Rancangan dan Perhitungan Bagian Elemen Mesin Vacuum ...

Wijayakusuma National Conference (WiNCo) 2020

Cilacap, Indonesia, 10 November 2020

pp.123-135

https://winco.cilacapkab.go.id 123

Rancangan dan Perhitungan Bagian Elemen Mesin

Vacuum Frying dengan Sistem Pengaduk dan

Pengatur Suhu

Arif Rachman1*, Lanjar Rizky Romadani2, Mohammad Nurhilal3 1,2,3JurusanTeknik Mesin, Politeknik Negeri Cilacap

1,2,3Jalan Dr. Soetomo No. 1, Sidakaya, Cilacap Selatan, Kab. Cilacap, Jawa Tengah, 53212, Indonesia

E-mail: [email protected], [email protected], [email protected]

*penulis korespondensi

Abstrak – Kurangnya pemanfaatan buah-buahan pasca panen yang menyebabkan menurunnya nilai ekonomis

buah, sehingga untuk menangani permasalahan tersebut dengan menambah produktivitas bagi masyarakat dan

home industry agar dapat memanfaatkan dengan baik hasil pasca panen menjadi sebuah produk menggunakan

suatu alat yaitu mesin vacuum frying. Tujuan perancangan ini yaitu merancang desain wujud, membuat detail

drawing, dan menghitung elemen mesin pada mesin vacuum frying dengan sistem pengaduk dan pengatur suhu.

Merancang menggunakan metode VDI 2222 dan pemilihan konsep menggunakan metode Stuart Pugh. Untuk

kapasitas maksimal bahan 1,5 kg menghasilkan diameter tabung penggoreng sebesar 300,4 mm, diameter rak

penampung bahan sebesar 200 mm dan kapasitas minyak 14,5 liter. Hasil perhitungan komponen elemen mesin

tersebut menggunakan motor listrik DC dengan daya 37,68Watt, diameter poros 3/4” dan jenis bantalan yang

digunakan adalah bantalan jenis bola baris tunggal dengan nomor bantalan 6804.

Kata kunci: vacuum frying, VDI 2222, elemen mesin

Abstract - Lack of utilization of post-harvest fruits which causes a decrease in the economic value of the fruit, so

as to deal with this problem by increasing productivity for the community and home industry in order to make good

use of post-harvest results into a product using tool, namely a vacuum frying machine. The purpose of this design

is to design a shape design, make detailed drawings, and calculate the machine elements in a vacuum frying

machine with a stirring system and temperature control. Design using the VDI 2222 method and concept selection

using the Stuart Pugh method. For a maximum material capacity of 1.5 kg the fryer tube diameter of 300.4 mm,

the material storage rack diameter is 200 mm and the oil capacity is 14.5 liters. The calculation results of the

machine element components use a DC electric motor with a power of 37.68 Watts, the diameter of shaft was 3/4"

shaft and the type of bearing used is a single row ball-type bearing with the bearing number 6804.

Keywords: vacuum frying, VDI 2222, machine elements

1. PENDAHULUAN

Indonesia sebagai negara tropis banyak ditumbuhi tanaman buah. Buah-buahan merupakan komoditas

holtikultura yang banyak dibudidayakan di Indonesia dan memiliki nilai ekonomi tinggi serta memiliki peluang

untuk di ekspor [1]. Produksi buah-buahan terus meningkat dari tahun ke tahun. Buah-buahan tahunan

dikelompokan menjadi 3 jenis yaitu jenis tanaman buah-buahan yang tidak serumpun dan dipanen sekaligus, jenis

tanaman buah-buahan yang tidak berumpun dan dipanen berulangkali dan jenis tanaman buah-buahan yang

berumpun dan dipanen terus menerus [2]. Terdapat lima komoditas unggulan buah-buahan tahunan di tahun 2018

yaitu pisang sebesar 7,26 juta ton, manga sebesar 2,62 juta ton, jeruk siam/keprok sebesar 2,41 juta ton, nanas

sebesar 1,81 juta ton, dan durian sebesar 1,14 juta ton. Lima komoditas unggulan tersebut diproduksi hampir di

setiap provinsi di Indonesia [3].

Kabupaten Cilacap merupakan salah satu daerah sentra penghasil buah di Jawa Tengah. Prospek itu tidak

terlepas dari luasnya ketersediaan lahan, kondisi tanah dan lingkungan yang mendukung khususnya Cilacap bagian

barat [4]. Berdasarkan hasil dari Badan Pusat Statistik Kabupaten Cilacap tentang hasil panen dan produksi buah-

buahan menurut komoditi di Kabupaten Cilacap tentang hasil panen dan produksi buah-buahan menurut jenis

komoditi di Kabupaten Cilacap selama 2015-2018 diperoleh hasil pada Tabel 1 [5].

mailto:[email protected]





pp.123-135


Tabel 1. Buah Dengan Tingkat Produksi Kabupaten Cilacap Tahun 2015 -2018

Komoditi Produksi (Kw)

Mangga 70.043,75

Salak 2.436

Pepaya

Jeruk

Durian

Pisang

114.034,75

71.543,25

33.376,75

540.069

Produk buah-buahan pada umumnya dikonsumsi dalam bentuk buah segar dan masih sedikit yang diolah ke

dalam bentuk makanan olahan. Karena buah-buahan bersifat musiman dan mudah rusak (perishable) setelah

dipanen, maka harga jual produk mengalami penurunan yang sangat signifikan pada saat musim panen raya dan

tingkat kehilangan hasil tinggi mencapai 25-40%. Seperti yang diketahui, hasil perkebunan tersebut memiliki batas

simpan yang terbatas. Hasil perkebunan yang tidak terjual sampai batas simpannya akan terbuang percuma. Bila

tidak ditangani dengan baik, buah yang memiliki kadar air yang tinggi akan mengalami perubahan fisiologis, fisik,

kimiawi, parasitik atau mikrobiologis yang menyebabkan buah rusak atau busuk [6].

