Perhitungan Motor USU

5/17/2018 Perhitungan Motor USU - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/perhitungan-motor-usu 1/19

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Tinjauan Umum

2.1.1. Model Skala Centrifugal Fan

Secara teknis, fan dan blower merupakan dua alat/mesin yang berbeda yang memiliki

fungsi yang sama yaitu memindahkan sejumlah udara atau gas pada tekanan tertentu. Istilah fan

digunakan untuk menyatakan mesin yang tekanannya tidak melebihi 2 psig, sedangkan blower

untuk menyatakan mesin dengan tekanan discharge antara 2 – 10 psig. Untuk mesin dengan

tekanan discharge di atas 10 psig disebut sebagai kompresor. Istilah blower juga digunakan untuk

kompresor rotari ( positive displacement ) kapasitas aliran rendah yang memiliki rasio kompresi

tinggi.

2.1.2. Klasifikasi Fan

Fan dapat diklasifikasikan dalam 2 (dua) tipe yaitu: axial dan centrifugal. Axial fan

beroperasi seperti propeler, yang menghasilkan aliran udara disepanjang porosnya. Axial fan dapat

dibagi menjadi 3 jenis, yaitu: tube-axial fan, vane axial fan dan propeller fan, yang dapat dilihat

pada Gambar 2.1.

Tube-axial fan lebih efisien dari pada propeller fan dengan ciri housing fan yang

berbentuk silinder dipasang teapt pada radius ujung blade, dan diaplikasikan untuk sistem

pemanas, ventilasi, air conditioning dan industri, dengan tekanan rendah dan jumlah volume udara

yang dialirkan besar.

Vane axial fan merupakan fan axial dengan efisiensi tinggi dengan ciri housing fan yang berbentuk

silinder dipasang tepat pada radius blade, dan diaplikasikan untuk sistem sistem pemanas,

ventilasi, dan air conditioning yang memerlukan aliran lurus dan efisiensi tinggi. Propeller fan

merupakan desain dasar fan aksial yang diaplikasikan untuk tekanan rendah dan volume udara

Universitas Sumatera Utara



yang dialirkan sangat besar volume. Fan jenis ini biasa diaplikasikan untuk sistem ventilasi yang

menembus tembok.

Gambar 2.1. Tiga Jenis Blade Axial Fan

Tipe kedua yaitu centrifugal fan menghasilkan aliran udara dengan mempercepat arus udara secara

radial dan mengubah energi kinetik menjadi tekanan. Centrifugal fan dapat menghasilkan tekanan

tinggi dengan efisiensi tinggi, dan dapat dibuat dalam berbagai tingkat kondisi operasional. Fan

jenis ini memiliki beberapa jenis blade.

Seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.2 (a) forward curve, (b) radial blade, (c) radial

tip, (d) backward-inclined , dan (e) air foil.

Gambar 2.2. Lima Jenis Blade Centrifugal Fan




Forward curve fan memiliki kecepatan putar yang sangat rendah untuk mengalirkan

sejumlah udara serta bentuk lengkungan blade menghadap arah putaran, sehingga kurang efisien

dibandingkan tipe air foil dan backward inclined . Fan jenis ini biasanya diaplikasikan untuk

sistem pemanas bertekanan rendah, ventilasi, dan air conditioning radial blade fan secara umum

yang paling efisien diantara centrifugal fan yang memiliki bentuk blade mengarah titik poros. Fan

jenis ini digunakan untuk pemindahan bahan dan industri yang membutuhkan fan dengan tekanan

di atas menengah.

Radial tip fan lebih efisien dibandingkan fan tipe radial blade yang di desain tahan

terhadap keausan dan aliran udara yang erosif.

Backward-inclined fan memiliki blade yang lurus dengan ketebalan tunggal. Fan ini

diaplikasikan pada sistem pemanas, ventilasi, air conditioning dan industri dimana blade akan

mengalami lingkungan yang korosif dan lingkungan yang erosif. Air foil fan adalah tipe centrifugal fan yang dikembangkan untuk memperoleh efisiensi

tinggi. Fan ini diaplikasikan pada sistem pemanas, ventilasi, air conditioning dan udara bersih

industri dimana penghematan energi sangatlah penting.

