123317851 PAPER SEMINAR NASIONAL ILYAS RENRENG pdf
Optimalisasi Peran Teknik Mesin Dalam
Meningkatkan Ketahanan Energi
Ketua Peyunting
Dr.Eng. Yudy Surya I,ST.,M.Eng.
Sekretaris Penyunting
Dr. Slamet Wahyudi, ST.,MT.
Penelaah Ahli
Prof. Dr. Ir Pratikto, MMT (Universitas Brawijaya Malang) Prof. Ir. ING Wardhana, M.Eng., Ph.D.(Universitas Brawijaya Malang) Dr.Eng. Anggit Murdani, ST.,M.Eng. (POLINEMA) Dr.Eng. Budi Prawara,ST.,M.Eng. (LIPI-TELIMEK)
Penyunting Pelaksana
Francisca Gayuh Utami D, ST., MT.
Tata Letak
Fikrul Akbar Alamsyah, ST Dodik & Very
Cetak dan Distribusi
Totok S.
Penanggung Jawab
Ketua Jurusan Mesin Fakultas Teknik Universitas Brawijaya Malang
Perancang Sampul
Dodik & Very
Penerbit
Jurusan Mesin Fakultas Teknik Universitas Brawijaya Malang Jl. MT. Haryono 167 Malang 65145 Telp./Fax. +62-341-554291 Email: [email protected]
The statements and opinion expressed in the papers are those of the authors themselves and not necessarily reflect the opinion of the editors and organizers. Any mention of company or trade name does not imply endorsement by organizers.
ISB N: 978 – 602 – 19028 – 0 – 6
Copyright © 2011, Departement Mechanical of Engineering Faculty, Brawijaya University of Malang
KATA PENGANTAR
Dengan mengucap syukur alhamdulillah ke hadirat Allah Yang Esa yang tiada tuhan selain-Nya, kami selaku Panitia Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin X Tahun 2011 Jurusan Mesin Fakultas Teknik Universitas Brawijaya Malang dapat menyelesaikan prosiding abstrak ini.
Cinta Kasih-Nya yang tak terhingga mendorong kami untuk semangat dalam kegiatan belajar mengajar yang tak pernah putus sampai masuk liang lahat, khususnya dalam hal ini ilmu-Nya yang kita tekuni bersama yaitu rekayasa keteknikan.
Prosiding ini diharapkan mampu menampung para peneliti, praktisi, pemerintah dan mahasiswa untuk mengkomunikasikan hasil-hasil penelitiannya. Prosiding ini juga merupakan sebuah wujud tanggung jawab bidang teknik mesin dalam menyumbangkan pemikiran, ide dan hasil penelitian sehingga mampu diaplikasikan ke masyarakat dan guna mendukung ketahanan energy di Indonesia.
Bertolak dari hal tersebut maka Jurusan Mesin Fakultas Teknik Universitas Brawijaya Malang menggelar event akademik Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin X Tahun 2011 yang bertajuk:
“Optimalisasi Peran Teknik Mesin dalam Meningkatkan Ketahanan Energi”
Diharapkan dengan adanya seminar nasional ini, para akademisi pemerintah peneliti dan atau praktisi dapat menambah wawasan mereka serta menerapkan pengetahuannya tersebut dalam dunia engineering untuk mengoptimalkan ketahanan energi nasional. Selanjutnya akan terbina suasana akademis yang nantinya dapat dikembangkan menjadi wujud kongkrit di masyarakat pada umunya. Semoga Allah Yang Maha Pengampun meridhoi jerih payah kita semua. Amien.
