SHRIMP POND AERATOR DESIGN USING SOLAR CELL AS A SOURCE OF ENERGY USING SOFTWARE CATIA V5 R14

- 1 -

SHRIMP POND AERATOR DESIGN USING SOLAR CELL AS

A SOURCE OF ENERGY USING SOFTWARE CATIA V5

R14

EKO HARIYONO, DR. SRI POERNOMO SARI, ST., MT

Undergraduate Program, Industry Technology, 2009

Gunadarma University

http://www.gunadarma.ac.id

Keywords: Aerator, Static Analysis, Design, Axis, Puli, Belt

ABSTRACT:

Aerator is a tool to help the shrimp farmers in a stream of air or oxygen into the

water for the survival of these shrimps. In the design of aerator used in solar cell

as an energy source to operate the aerator in case of temporary power

outages.Aerator consists of several components supporting the electric motor,

pulleys and shaft the player who serves as the drive components. The role of the

supporting component is very important, because it is necessary for good design

and one of them is in terms of strength, where the framework of the machine

accept the burden of some component itself. Discussed the planning of pulleys,

shafts, belts and static load analysis in order to aerator through simulation by

using the CATIA V5R14 software. Material order aerator used was AISI 1010

steel construction. The analysis of static load produced maximum von mises stress

3.02 x 108 N/m2 with a safety factor of 1.01.

PERANCANGAN AERATOR TAMBAK UDANG

DENGAN

SOLAR CELL SEBAGAI SUMBER

ENERGI

MENGGUNAKAN SOFTWARE CATIA V5

R14

NPM : 20404233

Nama : Eko Hariyono

Pembimbing : Dr. Sri Poernomo Sari, ST., MT

Tahun Sidang : 2010

Subjek : mekanika bahan,

Judul

PERANCANGAN AERATOR TAMBAK UDANG DENGAN

SOLAR CELL SEBAGAI SUMBER ENERGI

MENGGUNAKAN SOFTWARE CATIA V5 R14

Abstraksi

Aerator merupakan alat untuk membantu para pembudidaya udang dalam

mengalirkan udara atau oksigen kedalam air untuk kelangsungan hidup

udangudang

tersebut. Pada perancangan aerator digunakan solar cell sebagai sumber

energi untuk mengoperasikan aerator apabila terjadi pemadaman listrik

sementara. Aerator terdiri dari beberapa komponen penunjang yaitu motor

listrik, puli dan poros pemutar yang berfungsi sebagai komponen penggerak.

Peranan dari komponen penunjang tersebut sangatlah penting, karena itu perlu

dilakukan perancangan yang baik dan salah satunya yaitu dari segi kekuatan ,

dimana rangka mesin menerima beban dari beberapa komponen itu sendiri.

Dibahas mengenai perencanaan puli, poros, sabuk serta analisa beban statik

pada rangka aerator melalui simulasi dengan menggunakan software CATIA

V5R14. Material rangka aerator yang dipakai adalah baja konstruksi AISI 1010.

Adapun analisa beban statik tersebut menghasilkan tegangan von mises

- 3 -

Perancangan Dan Pembuatan Aerator Tambak Udang Dengan

Menggunakan Sollar Cell Sebagai Sumber Energi

Sri Poernomo Sari

*)

, Eko Hariyono

**)

Abstraksi

Aerator merupakan alat untuk membantu para pembudidaya udang dalam mengalirkan udara atau oksigen kedalam air untuk kelangsungan hidup udang-udang tersebut. Pada perancangan aerator digunakan solar cell sebagai sumber energi untuk mengoperasikan aerator apabila terjadi pemadaman listrik sementara. Aerator terdiri dari beberapa komponen penunjang yaitu motor listrik, puli dan poros pemutar yang berfungsi sebagai komponen penggerak. Peranan dari komponen penunjang tersebut sangatlah penting, karena itu perlu dilakukan perancangan yang baik dan salah satunya yaitu dari segi kekuatan , dimana rangka mesin menerima beban dari beberapa komponen itu sendiri. Dibahas mengenai perencanaan puli, poros, sabuk serta analisa beban statik pada rangka aerator melalui simulasi dengan menggunakan software CATIA V5R14. Material rangka aerator yang dipakai adalah baja konstruksi AISI 1010. Adapun analisa beban statik tersebut menghasilkan tegangan von mises maksimal 3,02 x 108 N/m2 dengan faktor keamanan sebesar 1,01.

Kata Kunci : Aerator, Analisa Statik, Perancangan, Poros,Puli, Sabuk I. PENDAHULUAN

Indonesia dengan garis pantai 81000 km memiliki potensi lahan pertambakan yang cukup luas, potensi inilah yang banyak dimanfaatkan penduduk Indonesia untuk menciptakan lapangan pekerjaan pembudidayaan udang. Udang merupakan sumber protein hewani yang bermutu tinggi dan bagi Indonesia udang merupakan primadona ekspor non migas.

Permintaan konsumen dunia terhadap udang rata-rata naik 11,5 % per tahun, maka dari itu dalam pembudidayaan udang perlu memperhatikan beberapa hal penting demi kelangsungan hidup dari udang itu sendiri. Salah satu hal yang harus di perhatikan adalah proses pengaliran udara ke dalam air untuk meningkatkan kandungan oksigen, proses ini harus secara terus-menerus berlangsung,

apabila pemberian oksigen terhenti maka dapat menyebabkan kematian pada udang-udang tersebut.

Saat ini pun Indonesia sedang mengalami krisis energi listrik dan krisis energi bahan bakar minyak sehingga sering terjadi pemadaman listrik dan pada saat pemadaman listrik dapat mengganggu proses aerasi, salah satu solusi untuk mengatasi masalah tersebut adalah dengan memanfaatkan energi alternatif seperti energi matahari menggunakan sel surya (solar cell).

