut Jadi defleksi puntiran pada poros diameter 50mm ini adalah 0.03o jadi aman digunakan. 16. Perhitungan defleksi maksimum. Rumus yang digunakan untuk menghitung defleksi maksimim adalah sbb: 2
y = 3,23 x10
−4
Fl1 l 2 4
ds l
2
........................................................................(4.13)
(Dasar perencanaan dan pemilihan elemen mesin, Sularso hal.19)
42
y = 3,23 x10 − 4
1560 + 468,3 x85 2 x715 2 48 4 x1300
y = 3,23 x10 − 4
2028,3 x7225 x511225 5308416 x1300
y = 3,23x10 − 4
7491730147687,5 6900940800
y=
2419828837,7 6900940800
y = 0,35 17. 0,35=0,35 ⇒ Baik ⇒ Lanjut 18. Berat benda yang berputar W1 = 1560 N W2 = 468,3 N Berat poros: Ws =
ρπr 2 t 1000000
....................................................................................(4.14)
Ws =
7,86 x3,14 x 24 x 24 x1300 1000000
Ws =
18480683,52 1000000
W3 = 18,48kg ⇒ 184,8 N Setengah dari berat poros dianggap bekerja di tengah poros sebagai berat terpusat. 19. Kecepatan kritis dari masing – masing benda yang berputar.
43
2
d N c = 52700 s l1 .l 2
l ......................................................................(4.15) W
(Dasar perencanaan dan pemilihan elemen mesin, Sularso hal.19)
N c1 = 52700
N c1 =
48 2 500 85 x655 1560
121420800 0,32 55675
N c1 = 2180,89 x0,57 N c1 = 1243,1rpm
N c 2 = 52700
N c2 =
48 2 500 85 x655 468,3
121420800 1,07 55675
N c 2 = 2180,89 x1,07 N c 2 = 2333,56rpm
N c 3 = 52700
N c3 =
48 2 500 85 x655 92,4
121420800 5,4 55675
N c 3 = 2180,89 x 2,3 N c 3 = 5016,04rpm
44
20. Putaran kritis sistem N co (rpm)
1 1 1 1 = 2 + 2 + 2 + ... . 2 N c 0 N c1 N c 2 N c 3
.............................................(4.16)
(Dasar perencanaan dan pemilihan elemen mesin, Sularso hal.19) 1 1 1 1 = + + 2 2 2 2333,56 5016,04 2 N c 0 1243,1 1 1 1 1 = + + 2 N co 1545297,61 3111942,274 25160657,28 1 = 0,000000647 + 0.000000321 + 0,000000039 N co2 1 = 10 −6 x(0,647 + 0,321 + 0,039) N c20 1 = 10 −6 x1,007 2 N c0 N co =
1 10 x1,007 −6
N c20 = 993048,66 N c 0 = 993048,66 N c 0 = 996,5rpm
21.
20 = 0,02 996,5 0,02 < (0,6 – 0,7) ⇒ Baik ⇒ Selesai
22. Jadi bahan poros yang digunakan VCN dan diameter porosnya 48mm.
45
BAB V PENUTUP
5.1
Kesimpulan Dari hasil perhitungan yang ada dalam laporan tugas akhir ini maka dapat diambil kesimpulan yang merupakan innti dari seluruh laporan tugas akhir ini adalah: 1. Matrial untuk bahan poros kincir angin sumbu horizontal ini adalah matrial VCN 2. Dari hasil perhitungan didapatikan daya pada kincir angin sumbu horizontal ini 255,9 Watt 3. Dari hasil perhitungan dengan menggunakan daya 255,9 watt ini maka didapatkan diameter poros sebesar 48 mm
5.2
Saran 1. Diperlukan data dan referensi yang lengkap dalam perancangan poros sehingga mendapatkan hasil yang maksimal. 2. Dalam merancangan poros maka diperlukan pengetahuan tentang ilmu bahan.
46
DAFTAR PUSTAKA
•
Daryanto, ”Dasar – dasar teknik mesin”, Dineka capta 2007
•
Gera & Timanshenko H. J. Waspakrik, “Mekanika bahan edisi ke dua versi SI”, Erlangga 1987
•
Soemono, ”Statika 1”, ITB 1983
•
Suharto, ”Konstruksi sambungan tegar”, Jambalan 1986
•
Sularso, ”Dasar – dasar perencanaan dan pemilihan elemen mesin” Pradnya paramita 1978
•
Tata Surdia, “Pengetahuan bahn teknik”, Pradnya Paramita 2005
LAMPIRAN 1
Tabel 1. Baja karbon untuk konstruksi mesin dan baja batang yang difinis dingin untuk poros. Kekuatan tarik Standart dan macam
Lambang
Perlakuan panas
Baja karbon konstruksi mesin (JIS G 4501)
S30C S35C S40C S45C S50C S55C
Penormalan Penormalan Penormalan Penormalan Penormalan Penormalan
48 52 55 58 62 66
Batang baja yang difinis dingin
S35C-D S45C-D S55C-D
-
53 60 72
σ =
F (Kg/mm2) A
Keterangan
Ditarik dingin, di gerinda di bubut, atau gabungan antara hal – hal tersebut.
(Dasar perencanaan dan pemilihan elemen mesin Sularso hal.3)
Tabel 2. bahan poros untuk kendaraan rel Kelas Kelas 1 Kelas 2 Kelas 3 Kelas 4
Lambang A B A B A B
SFA 55A SFA 55B SFA 60A SFA 60B SFA 65A SFA 65B
A
SFAQA
Pemakaian utama Poros pengikut Gandar yang digerakan dan poros pengikut
Perlakuan panas Penormalan atau celup dingin dan pelunakan Celup dingin dan pelunakan Celup dingin dan pelunakan pada bagian tertentu
Batas mulur (kg/mm2)
Kekuatan tarik (KG/mm2)
28
55
30
60
35
65
30
60
Catatan; A = 0.035 %
P atau kurang
B = 0.045 %
P atau kurang
0.04 %
S atau kurang
0.045 %
S atau kurang
(Dasar perencanaan dan pemilihan elemen mesin Sularso hal.4)
LAMPIRAN 2 Tabel 3. Baja paduan untuk poros Kekuatan tarik Standart dan macam - macam
Baja khrom nikel (JIS G 4102)
Baja khrom nikel molibden (JIS G 4103)
Baja khrom (JIS G 4104)
Baja khrom molibden (JIS G 4105)
F (kg/mm2) A
Lambang
Perlakuan panas
SNC 2 SNC 3 SNC 21 SNC 22 SNCM 1 SNCM 2 SNCM 7 SNCM 8 SNCM 22 SNCM 23 SNCM 25 SCr 3 SCr 4 SCr 5 SCr 21 SCr 22
Pengerasan kulit Pengerasan kulit Pengerasan kulit Pengerasan kulit Pengerasan kulit Pengerasan kulit Pengerasan kulit
85 95 80 100 85 95 100 105 90 100 120 90 95 100 80 85
SCM 2 SCM 3 SCM 4 SCM 5 SCM 21 SCM 22 SCM 23
Pengerasan kulit Pengerasan kulit Pengerasan kulit
85 95 100 105 85 95 100
σ =
(Dasar perencanaan dan pemilihan elemen mesin Sularso hal.3)
