PERANCANGAN ELEMEN MESIN PADA SISTEM TRANSFER DAYA KOMPRESSOR TORAK
MAKALAH Disusun untuk memenuhi tugas matakuliah Elemen Mesin 1
oleh : Muh. Alif Ahsanul Islam 13112033 Sofyan Fajar Hidayat 13112107 Robby Izaty Ramadhan 13112114
PRAKATA Alhamdulillah, puji dan syukur penulis dan tim panjatkan setinggitingginya kepada Allah Subhanahu Wa Ta’ala yang karena atas Rahmat dan Karunia-Nya yang tak terkira penulis dan tim dapat menyelesaikan laporan analisis Compressor ini. Laporan ini penulis dan tim buat sebagai tugas akhir mata kuliah Elemen Mesin 1 pada semester 4 di Jurusan Teknik Mesin Institut Teknologi Bandung. Dalam penulisan laporan kali ini, penulis dan tim menghimpun data-data yang sesuai baik itu dari buku sumber maupun dengan observasi langsung. Dalam proses pembuatan laporan ini, penulis dan tim menemukan beberapa kendala. Diantaranya ialah sulitnya mencari literatur yang
Serta semua pihak yang telah membantu penyelesaian laporan ini yang tidak mungkin penulis dan tim sebutkan satu-persatu. Penulis sadar bahwa laporan ini masih jauh dari kata sempurna. Sehingga
karenanya lah penulis dan tim sangat butuh masukan, kritik maupu saran yang membangun dari pembaca sehingga dapat menjadi pembelajaran bagi penulis dan tim serta agar penulis dan tim dapat menghasilkan karya tulis yang lebih berkualitas. Semoga laporan ini dapat bermanfaat bagi pembaca s emua dan semua pihak yang membutuhkan. membutuhkan. Bandung, Mei 2014
ABSTRAK
Sofyan Fajar Hidayat, dkk. 2013. Analisis 2013. Analisis system transmisi daya pada Compressor. Proses perancangan sangat menentukan kualitas kerja suatu mesin. Suatu perancangan yang baik akan membuat mesin yang dibuat memiliki efisiensi yang tinggi serta ekonomis. Efisiensi yang dimaksud adalah daya yang dimasukkan pada mesin tersebut dapat dimanfaatkan secara maksimal menjadi daya keluaran mesin. Compressor merupakan suatu alat yang terdiri dari beberapa komponen-
menunjukkan sistem transmisi daya pada Compressor sudah sudah sangat baik. Sistem transmisi daya pada Compressor telah memenuhi factor keamanan.
pulley. Keywords: transmisi daya, Compressor , bearing , poros, bearing, dan pulley.
DAFTAR ISI Halaman PRAKATA ........................................... ................................................................. ............................................ ............................................ ...................... ii ABSTRAK ........................................... ................................................................. ............................................ ........................................... ..................... ii i DAFTAR ISI ......................................... ............................................................... ............................................ ............................................ ......................iv BAB I PENDAHULUAN ............................ ................................................... .............................................. ..................................... ..............1 1.1 Latar belakang .................................... .......................................................... ............................................. .............................. ....... 1 1.2 Tujuan ............................................ .................................................................. ............................................ .................................. ............ 2 BAB II LANDASAN TEORI ............................................. .................................................................... .................................... ............. 3 2.1 Belt dan Puli ........................................... .................................................................. ............................................. ........................ .. 3