II. LANDASAN TEORI Sel Surya (Solar Cell)

Solar cell merupakan suatu panel yang terdiri dari beberapa sel dan beragam jenis. Penggunaan solar cell ini telah banyak digunakan di negara-negara berkembang dan negara-negara maju dimana pemanfaatannya tidak hanya pada lingkup kecil tetapi sudah banyak digunakan untuk keperluan industri sehingga energi matahari dapat dijadikan sebagai sumber energi alternatif.

Pada sel surya terdapat sambungan (junction) antara dua lapisan tipis yang terbuat dari bahan semikonduktor yang masing-masing diketahui sebagai semikonduktor jenis“P”(positif) dan semikonduktor jeni

s “N” (negatif), Semikonduktor jenis-N dibuat dari kristal silikon dan terdapat juga sejumlah material lain (umumnya posfor) dalam batasan bahwa material tersebut dapat memberikan suatu kelebihan elektron bebas.

Elektron adalah partikel sub atom yang bermuatan negatif, sehingga silikon paduan dalam hal ini disebut sebagai semikonduktor jenis-N (Negatif). Semikonduktor jenis-P juga terbuat dari kristal silikon yang didalamnya terdapat sejumlah kecil materi lain (umumnya boron) yang mana menyebabkan material tersebut kekurangan satu elektron bebas, kekurangan atau hilangnya elektron ini disebut lubang (hole). Karena tidak ada atau kurangnya elektron yang bermuatan listrik negatif maka silikon paduan dalam hal ini sebagai semikonduktor jenis-P (Positif).

Prinsip Kerja Sel Surya

Susunan sebuah solar cell, sama dengan sebuah dioda, terdiri dari dua lapisan yang dinamakan PN junction. PN junction itu diperoleh dengan jalan menodai sebatang bahan semikonduktor silikon murni (valensinya 4) dengan impuriti yang bervalensi 3 pada bagian sebelah kiri, dan yang di sebelah kanan dinodai dengan impuriti bervalensi 5. Sehingga pada bagian kiri terbentuk silikon yang tidak murni lagi dan dinamakan silikon jenis P,

- 5 -

sedangkan yang sebelah kanan

dinamakan silikon jenis N.

Didalam silikon murni terdapat dua macam pembawa muatan listrik yang seimbang. Pembawa muatan listrik yang positif dinamakan hole, sedangkan yang negatif dinamakan elektron. Setelah dilakukan proses penodaan itu, di dalam silikon jenis P terbentuk hole (pembawa muatan listrik positif) dalam jumlah yang sangat besar dibandingkan dengan elektronnya.

Didalam batang silikon itu terjadi pertemuan antara bagian P dan bagian N. Oleh karena itu dinamakan PN junction. Bila sekarang bagian P dihubungkan dengan kutub positif dari sebuah baterai, sedangkan kutub negatifnya dihubungkan dengan bagian N, maka terjadi hubungan yang dinamakan "forward bias".

Dalam keadaan forward bias di dalam rangkaian itu timbul arus listrik yang disebabkan oleh kedua macam pembawa muatan, jadi arus listrik yang mengalir di dalam PN junction disebabkan oleh gerakan hole dan gerakan elektron, arus listrik itu mengalir searah dengan gerakan hole tapi berlawanan arah dengan gerakan elektron.

Sekedar untuk lebih menjelaskan elektron yang bergerak di dalam bahan konduktor dapat menimbulkan energi listrik, dan energi listrik inilah yang disebut sebagai arus listrik yang mengalir berlawanan arah dengan

gerakan elektron. Tapi bila bagian P dihubungkan dengan kutup negatif dari baterai dan bagian N dihubungkan dengan kutub positifnya, maka sekarang terbentuk hubungan yang dinamakan "reverse bias".

Dengan keadaan seperti ini maka hole (pembawa muatan positif) dapat tersambung langsung ke kutub positif, sedangkan elektron juga langsung ke kutub positif. Jadi jelas di dalam PN junction tidak ada gerakan pembawa muatan mayoritas baik yang hole maupun yang elektron. Sedangkan pembawa muatan minoritas (elektron) di dalam bagian P bergerak berusaha untuk mencapai kutub positif baterai.

Ada yang menarik dalam keadaan reverse bias itu, bila suhu PN juction tsb dinaikkan ternyata dapat memperbesar arus bocor yang timbul itu. Berarti bila diberi energi (panas), pembawa muatan minoritas di dalam PN junction bertambah banyak. Karena cahaya itu merupakan salah satu bentuk energi, maka bila ada cahaya yang menimpa suatu PN junction dapat juga menghasilkan energi yang cukup untuk menghasilkan pembawa muatan. Gejala seperti ini dinamakan fotokonduktif.

Bila baterai dalam rangkaian reverse bias itu dilepas dan diganti dengan beban tahanan, maka pemberian cahaya itu dapat

menimbulkan pembawa muatan baik hole maupun elektron. Jika iluminasi cahaya itu ditingkatkan, ternyata arus yang timbul semakin besar. Gejala seperti ini dinamakan photovoltaic.

Jadi sel surya itu pada dasarnya sebuah foto dioda yang besar dan dirancang dengan mengacu pada gejala photovoltaic sedemikian rupa sehingga dapat menghasilkan daya yang sebesar mungkin, silikon jenis P merupakan lapisan permukaan yang dibuat sangat tipis supaya cahaya matahari dapat menembus langsung mencapai junction.

Bagian P ini diberi lapisan nikel yang berbentuk cincin, sebagai terminal keluaran positif. Di bawah bagian P terdapat bagian jenis N yang dilapisi dengan nikel juga sebagai terminal keluaran negatif, untuk mendapatkan daya yang cukup besar diperlukan banyak sel surya.

Biasanya sel-sel surya itu sudah disusun sehingga berbentuk panel, dan dinamakan panel photovoltaic (PV).

Accumulator / Aki

Accumulator atau sering disebut accu / aki adalah salah satu komponen utama pada aerator menggunakan solar cell. Aki mampu mengubah tenaga kimia menjadi energi listrik.

