BAB II HYDRAULIC EXCAVATOR II.1. Hydraulic Excavator Secara Umum II.1.1. Definisi Hydraulic Excavator Excavator adalah alat berat yang dipergunakan untuk menggali dan mengangkut (loading and unloading) suatu material (tanah, batubara, pasir dan lain-lainnya). Berdasarkan sistem penggeraknya, excavator dibedakan menjadi dua yaitu: Sistem Tali, pada saat sekarang jarang digunakan karena kurang efisien dalam operasionalnya. Sistem Hidraulik dengan media utama fluida, banyak digunakan dan terus mengalami perkembangan yang disebabkan efisiensi yang lebih baik, operasional yang lebih mudah dan perawatan yang sederhana. 7
Untuk selanjutnya excavator yang dimaksud oleh penulis adalah excavator dengan sistem penggerak hidraulik (hydraulic excavator). II.1.2. Fungsi Hydraulic Excavator Fungsi dari Hydraulic Excavator secara umum adalah: Mengerjakan kegiatan pertambangan. Pembukaan lahan hutan untuk lahan pertanian. Pembuatan jalan perintis. Pembuatan parit dan saluran irigasi. II.1.3. Tenaga Penggerak Pada dasarnya tenaga penggerak Hydraulic Excavator ada dua yaitu: Engine Type (Diesel). Battery Type (Motor Listrik). Secara umum tenaga penggerak utama Hydraulic Excavator adalah mesin diesel yang merubah energi mekanik menjadi energi hidraulik melalui tekanan pompa yang kemudian didistribusikan ke silinder hidraulik untuk menghasilkan gerakan. Sedangkan motor listrik untuk menstarter dan 8
menyuplai energi komponen-komponen elektrik seperti dynamo, lampu, alatalat ukur operator dan sebagainya. II.1.4. Konstruksi Secara umum konstruksi Hydraulic Excavator terdiri dari attachment dan Base Machine yang masing-masing meliputi: Attachment terdiri dari: Boom adalah attachment yang menghubungkan base frame ke arm dengan panjang tertentu untuk menjangkau jarak loading/unloading Arm adalah attachment yang menghubungkan boom ke Bucket Bucket adalah attachment yang berhubungan langsung dengan material pada saat loading. Base Machine terdiri dari: Base Frame adalah bagian yang terdiri dari cabin (untuk pusat operasional operator), mesin, counter weight dan komponen lainnya diatas revo frame. 9
Track Frame adalah komponen yang terdiri dari center frame dan crawler frame yang menjadi tumpuan operasional Hydraulic Excavator. Track Shoe adalah komponen yang berfungsi seperti roda pada kendaraan, untuk menggerakan Hydraulic Excavator. Untuk memperjelas konstruksi Hydraulic Excavator beserta bagianbagiannya dapat dilihat pada (gambar 2.1) berikut: Arm Arm cylinder Bucket cylinder Boom Cabin Boom cylinder Bucket Track Frame Track Shoe Gambar 2.1 bagian-bagian dari hydraulic excavator PC300-8 10
II.1.5. Mekanisme Kerja Mekanisme kerja pada Hydraulic Excavator yang digerakkan secara hidraulik adalah: Mesin Diesel memutar pompa yang kemudian mengalirkan fluida hidraulik dari tangki ke dalam sistem dan kembali lagi ke tangki. Komponen-komponen yang mendapat distribusi fluida hidraulik dan pompa adalah Bucket Cylinder, Arm Cylinder, Boom Cylinder, Swing Motor dan Travel Motor untuk menghasilkan suatu kondisi kerja tertentu. Kondisi kerja Hydraulic Excavator di bagi menjadi enam (6), yaitu: 1. Swing 2. Traveling Left Shoe 3. Traveling Right Shoe 4. Boom (Raise Down) 5. Arm (In Out) 6. Bucket (Crawl Dump Pergerakan Hydraulic Excavator secara umum adalah sebagai berikut: o Swing Pergerakan pada saat Body dan Attachment Hydraulic Excavator berputar sampai 360 o. Sistem gerakan ini adalah dengan menggerakan lever yang membuka katup pada Control Valves yang berisi fluida hydraulic agar 11
