35

BAB III

PERANCANGAN

3.1.Gaya potong jerami

Pisau

Gambar3.1 : Gaya yang bekerja pada pisau

F = A . fs

Dimana :

fs = tegangan geser bahan yang akan dipotong ( jerami) =

0,067𝑘𝑔

𝑐𝑚 ² (tegangan geser sampah,sayuran,batang dedaunan

= 0,067 𝑘𝑔

𝑐𝑚 ² (Suryanto, 1985 : 73)

A = luas penampang bahan yang dipotomg (jerami) (cm)

P = 10 cm = 100 mm

L = 7 cm = 70 mm

36

A0 = P . L

= 100 . 70

= 7000 mm2

A1 = 𝜋 𝑥 𝑟2

= 3,14 x 1,7252

= 9,34 mm2

∑𝑏𝑎𝑡𝑎𝑛𝑔 = 𝐴0

𝐴1

= 7000

9,34 = 749 𝐵𝑎𝑡𝑎𝑛𝑔

Maka :

F = 0,067 .749

= 50,18 N

3.2. Perencanaan Pisau Pemotong

Gambar 3.2. pisau pemotong

37

Kecapatan putaran potong

𝑉 =𝜋 .𝑑 .𝑛

1000.60

Dimana:

d = diameter poros = 25,4 mm

n = putaranporos

= 𝜋 𝑥 𝑑2

= 3,14 x 25,42 = 2025 rpm

Maka:

𝑉 = 3,14 𝑥 25,4 𝑥 2025

1000.60

= 161505 ,9

60000= 2,69 𝑚 𝑠

Kecepatan hasil pemotongan

𝑣 = 𝜋 . 𝐷 . 𝑛

1000

Dimana:

D = diameter poros =25,4mm = 0,0254 m

n = putaranporos = 2025 rpm

38

Maka:

𝑣 = 3,14 .0,0254 . 2025

1000

= 161,505

1000 = 0,161 𝑚 𝑚𝑖𝑛

Kapasitas pemotongan

Q = ρ. v

Dimana ρ= massa jenis jerami = 180 𝑘𝑔

𝑚ᶾ (journal.unpar.ac.id)

Maka:

Q = 180 x 0,161

= 28,98𝑘𝑔

𝑗𝑎𝑚

Karena mesin pencacah menggunakan 2 buah pisau, maka

kapasitas total mesin pencacah jerami ini adalah 28,98 x 2 = 57,96𝑘𝑔

𝑗𝑎𝑚

Berat pisau

Wn = L.l.t.y

Dimana:

L = panjang mata pisau = 30 cm = 0,30 m

l = lebar pisau = 5,5 cm = 0,055 m

t = tebal pisau = 3 mm = 0,003 m

39

y = berat jenis pisau = 7,8 x 103𝑘𝑔

𝑚ᶾ (Sularso, 1991)

bahan pisau baja karbon

Maka:

Wn = 0,30 x 0,055 x 0,003 x (7,8 x 103)

= 0,38 kg

Gaya tangensial pisau

Ft = Wn

g. ω

2. r=

Wn

g(

2 .π .n

60)2

. r (Khurmi, 1992:720)

Dimana:

Wn = Berat pisau (kg)

n = putaran poros (rpm)

g = gaya gravitasi = 9,81 𝑚

𝑠²

r = jari-jari lintasan potong = 15cm = 0,15 m

Maka:

Ft = 0,38

9,81(

2 .3,14 .2025

60)2

.0,15

= 261,01kg = 2557,89 N

Putaran poros sebesar 2025 rpm menghasilkan gaya sebesar

2557,89 N, dimana lebih besar dari gaya untuk memotong batang jerami

sebesar 50,18 N, sehingga pisau pemotong dapat memotong batang jerami.

