ANALISIS GAYA SPESIFIK PEMOTONGAN SABUT
KELAPA MUDA (
Cocos nucifera L
.)
TIKA HAFZARA SIREGAR
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis berjudul Analisis Gaya Spesifik Pemotongan Sabut Kelapa Muda (Cocos nucifera L.) 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 tesis ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor.
RINGKASAN
TIKA HAFZARA SIREGAR. Analisis Gaya Spesifik Pemotongan Sabut Kelapa Muda (Cocos nucifera
L
.
). Dibimbing oleh DESRIAL dan DYAH WULANDANI.Kelapa muda umumnya disajikan secara alami dengan bentuk kerucut di atas. Proses pembentukan kelapa ini sudah dilakukan secara manual di industri rumah tangga dengan menggunakan sebilah parang. Proses ini memiliki resiko kecelakaan kerja yang tinggi. Kelapa yang dihasilkan pada proses ini memiliki bentuk yang kurang menarik, tidak seragam, dan sulit untuk dibuka. Oleh sebab itu, dibutuhkan alat trimming kelapa muda yang dapat menghasilkan bentuk yang lebih baik, seragam, dan aman untuk digunakan.
Untuk merancang alat trimming kelapa muda, penting untuk melakukan analisis mekanisme pemotongan sabut kelapa muda. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk menganalisis mekanisme pemotongan sabut kelapa muda, membangun model matematika pendugaan gaya spesifik pemotongan, dan mendapatkan daya pemotongan maksimum pemotongan sabut kelapa muda. Variasi faktor sudut ketajaman, sudut potong, dan sisi mata pisau dioptimalkan untuk menghasilkan gaya potong terendah.
Model matematika telah dibangun untuk menduga gaya pemotongan maksimum untuk pisau satu sisi menajam dan dua sisi menajam dengan sudut potong (θ) 00
, 150,dan 300. Dari hasil penelitian disimpulkan bahwa jenis pisau yang menghasilkan gaya pemotongan terendah adalah pisau dua sisi menajam dengan sudut ketajaman 100 dan sudut potong 300. Daya terendah untuk pemotongan tegak lurus sabut kelapa muda adalah 0,12 kW yang dihasilkan dengan menggunakan pisau dua sisi menajam dengan sudut ketajaman 100 dan sudut potong 300. Daya pemutaran maksimum yang dibutuhkan untuk memotong sabut kelapa muda adalah 0,75 kW.
SUMMARY
TIKA HAFZARA SIREGAR. Specific Cutting Force Analysis of Young Coconut Husk (Cocos nucifera
L
.
). Supervised by DESRIAL dan DYAH WULANDANI.Young coconut generally serves natural with conical shape on top. This process has been done manually in the home industry by using short sword. By this process, it contains high accident risk. It made the young coconut look not attractive and could not easy to open, therefore young coconut trimming machine will be design to produce young coconut with better shape, uniform, and safety to use.
To design a young coconut trimming machine, it’s important to analyze the cutting mechanism of young coconut husk. The aim of this study were to analyze the cutting mechanism of young coconut husk and generate mathematical model of specific cutting force. Sharpening angle, cutting angle, and sharpened knife were optimized to get the lowest cutting force.
Mathematical model has been generated to estimate the maximum cutting force for one side sharpened knife and two side sharpened knife with cutting angle (θ) at 00
,150, and 300. Based on the analysis of this study, the type of knife that require the lowest cutting force is two side sharpened knife with sharpening angle (β) = 100 and cutting angle (θ)= 300
. The minimum power needs to cut the coconut husk is 0,12 kW. It was made by two side sharpened knife with cutting angel 300 and sharpened angel 100. Maximum power for shaping conical on top of young coconut is 0,75 kW.
© Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2015
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
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis ini
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains
pada
Program Studi Teknik Mesin Pertanian dan Pangan
ANALISIS GAYA SPESIFIK PEMOTONGAN SABUT
KELAPA MUDA (
Cocos nucifera L.
)
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR 2015
Judul Tesis :Analisis Gaya Spesifik Pemotongan Sabut Kelapa Muda (Cocos nucifera
L
.
)Nama : Tika Hafzara Siregar NIM : F151120051
Disetujui oleh Komisi Pembimbing
Dr Ir Desrial, MEng Ketua
Dr Ir Dyah Wulandani, MSi Anggota
Diketahui oleh
Ketua Program Studi
Teknik Mesin Pertanian dan Pangan
Dr Ir Y Aris Purwanto, MSc
Dekan Sekolah Pascasarjana
Dr Ir Dahrul Syah, MScAgr
Tanggal Ujian: 17 Desember 2014
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah Subhanahu wa ta’ala atas segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Penelitian ini dimulai pada bulan Desember 2013. Judul tesis yang ditulis adalah: “Analisis Gaya Spesifik Pemotongan Sabut Kelapa Muda (Cocos nucifera
L
.
)”.Dalam penulisan dan penyusunan tesis penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada kedua orang tua beserta suami yang telah mendukung penulis dalam menyelesaikan tesis ini. Penulis juga ingin menyampaikan terima kasih kepada:
1. Dr.Ir. Desrial M.Eng selaku ketua komisi pembimbing atas bimbingan dan arahan yang telah diberikan kepada penulis.
2. Dr.Ir. Dyah Wulandani M.Si selaku anggota komisi pembimbing atas bimbingan dan arahan yang telah diberikan kepada penulis.
3. Dr. Ir. Y. Aris Purwanto M.Sc selaku ketua program studi Teknik Mesin Pertanian dan Pangan yang telah memberikan saran serta arahan kepada penulis dalam melakukan penulisan tesis.
4. Dr.Ir. Lilik Pujantoro, M.Agr selaku dosen penguji luar komisi pada ujian akhir tesis atas masukan dan arahan untuk perbaikan tesis.
5. Seluruh teknisi laboratorium Teknik Pengolahan Pangan Hasil Pertanian dan laboratorium Siswadhi Soepardjo Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Institut Pertanian Bogor yang telah banyak memberikan bantuan dan saran kepada penulis selama penelitian.
6. Teman-teman mayor Teknik Mesin Pertanian dan Pangan, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem angkatan 2012 yang telah membantu dan memberikan saran kepada penulis selama penelitian dan penulisan tesis.
Penulis menyadari dalam penulisan tesis ini masih banyak kekurangan dikarenakan keterbatasan kemampuan dan pengetahuan penulis. Oleh karena itu, penulis sangat mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari semua pihak untuk penyempurnaan dan perbaikan tesis ini. Akhir kata penulis berharap semoga tesis ini dapat bermanfaat bagi semua orang.