Dikenal dua jenis elemen yang merupakan sumber arus searah (DC) dari proses kimiaiwi, yaitu elemen primer dan elemen sekunder. Elemen primer terdiri dari elemen basah dan elemen

kering. Reaksi kimia pada elemen primer menyebabkan elektron mengalir dari elektroda negatif (katoda) ke elektroda positif (anoda) tidak dapat dibalik arahnya.

Jika muatannya habis maka elemen primer tidak dapat dimuati kembali dan memerlukan penggantian bahan pereaksi (elemen kering). Sehingga dilihat dari sisi ekonomis elemen primer dapat dikatakan cukup boros, contoh elemen primer adalah batu baterai (dry cells).

Elemen sekunder dalam pemakaiannya harus diberi muatan terlebih dahulu sebelum digunakan, yaitu dengan cara mengalirkan arus listrik (secara umum dikenal dengan istilah ’dicharge’). Akan tetapi, tidak seperti elemen primer, elemen sekunder dapat dimuati kembali berulang kali. Elemen sekunder ini lebih dikenal dengan aki.

Dalam sebuah aki berlangsung proses elektrokimia yang reversible (bolak-balik) dengan efisiensi yang tinggi. Yang dimaksud dengan proses elektrokimia reversible yaitu di dalam aki saat dipakai berlangsung proses pengubahan kimia

menjadi tenaga listrik (discharging). Sedangkan saat diisi atau dimuati, terjadi proses tenaga listrik menjadi tenaga kimia (charging).

- 7 -

Inverter

Inverter adalah sebuah rangkaian elektronika yang digunakan untuk mengubah tegangan DC menjadi tegangan AC, prinsip kerja dari sebuah inverter adalah dengan menggabungkan sebuah rangkaian multivibrator yang dihubungkan dengan sebuah transformator penaik tegangan (Step Up). Inverter dapat digunakan untuk mensuplai beban dengan tegangan AC dengan daya yang disesuaikan dengan daya tegangan DC yang tersedia, contoh penggunaan inverter dapat digunakan untuk rangkaian UPS (Uninterrupted Power Supply) untuk suplai tegangan listrik bila terjadi pemutusan listrik dari PLN dengan tiba-tiba.

Inverter dapat diklasifikasikan menjadi 2 macam : (1) inverter 1 fasa, (2) inverter 3 fasa. Inverter biasanya menggunakan rangkaian modulasi lebar pulsa (pulse width modulation – PWM). Inverter juga dapat dibedakan dengan cara pengaturan tegangannya, yaitu : (1) jika yang diatur tegangan input konstan disebut Voltage Fed Inverter (VFI), (2) jika yang diatur arus input konstan disebut Current Fed Inverter (CFI), dan (3) jika tegangan input yang diatur disebut Variable DC linked inverter.

Solar Charge Controller

Solar Charge Controller adalah peralatan elektronik yang digunakan untuk mengatur arus searah yang diisi ke baterai dan diambil dari baterai ke beban,

solar charge controller mengatur overcharging (kelebihan pengisian - karena baterai sudah penuh) dan kelebihan voltage dari panel surya. Kelebihan voltage dan pengisian akan mengurangi umur baterai.

Solar charge controller menerapkan teknologi Pulse width modulation (PWM) untuk mengatur fungsi pengisian baterai dan pembebasan arus dari baterai ke beban, p anel surya 12 Volt umumnya memiliki tegangan output 16 - 21 Volt.

Jadi tanpa solar charge controller, baterai akan rusak oleh over-charging dan ketidakstabilan tegangan. Baterai umumnya di-charge pada tegangan 14 - 14.7 Volt, beberapa fungsi dari solar charge controller adalah sebagai berikut:

• Mengatur arus untuk pengisian ke baterai

• Menghindari over charging, dan over voltage.

• Mengartur arus yang dibebaskan / diambil dari baterai agar baterai tidak full discharge, dan overloading.

Mekanika Kekuatan Material

Salah satu masalah utama mekanika bahan adalah menyelidiki tahanan dalam berupa reaksi atau gaya-gaya dalam dan deformasi. Gaya-gaya dalam, berfungsi untuk meneruskan gaya-gaya luar yang

bekerja pada tumpuan dari sebuah benda.

Jika seseorang ingin merancang sebuah mesin, maka yang harus diperhatikan adalah mengetahui bagaimana keadaan material pada waktu sebuah komponen mesin bekerja. Untuk mengetahui hal tersebut, karakteristik tertentu atau properti dari material yang hendak diaplikasikan haruslah diketahui terlebih dahulu.

Beberapa Sifat Bahan

Keuletan adalah sifat suatu bahan yang memungkinkan menyerap energi pada tegangan yang tinggi tanpa patah, yang biasanya diatas batas elastis. Elastisitas adalah kemampuan bahan untuk kembali ke ukuran dan bentuk asalnya setelah gaya luar dilepas. Sifat ini penting pada semua struktur yang mengalami beban yang berubah-ubah.

Kekakuan adalah sifat yang didasarkan pada sejauh mana beban mampu menahan perubahan bentuk. Ukuran kekakuan suatu bahan adalah modulus elastisitasnya, yang diperoleh dengan membagi tegangan satuan dengan perubahan bentuk satuan-satuan yang disebabkan oleh tegangan tersebut. Kekuatan merupakan kemampuan bahan untuk menahan tagangan tanpa kerusakan beberapa bahan seperti baja struktur, besi tempa, alumunium dan tembaga, mempunyai kekuatan tarik dan tekan yang hampir sama. Sementara kekuatan gesernya

adalah kira-kira dua pertiga kekuatan tariknya.

Faktor Keamanan (Factor of Safety)

Kekuatan sebenarnya dari suatu struktur haruslah melebihi kekuatan yang dibutuhkan. Perbandingan dari kekuatan sebenarnya terhadap kekuatan yang dibutuhkan disebut faktor keamanan. (factor of safety) n :

Faktor keamanan haruslah lebih besar dari 1,0 jika harus dihindari kegagalan. Tergantung pada keadaan, maka faktor keamanan yang harganya sedikit diatas 1,0 hingga 10 yang dipergunakan.

