DESAIN DAN UJI KINERJA PENJATAH PUPUK UNTUK
MESIN PEMUPUKAN KELAPA SAWIT
DIMA ABDILLAH IRFANSYAH
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Desain dan Uji Kinerja Penjatah Pupuk Untuk Mesin Pemupukan Kelapa Sawit adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. 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 diskripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor.
ABSTRAK
DIMA ABDILLAH IRFANSYAH. Desain dan Uji Kinerja Penjatah Pupuk
Untuk Mesin Pemupukan Kelapa Sawit. Dibimbing oleh RADITE
PRAEKO AGUS SETIAWAN.
Kegiatan pemupukan pada tanaman kelapa sawit merupakan kegiatan yang menyerap biaya paling besar dalam tahap pemeliharaan tanaman. Pemupukan dalam kelapa sawit umumnya masih menggunakan cara manual sehingga dosis pemupukan sulit untuk diatur. Mesin pemupukan mekanis yang tersedia saat ini menggunakan mekanisme gaya sentrifugal sehingga tidak dapat diaplikasikan pada tanaman kelapa sawit belum menghasilkan (TBM). Tujuan penelitian ini adalah merancang alat penjatah pupuk untuk melakukan penjatahan pupuk tipe granular dalam 6 variasi dosis. Terdapat dua tipe penjatah yang digunakan pada penelitian ini yaitu auger tipe edge cell dan auger tipe ulir yang akan digunakan untuk melakukan penjatahan sesuai variasi dosis yang diharapkan. Variasi dosis yang digunakan pada penelitian ini yaitu 1.5 kg, 1.25 kg, 1 kg, 0.75 kg, 0.5 kg dan 0.25 kg. Variasi penjatahan dosis pupuk yang dihasilkan diatur dari kecepatan putar auger pada rentang kecepatan putar auger 50 rpm – 5 rpm. Berdasrkan hasil percobaan, auger tipe ulir merupakan penjatah yang paling sesuai untuk melakukan penjatahan pupuk tipe granular.
Kata kunci: Kecepatan putar(rpm), kelapa sawit, pemupukan, penjatah
ABSTRACT
DIMA ABDILLAH IRFANSYAH.
Design and Performance Test of
Metering Device for Palm Oil Fertilizer Applicator. Supervised by
RADITE PRAEKO AGUS SETIAWAN.
Fertilizer application in palm oil plantation is an activity that require the biggest cost in crop maintenance. Generally, this activity is still done manually by human labor so it causes difficulty in setting the doses. Mechanical fertilizer applicator which already been used are using centrifugal mechanism, so it can not be applied into young palm oil trees which are under 5 years old. The purpose of this research was to design fertilizer applicator to apply granular fertilizer with six levels dose variable. Two types of metering devices that were used in this research to meet requirement doses, were auger edge cell type and auger screw type.The doses that were designed in this research were 1.5 kg, 1.25 kg, 1 kg, 0.75 kg, 0.50 kg and 0.25 kg. The metering of the fertilizer was done by setting the auger rotational speed at the range of 50 rpm – 5 rpm from auger rotational speed. The result of the test showed that auger screw type is the most appropriate for granular fertilizer metering device.
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik
pada
Departemen Teknik Mesin dan Biosistem
DESAIN DAN UJI KINERJA PENJATAH PUPUK UNTUK
MESIN PEMUPUKAN KELAPA SAWIT
DIMA ABDILLAH IRFANSYAH
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR
Judul Skripsi : Desain dan Uji Kinerja Penjatah Pupuk untuk Mesin Pemupukan Kelapa Sawit
Nama : Dima Abdillah Irfansyah NIM : F14100094
Disetujui oleh
Dr. Ir. Radite Praeko Agus Setiawan, M.Agr Pembimbing Akademik
Diketahui oleh
Dr. Ir. Desrial, M.Eng Ketua Departemen
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah subhanahu wa ta’ala atas segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Februari 2014 ini ialah rancang bangun, dengan judul Desain dan Uji Kinerja Penjatah Pupuk untuk Mesin Pemupukan Kelapa Sawit
Dengan telah terselesaikannya karya ilmiah ini, penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada :
1 Dr. Ir. Radite Praeko Agus Setiawan, M.Agr yang telah membimbing penyelesaian karya ilmiah ini.
2 Dr. Ir. Wawan Hermawan dan Dr. Ir. Usman Ahmad, M.Agr selaku penguji dalam ujian skripsi penulis yang telah memberi masukan dan bimbingan hingga terselesaikannya karya ilmiah ini.
3 Bapak, Ibu dan kakak Dhisa dan Oney atas doa dan dukungannya selama penyelesaian karya ilmiah ini.
4 Seluruh teknisi yang terdapat di Laboratorium Teknik Mesin dan Otomasi, Laboratorium Lapangan Siswadhi Soepardjo, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Institut Pertanian Bogor atas bantuannya selama penelitian berlangsung.
