Waktu dan Tempat
Penelitian dilakukan pada bulan Desember 2010 sampai dengan April 2011. Tempat perancangan dilakukan di Laboratorium Teknik Mesin Budidaya Pertanian IPB. Pengambilan data kondisi lahan dan serasah di kebun tebu PG Subang. Pembuatan prototipe dilaksanakan di Bengkel Departemen Teknik Mesin dan Biosistem IPB. Pengujian prototipe dilakukan di Laboratorium Teknik Mesin Budidaya Pertanian IPB.
Bahan dan Alat
Bahan
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini terdiri dari bahan konstruksi dan bahan untuk pengujian. Bahan konstruksi terdiri dari besi plat tebal 5 mm, besi siku 40 x 40 mm, besi kanal U 40 x 4 x 80 mm, besi silinder pejal (diameter 9, 25 dan 31 mm), besi pipa diameter 33 mm, bearing, sprocket dengan gigi 15,
pillow block (diameter poros 25 mm dan 31 mm), rantai konveyor RS 60, rantai transmisi RS 60, mur baut, kawat elektroda 2.6 mm, roda karet dan cat. Bahan yang digunakan untuk pengujian adalah prototipe unit pengangkat serasah tebu dan serasah tebu.
Alat
Alat yang digunakan dalam penelitian ini terdiri dari alat yang dipergunakan untuk pembuatan prototipe, alat yang dipergunakan pada pengukuran kondisi lahan dan karakteristik serasah tebu dan alat yang dipergunakan untuk pengujian unjuk kerja. Peralatan perbengkelan yang digunakan adalah las listrik, mesin gerinda, mesin bubut, gergaji potong, mesin bor, amplas, kikir, hand tap dan kunci 1 set. Peralatan untuk mengukur profil guludan terdiri dari profilmeter, mistar, roll meter dan waterpas. Pengukuran karakteristik serasah tebu menggunakan timbangan analitik, mistar, roll meter, oven pengering oven (Memert D 06059 Model 300). Alat ukur yang digunakan
19
dalam pengujian meliputi; tachometer digital (Krisbow KW06-303), bridge box
(Kyowa, DB -120), handy strain meter (Kyowa, UCAM-1A), multimeter digital (Masda, DT830B), dynamic strain amplifier (DPM 601A), stop watch, komputer, timbangan analog, timbangan digital (Libror EC-600), torque transducer (Kyowa, 50 kgf), clamp meter (Kyoritsu), datataker DT 500 dan kamera digital.
Prosedur Penelitian
Gambar 17 Blok diagram penelitian. Mulai
Identifikasi Masalah
Pengukuran karakteristik serasah tebu dan profil guludan pada lahan
Analisis desain dan pembuatan gambar teknik
Pembuatan prototipe Selesai baik Pengujian fungsional Tidak Modifikasi
Pengujian kinerja di laboratorium
( Kecepatan maju pengumpan 0,3 m/s dan kerapatan isi serasah tebu 8 kg/m3) Analisa data Pengukuran kalibrasi torsi (kg.m)-regangan (µε) dan pengukuran kalibrasi regangan (µε) -tegangan (V) Pengukuran torsi dengan berbagai variasi kecepatan putar poros konveyor
(58, 66, 70 rpm)
Pengukuran torsi dengan berbagai variasi kecepatan putar reel penarik (8, 15, 23,
30, 40, 45 rpm)
Penimbangan serasah tebu tertinggal di bagian reel penarik
Identifikasi Masalah
Tahapan untuk mempelajari jumlah sampah kebun tebu dan penanganannya (sampah kebun tebu) setelah panen yang terjadi di lapangan. Metode yang digunakan adalah studi pustaka dan survei kondisi di kebun PG Subang.
Pengukuran karakteristik serasah tebu dan lahan
Karakteristik serasah tebu dan lahan yang akan dipelajari dan dipergunakan untuk keperluan disain unit pengangkat pada mesin pencacah serasah tebu adalah:
1. Volume tumpukan serasah tebu di lahan
2. Kerapatan isi tumpukan serasah tebu dan komposisinya 3. Profil guludan di lahan
4. Elastisitas tumpukan serasah tebu
5. Dimensi serasah tebu (daun, pucuk dan batang)
Untuk menjawab permasalahan di atas, maka dilakukan pengambilan data sebelum proses perancangan mesin pencacah serasah tebu dimulai. Pengukuran dilakukan pada guludan yang ada serasah tebu. Poin-poin yang dicatat di antaranya adalah lebar tumpukan serasah, tinggi tumpukan serasah, volume serasah per dua meter, massa serash per dua meter, profil guludan, komposisi serasah beserta ukurannya dan kerapatan isi serasah.
