Siregar, dkk. / ROTASI, Vol. 21 No. 4 (Oktober 2019) Hal. 251-257

## Perkiraan Kekuatan Struktur Mekanik Side Scraper dengan Metode Elemen Hingga Beserta Rekomendasi Material Pengganti Elemen Kritis
Rolan Siregar a, b *, Mulyadi Bur b , Syamsul Huda b
a Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Darma Persada
Alamat: Taman Malaka Selatan, Duren Sawit, Jakarta Timur, 13450
b Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Andalas Alamat: Jl. Universitas Andalas, Limau Manis, Kec. Pauh, Kota Padang, Sumatera Barat 25163
*E-mail: rolanregar@gmail.com

## Abstract
One t ype of dredging material from the pile to the conveyor belt in a mining industry is a side scraper. Some elements of the side scraper have a short life time (critical element) due to the limited strength of the structure in holding static or kinetic  loads, where the biggest load is the mass of the scraper arm which reaches 14,8 tons and the arm length reaches 21,7 m. The material elements that failure is an arm  brace,  pylon,  and  the  scraper  arm.  Therefore,  in  this  study,  the  strength  calculation  of  the mechanical  structure  of  the  side  scraper  and  the  recommendation  of  replacement  material  for  the failed elements. The research method was carried out by stress simulation based on the finite element method. The results of this study are the stresses that occur in each of the main elements along with material recommendations. The material used consists of two types, namely AISI Steel 1040, AISI Steel 1340.  The  use  of  non-uniform  material  types  is  intended  to  optimize  the  economical  price  of mechanical side scraper structures. The final of this study is expected to be useful for maintenance of side scraper equipment.
Keywords: material of failure; structural strength; side scraper

## Abstrak
Salah satu jenis alat pengeruk tumpukan material ke belt conveyor dalam suatu industri pertambangan adalah side  scraper .  Beberapa  elemen  penyusun  alat  berat  tersebut  memiliki life  time yang  relatif singkat (elemen kritis) karena keterbatasan kekuatan struktur pendukung dalam menahan beban statis maupun  kinetis,  di  mana  beban  terbesar  adalah  massa  lengan  scraper  yang  mencapai  14,8  ton  serta panjang lengan mencapai 21,7 m. Adapun elemen yang mengalami kegagalan material adalah struktur brace,  pylon,  dan  bagian  tengah  lengan  scraper.  Oleh  karena  itu  dalam  penelitian  ini  dilakukan perhitungan kekuatan struktur mekanik side scraper dan  rekomendasi material pengganti elemen yang gagal  (failure).  Adapun  metode  penelitian  ini  dilakukan  dengan  simulasi  tegangan  berbasis  metode elemen  hingga.  Dalam  analisis  statik  diperoleh  rekomendasi  material  berdasarkan  perhitungan tegangan pada struktur mekanik tersebut. Adapun material yang digunakan terdiri dari  dua jenis yaitu AISI Steel 1040, AISI Steel 1340. Penggunaan jenis material yang tidak  seragam dimaksudkan untuk mengoptimalkan harga ekonomis material penyusun struktur mekanik tersebut. Akhir dalam penelitian ini diharapkan dapat berguna untuk maintenance peralatan side scraper.
Kata kunci: kegagalan material, kekuatan struktur, side scraper

