ANALISIS STRUKTUR BOOM WA 420

UNTUK MATERIAL BATU BARA

TUGAS AKHIR

Diajukan untuk memenuhi Salah Satu Syarat memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Jurusan Teknik Mesin

Disusun Oleh:

DANANG HENDRO PAMUNGKAS

NIM : 025214048

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA 2007

STRUCTURE ANALYSIS of WA420 BOOM of COAL

MATERIAL

FINAL PROJECT

Presented as Partial Fulfillment of the Requirements to Obtain the Sarjana Teknik Degree

in Mechanical Engineering

by :

DANANG HENDRO PEMUNGKAS

Student Number : 025214048

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT ENGINEERING FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA

2007

ii

iii

iii

iv

iv

INTISARI

Wheel loader adalah salah satu alat bantu yang sering digunakan untuk membantu pengolahan hasil alam. Salah satu pengguna alat berat ini adalah PT. Semen Cibinong Tbk. Cilacap yang menggunakan tipe Komatsu WA420. Alat ini digunakan untuk mengangkut batu-bara sebagai sarana penunjang proses produksi di perusahaan tersebut. Permasalahan yang ada adalah tipe WA420 semula ditujukan untuk mengangkut kapur maupun tanah lepas. Oleh karena itu diperlukan analisa akibat peralihan menjadi muatan batubara terhadap kekuatan bahan Wheel Loader WA420. Tujuan utama analisis boom WA420 adalah mendukung bucket purwarupa hasil analisis Kusmanjati (2006) yang telah dinaikkan kapasitasnya menjadi 4 ton muatan batubara.

Bucket tersebut dipasangkan dengan boom set original dan dilakukan simulasi saat beban payload dan breakout force. Modifikasi dilakukan jika boom set mengalami kegagalan. Analisis sepenuhnya memakai bantuan software Solidworks untuk penggambaran dan Cosmosworks untuk analisa struktur. Hasil analisis tegangan dari boom set original WA420 yang memiliki titik luluh 390 N/mm2 adalah semua bagian boom melebihi titik luluhnya saat kondisi pembebanan breakout force. Tegangan maksimal sebesar 859,5 Mpa berada di bagian Mid Cross Link. Meskipun pembebanan payload secara keseluruhan mampu mendukung bucket modifikasi. Berdasarkan hasil analisis boom original, perlu dilakukan modifikasi untuk memperkuat struktur boom set sehingga mampu mendukung penuh bucket modifikasi. Bagian yang dimodifikasi adalah Link Bucket, Vertical Link, Lift Arm, dan Mid Cross Link. Hasil analisis boom set modifikasi untuk kondisi breakout force didapatkan nilai tegangan maksimum 213 Mpa di bagian Lift Arm, 359 Mpa di bagian Mid Cross Link, 152 Mpa di bagian Link Bucket, dan 362 Mpa di bagian Vertical Link. Keuntungan lain dari modifikasi ini adalah dihasilkan model purwarupa dari boom set dan penurunan bobot dari boom set WA420.

v

ABSTRACT

Wheel loader is one of supporting equipment that often use for realm exploitation. One of wheel loader users is PT. Semen Cibinong Tbk. at Cilacap that using Komatsu WA420 type. It is used for loading coal to support main production in their plant. The problem is Komatsu WA420 designed for lime stone or soil but not for coal. Therefore, further analysis for loading change may be useful to know the effect of loading to overall stress of WA420 materials. The main purpose of WA420’s Boom analyze is to support prototype Bucket which analyzed by Kusmanjati (2006).

The bucket capacity has been modified up to 4 ton of coal. The modified bucket paired to original boom set and simulated when doing breakout force and payload. If they failed, further modification for boom set must be done to reinforce and full support new bucket. Further static analyse will be use CosmosWorks and SolidWorks program for drawing.

The result of stress analyze from original boom WA420 with 390 N/mm2

in yield point properties are all main part over the yield point at breakout force condition. Maximal strees is 859 Mpa at Mid Cross Link. However in Payload condition, overall boom can fully support modification bucket. Base on result of original boom analisis, further analysis further modification is required to reinforce boom’s structure so it can fully support new bucket. Modified boom part are Link Bucket, Vertical Link, Lift Arm, and Mid Cross Link. Analysis result at breakout force condition with modified boom are 213 Mpa at Lift Arm, 359 Mpa at Mid Cross Link, 152 Mpa at Link Bucket, and 362 Mpa at Vertical Link. Final result of stress analysis shows that overall stress value are lower than yield point of boom’s material and fully support modified bucket. Other advantage of boom’s modification is reducing overall weight and WA420 new boom prototype.

vi

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis haturkan kepada Tuhan yang telah melimpahkan

berkat dan karuniaNya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi yang

berjudul “Analisis Boom WA 420 Untuk Material Batubara” dengan baik. Skripsi

ini disusun sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di

Fakultas Teknik Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta.

Selama penelitian dan penyusunan skripsi ini tidak lepas dari peran serta

berbagai pihak yang telah memberikan bimbingan, dorongan, dan saran. Oleh

karena itu, penulis ingin mengucapkan banyak terima kasih kepada :

1. Ir. Greg. Heliarko S.J., S.S., B.S.T., M.A., M.Sc. selaku dekan Fakultas

Teknik Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta.

2. Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T. selaku Ketua Program Studi Fakultas

Teknik Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta.

3. Budi Sugiharto, ST.,MT. selaku dosen pembimbing atas segala bimbingan,

kepercayaan, saran, kesabaran dan kritik selama penyusunan skripsi ini.

4. Seluruh dosen Fakultas Teknik Universitas Sanata Dharma untuk segala ilmu,

pengetahuan, pengalaman, dan bantuan untuk memajukan kami sebagai anak

didik.

5. PT Semen Cibinong Tbk yang telah memberi ijin untuk pengukuran Boom

WA 420 dan memberikan kemudahan dalam data presisi

6. Bapak LA. Kobro dan Ibu TH. Sukini terhormat atas doa, kepercayaan,

kesabaran, dan kasih tuntunan di segala aspek hidup.

vii

7. Bapak Wihadi, ST.,M.Si. yang telah mengenalkan program SolidWorks dan

Saudara Herdaru Kusmanjati, ST. atas diskusi, kritik, saran, dan pencarian

berbagai trik dan cheat program yang sangat mendukung dalam penyusunan

skripsi ini

8. Sahabat-sahabat penulis : Andre, Bagas, Adi, Dwi, Sigit Rm, Hendri, Bravi,

Erik, Anton, dan seluruh angkatan TM 2002, atas jalinan persahabatan yang

menyenangkan di Jogjakarta tercinta.

9. Motivator hebat, Carla Kuntari atas bantuan, saran, pengetahuan, dan kritik

yang membangun.

10. Semua pihak yang secara langsung maupun tidak langsung membantu dalam

penyusunan tugas akhir dari permulaan hingga selesai..

Penulis

viii

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL........................................................................................ i

LEMBAR PENGESAHAN ............................................................................. iii

LEMBAR PERNYATAAN.................................................................................... iv

INTISARI......................................................................................................... v

ABSTRACT ....................................................................................................... vi

PRAKATA....................................................................................................... vii

DAFTAR ISI.................................................................................................... ix

DAFTAR TABEL............................................................................................ xii

DAFTAR GAMBAR ....................................................................................... xiii

BAB I PENDAHULUAN................................................................................ 1

1.1 Latar Belakang dan Rumusan Masalah...................................................... 1

1.2 Tujuan dan Batasan Masalah ..................................................................... 2

1.3 Sistematika Penulisan ................................................................................ 3

BAB II DASAR TEORI .................................................................................. 4

2.1 Tinjauan Boom secara Umum .................................................................... 4

2.1.1 Boom ................................................................................................. 4

2.1.2 Bagian Pendukung Boom WA420 .................................................... 4

2.1.3 Jenis boom menurut jangkauan ......................................................... 7

2.1.4 Jenis boom menurut Mounting ......................................................... 9

2.1.5 Skema pemilihan Boom .................................................................... 11

2.1.6 Peralihan material batubara............................................................... 13

ix

2.2 Kondisi Pembebanan yang Bekerja pada Boom......................................... 15

2.2.1 Beban Akibat Muatan (Payload) ...................................................... 17

2.2.2 Beban Angkat Maksimum (Break Out Force).................................. 17

2.2.3 Static Stability .................................................................................. 18

2.3 Bucket yang akan terpasang pada boom .................................................. 25

2.4 Tumpuan dan relevansi terhadap program................................................. 26

2.5 Metode Elemen Hingga ............................................................................ 28

2.5.1 Persamaan Dasar Metode Elemen Hingga........................................ 28

2.5.2 Konsep Metode Elemen Hingga (Finite Elemen Method) ............... 30

2.6 Angka Keamanan....................................................................................... 32

2.7 Tegangan dan regangan pada plat .............................................................. 33

2.8 Teori Kegagalan ....................................................................................... 37

2.8.1 Teori tegangan geser maksimum ..................................................... 37

2.8.2 Teori energi distorsi ......................................................................... 38

BAB III ANALISIS KEKUATAN BOOM ORIGINAL .................................. 42

3.1 Data dan Dimensi Boom Original.............................................................. 42

3.2 Kondisi Pembebanan pada Masing-Masing Kasus .................................... 45

3.2.1 Kondisi pembebanan boom karena breakout force .......................... 46

3.2.2 Kondisi pembebanan boom karena muatan (payload) ...................... 48

3.3 Tegangan dan Defleksi pada Boom ........................................................... 49

3.3.1 Kasus 1 : pembebanan payload......................................................... 50

3.3.2 Kasus 2 : pembebanan breakout force .............................................. 52

x

BAB IV MODIFIKASI BUCKET WA-420 .................................................... 56

4.1 Dasar Modifikasi........................................................................................ 56

4.1.1 Meningkatkan kekuatan bagian kritis .............................................. 57

4.1.2. Keamanan terhadap tipping ............................................................. 59

4.1.3 Kekuatan struktur modifikasi ........................................................... 62

4.1.3a Pembebanan Payload untuk boom modifikasi................................ 62

4.1.3b Pembebanan Breakout untuk boom modifikasi .............................. 65

BAB V KESIMPULAN dan SARAN.............................................................. 66

5.1 Kesimpulan .......................................................................................... 66

5.2 Saran..................................................................................................... 67

DAFTAR PUSTAKA .......................................................................................

