commit to user
i
OPTIMALISASI TRANSMISI PLTA – PICO HYDRO
SEBAGAI PENUNJANG KONVERSI ENERGI MEKANIK
MENJADI LISTRIK
SKRIPSI
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik
Oleh :
AKHMAD NURDIN I1413005
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA
commit to user
commit to user
commit to user
iv
MOTTO
ﻲ ِﺧَ أ ْﻦَﻟ َلﺎَﻨَﺗ َﻢْﻠ ِﻌﻟا ﱠﻻِ إ ٍﺔﱠﺘ ِﺴِ ﺑ َﻚْﯿِ ﺒْﻧُ ﺄَﺳ ْﻦَﻋ ﺎَﮭِﻠْﯿ ِﺼْﻔَﺗ : ٍنﺎَﯿَﺒِ ﺑ ٌءﺎَﻛَذ ٌص ْﺮِﺣ َو ٌدﺎَﮭِﺘ ْﺟا َو ٌﻢَھ ْرِد َو ُ ﺔَﺒ ْﺤ ُﺻ َو ٍذﺎَﺘْﺳُ أ ُل ْﻮُ ط َو ٍنﺎ َﻣ َز
“Wahai saudaraku ilmu tidak akan diperoleh kecuali dengan enam perkara yang akan saya beritahukan perinciannya, yaitu (1) kecerdasan, (2) semangat, (3) sungguh-sungguh, (4) berkecukupan, (5) bersahabat (belajar) dengan ulama, dan (6) membutuhkan waktu yang lama.”
commit to user
v
OPTIMALISASI TRANSMISI PLTA PICO HYDRO SEBAGAI PENUNJANG KONVERSI ENERGI MEKANIK MENJADI LISTRIK
AKHMAD NURDIN
akhmadnurdin.89@gmail.com
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret
Surakarta
Generator akan menghasilkan energi listrik yang optimal apabila terdapat sistem drive mengirimkan daya dari turbin ke generator dengan arah putaran dan kecepatan sesuai yang dibutuhkan. Tujuan dari penelitian ini bagaimana merancang transmisi roda gigi yang diaplikasikan pada PLTA pico hydro. Terdapat beberapa hal yang diperhatikan dalam merancang transmisi roda gigi, yaitu tegangan bending dan tegangan kontak pada gigi, serta tegangan geser pada porosnya yang masing-masing disimulasikan menggunakan ANSYS 14,5. Bahan yang digunakan untuk membuat roda gigi adalah nylon 6 atau polyamide 6, sedangkan bahan yang digunakan poros adalah ptfe atau teflon. Selanjutnya jika desain disetujui, proses manufacture dapat dimulai. Jika proses manufacture selesai, dilakukan pengujian transmisi pada prototipe pico hydro.
Hasil penelitian didapat adalah rasio total transmisi roda gigi 1:2,65 dengan dua buah pasang roda gigi masing-masing memiliki rasio 1:1,73 dan 1:1,52. Simulasi menggunakan ANSYS 14,5 menunjukkan nilai tegangan bending terbesar 6,1453 MPa pada roda gigi driven pasangan pertama, tegangan kontak terbesar 15,415 MPa pada roda gigi driving paangan pertama, tegangan geser terbesar 1,7688 MPa pada poros output. Pada pengujian transmisi menunjukkan daya listrik yang dihasilkan transmisi roda gigi lebih tinggi dibandingkan daya listrik yang dihasilkan transmisi langsung.
commit to user
vi
OPTIMIZATION OF TRANSMISSION FOR PICO HYDROPOWER AS SUPPORTING CONVERSION MECHANICAL INTO ELECTRICAL
ENERGY
AKHMAD NURDIN
akhmadnurdin.89@gmail.com
Department of Mechanical Engineering Faculty of Engineering
Sebelas Maret of University Surakarta
Generator generate optimum electrical energy if drive system sends the power from turbine to generator with the direction of rotation and speed as needed. The object of this research is how to design spur gear transmission apply for pico hydropower. There are several point to design spur gear transmission, i.e. the bending stress and contact stress on the teeth, and shear stress on the
shaft.The strength of the tooth and shaft, simulation using by Ansys Workbench
14.5. Materials used to manufacture gears is nylon 6 or polyamide 6 and the shaft material is teflon or ptfe. Furthermore if design allowable the process of manufacture can be begin, and if manufacture finished, carried testing transmission on the pico hydropower prototype
The result of this research are the design spur gear transmission have total gear ratio 1: 2.65 with two pairs of gears each 1: 1.73 and 1: 1.52. Simulate
using by Anys Workbench 14.5 shows the value largest bending stress 6,1453
MPa on the gear driven first mate, the contact stress 15,415 MPa on the gears
driving first mate, and shear stress 1,7688 MPa on the output shaft. Experimental
test the transmission show the gear transmission produce electric power higher than the electric power produced by direct transmission.