40

Daya pemotongan

N = 𝐹 . 𝑉

75

= 50,18 𝑥 2,69

75

= 2,79 HP = 2,07 KW

3.3 Pemilihan Motor

Pemilihan motor didasarkan pada daya pemotongan sebesar 2,79 HP,

kemudian daya rencana yang dibutuhkan dapat dihitung:

Nrencana =N𝑝𝑜𝑡𝑜𝑛𝑔

ᶯ𝑝𝑢𝑙𝑙𝑒𝑦 .ᶯ𝑏𝑒𝑎𝑟𝑖𝑛𝑔 (Dobrovolsky, 1984:241)

Dimana :

Npotong = daya yang dibutuhkan untuk pemotongan = 2,79 HP

ᶯpulley= efisiensi akibat reduksi pulley = 0,96 (untuk pulley tipe V- belt)

ᶯbearing= efisiensi akibat reduksi bearing = 0,90

(http://www.scribd.com/doc/210938549/ELMES)

Maka:

Nrencana =2,79

0,96 x 0,90

= 3,22 HP = 2,43KW

Daya rencana yang dibutuhkan untuk memotong jerami adalah 3,22 HP,

sehingga dipilih motor dengan daya 3 HP (2,23 KW) karena menyesuaikan

dengan yang ada dipasaran. Motor listrik merk Yuema seri B3 6 pole dengan

kecepatan 2000 - 2500 rpm.

41

(http://www.agenelectrikmotor.com/product/p36932.aspx)

3.4.Perencanaan transmisi

Pada perancangan ini motor yang digunakan adalah motor dengan putaran

2500 rpm, untuk mereduksi putaran motor agar sesuai dengan putaran poros yaitu

2025 rpm perlu menambahkan komponen lain yaitu puli dan sabuk.

Gambar 3.2 : Sketsa transmisi sistem pemotong

3.5.Sabuk dan puli

Perhitungan reduksi

i = 𝑛1

𝑛2=

𝑑𝑝2

𝑑𝑝1 1 −

𝑠

100 (Khurmi. 1979:658)

Dimana:

i = perbandingan reduksi antara poros 1 dan 2

42

n1 = putaran poros 1 (motor) = 2500rpm

n2 = putaran poros 2 = 2025 rpm

s = factor slip sabuk dengan pulley (0,3 = untuk bahan sabuk

karet danpulley baja)

Dimana untuk diameter puli 1 (dp1) direncanakan 71 mm (untuk diameter

nominal terkecil tipe sabuk A).

i = 2500

2025 =

𝑑𝑝2

71 1 −

0,3

100

dp2 = 1,23 x 71 1 − 0,3

100

= 87,39 mm

i = perbandingan antara poros 1 dan 2 =1,23

dari perhitungan diatas dapat diketahui ukuran puli 1 (dp1) pada motor adalah

71 mm dan ukuran puli 2 (dp2) pada poros pisau pencacah adalah 87,39 mm.

Berat pulli (Wp)

Bahan pulli direncanakan dari besi cor kelabu (JIS G 5501) dengan lambang

FC 20, Berat jenis (ρ) = 7,4 x 103𝑘𝑔

𝑚ᶾ

Wp = ρ x Vp

Dimana:

Vp = volume puli

e = tebal puli = 0,012 m (untuk penampang sabuk tipe A)

Vp = 1

4 . π . d

2 . e

43

Maka:

Wp1 = 7,4 . 103 x (

1

4 . 3,14 . 0,071

2 . 0,012) = 0,35 kg

Wp2 = 7,4 . 103 x (

1

4 . 3,14 . 0,208

2 . 0,012) = 3 kg

Pulley 2

V-Bel

Motor Pulley 1

Sabuk yang rencanakan nantinya akan dipasang pada puli 1 (dp1) dan puli 2

(dp2) sebagai penerus putaran dari motor ke sistem pencacah.

Kecepatan linear sabuk (V)

V = 𝜋 .𝑑𝑝1 .𝑛1

60 (Sularso,1997: 170)

=3,14 .71 .2500

60

= 9289𝑚𝑚

𝑠 = 9,289

𝑚

𝑠

Panjang sabuk (L)

L= 2C+ 𝜋

2(dp1+dp2)+

1

4𝑐(dp2-dp1)

2 (Sularso, 1997:170)

44

Dimana:

Sularso (1991:170) menuliskan, untuk C (jarak sumbu poros) harus

sebesar 1,5 sampai 2 kali diameter puly besar, maka jarak sumbu poros

direncanakan sebesar 87,39 x 2 = 174,78 mm

L= 2 x 417 + 3,14

2(71 + 87,39)+

1

4 𝑥417(87,39 - 71)

2

L = 834 + 248,67 + 11,20

L = 1093,87 mm≈1094 mm

Panjang sabuk yang dibutuhkan adalah 1094 mm maka dipilih sabuk V

standart tipe A nomer 45 dengan panjang sabuk yang ada dipasaran yaitu

1143 mm.