Malang, 1 Nopember 2011
PANITIA SNTTM X
Analisa Performa Alat Pengering Kopra dengan Sistem Rak Bertingkat Made Sucipta , I Gusti Agung Kade Suriadi, Ketut Wiradana .................................................... 1529
Dampak Perubahan Putaran Dan Sudut Cetakan Pengecoran Sentrifugal Terhadap Densitas, Distribusi Ketebalan, Distribusi Kekerasan Dan Cacat Coran Aluminium Paduan Sugiarto, Tjuk Oerbandono, Jamasri, M. Waziz Wildan ........................................................ 1535
Analisa Distribusi Tegangan Eccentric Shaft Stone Crusher Dengan Software Ansys
Ilyas Renreng
JurusanTeknikMesinFakultas TeknikUniversitasHasanuddin
JlPerintisKemerdekaan Km. 10 Makassar 90245, Indonesia
Abstract
Analysis ofstress distributionon thestonecrushereccentricshaftsaimedtodetermine the effect ofstresson theeccentricshaftmaterial failure. Onthis topic, the caseis afracture ofthe rockbreaking machineshaft(eccentric shaft) owned by PT. BumiKarsaMakassarprocessesthat resulted incessation ofengine work. Himthatthis research aimsto calculatethe magnitude and locationof criticalstressoccurring along theeccentricshaftsectionanalyzedthe causes offailureKemudiaan. The process ofcalculation andanalysisis doneanalyticallywith thehelp of software-based Ansysfinite
thenanalyzedwith the theory ofVonMisesfailureorMaximum-Distortion-Energy-Criterion. This was chosenbecause theVonMisestheoryis moreaccurate thanothertheoriesin predictingductileyieldingcaused by theloadingcombination.The results obtained, the magnitude of critical stress18.9MPaandlocated on theladderpivot(node 58)exactly inthe brokenand the cause ofthe failure ofeccentricshaftsdue tothe accumulation ofseveralfactors(fatigue, crack, shock loadsand over-load).
Keywords: StoneCrusher, Stress, EccentricShaft
1. PENDAHULUAN
ini tidak dapat beroperasi dan di indikasikan bahwa Eccentric shaft atau poros eksentrik adalah salah
penyebab patahnya poros tersebut diakibatkan karena satu jenis poros yang berfungsi untuk memindahkan
lelah sehingga material gagal. Kasus ini menarik daya dari mesin ke mekanisme lainnya, khusus pada
penulis untuk dilakukan penelitian penyebab stone crursher , eccentric shaft berfungi sebagai poros
kegagalan poros tersebut, apakah disebabkan karena transmisi, yang mentransmisi gerak rotasi dari motor
kelelahan atau karena adanya pembebanan yang listrik ke moving jaw melalui pully dan v-belt,
terlalu tinggi, sehingga perlu dilakukan analisa sehingga menghasilkan gerak stasioner pada moving
distribusi tegangan dan letak tegangan kritis yang jaw yang kemudian gerak ini digunakan sebagai
terjadi pada poros tersebut, selain untuk memastikan penghasil gaya untuk memecahkan batu.
sebab kepatahan juga sebagai sarana mendapatkan Layaknya poros, maka eccentric shaft ini
informasi secara dini agar dapat dilakukan langkah- mengalami beben puntir (twisting moment), dan
langkah preventif untuk mencegah kegagalan atau lentur (bending moment) ataupun kombinasi antara
kerusakan poros di masa mendatang. keduanya, kelelahan, tumbukan dan pengaruh
Untuk mengetahui besar dan letak tegangan- konsentrasi tegangan bila diameter poros diperkecil
tegangan kritis yang terjadi maka harus diketahui atau bila poros memiliki alur pasak. Beban-beban ini
jenis benda yang dianalisa, baik itu dimensi, ukuran tentunya akan mempengaruhi usia poros. Sehingga
maupun material benda. Selanjutnya untuk dalam merencanakan poros harus cukup kuat
perhitungan tegangan digunakan pendekatan Metode menahan beban-beban di atas.
Elemen Hingga, sedangkan program bantu untuk Berkaitan dengan permasalahan poros, penulis
proses analisa digunakan software ANSYS. Adapun menemukan sebuah kasus pada poros eksentrik mesin
kelebihan dalam menganalisa komponen dengan pemecah batu (eccentric shaftstone crusher) milik
menggunakan software adalah dapat menampilkan PT. Bumi Karsa Makassar, dimana poros tersebut
kondisi riil yang dialami komponen tersebut. mengalami kegagalan atau patah sehingga alat berat
1.1. Tujuan Adapun tujuan dari penelitian ini adalah untuk :
a. Menghitung besar
kritis/konsentrasi tegangan yang terjadi pada Eccentric Shaft Stone Crusher.
b. Membandingkan hasil analisa akan besar dan letak tegangan kritis dengan kondisi riil perpatahan di lapangan.
c. Mendapatkan penyebab kegagalan pada Eccentric Shaft dan memberikan rekomendasi tindakan prerventif untuk mencegah kegagalan serupa di masa depan.