Keyword : Pico Hydro, Spur Gear, Polyamide 6, Ansys Workbench
commit to user
vii
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur Alhamdulillah penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, yang senantiasa melimpahkan rahmat, hidayah serta kekuatan kepada Penulis, sehingga Penulis dapat melaksanakan penelitian dan menyelesaikan laporan Tugas Akhir dengan judul, “Optimalisasi Transmisi PLTA - Pico
Hydro sebagai Penunjang Konversi Energi Mekanik menjadi Listrik” sebagai
salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta.
Dalam penyusunan Tugas Akhir ini penulis banyak memperoleh bantuan dari berbagai pihak yang sangat berarti demi kesempurnaan Tugas Akhir ini. Oleh sebab tersebut pada kesempatan ini penulis mengucapkan rasa terima kasih kepada:
1. Bapak Dr.Eng.Syamsul Hadi, ST ,MT, selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin UNS.
2. Bapak Prof.Dr.Dwi Aries Himawanto, S.T.,M.T., selaku Pembimbing I tugas akhir, atas bimbingan, nasehat, kesabaran, motivasi dan ilmu pengetahuan yang diajarkannya.
3. Bapak D. Danardono DPT, ST., MT., Ph.D., selaku Pembimbing II tugas akhir, atas bimbingan, nasehat, dan ilmu pengetahuan yang diajarkannya. 4. Bapak Sukmaji Indro Cahyo, ST., MT., selaku Pembimbing teknis dan
lapangan, atas bimbingan, nasehatnya.
5. Bapak Eko Prasetya Budiana, ST ,MT, selaku Pembimbing Akademik. 6. Bapak-bapak dosen dan staf karyawan di lingkungan Teknik Mesin UNS,
atas didikan, nasehat, ilmu yang diajarkan dan kerjasamanya.
7. Ayah, Ibu dan kakak yang selalu memberikan dorongan semangat dan doa kepada Penulis terima kasih untuk kasih sayangnya.
8. Teman-teman Teknik Mesin transfer angkatan 2013 dan teman-teman Teknik Mesin UNS.
9. Seluruh pihak yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan skripsi ini termasuk bengkel las Pak Yadi dan warga kaplingan RT 02.
commit to user
viii
Dengan segenap bantuan dan dukungan yang telah diberikan kepada penulis semoga akan mendapat limpahan berkah dari Allah SWT. Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih belum dapat dikatakan sempurna, untuk itu dengan sangat dan rendah hati penulis menerima kritikan maupun saran yang membangun demi kesempurnaan Tugas Akhir tersebut. Akhir kata penulis berharap Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi para pembaca pada umumnya dan penulis pada khususnya.
Surakarta, Januari 2016 Penulis
commit to user
ix
DAFTAR ISI
ABSTRAK ... v
KATA PENGANTAR ... vii
DAFTAR ISI ... ix
DAFTAR GAMBAR ... xi
DAFTAR TABEL ... xii
DAFTAR NOTASI... xiii
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1 1.2 Perumusan Masalah ... 3 1.3 Tujuan Penelitian... 3 1.4 Batasan Masalah ... 3 1.5 Manfaat Penelitian ... 4 1.6 Metode Penulisan ... 4
BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Tinjauan Pustaka ... 6
2.2 Dasar Teori... 9
2.2.1 Pembangkit Listrik Tenaga Air Pico Hydro ... 9
2.2.2 Transmisi Roda Gigi ... 11
2.2.3 Macam-Macam Roda Gigi (Gear) ... 13
2.2.4 Dasar perhitungan mekanika roda gigi ... 19
2.2.5 Poros dan Pasak ... 23
2.2.6 Nylon dan PTFE ... 25
2.2.7 Generator ... 26
2.2.8 Metode Elemen Hingga ... 27
BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Peralatan yang Digunakan ... 28
3.2 Dinamometer ... 28
3.3 Daya Turbin ... 29
3.4 Perbandingan Transmisi ... 29
3.5 Metode Elemen Hingga ... 30
3.5.1 Permodelan Geometri ... 30
3.5.2 Kondisi batas ... 31
3.5.3 Meshing ... 31
3.6 Pengujian Transmisi ... 32
3.7 Garis Besar Pelaksanaan Penelitian ... 32
BAB IV HASIL DAN ANALISA 4.1 Perencanaan dan Perhitungan Transmisi ... 34
4.1.1 Perencanaan Spur Gear ... 34
4.1.2 Perencanaan Poros dan Pasak... 37
4.2 Distribusi Tegangan ... 39
4.2.1 Tegangan Roda Gigi ... 39
commit to user x 4.3 Pengujian Transmisi ... 46 BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan ... 48 5.2 Saran ... 48 DAFTAR PUSTAKA ... 49 LAMPIRAN ... 51
commit to user
xi
DAFTAR TABEL
Tabel 1.1 Sumber energi baru dan terbarukan Di Indonesia (BPPT, 2014) . 1
Table 1.2 Klasifikasi PLTA berdasarkan dayanya (Ho-Yan, 2012) ... 2
Table 2.1 Klasifikasi PLTA berdasarkan dayanya (Ho-Yan, 2012) ... 9
Tabel 2.2 Perbandingan pemilihan turbin berdasarkan karakteristiknya 10 (Ho-Yan, 2012) ... 10
Tabel 2.3 Standar proporsional roda gigi lurus (Khurmi dan Gupta, 2005) . 19 Tabel 2.4 Nilai service factor (C ) (Khurmi dan Gupta, 2005) ... 20
Tabel 2.5 Nilai y Lewis Factor (Khurmi dan Gupta, 2005) ... 21
Tabel 2.6 Nilai faktor dinamis (Sularso, 1997) ... 21
Tabel 2.7 Faktor koreksi daya yang dipindahkan ... 23
Tabel 2.8 Ukuran pasak berdasarkan diameter poros ... 25
Tabel 2.9 Sifat kekuatan mekanik nylon 6 atau Polyamide 6 ... 25
Tabel 2.10 Sifat kekuatan mekanik PTFE atau Teflon ... 26
commit to user
xii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Skema pembangkit listrik turbin propeller (Ho-Yan, 2012) ... 9
Gambar 2.2 Macam-macam turbin implus (Bonhomme, 2004)... 10
Gambar 2.3 Diagram sederhana gearbox (Bhatia, 2012) ... 11
Gambar 2.4 Rangkaian sederhana roda gigi (Bhatia, 2012) ... 12
Gambar 2.5 Rangkaian compound (gabungan) (Bhatia, 2012) ... 13
Gambar 2.6 Rangkaian Planetary/Epicyclic (Bhatia, 2012) ... 13
Gambar 2.7 Spur Gear (Cheng, 2011) ... 14
Gambar 2.8 Helical Gear (Cheng, 2011) ... 14
Gambar 2.9 Bevel gear (Chan, 2011) ... 15
Gambar 2.10 Worm gear (Cheng, 2011) ... 15
Gambar 2.11 Terminology roda gigi (Bhatia, 2012) ... 17
Gambar 2.12 Penampang permukaan roda gigi (Bhatia, 2012) ... 17
Gambar 2.13 Pemilihan module roda gigi lurus (Sularso, 1997) ... 18
Gambar 2.14 Gaya-gaya pada gigi (Khurmi dan Gupta, 2005) ... 19
Gambar 2.15 Tegangan kontak pada roda gigi (Sularso, 2007) ... 22
Gambar 2.16 Penampang pasak (Chan, 2011) ... 25
Gambar 3.1 Skema rope brake ... 28
Gambar 3.2 Daya turbin eksperimental ... 29
Gambar 3.3 Bentuk permodelan roda gigi ... 30
Gambar 3.4 Bentuk permodelan poros ... 30
Gambar 3.5 Kondisi batas pada roda gigi ... 31
Gambar 3.6 Kondisi batas pada poros ... 31
Gambar 3.7 Diagram alir penelitian ... 33
Gambar 4.1 Tegangan bending maksimal roda gigi driving pasangan pertama ... 40
Gambar 4.2 Tegangan bending maksimal roda gigi driven pasangan pertama ... 40
Gambar 4.3 Tegangan kontak maksimal roda gigi pasangan pertama ... 41
Gambar 4.4 Nilai keamanan minimal roda gigi pasangan pertama ... 41
Gambar 4.5 Tegangan bending maksimal roda gigi driving pasangan kedua ... 42
Gambar 4.6 Tegangan bending maksimal roda gigi driven pasangan kedua ... 42
Gambar 4.7 Nilai keamanan minimal roda gigi pasangan kedua ... 42
Gambar 4.8 Tegangan kontak maksimal roda gigi pasangan kedua ... 43
Gambar 4.9 Tegangan maksimal pada poros input ... 44
Gambar 4.10 Nilai keamanan minimal pada poros input... 44
Gambar 4.11 Tegangan maksimal pada poros tengah ... 45
Gambar 4.12 Nilai keamanan minimal pada poros tengah ... 45
Gambar 4.13 Tegangan maksimal pada poros output ... 46
commit to user
xiii
DAFTAR NOTASI
Notasi Deskripsi Satuan
Perbandingan addendum dengan module -
Lebar gigi mm
service factor -
Faktor beban lentur -
Diameteral Pitch mm
E Modulus Elastisitas MPa
Faktor koreksi daya -
Faktor dinamis
G Gaya gravitasi m/s2
Gear Ratio
J Inertia Polar mm4
Faktor tegangan kontak -
Faktor besaran torsi -
Module -
Putaran rpm
Daya Watt
Daya koreksi Watt
r Jari-jari Mm sf Safety Factor - Torsi Nmm Poisson's ratio - Kecepatan keliling mm/s Gaya tengensial N y Faktor Lewis -
Jumlah gigi pinion -
Jumalh gigi gear/besar -
η Efisiensi %
Kecepatan sudut rad/s
Bilangan phi -
θ Pressure angle 0
Tegangan bending MPa
Tegangan kontak MPa
σt Tegangan tarik MPa
τ Tegangan geser MPa