## 1. Pendahuluan
Side  scraper merupakan  alat  pemindah  material  dari  tumpukan (storage) ke  alat  transportasi  seperti  belt conveyor  dengan  cara  memanfaatkan  gerakan  scraper  yang  berada  pada  lengan  untuk  mengeruk  material  dari  sisi tumpukan  material  tersebut.  Pada  industri  semen,  alat  ini  ditempatkan  pada Lime  Stone  Storage yaitu  tempat penampungan sementara bahan baku sebelum dibawa ke Raw Mill . Secara garis besar elemen penyusun side scraper terdiri  dari  tujuh  bagian  utama  yaitu  struktur  mekanik  (pendukung),  scraper,  hoist,  motor,  roda,  rel,  dan  sistem elektronik.  Prinsip  kerja  side  scraper  yaitu  dengan  cara  memanfaat  gerakan  scraper  atau  blade  yang  terletak  pada lengan  yang  relatife  panjang  untuk  mengeruk  sisi  tumpukan  material  dengan  jumlah  yang  diinginkan  ke  belt conveyor yang juga terletak di sepanjang tumpukan material tersebut. Secara umum gambaran elemen utama dalam proses pemindahan material dapat ditampilkan pada Gambar 1.
Beberapa  elemen  penyusun  alat  berat  tersebut  memiliki life  time yang  relatif  singkat  (elemen  kritis)  karena keterbatasan  kekuatan  struktur  pendukung  dalam  menahan  beban  statis  maupun  kinetis,  di  mana  beban  terbesar adalah massa lengan scraper yang mencapai  14,8 ton serta panjang lengan mencapai 21,7 m. Adapun elemen yang mengalami  kegagalan  material  adalah  struktur  pendukung  yaitu  brace,  pylon,  dan  bagian  tengah  lengan  scraper. Oleh karena itu dalam penelitian ini dilakukan perhitungan kekuatan struktur mekanik side scraper dan rekomendasi
material  pengganti  elemen  yang  gagal (failure). Perhitungan  kekuatan  stuktur  diawali  dari  pendefenisian pembebanan  dan  selanjutnya perhitungan  tegangan [1].  Untuk  perhitungan  gaya pada  setiap  batang  dapat  didekati dengan  persamaan  kesetimbangan  statik  benda  tegar  [2]  yaitu  F  =  0  dan  M  =  0.  Gaya  yang  dihasilkan  dalam perhitungan tersebut merupakan input beban dalam simulasi tegangan berbasis metode elemen hingga[3][4].
Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Sutowo dkk [5], material dapat dikategorikan gagal apabila beban lebih  ( over  load )  terjadi  sampai  melebihi  batas  luluh  material  tersebut.  Material  getas  akan  memberikan  peluang terjadinya retak (crack) dan dengan adanya porositas, inklusi, dan retakan mikro dapat menimbulkan pejalaran retak selama  komponen  dilakukan  pengerjaan  machining[6].  Selanjutnya  temperatur  dan  korosi  yang  terjadi  pada  suatu elemen mesin dapat mempengaruhi kegagalan material dalam menahan suatu beban[7]. Dalam kajian ini, pemilihan material pengganti elemen kritis hanya berdasarkan kemampuan material dalam menahan gaya maksimum.
a. Elemen utama side scraper b. Cara kerja side scraper
Gambar 1 . (a,b) Pengenalan side scraper [8]