2.1.3. Prinsip dan Desain Pengujian Model Skala

Persyaratan dari suatu model yang diskalakan harus memenuhi ketiga tujuan berikut ini:

a. Dapat mentranformasikan secara proporsional fitur pada kondisi asli yang sulit untuk

ditangani sehingga dapat dikelola, seperti: ukuran yang sangat besar, aliran yang sangat

lambat, pelepasan energi yang sangat cepat, dan dimensi yang mikroskopis.

b. Memperpendek waktu eksperimen dengan menyederhanakan sejumlah variabel.

c. Dapat memberikan pemahaman yang mendalam terhadap suatu fenomena.

Berbagai jenis model telah banyak digunakan dengan tujuan yang berbeda, antara lain:

a. Model subjektif, model ini merupakan model konseptual yang dikembangkan oleh

filsuf atau sosiologis, untuk merefleksikan pandangannya terhadap struktur

kemanusiaan dan lingkungan sosial.




b. Model kualitatif, model ini merupakan model yang sesuai dengan spesifikasi,

contohnya:

i. Breadboard model, yang memiliki sedikit kemiripan, namun fisiknya dapat

membantu dalam memastikan suatu alat baru dapat berfungsi dengan baik

ii. Mock-up model, yang menampilkan bagian eksternal dari suatu konsep baru

namun kurang berfungsi dengan baik.

iii. Test bed, pilot plant, dan development model, yang merupakan perangkaian awal

elemen yang esensial dari mesin baru, dengan tujuan untuk mengetahui adanya

malfuction dan untuk mengarahkan pengembangan selanjutnya.

iv. Prototype, merupakan produk akhir dari tahap pengembangan, dapat dilakukan

penyesuaian final dan mengawali suatu seri dari produksi awal.

c. Model Analog, model ini dirancang untuk menampilkan hubungan kuantitatif antar

parameter yang dapat diatur, contoh sederhananya: model boneka dari mobil, kapal,

pesawat terbang, dan peta geografi.

d.

Model Matematis, model ini berkembang dengan adanya komputer dan analisis

sistem yang diterapkan mulai ilmu pengetahuan hingga keilmuan yang tidak dapat

diukur secara kualitatif seperti, perilaku manusia, proses kejiwaan, fungsi biologis,

rencana tata kota, dan management.

e. Model Skala, merupakan suatu model eksperimen/pengujian untuk menampilkan

perilaku fisik dari suatu fenomena asli, atau suatu prototype.

2.1.4. Bahan Poros Pada Centrifugal Fan Dalam penelitian ini, poros ditumpu oleh dua buah bantalan yang terhubung dengan

motor listrik melalui V – Belt serta puli pada gambar 3.1 dengan data sebagai berikut :

• Daya motor : 1 HP

• Voltage : 380 volt

• Phase : 3

• Frekuensi : 50 Hz




• Diameter puli : 100 mm di elektro motor

100 mm di fan/ blade• Diameter poros : 25 mm

• Jenis Bantalan : bantalan bola (UKF 206 J/ FYH)

• V-Belt : A-37 (MITSUBOSHI)




Gambar 2.3. Skematik bahan uji backward inclined curve centrifugal fan 2 SWSI ;

(1) Fan casing, (2) Fan impeller , (3) bantalan, (4) poros fan (5) Puli

Fan, (6) V-belt , (7) Puli Motor, dan (8) Motor penggerak .




Material yang digunakan pada poros adalah DURINOX F12N sesuai data

terlampir, dengan data sebagai berikut :

• Tensile Strenght : 455 Mpa

• Modulus Elastisitas : 220 GPa

2.2. Pengertian Dan Fungsi Poros

Poros merupakan salah satu bagian terpenting dalam setiap mesin yang

berfungsi untuk meneruskan daya dan putaran. Poros adalah suatu bagian

stasioner yang berputar, biasanya berpenampang bulat, dimana terpasang elemen-

elemen seperti roda gigi, pulley, roda gila ( flywheel), engkol, sproket, dan elemen

pemindah daya lainnya.