1.2.Batasan Masalah Gambar 1.Stone Crusher PE-400 x 600 Mengingat luasnya materi permasalahan, dan agar
Sumber :www.directindustry.com/prod/shan...512.html menganalisa permasalahan dapat terlaksana dengan
Penggunaan mesin pemecah batu jenis jaw baik, lancar, terarah, serta sesuai dengan tujuan, maka
crusher seperti yang terlihat pada gambar di atas, dalam kasus ini akan ditetapkan beberapa batasan
banyak digunakan di masyarakat dan home industri, penelitian, antara lain :
karena mesin ini mempunyai konstruksi yang lebih a. Obyek yang dianalisa adalah Eccentric Shaft
sederhana dibandingkan dengan mesin pemecah batu Stone Crusher tipe PE 250 x 1200.
jenis lain. Mesin ini dapat menghancurkan batu b. Analisa yang dilakukan bersifat simulasi serta
dan batu-batuan tambang dengan komponen ditinjau dari segi konstruksi.
utama seperti yang terlihat pada gambar berikut : c. Proses analisa dilakukan dengan bantuan software
berbasis Metode Elemen Hingga (software ansys).
d. Pemodelan Eccentric Shaft dilakukan dengan
softwareANSYS, dengan tinjauan dua dimensi
(2D).
e. Kondisi Pembebanan statis dan dinamis
dimodelkan dan
disimulasikan
dengan
menggunakan software ANSYS.
f. Dalam perhitungan model dan data material yang
digunakan berdasarkan survey langsung, hasil
pengujian dan hand book perusahaan.
g. Obyek yang dianalisa adalah yang dianggap
sebagai penyebab kerusakan poros (poros patah), Gambar 2. Komponen utama stone crusher sehingga ada beberapa aspek yang diabaikan.
Sumber : www.jaw-crusher.net/ Sistem kerja dari stone crusher adalah 1.3. Tinjauan Pustaka
menggunakan motor listrik sebagai kekuatan, dimana Stone crusher merupakan alat berat dengan
motor listrik memutar poros eksentrik melalui pully dan v-belt yang menyebabkan moving jaw bergerak
teknologi canggih yang diterapkan secara luas di daerah-daerah pertambangan, perusahaan semen,
secara stasioner, kemudian batu dimasukkan diantara crushing plate ( moving jaw dan fixed jaw ) yang
industri metalurgi, bahan bangunan, jalan raya, kereta api, industri kimia, dll. Alat berat
sudah diatur ukuran produksinya dengan mengatur toggle plate dan drawback rod.
ini banyak digunakan untuk menghancurkan Proses pemecahan batu terjadi dengan adanya berbagai material seperti batu gamping, granit, tekanan dan gesekan dari moving jaw terhadap batu kerikil, batu basal, kokas, batu bara, bijih mangan, seperti yang diperlihatkan gambar 3 di atas. Hal ini bijih besi, batu kapur, kuarsit, dan paduan. Gambar 1 disebabkan karena sudut toggle plate dengan memperlihatkan salah satu jenis stone crusher. drawback rod meningkat ketika moving jaw bergerak
naik, sehingga moving jaw dapat bergerak ke fixed jaw
(rahang tetap) yang pada akhirnya batu-batu itu akan hancur dalam proses ini. Sementara itu sudut antara toggle plate dengan drawback rod menjadi (rahang tetap) yang pada akhirnya batu-batu itu akan hancur dalam proses ini. Sementara itu sudut antara toggle plate dengan drawback rod menjadi
- Mengumpulkan data-data input berupa material meninggalkan fixed jaw yang pada akhirnya batu
properties yang hancur akan dikeluarkan dari stopkontak. - Melakukan pemodelan Eccentric shaft dengan menggunakan software ANSYS berdasarkan data-
2. METODE
data yang diperoleh
Penelitian ini dilaksanakan dengan metode
- Menjalankan solusi
simulasi yang berdasar pada metode elemen hingga. - Menampilkan hasil solusi dari softwareANSYS Metode elemen hingga (finite element method)
berupa distribusi tegangan pada eccentric shaft. merupakan salah satu metode aproksimasi yang
- Melakukan analisa distribusi tegangan dan evaluasi umum digunakan untuk menyelesaikan persamaan
kegagalan material eccentric shaft berdasarkan diferensial parsial atau Partial Differential Equation
hasil pemodelan
(PDE) secara numerik dalam analisis struktur.