Menurut Krauskopf dan Beiser (2000) densitas adalah massa per unit volume. (4) Di mana : ρ = densitas (kg/m3 ) m = massa (kg) V = volume (m3
Massa benda dengan sederhana dapat diperoleh dengan cara penimbangan. Sedangkan volume benda diperoleh dengan mengukur air yang tumpah saat benda dicelupkan ke dalam wadah yang berisi air. Ini adalah cara termudah, walaupun
21
bukan cara yang paling akurat, untuk memperoleh densitas suatu benda dengan bentuk sembarang (Mulligan 1991).
Tumpukan serasah tebu dapat ditimbang dengan mudah menggunakan timbangan untuk memperoleh massanya. Namun akan sulit untuk menemukan volume tumpukan serasah tebu dengan cara mencelupkannya ke dalam wadah berisi air. Oleh karena itu, volume tumpukan serasah diukur dengan mengukur lebar, tinggi dan panjang per dua meter tumpukan serasah di lahan. Dengan data tersebut dapat diketahui volume tumpukan serasah. Profil guludan di perkebunan PT Rajawali II Unit PG Subang dapat diukur dengan profilmeter. Hasil pengukuran diolah dan digambarkan dengan Autocad.
Tekanan adalah gaya per unit luas penampang.
(5)
Dimana :
P = tekanan (N/m2) F = gaya tekan (N) A = luas penampang (m2
Data profil guludan dibutuhkan untuk perancangan lebar pemasukan serasah ke dalam unit pengangkat serasah Dengan data tersebut maka kapasitas mesin dapat diperkirakan. Data densitas tumpukan serasah dibutuhkan untuk perancangan aliran massa yang terjadi di dalam bagian penarik dan penyalur. Data gaya tekan terhadap tumpukan serasah tebu dibutuhkan untuk menghitung
)
Pengukuran elastisitas serasah dapat dilakukan dengan sebuah kotak dengan ukuran panjang 0.6 m, lebar 0.5 m dan tinggi 0.4 m. Kemudian tumpukan serasah dimasukkan kedalam kotak tersebut sesuai dengan massa dan bulk density
yang direncanakan. Berikutnya, tumpukan serasah tersebut ditekan dengan beban sampai dengan ketinggian tumpukan yang direncanakan. Beban yang digunakan adalah wadah yang berisi air. Pemilihan beban dengan air dikarenakan pembebanannya dapat dilakukan sedikit demi sedikit. Jika sudah mencapai ketinggian yang diinginkan kemudian diukur massa air tersebut dengan timbangan. Dari data tersebut dapat diketahui besarnya pembebanan (gaya tekan) terhadap tumpukan serasah sehingga dapat diketahui tekanan yang diperoleh tumpukan serasah.
besarnya daya yang diperlukan untuk memampatkan tumpukan serasah didalam mesin tersebut.
Analisis Disain dan Pembuatan Gambar Teknik Pengembangan Konsep Disain
Data-data pengukuran karakteristik serasah dan kondisi lahan diolah dan dibangun konsep disain. Konsep disainnya adalah unit pengangkat serasah tebu merupakan bagian dari mesin pencacah yang diletakkan dibagian depan mesin pencacah. Sumber penggeraknya adalah PTO traktor dan bergerak dengan kecepatan maju 0.3 m/s sesuai kecepatan penariknya yaitu traktor. Pengoperasian alat dengan kecepatan 0.3 m/s disesuaikan dengan kecepatan maju untuk kegiatan pengolahan tanah di PG Subang. Lebar pengambilan (penarikan) adalah 0.6 m karena dibatasi oleh lebar juring 1.2 m dan mesin bekerja pada area diantara puncak guludan (roda tidak menginjak puncak guludan). Tinggi tumpukan pengambilan adalah 0.4 m dan kerapatan isi tumpukan 7.71 kg/m3
Analisis Teknik
, sehingga dapat ditentukan kapasitas kerja teoritisnya.
