BAB III PERANCANGAN DAN PERHITUNGAN 3.1 Diagram Alir Proses Perancangan Gambar 3.1 : Proses perancangan sand filter rotary machine seperti terlihat pada Mulai Studi Literatur Gambar Sketsa Perhitungan Pembelian Komponen Dan Peralatan Proses Pembuatan Analisa Dan Perbaikan Perakitan Uji Kinerja Berh Berhasil Gagal Kesimpulan Selesai Gambar 3.1 Diagram perencanaan dan perhitungan 14
15 3.2 Bagian - Bagian Sand Filter Rotary Machine Mesin ini mempunyai bagian utama seperti pada Gambar 3.2: 7 8 6 5 4 10 2 3 1 9 Gambar 3.2 Desain rancangan 3D Keterangan = 1. Motor Bensin. 6. House Bearing 2. Hopper Keluar Pasir. 7. Tabung Penyaring 3. Reducer. 8. Roda Penyangga 4. Pulley. 9. Hopper Keluar Krikil 5. Poros. 10. V-Belt 3.3 Perencanaan Konstruksi Dalam pembuatan mesin Sand Filter Rotary atau penyaring pasir, rangka merupakan bagian yang penting untuk menompang semua komponen. Oleh karena itu rangka harus didesain sedemikian rupa sehingga didapatkan hasil konstruksi yang kuat dan aman. Konstruksi rangka ditunjukan pada Gambar 3.3
16 Gambar 3.3 Perencanaan konstruksi Gambar 3.4 T1 dan T2 pulley 3.3.1 Perencanaan Rangka Bagian Atas (1) Perhitungan perencanan rangka bagian atas adalah sebagai berikut: Data-data yang diketahui antara lain: - Massa 1 buah poros = 10 kg - Massa 2 buah house bearing = 2 kg - Massa 1 buah pulley = 2 kg - Gaya tarik T1 dan T2 pulley poros Diketahui : a. sudut kontak pulley pada poros ( ) = 2,78 rad b. (β ) = 19 c. Daya yang di butuhkan (P) = 3176,14 Watt d. Kecepatan linear sabuk ( V ) = 12,25 m/s Tarikan sisi kencang (T1) dan sisi kendor (T2)
17 2,31 log cosec β log = 0,3. 2,78. cosec 19 log = 2,43 log = 1,05 = 11,22 N T 1 = 11,22 N T2 Maka, P = (T 1 T 2 ). V 3176,74 = (11,22. T 2 T 2 ). 12,25 125,2. T2 = 3176,74 T2 = Maka, T2 = 25,37 N T1 = 11,22. T2 = 11,22. 25,37 = 284,65 N Massa total = 10 kg + 2 kg + 2 kg + gaya tarik T1 dan T2 Massa total = 14 kg + gaya tarik T1 dan T2 Beban (F) = massa total x gaya gravitasi + gaya tarik T1 dan T2 = 14 kg x 9,81 m/s 2 + 310,02 = 137,34 N + 310,02 N = 447,36 N Karena pembebanan terjadi di 2 bidang batang besi,maka : 447,36 : 2 = 223,68 N Konstruksi rangka bagian atas ditunjukan pada Gambar 3.5
18 A B 1. analisa pada batang A-B Gambar 3.5 konstruksi rangka bagian atas Gaya yang bekerja pada batang dapat dilihat pada Gambar 3.6 Gambar 3.6 Gaya yang bekerja pada batang
19 Kesetimbangan Gaya Luar ΣFx = 0 ΣFy = 0 R AY + R BY 223,68 N = 0 R AY + R BY = 223,68 N ΣM A = 0-223,68 N. 300 mm + R BY. 600 mm = 0-67104 Nmm + R BY. 600 mm = 0 R BY. 600 mm = 67104 Nmm R BY = 111,84 N R AY + R BY = 223,68 N R AY +111,84N = 223,68 N R AY = 223,68 N 111,84 N R AY = 111,84 N M A = 0 M C = 0 = R AY. 300mm = 111,84 N. 300 mm =33552 Nmm M B = 0 = R AY. 600 mm 217.8 N. 300 mm = 111,84 N. 600 mm 223,68 N. 300 mm = 33552 Nmm 33552 Nmm = 0