mengalir ke Swing Motor sehingga Hydraulic Excavator akan berputar dengan putaran tertentu. o Traveling Left Shoe Pergerakan ini dibagi menjadi dua gerakan yaitu gerakan maju dan gerakan mundur yang digerakan oleh katup yang ada di Control Valves. Energi hidraulik dari pompa akan diubah lagi menjadi energi mekanis melalui Travel Motor. Travel Motor memutar Sprocket selanjutnya menggerakkan Track Shoe sehingga menghasilkan gerakan pada Hydraulic Excavator. Traveling Left Shoe merupakan gerakan track shoe yang sebelah kiri. o Traveling Right Shoe Pergerakan ini dibagi menjadi dua gerakan yaitu gerakan maju dan gerakan mundur yang digerakkan oleh katup yang ada di Control Valves. Energi hidraulik dari pompa akan diubah lagi menjadi energi mekanis melalui Travel Motor. Travel Motor memutar Sprocket selanjutnya menggerakan Track Shoe sehingga menghasilkan gerakan pada Hydraulic Excavator. Traveling Right Shoe merupakan gerakan track shoe yang sebelah kanan. o Boom Pergerakan Boom dilakukan oleh Boom Cylinder. Sistem gerakan ini dilakukan dengan menggerakkan lever di ruang operator sehingga katup Boom Raise dan katup Boom Dowm pada Control Valve yang berhubungan dengan Boom Cylinder akan membuka. Boom akan melakukan gerakan mengangkat 12
jika katup Boom Raise terbuka sedangkan katup Boom Down tertutup. Fluida akan mengalir dari katup Boom Raise dan menekan piston dari Cylinder Boom sedangkan untuk gerakan arm. o Arm Pergerakan Arm dilakukan oleh Arm Cylinder. Sistem gerakan ini diatur oleh katup Arm In dan katup Arm Out. Arm akan melakukan gerakan rnengangkat jika katup Arm out terbuka sedangkan katup Arm In tertutup. Fluida akan mengalir dari katup Arm Out dan menekan piston Arm Cylinder. Sedangkan untuk gerakan Arm turun, kondisi katup arm in dan arm out berlaku sebaliknya. o Bucket Pergerakan Bucket dilakukan oleh Bucket Cylinder. Sistem gerakan ini diatur oleh pergerakan katup Bucket Crawl dan katup Bucket Dump. Bucket akan melakukan gerakan mengangkat (dump) jika katup Bucket dump terbuka sedangkan katup Bucket Crawl tertutup. Pada saat itu, fluida akan mengalir dari katup Bucket dump dan menekan piston Bucket Cylinder. Sedangkan gerakan Bucket menekuk (crawl) kondisi katup bucket crawl dan katup bucket dump adalah sebaliknya. Mekanisme dan kondisi kerja Excavator secara Hidraulik dapat dilihat pada (Gambar 2.2): 13
Gambar 2.2 diagram sistim hydrulic excavator Keseluruhan kondisi kerja tersebut merupakan siklus kerja Hydraulic Excavator. Secara operasional siklus kerja akan sangat menentukan besarnya biaya operasi, sehingga diperlukan analisis yang cermat baik dalam desain, produksi maupun pada saat operasi kerja dilapangan. II.2.Bucket II.2.1. Kapasitas Bucket Kapasitas Bucket adalah volume material yang dapat diangkut oleh bucket. Hitungan kapasitas bucket yang sering digunakan adalah menggunakan standard SAE atau CECE. Namun demikian, ada pula yang menggunakan standard lain seperti MS dan PCSA. 14
Adapun istilah yang sering digunakan berkaitan dengan kapasitas bucket adalah: Struck Capasity Struck Capacity adalah struck Bucket pada kondisi rata sampai batas side platenya, seperti terlihat pada gambar 2.3. Gambar 2.3 Struck Capacity Heaped Capacity. Heaped Capacity adalah kapasitas volume Bucket ditambah kapasitas tumpukannya. Untuk detailnya Heaped Capacity dapat dilihat pada gambar 2.4. 15
Gambar 2.4 volume kapasitas bucket Keterangan: JIS = Japanese Industrial Standard PCSA = Power Crane and Shovel Association (USA) SAE = Society of Automotive Engineers (USR) CECE = Community of European Construction Equipment II.2.2. Gaya Digging Bucket dan Gaya Crowd Arm (Bucket Digging Force and Arm Crowd Force). Gaya digging adalah gaya yang terjadi pada saat ujung Bucket kontak dengan permukaan tanah. Gaya tersebut terjadi oleh pergerakan Cylinder Bucket atau Cylinder Arm. 16
