TUGAS AKHIR
STUDI DESAIN DAN SIMULASI KEKUATAN PISAU DALAM ALAT PENGUPAS SABUT KELAPA SISTEM MEKANIS
Disusun Untuk Memenuhi Syarat Gelar Sarjana Teknik S-1 Teknik Mesin Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta
Disusun oleh : MUH. FAJAR NUH PRATAMA NIM : D.200.090.105
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA 2015
i
ii
iii
iv
v
MOTTO
“Wasta’inuu bissobri wassholaati” (Dan mintalah pertolongan dengan sabar dan sholat : Al-Baqarah, 45) “Khoirunnasi Anfa’ahum Linnasii” (Sebaik – baik manusia adalah yang memberi manfaat bagi orang/pihak lain) The only way to do great work is to love what you do (Steve Jobs) Kindness is not act. It’s a lifestyle (Anthony Douglas) Without patience, I could never have successes (Dr. Jane Goodall) Brain like Germany, Spirit like Japan and Soul like Makah Vision without execution is a daydream, & execution without vision is a nightmare Great people talk about big thing, medium people talk about simple thing Small people talk about other thing Sukses itu 98% dibentuk oleh kegagalan dan kesalahan (Soichiro Honda) Cobalah untuk tidak menjadi seorang yang SUKSES, tapi coba jadilah seorang yang BERNILAI (Albert Einstein)
Orang yang tak pernah melakukan kesalahan adalah orang yang tak pernah mencoba sesuatu yang baru (Albert Einstein)
vi
HALAMAN PERSEMBAHAN
Dengan menyebut nama Allah yang Maha Pengasih dan Maha Penyayang. Segenap perjuangan tanpa lelah melewati berbagai ujian yang diiringi doa kepada-Nya. Berlandaskan kesabaran dan ikhlas dalam menunaikan setiap kewajiban. Hingga wujud rasa syukur yang tercurah atas rahmat dan karunia-Nya. Tugas Akhir ini saya persembahkan kepada : 1. Bapak dan Ibu, yang dengan penuh kasih sayang, kesabaran, keikhlasan dan pengorbanannya dalam mendidik dan memberikan nasehat, motivasi dan bimbingan yang tiada kira serta mendo’akan setiap saat. 2. Recognition And Mentoring Program Institut Pertanian Bogor (RAMP IPB) yang
sudah
memberikan
pelatihan
dan
fasilitas
pendanaan
dalam
penyusunan tugas akhir ini. 3. Rekan-rekan Teknik Mesin UMS dari berbagai angkatan yang selalu memberi semangat dan selalu menemani perjalanan dalam menuyusun Tugas Akhir ini. 4. Jurusan Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta sebagai tempat menggali ilmu, wawasan, pengalaman, mengembangkan ide yang akan selalu menjadi alamamater dan kebanggaan. 5. Sahabat-sahabat (KMTM UMS periode 2010 & 2011, IMM FT UMS periode 2010-2011 & 2011-2012, BEMT FT UMS masa bhakti 2012) yang selalu memberi motivasi dan dukungan baik secara de facto maupun de jure. 6. Rekan-rekan KMI PIT UMS dan Tim Bayu Surya UMS sebagai tempat berkreasi dalam mengembangkan kreativitas dan kompetensi. 7. Pihak-pihak lain yang telah membantu saya selama ini baik dalam hal akademis, organisasi, project, perlombaan dan lainnya.
vii
KATA PENGANTAR
Segala puji dan syukur atas kehadirat Allah SWT. yang telah memberi segala rahmat dan karunia- Nya, sehingga pada kesempatan ini penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir dengan baik. Sholawat dan Salam semoga tercurah kepada Rosul Muhammad SAW. beserta pada sahabat, keluarga dan umat muslim, dan semoga kita memperoleh syafa’at di Hari Akhir kelak. Tugas Akhir ini disusun sebagai syarat memperoleh gelar Sarjana Teknik S-1 Teknik Mesin di Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta. Dalam penyusunannya, penulis banyak mendapat arahan dari berbagai pihak. Maka pada kesempatan ini, penulis bermaksud menyampaikan ucapan terima kasih kepada : 1.
Bapak dan ibu penulis, yang dengan ikhlas dan tanpa lelah memberi nasehat, arahan, bimbingan, motivasi dan memanjatkan do’a agar penulis diberi kemudahan dan kelancaran menyusun Tugas Akhir.
