BAB III METODE PENELITIAN
A. Konsep Rancangan Rancangan dari mesin pengupas biji kulit kopi ini dilakukan dengan mempertimbangkanp beberapa metode seperti berikut : 1. Pemilihan pisau pengupas kulit biji kopi Pemilihan pisau pengupas kulit biji kopi yang terbaik adalah dilakukan dengan cara weighted rating method, yaitu : a. Membuat daftar penilaian kriteria fungsi dari alat b. Menentukan bobot dari kriteria tersebut c. Membuat daftar alternatife mesin d. Menghitung bobot rata-rata dari setiap kriteria yang ada e. Menghitung rara-rata rating/nilai untuk memproduksi seluruh nilai.
2. Ergonomi Pembuatan/perancangan mesin pengupas kulit biji kopi basah harus disesuaikan dengan tinggi dan jangkauan rata-rata orang Indonesia. Pengukuran dilakukan dengan cara mengukur beberapa orang dengan kriteria pengukuran yang telah ditentukan. Tujuannya adalah dengan ukuran
29
antropometri tersebut, maka akan mendapatkan ukuran dari mesin yang akan dibuat. Dari desain alat dengan ukuran demikian, maka akan tercipta suatu kombinasi yang paling serasi antara sistem peralatan kerja dengan manusia sebagai tenaga kerja agar pada saat pekerjaan berlangsung, pekerja tersebut merasa aman dan nyaman, meningkatkan performansi kerja serta meminimasi potensi kecelakaan kerja (Mustafa, 1992). Dibawah ini adalah ukuran antropometri rata-rata orang Indonesia:
Tabel 2. Definisi ukuran antropometri rata-rata orang Indonesia No
Ukuran antropometri
Definisi
1
Ketinggian berdiri
Jarak dari ujung kepala sampai bagian kaki posisi tegak
2
Ketinggian bahu
Jarak dari bagian tertinggi bahu sampai telapak kaki pada posisi tegak
3
Ketinggian siku
Jarak dari siku ke telapak kaki
4
Lebar bahu
Jarak dari bagian terluar lengan kiri dan kanan
5
Panjang pangkal lengan
6
Panjang
7
lengan
Jarak dari ketiak sampai siku
bagian Jarak dari siku sampai ujung jari
bawah
tengah
Tinggi jangkauan ke atas
Jarak dari pegangan tangan pada posisi tegak sampai telapak kaki
8
9
Panjang lengan (jangkauan Jarak dari dada tegak sampai ujung horizontal ke depan)
jari tengah
Panjang telapak tangan
Jarak dari ujung jari tengah sampai pergelangan tangan
30
10
Lebar telapak tangan
Jari terpinggir dari jari kelingking ke jempol
3. Mekanisme pengupasan Poros silinder pengupas biji kopi basah ini adalah memakai bahan karet dengan pisau pengupas terbuat dari plat berbahan baja yang disusun. Alasan pemakaian rol karet tersebut adalah untuk mendapatkan hasil dari biji kopi yang tidak pecah. Sudut yang akan dipakai adalalah 300,450 dan 600.
Gambar 11. Mekanisme pengupasan
Mekanisme pengupasan kulit adalah pada saat rol berputar dan biji kopi terhimpit diantara silinder karet dan mata pisau. Arah sudut mata pisau tersebut berlawanan arah dengan sudut silinder karet itu sendiri.
B. Rancangan Pisau Dalam perancangan mesin pengupas kulit biji kopi basah ini, terdapat beberapa aspek yang harus yang harus dipertimbangkan, yaitu sebagai berikut : 1. Pemilihan material komponen poros
31
Pada penelitian ini material yang digunakan pada poros silinder pengupas adalah baja karbon aisi 1045. Hal ini dilakukan karena poros tersebut adalah kompoenen yang paling dominan dalam perancangan mesin. Sifat mekanik dari baja karbon aisi 1045 sangat atraktif untuk berbagai aplikasi industri otomotif maupun bidang lain yang membutuhkan komponen dengan tingkat ketahanan aus yang tinggi. Adapun komposisi kimia dan sifat mekanik dari baja karbon aisi 1045 dapat dilihat pada tabel 3 dan 4 seperti dibawah ini:
Tabel 3. Komposisi kimia dari baja karbon aisi 1045 C (%)
Mn (%)
P(%)
S(%)
Fe(%)
0.42-0.50
0.60-0.90
<=0.040
<=0.050
98.51-98.99
Sumber : www.matweb.com
Tabel 4. Sifat-sifat mekanik dari baja karbon aisi 1045
Sifat Mekanis
Baja Karbon AISI 1045 (T
Tegangan luluh (
)
505 Mpa
Tegangan batas (
)
250.