5 Teman-teman TMB 47 atas bantuan dan dukungan semangat yang diberikan kepada penulis.
6 Semua pihak yang secara langsung dan tidak langsung telah membantu penulis.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL viii
DAFTAR GAMBAR viii
DAFTAR LAMPIRAN viii
PENDAHULUAN 1
Latar Belakang 1
Tujuan Penelitian 2
TINJAUAN PUSTAKA 2
Pemupukan Kelapa Sawit 2
Alat Penjatah Pupuk 3
METODE 8
Waktu dan Tempat Penelitian 8
Bahan 8
Alat 8
Tahapan Penelitian 8
Pengujian Kinerja 8
ANALISIS DESAIN 9
Kriteria Desain 9
Rancangan Fungsional 10
Rancangan Struktural 10
HASIL DAN PEMBAHASAN 17
SIMPULAN DAN SARAN 22
Simpulan 22
Saran 22
DAFTAR PUSTAKA 22
LAMPIRAN 23
DAFTAR TABEL
1 Standar dosis pempukan TBM 3
2 Fungsi komponen-komponen mesin 10
3 Karakteristik pupuk NPK dan MOP 11
4 Perhitungan dimensi hopper 12
5 Perhitungan kecepatan putar auger berdasarkan variasi dosis
pemupukan 14
6 Distribusi ukuran partikel pupuk NPK 15.15.15 17
DAFTAR GAMBAR
1 Pekerja melakukan pemupukan manual 1
2 Alat pemupukan mekanis 2
3 Penjatah tipe (a)ulir rapat dan (b)ulir longgar (Srivastava et al. 1996) 4 4 Metering device tipe rotor bercelah (Srivastava et al. 1996) 5 5 Metering device tipe sabuk (Srivastava et al. 1996) 5 6 Metering device tipe rotating bottom (Srivastava et al. 1996) 6 7 Metering device tipe agitator feed (Richey 1961) 6
8 Auger rancangan Sumaryanto (1991) 7
9 Edge cell rancangan Cokroaminoto (2004) 7
10 Bagan alir tahapan penelitian 9
11 Skema komponen keseluruhan 10
12 Skema rincian dimensi hopper 11
13 Desain hopper 12
14 Meteringdevice tipe pertama 13
15 Metering device tipe kedua 13
16 Analisis pendugaan gaya-gaya 14
17 Motor listrik yang digunakan 16
18 Gearhead yang digunakan 16
19 Hasil rancangan metering device,(a) tipe edge cell dan (b) tipe ulir 18
20 Grafik hasil pengukuran statis awal 18
21 Hasil perbaikan desain dinding bawah hopper 19
22 Grafik perbandingan kedua tipe metering device 19 23 Metering device tipe ulir dalam kondisi terpasang 20
24 Grafik hasil pengujian keluaran pupuk statis 20
25 Perbedaan bentuk kedua buah auger 21
26 Grafik hasil pengujian keluaran pupuk dinamis 21
27 Rancangan edge cell 24
28 Pembebanan poros auger 27
29 Diagram momen lentur 28
DAFTAR LAMPIRAN
1 Perhitungan volume metering device tipe edge cell teoritis 24
3 Perhitungan dimensi poros auger 27 4 Tabel data pengukuran perbandingan keluaran metering device tahap
satu 30
5 Tabel data pengukuran perbandingan keluaran metering device tahap
dua 30
6 Tabel data hasil pengukuran kinerja metering device tipe ulir dan grafik keluaran pupuk terhadap kecepatan putar auger dalam kondisi statis 32 7 Tabel data hasil pengukuran kinerja meteringdevice tipe ulir dan grafik
keluaran pupuk terhadap kecepatan putar auger dalam kondisi dinamis 33 8 Tabel data hasil pengukuran kecepatan putar motor listrik aktual 34 9 Gambar isometri metering device tipe edgecell 35 10 Gambar orthogonal metering device tipe edge cell 36
11 Gambar isometri metering device tipe ulir 37
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Industri kelapa sawit merupakan komoditas penting dalam pembangunan ekonomi nasional. Selain sebagai penampung tenaga kerja yang besar, industri kelapa sawit menyumbang sebagian besar devisa negara. Indonesia merupakan salah satu produsen utama minyak sawit dunia. Hal ini terlihat dari total luas lahan perkebunan kelapa sawit di Indonesia mencapai 34.18% dari total luas lahan perkebunan kelapa sawit dunia. Pencapaian produksi rata-rata kelapa sawit Indonesia tahun 2004 - 2008 tercatat sebesar 75.54 juta ton tandan buah segar (TBS) atau 40.26% dari total produksi kelapa sawit dunia (Fauzi 2012).
Produktivitas tersebut perlu ditingkatkan untuk meningkatkan kesejahteraan masyarakat. Oleh karena itu, diperlukan pengelolaan yang baik dalam sektor on-farm dan off-farm. Salah satu kegiatan yang perlu ditingkatkan pengelolaannya adalah kegiatan pemupukan. Pemupukan adalah proses penambahan tersedianya unsur hara dan perbaikan struktur tanah serta penggantian unsur-unsur hara yang hilang diserap/diangkut oleh tanaman seperti yang tersimpan dalam tubuh tanaman, akibat penunasan, kastrasi, dan pemanenan buah. Mengingat biaya pemupukan sangat tinggi, berkisar 40% - 60% dari total biaya pemeliharaan, maka perlu diterapkan pedoman pemupukan 4 tepat yaitu tepat jenis, tepat dosis, tepat waktu dan tepat cara penempatan pupuk (Risza 2010).
Kegiatan pemupukan pada saat ini umumnya dilakukan dengan dua cara yaitu pemupukan manual dan pemupukan mekanis. Pemupukan manual adalah kegiatan pemupukan yang dilakukan langsung oleh tenaga kerja untuk menebarkan pupuk dengan bantuan alat wadah plastik (Gambar 1). Hal ini dianggap tidak selalu efektif dan efisien terutama terkait masalah karakteristik lahan dan ketersediaan tenaga kerja.
Gambar 1 Pekerja melakukan pemupukan manual
2
efektif dalam melakukan pemupukan tanaman sawit dewasa, namun tidak dapat digunakan pada tanaman kelapa sawit belum menghasilkan (TBM), pupuk yang ditebar oleh power spreader akan mengenai daun bahkan masuk kedalam ketiak daun TBM yang dapat mengakibatkan kerusakan tanaman. Hal dikarenakan tinggi pelepah dan ketiak daun tanaman muda masih rendah terhadap tanah.
Gambar 2 Alat pemupukan mekanis
Pada penelitian ini akan dirancang penjatah pupuk pada mesin pemupuk kelapa sawit TBM. Aplikasi alat ini untuk mengoptimalkan kegiatan pemupukan pada masa TBM yang akan berdampak pada peningkatan produktivitas kelapa sawit itu sendiri.
Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah mendesain dan menguji kinerja unit penjatah pupuk tipe ulir (auger) dan tipe edge cell untuk mendapatkan penjatahan pupuk dengan dosis yang presisi pada enam tingkat.
TINJAUAN PUSTAKA
Pemupukan Kelapa Sawit
Pemberian pupuk pada tanaman kelapa sawit harus memperhatikan beberapa hal yang merupakan kunci keefektifan pemberian pupuk, diantaranya daya serap akar tanaman, cara pemberian dan penempatan pupuk, waktu pemberian, serta jenis dan dosis pupuk.
Tabel 1 Standar dosis pempukan TBM
Pupuk tunggal umumnya mengandung satu unsur hara utama (misalnya urea mengandung unsur N), walaupun beberapa pupuk tunggal ini juga mengandung hara lainya tetapi biasanya dalam jumlah yang rendah. Dari segi harga, pupuk tunggal umumnya tidak terlalu mahal per kg hara tetapi aplikasinya memerlukan tenaga yang cukup besar karena hanya satu hara yang diaplikasikan pada setiap aplikasi pupuk. Selain itu adanya pupuk tunggal memungkinkan aplikasi setiap unsur hara sesuai dosis yang diinginkan (Darmosarkoro 2003).
Pupuk majemuk memiliki keunggulan dibandingkan dengan pupuk tunggal, yaitu lebih praktis dalam pemesanan, transportasi, penyimpanan dan aplikasinya di lapangan karena satu jenis pupuk majemuk mengandung keseluruhan atau sebagian besar hara yang dibutuhkan tanaman. Meskipun demikian, harga persatuan hara pada pupuk majemuk umumnya lebih mahal dibandingkan dengan pupuk tunggal. Selain itu, komposisi kandungan hara yang telah tertentu pada pupuk majemuk akan menimbulkan masalah pada saat aplikasi jika ternyata tanaman membutuhkan salah satu unsur hara dalam jumlah yang lebih besar atau lebih sedikit dibandingkan dengan kandungan hara pada pupuk majemuk (Darmosarkoro 2003).
Pupuk NPK merupakan salah satu pupuk majemuk yang mengandung unsur Nitrogen (N), Posfor (P) dan Kalium (K) dengan kadar yang beragam. Jenis dan kadar unsur yang dikandungnya berdasarkan negara asalnya. Seperti amafoska I (12-24-12) dari Amerika Serikat, nitrofoska I (17.5-13-22) dari Jerman, compound fertilizer (14-12-9) dari Jepang dan NPK Holland (15-15-15) dari Belanda (Lingga Pinus dan Marsono 2008).
Alat Penjatah Pupuk
4
dari permukaan tanah. Metering device secara umum digolongkan ke dalam dua jenis, yaitu aliran positif (positive flow) dan aliran gravitasi (gravity flow). Srivastava et al. (1996) membagi jenis-jenis penjatah pupuk sebagai berikut:
Tipe Ulir (Auger)
Penjatah tipe ulir dibagi menjadi dua, yaitu penjatah tipe close-fitting auger dan loose-fitting auger. Gambar 3a menunjukkan bentuk close-fitting auger dengan tabung yang rapat dengan ulirnya dan ulir tersebut memiliki displacement yang cukup besar tiap putarannya. Gambar 3b menunjukkan bentuk loose-fitting auger yang secara luas digunakan dalam penanganan hasil pertanian. Diameter dalam dari tabung adalah sekitar 12.5 mm lebih besar dibandingkan dengan diameter ulir (auger). Daerah diantara dua ulir digunakan untuk memindahkan bahan ke ujung hopper, dimana ujung hopper berada pada ujung tabung atau menjatuhkan melalui pembukaan outlet.
Gambar 3 Penjatah tipe (a)ulir rapat dan (b)ulir longgar (Srivastava et al. 1996) Menurut Srivastva (1996), kapasitas volumetrik teoritis dari sebuah auger diformulasikan pada Persamaan 1 sebagai berikut :
(1)
Perhitungan daya sebuah auger horizontal menurut CEMC (2012) diformulasikan pada Persamaan 2, 3 dan 4.
(2)
Fd = faktor daya terhadap diameter auger Fb = faktor bearing gantung
Fm = faktor bahan
Ff = flighting modification HP factor Fp = paddle HP factor
Fo = faktor pengisian bahan e = efisiensi transmisi
Tipe Rotor Bercelah (Edge Cell)
Penjatah tipe edge cell ditunjukkan oleh Gambar 4. Roda penjatah dipasangkan pada jarak yang diperlukan sepanjang hopper dan diputar oleh poros berpenampang segi empat. Lebar rotor antara 6 mm hingga 32 mm digunakan untuk pemberian dosis yang berbeda. Laju pengeluaran pupuk diatur dengan merubah kecepatan putar porosnya.
Gambar 4 Metering device tipe rotor bercelah (Srivastava et al. 1996)
Tipe Sabuk (Belt-type)
Belt-type metering device adalah jenis metering device yang digunakan ketika diperlukan laju putaran yang relatif besar dan menggunakan hopper yang besar (Gambar 5). Beberapa unit memiliki kawat belt datar (umumnya terbuat dari stailess steel) yang memindahkan bahan disepanjang dasar hopper. Laju keluaran dikontrol melalui pintu yang dapat disetel dan berada di atas belt.
6
Tipe Rotating Bottom
Metering device tipe rotating bottom (Gambar 6) adalah penjatah pupuk yang mengeluarkan pupuk melalui celah pengatur yang terletak pada sisi atas pengeluaran. Pupuk dikeluarkan saat plat horizontal yang terdapat pada dasar kotak pupuk berputar.
Gambar 6 Metering device tipe rotating bottom (Srivastava et al. 1996) Menurut Richey (1961), terdapat juga tipe agitator feed (Gambar 7). Tipe ini umumnya digunakan pada biji-bijian kecil yang tidak dapat dipilih satu persatu. Tipe ini menggunakan kecepatan putar yang konstan. Laju keluarannya diatur oleh ukuran lubang pengeluaran.