- Menarik kesimpulan.
Dalam metode elemen hingga perlu dilakukan 2.1. Alat dan Bahan yang Digunakan prosedur deskritisasi untuk menyederhanakan
- Poros eccentric shaft, sebagai bahan yang akan penyelesaian eksak kontinu agar didapatkan suatu
dianalisa.
nilai aproksimasi
- Meteran, untuk mengukur properties eccentric sebenarnya.Prinsip dari diskretisasi pada metode
elemen hingga adalah memodelkan struktur atau - Timbangan, untuk menentukan berat beberapa komponen struktural tersebut menjadi satu kumpulan
komponen
dari elemen kecil (assemblage).Bentuk geometri tiap 2.2. Prosedur Pengambilan Data elemen dibuat sesederhana mungkin sehingga
- Mengambil data-data jenis dan bahan eccentric menjadi lebih mudah dianalisis daripada struktur
shaft yang akan diamati
aslinya.Solusi yang didapatkan merupakan suatu - Mengukur propertieseccentric shaft pendekatan, dengan hasil diskret yang dapat dianggap
- Menggambar eccentric shaft yang akan dianalisa
mewakili keadaan kontinu yang sesungguhnya.
Model yang berupa geometri struktur merupakan 3. HASIL DAN PEMBAHASAN model konfiguratif. Setelah mengalami proses
Ukuran Dimensi Eccentric Shaft meshing struktur yang tadinya kontinu dipecah
Dari data-data yang diperoleh dari hasil survey, maka menjadi elemen-elemen dan node-node. Model yang 150 terdiri dari node dan elemen inilah yang disebut 130
dengan model elemen hingga (finite element 180 model). 240 Elemen-elemen hasil diskretisasi (meshing)
50 dapat berupa elemen garis, bidang maupun 235
volume.Elemen tertentu
interpolasi yang tertentu pula.Hal ini tergantung dari 150
jenis, bentuk dan jumlah node yang terdapat pada elemen tersebut. 200
50 Elemen-elemen hasil diskretisasi kemudian 180 mengalami proses assembly secara matematis 235
sehingga hasil assembly nantinya dapat mewakili bentuk geometri struktur secara keseluruhan. Setelah
dapat digambarkan ukuran-ukuran dimensi untuk prosesassembly, model diberi kondisi batas
eccentric shaft sebagai berikut : (boundary conditions) . Kondisi batas ini akan menyederhanakan persamaan-persamaan elemen hingga sehingga dapat diselesaikan. Pemberian
Gambar 3. Dimensi eccentric shaft tampak isometri kondisis batas diikuti dengan pemberian beban yang
3.1. Kondisi Pembebanan Pada Eccentric Shaft dapat berupa konstrain DOF, force load, pressure
Pembebanan statis
load, temperature load dan inertia load. Kondisi pembebanan statis merupakan analisa Dalam makalah ini, Eccentric shaft dimodelakan
beban-beban yang bekerja pada eccentric shaft dalam menjadi
keadaan diam (stone crusher tidak bekerja). Dari software bantuANSYS. Secara garis besar penulis
model elemen
hingga
dengan
hasil pengamatan langsung pada PT. Bumi Karsa melaksanakan langkah-langkah penelitian sebagai
Makassar diperoleh bahwa eccentric shaft yang berikut:
menjadi objek penelitian ditumpu oleh empat menjadi objek penelitian ditumpu oleh empat
dapat digambarkan diagram benda bebas dari bersama dengan moving jaw dan berfungsi untuk
eccentric shaft seperti terlihat pada gambar berikut: menumpu moving jaw terhadap poros dan dua bantalan lainnya berada di bagian luar yang
P menumpu poros terhadap rumah stone crusher.