Langkah berikutnya adalah perumusan disain fungsional dari unit pengangkat serasah tebu. Fungsi utama diuraikan lebih detail menjadi fungsi dan subfungsi serta komponen yang digunakan dalam disain. Rancangan fungsional dikembangkan menjadi rancangan struktural.
Perhitungan dan analisa teknik meliputi laju aliran massa, kebutuhan daya komponen penarik dan komponen penyalur. Analisis aliran massa mulai dari lahan sampai ke unit pencacah (Gambar 18).
Gambar 18 Aliran massa serasah pada mesin.
Q
LAHAN=
Q
PENARIK=
Q
PENYALURQ
PENCACAH23
(6)
Dimana :
ρ = Bulk Density atau kerapatan isi serasah tebu (kg/m3
= Kecepatan maju mesin (m/s) A = Luasan penarikan (m
)
2
)
Dengan analisis aliran massa, bulk density serasah yang masuk di setiap komponen dapat diketahui nilainya.
Analisis kebutuhan daya diperlukan untuk mengetahui seberapa besar daya yang diperlukan oleh setiap komponen agar terjadi aliran massa di komponen tersebut sesuai dengan kebutuhan. Dalam hal ini dikelompokkan menjadi dua bagian karena terdiri dari dua komponen utama yaitu komponen silinder penarik dan komponen penyalur. Analisis kebutuhan daya pada komponen silinder penarik dimulai dengan menganalisis kebutuhan gaya. Berdasarkan Gambar 19 besarnya gaya (F) yang dibutuhkan untuk menarik serasah masuk kedalam mesin pencacah serasah tebu dapat diketahui.
Gambar 19 Skema gaya pada komponen silinder penarik.
Silinder penarik serasah α= 29o F Wtcos α Wtsin α Wt fk Fcomp
(7) (8) Dimana :
F = gaya yang dibutuhkan untuk menarik serasah (N) = gaya gesek serasah terhadap plat pengarah (N)
gaya berat serasah total (N)
Besarnya torsi (M) pada sudu penarik dihitung dengan persamaan:
(9)
Dimana :
M = torsi pada sudu penarik (Nm) d = lengan momen (m)
F = gaya yang dibutuhkan untuk menarik serasah (N)
Gambar 20 Skema momen pada komponen silinder penarik.
Besarnya daya (Pp
(10)
Dimana : P
) yang diperlukan oleh komponen silinder penarik dihitung dengan persamaan (Anwari 1981) :
p = daya yang diperlukan oleh komponen silinder penarik (Watt) Tp = torsi komponen penarik (Nm)
np = kecepatan putar komponen penarik (rpm)
F 0.5 m
fb
25
Dari persamaan 8, 9 dan 10 dapat dihitung besar daya yang diperlukan oleh komponen penarik.
Analisis kebutuhan daya pada komponen penyalur dimulai dengan menganalisis kebutuhan gaya. Berdasarkan Gambar 20 besarnya gaya (F) yang dibutuhkan untuk menyalurkan serasah masuk ke unit pencacah dapat diketahui.
(11)
(12) Dimana :
F = gaya yang dibutuhkan untuk menyalurkan serasah (N) = gaya berat serasah dan konveyor (N)
= gaya kompresi serasah (N) = Sudut kemiringan konveyor (0
= Sudut depleksi rantai akibat gaya kompresi serasah ( )
0
)
Gambar 21 Skema gaya pada komponen penyalur .
Dari persamaan 9, 10 dan 12 dapat dihitung besar daya yang diperlukan oleh komponen penyalur. Wt sin θ Wt Wt cos θ F θ Fcomp
Gambar Teknik
Berikutnya adalah pembuatan gambar kerja. Pembuatan gambar kerja dimaksudkan sebagai acuan dalam pembuatan prototipe. Gambar kerja dilengkapi dengan keterangan ukuran dan bahan rencana. Dengan adanya gambar kerja dapat dilihat bagian-bagian yang akan dirangkai menjadi sebuah prototipe.
