## Analisis terhadap desain komponen boom pada mini excavator Excava 50 menggunakan metode elemen hingga
Nanang Ali Sutisna 1 , Zairullah Azhar 1
1 Program Studi Teknik Mesin Universitas Presiden Jl Ki Hajar Dewantara, Jababeka, Cikarang Timur, Bekasi 17550 Email korespondensi: nanang.ali@president.ac.id

## Abstrak
Makalah ini menyajikan studi  pada mini excavator  Excava50. Dari sekian banyak komponen  pada sebuah excavator, komponen boom adalah komponen yang sangat vital karena mendukung seluruh beban kerja pada saat beroperasi.  Studi  ini  dilakukan  dengan  menggunakan  analisis  elemen  hingga  pada  komponen  boom  dengan memanfaatkan  data  dari  komponen  boom  eksisting,  baik  dimensi,  beban  kerja, dan  material  yang  digunakan. Selanjutnya umur kelelahan komponen boom juga dihitung untuk memperkirakan umur pakainya. Hasil simulasi dengan software CATIA V5 memperlihatkan bahwa komponen boom tersebut aman digunakan dengan perkiraan umur pakai mencapai 50 tahun.
Kata kunci : mini excavator, metoda elemen hingga, umur kelelahan.

## Abstract
This paper presents a study on the Excava50 mini excavator. Of the many components in an excavator, the boom component is a very vital component because it supports all workloads during operation. This study was conducted  using  finite  element  analysis  of  the  boom  components  by  utilizing  data  from  the  existing  boom components, both dimensions, workload, and materials used. Furthermore, the fatigue life of the boom components is also calculated to estimate their service life. Simulation results with CATIAV5 software show that the boom component is safe to use with an estimated service life of up to 50 years.
Keywords: mini excavator, finite element method, fatigue life.

## 1. Pendahuluan
Perkembangan  infrastruktur  di  Indonesia  saat  ini sedang  berkembang  pesat,  terutama  infrastruktur jalan yang menghubungkan daerah perdesaan dengan perkotaan. Namun pada kenyataannya pembangunan infrastruktur  jalan  masih  mengalami  beberapa kendala  terutama  di  pedesaan.  Mobilitas  yang  sulit
menjadi  faktor  penghambat  utama  khususnya  untuk alat berat. Kebutuhan alat berat berukuran kecil agar dapat menjangkau daerah-daerah terpencil [1]. Untuk mendukung  percepatan  pembangunan  infrastruktur jalan di pedesaan, salah satu badan usaha milik negara di  Indonesia,  yaitu  PT.  Pindad  (Persero),  memiliki inovasi  dalam  pembuatannya  membuat  excavator skala kecil bernama Excava 50.
Gambar 1. Komponen mini excavator.
Excava 50 tergolong Mini Excavator yaitu merupakan jenis alat berat yang fungsinya untuk menyelesaikan berbagai  pekerjaan  ringan  seperti  pembuangan saluran  pembuangan,  pembuangan  bahan  limbah, penimbunan tanah, dan pekerjaan ringan lainnya yang terkait dengan konstruksi. Gambar 1 memperlihatkan komponen-komponen Excava 50. Selain itu, Excava ini  juga  dapat  digunakan  untuk  berbagai  keperluan perkebunan dan kehutanan [2].
Dalam  berbagai  proyek  teknik,  desain  struktural selalu  menjadi  bagian  yang  sangat  menarik  dan kreatif.  Struktur  harus  dirancang  agar  mampu menahan  gaya  yang  diterapkan  (kendala  tegangan) dan  tidak  melampaui  deformasi  tersebut  (kendala perpindahan). Boom merupakan  komponen  utama dari main  excavator ,  lebih  berat  dan  sangat  kritis, sehingga perlu adanya perbaikan dan pengembangan [3].  Karena  Excava  50  adalah  produk  baru,  ada kebutuhan  untuk  memperbaiki  desainnya.  Oleh karena  itu,  penulis  tertarik  untuk  menyempurnakan desain  Excava  50  dengan  fokus  pada  analisa komponen boom . Hasil analisis ini digunakan sebagai struktur standar untuk komponen boom .

## 2. Metode
Tahapan  kajian  yang  dilakukan  dapat  digambarkan pada diagram alir di Gambar 2 berikut.
Gambar 2. Diagram alir kajian.

