ANALISIS EMPIRIS KINERJA TRAKSI
RODA RAMPING BERSIRIP DI LAHAN BASAH
UBAIDILLAH
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis berjudul Analisis Empiris Kinerja Traksi Roda Ramping Bersirip di Lahan Basah adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor.
RINGKASAN
UBAIDILLAH. Analisis Empiris Kinerja Traksi Roda Ramping Bersirip di Lahan Basah. Dibimbing oleh WAWAN HERMAWAN dan RADITE PRAEKO AGUS SETIAWAN.
Mekanisasi pertanian di Indonesia umumnya masih terfokus pada proses pengolahan lahan dan proses pasca panen, serta belum berkembang dengan optimal di proses perawatan tanaman. Kegiatan-kegiatan budidaya yang terkait pemeliharaan tanaman seperti aplikasi pupuk atau pestisida dan penyiangan gulma, belum dilakukan secara mekanis penuhdanmasih merupakan kegiatan yang selama ini merupakan kegiatan dengan kebutuhan tenaga kerja yang cukup besar. Pengembangan sebelumnya terkait roda besi bersirip sebagai komponen penghasil traksi masih berfokus pada proses penyiapan lahan dengan sirip bertapak lebar dan tidak sesuai untuk mesin perawatan tanaman. Roda besi bersirip untuk perawatan tanaman harus memiliki lebar sirip yang lebih kecil karena lebar alur tanaman yang terbatas dan meminimalkan kerusakan pada tanaman. Guna perancangan dan pengembangan mesin perawatan tanaman di Indonesia, diperlukan pemahaman lebih dalam tentang performansi traksi dan parameter-parameter terkait lainnya terkait roda ramping bersirip dengan lebar sirip terbatas (14 cm) pada lahan sawah berlumpur.Tujuan dari penelitian ini adalah melakukan analisis empiris performansi traksi dari beberapa kombinasi spesifikasi roda ramping bersirip meliputi variasi jumlah sirip (10, 12 dan 14 buah); sudut pemasangan sirip (30°; 45° dan 60°); dan panjang sirip (8, 12 dan 14 cm).
Penelitian dilakukan dengan dua tahapan berurutan, meliputi a) tahap disain roda ramping bersirip yang dilanjutkan dengan proses pabrikasi; b) tahap uji performansi traksi aktual di lahan basah berlumpur dengan traktor tangan. Adapun parameter performansi traksi yang diamati meliputi gaya tarikan, kecepatan maju traktor, torsi roda, kecepatan anguler roda, ketenggelaman roda, slip roda serta efisiensi traksi. Pengujian kinerja traksi dilakukan pada lahan sawah berlumpur dengan lintasan lurus sepanjang ±20m. Selama traktor melintas, diberikan pembebanan oleh perangkat pembebanan yang disambungkan dengan tiga titik gandeng traktor seiring bergerak majunya traktor dan dilakukan perekaman beban yang diberikan. Parameter torsi dan ketenggelaman roda direkam oleh sistem akuisisi data yang dilakukan selama traktor melintas. Adapun parameter jarak tempuh linear dan waktu tempuh linear diukur pada setiap satu putaran penuh roda. Parameter jarak tempuh pada setiap titik pengamatan dimanfaatkan untuk perhitungan parameter kecepatan linear dan slip roda. Parameter waktu tempuh dimanfaatkan untuk perhitungan parameter kecepatan linear dan kecepatan anguler roda, serta sebagai basis sinkronisasi data parameter torsi, gaya tarik traktor, ketenggelaman roda. Hasil parameter amatan disajikan dalam bentuk grafik dan dilakukan analisis matematis.
SUMMARY
UBAIDILLAH. Empirical Analysis of Narrow Lugged Wheel Tractive Performance. Supervised by WAWAN HERMAWAN and RADITE PRAEKO AGUS SETIAWAN.
Mechanization in Indonesian agriculture recently is still on land preparation and post harvest practices but lack on plant cultivation practices, such as weed control and chemical and fertilizer application currently labor intensive. Furthermore, any appropriate machines for paddy production are still facing the mobility problem in muddy paddy field due lack of traction. Previous development of lugged wheel as traction tools still focused on land preparation with wider lug and not suitable for nursery machines. Lugged wheels for post-plantingapplication must be have smaller lug width because of limited inter-row plant spacing and also prevent it to cause any damage for crops. In order to design and develop nursery machines in Indonesia, it necessary to get better understanding about narrow lugged wheel tractive performance and related traction behavior with limited lug width (14 cm) on the actual paddy field.The aim of present study was to determine tractive performance of narrow lugged wheel with several design parameters, i.e. lug spacing (10, 12 and 14 of lugs); lug angle (30°; 45° and 60°); and lug length dimension (8, 12 and 14 cm).
The research was conducted on two sequential steps, i.e. a) designing and pabrication of narrow lugged wheel; and b) actual tractive performance test of narrow lug wheel on muddy paddy field with hand tractor. The experiment was conducted on an actual paddy field and some tractive performances were determined, i.e. drawbar pull, forward speed, wheel torque, wheel angular speed, wheel sinkage, wheel slip and tractive efficiency. Actual tractive performance test conducted on ±20 m of straight muddy paddy field. As hand tractor move forward, a drought load was applied by adjustable load apparatus that towed to hand tractor hitch. Wheel torque and sinkage was recorded by data acquisition system from start to finish point. Traveling time and distance parameters were measured for each full wheel rotation during the test. Traveling distance parameter for each full wheel rotation was used for linear travel speed and wheel slip calculation input, meanwhile traveling time parameter was used as a time synchronization basis for wheel torque, drawbar pull and wheel sinkage. All wheel tractive performances parameters were showed graphically and mathematically analyzed.
with 30° lug angle and 30° lug spacing with 12 cm of lug length dimension is recommended for further development of narrow lugged wheel.
© Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2016
Hak Cipta Dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan IPB
Tesis
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains
pada
Program Studi Teknik Mesin Pertanian dan Pangan
ANALISIS EMPIRIS KINERJA TRAKSI
RODA RAMPING BERSIRIP DI LAHAN BASAH
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR
Judul Tesis :Analisis Empiris Kinerja Traksi Roda Ramping Bersirip di Lahan Basah
Nama : Ubaidillah NIM : F151130121
Disetujui oleh Komisi Pembimbing
Dr Ir Wawan Hermawan, MS Ketua
Dr Ir Radite PA Setiawan, MAgr Anggota
Diketahui oleh
Ketua Program Studi
Teknik Mesin Pertaniandan Pangan
Dr Ir Y Aris Purwanto, MSc
Dekan Sekolah Pascasarjana
Dr Ir Dahrul Syah, MScAgr
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah subhanahu wa ta’ala atas segala karunia-Nya sehingga laporan penelitian ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih dalam penelitian yangtelah dilaksanakan sejak bulan Februari 2015 ini ialah Teramekanik, dengan judul Analisis Empiris Kinerja Traksi Roda Ramping Bersirip di Lahan Basah.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Dr. Ir.Wawan Hermawan, MS dan Bapak Dr. Ir. Radite PA Setiawan, M.Agr selaku pembimbing yang telah banyak memberi saran, arahan dan bimbingan kepada penulis selama pelaksanaan penelitian dan proses penulisan laporan penelitian ini. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada (alm)Bapak, Ibu, serta seluruh keluarga, atas segala doa dan dukungannya. Ucap terima kasih juga penulis sampaikan pada laboran dan teknisi pada laboratorium di lingkungan Program Studi Teknik Mesin Pertanian dan Pangan IPB, serta rekan dan sahabat di Program Studi Teknik Mesin Pertanian dan Pangan Sekolah Pascasarjana IPB angkatan 2013.
Semoga tesis ini bermanfaat dan dapat memberikan nilai tambah pada sektor pertanian di Indonesia sebagaimana yang telah diharapkan.