C)
psi, 1725 Mpa
Kekuatan tarik
585 Mpa
Kekerasan
179 HB
Modulus elastisitas (E)
205 Gpa
Kerapatan massa ( )
7.85 g/
Panas spesifik
0.116 BTU/lb
F,0.486 J/g
C
Konduktifitas panas (K)
346 BTU/hr ft
F,49.8 W/m
k
Sumber : www.matweb.com
32
2. Pemilihan penggerak mesin Untuk mendapatkan daya motor pada sebuah perancangan, maka harus diketahui torsi yang bekerja. Torsi dapat dihitung dengan cara mencari gaya yang bekerja, jari-jari silinder, massa dan gaya gravitasi. Hal pertama yang lebih penting dicari adalah massa dari benda yang akan digerakkan. Berikut adalah rumus-rumus yang akan dipakai untuk mendapatkan daya motor. a. Massa .................................................................................... (1) Dimana,
3
ρ = densitas (kg/m ) m = massa (kg) v = volume (m3)\
b. Selanjutnya mencari gaya normal : N = W = m.g ........................................................................ (2) Dimana : N = gaya normal (newton) m = massa beban (gr) g = gaya gravitasi (m/s2) c. Untuk F/fs itu sendiri dapat dihitung : F/fS =
..................................................................... (3)
Dimana : fs = gaya gesek statis = koefisien gesek statis N = gaya normal = faktor koreksi
33
d. Untuk torsi dapat di hitung dengan rumus : T = F x r .............................................................................. (4) Dimana : T = torsi pada silinder pengupas (Nm) F = gaya yang bekerja pada keliling silinder pengupas (N) r = jari-jari silinder pengupas (mm)
e. Daya motor dapat dihitung dengan rumus : P
................................................................................. (5)
Dimana : P = daya motor (watt) N = putaran silinder (rpm) T = torsi (Nm)
3. Perhitungan dimensi dan kekuatan poros serta pengujian kekuatan poros. Dalam pengupasan kulit biji kopi, daya yang dibutuhkan untuk mengupas tentulah sangat penting dengan beberapa variabel yang mempengaruhinya. Dengan asumsi rpm silinder yang diberikan, maka dapat dihitung rpm dari girbox/gigi reduksi dan motor yang akan dipakai. Silinder karet ini sendiri memakai karet alam (natural rubber, NR) sebagai bahan baku pembuatannya. Poros berperan meneruskan daya bersama-sama dengan putaran. Umumnya poros meneruskan daya melalui sabuk, roda gigi dan rantai sehingga poros menerima beban puntir dan lentur. Dibawah ini adalah rumus untuk mendapakan diameter poros yang akan digunakan (Sularso. 1997).
34
a. Daya rencana
Pd fc.P ....................................................................... (6) Dengan :
Pd = daya rencana (watt)
fc = faktor koreksi P = daya nominal output dari motor penggerak (watt)
b. Momen rencana
Pd T = 9,74.10 5 n ................................................................ (7) 1 Dimana : T = momen rencana (kg.mm) n 1 = putaran motor penggerak (rpm)
c. Tegangan lentur yang diizinkan :
Dimana :
a
B
B /( Sf1 Sf 2 )
.................................................. (8)
= kekuatan tarik dari bahan poros(kg/mm2)
Sf1
=
faktor keamanan bahan S-C adalah 6
Sf2
=
faktor kemanan dengan baja beban 2
d. Diameter poros untuk beban puntir dan lentur : 5,1 ds a
(k m .M ) ( Kt.T ) 2
Dimana : d s = diameter poros (mm)
2
1/ 3
........................... (9)
35
= tegangan lentur yang diizinkan (kg/mm 3 ) k m = faktor koreksi lenturan k t = faktor koreksi puntiran M (momen lentur) =
x lebar bearing
e. Pemeriksaan sudut puntir = 548
........................................................................ (10)
Dimana : Defleksi puntiran, maksimum 0,250 T = momen Puntir (kg.mm) L = panjang poros (mm ) G = modulus geser, (untuk baja G = 8,3 . 103 kg/mm2) ds = diameter Poros (mm)
f. Perhitungan defleksi maksimum y = 3,23 x 10-4 F.L12.L22 / ds4.L ........................................ (11) Dimana : F = massa (kg) ds = diameter poros (mm) L = panjang poros/jarak antara bantalan penumpu (mm) L1 & L2 = jarak ke titik beban (mm)
g. Cara pengujian dengan solidwork simulation Adapun cara pengujian dengan simulation adalah sebagai berikut ini :
36
1. Desain gambar model komponen poros penggerak Desain gambar model dengan cara pembuatan part poros, part silinder pengupas dan piringan kemudian dilakukan assembly. Fungsi assembly itu sendiri yaitu perakitan/penyatu antara 1 part dengan part lainnya.