Untuk mengatasi permasalahan tersebut, buah-buahan dapat diolah dan dibuat produk lain agar mendapatkan

nilai jual yang lebih tinggi. Salah satu produk olahan yang dapat dikembangkan dan mempunyai nilai pasar yang

cukup baik adalah dengan mengolahnya menjadi keripik. Pengolahan buah-buahan menjadi keripik adalah salah

satu alternatif untuk meningkatkan umur simpan dan nilai tambah dibandingkan dengan buah segarnya karena

kadar airnya rendah dan tidak lagi terjadi proses fisiologi seperti buah segarnya [7] [8]. Dengan berkembangnya

teknologi penggorengan vakum, terdapat peluang untuk menghasilkan keripik buah yang memiliki rasa dan aroma

seperti buah aslinya, tekstur renyah, serta nilai gizinya dapat dipertahankan karena suhu penggorengan relative

rendah [9].

Dengan ini dilakukan penelitian perancangan suatu alat yaitu Mesin Penggoreng Vakum (Vacuum Frying)

Dengan Sistem Pengaduk dan Pengatur Suhu. Mesin tersebut mengadopsi sistem pengaduk dan pengaturan suhu

sehingga pengguna dapat menggunakan mesin tersebut dengan mudah. Menggunakan sistem water jet untuk

melakukan proses pemvakuman.

2. METODE

2.1 Tahapan dan Alat Penelitian

Peralatan yang digunakan dalam proses desain dan perhitungan bagian- bagian lemen mesin yaitu komputer

serta software gambar Solidworks Premium 2020 untuk melakukan perancangan mesin. Metode yang digunakan

dalam melakukan tahapan perancangan yaitu metode VDI 2222. Proses perancangan tersebut digambarkan dalam

gambar 1 tentang diagram alir pada Gambar 1.

Gambar 1. Diagram Alir Perancangan Mesin Vacuum Frying Dengan Sistem Pengaduk dan Pengatur Suhu

Mulai

Identifikasi Masalah

dan Analisis Kebutuhan

Membuat

Konsep Desain

Analisis Konsep

Evaluasi

Desain Wujud dan

Desain Bagian

Membuat Desain

Akhir dan Tahapan

Perancangan Detail

Selesai

YA

TIDAK

ME

RE

NC

AN

AM

EN

GK

ON

SE

P

ME

RA

NC

AN

GP

EN

YE

LE

SA

IAN

Dokumentasi

Studi Literatur



pp.123-135


Dalam melakukan perancangan mesin vacuum frying dengan sistem pengaduk dan pengatur suhu ini, terdapat

beberapa prosedur dalam metode perancangan VDI 2222. Metode ini diawali dengan proses merencana untuk

menghasilkan spesifikasi produk beserta tuntutan teknisnya sampai dengan proses penyelesaian untuk

menghasilkan gambar konsep beserta gambar detailnya [10].

Pada tahap perencanaan dilakukan studi literatur dengan melakukan berbagai kegiatan meliputi browsing

internet, jurnal, dan membaca buku selanjurnya studi lapangan.

Gambar 2. Vacuum Frying [11]

Berdasarkan analisis yang dilakukan, identifikasi masalah pada mesin vacuum frying berbasis water jet,

diperlukan adanya modifikasi alat. Modifikasi untuk bisa membuat sebuah mesin pengoreng vakum yang mudah

digunakan, menghemat tenaga dan dapat digunakan pada kalangan menengah kebawah. Modifikasi tersebut antara

lain sebagai berikut:

1) Diperlukan adanya sebuah mekanisme pengaduk untuk mendukung pada proses penggorengan dan

kecepatan pengaduk dapat diatur oleh operator.

2) Menggunakan sistem water jet dan pompa air dengan daya yang lebih rendah sehingga mesin dapat

digunakan pada masyarakat kalangan menengah kebawah.

3) Diperlukan adanya modifikasi pada rak penampung bahan yang dapat di bongkar pasang, sehingga mudah

dalam perawatannya.

Dari pernyataan diatas dapat disimpulkan kebutuhan dari mesin. Berikut ini daftar kebutuhan (tuntutan)

sebagai acuan pembuatan mesin penggoreng vakum (vacuum frying) dengan sistem pengaduk dan pengatur suhu.

Kebutuhan mesin dapat dilihat seperti pada Tabel 1. Setelah ditentukan kebutuhan mesin, langkah selanjutnya

adalah membuat sketsa dan catatan sebagai bahan untuk pertimbangan desain alat yang akan dibuat.