Poros bisa menerima lenturan, tarikan, tekan, atau puntiran, yang bekerja

sendiri-sendiri atau berupa gabungan satu dengan lainnya. Bila beban tersebut

tergabung, kita bisa mengharapkan untuk mencari kekuatan statis dan kekuatan

lelah yang perlu untuk pertimbangan perencanaan, karena suatu poros tunggal bisa

diberi tegangan-tegangan statis, tegangan bolak-balik lengkap, tegangan berulang,

yang semuanya bekerja pada waktu yang sama.

2.3. Macam –Macam Poros

Menurut pembebanannya poros diklasifikasikan menjadi :

a) Poros transmisi

Poros macam ini mendapat beban puntir murni atau puntir dan lentur. Daya

ditransmisikan kepada poros ini melalui kopling, roda gigi, puli sabuk atau

sproket rantai.




b) Poros spindel

Poros transmisi yang relatif pendek, seperti poros utama mesin perkakas,

dimana beban utamanya berupa puntiran, disebut spindel. Syarat yang harus

yang dipenuhi poros ini adalah deformasinya harus kecil dan bentuk serta

ukurannya harus teliti.

c) Poros gandar

Poros seperti yang dipasang diantara roda-roda kereta barang, dimana tidak

mendapat beban puntir, bahkan kadang-kadang tidak boleh berputar, disebut

gandar. Gandar ini hanya mendapat beban lentur, kecuali jika digerakkan oleh

penggerak mula dimana akan mengalami beban puntir juga.

2.4. Diameter Poros

Dalam perhitungan diameter poros ada beberapa hal yang perlu diperhatikan

yakni faktor koreksi yang dianjurkan ASME dan juga dipakai disini. Faktor

koreksi akibat terjadinya tumbukan yang dinyatakan dengan Kt, jika beban

dikenakan beban secara halus, maka dipilih sebesar 1,0. Jika terjadi sedikit

kejutan atau tumbukan, maka dipilih sebesar 1,0-1,5. Jika beban dikenakan

dengan kejutan atau tumbukan besar, maka dipilih sebesar 1,5-3,0. Dalam hal ini

harga Kt diambil sebesar 3 karena cangkang terhisap langsung kedalam mesin fan

sehingga mendapatkan beban kejut atau tumbukan yang besar secara tiba-tiba.

Meskipun dalam perkiraan sementara ditetapkan bahwa beban hanya terdiri atas

momen puntir saja, perlu ditinjau pula apakah ada kemungkinan pemakaian




dengan beban lentur. Dimana untuk perkiraan sementara ditetapkan bahwa beban

hanya terjadi karena momen puntir saja dengan harga diantara 1,2-2,3 (jika

diperkirakan tidak akan terjadi pembebanan lentur maka Cb diambil 1,0), dalam

perencanaan diambil faktor koreksinya sebesar 1,2. Maka rumus untuk

merencanakan diameter poros ds diproleh:

ds =3

1

1,5

T C K

bt

aτ

……………………………...………….[4, hal.8]

dimana :

ds = diameter poros yang direncanakan (mm)

aτ = kekuatan tarik bahan (kg/mm

2)

Kt = faktor koreksi untuk kemungkinan terjadinya tumbukan

Cb = faktor koreksi untuk kemungkinan terjadinya beban lentur.

2.5. Daya Poros

Di stasiun Kernel pada Pabrik Kelapa Sawit, poros Depericarper Fan akan

mendapatkan daya dari boiler. Daya tersebut akan ditransmisikan dari turbin ke

poros melalui V-Belt. Daya merupakan daya nominal output dari motor

penggerak dalam hal ini turbin uap. Daya yang besar mungkin diperlukan pada

saat mulai (start ), atau mungkin beban yang besar terus bekerja setelah start .

Dengan demikian sering diperlukan koreksi pada daya rata-rata yang diperlukan

dengan menggunakan faktor koreksi pada perencanaan.




Ada beberapa jenis faktor koreksi sesuai dengan daya yang akan ditransmisikan

sesuai dengan tabel 2.1.