W Bantalan jenis spherical roller bearing dapat
menerima beban radial dan sedikit beban aksial, sehingga dalam analisa gaya-gaya aksial dapat diabaikan, kecuali gaya aksial pada bantalan yang dekat dengan sumber putaran (pulley) gaya aksialnya tetap diperhitungkan sedangkan untuk bantalan lainnya diabaikan karena sangat kecil, sehingga
R analisa struktur ini masuk dalam kategori statik
tertentu.
W Selanjutnya berat moving jawakan menekan
eccentric shaft dengan cara tumpu (beban tumpu), dimana tekanan ini bekerja melalui bantalan sehingga beban yang diterimaeccentric shaft merupakan akumulasi beban yang diterima bantalan dari moving
W jaw dan berat bantalan itu sendiri. Beban lain yang diperhitungkan dalam analisa ini adalah berat flywheel , pulley, dan berat eccentric shaft itu sendiri.
Gambar 4.Diagram benda bebas pembebanan statis. Analisa Gaya pada Pembebanan Statis Dengan menggunkan rumus di bawah ini dapat
Selanjutnya untuk memudahkan analisa, maka dihitung berat masing-masing elemen yang
struktur di atas akan dibagi menjadi dua sub struktur, membebani poros.
maka dapat diperoleh reaksi tumpuan pada = . substruktur pertama, sebagai berikut :
Masing-masing berat dari elemen di atas dapat dihitung : Berat pulley (W1)
m = 694,4 kg W1 = m .g
W1 = 694,4 kg . 9,81 m/s 2
W2=26487 N/ m RB’ Berat moving jaw (W2) m = 2700 kg
W1 = 6812,064 N
RA’
= 13243,5 W2 = m .g
W2 = 2700 kg . 9,81 m/s 2 ′
= 13243,5 W2 = 26487 N
Berat poros (W3) Seperti yang telah dijelaskam sebelumnya bahwa m = 420 kg
“bantalan dalam” dalam analisa ini dianggap sebagai W3 = m .g
beban bersama dengan moving jaw, sehingga pada W3 = 420 kg . 9,81 m/s 2 substruktur pertama di atas reaksi yang diterima oleh
W3 = 4120,2 N masing-masing bantalan akan dijumlahkan dengan Berat flywheel (W4)
berat bantalan yang kemudian diaplikasikan sebagi m = 694,4 kg
beban pada eccentric shaft. Adapun besarnya beban W4 = m .g
ini adalah P1 dan P2 dengan besar sebagi berikut: W4 = 694,4 kg . 9,81 m/s 2 P1 = berat bantalan + RA’
W4 = 6812,064 N P2 = berat bantlan + RB’ Pada bantalan A merupakan jenis tumpuan pin
Berat bantalan = massa bantalan x gravitasi = 53,5 kg x 9,81 m/s yang dapat menahan beban radial dan aksial, 2
sementara pada bantalan B merupakan jenis tumpuan
= 524,8 N
roll yang hanya dapat menahan beban radial.
Jadi,
P1 = 524,8+ 13243,5 = 13768,3 N
P2 = 524,8 + 13243,5 = 13768,3 N Dengan demikian bentuk struktur akan menjadi = 10,69 10
seperti gambar 5.
Pembebanan Dinamis
Gaya torsi (FN)
Kondisi pembebanan dinamis merupakan gaya- Akibat dari adanya torsi ini mengakibatkan gaya yang dialami eccentric shaft saat stone crusher
terjadinya gaya torsi pada poros yang kemudian bekerja, dimana gaya-gaya tersebut terjadi karena
dinotasikan FN. FN dalam analisa ini bekerja di adanya daya dari motor yang menggerakkan poros
bagian eksentrik poros, dan gaya ini inilah yang melalui pulley dan sabuk (belt) yang selanjutnya
digunakan untuk memecah batu. mengakibatkan
FN = gaya akibat torsi
penampang poros dan beban transimisi (gaya lentur akibat transmisi) di ujung poros tempat pulley =
FNx= FN sin 15
=13037 x 0,26
= 3389,62 N
FNy= FN cos15 Gambar 5. Bentuk akhir struktur kondisi o Akibat dari adanya torsi, maka di sepanjang poros
=13037 x 0,97
terjadi gaya torsi yang mendorong moving jaw, oleh
= 12645,89 N
konstruksi poros yang eksentrik menyebabkan
moving jaw bergerak naik-turun dan maju-mundur
Beban transmisi
untuk memecahkan batu.
