Tempat dan Waktu
Penelitian ini dilaksanakan dari bulan Juli 2005 sampai dengan bulan Juli 2006. Identifikasi masalah dilaksanakan di kebun tebu dan divisi teknik Pabrik Gula Jatitujuh, Majalengka. Desain, pembuatan model dan prototipe dilaksanakan di bengkel Laboratorium Teknik Mesin Budidaya Pertanian Departemen Keteknikan Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Uji fungsional dilakukan di Laboratorium Lapangan Departemen Keteknikan Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Uji kinerja lapangan dilaksanakan di kebun tebu PG Jatitujuh Majalengka.
Alat dan Bahan Alat Penelitian
a. Peralatan pengukuran kondisi tanah yang terdiri dari: perlengkapan pengambilan contoh tanah (ring sample), penetrometer tipe SR-2, oven dan timbangan.
b. Peralatan simulasi dan perancangan yang terdiri dari : komputer dan software Computer Aided Design
c. Peralatan pembuatan prototipe ditcher, antara lain: las listrik, las LPG, gerinda tangan, gerinda duduk, bor tangan, bor duduk, mesin bubut, penggaris, meteran, busur, gunting, tang, obeng, kunci pas dan kunci ring. d. Instrumen pengukuran uji fungsional dan uji kinerja lapangan yang terdiri
dari penggaris stainless steel 100 cm dan 60 cm, busur derajat, waterpass, alat angkat (crane), pita ukur, relief meter, pengukur sudut, patok, load cell (Kyowa, LT-5TSA71C) dan handy-strain meter ( UCAM-1A), dan traktor roda 4 dengan daya 70 hp.
e. Dua unit traktor roda-4, masing-masing bertenaga 70 hp
Bahan Penelitian
a. Bahan pembuatan model terdiri dari : karton, lem, kayu batangan, seng dan paku.
b. Bahan pembuatan prototipe terdiri dari : besi plat tebal 10 mm, 8 mm, 6 mm, dan 3 mm, besi silinder pejal diameter 20 mm, 25 mm, 30 mm dan 70 mm,
c. besi pipa diameterluar 324 mm, 33 mm dan 30 mm, besi kanal UNP ukuran 38 mm x 76 mm tebal 5 mm dan 50 x 100 mm tebal 5 mm, besi siku ukuran 10 cm ×10 cm tebal 8 mm, 7 cm x 7 cm tebal 6 mm, dan 3 cm x 3 cm tebal 2 mm, baut, ring, mur, pillow block, flange bearing, pegas diameter 2 cm, cat dan perlengkapan lainnya.
Tahapan Penelitian
Metode yang digunakan pada penelitian ini adalah metode rancangan berdasarkan pendekatan fungsional dan struktural. Penelitian dilakukan dengan tahapan seperti ditunjukkan pada Gambar 14.
Analisis desain dan pembuatan gambar teknik Mulai
Perumusan dan penyempurnaan konsep desain
Pembuatan prototipe alat
Uji fungsional
Uji kinerja Berhasil
Selesai Modifikasi
Data dan informasi penunjang Pembuatan model Ya Tidak Tidak Ya Uji fungsional Berhasil Identifikasi masalah
Identifikasi masalah di lakukan di PG. Jatitujuh. Beberapa informasi dan data pendukung diperoleh dengan melakukan survei lapangan ke PG. Jatitujuh, yaitu : teknik budidaya tebu khususnya pembuatan saluran drainase, kondisi tanah khususnya sifat fisik dan mekanik tanah, bentuk dan ukuran guludan, ukuran penampang saluran drainase, ketersediaan tenaga penggerak dan masalah teknis yang dihadapi dalam pembuatan saluran drainase.
Ukuran guludan lahan plant cane hasil pengukuran ditunjukkan pada Gambar 15 (Lampiran 1.a).
Gambar 15 Ukuran guludan lahan plant cane.
Ukuran guludan lahan ratoon cane hasil pengukuran ditunjukkan pada Gambar 16 (Lampiran 1.b).
Gambar 16 Ukuran guludan lahan ratoon cane.
Penampang saluran drainase hasil pengerjaan rotary ditcher ditunjukkan pada Gambar 17 (Lampiran 1.c).