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar belakang Pada semester ini mahasiswa teknik mesin 2012 mendapatkan mata kuliah elemen mesin I. Dalam mata kuliah tersebut mahasiswa diharapkan dapat memahami teori-teori yang sudah berkembang selama ini mengenai eleme n mesin. Diharapkan dengan mengikuti mata kuliah ini, maka mahasiswa mendapatkan modal awal untuk mengikuti mata kuliah perancangan selanjutnya. Mata kuliah tersebut memiliki beban 3 sks, dengan salah satu bobot penilaian adalah dari tugas perancangan mesin menggunakan teori-teori yang sudah
1.2 Tujuan 1. Merancang ulang sebuah kompresor berdasarkan kompresor yang sudah ada di pasaran 2. Menentukan spesifikasi dari puli dan belt yang akan digunakan dalam kompresor rancangan 3. Menentukan spesifikasi dari shaft yang akan digunakan dalam kompresor rancangan 4. Menentukan spresifikasi dari bering yang akan digunakan dalam kompresor rancangan
BAB II TEORI DASAR
2.1 Belt dan puli
Elemen fleksibel seperti belt dan rantai sering digunakan untuk transmisi daya dua poros yang terpisah pada jarak tertentu. Belt relatif tidak bising saat operasi, kecuali pada timing belt, slip antara belt dan puli menyebabkan rasio kecepatan tidak presisi. Fleksibilitas dan sifat sifat redaman pada belt mereduksi goncangan dan getaran
sisi alur puli. Akan tetapi v-belt tidak dapat digunakan untuk jarak antar puli yang jauh serta umur v-belt akan lebih pendek dan juga kostruksinya lebih kompleks dibandingkan dengan flat belt. Dalam mendesain sistem transmisi daya menggunakan v-belt ditentukan terlebih dahulu daya yang ditransmisi lalu mencari belt section sesuai yang ada pada tabel, diameter puli besar (D) dan diameter puli kecil (d) dan juga jarak antar puli (c). Lalu kita menghitung panjang sabuk L lalu mencocokkan dengan katalog, rumus untuk mencari L:
L Lp Lc
D d 2 sin 1 2c 1 D d D 2 sin 2c d
Untuk mendapatkan gaya sentrifugal dibutuhkan kecepatan peripheral (V)
V
dN
12
Lalu cari gaya sentrifugal yang bekerja
H d H nom K s nd
Dari nilai Hd dan Ha dapat dihitung jumlah belt (N b) yang diperlukan
N b
H d H a
Dari data di atas kita dapat menghitung ∆F ∆ F yaitu selisih gaya pada belt yang yan g kencang dan kendur, dengan n adalah kecepatan sudut dalam rpm
0.5123)
F 1 Fc
F exp( f ) exp( f ) 1
F F 1 F 2 F 2 F 1 F
Hitung safety factor
n fs
H a . N b H nom. K s
Lalu hitung torsi yang bekerja pada puli besar b esar
T (lbf lbf . ft )
63000 P (hp) n(rpm)
Jadi pengaruh dari puli kepada shaft adalah kecepatan sudut output dan torsi serta gaya vertikal dan gaya horizontal.
2.2 Poros Poros transmisi (transmission (transmission shaft ) atau sering hanya disebut poros ( shaft shaft )
tidak mengalami kegagalan. Tegangan normal maksimum karena beban axial ax ial pada shaft dirumuskan dengan
Dan
adalah luas penampang shaft. Untuk lingkaran luas penampang dirumuskan
dengan A
4
d
Selain karna gaya aksial, tegangan normal juga dapat diakibatkan oleh momen bending. Dari analisis Hukum Newton pada shaft didapatkan bahwa besarnya tegangan normal maksimum yang berkaitan dengan momen bending dirumuskan
dengan
adalah jari-jari shaft. Dan
adalah momen inersia polar shaft,
dirumuskan dengan
Setelah diketahui tegangan normal dan geser yang bekerja pada shaft. Dapat disusun suatu persamaan sehingga diketahui faktor keselamatan dari rancangan sh aft yang telah dibuat. Menurut kriteria energi distorsi (DE), suatu elemen shaft akan
seperti ditunjukkan pada gambar dibawah ini
Material baja sering digunakan sebagai poros karena modulus elastisitasnya tinggi, sehingga ketahannya terhadap defleksi tinggi. Besi cor d an besi nodular
poros yang di roll panas harus dimesin untuk menghilangkan karburizing pada permukaan, sedangkan permukaan yang di roll dingin dibiarkan, kecuali pada bagian dispesifikasikan pada perancangan, seperti untuk tempat bantalan dll.