Jarak sumbu poros sebenarnya (C)

C = 𝑏± 𝑏2−8(𝑑𝑝2−𝑑𝑝1)2

8 (Sularso, 1997:170)

Dimana nilai ( b ) dapat dicari dengan:

b = 2.L – π (dp2 + dp1)

= 2 x 1094 – 3,14 (87,39 + 71)

= 1690,65 mm

Maka:

C = 1690,65 + 1690,652−8(87,39−71)2

8

= 1690,65 +(−458,4)

8

= 1540,3 mm

45

Sudut kontak yang terjadi

Ɵ = 180o -

57(𝑑𝑝2−𝑑𝑝1)

𝐶 (Sularso, 1997:173)

= 180o -

57(87,39−71)

1540,3

= 179,39o≈ 180

o

Sularso(1991:174) mengatakan, untuk faktor koreksi dari Ɵ = 180 oadalah

kƟ=0,99

Berat sabuk (W)

Dalam menentukan berat sabuk dapat dicari dengan persamaan sebagai

berikut:

W = A . L . ρsabuk (Khurmy, 1979:672)

Dimana:

A = b . h

Untuk sabuk-V tipe A lebar sabuk (b) dan tinggi sabuk (h) dapat dilihat pada

gambar ukuran penampang sabuk-V.

b = 12,5 mm = 1,25 cm ; h = 9 mm = 0,9 cm

A = 1,25 x 0,9 = 1,125 cm

L = panjang sabuk = 1143mm = 114,3 cm

ρ = massa jenis bahan sabuk > dipilih bahan sabuk karet = 1,14 gr/cm3

= 1,14 x 10-3

kg/cm3

46

Maka:

W = 1,125 x 114,3 x 1,14 x 10-3

= 0,146 kg

Gaya sentrifugal sabuk (Tc)

Tc = 𝑊

𝑔. V

2

Dimana:

V = kecepatan linear sabuk = 3,71 𝑚

𝑠

Maka:

Tc = 0,146

9,81 x 3,71

2

= 0,20 kg

Gaya yang bekerja pada sabuk

F =102 𝑥 𝑁𝑟𝑒𝑛𝑐𝑎𝑛𝑎

𝑉

Dimana:

Nrencana =daya rencana (KW) = 2,43 KW

V= kecepatan linier sabuk = 3,71 𝑚

𝑠

Maka:

Fsabuk =102 𝑥 2,43

3,71

= 66,80 kg

47

Sisi kencang sabuk (T1)

T1 = ƒ . A

Dimana:

ƒ : tegangan ijin sabuk-V = 28 kg/cm2 (Khurmy, 1982:650)

A = 1,125 cm

Maka:

T1 = 28 x 1,125 = 31,5 kg

Sisi kendor sabuk (T2)

2,3 log 𝑇1

𝑇2 = µ . Ɵ

Dimana:

µ = koefisien gesek antara pulley dan sabuk = 0,30

(Khurmy, tabel 17.2, 1982:651)

Ɵ = sudut kontak sabuk = 176 0 x

𝜋

180 = 3,07 rad

Maka:

log 𝑇1

𝑇2 =

0,3 𝑥 3,07

2,3

log𝑇1

𝑇2 = 0,400

𝑇1

𝑇2 = 2,511

48

T2 = 31,5

2,511

= 12,54 kg

Tegangan total pada saat sabuk kencang (Tt1)

Tt1 = T1 + Tc

= 31,5 + 0,23

= 31,73 kg

Tegangan total pada saat sabuk kendur (Tt2)

Tt2 = T2 + Tc

= 12,54+ 0,23

= 12,77kg

Untuk mendapatkan nilai umur sabuk dapat menggunakan persamaan berikut:

𝐻 = 𝑁𝑏𝑎𝑠𝑒

3600 .𝑢 .𝑥

𝜎𝑓𝑎𝑡

𝜎𝑚𝑎𝑥 5

hours (Dobrovolsky 1986:238)

Dimana :

H = Umur sabuk, jam

Nbase= Dasar kelelahan sabuk, dalam test diasumsikan 107 cycles

𝜎𝑓𝑎𝑡 = batas kelelahan sabuk = 90 kg/cm2

𝜎𝑚𝑎𝑥 = 31,73kg/cm2

49

u = putaran sabuk :𝑣

𝐿 =

3,715

1,295 = 2,868 belt/second

x = ukuran puli penggerak = 7,1 cm

Maka:

H = 107

3600 𝑥 2,868 𝑥 7,1

90

31,73 5

= 136,414 x 183,595

=25044,92 jam

3.5.Perencanaan poros

Poros adalah sebagai penghubung antara puli 2 dengan silinder dudukan pisau

pemotong. Bahan poros adalah baja karbon ST 37yang memiliki tegangan ijin

bahan (Ϭb) = 37𝑘𝑔

𝑚𝑚 ²

(http://www.fortunata-kajamit.blogspot.com/2012/09/struktur-bangunan-

baja.html?m=1)

Momen puntir (T)

T =9,74 . 105 .