## Tinjauan terhadap Komponen Boom
Gambar  3  menunjukkan  model  desain  3D  dan tampilan  penampang boom  assy dengan  deskripsi bagian-bagian  yang  ditunjukkan  oleh  Gambar  3. Boom adalah  bagian  dari  struktur  excavator  yang menerima beban terberat saat bekerja, oleh karena itu
berupa  rusuk.  Plat  diperlukan  sebagai  penguat  pelat penutup atas dan bawah boom . Desainnya didasarkan pada proses pembuatannya, di mana plat-plat tersebut dihubungkan satu per satu sehingga menjadi struktur boom .
No Nama Part Jml. 1 Boom to arm connector stiffener 2 2 Boom side cover 6 3 Cylinder boom mounting 2 4 Boom to upper frame connector stiffener 2 5 Boom reinforcement plate to arm 1 6 Boom bottom cover 3 7 Arm cylinder mounting 2 8 Boom rib plate 4 9 Boom upper cover 3 10 Boom to upper frame connector 1 Gambar 3 . Komponen dari rakitan boom.
Material yang digunakan dalam boom ini didasarkan pada  material  yang  dipakai  di  lapangan,  yaitu SM490A dengan sifat material pada Tabel 1 berikut. Tabel 1. Sifat material SM490A.

## Kondisi Kerja
Dalam  analisis  ini,  struktur  diasumsikan  dalam keadaan  statis,  yaitu  gigi bucket menyentuh permukaan  yang  kaku  sehingga  terjadi  gaya  reaksi yang tegak lurus terhadap bucket , seperti terlihat pada Gambar 4. Bucket diposisikan sejajar dengan lengan. Tekanan  kerja  pada  lengan  silinder  sebesar  245  bar mendorong  ke  depan,  memaksa  lengan  berputar berlawanan arah jarum jam ke bidang xy.
Gambar 4. Kondisi kerja mini excavator .
Parameter Nilai Young’s Modulus 210 GPa Yield Strength 325 MPa Ultimate Tensile Strength 490 MPa Poisson Ratio 0.3 Density 7,85 g/cm 3

## Analisis  Statik  Menggunakan  Diagram  Benda Bebas
Pada  Gambar  5  terlihat  ada  satu  gaya  yang menghasilkan  tiga  reaksi.  Itu  adalah  gaya  aksi  pada lengan silinder (F). Saat lengan silinder aktif, lengan dan bucket akan bergerak berlawanan arah jarum jam. Menghasilkan  gaya  reaksi  pada  gigi bucket (RA), memasang lengan silinder pada boom (RD) dan juga memasang boom silinder (RE).
Gambar 5. Diagram benda bebas mini excavator.
Gaya Statik pada Bucket dan Arm dapat dilihat pada Gambar 6 di bawah ini.
Gambar 6 . Diagram benda bebas pada komponen bucket dan arm.
Tabel 2. Gaya yang bekerja pada bucket dan arm.
Sedangkan gaya statik pada boom dapat dilihat pada Gambar 7 di bawah ini.
Gambar 7. Diagram benda bebas komponen boom.
Tabel 3 . Gaya statik pada komponen boom.
Pin Force ( kN) X Y RB -160.40 -17.56 RD 147.41 50.61 RE 264.01 -221.13
Gaya  statis  dalam  analisis  ini  dihitung  dengan mempertimbangkan  gaya  penjumlahan  harus  sama dengan nol (∑ 𝐹 = 0) dan penjumlahan momen sama dengan  nol (∑ 𝑀 = 0) untuk  kondisi  ekulibrium bucket , arm dan booming masing-masing.  Tanda negatif menunjukkan gaya yang bekerja ke arah kiri pada komponen horizontal dan ke bawah pada gaya vertikal,  dengan  memperhatikan  arah  gaya  yang diperoleh sesuai dengan diagram benda bebas.