Penentuan suatu faktor keamanan harus memperhitungkan kemungkinan pembebanan yang melampauibatas (overloading) dari struktur, seperti jenis-jenis pembebanan (statik, dinamik atau berulang), kemungkinan keruntuhannya lelah (fatique failure) dan lain-lain. Apabila faktor keamanan sangat rendah, maka kemungkinan kegagalan akan menjadi tinggi dan karena itu desain strukturnya tidak diterima. Sebaliknya bila mungkin tidak cocok bagi fungsinya (misalnya menjadi sangat berat).

- 9 -

Poros

Poros merupakan salah satu bagian yang terpenting dari setiap mesin. Hampir semua mesin meneruskan tenaga bersama-sama dengan putaran. Peranan utama dalam transmisi seperti itu dipegang oleh poros.

Poros untuk meneruskan daya diklasifikasikan menurut pembebanannya sebagai berikut :

a. Poros Transmisi b. Spindel

c. Gandar

Menurut bentuknya, poros dapat digolongkan atas poros lurus umum, poros engkol sebagai poros utama dari mesin torak, poros luwes untuk transmisi daya kecil agar terdapat kebebasan bagi perubahan arah.

Adapun beberapa hal-hal penting dalam perencanaan poros yang dapat berpengaruh terhadap ketahanan dari perencanaan poros, antara lain:

– Kekuatan Poros – Kekakuan Poros – Putaran Kritis – Korosi – Bahan Poros

Poros untuk mesin umumnya dibuat dari baja batang yang ditarik dingin dan difinis, baja karbon konstruksi mesin (disebut bahan S-C) yang dihasilkan dari ingot yang di “ kill “ (baja yang dideoksidasi dengan ferrosilicon dan dicor; kadar karbon terjamin).

Transmisi Sabuk-V

Sabuk-V terbuat dari karet dan mempunyai penampang trapesium. Tenunan tetoron atau semacamnya dipergunakan sebagai inti sabuk untuk membawa tarikan yang besar. Sabuk-V dibelitkan di keliling alur puli yang berbentuk V pula. Gaya gesekan akan bertambah karena pengaruh bentuk baji, yang akan menghasilkan transmisi daya yang besar pada tegangan yang relatif rendah. Hal ini merupakan salah satu keunggulan sabuk-V dibandingkan dengan sabuk rata.

Bantalan

Bantalan adalah elemen mesin yang menumpu poros berbeban sehingga putaran atau gerakan bolak-baliknya dapat berlangsung secara halus, aman dan berumur relatif lebih lama serta kokoh yang dapat menunjang elemen mesin yang berhubungan dapat bekerja dengan baik.

Klasifikasi Bantalan

1. Gerakan bantalan terhadap poros :

• Bantalan Luncur. • Bantalan Gelinding. 2. Arah Beban Terhadap

Poros :

• Bantalan Radial. • Bantalan Aksial. • Bantalan Gelinding Khusus.

Jenis – Jenis Bantalan Gelinding

Bantalan gelinding mempunyai keuntungan dari gesekan gelinding yang sangat kecil dibandingkan dengan bantalan luncur. Elemen gelinding seperti bola atau rol, dipasang di antara cincin luar dan cincin dalam. Dengan memutar salah satu cincin tersebut, bola atau rol akan membuat gerakan gelinding sehingga gesekan di antaranya akan jauh lebih kecil.

Teori Metode Elemen Hingga

Metode elemen hingga atau Finite Element Method (FEM) atau analisa Elemen Hingga atau Finite Element Analysis (FEA), adalah dasar pemikiran dari suatu bangunan bentuk-bentuk kompleks dengan blok-blok sederhana atau membagi objek yang kompleks kedalam bagian-bagian kecil yang teratur.

Penggunaan Metode Elemen Hingga (Finite Element Method)

Penggunaan metode elemen hingga terdiri dari beberapa analisa:

− Analisa perancangan adalah perhitungan sederhana, serta simulasi komputer.

− Finite Element Method atau Finite Element Analysis adalah metode simulasi komputer yang paling banyak diaplikasikan dalam engineering.

− Penggunaan dari aplikasi CAD atau CAM.

Aplikasi dari metode elemen hingga dalam engineering adalah sebagai berikut:

− Mechanical / Aerospace / Civil / Automobile Engineering.

− Structure analysis (static / dynamic, linear / nonlinear)

− Thermal / fluid flows − Electromagnetics − Geomechanics − Biomechanics

Prosedur analisa dengan menggunakan metode elemen hingga adalah:

− Membagi struktur kedalam bagian-bagian kecil (elemen dengan nodal).

− Menjelaskan sifat fisik dari tiap-tiap elemen.

− Menghubungkan atau merangkai elemen-elemen pada nodal untuk membentuk rekaan persamaan sistem dari keseluruhan struktur.

− Menyelesaikan persamaan sistem dengan memberikan kuantitas yang tidak diketahui pada nodal, misalnya pergeseran.

− Menghitung kuantitas yang diinginkan (regangan dan tekanan) pada elemen-elemen yang dipilih.

Analisis Statik Linier

Masalah analisis sebagian besar dapat diperlakukan sebagai masalah statik linear, didasarkan pada asumsi dibawah ini:

- 11 -

1. Small Deformation

(perubahan yang terjadi sangat kecil)

2. Elastic Material 3. Static Loads

Analisa linier dapat menyediakan kebanyakan dari informasi tentang perilaku suatu struktur dan merupakan suatu perkiraan baik untuk beberapa analisa. Mempertimbangkan suatu elemen penuh pada prismatik.

Motor Listrik

Motor listrik mengubah energi mekanik menjadi dan dibedakan menjadi 2 kategori yang berbeda yaitu : DC (Direct Current) dan AC (Alternatif Current).

