PERANCANGAN ALAT BOR AIRTANAH DANGKAL DENGAN SISTEM SEMI MEKANIK

(1)

PERANCANGAN ALAT BOR AIRTANAH DANGKAL

DENGAN SISTEM SEMI MEKANIK

Bambang Sulaksono, Hajar Dwi Cahyono

Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Pancasila

Jl. Srengseng Sawah Jagakarsa, Jakarta Selatan 12640 - Indonesia Telp: (021) 78880305, 7270086, Fax: (021) 7864721, 7271868 Email: humas@univpancasila.ac.id, Website: www.univpancasila.ac.id

Abstrak

Air adalah sumber daya alam yang mutlak diperlukan oleh manusia dan mahluk hidup lainnya karena merupakan salah satu elemen sumber kehidupan. Manfaat air sangat banyak sekali, selain digunakan sebagai bahan baku juga digunakan didunia industri sebagai pemutar turbin pada pembangkit tenaga listrik pendingin pada (radiator) mesin. Untuk kebutuhan sehari – hari kita membutuhkan air bersih dan salah satu cara untuk mendapatkannya yaitu dengan melakukan pengeboran tanah hingga mencapai kedalaman air bawah tanah (Akuifer artesis). Pengeboran diasumsikan pada kekerasan batuan lapuk yang berada di dalam tanah. Mata bor yang digunakan berbahan cabide yang mana mendapatkan putaran dari motor bensin setelah melalui dua reduksi putaran yaitu pulley belt dan bevel gear. Batang pipa pemutar adalah hollow sebagai jalur air tekan dimana berfungsi membuang hasil pengeboran yang berupa lumpur. Proses perhitungan menggunakan metode VDI 2221 sebagai pemilihan varian bentuk. Alat bor air tanah dengan kedalaman pengeboran mencapai 25 s/d 50 meter berdiameter 4 inch yang melibatkan operator satu atau dua orang.

Kata kunci: Akuifer Artesis, Bor, Drag bit drilling, Sumur

I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang

Air adalah sumber daya alam yang mutlak diperlukan oleh manusia dan mahluk hidup lainnya karena merupakan salah satu elemen sumber kehidupan. Air dapat berwujud cairan, padat (es) dan berwujud uap air (awan di udara). Zat ini menutupi hampir 71% permukaan bumi dan terdapat 1,4 triliun kilometer kubik (330 juta mil3_{) tersedia di bumi. Sebagian besar terdapat di}

laut (air asin) dan pada lapisan – lapisan es di kutub utara dan kutub selatan bumi. Struktur kimia yang memiliki molekul hydrogen berjumlah dua dan oksigen berjumlah satu ini memilki fungsi sebagai pelarut zat kimia lainnya didalam tubuh manusia pada proses metabolisme dan mengangkut sel darah menuju ke seluruh penjuru tubuh manusia. Sedanngkan pada tumbuhan, fungsi air dibutuhkan pada proses fotosintesis dan respirasi. Manfaat air dalam industri sangat banyak sekali, selain digunakan sebagai bahan baku juga digunakan sebagai pemutar turbin pada pembangkit tenaga listrik, pendingin (radiator) mesin. Air yang digunakan secara langsung dan pada umumnya adalah air yang jernih. Air jernih didapat dari hujan, mata air, sungai, danau. Gerakan air didalam tanah

sangat erat berkaitan dengan struktur geologi, maka untuk mendapatkan ait tanah adalah mutlak memahami geologi pada setiap daerah yang berbeda.

Beberapa cara untuk mendapatkan air tanah diantaranya menggunakan:

1. Metode gali,

2. Bor manual (tenaga manusia) 3. Mesin otomatis

Untuk itu penulis merancang alat bor dengan sistem semi mekanik diharapkan waktu yang dibutuhkan sedikit, energi rendah, tidak membutuhkan space yang luas, relatif murah dan aman (efektif dan effisien).

1.2 Identifikasi Permasalahan

Permasalahan – permasalahan yang timbul dari metode yang telah disebutkan diatas antara lain:

1. Metode gali, akibat atau dampak dari sistem ini sering terjadinya kecelakaan kerja, yaitu pada kedalaman tertentu, lubang yang digali ini dapat mengeluarkan gas beracun maka penggali akan mengalami keracunan yang berdampak kematian.