Pd

𝑛2

Dimana:

Pd = daya rencana = 2,43KW

N2= putaran poros 2 = 2025 rpm

50

Maka:

T =9,74 . 105 .

2,43

2025

= 974000 x 0,0012

= 1168,8 kg.m

Momen lentur (M2)

Dimana:

Fp2 = berat puli 2 + gaya tarik sabuk = 3 + 40,96 = 122,88 kg

F1= gaya tangensial + Wdudukan + Wn total

= 60,70 + 0,166 + 0,38 = 61,24

ΣMA = 0

(RB . 330) – (F1. 165) + (Fp2. 410) = 0

(RB . 330) – (61,24. 165) + (122,88. 410) = 0

(RB . 330) – (10104,6) + (50380,8) = 0

RB = (10104 ,6) + (50380 ,8)

330 = 183,28 kg.mm

D B C

F1 Fp2

RB RA

A

165 mm 165 mm 80 mm

51

ΣMB = 0

(RA . 330) + (F1. 165) - (Fp2. 80) = 0

(RA . 330) + (61,24. 165) - (122,88. 80) = 0

(RA . 330) + (10104,6) - (9830,4) = 0

RA= (10104 ,6) − (9830,4))

330 = 0,83 kg.mm

Momen lentur yang terjadi :

ΣM= 0

MA = RA . 0

= 0,83 x0 = 0

MB = (RA . 330) – (F1 . 165) + (Fp2 . 80)

= (0,83x 330) – (61,24. 165) + (122,88. 80)

= (273,9) – (10104,6) + (9830,4)

= - 0,3 kg.mm

Mc = RA . 165

= 0,83 x 165 = 136,95 kg,mm

MD = (RA . 410) – (F1 . 245) + (RB. 80)

= (0,83 x 410) – (61,24 x 245) + (183,28 x 80)

= (273,9) – (15003,8) + (14662,4)

52

= -67,5 kg.mm

Momen lentur terbesar berada pada titik Mc yaitu 136,95 kg.mm

Bahan poros 2 diambil baja karbon ST 37 dengan spesifikasi :

- Tegangan ijin bahan (Ϭb) = 37 kg/mm2

- Sf1 = 2,0 (untuk bahan SC)

- Sf2 = 2,0 (untuk factor kekasaran bahan)

Tegangan geser poros (τa)

τa = Ϭb

𝑆𝑓1 x 𝑆𝑓2 =

37

2,0 𝑥 2,0 = 9,25 kg/mm

2

Diameter poros(Ds2)

Ds2 = 5,1

𝜏𝛼 𝑥 𝐾𝑡 𝑥 𝐶𝑏 𝑥 𝑇

1

3

Dimana :

Kt = factor koreksi momen puntir =2,0 (untuk beban tumbukan ringan)

Cb = faktor koreksi lenturan 2, (harganya antara 1,2 – 2,3, jika

diperkirakan tidak akan terjadi pembebanan lentur maka Cb

diambil = 2,0 ) (Sularso dan Kiyokatsu Suga, 2004:8)

T = momen pumtir

Ds2 = 5,1

9,25 𝑥 2 𝑥 2 𝑥 4180

1

3

= 20.32 mm

Untuk diameter poros 20,32 mm dipasaran tersedia bantalannya, sehingga

diameter poros yang diambil adalah 20 mm

53

Sehingga poros direncanakan berdiameter 20 mm dan panjang 410 mm

dengan bahan poros baja karbon ST 37.