Berdasarkan kekuatannya, motor listrik dibagi 3 kategori yaitu besar, sedang dan kecil. Motor kecil terbagi menjadi motor-motor horsepower kecil dengan rating 1/20 Hp hingga 1 Hp. Motor sedang terbagi menjadi motor-motor dengan rating 1 hingga 100 Hp dengan motor besar antara 100 hingga 50.000 Hp.

Motor listrik arus bolak balik ( AC )

Motor AC memiliki keunggulan dalam hal kesederhanaan dan murahnya biaya perawatan sehingga jenis motor ini banyak dipakai di lingkungan industri maupun rumah tangga. Kecepatan motor diukur dengan tachometer, pengukuran dilakukan pada poros rotor. Ada 2

macam tachometer yaitu tachometer analog dan tachometer digital.

Motor Listrik Arus Searah

Mesin arus searah dapat berupa generator DC atau motor DC. Untuk membedakan sebagai generator atau motor dari mesin difungsikan sebagai apa. Generator DC alat yang mengubah energi mekanik menjadi energi listrik DC. Motor DC alat yang mengubah energi listrik DC menjadi energi mekanik putaran. Sebuah motor DC dapat difungsikan sebagai generator, atau sebaliknya generator DC bisa difungsikan sebagai motor DC.

Prinsip kerja generator DC berdasarkan pada kaidah tangan kanan. Sepasang magnet permanen

utara

selatan menghasilkan garis medan

magnet F, kawat penghantar di atas

telapak tangan kanan ditembus garis

medan magnet F. Jika kawat

digerakkan ke arah ibu jari, maka

dalam kawat dihasilkan arus listrik I

yang searah dengan keempat arah

jari tangan.

Dalam perkembangan berikutnya

generator DC dibagi menjadi tiga

jenis, yaitu:

1. Generator penguat

terpisah.

2. Generator belitan Shunt.

3. Generator belitan

Kompound.

III. PERANCANGAN DAN ANALISA BEBAN STATIK PADA RANGKA AERATOR

Spesifikasi Perancangan

Material

Rangka Baja Konstruksi AISI 1010 (900 x 500 x 300) mm Jenis

Bantalan Bantalan Gelinding FYH P204 Poros Baja Konstruksi AISI 1035 _{(Ø 20 x 1400) mm} Penggerak Elektromotor 125 Watt _{(1250 Rpm)}

Puli i = 1 : 2,5 Z1 = 2 inchi, Z2 = 5 inchi

Jenis

Sabuk V-Belt Type A35 Impeller Baja Kontruksi AISI 1035 _{(Ø 30 x 125) mm}

Sudu _{(400 x 50) mm} Plastik PVC

Gambar 3.1 Rancangan aerator

Pemilihan Material

Pemilihan material yang digunakan pada rangka aerator secara umum yaitu baja konstruksi AISI 1010.

Material ini dipilih karena material tersebut merupakan baja yang mempunyai kadar karbon sedang. Penggunaan baja karbon sedang dikarenakan lebih kuat dan keras dibandingkan dengan baja karbon rendah serta penggunaannya hampir sama dengan baja karbon rendah.

Namun untuk perancangan konstruksi pembebanan yang tidak terlalu berat dan tidak memerlukan kekuatan serta kekerasan yang tinggi, maka lebih tepat jika

dipakai baja dengan kadar karbon sedang.

Adapun komposisi material AISI 1010 yang dipakai pada rangka

aerator, yaitu sebagai berikut:

Tabel 3.2 Komposisi material AISI

- 13 -

Dimensi Rangka Aerator

Gambar 3.2 Rangka aerator

Motor Penggerak

Motor penggerak yang digunakan pada aerator ini adalah mengunakan motor listrik 125 Watt dikarenakan daya yang dibutuhkan tidak terlalu besar untuk memutarkan poros impeller.

Gambar 3.3 Motor penggerak

Puli (Pulley)

Pada aerator ini Puli yang digunakan sebagai transmisi dari motor penggerak untuk menggerakan poros impeller, digunakan sabuk V (V-belt) sebagai alat transmisinya. Sabuk V ini mempunyai gaya gesekan yang agak besar tergantung dari bentuk bajinya, namun disamping itu dapat menghasilkan transmisi daya yang besar pada tegangan yang relatif rendah

Bantalan (Bearing)

Bantalan berfungsi sebagai tempat berputarnya poros impeller, bantalan yang digunakan adalah jenis bantalan gelinding dengan ukuran diameter dalam yaitu 20 mm. Bantalan ditempatkan pada bagian atas rangka aerator dengan cara di baut.

Gambar 3.5 Bantalan (Bearing)

Impeller

Impeller berfungsi sebagai komponen untuk menggerakkan fluida air dengan cara memutar sudu sudu di dalam air untuk mensirkulasi udara didalam air, pada saat sudu berputar udara yang berada didalam air digantikan dengan udara baru yang mengandung kadar oksigen.

Gambar 3.6 Impeller

Analisa Beban Statik Pada Rangka

Aerator

Gambar 3.7 Diagram alir proses analisis dan simulasi rangka aerator

menggunakan software CATIA V5R14

Melakukan Proses Analisa Statis

Setelah proses desain dan pemberian material selesai, langkah selanjutnya adalah analisis. Modul yang digunakan untuk proses analisis adalah Generative Structural Analysis karena analisis yang akan dihitung adalah struktur dari komponen.

- 15 -

Gambar 3.8 Tool Option untuk masuk ke modul Generative Structural

Analysis

Setelah masuk ke modul Generative Structural Analysis, maka akan muncul pilihan untuk jenis pengujian analisis yang akan digunakan, kemudian dipilih Static Analysis.

Gambar 3.9 Tool Option jenis analisa yang akan digunakan

Langkah Melakukan Meshing

Langkah ini dilakukan untuk membagi-bagi model yang telah dibuat menjadi beberapa elemen atau disebut

juga dengan proses diskritalisasi. Dengan maksud agar dapat dilihat dibagian mana komponen tersebut jika telah mendapat pembebanan akan mengalami perubahan.

