analisis, simulasi dan percobaan getaran pada mesin...
TRANSCRIPT
1
2
Analisis, Simulasi dan Percobaan Getaran
pada Mesin Pengering Ramah Lingkungan
Analysis, Simulation and Experimental of Vibration
on Green Dryer Machine
La Ode Mohammad Firman, Program Studi Magister Teknik Mesin, Fakultas
Teknik, Universitas Pancasila, Jakarta Selatan,
E-mail: [email protected]
Abstract
The observation was found that dryer machines for various agricultural
commodities were ineffective. The using of vibration system for moving agricultural
commodities such as cashew nuts were on the shelf could not be moved optimally.
Beside that most of the surface of cashew nuts were on the shelf could not get hot air
flow, so that on a specific moment cashew nuts must be taken out from the drying
chamber to be manually moved. The previous study by using an unbalance mass and a
piston engine explained that the spring load on dryer machine was too large, so that
the spring used as pedestal of shelves would be broken fastly. Futhermore the
previous study only did research on ratio of angular speed and natural frequency, r <
1. To solve the problems of the dryer machines and to develope the results of previous
study, then it needs to do the study about: analysis, simulation and experimental of
vibration. Beside that the study only uses an unbalance mass and the ratio of angular
speed and natural frequency is r > 1. General purpose of this study is to do analysis,
simulation and experimental of vibration on green dryer machine by using unbalance
mass. The study uses observation, literature study, analysis, simulation and
experimental methods and cashew nuts as the commodity tested on the each shelf. The
experimental results explained that the spring would not quickly broken and the
vibration optimally was found on condition of the vibration approached resonance,
namely: r = 1.004 to 1.31.
Keywords: Vibration, analysis, simulation, experimental.
3
Abstrak
Pengamatan diperoleh bahwa terdapat banyak mesin pengering komoditi
pertanian yang tidak efektif dan penggunaan sistim getaran untuk menggerakkan
komoditi pertanian seperti kacang mete yang berada di atas rak tidak bergerak secara
optimal. Selain itu sebagian besar permukaan kacang mete yang berada di atas rak
tidak mendapat aliran udara panas sehingga pada saat tertentu kacang mete harus
dikeluarkan dari ruang pengering untuk digerakkan secara maual. Penelitian
sebelumnya yang menggunakan sebuah unbalance mass dan sebuah mesin torak
menjelaskan bahwa beban pegas terlalu besar sehingga pegas yang digunakan sebagai
tumpuan rak akan cepat rusak. Selanjutnya penelitian sebelumnya hanya melakukan
penelitian pada rasio kecepatan sudut putar dengan kecepatan sudut alamiah, r < 1.
Untuk menyelesaikan permasalahan pada mesin pengering tersebut dan
mengembangkan hasil-hasil penelitian sebelumnya maka perlu dilakukan penelitian
lanjut tentang: analisis, simulasi dan percobaan getaran. Disamping itu, penelitian ini
hanya menggunakan unbalance mass dan rasio kecepatan sudut putar dengan
kecepatan sudut alamiah adalah r > 1. Secara umum tujuan penelitian ini adalah:
Melakukan analisis, simulasi dan percobaan getaran pada mesin pengering ramah
lingkungan dengan menggunakan unbalance mass. Metode yang digunakan pada
penelitian ini adalah: pengamatan, studi literatur, analisis, simulasi dan percobaan
serta kacang mete merupakan komoditi yang diuji yang berada di atas rak pengering.
Hasil percobaan menjelaskan bahwa pegas tidak cepat rusak dan getaran optimal
diperoleh pada saat kondisi getaran mendekati resonansi yakni: r = 1.004 sampai 1.31.
Kata kunci: Getaran, Analisis, simulasi, percobaan.