Gambar 7 Metering device tipe agitator feed (Richey 1961)
gram per meter alur. Untuk kecepatan 0.26 m/s dosis pemupukan adalah 20 gram per meter alur. Sedangkan untuk kecepatan 0.40 m/s dosis pemupukan adalah 15 gram per meter alur. Dosis pemupukan yang diharapkan per meter alur adalah 16 gram per meter alur dan 24 gram per putaran roda penggerak. Sehingga dosis yang dihasilkan lebih besar dari yang diharapkan. Gambar rancangan auger Sumaryanto dapat dilihat pada Gambar 8.
Gambar 8 Auger rancangan Sumaryanto (1991)
Cokroaminoto (2004) membuat penjatah tipe edge cell yang dilengkapi dengan agitator. Bentuk penjatah adalah silinder dengan diameter 10 cm dan mempunyai 6 celah cell yang berbentuk setengah lingkaran dengan diameter cell 4 cm. Sedangkan agitator berbentuk plat yang dipasang disekeliling boss roda dengan sudut kemiringan 200 dan pitch 4 cm. Hasil pengujian awal terhadap penjatahan pupuk menunjukkan bahwa ada pupuk yang lolos melalui celah antar rotor dengan pintu keluaran pada saat rotor penjatah tidak diputar, sehingga laju keluaran pupuk lebih tinggi dari yang diharapkan. Laju keluarannya berkisar antara 69 g/m sampai 203g/m, yang diharapkan adalah 88 g/m. Hasil pengujian setelah modifikasi menunjukkan bahwa laju keluaran yang mendekati standar pada beberapa bukaan, yaitu sebesar 82.5 g/m pada bukaan 2 cm. Pada kecepatann 0.7m/d laju keluaran yang dicapai adalah 109.1 g/m. Gambar edge cell rancangan Cokroaminoto dapat dilihat pada Gambar 9.
8
METODE
Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan dari bulan Februari 2014 sampai Februari 2015.
Pembuatan prototipe dilaksanakan di dua tempat berbeda, yaitu bengkel Fadhel Teknik dan Laboratorium Teknik Mesin dan Otomasi, Laboratorium Lapangan Siswadhi Soepardjo, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Institut Pertanian Bogor. Uji coba mesin dilakukan di Laboratorium Lapangan Siswadhi Soepardjo. Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Institut Pertanian Bogor.
Bahan
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini terdiri dari bahan konstruksi dan bahan untuk pengujian. Bahan konstruksi terdiri dari besi plat stainless steel, besi hollow, poros pejal, pillow block, pipa PVC, blower, gear box, motor listrik, mur, baut, kawat elektroda 2.6 mm dan cat. Bahan yang digunakan untuk pengujian adalah pupuk NPK.
Alat
Alat yang digunakan dalam penelitian ini terdiri dari alat yang dipergunakan untuk pembuatan prototipe, alat pengukuran karakteristik pupuk dan dosis pemupukan. Peralatan perbengkelan yang digunakan adalah las listrik, mesin gerinda, mesin bubut, gergaji potong, mesin bor, amplas, kikir, hand tap dan kunci satu set. Alat yang digunakan untuk pengukuran karakteristik pupuk antara lain: timbangan digital, gelas ukur, penggaris dan jangka sorong. Alat yang digunakan dalam pengukuran dosis pemupukan meliputi: satu unit mesin pemupuk TBM, timbangan dan kantong plastik.
Tahapan Penelitian
Tahapan penelitian yang dilakukan secara umum terdiri dari identifikasi masalah, perumusan ide desain, penyajian konsep desain, evalusai desain, pabrikasi, uji fungsional dan uji kinerja. Gambaran umum prosedur penelitian dapat dilihat pada Gambar 10.
Pengujian Kinerja
Pengujian tahap kedua dilakukan guna menyeragamkan hasil keluaran pupuk selama 7 detik yang keluar dari dua buah penjatah dengan tipe yang sama secara statis. Penjatah yang digunakan pada pengujian tahap ini adalah tipe penjatah yang menghasilkan keluaran paling mendekati keluaran teoritis berdasarkan data hasil pengujian tahap pertama. Data yang didapat pada pengujian tahap ini adalah kecepatan putar yang dibutuhkan tiap penjatah untuk menghasilkan keluaran pupuk yang sama. Metode yang digunakan yaitu metode trial and error pada pengaturan kecepatan putar sedemikian sehingga penjatah menghasilkan keluaran pupuk sesuai variasi dosis yang diinginkan. Variasi dosis yang ingin dicapai yaitu 1.5 kg, 1.25kg, 1 kg, 0.75 kg, 0.50 kg dan 0.25 kg.
Pengujian tahap ketiga dilakukan guna melihat pengaruh keluaran pupuk dalam kondisi mesin bergerak maju. Pengujian dilakukan dengan cara menampung keluaran pupuk selama 7 detik dalam kondisi mesin bergerak maju dengan kecepatan 2 km/jam. Pengujian dilakuan sebanyak tiga kali ulangan dalam setiap variasi dosis.
Gambar 10 Bagan alir tahapan penelitian
ANALISIS DESAIN
Kriteria Desain
10
Pengaturan variasi dosis dilakukan dengan cara mengatur kecepatar putar metering device tersebut.
Rancangan Fungsional
Fungsi utama dari metering device yang dikembangkan adalah mengaplikasikan pupuk granul untuk tanaman sawit TBM yang ditanaman pada sengkedan secara efektif dengan dosis bervariasi. Fungsi komponen yang digunakan tersaji pada Tabel 2.