DAFTAR LAMPIRAN.....................................................................................

xi

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Pengelompokan batubara ............................................................... 14

Tabel 3.1 Tabel informasi fisik material boom .............................................. 45

Tabel 3.2 Distribusi tegangan Von Mises payload pada boom original ........ 50

Tabel 3.3 Distribusi displacement akibat pembebanan payload pada boom

original ........................................................................................... 51

Tabel 3.4 Faktor keamanan pada komponen utama....................................... 52

Tabel 3.5 Distribusi tegangan Von Mises akibat pembebanan breakout force

pada komponen utama.................................................................... 53

Tabel 3.6 Distribusi displacement akibat pembebanan breakout force pada

komponen utama ............................................................................ 54

Tabel 3.7 Faktor keamanan pada komponen utama untuk pembebanan breakout

force ............................................................................................... 55

Tabel 4.1 Distribusi tegangan Von Mises akibat pembebanan payload pada

setiap komponen utama.................................................................. 63

Tabel 4.2 Nilai angka keamanan pembebanan payload pada komponen utama 64

Tabel 4.3 Distribusi tegangan Von Mises akibat pembebanan breakout force

pada setiap komponen.................................................................... 65

Tabel 4.4 Nilai keamanan dari breakout force pada komponen utama............ 66

xii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Original Boom Set....................................................................... 6

Gambar 2.2 Boom Extention Kit ..................................................................... 9

Gambar 2.3 Front mounted lift arm ................................................................ 10

Gambar 2.4 Mid mounted lift arm................................................................... 11

Gambar 2.5 Diagram pemilihan Boom set ...................................................... 13

Gambar 2.6 Posisi kerja Boom terhadap Bucket ............................................. 17

Gambar 2.7 Breakout Force............................................................................ 18

Gambar 2.8 Static Stability Bucket Loader ..................................................... 19

Gambar 2.9 Kondisi Aktual Pembebanan Breakout Force pada Bucket dan

Boom ........................................................................................... 21

Gambar 2.10 Distribusi gaya tekan piston ke batang penghubung.................. 22

Gambar 2.11 Pembebanan breakout force ....................................................... 24

Gambar 2.12 Command Condition .................................................................. 27

Gambar 2.13 Panah penanda tumpuan............................................................. 27

Gambar 2.14 Sebuah elemen yang mengalami tegangan normal yang

bekerja dalam arah sumbu koordinat .......................................... 33

Gambar 2.15 Diagram teori tegangan geser maksimum ................................ 38

Gambar 2.16 (a) Elemen dengan tegangan pada ketiga arah sumbu yang

mengalami perubahan volume maupun perubahan sudut (b)

elemen menerima tegangan tarik hidrostatis hanya menerima

xiii

perubahan isi (c) Elemen menerima distorsi sudut tanpa

perubahan volume .................................................................... 39

Gambar 3.1 Data boom set ............................................................................... 42

Gambar 3.2 Kondisi beban statis ..................................................................... 46

Gambar 3.3 Besar gaya breakout force pada bucket........................................ 46

Gambar 3.4 Permodelan umum elemen hingga ............................................... 47

Gambar 3.5a Posisi Boom terhadap Main Body............................................... 48

Gambar 3.5b Model mesh saat payload ........................................................... 49

Gambar 3.6 Distribusi tegangan payload......................................................... 50

Gambar 3.7 Nilai keamanan struktur boom ketika pembebanan payload....... 51

Gambar 3.8 Distribusi tegangan Von Mises .................................................... 53

Gambar 3.9 Faktor keamanan breakout Force ................................................ 54

Gambar 4.1 Jarak dari pusat titik berat bucket origin ke pusat roda depan ..... 60

Gambar 4.2 Jarak dari pusat titik berat bucket modify ke pusat roda depan ... 61

Gambar 4.3 Distribusi tegangan Von Mises pembebanan payload ................. 63

Gambar 4.4 Ilustrasi nilai agka keamanan pembebanan payload .................... 64

Gambar 4.5 Distribusi tegangan Von Mises pembebanan breakout force...... 65

Gambar 4.6 Ilustrasi grafis angka keamanan bucket untuk pembebanan

breakout force ............................................................................. 66

xiv

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang dan Rumusan Masalah

Industri adalah lingkup yang bekerja dalam skala besar dengan nilai

investasi yang sangat besar, oleh karena itu diperlukan berbagai alat yang mampu

menunjang beban kerja yang besar dan mampu menjamin efektivitas kerja yang

baik. Kesesuaian antara pekerjaan dengan alat yang digunakan diharapkan mampu

membentuk standar kerja yang efektif pula.

Salah satu alat yang mampu menunjang kebutuhan pekerjaan tersebut

adalah Wheel loader. Loader, seperti namanya, ditujukan untuk memuat material.

Kemampuan loader dalam memuat material sangat tergantung pada besarnya

bucket yang dipasang. Ukuran bucket berbanding lurus dengan besar muatan yang

dapat ditanggung. Semakin besar bucket maka akan semakin besar pula muatan

yang mampu diterima, demikian pula sebaliknya. Bucket dipasang pada loader

dan dihubungkan dengan suatu alat yang berfungsi sebagai lengan yang sering

disebut dengan istilah boom. Boom bersifat fleksibel vertikal terhadap loader

sehingga secara garis besar hanya mampu bergerak ke atas dan ke bawah dan

pergerakan utama digerakkan dengan penggerak hidrolik.

PT Semen Cibinong Tbk. sebagai industri penghasil semen di Cilacap

sering menggunakan, mengambil, mengolah hasil alam untuk seterusnya dipakai

sebagai pendukung produksi utama yaitu semen. Wheel Loader merupakan

peralatan yang mampu menunjang tugas tersebut. Salah satu loader yang

1

2

digunakan adalah Wheel loader WA420 yang diproduksi oleh KOMATSU.

Kapasitas muatan maksimalnya adalah 3,9 m3tanah lepas. Boom yang dipasang

pada tipe WA-420 adalah “Origin Boom WA420” atau perlengkapan standar.

Boom yang digunakan pada tipe tersebut bertugas menopang Original bucket

WA-420 dan tanah lepas yang selanjutnya akan dianalisis penggunaannya untuk

peningkatan kapasitas mengangkut batubara.

Perhitungan dan analisis dilakukan dengan software SOLIDWORKS dan

freeware COSMOSWORK yang menggunakan cara analisis menggunakan

metode elemen hingga. Melalui analisis program tersebut akan didapat hasil nilai

maupun animasi yang menunjukkan area dan analisis faktor keamanan. Jika hasil

analisis menunjukkan adanya nilai tegangan lebih besar, maupun angka keamanan

dari nilai kritis maka perlu dilakukan proses modifikasi. Melalui proses

modifikasi diharapkan tercipta suatu struktur bagian mesin yang baik yang sesuai

dengan kebutuhan pada suatu pekerjaan.

1.2. Tujuan dan Batasan Masalah

Tujuan utama analisis kekuatan struktur boom pada loader WA-420

adalah mengetahui kekuatan boom dalam mendukung bucket yang telah

dimodifikasi oleh Herdaru Kusmanjati, 2006.

Berikut adalah lingkup analisa dan batasan masalah:

a. Analisis struktur boom standar terhadap beban kerja akibat bucket modifikasi.

b. Perhitungan kekuatan pengangkatan hidrolik dan sambungan pin tidak

dilakukan dan menjadi batasan masalah.

3

c. Perhitungan dilakukan dengan keadaan boom statis ( diam ) , dengan bucket

dalam keadaan heaped capacity. Analisa dilakukan saat boom dan bucket

dalam keadaan beban maksimal ( raise over payload dan pre filled breakout )

d. Modifikasi sebatas perubahan bentuk dari boom original tanpa mengubah

material original dari boom.

1.3. Sistematika Penulisan

1. Bab I Pendahuluan

Berisi latar belakang dan rumusan masalah, tujuan dan batasan masalah dan

sistematika penulisan.

2. Bab II Dasar Teori

Berhubungan dengan penjelasan bagian-bagian pendukung boom beserta

kegunaannya, siklus kerja loader, teori kekuatan material, metode elemen

hingga dan teori kegagalan.

3. Bab III Analisis Kekuatan

Berisi gaya-gaya yang bekerja pada boom, beban yang terjadi pada keadaan

payload dan breakout force dari boom dan bucket.

4. Bab IV. Modifikasi

Berisi data dan dimensi boom WA-420 dengan modifikasi berdasarkan

percobaan untuk bucket modifikasi pengangkutan material batu bara..

5. Kesimpulan

Pencapaian tujuan analisis dengan kesimpulan yang didapat dan saran.

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Tinjauan Boom secara Umum

2.1.1 Boom

Boom adalah alat yang berfungsi seperti lengan, menghubungkan bucket

pada main body wheel loader dan mempunyai kemampuan untuk bergerak secara

vertikal terhadap pivot joint yang berada pada main body. Boom mendukung penuh

pengangkatan material dan bucket. Badan boom dilengkapi dengan sistem hidrolik

yang bertugas menghasilkan pergerakan dan kinerja untuk bucket.

2.1.2 Bagian Pendukung Boom WA420

Bagian Boom WA-420 terdiri dari beberapa bagian pendukung yang

memiliki kegunaan sendiri yang saling mendukung satu dengan yang lain. Terdapat

lima bagian utama seperti diperlihatkan di Gambar 2.1 dengan keterangan sebagai

berikut.

a. Lift arm

Lift arm merupakan bagian dengan dimensi yang paling besar pada sistem

pengangkat loader KOMATSU WA-420. Hampir semua beban bucket dan material

ditanggung oleh bagian ini. Memiliki bentuk umum batang melengkung dengan

dimensi panjang dan memiliki enam pivot holes. Bergerak vertikal dan digerakkan

4

5

oleh sepasang dump cylinder. Ujung penyangga dipasangkan pada main frame loader

sedangkan ujung yang lain dihubungkan dengan bucket.

b. Sling tilt lever ( vertical link )

Sling tilt lever terdapat pada bagian tengah lift arm. Peran utamanya adalah

meneruskan pergerakan dari lift cylinder hidrolik sehingga memungkinkan bucket

berotasi ke atas dan ke bawah. Berbentuk batang lurus dengan kontur yang meradius,

bagian ujung atas terhubung dengan lift cylinder set dan bagian bawah terhubung

dengan bucket link lever. Bagian tengah dihubungkan dengan bagian link mounting

yang akan menopang dan menjamin gerakan rotasi dari sling tilt lever.

c. Bucket link lever

Bucket link lever adalah penghubung antara ujung sling tilt lever bagian

bawah dengan bucket frame. Penerusan gerak berakibat bucket menghasilkan gerakan

mengangkat atau menjugil material maupun melepas material. Mempunyai dimensi

yang relatif kecil dibandingkan dengan bagian lain yang termasuk dalam sistem

pengangkat. Berbentuk kotak lurus yang memiliki pivot holes di kedua ujungnya dan

terhubung dengan bucket link adapter dan sling tilt lever pada bagian bawah.

d. Dump cylinder

Dump cylinder adalah set hidrolik yang mempunyai tugas utama

mengangkat boom secara vertikal. Berjumlah dua buah yang terpasang pada badan

boom bagian tengah dengan frame loader. Berdimensi lebih kecil dibandingkan

dengan lift cylinder.

6

e. Lift cylinder

Lift cylinder adalah set hidrolik yang bertanggung jawab penuh terhadap

gerakan bucket, karena ujungnya terhubung langsung dengan sling tilt lever dan

bucket link lever sedangkan ujung yang lain terpasang terhadap frame dari loader.

Berjumlah satu buah dan mempunyai dimensi yang lebih besar dibandingkan dengan

dump cylinder.

e

b a

d

c

a. Lift arm b. Sling Tilt Lever (Vertical link ) c. Bucket Link Lever d. Dump Cylinder e. Lift Cylinder

Gambar 2.1. Original Boom Set

7

Sistem boom lift merupakan attachment (perangkat sekunder) yang terdapat

dalam wheel loader. Perangkat sekunder merupakan komponen yang dapat dilepas

dan diganti sesuai dengan kebutuhan dan kondisi kerja. Walaupun penyesuaian kerja

dalam penggantian boom tidak signifikan seperti bucket yang setiap material angkut

dapat disesuaikan dengan jenis bucket. Pada kondisi kerja di PT. Semen Cibinong

Tbk. Cilacap digunakan komponen boom standard KOMATSU untuk tipe WA420.