20 Gambar 3.7 Gambar potongan gaya Kesetimbangan Gaya Dalam a. potongan x-x Gambar 3.8 Reaksi gaya dalam potongan x-x Nx = 0 Vx = 107,82 N Mx = 111,84. X Tabel 3.1 Nilai gaya dalam potongan x-x Jarak Titik Gaya Normal Gaya Geser Momen x = 0 A N A = 0 V A = 111,84N M A = 0 x = 300 C N M = 0 V C = 111,84 N M C = 33552Nmm
21 b. potongan y-y Nx = 0 Vx = -111,84 N Mx = 111,84. X Gambar 3.9 Reaksi gaya dalam potongan y-y Tabel 3.2 Nilai gaya dalam potongan y-y Jarak Titik Gaya Normal Gaya Geser Momen x = 0 B N B = 0 V B = - 111,84 N M B = 0 x = 300 C N M = 0 V C = -111,84 N M C = -33552 Nmm Diagram: Diagram NFD, SFD dan BMD seperti terlihat pada Gambar 3.10 Gambar 3.10 NFD, SFD dan BMD pada rangka bagian atas
22 2. Tegangan pada rangka atas (1) Rangka yang ingin dipakai berupa besi hollow kotak dengan dimensi 40 mm x 40 mm x 2 mm seperti pada Gambar 3.11 Gambar 3.11 Inersia besi hollow kotak a. momen inersia ( I ) I = = = 474864 ) = 39572 mm b. jarak titik berat y = = = 20 mm Tabel 3.3 Tegangan luluh hollow steel c. momen maksimum (M max ) = 33552 Nmm d. tegangan tarik maksimum bahan (σ max bahan ) = 723,83 N/mm 2 e. tegangan tarik pada rangka (σ tarik rangka ) = = = 16,95 N/mm 2
23 f. Safety factor (S f ) = = = 36,6 Karena σ tarikrangka < σ max bahan maka pemilihan rangka dengan bahan hollow steel aman untuk menahan beban. 3.3.2 Perencanaan Rangka Bagian Atas (2) Perhitungan perencanan rangka bagian atas adalah sebagai berikut: Data-data yang diketahui antara lain: - Massa tabung + ayakan = 18 kg - Massa 2 buah roda = 3 kg - Massa rata-rata pasir = 7,05 kg Massa total = 18 + 3 + 7,05 = 28,05 kg Beban (F) = massa total x gaya gravitasi = 28,05 x 9,81 m/s 2 = 275,1705 N Karena pembebanan terjadi di 2 bidang batang besi, maka : 275,1705 : 2 = 137,58525 N Konstruksi rangka bagian atas ditunjukan pada Gambar 3.12 D E Gambar 3.12 Konstruksi rangka bagian atas
24 1. analisa pada batang D-E Gaya yang bekerja pada batang dapat dilihat pada Gambar 3.13 Gambar 3.13 Gaya yang bekerja pada batang Kesetimbangan Gaya Luar ΣFx = 0 ΣFy = 0 R DY + R EY 137,58525 N = 0 R DY + R EY = 137,58525 N ΣM D = 0-137,58525 N. 1610 mm + R EY. 1920 mm = 0-221512,2525 Nmm + R EY. 1920 mm = 0 R EY. 1920 mm = 221512,2525 Nmm R EY = 115,38 N R DY + R EY = 137,58 N R DY +115,38 N = 137,58 N R DY = 137,58 N 115,38 R DY = 22,2 N
25 M D = 0 M F = 0 = R EY. 1610 mm = 115,38 N. 1610 mm = 185761,8 Nmm M E = 0 = R EY. 1920 mm 137,58 N. 1610 mm = 115,38 N. 1920 mm 137,58 N. 1610mm = 221512,2525 Nmm 221512,2525 Nmm = 0 Nm Gambar 3.14 Gambar potongan gaya Kesetimbangan Gaya Dalam a. potongan x-x Gambar 3.15 Reaksi gaya dalam potongan x-x