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL vi
DAFTAR GAMBAR vi
DAFTAR LAMPIRAN vi
1 PENDAHULUAN 1
Latar Belakang 1
Perumusan Masalah 2
Tujuan Penelitian 3
Manfaat Penelitian 3
Batasan Masalah 3
2 TINJAUAN PUSTAKA 3
3 METODE 10
Waktu dan Tempat 10
Bahan 10
Alat 10
Tahap Penelitian 11
4 HASIL DAN PEMBAHASAN 20
Sifat Fisik dan Mekanik Kelapa Muda 20
Model Matematika Gaya Spesifik Pemotongan 21
Perbandingan antara Model Matematika Gaya Spesifik Pemotongan dan
Gaya Pemotongan aktual 24
Pengaruh Variasi Pisau terhadap Gaya Pemotongan Sabut Kelapa Muda 28
Analisis Torsi 28
Kebutuhan Daya 29
Performa Alat Trimming Kelapa Muda 30
5 SIMPULAN DAN SARAN 30
Simpulan 30
Saran 31
DAFTAR PUSTAKA 31
LAMPIRAN 33
DAFTAR TABEL
1 Sifat fisik dari kelapa muda Thailand ... 6
2 Sifat fisik kelapa muda ... 19
3 Sifat mekanik sabut kelapa muda ... 20
4 Perbandingan daya maksimum pemotongan pada perhitungan model matematika dan pengukuran aktual untuk pisau satu sisi menajam ... 29
5 Perbandingan daya maksimum pemotongan pada perhitungan model matematika dan pengukuran aktual untuk pisau dua sisi menajam ... 29
DAFTAR GAMBAR
1 Bentuk kelapa trimming ... 22 Sudut pemotongan kelapa ... 6
3 Diagram statik pemotongan batang tebu ... 7
4 Tahap-tahap proses pemotongan bahan uji ... 8
5 Gaya-gaya yang terjadi pada pisau satu sisi menajam ... 9
6 Gaya pemotongan spesifik sebagai fungsi dari perpindahan berbagai ... bagian dari mata pisau pada kemiringan >00 ... 9
7 Tahapan penelitian ... 11
8 Bahan uji dalam penelitian ... 12
9 Pelabelan pada dimensi kelapa muda ... 12
10 Aparatus uji koefisien gesek ... 14
11 Variasi untuk pisau pemotong ... 14
12 Aparatus uji pemotongan sabut kelapa muda ... 17
13 Aparatus uji kebutuhan torsi ... 18
14 Bagian kelapa muda dengan label pada setiap dimensi ... 20
15 Sudut pemotongan kelapa muda hijau ... 21
16 Gaya-gaya yang bekerja pada saat pemotongan dengan pisau satu sisi menajam ... 22
17 Pemotongan pada pisau dengan sudut potong >00 ... 23
18 Grafik perbandingan gaya pemotongan sabut kelapa muda aktual dan model untuk =00 ... 25
19 Grafik perbandingan gaya pemotongan sabut kelapa muda aktual dan model untuk =150 ... 26
20 Grafik perbandingan gaya pemotongan sabut kelapa muda aktual dan model untuk =300 ... 27
21 Keretakan bahan yang terjadi pada proses pemotongan ... 28
22 Kelapa muda hasil trimming 30
DAFTAR LAMPIRAN
1 Data poisson ratio sabut kelapa muda hijau 332 Data modulus elastisitas sabut kelapa muda hijau... 34
3 Koefisien gesek sabut kelapa muda hijau ... 35
5 Grafik gaya hasil pengukuran torsi pada alat trimming kelapa muda 37 6 Hasil perhitungan model matematika gaya pemotongan sabut kelapa
muda pada sudut potong 00 38
7 Hasil perhitungan model matematika gaya pemotongan sabut kelapa
muda pada sudut potong 150 39
8 Hasil perhitungan model matematika gaya pemotongan sabut kelapa
muda pada sudut potong 300 40
DAFTAR SIMBOL
a,b : Nilai dari perubahan nilai r (cm) D : Deformasi buah (cm)
d : Perpindahan pemotongan pada lapisan bahan (cm) E : Modulus elastisitas (MPa)
Ec : Energi pemotongan dalam sekali potong (J) Ecs : Energi pemotongan spesifik (kJ/kg)
F : Gaya pemotongan (N) Fe : Gaya pada mata pisau (N)
Fh : Gaya horizontal sisi mata pisau (N)
Ftot : Gaya total pemotongan pada pisau miring (N) Fv : Gaya vertikal sisi mata pisau (N)
H : Tinggi bahan (cm)
h : Perubahan jarak pada tinggi badan terhadap waktu (cm)
h-ltan
: Perpindahan pisau pada kemiringan sudut potong terhadap suatu degradasi tinggi dan lebar bahan (cm)L : Lebar aktual pemotongan (cm)
l : Jarak tempuh pada lebar bahan bahan terhadap waktu (cm)
Ltan : Perpindahan pada kemiringan sudut potong terhadap suatu
degradasi lebar bahan (cm)
Ma : Kapasitas pemisahan keadaan bahan kering (kg/s) N : Gaya normal pada sisi miring mata pisau (N) P : Daya yang digunakan untuk memotong (kW) p : Kekuatan tekan (N)
R : Diameter penekan (cm)
r : Jarak titik pemotongan yang tegak lurus dengan sumbu putar (cm) SI : Lintasan koordinat pisau pemotong
T1,T2 : Gaya tangensial dari permukaan sisi mata pisau (N) v : Poisson ratio
x : Lebar (cm)
y : Tinggi (cm)
z : Ketebalan (cm)
β : Sudut ketajaman mata pisau (0)
: Sudut pemotongan (0)
: Torsi (Nm)
: Kecepatan sudut (rps)
: Ketebalan ujung mata pisau (cm) : Tegangan luluh (MPa)
: Normal strain (cm)
: Kepadatan material lapisan bahan kering (kg/cm3) µ : Koefisien gesek
B
1
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Buah kelapa muda merupakan salah satu produk pertanian yang bernilai ekonomi tinggi. Air kelapa mengandung bermacam-macam vitamin, mineral dan gula sehingga dapat dikategorikan sebagai minuman ringan yang bergizi. Luas lahan kelapa di Indonesia cukup luas, akan tetapi sebagian besar tersebar pada lahan-lahan yang marjinal. Menurut Maliangkay dan Matana (2007) areal pertanaman kelapa mencapai 20% dari seluruh lahan perkebunan yang terdapat di Indonesia, dimana sebesar 97% perkebunan kelapa diusahakan oleh rakyat.
Buah kelapa muda merupakan salah satu produk tanaman tropis yang unik karena disamping komponen daging buahnya dapat langsung dikonsumsi, juga komponen air buahnya dapat langsung diminum tanpa melalui pengolahan. Keunikan ini ditunjang oleh sifat fisik dan komposisi kimia daging dan air kelapa, sehingga produk ini sangat digemari konsumen baik anak-anak maupun orang dewasa. Di Indonesia, kelapa muda biasa diolah menjadi berbagai macam aneka minuman seperti es kelapa muda, es strup degan, dan rucuh. Pemanfaatan buah kelapa muda harus diikuti dengan penanganan setelah panen, seperti pengawetan, pengemasan dan penyimpanan karena buah mudah rusak.
Air kelapa muda merupakan salah satu komponen dari buah kelapa yang pemanfaatannya belum optimal. Volumenya mencapai 25% dari total komponen buah kelapa. Secara khusus, air kelapa kaya kalium, kandungan gula bervariasi antara 1,7- 2,6%, dan protein 0,07-0,55%. Berdasarkan komposisi ini maka air kelapa muda berpotensi dijadikan bahan baku produk pangan (Maskromo et al. 2007).
Kelapa muda biasanya disajikan langsung dari buahnya dengan melakukan pemotongan pada bagian atas kelapa. Harga kelapa muda dikalangan pedagang es kelapa muda masih terbilang rendah bila dibandingkan dengan harga kelapa muda yang ada di supermarket. Teknologi pascapanen yang diterapkan pada kelapa muda yang dijual di supermarket membuat harga kelapa muda meningkat dua kali lipat bahkan lebih. Salah satu teknologi pascapanen kelapa muda yang diterapkan yaitu melakukan trimming pada kelapa muda sehingga kelapa muda memiliki bentuk yang lebih menarik. Teknologi pascapanen ini membuat harga kelapa muda meningkat. Dari survey yang dilakukan di lapangan, harga kelapa muda Thailand yang telah mengalami trimming menggunakan alat trimming dijual dengan harga Rp 15.800 sedangkan kelapa muda Genjah Indonesia yang di trimming manual dijual dengan harga Rp 8.000.
2
dibagian atas akan memudahkan konsumen untuk membuka kelapa. Bentuk ini juga dipilih karena heksagonal mengikuti susunan sarang lebah sehingga dapat meningkatkan indeks pengepakannya. Bentuk kelapa ini memiliki nilai estetika dan dapat menjadi bentuk khas kelapa muda Indonesia.
Gambar 1 Bentuk kelapa trimming
Salah satu pendekatan yang dapat dilakukan dalam perancangan alat trimming kelapa muda adalah melakukan analisis mekanisme pemotongan sabut kelapa. Analisis ini dapat memberikan parameter dasar dalam menentukan rancangan pisau yang dapat memotong sabut kelapa muda dengan efisien. Pengujian parameter-parameter geometri mata pisau yang dapat memberikan gaya pemotongan terendah dengan kualitas hasil potong yang baik perlu dilakukan.