Dalam proses memecahkan batu tersebut eccentric shaft menerima beban tumbuk/tekan yang besarnya
= 1,5 1069/ 0,065 sama dengan besarnya gaya torsi yang dihasilkan
oleh eccentric shafttepat dibagian eksentrik (tempat
movimg jaw terpasang). Analisa ini didasarkan pada
FBx= FB sin 45 asumsi bahwa besarnya gaya torsi pada poros di
=24669,2 x 0,5 √2 bagian eksentrik akan diteruskan pada moving jaw
=17443,7 N
berupa gerak yang kemudian gaya gerak ini
digunakan untuk menekan batu sampai pecah,
FBy= FB cos 45 o
sehingga dapat diasumsikan bahwa besarnya gaya =24669,2 x 0,5 √2 maksimum yang dapat diterima poros adalah sama
=17443,7 N
dengan gaya torsi yang dihasilkan poros
(aksi=reaksi). 4. KESIMPULAN Analisa Gaya pada Pembebanan Dinamis Besarnya tegangan kritis yang terjadi pada
Besarnya torsi (T) Eccentric shaft adalah 18,9 MPa dan terletak pada Daya (P) = 37 kW
bagian tangga poros (node 58 )tepatnya dibagian Putaran (n) = 330 rpm
yang patah .
Kondisi perpatahan Eccentric shaft di lapangan = 9,74 10
sudah sesuai dengan letak tegangan kritisnya, dimana 37 pada kondisi riil eccentric shaft mengalami
= 9,74 10 330 perpatahan di bagian tangga poros yang letaknya sama dengan letak tegangan kritisnya. = 1,09 10
Berdasarkan hasil analisa dengan software ansys diketahui bahwa kegagalan yang terjadi pada Berdasarkan hasil analisa dengan software ansys diketahui bahwa kegagalan yang terjadi pada
dapat dilakukan
adalah
melakukan
pelunakan/anil thermal yang sesuai, menjaga kehalusan permukaan poros, menghindari masuknya benda-benda asing (besi dan batu yang terlalu keras) dalam ruang kerja stone crusher serta memperhatikan kestabilan motor penggerak agar beban kejut dari
fluktuasi beban dapat diminimalisir .
5. DAFTAR PUSTAKA [1]. Coolr, D. Robert. Suryatmono, Bambang, 1996. Konsep
dan Aplikasi
Elemen Hingga
(Terjemahan) . PT. ARESCO, Bandung. [2]. Daryl L. Logan, 1996. A First Course in the Finite Element Method . PWS Publishing Company, Boston. [3]. Desai C.S. Wirjosoedirdjo, Sri Jatno. 1996. Dasar-Dasar
(Terjemahan). Penerbit Erlangga, Jakarta. [4]. Gere, M. Jemes, Timoshenko P., Stephen, 1996. Mekanika Bahan (Terjemahan). Edisi Keempat, Jilid 1 dan 2, Penerbit Erlangga, Jakarta.
[5]. Robert. 2004. Machine Elements in Mechanical Design, Fourth Edition.Pearson Education Inc., Upper Saddle River, New Jersey.
[6]. Shigley. E Joseph; Harahap, Gandhi, 1984. Perencanaan Teknik Mesin (Terjemahan). Jilid I, Penerbit Erlangga, Jakarta. [7]. Stolarski. T, Nakasone Y, S. Yoshimoto. 1996. Engineering Analysis With Ansys Software . Elsevier Butterworth-Heinemann, England.
[8]. Sularso and Suga, Kiyokatsu. 1997. Dasar Perencanaan Elemen Mesin . Cetakan IX, PT. Pradya Paramita, Jakarta.