2.3 Teori Dasar Bearing
Bantalan merupakan salah satu bagian dari elemen mesin yang memegang peranan cukup penting karena fungsi dari bantalan yaitu untuk menumpu sebuah poros agar poros dapat berputar tanpa mengalami gesekan yang berlebihan. Bantalan harus cukup kuat untuk memungkinkan poros serta
Gambar 2. Gambar perbedaan antara dua bearing yang yang dipergunakan Deep groove ball bearing(1), Angular contact ball bearing (2). Sumber: www. Sumber: www.skf .com .com
Pada umumya bantalan dapat diklasifikasikan menjadi 2 bagian yaitu. a. Berdasarkan gerakan bantalan terhadap poros
Bantalan luncur (Sliding Bearing) Pada bantalan ini terjadi gesekan luncur antara poros dan bantalan karena
Bantalan aksial Arah beban bantalan ini sejajar dengan sumbu poros.
Bantalan gelinding khusus Bantalan ini dapat menumpu beban yang arahnya sejajar dan tegak lurus sumbu poros.
11.4. Bantalan Luncur (Sliding Bearing) 11.4.1. Jenis-jenis sli ding beari beari ng
Pada kasus poros yang berputar, bagian poros yang berkontak dengan bantalan disebut journal. Bagian yang datar pada bantalan yang melawan gaya aksial disebut thrust sufaces. Bantalan ini sendiri dapat disatukan dengan rumah atau crankcase. Tetapi biasanya berupa shell tipis yang dapat diganti dengan mudah dan yang menyediakan permukaan bantalan yang terbuat dari material tertentu seperti babbit atau bronze. Ketika proses bongkar pasang tidak memerlukan pemisahan bantalan, bagian tertentu pada bantalan dapat dibuat sebagai sebuah dinding silindris yang ditekan pada lubang di rumah bantalan. Bagian bantalan ini disebut sebagai bushing.
11.5. Rolli ng-El ement ment B earin g
dapat dikeraskan secara menyeluruh sampai HRC 61-65. Bantalan roller sering dibuat dengan menggunakan baja AISI 3310, 4620, dan 8620 yang dikeraskan. Kemajuan dalam proses pembuatan baja memungkinkan pembuatan bantalan dari baja yang “bersih” dari kotoran. Hal ini telah meningkatkan reliabilitas bantalan secara signifikan. Rolling-element bearing dibuat semua perusahaan pembuatnya dengan menggunakan dimensi standar yang dibuat oleh Anti-Friction oleh Anti-Friction Bearing Manufacturer Association Association (AFBMA) dan atau International Standards Standards Organization (ISO) dan bersifat interchangeable. interchangeable. Standarisasi ini memungkinkan diberikannya jaminan bahwa bantalan buatan perusahaan manapun dapat digunakan untuk menggantikan bantalan yang rusak pada suatu assembly selama spesifikasi standarnya sama.
untuk thrust bearing . Selain itu juga terdapat retainer atau separator yang menjaga jarak antarbola baja tetap disekitar cincin. Bantalan bola bo la jenis deep groove dirancang untuk menahan beban radial dan beban aksial. Adapun jenis angular contact dirancang untuk menahan beban aksial yang lebih besar dan juga dapat menahan beban radial.
Bantalan Rol (Roller ) Roller B earin g
Bantalan rol menggunakan roller yang lurus, tirus, atau berkontur yang dipasang diantara dua buah cincin. Secara umum, bantalan rol dapat menahan beban statik dan dinamik yang lebih besar daripada bantalan bola disebabkan oleh kontaknya yang
antara roller dengan cincin. Oleh karena itu biasanya roller thrust bearing ini tidak boleh digunakan untuk kecepatan tinggi.
Basic Dynamic L oad Rating C
Pengujian yangtelah dilakukan oleh perusahaan-perusahaan pembuat bantalan, berdasarkan teori yang sudah dikembangkan, menunjukkan bahwa fatigue bahwa fatigue life atau umur bantalan L berbanding terbalik dengan pangkat tiga bebannya untuk bantalan bola, dan pangkat 10/3 untuk bantalan roll.
perusahaan pembuat bantalan.