2. Bor manual (tenaga manusia), metoda ini dibutuhan waktu, biaya dan tenaga banyak

(2)

yaitu dengan cara sekitar empat hingga lima orang memutar pipa besi yang disambung-sambung sehingga sangat tergantung dari fisik dan stamina manusia.

3. Mesin otomatis, metoda ini waktu yang

dibutuhkan sangat singkat namun

membutuhkan biaya besar dan area untuk menempatkan mesin.

1.3 Tujuan Penulisan

Tujuan yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah: Mengoptimalkan pengambilan air tanah dalam waktu yang efektif dan efisien dari segi waktu, biaya dan tenaga dibandingkan menggali dan mengebor manual.

1.4 Pembatasan Masalah

Mengingat permasalahan untuk

merancang mesin bor air tanah dengan sistem semi mekanik ini menbutuhkan waktu dan kajian luas, maka dilakukan pembatasan masalah sebagai berikut:

1.

Penelitian ini hanya dilakukan pada tahap perhitungan yang meliputi bagian alat bor air tanah

2.

Menghitung dan menganalisa gaya pada poros batang yang digerakkan oleh motor

3.

Menganalisa reduksi putaran.

4.

Membuat gambar kerja

5.

Kekuatan kontruksi / kerangka

6.

Mata bor yang digunakan sesuai standar yang telah ada.

II. METODOLOGI PENELITIAN

Langkah – langkah yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:

Gambar 1. Diagram alir metodologi penelitian

III. LANDASAN TEORI 3.1 Teori Dasar Tanah

Bahan-bahan pembentuk tanah dapat berbeda-beda dari satu tempat dengan tempat lainnya. Demikian juga dengan jenis-jenis tanah. Jenis tanah juga dapat berbeda di setiap tempat. Hal ini tergantung pada jenis batuan yang mengalami pelapukan di tempat itu. Jenis tanah dapat dibedakan menjadi tanah berhumus, tanah berpasir, tanah liat, dan tanah berkapur.

3.1.1 Jenis-jenis Tanah  Tanah Berhumus  Tanah Berpasir  Tanah Podzolik  Tanah Aluvial  Tanah Laterit 3.1.2 Spesifikasi Tanah

 Tanah butir kasar (coarse-grained-soil) yaitu tanah kerikil dan pasir dimana kurang dari 50% berat total

 Tanah berbutir halus (fine-grained-soil) yaitu tanah dimana lebih dari 50 % berat total

(3)

Tabel 1 Simbol Tanah Berdasarkan Unified System 3.1.3 Lapisan Tanah  Lapisan O  Lapisan A  Lapisan B  Lapisan C  Lapisan R

Gambar 2. Lapisan Tanah

3.2 Teori Dasar Enginering

1. MekanikaStruktur Rangka Baja 2. Teori Penyambungan

a.

Sambungan Ulir

b.

Sambunganlas

3. Poros/batang pemutar (Shaft)

 Poros dengan beban puntir

 Porosdengan beban lentur

 Poros dengan kombinasi beban puntir dan beban lentur

 Poros dengan Beban Fluktuasi 4. Penerus Energy (Motor Penggerak) 5. Komponen Engine  Mata Bor  Roda Gigi  Pasak  Sabuk/Belt  Bantalan

IV. ANALISA DAN PEMBAHASAN

Tabel 2 Varian Perancangan

Teknik Mesin UP Daftar Spesifikasi Demand or Wishes Persyaratan D D Dimensi

Ukuran menyesuaikan tinggi motor dan panjang pipa

Mudah untuk dipindahkan D

D W

Matrial

Material yang digunakan untuk mesin bor : kuat dan kokoh terhadap beban

Komponen reduksi putaran tidak mudah karatan

Umur penggunaan yang lama D

Energi

 Penggerak tidak tergantung power source D D D D Ergonomis Pengoperasian mudah Ramah lingkunan