2.
Bapak Dr. M. Faiz Syuaib, Bapak Dr. Wawan Hermawan, dan Bapak Ir. Agus Sutedjo, M.Si., selaku tim dan dosen pembimbing Pre-Mentoring Program dari Recognition And Mentoring Program Insitut Pertanian Bogor (RAMP IPB) yang sudah memberikan pelatihan intensive dan fasilitas pendanaan.
3.
Bapak Ir. Sri Sunarjono, MT., Ph.D., selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.
4.
Bapak Tri Widodo Besar Riyadi, ST., M.Sc., Ph.D., selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta sekaligus Dosen Pemimbing 1 yang selalu memberikan arahan, bimbingan dan motivasi dalam menyusun Tugas Akhir.
viii
5.
Bapak Nur Aklis, ST., M.Eng., selaku Dosen Pembimbing II yang telah meluangkan waktunya untuk memberikan bimbingan dan arahannya.
6.
Bapak Dr. Supriyono, selaku Pembimbing Akademik yang telah memberikan nasehat dan arahan akademis selama ini.
7.
Segenap dosen dan karyawan Jurusan Teknik Mesin UMS beserta Staf Tata Usaha Fakultas Teknik UMS yang sudah memfasilitasi dalam kelancaran penyusunan Tugas Akhir.
8.
Rekan-rekan Teknik Mesin UMS dari berbagai angkatan yang sudah banyak membantu dan mendukung baik dalam kegiatan akademis maupun non akademis selama di Universitas Muhammadiyah Surakarta.
9.
Rekan-rekan seperjuangan KMTM UMS periode 2010 & 2011, IMM FT UMS periode 2010-2011 & 2011-2012, BEM FT UMS masa bhakti 2012, atas motivasi dan semangatnya baik secara struktural maupun kultural.
10. Rekan-rekan KMI PIT UMS dan Tim Bayu Surya UMS atas perjuangan dan kerja kerasnya membantu penulis mewujudkan impiannya. Banyaknya kekurangan dalam penyusunan Tugas Akhir ini, penulis memohon maaf dan senantiasa mengharap kritik dan saran positif kedepannya. Semoga Tugas Akhir ini dapat memberi manfaat bagi berbagai pihak termasuk bagi penulis sendiri. Amin Jazzakumullah Khairan Katsiran
Surakarta, 02 Februari 2015
Penulis
ix
STUDY OF DESIGN AND SIMULATION OF KNIFE’S STRENGTH ON COCONUT HUSK PEELER WITH MECHANICAL SYSTEMS Muh. Fajar Nuh Pratama, Tri Widodo Besar R., Nur Aklis Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Muhammadiyah University of Surakarta A. Yani street Tromol Pos 1 Pabelan Kartasura Sukoharjo 57102 Phone. (0271) 717417 email:
[email protected]
ABSTRACT This research aims to determine the characteristics of the peeler knife at coco mechanical systems include stripping force, knife design, stripping force analysis, the value of the stress and the value of deflection (displacement) through the Finite Element Method (FEM). The knife material has been middle (MS) and cast iron (CI). The research method consists of tensile test specimens to determine the material properties and subsequently incorporated into the Solidwork Premium SimulationXpress 2012 program. Variations include a contact angle of 30° and 45° vertical and horizontal directions, and variations of stripping angle 10°, 20°, 30°, 40° and 50°. The results showed higher vertical stripping force, the higher the stripping force horizontal. And the higher stress value and the vertical deflection, the lower the stress and the horizontal deflection. While the stress value and the vertical deflection occurs difference fluctuated against stripping corner. And horizontal stress and strain values decline as rising stripping corner. Style stripping knife (Fcmax) 114 N vertical direction and 132.5 N horizontal direction. In the vertical direction, the highest stress of 10.196 MPa (CI45°) and the lowest was 9.429 MPa (MS30°), the highest deflection 0.0321 mm (MS30°) and the lowest 0.0259 mm (CI30°). The highest stress 5.158 MPa at stripping angle of 50° (MS30 °) and the lowest was 3.215 MPa at stripping angle of 20° (MS30° and CI45 °), the highest deflection stripping 