2.1.3 Jenis Boom Menurut Jangkauan.

Penggunaan boom umumnya disesuaikan dengan beban kerja dan sangat

tergantung dari variasi yang telah diberikan oleh produsen karena attachment boom

tidak semudah seperti pada penyesuaian bucket. Selain beban kerja, perhatian utama

adalah ketinggian yang dapat diberikan boom, mengingat loader umumnya

diperuntukkan untuk memindahkan material ke truk maupun sebagai alat angkut

material lainnya.

Beberapa produsen, misalnya KOMATSU, CAT (Catepillar), VOLVO,

memiliki bentuk boom tersendiri untuk beberapa produk wheel loader-nya. Menurut

dimensi yang ada maka boom dapat dikelompokkan menjadi dua kriteria, yaitu:

a. Boom Panjang (High Altitude Arm)

Disebut juga dengan boom lengan panjang, dapat mencapai ketinggian 15

kaki dan umumnya dipergunakan berdampingan dengan Big Rig Truck atau disebut

juga truk dengan dimensi dan kapasitas tinggi. Boom panjang umumnya digunakan

untuk eksploitasi tanah pada daerah pegunungan dan pembukaan lahan baru. Sudut

8

yang dibentuk antara lubang pivot untuk lift arm cenderung besar. Salah satu

keuntungannya adalah memiliki jangkauan kerja yang panjang dan memungkinkan

pencapaian ketinggian yang baik. Konsekuensinya adalah penggunaan bucket

berkapasitas kecil untuk mengurangi momen yang terlalu besar karena penggunaan

bucket berkapasitas besar kurang efektif jika dipakai pada area yang sempit.

b. Boom pendek (Low Altitude Arm)

Disebut juga dengan boom lengan pendek, lebih banyak digunakan untuk

mengangkut material padat seperti kayu, beton, dan land pin. Pemilihan loader

dengan boom pendek umumnya memiliki tujuan utama memindahkan material.

BOBCAT menggunakan boom jenis ini untuk jenis A300 dan memiliki tujuan utama

memindahkan kayu. Boom jenis ini dapat diletakkan di tengah body utama wheel

loader sedangkan pivot utama ada di bagian belakang body utama. Boom lengan

pendek memiliki keuntungan yaitu jarak antara bucket dan tumpuan pada body utama

kecil sehingga momen yang dihasilkan kecil dan memungkinkan penggunaan bucket

berkapasitas besar. Boom jenis ini cocok untuk area yang sempit dan pengangkutan

granular clay maupun loose.

Jika pekerjaan yang dihadapi boom set sangat bervariasi dan menuntut

perpindahan jenis kerja yang cepat, maka solusi yang mungkin adalah penggunaan

boom extension. Bagian yang ditunjukkan di Gambar 2.2 merupakan alat tambahan

yang memiliki arti penting untuk diaplikasikan. Bagian ini merupakan solusi terhadap

masalah yang ada pada kedua tipe boom di atas. Tujuan utama boom extension adalah

menambah panjang (extension) jangkauan boom. Boom extension dipasang pada

9

ujung boom yang berhubungan dengan bracket dari bucket. Kemampuan penambahan

panjang adalah sekitar 15-30 inchi.

Gambar 2.2 Boom Extention Kit 2.1.4 Jenis Boom menurut Posisi Mouting Desain penempatan boom set oleh beberapa pabrikan memiliki beberapa

variasi, bertujuan untuk memberi konsumen pilihan terhadap produk, situasi kerja,

harga, dll. Secara umum terdapat dua macam penempatan pemasangan boom set di

badan boom, yaitu:

a. Front mounted lift arm (Boom terpasang di depan)

Desain ini mempunyai banyak variasi pada setiap produsen alat berat

termasuk KOMATSU seri WA420. Boom diletakkan di hadapan operator, sehingga

operator mampu melihat semua pergerakan dari boom set seperti terlihat pada gambar

10

2.3. Desain ini memiliki kekurangan yaitu dimensi main body wheel loader

cenderung lebih besar karena harus membawa counter weight yang lebih berat yang

juga menambah besar ukurannya.

Gambar 2.3. Front mounted lift arm

b. Mid mounted Lift Arm (Boom terpasang di tengah)

Pabrik KOMATSU memproduksi tipe TE 270-1 seperti seperti terlihat pada

Gambar 2.4 yang sering disebut Skid Steer Loader. Namun produsen alat berat yang

populer dengan jenis ini adalah BOBCAT. Tujuan utama adalah mengurangi bobot

dan dimensi wheel loader hingga 10% - 15% untuk kemampuan angkut yang sama.

Pengendaliannya lebih mudah karena dimensinya lebih kompak. Boom berada di

tengah body utama sehingga jarak pandang ke bucket menjadi lebih dekat.

11

Penggunaannya lebih menguntungkan jika mengangkat material yang membutuhkan

ketelitian lebih, seperti mengangkat kayu.

Gambar 2.4. Mid mounted lift arm

2.1.5 Skema Pemilihan Boom

Boom pada wheel loader termasuk perangkat attachment, yaitu perangkat

sekunder yang dapat dibongkar pasang untuk diganti dan disesuaikan. Walaupun

dalam kenyataannya sebagian besar industri jarang melakukan penggantian boom,

karena memerlukan alat-alat yang spesifik dan operator ahli yang mampu melakukan

kalibrasi. Kriteria pemilihan boom biasanya dilakukan bersamaan dengan pemilihan

jenis wheel loader yang akan digunakan.

Beberapa kriteria pemilihan boom di alurkan di Gambar 2.5, diambil dari situs

Kobelco (kobelco inc’ manual script) untuk beberapa loader produksinya yang

mendukung penggantian boom set.

12

a. Keadaan lapangan

Keadaan lapangan adalah situasi kerja wheel loader terhadap situasi kerja

pendukung lainnya. Area bekerja yang akan ditangani oleh wheel loader sangat

mempengaruhi, karena cakupan jalan, area kerja loader (work priority area), jenis

truk pengangkut, keseimbangan tanah, kedalaman pengerukan.

b. Jenis bucket terhadap material yang ditangani

Material yang akan ditangani menentukan jenis bucket yang digunakan. Jenis

bucket material tanah lepas, batu bara, pasir, berbeda dengan jenis bucket untuk

mengangkut kayu dan batu besar. Demikian pula pada material yang hanya perlu

didorong akan menggunakan boom yang berbeda pula. Oleh karena itu, pencocokan

material dengan bucket mutlak dilakukan.

c. Kemampuan set hidrolik

Tidak dipungkiri bahwa berat dari boom sendiri akan menjadi beban

tambahan bagi set dump hidrolik saat bekerja. Maka pengecekan keadaan dan

kekuatan set hidrolik sebelum penggantian boom sangat dianjurkan.

d. After market condition

Ketersediaan model yang tersedia di pasaran dengan perangkat penyesuaian

dengan berbagai joint pada wheel loader. Serta pertimbagan waktu tunggu untuk

mendapatkan barang yang dimaksud.

13

e. User preference

Masukan dari operator. Operator dikondisikan tidak harus melakukan

penyesuaian yang terlalu ekstrim jika waktu kerja yang tersedia sangat singkat karena

adaptasi perangkat baru tetap akan menyita waktu kerja.

JOB REQUEST

LANDSCAPE BUCKET

BOOM

SET MARKET PREVIEW

HYDROLIC SET

OPERATOR FEED BACK

Gambar 2.5. Diagram pemilihan boom set

2.1.6 Peralihan material batu bara

Batubara merupakan material yang terbentuk dari tumbuhan yang dipadatkan

tanpa adanya udara dan dipengaruhi oleh adanya temperatur dan tekanan tinggi yang

selanjutnya akan berubah menjadi turf (tumbuhan lapuk). Turf merupakan salah satu

bahan bakar yang mempunyai grade sangat rendah. Setelah terbentuk turf proses

14

selanjutnya akan terbentuk batubara coklat, lignite, batu bara subbitimin, bitimin, dan

akhirnya menjadi batubara antrasik. Seiiring dengan berlangsungnya proses penuaan,

batu bara menjadi semakin keras, kandungan hidrogen dan oksigen berkurang,

kandungan kebasahan akan menurun, dan kandungan karbon semakin meningkat.

ASTM (American Society for Testing Materials) mengklasifikasikan batubara

menjadi empat golongan, dimulai dari yang tertua, yaitu: batubara antrasik, bitumin,

subbitumin, dan lignite.

Tabel 2.1. Pengelompokan batubara

Batas Karbon

Tetap %

Batas Bahan dapat

menguap

Batas nilai kalori

(BTU/Lb) Karakter

Kelas Kelompok (Basis batas bahan (Basis batas bahan (Basis batas bahan Penggumpalan

material kering) material kering) mineral basah)

I 1. Metaantrasitik 98 .. 2 .. ..

Antrasitik 2. Antrasit 92 98 2 8 .. .. Tdk Menggumpal

3. Semiantrasit 86 92 8 14 .. ..

1. Penguapan Rendah 78 86 14 22 .. .

II 2. Penguapan Sedang 69 78 22 31 .. .. Biasanya

Bitium 3. Penguapan tinggi A .. 69 31 .. 14000 .. Mengendap

4. Penguapan tinggi B .. .. .. .. 13000 14000

5. Penguapan tinggi C .. .. .. .. 11000 12000

III 1. Subbitumin A .. .. .. .. 10500 11500

Subbitumin 2. Subbitumin B .. .. .. .. 5500 10000 Tdk Menggumpal

3. Subbitumin C .. .. .. .. 8300 9000

IV 1. Lignite A .. .. .. .. 6300 8300

Lignite 2. Lignite B .. .. .. .. .. 6300 Tdk Menggumpal

15

Batu bara yang akan ditangani pada penelitian ini adalah jenis lignite dengan

ukuran granularity ± 300 mm. Data mengenai estimasi material angkut dapat dilihat

pada Tabel 2.1

2.2 Kondisi Pembebanan yang Bekerja pada Boom

Saat wheel loader bekerja ada beberapa macam gerakan standar yang

bertujuan utama memindahkan material angkut. Gerakan tersebut memiliki siklus

waktu. Satu siklus waktu berarti satu aktivitas kerja pengangkutan dan pemindahan

material dari mulai, selesai hingga sesaat untuk memulai siklus lagi.

Berikut adalah siklus yang terjadi saat loader bekerja:

a. Pre filling load

Adalah kerja yang dilakukan untuk mengambil material dengan cara

menjugil (break out) dan memenuhi bucket dengan material penuh. Seperti terlihat

pada gambar 2.8, posisi 1.

b. Raise time over payload

Waktu yang diperlukan loader untuk menaikkan bucket dari tempat yang

rendah ke tempat tinggi. Raise time adalah waktu saat bucket selesai diisi dengan

material (loading), bucket sudah terisi penuh (loaded) dan siap dipindahkan.

c. Dump time static

Waktu yang diperlukan bucket untuk membongkar muatan. Jika loader telah

mencapai situasi muatan akan dibongkar, maka bucket akan berputar sampai seluruh

material dalam bucket turun. Boom set belum menurunkan ketinggian.

16

d. Lower time

Waktu yang diperlukan untuk menurunkan bucket dari bongkar muat sampai

ke bawah. Terjadi sesaat setelah muatan selesai dibongkar dan akan menuju tempat

semula untuk mengambil material. Penurunan bucket ke bawah juga akan menambah

kenyamanan terutama masalah pandangan ke depan saat loader berjalan.

e. Variable time

Waktu tambahan untuk mengatur posisi loader, waktu perpindahan,

instruksi, dan lain-lain. Biasanya variabel waktu ini membutuhkan waktu yang paling

banyak di antara siklus yang lain.

