Analisa tegangan pada poros menggunakan software Solidworks dimaksudkan sebagai pembanding hasil perhitungan poros yang telah dilakukan apakah sudah benar.
o Analisa pada poros pengupas
Gambar 4.30 Tampilan poros yang dirangkai dengan bearing pada software Solidworks
Untuk menganalisa menggunakan software Solidworks, maka langkah pertama adalah mendesain poros yang akan dianalisa, kemudian memberikan gaya dan momen yang bekerja pada poros tersebut. Poros yang didesain atau digambar adalah poros dengan dimensi yang sama dengan dimensi poros yang didapat dari hasil perhitungan. Perlu diingat agar dapat menganalisa menggunakan software Solidworks, maka diperlukan Add-Ins. Solidworks Simulation, yaitu aplikasi tambahan yang berfungsi menganalisa gaya dan tegangan yang bekerja.
Gambar 4.31 Pemberian gaya dan momen puntir pada poros pengupas
Gambar 4.31 dan gambar 4.32 menerangkan gaya dan momen puntir yang diberikan kepada poros yang ingin diuji. Gaya yang diberikan sesuai dengan analisa gaya pada proses perhitungan saat akan menentukan diameter poros, yaitu gaya 1 adalah gaya yang dialami karena tarikan sabuk pada puli sebesar 6,39 kgf (kilogram force), gaya 2 adalah beban rol pengupas yang dipasang pada poros sebesar 3,87 kgf, dan momen lentur yang dibebankan pada bagian poros dimana puli terpasang adalah sebesar 40,583 kgf.cm (405,83 kgf mm).
Gambar 4.33 Hasil analisa tegangan yang terjadi pada poros pengupas
Hasil analisa tegangan Von Misses pada desain poros pengupas menunjukkan bahwa tegangan terbesar yang dialami poros adalah sebesar 28,5 kgf/cm2. Dalam Solidworks perbedaan tegangan yang dialami pada poros ditunjukan oleh warna yang bebeda-beda, dimana warna biru tua adalah area yang mengalami tegangan terendah (0– 4,8 kgf/cm2), warna biru muda menunjukkan tegangan yang sedikit lebih banyak dari
area biru tua (diatas 4,8 kgf/cm2 s/d 9,5 kgf/cm2), warna hijau menandakan area yang mengalami tegangan antara 9,5 kgf/cm2 s/d 19,0 kgf/cm2, warna kuning menunjukkan area yang mengalami tegangan yang cukup besar (antara 19,0 kgf/cm2 s/d dibawah 23,8 kgf/cm2), area pada warna orange menunjukkan tegangan yang terjadi antara 23,8 kgf/cm2 s/d 26,2 kgf/cm2), dan warna merah menunjukkan area yang mengalami tegangan terbesar yang nilainya antara 26,2 kgf/cm2 hingga maksimum 28,5 kgf/cm2). Hasil analisa Von Misses pada poros menunjukkan bahwa poros didominasi warna biru tua, namun pada area tempat puli terpasang mengalami tegangan yang lebih besar, ditandai dengan warna biru muda bercampur hijau. Tegangan yang cukup besar yang ditandai warna kuning hanya terjadi pada bagian poros yang bersinggungan dengan bantalan pada daerah yang terpasang puli.
Pembacaan hasil analisa deformasi yang dialami poros juga berdasarkan pewarnaan area, dimana warna biru tua menunjukkan deformasi yang terjadi pada poros antara 1,000e-30 mm (1 mm/ 10 30) s/d 2,371e-004mm, warna biru muda menunjukkan angka 2,371e-004mm s/d 4,742e-004mm, warna hijau menunjukkan angka 4,742e-004mm s/d 9,483e-004mm , warna kuning menunjukkan angka antara 9,483e-004mm s/d dibawah 1,185e-003mm, warna orange menunjukkan angka antara 1,185e-003mm s/d 1,304e-003mm, dan warna merah menunjukkan angka deformasi tertinggi yaitu antara 1,304e-003mm s/d 1,423e-003mm. Dari hasil ini terlihat deformasi terbesar adalah sebesar 1,423e-003mm atau 0,001423 mm.