## 2. Material dan metode penelitian
Langkah  awal  dalam  melaksanakan  penelitian  ini  adalah  melakukan  studi  literatur  mengenai side  scraper berupa  prinsip  kerja,  komponen-komponen  utama,  pemodelan  beban  statis  [9],    simulasi  tegangan[10][11],  dan pemilihan material [12]. Pada penelitian ini analisis seluruh komponen mekanik menggunakan analisis statik.
(a)
Gambar 2. Side scraper bekerja pada sudut α     (a), Diagram benda bebas pada lengan scraper (b)
Untuk  memudahkan  penghitungan  gaya  pada  struktur  mekanik    tersebut  dapat  dilakukan  dengan  membuat penyederhanaan sistem yaitu dengan pemodelan side scraper dalam bentuk dua dimensi. Setelah gaya pada struktur diketahui maka selanjutnya adalah simulasi tegangan dengan metode elemen hingga. Awal penghitungan dilakukan dengan  mencari  besar  gaya  yang  bekerja  pada wire  steel akibat  berat  komponen scraper dimana  besar  gaya  pada wire  steel tergantung  pada  besar  sudut  legan scraper (α)  terhadap  sumbu  x.  Gaya  pada wire  steel dapat  diketahui dengan  membuat  diagram  benda  bebas  pada  lengan  scraper  seperti  yang  ditampilkan  pada  Gambar  2.  Dengan menentukan sigma momen di titik A sama dengan nol maka diperoleh persamaan T BC seperti pada Persamaan 1.
BC W 10,85 m Cos α
T
14,50 m Sin β   =  (1)
Berikut  ini  penjelasan  mengenai  perhitungan  gaya  pada  sruktur  pendukung (pylon dan brace ).  Perhitungan gaya pada struktur pendukung diawali dengan perhitungan gaya dalam kondisi ideal. Pengertian kondisi ideal adalah side scraper tidak sedang melakukan pemindahan material dan lengan scraper berada pada posisi paling minimum dari sumbu horizontal yaitu membentuk sudut sekitar -10 o . Perhitungan dapat dilakukan dengan meninjau diagram benda bebas dititik C seperti yang diperlihatkan pada Gambar 3.
(a)
(b)
Gambar 3. Posisi titik C (a), pemodelan diagram benda bebas di titik C (b)
Berdasarkan  DBB  di  titik  C  maka  gaya  pada  batang pylon (F CD )  dan brace (F CE )  dapat  ditentukan  dengan menggunakan Persamaan 2 dan 3, diketahui nilai T CF sama dengan nilai T CB .
CD CE CF CB F sin 25,13 F sin 43, 56 T sin 51, 39 T sin 39, 39 0 −  −  −   +  = (2) CD CE CF CB F cos 25,13 F cos 43,56 T 43,56 T cos 39,39 0 −  −   −   −  = (3)
Dari persamaan 2 dan 3 akan diperoleh nilai F CD dan F CE dengan cara eliminasi maupun substitusi. Setelah diperoleh gaya pada struktur pendukung pada kondisi ideal(-10 o ) maka pada kondisi sudut lengan lainnya (-5 o s.d. 55 o ) dapat ditentukan dengan cara yang sama dengan kondisi ideal (-10 o ).

## 3. Hasil dan pembahasan
3.1. Gaya yang Bekerja pada Struktur Pendukung (Pylon dan Brace)
Hasil perhitungan tersebut  pada saat kondisi ideal menunjukkan bahwa gaya pada pylon adalah -454363 N dan pada brace 244273  N.  Angka  minus  gaya  pada pylon menunjukkan  bahwa  batang  tersebut  adalah  batang  yang mengalami  beban  tekan.    Gaya  yang  bekerja    pada  struktur  pendukung  dengan  sudut  lengan  lainnya  seperti  pada sudut -5 o s.d 55 o dengan interval 5 o diperlihatkan pada Tabel 1. Tabel 1. Gaya pada struktur pendukung terhadap variasi  sudut lengan scraper
Sudut lengan (α o ) Sudut  ( O ) Sudut  β ( O ) Wire Steel T BC (N) Pylon Tekan F CD (N)
Brace Tarik F CE (N) -10 50.61 40.61 167831 454363 244273 -5 47.30 42.30 164191 447311 251081 0 43.91 43.91 159970 436862 255083 5 40.40 45.40 155219 423131 256298 10 36.75 46.75 149990 406231 254675 15 32.94 47.94 144339 386303 250184 20 28.90 48.90 138327 363442 242857 25 24.59 49.59 132032 337795 232671 30 19.92 49.92 125558 309449 219618 35 14.75 49.75 119052 278380 203608 40 8.90 48.90 112751 244474 184429 45 2.09 47.09 107065 207314 161582 50 -6.09 43.90 102801 165907 133960 55 -16.32 38.67 101779 117337 98575
Dari tabel 1 dapat dilihat bahwa gaya maksimum yang dialami  struktur pylon terjadi pada saat sudut lengan scraper -10 o yaitu 454363 N sedangkan brace berada pada sudut 5 o yaitu 256298 N. Gaya maksimum ini merupakan acuan untuk analisis tegangan pada struktur tersebut.