Tabel 2.1 Jenis-jenis faktor koreksi berdasarkan daya yang ditransmisikan

Daya yang ditransmisikan f c

Daya rata-rata yang diperlukan

Daya maksimum yang diperlukan

Daya normal

1,2 - 2,0

0,8 – 1,2

1,0 – 1,5

Sumber: Sularso,Kiyokatsu Suga, “ Dasar Perencanaan Dan Pemilihan

Elemen Mesin “.

Dalam perhitungan poros ini diambil daya rata-rata sebagai daya rencana

dengan faktor koreksi sebesar fc = 2,0. Harga ini diambil dengan pertimbangan

bahwa daya yang direncanakan akan lebih besar dari daya maksimum sehingga

poros yang akan direncanakan semakin aman terhadap kegagalan akibat momen

puntir yang terlalu besar. Sehingga besar daya rencana Pd yaitu :

Pd = N.f c ……….…...………………………...…………..[4, hal. 7]

Dimana :

Pd = daya rencana (kW)

f c = faktor koreksi

N = daya normal keluaran motor penggerak (kW)

Dengan adanya daya dan putaran, maka poros akan mendapat beban

berupa momen puntir. Oleh karena itu dalam penentuan ukuran-ukuran utama




poros akan dihitung berdasarkan beban puntir serta kemungkinan-kemungkinan

kejutan/tumbukan dalam pembebanan, seperti pada saat motor mulai berjalan.

Besarnya momen puntir yang dikerjakan pada poros dapat dihitung :

T = 9,74 .105 n

Pd ………………………………………….[4, hal. 7]

Dimana :

T = momen puntir rencana (kg.mm)

Pd = daya rencana (kW)

n = putaran (rpm)

Bahan poros yang direncanakan adalah baja cor yaitu jenis baja karbon

tinggi dengan kadar C > 0,5 %. Baja karbon konstruksi mesin (disebut bahan S-C)

dihasilkan dari ingot yang dikil (baja yang dioksidasikan dengan ferrosilikon dan

dicor), kadar karbon terjamin. Jenis-jenis baja S-C beserta dengan kekuatan

tariknya dapat dilihat dari tabel 2.2.

Tabel 2.2 Baja karbon untuk konstruksi mesin dan baja batang yang difinis dingin

untuk poros.

Standar dan macamLambang

Perlakuan

panas

Kekuatan tarik

(kg/mm2)

Keterangan

Baja karbon konstruksi

mesin (JIS G 4501)

S30C

S35C

S40C

S45C

S50C

S55C

Penormalan

“

“

“

“

“

48

52

55

58

62

66

Sumber: Sularso,Kiyokatsu Suga, “ Dasar Perencanaan Dan Pemilihan Elemen

Mesin “.




Dalam perencanaan poros ini dipilih bahan jenis S30C yang dalam

perencanaannya diambil kekuatan tarik sebesar 2 / 48 mmkgb =σ . Maka tegangan

puntir izin dari bahan dapat diperoleh dari rumus :

21.sf sf

b

a

σ

τ = ...…………………………………………...………..[4, hal. 8]

Dimana :

aτ = tegangan geser izin (kg/mm

2)

bσ = kekuatan tarik bahan (kg/mm2)

Sf1 = faktor keamanan yang bergantung kepada jenis bahan.

Sf2 = faktor keamanan yang bergantung pada bentuk poros (harga 1,3-3,0)

Sesuai dengan standar ASME, batas kelelahan puntir adalah 18% dari

kekuatan tarik bσ , dimana untuk harga ini faktor keamanan diambil sebesar 1

0,18

=5,6. Harga 5,6 diambil untuk bahan SF dan 6,0 untuk bahan S-C dengan

pengaruh massa dan baja paduan. Harga Sf1 diambil 6 karena dalam perencanaan

pemilihan bahan diambil jenis S30C. Sedangakan nilai Sf2, karena poros yang

dirancang merupakan poros bertingkat, sehingga dalam perencanaannya faktor

keamanan diambil 1,4.