‘Pengetahuan baru menimbulkan ketidaktahuan baru. Di ujung setiap ilmu pengetahuan adalah kebodohan abadi’
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL xiv
DAFTAR GAMBAR xiv
DAFTAR LAMPIRAN xv
1 PENDAHULUAN 1
Latar Belakang 1
Perumusan Masalah 1
Tujuan Penelitian 2
Manfaat Penelitian 2
Ruang Lingkup Penelitian 2
2 TINJAUAN PUSTAKA 3
Karakteristik Tanah Lahan Basah 3
Kemampuan Dilintasi (Traffic-ability) pada Lahan Basah 4
Roda Besi Bersirip 5
Analisis Traksi Roda 11
Analisis Sirip Aktif dan Gaya Reaksi Tanah 14
3 METODE PENELITIAN 15
Waktu dan Tempat 15
Alat dan Bahan 16
Prosedur Penelitian 17
Perhitungan Kinerja Traksi 22
Prosedur Pengolahan Data 23
Pemilihan Spesifikasi Roda Terbaik 23
Analisis Sirip Aktif dan Pendugaan Gaya Reaksi Tanah 23
4 HASIL DAN PEMBAHASAN 25
Sifat Fisik Tanah serta Spesfikasi Roda Uji dan Traktor 25 Hubungan Tenaga Tarik serta Beban Terhadap Slip Roda 29 Effisiensi Traksi dan Hubungannya terhadap Beban 34
Spesifikasi Roda Ramping Bersirip Terbaik 38
Ketenggelaman Roda dan Pendugaan Gaya Reaksi Tanah 39
5 SIMPULAN DAN SARAN 41
Simpulan 41
Saran 41
DAFTAR PUSTAKA 42
RIWAYAT HIDUP 52
LAMPIRAN 43
DAFTAR TABEL
1 Jumlah sirip yang dibutuhkan berdasarkan nilai slip lahan yang
dilintasi (Sakai et al. 1998) 9
2 Jumlah sirip yang dibutuhkan berdasarkan kondisi lahan yang
dilintasi (Sakai et al. 1998) 9
3 Jumlah jari-jari (spoke) yang dibutuhkan berdasarkan diameter roda
yang digunakan (Sakai et al. 1987) 10
4 Kisaran kecepatan maju traktor roda dua yang direkomendasikan
pada berbagai operasi (Sakai et al. 1998) 12
5 Hasil analisis regresi tahanan penetrasi tanah terhadap plat 27 6 Spesifikasi teknis roda uji dan traktor tangan 27 7 Hasil analisis regresi hubungan slip roda terhadap terhadap tenaga
tarik pada dimensi sirip 14 cm × 8 cm 29
8 Hasil analisis regresi hubungan slip roda terhadap terhadap tenaga
tarik pada dimensi sirip 14 cm × 12 cm 30
9 Hasil analisis regresi hubungan slip roda terhadap terhadap tenaga
tarik pada dimensi sirip 14 cm × 14 cm 31
10 Hasil simulasi dan pengukuran nilai tenaga tarik maksimum terhadap
slip roda pada dimensi sirip 14 cm × 8 cm 33
11 Hasil simulasi dan pengukuran nilai tenaga tarik maksimum terhadap
slip roda pada dimensi sirip 14 cm × 12 cm 33
12 Hasil simulasi dan pengukuran nilai tenaga tarik maksimum terhadap
slip roda pada dimensi sirip 14 cm × 14 cm 33
13 Hasil pengukuran nilai tenaga tarik maksimum dan effisiensi traksinya terhadap slip roda pada dimensi sirip 14 cm × 8 cm 34 14 Hasil pengukuran nilai tenaga tarik maksimum dan effisiensi
traksinya terhadap slip roda pada dimensi sirip 14 cm × 12 cm 35 15 Hasil pengukuran nilai tenaga tarik maksimum dan effisiensi
traksinya terhadap slip roda pada dimensi sirip 14 cm × 14 cm 35 16 Hasil simulasi matematik gaya reaksi tanah terhadap sirip aktif pada
berbagai ketenggelaman roda (z) 39
DAFTAR GAMBAR
1 Ilustrasi hubungan antara traktor dan roda (Sakai et al. 1987) 6 2 Kurva gerakan sirip tunggal roda (Sakai et al. 1987) 6 3 Kurva gerakan sirip-sirip roda (Sakai et al. 1987) 7 4 Ilustrasi sudut pemasangan sirip atau lug installing angle (αf) (Sakai
et al. 1987) 9
5 Ilustrasi straight running lug (Sakai et al. 1987) 10 6 Ilustrasi gaya-gaya yang bekerja pada roda tunggal (Mas et al. 2011) 11 7 Ilustrasi gaya-gaya reaksi tanah terhadap sirip tunggal aktif
(Hermawan et al. 1997, 2000) 15
8 Skema pengukuran tahanan penetrasi tanah terhadap plat 17
9 Ilustrasi prosedur pengujian traksi 20
12 Skema sistem akuisisi data parameter torsi dan ketenggelaman roda 22
13 Ilustrasi perangkat pembebanan 22
14 Ilustrasi gaya-gaya reaksi tanah 23
15 Nilai rataan gaya dan tekanan pada masing-masing sudut penekanan
dan ukuran plat 26
16 Roda uji dan siripnya 28
17 Hubungan tenaga tarik terhadap slip dan slip terhadap beban tarik
pada dimensi sirip 14 cm × 8 cm 29
18 Hubungan tenaga tarik terhadap slip dan slip terhadap beban tarik
pada dimensi sirip 14 cm × 12 cm 30
19 Hubungan tenaga tarik terhadap slip dan slip terhadap beban tarik
pada dimensi sirip 14 cm × 14 cm 31
20 Hubungan effisiensi traksi terhadap beban pada dimensi sirip 14 cm ×
8 cm 35
21 Hubungan effisiensi traksi terhadap beban pada dimensi sirip 14 cm ×
12 cm 36
22 Hubungan effisiensi traksi terhadap beban pada dimensi sirip 14 cm ×
14 cm 37
DAFTAR LAMPIRAN
1 Data rataan tahanan penetrasi tanah terhadap palat pada berbagai
kedalaman dan sudut tekan 44
2 Data rataan kalibrasi strain gauge dan potensiometer linear 45 3 Hasil analisis statistik pengaruh faktor perlakuan terhadap tenaga
tarik maksimum dan efisiensi traksi 46
4 Skema rim roda dan dudukan sirip 47
5 Skema rim roda dan dudukan sirip 48
6 Skema pemasangan sirip 49
1
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Penelitian terkait performansi traksi roda bersirip di lahan basah berlumpur telah banyak dilakukan sebelumnya, mengingat performansinya yang lebih unggul dan pembuatan yang lebih mudah dan murah jika dibandingkan dengan roda karet (Soekarno dan Salokhe, 2003). Penelitian-penelitian terkait performansi traksi roda bersirip di lahan basah berlumpur umumnya banyak dilakukan secara ex-situ dengan media bak tanah (soil bin), seperti yang dilakukan oleh Wayotha dan Salokhe (2001); dan Soekarno dan Salokhe (2003). Penelitian terkait performansi traksi roda bersirip di lahan basah berlumpur sebelumnya juga dilakukan langsung di lahan (in-situ) sebagaimana yang dilakukan oleh Triratanasirichai et al. (1990). Semua penelitian yang disebutkan sebelumnya menggunakan roda bersirip dengan spesifikasi bertapak lebar.
Di Indonesia, pengaplikasian mekanisasi masih terbatas pada penyiapan lahan dan belum berkembang baik pada proses perawatan pasca tanam. Kendala yang dihadapi dalam mengembangkan alat mekanisasi untuk perawatan pasca tanam yaitu mobilisasi di lahan. Roda traksi yang beredar di kalangan petani umumnya bertapak lebar, sehingga penggunaan roda dengan spesifikasi tersebut kurang sesuai mengingat sela di antara alur tanaman yang umumnya sempit dan justru berpotensi menimbulkan kerusakan fisik pada tanaman yang sedang dibudidayakan.
Beberapa solusi yang ditawarkan oleh peneliti sebelumnya terkait permasalahan tersebut adalah menggunakan komponen traksi yang lebar tapaknya disesuaikan dengan jarak sela antaralur tanaman (inter-row space). Kim et al. (2012) menggunakan komponen traksi berupa crawler berbahan karet yang lebar tapaknya telah disesuaikan dengan jarak sela antaralur tanaman pada disain penyiang gulma nirawak untuk tanaman padi di lahan sawah. Choi et al. (2015) menggunakan komponen traksi berupa roda berbentuk ulir yang diameter ulirnya disesuaikan dengan jarak sela antaralur tanaman pada desain robot penyiang yang didesainnya. Solusi yang ditawarkan oleh penelitian ini adalah dengan menggunakan roda ramping bersirip sebagai roda penggerak di lahan berlumpur untuk operasi perawatan tanaman. Roda ramping bersirip (narrow lugged wheels) dengan tapak lebar roda yang terbatas memungkinkan alat mekanisasi untuk melintas diantara alur tanaman padi.
Dari permasalahan yang telah dijelaskan, dipandang perlu dilakukan sebuah kajian empiris terkait performansi traksi roda ramping bersirip di lahan berlumpur yang dimaksudkan sebagai salah satu tahapan awal dalam pengembangan alat mekanisasi pertanian untuk proses perawatan tanaman.
Perumusan Masalah
2
dengan alur pertanaman menjadi kendala yang coba dipecahkan pada penelitian ini. Dengan penelitian ini, didapatkan data kuantitatif empiris terkait kinerja traksi roda ramping bersirip pada berbagai spesifikasi di lahan basah berlumpur. Data kuantitatif yang didapatkan akan menjadi bahan pertimbangan evaluasi dan rekomendasi untuk keperluan perancangan dan penyempurnaan desain roda ramping bersirip di lahan basah berlumpur.
Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah mengidentifikasi dan mengkaji secara empiris hubungan faktor konfigurasi dan spesifikasi roda ramping bersirip meliputi variasi jumlah sirip, ukuran plat sirip dan sudut sirip terhadap parameter terkait kinerja traksi roda bersirip ramping meliputi tenaga tarik, ketenggelaman roda, slip roda serta efisiensi traksi. Dengan data hasil pengamatan, identifikasi dan komparasi, tujuan utama dari penelitian ini adalah untuk memperoleh kombinasi faktor konfigurasi dan spesifikasi dari roda ramping bersirip dengan kinerja traksi paling optimum untuk digunakan pada pada operasi di sela alur tanaman padi.