Tahapan berikutnya adalah pembuatan konsep, pada tahap pembuatan konsep ini merupakan kelanjutan

setelah rencana desain tersusun dengan mempertimbangkan beberapa bagian-bagian pada mesin yang akan

digunakan. Proses mengkonsep ini diantaranya yaitu memperjelas pekerjaan, menganalisis spesifikasi dan tuntutan

yang harus dicapai dalam penugasan, pembagian fungsi bagian, membuat alternatif konsep, dan menilai alternatif

konsep berdasarkan aspek teknis dan ekonomis, doitunjukn pada Tabel 3.

Tabel 1. Kebutuhan Mesin

No. Kebutuhan Mesin

1. Sistem pemvakuman.

2. Sistem pemanas dan pengatur suhu.

3. Sistem pengaduk.

4. Sistem kendali (panel kontrol).

5. Material tahan karat.



pp.123-135


Tabel 2. Sketsa dan Catatan

No. Uraian Sketsa Catatan

1. Sketsa mesin vacum frying.

Menggunakan material anti karat

karena bersentuhan dengan

makanan dan air.

2. Sistem penggerak pengaduk.

Pengaduk pada tabung

penggoreng menggunakan motor

listrik DC yang kecepatannya

dapat diatur.

3. Sistem pemvakuman.

Menggunakan sistem water jet

injector untuk melakukan

pemvakuman didalam tabung

penggorengan pada saat

penggorengan ber-langsung.

4. Sistem pemanas.

Sumber pemanas menggunakan

gas LPG dan kompor pemantik

api yang dihubungkan dengan

selenoid valve dan

thermocontroller sehingga suhu

konstan.

5. Sistem kendali.

Terdapat 3 tombol untuk

menyalakan pompa, motor

penggerak, dan thermocontroller

sehingga mudah dioperasikan.

Tabel 3. Alternatif Fungsi Bagian

Setelah menghubungkan setiap alternatif konsep yang dipilih, selanjutnya menentukan pilihan konsep yang

akan digunakan. Tabel 4 adalah tabel untuk menentukan konsep yang akan dipilih melalui sistem penilaian

berdasarkan kebutuhan alat yang diharapkan. Penilaian tersebut akan menampilkan rangking dari konsep yang

terbaik.

No. Fungsi Bagian Konsep

1 2 3

1. Tabung Penggoreng Dengan Penutup Luar Dengan Penutup Dalam

2. Penampung Bahan Datar Tetap Setengah Lingkaran

Tetap

Setengah Lingkaran

Dapat Di Bongkar Pasang

3. Poros Tabung Pipa Pejal

4. Sistem Penggerak Motor Stepper Motor Power Window Motor DC

5. Pengatur Kecepatan PWM Drimmer Potensiometer

6. Sistem Pemanas Heater LPG dan Kompor

7. Pengatur Suhu Thermocontroller

Digital

Thermocontroller

Analog

8. Kondensor Pipa Spiral Pipa Lurus

9. Sistem Jet Ejector Multi Ejector Single Ejector

10. Posisi Jet Ejector Vertikal Horizontal Miring 45º

11. Pompa Pompa Vakum Pompa Air

Keterangan:

= Alternatif Konsep 1





pp.123-135


Tabel 4. Pemilihan Konsep

Kriteria Seleksi Persentase

Nilai (%)

Alternatif konsep 1 Alternatif konsep 2 Alternatif konsep 3

Nilai (1-4) Hasil Nilai (1-4) Hasil Nilai (1-4) Hasil

Sistem pemvakuman. 25 2 0.5 3 0.75 3 0.75

Sistem pemanas dan pengatur

suhu. 20 2 0.4 3 0.6 3 0.6

Sistem pengaduk. 15 3 0.45 3 0.45 3 0.45

Sistem kendali. 10 3 0.3 2 0.2 2 0.2

Material tahan karat. 10 3 0.3 1 0.1 3 0.3

Nilai Total 1,95 2,1 2,3

Rangking 3 2 1

Gambar 3. Bagian-bagian mesin vacuum frying dengan sistem pengaduk dan pengatur suhu

Setelah semua konsep ditentukan, kemudian konsep disatukan dan dirancang. Pada tahap merancang berisi

tentang penjelasan tentang bagian mesin serta komponen dari mesin vacuum frying dengan sistem pengaduk dan

pengatur suhu. Desain wujud yang dibuat setelah menentukan konsep yang digunakan untuk mesin. Setelah desain

wujud terpenuhi, selanjutnya menentukan bagian-bagian utama dari mesin tersebut agar mudah dipahami,

diperlihatkan pada Gambar 3. Setelah desain wujud dan bagian-bagian mesin terselesaikan. Dalam tahap

penyelesaian melakukan tahapan verifikasi konsumen dan menyiapkan dokumen untuk disampaikan kepada lini

produksi.

Tahapan selanjutnya adalah melakukan perhitungan bagian-bagian Elemen Mesin yang digambarkan dalam

gambar 3 diagram alir proses perhitungan.



pp.123-135


Gambar 3. Diagram Alir Perhitungan Elemen Mesin

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

Berdasarkan aspek teknis dan ekonomis, maka penilaian terhadap beberapa alternatif yang telah dibuat dapat

disimpulkan bahwa penilaian tertinggi pada alternatif konsep 3. Konsep ini menggunakan tabung penggoreng

dengan penutup luar dimana terdapat bagian dari penutup tabung penggoreng dilapisi silikon sehingga

meminimalisir terjadinya kebocoran dan pada bagian penampung bahan berbentuk tabung setengah lingkaran

dapat di bongkar pasang sehingga mudah dalam perawatannya. Poros yang digunakan pada sistem pengaduk

menggunakan jenis poros hollo (pipa) sehingga tidak menimbulkan beban terlalu berat (ringan) yang berpengaruh

pada spesifikasi motor listrik yang digunakan.