Dari siklus di atas, pre filling load dan raise time memiliki beban yang

paling berat, karena pada saat itu boom set harus bergerak untuk menjugil, mengisi

material lalu menahan beban bucket dan material.

Pergerakan ke atas oleh boom set terhadap bucket dengan heaped capacity

diakibatkan gaya yang berkesinambungan dari set hidrolik. Set hidrolik sebagai

pengangkat dalam analisis beban dapat ditiadakan dan digantikan posisinya sebagai

tumpuan roll, keadaan dibuat diam (statis).

17

Gambar 2.6 Posisi kerja boom terhadap bucket

2.2.1 Beban Akibat Muatan (Payload)

Pembebanan payload adalah beban akibat muatan (loaded) ketika bucket

terisi penuh (heap), besarnya pembebanan payload tergantung dari density material

yang menempati bucket dan kapasitas bucket. Arah pembebanan yang diakibatkan

payload terdistribusi merata pada permukaan prime plate.

Bucket yang telah dimodifikasi telah dinaikkan kapasitas muat dari 3,471 ton tanah

lepas menjadi 4 ton batu bara ( Kusmanjati, 2006). Kondisi beban itu merata di

dinding dalam bucket. Pembebanan ini dijadikan referensi karena bucket dan boom

menerima beban yang cukup lama tergantung jarak pemindahan material.

2.2.2 Beban Angkat Maksimum (Break Out Force)

Breakout force, umumnya dinyatakan dalam satuan newton, merupakan gaya

maksimal bucket dalam melakukan gerak berputar ke atas sejauh 100 mm (pada

daerah paling ujung dari cutting edge atau pisau) serta berputar ke belakang pada saat

bucket dikondisikan melakukan pemuatan maksimal dari posisi awal pemuatan di

18

ujung cutting edge (ujung pisau) sehingga mampu menggerakan bucket untuk

memuat material (handbook komatsu 4A-106). Secara singkat dapat disimpulkan

sebagai gaya congkel maksimum bucket mengambil material.

Gambar 2.7 Breakout force (Handbook komatsu 4A-106 )

Breakout force bekerja pada ujung cutting edge dengan arah transversal atau

tegak lurus penampang di ujung plat cutting edge sehingga menimbulkan pengaruh

momen lentur pada prime plate yang berhubungan langsung dengan beban. Besarnya

breakout force untuk setiap tipe bucket telah ditentukan berdasarkan kemampuan

hydraulic pada silinder piston dan static stability. Kemampuan hidrolis adalah gaya

tekan yang dihasilkan silinder hidrolis yang diteruskan oleh batang penghubung

(boom) sehingga menggerakan bucket untuk melakukan unjuk kerjanya.

2.2.3 Static Stability

Static stability adalah pertimbangan desain bucket terhadap kapasitas muatan

bucket agar loader tetap stabil dalam kondisi sudut kerja bucket dalam berbagai

kedudukan. Berbagai kedudukan yang dimaksudkan di sini adalah sudut kerja boom

dalam memuat muatan. Hubungan antara kapasitas dan panjang boom adalah semakin

panjang boom maka semakin besar kapasitasnya begitu pula sebaliknya. Tetapi

19

terdapat batasan stability pada perbesaran kapasitas dengan memperpanjang boom

yaitu batasan kendaraan untuk dapat beroperasi normal tanpa terguling atau tergeser

terhadap bidang lintasan. Apabila kita melihat Gambar 2.8 posisi 3, beban bucket

( P load ) dapat menyebabkan loader terguling kearah depan

Gambar 2.8 Static stability bucket loader

Sejauh mana bucket tidak menyebabkan loader terjungkal dapat didekati

dengan pendekatan berikut. Dengan melihat Gambar 2.8, ada tiga kondisi posisi

bucket yang menyebabkan kemungkinan terbesar loader terguling. Untuk kondisi

pembebanan awal bucket melakukan pengerukan, kondisi kedua bucket melakukan

pengangkatan sebesar sudut α terhadap permukaan horizontal, kondisi ketiga bucket

melakukan pengangkatan sebesar sudut β terhadap permukaan horizontal.

20

Dengan mengasumsikan bahwa centre of mass gabungan telah ditentukan,

dengan pertimbangan bahwa analisis yang akan dilakukan ini hanya untuk

membandingan kondisi paling maksimal dari ketiga pembebanan yang diberikan,

maka kita dapat menganalisis Akibat beban pada bucket (Pload) dan berat loader yang

bekerja pada titik berat kendaraan ( Wl ) maka akan menimbulkan reaksi pada poros

wheel.

0=∑ BM

0)()()()( 1 =−++−++ dPcWcbRcbaP cwlfrontload

)()()()( 1

cbdPcWcbaPR cwlload

front +−+++

=

Rnear = (Pload + Wl + Wcw ) - Rfront

Di mana : a1 = jarak titik berat bucket ke titik pusat roda depan Pload = beban akibat muatan pada bucket P cw = berat counter weight Rfront = reaksi yang bekarja pada pusat roda depan Rnear = reaksi yang bekerja pada pusat roda depan.

Agar terjadi kesetimbangan maka momen yang bekerja pada titik pusat

massa harus sama dengan nol. Kondisi terguling dimungkinkan bila ΣMcg tidak sama

dengan nol, hal ini terjadi bila beban pada bucket (sebelah kiri dari titik centre of

mass) menghasilkan momen yang lebih besar dibandingkan momen yang dihasilkan

disebelah kanan dari titik centre of mass. Apabila beban yang dikenakan pada ketiga

pembebanan sama maka, kondisi terguling dimungkinkan pada saat boom bergerak

90o (kondisi kedua) terhadap bidang vertikal, karena pada kondisi ini boom

21

menghasilkan jarak maksimal terhadap pusat massa kendaraan. Oleh karena itu

biasanya keadaan ini menjadi salah satu pertimbangan dalam perancangan kapasitas

bucket.

Gambar 2.9 dan Gambar 2.10 merupakan ilustrasi gaya yang terjadi saat

melakukan Breakout Force yang disebabkan tekanan piston hidrolik yang

mengakibatkan resultan gaya untuk melakukan gerakan menjugil.

Gambar 2.9 Kondisi pembebanan breakout force pada bucket dan boom

Gerakan menjugil merupakan gerakan awal yang bertujuan untuk mengambil

material yang masih murni jadi satu dengan lansekap bumi ( in materials ), gerakan

ini berbeda dengan gerakan mengolah tanah yang sudah siap tertumpuk dan siap

ditampung menuju truk atau tempat yang lain ( on materials)

22

Gambar 2.10 Distribusi gaya tekan piston ke batang penghubung

Gaya tekan piston ( F )

F = P x A

Dengan: P = tekanan hidrolik cylinder bucket ( 5,5 kg/mm2 ) (lampiran 3 )

A = Luasan penampang piston ( ∅piston = 110 mm ) ( lampiran 4 )

Sehingga:

F = 5,5 x )4

( 2dπ

F = 5,5 x )1104

( 2π

F = 52.241,75 kg

23

Apabila batang penghubung bergerak melakukan gerak pengerukan, distribusi

gaya tekan piston sampai menjadi gaya keruk dapat dianalisis sebagai berikut :

Bila piston melakukan gerak translasi dan menyebabkan batang CE berotasi terhadap

titik D sebesar θ1, maka gaya reaksi batang CE dititk E sebesar (F1).

F1 = 1θCos

F

bila sudut θ1 sebesar 10 o maka,

F1 = oCos10 52.241,75 = 53.047,66 kg

Distribusi gaya di F2

Σ MD = 0

F1 ( ED ) – F2 ( DC ) = 0

6508501

2xFF =

650

850 53.047,66 x= = 69.370,02 kg

Distribusi gaya di F3

F3 = F2 x Cos θ1

= 69.370,02 x Cos 10 o

= 68.316,13 kg

24

Gaya pengerukan yang dialami pada ujung cutting edge F4

Gambar 2.11 Pembebanan breakout force

F4 = 1

23

llF ⋅

Dimana : F4 = Break-Out Force ( kgf , N) F3 = Gaya pada tilf hole ( N) l1 = jarak ujung cutting edge ke pin boom ( = 1460 mm ) l2 = jarak pin boom – pin bucket ( = 387 mm)

F4 = 460,1

0,387 x68.316,13

F4 = 18.108,45 kg

Nilai dari pembebanan breakout force pada kasus ini untuk tipe loader telah

ditentukan oleh produsen untuk tiap tipe loader. Untuk WA-420 pembebanan

terhadap ujung bucket berkisar 18,5 ton, dan nilai ini digunakan sebagai pemeriksaan

bucket terhadap pembebanan breakout force.

25

2.3 Bucket yang akan terpasang pada Boom

Bucket yang akan dipasangkan dengan boom set adalah bucket yang telah

dimodifikasi untuk batubara dengan kapasitas yang dinaikkan pula. Dengan berat

yang telah bertambah dari Origin Bucket WA-420, diharapkan boom mampu untuk

menahan beban pertambahan berat.

Dari perhitungan modifikasi bucket yang dilakukan sebelumnya maka

didapat berat bucket yang telah dimodifikasi untuk batu bara adalah 2614,24209 kg.

Modifikasi yang dilakukan adalah dengan memperpanjang prime plate dari bentangan

prime plate origin 2787,15 mm menjadi 2950 mm. Hal ini dipilih karena dengan

lebar bucket yang tidak berubah, kemampuan menggali bucket dapat dipertahankan

sesuai kemampuan origin-nya.

Data modifikasi bucket origin WA-420

- bucket weight = 2614.24209 kg

- rate load = 4,5 Ton x 0,89 Ton/m3 (density of coal = 0,85 Ton/m3)

= 4 Ton

- total weight = 6,6 Ton

Permasalahan yang ada di PT Semen Cibinong Tbk. yaitu peralihan material

angkut dianggap teratasi dengan bucket yang telah dimodifikasi untuk batubara

dengan dimensi yang telah diperbesar.

26

2.4 Tumpuan dan relevansi terhadap program

Perhitungan analisis beban dengan batang dan gaya dalam struktur mayoritas

akan berhubungan dengan tumpuan. Tumpuan adalah suatu bentuk alat bantu dalam

stuktur dan memiliki tujuan struktur tersebut stabil dalam keadaan sebenarnya dan

memiliki kelayakan untuk diterapkan terhadap gravitasi, perilaku benda terhadap

terhadap gaya, keamanan struktur terhadap lingkungan, dan lain-lain.

Ada 3 macam tumpuan standar yang dapat kita jumpai dalam perhitungan

maupun dalam struktur asli benda, biasa disimbolkan untuk mempermudah penalaran

dengan struktur asli. Tiga batang tersebut adalah :

1. Tumpuan jepit

2. Tumpuan roll

3. Tumpuan sendi.

Simbol yang menyertai ketiga tumpuan tersebut yaitu :

1. Tumpuan Roll

2. Tumpuan Sendi

3. Tumpuan Jepit

Batang yang mendapat gaya luar akan bereaksi untuk melawannya, begitu

pula dengan tumpuan. Tidak semua tumpuan akan mampu menangani berbagai

macam reaksi yang ditimbulkan terhadap stuktur.

27

Analisis sub program dalam CosmosWork dari Solid Works memiliki sarana

untuk menentukan tumpuan (Restrain) yang terjadi. Beberapa analisis mengharuskan

sarana Restrain ini terpenuhi. Ada beberapa perintah berdasarkan keadaan (Command

Condition) yang ada dalam program yang memungkinkan untuk dipilih dan

disesuaikan dengan keadaan yang ada. Setiap command condition yang ditunjukkan

Gambar 2.12 dapat mewakili struktur tumpuan utama jepit, roll, dan sendi.