Gambar 4.35 Hasil analisa regangan pada poros pengupas
Hasil analisa regangan pada Solidworks ditandai oleh perbedaan warna pada poros dengan pembacaan besar regangan dalam skala ESTRN (Equivalent Strain). Regangan terbesar yang terjadi pada poros akibat gaya yang diberikan adalah 9,256e-006
dan yang terkecil adalah 2,747e-010. Area pada warna biru tua menunjukkan besar regangan yang terjadi antara 2,747e-010 s/d 1,543e-006, warna biru muda menunjukkan besar regangan yang terjadi antara 1,543e-006 s/d 3,085e-006, warna hijau menunjukkan besar regangan yang terjadi antara 3,085e-006 s/d 6,171e-006, warna kuning menunjukkan besar regangan yang terjadi antara 6,171e-006 s/d 7,713e-006, warna orange menunjukkan besar regangan yang terjadi antara 7,713e-006 s/d 8,484e-006, dan warna merah menunjukkan besar regangan yang terjadi antara 8,484e-006 s/d 9,256e-006. Area yang mengalami regangan terbesar adalah pada lubang pasak di dekat bantalan.
Dari hasil analisa yang dilakukan oleh software Solidworks terhadap desain poros yang ukurannya didapat dari perhitungan, terlihat bahwa pada hasil analisa deformasi terdapat area merah yang menandakan area tersebut mengalami deformasi sebesar 0,001423 mm atau angka yang sangat kecil.
Pada hasil analisa regangan terlihat bahwa nilai regangan terbesar adalah 9,256e -006 atau 0,0000925, sehingga bila panjang poros adalah 410 mm, maka regangan yang terjadi adalah:
Regangan = ΔL/ Lo atau ΔL = Regangan . Lo ΔL = 0,0000925 (410 mm) = 0,037925 mm
Nilai panjang hasil regangan ini termasuk kecil, sehingga desain poros masih aman untuk digunakan.
Pada hasil analisa tegangan didapat nilai tegangan maksimal adalah 28,5 kgf/cm2 dan berdasarkan material yang digunakan yaitu baja ST 41 atau secara lengkapnya DIN 17135 A ST 41 yang memiliki nilai kekuatan luluh (yield strength) sebesar 255 Mpa (2600,28 kgf/cm2), maka kekuatan luluh bahan jauh lebih besar daripada tegangan maksimal yang diberikan pada poros.
o Analisa pada poros pemisah
Gambar 4.36 Pemberian gaya dan momen puntir pada poros pemisah
Gambar 4.36 dan gambar 4.37 menerangkan gaya dan momen puntir yang diberikan kepada poros pemisah. Gaya 1 adalah gaya yang dialami karena tarikan sabuk pada puli sebesar 6,39 kgf (kilogram force), gaya 2 adalah beban rol pemisah sebesar 8 kgf, dan momen lentur yang dibebankan pada bagian poros dimana puli terpasang adalah sebesar 40,583 kgf.cm (405,83 kgf mm).
Gambar 4.38 Hasil analisa tegangan pada poros pemisah
Hasil analisa tegangan Von Misses pada desain poros pemisah menunjukkan bahwa tegangan terbesar yang dialami poros adalah sebesar 84,6 kgf/cm2. Hasil pengukuran tegangan pada skala von Mises menunjukkan warna biru tua pada skala tegangan antara 0,0 kgf/cm 2 s/d 14,1 kgf/cm 2 , warna biru muda menunjukkan tegangan antara 14,1 kgf/cm2 s/d 21,1 kgf/cm2, warna hijau menandakan area yang mengalami tegangan antara 28,2 kgf/cm2 s/d 56,4 kgf/cm2, warna kuning menunjukkan tegangan antara 56,4 kgf/cm2 s/d 63,4 kgf/cm2, area pada warna orange menunjukkan
tegangan yang terjadi antara 63,4 kgf/cm2 s/d 77,5 kgf/cm2, dan warna merah menunjukkan area yang mengalami tegangan terbesar yang nilainya antara 77,5 kgf/cm2 hingga maksimum 84,6 kgf/cm2. Hasil analisa Von Misses pada poros menunjukkan bahwa poros didominasi warna biru tua, namun pada area dimana poros bertrap (antara poros berdiameter 20 mm ke diameter 18 mm atau yang dekat tempat puli terpasang, tegangan yang dialami poros cukup besar (ditandai warna hijau kuning dan terdapat garis merah).