Pemodelan matematika merupakan salah satu metode untuk pendugaan secara teoritis terhadap suatu mekanika. Model matematika gaya pemotongan sabut kelapa muda ini penting dalam pengembangan disain alat trimming kelapa muda. Sebagai langkah awal, perlu dilakukan penelitian yang berkaitan dengan mekanisme pemotongan sabut kelapa muda untuk mendapatkan gaya spesifik pemotongan dan daya yang dibutuhkan untuk melakukan kerja pemotongan tersebut. Gaya spesifik pemotongan merupakan perkiraan kebutuhan gaya pemotongan yang cukup akurat untuk tujuan praktis dengan menggunakan parameter komponen gaya-gaya yang terjadi pada mekanisme pemotongan.
Sifat fisik dan mekanik bahan sangat mempengaruhi desain alat yang akan diciptakan. Pengumpulan data sifat fisik buah kelapa muda sangat penting untuk mendisain alat trimming kelapa muda. Dengan menggunakan data-data sifat fisik kelapa muda diharapkan modal yang dikeluarkan dalam pembuatan alat menjadi optimal dan dapat berfungsi maksimal. Kelapa yang digunakan dalam penelitian ini adalah kelapa hijau. Kelapa hijau memiliki kandungan gizi yang tinggi yang sudah banyak dikenal masyarakat (Maskromo et al. 2007).
Perumusan Masalah
3 sifat fisik serta mekanik kelapa muda agar alat yang dirancang dapat bekerja efisien.
Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis mekanisme pemotongan sabut kelapa muda, membangun model matematika gaya spesifik pemotongan sabut kelapa muda dengan berbagai variasi pada mata pisau serta membandingkan model matematika gaya pemotongan spesifik dengan hasil pengukuran, dan mendapatkan daya pemotongan terendah dari perhitungan menggunakan parameter kondisi bahan uji.
Manfaat Penelitian
Penelitian ini menyajikan data geometri pisau yang bermanfaat sebagai rekomendasi jenis pisau pemotong dan kebutuhan tenaga untuk merancang alat trimming kelapa muda. Penelitian ini juga menghasilkan model matematika yang bermanfaat dalam perhitungan kebutuhan gaya dan daya pada pemotongan bahan.
Batasan Masalah
Adapun batasan masalah yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Penelitian terhadap sifat fisik buah kelapa muda hijau dibatasi pada berat, dan dimensi buah kelapa muda hijau.
2. Mekanisme pemotongan yang akan dianalisis adalah mekanisme pemotongan searah sabut kelapa dengan variasi pada jumlah sisi mata pisau menajam, sudut pemotongan pisau (
), dan sudut kerajaman pisau (β).3. Kelapa hijau yang digunakan adalah kelapa genjah hijau dengan umur panen 8 bulan yang berasal dari Curug Bitung, Banten.
4. Bahan pisau yang digunakan adalah baja.
2
TINJAUAN PUSTAKA
Kelapa
Kelapa merupakan salah satu komoditas pertanian yang telah lama dikenal dan dimanfaatkan oleh manusia. Kelapa yang merupakan tumbuhan tropik dapat tumbuh dari tepi pantai hingga 1000 meter diatas permukaan laut diantara 230 LU dan 230 LS. Luas lahan kelapa di Indonesia cukup luas, akan tetapi sebagian besar tersebar pada lahan-lahan yang marjinal. Menurut Maliangkay dan Matana (2007) areal pertanaman kelapa mencapai 20% dari seluruh lahan perkebunan yang terdapat di Indonesia, dimana sebesar 97% perkebunan kelapa diusahakan oleh rakyat.
4
genetik kelapa di Indonesia sangat besar, sampai dengan tahun 2005 Balai Penelitian Tanaman Kelapa dan Palma Lain (Balitka) telah mengoleksi berbagai aksesi kelapa salah satunya adalah kelapa Genjah Hijau Jombang (GHJ). Air kelapa yang merupakan salah satu komponen dari buah kelapa belum dimanfaatkan secara optimal. Volume air kelapa mencapai 25% dari total komponen buah kelapa dengan kandungan gizi air yang cukup lengkap, terutama kandungan kalium. Hal ini menyebabkan air kelapa dapat digunakan sebagai minuman kesehatan (Maskromo et al. 2007).
Air kelapa muda sering disajikan alami, yaitu hanya memberikan sayatan kecil lalu diberi lubang dan langsung diminum. Untuk menghasilkan penampilan sabut yang menarik dilakukan pengupasan sabut kelapa muda lalu direndam dalam larutan antioksidan dan antijamur. Selanjutnya dikering-anginkan dan disimpan pada suhu 100C. Dengan cara ini buah kelapa dapat disimpan selama empat minggu (Barlina 2007).
Perancangan
Alasan penerapan perancangan adalah karena adanya kebutuhan akan produk baru, efektifitas biaya, dan kebutuhan akan produk yang berkualitas tinggi. Masalah yang sering muncul pada produk baru adalah produk tersebut tidak dapat berfungsi sebagaimana mestinya, membutuhkan waktu yang lama dalam merealisasikannya di masyarakat, biaya terlalu mahal, hasil produk yang kurang memuaskan. Dari permasalahan-permasalahan tersebut maka perlu dilakukan analisis permasalahan untuk mendapatkan solusi melalui tahapan perencanaan yang tepat. Perencanaan merupakan tahapan bagaimana untuk memperoleh suatu produk tertentu yang sesuai dengan kebutuhan yang ada.
5
Sifat Fisik dan Mekanik Produk Pertanian
Karakteristik dari suatu bahan hasil pertanian sangat penting untuk klasifikasi standar bentuk dan ukuran. Oleh karena itu dibuatlah suatu standar yang telah disepakati bersama untuk mempermudah penanganan dan pengolahan produk tersebut. Ada beberapa kriteria yang dapat digunakan untuk menjelaskan bentuk dan ukuran bahan hasil pertanian, yaitu: bentuk acuan, kebundaran, kebulatan, dimensi sumbu bahan, serta kemiripan bahan hasil pertanian terhadap benda geometri tertentu. Karakteristik fisik hasil pertanian akan mempengaruhi bentuk dan ukuran berat atau volume. Konsumen tertentu memiliki penerimaan (aseptabilitas) tertentu mempertimbangkan karakteristik fisik. Bentuk, ukuran, berat, dan warna yang seragam menjadi pilihan konsumen. Untuk mencegah kerusakan seminimal mungkin, diperlukan pengetahuan tentang karakteristik watak atau sifat teknik bahan hasil pertanian yang berkaitan dengan karakteristik fisik, mekanik, dan termis (Mohsenin 1986).
Hampir pada semua tahapan teknologi proses, produk pertanian diberi efek mekanis (gaya). Suatu gaya biasanya selalu diikuti oleh suatu perubahan bentuk atau deformasi. Gaya yang bekerja pada bahan bisa cukup besar (untuk pemotongan, penyayatan, penekanan) atau sekecil-kecilnya untuk menghindari kerusakan (pemanenan sayuran dan buah-buahan dan perontokan biji-bijian). Untuk mengoptimalkan kinerja gaya-gaya pada bahan, maka pengetahuan tentang kekuatan mekanis produk (tekan, tarik dan geser) menjadi sangat penting.
Kebanyakan produk pertanian bersifat viskoelastis yaitu berkelakuan berbeda-beda terhadap pengaruh tarikan atau tekanan yang tetap dan pembebanan dinamis yang berubah-ubah atau vibrasi. Dengan mengetahui kelakuan produk maka akan memungkinkan untuk menentukan, misalnya apakah sesuatu bahan lebih baik diberi perlakuan geser atau impact. Jenis gaya yang berbeda juga berpengaruh terhadap kebutuhan dayanya. Daya yang diperlukan untuk pemadatan suatu bahan berlainan tergantung apakah digunakan gaya dinamis atau statis.
Ketika bahan mendapatkan tekanan, hampir semua bahan akan memiliki perubahan lebar. Bahan silinder yang mendapat tekanan akan mengalami peningkatan diameter. Menurut Lewis (1987) poisson ratio adalah perbandingan antara kontraksi lateral (sebagai bagian diameter) dan regangan longitudinal.