Gambar 17 Penampang saluran drainase hasil rotari ditcher.
135 cm 95 cm 30 cm 35 cm 40 cm 90 cm 560 16 cm 135 cm 55 cm 95 cm
Dimensi penampang ini adalah hasil dari pembentuk saluran drainase pada rotary ditcher seperti terlihat pada Gambar 18.
0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 120 Lebar (cm) T inggi (c m) (a) (b)
Gambar 18 Pembentuk saluran pada rotary ditcher (a) dan sketsa ukuran (b). Sinkage yang terjadi pada puncak guludan ditunjukkan pada Lampiran 1.d. Tahan penetrasi secara horizontal pada lereng guludan ditunjukkan pada Lampiran 1.e. Tahanan penetrasi pada puncak dan cekungan guludan ditunjukkan pada Gambar 19 (Lampiran 1.f).
0 10 20 30 40 50 60 70 0 500 1000 1500 2000
Tahanan penetrasi (kPa)
K e d a la ma n ( c m) puncakguludan cekungan guludan
Gambar 19 Tahanan penetrasi tanah pada guludan.
Kadar air tanah rata-rata pada saat pembuatan saluran drainase 18.74% di puncak guludan, 19.77% di lereng guludan dan 21.59% di cekungan guludan dengan bulk density rata-rata 1.14 gram/cm3 (Lampiran 1.g).
Penyempurnaan ide dan perumusan kondep desain berupa analisis permasalahan yang ada dan pengumpulan ide-ide pemecahan masalah dengan mempertimbangkan berbagai aspek yang terkait. Perumusan untuk menghasilkan beberapa konsep desain fungsional maupun desain struktural yang dilengkapi dengan gambar sketsa, prasyarat dan sistem yang mendukung efektifitas operasional alat di lapangan.
Beberapa sketsa alternatif desain fungsional ditcher adalah sebagai berikut: a. Konstruksi tegak.
Konsep ini mempunyai sudut rake angle (α) yang besar, sehingga memberikan tahanan drat tanah yang tinggi (Gambar 19.a). Konsep ini lebih hemat dalam penggunaan material dan lebih mudah dalam pembuatan.
b. Konstruksi landai.
Konsep ini mempunyai rake angle (α) yang lebih kecil, sehingga akan memberikan tahanan tarik yang rendah (Gambar 20.b). Kelandaian (rake angle ) dimaksudkan agar tanah buangan ditcher sedekat mungkin dengan posisi pengeruk. Konsep ini memerlukan material lebih besar dan lebih sulit dalam pembuatan.
(a) Tegak (b) Landai Gambar 20 Konsep konstruksi ditcher.
Beberapa sketsa alternatif desain fungsional dan struktural konstruksi penggerak pengeruk adalah sebagai berikut:
a. Konstruksi empat batang penghubung murni.
Konstruksi ini terdiri dari 2 bagian mekanisme empat batang penghubung, di mana posisi roda bantu dan pengeruk sejajar (Gambar 21). Gerakan naik turun roda menghasilkan gerakan mekanisme batang penghubung A. Pergerakan ini menyebabkan mekanisme batang penghubung B ikut bergerak karena dihubungkan oleh batang C. Perbedaan posisi pin batang C pada batang penghubung A dan B antara pin atas dan pin bawah, menyebabkan batang penghubung atas naik lebih tinggi sehingga pengeruk akan bergerak lebih tinggi.
Kelebihan dari mekanisme ini yaitu profil yang dibentuk oleh pengeruk berasal dari profil guludan itu sendiri dan tidak tergantung pada guludan yang dilewati.
Gambar 21 Konstruksi empat batang penghubung murni.
Kelemahan mekanisme ini, profil yang dihasilkan tidak sesuai dengan bentuk guludan awal (Gambar 22).
Gambar 22 Profil guludan akhir yang dibentuk oleh mekanisme empat batang penghubung murni.
b. Konstruksi empat batang penghubung sederhana.
Konstruksi ini menempatkan posisi roda bantu dan pengeruk pada guludan yang berbeda (Gambar 23). Prinsip kerja dan profil guludan akhir yang dihasilkan sama seperti mekanisme empat batang penghubung murni. Perbedaannya yaitu profil hasil pengerukan mekanisme ini tergantung pada profil guludan di depannya.