0.0255 mm at an angle of 50 ° (MS30 °) and the lowest at 0.0076 mm stripping angle of 10° (CI30°). In the horizontal direction, the highest stress of 24.365 MPa (MS30°) and the lowest was 24.138 MPa (CI45°), the highest deflection 0.1281 mm (MS45°) and the lowest is 0,103 mm (CI30°). The highest stress 12.806 10 MPa at stripping corner ° (CI30°) and the lowest was 6.824 MPa at stripping angle of 50° (MS30°), the highest deflection stripping 0.0882 mm at an angle of 10° (MS30° and MS45°) and lowest stripping 0.0709 mm at an angle of 50° (CI30° and CI45°). Keyword : paring knife, tensile testing, finite element method
x
STUDI DESAIN DAN SIMULASI KEKUATAN PISAU DALAM ALAT PENGUPAS SABUT KELAPA SISTEM MEKANIS Muh. Fajar Nuh Pratama, Tri Widodo Besar Riyadi, Nur Aklis Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta Jl. A. Yani Tromol Pos 1 Pabelan Kartasura Sukoharjo 57102 telp. (0271) 717417 Email :
[email protected]
ABSTRAK Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui karakteristik pisau pengupas pada alat pengupas sabut kelapa sistem mekanis meliputi gaya pengupasan kelapa, desain pisau, analisa gaya pengupasan, nilai tegangan (stress) dan nilai defleksi (displacement) melalui Finite Element Methode (FEM). Material pisau dipilih middle steel (MS) dan cast iron (CI). Metode penelitian terdiri dari pengujian tarik spesimen untuk mengetahui property material dan selanjutnya dimasukkan ke SimulationXpress pada program Solidwork Premium 2012. Variasi meliputi sudut kontak 30° dan 45° arah vertikal dan horizontal, dan variasi sudut pengupasan 10°, 20°, 30°, 40° dan 50°. Hasil penelitian menunjukkan semakin tinggi gaya pengupasan vertikal, semakin tinggi pula gaya pengupasan horizontal. Dan semakin tinggi nilai tegangan dan defleksi vertikal, maka semakin rendah nilai tegangan dan defleksi horizontal. Sedangkan nilai tegangan dan defleksi vertikal terjadi perbedaan fluktuatif terhadap sudut pengupasan. Dan nilai tegangan dan defleksi horizontal terjadi penurunan seiring naiknya sudut pengupasan. Gaya pengupasan pisau (Fcmax) 114 N arah vertikal dan 132,5 N arah horizontal. Pada arah vertikal, tegangan tertinggi 10,196 MPa (CI45°) dan terendah 9,429 MPa (MS30°, defleksi tertinggi 0,0321 mm (MS30°) dan terendah 0,0259 mm (CI30°). Tegangan tertinggi 5,158 MPa pada sudut pengupasan 50° (MS30°) dan terendah 3,215 MPa pada sudut pengupasan 20° (MS30° dan CI45°), defleksi tertinggi 0,0255 mm pada sudut pengupasan 50° (MS30°) dan terendah 0,0076 mm pada sudut pengupasan 10° (CI30°). Pada arah horizontal, tegangan tertinggi 24,365 MPa (MS30°) dan terendah 24,138 MPa (CI45°), defleksi tertinggi 0,1281 mm (MS45°) dan terendah 0,103 mm (CI30°). Tegangan tertinggi 12,806 MPa pada sudut pengupasan 10° (CI30°) dan terendah 6,824 MPa pada sudut pengupasan 50° (MS30°), defleksi tertinggi 0,0882 mm pada sudut pengupasan 10° (MS30° dan MS45°) dan terendah 0,0709 mm pada sudut pengupasan 50° (CI30° dan CI45°). Dari seluruh analisa di atas, dipilih pisau dengan material CI45°). Kata kunci: pisau pengupas, pengujian tarik, finite element metode
xi
DAFTAR ISI
Halaman Judul ……………………………………………………………..
i
Pernyataan Keaslian Skripsi …………………….……………………….
ii
Halaman Persetujuan ……………………………………………………..
iii
Halaman Pengesahan ………………………………………………….....
iv
Lembar Soal Tugas Akhir ………………………………………………...
v
Halaman Motto ……………………………………………………………..
vi
Halaman Persembahan ………………………………………………......
vii
Kata Pengantar ………………………………………………………….....
viii
Abstraksi …………………………………………………………………....
x
Daftar Isi …………………………………………………………………....
xii
Daftar Gambar ……………………………………………………………..
xv
Daftar Tabel ………………………………………………………….......... xviii
BAB I
PENDAHULUAN ………………………………………………....