Menurut Mohsenin (1986) pemotongan bahan merupakan hasil dari kombinasi deformasi (dengan geser atau tekuk). Dalam praktek, disarankan untuk menentukan tahanan terhadap pemotongan sebagai salah satu sifat mekanis bahan sehingga daya pemotongan dapat ditentukan secara langsung. Pada banyak pekerjaan disain, pengetahuan tentang koefisien gesek statis dan dinamis juga sangat penting. Kondisi dinamis suatu bahan dan kondisi stressnya pada banyak kasus keduanya tergantung pada nilai koefisien gesek bahan.
6
Tabel 1 Sifat fisik dari kelapa muda Thailand
Sifat Fisik Dimensi (mm)
Tinggi buah (H) 179,7 ± 5,3
Diameter buah (D) 160,2 ± 5,6
Tinggi cangkang (h) 99,3 ± 4,2
Diameter cangkang (d) 105,3 ± 6,0
Jarak vertikal antara cangkang dan dasar buah (b1) 45,4 ± 5,2 Jarak vertikal antara cangkang dan pangkal buah (b2) 32,7 ± 2,5 Jarak horizontal sebelah kiri antara cangkang dan kulit
buah (a1)
26,3 ± 3,0 Jarak horizontal sebelah kanan antara cangkang dan
kulit buah (a2)
26,0 ± 2,9
Menurut hasil penelitian Jarimopas dan Tuttanadat (2007), sudut potong antara pisau dengan badan buah kelapa pada alat trimming kelapa yang ideal yaitu
= 560,β = 760 (Gambar 2).
Gambar 2 Sudut pemotongan kelapa (Jarimopas 2007)
Pengukuran
Untuk mengukur gaya pembelahan buah kelapa buah kelapa, digunakan dinamometer. Menurut Supriyadi (2005) pengukuran gaya pembelahan kelapa dapat dilakukan dengan cara kedua ujung pisau masing -masing dikaitkan pada neraca pegas maka dapat diketahui gaya yang dibutuhkan untuk membelah buah kelapa baik langkah maju maupun langkah mudur.
7 equatorial buah. Gaya tekan dan deformasi sekitar 30 % dari titik kerusakan digunakan untuk mengkalkulasikan modulus elastisitas.
Menurut Cox (1997) hubungan antara perubahan hambatan dan regangan merupakan hubungan yang linier. Sensor untuk mengukur regangan harus memiliki resistivitas yang tinggi agar sensitivitasnya tinggi. hubungan antara perubahan hambatan yang berhubungan dengan perubahan regangan disebut
gauge factor. Gauge yang umum digunakan terbuat dari tembaga dan nikel
dengan hambatan 120 Ohm dengan koefisien temperatur tahanan 2x10-5/ 0C sampai 8x10-5/ 0C.
Alat pengukur torsi juga dikenal dengan nama dinamometer. Ada 3 jenis aparatus pengukur torsi dasar, yakni jenis absorbsi, jenis penggerak, dan jenis transmisi. Dinamometer absorbsi mengeluarkan energi mekanis pada saat torsi diukur. Dinamometer penggerak mengukur torsi atau daya dan juga energi umpan untuk menggerakkan alat yang diuji. Dinamometer transmisi bekerja sebagai alat pasif pada lokasi yang tepat dalam mesin atau antara mesin hanya untuk mengindera torsi pada lokasi tersebut (Srivastava 1987).
Mekanisme Pemotongan
Pada penelitian pemotongan batang jagung yang dilakukan oleh Sitkei (1986), ada dua tahapan pada proses pemotongan material. Pertama yaitu adanya gaya hingga mencapai batas tahanan potong bahan. Tahap kedua lebih terpusat pada gerakan pemotongan pada batasan material. Material ditekan hingga kedalaman (h) pada batas tahanan potong bahan, energi yang dibutuhkan ditunjukkan pada kurva diatas Ac. Energi yang dibutuhkan pada pemotongan efektif ditunjukkan pada Av. Gambar 3 menunjukkan diagram statik pemotongan batang tebu.
8
) cos 2
sin 2 1 (
' 2
2 Fv Fh
T
Ketebalan pisau umumnya antara 50-150 μm. Dengan ketebalan pisau yang sangat kecil ini, tekanan yang terjadi pada proses pematangan diasumsikan terjadi sangat kecil. Sehingga analisis pemotongan dilakukan berdasarkan gaya-gaya yang terjadi disepanjang kontak bahan dengan pisau pemotong. Komponen gaya-gaya akan berperan dalam proses pemotongan. Pada proses pemotongan, terdapat tiga tahapan yaitu menusuk, penetrasi, dan memotong (Gambar 4). Gaya-gaya pada mata pisau tersebut saling terkait baik pada besaran sudut dan resultan gaya dan akhirnya akan membentuk suatu fungsi persamaan gaya pemotongan.
Gambar 4 Tahap-tahap proses pemotongan bahan uji (Sitkei 1986)
Menurut Sitkei (1986) kinematika gaya-gaya yang terdapat pada pisau merupakan fungsi penjumlahan gaya-gaya vertikal pada saat pemotongan seperti pada Gambar 5. Pada mata pisau satu sisi, gaya normal yang bekerja pada bidang miring pisau merupakan penjumlahan komponen gaya horisontal dan gaya vertikal.
(1) (2) Untuk mata pisau dengan dua sisi menajam terdapat dua gaya normal dibagian kiri dan kanan. Sedangkan gaya tangensial yang timbul pada pisau dilambangkan dengan T2 adalah :
(3) Dimana µ = tanφ adalah koefisien gesek. Pada sisi vertikal pisau, gaya tangensial yang bekerja sebesar T1= µFh.
Komponen vertikal gaya tangensial T2’ adalah :
(4)
cos
sin h
v F
F
N
2 cos 2
sin h
v F
F
N
tan
2 N N
9
Gambar 5 Gaya-gaya yang terjadi pada pisau satu sisi menajam (Sitkei 1986)
Mata pisau miring (kemiringan >00)
Gaya pemotongan spesifik yang terjadi pada pemotongan dengan mata pisau miring dapat ditunjukkan pada diagram gaya pemotongan pada jarak tempuh h dan lebar bahan L tan
dan skema pemotongan pisau miring pada bahan (Gambar 6). Mata pisau dengan kemiringan >00 gaya pemotongan dipengaruhi oleh lebar bahan uji sepanjang kemiringan mata pisau terhadap L, yang ditunjukkan dalam hasil selisih dari total lintasan koordinat pisau pemotong dengan diagram lintasan koordinat pisau pemotong pertama.Gambar6Gaya pemotongan spesifik sebagai fungsi dari perpindahan berbagai bagian dari mata pisau pada kemiringan
> 0010
3
METODE
Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian dilaksanakan pada bulan Desember 2013 sampai dengan Mei 2014. Penelitian dibagi menjadi dua tahap yaitu tahap pengambilan data sifat fisik dan mekanik buah kelapa muda hijau di Laboratorium Teknik Pengolahan Pangan Hasil Pertanian (TPPHP) dan tahap pengukuran gaya pemotongan spesifik di Laboratorium Siswadhi Soepardjo Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Institut Pertanian Bogor.
Bahan
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah kelapa muda hijau.
Alat
Peralatan yang digunakan untuk menentukan sifat fisik buah kelapa muda hijau adalah :
1. Timbangan digital 2. Jangka sorong digital 3. Pisau
4. Golok 5. Kalkulator 6. Oven
7. Kamera digital
Peralatan yang digunakan pada analisis gaya pemotongan spesifik adalah : 1. Aparatus uji pemotongan berupa alat trimming kelapa muda yang dilengkapi
sensor regangan (strain gauge) 120 Ohm
2. Direct Shear Apparatus
3. Universal Testing Machine (UTM)
4. Instrumen pengukuran dan perekaman data yang terdiri :
a. Bridge box untuk menghubungkan kabel dari strain gauge dengan Strain
Amplifier b. Data Logger
5. Satu unit laptop dengan software Treasure Duct untuk perekam data ke komputer, Microsoft Office Word 2010 dan Microsoft Office Excel 2010 6. Kamera digital.