Pada sistem penggerak menggunakan motor DC power window karena pada sistem pengaduk pada mesin

vacuum frying ini tidak memerlukan putaran yang tinggi dan kecepatannya dapat diatur dengan PWM sehingga

memudahkan operator untuk mengatur kecepatan pengaduk pada proses penggorengan berlangsung. Hasil

Rancangan diperlihatkan pada Gambar 4.

Gambar 4. Hasil Rancangan

Mulai

Studi Literatur

Perhitungan Tabung

Penggoreng

Pembuatan Laporan

Identifikasi

Gambar Kerja

Selesai

Perhitungan Daya

Motor

Perhitungan Elemen Mesin:

1. Poros

2. Bantalan

Bill Of Material



pp.123-135


Sistem pemanas menggunakan LPG dan kompor pemantik api. Kompor gas LPG dipilih karena beberapa

alasan yaitu selain merupakan bahan bakar yang relatif murah (dalam arti efisien) dan mudah diperoleh, kompor

gas memiliki bentuk yang praktis dan mudah ditemukan di pasaran sehingga apabila sewaktu-waktu ada kerusakan

dapat mudah diganti dan panas yang dihasilkan oleh kompor gas relatif stabil dan mudah diatur. Pengaturan suhu

pada sistem pemanas menggunakan thermacontroller digital sehingga mempermudah operator untuk mengatur

suhu yang ditentukan. Jika suhu dalam tabung penggorengan lebih kecil dari suhu setting, maka perangkat ini akan

memperbesar lubang katup gas LPG ke kompor, sehingga nyala api kompor akan lebih besar. Dengan begitu suhu

dalam tabung penggorengan akan naik sedikit demi sedikit. Karena terus berlangsung, semakin lama suhu dalam

tabung juga akan semakin panas, sehingga akan sampai pada saat dimana suhu lebih besar dari suhu setting. Pada

saat itulah, perangkat kontrol akan memperkecil lubang katup gas LPG sehingga nyala api kompor juga akan

mengecil. Dengan begitu, suhu dalam tabung penggorengan juga akan menurun sedikit demi sedikit sampai suatu

saat akan mencapai suhu di bawah suhu setting. Setelah suhu turun dibawah suhu yang telah ditentukan, perangkat

kontrol akan kembali memperbesar lubang katup gas sebagaimana sebelumnya. Proses ini akan terus berulang

selama penggorengan, sehingga suhu dalam tabung penggorengan akan selalu berkisar diantara suhu yang diatur.

Pada kondensor menggunakan pipa spiral yang bertujuan untuk mengembunkan uap panas menjadi air lebih

sempurna dibandingkan pipa lurus dan air hasil pengembunan dipisahkan pada ruang terpisah sehingga uap yang

di hisap oleh pompa melalui jet ejector tidak bercampur dengan air. Hal ini bertujuan untuk mengurangi beban

pada penghisapan yang disebabkan oleh uap yang bercampur dengan air.

Sistem water jet menggunakan pompa air sebagai perangkat penghisap udara. Untuk bisa menghasilkan

kondisi vakum, pompa air tersebut dibantu konstruksi tertentu yang didalamnya melibatkan air sebagai sarananya.

Ada dua jenis sistem water jet yang bisa digunakan, yaitu sistem water jet dengan multi injector dan sistem water

jet dengan single injector. Water jet multi injector menggunakan banyak lubang kecil untuk menyemprotkan udara

dan air. Jumlah injector yang digunakan bervariasi tergantung pada daya hisap yang diinginkan. Dengan kata lain,

semakin besar ukuran vacuum chamber (tabung penggoreng), berarti semakin besar daya yang dibutuhkan untuk

memvakumkannya, sehingga selain butuh pompa yang lebih besar, juga butuh injector yang lebih banyak. Hanya

saja sistem multi injector memiliki kekurangan yaitu ukuran lubang yang kecil. Seringkali ada kotoran dalam air

yang turut terhisap oleh pompa yang kemudian menyumbat lubang injector. Hal ini akan menyebabkan daya

pemvakuman berkurang sehingga tekanan dalam tabung penggorengan akan naik. Jika sejumlah injector yang

tersumbat cukup banyak, maka sistem pemvakuman tidak akan bekerja sehingga mesin vacuum frying tidak dapat

beroprerasi. Karena itulah perancang memilih sistem single injector, selain memiliki konstruksi yang lebih

sederhana juga memiliki lubang injector yang lebih besar, maka kemungkinan tersumbat oleh kotoran jauh lebih

kecil sehingga mesin vacuum frying bisa bekerja dengan baik.

3.1 Perhitungan Volume Tabung Utama

Tabung utama (ruang penggorengan) berbentuk tabung silinder dengan sisi samping tabung sedikit

melengkung, berisi minyak goreng dan rak penampung bahan dapat dihitung berdasarkan persamaan 1 berikut.