Pendahuluan
Latar Belakang
Pengeringan biasanya menggunakan mesin pengering untuk mengeringkan
kacang mete yang berada di atas rak. Pengamatan yang telah dilakukan menunjukkan
bahwa pengeringan tersebut tidak efektif, kapasitas ruang pengering relatif kecil dan
kacang mete yang berada di atas rak tidak bergerak secara optimal. Pada pengamatan
tersebut ditemukan pula bahwa terdapat mesin pengering yang menggunakan kincir
angin serta ada pula yang menggunakan an unbalance mass (massa tak seimbang)
dan mesin torak sebagai penggetar rak. Hal ini menyebabkan adanya ketergantungan
4
pada kecepatan angin serta beban pegas terlalu besar sehingga pegas yang digunakan
sebagai tumpuan rak akan cepat rusak. Selain itu sebagian permukaan kacang mete
yang berada di atas rak tidak mendapat aliran udara panas sehingga pada saat tertentu
kacang mete harus dikeluarkan dari mesin pengering untuk digerakkan secara manual.
Itulah sebabnya waktu yang dibutuhkan saat mengeringkan kacang mete pada mesin
pengering akan bertambah dan menimbulkan kehilangan panas akibat pintu mesin
pengering sering dibuka. Selanjutnya penelitian sebelumnya hanya melakukan
penelitian pada rasio kecepatan sudut putar dengan kecepatan sudut alamiah, r < 1
sehingga perlu dilakukan penelitian lanjut pada r > 1.
Perumusan dan Pemecahan Masalah
Beberapa perumusan masalah yang digunakan pada penelitian ini yaitu:
Berapa besarnya getaran agar diperoleh getaran rak yang optimal yakni getaran pada
rak yang dapat menyebabkan aliran udara panas pada kacang mete yang sedang
dikeringkan terdistribusi dengan baik. Bagaimana bentuk bangunan mesin pengering
yang memiliki kapasitas ruang pengering yang relatif lebih besar. Bagaimana
penempatan peralatan maupun bagian-bagian mesin pengering agar komoditi kacang
mete tidak perlu diaduk secara manual dan pintu mesin pengering tidak perlu dibuka
selama proses pengeringan berlangsung. Bagaimana melakukan analisis, simulasi dan
percobaan pada r > 1.
Pemecahan masalah yang perlu dikembangkan pada penelitian ini adalah
penerapan sistim getaran pada rak unit pengering dengan menggunakan unbalance
mass dan tidak menggunakan mesin torak. Selanjutnya dilakukan analisis, simulasi
dan percobaan getaran pada r > 1 hingga diperoleh getaran yang optimal.
Status Ilmiah
Penelitian sistim getaran yang pernah dilakukan antara lain:
1. Penelitian amplitudo getaran pada rak bergetar telah dilakukan oleh Brod et al.
(2004). Analisis menggunakan frekwensi getaran, f = 60 Hz, kecepatan sudut
putar, ω = 377 rad/s, percepatan gravitasi, g = 9.81 m/s. Penelitian tersebut
menghasilkan amplitudo getaran sebesar, X = (0.15 hingga 1.55) 10-3
m.
2. Pengering dengan menggunakan rak getar telah dilakukan oleh Eko Arif
Rahman et al. (2007). Pengering tersebut menggunakan kincir savonius dan 2
unit rak pengering yang akan digetarkan. Penelitian yang telah dilakukan
5
menjelaskan bahwa kecepatan angin untuk memutar kincir savonius adalah
1.14 m/s hingga 1.72 m/s.
3. Unjuk kerja pengeringan dengan menggunakan getaran yang dibantu oleh
pengering infra merah telah dilakukan oleh Das et al. (2009). Penelitian
tersebut diperoleh bahwa pengeringan padi yang berkelembaban tinggi dengan
menggunakan tingkat intensitas radiasi pada 3100 W/m2 dan 4290 W/m
2
menunjukkan penurunan kadar air hingga 40% selama 33 menit dan 29 menit.
Amplitudo optimum diperoleh sebesar, X = 8 mm hingga 9 mm.
4. Penelitian yang berhubungan dengan resonanasi pada getaran telah dilakukan
oleh Djatmiko (2010). Pada penelitian tersebut dijelaskan bahwa Peningkatan
nilai konstanta pegas dapat menyebabkan menurunnya nilai resonansi.
5. Penelitian getaran pada rak kacang mete dengan menggunakan mesin torak
dan unbalance mass telah dilakukan oleh LM Firman et al (2011). Hasil
penelitian menunjukkan bahwa besarnya putaran poros motor listrik
mempengaruhi besarnya getaran. Putaran motor listrk yang dapat
menghasilkan getaran XM/me terbesar terjadi pada n = 334.59 rpm. Hal ini
disebabkan oleh putaran tersebut terjadi resonansi yaitu: r = 1.