## 3.2. Hasil Rekomendasi Material Penyusun Struktur Mekanik berdasarkan Analisis Tegangan
Gaya  yang  bekerja  pada  sruktur  mekanik  adalah  input  beban  untuk  analisis  tegangan.  Adapun  tegangan diperoleh  dengan  simulasi  tegangan  menggunakan  software  Autodesk  Inventor  Student  Version  berbasis Finite Element Analisis (FEA). Berikut hasil analisis tegangan pada masing-masing struktur mekanik. 1. Kontur Tegangan pada Brace Kontur tegangan pada struktur mekanik brace dapat dilihat pada Gambar 4.
Gambar 4. Kontur tegangan pada brace
Adapun tegangan maksimum Von Mises yang diperoleh adalah 143,5 MPa.
2.  Kontur Tegangan pada Pylon
Tegangan pada Pylon difokuskan pada 2 bagian utama  untuk optimalisasi material penyusun, yaitu: a. Poros katrol
Pada Gambar 5 diperoleh tegangan Von Mises maksimum pada poros katrol sebesar 164,1 MPa.
Siregar, dkk. / ROTASI, Vol. 21 No. 4 (Oktober 2019) Hal. 251-257
Gambar 5. Kontur tegangan pada poros katrol
b. Batang utama
Pada Gambar 6 ditunjukkan tegangan Von Mises maksimum 94,96 MPa.
Gambar 6. Kontur tegangan pada batang utama pylon
3. Kontur Tegangan pada Lengan Scraper
Elemen penyusun lengan scraper dibagi menjadi dua yaitu end piece dan main piece.
a. End Piece
Gambar 7. Kontur tegangan pada end piece
Pada Gambar 7 ditunjukkan tegangan Von Mises maksimum pada end piece sebesar 113,6 MPa. b. Main piece
Pada Gambar 8 ditunjukkan tegangan Von Mises maksimum pada main piece adalah 115,1 MPa.
Siregar, dkk. / ROTASI, Vol. 21 No. 4 (Oktober 2019) Hal. 251-257
Gambar 8. Kontur tegangan pada main piece
Tabel 2. Data hasil rekomendasi material penyusun pada struktur mekanik side scraper
No  Nama Komponen Tegangan maks (MPa) Rekomendasi material Safety factor (Sf) Yield point strength (psi/MPa) Keterangan [13] 1 Brace (batang CE) 143,50 AISI Steel 1340 9,9 206000/1420,31 Hal. 22 Tabel 1-12 [13] 2 Pylon (batang CD) Batang utama (seluruh batang yang memiliki bentuk profil persegi (hollow). 94,96 AISI Steel 1040 7,5 104000/717,06 Hal. 22 Tabel 1-12 [13] Poros katrol 164,10 AISI Steel 1340 8,6 206000/1420,31 Hal. 22 Tabel 1-12 [13]
3 Lengan Side scraper Komponen end piece (pangkal lengan) 113,60 AISI Steel 1340 12,5 206000/1420,31 Hal. 22 tabel 1-12 [13] Main piece (bagian utama) 115,10 AISI Steel 1340 12,3 206000/1420,31 Hal. 22 Tabel 1-12 [13]
Berdasarkan  analisis  tegangan  yang  dilakukan  maka  dapat  direkomendasikan  material  penyusun  struktur  mekanik tersebut,  seperti  yang  ditampilkan  pada  Tabel  2.  Pemilihan  jenis  material  pada  struktur  mekanik  dilakukan berdasarkan  tegangan  maksimum  yang  terjadi  pada  struktur  mekanik  tersebut  di  mana  faktor  keamanan  (Sf)  yang dipilih  adalah  lebih  besar  atau  sama  dengan  lima.  Penggunaan  jenis  material  pada  automobiles  dijelaskan  pada katalog  ‘Parker,  Earl  R.  1967,  “ Materials  Data  Book ”  yang  dimuat  pada  Tabel  1.19  hal.  29’.  Material  yang direkomendasikan adalah AISI Steel 1340 dan 1040 yang biasa digunakan untuk lengan, axcel, dan lain sebagainya.