1. Gaya Digging Bucket (Bucket Digging Force) Pada gambar 2.5 terlihat bahwa Bucket digerakkan oleh Cylinder Bucket untuk melakukan operasi Digging. Gaya Digging Bucket (Fb) terjadi akibat adanya gaya reaksi pada saat kontak antara ujung bucket dengan permukaan tanah. Adapun posisi Bucket saat melakukan Digging adalah sedemikian sehingga rear link dengan sumbu Cylinder Bucket membentuk sudut 90 o. F b Gambar 2.5. Gaya Digging Bucket. 17
2. Gaya crowd Arm (Arm Crowd Force). Pada gambar 2.6 terlihat bahwa Arm digerakkan oleh kombinasi gerakan Cylinder Arm dan Cylinder bucket untuk melakukan operasi digging. Gaya Crowd Arm (Fa) terjadi akibat adanya gaya reaksi pada saat kontak antara ujung bucket dengan permukaan tanah dimana posisi sumbu cylinder arm membentuk sudut 90 o terhadap garis lurus yang dibentuk oleh ujung bucket dan Bushing Arm A. Fa Gambar 2.6. Gaya Crowd Arm. 18
II. 3. Teori Dasar II.3.1 Tegangan Tegangan adalah gaya yang terjadi pada persatuan luas, pada dasarnya dibagi dalam dua macam, yaitu: Tegangan normal, : a) Tegangan normal akibat beban aksial, a b) Tegangan normal akibat momen lentur, b Tegangan Geser, τ : a) Tegangan geser akibat gaya geser, τ s b) Tegangan geser akibat torsi, τ t II.3.1.1 Tegangan Normal Tegangan Normal didefinisikan sebagai gaya yang terjadi tegak lurus terhadap irisan penampang yang dianalisa. Tegangan normal dibagi dua, yaitu: a) Tegangan normal yang terjadi disebabkan oleh gaya aksial (tarik / tekan) dan bekrija tegak lurus terhadap suatu bidang. 19
P P P a Gambar 2.7 Tegangan Normal akibat beban aksial Besarnya tegangan normal akibat gaya aksial adalah: a = P A Dimana: a = Tegangan normal akibat beban aksial (N/m 2 ) A = Luas penampang batang (m 2 ) P = Gaya (N) 20
a. Tegangan normal yang disebabkan oleh momen lentur. P b b Gambar 2.8. Tegangan Normal akibat momen lentur. Besarnya tegangan normal alkibat momen lentur adalah: b = M.y I Dimana: b= Tegangan normal akibat momen lentur (N/m 2 ) M = Momen Lentur (N.m) I = Momen inersia penampang (m 4 ) y = Jarak antara sumbu titik berat dengan kulit terluar yang hendak dihitung momen inersianya pada penarnpang batang (m). 21
II.3.1.2. Tegangan Geser Tegangan geser disebabkan oleh gaya yang bekerja sepanjang atau sejajar dengan luas penahan gaya. Tegangan geser dibagi dua, yaitu: a. Tegangan Geser disebabkan oleh torsi. T t T t Gambar 2.9. Tegangan geser akibat torsi. Besarnya tegangan geser akibat torsi adalah: τ t = T.r J Dimana: τ t = Tegangan geser akibat torsi (N/m 2 ) T = Torsi (N.m) r = Jari-jari (m) 22
J = Momen inersia polar (m 4 ) b. Tegangan geser yang disebabkan oleh gaya geser. V s s Gambar 2.10. Tegangan geser akibat gaya geser. Besarya tegangan geser akibat gaya geser adalah: s = V.Q I.t Dirnana: s = Tegangan geser (N/m 2 ) 23
V = GayaGeser (N) Q = Mornen Statis (m 3 ) I = Momen Inersia (m 4 ) t = Lebar potongan penampang (m) II.3.2. Momen Gaya Terhadap Sumbu Kecenderungan sebuah gaya untuk memutar suatu benda tegar disekitar sumbu diukur oleh rnomen gaya terhadap sumbu itu. Jika mornen F terhadap titik A, didefinisikan sebagai perkalian besar gaya F dengan jarak tegak lurus d dan titik A ke garis F. M A = F. d Dimana: M A = Mornen di titik A ( N.m) F = Gaya (N) d = Jarak tegak lurus dan gaya F terhadap titik A (m) 24
Gambar 2.11 Momen Gaya. II.4. Fenite Element Method (FEM) II.4.1. Terminologi FEM FEM merupakan salah satu perangkat lunak untuk menyelesaikan masalah metode elemen hingga. FEM membuktikan bahwa perangkat lunak ini sangat berguna untuk memberikan informasi perancangan. Dengan menggunakan program elemen hingga (FEM), kita dapat menganalisis berbagai kasus seperti kekuatan struktur, getaran pada suatu benda, perpindahan panas dan sebagainya. FEM merupakan perangkat lunak program computer yang dapat digunakan untuk memecahkan berbagai persoalan tehnik dalam skala besar dengan berdasarkan pada perhitungan metode elemen hingga. 25