Gambar 4.39 Hasil analisa deformasi pada poros pemisah
Sementara hasil analisa deformasi yang dialami poros pemisah ditandai oleh warna biru tua yang menunjukkan deformasi yang terjadi pada poros antara 1,000e-30 mm s/d dibawah 1,925-003mm, warna biru muda menunjukkan angka diatas 1,925e-003mm s/d 2,567e-003mm, warna hijau menunjukkan angka 2,567e-003mm s/d 5,133e -003mm , warna kuning menunjukkan angka antara 5,133e -003mm s/d dibawah 5,775e-003mm,
warna orange menunjukkan angka antara 5,775e-003mm s/d 6,416e-003mm, dan warna merah menunjukkan angka deformasi tertinggi yaitu antara di atas 6,416e-003mm s/d 7,700e-003mm. Dari hasil ini terlihat deformasi terbesar adalah sebesar 7,700e-003mm atau 0,007700 mm.
Gambar 4.40 Hasil analisa regangan pada poros pemisah
Hasil analisa regangan pada poros pemisah adalah yang terbesar 3,053-005 dan yang terkecil adalah 8,032e-010. Area pada warna biru tua menunjukkan besar regangan yang terjadi antara 8,032e-010 s/d 5,089e-006, warna biru muda menunjukkan besar regangan yang terjadi antara 5,089e-006 s/d di bawah 1,018e-005, warna hijau menunjukkan besar regangan yang terjadi antara 1,018e-005 s/d 2,035e-005, warna kuning menunjukkan besar regangan yang terjadi antara 2,290e-005 s/d di bawah 2,544e-005, warna orange menunjukkan besar regangan yang terjadi antara 2,544e-005 s/d 2,799e-005, dan warna merah menunjukkan besar regangan yang terjadi antara 2,799e-005 s/d
3,053e-005. Area yang mengalami regangan terbesar adalah pada trap atau pertemuan antara diameter poros 18 mm dengan diameter poros 20 mm atau area berwarna merah.
Hasil analisa menunjukkan bahwa deformasi tertinggi yang terjadi pada poros pemisah adalah sebesar 0,007058 mm atau angka yang sangat kecil.
Pada hasil analisa regangan terlihat bahwa nilai regangan terbesar adalah 3,053e -005 atau 0,00003053, sehingga bila panjang poros adalah 403 mm, maka regangan yang terjadi adalah:
Regangan = ΔL/ Lo atau ΔL = Regangan . Lo ΔL = 0,00003053 (403mm) = 0,01230 mm
Nilai panjang hasil regangan ini termasuk kecil, sehingga desain poros masih aman untuk digunakan.
Pada hasil analisa tegangan didapat nilai tegangan maksimal adalah 84,6 kgf/cm2 dan berdasarkan nilai kekuatan luluh material yang digunakan yaitu baja ST 41 yang memiliki nilai kekuatan luluh sebesar 255 Mpa (2600,28 kgf/cm2), maka tegangan yang dialami poros masih aman.
4.3.4. Pasak
Gambar 4.41 Diagram alir untuk merencanakan pasak dan alur pasak 2. Pasak : lebar b x tinggi h
Kedalaman alur pasak poros t1 Kedalaman alur pasak naf t2
3. bahan pasak.