Gambar 23 Konstruksi empat batang penghubung sederhana.
Kelebihan dari konstruksi ini adalah sederhana. Namun profil yang dibentuk oleh pergerakan pengeruk masih belum mendekati guludan awal. Selain itu untuk melipatgandakan pergerakan pengeruk, maka batang penghubung harus memiliki jarak antar pin yang pendek. Hal ini membuat momen pada roda lebih besar. mekanisme empat batang penghubung B mekanisme empat batang penghubung A batang hubung C profil guludan baru profil guludan l
c. Konstruksi empat batang penghubung terbalik
Konstruksi ini membuat gerakan antara roda dan pengeruk secara terbalik (Gambar 24.a). Pada saat roda berada pada cekungan guludan, maka pengeruk akan berada pada puncak guludan awal sehingga profil akhir yang dihasilkan akan memberikan luasan yang terbalik (Gambar 24.b).
(a) Konstruksi (b) Profil guludan yang dihasilkan Gambar 24 Konstruksi dan profil guludan hasil mekanisme
empat batang penghubung terbalik.
Kelebihan dari mekanisme ini adalah bentuknya yang relatif kecil dan tidak terlalu panjang. Profil yang dihasilkan tidak sesuai dengan yang diharapkan karena menghasilkan profil akhir yang terbalik dari profil guludan awal. Selain itu, ruang yang tersedia untuk mekanisme hanya sepanjang 65 cm. Profil pergerakan roda dikhawatirkan terganggu oleh tumpahan tanah dibelakangnya. Kelemahan yang lain yaitu perlunya gaya bantu agar roda dapat turun.
d. Konstruksi lengan ayun
Konstruksi ini menggunakan mekanisme empat batang penghubung untuk menjaga roda dan pengeruk agar selalu berada pada posisi horizontal. Pengeruk bekerja berdasarkan gerakan roda yang di transmisikan melalui poros (Gambar 25.a).
(a) Konstruksi (b) Profil guludan yang dihasilkan Gambar 25 Konstruksi dan profil guludan hasil mekanisme lengan ayun.
profil guludan baru
profil guludan awal
profil guludan
baru profil
Kelebihan dari mekanime ini adalah profil gerakan pengeruk mendekati bentuk guludan awal (Gambar 25.b). Kelemahan mekanisme ini yaitu roda dan pengeruk akan bergeser ke samping ketika bergerak naik. Selain itu apabila sistem ini tidak bekerja dengan baik, maka roda penggeraknya akan menggusur tanah pada puncak guludan.
Beberapa sketsa alternatif desain fungsional rangka adalah sebagai berikut: a. Konstruksi segiempat.
Rangka konstruksi ini berbentuk persegi (Gambar 26.a). Konstruksi ini sesuai untuk penggunaan mekanisme lengan ayun dengan poros tidak menyudut. Kelebihan kontruksi ini pengerjaanya lebih sederhana. Kekurangannya, posisi pengeruk harus dibelakang rangka dan menggunakan bahan yang lebih banyak. b. Konstruksi segitiga.
Rangka konstruksi ini berbentuk segitiga (Gambar 26.b). Konstruksi ini sesuai untuk penggunaan mekanisme lengan ayun dengan poros menyudut. Kelebihan konstruksi ini yaitu posisi lengan pengeruk dapat diletakkan menyamping dan menghemat penggunaan bahan konstruksi. Kekurangannya, untuk pengerjaan konstruksi ini lebih sulit.
(a) Bentuk segi empat (b) Bentuk segi tiga Gambar 26 Alternatif desain rangka.
Berdasarkan pertimbangan fungsional, struktural, penggunaan bahan dan estetika, maka dipilih ditcher dengan konstruksi landai, konstruksi penggerak pengeruk menggunakan mekanisme lengan ayun dan rangka berbentuk segitiga.
Analisis desain dengan melakukan analisis teknik termasuk dimensi dan kekuatan bahan, dengan mempertimbangkan faktor-faktor luar dan dilanjutkan dengan membuat gambar teknik konsep desain yang dipilih dengan bantuan komputer.