Tabel 2 Fungsi komponen-komponen mesin
No. Fungsi Komponen
1 Menampung pupuk Hopper
2 Mengatur dosis keluaran pupuk Metering device
3 Memutar metering device sesuai dosis Motor listrik
4 Mereduksi putaran motor listrik Gearhead
5 Mengontrol kecepatan putar dan lama penyalaan motor listrik
Sistem kendali
6 Mendorong pupuk keluar Blower
7 Menyalurkan udara dan mengarahkan aliran pupuk
Pipa PVC
8 Menyebarkan pupuk ke lahan Diffuser
Rancangan Struktural
Menurut Ichniarsyah (2013), rancangan struktural adalah analisis dari komponen-komponen alat yang akan dibuat yang telah dibahas pada rancangan fungsional. Bentuk, ukuran, dan bahan dari masing-masing komponen ditentukan dari rancangan strukutral. Skema komponen secara keseluruhan dapat dilihat pada Gambar 11.
Kotak Pupuk(Hopper)
Dalam menentukan dimensi kotak pupuk, terlebih dahulu mengetahui volume pupuk yang digunakan. Berdasarkan kebutuhan dosis pemupukan yang digunakan oleh perusahaan yaitu 1.5 kg/pokok. Alat pemupuk mampu memupuk minimal 90 pohon kelapa sawit dan mampu memupuk dua lajur sekaligus dalam sekali pengisian kotak pupuk (bolak-balik). Oleh sebab itu dibuat dua buah kotak pupuk yang mampu menampung sebanyak 150 kg dalam setiap kotaknya. Karakteristik pupuk yang digunakan dapat dilihat pada Tabel 3.
Tabel 3 Karakteristik pupuk NPK dan MOP Jenis pupuk Bulk density(g/cm3
)
Berdasarkan data tersebut, maka volume hopper minimum adalah
Dalam desain kotak pemupuk tedapat dua bagian yaitu bagian prisma trapesium dan bagian kotak seperti yang terlihat pada Gambar 12. Persamaan volume kotak pupuk dapat dilihat pada Persamaan 5 (Aspriyono 2005).
(5)
Gambar 12 Skema rincian dimensi hopper
12
bagian bawah 25 cm. Di samping itu, kemiringan kotak pupuk juga tidak boleh kurang dari 300.
Oleh sebab itu, ukuran yang perlu diperhitungkan adalah lebar penampang bawah. Lebar penampang bawah dicari paling dekat dengan dimensi rotor yaitu 17 cm dengan θ sebagai variabel bebas. Lebar penampang bawah dapat ditentukan dengan Persamaan 6 berikut.
(6)
Dari Persamaan 6 dimasukkan nilai θ sehingga didapat dimensi hopper yang sesuai seperti yang tersaji pada Tabel 4.
Tabel 4 Perhitungan dimensi hopper Volume hopper dapat dilihat pada Gambar 13.
Gambar 13 Desain hopper
Penjatah (Metering Device)
mempunyai saluran pengeluaran berukuran 120 × 30 mm. Adapun Gambar metering device tipe pertama dapat dilihat pada Gambar 14.
Gambar 14 Meteringdevice tipe pertama
Penjatah tipe kedua memiliki ukuran pitch 40 mm, diameter luar 150 mm, diameter poros 35 mm. Sedangkan rotor bercelahnya (edge cell) terdiri dari 6 celah masing-masing celah memiliki diameter 69.8 mm, tebal 40 mm dan panjang total 400 mm. Perhitungan teoritis volume metering device tipe edge cell dapat dilihat pada Lampiran 1. Desain metering device tipe kedua terlihat pada Gambar 15.
Gambar 15 Metering device tipe kedua
Kecepatan maju mesin saat melakukan pemupukan adalah 2 km/jam (0.55 m/s). Dosis terbesar dalam pemupukan adalah 1.5 kg/pokok. Panjang lintasan yang akan disebar oleh pupuk adalah 3 m (1.5 m sebelum dan sesudah pokok). Jadi waktu yang ditempuh untuk melintasi lintasan sepanjang 3 m diformulasikan pada Persamaan 7.
(7)
14
(8)
Berdasarkan desain tersebut, maka persamaan perhitungan kecepatan putar penjatah yang akan digunakan (Srivastava et al. 2006) adalah Persamaan 1. Beberapa variabel Persamaan 1 telah ditentukan berdasarkan ruang yang tersedia. Variabel yang ditentukan yaitu diameter luar auger 15 cm, diameter poros auger 3.5 cm dan pitch auger 4 cm, sehingga didapatkan nilai kecepatan putar auger sebagai berikut :
Maka kecepatan putar auger akan diatur menjadi 0.79 putaran per detik (47.27 RPM). Tabel perhitungan kecepatan putar auger berdasarkan variasi dosis yang diharapkan dapat dilihat pada Tabel 5.
Tabel 5 Perhitungan kecepatan putar auger berdasarkan variasi dosis pemupukan Variasi dosis
Perhitungan dimensi poros auger berdasarkan pada anlisis gaya-gaya yang terjadi didalam hopper. Analisis gaya-gaya yang terjadi dapat dilihat pada Gambar 16. Perhitungan dimensi poros auger dapat dilihat pada Lampiran 3.
Menurut Ichniarsyah (2013), gaya-gaya yang bekerja pada pupuk di dalam hopper diduga dari Persamaan 9 dan 10.
(9)
(10)
Selain ada gaya Wp (gaya berat pupuk) yang bekerja pada bagian tengah hopper, komponen gaya berat pupuk lain yang bekerja di hopper diduga dari Persamaan 11, 12 dan 13.
(11) (12)
(13)
Gaya gesek di dalam hopper pada bagian 1 dan bagian 2 dapat diduga menggunakan Persamaan 14, 15, 16 dan 17.
(14)
(15)
(16)
(17)
Sehingga gaya yang bekerja pada pupuk saat mengalir ke penjatah pupuk pada masing-masing sisi hopper diduga menggunakan Persamaan 18 dan 19.