2. Pembebanan Model dimasukkan kedalam solidwork simulation dengan memberikan nilai gaya sebesar 202,05 N dari persamaan 3 pada silinder karet dan poros dengan arah gaya vertikal/kebawah kemudian memberikan nilai torsi sebesar 22,731 Nm dari persamaan 4 pada poros tersebut, kemudian pada titik pembebanan pada poros penggerak ditumpu oleh 2 buah bantalan pada ujung poros tersebut dengan panjang antar bantalan 490 mm dengan beban merata. Selanjutunya material poros menggunakan baja aisi 1045 untuk poros dan material silinder karet yaitu rubber.
3. Mesh dan run Fungsi dari mesh adalah untuk membuat objek menjadi tersusun dari poligon segitiga, jadi dari tiap sudutnya diliterasi guna mendapatkan nilai tertentu. Sedangkan fungsi run itu sendiri adalah untuk menjalankan program yang telah di mesh sehingga diperoleh nilai dari hasil simulasi yang dilakukan. Hasil dari mesh dan run pada pengujian diatas dapat dilihat pada gambar berikut ini :
37
Gambar 12. Pengujian solidwork simulation
C. Pemilihan Elemen Mesin Ada beberapa kriteria dalam pemilihan elemen mesin pada rancang bangun mesin pengupas kulit biji kopi, yaitu seperti berikut ini : a. Analisis sproket dan pulley pada gigi reduksi Dibawah ini menurut ( Sularso, 1997) rumus untuk menghitung rpm yang terjadi pada output gigi reduksi setelah dihubungkan dengan poros silinder karet melalui sproket yang dihubungkan oleh rantai. = Dimana :
.................................................................................. (12)
n1 = putaran pulley pertama (rpm pulley silinder penggerak) n 2 = putaran pulley kedua (rpm gigi reduksi)
z1 = jumlah gigi sproket penggerak / gigi silinder (mata gigi)
z 2 = jumlah gigi sproket digerakkan / gigi reduksi (mata gigi)
38
Pulley pada putaran input gigi reduksi dapat dihitung dengan rumus berikut ini, yaitu : = Dimana :
................................................................................. (13)
n1 = putaran pulley pertama (rpm gigi reduksi)
n 2 = putaran pulley kedua (rpm motor) d 1 = diameter pulley penggerak / pulley gigi reduksi (mm) d 2 = diameter pulley yang digerakkan / pulley motor (mm)
b. Sabuk V-Belt Dalam pemilihan sabuk, kecepatan sabuk, perbandingan transmisi dan panjang sabuk dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut : 1. Kecepatan sabuk v=
Dimana :
............................................................... (14)
v = kecepatan sabuk (m/s) d = diameter pulley motor (mm) n = putaran motor listrik (rpm)
2. Panjang sabuk L = 2.C +
Dengan :
1 (dp + Dp) + (Dp - dp) 2 .................... (15) 2 4.C
L = panjang sabuk (mm)
39
C = jarak sumbu poros (mm) dp = diameter pulley penggerak (mm) Dp = diameter pulley yang digerakkan (mm)
c. Bearing / bantalan Bantalan yang digunakan dalam perancangan ini adalah bantalan gelinding jenis nodular graphite cast iron. Dibawah ini adalah rumus untuk perhitungan bantalan antara lain (Sularso, 2004) : 1. Besarnya beban radial yang bekerja : Fr = Dimana:
102.P ...................................................................... (16) v
v = kecepatan rantai P = daya yang dipakai
2. Untuk menghitung beban ekuivalen dinamis digunakan rumus : P = X.V. Fr + Fa.Y ........................................................ (17) Dimana:
Fr = beban radial (kg) Fa = beban aksial (kg) X = faktor beban radial Y = faktor beban aksial V = faktor rotasi, untuk cincin dalam berputar = 1
40
Untuk cincin luar = 1,2
3. Faktor kecepatan 1/3
,3 33 fn n
................................................................. (18)