FEM adalah akronim dari Fenite Elemen Method salah satu program computer elemen hingga yang dikembangkan Pro Enginer Wildfire 4.0 dari PTC. Program FEM mampu melakukan analisis linier maupun non linier yang meliputi : a. Analisis static b. Analisis dinamik c. Analisis frekuensi pribadi d. Analisis tekuk e. Analisis perpindahan panas Dengan kemampuan yang dimiliki FEM telah digunkan secara luas oleh lingkungan industry di bidang rekayasa dan perancangan. Seperti di bidang kapal terbang, otomotiv, sipil, pertambangan, manufacture alat berat, dan perkapalan. II.4.2. Jenis Elemen Salah satu hal yang penting dalam pemodelan suatu struktur adalah pemilihan jenis elemen yang dapat mewakili sifat struktur yang didiskritkan dengan baik. Elemen tersebut dapat berbentuk satu dimensi, dua dimensi dan 26
tiga dimensi. Program FEM secara garis besar menyediakan tiga jenis elemen yang sering digunakan, yaitu elemen garis, elemen bidang, dan elemen solid. Penentuan elemen ini dapat dilakukan secara otomatis atau manual. Pemilihan elemen dari pemodelan disesuaikan dengan kondisi benda yang sebenarnya. II.4.3. Sistim Koordinat Pada bentuk awal untuk membangun suatu model struktur melibatkan tiga koordinat (x, y, z) FEM menyediakan tiga macam koordinat yaitu basic rectangular, cylindrical, dan spherical. Namun yang sering digunakan adalah koordinat basic rectangular, karena merupakan koordinat dasar dan mudah dalam penggunaan. Tampilan FEM dapat dilihat pada gambar (2.12) Gambar 2.12 Tampilan menu pada FEM Pro Enginer 4 27
II.4.4. Pemodelan Struktur pada FEM Pemodelan structur merupakan salah satu data masukan bagi FEM agar dapat melakukan perhitungan kekuatan struktur yang dikehendaki. Dalam membangung suatu bentuk pemodelan yang dapat di buat FEM dengan menggunakan create menu yang sudah disediakan oleh program FEM. Dapat juga mengambil gambar dari program lainya seperti CAD 2 dimensi, yang tentunya cocok dengan program FEM. Pemodelan struktur yang digunakan pada kasus ini semuanya dengan elemen plat, agar mendekati dengan bentuk yang sesungguhnya. Pemodelan ini digunakan untuk mendefinisikan sifat elemen, lokasi dan pembebanan yang berkaitan dengan plat terletak dalam koordinat tiga dimensi (x, y, z). II.4.5. Tumpuan dan Pembebanan Setiap struktur bertumpu pada masing-masing tumpuan, sedangkan pada metode elemen hingga titik nodal yang berkaitan dengan masing-masing tumpuan harus dicantumkan. Karena hal tersebut mempunyai peranan penting dalam menentukan syarat batas bagi model struktur yang dibuat. Tumpuan yang terdapat pada FEM adalah engsel, rol, dan jepit. Masing-masing kondisi 28
tumpuan mempengaruhi jumlah derajat kebebasan tumpuan tersebut dan jumlah persamaan gaya yang dimiliki oleh struktur yang bersangkutan. Untuk memberikan pembebanan pada metode elemen hingga diberikan pada titik nodal sesuai dengan keadaan yang dikehendaki. Ada beberapa macam model pembebanan FEM diantaranya pembebanan searah sumbu x, y, dan z. Dapat juga pada sumbu x, y, dan z. II.4.6. Hasil Eksekusi Bila tidak terdapat kesalahan pada semua data masukan yang diberikan termasuk kondisi batas yang meliputi kondisi pembebanan dan tumpuan yang diterapkan pada model, maka eksekusi program FEM dapat dijalankan. Hasil keluaran pada FEM berupa model geometri yang belum terdeformasi, model geometri yang terdeformasi, nilai dari tegangan pada elemen dan dapat juga dinamis. Untuk menganalisa getaran ataupun frekuensi pribadi hasil keluaran berupa grafik. 29