6. Sorimuda Harahap et al (2015) melakukan analisis getaran pada rak unit
pengering kacang mete dengan menggunakan unbalance mass. Penelitian yang
telah dilakukan hanya pada kecepatan sudut putar lebih kecil dari kecepatan
sudut alamiah atau r < 1. Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan
dijelaskan bahwa getaran optimal diperoleh pada r = 0.97 hingga 0.99 atau
kecepatan sudut putar mendekati kecepatan sudut alamiah.
Tujuan Penelitian dan Hasil Penelitian yang diharapkan
Tujuan penelitian ini adalah:
1. Melakukan analisis, simulasi dan percobaan getaran pada mesin pengering
yang memiliki kapasitas ruang pengering yang relatif lebih besar yakni 3 unit
pengering dengan beban pegas tiap unit pengering bervariasi yakni: M = 40
kg, M = 30 kg dan M = 20 kg.
2. Melakukan percobaan getaran pada rak unit pengering dengan menggunakan
unbalance mass dan kecepatan sudut putar lebih besar dari kecepatan sudut
alamiah atau r > 1 hingga diperoleh getaran yang optimal.
6
Hasil penelitian yang diharapkan adalah: mesin pengering yang memiliki
kapasitas ruang pengering yang relatif lebih besar dengan menggunakan 3 unit
pengering dan dapat diterapkan pada beban pegas maksimum 120 kg. selain itu
pemanfaatan unbalance mass diharapkan dapat menyebabkan getaran yang optimal
sehingga seluruh permukaan kacang mete memperoleh aliran udara panas.
Alat dan Bahan serta Metode
Alat dan bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah:
1. Satu buah ruang pengering
2. Tiga buah unit pengering
3. Pegas, Alat penukar kalor dan Blower
4. Rak, Kacang mete dan Tachometer
5. Motor listrik, poros, kopling dan unbalance mass
6. Timbangan, Mistar dan Komputer.
Metode yang digunakan pada penelitian ini adalah:
1. Pengamatan pada beberapa mesin pengering komoditi kacang mete
2. Studi literatur sesuai dengan bidang penelitian
3. Analisis, simulasi dan percobaan getaran.
Saat melakukan percobaan dipastikan bahwa alat dan bahan telah diletakkan
sesuai dengan tempatnya masing-masing. Motor listrik dioperasikan dan unbalance
mass turut berputar. Putaran unbalance mass harus mampu menggetarkan rak unit
pengering secara optimal serta pintu mesin pengering dipastikan tidak dibuka selama
proses pengeringan berlangsung. Selanjutnya dilakukan pengukuran guna
memperoleh data-data percobaan yaitu:
1. Jumlah kacang mete yang berada di atas rak unit pengering.
2. Jumlah pegas yang digunakan.
3. Beban pegas
4. Berat dari unbalance mass
5. Daya dan putaran motor listrik.
6. Perubahan ketinggian posisi pegas.
Data-data yang diperoleh selama percobaan pada mesin pengering, selanjutnya
dianalisis serta disimulasi melalui komputer.
7
Hasil dan Pembahasan
Mesin Pengering Ramah Lingkungan
Peralatan dan dimensi yang digunakan pada mesin pengering ini disesuaikan
dengan jumlah kacang mete serta besarnya beban yang diterima oleh pegas. Peralatan
motor listrik dan unbalance mass diletakkan di bawah rak unit pengering. Dinding
ruang pengering terbuat dari material stainless steel dengan ketebalan 0.001 m dan
dimensi ruang pengering yakni panjang 4 m, lebar 1.2 m dan tinggi sebesar 1.2 m.