Kekuatan tarik σ (kg/mm2) Faktor keamanan sfk
4. Tekanan permukaan pasak yang diijinkan pkm(kg/mm2)
Tegangan geser pasak yang diijinkan τka (kg/mm2)
5. Panjang pasak, dari tegangan geser yang diijinkan l1I (mm)
Panjang pasak, dari tekanan permukaan yang diijinkan l2 (mm)
STOP END START
1. Gaya tangensial
6. harga terbesar dari antara l1 dan l2 L (mm) a 7. panjang pasak Lk (mm) 8. b/ds : 0,25 -0,35 Lk/ds : 0,75-1,5 9. Ukuran pasak b x h Panjang pasak lk Bahan pasak b a b
Berdasarkan tabel pada gambar 2.12, pasangan pasak untuk poros pengupas (25 mm) dan poros pemisah (18 mm) tidak ada yang persis, karena pasak yang dipilih adalah pasak segi empat (bujur sangkar) maka secara sederhana untuk mengitung lebar dan tinggi pasaknya adalah sebagai berikut:
Lebar pasak (w) = d/4 dan Tinggi pasak (t) = d/4, Sehingga: - Untuk poros pengupas, w = t = 25/4 = 6,25 mm
- Untuk poros pemisah w = t = 18/4 = 4,5 mm
a) Gaya tangensial pada permukaan poros pemisah (F) Didapatkan dari perhitungan poros, untuk:
T = 405,83 kg.mm
ds = 25 mm (diameter minimum poros pada puli) F = = = 32,47 kg
Pada poros pemisah, didapat nilai F = 45,09 kg
b) Bahan pasak yang akan digunakan adalah ST41 maka Tegangan geser yang diijinkan, sehingga untuk pasak pada poros pengupas
τ = = ( )( ) ( ) = 0,83 kg/mm2
Untuk pasak pada poros pemisah didapat nilai τ = 2,22 kg/mm2 c) Tegangan geser max (τd)
Pada poros pengupas τd = ( )
= (
( ))
= 0,139 kg/mm2 Pada poros pemisah didapat nilai τd = 0,371 kg/mm2
d) Panjang pasak (L) Untuk poros pengupas
L = = ( ) ( ) ( ) = 37,3 mm Untuk poros pemisah didapat nilai L = 27 mm
Tabel 4.7 Ukuran Pasak yang digunakan
Keterangan Poros Nilai Minimum Nilai yang digunakan
Pengupas Lebar pasak 6,25 mm 8 mm
Tinggi pasak 6,25 mm 8 mm
Panjang pasak 37,3 mm 40 mm
Pemisah Lebar pasak 4,5 mm 6 mm
Tinggi pasak 4,5 mm 6 mm
4.3.5. Bantalan
Gambar 4.42 Diagram alir perhitungan bearing
Pembebanan yang terjadi pada bearing poros pengupas kulit buah kopi kering adalah beban pada saat poros pengupas kopi berputar menggiling kopi. Putaran poros pengupas adalah 900 rpm. Bearing 1 sama dengan bearing 2 yaitu d = 25 mm. Panjang jarak antara kedua bearing adalah 500 mm.
Nomor bearing yang sementara dipilih adalah UCP205, dengan diameter dalam bearing (d) adalah 25 mm. Dengan membaca tabel untuk diameter poros 25 mm maka dapat dipilih jenis bantalan dengan nomor UCP205D1 dengan basic static load rating (Cor) 15,4 kN = 1570,36 kg dan basic dynamic load rating (Cr) 25,7 kN 2620,67 kg= , L1= umur L10 pada beban C= 1.000.000 putaran.
START
Putaran motor, diameter bantalan Beban yang diterima oleh bearing
Jenis bearing Umur nominal bearing
SELESAI Lh < 30000 Lh > 30000
Untuk merencanakan umur pemakaian bantalan berikut proses dalam perencanaan sebuah bantalan:
a) Umur rancangan bantalan (Ld)
Ld = Umur rancangan untuk peralatan pertanian (L10) x putaran poros x 60 menit/jam
Ld = 5000 jam x 900 rpm x 60 menit/jam Ld = 2,7 x 108 putaran
b) Tingkat beban dinamis dasar (C)
Bantalan A C = ( ) C = ( ) C = putaran C = 14,33 kg Bantalan B C = ( ) C = ( ) C = kg x putaran C = 91,78 kg c) Umur bantalan (L10) Bantalan A Umur bantalan L10 = = ( ) = L2 = Ld = L1 ( )
= 1 .106( ) = 6,1 x 1012 putaran t [menit] = t [menit] = t [menit] = = 1,1 x 108 jam Bantalan B Umur bantalan L10 = = ( ) = L2 = Ld = L1 ( ) = 1 .106( ) = 2,3 x 1010 putaran t [menit] = t [menit] = t [menit] = = 4,3x 105 jam
4.3.6. Sistem Transmisi
Mesin pengupas kulit biji kopi ini memiliki sistem transmisi yang terdiri dari beberapa komponen yaitu puli, sabuk-V, poros dan motor listrik. Sistem transmisi yang akan memperlambat kecepatan motor listrik dari 1500 rpm menjadi 900 rpm. Mekanisme yang bekerja pada sistem transmisi ini berawal dari motor listrik ditransmisikan ke puli 1 dengan diameter 3” yang kemudian dengan menggunakan van-belt akan di transmisikan lagi ke puli 2 dengan diameter 5” dan selanjutnya akan di distribusikan ke poros pengupas yang akan berputar untuk mengelupas kulit kopi didalam hopper.