(18)
Ff1, Ff2 : komponen gaya gesek pupuk-dinding hopper (N) F1, F2, F3 : komponen gaya di penjatah pupuk (N)
α : sudut kemiringan hopper (0) g : percepatan gravitasi (m/s2)
ρp : berat jenis pupuk (g/cm3)
µh : koefisien gesek pupuk pada bahan hopper
16
Motor Listrik
Motor listrik digunakan untuk menggerakkan auger. Berdasarkan perhitungan teoritis, daya yang dibutuhkan untuk memutar satu unit auger 29.385 Watt. Tiap auger dipasangkan satu unit motor listrik. Motor listrik yang dipilih adalah motor listrik DC dengan spesifikasi tegangan 24 V dan daya 90 Watt dengan torsi 2.9 kgf.cm (290 kgf.m). Perhitungan kebutuhan daya dapat dilihat pada Lampiran 2. Gambar motor listrik yang digunakan dapat dilihat pada Gambar 17.
Gambar 17 Motor listrik yang digunakan Gearhead
Gearhead digunakan untuk mereduksi kecepatan putar motor listrik. Dikarenakan putaran auger maksimum yang dirancang berkisar 50 rpm. Dengan putaran motor listrik maksimum 3000 rpm, maka digunakan gearhead dengan rasio 50:1. Gambar gearhead yang digunakan dapat dilihat pada Gambar 18.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pupuk
Pengukuran distribusi ukuran partikel pupuk dilakukan untuk mengetahui sebaran ukuran partikel dari pupuk yang digunakan yaitu pupuk NPK 15.15.15. Hal ini dikarenakan ukuran partikel pupuk berpengaruh besar terhadap pergerakan partikelnya. Pengukuran distribusi pupuk dilakukan dengan cara mengayak pupuk menggunakan beberapa jenis ukuran ayakan. Berikut tabel distribusi ukuran partikel pupuk NPK 15.15.15 yang digunakan pada Tabel 6.
Tabel 6 Distribusi ukuran partikel pupuk NPK 15.15.15 Ulangan
ke-
Distribusi ukuran partikel pupuk NPK 15.15.15 (%)
< 1.4 mm 1.44 - 2.36 mm 2.36 - 4.76 mm > 4.76 mm yang lebih kecil dari 1.4 mm jumlahnya tidak lebih dari 0.69 % dari massa total pupuk yang diukur. Ukuran partikel pupuk NPK 15.15.15 yang lebih besar dari 4.76 mm jumlahnya tidak lebih dari 9.09 % dari massa total pupuk yang diukur. Sedangkan ukuran partikel pupuk NPK 15.15.15 pada rentang ukuran 1.44-2.36 mm jumlahnya 7.65 % dari total massa pupuk yang diukur. Ukuran partikel pupuk NPK 15.15.15 sebagian besar berada pada rentang ukuran 2.36-4.76 mm yaitu sebesar 82.56 % dari total massa pupuk yang diukur.
Penjatah Pupuk(Metering Device)
Hasil desain kedua jenis penjatah dapat dilihat pada Gambar 19. Gambar teknik dari kedua buah penjatah dapat dilihat pada Lampiran 9, 10, 11 dan 12. Pada tahap awal, pengujian dilakukan pada kedua jenis penjatah. Tiap penjatah dipasangkan motor listrik dan gearhead dengan rasio 20:1 dengan mekanisme transmisi poros langsung. Pupuk yang digunakan untuk pengujian adalah pupuk NPK 15,15,15. Sedangkan untuk pengatur kecepatan putar motor listrik digunakan speed control. Grafik hasil pengujian dapat dilihat pada Gambar 20.
18
(b)
Gambar 19 Hasil rancangan metering device,(a) tipe edge cell dan (b) tipe ulir
Gambar 20 Grafik hasil pengukuran statis awal
Pengujian statis pertama dilakukan pada tanggal 4 November 2014. Perlakuan yang dilakukan adalah perlakuan kecepatan putar penjatah. Sedangkan waktu penyalaan penjatah dilakukan selama 7 detik. Ulangan pengukuran keluaran pupuk dilakukan sebanyak 3 kali. Data hasil pengujian statis awal dapat dilihat pada Lampiran 4.
Dari Gambar 20 terlihat bahwa kecenderungan naik dengan meningkatnya kecepatan putar penjatah. Dalam perhitungan teoritis pada kecepatan 40 rpm, penjatah tipe edge cell mengeluarkan pupuk sebanyak 1.65 kg. Sedangkan penjatah tipe ulir pada kecepatan yang sama mengeluarkan pupuk sebanyak 1.25 kg. Bila dibandingkan dengan perhitungan teoritis, kedua tipe metering device ini masih berada jauh diatas perhitungan.
Hal ini diakibatkan adanya clearance sebesar satu centimeter antara auger dengan dinding bawah hopper. Hal ini mengakibatkan pupuk mengalir melalui celah tersebut sehingga terjadi kebocoran.
Selanjutnya dilakukan perbaikan desain pada dinding bawah hopper dengan cara penambahan lembaran karet guna menutup celah antara auger dan hopper tersebut. Hasil perbaikan desain tersebut dapat dilihat pada Gambar 21.
Gambar 21 Hasil perbaikan desain dinding bawah hopper
Pengujian statis tahap kedua dilakukan pada tanggal 11 November 2014. Pada tahap ini, gearhead yang digunakan adalah rasio 50:1. Pengukuran keluaran pupuk dilakukan dari kecepatan maksimum motor listrik hingga motor listrik tidak mampu berputar lagi. Hasil pengujian statis pada tahap kedua dapat dilihat pada Gambar 22. Data hasil pengujian statis tahap kedua dapat dilihat pada Lampiran 5.
Dari Gambar 22 terlihat bahwa penjatah tipe ulir sudah menunjukkan penjatahan pupuk yang sesuai dengan teoritis. Akan tetapi pada penjatah tipe edge cell masih menunjukkan dosis keluaran yang cukup tinggi.