1
1.1 Latar Belakang ……………………………………………..
1
1.2 Tujuan Penelitian …………………………………………..
3
1.3 Manfaat Penelitian …………………………………………
3
1.4 Rumusan Masalah ………………………………………....
4
1.5 Batasan Masalah …………………………………………..
5
1.6 Sistematika Penulisan ……………………………………..
5
xii
BAB II TINJAUAN PUSTAKA …………………………………………..
8
2.1 Studi Literatur ………………………………………………
8
2.2 Landasan Teori …………………………………………….
10
2.2.1 Buah Kelapa ………………………………………..
10
2.2.2 Alat Pengupas Sabut Kelapa ……………………..
12
2.2.3 Material Baja (Steel) ……………………………….
16
2.2.4 Material Besi Cor (Cast Iron) ……………………..
23
2.2.5 Analisa Gaya Pengupasan Sabut Kelapa ……...
34
2.2.6 Teknik Pengujian Pisau ………………………….
35
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
38
3.1 Rancangan Penelitian ……………………………………
38
3.2 Jenis dan Fokus Penelitian ……………………………..
39
3.3 Lokasi Penelitian ………………………………………….
39
3.3.1. Kampus IPB ………………………………………..
39
3.3.2. Laboratorium Teknik Mesin UMS ………………
39
3.4 Eksperimen Analisa Gaya Pengupasan ………………
40
3.4.1. Bahan Eksperimen ……………………………….
40
3.4.2. Peralatan Eksperimen ……………………………
40
3.4.3. Metode Eksperimen ………………………………
41
3.4.4. Analisa Data Eksperimen ………………………..
42
3.5 Perancangan Alat …………………………………………
43
3.5.1. Desain Alat ………………………………………...
43
xiii
3.5.2. Keterangan Alat …………………………………… 3.6 Pemilihan Material Pisau dan Pengujian ………………
44 45
3.6.1. Material ……………………………………………...
45
3.6.2. Pembuatan Spesimen dan Pengujian ………….
46
3.7 Desain dan Pembuatan Pisau …………………………...
48
3.8 Finite Element Analysis (FEA) ……………………………
48
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN …………………………………….
53
4.1 Analisa Gaya Pengupasan Sabut Kelapa ……………...
53
4.2 Pengujian Tarik Spesimen ……………………………….
56
4.2.1. Data Spesimen …………………………………….
56
4.2.2. Analisa Hasil Pengujian ………………………….
57
4.3 Analisa Finite Element …………………………………….
58
4.3.1. Indexing Cutter Middle Steel (MS) ………………
58
4.3.2. Indexing Cutter Iron (CI) …………………………..
60
4.3.3. Perbandingan Indexing Cutter …………………..
62
BAB V PENUTUP ………………………………………………………...
70
5.1 Kesimpulan …………………………………………………
70
5.2 Saran ………………………………………………………..
71
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
xiv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1.
Buah kelapa dan bagiannya ………………………….
11
Gambar 2.2.
Sabut kelapa dan debu kelapa ……………………….
11
Gambar 2.3.
CoCoMan Cococnut Processing Machines …………
12
Gambar 2.4.
Pencekam bawah ………………………………………
14
Gambar 2.5.
Enam pisau pengupas bagian atas …………………
14
Gambar 2.6.
Prinsip kerja Coconut Processing Machines ………..
15
Gambar 2.7.
Hasil pengupasan (a) Tempurung kelapa (b) sabut ..
15
Gambar 2.8.
Struktur fasa baja karbon ……………………………...
18
Gambar 2.9.
Struktur mikro baja paduan ……………………………
19
Gambar 2.10.
Struktur mikro baja karbon rendah …………………..
21
Gambar 2.11.
Struktur mikro baja karbon sedang ………………….
22
Gambar 2.12.
Struktur mikro baja karbon tinggi …………………….
23
Gambar 2.13.
Diagram fasa besi - karbon (Fe-C) …………………..
24
Gambar 2.14.
(a) Struktur BCC, (b) struktur kristal ferrite ………….
26
Gambar 2.15.
(a) Struktur FCC, (b) struktur kristal austenite ……...
27
Gambar 2.16.
Struktur kristal cementite ……………………………...
28
Gambar 2.17.