4. Faktor umur C fh fn ....................................................................... (19) P
5. Umur bantalan Lh = 500 fh 3 ................................................................... (20) Dimana :
C
= beban nominal dinamis spesifik
P
= beban ekivalen dinamis
Lh = umur bantalan N
= putaran poros
P
= faktor kecepatan, untuk bantalan bola = 3 faktor kecepatan untuk bantalan roll = 10/3
6. Keandalan umur bantalan, jika mengambil 99 % : Ln = a1 . a2 . a3 . Lh ...................................................................................... (21) Dimana :
a1 = faktor keandalan 99% a2 = faktor bahan a3 = faktor kerja
41
d. Sproket Rantai yang akan dipakai dapat dicari dengan rumus berikut ini: 1. Panjang rantai Lp = Dimana :
+ 2Cp +
[(
)
]
2
............................. (22)
Lp
= panjang rantai, dinyatakan dalam jumlah rantai
z1
= jumlah gigi sproket kecil
z2
= jumlah gigi sproket besar
Cp = jarak sumbu poros, dinyatakan dalam jumlah mata rantai (dapat berupa bilangan pecahan) = jarak bagi rantai (mm)
2. Kecepatan rantai dapat dihitung dari: v = . z1 . n1 / 60.1000 ..................................................... (23) Dimana :
v = kecepatan rantai (m/s2) z1 = jumlah gigi sproket kecil n1 = putaran sproket kecil (rpm)
3. Beban yang bekerja pada 1 rantai F = 102 Pd / v Dimana :
.............................................................. (24)
Pd = daya rencana v = kecepatan rantai (m/s2)
42
D. Bentuk Final Desain Dari Mesin Adapun desain alat pengupas kulit biji kopi basah adalah sebagai berikut ini: Keterangan gambar: 1. Cerobong
13.Dudukan bearing
2. Pulley
14. Rantai pemutar silinder
3. Rol pemutar
15. Penyetel pisau
4. Bearing
16. Baut pengunci
pengarah kopi 5. V-belt
17. Baut pengunci
6. Pisau plat baja
18. Pulley
7. Silinder karet
19. Motor reduksi
8. Roda gigi
20.V-Belt
9. Engsel
21. Pulley
pembuka box 10. Baut pengunci 22. Elektro motor box 11. Pisau penyetel 12. Penyetel langkah pisau Gambar 13. Desain mesin
Fabrikasi rancangan : 1. Membuat drawing 2. Pemotongan part sesuai dengan gambar blue print
23. Cerobong keluar
43
3. Pembentukan silinder pengupas yang terdiri dari poros pejal, silinder karet dan piringan penyatu antara poros dan silinder. 4. Proses pembuatan box silinder yang terdiri dari : a. Box bagian bawah samping kanan dan kiri yang diberi lubang untuk poros dan penyenter baut. b. Box bagian atas samping kanan dan kiri c. Box bagian depan atas dan bawah yang diberi engsel d. Box bagian belakang bawah yang diberi lubang penyenter e. Box bagian belakang f. Penutup box 5. Pembentukan dudukan pisau dengan menggunakan bahan dari plat baja, yang terdiri dari : a. Plat baja sebagai pisau pengupas b. Plat dudukan penyetel dudukan pisau c. Kanal penyeaarah pisau 6. Pembentukan cerobong dan dudukan silinder penyeaarah biji kopi antara lain : a. Perakitan cerobong bagian samping kanan dan kiri serta depan dan belakang b. Pembentukan dudukan silinder penyeaarah bagian depan dan belakang c. Pembentukan dudukan silinder bagian samping dengan memberikan lubang untuk poros penyeearah dan lubang dudukan bearing 7. Proses pembentukan rol atas, meliputi : a. Poros
44
b. Silinder penyeaarah 8. Perakitan dudukan bagian bawah, meliputi : a. Proses perakitan kaki mesin b. Proses perakitan dudukan gigi reduksi dan elektro motor c. Pembentukan dan pengalasan cerobong bawah dengan kaki mesin agar kopi keluar dengan lancar. 9. Proses pendempulan dan pengamplasan 10. Proses pengecetan 11. Perakitan seluruh komponen mesin 12. Proses pengujian.