Untuk menghasilkan mesin pengering yang ramah lingkungan maka mesin pengering
ini menggunakan sumber energi panas yang diperoleh dari bahan bakar Liquefied
Petroleum Gas (LPG) yang diletakkan di bawah alat penukar kalor serta carbon fiber
sebagai penyerap panas energi surya yang diletakkan dalam ruang pengering. Mesin
pengering ini memiliki 24 buah rak, 1 buah blower, 3 buah motor listrik, 3 buah
unbalance mass, 12 buah pegas serta 3 buah unit pengering yang diletakkan dalam
ruang pengering. Tiap unit pengering memiliki 8 buah rak, 1 buah motor listrik, 1
buah unbalance mass, dan 4 buah pegas. Beban pegas keseluruhan dapat mencapai
120 kg, sedangkan beban pegas tiap unit pengering pada percobaan ini bervariasi
yaitu: 40 kg, 30 kg dan 20 kg. Dimensi panjang, lebar dan tinggi tiap unit pengering
adalah masing-masing 1 m. Pada saat pengeringan, kacang mete diletakkan di atas rak
unit pengering dan udara dari lingkungan dialirkan ke dalam ruang pengering melalui
alat penukar kalor. Mesin pengering ramah lingkungan dengan kapasitas ruang
pengering relatif lebih besar ditampilkan sebagaimana Gambar 1. Sedangkan kacang
mete yang diletakkan di atas rak unit pengering ditampilkan pada Gambar 2.
T : Temperature
M: Electrical Motor
H : Humadity
CF: Carbon Fiber
Gambar 1 Mesin pengering ramah lingkungan yang memiliki 3 unit pengering
dengan menggunakan unbalance mass
8
Gambar 2 Kacang mete di atas rak unit pengering
Getaran pada Rak Unit Pengering
Suatu elemen massa M dengan tumpuan pegas memiliki konstanta pegas
sebesar k dan diperoleh persamaan sebagaimana berikut [William TT., 1986]:
.M
kn (1)
Sistim getaran pada unit pengering menggunakan putaran unbalance mass dengan
gerakan ke arah vertikal ditampilkan pada Gambar 3.
Gambar 3 Sistem getaran pada rak unit pengering
Sistem getaran di atas dijelaskan bahwa M adalah beban pegas, m adalah unbalance
mass, n adalah putaran motor listrik, k adalah konstanta pegas dan e adalah jarak
poros ke unbalance mass. Motor listrik beroperasi dengan kecepatan sudut putar
sebesar ω serta kecepatan sudut alamiah sebesar ωn dan r merupakan rasio antara
kecepatan sudut putar dan kecepatan sudut alamiah. Konstanta pegas, daya motor
listrik dan jarak unbalance mass ke poros motor listrik yang digunakan adalah
9
konstan yaitu: k = 49050 N/m, P = 0.5 HP dan e = 0.1 m. Masing-masing parameter
didefinisikan sebagaimana persamaan berikut [William TT., 1986]:
).2(n
r
).3(60
2 n
)4(2
k
emY
)5(2 Y
X
k
em
X
22
2
)(
Mk
meX
(6)
22
2
)1(/ r
r
Mem
X
(7)
Pada saat motor listrik dioperasikan maka unbalance mass akan berputar dan
menimbulkan getaran pada rak unit pengering. Penggunaan unbalance mass yang
diletakkan di bawah rak unit pengering berfungsi untuk menghasilkan getaran
sehingga kacang mete bergerak dan seluruh permukaan kacang mete yang berada di
atas rak unit pengering bisa memperoleh udara panas. Unbalance mass yang
diletakkan di bawah unit pengering tersebut ditampilkan pada Gambar 4.
Gambar 4 Letak unbalance mass
10
Getaran optimal yang diperoleh dari percobaan terjadi pada saat kondisi getaran
mendekati resonansi yaitu: n = 438 rpm, X = 0.00288 m, dan r = 1.31. Jumlah kacang
mete yang sedang dikeringkan sebanyak 26.3 kg, M = 40 kg dan m = 0.48 kg.
