IV. ANALISIS RANCANGAN
4.3 RANCANGAN STRUKTURAL
Setelah menentukan rancangan fungsional, maka selanjutnya dibuatlah rancangan struktural mesin. Pada tahap ini dibuat desain komponen-komponen utama mesin dengan bentuk, ukuran atau spesifikasi tertentu serta perhitungan analisis teknik pada beberapa komponen. Namun pada penerapannya, ada beberapa komponen yang memang sudah ada di pasaran, sehingga dalam tahap ini yang dibahas bukan bentuk dan ukurannya, melainkan dasar pemilihan komponen. Berikut adalah rancangan struktural dari komponen-komponen mesin pemanen udang tipe vakum:
4.3.1 Pompa Air
Pompa air yang digunakan adalah pompa air sentrifugal, berfungsi untuk memindahkan air dan komoditas dari kolam penampung menuju tangki. Daya yang dimiliki oleh pompa bersumber dari motor bensin dan merupakan pendorong yang efektif bagi fluida cair. Pompa air dapat dilihat pada Gambar 9 dan berikut adalah spesifikasi pompa yang digunakan:
Gambar 9. Pompa air sentrifugal
Spesifikasi:
Connection diameter: 50 mm, 2 inch
Delivery volume: 620 l/min, 163 gal/min
Total head hisap: 8 m
Total head dorong: 27 m, 90 ft
Power, speed: 3.1 kW, 3600 RPM
Net weight: 25.2 kg
Pemilihan pompa dengan delivery volume di atas disesuaikan dengan target waktu pemanenan yang disajikan pada Lampiran 3. Sedangkan perhitungan kebutuhan daya penggerak pompa ini dapat dilihat pada Lampiran 5.
4.3.2 Saluran Distribusi
Dalam rancangan ini dibutuhkan saluran untuk mendistribusikan aliran fluida ke dalam dan keluar tangki penampungan. Saluran ini terdiri dari tiga bagian, yakni:
1. Saluran inlet, yakni saluran yang mendistribusikan air dan komoditas pemanenan dari kolam masuk ke dalam tangki penampungan. Saluran ini terdiri dari selang berserat berdiameter 4 inchi dengan panjang 5 m dan PVC swing check valve
19 ada di dalam tangki tidak jatuh ke dalam kolam saat mesin tidak dioperasikan. Saluran inlet ini dapat dilihat pada Gambar 10. Penentuan diameter saluran inet
sebesar 4 inchi ini karena menyesuaikan dengan panjang tubuh udang yang dipanen tidak lebih dari 10 cm saat berenang. Selain itu dengan debit pompa sebesar 10.3 l/det maka diperoleh kecepatan hisap sebesar 1.270 m/det sehingga mampu menghisap udang yang memiliki kecepatan hisap sebesar 1.147 m/det. 2. Saluran outlet, yakni saluran yang mendistribusikan air dari tangki penampungan
keluar sistem melalui pompa air, terdiri dari beberapa komponen diantaranya
knee/elbow 90o2 inchi, pipa PVC 2 inchi, saluran T 2 inchi, ball valve 2 inchi, selang berserat 2 inchi. Saluran outlet dapat dilihat pada Gambar 11.
3. Saluran perpindahan, yakni saluran yang berfungsi untuk menyalurkan air dari tangki satu ke tangki lainnya untuk perpindahan operasi pemanenan. Komponen yang digunakan sama dengan saluran outlet.
4. Saluran buang, yakni saluran yang berfungsi untuk membuang air keluar sistem (tambak). Saluran perpindahan dan buang ini dapat dilihat pada Gambar 12. Penentuan diameter saluran outlet, perpindahan, dan buang sebesar 2 inchi karena menyesuaikan dengan connection diameter dari pompa.
Gambar 10. Saluran inlet
20 Setiap aliran fluida yang melalui jalur pipa atau selang, biasanya mengalami kerugian daya tekan (head loss), baik karena gesekan, perubahan bentuk penampang, atau perubahan arah aliran. Dari hasil perhitungan diperoleh kerugian daya tekan akibat gesekan adalah sebesar 1.4490 m, akibat perubahan bentuk penampang sebesar 0.7411 m dan akibat perubahan arah aliran (belokan) sebesar 2.8287 m. Sehingga total kerugian daya tekan yang terjadi pada mesin adalah sebesar 5.0188 m. Secara lengkap perhitungan ini disajikan pada Lampiran 4.