Adapun langkah ini dilakukan dengan cara mengklik kanan pada diagram perintah yang ada pada tampilan yaitu perintah Nodes and Element, kemudian pilih Mesh Visualization

Gambar 3.10 Langkah proses

Meshing

Penentuan Posisi Kaku (Clamp)

Pada suatu analisis statik selalu terdapat bagian yang dianggap kaku (fix), bagian tersebut menjadi pemegang (clamp) dari struktur. Bagian yang dianggap fix dapat berupa permukaan yang rata atau terikat dengan komponen lain. Penempatan posisi clamp sangat menentukan hasil analisa. Apabila salah dalam menetukan posisi clamp, dapat berakibat fatal bagi keamanan dari komponen yang digunakan setelah proses analisa. Untuk itu penentuan posisi clamp perlu diperhatikan lebih baik.

Gambar 3.12 Penentuan posisi Clamp

Pemberian Beban (Force)

Setelah itu memberikan beban (force) yang disesuaikan dengan beban yang diterima komponen pada saat aplikasi komponen tersebut, jenis beban yaitu pembebanan terdistribusi rata. Pemberian beban pada poros penopang rangka atas ini adalah dengan beban terpusat.

Setelah proses clamp selesai kemudian dilakukan proses pemberian beban (load), dimana pemberian beban adalah beban keseluruhan yang ditumpu oleh rangka, beban yang dikenakan pada rangka aerator adalah dengan beban terpusat. Beban yang diberikan adalah 25 kg, dikarenakan pada catia pembebanan menggunakan satuan gaya, sehingga massa harus dikalikan percepatan gravitasi.

Gaya Berat (W) = m x g Jadi gaya yang dikenakan = 25 kg x 9,8 m/s2 = 245 N

- 17 -

Gambar 3.13 Penentuan arah, besar dan posisi beban (force)

Setelah penentuan clamp dan beban diberikan, maka dapat dimulai perhitungan analisa. Langkah selanjutnya adalah menggunakan perintah “compute” lalu dipilih ALL untuk menghitung seluruh hasil perhitungan dari data yang diinput.

Gambar 3.14 Tool Option Compute Melakukan Proses Simulasi

Langkah terakhir dalam melakukan analisa ini adalah menampilkan hasil dari perhitungan computer sebelumnya, atau disebut juga proses simulasi. Dimana proses ini terdiri dari tiga perintah sesuai dengan tampilan yang di inginkan, yaitu:

1. Deformation 2. Von Misses Stress 3. Displacement

Dan semua perintah tersebut juga dapat ditampilkan apabila langkah-langkah sebelumnya tidak mendapatkan masalah, karena jika salah satu langkah saja mendapatkan masalah maka ketiga perintah ini tidak dapat ditampilkan.

Menampilkan Deformation

Deformasi yang terjadi sesuai dengan pembebanan yang diberikan pada rangka aerator, seperti yang ditunjukkan pada gambar dibawah ini:

Gambar 3.15 Deformation akibat pembebanan pada rangka

Menampilkan Von Misses Stress

Tegangan Von Misses yang terjadi akibat pembebanan dapat dilihat pada gambar 3.16 dimana tegangan minimum ditunjukan oleh warna biru dan tegangan maksimumnya ditunjukkan oleh warna merah.

Gambar 3.16 Tampilan tegangan Von

Misses yang terjadi akibat

pembebanan

Hasil dari simulasi menunjukkan bahwa tegangan yang terjadi untuk pembebanan pertama, yaitu untuk tegangan minimum sebesar 1,98 x

106 _{dan tegangan maksimumnya} sebesar 3,02 x 102 dengan pembebanan terpusat untuk keseluruhan.

Menampilkan Displacement

Peralihan akibat pembebanan pertama yang diberikan

terjadi seperti yang terlihat pada gambar dibawah ini, dan di tunjukkan seperti pada tegangan von misses dimana nilai minimum ditunjukkan warna biru dan nilai maksimum ditunjukkan oleh warna merah

Gambar 3.17 Displacement yang terjadi akibat pembebanan

Dengan adanya beban yang diberikan maka hasil peralihan minimumnya sebesar 0 mm dan nilai peralihan maksimumnya sebesar 1,52 mm.

- 19 -

Menghitung Faktor Keamanan

Dimana data hasil analisa menggunakan catia adalah sebagai berikut.

Tabel 3.3 Data hasil analisa menggunakan Catia V5R14

Dan nilai faktor keamanan yang diijinkan adalah 1 sampai dengan 10

Sy = Tegangan luluh dari suatu material sebesar 3,05 x 108 N/m2

σe = Tegangan von misses maksimum sebesar 3,02 x 108 _N/m2 _{Maka faktor} keamanan yang didapatkan adalah:

Aerator

Gambar 3.18 Aerator

IV.PERENCANAAN PULI,

POROS DAN SABUK

Data Spesifikasi Puli

Tabel 4.1 Spesifikasi Puli

Material poros Baja konstruksi _{jenis AISI 1035} Dimensi poros (Ø 20 x 1400 ) mm Jarak sumbu

poros 310 mm Perbandingan

reduksi puli (i) 2,5 Daya yang

ditransmisikan 125 W Kecepatan

angular motor

Perencanaan Puli, Poros dan Sabuk

Gambar 4.2 Diagram alir perencanaan puli

Dengan melihat diagram alir perencanaan diatas, maka perencanaan puli dapat direncanakan dengan menggunakan persamaan-persamaan dari bab II yang telah dibahas sebelumnya. Adapun perencanaan puli tersebut, dapat dilihat pada perhitungan dibawah ini.