Besarnya amplitudo getaran yang diperoleh pada penelitian ini hampir sama dengan
penelitian yang telah dilakukan oleh Brod et al. (2004) yakni X = 0.00015 m hingga
0.00155 m. Namun sebaliknya hasil penelitian ini berbeda dengan penelitian yang
telah dilakukan oleh Das at al. (2009) yakni pengeringan padi yang juga
menggunakan getaran, dimana amplitudo optimum diperoleh, X = 0.008 m hingga
0.009 m. perbedaan ini disebabkan oleh dimensi biji padi yang relatif lebih kecil
dibanding dengan dimensi biji kacang mete sehingga amplitudo optimum yang
dibutuhkan pada pengeringan padi relatif lebih besar dibanding amplitudo optimum
untuk pengeringan kacang mete. Hasil analisis, simulasi dan percobaan getaran pada
saat M = 40 kg dan m = 0.48 kg ditunjukkan pada Tabel 1.
Tabel 1 Hasil analisis, simulasi dan percobaan getaran
pada saat M = 40 kg dan m = 0.48 kg
n
(rpm)
ω
det-1
ω2
(det-1
)2
X
(m)
ωn
(det-1
)
r MX/me
(-)
X/Y
-
334.59 35.02 1,226.4 9.81 35.02 1 8,175 ≈
438 45.84 2,101.3 0.00288 35.02 1.31 2.40 1.4
950 99.43 9,886.32 0.00137 35.02 2.84 1.14 0.141
1,050 109.9 12,078.01 0.0007 35.02 3.14 0.58 0.059
Hasil penelitian sebagaimana yang ada pada Tabel 1 menunjukkan hasil yang
sama dengan penelitian yang telah dilakukan oleh LM Firman et al. (2011) yakni
XM/me terbesar terjadi pada keadaan resonansi yaitu r = 1. Keadaan resonansi
berhubungan dengan besarnya getaran sebagaimana penelitian yang telah dilakukan
oleh Djatmiko (2010).
Mesin pengering pada penelitian ini hanya menggunakan unbalance mass
tanpa mesin torak sehingga beban pegas lebih kecil dan hal ini menyebabkan pegas
tidak cepat rusak. Hasil yang diperoleh dari analisis, simulasi dan percobaan getaran
dengan beban pegas bervariasi ditampilkan pada Gambar 5, Gambar 6 dan Gambar 7.
11
0
1
2
3
4
5
6
7
0 500 1000 1500 2000 2500
Putaran motor listrik (rpm)
Nil
ai X
M /
m e
Gambar 5 Perubahan MX/me terhadap n
dengan beban pegas, M = 40 (kg)
Gambar 5 menunjukkan hasil analisis, simulasi dan percobaan getaran pada
beban rak, M = 40 kg. Jumlah kacang mete yang sedang dikeringkan pada tiap unit
pengering sebanyak 26.3 kg. Hasil percobaan menunjukkan bahwa kondisi getaran
yang mendekati resonansi terjadi pada n = 438 rpm, m = 0.48 kg serta nilai XM/me =
2.4. Hasil percobaan berikutnya menunjukkan bahwa kondisi getaran yang mendekati
resonansi terjadi pada n = 413 rpm, m = 0.26 kg serta nilai MX/me = 5.38.
0
1
2
3
4
5
6
0 200 400 600 800 1000 1200
Putaran motor listrik (rpm)
Nil
ai X
M /
m e
Gambar 6 Perubahan MX/me terhadap n
dengan beban pegas, M = 20 (kg)
Gambar 6 menunjukkan hasil analisis, simulasi dan percobaan getaran pada
beban rak, M = 20 kg. Jumlah kacang mete yang sedang dikeringkan pada tiap unit
pengering sebanyak 6.3 kg. Hasil percobaan menunjukkan bahwa kondisi getaran
yang mendekati resonansi terjadi pada r = 1.004, n = 475 rpm, m = 0.2 kg serta nilai
XM/me = 5. Hasil percobaan berikutnya menunjukkan bahwa kondisi getaran yang
mendekati resonansi terjadi pada n = 395 rpm, m = 0.25 kg serta nilai MX/me = 4.