11
Tahap Penelitian
Gambar 7 Tahapan penelitian
Mulai
Pengaturan dan pembagian lingkup bahan uji dan alat uji yang diperlukan dalam penelitian
Pengukuran sifat fisik dan mekanik kelapa muda hijau
Penentuan variasi sudut ketajaman, sudut pemotongan, dan sisi mata pisau
Analisis torsi dan daya pemotongan Pembuatan instrumen uji
Pengukuran gaya pemotongan
Model matematika gaya spesifik pemotongan
sabut kelapa muda
Analisis data
Rekomendasi rancangan pisau pemotong dan tenaga pada alat trimming kelapa muda
Selesai Ya Validasi data Tidak
12
Pengaturan dan pembagian lingkup bahan uji dan alat uji yang diperlukan dalam penelitian.
Pengaturan dan pembagian lingkup bahan uji dan alat uji yang dilakukan sesuai dengan mekanisme pemotongan yang akan digunakan. Uji pemotongan dilakukan dengan mekanisme pemotongan searah serat kelapa muda. Bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah kelapa muda hijau dengan umur panen 8 bulan. Menurut Intara (2005) untuk menguji sifat mekanik bahan yaitu gaya pemotongan spesifik pada pemotongan searah maka digunakan bagian sabut kelapa yang telah dipotong dengan ukuran 5 x 2 x 2,5 cm seperti pada Gambar 8.
Gambar 8 Bahan uji dalam penelitian
Pengukuran sifat fisik kelapa muda hijau
Karakteristik fisik bahan yang diukur yaitu dimensi buah dan berat buah seperti pada Gambar 9. Kadar air bahan juga diuji untuk mengetahui kepadatan bahan. Pada penelitian ini digunakan 20 sampel kelapa muda.
Gambar 9 Pelabelan pada dimensi kelapa muda (Jarimopas et al., 2009) Arah serat
5 cm
2,5 cm
13
Pengambilan data sifat mekanik
Pengukuran data material dari bahan uji ditujukan untuk mendapatkan nilai :
1. Poisson ratio
Pengukuran poisson ratio bahan dilakukan di laboratorium Teknik Pengolahan Pangan Hasil Pertanian (TPPHP) dengan menggunakan alat Universal Testing Machine (Lampiran 1). Setelah didapatkan data defleksi bahan kemudian dihitung poisson ratio dengan menggunakan Persamaan 5.
(5)
2. Modulus elastisitas (E)
Pengukuran modulus elastisitas bahan dilakukan di laboratorium Teknik Pengolahan Pangan Hasil Pertanian (TPPHP) dengan menggunakan alat Universal Testing Machine (Lampiran 2). Tahapan mengukur modulus elastis kelapa muda hijau adalah :
1) Dibelah kelapa secara melintang menjadi dua bagian sama besar 2) Diletakkan satu bagian kelapa muda diatas tatakan
3) Ditekan titik dipangkal kelapa muda dengan penekan berdiameter 6,4 mm dengan tingkat pembebanan 25 mm/min
4) Diukur berapa gaya yang dibutuhkan hingga kerusakan (rupture) pada permukaan kelapa muda terjadi
5) Dicatat hasil pengamatan
6) Dilakukan hal yang sama pada satu bagian kelapa lainnya. 7) Dilakukan pengulangan sebanyak 10 kali.
8) Dihitung modulus elastisitas dengan Persamaan 6.
(6)
3. Pengukuran Koefisien Gesek
Nilai koefisien gesek ( ) didapatkan dari pengujian antara permukaan melintang sabut kelapa muda dengan permukaan plat besi bahan pisau Dimensi kelapa hijau :
- Tinggi buah (H)
- Diameter buah (D)
- Tinggi cangkang (h)
- Diameter cangkang (d)
- Jarak vertikal antara cangkang dan dasar buah (b1)
- Jarak vertikal antara cangkang dan pangkal buah (b2)
- Jarak horizontal sebelah kiri antara cangkang dan kulit buah (a1)
- Jarak horizontal sebelah kanan antara cangkang dan kulit buah (a2)
axial lateral v 15 2 ) 1 ( 75 , 0 D P R v
14
pemotong seperti Gambar 10. Pengukuran ini dilakukan dengan menggunakan Direct Shear Apparatus seperti pada Lampiran 3. Pengukuran koefisien gesek dilakukan dengan pengulangan tiga kali dengan pembebanan yang berbeda-beda. Koefisien gesek didapat dari persamaan kurva gaya dan beban.
Gambar 10 Aparatus uji koefisien gesek
4. Strength Maximum
Pengukuran Strength Maximum bahan dilakukan di laboratorium Teknik Pengolahan Pangan Hasil Pertanian (TPPHP) dengan menggunakan alat
Universal Testing Machine (Lampiran 4). Plunger yang digunakan
berdiameter 10 cm. Defleksi bahan diukur dengan alat dial gauge.
Penentuan variasi ukuran, bentuk pisau, dan sudut mata pisau
Bentuk sisi mata pisau yang diuji pada penelitian ini adalah bentuk mata pisau dengan satu sisi menajam dan dua sisi menajam. Bentuk sisi mata pisau dipilih berdasarkan bentuk sisi mata pisau umum yang digunakan untuk memotongan sabut kelapa yaitu mata pisau pada golok, seperti telihat pada Gambar 11.
Gambar 11 Variasi untuk pisau pemotong
Keterangan :
β : Sudut ketajaman (100, 150, 200) z
θ
y y
x x
z z
θ
β β
Plat besi
Sabut kelapa
beban
15 ) 2 1 ' (
2 F T2 T1 F
F e v
] 2 1 ) 2 cos 2 1 cos 2 sin ( [
2 v v h 2 h
e F F F F
F
F
: sudut pemotongan antara mata pisau dan bidang datar ( 00
, 150, 300) z : Ketebalan
y : Tinggi x : Lebar
a. Ketebalan mata pisau
Ketebalan pisau yang digunakan pada penelitian ini adalah ketebalan 3mm. Pisau terbuat dari plat baja yang sesuai dengan golok yang digunakan untuk memotong sabut kelapa muda.
b. Variasi bentuk pisau
1. Variasi sudut ketajaman mata pisau (β)
Variasi ketajaman mata pisau yaitu 100, 150, dan 200. 2. Variasi sudut potong pisau ()
Variasi sudut potong ditetapkan dari besar sudut pada bentuk kemiringan penampang pisau tersebut. Variasi sudut potongnya yaitu 00, 150, 300. 3. Variasi bentuk sisi mata pisau (P)
Variasi bentuk sisi mata pisau yang akan digunakan adalah bentuk mata pisau dengan satu sisi menajam dan dua sisi menajam.
Dari kriteria penentuan variasi bentuk sisi mata pisau menajam, sudut ketajaman, dan sudut potong pisau tersebut diharapkan dapat membantu menentukan gaya potong terendah.
Pengembangan Model Matematika Gaya Spesifik Pemotongan Bahan
Analisis dilakukan pada gaya-gaya yang bekerja pada pisau saat proses pemotongan sabut kelapa muda. Untuk pemotongan bahan yang akan diaplikasikan pada pemotongan sabut kelapa muda, dilakukan pengembangan persamaan pemotongan bahan yang akhirnya menghasilkan model matematika gaya spesifik pemotongan sabut kelapa muda. Persamaan dasar gaya-gaya yang bekerja pada bahan pada saat pemotongan didapat dari teori dasar pemotongan menurut Sitkei (1986) untuk pemotongan pada sudut potong 00.
Menurut Sitkei (1986) analisis yang dilakukan pada proses pemotongan bahan pertanian adalah penjumlahan gaya-gaya vertikal yang terjadi di sepanjang permukaan pisau. Pada proses pemotongan tersebut, pertama ujung mata pisau akan menusuk permukaan bahan, setelah itu sisi tajam mata pisau mengalami penetrasi melewati permukaan bahan, selanjutnya kedua sisi pisau ikut dalam proses pemotongan mengalami proses gaya gesek terhadap bahan. Untuk pisau dua sisi simetris, maka selain Fe, maka komponen gaya-gaya lainnya tersebut dikalikan dua.