## 4. Kesimpulan
Berdasarkan hasil penelitian  maka dapat dibuat beberapa kesimpulan yaitu gaya maksimum yang bekerja pada struktur  mekanik side  scraper adalah  acuan  untuk  analisis  tegangan.  Dalam  analisis  statik  diperoleh  rekomendasi material berdasarkan perhitungan tegangan pada struktur mekanik tersebut. Adapun material yang digunakan terdiri dari dua jenis yaitu AISI Steel 1040, AISI Steel 1340 dengan faktor keamanan (SF) pada seluruh struktur mekanik lebih  besar  dari    lima.  Penggunaan  jenis  material  yang  tidak  seragam  dimaksudkan  untuk  mengoptimalkan  harga ekonomis  material  penyusun  struktur  mekanik  tersebut,  karena  jika  dipilih  hanya  satu  material  yang    memiliki kekuatan luluh paling tinggi maka hal ini memungkinkan harga material pada seluruh struktur tersebut menjadi lebih mahal.

## Daftar Pustaka
[1]  F. Ding, “Structure Strength Analysis of Light Truck Cab Based on Tilting Mechanism,” Appl. Mech. Mater. , Vol. 633–634, Pp. 1237–1240, 2014.
[2]  F.  P.  Beer,  E.  R.  Johnston,  D.  F.  Mazurek,  P.  J.  Cornwell,  And  E.  R.  Eisenberg, Vector  Mechanics  for Engineers - Statics And Dynamics 9th Edition . 2010.
[3]  Q.  Tian,  “Application  Of  Nastran  Finite  Element  Analysis  and  Experimental  Test  on  Loading  Machine Structure Strength Analysis,” Appl. Mech. Mater. , Vol. 155–156, Pp. 1080–1085, 2012.
[4]  O. Zienkiewicz, R. Taylor, And J. Z. Zhu, “The Finite Element Method: Its Basis  and Fundamentals: Seventh Edition,” Finite Elem. Method Its Basis Fundam. Seventh Ed. , Pp. 1–714, 2013.
[5]  C. Sutowo, I. Kartika, And B. Priyono, “Analisa Kegagalan Komponen Front Axle  pada Kendaraan Bermotor Roda Empat,” Semin. Nas. Sains Dan Teknol. , No. November 2016, Pp. 1–8, 1846.
[6]  C. Sutowo, G. Senopati, I. Kartika, And B. Priyono, “Analisa Kegagalan Retak Material Besi Cor Kelabu,” No. November, Pp. 50–57, 2016.
[7]  M.  D.  A.  N.  Kekerasan,  “Analisis  Kegagalan  Material  Pipa  Ferrule  Nickel  Alloy  N06025  pada  Waste  Heat Boiler Akibat Suhu Tinggi Berdasarkan Pengujian : Mikrografi Dan Kekerasan,” J. Tek. Mesin , Vol. 1, No. 4, Pp. 33–39, 2013.
[8]  Flsmidth, “Parts List Side Scraper Ssh-Mb-226/23,” Denmark, 1996.
[9]  F.  Zainuri,  D.  A.  Sumarsono,  M.  Adhitya,  and  R.  Siregar,  “Design  of  Synchromesh  Mechanism  to Optimization Manual Transmission’s Electric Vehicle,” In Aip Conference Proceedings , 2017.
[10]  J. E. Akin, “Finite Element Analysis Concepts: Via Solidworks,” Finite Elem. Anal. Concepts Via Solidworks , Pp. 1–335, 2010.
[11]  P.  J.  Baikerikar  And  C.  J.  Turner,  “Comparison  of  As-Built  Fea  Simulations  and  Experimental  Results  for Additively Manufactured Dogbone Geometries,” Proc. Asme Des. Eng. Tech. Conf. , Vol. 1, 2017.
[12]  D.  A.  N.  Elektromagnet  And  E.  Mekanika,  “Diktat  Pemilihan  Bahan  dan  Proses  I  Logam  dan  Material  , Fenomena Listrik Teknik Mesin Universitas Udayana,” pp. 1–205, 2017.
[13]  E. R. Parker, Materials Data Book . Barkely, 1967.