Pembuatan model dengan skala tertentu dilakukan untuk melihat apakah mekanisme tersebut sudah berfungsi dengan baik atau tidak. Hal ini bertujuan agar dapat dilakukan koreksi jika terjadi kesalahan sebelum pembuatan prototipe sehingga meminimumkan waktu dan biaya pembuatan.
Pembuatan prototipe dilakukan menggunakan mesin-mesin produksi. Prototipe merupakam hasil dari penelitian ini. Prototipe di buat apabila model yang dibuat sudah sesuai dengan rancangan fungsional.
Uji fungsional dilakukan untuk mengetahui dan memastikan tiap-tiap bagian prototipe dapat berfungsi dengan baik. Pengujian dilakukan untuk memperoleh kesesuaian pergerakan roda penggerak dengan pergerakan pengeruk tanah dan gaya pengeruk yang terjadi akibat naik turunya roda.
Modifikasi prototipe dilakukan untuk penyempurnaan desain berdasarkan permasalahan yang timbul dari hasil pengujian. Dengan modifikasi diharapkan alat dapat bekerja secara efektif di lapangan.
Uji kinerja yang dilakukan yaitu uji kesesuaian pergerakan mekanisme pengeruk terhadap profil guludan, kondisi dan karakteristik saluran drainase yang dihasilkan, serta hasil pengerukan tanah pada cekungan guludan.
Prosedur Pengujian Persiapan Alat Ukur
Pembuatan alat relief meter menggunakan bahan rangka dari aluminium berbentuk C dengan panjang 160 cm, lebar 6 cm, dan tinggi 10 cm. Kaki relief meter terbuat dari besi beigel dengan diameter 19 mm dan panjang 110 cm sebanyak 2 buah. Pin yang digunakan dari bahan beigel stainless steel dengan diameter 4 mm dan panjang 90 cm sebanyak 30 buah. Jarak antar pin yang digunakan adalah 5 cm (Gambar 27.a).
Gambar 27 Alat ukur profil guludan dan kemiringan dinding saluran drainase. Alat ukur lainnya yaitu pengukur sudut (aluminium bentuk panjang 110 cm, lebar 15 mm, dengan ditempeli penggaris busur) (Gambar 27.b), penggaris stainless (60 cm dan 100 cm), patok, stopwatch dan alat ukur lainnya. Dalam persiapan instrumen sebelum pengujian lapangan juga dilakukan kalibrasi load cell dan kalibrasi strain amplifier (Gambar 28.a). Load cell dihubungkan dengan handy strain meter, kemudian digantungkan ke sebuah crane, lalu load cell tersebut diberi beban (Gambar 28.b). Load cell yang digunakan adalah tipe Kyowa, LT-5TSA71C. Handy strain meter yang digunakan adalah tipe Kyowa, UCAM-1A.
Pembebanan pada load cell dilakukan secara bertahap. Pada masing-masing pembebanan yang diberikan, hasil yang terbaca pada handy strain meter dicatat. Pembebanan dilakukan dua kali dengan cara pembebanan terbalik. Hasilnya diolah sehingga diperoleh persamaan hubungan beban (N) dan regangan pada load cell (μ ) seperti ditunjukkan pada Lampiran 2.
(a) Handy strain meter dan load cell (b) Kalibrasi load cell Gambar 28 Instrumen dan kalibrasi load cell.
Uji Fungsional
Uji mekanisme dilakukan untuk mengetahui kesesuaian mekanisme rancangan dengan prototipe hasil rancangan. Parameter-parameter yang diukur adalah hubungan ketinggian roda terhadap ketinggian pengeruk, pergeseran roda, pergeseran pengeruk, gaya angkat roda dan kesesuaian roda kanan dan kiri. Alat yang digunakan penggaris, alat angkat (crane), load cell dan handy-strain meter.