Jumlah minyak goreng yang dibutuhkan di dalam ruang penggoreng adalah setengah dari volume ruang

penggoreng, sehingga jumlah minyak goreng (Vm) yang dibutuhkan dapat dihitung dengan persamaan 2 berikut

[12].

𝑉𝑡𝑎𝑏𝑢𝑛𝑔 𝑢𝑡𝑎𝑚𝑎 =𝜋

4 × 𝑑𝑖

2 × 𝑡𝑖 (1)

𝑉𝑚𝑖𝑛𝑦𝑎𝑘 =1

2 × 𝑉𝑡𝑎𝑏𝑢𝑛𝑔 𝑢𝑡𝑎𝑚𝑎 (2)

Keterangan:

𝑑𝑖 = diameter silinder dalam (mm).

𝑡 = panjang/tinggi silinder tabung (mm).

𝑟 = jari-jari (mm).

Tabung utama menggunakan pelat stainless steel ketebalan 1,2 mm, diameter silinder luar (do) sebesar 300,4

mm, diameter silinder dalam (di) sebesar 298 mm, panjang/tinggi silinder tabung dalam (t) sepanjang 440 mm,

dan panjang/tinggi silinder tabung dalam (ti) sepanjang 428 mm.

𝑉𝑡𝑎𝑏𝑢𝑛𝑔 𝑢𝑡𝑎𝑚𝑎 = 3,14

4 × 2982 𝑚𝑚 × 428 𝑚𝑚

𝑉𝑡𝑎𝑏𝑢𝑛𝑔 𝑢𝑡𝑎𝑚𝑎 = 29836367,92 𝑚𝑚3 ≈ 0,0298 𝑚3

Karena sisi tabung melengkung, maka penulis mengasumsikan volume tabung utama sebesar 97%.

𝑉𝑡𝑎𝑏𝑢𝑛𝑔 𝑢𝑡𝑎𝑚𝑎 = 97% × 0,0298 𝑚3 = 0,0290 𝑚3

𝑉𝑚𝑖𝑛𝑦𝑎𝑘 =1

2× 0,0290 𝑚3 = 0,0145 𝑚3 ≈ 14,5 𝐿𝑖𝑡𝑒𝑟



pp.123-135


3.2 Perhitungan Diameter Rak Penampung Bahan

Kapasitas maksimum dari buah yang dapat ditampung/digoreng, pada setiap kali proses penggorengan

keripik terletak pada ruang penampung. Bentuk dari ruang penampung, berbentuk tabung setengah lingkaran,

dengan diameter tabung (dp), panjang/tinggi tabung (tp), sehingga perhitungan pada rak penampung bahan dapat

menggunakan persamaan 3 dan 4.

𝑄𝑚𝑎𝑥 = 𝜌 × 𝑉𝑝 (3)

𝑉𝑏𝑢𝑎ℎ =1

2× (

𝜋

4× 𝑑𝑝

2 × 𝑡𝑝) (4)

Keterangan:

𝑄𝑚𝑎𝑥 = kapasitas maksimum buah yang digoreng (kg).

𝜌 = massa jenis buah (kg/m3).

𝑉𝑝 = volume ruang penampung (berbentuk setengah lingkaran) (mm3).

𝑑𝑝 = diameter tabung(mm).

𝑡𝑝 = panjang/tinggi tabung (mm).

𝑉𝑏𝑢𝑎ℎ = volume buah (mm3).

Rak penampung bahan menggunakan pelat stainless steel berlubang dengan ketebalan 0,8 mm,

panjang/tinggi tabung setengah lingkaran sebesar 300 mm. Kapasitas maksimum buah dalam sekali penggorengan

didalam ruang penampung bahan (Qmax) sebanyak 1,5 Kg, dengan menggunakan massa jenis buah apel (𝜌) = 641

Kg/m3.

𝑉𝑎𝑝𝑒𝑙 =𝑄𝑚𝑎𝑥

𝜌𝑎𝑝𝑒𝑙=

1,5 𝑘𝑔

641 𝑘𝑔/𝑚𝑚3 = 0,00234 𝑚3 ≈ 0,00234 × 109 𝑚𝑚3

Karena pada proses penggorengan berlangsung, di dalam ruang penampung bahan tidak boleh terisi penuh

(harus ada ruang) maka penelitian mengasumsikan 2 kali volume bahan untuk menghitung diameter rak

penggoreng.

Gambar 5. Sketsa Rak Penampung Bahan

2 × 𝑉𝑎𝑝𝑒𝑙 =1

2× (

𝜋

4× 𝑑𝑝

2 × 𝑡𝑝) = 𝑑𝑝2 =

16

𝜋×𝑉𝑎𝑝𝑒𝑙

𝑡𝑝

𝑑𝑝2 =

16

3,14×0,00234 ×109 𝑚𝑚3

300 𝑚𝑚= 39745,22 𝑚𝑚2

𝑑𝑝 = √39745,22𝑚𝑚2 = 199,36 𝑚𝑚 ≈ 200 𝑚𝑚

3.3 Perhitungan Daya Motor Listrik

Pada perhitungan daya motor listrik yang dibutuhkan dapat menggunakan persamaan 5 sebagai berikut [13]:

𝑃 = 𝑇 × 𝜔 (5)

Keterangan:

𝑃 = Daya (kW)

𝑇 = Torsi motor listrik (Nm)

𝜔 = Kecepatan sudut (rad/s)