Nyaman dalam pengoperasian

Pengeboran relatif cepat D

Keselamatan

Tidak membahayakan pengguna mesin D

D

Perawatan

Tidak memerlukan perawatan khusus

Pergantian atau pemasangan komponen yang rusak mudah dilakukan

D

Perakitan

Jumlah komponen sedikit W

Biaya

Cukup murah

4.1 Kombinasi dan Pemilihan Kombinasi Prinsip Solusi

Dalam perancangan dan pembuatan alat bor tanah ini dipergunakan metode kombinasi. Untuk mendapatkan kombinasi terbaik harus dilakukan pengeleminasian dan pemilihan. Kriteria yang harus diperhatikan dalam memilih kombinasi adalah:

a. Sesuai dengan fungsi keseluruhan.

b. Memenuhi demand dari daftar

spesifikasi.

(4)

Apabila kombinasi masih cukup banyak, maka dalam memilih kombinasi terbaik yang harus diperhatikan:

a. Segi keamanan dan kenyamanan. b. Ada kemungkinan pengembangan.

Penambahan kriteria dalam pemilihan bisa dilakukan apabila kriteria dapat membantu dalam menentukan kombinasi terbaik.

4.2 Pembuatan Konsep Varian

Dalam pembuatan konsep varian kita harus memperhatikan segi teknik dan ekonominya. Konsep varian dapat di buat berdasarkan data-data di bawah ini :

Sketsa dan kemungkinan bentuk rancangan dan bentuk fisiknya.

1. Perhitungan kasar yang di dasarkan pada asumsi.

2. Penelitian lebih lanjut untuk pengembangan teknologi.

3. Riset lapangan untuk penganalisaan.

Gambar 3 konsep perhitungan mesin 1

4.3 Evaluasi

Konsep varian yang telah dibuat harus dievaluasi satu persatu. Evaluasi berarti menentukan harga, keuntungan, kekuatan sebuah solusi apakah memenuhi tujuan. Evaluasi ini termasuk membandingkan sebuah solusi dengan solusi yang dianggap ideal. Dalam mengevaluasi konsep ini kita dapat menggunakan metode Guide Line VDI 2221 yang merupakan kombinasi evaluasi dari segi teknik dan ekonomi.

Gambar 6 Pembobotan Evaluasi

Dari pembobotan didapat penilaian sebagai berikut:

(5)

Varian 1 : 2,46 Varian 2 : 2,145 Varian 3 : 2,47

Untuk menentukan rating tiap varian diatas maka digunakan rumus sebagai berikut :

WRj = 𝑂𝑊𝑉𝑗 𝑉 max ∑𝑛_𝑖=0𝑊𝑖 Sehingga: Varian 1 = WRj = 2,46 3 𝑥 15 = 0,0546 Varian 2 = WRj = 2,145 3 𝑥 15 = 0,0476 Varian 3 = WRj = 2,47 3 𝑥 15 = 0,0548

Ranking 1 : Rating Varian 3 = 0,0548 Ranking 2 : Rating Varian 1 = 0,0546 Ranking 3 : Rating Varian 2 = 0,0476

Setelah ranking ketiga varian diketahui maka perencanaan mesin bor air tanah dipilih varian 3 karena memiliki rating paling tinggi.

4.4 Perhitungan Alat Bor

Kekerasan tanah tak terdrainasi terkeras adalah 500 [kPa]. Diasumsikan material terkeras yang dibor adalah batuan lapuk dengan gaya 2600 [kg]. Diameter lubang 4”. Putaran terendah adalah 25 rpm

w = 2600 [kg] = 25506 [N]

r = 101,6/2 = 50,8 [mm] = 0,0508 [m] Torsi yang dibutuhkan:

T = w . r T= 25506 x 0,0508 = 1295704,8 [N.m] P = 2 𝜋 𝑛 𝑇 60 = 2 𝜋 25 1295,704 60 = 3392,147 [Watt] P = 3392,147 [Watt] 735 = 4,6 [HP] Pd = fc p [kW] = 2 . 3,381 = 6,762 [kW] = 9,2 [HP]

Motor yang ada pada pada pasaran memiliki putaran maksimum 0 s/d 2500 [rpm]

Dalam perhitungan alat ini jika putaran

diambil maksimum adalah 2500 maka

membutuhkan stage penurun kecepatan

menggunakan dua jenis penurun putaran, yaitu pulley belt dengan rasio 5:1 dan bevel gear dengan rasio 4:1. Jika putaran maksimal output dari motor adalah N1 = 2500 [rpm], maka setelah

melalui belt diturunkan menjadi 500 [rpm], lalu keluaran dari belt masuk menuju bevel gear adalah N2= 500 [rpm] dan setelah melalui bevel

gear diturunkan menjadi N3 = 125 [rpm].

Bahan pipa yang digunakan dalam pembuatan alat ini adalah pipa baja khusus untuk pengeboran

(Drill Pipe) sesuai dengan standar API (American Petroleum Institute) Seamless Drill Pipe 5D, API 5D E75 dengan kekuatan tarik 689 [MPa], yield min: 517 [MPa]

Tabel 3 Drill Pipe API 5D

Gaya kritis pada perancanaan alat ini adalah:

Pcr = 4𝜋2.𝐸.𝐼 (0,5 𝐿)2

Karena bagian ujung atas pipa fixed pada sambungan ulir swivel dan ujung bawah mata bor fixed menancap pada tanah.

Diketahui σy = 517 [MPa] L = 1,5 [m] = 1500 [mm] d0 = 2,375” di = 1,815” E = 50% x 517 [MPa] = 258,5 [MPa] = 26,359 [kg/mm2_] I = 𝜋 32 (do 4_{– di}4₎ = 𝜋 32 (60,325 4_{– 46,101}4_{) = 856690,748 [mm}4_] Pcr = 4𝜋2.26,359 .856690,748 (0,5 1500)2 = 1584,857 [kg]

(6)

Jika pada kedalaman 50 meter, maka gaya kritis Pcr =

4𝜋2.26,359 .856690,748

(0,5.50000)2 = 14,26 [kg]

V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan

1. Biaya pembuatan alat bor ini lebih murah dibandingkan dengan mesin bor lain yang mempunyai prinsip kerja yang hampir sama.

2. Alat bor ini dapat digunakan untuk pengeboran pada ruang yang terbatas (sempit).

3. Jika alat ini digunakan untuk jasa pengeboran dengan kedalaman minimal 35 meter, maka biaya dalam 2 (dua) kali jasa pengeboran tersebut sudah dapat mengembalikan modal pembuatan alat bor air tersebut.

5.2 Saran

Untuk menghemat harga dapat

menggunakan motor dengan posisi shaft vertikal sehingga tidak memakai pulley dan roda gigi namun dengan kosekuensi kerja motor menjadi berat yang akan berdampak bahan bakar sedikit lebih boros.

DAFTAR PUSTAKA

1. Gupta T.K., Khurmi R. S. 2005. Machine Design. New Delhi: Eurasia Publishing House (PVT.) Ltd.

2. Sularso, Ir., MSME., Kiyokatsu Suga. 2002. Elemen Mesin. Jakarta: Pradya Pramitha.

3. Robert L. Mott, P.E.,2004. Machine Elements In Mechanical Design Fourth Edition. New Jersey Ohio: Pearson Education, Inc.

4. Linsley, J.R., Max A. Kohler., Joseph L, H. Paulhus. 1989. Hidrologi Untuk Insinyur. Jakarta: Erlangga.

5. Santosh Kumar Garg. 1989. Irigation Enginering and Hydraulic Structures. Delhi: Khanna Publishers.

6. Suryanto, Drs. (1995). Elemen Mesin 1, Bandung, Unit Penerbit Politeknik. 7. McDonald, R. C. et al. 1990. Australian

Soil and Land Survey Field Handbook, 2nd Ed. Melbourne: Inkata Press.

8. Dwi Rahdiyanta, Dr. 2010. Proses Gurdi (Drilling), (Modul Kerja Bangku Jurusan Teknik Mesin). Universitas Negeri Yogyakarta.

9. Andius Dasa Putra, Ir., M.T., 2011. Handbook. Struktur Permukaan Bawah Tanah, Porositas, dan Media Porus.