E. Unjuk Kerja Mesin Pengupas Unjuk kerja mesin pengupas ini dilakukan untuk mengetahui
hasil yang
diperoleh setelah mesin tersebut jadi, agar mesin menjadi siap pakai seperti pada cara-cara berikut ini : 1. Kualitas pengupasan Pengujian kualitas pengupasan dilakukan dengan prosedur sebagai berikut: a. Menjalankan mesin tanpa beban dengan putaran 1400 rpm. b. Memasukkan biji kopi dengan kapasitas 10 Kg untuk percobaan awal. c. Melakukan pengamatan dengan melihat banyaknya biji kopi yang terkupas dengan baik.
45
d. Pengujian dilakukan dengan jarak pisau 5mm, 7mm dan 9mm dengan 1 kali pengujian setiap pisau dan variasi sudut 300,450 dan 600.
2. Pengamatan a. Kapasitas mesin Kapasitas mesin pengupas adalah kemampuan mesin mengolah bahan persatuan berdasarkan pengujian yang dinyatakan dengan kg/jam.
b. Analisis ekonomi 1. Biaya Biaya operasi meliputi biaya tetap dan tidak tetap dengan asumsi investasi yang digunakan adalah kredit bank. Bunga bank Biaya tetap (BT) dihitung dengan persamaan: BT
= D + I ..................................................................... (25)
D
= (P-S)/N
I
= (IRx(P+S) / 2
Jadi, biaya perjam dihitung sebagai berikut: BTJ = BT / jumlah jam pemakaian mesin pengupasan Dimana: BTJ = biaya perjam (Rp/jam) D
= biaya penyusutan alat (Rp/th)
I
= bunga Bank (RP/th)
P
= harga beli alat (Rp)
46
S
= harga alat setelah N tahun (Rp)
N
= umur alat (tahun)
IR
= suku bunga bank tahunan (desimal)
Sedangkan biaya tidak tetap perjam: BTTJ = F + L + R ................................................................ (26) Dimana : BTTJ = biaya tidak tetap perjam (Rp/jam) F
= biaya listrik untuk menggerakkan motor (Rp/jam)
L
= biaya tenaga kerja (Rp/jam)
R
= biaya pemeliharaan dan perbaikan alat (Rp/jam)
Secara matematis, biaya total tersebut oleh Kotler dan Amstrong (2001) dirumuskan sebagai berikut : TC/BPT = FC + VC ............................................................. (27) Dimana : TC
= biaya total/total cost
BPT
= biaya produksi total/total production cost
FC
= biaya tetap/fixed cost
VC
= biaya variabel/variable cost
2. Titik impas Dalam kondisi titik impas ketiga komponen tersebut diatas akan berlaku titik impas untuk unit sebagai berikut :
47
TC
= FC + VC= FC + CX ............................................. (28)
Jika TR = PX Maka TR = TC atau PX = FC + CX
Perhitungan titik impas untuk nilai adalag sebagai berikut ini : BEP
=
Dimana : TC
= ongkos total untuk pembelian X produk
FC
= ongkos tetap
VC
= ongkos variabel untuk membuat X produk
C
= ongkos variabel untuk membuat 1 produk
TR
= total pendapatan dari penjualan X buah produk
P
= harga jual persatuan produk
X
= volume produksi
48
F. Diagram Alir Penelitian Mulai
Survey dan pengumpulan data
Mesin Pengupas 1. Pemilihan pisau pengupas 2. Ergonomic dan antropometri 3. Pemilihan komponen elemen mesin 4. Pemilihan material
Pemodelan Dengan Program Solidworks
No
Yes Desain Pengupas 1. Pemilihan penggerak mesin
2. Perhitungan dimensi dan kekuatan poros serta pengujian kekuatan poros a. Daya rencana b. Momen rencana c. Tegangan lentur yang diizinkan d. Diameter poros untuk beban puntir dan lentur e. Pemeriksaan sudut puntir f. Perhitungan defleksi maksimum 3. Pemilihan elemen mesin a. Gigi reduksi b. Sabuk V-belt c. Bearing/bantalan d. Rantai dan gigi
A
49
A
Fabrikasi Rancangan
Unjuk Kerja Mesin Pengupas 1. Pengujian kualitas pengupasan 2. Pengamatan a. kapaitas mesin b. analisis ekonomi 1. biaya – biaya 2. titik impas/break even point
Analisis Hasil 1. 2. 3. 4.
Nilai ukuran mesin pengupas Nilai hasil perhitungan desain pengupas Pengujian dengan solidwork simulation Pengamatan unjuk kerja mesin pengupas dan analisis ekonomi
Kesimpulan
Selesai Gambar 14. Diagram alir penelitian