Pada perancangan ini dipilih motor listrik DC dengan spesifikasi pada Tabel 5. Maka terlebih dahulu

dilakukan perhitungan untuk menentukan kecepatan sudut (𝜔).



pp.123-135


Tabel 5. Spesifikasi Motor Listrik

Kode CSD75C

Voltage 12V DC

Revolution 90 rpm

Rate Torsion 4 Nm

Current 4 A

a. Perhitungan kecepatan sudut (𝝎)

Putaran rencana yang digunakan (𝑛2) adalah maksimal 45 rpm (tidak memerlukan putaran tinggi), maka

perhitungan kecepatan sudut dapat menggunakan persamaan 6 sebagai berikut:

𝜔 = 2×𝜋×𝑛2

60 (6)

𝜔 = 2×3,14×45 𝑟𝑝𝑚

60= 4,71 𝑟𝑎𝑑/𝑠

Setelah menentukan untuk torsi yang digunakan dan kecepatan sudut, maka pehitungan daya motor listrik

yang dibutuhkan yaitu:

𝑃 = 𝑇 × 𝜔

𝑃 = 4 𝑁𝑚 × 4,71 𝑟𝑎𝑑/𝑠 = 0,01884 𝑘𝑊

Nilai efisiensi daya motor listrik bernilai 70%-90%, dalam perhitungan ini diambil nilai efisiensi sebesar

85%, sehingga nilai daya masukan (daya input) yang dibutuhkan dapat dihitung berdasarkan persamaan 7 sebagai

berikut:

𝜂 = 𝐷𝑎𝑦𝑎 𝑘𝑒𝑙𝑢𝑎𝑟𝑎𝑛 (𝑜𝑢𝑡𝑝𝑢𝑡)

𝐷𝑎𝑦𝑎 𝑚𝑎𝑠𝑢𝑘𝑎𝑛 (𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡) (7)

85 % = 0,01884 𝑘𝑊

𝐷𝑎𝑦𝑎 𝑚𝑎𝑠𝑢𝑘𝑎𝑛 (𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡)

𝐷𝑎𝑦𝑎 𝑚𝑎𝑠𝑢𝑘𝑎𝑛 (𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡) = 0,01884 𝑘𝑊

85 %= 0,022164705 𝑘𝑊 ≈ 22 𝑊𝑎𝑡𝑡

3.4 Perencanaan Poros Tabung Utama

Pada perhitungan perencanaan poros ini digunakan perhitungan poros dengan beban gabungan, karena poros

mengalami beban puntir dan beban lentur yang berasal dari rak penampung bahan. Berikut ini merupakan tahapan

perencanaan poros pada tabung utama dapat dijabarkan sebagai berikut:

a. Perhitungan daya rencana

Dalam perhitungan poros ini dapat diambil daya normal sebagai daya rencana dengan faktor koreksi (𝑓𝑐) daya

yang akan ditransmisikan sebesar 1,5 (Diambil dari lampiran), sehingga besarnya daya rencana (𝑃𝑑) dapat dihitung

dengan persamaan 8 sebagai berikut [14]:

𝑃𝑑 = 𝑓𝑐 × 𝑃 (8)

𝑃𝑑 = 1,5 × 0,022164705 𝑘𝑊 = 0,03 𝑘𝑊

b. Perhitungan momen puntir rencana

Rencana output putaran 𝑛2 adalah 45 rpm. Jadi untuk menghitung momen puntir rencana dapat menggunakan

persamaan 9 sebagai berikut:

𝑇 = 9,74 × 105 𝑃𝑑

𝑛2 (9)

𝑇 = 9,74 × 105 0,03 𝑘𝑊

45 𝑟𝑝𝑚= 631,33 𝑘𝑔. 𝑚𝑚

c. Perhitungan momen lentur

Sebelum melakukan perhitungan momen lentur terlebih dahulu menghitung masa komponen yang ada pada

poros untuk menghitung besar beban merata dapat menggunakan persamaan 10 sebagai berikut [15]:

𝑚 = 𝑉 × 𝜌 (10)

Keterangan:

𝜌 = massa jenis (kg/m3)

𝑉 = volume konstruksi benda (m3)



pp.123-135


Gambar 6. Komponen-komponen yang Digerakkan

Pada poros terdapat 2 jenis beban yaitu beban merata dan beban vertikal. Setelah menghitung masa yang ada

pada poros, beban merata sepanjang 331,6 mm untuk setiap 1 mm dapat dihitung dengan persamaan:

𝑤1 =𝑤

𝑙𝑤

𝑤1 =(𝑚𝑟𝑎𝑘 𝑝𝑒𝑛𝑎𝑚𝑝𝑢𝑛𝑔 𝑏𝑎ℎ𝑎𝑛+𝑚𝑑𝑢𝑑𝑢𝑘𝑎𝑛 𝑟𝑎𝑘 𝑝𝑒𝑛𝑎𝑚𝑝𝑢𝑛𝑔 𝑏𝑎ℎ𝑎𝑛+𝑚𝑏𝑎ℎ𝑎𝑛) ×𝑔

𝑙𝑤

𝑤1 =(0,72 𝑘𝑔+0,9 𝑘𝑔+1,5 𝑘𝑔)×10 𝑚/𝑠2

331,6 𝑚𝑚= 0,0941 𝑁/𝑚𝑚

Beban vertikal yaitu F yang bekerja pada engkol penggerak. F pada engkol penggerak = F engkol pengaduk,

karena langsung dihubungkan dengan tuas penghubung. Dengan menggunakan torsi dari motor listrik (T) sebesar

4 Nm, panjang lengan engkol penggerak (r1) sepanjang 60 mm dan lengan engkol yang digerakkan (r2) sepanjang

110 mm, maka beban vertikal dapat dihitung dengan persamaan 11.