Pembuatan Prototipe, Uji Fungsional dan Modifikasi
Pembuatan prototipe unit pengangkat serasah tebu di Bengkel Departemen Teknik Mesin dan Biosistem IPB. Proses pembuatan prototipe beradasarkan gambar kerja yang telah dibuat. Tahapan pembuatan prototipe dimulai dari pembelian bahan konstruksi, penanganan bahan baku menjadi bagian/komponen unit pengangkat serasah, proses perakitan dan pengecatan.
Uji fungsional dilakukan untuk mengetahui fungsi tidaknya mekanisme unit pengangkat serasah tebu yang telah dirancang dan pabrikasi. Pengujiannya dilakukan dengan beban serasah tebu dan dilakukan pengamatan kondisi komponen-komponen mesinnya apakah terjadi kerusakan atau tidak selama proses pengambilan dan penyaluran serasah tebu.
Hasil uji fungsional dijadikan dasar perlu tidaknya dilakukan modifikasi. Penambahan komponen atau penggantian komponen yang lebih baik diharapkan meningkatkan fungsional dari alat yang dirancang sebelum dilakukan pengujian kinerja.
Uji Kinerja Kondisi pengujian
Uji kinerja dilakukan untuk mengetahui apakah unit pengangkat serasah tebu berfungsi dengan baik pada seluruh komponennya dan melihat kinerja pada mekanisme pengambilan dan penyaluran. Pengujian dilakukan stasioner di Laboratorium Teknik Mesin Budidaya Pertanian IPB. Unit pengangkat serasah tebu diletakkan pada rangka uji dengan ketinggian bagian depan 15 cm diatas lantai. Papan pengumpan digerakan maju dan meluncur dibawah unit pengangkat
27
serasah. Kondisi pengujian ditunjukkan pada Gambar 22 dan variasi percobaan ditunjukkan pada Tabel 1.
Tabel 1 Variasi percobaan uji kinerja
Variasi Percobaan Keterangan
Bahan uji serasah
- Kerapatan Isi 8 kg/m3
- Volume bak pengumpan 0.96 m3
- Berat 8 kg
- Kecepatan pengumpanan 0.3 m/s
- Waktu pengumpanan 13 detik
Kecepatan putar konveyor 58 rpm, 66 rpm dan 70 rpm Kecepatan putar reel penarik 8 rpm, 15 rpm, 23 rpm, 30 rpm, 40
rpm dan 45 rpm
Kecepatan putar teoritis reel penarik pada kecepatan maju unit pengangkat 0.3 m/s adalah 8 rpm. Pada pengujian, kecepatan putar reel penarik divariasi 8 rpm, 15 rpm, 23 rpm, 30 rpm, 40 rpm dan 45 rpm.. Hal ini menggambarkan reel index 1, 2, 3, 4, 5 dan 6. Reel index adalah perbandingan kecepatan linier reel
penarik dengan kecepatan maju unit pengangkat serasah tebu. Sangwijit dan Chinsuwan (2010) menggunakan variasi reel index 1.38 - 4.46 untuk memprediksi kehilangan pada axial flow rice combine. Hasil prediksi kehilangan adalah 1.26% -12.96%.
Kecepatan putar teoritis konveyor pada kecepatan maju unit pengangkat 0.3 m/s adalah 58 rpm. Pada pengujian, kecepatan putar konveyor divariasi 58 rpm, 66 rpm dan 70 rpm. Hal ini menggambarkan konveyor index 1, 1.1, dan 1.2.
Konveyor index adalah perbandingan kecepatan linier konveyor dengan kecepatan maju unit pengangkat serasah tebu. Kecepatan linier konveyor dirancang lebih cepat dari kecepatan maju alat dan lebih lambat dari kecepatan linier reel penarik, sehingga konveyor index dirancang tertinggi 1.2.
Prototipe unit pengangkat dikondisikan bersih dari serasah pada saat sebelum pengujian. Tujuannya adalah untuk mengetahui persentase serasah tertinggal di bagian reel penarik dan konveyor setelah alat uji dioperasikan.
Pengukuran
Data pengukuran terdiri dari 2 jenis yaitu data tegangan pada 1 titik
transducer torsi yang diletakan pada poros konveyor dan data arus listrik (A) pada kabel listrik yang terhubung dengan motor listrik penggerak poros reel penarik. Tegangan listrik (V) juga diukur pada saat pengujian. Data tegangan pada poros konveyor direkam dengan datataker DT 500. Perekaman data arus listrik (A) digunakan digital clamp meter dan kamera digital.
Berat serasah tertinggal di bagian reel penarik dan bagian konveyor ditimbang dengan timbangan digital (ketelitian 1 gram) sesaat setelah alat uji selesai dioperasikan pada setiap ulangan pengumpanan. Dalam pengujian dilakukan juga observasi terhadap kinerja fungsi penarikan dan penyaluran dengan kamera video.
29
Pengolahan data
Data hasil pengukuran diolah menggunakan software excel untuk memperoleh grafik torsi pengambilan dan penyaluran. Adapun cara pengolahan data hasil pengukuran adalah mencari nilai rata-rata torsi penarikan dan torsi penyaluran sebelum pembeban dan setelah pembeban. Data serasah tertinggal diolah dengan mencari nilai rata-rata serasah tertinggal pada reel penarik, konveyor dan total 1 (satu) unit pengangkat.
Nilai tegangan pada poros konveyor dikonversi ke nilai regangan dengan memasukan hasil kalibrasi tegangan–regangan (µε/V). Kalibrasi tegangan– regangan (µε/V) dilakukan sesaat sebelum alat uji dioperasikan dan disetel maksimum pada strain 200 µε. Nilai regangan tersebut dikonversi ke nilai torsi dengan memasukkan hasil kalibrasi regangan-torsi (σ m/µε). Kalibrasi regangan-torsi (σ m/µε) dilakukan sebelum pengujian berlangsung.
(13)
Dimana :
T = Torsi (N m)
Vp = Voltase yang terukur (V)
A1 = Gradien kurva dari hasil kalibrasi regangan-torsi (σ m/µε)
A2 (14) Dimana : P = Daya (watt) T = Torsi (N m) N = Kecepatan putar (rpm)
Nilai arus listrik pada motor penggerak reel penarik dan tegangan listrik hasil pengukuran dikonversi ke nilai daya dengan persamaan (15). Daya aktual penarikan merupakan selisih antara daya pembebanan serasah dengan daya untuk menggerakan motor listrik itu sendiri.
= Gradien kurva dari hasil kalibrasi tegangan-regangan (µε/V)
Nilai torsi dikonversi ke nilai daya dengan persamaan :
31
Di mana : P = Daya (Watt)
V = Voltase yang terukur (Volt) I = Arus yang terukur (Ampere) Cos Q = faktor daya, digunakan 0.8
Data serasah tertinggal di bagian reel penarik dan konveyor dijadikan persentase terhadap berat awal serasah pengumpanan (8 kg).
(16)
(17)
(18)
Dimana :
= Persentase serasah tertinggal di reel penarik = Persentase serasah tertinggal di konveyor
= Persentase serasah tertinggal di unit pengangkat serasah = Berat serasah tertinggal di reel penarik (kg)
= Berat serasah tertinggal di konveyor (kg) = Berat serasah awal pengumpanan (kg)
Nilai kecepatan linier reel penarik dikonversi ke nilai Reel index. Reel index adalah perbandingan kecepatan linier reel penarik dengan kecepatan maju unit pengangkat serasah tebu.
(20)
Dimana :
Vr = kecepatan linier dari reel penarik (m/s)
Vupst = kecepatan maju dari unit pengangkat serasah tebu (m/s).
Nilai kecepatan linier konveyor dikonversi ke nilai Konveyor index. Konveyorindex adalah perbandingan kecepatan linier konveyor dengan kecepatan maju unit pengangkat serasah tebu.
(21) Dimana :
Vk = kecepatan linier dari konveyor (m/s) Vupst
Analisa data
= kecepatan maju dari unit pengangkat serasah tebu (m/s).
Analisa data dilakukan untuk menemukan hubungan berbagai perlakukan : 1. Hubungan kebutuhan daya konveyor (penyaluran) terhadap variasi
kecepatan putar reel penarik.
2. Hubungan kebutuhan daya penarikan terhadap variasi kecepatan putar konveyor penyalur.
3. Hubungan persentase serasah tertinggal terhadap variasi reel index. 4. Hubungan persentase serasah tertinggal terhadap variasi konveyor
index.
5. Hubungan daya dan kapasitas pengangkatan terhadap variasi kecepatan putar reel penarik dan konveyor.