(7)
16 3 tan ) ( H h 3 tan ) ( H h tan ) (hH
) 2 1 (F H Ec
Fxr
Dari Gambar 5, sifat mekanik yang mempengaruhi besarnya gaya pemotongan yaitu modulus elastisitas, koefisien gesek, poisson ratio. Menurut Sitkei (1986), pada tahap awal proses pemotongan, gaya yang terjadi pada mata pisau (Fe) adalah:
(9)
dimana adalah ketebalan ujung mata pisau, B adalah tegangan luluh (yield
strength) bahan di bawah mata pisau. Gaya Fv dan Fh ditentukan dengan
pendekatan sifat deformasi bahan. Gaya-gaya yang bekerja pada permukaan yaitu:
(10)
(11) Untuk pemotongan dengan sudut potong diatas 00, dibangun model matematika dengan mengembangkan teori pemotongan menurut Sitkei (1986) dan Persson (1987). Menurut Persson (1987), untuk uji pemotongan dengan sudut potong diatas 00, maka pergerakan memotong pada pisau akan menghasilkan fungsi perpindahan dengan perbedaan nilai l, sehingga
(12)
(13)
dengan logika perhitungan pergerakan geometri pisau miring adalah : jika h<H maka l1 = 0
jika maka l1 = (14) Jika h ≥ H maka
Jika maka l1 = 3 (15)
Analisis Torsi
Model matematika yang dibangun untuk menghitung torsi adalah dengan pendekatan nilai torsi maksimum yang terjadi pada lebar kerja maksimum. Setelah mengetahui gaya minimum yang didapat dari variasi pada pisau pemotong, lebar kerja pemotongan maksimum untuk melakukan pemotongan bagian atas kelapa dijadikan sebagai acuan. Dengan memasukkan lebar pemotongan maksimum dan panjang lengan, kita dapat menduga kebutuhan torsi minimum. Contoh grafik gaya hasil pengukuran dapat dilihat pada Lampiran 5.
(16)
Analisis Daya Pemotongan
Menurut Persson (1987), energi yang dikeluarkan dalam sekali potong lurus dapat digunakan rumus :
(17)
tan
1
h
l
d
2 1 2 1 2 ) tan ( l l l l etot F l C h l dl
F
Edh v
dFh
dh E
Edx
dFv
tan
B
B l
A
17
HLd E
Ecs c
a csM
E
P
Energi pemotongan spesifik dalam pengukurannya penting diterapkan untuk menghubungkan penerimaan energi dari jumlah bahan yang sedang dalam proses pemotongan, dirumuskan sebagai hasil bagi energi dalam sekali pemotongan (J) dengan tinggi bahan (cm), lebar pemotongan (cm), perpindahan pemotongan (cm), dan kepadatan material bahan kering (kg/cm3) :
(18)
Energi pemotongan spesifik digunakan pada perhitungan daya pemotongan (P) yang dihubungkan dengan total penerimaan daya pemotongan dan jumlah dari material bahan yang dipotong dalam unit waktu.
(19) Daya yang dibutuhkan untuk melakukan pemotongan serabut dengan memutar kelapa, maka penghitungan daya pemutaran menggunakan persamaan:
(20)
Sistem Pengukuran dan Perekaman Data Pemotongan
[image:30.595.224.391.505.692.2]Uji gaya pemotongan aktual sabut kelapa muda dilakukan menggunakan Universal Testing Machine (UTM) MC model WDW-5F. Pisau dipasangkan pada plunger UTM, lalu bergerak turun membelah sabut kelapa muda dengan kecepatan 50mm/menit. Gaya yang dibutuhkan untuk memotong sabut kelapa muda akan direkam oleh komputer. Percobaan dilakukan dengan 3 kali ulangan untuk setiap variasi mata pisau. Aparatus yang digunakan dapat dilihat pada Gambar 12. Model matematika untuk menghitung gaya, energi, dan daya pemotongan nantinya akan dibandingkan dengan hasil uji pengukuran pemotongan sabut kelapa muda.
Gambar 12 Aparatus uji pemotongan sabut kelapa muda
x18
Torsi
Untuk mengukur nilai torsi yang dibutuhkan untuk memotong kelapa bagian atas dilakukan dengan menggunakan aparatus seperti pada Gambar 13. Aparatus uji dibuat sesuai dengan kondisi pemotongan sabut kelapa. Pemotongan sabut kelapa dilakukan dengan mekanisme kelapa berputar dan pisau mendekati kelapa hingga mengenai sabut kelapa. Pisau memotong searah dengan serat kelapa muda. Poros digerakkan dengan motor listrik yang dilengkapi dengan gear box. Pada poros berputar dipasang strain gauge untuk mengetahui torsi yang terjadi. Gambar teknik alat trimming kelapa muda ini dapat dilihat pada Lampiran 19. Data tegangan dari strain gauge direkam dengan data logger dalam satuan mikro volt. Tegangan lalu dikonversi menjadi gaya. Lalu didapatkan torsi dengan mengalikan gaya dengan panjang lengan (r).
Gambar 13 Aparatus uji kebutuhan torsi
Analisis Data
Data tegangan keluaran yang merupakan tegangan pemotongan dikonversi ke satuan gaya dengan mensubsitusikan ke dalam persamaan hasil kalibrasi :
[image:31.595.65.453.90.803.2]19 Selanjutnya data gaya pemotongan hasil perhitungan model matematika divalidasi dengan data gaya pemotongan hasil pengukuran. Pengaruh variasi pada pisau terhadap perubahan gaya spesifik pemotongan yang dihasilkan disajikan dalam bentuk grafik dan statistik. Penentuan pisau terbaik dilakukan dengan analisis sidik ragam (Analysis of Variance). Faktor yang berpengaruh nyata kemudian diuji lanjut DMRT (Duncan’s Mutiple Range Test) pada taraf 5%. Model matematika dianggap valid saat tidak ada faktor kecepatan yang mempengaruhi pemotongan. Model matematika untuk sudut potong 00 dapat memprediksi gaya pada kondisi bahan uji yang tidak dibatasi pada ketinggian bahan dan tidak terjadi keretakan.
Rancangan Percobaan
Rancangan percobaan yang dilakukan pada penelitian ini adalah rancangan acak lengkap (RAL) yang disusun secara faktorial dengan tiga faktor dan tiga ulangan. Faktor pertama yang digunakan adalah perlakuan ketajaman pisau yang terdiri dari tiga taraf yaitu :
A1 : ketajaman mata pisau 100 A2 : ketajaman mata pisau 150 A3 : ketajaman mata pisau 200
Faktor kedua yang digunakan adalah perlakuan sudut potong pisau yang terdiri dari tiga taraf yaitu :
B1 : sudut potong pisau 00 B2 : sudut potong pisau 150 B3 : sudut potong pisau 300
Faktor ketiga yang digunakan adalah bentuk sisi mata pisau yang terdiri dari dua taraf yaitu :
P1 : satu sisi mata pisau menajam P2 : dua sisi mata pisau menajam
Sehingga diperoleh model matematika dari rancangan percobaan tersebut, yaitu :
ijkl ijjk jk
ik ij
k j i
ijkl A B P AB AP BP ABP
Y ( ) ( ) ( ) ( )
(21) Yijkl : Respon tiap parameter yang diamati
µ : Nilai rata-rata umum
Ai : Pengaruh perlakuan ketajaman mata pisau Bj : Pengaruh perlakuan kemiringan pisau Pk : Pengaruh perlakuan bantuk sisi mata pisau
(AB)ij : Pengaruh interaksi perlakuan ketajaman mata pisau dan sudut potong pisau
(AP)ik : Pengaruh interaksi perlakuan ketajaman mata pisau dan bentuk sisi mata pisau
(BP)jk : Pengaruh interaksi perlakuan sudut potong pisau dan bentuk sisi mata pisau
(ABP)ijk : Pengaruh interaksi perlakuan ketajaman mata pisau, sudut potong mata pisau, dan bentuk mata pisau
20
4
HASIL DAN PEMBAHASAN
Sifat Fisik dan Mekanik Kelapa Muda
Sebelum melakukan penelitian analisis gaya spesifik pemotongan sabut kelapa muda, terlebih dahulu dilakukan pengambilan data sifat fisik dan mekanik sabut kelapa muda. Pengamatan sifat fisik kelapa muda difokuskan pada dimensi buah kelapa muda. Dimensi kelapa muda yang diamati diberi label seperti pada Gambar 14. Hasil pengamatan sifat fisik kelapa muda ditunjukkan pada Tabel 2. Hasil pengamatan ini akan digunakan untuk merancang dimensi pisau potong.