Gambar 2.12

Dari keadaan diatas, terdapat beberapa kemungkinan untuk setting tumpuan

dalam program SolidWorks. Penggunaan parameter terkadang mengharuskan lebih

dari satu untuk dapat menunjang tumpuan jika dilakukan analisis untuk analisis

gabungan (Assembly). A C

B

Gambar 2.13

28

Gambar 2.13 menunjukkan simbol anak panah dalam program

COSMOSWORK yang menunjukkan arah dimatikannya pergerakan translasi maupun

gerakan rotasi. Panah A, B, dan C walaupun menunjuk ke satu arah sebenarnya juga

mematikan pergerakan yang berlawanan dengan panah tersebut. Contoh gambar

diatas dapat dikatakan bahwa benda tersebut telah ditumpu dalam tiga garis kerja

panah tersebut.

2.5 Metode Elemen Hingga

2.5.1 Konsep Metode Elemen Hingga (Finite Elemen Method)

Dalam melakukan suatu perancangan, terutama elemen mesin, perlu

dianalisis tegangan-tegangan maksimum yang bekerja pada elemen tersebut, untuk

mengambil kesimpulan apakah rancanagan itu aman atau tidak. Banyak metode yang

digunakan untuk menganalisis tegangan yang bekerja pada elemen yang dirancang

tersebut. Pemilihan metode antara lain didasarkan pada tingkat kesulitan elemen yang

akan dianalisis, baik geometri maupun kondisi beban yang bekerja pada elemen

tersebut. Untuk elemen yang sederhana seperti batang aksial, cukup dianalis dengan

perhitungan statika struktur biasa. Namun untuk elemen yang kompleks sebaiknya

dilakukan dengan metode numerik untuk memperoleh ketepatan hasil yang mendekati

keadaan sebenarnya.

Metode elemen hingga (finite elemen method) merupakan salah satu bentuk

analisis pendekatan secara numerik. Metode ini membagi elemen yang dianalisis

menjadi bagian-bagian yang lebih kecil dengan jumlah berhingga yang kemudian

29

setiap bagian tersebut dianalisis besarnya tegangan dan regangan yang terjadi.

Dengan metode ini, persoalan yang rumit sekalipun dapat dianalisis dengan ketepatan

yang tinggi. Metode ini disebut analisis pendekatan karena kesamaan antara hasil

yang didapat dengan kondisi struktur sebenarnya tergantung dengan jumlah elemen

atau tingkat pendekatan yng diambil. Metode elemen hingga merupakan perluasan

dari metode matrik perpindahan ke analisis struktural. Dimana kondisi global elastis

suatu struktur dapat dibagi menjadi elemen-elemen atau diskrit yang saling

berhubungan pada titik nodalnya. Kontinuitas tegangan dan perpindahan pada

struktur dapat dicari dengan perpindahan titik nodal tersebut.

Untuk menganalisis suatu struktur global dengan metode elemen hingga,

maka tahapan-tahapan berikut menggambarkan prosedur pendekatan metode ini :

1. Membagi struktur menjadi sejumlah elemen diskrit dan nodal.

2. Fungsi perpindahan ditetapkan untuk setiap elemen sehingga perpindahan tiap

titik bergantung pada perpindahan nodal.

3. Menetapkan hubungan regangan-perpindahan dan tegangan-regangan.

4. Menurunkan matrik kekakuan dan beban ekuivalen pada titik nodal dengan

menggunakan prinsip energi.

5. Menentukan persamaan kesetimbangan untuk seluruh sistem { } { }{ }ukF .= .

6. Memecahkan persamaan kesetimbangan agar didapatkan nilai perpindahanya.

7. Menghitung tegangan pada matrik yang diinginkan.

8. Menghitung reaksi tumpuan.

30

2.5.2 Persamaan-Persamaan Dasar Metode Elemen Hingga

Diasumsikan elemen hingga tiga dimensi terletak dalam koordinat kartesius

x, y, z memiliki vektor perpindahan :

u = (u, v, w )

dimana u, v, w adalah perpindahan dalam arah x,y, dan z.

Jika gaya-gaya yang bekerja ditempatkan dalam vektor b :

( )zyx bbbb ,,=

dimana merupakan komponen gaya (persatuan volume, luas atau panjang)

yang bekerja pada titik generik.

zyx bbb ,,

Perpindahan nodal dalam elemen arah x, y, z dilambangkan sebagai q. Jika

adalah jumlah nodal pada elemen : enn

q = (qi) ; i = 1,2,3,…, nen

di mana

qi = ( qxi, qyi , qzi ) = ( ui,vi,wi )

Dengan cara yang sama gaya pada nodal yang dilambangkan sebagai p dapat

ditulis dalam bentuk :

p = (pi) ; i = 1,2,…, nen

di mana :

pi = ( pxi, pyi, pzi )

31

Untuk menggabungkan perpindahan generik dangan perpindahan nodal

diperlukan suatu fungsi bentuk perpindahan f sebagai berikut :

u = f . q

Dengan meniferensiasi bentuk perpindahan generik diperoleh hubungan regangan-

regangan. Operator fungsi ini dilambangkan dengan matrik d yang disebut matrik

operator diferensial linier di mana :

)(. reganganud=ε

qBqfd ... ==ε

fdB .=

Matrik B memberikan regangan pada tiap titik dalam elemen berdasarkan

perpindahan nodal.

Dari hokum Hooke didapatkan hubungan tegangan-regangan, yaitu :

σ = E . ε

di mana E adalah modulus elestisitas atau modulus young bahan. Hukum hooke ini

berlaku sampai batas proporsional bahan.

Maka

σ = E . B . q

Perkalian dari matrik E . B memberikan tegangan pada satu titik yang ditinjau

berdasarkan perpindahan nodal yang terjadi.

32

2.6 Angka keamanan

Dalam istilah permesinan, angka keamanan adalah faktor yang digunakan

untuk mengevaluasi keamanan dari suatu bagian mesin. Kondisi sebuah elemen

dalam permesinan terdapat beragam variasi pengaruh yang disebabkan suatu besaran

yang berasal dari luar elemen tersebut. Jika elemen tersebut diberi besaran F, yang

dapat berupa momen lentur, gaya, tekanan, lendutan, dan pengaruh umum lainnya,

maka elemen mesin tersebut akan menahan pengaruh besaran F tersebut. Tetapi jika

disuatu titik dimana besaran F tersebut sedikit dinaikkan nilainya dan berakibat

terganggunya elemen mesin tersebut, maka batasan ini disebut besaran batas akhir

(Fu). Hal diatas dapat dirangkum menjadi rumus :

n = F

Fu

Fu = batas akhir

F = gaya utama

n = angka keamanan

Nilai Fu dan F menghasilkan n = 1 jika besarnya sama, dalam keadaan ini berarti

faktor keamanan bahan saat menerima beban berada di keadaan aman minimal.

Keadaan ini sering disebut margin of safety (batas keamanan) dengan notasi m.

m = n – 1

Bagian permesinan sering diasumsikan sebagai suatu keadaan yang

kompleks untuk suatu bagian tertentu. Variasi pemilihan bahan, proses pengerjaan,

gesekan, tekanan, lendutan, void, adalah sebagian kecil masalah yang membuat suatu

elemen mesin kadang tidak sesuai dengan perhitungan. Penggunaan angka keamanan

33

akibat pengetahuan akan ketidak-tentuan suatu elemen mesin akan reaksi yang

mungkin dapat terjadi saat bekerja. Teorinya pendekatan untuk angka keamanan

harus dilakukan pertitik sampel, walau akan menghasilkan nilai yang sangat beragam.

Pendekatan yang paling umum adalah menganggap bahan homogen sempurna dengan

angka keamanan untuk semua elemen mesin dalam struktur.

2.7 Tegangan Dan Regangan Pada Pelat

Sebuah balok yang sisi-sisinya berturut-turut adalah a,b,c,d diberi tegangan

tarik secara uniform yang disebarkan pada seluruh permukaannya seperti ditunjukan

pada Gambar 2.14

Gambar 2.14 Sebuah elemen yang mengalami tegangan normal yang bekerja dalam arah sumbu-sumbu koordinat

34

Regangan yang terjadi pada kasus pelat 2 dimensi dinyatakan dalam bentuk :

{ } ………………………………………………( 2.1 ) ⎪⎭

⎪⎬

⎫

⎪⎩

⎪⎨

⎧

=

z

y

x

yx

ε

εε

ε ),(

Berdasarkan toeri elastisitas, hubungan antara regangan dan perpindahan adalah

sebagai berikut :

xu

x δδε = ……………………………………………………… ( 2.2 )

xv

y δδε = ………………………………………………….........( 2.3 )

xv

xu

xy δδ

δδγ += …………...…………………………........…( 2.4 )

Di mana : xε = Regangan normal dalam arah x yε = Regangan normal dalam arah y xyγ = Regangan geser Hubungan regangan-regangan tersebut dapat dinyatakan dalam matrik berikut :

ud .=ε

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡=

xyy

xd

δδδδδδ

δδ

///00/

u = vector perpindahan d = matrik operator diferensial linier Untuk kasus elastisitas dua dimensi, keadaan tegangan pada tiap titik dapat

dinyatakan dalam tiga komponen yaitu xyyx τσσ ,,

35

⎪⎭

⎪⎬

⎫

⎪⎩

⎪⎨

⎧

=

xy

y

x

yx

τ

σσ

σ ),( ................................................................................................. (2.5)

Di mana : xσ = Tegangan normal arah x yσ = Tegangan normal arah y xyτ = Tegangan geser

Antara tegangan dan regangan dihubungkan dengan matrik [d], dimana

{ } [ ]{ yxDyx ,(),( }εσ = . Dalam kasus elastisitas dua dimensi, matrik [d] berdimensi

3x3, sedangkan besaran besaranya tergantung dari kondisi elemen. Untuk elemen

pelat yang terdapat dua kondisi yaitu plain stress dan plain strain.

Untuk kasus plain stess, yaitu kasus dimana tegangan dalam arah tegak lurus

bidang adalah nol, hubungan regangan-tegangan adalah sebagai berikut :

E

vE

yxx

σσε −= …………………………………………………………(2.6)

EE

v yxy

σσε +−= ……………………………………………………...(2.7)

xyxy

xy Ev

Gτ

γλ )1(2 +

== ………………………………………………....(2.8)

Di mana : E = Modulus elastisitas Young G = Modulus geser v = Poisson’s ratio

36

Persamaan-persamaan di atas bila dinyatakan dalam bentuk matrik identik dengan

bentuk berikut :

⎪⎭

⎪⎬

⎫

⎪⎩

⎪⎨

⎧

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

+−

−=

⎪⎪⎭

⎪⎪⎬

⎫

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧

xy

y

x

xy

y

x

vv

v

Eτ

σσ

γ

ε

ε

)1(2000101

1

Dengan menata kembali persamaan hubungan tegangan-regangan di atas, dapat

diperoleh matrik global untuk tegangan

⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

−−

=

⎪⎪⎭

⎪⎪⎬

⎫

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧

2100

0101

)1( 2

vv

v

vE

xy

y

x

τ

σ

σ

……………………………………...…(2.9)

Untuk kasus plain strain yaitu kasus di mana regangan dalam arah tegak

lurus bidang sama dengan nol, maka hubungan regangan-regangan adalah sebagai

berikut :

E

vE

vE

zyxx

σσσε −−= ………………………………………….(2.10)

E

vEE

v zyxy

σσσε −+−= ………………………………………(2.11)

0=+−−=EE

vE

v zyxz

σσσε ……………………………………(2.12)

xyxy

xy Ev

Gτ

γλ )1(2 +

== ………………………………………....(2.13)

37

Dengan mengeliminasi zσ dan menyelesaikan maka diperoleh

hubungan tegangan –tegangan untuk kasus plain strain sebagai berikut :

xyyx dan τσσ ,

⎪⎭

⎪⎬

⎫

⎪⎩

⎪⎨

⎧

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

−−

−

−+−

=

⎪⎪⎭

⎪⎪⎬

⎫

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧

xy

y

x

xy

y

x

vv

vv

v

vvvE

ε

εε

τ

σ

σ

2100

011

01

1

)21)(1(1( …………………....(2.14)

2.8 Teori Kegagalan

Kegagalan mekanis terjadi karena patah / fracture ( σ > σy ) atau deformasi

permanent / yield ( σ > σy ). Dalam suatu bidang teknik kegunaan suatu elemen

mesin akan hilang setelah terjadinya deformasi yang permanen. Dengan demikian

yielding dapat dianggap suatu kegagalan.