4.3.3 Tangki Penampungan
Tangki penampungan ini berfungsi untuk menampung ikan atau udang sementara dari hasil hisapan pompa air. Tangki ini terdiri dari dua buah dimaksudkan agar mesin dapat difungsikan secara kontinyu. Jika pada pengoperasian salah satu tangki penuh dengan hasil hisapan, maka mekanisme penghisapan dipindah ke tangki yang lain dengan cara men-switch
keran perpindahan dan keran buang. Tangki ini terbuat dari plat besi dengan ketebalan 2 mm dan didesain dengan perbandingan volume komoditas dan air sebesar 1:2. Volume total tangki ini sebesar 200 liter. Desain tangki ini dapat dilihat pada Gambar 13.
21
Perhitungan volume tangki berdasarkan kapasitas pemanenan dalam 1 (satu) batch:
Massa komoditas yang diinginkan : 45 kg
Asumsi massa jenis komoditas udang : 0.74 kg/liter (Hamdani, 2005) Perbandingan volume komoditas dan air optimum : 1:2 (Karim, 2006)
Maka untuk melakukan operasi 1 batch pemanenan, volume tangki yang didesain adalah:
Untuk menjaga kapasitas pemanenan dalam 1 batch, maka tangki harus dibuat dengan volume minimum 182.43 liter. Pada desain ini dibuatlah tangki dengan volume 200 liter.
Tangki ini didesain vakum, artinya ketika mesin beroperasi tidak ada udara luar yang masuk ke dalam sistem agar tekanan tetap terjaga rendah. Namun pada kenyataannya tetap saja ada udara yang masuk ke dalam sistem karena terdapat banyak kebocoran. Oleh karena itu dibutuhkan suatu komponen tambahan untuk menghisap udara yang masuk ke dalam tangki agar tekanan dan ketinggian muka air dalam sistem tetap terjaga. Dalam kasus ini, salah satu solusinya adalah pemasangan pompa vakum pada mesin.
4.3.4 Pompa Vakum
Instalasi pompa vakum pada mesin ini difungsikan untuk mempertahankan keadaan vakum dalam sistem dengan cara menghisap udara yang masuk ke dalam sistem dan membuangnya ke lingkungan. Pompa vakum yang digunakan adalah tipe 2X-1 yang sudah beredar di pasaran. Pompa vakum ini digerakkan oleh motor listrik satu fasa berdaya 0.25 HP dengan pumping speed 1 l/det. Pemilihan pompa vakum dengan spesifikasi ini berdasarkan penurunan debit saat mesin beroperasi yang dapat dilihat pada Lampiran 10. Bentuk pompa ini dapat dilihat pada Gambar 14.
Gambar 14. Pompa vakum
Spesifikasi:
Tipe : Rotary Vane-type Vacuum Pump 2X-1
Ultimate vacuum : 6x10-2 Pa
Pumping speed : 1 l/s
Rated speed : 500 RPM
Motor power : 0.25 HP
Air inlet diameter : 15 mm
Overall dimensions : 400 mm x 320 mm x 295 mm
Pompa ini dijalankan secara otomatis dengan mekanisme automatic water level switch, dimana pompa vakum beroperasi berdasarkan ketinggian muka air di dalam tangki.
22 Ada beberapa komponen yang perlu disandingkan agar pompa ini dapat beroperasi dengan baik, diantaranya adalah level probes, solenoid valve,safety tank, selang berkawat, rangkaian otomasi, dan adapter. Komponen-komponen tersebut memiliki fungsi seperti yang disajikan pada Tabel 5. Beberapa bentuk komponen tersebut disajikan pada Gambar 17.
Mekanisme otomasi pompa vakum ini adalah sebagai berikut:
Ketika mesin beroperasi, terjadi perubahan tekanan karena ada udara yang masuk ke dalam sistem, sehingga muka air dalam tangki pun turun.
Saat tinggi muka air minimum terdeteksi oleh level probes, maka secara otomatis pompa vakum menyala dan solenoid valve terbuka. Otomasi ini telah diatur dalam rangkaian otomasi yang disalurkan tegangan 12 V oleh adapter.
Ketika pompa vakum menyala, udara di dalam tangki dihisap oleh inlet line melalui selang berkawat kemudian dikeluarkan melalui exhaust line.
Sebelum udara melalui inlet line, terlebih dahulu masuk ke dalam safety tank.
Pompa vakum akan mati jika tinggi muka air maksimum dalam tangki terdeteksi oleh
level probes.
Tabel 5. Fungsi komponen tambahan untuk otomasi pompa vakum
No Nama Komponen Fungsi
1 Safety tank Sebagai tangki penampung air sementara, pengaman jika sewaktu-waktu air melewati solenoid valve dan hendak masuk ke dalam pompa vakum.