Basic Static Static L oad Ratin Ratin g C 0 0
Deformasi permanen pada roller atau bola dapat terjadi bahkan pada beban yang kecil karena sangat tingginya luas kontak yang kecil. Batas beban statik pada bantalan didefinisikan sebagai beban yang akan menghasilkan deformasi permanen pada cincin dan elemen rolling pada titik kontak manapun sebesar 0,0001 kali dari diameter elemen rolling nya. nya. Tegangan yang dibutuhkan untuk membuat deformasi statik sebesar 0,0001d 0,0001d pada bantalan baja adalah bervariasi mulai 4 Gpa (580 kpsi) untuk
bantalan
roll
sampai
4,6
Gpa
(667
kpsi)
untuk
bantalan
bola.
P = XVFr+Yfa........................................................................................................(3) XVFr+Yfa........................................................................................................(3) Dimana : P : P = Beban ekuivalen Fr = Beban radial konstan yang bekerja Fa = Beban aksial konstan yang bekerja V = Faktor perputaran X = Faktor radial Y = Thrust factor
perhitungan tegangan dan defleksi. Kemudian digunakan katalog digunakan dengan terlebih dahulu menentukan bantalan tertentu secara coba-coba. Dengan demikian dapat diperoleh nilai C, C 0 , V, X, dan Y. Kemudian dihitung beban efektif P dan akhirnya dihitung umur L umur L dengan dengan menggunakan nilai C yang diperoleh dari katalog.
Jika pada pembebanan hanya ada beban radial, maka cara memilih bearing adalah dengan menghitung C langsung dengan menggunakan rumus : .......................................................................................................(4)
= Characteristic parameter a
= faktor yang ditentukan jenis bearing (Ball bearing atau roll bearing)
Kerusakan bantalan
Kerusakan bantalan gelinding dapat disebabkan karena:
Kesalahan bahan (faktor produsen) yaitu retaknya bantalan setelah produksi baik retak halus maupun berat, kesalahan tolransi, kesalahan celah bantalan.
Kesalahan pada saat pemasangan. Pemasangan yang terlalu longgar yang akibatnya cincin dalam atau cincin
yang berputar yang menimbulkan gesekan denga housing/poros.
luar
Pengotoran
dari debu atau daerah sekitarnya yang akibatnya bantalan akan
mengalami keausan dan berputarnya dengan bushing. Pemasangan
yang tidak sejajar maka akan menimbulkan guncangan pada saat
berputar yang dapat merusak bantalan.
BAB III
ANALISIS
3.1 Analisis Belt dan Puli
Dari spesifikasi yang diberikan manufaktur engine: Net torque : 19.5 lb.ft Engine Speed : 2500 rpm Dimensions LxWxH (in.) : 41x19x40
Kami memilih untuk menganalisis keadaan dimana torsi pada en gine maksimum karena pada kondisi ini elemen-elemen mesin mendapatkan beban kerja yang paling besar
kategori belt section B. Dengan diameter sheave minimum 5.4 in. Dengan melakukan penskalaan kami mendapatkan diameter sheave kecil (d)=7.5 in dan diamter sheave besar (D)=13.6in dan jarak antar sheave (c)=17.7 in
Lalu cari Lp:
D d ( D d ) Lp 2c 4c 2c Lp 35.4 33.14 0.525 69in 2
L Lp Lc
c
1 2 2 Lp ( D d ) [ Lp ( D d )] 2( D d ) 4 2 2
c 18.06in
D d 2 sin 1 2.8rad 2 c 1 D d D 2 sin 3.4rad 2 c d
Untuk mendapatkan gaya sentrifugal dibutuhkan kecepatan peripheral (V)
V
dN
12
min 4910.71 ft / min
H a K 1 K 2 H tab 0.79 0.95 4.901 3.701hp Untuk mencari design power diperlukan nominal power, service factor, dan design factor. factor. Service factor dapat dilihat di tabel 17-15, kami memilih K s yang paling besar yaitu 1.8. Design factor dipilih 1.