Manfaat Penelitian
Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini meliputi tiga sasaran, meliputi peneliti, pabrikan alat mekanisasi dan petani secara umum. Bagi peneliti, hasil penelitian ini diharapkan menjadi sumbangan keilmuan dalam usaha pengembangan alat mekanisasi pertanian untuk proses perawatan tanaman. Bagi pabrikan produsen alat mekanisasi pertanian, hasil penelitian ini diharapkan menjadi pertimbangan teoritis dalam proses perancangan roda traksi pada alat mekanisasi pertanian untuk proses perawatan tanaman. Serta bagi petani secara umum diharapkan hasil penelitian ini mampu memberikan manfaat tidak langsung berupa alat mekanisasi perawatan tanaman yang sesuai dengan kondisi lahan di Indonesia sehingga mampu meningkatkan efisiensi proses budidaya tanaman padi.
Ruang Lingkup Penelitian
Agar penelitian dapat mengarah pada tujuan, maka beberapa faktor yang mempengaruhi penelitian dibatasi sebagaimana berikut.
1. Traktor tangan yang merepresentasikan alat mekanisasi pertanian untuk pengujian performansi traksi roda ramping bersirip adalah traktor tangan Yanmar, tipe Bromo DX dengan penggerak motor diesel, satu silinder horizontal 4 langkah, tenaga maksimum 8.5 HP pada 2200 rpm.
2. Lahan yang menjadi objek kajian merupakan lahan laboratorim lapang yang dikondisikan melumpursebagaimana pertanaman padi.
3. Kajian empiris hanya terkait pada kinerja traksi rodaramping bersirip, meliputi tenaga tarik, ketenggelaman roda, slip roda serta efisiensi traksi, dan membatasi ruang lingkup kajian dari pengaruhnya dari sisi agronomis terhadap pertumbuhan tanaman.
3
2
TINJAUAN PUSTAKA
Karakteristik Tanah Lahan Basah
Dalam usaha tani masyarakat skala kecil yang umumnya ada di Asia dan Indonesia khususnya, lahan usaha tani dibedakan menjadi dua, yaitu lahan kering dan lahan basah. Kondisi inilah yang menyebabkan traktor tangan dapat digolongkan menjadi dua tipe, yaitu jenis traktor tangan untuk digunakan pada lahan kering dan jenis lainnya yaitu traktor tangan untuk digunakan pada lahan sawah dan tanah kering (Sakai et al. 1998). Lahan untuk pertanaman tanaman padi umumnya dikondisikan dalam kondisi melumpur. Proses pelumpuran umumnya diasosiasikan dengan kegiatan pengecilan atau penghancuran agregat tanah hingga pertikel terkecil. Sharma dan De Datta (1985) mendefinisikan proses pelumpuran sebagai reduksi mekanis terhadap volume spesifik tanah (apparent specific volume of soil). Petani umumnya melakukan proses pelumpuran dengan cara mengairi lahan hingga lahan melunak untuk proses penanaman padi dan dapat menahan air. Kondisi lahan yang melumpur dapat menghambat pertumbuhan gulma dan mengurangi tingkat perkolasi yang menyebabkan kehilangan nutrisi.
Terkait dengan permukaan yang lunak, ada syarat yang harus dipenuhi terkait performa mesin pertanian di lintasan berlumpur. Syarat tersebut yaitu lahan persawahan perlu membentuk dan mempertahankan lapisan kedap yang optimum (Sakai et al. 1998). Operasi pelumpuran pada lahan dapat menyebabkan pemadatan tanah, peningkatan densitas tanah (bulk density) serta tahanan penetrasi tanah pada lapisan sub-soil yang dapat menyebabkan penurunan kemampuan permeabilitas serta mengurangi kehilangan air (Verma dan Dewangan 2006). Dengan operasi pelumpuran yang teratur selama bertahun-tahun pada lahan yang sama, operasi pelumpuran akan mengakibatkan terbentuknya lapisan keras (hardpan) yang cukup kuat pada bagian bawah kedalaman lapisan lumpur. Lapisan keras (hardpan) yang terbentuk menghalangi adanya kehilangan air dan menunjang lingkungan pertumbuhan yang baik bagi tanaman padi. Secara umum di lahan basah berlumpur, kedalaman olah yang cukup untuk operasi pelumpuran berkisar antara 10-15 cm (Salokhe dan Ramalingam 2001).
4
melintasnya traktor, Shrestha dalam Keen et al. (2013) juga menyebutkan bahwa perubahan kedalaman lapisan keras (hardpan) pada lahan basah yang direpresentasikan oleh nilai cone index tanah juga mengalami perubahan seiring dengan fase pertumbuhan tanaman padi.
Penelitian yang telah dilakukan di Indonesia sendiri menyebutkan bahwa lahan pertanaman padi di Indonesia umumnya tak terkonsolidasi atau tak memiliki lapisan keras (hardpan) ataupun lapisan keras (hardpan)-nya terlalu dalam. Kondisi tak terkonsolidasi inilah yang menyebabkan alat dan mesin mekanis, terutama untuk perawatan tanaman, memiliki kesulitan mobilisasi di lahan berlumpur (Setiawan et al. 2013). Alat dan mesin mekanisasi yang terkait perawatan tanaman, seperti penyiang dan aplikator pupuk maupun pestisida mekanis untuk tanaman padi, oleh karena alasan tersebut, menjadi jarang digunakan.
Kemampuan Dilintasi (Traffic-ability) pada Lahan Basah
Kemampuan suatu alat maupun kendaraan untuk melintasi suatu lintasan bergantung pada kondisi lintasan, yaitu tanah. Pada tanah yang lunak dan berkadar air tinggi, alat maupun kendaraan umumnya mengalami kesuitan bergerak. Kesulian tersebut disebabkan pada masalah kemampuan dilintasi (traffic-ability) tanah tersebut. Kesulitan ini umumnya lebih sering dijumpai pada alat maupun kendaraan dengan penggerak roda jika dibandingkan dengan berpenggerak tipe track (Mikulic 2013). Secara umum menurut Mikulic (2013), indikator dari kemampuan dilintasi (traffic-ability) dari tanah lunak adalah tekanan oleh gaya normal (nominal ground pressure), rataan tekanan maksimum (mean maximum pressure), indeks kerucut tanah (soil cone index), ketenggelaman roda (sinkage) dan indeks kerucut kendaraan (vehicle cone index).
Pada beberapa penelitian yang berfokus pada kemampuan dilintasi (traffic-ability) pada lahan basah seperti lahan untuk pertanaman padi, indikator yang paling dominan adalah indeks kerucut tanah (soil cone index) (Salokhe dan Ghazali 1992). Kokobun (1970) menyatakan bahwa untuk traktor roda dua dapat dioperasikan pada lahan dengan kisaran indeks kerucut tanah (soil cone index) 196-284 kPa pada kedalaman 20 cm. Pada penelitian lainnya disebutkan bahwa besaran indeks kerucut tanah (soil cone index) untuk lapisan keras (hardpan) pada lahan basah berlumpur adalah 492 kPa (Keen et al. 2013).
5 Roda Besi Bersirip
Roda merupakan salah satu bagian penting pada alat mekanisasi pertanian seperti traktor roda dua. Bagian-bagian traktor roda dua menurut Sakai et al. (1998) terdiri atas 1) motor; 2) dudukan motor dengan titik gandeng; 3) rumah gigi transmisi; 4) kemudi dengan tuas kontrol; dan 5) roda. Roda traktor roda dua umumnya terbagi menjadi dua jenis, yaitu roda ban karet dan roda besi bersirip atau juga disebut roda sangkar. Pada lahan basah pertanaman padi, terutama pada lahan di Asia, traktor roda dua maupun alat mesin pertanian lainnya umumnya menggunakan roda besi bersirip. Roda besi bersirip pada lahan basah setidaknya memiliki dua fungsi, yaitu menghasilkan gaya dorong (thrust) untuk bergerak maju dan fungsi kedua yaitu menyokong bobot traktor roda dua maupun alat mesin pertanian. (Wang et al. 1993).
Penelitian terkait roda besi bersirip telah banyak dilakukan sebelumnya, baik yang terkait dengan proses perancangan maupun penelitian yang bertujuan untuk meningkatkan performansi traksinya. Terkait dengan proses perancangan, roda besi bersirip memiliki beberapa bagian utama, diantaranya sirip, rim, jari-jari dan flens. Sirip merupakan salah satu bagian yang selama ini banyak mendapat banyak perhatian dari peneliti, karena bagian inilah yang menghasilkan traksi pada saat roda bergerak. Terkait konfigurasi sirip pada roda, seperti bentuk sirip, jumlah sirip, sudut sirip dan dimensi sirip telah banyak diteliti untuk menghasilkan performansi traksi yang optimal.