2 Level probes Mendeteksi tinggi muka air maksimum dan minimum di dalam tangki.
3 Solenoid valve Menahan aliran fluida baik air, oli, maupun udara agar tidak masuk dan keluar sistem saat pompa vakum tidak beroperasi.
4 Selang berkawat Menyalurkan udara yang dihisap oleh pompa keluar sistem.
5 Rangkaian otomasi Mengatur mekanisme otomasi penyalaan pompa vakum dan pembukaan solenoid valve.
6 Adapter Penyalur tegangan 12 V ke rangkaian otomasi
Safety tank (tangki pengaman) yang digunakan berupa tabung yang dibawahnya diberi
ball valve 2 inchi. Tangki ini didesain dengan sistem siklon dengan tujuan agar air yang masuk ke dalam langsung jatuh ke dasar tangki dan tidak ikut terhisap ke pompa vakum. Tidak ada parameter khusus untuk menentukan kapasitas optimumnya, karena tangki ini hanya digunakan sewaktu-waktu jika level probes tidak berfungsi dengan baik. Tangki ini memiliki volume sebesar 25 liter dengan diameter 30 cm dan tinggi 38 cm. Hal ini karena disesuaikan dengan dimensi ruang (panjang x lebar x tinggi) yang tersedia sebesar 45 cm x 70 cm x 53 cm. Kapasitas yang dimiliki oleh tangki ini untuk menampung air adalah sebesar 11.7 liter. Desain
23 Gambar 15. Safety tank
Level probes terbuat dari silinder alumunium yang diberi tiga kabel tembaga. Setiap kabel memiliki fungsi yang berbeda, satu kabel berfungsi untuk menyuplai tegangan 12 V (Vcc), sedangkan dua kabel lainnya berfungsi untuk mendeteksi level air minimum (Lmin) dan maksimum (Lmax). Level minimum akan terbaca oleh rangkaian jika kabel Lmin menerima tegangan 12 V dari kabel Vcc yang terhubung oleh air. Begitu pula level maksimum, akan terbaca oleh rangkaian jika kabel Lmax menerima tegangan 12 V dari kabel Vcc melalui air. Gambar 16 menunjukkan desain level probes yang digunakan pada mesin ini.
24 (d)
Solenoid valve yang digunakan adalah yang sudah beredar di pasaran dengan diameter sebesar 0.75 inchi. Gambar 18 menunjukkan desain solenoid valve yang digunakan pada mesin ini.
Gambar 18. Solenoid valve (www.solenoid-valve-info.com) Gambar 17. Komponen tambahan otomasi pompa vakum: (a) Level probes,
(b) Solenoid valve, (c) Safety tank, (d) Rangkaian otomasi
(a) (b) (c)
Keterangan:
1. Valve body 6. Kabel suplai tegangan 2. Terminal masukan (inlet port) 7. Plunger
3. Terminal keluaran (outlet port) 8. Spring
4. Koil / koil solenoid 9. Lubang / exhaust
25 Rangkaian otomasi yang digunakan dalam rancangan ini mengacu pada desain rangkaian yang dibuat oleh I-Star Electronics (2011) dan disimulasikan menggunakan software
Proteus 7.8. Rangkaian elektroniknya dapat dilihat pada Lampiran Gambar sedangkan diagram alir prinsip kerjanya dapat dilihat pada Lampiran 13. Beberapa komponen yang digunakan antara lain resistor, integrated circuit, transistor, saklar, dioda, dan relay. Secara keseluruhan sketsa instalasi pompa vakum dan komponen tambahannya dapat dilihat pada Gambar 19. Rangkaian otomasi, solenoid valve, dan pompa vakum harus terhubung dengan tegangan sebesar 220 Volt.
.
4.3.5 Rangka Mesin
Rangka berfungsi sebagai penyangga dan dudukan bagian-bagian mesin. Dalam rancangan ini, bahan-bahan yang digunakan untuk pembuatan rangka mesin harus sesuai dengan beban yang diterima. Beberapa bahan yang dipilih adalah besi hollow, besi plat, besi strip, besi siku, dan besi kanal U yang memiliki ketebalan berbeda. Dimensi spesifik dari rancangan rangka ini dapat dilihat pada Lampiran Gambar.
Rangka ini juga dilengkapi dengan empat kaki penyangga yang difungsikan untuk menyangga seluruh beban mesin saat beroperasi atau saat disimpan di garasi. Hal ini bertujuan agar beban mesin tidak selalu diterima oleh roda. Pada salah satu sisi dari rangka ini dipasang pula tangga untuk pijakan operator. Hal ini dimaksudkan agar operator mampu menjangkau bagian-bagian mesin yang letaknya relatif tinggi. Pada bagian depan rangka ini diberi draw bar
yang dapat ditarik oleh ATV atau traktor untuk mobilisasi mesin di lapangan. Gambar tiga dimensi dari rangka mesin pemanen udang ini dapat dilihat pada Gambar 21.