Hal tersebut diperkirakan akibat terjadinya kebocoran pada celah ulir penjatah tipe edge cell yang terpotong. Selain itu, terdapat celah antar coakan edge cell dengan pintu keluaran yang mengakibatkan pupuk mengalir menuju pintu keluaran.
20
Dari hasil pengujian statis tersebut, maka diputuskan untuk menggunakan penjatah dengan tipe ulir untuk kedua buah hopper. Kemudian pada tahap selanjutnya, dilakukan pengujian statis tahap ketiga. Pada tahap ini dilakukan pengujian guna menyeragamkan dosis keluaran yang dihasilkan kedua penjatah pupuk tersebut. Gambar kedua penjatah pupuk dapat dilihat pada Gambar 23.
Gambar 23 Metering device tipe ulir dalam kondisi terpasang
Pengujian statis kedua buah penjatah ini dilakukan pada tanggal 28 Januari 2015. Pada tahap ini, dilakukan pencarian kecepatan putar auger kanan dan kiri guna menyeragamkan laju keluaran pupuk. Pencarian dilakukan dengan metode trial and error pada pengaturan sistem kendali. Data kecepatan putar yang digunakan auger untuk menghasilkan keluaran yang sama dapat dilihat pada Lampiran 8. Hasil pengujian statis tahap ketiga dapat dilihat pada Gambar 24. Data hasil pengujian dan grafik keluaran pupuk terhadap kecepatan putar auger statis dapat dilihat pada Lampiran 6.
Gambar 24 Grafik hasil pengujian keluaran pupuk statis 0.00
Keluaran pupuk yang diharapkan (kg)
Auger kanan
Auger kiri
Pada tahap ini, terlihat bahwa kedua penjatah sudah menghasilkan penjatahan mendekati kurva harapan meskipun hasil keluaran kedua penjatah tidak sama persis. Hal ini dikarenakan bentuk dan ukuran dari kedua buah penjatah tipe ulir ini tidak persis sama akibat faktor pembuatan prototipe yang masih konvensional dan sederhana. Perbedaan bentuk dapat dilihat pada Gambar 25.
Gambar 25 Perbedaan bentuk kedua buah auger
Selanjutnya dilakukan pengujian dinamis dengan kecepatan maju 2 km/jam yang dilakukan di Laboratorium Lapangan Siswadhi Soepardjo, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem yang memiliki kontur rata dan berumput. Hasil pengukuran dinamis dapat dilihat Gambar 26. Data hasil pengujian dan grafik keluaran pupuk terhadap kecepatan putar auger dinamis dapat dilihat pada Lampiran 7.
Gambar 26 Grafik hasil pengujian keluaran pupuk dinamis 0
Keluaran pupuk yang diharapkan (kg)
Harapan Auger kanan Auger kiri Auger kiri
22
Pada grafik hasil pengujian dinamis terlihat bahwa kurva pengujian dinamis dengan kurva harapan relatif berhimpit. Hal tersebut menunjukkan bahwa pengujian dinamis pada kontur lahan yang rata tidak berpengaruh terhadap laju keluaran pupuk.
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Penjatah pupuk untuk mesin pemupuk TBM telah dirancang dan diuji kinerja. Penjatah tipe edge cell menghasilkan keluaran pupuk lebih besar dari teoritis sedangkan penjatah tipe ulir menghasilkan pupuk yang sesuai dengan toeritis. Oleh sebab itu, penjatah pupuk yang paling sesuai diaplikasikan pada mesin pemupuk untuk pupuk tipe granular adalah penjatah tipe ulir karena penjatah tipe edge cell mengalami kebocoran pada celah coakan terhadap pintu keluarannya. Penjatah pupuk tipe ulir bagian kanan dan bagian kiri yang digunakan tidak menghasilkan laju keluaran pupuk yang sama, hal ini dikarenakan proses pabrikasi yang masih konvensional dan sederhana sehingga menghasilkan penjatah yang bentuk dan ukurannya tidak sama persis. Namun demikian hasil pengujian menunjukkan bahwa keluaran pupuk proporsional terhadap putaran motor. Dengan mengontrol putaran motor secara “kontrol digital”, keluaran pupuk penjatah kanan dan penjatah kiri dapat disamakan. Hasil pengujian juga menunjukkan bahwa faktor guncangan pada kontur lahan yang rata tidak mempengaruhi laju keluaran pupuk.
Saran
Cleareance antara auger dan dinding bawah hopper harus dibuat sekecil mungkil guna mencegah terjadinya kebocoran. Proses pembuatan auger sebisa mungkin memiliki bentuk dan ukuran yang sama antara rotor penjatah bagian kiri dan kanan. Semua bagian yang bersentuhan dengan pupuk harus terbuat dari bahan anti karat. Apabila ada bahan yang tidak anti karat, sebaiknya dilindungi agar tidak terkena pupuk agar alat pemupuk ini bertahan lama.
DAFTAR PUSTAKA
Aspriyono E. 2005. Rancang Bangun dan Pengujian Prototipe Alat Pemupuk Mekanis Untuk Tebu Lahan Kering [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor.
Cokroaminoto B. 2004. Rancang Bangun dan Uji Kinerja Alat Pemupuk Tebu dengan Tenaga Tarik Hewan [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor. [CEMC] Conveyor Engineering & Manufacturing. 2012. Screw Conveyor
Components & Design. Cedar Rapids (USA): CEMC.
Fauzi Y, Widyastuti YE, Satyawibawa I, Paeru RH. 2012. Kelapa Sawit. Depok (ID): Penebar Swadaya.
Ichniarsyah AN. 2013. Analisis Kebutuhan Torsi dan Desain Penjatah Pupuk Butiran Tipe Edge-Cell Untuk Mesin Pemupuk Jagung [Tesis]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor.
Lingga P, Marsono. 2008. Petunjuk Penggunaan Pupuk. Depok (ID): Penebar Swadaya.
Richey CB, Jacobson P, Hall CW. 1961. Agricultural Engineer’s Handbook. New
York (US): McGraw-Hill Book Company.