## Rancangan Boom dan Pemakaian Material
Struktur  mini  excavator boom  assy dirancang menggunakan  Software  CATIA  V5  berdasarkan ukuran  sebenarnya  dan  untuk  material  yang digunakan  dalam  desain  ini  sesuai  dengan  material yang sebenarnya yaitu SM490A

## Analisis Elemen Hingga
Kondisi  batas  merupakan  batasan  yang  digunakan dalam simulasi, dalam hal ini pemodelan pembebanan dan pengaturan dukungan. Pemodelan pemuatan pada komponen boom dilakukan  secara  statistik. Boom dimodelkan sebagai benda fleksibel yaitu benda yang mengalami deformasi, sedangkan penyangga pengaturan  dimodelkan  sebagai  benda  atau  benda yang  tidak  mengalami  deformasi.  Pembebanan  atau penyangga  permukaan  yang  diterapkan  berbentuk silinder.  Pembebanan  dilakukan  berdasarkan  hasil analisis  statik  menggunakan  diagram  benda  bebas yang telah dilakukan sebelumnya.
Gambar 8. Kondisi batas komponen boom.
Perkiraan  tingkat  kesalahan  adalah  perkiraan kesalahan yang terjadi dalam komputasi. Persamaan 1 digunakan dalam melakukan estimasi kesalahan pada software CATIA V5.
Pin Force ( kN ) X Y RA - 85.91 130.04 RB 160.40 17.56 RC - 147.41 - 50.61
𝜂 = 100 / / (1)
dimana:
E = Global strain energy
e = Estimated Precision

## Principal Stress dan Von Misses Stress
Principal  Stress adalah  nilai  maksimum  atau minimum  tegangan  normal  pada  suatu node .  Dalam software  CATIA  V5  Persamaan  2  digunakan  untuk perhitungan ini adalah sebagai berikut.
𝝈 𝒙𝒚 = 𝝈 𝒙 𝝈 𝒚 𝟐 ± 𝝈 𝒙 𝝈 𝒚 𝟐 𝟐 + 𝝉 𝒙𝒚 𝟐 (2)
Tanda  plus  (+)  mengindikasikan principal  stress maksimum  dan  tanda  minus  (-)  mengindikasikan principal stress minimum.
Tegangan  Von  Mises  juga  disebut  tegangan  tarik ekuivalen.  Ini  adalah  ukuran  tegangan  khusus  yang berfungsi sebagai pendekatan untuk menggabungkan semua  komponen stress menjadi  satu  nilai.  Di perangkat lunak CATIA V5. Persamaan 3 digunakan dalam  menghitung  von  miss  stress  adalah  sebagai berikut.
𝜎 =
𝟏 √𝟐 . 𝜎 − 𝜎 𝟐 + 𝜎 − 𝜎 𝟐 + (𝜎 − 𝜎 ) 𝟐 (3)

## Validasi Mesh
Tahap  pertama  dari  simulasi  adalah  melakukan validasi  ukuran  elemen  ( mesh  study )  untuk menentukan  ukuran  elemen  yang  tepat  agar  hasil simulasi  memiliki  tingkat  akurasi  yang  baik,  hal  ini terkait  dengan  seberapa  kecil  suatu  elemen  harus dibuat  untuk  memastikan  agar  hasil  analisis  tidak terpengaruh  oleh  perubahan  ukuran  mesh  ( mesh convergence ).  Dalam  validasi meshing ini  kita  akan membandingkan  strategi  mana  yang  paling  optimal dan efisien dalam analisis ini untuk mencapai tingkat akurasi  yang  tinggi.  Ada  dua  strategi  yang  ditinjau, yaitu validasi mesh secara manual dan dengan metoda global adavtivity .
Pada  metoda  validasi  manual,  ukuran mesh yang optimal dicari dengan memeriksa besarnya tegangan pada ukuran mesh tertentu dengan mengambil sampel node di  daerah  kritis,  kemudian  mengurangi  ukuran elemen  secara  manual  hingga  didapat mesh yang menghasilkan  tegangan  yang  stabil,  maka  ukuran mesh tersebut digunakan sebagai acuan dalam proses simulasi.  Selanjutnya  diperiksa  perkiraan  tingkat kesalahan  yang  terjadi.  Tingkat  kesalahan  yang diharapkan adalah 5% (tingkat akurasi 95%).
Dalam  strategi global  adaptivity ,  dapat  ditentukan target  akurasi  atau  tingkat  kesalahannya,  kemudian sistem  secara  otomatis  menentukan  ukuran mesh
untuk mendapat tingkat akurasi yang diinginkan [4]. Perbandingan hasil validasi mesh secara manual dan global adaptivity disajikan pada Gambar 9.
Gambar 9. Perbandingan strategi penentuan ukuran elemen secara manual dan global adaptive .
Dari hasil di atas terlihat bahwa global adaptive mesh merupakan strategi meshing yang efisien dan optimal, dengan  tingkat  kesalahan  yang  sama.  menghasilkan waktu komputasi yang lebih singkat dan ukuran mesh yang lebih akurat.