Dalam rancangan ini, analisis beban yang diterima oleh rangka dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan kesetimbangan gaya dan momen seperti yang dijelaskan pada persamaan (15) dan (16). Sedangkan diagram benda bebas untuk analisis gayanya dapat dilihat pada Gambar 20.
26
... (15)
...(16)
Gambar 20. Diagram benda bebas rangka mesin Dimana:
Wp : Berat pompa sentrifugal (25.2 kg) Wst : Berat safety tank (4 kg)
Wpv : Berat pompa vakum (35 kg)
W1 : Berat sebaran dari rangka, tangki (terisi air), dan operator (118.67 kg) W2 : Berat sebaran dari rangka, tangki (terisi air), dan operator (138.99 kg) W3 : Berat sebaran dari rangka dan tangki (terisi air) (98.83 kg)
W4 = W3 = W5 = W6
Berdasarkan analisis dan perhitungan gaya yang bekerja pada rangka, diperoleh besarnya beban yang diterima oleh dpn1, dpn2, blk1, dan blk2 berturut-turut adalah sebesar 2089.96 N, 1668.81 N, 1767.37 N dan 1502.21 N. Bahan yang digunakan untuk kaki penyangga pada rangka ini adalah hollow S45C. Dari analisis kekuatan bahan diperoleh tegangan yang terjadi pada kaki penyangga dengan beban terberat (dpn1) adalah sebesar 0.978 kg/mm2. Desain ini dapat digunakan karena nilainya masih dibawah tegangan ijin yakni sebesar 7.25 kg/mm2.
Selain dilakukan analisis beban yang diterima oleh kaki penyangga, pada desain ini juga dilakukan analisis beban pada chasis bawah. Bahan yang digunakan adalah baja kanal U (UNP 50) berdimensi 50mm x 38 mm x 5 mm jenis S45C. Dengan beban terberat (W2) sebesar 1362.10 N, maka diperoleh tegangan geser yang terjadi sebesar 1.88 N/mm2, tegangan bengkok sebesar 5.37 kg/mm2, dan defleksi sebsesar 1.62 mm. Perhitungan beserta pemilihan bahan selengkapnya disajikan pada Lampiran 6.
dpn2 dpn1 blk2 blk1 B2 B1 Wpv A2 A1 Wp W1 W2 W3 W4 W5 W6 Wst
27 Gambar 21. Rangka mesin pemanen udang tipe vakum
4.3.6 Roda Mobilisasi
Roda mobilisasi ini berfungsi untuk membantu mobilisasi mesin dari satu tempat ke tempat lain. Roda ini menerima beban keseluruhan mesin saat mobilisasi dilakukan. Oleh karena itu perlu dibuat rancangan yang tepat, baik dari segi bentuk, ukuran, maupun pemilihan bahan agar dapat berfungsi dengan baik dan tahan lama.
Roda yang digunakan sebanyak dua buah berukuran 13 inchi yang disambung dengan poros baja S45C berdiameter 32 mm. Selain itu, pada poros roda diberi dua buah pillow block
agar dapat dipasangkan pada rangka mesin. Roda ini dapat dilihat pada Gambar 22, sedangkan diagram benda bebasnya dapat dilihat pada Gambar 23. Berdasarkan analisis dan perhitungan gaya yang bekerja pada rangka, diperoleh besarnya beban yang diterima oleh R1 dan R2 berturut-turut adalah sebesar 1282.07 N dan 1238.49 N. Oleh karena itu, dipilih roda yang sudah beredar di pasaran dengan kode 80/100-17M/C 46 P yang memiliki load index sebesar 161 kg dengan velg gerobak. Perhitungan dan pemilihan tipe roda dan diameter poros secara lengkap disajikan pada Lampiran 7.
28 Gambar 22. Roda mesin pemanen udang tipe vakum
Gambar 23. Diagram benda bebas roda mesin
... (17)
... (18) Setelah menentukan rancangan fungsional dan struktural, maka dibuatlah konseptualisasi gambar secara keseluruhan dari mesin ini dengan menggunakan software CATIA V5. Gambar 24 menunjukkan rancangan tiga dimensi dari mesin pemanen udang tipe vakum ini. Setelah itu, dilakukan proses manufaktur sesuai dengan bahan dan dimensi yang telah ditetntukan pada analisis rancangan.
b
R1 R2
F1 F2
29 Gambar 24. Rancangan tiga dimensi mesin pemanenan udang tipe vakum
30