Persiapan Lahan Uji
Sebelum pengujian kinerja ditcher berpengeruk, terlebih dahulu dilakukan persiapan lahan uji. Persiapan lahan uji yang dimaksud adalah pengkondisian lahan uji agar sesuai dengan kondisi kerja alat. Persiapan lahan uji ini dilakukan di lahan uji Leuwikopo dan lahan uji PG. Jatitujuh. Pada awal persiapan ini lahan yang akan diuji dibajak dengan menggunakan alat bajak piring. Pembajakan dilakukan sebanyak 2 kali, dimana arah pembajakan 2 melintang arah pembajakan 1. Tenggang waktu antara pembajakan 1 dan pembajakan 2 adalah sekitar 3 – 7 hari, tergantung kondisi cuaca, hal ini dimaksudkan agar kondisi tanah hasil pembalikkan oleh pembajakan 1 mengalami pengeringan, sehingga mempermudah proses pembajakan 2. Setelah pembajakan 2 dilakukan, tanah hasil pembajakan 2 ini dibiarkan mengering sekitar 3 – 7 hari untuk selanjutnya dilakukan penggaruan dengan alat garu piring. Kegiatan selanjutnya adalah pengkairan (pembuatan guludan) dengan menggunakan furrower. Bentuk guludan disesuaikan dengan ukuran yang direncanakan menggunakan mal yang telah dibuat.
Sebelum dilakukan pengujian, terlebih dahulu dilakukan pengamatan kondisi tanah pada tempat pengujian. Kondisi tanah yang diamati adalah kadar air, tahanan penetrasi, kohesi dan adhesi tanah. Pengambilan titik pengukuran dilakukan secara acak.
Pengukuran Kondisi Tanah
Kadar Air dan Kerapatan Isi Tanah. Untuk pengukuran kadar air tanah diambil contoh tanah dengan perlengkapan pengambil contoh tanah (ring sample) pada kedalaman 0 - 10 cm, 10 – 30 cm, dan 30 - 40 cm dari permukaan tanah. Pengambilan contoh tanah dilakukan pada 10 titik pengukuran secara acak
pada masing-masing kedalaman. Cara pengukuran dan perhitungan kadar air dan kerapatan isi tanah ditunjukkan pada Lampiran 3. Peralatan pengukuran kadar air dan kerapatan isi tanah seperti ditunjukkan pada Gambar 29.
Gambar 29 Peralatan pengukuran kadar air.
Tahanan Penetrasi Tanah. Tahanan penetrasi diukur dengan menggunakan penetrometer tipe SR-2 (Gambar 30). Luas penampang kerucut yang digunakan adalah 2 cm2 dengan sudut kerucut 300. Pengukuran tahanan penetrasi dilakukan hingga kedalaman yang dianggap mewakili kedalaman pengolahan oleh ditcher sebanyak 10 kali ulangan tiap kedalamannya. Tahanan penetrasi dihitung dengan rumus:
Ak Fp
Tp= 98 ... (1) di mana:
Tp = tahanan penetrasi (kPa),
Fp = gaya penetrasi terukur pada penetrometer ditambah dengan berat Penetrometer(kgf)
Ak = penampang kerucut (2 cm2).
Kohesi dan Sudut Gesek Dalam. Pengukuran tahanan geser tanah dilakukan dengan menggunakan gelang geser dan lengan torsi untuk menghitung nilai kohesi tanah pada puncak dan cekungan guludan (Gambar 31). Cara pengukuran dan perhitungan nilai kohesi tanah seperti ditunjukkan pada Lampiran 4
Gambar 31 Pengukuran tahanan geser tanah.
Adhesi dan sudut Gesek Tanah Baja. Pengukuran tahanan gesek tanah-baja dilakukan dengan menggunakan gelang gesek dan lengan torsi untuk
menghitung nilai adhesi tanah pada puncak dan dasar guludan (Gambar 32). Cara pengukuran dan perhitungan nilai adhesi tanah seperti ditunjukkan pada
Lampiran 5.
Gambar 32 Pengukuran tahanan gesek tanah.
Pengukuran Kinerja Ditcher Berpengeruk
Pengukuran Bentuk dan Ukuran Saluran Drainase. Pengukuran kedalaman pengolahan aktual didekati dengan cara memasukkan penggaris (ukuran 60 cm) tegak lurus ke dalam alur pengolahan (tengah saluran) sehingga
Arah maju traktor
Lintasan roda traktor
Patok 25 m Patok
Trakto
ujung penggaris menyentuh dasar alur yang keras. Selain pengukuran kedalaman juga dilakukan pengukuran sudut kemiringan, lebar dasar dan lebar atas saluran.