26 Nx = 0 Vx = 115,38 N Mx = 115,38 N. x Tabel 3.4 Nilai gaya dalam potongan x-x Jarak Titik Gaya Normal Gaya Geser Momen x = 0 D N D = 0 V D = 115,38 N M D = 0 x = 1610 F N F = 0 V F = 115,38 N M F = 185761,8 Nmm b. potongan y-y Gambar 3.16 Reaksi gaya dalam potongan y-y Nx = 0 Vx = - 22,2 N Mx = 22,2. x Tabel 3.5 Nilai gaya dalam potongan y-y Jarak Titik Gaya Normal Gaya Geser Momen x = 0 E N E = 0 V E = - 22,2 N M E = 0 x = 320 F N F = 0 V F = -22,2 N M F = - 7104 Nmm
27 Diagram: Diagram NFD, SFD dan BMD seperti terlihat pada Gambar 3 17. Gambar 3.17 NFD, SFD dan BMD pada rangka bagian atas 2. Tegangan pada rangka atas (2) Rangka yang ingin dipakai berupa besi hollow kotak dengan dimensi 40 mm x 40 mm x 2 mm seperti pada Gambar 3.18 Gambar 3.18 Inersia besi hollow kotak a. momen inersia ( I ) I = = = 474864 ) = 39572 mm 4 b. jarak titik berat y =
28 = = 20 mm Tabel 3.6 Tegangan luluh hollow steel c. momen maksimum (M max ) = 185761,8 Nmm d. tegangan tarik maksimum bahan (σ max bahan ) = 723,83 N/mm 2 g. tegangan tarik pada rangka (σ tarik rangka ) = = = 93,88 N/mm 2 f. Safety factor (S f ) = = = 6,6 Karena σ tarikrangka < σ max bahan maka pemilihan rangka dengan bahan hollow steel aman untuk menahan beban. 3.3.3 Perencanaan Rangka Bagian Bawah Dudukan Motor Gambar 3.19 Konstruksi rangka bagian bawah
29 Perhitungan perencanaan rangka bagian bawah dudukan motor adalah sebagai berikut: Data-data yang diketahui antara lain: - Massa 1 buah motor bensin = 15 kg - Massa 1 buah pulley = 0,25 kg - Gaya tarik T1 dan T2 pulley pada motor Diketahui : a. sudut kontak pulley pada motor ( ) = 3,11 rad b. (β ) = 19 c. Daya yang di butuhkan (P) = 3176,14 Watt d. Kecepatan linear sabuk (V) =12,25 m/s Tarikan sisi kencang (T1) dan sisi kendor (T2) 2,31 log cosec β log = 0,3. 3,11. cosec 19 log = 2,86 log = 1,23 = 16,98 N T 1 = 16,98 N T2 Maka, P = (T 1 T 2 ). V 3176,74 = (16.98. T 2 T 2 ). 12,25 195,7. T2 = 3176,74 T2 = Maka, T2 = 16,23 N T1 = 16,98. T2 = 16,98. 16,23 = 275,63 N
30 Massa total = massa 1 buah motor bensin + massa 1 buah pulley + gaya tarik T1 dan T2 Massa total = 15 kg + 0,25 kg Massa total = 15,25 kg Beban (F) = massa total x gaya gravitasi + gaya tarik T1 dan T2 = 15,25 kg x 9,8 m/s 2 + 291,86 N = 149,6 N + 291,86 N = 441,46 N (Karena pembebanan terjadi di 2 batang besi maka massa total dibagi 2) F = 441,46 : 2 F = 220,73 N Konstruksi rangka bagian bawah ditunjukan pada Gambar 3.20 G H Gambar 3.20 Konstruksi rangka bagian bawah dudukan motor 1. analisa pada batang G-H Gaya yang bekerja pada batang dapat dilihat pada Gambar 3.21 Gambar 3.21 Gaya yang bekerja pada batang
31 Kesetimbangan Gaya Luar ΣFx = 0 ΣFy = 0 R GY + R HY 220,73 N = 0 R GY + R HY = 220,73 N ΣM G = 0-220,73 N. 300 mm + R HY. 600 mm = 0-66219 Nmm + R HY. 600 mm = 0 R HY. 600 mm = 66219 Nmm R HY = 110,365 N R GY + R HY = 220,73 N R GY +110,365 N = 220,73 N R GY = 220,73 N 110,73 N R GY = 110,365 N M G = 0 M I = 0 = R GY. 300mm = 110,365 N. 300 mm = 33109,5 Nmm M H = 0 = R GY. 600 mm 220,73 N. 300 mm = 110,365 N. 600 mm 220,73 N. 300 mm = 66219 Nmm 66219 Nmm = 0
32 Gambar 3.22 Gambar potongan gaya Kesetimbangan Gaya Dalam a. potongan x-x Gambar 3.23 Reaksi gaya dalam potongan x-x Nx = 0 Vx = 110,365 N Mx = 110,365. X Tabel 3.7 Nilai gaya dalam potongan x-x Jarak Titik Gaya Normal Gaya Geser Momen x = 0 G N G = 0 V G = 110,365 N M G = 0 x = 300 I N I = 0 V I = 110,365 N M I = 33109,5 Nmm b. potongan y-y Gambar 3.24 Reaksi gaya dalam potongan y-y
33 Nx = 0 Vx = -110,365 N Mx = 110,365. X Tabel 3.8 Nilai gaya dalam potongan y-y Jarak Titik Gaya Normal Gaya Geser Momen x = 0 H N H = 0 V H = - 110,365 N M H = 0 x = 300 I N I = 0 V I = -110,365 N M I = -33109,5 Nmm Diagram: Diagram NFD, SFD dan BMD seperti terlihat pada Gambar 3.25 Gambar 3.25 NFD, SFD dan BMD pada rangka bagian bawah dudukan motor 2. Tegangan pada rangka bawah dudukan motor Rangka yang ingin dipakai berupa besi profil L dengan dimensi 40 mm x 40 mm x 2 mm seperti pada Gambar 3.26
34 Gambar 3.26 Inersia besi profil L a. momen inersia ( I ) I = [ ] = [ ] b. jarak titik berat (y) y = = = = 24735,74 mm 4 = 9,25 mm Tabel 3.9 Tegangan luluh besi profil L c. momen maksimum = 33109,5 Nmm d. tegangan tarik pada rangka (σ tarik rangka ) = = = 12,38 N/mm 2
35 e. Safety factor (S f ) = = = 20,19 Karena σ tarikrangka < σ max bahan maka pemilihan rangka dengan bahan besi profil L aman untuk menahan beban. 3.3.4 Perencanaan Rangka Bagian Bawah Dudukan Reducer Perhitungan perencanaan rangka bagian bawah dudukan motor adalah sebagai berikut: Data-data yang diketahui antara lain: - Massa 1 buah reducer = 10 kg = 98,1 N - Massa 2 buah pulley = 0,5 kg = 4,905 N - Gaya tarik T1 dan T2 pulley poros = 310,02 N - Gaya tarik T1 dan T2 pulley motor = 291,86 N Massa total = 98,1 + 4,905-310,02 N - 291,86 N Massa total = 103,005 601,88 = - 498,88 (Karena pembebanan terjadi di 2 batang besi maka massa total dibagi 2) F = - 498,88 N : 2 F = - 249,44 N Konstruksi rangka tengah bagian atas ditunjukan pada Gambar 3.27 J K Gambar 3.27 Konstruksi rangka bagian bawah dudukan reducer 1. analisa pada batang J-K Gaya yang bekerja pada batang dapat dilihat pada Gambar 3.28
36 Gambar 3.28 Gaya yang bekerja pada batang Kesetimbangan Gaya Luar ΣFx = 0 ΣFy = 0 -R JY - R KY + 249,44 N = 0 - R JY - R KY = - 249,44 N ΣM J = 0 249,44 N. 260 mm - R KY. 520 mm = 0 64854,4 Nmm - R KY. 520 mm = 0 -R KY. 520 mm = - 64854,4 Nmm -R KY = -124,72 N -R JY + R KY = - 249,44 N -R JY + -124,72 N = - 249,44 N -R JY = - 249,44 N + 124,72 N -R JY = - 124,72 N M J = 0 M L = 0 = -R JY. 260mm = - 124,72 N. 260 mm = -32427,2 Nmm M K = 0 = -R JY. 520 mm + 249,44 N. 260 mm = - 124,72 N. 520 mm + 249,44 N. 260 mm = - 64854,4 Nmm + 64854,4 Nmm = 0
37 Kesetimbangan Gaya Dalam a. potongan x-x Gambar 3.29 Gambar potongan gaya Gambar 3.30 Reaksi gaya dalam potongan x-x Nx = 0 Vx = 124,72 N Mx = -124,72. x Tabel 3.10 Nilai gaya dalam potongan x-x Jarak Titik Gaya Normal Gaya Geser Momen x = 0 J N J = 0 V J = -124,72 N M G = 0 x = 260 L N L = 0 V L = -124,72 N M L = -32427,2 Nmm b. potongan y-y Gambar 3.31 Reaksi gaya dalam potongan y-y
38 Nx = 0 Vx = 124,72 N Mx = -124,72 N. x Tabel 3.11 Nilai gaya dalam potongan y-y Jarak Titik Gaya Normal Gaya Geser Momen x = 0 K N K = 0 V K = -116,84 N M K = 0 x = 260 L N L = 0 V L = -116,84 N M L = 32427,2 Nmm Diagram: Diagram NFD, SFD dan BMD seperti terlihat pada Gambar 3.32 Gambar 3.32 NFD, SFD dan BMD pada rangka bagian bawah dudukan reducer
39 2. Tegangan pada rangka bawah dudukan reducer Rangka yang ingin dipakai berupa besi hollow kotak dengan dimensi 40 mm x 40 mm x 2 mm seperti pada Gambar 3.32 Gambar 3.33 Inersia besi hollow kotak a. momen inersia ( I ) I = = = 474864 ) = 39572 mm 4 b. jarak titik berat y = = = 20 mm Tabel 3.11 Tegangan luluh hollow steel c. momen maksimum (M max ) = 32427,2 Nmm ( ke arah atas ) e. tegangan tarik pada rangka (σ tarik rangka ) = = =16,39 N/mm 2
40 f. Safety factor (S f ) = = = 37,85 Karena σ tarikrangka < σ max bahan maka pemilihan rangka dengan bahan hollow steel aman untuk menahan beban. 3.4 Analisa dengan Solidworks Simulasi analisis rangka berfungsi untuk mengetahui kualitas rangka yang akan dibuat. Setelah disimulasikan didapatkan hasil antara lain: 3.4.1 Perubahan Bentuk (Displacement) Displacement adalah perubahan bentuk pada benda yang dikenai gaya. Dalam hal ini, melengkung. Bagian yang paling melengkung dari rangka ini adalah daerah berwarna paling merah sebesar 0,294 mm pada terjadi pada rangka dudukan motor, seperti ditunjukkan pada Gambar 3.34 Gambar 3.34 Perubahan bentuk pada rangka
41 Melengkungnya penopang meja ini terjadi apabila diberi pembebanan sebesar 275,1705 N diletakkan diatas meja secara tiba-tiba, sehingga jika diletakkan pelan-pelan maka rangka meja tetap tidak akan melengkung. 3.4.2 Faktor Keamanan (Factor of Safety) Faktor keamanan adalah patokan utama yang digunakan dalam menentukan kualitas suatu produk. Patokannya jika nilai faktor keamanan minimal kurang dari angka 1, maka produk tersebut kualitasnya jelek, tidak aman untuk digunakan dan cenderung membahayakan. Sebaliknya jika nilai faktor keamanan lebih dari 1, maka produk tersebut berkualitas baik, aman dan layak digunakan. Apabila nilai keamanan mencapai 3 digit (misalnya 100 atau lebih) maka produk tersebut aman, berkualitas sangat baik, namun harganya mahal dan cenderung berbobot besar. Pada rangka mesin ini, nilai faktor keamanan terkecil adalah 11,34 yang berarti rangka ini aman apabila diberi pembebanan sebesar 441,46 N yang ditunjukkan pada Gambar 3.35. Gambar 3.35 Faktor keamanan (factor of safety)