2.6. Pemeriksaan Kekuatan Poros

Ukuran poros yang telah direncanakan harus diuji kekuatannya. Pengujian

dilakukan dilakukan dengan memeriksa tegangan geser yang terjadi (akibat

momen puntir) yang bekerja pada poros. Apabila tegangan geser ini melampaui




tegangan geser izin yang dapat ditahan oleh bahan maka poros mengalami

kegagalan. Besar tegangan geser akibat momen puntir yang bekerja pada poros

diperoleh dari:

3

16 p

s

T

d τ

π

= …...………………………………………….[2, hal. 263]

dimana:

=τp tegangan geser akibat momen puntir ( kg/mm2

)

T = momen puntir yang terjadi (direncanakan) ( kg.mm )

d s = diameter poros ( mm )

2.7 Pemilihan Bahan

a. Impeller

Dalam penelitian ini bahan impeler centrifugal fan terbuat dari pelat

ferritic stainless steel buatan Durinox grade F12N [8], seperti yang dapat dilihat

pada Gambar 2.4.

Gambar 2.4. Model Skala Impeler Centrifugal Fan




Komposisi kimia ferritic stainless stell plate Durinox F12N antara lain:

• Carbon : 0.01 %

• Chromium : 11.5 %

• Ni : 0.4 %

• PRE : 11,5 %

Stainless steel grade PRE ( pitting resistance equivalent ) adalah petunjuk tingkat

ketahanan stainless steel terhadap korosi, semakin tinggi nilainya maka semakin

baik ketahanannya terhadap korosi.

b. Bantalan

Dalam penelitian ini Bantalan yang digunakan adalah bantalan bola unit

terpadu (ball bearing units) model square four bolt flanged UKF 206 J merk

FYH, seperti pada Tabel 2.3.

Tabel.2.3. Spesifikasi Bantalan Bola Unit Terpadu Model Square Four

Bolt Flanged

Bantalan bola unit terpadu FYH dibuat dengan bentuk yang bervariasi

untuk memenuhi standar bantalan bola deep groove dan housing yang

lubrikasinya terlindungi. Bantalan ini memiliki keunggulan self-aligning hingga

3o

untuk yang tipe standar dan 1o

untuk yang dilengkapi dengan penutup (cover ),




yang memudahkan dalam pemasangan serta dilengkapi dengan nipples lubrikasi

(gemuk) agarmemudahkan dalam pelaksanaan lubrikasi kembali, seperti pada

gambar 2.5.

Gambar .2.5. Bantalan

c. Poros

Dalam penelitian ini bahan Poros yang digunakan adalah baja karbon

konstruksi mesin (disebut bahan S-C) yang dihasilkan dari ingot yang dikil (baja

yang dideoksidasikan dengan ferrosilikon dan di cor, kadar karbon terjamin).

Meskipun demikian , bahan ini agak kurang tetap dan dapat mengalami deformasi

karena tegangan yang kurang seimbang misalnya bila diberi alur pasak karena

ada tegangan sisa di dalam terasnya, seperti yang dapat di lihat pada gambar 2.6.

Gambar 2.6. Poros




d. Pulley

Jarak yang jauh antara dua buah poros sering tidak memungkinkan transmisi langsung dengan roda

gigi. Dalam hal demikian, cara transmisi putaran atau daya yang lain dapat diterapkan, dimana

sebuah sabuk-V dibelitkan sekelilig puli. Puli ini berpenampang bulat dengan diameter (4 in)

bertujuan untuk menghubungkan antara poros penggerak dengan poros motor, seperti yang dapat

dilihat pada gambar 2.7.

2.8. Kondisi Pembebanan Poros

Dari hasil pengamatan survey pada Depericarper Fan skala model, poros yang direncanakan

ditumpu oleh dua buah bantalan (bearing) serta menumpu satu Impeller (fan), dan satu buah pulley

untuk menghubungkan ke motor penggeraknya. Dengan kondisi pembebanan yang terjadi pada

Poros dapat di lihat pada gambar 2.8 di bawah ini.