2.8.1 Teori tegangan normal maksimum

Teori ini menyatakan kegagalan terjadi bila tegangan yang paling besar sama

dengan atau lebih dari kekuatan yield atau kekuatan maksimum . Apabila ketiga

tegangan untuk setiap keadaan tegangan disusun dalam bentuk : 1σ > 2σ > 3σ ,

maka menurut teori ini kegagalan terjadi bila 1σ ≥ σyeild atau 1σ ≥ σultimate .

38

2.8.2 Teori energi distorsi

Teori kegagalan ini juga disebut teori energi geser (shear energi theory) dan

teori Von Misses-Hencky. Untuk bahan-bahan yang ulet (daktil) dalam menganalisis

kegagalan yang terjadi teori kegagalan Von Mises biasanya banyak dipergunakan.

Teori ini muncul dari hasil observasi bahwa suatu elemen mendapat tegangan tarik

dan tekan yang sama (hidrostatis) mempunyai kekuatan yield yang lebih tinggi

dibandingkan kekutan yang diperoleh dari pengujian tarik. Tekanan hidrostatis terjadi

bila suatu materi diberikan tekanan dalam arah tiga sumbu dengan besar tekanan yang

sama besarnya (Perencanaan Teknik Mesin, Shiglie, jilid 1, hal 238). Hal ini

menunjukkan bahwa yielding tidak hanya merupakan suatu fenomena yang berkaitan

dengan apakah bahan tersebut ditarik atau ditekan, tetapi lebih dari itu yielding

berkaitan dengan distorsi suatu elemen yang mendapat tegangan

σav

σav σ2

σ1 σ3 σav σ3-av σ1-av

(c) (b) (a)

σ2-av

Gambar 2.16

39

(a) Elemen dengan tergangan pada ketiga arah sumbu yang mengalami perubahan volume maupun perubahan sudut.

(b) Elemen menerima tegangan tarik hidrostatis hanya menerima perubahan isi.

(c) Elemen menerima distorsi sudut tanpa perubahan volume.

Untuk Gambar 2.16 b menunjukkan suatu elemen yang bekerja tegangan –

tegangan yang diatur sehingga σ1 > σ2 > σ3 sehngga kerja per satuan kubus pada

salah satu sisi utama :

un = 2. nn εσ

di mana n = 1,2,3

Strain energi ( u )

u = u1 + u2 + u3

= [ ])(221

1332213

32

22

1 σσσσσσσσσ ++⋅−++ vE

Apabila kita tetapkan σav = 3

321 σσσ ++

dan menggunakan ini pada setiap arah utama dari kubus satuan (Gambar 2.19 b).

Tegangan sisanya σ1 – σav , σ2 – σav ,dan σ3 – σav diperlihatkan pada Gambar 2.19 c

Energi untuk perubahan volume : σ1 = σav , σ2 = σav , σ3 = σav

uv = [ ] )21(2

3)3(23

21 2

22 vE

vE

avavav −=−

σσσ

dengan memasukkan harga σav = 3

321 σσσ ++

40

uv = [ ]1232213

32

22

1 2226

21 σσσσσσσσσ +++++−E

Maka energi distorsi adalah : ud = u - uv

= ( ) ( ) ( )

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡ −+−+−+23

1 213

232

221 σσσσσσ

Ev

Energi distorsi akan sama dengan nol bila σ1 = σ2 = σ3

Apabila kita terapkan suatu pengujian tarik, σ1 = σyeild , σ2 = σ3 = 0.

Sehingga besarnya energi distorsi adalah :

Ud = 2

31

yeildEvσ+

Maka kriteria kegagalan yang akan muncul :

2σyeild2 = ( ) ( ) ( )2

132

322

21 σσσσσσ −+−+−

Kriteria ini menyatakan permulaan terjadinya yield pada suatu keadaan tegangan tiga

sumbu. Atau dapat dituliskan tegangan Von Mises pada keadaan tegangan dua sumbu

sebagai berikut :

2221

21 . σσσσσ +−=x

Untuk kasus tegangan Von Misses 3 sumbu :

2

)()()( 132

322

21 σσσσσσσ

−+−+−=V

41

Kriteria distorsi akan memberikan harga kekuatan yield lebih tinggi atau aman

dibanding teori geser maksimum. Untuk kriteria tegangan Von Mises digunakan

dalam analisis kegagalan pada aplikasi hasil dari program SOLID WORKS.

BAB III

ANALISIS KEKUATAN BOOM ORIGINAL

3.1 Data dan Dimensi Boom Original

Boom yang akan dianalisis di bab ini adalah boom wheel loader origin

WA420, dengan bucket yang memiliki rate 4,5 m3 (modif), dan kapasitas angkut

mencapai 4 ton, untuk pengangkutan batu bara. Boom tipe ini mempunyai dimensi

standar panjang 3050 mm dan lebar 1543 mm, terdiri dari komponen pendukung yang

menunjang pergerakan dan kekuatan bucket. Komponen-komponen utama

menggunakan material SM7aYA dengan kekuatan yield (σyeild) sebesar 390 MPa.

Data boom yang dianalisis disajikan pada Gambar 3.1.

Gambar 3.1 Data boom set

42

43

1. Lift Arm

Material : SM7aYA

Density : 7200 kg/m3

Yield Point (σy) : 390 N/mm2

Panjang : 3055 mm

Tebal (t) : 55 mm

Bentangan : 2787,15 mm

Volume : 68618096,24 mm3

Berat : 494050,29 g

2. Link

Material : SM7aYA

Density : 7200 kg/m3

Yield Point (σy) : 390 N/mm2

Panjang : 1745 mm

Tebal (t) : 170 mm

Bentangan : 1815010,94 mm

Volume : 63940201,73 mm3

Berat : 460369,45 g

44

3. Bucket Link

Material : SM7aYA

Density : 7200 kg/m3

Yield Point (σy) : 390 N/mm2

Tebal (t) : 75 mm

Volume : 4022903,68 mm3

Berat : 28964,91 g

4. Mid Cross Link

Material : SM7aYA

Density : 7200 kg/m3

Yield Point (σy) : 390 N/mm2

Surface Area : 1603863,28 mm

Volume : 84860915,5 mm3

Berat : 610998,5 gram

45

Rangkuman informasi material disajikan pada tabel 3.1

Tabel 3.1 Tabel informasi fisik material boom No Material Part Item Massa Unit Volume Unit

1 SM 7a YA Lift Arm 494050,29 gram 68618096,24 mm3

2 SM 7a YA Mid Cross Link 610998,5 gram 84860915,5 mm3

3 SM 7a YA Link Bucket 28964,91 gram 4022903,68 mm3

4 SM 7a YA Vertical Link 460369,45 gram 63940201,73 mm3

5 multiple Dump Cylinder

6 multiple Lift Cylinder

7 xx alloy Estimated Pin

8 xx alloy Estimated Ring

3.2 Kondisi Pembebanan pada Masing-Masing Kasus

Besarnya beban pada masing-masing kasus didasarkan pada perhitungan

pergerakan boom set yang mendukung pergerakan bucket saat menangani material.

Analisis yang dilakukan menggunakan permodelan elemen hingga bantuan program

COSMOS WORK yang merupakan program berbasis metode elemen hingga.

Struktur material boom set termasuk material yang ulet dan dianggap solid. Tegangan

yang dihasilkan adalah tegangan dengan nilai Von Mises Stress. Dengan demikian

dalam analisis ini digunakan kriteria kegagalan Von Mises atau energi distorsi

maksimum untuk perhitungan dan analisis faktor keamanan.

46

3.2.1 Kondisi pembebanan boom karena breakout force

Kondisi pembebanan boom karena breakout force ditunjukan pada Gambar

3.2, dan Gambar 3.3 untuk kondisi bucket. Beban yang terjadi diletakan pada ujung

bucket link. Kondisi ini menjadi beban yang akan dianalisis karena bucket link dan

vertical link bekerja menjugil material yang akan dimuat. Analisis dilakukan pada

posisi pertama bucket akan menjugil material batu bara. Dengan nilai beban untuk

cutting edge dan bucket sebesar 18,5 Ton (Kusmanjati, 2006).

sendi

beban

gaya resultan sendi

roll

Gambar 3.2 Kondisi beban statis

Gambar 3.3 Besar gaya resultan breakout force pada bucket

47

Breakout force bekerja pada daerah ujung dari pisau (cutting edge) maka

kondisi ini dianggap sebagai inputan kondisi batas yang dilakukan dalam menentukan

besar letak pembebanan pada kasus ini. Dari Gambar 3.3 kondisi batas resistance

(tumpuan) dimodelkan untuk tumpuan A dimungkinkan untuk melakukan gerak

rotasi (pin) tanpa melakukan gerak pengangkatan ( X = fixed ; Y = fixed ; Z = rotasi )

, sedangkan tumpuan B menahan beban rotasi arah horizontal sehingga dapat didekati

dengan model roll.

Permodelan eleman hingga untuk kasus diatas ditunjukkan pada Gambar 3.4.

Permodelan di atas menggunakan bucket untuk bantuan analisis, maka terdapat 61739

nodal, dan 33118 elemen. Karena pergerakan boom dianggap statis, maka lift arm

menerima gaya berat dari bucket ditambah dengan break out force yang terjadi.

Gambar 3.4 Permodelan elemen hingga boom set

48

3.2.2 Kondisi pembebanan boom karena muatan (payload)

Kondisi pembebanan karena berat material (payload) ditunjukan pada Gambar

3.5a posisi 3, dengan sudut 70o dari posisi breakout force. Beban yang terjadi

terdistribusi merata, kondisi ini dimungkinkan pada saat material terkumpul penuh

mengisi bucket sehingga menimbulkan reaksi pada kedua tumpuan. Dengan nilai

beban (w) sebesar 4 Ton (Kusmanjati, 2006), dalam arah normal permukaan prime

plate bucket. Permodelan elemen hingga untuk kasus payload ditunjukkan di Gambar

3.5b dan terdapat 61739 nodal, dan 33118 elemen

Gambar 3.5a Posisi boom terhadap main body

49

Gambar 3.5b Model mesh saat payload

3.3 Tegangan dan Defleksi pada Boom

Analisis tegangan dan defleksi didasarkan pada nilai resultan pembebanan

yang telah ada di bab sebelumnya. Perhitungan tegangan dan defleksi struktur boom

WA420 dilakukan dengan menerapkan analisis statis linier pada program paket

SOLID WORKS. Karena material yang digunakan SM7aYA dapat digolongkan

sebagai material yang ulet, dan kriteria kekuatan struktur dihitung dengan

menggunakan “kriteria energi distorsi maksimum atau Von Mises Strees.

50

3.3.1 Kasus 1 : pembebanan payload

Hasil yang akan didapatkan adalah nilai tegangan ( stress ) dan displacement.

Tegangan ini digunakan untuk menganalisis kegagalan pada setiap komponen bucket.

Dimana dalam diagram tegangan yang terjadi dapat diketahui bagian dari struktur

yang kritis dan bagian yang mengalami kegagalan .

Gambar 3.6 Distribusi tegangan payload

Tabel 3.2 Distribusi tegangan Von Mises Payload pada komponen utama

Destination N/mm2 No Part item Node X mm Y mm Z mm Max Min

1400 1399 1113,2 -119,56 44329768 1 Lift Arm 2518 -618,29 -820,76 -121,32 144707

57244 -221,98 -11,492 -558,82 18289346 2 Mid Cross link 57840 375,49 14,351 -648,82 83260,96

13865 -601,37 -628,53 -611,32 27989712 3 Link Bucket 14210 -86,298 -912,83 -662,88 254468,3

19883 -247,75 -8,7247 -733,82 14726086 4 Vertical Link 18879 -277,1 576,22 -711,32 299,681

51

Tabel 3.3 Distribusi displacement pembebanan payload pada komponen utama

Destination mm No Part item Node X mm Y mm Z mm Max Min

1191 -763,41 -1071,3 -93,818 0,843 1 Lift Arm 192 1412,9 1148 -148,82 0

59724 -336,26 -110,8 -558,82 0,544 2 Mid Cross link 61356 355,99 38,126 -523,82 0,334

13568 -607,2 -717,49 -686,32 0,805 3 Link Bucket 14505 -31,759 385,54 -733,82 0,354

18076 -188,03 -995,1 -563,82 0,782 4 Vertical Link 14505 -31,759 385,54 -733,82 0,354

Gambar 3.7 Faktor keamanan struktur boom ketika pembebanan payload

52

Tabel 3.4 Faktor keamanan pada komponen utama

Destination FOS No Part item Node X mm Y mm Z mm Max Min

3525 327,61 -181,12 -1148,8 100 1 Lift Arm 3909 1399 1114,4 -1203,8 9,06

1 375,49 14,351 -148,82 100 2 Mid Cross link 57244 -221,98 -11,492 -558,82 21,32

13540 -176,34 -919,36 -611,32 100 3 Link Bucket 13865 -601,37 -628,53 -611,32 13,93

13540 -176,34 -919,36 -611,32 100 4 Vertical Link 19883 -247,75 -8,7247 -733,82 26,48

Bagian yang mengalami tegangan yang lebih akan ditunjukkan melalui simbol

gradasi warna yang dibantu dengan penunjukan arti bilangan terhadap warna

(legend). Gambar 3.6 menunjukkan perbedaan tingkatan tegangan yang ditunjukkan

dengan warna biru untuk tegangan yang terkecil. Hal yang sama juga berlaku untuk

Gambar 3.7 yang memiliki alur warna dengan arti yang sama. Kondisi di atas

menunjukkan bahwa tegangan maksimum terjadi pada bagian lift arm dengan

tegangan yang dialami sebesar 44335960 N/mm2 (44,3 Mpa). Analisis kegagalan

dilakukan dengan melihat faktor keamanan (Factor of Safety) terhadap yield material.

yang menghasilkan nilai terkecil 9,06 yang berada di bagian lift arm.

3.3.2 Kasus 2 : pembebanan breakout force

Pada kasus 2 pembebanan ditempatkan merata pada ujung cutting edge

dengan nilai pembebanan sebesar 18,5 T dalam keadaan statis. Sedangkan boom set

diberi gaya yang memberikan simulasi dari hasil gaya lift cylinder. Keadaan ini untuk

memberikan simulasi kerja saat melakukan pengerukan material. Distribusi tegangan

53

yang terjadi pada boom ditunjukkan pada Gambar 3.8, dan hasil tegangan dari

komponen utama boom terdapat dalam Tabel 3.5.

Gambar 3.8 Distribusi Tegangan Von Mises

Tabel 3.5 Distribusi tegangan Von Mises akibat pembebanan breakout force pada

komponen utama

Destination N/mm2 No Part item Node X mm Y mm Z mm Max Min

3907 1446,5 1066,9 -1203,8 291105056 1 Lift Arm 6687 1218,8 735,42 -1176,3 2753347,25

57244 -221,98 -11,492 -558,82 859530000 2 Mid Cross link 59524 221,18 -155,87 -655,89 4342763,5

13882 -168,58 -895,78 -611,32 410233984 3 Link Bucket 13717 -166,87 -993,96 -644,79 5585400,5

19883 -247,75 -8,7247 -733,82 707445248 4 Vertical Link 18940 -178,27 734,28 -586,32 3198437,5

54

Tabel 3.6 Distribusi displacement pembebanan breakout force pada komponen utama

Destination mm No Part item Node X mm Y mm Z mm Max Min

5005 -763,41 -1071,3 -1203,8 6,058 1 Lift Arm 3642 1480,1 1080,9 -1148,8 0

57876 -346,27 -66,891 -778,82 2,057 2 Mid Cross link 61280 389,94 -115,95 -648,82 0,021

13837 4,802 -747,39 -648,99 4,802 3 Link Bucket 13612 -362,8 -765,87 -611,32 3,441

18950 -178,27 734,28 -608,82 6,659 4 Vertical Link 17398 15,82 -119,21 -648,82 0,112

FOS (Factor of Safety)

Gambar 3.9 Faktor keamanan breakoutforce

55

Tabel 3.7 Faktor keamanan pada komponen utama saat pembebanan breakout force

Destination FOS No Part item Node X mm Y mm Z mm Max Min

3637 334,33 -378,18 -1148,8 100 1 Lift Arm 3652 -689,42 -976,04 -1148,8 0,91

58093 224,69 -169,38 -1098,8 89,8 2 Mid Cross link 57244 -221,98 -11,492 -558,82 0,46

13606 -87,506 -970,49 -611,32 69,1 3 Link Bucket 13596 -675,37 -678,25 -611,32 0,95

18940 -178,27 734,28 -586,32 100 4 Vertical Link 19847 -247,75 -8,7247 -563,82 0,55

Dari kasus pembebanan payload dan breakout force ditunjukkan tegangan

yang tertinggi terjadi pada lift arm sebesar 859 Mpa dan nilai tersebut sangat jauh

melebihi titik luluhnya. Tegangan tertinggi terjadi ketika bucket melakukan

pengerukan maksimal (breakout force) terhadap material. Faktor keamanan yang

terjadi >1. Hal ini mengharuskan boom untuk dimodifikasi baik untuk mendukung

kapasitas muat maksimum bucket WA-420 untuk material angkut batu-bara yang

telah dimodifikasi. Modifikasi bertujuan baik untuk menambah kemampuan untuk

bagian yang kurang kuat, maupun untuk mendapatkan menambah efisiensi. Analisa

modifikasi akan dipaparkan di bab selanjutnya.

BAB IV

MODIFIKASI BUCKET WA-420

Berdasarkan analisis kekuatan boom original dapat disimpulkan bahwa

kekuatan boom WA-420 terhadap aplikasi bucket modifikasi dan material batu

bara dikatakan tidak aman dari kegagalan. Oleh karena itu, perlu dilakukan

modifikasi penguatan yang diharapkan mampu mendukung kinerja bucket dengan

kapasitas baru. Setelah penguatan di bagian kritis, dilanjutkan dengan

peningkatkan efisiensi dimensi boom set tanpa menurunkan kekuatan bahan

terhadap beban. Hal ini mendasari modifikasi boom set agar tercapai efisiensi

yang dianggap maksimal dari boom set dalam menjalankan fungsinya.

Metode modifikasi boom set dilakukan dengan cara trial and error untuk

mencapai padu padan yang seimbang antara efisiensi dimensi dengan berbagai

tegangan yang dihasilkan. Cara yang ditempuh yaitu dengan mengubah bentuk

bucket link, menambah dimensi pada ujung lift arm, mengurangi berat vertikal

link dan mid cross link. Bentuk umum dari loader yang lain dijadikan sebagai

acuan dan modifikasi boom set dilakukan secara seimbang supaya titik berat tetap

di tengah. Jumlah massa di beberapa bagian dikurangi mengingat di beberapa

bagian nilai tegangan sangat memungkinkan untuk dilakukan langkah modifikasi

tersebut..

4.1 Dasar Modifikasi

Dasar modifikasi untuk mendukung peningkatkan kapasitas bucket

dilakukan dengan mempertimbangkan beberapa faktor, antara lain: tujuan

56

57

modifikasi (mendukung bucket baru), keamanan terhadap tipping, dan kekuatan

struktur boom set terhadap pengurangan jumlah massa.

4.1.1 Peningkatkan kekuatan bagian kritis

Peningkatan kekuatan bagian kritis pada ujung boom dan link bucket

dilakukan dengan menambah dimensi bagian tersebut. Penambahan tebal arah

melintang tidak dilakukan mengingat tempat terpasang ujung bucket hampir

berhimpit dengan breaket down dari bucket. Link bucket dimodifikasi dengan

jalan meluruskan bagian berradius di bagian tengah. Vertical link mengalami

pengurangan di badan atas dan bawah. Mid cross link mendapat pengurangan

bagian belakang dan penambahan face fillet ujung penyangga.

Berikut adalah ilustrasi bucket setelah dimodifikasi. Garis merah adalah dimensi

sebelum dimodifikasi.

1. Link Bucket

Massa Volume Survace area Original Modifikasi 41450,79 g 5757054,76 mm3 317851,10 mm2

58

2. Vertical Link Massa Volume Survace area

Original Modifikasi 378132,80 g 52518443,95 mm3 2030980,99 mm2

3. Mid Cross Link

Massa Volume Survace area Original Modifikasi 530191,84 g 73637755,49 mm3 1515432,54 mm2

59

4. Mid Cross Link

B

Massa Volume Survace area Original Modifikasi 465872,40 64704500,27 mm3 2920489,75 mm2

Berat keseluruhan komponen utama setelah modifikasi adalah

1415647,8 g. Pengurangan yang terjadi setelah modifikasi yaitu sebesar

2088433,44 g - 1881520,2 g = 206913,24 g. Pengurangan dilakukan di daerah

yang diperkirakan aman, dan mungkin dilakukan oleh bagian disassembly,

pemotongan permesinan, pengelasan, finishing, dan reassembly.

4.1.2. Keamanan terhadap tipping

Berdasarkan perhitungan yang telah dilakukan oleh Kusmanjati (2006)

dengan memakai perangkat standar dengan berat yang ada, hasilnya adalah aman

terhadap tipping.

60

Data standar bucket origin WA420 (with teeth)

- bucket weight = 2479,470 kg

- rate load = 3900 m3 x 1,0 Ton/m3 (density of soil = 0,95 Ton/m3)

= 4290 kg

- total weight = 6.769 kg

- max. distance from tire (wheel) = 813 + l mm

- momen yang dihasilkan = 6.769 ( 813 + l ) kg mm

Gambar 4.1 Jarak dari pusat titik berat bucket origin ke pusat roda depan

Untuk mendapatkan berat bucket yang memenuhi kriteria agar tidak terjadi

tipping maka berat dari bucket modify harus memenuhi syarat sebagai berikut :

(manual design PT United Traktor Pandu Engineering, Cikarang ) Maksimal New Bucket Weight = )()()5,0( weightBucketOriginalSGxVolumbucketNewTSx +−

Dimana :

TS = Static Tipping Capacity ( Full Turn 40 degree, lampiran 3 )

SG = Spesific Grafity of Coal

New bucket volume = direncanakan 4,5 m3

Sehingga

61

Maksimal New Bucket Weight = )1690()89,05,4()118205,0( +− xx

= 3.595 kg

Perhitungan di atas akan dijadikan sebagai acuan untuk menentukan

berat total bucket baru. Dengan aturan bahwa berat bucket baru tidak boleh

melebihi 3.595 kg. Berdasarkan rencana awal bahwa modifikasi dilakukan pada

prime plate dengan menambah bentangan plate menjadi 2950 mm, modelling new

design dilakukan dengan mempergunakan program SOLID WORKS dengan

memasukkan massa jenis material SM490YA sebesar 7,8x10-6 kg/mm3

Gambar 4.2 Jarak dari pusat titik berat bucket modify ke pusat roda depan

Data Modifikasi Bucket Origin WA420

- bucket weight = 2614,24209 kg

- rate load = 4,5 Ton x 0,85 Ton/m3 (density of coal = 0,85 Ton/m3)

= 4 Ton

- total weight = 6,6 Ton

62

- max distance from tire (wheel) = 812,48 + l

- momen yang dihasilkan = 6600 (812,48 + l) kg.mm

Momen yang dihasilkan untuk bucket baru lebih kecil dari bucket standar

maka analisis terhadap tipping stability bucket baru dapat dikatakan aman. Boom

modifikasi ternyata juga menggeser titik berat keseluruhan boom dan bucket

secara sumbu x mendekati main body ( titik berat loader) sejauh 27 mm, sehingga

ikut menambah stabilitas. Setelah analisis terhadap tipping, selanjutnya

pemeriksaan dilakukan terhadap kekuatan (boom strength).

4.1.3. Kekuatan struktur boom modifikasi

Setelah dilakukan modifikasi pada bucket dengan memperbesar kapasitas

muat, diharapkan tegangan yang terjadi pada struktur bucket tidak melebihi nilai

kritis dari bahan (yield point). Hasil analisis tegangan pada bucket modifikasi

untuk masing-masing kasus dianalisis sebagai berikut.

4.1.3.a Kasus 1: pembebanan Payload untuk boom modifikasi

Pada kasus 1, nilai pembebanan payload akibat peningkatan kapasitas

bucket adalah 3,8 menjadi 4,5 m3 material handling of coal SG 0,89 T/m3, maka

pembebanan payload untuk bucket modify menerima beban sebesar 4 ton di

permukaan prime plate. Dengan posisi yang sama dengan analisis yang dilakukan

untuk model boom set original. Perbedaan analisis ini adalah memakai part yang

telah dimodifikasi yang bertujuan untuk menunjang kinerja dan pengurangan

berat.. Permodelan elemen hingga untuk payload menggunakan program

63

CosmosWorks diperoleh 898787 elemen dan 898989 nodal. Hasil yang

ditampilkan berupa gambar untuk menunjukkan gradasi warna yang mewakili

nilai hasil analisis, dan tabel yang menunjukkan angka pasti dari titik yang dipilih

untuk ditunjukkan nilainya.

Gambar 4.3 Distribusi Tegangan Von Mises pembebanan payload

Tabel 4.1 Distribusi tegangan Von Mises akibat pembebanan payload komponen utama

Destination Von Mises N/mm2 No. Part item Node X mm Y mm Z mm Max Min

1165 1857,3 1725,2 -218,2 23564936 1 Lift Arm 676 172,25 -692,9 -187,58 248658,7

6145 470,33 319,87 402,42 3745970,3 2

Mid Cross Link 6164 983,39 543,94 312,42 97301,6

2140 52,244 -190,16 349,92 2739216,5 3 Link Bucket 2094 523,69 -437,71 321,02 52443,7

2206 343,75 389,86 397,42 2476752,3 4 Vertical Link 2521 513,39 1180,6 272,42 15,5

Berdasarkan Gambar 4.3 dan Tabel 4.1, untuk kasus beban payload,

modifikasi tidak terlalu berpengaruh terhadap kekuatan struktur bucket dan boom

64

set. Pada kasus payload tegangan terbesar yang terjadi sebesar 236 MPa yang

dialami lift arm. Nilai ini masih berada di bawah batas ijin kekuatan bahan untuk

luluh dari material SM490YA sebesar 390 MPa. Sehingga dapat dikatakan boom

aman dari pembebanan payload.

Gambar 4.4 Ilustrasi nilai angka keamanan pembebanan payload

Tabel 4.2 Nilai angka keamanan pembebanan payload komponen utama

Destination Von Mises N/mm2 No Part item Node X mm Y mm Z mm Max Min

626 852,97 279,9 -187,58 100 1 Lift Arm 1165 1857,3 1725,2 -218,2 16,6

1 462,94 403,26 162,42 100 2 Mid Cross link 6218 775,09 475,15 233,9 100

2156 -85,653 -208,53 311,67 100 3 Link Bucket 2072 510,26 -468,7 274,92 100

2 462,94 403,26 222,42 100 4 Vertical Link 2606 497,79 -466,2 261,62 100

Hasil analisis Faktor of Safety ( FOS) menunjukkan bahwa untuk aplikasi payload

menggunakan boom modifikasi aman di setiap bagian boom dalam mendukung

65

bucket modifikasi saat melakukan pengoperasian angkatan material maksimal

keatas ( payload ).

4.1.3.b Kasus 2 : pembebanan Breakout force untuk boom modifikasi

Gambar 4.5 Distribusi tegangan Von Mises pembebanan breakout force

Tabel 4.3 Distribusi tegangan Von Mises akibat pembebanan breakout force pada komponen utama

Destination Von Mises N/mm2

No Part item Node X mm Y mm Z mm Max Min 1495 817,79 682,99 -403,83 213449504

1 Lift Arm 897 1858,6 1916,2 -368,37 18720265 363,76 537,54 41,633 359220896

2 Mid Cross link 122 730,42 473,51 631,63 48124032565 428,79 -289,98 169,13 152902608

3 Link Bucket 2513 463,05 -418,8 169,13 83536883060 514,97 743,02 91,633 362988448

4 Vertical Link 2779 473,58 -455,02 171,63 1304707

66

Gambar 4.6 Ilustrasi grafis angka keamanan breakout force

Tabel 4.4 Nilai keamanan dari breakout force pada komponen utama

Destination FOS No. Part item Node X mm Y mm Z mm Max Min

897 1858,6 1916,2 -368,37 100 1 Lift Arm 1495 817,79 682,99 -403,83 1,927

122 730,42 473,51 631,63 81,041 2 Mid Cross Link 5 363,76 537,54 41,633 1,801

2513 463,05 -418,8 169,13 46,686 3 Link Bucket 2565 428,79 -289,98 169,13 2,551

2779 473,58 -455,02 171,63 100 4 Vertical Link 3060 514,97 743,02 91,633 1,742

Berdasarkan Gambar 4.5 dan Tabel 4.4, pada kasus beban breakout force

dengan bucket dan boom modifikasi, mampu diatasi oleh boom set dengan nilai

tegangan maksimal yaitu 362,3 Mpa, dengan angka keamanan sebesar 1,742. Pada

kasus payload tegangan terbesar yang terjadi sebesar 236 MPa yang dialami lift

arm. Nilai ini masih berada dibawah batas ijin kekuatan bahan untuk luluh (σy)

dari material SM7aYA sebesar 390 MPa.

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Berdasarkan hasil analisis yang dilakukan terhadap kekuatan struktur boom WA-

420 origin dengan titik luluh 390 N/mm2 dalam mendukung bucket kapasitas baru

dengan material angkut batu-bara, diperoleh hasil yaitu saat pembebanan payload,

tegangan berada di bawah titik luluhnya sehingga dapat dikatakan mampu

mendukung bucket untuk kondisi payload. Namun untuk kondisi breakout force,

tegangan di hampir semua bagian boom set melebihi titik luluhnya yaitu 410 Mpa di

bagian Link Bucket, 707 Mpa dibagian Vertical Link, dan 859 Mpa dibagian Mid

Cross Link.

Berdasarkan hasil analisis boom original, maka modifikasi dilakukan untuk

memperkuat bagian yang lemah. Bagian yang dimodifikasi yaitu Link Bucket,

Vertical Link, Lift Arm, dan Mid Cross Link. Hasil analisis menunjukkan nilai

tegangan maksimum sebesar 213 Mpa di bagian Lift Arm, 359 Mpa di bagian Mid

Cross Link, 152 Mpa di bagian Link Bucket, dan 362 Mpa di bagian Vertical Link.

Hasil analisis tegangan boom modifikasi tersebut menunjukkan bahwa boom set

sudah mampu untuk menunjang kondisi breakout force, dan secara keseluruhan

mampu mendukung kinerja bucket modifikasi untuk melakukan pekerjaan.

Pengurangan bobot hasil modifikasi boom didapatkan pengurangan sebesar

1881520,2 gram dan bobot total boom set menjadi 206913,24 gram.

67

68

5.2 Saran

Pemilihan wheel loader yang sesuai dengan beban kerja adalah salah satu hal

yang sangat mutlak dilakukan. Pemilihan dilakukan dengan mempertimbangkan

kemudahan perangkat sekunder dan spare part yang mudah didapat pula. Modifikasi

sederhana untuk meningkatkan faktor keamanan dapat dilakukan dengan cara

menambah komponen counter weight maupun penggantian boom set standar pabrik,

jika pertimbangan lebih efektif terhadap waktu dan tenaga.

Penyelesaian dalam bentuk program Cosmosworks, menggunakan metode

beban statis dalam analisisnya, diharapkan adanya penelitian lebih lanjut untuk

memakai analisis beban dinamis, mengingat bervariasinya beban yang diterima wheel

loader saat bekerja.

Solidworks dan Cosmosworks merupakan program yang relatif baru, dan

banyak bagian yang kurang dimengerti dan kurangnya referensi akan program

tersebut. Penambahan pengetahuan akan program maupun referensi akan menambah

kesempurnaan dalam modeling,perhitungan, dan menghindari salah persepsi.

DAFTAR PUSTAKA

Kusmanjati, 2006, Analisis Struktur Bucket WA 420 untuk Material Batu Bara,

Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta Popov,E.P.,1996, Mekanika Teknik, Edisi Kedua, Penerbit Erlangga, Jakarta. Rohmanhadi, 1987, Alat-Alat Berat dan Penggunaannya, Penerbit Departemen

Pekerjaan Umum, Jakarta Shiegley,J.E.,1986, Perencanaan Teknik Mesin, Edisi Keempat, Penerbit

Erlangga, Yogyakarta. Suryadharma H., 1998, Alat-alat Berat, Universitas Atmajaya, Yogyakarta Susatio, J., 2004, Dasar Metode Elemen Hingga, Penerbit Andi, Yogyakarta. Anonim, Shop Manual Book Komatsu, UTE Cikarang Anonim, 2005, Specification & Application Handbook by Komatsu, Edisi 24,

http://www.Komatsu/catalog.html, tanggal akses 2 Desember 2005. Anonim, 2006, Smart Materials for Application Builder,

http://www.freepatentsonline/materialpad/smat5.html, tanggal akses 21 Agustus 2006.