Gambar 7. Komponen Penggerak dan Digerakkan

Perhitungan pada engkol penggerak:

𝐹1 =𝑇

𝑟1 (11)

𝐹1 =4 𝑁𝑚

0,06 𝑚= 66,67 𝑁

Perhitungan pada engkol yang digerakan:

𝑇 = 𝐹1 × 𝑟2

𝑇 = 66,67 𝑁 × 0,11 𝑚 = 7,33 𝑁𝑚

Jadi torsi pada engkol yang digerakkan yang digunakan untuk menghitung poros pada tabung hampir 2x

engkol penggerak. Maka beban vertikal pada poros sebesar 66,67 N.



pp.123-135


Gambar 8. Diagram Benda Bebas

(a)

(b)

Gambar 9. (a) Shear Diagram; (b) Diagram MomenLentur Poros

Keterangan:

𝑤1 = beban merata pada poros = 0,0941 N/mm

𝑃1 = beban pada engkol = 66,67 N

𝑙1 = jarak antara boss A dengan awal beban merata = 48,2 mm

𝑙2 = jarak antara akhir beban merata dengan boss B = 72,2 mm

𝑙3 = jarak antara boss B dengan beban pada engkol = 48 mm

𝑙4 = jarak antara boss A dengan B = 452 mm

𝑙𝑤 = panjang jarak beban merata = 331,6 mm

d. Perhitungan tegangan geser yang diijinkan

Material yang digunakan untuk menggerakkan rak penggoreng pada mesin vacuum frying adalah poros

batang baja tahan karat (SS 304) dengan:

1. Kekuatan tarik (𝜎𝐵) = 47,5 𝑘𝑔/𝑚𝑚2,

2. Faktor keamanan (𝑆𝑓1) = 6,0 (Diambil dari lampiran),

3. Konsentrasi tegangan (𝑆𝑓2) = 3,0 (Diambil dari lampiran).

Jadi untuk menghitung tegangan yang terjadi dapat menggunakan persamaan 12 sebagai berikut:

τ𝑎 =𝜎𝑏

(𝑆𝑓1 ×𝑆𝑓1 ) (12)

τ𝑎 =47,5 𝑘𝑔/𝑚𝑚2

(6,0 ×3,0) = 2,64 𝑘𝑔/𝑚𝑚2

Jadi tegangan geser yang dijinkan sebesar 2,64 𝑘𝑔/𝑚𝑚2



pp.123-135


e. Perhitungan diameter poros

Poros yang digunakan pada bagian tabung utama adalah poros beban puntir dan lentur dengan:

1. Faktor koreksi momen puntir (𝐾𝑡) = 1,0 (Diambil dari lampiran),

2. Faktor koreksi momen lentur (𝐾𝑚) = 1,5 (Diambil dari lampiran),

3. Momen lentur ekivalen (𝑀) atau 𝑀𝐵 = 320,016 𝑘𝑔. 𝑚𝑚,

4. Momen puntir rencana (𝑇) = 631,33 𝑘𝑔. 𝑚𝑚,

5. Tegangan geser (τ𝑎) = 2,64 𝑘𝑔/𝑚𝑚2.

6. Nilai faktor diameter (k):

7. 𝑑𝑖= diameter dalam 17 mm (rencana)

8. 𝑑𝑜= diameter luar 19 mm (rencana)

9. k = 𝑑𝑖

𝑑𝑜 =

17 𝑚𝑚

19 𝑚𝑚 = 0,89

Perhitungan diameter poros dapat dihitung dengan persamaan 2.19 sebagai berikut:

𝑑𝑠 ≧ [(5,1

𝜏𝛼 (1−𝑘4 )) √(𝐾𝑚 × 𝑀)2 + (𝐾𝑡 × 𝑇)2]

1/3

𝑑𝑠 ≧ [(5,1

2,64 (1−0,894 ) ) √(1,5 × 174,528)2 + (1,0 × 631,33 )2]

1/3

𝑑𝑠 ≧ 16,03 ≈ 16 𝑚𝑚

Jadi diameter poros minimal yang diizinkan adalah 16 mm, karena menggunakan poros pipa stainless, jadi

poros yang akan di gunakan untuk meneruskan putaran motor adalah 3/4 inchi atau 19,05 mm.