H d H no m K s nd 9.28 1.8 1 16.704hp
Dari nilai Hd dan Ha dapat dihitung jumlah belt (N b) yang diperlukan
Dari data di atas kita dapat menghitung ∆F ∆ F yaitu selisih gaya pada belt yang yan g kencang dan kendur, dengan n adalah kecepatan sudut dalam rpm
F
63025 H d / N b n(d / 2)
63025 16.704 / 5 2500(3.75 / 2)
22.459lbf
∆F sebesar 22.459lbf merupakan selisih gaya per belt, untuk mencari ∆Ftotal maka
F total F N b 22.459 5 112.295lbf Dengan menggunakan data sudut kontak θ, koefisien gesek f=0.5123 (diambil dari Gates Rubber Company yang menyatakan bahwa koefisien gesek yang efektif adalah
Akan tetapi F1 dan F2 yang digunakan adalah gaya total yang sudah dikali dengan jumlah belt
Lalu hitung torsi yang bekerja pada puli besar b esar
T (lbf . ft ) T
63000 P (hp) n(rpm)
63000 9.28 1378.676
424.058lbf . ft
Jadi pengaruh dari puli kepada shaft adalah kecepatan sudut sebesar 1378.676rpm dan torsi sebesar 424.058lbf.ft serta gaya vertikal ke atas sebesar 18.964kbf dan gaya horizontal ke kiri sebesar 409.124lbf.
3.2 Analisis shaft Data awal : Panjang shaft = 8,6 in A-B = 2,7in Diameter shaft = 0,82 in Pemilihan bahan : Material shaft = AISI 1020 cold rolled Tensile yield strength (Sy) = 60900 psi Density = 0.284 lbf/in 2 Dari data diatas didapat berat shaft = 1.289 lbf DBB
Karna kecepatan sudut konstan, maka sesuai Hukum III Newton penjumlahan gaya dan torsi pada benda akan bernilain nol
DBB gaya pada arah X-Z
FAZ
FBZ
X FDZ
D
Z
Untuk 0 < X < 2,7
∑FZ V 409,24-596,35 -187,226 Untuk 2,7 < X < 8,6
Grafik I. gaya lintang V terhadap jarak X V (lb)
409,2
Untuk 0 < X < 2,7
M -187,226 X + 1610,145 Untuk 0 < X < 8,6
Grafik II. momen bending M terhadap jarak X
M (lb.in)
409,2
FDY
D BY FBY
lb
∑FY
FBY W FAY FDY FDY
lb FAY
V
M
FAY X
FBY (X – 2,7) = M
-7,726X 72 = M
V lb
18,96
2,7
-7,726
-9,01
4,3
8,6
X(in)
Analisis momen torsi TR
T
A
T p TR 424,058 lb in
D B
B
Grafik V. Torsi terhadap jarak T (lb.in)
424,058
X(in)
4,3 Dari grafik dapat ditentukan bagian dari shaft yang merima beban paling besar, dengan menggunakan kriteria kegagalan dapat diketahui apakah bahan yang kami
Vmaks/A = 35,9 lb/in 2 Grafik IV Mmax = 51,2 lb.in
= 949 lb/in2 Grafik V T = 424,058 lb in
Dengan menset sama dengan jari-jari shaft terbesar, didapat
2
Tinjau elemen
20493 lb/in
775 lb/in
15734 15734 + 35,9 35,9 lb/in lb/in
2
2
2
775 + (15734 + 35,9) = R
Elemen dua dimensi
20493 lb/in
15788 lb/in
Diagram Mohr
Sudut yang dibentuk antara panah dan garis O 57
x adalah tan-1(-15788/-10246,5) =
Maka prinsipal stress adalah
1 = -I PA I + P (PA)2 = 10246,5 2 + 15788 2 didapat I PA I = 18821
1 = -18821 + -10246,5 = 29067 lb/in 2 2 = I PA I + P= -10246,5 + 18821 = 8574.5 lb/in 2 Untuk mengetahui apakah rancangan dapat diaplikasikan, gunakan persamaan energi distorsi
√
Ssy = 0.577 Sy = 0.577 x 60900 = 35139,3
3.3 Bearing
Dari data analisis shaft didapat besar pembebanan di beberapa titik sebagai berikut :
FB
= = 596,947 lb
Untuk setiap bearing yang dipakai, kami menginginkan bearing tahan selama 100 Juta siklus atau sekitar 1209 jam dengan asumsi bahwa Compressor dipakai 6 jam per hari.