Gambar 14 Bagian kelapa muda dengan label pada setiap dimensi Tabel 2 Sifat fisik kelapa muda
Data sifat fisik kelapa muda hijau Dimensi (mm)
Tinggi buah (H) 227,70±6,83
Diameter buah (D) 170,90±3,51
Tinggi cangkang (h) 145,4±4,9437
Diamater cangkang (d) 10,93±4,96
Jarak vertikal antara cangkang dengan dasar buah (b1) 46,43±2,98 Jarak vertikal antara cangkang dengan ujung buah (b2) 34,87±3,95 Jarak horizontal sebelah kiri antara cangkang dengan kulit
buah (a1) 23,69±2,97
Jarak horizontal sebelah kanan antara cangkang dengan
kulit buah (a2) 25,09±2,23
Berat buah 2,96±0,16
21
Gambar 15 Sudut pemotongan kelapa muda hijau
Untuk membangun model matematika gaya spesifik pemotongan sabut kelapa muda, dibutuhkan data-data sifat mekanik kelapa muda yang bekerja pada mekanisme pemotongan. Karakteristik mekanik sabut kelapa muda yang diukur yaitu modulus elastisitas, poisson ratio, strength maximum, dan koefisien gesek. Hasil pengukuran sifat mekanik kelapa muda dapat dilihat pada Tabel 3.
Tabel 3 Sifat mekanik sabut kelapa muda
Karakteristik mekanik Nilai
Modulus elastisitas 4,30 Mpa
Poisson ratio 0,35
Strength Maximum 0,47 Mpa
Koefisien gesek 0,35
Model Matematika Gaya Spesifik Pemotongan
Gaya spesifik pada penelitian analisis gaya spesifik pemotongan sabut kelapa muda diasumsikan dari sifat mekanik bahan pada saat deformasi bahan sepanjang garis lebar bahan pada proses pemotongan. Kinematika gaya-gaya dasar yang bekerja pada proses pemotongan pada mata pisau satu sisi ditunjukkan pada Gambar 16. Gaya-gaya yang bekerja pada mata pisau satu sisi merupakan kumpulan komponen gaya gesek yang terjadi disepanjang mata pisau.
22
2 1 F (vE/2H)h
T h
[image:35.595.85.434.96.568.2]Fe T1 Fv T2 T2’ N βFh
Gambar 16 Gaya-gaya yang bekerja pada saat pemotongan dengan pisau satu sisi menajam
Dari hasil analisis pada Gambar 16, didapatkan gaya-gaya yang bekerja pada pisau satu sisi menajam. Gaya-gaya tersebut kemudian dijabarkan untuk mendapatkan nilainya. Dari hasil analisis diketahui bahwa sifat mekanik yang mempengaruhi besarnya gaya-gaya pada saat pemotongan yaitu modulus elastisitas (E), koefisien gesek (μ), poisson ratio (v), dan strength maksimum (σ). Komponen gaya yang bekerja pada mekanisme pemotongan sabut kelapa muda kemudian dijabarkan pada Persamaan 22 sampai 27. Gaya-gaya tersebut diturunkan terhadap kedalaman potong (h). Lebar bahan yang digunakan pada pemodelan ini (l) yaitu 5 cm dan tinggi bahan (H) yaitu 2 cm. Gaya Fv dan Fh ditentukan dengan pendekatan sifat deformasi bahan. Ketebalan pisau (δ) yang digunakan yaitu 3 mm. Penjumlahan gaya-gaya yang bekerja pada pisau dengan satu sisi mata pisau menajam dapat dilihat pada Persamaan 28.
(22) (23) (24) (25) (26) (27) B B l A
Fe
Etan dh (E/2H)h2 tan
dFv
sin2 cos )
2 1 ( cos
' 2 2
2 T Fv Fh
T
2 ) 2 / (E H h v
Edh v
dFh
cos
sin h
v F
F
23 ) 2 1 ' (
2 F T2 T1 F
F e v
) cos sin (tan 2 2 2
2
h v v
H El l
F
) 2 1 2 cos 2 sin 2 (tan 2
2 2 2 2
v v h H El l
F
' 2 1 T T F F
F e v (28)
Analisis yang sama juga dilakukan pada pisau dua sisi menajam dengan memasukkan komponen gaya-gaya yang bekerja seperti pada pisau satu sisi menajam. Penjumlahan gaya-gaya yang bekerja pada pisau dengan dua sisi menajam dapat dilihat pada Persamaan 29.
(29) Setelah dilakukan analisis terhadap gaya-gaya yang bekerja pada mekanisme pemotongan, dibangun persamaan gaya spesifik pemotongan pada pisau satu sisi menajam (Persamaan 30) dan dua sisi menajam (Persamaan 31) untuk sudut potong 00.
(30)
(31)
[image:36.595.103.541.106.804.2]Menurut Persson (1987) pada pemotongan dengan sudut potong diatas 00, gaya potong dipengaruhi oleh lebar bahan uji disepanjang sudut potong mata pisau terhadap lebar bahan (l) yang ditunjukkan dalam hasil selisih dari total lintasan pisau pemotong seperti terlihat pada Gambar 17.
Gambar 17 Pemotongan pada pisau dengan sudut potong > 00 (Persson, 1987)
Keterangan :
l1 : Jarak tempuh pemotongan
pada suatu lebar bahan
l2 : Jarak tempuh pemotongan
pada suatu lebar bahan kedua
L : Lebar bahan
H : Tinggi bahan
h-ltan : perpindahan pisau pada suatu sudut potong terhadap suatu degradasi tinggi dan lebar bahan
ABCD : tahapan pemotongan pada sudut pemotongan >00
pisau
24
2 1 2 1 2 ) tan ( l l l l etot Fl C h l dl
F 2 2 3 1 2 1 1 2 2 3 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 ) tan 3 1 tan ( ) tan 3 1 tan )( cos sin (tan 2 l l hl l h l hl l h v v H E l l l Ftot 2 2 3 1 2 1 1 2 2 3 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 ) tan 3 1 tan ( ) tan 3 1 tan )( 2 cos 2 1 2 sin 2 (tan l l hl l h l hl l h v v H E l l l Ftot (32) Persamaan 32 menunjukkan gaya total yang dibutuhkan sepanjang perubahan lebar kerja. Dengan analisis yang sama untuk pisau dengan sudut potong (θ)>00, maka persamaan gaya spesifik pemotongan pada pisau satu sisi menajam dan dua sisi menajam ditunjukkan pada Persamaan 33 dan 34.
(33)
(34)
Hasil dan Pembahasan
Perbandingan Antara Model Matematika Gaya Spesifik Pemotongan dan Gaya Pemotongan Aktual
Analisis terhadap mekanisme pemotongan sabut kelapa muda telah dilakukan. Nilai karakteristik mekanik sabut kelapa muda digunakan untuk membangun model matematika gaya spesifik pemotongan sabut kelapa muda. Perhitungan model matematika gaya pemotongan sabut kelapa muda dapat dilihat pada Lampiran 6 sampai 8. Gaya pemotongan aktual sabut kelapa muda dapat dilihat pada Lampiran 9 sampai 11. Dari model yang telah dibangun, didapatkan grafik gaya spesifik pemotongan sabut kelapa muda seperti yang terlihat pada Gambar 18 sampai dengan 20.
25
(a)
[image:38.595.107.501.52.598.2](b) (a)
26
(a)
[image:39.595.69.473.63.546.2](b)
Gambar 19 Grafik perbandingan gaya pemotongan sabut kelapa muda aktual dan model untuk θ=150. (a) Pisau satu sisi menajam, (b) Pisau dua sisi menajam
27
(b)
[image:40.595.111.510.58.548.2](b) (a)
Gambar 20 Grafik perbandingan gaya pemotongan sabut kelapa muda aktual dan model untuk θ=300. (a) Pisau satu sisi menajam, (b) Pisau dua sisi menajam
28
[image:41.595.83.487.175.517.2]Dari grafik pada Gambar 18 sampai 20, diketahui bahwa pisau dengan dua sisi menajam cenderung memerlukan gaya potong yang lebih rendah dari pada pisau satu sisi menajam. Hal ini terjadi karena pada pisau dua sisi menajam membentuk sudut tersebut dari dua sisi simetris yang mengakibatkan gaya menyebar merata dan gaya gesek lebih rendah.