Risza S. 2010. Masa Depan Perkebunan Kelapa Sawit Indonesia. Yogyakarta (ID): Kanisius (Aggota IKAPI).
Setiawan RPA, Desrial, Hermawan W.2014. Laporan Kemajuan Kerjasama AAL dengan IPB. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor.
Srivastava AK, Goering CE, Rohrbach RP. 1994. Engineering Principle of Agricultural Machine. Washington (US): American Society of Agriculture Enginering.
Srivastava AK, Goering CE, Rohrbach RP. 2006. Engineering Principles of Agricultural Machines. Washington (US): American Society of Agriculture Enginering.
Sularso, Suga K. 2004. Dasar Perencanaan Dan Pemilihan Elemen Mesin. Jakarta (ID): Pradnya Paramita.
24
Lampiran 1 Perhitungan volume metering device tipe edge cell teoritis
Gambar 27 Rancangan edge cell Diketahui : BD = 75 mm
Dicari : luas BFCG Penyelesaian :
Menghitung sudut α pada segitiga DCH dengan persamaan :
Menghitung sudut β pada segitiga BCD dengan persamaan :
Menghitung panjang BE dengan persamaan :
Menghitung panjang AE dengan persamaan :
Menghitung panjang DE dengan persamaan :
Maka panjang garis EF = DF – DE = 75 – 66.83 = 8.16 mm dan panjang GE = GF
– EF = 35 – 8.16 = 26.83 mm.
Perhitungan luas parabola BCF dengan persamaan :
dimana, titik I (C) = (0 , 0)
titik II (F) = (34,02 , 26,83) titik III (B) = (64,04 , 0) maka :
Persamaan 1
Persamaan 2
Persamaan 3
Subsitusi persamaan 3 ke persamaan 2, maka didapat nilai a = -0.02 dan nilai b = 1.48.
maka luas parabola BCF :
Menghitung parabola BCG sama dengan menghitung parabola BCF, sehingga didapat
maka luas parabola BCG
26
Lampiran 2 Perhitungan kebutuhan daya auger
Menurut CEMC(2012), persamaan perhitungan kebutuhan daya auger didekati dengan menggunakan koefisien bahan pasir silika sebagai berikut
Diketahui :
Panjang auger (L) = 40 cm (1.3124 kaki) Kecepatan putar auger (N) = 50 rpm
Kapasitas auger (C) = 1.984 x 10-4 m3/s (25.164 kaki3/jam) Kerapatan material saat dipindahkan auger (D) = 95 lb/CF
Faktor daya terhadap diameter auger (Fd) = 18 Faktor bearing gantung (Fb) = 1
Faktor bahan(Fm) = 2
Flighting modification HP factor (Ff) = 1 Paddle HP factor (Fp) = 1
Effisiensi transmisi(e) = 0.94 Penyelesaian :
hp
dimana,
Sehingga,
Lampiran 3 Perhitungan dimensi poros auger 1 Gaya berat pupuk yang bekerja pada hopper.
3 Gaya yang bekerja saat pupuk mengalir ke penjatah pupuk.
4 Gaya berat pupuk total yang masuk ke ruang penjatah.
5 Pembebanan vertikal pada poros auger
Beban vertikal yang terjadi pada poros auger adalah beban merata.
Gambar 28 Pembebanan poros auger 59
10
Va Vb
28
Gambar 29 Diagram momen lentur 6 P = 0.09 kW, n1 = 50 rpm
7 fc = 2
8 Pd = 2 x 0.09 = 0.18 kW
9 Bahan poros baja khrom (SCr3)
Kekuatan tarik bahan ( ) = 90 kg/mm2
Faktor keamanan ( 1) untuk bahan S-C adalah 6 Faktor pengaruh ( 2) diambil 2
10 Tegangan geser yang diijinkan ( )
Kt untuk beban puntiran adalah 2 Km untuk beban lenturan adalah 2 11 Momen puntir
12 Diameter poros auger
Jadi diameter poros minimum adalah 21.31 mm. Pada rancangan, diameter auger yang digunakan 35 mm. Alur pasak yang digunakan 5 x 5 x 1.0 (1.0 jari-jari fillet).
1.0/35 = 0.02 α = 2.65
15 > 4.48, baik
13 Perhitungan defleksi puntiran
14 0.060 < 0.250, baik
15 Bantalan yang dipakai pada kedua ujung poros dianggap tipis
y/l = 0.11 mm/m < 0.3, baik 16 Berat poros
Setengah dari berat tersebut dianggaap bekerja di tengah poros sebagai beban terpusat.
17 Kecepatan kritis
18
30
Lampiran 4 Tabel data pengukuran perbandingan keluaran metering device tahap satu
Massa pupuk selama 7 detik (kg)
Lampiran 5 Tabel data pengukuran perbandingan keluaran metering device tahap dua
Lanjutan lampiran 4
32
Lampiran 6 Tabel data hasil pengukuran kinerja dan grafik keluaran pupuk terhadap kecepatan putar metering device tipe ulir dalam kondisi statis Kecepatan putar
auger (rpm) Dosis keluaran pupuk (kg)
Kanana Kiria Aplikator
kanana Rataan
Posisi kanan dan kiri berdasarkan tampak belakang mesin pemupuk
Lampiran 7 Tabel data hasil pengukuran kinerja dan grafik keluaran pupuk terhadap kecepatan putar meteringdevice tipe ulir dalam kondisi dinamis Kecepatan putar
auger (rpm) Dosis keluaran pupuk (kg)
Kanana Kiria Aplikator
kanana Rataan
Posisi kanan dan kiri berdasarkan tampak belakang mesin pemupuk
34
Lampiran 8 Tabel data hasil pengukuran kecepatan putar motor listrik aktual
Dosis keluaran
Posisi kanan dan kiri berdasarkan tampak belakang mesin pemupuk b
36
38