3.5 Perencanaan Bantalan yang Digunakan

Dari perhitungan perencanan yang telah dilakukan, bantalan yang digunakan adalah bantalan bola baris

tunggal dengan spesifikasi berikut:

Nomor bantalan : 6804

Diameter luar bantalan (D) : 32 mm

Diameter dalam bantalan (d) : 20 mm

Lebar bantalan (B) : 7 mm

Jari-jari bantalan (r) : 0,3

Beban radial dinamis (𝐶𝑟) : 4 kN

Beban radial statis (𝐶0𝑟) : 2,47 kN

4. KESIMPULAN

Berdasarkan pertimbangan aspek teknis dan ekonomis perancangan dengan metode VDI 2222, hasil

keputusan pemilihan dan analisis konsep rancangan didapatkan alternatif konsep 3. Pemilihan konsep tersebut

dihasilkan melalui sistem penilaian berdasarkan kebutuhan alat yang dibutuhkan tentunya melalui studi lapangan

dan studi literatur yang telah dilakukan sehingga menghasilkan nilai rangking konsep yang terbaik. Diameter

tabung luar (do) sebesar 300,4 mm, diameter tabung dalam (di) sebesar 298 mm, dengan kapasitas minyak untuk

melakukan penggorengan sebesar 14,5 liter dan pada rak penampung bahan dihasilkan ukuran panjang/tinggi

tabung setengah lingkaran sebesar 300 mm dan diameter 200 mm untuk kapasitas maksimal bahan 1,5 kg pada

setiap penggorengan.

Daya motor DC yang digunakan sebesar 37,68 Watt, Diameter poros pipa (main shaft) adalah 3/4” atau 19,05

mm, Jenis bantalan yang digunakan adalah bantalan bola baris tunggal dengan nomor bantalan 6804. Pada mesin

ini perlu proses pengembangan dan pengujian secara terus menerus. Jika dilakukan redesain, gunakan stainless

steel dengan ketebalan minimal 2 mm untuk tabung penggorengan agar tidak mudah mengalami deformasi dan

mengurangi cacat pada saat pengeasan. Menggunakan kapasitas pompa yang lebih besar agar menghasilkan tingkat

kevakuman yang lebih maksimal. Untuk skala produksi kapasitas mesin harus dibuat lebih besar, karena untuk

menghindari kerugian biaya produksi.

UCAPAN TERIMAKASIH

Ucapan terimakasih terutama ditunjukan kepada BAPPEDA dan JARLIT Kabupaten Cilacap yang telah

menyelenggarakan Wijayakusuma National Conference (WiNCo) 2020 untuk memfasilitasi para peneliti dan

praktisi dalam mempresentasikan hasil riset.



pp.123-135


Daftar Pustaka

[1] I. A. Nuhung, “Strategi Pengendalian Impor Holtikultura,” Jurnal Agribisnis, vol. 7, no. 2, pp. 173 - 188, 2013.

[2] Badan Pusat Statistik, “Statistik Tanaman Buah-buahan dan Sayuran Tahunan,” Jakarta, Badan Pusat Statistik,

2015, p. 3.

[3] Badan Pusat Statistik, Statistik Tanaman Sayuran dan Buah-buahan Semusim, Jakarta: Badan Pusat Statistik,

2018.

[4] T. H. Akbar, “Suara Merdeka,” Tinggi, Prospek Tani Buah di Cilacap Barat, 17 Januari 2019. [Online].

Available: https://www.suaramerdeka.com/news/baca/160920/tinggi-prospek-tani-buah-di-cilacap-barat.

[Diakses 5 Oktober 2020].

[5] Badan Pusat Statistik Kabupaten Cilacap, Jumlah Pohon dan Produksi Buah-buahan 2015-2018, Cilacap:

Badan Pusat Statistik Kabupaten Cilacap, 2018.

[6] L. D. D. Arini, “Faktor-faktor Penyebab dan Karakteristik Makanan,” Jurnal Teknologi, vol. 2, no. 1, pp. 15-

24, 2017.

[7] E. Kamsiati, “Peluang Pengembangan Teknologi Pengolahan Keripik dengan Menggunakan Penggoreng

Vakum,” Jurnal Litbang Pertanian, vol. 29, pp. 73-77, 2010.

[8] N. Tumbel, &. S. Manurung, “Pengaruh Suhu dan Waktu Penggorengan Terhadap Mutu Keripik Nanas

Menggunakan Penggoreng Vakum,” Jurnal Penelitian Teknologi Industri, vol. 9 no. 1, pp. 9 - 22, 2017.

[9] Sunaryo, “Rancang Bangun Mesin Penggoreng Vakum & Pelatihan Difersifikasi Olahan Salak Pondoh di Desa

Pekandangan Kabupaten Banjarnegara,” Jurnal PPKM III, vol. 1, no. 3, pp. 190 - 196, 2014.

[10] G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, & K. H. Grote, Engineering Design, London: The Design, 2007.

[11] A. Lastriyanto, “Penerapan Paket Teknologi Pengolahan Kripik Buah dengan Mesin Penggoreng Hampa

(Vacuum Fryer) Sistem “Water-jet”,” Jurnal PERTETA, vol. 9, no. 1, pp. 320-327, 1999.

[12] A. Hermawan, “Perancangan Alat Teknologi Tepat Guna Mesin Penggoreng Kripik Buah,” Fakultas Teknik

Universitas Wijaya Putra, Surabaya, 2015.

[13] J. Bird, & C. Ross, Mechanical Engineering Principles, New York: Routledge, 2015.

[14] Sularso, & K. Suga, Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin, Jakarta: Pradnya Paramita, 2004.

[15] T. Rochim, Klasifikasi Proses, Bandung: Institut Teknologi Bandung, 2007.

Rancangan dan Perhitungan Bagian Elemen Mesin Vacuum ...

Documents

Transcript of Rancangan dan Perhitungan Bagian Elemen Mesin Vacuum ...