12
0
1
2
3
4
5
6
0 0,5 1 1,5 2
r
X/Y
Gambar 7 Perubahan r terhadap X/Y
dengan beban pegas, M = 30 kg
Gambar 7 menunjukkan hasil analisis, simulasi dan percobaan getaran pada
beban rak, M = 30 kg. Jumlah kacang mete yang sedang dikeringkan pada tiap unit
pengering sebanyak 16.3 kg. Hasil percobaan menunjukkan bahwa kondisi getaran
yang mendekati resonansi terjadi pada r = 1.08 dan X/Y = 4.6. Hasil percobaan
berikutnya menunjukkan bahwa kondisi getaran yang mendekati resonansi terjadi
pada r = 1.16 dan X/Y = 4.5. Hasil penelitian ini menunjukkan hasil yang sama dengan
hasil penelitian yang dilakukan oleh Sorimuda Harahap et al. (2015) yakni unit rak
pengering dapat bergerak secara optimal pada saat getaran mendekati keadaan
resonansi. Namun demikian penelitian yang telah dilakukan oleh Sorimuda Harahap
et al. (2015) tersebut menggunakan r < 1 sedangkan pada penelitian ini menggunakan
r > 1.
Simpulan
Hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa:
1. Mesin pengering ramah lingkungan ini menggunakan kapasitas ruang
pengering yang relatif lebih besar yakni 3 unit pengering dan 24 buah rak
yang ditempatkan dalam ruang pengering serta hanya menggunakan
unbalance mass.
13
2. Getaran yang optimal pada kecepatan sudut putar lebih besar dari kecepatan
sudut alamiah atau r > 1 dapat terjadi saat kondisi getaran mendekati resonansi
yakni:
- M = 40 kg, r = 1.31, n = 438 rpm, m = 0.48 kg, XM/me = 2.4.
- M = 20 kg, r = 1.004, n = 475 rpm, m = 0.2 kg, XM/me = 5.
- M = 30 kg, r = 1.08, X/Y = 4.6.
Ucapan Terima Kasih
Penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada rekan-rekan peneliti serta
ketua program studi Magister Teknik Mesin, Universitas Pancasila, Jakarta yang telah
membantu kelancaran dalam penyelesaian peneltian ini. Penulis mengucapkan banyak
terima kasih pula kepada pihak Redaksi Jurnal Keteknikan Pertanian (JTEP), IPB,
Bogor yang bersedia menerima hasil-hasil penelitian yang layak untuk dipublikasikan
melalui jurnal terakreditasi yakni Jurnal Keteknikan Pertanian (JTEP), IPB, Bogor.
Jakarta, September 2016
Penulis,
La Ode Mohammad Firman
Daftar Pustaka
1. Djatmiko. 2010. Perancangan Sistem Peredam Getaran Pada Muatan Roket
RX 320 Lapan. Jurnal Teknologi Dirgantara, Vol. 8 Nomor 1: 70 -75.
2. Eko Arif Rahman, Dyah Wulandani, Kamaruddin Abdullah. (2007).
Pengeringan Ikan Teri Jengki dengan menggunakan Energi Surya Hybrida
ERK, Biomassa, dan Angin. Creata, LPPM-IPB. Teknologi Berbasis Sumber
Energi Terbarukan Untuk Pertanian: 267 - 265
3. F.P.R. Brod, K.J. Park. 2004. Image Analysis to Obtain the Vibration
Amplitude and the Residence Time Distribution of a Vibro-Fluidized Dryer.
Journal of Food and Bioproducts Processing, Volume 82, issue 2: 157 – 163.
14
4. Ipsita Das, SK Das, Satish Bal. 2009. Drying Kinetics Of High Moisture
Paddy Undergoing Vibration-Assisted Infrared (IR) Drying. Journal Of Food
Engineering, Volume 95, Issue 1: 166-171.
5. LM Firman, Kamaruddin Abdullah, Leopold O. Nelwan, Dyah Wulandani.
2011. Simulasi Getaran pada Rak Pengering Kacang Mete. Jurnal Teknologi,
Vol. 1 Nomor 2:179-192.
6. Sorimuda Harahap, LM Firman. 2015. Green Drying Chamber by using
Vibration Component, Heat Exchanger and Micro Hydro in Buton Island,
Indonesia. Proceedings of Joint International Conference 2015: Solutions for
Sustainable Water and Enviromental Management, Kuala Lumpur, Malaysia,
19 – 21 August 2015: Pijic2015_9: 89 - 94.
7. William TT. 1986. Teori Getaran Dan Penerapannya. Edisi ke -2. Erlangga,
Jakarta.