## 3. Hasil dan Pembahasan
Hasil  simulasi  menampilkan  tegangan  Von  Mises seperti  terlihat  pada  Gambar  10  dan  tegangan Principal seperti terlihat pada Gambar 11.
Gambar 10. Von Mises Stress hasil simulasi.
Berdasarkan Gambar 10 terlihat bahwa tegangan Von Misses  maksimum  adalah  203  MPa  yang  terjadi  di daerah lubang pada flens ujung ( arm connector ) dan pada flens tengah  ( boom  cylinder  mounting )  terjadi tagangan Von Misses sebesar 153 MPa. Berdasarkan kriteria  kegagalan  disebutkan  bahwa  Von  Misses Stress  ( σ_vm )  harus  lebih  kecil  dari  tegangan  ijin ( σ_(ijin ) ) material dengan mempertimbangkan faktor keamanan  ( SF )  yang  sesuai  [5].  Faktor  keamanan dalam  hal  ini  didapatkan  dengan  membandingkan kekuatan luluh ( yield strength ) dengan tegangan kerja (Von Misses stress ) seperti pada Persamaan 4.
𝑆𝐹 = (4)
Pada  lubang  di flens ujung  terjadi  tegangan  tekan ( bearing  stress )  yang  berasal  dari pin pada bucket
sebesar  203  MPa,  sehingga  faktor  keamanannya ditunjukkan pada Persamaan 5 berikut.
𝑆𝐹 = =   1,6 (5)
Sedangkan pada flens tengah  terjadi  tegangan  tekan sebesar  153  MPa  akibat boom tertekuk  ke  bawah, sehingga  faktor  keamanannya  ditunjukkan  pada Persamaan 6 berikut.
𝑆𝐹 = =   2,1 (6)
Dengan  mempertimbangkan kecepatan  operasi  yang termasuk lambat maka nilai faktor keamanan di atas masih dapat diterima [6], namun perlu dipertimbangkan umur dari komponen tersebut di atas dengan  analisis  kelelahan  ( fatigue  life  analysis ), sehingga  dapat  diprediksi  umur  operasi  komponen tersebut.
Tujuan perhitungan umur kelelahan ini adalah untuk memprediksi  berapa  lama  komponen boom dapat digunakan. Perhitungan umur kelelahan menggunakan  data  tegangan  maksimum  dan minimum yang diambil  dari data tegangan prinsipal ( principal  stress )  yang  didapat  dari  hasil  simulasi (lihat  Gambar  11),  sedangkan  nilai  kekuatan  tarik ultimate ( S ut ), endurance limit ( S e ), dan low life limit ( S l ) adalah sebagai berikut [7].
S ut = 450 MPa
S l = 0.9 Sut = 441 MPa
S e = 0.5 Sut = 245 MPa . Gambar 11. Principal stress maksimum dan minimum.
Tegangan  Maximum  ( 𝜎 ) adalah  tegangan  yang terjadi  pada boom mini  excavator  dengan  diberikan beban  kerja  berdasarkan  analisis  statik  yang  telah ditentukan, dan terjadi pada flens atas ( arm cylinder mounting )  sebesar  198  MPa.  Tegangan  Minimum
(𝜎 ) adalah tegangan yang terjadi pada boom mini excavator  di  sisi  yang  berlawanan  dengan  lokasi tegangan maksimum, yaitu sebesar -22.7 MPa.
Dalam  perhitungan  umur  kelelahan  ini,  akan menggunakan Teori Goodman [8]. Persamaan 7 dan Persamaan  8  digunakan  dalam  menentukan  umur kelelahan.
Mean Stress ( 𝜎 ) 𝜎 =
= ( . ) = 87.65 MPa  (7)
Alternating Stress (𝜎 )
𝜎 =
= ( . ) = 110.35 MPa  (8)
Gambar 12. Grafik mean stress dan alternating stress.
Untuk  memeriksa  apakah  komponen  ini  memiliki finite atau infinite  life, dapat  digunakan  Teori Goodman dengan Persamaan 9 berikut.
+ = (9) n = = . . = . . = 1.58
Karena  nilai n lebih  besar  dari  1,  maka  umur komponen adalah tak hingga ( infinite ), artinya umur komponen lebih dari 10 6 siklus. Kemudian diperiksa kemungkinan tidak terjadi yield pada siklus pertama menggunakan  kriteria  Yield  Langer  dengan Persamaan 10 berikut.
n =
= . . = 1.64 (10)
Karena  nilai n lebih  besar  dari  1  maka  dapat dipastikan  bahwa  tidak  terjadi yield pada  siklus pertama.
Selanjutnya  umur  komponen  ( N )  dihitung  dengan Persamaan 11-13 di bawah ini.
𝑏 = − ∗ 𝑙𝑜𝑔(𝑆 / 𝑆 ) (11) = − ∗ 𝑙𝑜𝑔(441/ 245) = -0.085
𝑐 = 𝑙𝑜𝑔[(𝑆 ) / 𝑆 ]
(12)
= 𝑙𝑜𝑔[(441) / 245] = 2.9
N = 10 / ∗ 𝑆 / (13)
=  10 34 * 198 -11.76 = 9,8 x 10 6 siklus
Untuk menentukan umur pakai, harus diketahui siklus kerja  mini  excavator  dalam  pekerjaan  ringan (penggalian).  Gambar  13  berikut  ini  adalah  kondisi kerja mini excavator berdasarkan observasi lapangan.
Gambar 13 . Siklus kerja mini excavator.
Berdasarkan observasi di atas, total siklus kerja mini excavator  adalah  40  detik/siklus.  Jadi  dalam  satu tahun  akan  terjadi  194.400  siklus,  maka  umur komponen boom dapat dihitung dengan Persamaan 14 berikut.
Life Time =
(14)
= , .
/ = 50,4 tahun
Dari  perhitungan  di  atas,  penggunaan boom mini excavator  dapat  digunakan  selama  50,4  tahun.  Ini membuktikan bahwa berdasarkan perhitungan umur, maka  komponen boom pada  mini  excavator  dapat digunakan untuk jangka waktu yang lama.