Gambar 2.8. Kondisi Pembebanan pada Poros

W1 W2

W3

A B




Keterangan gambar:

1. Impeller

2. Pulley

3. Bearing (Bantalan)

4. Poros

5. Bearing (Bantalan)

Dalam ilmu statika struktur, kita mengenal berbagai jenis tumpuan, yakni : roller (rol),

pada tumpuan jenis terdapat 1 variabel (kita misalkan tumpuan itu adalah A, maka variabelnya

RAY arah sumbu y). Kedua adalah pin (engsel), pada tumpuan jenis ini terdapat 2 variabel (kita

misalkan tumpuan itu sama yakni A, maka variabelnya RAY untuk sumbu y dan RAX untuk sumbu

x). Berikutnya overhang (jepitan), pada tumpuan ini terdapat 3 variabel (dengan permisalan yang

sama, maka variabelnya RAY arah sumbu y, RAX arah sumbu x dan MA momen yang terjadi). Dan

terakhir adalah kabel (batang) dengan variabel T.

Suatu benda yang mendapat pembebanan, maka benda tersebut mendapat gaya yang

diperoleh dari luar yang disebut gaya luar yakni: gaya berat, gaya reaksi dan gaya yang diberikan

(load ) dapat dilihat pada gambar 2.7.

Gambar 2.9. Jenis-Jenis Gaya Dalam

NY

NY

V

V

M

NX

M

NX




Sedangkan gaya yang diperoleh dari dalam benda tersebut yang seterusnya disebut gaya

dalam yakni: gaya normal (N), gaya geser (V) dan momen lentur (M) dapat dilihat pada gambar

2.8.

Gambar 2.10. Jenis-Jenis Gaya Luar

2.9. MSC/NASTRAN 4.5

Metode Elemen Hingga (MEH) yang digunakan untuk menganalisa struktur diselesaikan

dengan bantuan NASTRAN, suatu paket program yang dikembangkan di Amerika Serikat oleh

National Aeronautics and Space Administration (NASA). Perangkat Schwendler Corporation

adalah program analisa elemen hingga untuk analisa tegangan (stress), getaran (vibration), dan

perpindahan panas (heat transfer ) dari struktur dan komponen mekanika. Dengan

MSC/NASTRAN, kita dapat mengimport geometri CAD (Computer Aided Design) atau dengan

membuat geometri sendiri dengan MSC/NASTRAN.

Tidak ada masalah dimana kita membuat geometry, kita dapat memakai untuk membuat

model elemen hingga yang lengkap. Mesh, dapat dibuat dengan banyak metode: secara manual

sampai automatis. Pemakaian material dan penentuan sifat material dapat dibuat atau dipilih dari

MSC/NASTRAN’s libraries. Demikian juga banyak tipe kondisi batas dan kondisi pembebanan

dapat diterapkan.

Analisa tegangan dengan metode elemen hingga dapat memecahkan beberapa kasus

banyak menggunakan pendekatan prosedur dua dimensi. Prosedur dua dimensi digunakan karena

praktis lebih mendekati, dan modelnya lebih sederhana. Pada kasus yang sebenarnya analisa tiga

dimensi yang banyak digunakan karena analisa tegangan tiga dimensi dengan metode elemen

hingga mendekati masalah yang sebenarnya.

F

RA

W

RBY

A B




Kajian numerik yang umum digunakan dilakukan dengan dua cara yaitu dengan beda

hingga dan elemen hingga. Beda hingga ( finite difference) dilakukan dengan mendiskretisasi

persamaan differensial. Metode ini memiliki kelemahan utama yaitu syarat-syarat batasnya sangat

susah dipenuhi. Kelemahan yang lain adalah akurasi hasil perhitungan yang relatif rendah. Kajian

elemen hingga adalah analisis pendekatan yang berasumsi peralihan atau asumsi tegangan atau

berdasarkan kombinasi keduanya pada setiap elemennya.

Mesh dapat dibuat dengan berbagai metode yaitu Generate Between, Generate Region,

On Geometry, Boundary Mesh, dan Transition. Material dan sifat material dapat dibuat atau dipilih

dari MSC/NASTRAN libraries. MSC/NASTRAN juga dapat menampilkan secara grafik setiap

langkah proses modelling dan masih banyak lagi keunggulan dan kemudahan yang disediakannya.


Perhitungan Motor USU

Documents

Transcript of Perhitungan Motor USU