Gambar 4.43 Sistem Transmisi pada Mesin Pengupas Kulit Buah Kopi Kering
Keterangan:
1. Bearing 5. Puli pada Rol Pengupas
2. Rol Pengupas 6. Poros
3. Penutup Rol Pengupas 7. Van Belt
4.3.7. Van-Belt
Gambar 4.44 Diagram alir Perhitungan Van-belt
Dengan melihat diagram alir tersebut maka dapat menghitung dan menetukan jenis van-belt yang akan dipakai. Pada pemilihan van-belt sendiri dapat mempertimbangkan beberapa hal antara lain : van-belt akan digunakan untuk menurunkan putaran dari putaran motor listrik sebesar 1500 rpm menjadi 900 rpm. Dengan variasi beban sedang dan diperkirakan waktu kerja mesin berkisar 12 jam dalam sehari maka faktor koreksi yang diperoleh adalah 1. Puli yang digunakan masing-masing berdiameter 3 inch dan 5 inch dengan jarak antara pusat poros sebesar 600 mm.
Dari spesifikasi mesin pengupas kulit biji kopi yang memiliki kecepatan motor 1500 rpm dan daya motor 0,5 Hp, maka jenis van-belt yang akan dipakai berdasarkan data grafik adalah jenis 3VX.
Maka :
1) Rasio Kecepatan (Rratio) = 1500 / 900 = 1,67 rpm 2) Jarak antar pusat Puli
D2 < C < 3 (D2 + D1) = 5 inch < C < 3 (3inch + 5 inch)
= 5 inch < C < 24 inch
Maka, C = 23 inch = 609,6 mm (untuk menjaga jarak) 3) Panjang Keliling Belt yang diperlukan
L = 2 (C ) + 1.57 ( D2 + D1 ) + ( ) L = 2 (23) + 1.57 (5 + 3) + ( ) ( ) = 46 + 12,56 + 0,14
= 58,7 in = 1490,98 mm 4) Panjang belt adalah 59 in maka
B = 4L- 6.28(D2 + D1) = 4.59 – 6.28 (5 + 3) = 236 – 50,24 = 185,76 in = 4718,3 mm C = √ ( ) = √ ( – ) = √ = 15,22 in = 386,59 mm
5) Sudut bungkus belt pada puli kecil
θ = 1800 – 2 sin-1 [
] = 1800 – 2 sin-1 [ ] = 1800 – 2 sin-1 [ ] = 1800 – 2 sin-1 0,0657 = 1800 – 7,53 = 172,470
6) Untuk θ = 172,47 0 untuk jenis 3VX, didapat dari tabel maka nilai Cθ = 0.98, CL = 0,97, L = 59 in
7) Dimensi Puli adalah 3 in dan 5 in 8) Jumlah sabuk yang dibutuhkan adalah
Daya terkoreksi CθCLP = (0,98)(0,97)(0,5 hp)
= 47,53 hp
Jumlah sabuk yang dibutuhkan = daya layanan x daya motor / daya koreksi = 1,4 x 0,5 / 47,53 = 0,01 sabuk (1sabuk)
9) Spesifikasi pemilihan sabuk
Daya motor : 0,5 hp pada 1500 rpm Faktor layanan : 1,4 ( beroperasi 12 jam/hari) Daya rancangan : 0,7 hp
Sabuk : 3V, panjang 59 in , 1 sabuk (A.no 54) Puli :
o Penggerak : diameter puli 3 in, 2 alur, 3VX o Yang digerakan : diameter puli 5 in, 1 alur, 3VX Jarak sumbu poros : 600 mm
4.3.8. Motor
Berdasarkan perhitungan daya yang bekerja pada mesin pengupas kulit biji kopi maka motor listrik yang digunakan dalam mesin pengupas kulit biji kopi adalan motor listrik yang memiliki daya 0,5 Hp.
Spesifikasi motor listrik yang digunakan adalah : Daya : 0,5 Hp (375 Watt) , 1 Phase (220 V) Speed (r/menit) : 1500 rpm
Berat : 5 kg
4.3.9. Kapasitas Mesin
Mesin pengupas dan pemisah kulit buah kopi kering ini mempunyai hopper dengan volume 10736364 mm3. Untuk biji kopi rata-rata mempunyai diameter 9 mm. Mesin diharapkan mampu mengupas dan memisahkan kulit buah kopi kering sebanyak 20-30 kg per jam.
Volume bola = = = ( )( ) = 523,33 mm3