Struktur besi cor kelabu pada perbesaran 200x …..
30
Gambar 2.18.
Struktur mikro besi cor putih …………………………
31
Gambar 2.19.
Struktur mikro besi cor nodular ……………………..
32
Gambar 2.20.
Struktur mikro besi cor mampu tempa ………………
33
Gambar 2.21.
Dimensi specimen uji tarik ……………………………
35
xv
Gambar 2.22.
Pengujian Finite Element Method …………………….
37
Gambar 3.1.
Diagram alir penelitian ………………………………..
38
Gambar 3.2.
(a) Kelapa tua (b) kelapa setengah tua ……………..
40
Gambar 3.3.
Peralatan ………………………………………………..
40
Gambar 3.4.
Tahapan analisa gaya pengupasan kelapa ………
42
Gambar 3.5.
Desain alat pengupasa sabut kelapa ……………….
43
Gambar 3.6.
Desain alat (a) mode 3D, (b) mode 2D ……………..
45
Gambar 3.7.
Dimensi benda pengujian tarik ................................
46
Gambar 3.8.
Specimen uji ……………………………………………
47
Gambar 3.9.
Mesin uji tarik UTM (Universal Testing Machine) .....
47
Gambar 3.10.
Desain pisau (a) Sudut 30° & (b) Sudut 45° ………..
48
Gambar 3.11.
SimulationXpress Analysis Wizard Icon ……………..
49
Gambar 3.12.
SimulationXpress SolidWork Premium 2012 ……….
49
Gambar 3.13.
Penentuan letak fixture ……………………………….
50
Gambar 3.14.
Pemberian load pada mata pisau …………………..
50
Gambar 3.15.
Tampilan katalog material ……………………………
51
Gambar 3.16.
(a) Stress, (b) displacement …………………………..
52
Gambar 4.1.
Grafik hubungan arah gaya pengupasan dan sudut
56
kontak ……………………………………………
58
Gambar 4.2.
Spesimen uji tarik standar ASTM D 638-02 tipe 01.
58
Gambar 4.3.
V-stress analysis (a) MS 30°, (b) MS 45° ………......
59
Gambar 4.4.
V-displacement analysis (a) MS 30°, (b) MS 45° ….
59
Gambar 4.5.
H-stress analysis (a) MS 30°, (b) MS 45° …………..
60
xvi
Gambar 4.6.
H-displacement analysis (a) MS 30°, (b) MS 45° ….
60
Gambar 4.7.
V-Stress analysis (a) CI 30°, (b) CI 45° ……………..
61
Gambar 4.8.
V-displacement analysis (a) CI 30°, (b) CI 45° ……..
61
Gambar 4.9.
H-stress analysis (a) CI 30°, (b) CI 45° ……………..
Gambar 4.10.
H-displacement analysis (a) CI 30°, (b) CI 45° …….
Gambar 4.11.
Grafik perbandingan tegangan dengan variasi sudut kontak ……………………………………………………
Gambar 4.12.
56
62
Grafik perbandingan defleksi dengan variasi sudut kontak ……………………………………………………
63
Gambar 4.13.
Grafik perbandingan nilai tegangan arah vertikal …..
64
Gambar 4.14.
Grafik perbandingan nilai defleksi arah vertikal …..
66
Gambar 4.15.
Grafik perbandingan nilai tegangan arah horizontal ..
67
Gambar 4.16.
Grafik perbandingan nilai defleksi arah horizontal .
69
xvii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1.
Komposisi kandungan besi cor ………………………
24
Tabel 2.2.
Klasifikasi patahan, struktur mikro bes cor …………
25
Tabel 2.3.
Komposisi kimia besi cor kelabu (ASM vol. 1, 2005)
29
Tabel 2.4.
Sifat mekanis besi cor kelabu (ASM vol. 1, 2005) ….
29
Tabel 4.1.
Spesifikasi kelapa ………………………………………
53
Tabel 4.2.
Data spesimen berdasarkan laporan hasil pengujian
56
Tabel 4.3.
Perbandingan nilai tegangan arah vertikal …………..
64
Tabel 4.4.
Perbandingan nilai defleksi pada arah vertikal ……...
65
Tabel 4.5.
Perbandingan nilai tegangan pada arah horizontal ...
67
Tabel 4.6.
Perbandingan nilai defleksi pada arah horizontal ….
68
xviii