Lebih jauh, Sakai et al. (1987) memberikan panduan teoritis dan matematis dalam proses perancangan roda besi bersirip untuk pengolahan lahan dengan traktor tangan yang awalnya pendekatan teoritisnya dibangun untuk roda ber-rim tunggal. Terkait dengan proses perancangan roda bersirip pada traktor roda dua, salah satu parameter yang ditentukan terlebih dahulu adalah lebar penghubung rangka roda (hub framework width/Hh) sebagaimana tampak pada ilustrasi pada
Gambar 1. Besarnya lebar penghubung rangka roda (Hh) dapat ditentukan dengan
pertimbangan struktur mekanika dan dimensi dari poros traktor. Berdasarkan Gambar 1, besarnya lebar penghubung rangka roda (Hh) dapat dirumuskan
sebagaimana berikut. Bilamana poros roda dilengkapi dengan perangkat tambahan seperti wheel-boss, maka jarak yang dibentuk oleh perangkat tersebut juga ikut diperhitungkan di dalam kompenen Hb.
' 2
h b w
L
H H L (1)
6
Gambar 1 Ilustrasi hubungan antara traktor dan roda (Sakai et al. 1987) Sakai et al. (1987) menyatakan bahwa jumlah sirip minimum yang harus ada pada roda besi bersirip dapat didekati secara matematis dengan melibatkan beberapa parameter, meliputi kecepatan maju traktor (v); kecepaan anguler roda (ω); banyaknya rotasi per menit dari roda (n); jari-jari roda (r1) serta waktu (t).
Dengan menggunakan hubungan matematis ini, seluruh titik pada sebuah roda berputar pergerakannya dapat disimulasikan posisinya dengan mengasumsikan bahwa gerakan yang dibentuk berbentuk kurva trochoid atau cycloidsebagaimana tampak pada Gambar 2. Posisi koordinat (x,y) dari sebuah titik pada roda dirumuskan sebagaimana berikut.
1sin
x vt r
t (2)
1 1 cos
yr
t (3)Gambar 2 Kurva gerakan sirip tunggal roda (Sakai et al. 1987)
Kecepatan anguler roda (ω) dapat didekati dengan persamaan berikut yang digunakan untuk menganalisa pergerakan dari roda.
2
60 30
n n
7 Dari Gambar 2 diketahui bahwa rentang posisi diantara titik A hingga B merupakan posisi paling efektif bagi sirip untuk menghasilkan traksi. Sehingga analisis teoritis lanjutan untuk menghitung berapa jumlah sirip yang harus ada pada sebuah roda besi bersirip dapat dilakukan berdasarkan sebuah pemahaman bahwa sirip berikutnya (following lug) harus memulai fungsi traksinya sebelum sirip aktif (operating lug) melintasi batas akhir posisi efektifnya. Sebagai ilustrasi, Gambar 3 menunjukkan bahwa sirip berikutnya (following lug) harus sudah sampai pada titik A’ sebelum sirip aktif (operating lug) berada pada titik B. Dengan demikian, sirip berikutnya (following lug) harus sudah ada pada rentang posisi A’ hingga B’, atau sekurang-kurangnya pada posisi A’, saat sirip aktif (operating lug) mencapai titik B.
Gambar 3 Kurva gerakan sirip-sirip roda (Sakai et al. 1987)
Dengan pemahaman yang telah dijelaskan, sudut putar roda (ϕ) pada waktu (t) (sekon) dapat dirumuskan sebagaimana berikut.
2 60
n t
t
(5)Sudut yang dibentuk antara dua sirip terhadap titik pusat roda (θp)
dirumuskan sebagaimana berikut dengan N merupakan jumlah minimum sirip yang ada pada sebuah roda.
2
p
N
(6)Oleh karena sirip berikutnya (following lug) setidaknya harus mencapai titik A’ sebelum sirip aktif (operating lug) mencapai titik B, maka sudut ϕ harus sama dengan atau lebih besar dari sudut θp. Dengan demikian, berdasarkan Persamaan 5
dan 6, nilai sudut ϕ harus memenuhi aturan sebagaimana berikut. 2
N
(7)8
60 N
nt
(8)
Waktu t pada Persamaan 8 adalah waktu yang dibutuhkan untuk menggerakkan sirip dari titik A menuju titik B yang akan diketahui pada tahapan selanjutnya. Dengan mengubah Persamaan 2 dan 3 ke dalam bentuk persamaan diferensial posisi terhadap waktu yang dituliskan sebagaimana berikut.
1 1 sin / / cos r t
dy dy dt
dx dx dt v r t
(9)
Pada posisi titik A, koefisien diferensial menjadi tak hingga sehingga nilai penyebut dx/dt seharusnya bernilai nol. Sehingga nilai t pada Persamaan 8 dirumuskan sebagaimana berikut.
1 1 1 cos v t r
(10)
Nilai waktu t pada Persamaan 10 merupakan waktu yang dibutuhkan untuk menggerakkan ujung sirip dari titik O hingga titik C’, bukannya dari titik O hingga titik A (Lihat ilustrasi pada Gambar 2). Waktu t dari titik O hingga titik C’ inilah yang digunakan sebagai acuan waktu t dari titik O hingga titik A karena kesamaan bentuk kurva dan diasumsikan sama.
Kecepatan anguler (ω) pada Persamaan 10 dapat diketahui dengan Persamaan 4. Kedua persamaan tersebut dapat disubstitusikan ke dalam Persamaan 8, sehingga jumlah minimum sirip yang harus ada pada roda besi bersirip dapat dirumuskan sebagaimana berikut.
1 1 2 30 cos N v nr
(11)Salah satu faktor penting yang juga harus dipertimbangkan dalam perancangan roda besi bersirip adalah slip roda. Slip roda umum terjadi antara permukaan lintasan dengan roda. Slip roda didefinisikan sebagai travel reduction (Sakai et al. 1987) yang dirumuskan secara matematis sebagaimana berikut.
1 1 r v S r
atau vr1
1S
(12)Dengan mensubstitusikan nilai ω pada Persamaan 4 ke dalam Persamaan 12, dan untuk selanjutnya mensubstitusikan nilai v pada Persamaan 12 ke dalam Persamaan 11, maka didapatkan persamaan akhir sebagaimana berikut.
1 2 cos 1 N S
(13)
9 Tabel 1 Jumlah sirip yang dibutuhkan berdaarkan nilai slip lahan yang dilintasi
(Sakai et al. 1998)
Slip Jumlah Sirip
0.05 20
0.10 14
0.15 12
0.20 10
0.25 9
Tabel 2 Jumlah sirip yang dibutuhkan berdasarkan kondisi lahan yang dilintasi (Sakai et al. 1998)
Kondisi Lahan Jumlah sirip
Rawa-rawa 6
Berlumpur 6 – 8
Sawah 8 – 12
Kering (pegunungan) 8 – 14
Setelah tahapan terkait perancangan dan konfigurasi sirip, tahapan lanjutan yang tak kalah pentingnya adalah pemasangan sirip pada rim roda. Terkait hal ini faktor yang cukup signifikan adalah sudut pemasangan atau dalam hal ini Sakai et al. (1987) menggunakan terminologi lug installing angle. Parameter ini menjadi cukup signifikan saat roda dioperasikan pada lahan berlumpur di mana peran sirip sebagai penghasil traksi dan kemampuan mengapung (floating performance) dituntut untuk optimal. Guna mengoptimalkan kedua kemampuan sirip tersebut, terutama kemampuan mengapung (floating performance), usaha yang dapat dilakukan adalah dengan membuat permukaan sirip hampir paralel atau sebidang saat bergerak dan kontak dengan permukaan tanah sebagaimana tampak pada Gambar 4. Sudut ini menurut Sakai et al. (1987) didefinisikan sebagai sudut yang terbentuk antara arah radial roda dan permukaan depan sirip pada titik pertemuan lingkaran luar rim roda.
Gambar 4 Ilustrasi sudut pemasangan sirip atau lug installing angle (αf)(Sakai et al. 1987)
Sudut pemasangan sirip atau lug installing angle (αf) menurut Sakai et al.
10
1 1 1 sin
f
L
r H r H
(14)
Sakai et al. (1987) juga menyatakan bahwa sudut pemasangan sirip (lug installing angle) yang lebih besar dari hasil perhitungan dengan menggunakan Persamaan 14 harus dihindari. Hal ini dikarenakan sudut sudut pemasangan sirip (lug installing angle) yang lebih besar justru akan menyebabkan gaya traksi negatif oleh tanah.
Adapun straight running lug adalah sirip yang umumnya diposisikan di belakang forward lug yang langsung dipasang melekat pada rim roda sebagaimana tampak pada Gambar 5. Fungsi utama dari straight running lug adalah untuk mencegah roda tergelincir ke samping sekaligus untuk memperkuat forward lug. Parameter utama dalam proses perancangan sirip jenis ini adalah penentuan tinggi sirip (HS). Masih menurut Sakai et al. (1987), beberapa
penelitian sebelumnya telah menghasilkan kesimpulan bahwa tinggi sirip straight running lug yang terlalu tinggi akan menyebabkan peningkatan slip roda, terutama pada lahan yang keras. Sehingga tingginya straight running lug umumnya 1-2 cm untuk tanah keras sama dengan ketenggelaman roda.