## 4. Kesimpulan
Desain  eksisting  yang  menggunakan  material SM490A, saat diberi beban berdasarkan analisis statik menggunakan  diagram  benda  bebas,  hasilnya  masih aman,  namun perlu diperiksa umur  akibat  kelelahan material. Hasil perhitungan perkiraan umur kelelahan memperlihatkan bahwa umur pakai komponen boom pada mini excavator ini dapat mencapai 50 tahun.
Untuk  penelitian  lebih  lanjut,  disarankan  untuk melakukan  analisis  pada  bagian  lain  dari  komponen lampiran. Seperti bucket , arm , upper frame dan lain- lain.  Dengan  metode  yang  sama  sehingga menghasilkan  desain  mini  excavator  yang  lebih optimal.

## Daftar Pustaka
[1] N.M. Hapsari, “Infrastruktur Jalan di Pedesaan,” Kompasiana , Tersedia di: https://www.kompasiana.com/haphapsari4836/5 def54b4d541df70af6690e2/infrastuktur-jalan-di-
pedesaan, 10 Desember 2019 [Diakses 3 Januari 2020]
[2] PT. Pindad. “Excava 50 Standard”. 2020
[3] N. S. Patil and P. V. M, “FEA Analysis and Optimization of Boom of Excavator,”  June, 2017, pp. 625–632
[4] N.A. Sutisna and A. Hardianto. " Finite Element Simulation of Acceleration Pedal On XX Vehicle". Journal of Mechanical Engineering and Mechatronics, Vol. 4 No. 2, 2019, pp. 45-60
[5] T. R. Chandruptla and A.D. Belegundu, “Introduction to Finite Element Engineering”
Prentice Hall, New Jersey, 2002.
[6] R. L. Norton. “Machine Design An Integrated Approach, Third Edition”. Pearson, 2006.
[7] S.R. Schmid, B.J. Hamrock, and B.O. Jacobson. “Fundamentals of Machine Elements SI Verion
Third Edition”. CRC Press, Boca Raton, 2014