Diketahui :

Daya rata-rata ( P ) = 125 Watt Putaran motor ( n1 ) = 1250 rpm Perbandingan reduksi puli (i) = 2.5 Jarak antar sumbu poros ( C ) =310 mm

Faktor koreksi ( fc ) =1,2(untuk

penggerak arus bolak-balik dengan momen normal dan jumlah jam kerja 3 – 5 jam per hari)

¾ Perhitungan daya rencana. Pd = fc x P

= 1,2 x 125 W = 150 W = 0,15 kW

- 21 -

rpm rpm i n n n n i 500 5 , 2 1250 1 2 2 1 = = = =

¾ Perhitungan momen rencana.

mm

kg

rpm

kW

n

Pd

T

.

9

,

116

1250

15

,

0

10

74

,

9

10

74

,

9

5 1 5 1

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

×

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

×

=

mm

kg

rpm

kW

n

Pd

T

.

2

,

292

500

15

.

0

10

74

,

9

10

74

,

9

5 1 5 2

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

×

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

×

=

¾ Perhitungan tegangan geser.

Dimana: material poros baja AISI 1035 σB = 485 MPa = 49,5 kg/mm2 → (dikonversikan dengan 0,102) Sf1 = 6, Sf2 = 1,3 – 3 (diambil nilai 2 untuk perencanaan) 2 2 2 1

/

125

,

4

2

6

/

5

,

49

mm

kg

mm

kg

Sf

Sf

B a

=

×

=

×

=

σ

τ

¾ Perhitungan diameter poros.

mm

mm

mm

kg

mm

kg

T

C

K

d

_{t b} a s

8

3

,

8

.

9

,

116

2

2

/

125

,

4

1

,

5

1

,

5

3 1 2 3 1 1 1

→

=

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

×

×

×

=

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

=

τ

mm

mm

mm

kg

mm

kg

T

C

K

d

_{t b} a s

12

3

,

11

.

2

,

292

2

2

/

15

,

4

1

,

5

1

,

5

3 1 2 3 1 2 2

→

=

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

×

×

×

=

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

=

τ

Dimana: Kt = 2 (untuk beban tumbukan = 1,5 – 3)

Cb= 2 (untuk pemakaian dengan beban lentur = 1,2 – 2,3)

¾ Menentukan penampang sabuk. Dengan melihat diagram pemilihan sabuk V[2]_{, maka dari data diperoleh} dari perhitungan yaitu menurut nilai putaran (n2) dan daya rencana (Pd). Sehingga pada diagram tersebut menunjukan pada titik daerah penampang jenis A. Dan dari table 2.3 diameter minimum puli yang diizinkan[2], didapat : dmin = 65 mm (penampang A)

¾ Perhitungan diameter lingkaran jarak puli.

Dimana : diameter luar puli penggerak yang dipakai, dk = 2 in = 50,8 mm.

– Diameter luar puli besar.

mm

mm

i

d

D

_{k k}

127

5

,

2

8

.

50

×

=

=

×

=

– Diameter puli kecil.

(

)

(

)

mm

mm

K

d

d

_{p k}

8

,

41

5

,

4

2

8

,

50

2

=

×

−

=

×

−

=

– Diameter puli besar.

(

)

(

)

mm

mm

K

D

D

_{p k}

118

5

,

4

2

127

2

=

×

−

=

×

−

=

Dimana : K = 4,5 (dari tabel ukuran puli, untuk penampang jenis A) [2] ¾ Perhitungan diameter naf.

– Diameter naf puli kecil.

mm

mm

d

d

_{B s}

3

,

23

10

8

3

5

10

3

5

1

=

+

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ ×

=

+

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

=

– Diameter naf puli besar.

mm

mm

d

D

_{B s}

3

.

28

10

11

3

5

10

3

5

2

=

+

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ ×

=

+

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

=

¾ Perhitungan kecepatan sabuk.

s

m

rpm

mm

n

d

_p

/

7

,

2

1000

60

1250

8

,

41

14

,

3

1000

60

1

=

×

×

×

=

×

=

π

υ

v ≤ 30 m/s 2,7 m/s ≤ 30 m/s → baik

baik

mm

mm

mm

mm

mm

D

d

C

k k

→

>

+

>

+

>

9

,

88

310

2

127

8

.

50

310

2

Sehingga dapat memakai tipe standar.

¾ Perhitungan sudut kontak.

– Jarak sumbu poros dengan sudut kontak, dari persamaan (2.20).

(

)

(

)

12

,

0

310

.

2

8

,

41

118

.

2

sin

=

−

=

−

=

γ

γ

mm

mm

C

d

D

_{p p} – Sudut kontak.

(

)

(

)

rad

dibagi

kandengan

dikonversi

mm

mm

C

d

D

_{p p}

9

,

2

)

57

(

166

310

8

,

41

118

57

180

.

57

180

=

→

°

=

−

−

°

=

−

−

°

=

θ

- 23 -

Faktor koreksi (Kθ) = 0,93 (dari tabel

faktor koreksi Kθ) [2]

¾ Perhitungan kapasitas daya yang ditransmisikan dari satu sabuk, dari persamaan.

− Gaya Efektif Sabuk

kg

mm

mm

kg

d

T

Fe

p

6

,

5

8

,

41

9

,

116

2

2

₁

=

×

=

=

− Gaya Tarik Sisi Kencang

N

kg

F

F

kg

e

e

F

kg

e

e

F

F

F

F

_e

65

,

9

58

,

0

6

,

5

58

,

0

6

,

5

1

6

,

5

1

1 1 9 , 2 . 3 , 0 9 , 2 . 3 , 0 1 ' ' 1 2 1

=

=

=

−

=

−

=

−

=

θ μ θ μ Koefisien gesek (μ) = 0,3 ; diperoleh dari Tabel Coefficient of frictions between belt and pulley (Text Book on Machine Design) [5].Bahan sabuk terbuat dari rubber dan bahan puli terbuat dari cast iron, steel pada kondisi dry.

− Gaya Tarik Sisi Kendor

(

)

kg

N

F

F

F

F

F

F

e e

05

,

4

6

,

5

65

,

9

1 2 2 1

=

−

=

−

=

+

=

Sehingga, daya yang ditransmisikan dari satu sabuk adalah:

kW

s

m

kg

v

F

P

_o e

14

,

0

102

/

7

,

2

6

,

5

102

.

=

×

=

=

¾ Menentukan panjang keliling, dari persamaan .

(

)

(

)

(

) (

) (

mm

mm

mm

mm

C

d

D

C

d

D

L

_{p p} p p

6

,

875

11

310

2

8

,

41

118

2

14

,

3

.

4

.

2

2

2

=

+

×

+

+

=

−

+

+

+

=

π

¾ Menentukan nomor nominal dan panjang keliling dipasaran

Dari tabel panjang sabuk V[2]_, didapat nomor nominal yaitu No. 35 dengan panjang keliling yaitu 889 mm.

¾ Menentukan jarak sumbu poros sebenarnya.

(

)

(

)

(

)

mm

mm

mm

mm

d

D

L

b

_{p p}

23

,

1276

8

,

41

118

14

,

3

889

2

14

,

3

2

=

+

−

×

=

+

−

=

(

)

(

)

mm

319,02

8

mm

41,8

mm

118

8

mm

1276,23

mm

1276,23

8

)

d

8(D

b

b

2 2 p p 2

=

−

−

+

=

−

−

+

=

C

23

,

0

02

,

319

8

,

41

118

=

−

=

−

mm

mm

mm

C

d

D

_{p p}

¾ Menentukan jumlah sabuk, dari persamaan .

sabuk

buah

kW

kW

K

P

P

N

o d

1

1

,

1

93

,

0

.

15

,

0

15

,

0

.

≈

=

=

=

θ

¾ Menentukan daerah penyetelan Dari tabel 2.5 daerah penyetelan sumbu poros, didapat untuk jenis penampang A dengan nomor nominal sabuk antara 11 – 38, yaitu: ∆Ci = 20 mm & ∆Ct = 20 mm

Tabel 4.2 Data hasil perencanaan puli

Penampang

sabuk Tipe A no. 35

Panjang keliling (L) 875,6 mm Jumlah sabuk (N) 1 buah Jarak sumbu poros (C) 319,02 mm Daerah penyetelan (∆Ci & ∆Ci) ∆Ci = 20 mm & ∆Ct = 20 mm Diameter luar puli (dk & Dk) dk = 50.8 mm & Dk = 127 mm

Rangkaian Sistem Aerator dengan

Solar Cell

Gambar 4.3 Rangkaian sistem aerator dengan solar cell

1. Solar panel menyerap tenaga panas matahari kemudian merubah panas tersebut menjadi tenaga listrik.

2. Melalui control box arus listrik yang di hasilkan melalui solar

- 25 -

panel tersebut digunakan untuk

mengisi aki sebagai penyimpan tenaga listrik.

3. Aki digunakan sebagai penyimpan tenaga listrik, kemudian arus listrik yang berasal dari aki adalah arus DC di ubah menjadi arus AC menggunakan inverter di dalam control box.

4. Setelah tenaga listrik tersebut di ubah menjadi arus AC melalui control box, tenaga listrik tersebut digunakan untuk menghidupkan motor listrik atau aerator.

V. KESIMPULAN DAN SARAN

Kesimpulan

Berdasarkan hasil dari analisa pembebanan dengan menggunakan software CATIA V5R14 pada rangka aerator maka diperoleh kesimpulan sebagai berikut:

1. Dari hasil pembebanan terpusat sesuai dengan tempat atau titik pembebanan pada rangka mesin, maka diperoleh hasil pembebanan

maksimal dari keseluruhan pembebanan yaitu:

− Tegangan maksimum von mises sebesar: 3,02 x 108 N/m2 − Translasi vektor peralihan

maksimum sebesar: 1,52 mm 2. Dan dari hasil diatas didapat nilai

faktor keamanan untuk rangka aerator sesuai dengan jenis material yang pakai yaitu baja AISI 1010, yaitu sebesar:

Factor of safety (η) = 1,01

Dan dari hasil perhitungan perencanaan puli maka dapat diambil beberapa kesimpulan diantaranya yaitu:

1. Untuk perencanaan puli, poros dan sabuk

− Penggunaan sabuk yang akan dipakai adalah dengan jenis penampang yaitu A dan nomor nominal 35.

− Jumlah sabuk yang dipakai adalah 1 buah, dimaksudkan agar lebih efisien

− Diameter puli yang dipakai yaitu:

Untuk puli penggerak: 2 inchi = 50,8 mm

Untuk puli yang digerakkan: 5 inchi = 127 mm

DAFTAR PUSTAKA

1. James M. Gere, dan Stephen P. Timoshenko., Mekanika Bahan, Edisi kedua versi SI., Alih bahasa Hans J. Wospakrik, Institut Teknologi Bandung, Penerbit Erlangga, 1996. 2. Sularso, Kiyokatsu Suga., Elemen

Mesin Jilid 3, PT. Pradya Paramita,

Jakarta, 1997.

3. C.S. Desai Sri Jatno Wirjosoedirjo.,

Dasar-dasar Metode Elemen Hingga, Erlangga, Jakarta, 1996. 4. Khurmi, R.S. and J.K. Gupta , Text

Book on Machine Design, Euresia

Publishing House, New Delhi.

5. Zuhal., Dasar Teknik Tenaga

Listrik dan Elektronika Dasar, PT. Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, 1988.

6. http://www.efunda.com/materials/allo ys/carbon_steels/show_carbon. Diakses pada tanggal 11 Januari 2010.

7.

http://mizh- uyung.blogspot.com/2008/10/solar-cell_26.html

Diakses pada tanggal 11 Januari 2010.

8. http://buletinlitbang.dephan.go.id/in dex.aps?vnomor=18&minoritisi=8. Diakses pada tanggal 11 Januari 2010.