Gambar 5 Ilustrasi straight running lug (Sakai et al. 1987)
Bagian lain dari roda yang harus dipertimbangkan dalam proses desain adalah jari-jari roda, atau dalam terminologi yang dipakai oleh Sakai et al. (1987) disebut spoke. Terkait dengan bagian ini, parameter penting yang dipertimbangkan yaitu jumlah jari-jari atau spoke yang ada pada roda. Oleh karena bagian ini cukup penting yang berfungsi sebagai penghubung rim dengan hub plate yang akan dipasang langsung pada poros traktor. Jumlah kebutuhan jari-jari atau spoke pada roda ini, masih menurut Sakai et al. (1987), bergantung dari seberapa besar diameter roda dan ukuran serta kualitas dari jari-jari atau spoke itu sendiri. Jika ukuran dan kualitas jari-jari dari roda sama dengan ukuran dan kualitas rim roda, jumlah dari jari-jari dari roda berdasarkan ukuran diameter roda sebagaimana tampak pada Tabel 3.
Tabel 3 Jumlah jari-jari (spoke) yang dibutuhkan berdasarkan diameter roda yang digunakan (Sakai et al. 1987)
Ukuran roda Jumlah jari-jari
Kecil 3
Normal (Φ 550-650) 4 – 6
11 Analisis Traksi Roda
Analisis traksi roda dapat dilakukan misalnya dengan mempelajari fenomena yang terjadi pada sebuah roda tunggal berikut dengan kecepatan dan gaya-gaya yang berlaku pada roda tunggal tersebut. Mas et al. (2011) memberikan ilustrasi yang cukup menggambarkan hubungan antara parameter-parameter tersebut sebagaimana tampak pada Gambar 6 berikut.
Gambar 6 Ilustrasi gaya-gaya yang bekerja pada roda tunggal(Mas et al. 2011) Sebagaimana tampak pada Gambar 6, Wd merupakan representasi dari gaya
normal yang ditimbulkan oleh beban dinamis dari traktor yang mengarah ke bawah melalui poros roda. Gaya ini ditopang dengan sama besarnya oleh gaya vertikal (Rv) sebagai gaya reaksi dari permukaan lintasan terhadap gaya aksi Wd.
Roda yang bergerak berputar, gaya traksi kotor atau gross traction force (GT) dihasilkan oleh torsi (T) yang diberikan pada roda. Tahanan gerak pada roda atau motion resistance (MR) didefinisikan kehilangan gaya oleh karena terjadinya deformasi pada lintasan dan roda. Adapun gaya traksi bersih atau net traction force (NT) adalah gaya yang bisa dimanfaatkan oleh roda untuk mampu bergerak maju dan menarik implemen. Gaya reaksi permukaan dilambangkan dengan R, sedangkan ω dan v berturut-turut adalah kecepatan anguler dan kecepatan maju roda (Mas et al. 2011).
Kecepatan Maju (Forward Speed)
12
Tabel 4 Kisaran kecepatan maju traktor roda dua yang direkomendasikan pada berbagai operasi (Sakai et al. 1998)
Jenis operasi Kecepatan traktor
cm/s km/jam
Pengolahan tanah dengan rotary 25-50 0.9-1.8 Berbagai kerja lapang*) 50-70 1.8-2.5
Membajak 70-120 2.5-4.3
Transportasi**) 15 / 20 / 30
Catatan:
*) melumpur, menyiang, menanam, membabat, dan sebagainya
**) UU lalu lintas menentukan kecepatan legal. Kecepatan maksimum mungkin ditentukan oleh kebiasaan lokal.
Guna mengetahui nilai dari kecepatan maju traktor roda dua yang bekerja di lapang, ada beberapa pendekatan yang dapat dilakukan, baik langsung maupun tak langsung. Pranav et al. (2010) mengembangkan sebuah instrumen digital untuk mengukur slip roda traktor yang sejatinya merupakan alat ukur kecepatan maju traktor. Macmillan (2002) merumuskan kecepatan maju ideal atau tanpa slip roda dari suatu traktor sebagaimana berikut, dengan D adalah diameter roda; Nw adalah
kecepatan putaran roda; dan q adalah rasio transmisi keseluruhan dari traktor. Adapun q adalah hasil pembagian antara kecepatan putar mesin (Ne) dan
kecepatan putar roda (Nw).
0
e w
N
v DN D
q
(15)
Salah satu metode yang umum dilakukan adalah dengan pendekatan konvensional, dimana traktor tangan dilalukan pada sebuah lintasan dengan jarak tertentu (s) yang telah diketahui sebelumnya dan diukur waktu tempuhnya (t). Sehingga nilai kecepatan maju traktor (v) dapat dirumuskan sebagaimana berikut. Metode konvensional inilah yang dilakukan oleh Pranav et al. (2010) untuk menghitung kecepatan maju traktor aktual dalam rangka proses validasi alat ukur digital yang dikembangkannya.
s v
t
(16)
Gaya Tarik (Drawbar Pull) dan Tenaga Tarik (Drawbar Power)
Gaya tarik atau drawbar pull pada traktor roda dua merupakan salah satu yang dihasilkan oleh roda traktor roda dua sebagai penghasil traksi (Sakai et al. 1998). Gaya tarik inilah yang bila dipadukan dengan parameter kecepatan maju traktor, akan menghasilkan parameter lainnya berupa tenaga tarik atau drawbar power. Gaya ini muncul sebagai sebuah gaya reaksi yang muncul oleh tanah terhadap roda oleh karena adanya gaya aksi yang diberikan oleh roda (Lal dan Shukla, 2004).
13 tenaga tarik, bergantung dari slip roda yang terjadi antara permukaan roda dan lintasan. Secara teoritis, gaya tarik atau drawbar pull didefinisikan sebagaimana berikut, dengan asumsi bahwa tak ada gaya horizontal lain yang mempengaruhi, seperti tahanan gelinding (rolling resistance) serta gaya aksi oleh roda sama dengan gaya reaksi oleh tanah. Dimana dengan D adalah diameter roda; Te adalah
torsi motor/enjin; dan q adalah rasio transmisi keseluruhan dari traktor. (Macmillan, 2002)
2qTe P
D
(17)
Macmillan (2002) juga merumuskan bahwa tenaga tarik atau drawbar power (Qd) merupakan hasil perkalian antara gaya tarik (drawbar pull/P) dan
kecepatan maju traktor (forward speed/v). Sehingga dengan mensubstitusikan Persamaan 17 dan 15, maka tenaga tarik atau drawbar power didekati dengan persamaan berikut.
2 e e
d
qT DN
Q P v
D q
(18)
Torsi Roda (Wheel Torque)
Torsi roda merupakan masukan atau input gaya yang disalurkan terhadap roda guna menghasilkan gaya traksi kotor atau gross tractive force (Mas et al. 2011). Torsi yang disalurkan pada roda berasal dari torsi mesin yang melewati sistem transmisi. Besarnya torsi pada roda dapat didekati dengan menggunakan pendekatan matematis. Macmillan (2002) merumuskan torsi roda (Tw) dapat
diketahui dengan persamaan berikut, dengan q adalah rasio transmisi keseluruhan dari traktor dan Te adalah torsi pada motor/enjin.
w e
T q T (19)
Terkait dengan pengukuran torsi roda pada traktor roda dua, Triratanasirichai et al. (1990) telah melakukan pengukuran dengan menggunakan instrumen ukur berupa transduser strain gauge yang ditempatkan pada poros roda. Slip Roda (Wheel Slip)
Roda yang mampu menghasilkan gaya traksi pada permukaan lintasan yang lunak atau tidak rigid, seperti tanah yang mampu tergeser oleh gaya pada roda roda tersebut. Geseran pada tanah inilah yang mengakibatkan adanya slip pada roda (Mas et al. 2011). Besarnya slip roda menurut Mas et al. (2011) secara teoritis dapat didekati dengan Persamaan 20, dimana lt merupakan kecepatan maju
teoritis. Kecepatan maju teoritis adalah dimana gerak berputar dari roda ditransformasikan secara sempurna menjadi gerak maju traktor, sedangkan la
adalah kecepatan aktual. Nilai 100% slip roda berarti bahwa kecepatan aktual bernilai 0 dan roda traksi berputar tanpa adanya gerak maju.
100 t a t l l S l
(20)
14
ditentukan; dan 3) penggunaan roda tambahan yang diasumsikan tak mengalami slip. Ketiga metode pendekatan yang berbeda tersebut tentu saja memiliki persamaan masing-masing dalam menentukan besaran slip roda. Penelitian sebelumya terkait pengukuran slip roda oleh Triratanasirichai et al. (1990) menggunakan metode ketiga, yaitu menggunakan perangkat yang berfungsi seperti roda tambahan.
Ketenggelaman Roda (Wheel Sinkage)
Ketenggelaman roda adalah terjadinya penurunan permukaan tanah akibat deformasi oleh karena gaya dari luar, yang dalam hal ini gaya traksi oleh roda. Macmillan (2002) meyatakan bahwa saat roda berputar melintasi permukaan lintasan yang lunak, kondisi tersebut menyebabkan pemadatan pada lintasan yang dalam hal ini adalah tanah. Pendekatan paling sederhana dalam memprediksi tahanan guling (rolling resistance) dari sebuah roda adalah dengan mengasumsikan roda yang berputar sebagai sebuah plat yang terus-menerus ditekan pada tanah hingga mencapai kedalaman yang sama dengan yang disebabkan melintasnya roda. Dengan demikian, semakin besar ketenggelaman roda tentu saja meningkatkan tahanan guling (rolling resistance).
Efisiensi Traksi (Tractive Efficiency)
Efisiensi traksi merupakan representasi dari performansi traksi dari sebuah roda pada sebuah lintasan. Efisiensi traksi merupakan rasio perbandingan dari tenaga tarik (drawbar power) yang dihasilkan oleh roda terhadap tenaga masukan pada roda. Untuk mengetahui besarnya tenaga masukan pada roda membutuhkan parameter seperti torsi roda dan kecepatan anguler roda. Efisiensi traksi merupakan suatu parameter yang cukup berguna untuk menilai performansi dari suatu roda ataupun alat traksi, namun tidak dapat mencerminkan performansi traktor secara keseluruhan (Mas et al. 2011).
Penelitian sebelumya terkait pengujian efisiensi traksi roda besi bersirip oleh Triratanasirichai et al. (1990) merumuskan efisiensi traksi sebagaimana berikut, dimana P adalah gaya tarik (drawbar pull) dalam Newton; v adalah kecepatan maju traktor dalam m/s; T adalah torsi masukan pada roda dalam Nm; dan ω adalah kecepatan anguler roda dalam rad/s.
100 Pv T
(21)
Analisis Sirip Aktif dan Gaya Reaksi Tanah
Sebagaimana dijelaskan sebelumnya oleh Sakai et al. (1987), sirip pada roda tidak semuanya berperan di saat yang bersamaan.Berdasarkan Gambar 3 terkait gerakan sirip-sirip roda, Sakai et al. (1987) berpendapat bahwa sirip-sirip yang aktif menghasilkan traksi, yang juga sekaligus menghasilkan gaya angkat (lift force), adalah sirip-sirip mengalami kontak langsung dengan lapisan lumpur di lintasan. Sementara itu, sirip lainnya yang tidak mengalami kontak langsung dengan lapisan lumpur di lintasan tidak berperan menghasilkan traksi maupun gaya angkat (lift force).
15 menghasilkan traksi. Dari pendekatan tersebut, sedikitnya ada 3 gaya reaksi tanah yang bekerja pada sebuah sirip saat aktif menghasilkan traksi. Gaya-gaya tersebut meliputi Fn (komponen gaya normal), Ft (komponen gaya tangensial), dan Fr
(gaya resultan) yang merupakan paduan dari dua komponen gaya sebelumnya. Pada pengembangan lanjutan, Hermawan et al. (2000) memberikan komponen Fp
(gaya tarik) dan Fl (gaya angkat) yang nilainya dapat diketahui dengan
memanfaatkan nilai-nilai Fn (komponen gaya normal) dan Ft (komponen gaya
tangensial).
Gambar 7 Ilustrasi gaya-gaya reaksi tanah terhadap sirip tunggal aktif(Hermawan et al. 1997, 2000)
Cebro (2006) menggunakan analisis semi-empiris dengan memanfaatkan nilai tahanan penetrasi tanah terhadap plat pada berbagai sudut penekanan dan ketenggelaman (sinkage) guna menduga gaya angkat (lift force) dan gaya tarik (pull force) yang mampu dihasilkan oleh masing-masing sirip aktif pada setiap tingkat ketenggelaman.Pendugaan semi-empiris ini dimula dengan menentukan berapa jumlah sirip aktif saat sebuah roda bersirip melintas pada lintasan berlumpur yang dipengaruhi oleh ketenggelaman masing-masing sirip.
3
METODE PENELITIAN
Waktu dan Tempat
16
Tahapan pengumpulan data sifat fisik tanah dan input desain; Tahapan desain roda ramping bersirip;
Tahapan pembuatan roda uji ramping bersirip; Tahapan uji performansi traksi.
Alat dan Bahan
Dalam pelaksanaan penelitian ini, dilakukan beberapa tahapan, meliputi proses desain dan perancangan rodaramping bersirip dan pengujian performansi traksi. Sebelum proses desain dan perancangan dilangsungkan, diperlukan data input untuk proses desain dan perancangan, meliputi data sifat fisik tanah serta spesifikasi traktor yang dipakai. Berdasarkan tahapan-tahapan tersebut, maka alat dan bahan yang dipakai pada penelitian ini meliputi sebagaimana berikut.
Tahapan Pengumpulan Data Sifat Fisik Tanah dan Input Desain
Tahapan pengumpulan data sifat fisik tanah dan input desain, yang meliputi data kondisi lahan dan spesifikasi traktor, digunakan alat ukur berupa penetrometer tipe SR-2 dengan plat uji 5 cm × 5 cm; 5 cm × 10 cm; 5 cm × 15 cm dan 5 cm × 20 cm serta alat ukur lain yang bersesuaian untuk mendapatkan nilai tahanan penetrasi tanah terhadap penekanan plat. Adapun sifat fisik tanah meliputi tekstur tanah, kadar air, densitas, porositas, batas cair dan batas plastis diukur menggunakan peralatan-peralatanyang berkesesuaian. Data pendukung terkait spesifikasi traktor roda dua juga didapatkan dari data yang dirilis oleh pabrikan traktor.
Tahapan Desain Roda Ramping Bersirip
Tahapan desain roda bersirip ramping dilakukan dengan bantuan beberapa perangkat lunak (software) untuk proses perhitungan beberapa parameter berdasarkan prinsip-prinsip desain roda besi bersirip oleh Sakai et al. (1987) serta pembuatan gambar teknik sebagai representasi dari hasil proses desain. Adapun perangkat lunak (software) yang digunakan meliputi Microsoft Excel 2007 dan Solid Works 2011.
Tahapan Pembuatan Roda Ramping Bersirip
Tahapan pembuatan rodaramping bersirip dilakukan dengan beberapa alat dan bahan. Alat yang digunakan meliputi seperangkat alat perbengkelan yang berkesesuaian, seperti gerinda potong, las listrik (welding), dan lain-lain. Adapun bahan pembuatan rodaramping bersirip meliputi besi poros, plat besi, dan lain-lain.
Tahapan Uji Performansi Traksi RodaRamping Bersirip
17
Prosedur Penelitian
Penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahapan berurutan, sebagaimana berikut.
Tahapan Pengumpulan Data Sifat Fisik Tanah dan Input Desain
[image:33.595.125.460.406.558.2]Tahapan ini meliputi pengukuran data-data lahan dan data-data spesifikasi traktor roda dua yang digunakan. Parameter pertama yaitu terkait dengan kondisi lahan, meliputi tahanan penetrasi tanah terhadap plat, tekstur tanah, kadar air, densitas, porositas, batas cair dan batas plastis. Tahanan penetrasi tanah diukur menggunakan penetrometer yang dilengkapi plat datar dan penahan kemiringan penekanan. Plat penekan yang digunakan terdiri dari empat ukuran, yaitu 5 cm × 5 cm; 5 cm × 10 cm; 5 cm × 15 cm dan 5 cm × 20 cm. Tahanan tanah terhadap penekanan plat diukur pada sudut tekan 30°, 45°, 60°, 75°, dan 90° masing-masing pada tiap kedalaman 5 cm; 10 cm; 15 cm dan 20 cm. Berdasarkan hasil pengukuran dengan tiga kali pengulangan, dapat dihitung karakteristik tanah terhadap penekanan plat pada setiap sudut dengan kedalaman tertentu.Skema pengukuran tahanan penetrasi tanah dapat dilihat pada Gambar 8 dan dihitung menggunakan Persamaan 22, dimana F adalah gaya penetrasi yang diberikan pada penetrometer (kgf); m adalah berat penetrometer (kgf) serta A adalah luas penampang plat (cm2).
Gambar 8 Skema pengukuran tahanan penetrasi tanah terhadap plat
98
p
F m
T
A
(22)
18
Pengukuran bulk density tanah dilakukan dengan massa tanah akhir setelah dikeringkan yang telah diketahui pada pengukuran kadar air kemudian dibagi terhadap volume dari ring sampel sehingga didapatkan nilai bulk density dari tanah. Pengukuran bulk density dilakukan sebanyak tiga titik pada lahan untuk kemudian dihitung rataan porositasnya. Pengukuran batas plastis dan batas cair tanah dilakukan dengan metode attenberg test.
Selain dengan pengukuran, pada tahapan ini juga dilakukan pengumpulan data terkait spesifikasi traktor roda dua yang didapatkan dari data yang dirilis oleh pabrikan traktor.
Tahapan Desain Roda Ramping Bersirip
Setelah data-data awal yang diperlukan sebagai input untuk proses desain rodaramping bersirip didapatkan, maka tahapan selanjutnya yang dilakukan adalah melakukan proses desain. Proses desain meliputi proses penentuan asumsi-asumsi, perhitungan beberapa parameter, serta pembuatan gambaran konseptual berupa gambar teknik. Adapun proses desain di sini menggunakan pendekatan yang diajukan oleh Sakai et al. (1987). Tahapan proses desain dijelaskan sebagaimana berikut.
Penentuan diameter roda (Do)
Penentuan diameter roda (Do) menggunakan pertimbangan asumsi tinggi
tanaman padi dan asumsi ketenggelaman roda. Asumsi tinggi tanaman padi dijadikan salah satu pertimbangan karena traktor roda dua sebagai alat uji traksi diatur sedemikian rupa agar poros rodanya harus melebihi tinggi tanaman padi yang ada. Tinggi tanaman padi diasumsikan setinggi 25 cm dan ketenggelaman roda diasumsikan sebesar 15 cm, sehingga jari-jari roda diketahui ≥40 cm dan diameter roda sebesar ≥80 cm.
Penentuan lebar penghubung rangka roda (Hh)
Penentuan lebar penghubung rangka roda (Hh) menggunakan Persamaan 1
dengan beberapa parameter input, meliputi Lw dan Hb, serta L’ yang bernilai ≈ 100
cm. Dua parameter, yaitu jarak titik tengah pada gearbox hingga ujung poros (Lw)
dan tebal wheel boss (Hb) didapatkan dari hasil pengukuran pada gear box traktor
dan porosnya. Adapun parameter panjang garis tengah antar kedua roda kanan dan kiri traktor atau wheel space (L’) ditentukan dengan dua pertimbangan. Dua pertimbangan tersebut meliputi pertimbangan teknis, yaitu wheel space (L’) direkomendasikan untuk setidaknya mendekati atau sama dengan panjang diameter roda (Do). Selain pertimbangan teknis tersebut, pertimbangan praktis
juga digunakan, yaitu dengan mempertimbangkan parameter wheel space (L’) agar sesuai dengan alur tanaman padi. Dengan kata lain, wheel space (L’) diusahakan agar sesuai dengan sela-sela alur tanaman padi. Hal ini tidak lepas dari tujuan awal yaitu agar traktor bersirip ramping mampu melintas di antara pertanaman tanaman padi.
Penentuan jumlah jari-jari roda atau spoke
Penentuan jumlah jari-jari roda atau spoke ditentukan berdasarkan diameter roda yang dihasilkan pada penentuan diameter roda (Do). Dengan memperhatikan
parameter diameter roda (Do), jumlah jari-jari roda atau spoke didasarkan pada
19 Penentuan jumlah sirip forward lugs (N)
Penentuan jumlah sirip forward lugs (N) menggunakan Persamaan 13 dengan nilai slip roda (S) sebagai parameter input. Dengan menggunakan parameter input slip roda (S) pada rentang nilai slip 0.05-0.25, jumlah sirip berkisar antara 9-20 buah sebagaimana tampak pada Tabel 1. Selain menggunakan Persamaan 13, pertimbangan penentuan jumlah sirip forward lugs (N) didasarkan pada lintasan yang dilintasi oleh roda. Dalam hal ini, sebagaimana tampak pada Tabel 2, roda yang akan dilalukan pada lahan basah berlumpur (sawah) antara 8-12 buah. Dalam penelitian ini, jumlah sirip forward lugs (N) divariasikan hingga ditemukan jumlah sirip optimum diantara jumlah sirip forward lugs (N) 10, 12 dan 14 buah.
Penentuan sudut pemasangan sirip forward lugs (αf)
Penentuan sudut pemasangan sirip forward lugs (αf) menggunakan
Persamaan 14 sebagaimana di ilustrasikan pada Gambar 4. Guna menggunakan Persamaan 14 dibutuhkan beberapa parameter input, yaitu jari-jari roda (r1) yaitu
≥40 cm; asumsi kedalaman olah atau ketenggelaman (H) yakni 15 cm; jarak sirip arah radial yang diukur dari ujung sirip ke pangkal sirip pada rim roda (HL).
Semua parameter input tersebut didapatkan dari hasil pengukuran dan hasil tahapan desain yang telah dilakukan sebelumnya. Sirip forward lugs akan dipasang pada rim roda berdasarkan nilai αf yang dapat dari perhitungan
menggunakan Persamaan 14. Dalam penelitian kali ini, sudut pemasangan sirip forward lugs (αf) divariasikan hingga ditemukan jumlah sirip optimum diantara
sudut pemasangan sirip forward lugs (αf) 30°, 45° dan 60°. Konfigurasi dimensi sirip forward lugs
Dalam penelitian ini, dimensi sirip divariasikan, yakni tinggi sirip meliputi 8, 12 dan 14 cm. Lebar sirip ditetapkan yang didasarkan pada lebar sela pada alur pertanaman tanaman padi, yakni 14 cm. Lebar sirip ditentukan berdasarkan pertimbangan lebar jarak tanam tanaman padi berikut daerah perakarannya. Dengan memperhitungkan faktor jarak antar alur tanaman padi sekaligus daerah perakarannya merupakan usaha meminimalisir dampak melintasnya roda besi bersirip terhadap kerusakan fisik tanaman padi.
Tahapan Pembuatan Roda Bersirip Ramping
Setelah proses desain terkait spesifikasi dan konfigurasi roda yang terepresentasi dalam gambar teknik selesai dibuat, tahapan selanjutnya adalah proses pabrikasi. Tahapan pembuatan dibuat sebagaimana hasil desain pada tahapan sebelumnya. Adapun proses pabrikasinya juga memperhatikan rekomendasi tahapan pabrikasi sebagaimana yang telah direkomendasikan oleh Sakai et al. (1987). Tentu saja, proses pabrikasi dinyatakan selesai apabila telah dilakukan pemeriksaan kesesuaian antara hasil pabrikasi terhadap rencana desain yang telah dibuat sebelumnya. Pemeriksaan kesesuaian bertujuan untuk memeriksa apakah hasil pabrikasi telah sesuai dengan rencana desain yang telah dibuat sebelumnya. Jika ditemui ketidaksesuaian, maka proses pabrikasi terus dilakukan untuk perbaikan.
20
Tahapan Uji Performansi Traksi Roda Bersirip
Setelah proses pabrikasi selesai, tahapan selanjutnya adalah pengujian performansi traksi roda bersirip untuk masing-masing variasi perlakuan. Pengujian kinerja traksi roda dilakukan pada lahan sawah berlumpur dengan lintasan lurus sepanjang ±20 m. Pada satu ujung lintasan, ditempatkan perangkat pembebanan. Selanjutnya, kawat baja sling dari perangkat pembebanan dihubungkan dengan three-point hitch yang ada pada bagian belakang traktor. Pemberian beban pada perangkat pembebanan dilakukan seiring dengan bergerak majunya traktor, serta besarnya beban yang diberikan selama traktor bergerak direkam menggunakan digital camera. Proses perekaman data torsi dan ketenggelaman roda oleh sistem akuisisi data dimulai sebelum, selama dan setelah traktor melintas. Dalam penelitian ini, jarak yang ditempuh oleh traktor dibagi menjadi tujuh titik pengamatan. Tujuh titik pengamatan ini didasarkan pada tiap satu putaran penuh roda, dimana dalam satu kali melintas dilakukan tujuh kali putaran penuh roda. Pada masing-masing ketujuh titik pengamatan ini, dilakukan pengukuran jarak tempuh linear dan waktu tempuh. Parameter jarak tempuh pada setiap titik pengamatan dimanfaatkan untuk perhitungan parameter kecepatan linear (v) dan slip roda (S). Parameter waktu dimanfaatkan untuk perhitungan parameter kecepatan linear (v) dan kecepatan anguler roda (ω), serta sebagai basis sinkronisasi data parameter torsi (T), gaya tarik traktor (P), ketenggelaman roda (z). Setiap variasi spesifikasi roda yang diujicobakan diulang sebanyak tiga kali melintas, sehingga didapatkan sebanyak 21 data untuk masing-masing parameter pada masing-masing perlakuan. Secara skematis, prosedur pengujian kinerja traksi tampak pada Gambar 9.
Gambar 9 Ilustrasi prosedur pengujian traksi
21
Gambar 10 Ilustrasi pemasangan strain gauge pada poros roda
Parameter ketenggelaman roda direkam melalui komponen potensiometer linear yang ada pada perangkat pengukur ketenggelaman roda, dilanjutkan ke data logger dan satu unit personal computer sebagai unit perekam data.Ketenggelaman roda (z) selama traktor melintas diukur dengan perangkat pengukur ketenggelaman roda berupa peluncur ayun dengan sensor potensiometer linear. Potensiometer linear ini terpasang pada sebuah ujung lengan ayun fleksibel yang pada ujung yang lain disambungkan pada poros traktor. Pelampung akan kontak langsung dengan permukaan lintasan berlumpur dan ikut terseret searah pergerakan traktor. Selama terseret mengikuti pergerakan traktor, lengan ayun fleksibel akan membentuk besaran sudut tertentu terhadap pelampung bergantung ketenggelaman roda yang terjadi. Sudut ini yang akan diukur oleh potensiometer linear. Secara skematis, perangkat pengukur ketenggelaman roda diperlihatkan pada Gambar 11.
Gambar 11 Ilustrasi perangkat pengukur ketenggelaman roda
22
Gambar 12 Skema sistem akuisisi data parameter torsi dan ketenggelaman roda Gaya tarik traktor diukur dengan menggunakan perangkat pembebanan dilengkapi neraca digital sebagai pengukur gaya tarik oleh traktor. Gaya tarik traktor yang ditunjukkan oleh display timbangan direkam dengan menggunakan digital camera. Gambar 13 menunjukkan ilustrasi perangkat pembebanan yang digunakan.
Gambar 13 Ilustrasi perangkat pembebanan Perhitungan Kinerja Traksi
Guna mengetahui kinerja traksi dari roda, perlu diketahui beberapa parameter, yaitu tenaga tarik (drawbar power), tenaga masukan pada poros roda (power input) dan effisiensi traksi (tractive efficiency). Ketiga parameter tersebut, pada penelitian-penelitian sebelumnya, umumnya ditampilkan bersamaan dengan slip roda. Slip roda (S) diketahui dengan mengukur jarak perpindahan linier yang dihasilkan satu putaran penuh roda traktor dengan beban (la) pada lintasan dan
membandingkanya dengan jarak perpindahan linier yang dihasilkan satu putaran penuh roda traktor tanpa beban (lt) yang telah diketahui sebelumnya. Sehingga
nilai slip roda dirumuskan sebagaimana pada Persamaan 20.
Nilai tenaga tarik (drawbar power/Po) dan tenaga masukan (power input/Pi)
dalam watt diketahui berturut dari Persamaan 23 dan 24, dimana P adalah gaya tarik traktor (N), v merupakan kecepatan linear traktor (m/s), T adalah torsi pada poros roda (Nm) dan ω adalah kecepatan anguler roda (rad/s). Adapun nilai effisiensi traksi (tractive efficiency/η) dalam % diketahui dari Persamaan 23.
o
P P v (23)
i
23 Prosedur Pengolahan Data
Data yang didapatkan selama penelitian selanjutnya dilakukan perhitungantenaga tarik (drawbar power/Po) untuk masing-masing perlakuan dan
disajikan dalam grafik terhadap nilai slip roda. Penyajian dalam bentuk grafik dimaksudkan untuk mengetahui nilai slip optimum dari masing-masing perlakuan roda yang diujicobakan. Dari data selama penelitian juga dilakukan perhitungan tenaga masukan (power input/Pi) sekaligus nilai effisiensi traksi (tractive
efficiency/η). Data-data tersebut akan disajikan dalam bentuk tabel untuk masing-masing perlakuan.
Pemilihan Spesifikasi Roda Terbaik
Dalam penelitian ini, penentuan spesifikasi roda terbaik hanya didasarkan pada perfomansi traksi. Spesifikasi roda dengan nilai parameter effisiensi traksi terbesar dipilih sebagai spesifikasi roda terbaik. Pemilihan spesifikasi roda terbaik yang didasarkan pada nilai effisiensi traksi ini sebelumnya telah digunakan oleh Triratanasirichai et al. (1990) dalam penelitiannya.
[image:39.595.114.513.342.625.2]Analisis Sirip Aktif dan Pendugaan Gaya Reaksi Tanah
Gambar 14 Ilustrasi gaya-gaya reaksi tanah
Analisis sirip aktif dan pendugaan reaksi tanah dimulai dengan menduga secara teoritis sudut juring yang dibentuk oleh poros traktor terhadap dua titik pada pertemuan lingkaran luar roda pada permukaan lintasan (lihat Gambar 14). Sudut juring roda (θjr) dapat diketahui dengan persamaan berikut, dimana r1adalah jari-jari luar roda dan z merupakan ketenggelaman roda.
1 1 1 2 cos
jr
r z r
24
Setelah besar sudut juring diketahui, langkah lanjutan adalah dengan menghitung berapa sirip aktif yang sedang bekerja. Jumlah sirip aktif diketahui dengan persamaan berikut, dimana Na adalah jumlah sirip aktif dan N adalah
jumlah total sirip roda. 360
jr a
N
N (26)Dengan memanfaatkan sudut jarak antar sirip (lug spacing) yang telah diketahui sebelumnya (θp), selanjutnya dapat dihitung sudut posisi masing-masing
sirip aktif terhadap garis acuan berupa garis horizontal sejajar titik pusat poros roda, atau θn (lihat Gambar 13). Dengan berbagai kemungkinan jumlah sirip aktif
yang bisa berjumlah 3 hingga 4 sirip, maka besarnya θn untuk jumlah sirip aktif 3
sirip, besarnya θn untuk masing-masing sirip sebagaimana berikut.
1 90 p
(27)2 90
(28)3 90 p
(29)Untuk jumlah sirip aktif sebanyak 4 sirip, besarnya θn untuk masing-masing
sirip sebagaimana berikut.
1 90 0.5 p p
(30)
2 90 0.5 p
(31)
3 90 0.5 p
(32)
4 90 0.5 p p
(33)Selanjutnya dilakukan penghitungan δn, yaitu sudut yang dibentuk oleh gaya
resultan padamasing-masing sirip aktif ke-n (Frn) terhadap garis horizontal dengan
persamaan berikut, dengan memanfaatkan sudut sirip (αf).
n n f
(34)Dengan memanfaatkan besarnya δn, selanjutnya dapat diketahui sudut yang
dibentuk oleh gaya penetrasi (Fp) pada masing-masing sirip aktif ke-n (βn)
terhadap garis horizontal dengan persamaan berikut. 90
n n
(35)Adapun besarnya gaya resultan untuk masing-masing sirip aktif ke-n (Frn)
adalah hasil perkalian tahanan penetrasi tanah terhadap plat untuk masing-masing sirip ke-n (Tpn) dan luas permukaan bidang sirip aktif ke-n (Asn).
rn pn sn
F T A (36)
Besarnya gaya vertikal untuk sirip ke-n (Fvn) dan gaya horizontal untuk sirip
ke-n (Fhn) dapat diketahui dengan memperhatikan komponen arah gaya resultan
pada masing-masing sirip akif ke-n (δn).
cos
vn rn n
F F
(37)sin
hn rn n
F F
(38)Sehingga total gaya vertikal (Fvtot) dan total gaya horizontal (Fhtot) yang
25 1 a n N vtot vn n F F
(39)1 a n N htot hn n F F
(40)4
HASIL DAN PEMBAHASAN
Sifat Fisik Tanah serta Spesfikasi Roda Uji dan Traktor Sifat Fisik Tanah
Lahan yang digunakan sebagai tempat pengujian kinerja traksi roda pada traktor ini merupakan lahan laboratorium lapangan yang dikondisikan melumpur dengan proses pengolahan dengan bajak rotari traktor roda empat sebelumnya dengan rataan kedalaman lapisan lumpur 20.14±2.63 cm. Dari data penelitian sebelumnya di tempat yang sama, diketahui tanah pada lahan berjenis silty clay loam basah dengan proporsi kandungan pasir 5.67%, debu 52.67% dan liat 41.67% (Rizaldi 2015). Hasil pengukuran dan perhitungan sifat fisik tanah meliputi kadar air, kerapatan isi tanah (bulk density), porositas, batas cair dan batas plastis nilai rataannya berturut-turut adalah 62.59±2.46%; 1.05±0.07 g/cm2; 60.55±2.81%; 36.65% dan 18.82%.
Hasil pengukuran tahanan penetrasi tanah terhadap plat pada lahan yang digunakan, nilai rataan gaya (kgF) dan tekanan (kPa)-nya pada masing-masing sudut penekanan plat digambarkan pada grafik pada Gambar 15.
26
Demi memudahkan analisis pendugaan gaya-gaya reaksi tanah pada sirip-sirip aktif yang membutuhkan data tahanan penetrasi tanah terhadap plat untuk masing-masing sirip dan masing-masing sudut yang dibentuk, maka data tahanan penetrasi tanah dianalisis dengan regresi linear. Persamaan matematis dibentuk dengan mengubah nilai ketenggelaman menjadi absis (sumbu x) dan nilai tahanan penetrasi tanah menjadi ordinat (sumbu y). Dengan demikian, persamaan yang terbentuk merupakan persamaan linier untuk masing-masing dimensi plat dan sudut penekanan. Hasil analisis regresi memiliki bentuk umum sebagaimana berikut, dimana Tp adalah tahanan penetrasi dalam satuan kPa; z adalah nilai
ketenggelaman plat dalam satuan cm; serta A danB merupakan konstanta pembentuk persamaan.Nilai masing-masing konstanta A danB beserta nilai koefisien determinasi (R2) untuk masing-masing variasi tampak pada Tabel 5. Adapun data rataan tahanan penetrasi tanah terhadap plat pada berbagai kedalaman dan sudut tekan selengkapnya tersaji pada Lampiran 1.
( )
p
[image:42.595.58.489.193.810.2]T z AzB (41)
Tabel 5 Hasil analisis regresi tahanan penetrasi tanah terhadap plat pada kedalaman 5-20 cm
Dimensi Sudut Sirip (°) Konstanta A