3.6.Perncanaan Pasak

Pasak untuk poros

Diameter poros (ds) = 20 mm

Momen rencana (T) = 4180 kg.mm

Gaya tangensial yang terjadi

Ft = 2 . 𝑇

𝑑𝑠

= 2 . 4180

20

= 418kg

Bahan pasak yang digunakan adalah baja karbon S 45 C dengan

tegangan ijin Ϭb = 70 kg/mm2

Pemilihan penampang pasak (untuk diameter poros 20 mm)

o Lebar pasak (b) = 8 mm

o Tinggi pasak (h) =6 mm

o Kedalaman alur pada poros (t1) = 4 mm

o Kedalaman alur pada naf (t2) = 3,5 mm

- Tegangan geser yang diijinkan

τka= Ϭb

𝑠𝑓𝑘1 x s𝑓𝑘2

dimana :

sfk1= diambil 6 (untuk bahan SC)

sfk2= diambil 3 (factor kekasaran permukaan)

τka = 70

6 𝑥 3 = 3,9 kg/mm

2

54

- Tegangan geser yang ditimbulkan

τk= Ft

b x l

dimana :

l= panjang pasak = 20 mm

τk= 418

8 x 20

= 2,61 kg/mm2

- Teganngan permukaan ijin (P)

P = Ft

l x t2

= 418

20 x 3,5= 5,97kg/mm

2

3.7. Perencanaan Bantalan

Bantalan untuk poros

Untuk diameter poros 20,32 mm ada jadi memakai diameter bantalan

dalam20 mm yang banyak dijual dipasaran.(elemen mesin, sularso,hal

:143)

- Jenis bantalan = bantalan gelinding

- No seri = 6304

- Diameter dalam bantalan (d) = 20 mm

- Diameter luar bantalan (D) = 52 mm

- Tebal bantalan (B) = 15 mm

- Putaran poros (n2) = 339 rpm

- Diameter poros (ds) = 20 mm

- Kapasitas nominal dinamis spesifik (C) = 3600 kg

55

Menentukan beban ekivalen dinamis

Pr = (X .V. Fr)+(Y.Fa) (Sularso, 1997:135)

Karena gaya aksial yang terjadi diabaikan, maka nlai Fa= 0

Sehingga𝐹𝑎

𝑣.𝐹𝑟 < e, didapat:

X = 1

Y = 1

Fr = beban radial pada bantalan

Dimana :

Gaya yang akan bekerja pada poros

Maka :

a. Beban radial pada bantalan A (FrA)

FrA1 = F1 x 410

330

= 61,24 x 410

330

= 78,08 kg

FrA2 = Fp2 x 165

330

= 122,88 x 165

330

= 61,44 kg

B

Fp2 = 122,88 kg

80 165

F1 = 61,24 kg

165

A

56

ΣFrA= 𝐹𝑟𝐴1 2 + (𝐹𝑟𝐴2)²

= 78,08 2 + (61,44)²

= 6096,48 + 3774,87

= 99,35 kg

b. Beban radial pada bantalan B (FrB)

FrB1 = F1 x 165

330

= 61,24 x 165

330

= 30,62 kg

FrB2 = F2 x 410

330

= 122,88 x 410

330

= 152,66 kg

ΣFrB= 𝐹𝑟𝐵1 2 + (𝐹𝑟𝐵2)²

= 30,62 2 + (152,66)²

= 937,58 + 23305,07

= 155,7 kg

Jadi :

Beban ekivalen dinamis bantalan A (PrA)

PrA= X . V . FrA

= 1 x 1 x 99,35

= 99,35 kg

57

Beban ekivalen dinamis bantalan B (PrB)

PrB = X . V . FrB

= 1 x 1 x 155,7

= 155,7 kg

Faktor kecepatan (Fn)

Fn = [33,3

𝑛]

13

Dimana:

N = putaran pada poros (rpm)

Maka:

Fn = [33,3

339]

13

= 0,46 rpm

Faktor umur bantalan (fn)

FnA = fn [𝐶

𝑃𝑟𝐴]

= 0,46 [3600

99,35] = 16,66 putaran

FnB = fn [𝐶

𝑃𝑟𝐵]

= 0,46 [3600

155,7] = 10,63 putaran

Untuk umur bantalan dengan pemakaian yang sebentar-sebentar (tidak

terus menerus) umur bantalan antara 500 – 15000 jam, kita gunakan

Ln = 500 jam. Sehingga umur dari bantalan A dan B adalah :

58

LnA = 500 fnA3

= 500.16,663

= 2312038,14 jam operasi

LnB = 500 fnB3

= 500. 10,633

=600578,52 jam operasi