Pengukuran Perubahan Kondisi Guludan. Pengukuran dilakukan pada kondisi guludan awal, profil guludan hasil pengerukan secara sejajar dan melintang dan profil pada lintasan roda bantu menggunakan relief meter (Gambar 33).
Pengukuran Kecepatan Maju Pengolahan. Kecepatan maju pengolahan diukur dengan cara mengukur waktu tempuh traktor pada jarak tempuh 25 m dengan menggunakan stop watch (Gambar 34). Kecepatan maju dihitung dengan rumus:
t s
V = ... (2) di mana :
V = kecepatan maju pengolahan (m/detik), s = jarak tempuh (25 m) dan
t = waktu tempuh pada jarak s (detik).
Gambar 34 Pengukuran kecepatan maju traktor pada waktu pengolahan. sejajar pada lintasan roda
sejajar pada puncak guludan
melintang pada dasar guludan
melintang pada puncak guludan
Pengukuran Tahanan Tarik. Ditcher berpengeruk digandengkan pada traktor roda empat (disebut traktor 2) seperti yang terlihat pada Gambar 35. Selanjutnya traktor 2 digandengkan pada traktor roda empat lainnya (disebut traktor 1) yang menarik traktor 2. Titik tarik bagian depan traktor 2 dibuat sama tinggi dengan titik gandeng (drawbar) traktor 1 sehingga arah tarikan menjadi horizontal. Gaya tarik traktor diukur dengan sebuah load cell yang dipasangkan pada kawat penarik yang menghubungkan antara traktor 1 dan traktor 2. Pengujian dilakukan dengan implemen bekerja dan implemen tidak bekerja.
Tahanan tarik pembajakan merupakan selisih dari gaya tarik ketika ditcher berpengeruk dioperasikan dengan gaya tarik ditcher berpengeruk tidak dioperasikan. Tahanan tarik dihitung dengan rumus:
Ptr P
s= 1−
P ... (3) dimana:
Ps = tahanan tarik ditcher lengan ayun (N),
P1 = tahanan tarik yang terukur saat percobaan (N) dan
Ptr = tahanan gelinding traktor ketika bajak tidak dioperasikan (N).
Pengukuran Kapasitas Lapang, dan Slip Roda Traksi. Kapasitas lapang teoritis didapatkan dengan pengukuran waktu mulai dan selesai bekerja ditcher berpengeruk pada luas lahan yang diolah. Slip roda traksi diukur dengan cara mengukur jarak yang ditempuh dalam lima putaran roda traksi di lapangan saat pengoperasian ditcher berpengeruk kemudian dibandingkan dengan jarak tempuh lima putaran roda traksi di lahan keras (aspal). Pengukuran slip roda traksi dilakukan pada tiap lintasan. Slip roda kiri dan kanan pengukurannya
Gambar 35 Pengukuran tahanan tarik ditcher.
Traktor 1 Traktor 2
Guludan
Ditcher Load cell
dilakukan secara terpisah. Pengukuran dilakukan dengan mengukur 1 tingkat kecepatan dengan 10 kali ulangan kecepatan maju pengolahan. Diukur juga lebar pengolahan, waktu belok, luas lahan diolah, sehingga akan didapatkan kapasitas lapang teoritis dan kapasitas lahan efektif.
Pengukuran slip roda dilakukan dengan mengukur jarak tempuh 5 kali putaran roda dengan beban dan mengukur jarak tempuh 5 kali putaran roda tanpa beban, kemudian slip roda traktor dapat dihitung dengan menggunakan rumus berikut : Slip = −⎜⎜⎝⎛ ⎟⎟⎠⎞ o i S S 1 x 100... (4) di mana : So = jarak tempuh teoritis 5 kali putaran roda,
Si = jarak tempuh 5 kali putaran roda sebenarnya.
Pengukuran waktu kerja dilakukan pada saat traktor roda 4 mulai mengolah lahan sampai selesai untuk jarak 30 m. Pengukuran kecepatan maju dilakukan dengan mengukur waktu tempuh traktor roda 4 sepanjang 25 m. Kapasitas lapang teoritis (ha/jam) dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut :