ANALISA KEGAGALAN PADA WORM SCREW PRESS DENGAN KAPASI ITAS OLAH 10 TON TBS/JAM SKRIPSI Skripsi Yangg Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjanaa Teknik ADY PUTRA SINAMBELA NIM. 050401016 DEPARTEMEN TEKNIK MESINN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERAA UTARA MEDAN 20100
KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yesus Kristus oleh karena kuasa Roh Kudusnya yang memberikan berkat sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Sarjana. Dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini, penulis banyak mendapat dukungan dari berbagai pihak. Maka pada kesempatan ini dengan ketulusan hati penulis ingin menghaturkan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Kedua orang tua dan keluarga tercinta, (Ayah) M. Sinambela, SH dan (Ibu) F. Br Sitorus yang senantiasa memberikan kasih sayang, dukungan, motivasi, dan nasihat yang tak ternilai harganya. Serta kepada Abanganda, yaitu Mario M. Sinambela dan adik adik yaitu P. Ayu Sinambela, dan Parningotan Sinambela. 2. Bapak Ir. Tekad Sitepu, selaku dosen pembimbing yang telah banyak meluangkan waktunya membimbing, memotivasi, dan membantu penulis dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini. 3. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU. 4. Rekan satu tim riset, Ruben Nadapdap (Mesin 04), atas kerja sama yang baik untuk menyelesaikan penelitian ini. 5. Seluruh rekan-rekan mahasiswa Departemen Teknik Mesin, teristimewa kepada kawan-kawan seperjuangan Angkatan 2005. Diantaranya Pandapotan Hutapea, ST beserta keluarga, Erikson Silitonga beserta komplotannya, Aykel M. Ginting beserta Gajanya, dan juga B Den dan segenap Saudara GENG yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah banyak membantu dan memberi masukan, motivasi yang berguna demi kelengkapan Tugas Sarjana ini, "Solidarity Forever". 6. Rein Sinaga, yang telah banyak memberikan semangat dan dukungan dalam menyelesikan Tugas Sarjana ini. Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan baik dalam penulisan maupun penyajian Tugas Sarjana ini. Untuk itu penulis sangat mengharapkan saran-saran yang membangun dari semua pihak demi kesempurnaan Tugas Sarjana ini dikemudian hari. Akhir kata, dengan segala kerendahan hati penulis memanjatkan doa kepada Tuhan Yesus Kristus semoga Tugas Sarjana ini bermanfaat untuk kita semua. Medan, 24 Februari 2010 Penulis Ady Putra Sinambela
ABSTRAK Worm Screw Press adalah salah satu komponen utama pada mesin pengekstraksi Minyak Mentah Kelapa Sawit (Crude Palm Oil). Selama ini industri pengolah CPO di Indonesia masih mengimpor worm screw press dari Malaysia dengan konsekuensi order and delivery periode yang panjang. Hal ini disebabkan kurangnya kualitas produk dalam negeri. Tulisan ini merupakan solusi alternatif mengenai desain geometri Worm Screw Press dengan melakukan analisis teknik. Analisis yang dilakukan dibatasi pada desain geometri komponen dengan memperhitungkan letak kegagalan yang terjadi pada worm screw press. Permodelan elemen hingga komponen dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak MSC.VisualNastran 4D 2004. Hasil simulasi menunjukkan bahwa konsentrasi tegangan maksimum terletak pada bagian ujung tekanan dari konus. Sehingga pada bagian ujung tekan dimodifikasi faktor ukuran untuk menurunkan tegangan maksimum yang terjadi. Hasil analisa kegagalan menunjukkan bahwa dengan memodifikasi faktor ukuran pada worm screw press akan meninggkatkan umur pemakaian antara 32% hingga 40%. Kata kunci : Analisa Kegagalan, Worm Screw Press, Msc.VisualNastran 4D 2004
DAFTAR ISI KATA PENGANTAR i ABSTRAK ii DAFTAR ISI iii DAFTAR TABEL vi DAFTAR GAMBAR vii DAFTAR NOTASI (NOMENKLATUR) ix DAFTAR LAMPIRAN x BAB I PENDAHULUAN 1 1.1. Latar Belakang 2 1.2. Maksud dan Tujuan 2 1.3. Batasan Masalah 3 1.4. Metode Penulisan 3 1.5. Sistematika Penulisan 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 4 2.1. Tinjauan Umum 4 2.2. Stasiun Pengempaan (Pressing Station) 5 2.2.1. Pengadukan (Digester) 5 2.2.2. Pengempaan (Presser) 7 2.3. Tegangan Geser Pada Poros 9 2.4. Kosentrasi Tegangan 10 2.5. Faktor Kosentrasi Tegangan 11 2.6. Metode Penentuan Kosentrasi Tegangan 12 2.6.1. Photoelastis 12 2.6.2. Metode Elemen Hingga 13 2.6.3. Metode Intuisif 14 2.7. Teori Teori Kegagalan 16 2.7.1. Teori Tegangan Normal Maksimum 16 2.7.2. Teori Tegangan Geser Maksimum 17 2.7.3. Kriteria Von Mises 18 2.8. Kekuatan Lelah 19 2.9. Faktor Faktor Yang Mempengaruhi Kekuatan Lelah 22 2.10. Mekanisme Kerja Mesin Screw Press 25 BAB III METODE PENELITIAN 26 3.1. Tahap Penelitian 3.2. Pengambilan Data Dan Pengukuran 26 3.3. Bahan Baku (Raw Material) 29 3.4. Laju Aliran Volume (Kapasitas) 30 3.5. Analisa Gaya Pada Screw 31 3.6. Diagram Alir Simulasi 36 BAB IV HASIL SIMULASI DAN DISKUSI 41 4.1. Pendahuluan 41 4.2. Penentuan Sifat Fisik Dan Mekanik Dari Material 41
4.3. Prosedur Simulasi 42 4.3.1. Permodelan Komponen Worm Screw Press 42 4.3.2. Simulasi Worm Screw Press Dengan Msc. VisualNastran 2004 43 4.4. Hasil Simulasi Dengan Menggunakan Sofware Msc. Visual Nastran 2004 44 4.4.1. Output Tegangan Von Misses 48 4.4.2. Output Deformasi Maksimum 49 4.5. Analisa FEA Terhadap Distribusi Tegangan Pada Worm Screw Press 50 4.6. Analisa Kegagalan Pada Worm Screw Press 52 4.7. Disain Worm Screw Press 58 BAB V KESIMPULAN & SARAN 63 5.1. Kesimpulan 63 5.2. Saran 63 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
DAFTAR TABEL Tabel 4.1. Sifat Fisik dan Mekanis material Cast Carbon Steel 41 Tabel 4.2. Analisa FEA untuk variasi gaya tekan terhadap tegangan dan deformasi maksimum 51 Tabel 4.3. Hubungan variasi gaya tekan terhadap jumlah siklus pengempaan 57 Tabel 4.4. Hasil analisa FEA untuk desain geometri worm screw press 59 Tabel 4.5. Tabulasi perhitungan analisa kegagalan 62
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Skema Proses Pengolahan Kelapa Sawit 4 Gambar 2.2. Pabrik Pengolahan Kelapa Sawit 5 Gambar 2.3. Instalasi Digester dan Screw press pada Pabrik Pengolahan Kelapa Sawit 6 Gambar 2.4. Model screw press yang digunakan pada Pengolahan Kelapa Sawit 8 Gambar 2.5. Pembebanan pada poros 9 Gambar 2.6. Distribusi tegangan 11 Gambar 2.7. Distribusi tegangan dalam suatu roda gigi didapat melalui proses photoelastis 13 Gambar 2.8. Analisa tegangan pada plat dengan menggunakan metode elemen hingga 14 Gambar 2.9. Garis aliran dalam menggambarkan pusat tegangan 15 Gambar 2.10. Sebuah poros berbahu dalam lenturan 15 Gambar 2.11. Teori tegangan normal maksimum dalam dua dimensi 17 Gambar 2.12. Teori tegangan normal maksimum dalam tiga dimensi 17 Gambar 2.13. Locus Von Mises 18 Gambar 2.14. Tresca dan Von Mises luluh untuk nilai Y yang sama 19 Gambar 2.15. Kurva S-N dari hasil pengujian Metode Standar Uji Fatik 19 Gambar 2.16. Siklus tegangan lelah 21 Gambar 2.17. Faktor modifikasi pengerjaan akhir untuk baja 22 Gambar 2.18. Grafik kepekaan takikan untuk baja dan aluminium campuran tempa yang diberi beban aksial bolak-balik 24 Gambar 2.19. Grafik kepekaan takikan untuk baja yang diberi puntiran bolak balik 24 Gambar 2.20. Mekanisme kerja mesin screw press 25 Gambar 3.1. Material balance kelapa sawit 27 Gambar 3.2. Worm screw press 28 Gambar 3.3. Dimensi worm screw press 28 Gambar 3.4. Susunan penampang buah kelapa sawit 29 Gambar 3.5. Peristilahan screw press 31 Gambar 3.6. Ilustrasi pembebanan pada screw press 32 Gambar 3.7. Gaya tekan yang dialami oleh screw 34 Gambar 3.8. Geometri dari screw press yang digunakan untuk menentukan tegangan geser dan tegangan lentur yang terjadi pada dasar screw 35 Gambar 3.9. Diagram alir permodelan dengan sofware SolidWorks 39 Gambar 3.10. Diagram alir simulasi dengan Msc. VisualNastran 41 Gambar 4.1. Tampilan layar pembuka sofware SolidWork 2007 42 Gambar 4.2. Hasil pemodelan komponen dengan sofware SolidWork 43 Gambar 4.3. Tampilan pembuka Msc. VisualNastran 4D 2004 43 Gambar 4.4. Pemasukan file geometri worm screw press 44 Gambar 4.5. Memasukan material properties 45 Gambar 4.6. Ukuran mesh 46 Gambar 4.7. Mendefinisikan tumpuan dan beban 47
Gambar 4.8. Kotak dialog tipe analisis 47 Gambar 4.9. Output tegangan Von Mises 48 Gambar 4.10. Perbesaran bagian dasar screw dengan besar tegangan Von-Mises 65,6 MPa 49 Gambar 4.11. Deformasi maksimum yang terjadi 49 Gambar 4.12. Pembagian daerah pada worm screw press 50 Gambar 4.13. Lokasi tegangan maksimum 50 Gambar 4.14. Grafik hubungan antara tekanan dan tegangan maksimum 52 Gambar 4.15. Kerusakan pada worm screw press akibat fatigue failure 52 Gambar 4.16. Kerusakan pada worm screw press setelah pemakaian ± 800 jam 53 Gambar 4.17. Hydrolic digital yang menunjukan tekanan kempa pada worm screw press 53 Gambar 4.18. Metode interpolasi untuk menetukan k a 54 Gambar 4.19. Metode interpolasi untuk menentukan q 55 Gambar 4.20. Skema worm screw press pada proses pengempaan 56 Gambar 4.21. Grafik hubungan antara tekanan dan life time 58 Gambar 4.22. Desain worm screw press 58 Gambar 4.23. Analisa FEA terhadap distribusi tegangan 59 Gambar 4.24. Deformasi maksimum untuk gaya tekan 2 MPa 60 Gambar 4.25. Grafik hubungan tekanan dengan tegangan maksimum 60 Gambar 4.26. Grafik hubungan tekanan dengan life time 62
DAFTAR NOTASI A Luas Penampang m 2 L Umur Bantalan jam m Massa kg p Jarak Puncak / Pitch mm T Torsi kg.mm t Periode sec V Kecepatan linier screw in/s t p waktu siklus penempaan sec L t Life time jam τ Tegangan geser N/mm 2 n Jumlah screw σ Tegangan lentur N/mm 2 m Massa Aliran m 3 /jam Massa Jenis kg/m 3 Kecepatan Sudut rad/jam
DAFTAR LAMPIRAN L.1. L.2. L.3. Mekanisme pengempaan Dimensi worm screw press Informasi Teknis CPO