Analisis titik A
Dari Weibull parameter kita asumsikan , R
= 0.96 ( Reliability factor )
Dari tabel 11-2, dengan memilih bearing yang C 10 nya lebih besar dari 9,6 kN kita dapat jenis bearing Single-Row 02-Series Deep Groove dengan diameter Bore 20 mm , Outer Diameter 47mm, width 14mm. 14mm.
Analisis Titik B
Dengan menggunakan sebagian data di analisis titik A [X A=XB, R, b, a f , X0, ] kita cari C10 untuk titik B. = 3138,56 3138,56 lb 14 kN
BAB IV SIMPULAN DAN SARAN 4.1 Kesimpulan Telah berhasil di rancang :
Puli dan v-belt dengan spesifikasi sebagai berikut Diameter puli besar=13.6 in Diameter puli kecil=7.5 in Jarak anta puli=18.06 in V-belt section B dengan panjang belt 68 in
4.2 Saran 1. Dalam perancangan power transmision dari compressor. Dapat dilakukan dengan menganalisis terlebih dahulu daya terbesar yang dapat di keluarkan oleh motor penggerak. Lalu selanjutnya lakukan perancangan sistem transmisi daya. Setelah geometri dari sitem transmisi sudah fix dapat dilakukan analisis kriteria kegagalan. Gunakan kriteria kegagalan terendah yang paling mungkin. Hal ini akan menurunkan harga dari material kompressor. 2. Selain analisis statik lakukan juga analisis kegagalan dinamik pada suatu sistem transmisi daya. Sebab pada sistem transmisi daya, umur kerja yang d ihasilkan melalui proses perancangan sangat bergantung terhadap beban fatige yang di rasakan.
DAFTAR PUSTAKA Richard G Budynas dan J. Keith Nisbett, Sihigley’s Mech. Engginering Design, McGrawHill, USA. 2011 Wiratma Puja, Diktat Kuliah Elemen Mesin I, Penerbit ITB
Tabel 11-3
| f i l a
y b b o r | n a y f o s
2 8 , 0 2
| f i l a
y b b o r | n a y f o s 218,44
SKALA : 1:1 SATUAN : MM TANGGAL : 01-05-14
I T B
DIGAMBAR : MUH. ALIF AHSANUL ISLAM NIM/PRODI : 13112033/MESIN DILIHAT :
SHAFT
-
A4
A
y b b o r | n a y f o s A-A ( 1 : 1 )
2 6
1 3
1 R
3 4
A
| f i l a
5 2
7 3
R 1
7 1
SKALA : 1:1 SATUAN : MM TANGGAL : 01-05-14
I T B
DIGAMBAR : SOFYAN FAJAR HIDAYAT NIM/PRODI : 13112107/MESIN DILIHAT :
DEEP GROOVE BALL BEARING
-
A4
A
y b b o r | n a y f o s A-A ( 1 : 1 )
, 0 7 0 4
R1,00
0 0 , 1 4
A
| f i l a
0 0 1 , R
0 0 , 0 2
0 0 , 5 2
11,00
0 0 , 4 1
SKALA : 1:1 SATUAN : MM TANGGAL : 01-05-14
I T B
DIGAMBAR : SOFYAN FAJAR HIDAYAT NIM/PRODI : 13112107/MESIN DILIHAT :
DEEP GROOVE BALL BEARING
-
A4