Gambar 21 Keretakan bahan uji yang terjadi pada proses pemotongan
Pengaruh Variasi Pisau terhadap Gaya Pemotongan Sabut Kelapa Muda
Dari hasil analisis sidik ragam, gaya pemotongan sabut kelapa muda, diketahui bahwa faktor yang berpengaruh nyata pada gaya yang dihasilkan adalah faktor sudut potong dan ketajaman pisau. Faktor ini kemudian diuji lanjut Duncan (Duncan’s Multiple Range Test) pada taraf 5% (Lampiran 12 sampai 14). Dari hasil studi diketahui bahwa pisau dua sisi menajam dengan sudut ketajaman 100 pada sudut pemotongan 300 merupakan pisau yang menghasilkan gaya potong sabut kelapa muda terendah.
Analisis Torsi
Model matematika yang dibangun untuk menghitung torsi adalah dengan pendekatan nilai torsi maksimum yang terjadi pada lebar kerja maksimum seperti pada Persamaan 16. Pisau yang digunakan pada alat trimming kelapa muda adalah pisau satu sisi menajam dengan ketajaman 100 dan sudut potong 00. Maka gaya yang digunakan untuk mengetahui nilai torsi aktual adalah gaya hasil prediksi model matematika pada jenis pisau tersebut. Perhitungan torsi terdapat pada Lampiran 15. Hasil pemotongan aktual menunjukkan bahwa nilai torsi maksimal yang dibutuhkan adalah 228,56 Nm (Lampiran 16). Sedangkan dari hasil model matematika menunjukkan bahwa nilai torsi maksimal yang dibutuhkan adalah 530,54 Nm. Nilai torsi pada pemotongan aktual lebih rendah dibandingkan pada model. Hal ini terjadi karena gaya yang dihasilkan pemotongan aktual dipengaruhi oleh kecepatan pemotongan yang tinggi sedangkan pada model matematika nilai kecepatan potong tidak mempengaruhi perhitungan gaya yang dihasilkan. Untuk pengukuran aktual, kecepatan yang digunakan adalah 50 mm/menit sedangkan
29 pada model tidak memasukkan pengaruh faktor kecepatan pada perhitungannya. Menurut Razavi et al. (2010) dalam penelitiannya tentang pemotongan tebu, kecepatan pisau mempengaruhi kebutuhan tenaga pemotongan. Perubahan kebutuhan energi secara signifikan terjadi pada kecepatan pemotongan diatas 1,34 m/s. Nilai gaya yang dimodelkan juga belum memasukkan kemungkinan adanya penurunan gaya karena terjadinya retakan pada bahan sehingga gaya cenderung lebih tinggi.
Kebutuhan Daya
Analisis energi dan daya pemotongan dilakukan dengan memasukkan nilai gaya pemotongan dan komponen kondisi bahan uji pada saat melakukan pemotongan. Nilai daya pemotongan maksimum didapat dengan menggunakan Persamaan 17 sampai dengan 19. Bahan kering didapatkan dari perhitungan persentasi bahan kering yang telah diukur pada saat percobaan. Hasil perhitungan kebutuhan daya dapat dilihat pada Lampiran 17. Pada pemotongan tegak lurus sabut kelapa muda, hasil perhitungan daya maksimum pemotongan pada model matematika dan pengukuran aktual dapat dilihat pada Tabel 4 dan 5.
Tabel 4 Perbandingan daya maksimum pemotongan pada perhitungan model matematika dan pengukuran aktual untuk pisau satu sisi menajam β
Θ
Daya Pengukuran Aktual (w) Daya Perhitungan Model Matematika (w)
100 150 200 100 150 200
00 796,33 838,57 938,70 4324,06 4941,11 5588,13 150 260,13 281,33 419,14 213,48 269,41 332,34 300 144,27 146,43 200,54 151,02 193,22 235,10 Tabel 4 Perbandingan daya maksimum pemotongan pada perhitungan model
matematika dan pengukuran aktual untuk pisau dua sisi menajam β
θ
Daya Pengukuran Aktual (w) Daya Perhitungan Model Matematika (w)
100 150 200 100 150 200
00 619,54 880,81 1018,49 3726,14 4023,33 4324,06 150 208,75 256,86 247,08 147,51 193,98 242,21 300 123,35 142,11 191,16 104,35 137,22 171,33
30
dan
Performa Alat Trimming Kelapa Muda
Alat trimming kelapa muda telah dirancang untuk membentuk kerucut pada bagian atas kelapa (Lampiran 18). Alat ini menghasilkan kelapa muda dengan bentuk kerucut yang bagus. Waktu yang dibutuhkan untuk membentuk kerucut pada satu buah kelapa muda adalah 90 detik. Sudut kerucut kelapa muda yang dibentuk adalah 1200. Dari hasil percobaan, sudut kerucut ini ternyata masih belum dapat membuat kelapa muda lebih mudah untuk dibuka karena letak tempurung kelapa masih jauh dari permukaan. Ukuran sudut kerucut kelapa muda ini menjadi kurang efektif karena dimensi kelapa muda hijau yang sangat beragam. Perlu dilakukan pengelompokan kelapa muda berdasarkan dimensinya agar sudut kerucut kelapa yang ditentukan efektif untuk memudahkan membuka kelapa muda. Gambar teknik alat ini dapat dilihat pada Lampiran 19.
Gambar 22 Kelapa muda hasil trimming
5
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Sifat mekanik kelapa muda yang mempengaruhi gaya pemotongan sabut kelapa muda adalah modulus elastisitas (E), strength maximum ( ), poisson ratio (v), dan koefisien gesek (μ). Model matematika gaya spesifik pemotongan sabut kelapa muda pada sudut potong 00 tidak membatasi tinggi bahan dan tidak memperhitungkan adanya keretakan pada bahan yang mengakibatkan penurunan gaya. Pada sudut potong 300, kecenderungan pada grafik model sudah mendekati grafik pemotongan aktual. Faktor sudut potong (θ) dan ketajaman (β) berpengaruh nyata pada gaya maksimum yang dihasilkan pada pemotongan sabut kelapa muda. Gaya pemotongan terendah dihasilkan pada pisau dua sisi menajam dengan sudut ketajaman (β) 100 dan sudut potong (θ) 300. Model matematika gaya spesifik pemotongan sabut kelapa muda pada sudut potong (θ) = 00 untuk pisau dengan satu sisi menajam dan pisau dengan dua sisi menajam adalah
) 06 , 0 2 cos 35 , 2 sin 35 , 0 2 (tan 15 , 1075 35 ,
0 2 2 2
h o
F ) cos 35 , 0 12 , 0 sin 35 , 0 (tan 6 , 537 35 ,
0 2 2 2
h
31 2 2 3 1 2 1 1 2 2 3 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 ) tan 3 1 tan ( ) tan 3 1 tan )( 2 cos 35 , 0 06 , 0 2 sin 35 , 0 2 (tan 024 , 172 07 , 0 07 , 0 l l hl l h l hl l h l l l Ftot 2 2 3 1 2 1 1 2 2 3 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 ) tan 3 1 tan ( ) tan 3 1 tan )( cos 35 , 0 12 , 0 sin 35 , 0 (tan 012 , 86 07 , 0 07 , 0 l l hl l h l hl l h l l l Ftot
Model matematika gaya pemotongan sabut kelapa muda pada sudut potong (θ) >00 untuk pisau dengan satu sisi menajam dan pisau dua sisi menajam adalah
Daya terendah untuk pemotongan tegak lurus sabut kelapa muda adalah 0,12 kW yang dihasilkan dengan menggunakan pisau dua sisi menajam dengan sudut ketajaman 100 dan sudut potong 300. Daya maksimum pemotongan kerucut kelapa muda yang dibutuhkan adalah 0,75 kW. Pisau yang direkomendasikan untuk digunakan pada alat trimming kelapa muda adalah pisau dua sisi menajam dengan sudut ketajaman (β) 100 dan sudut potong (θ) 300. Alat trimming kelapa muda yang dirancang menghasilkan kelapa muda dengan bentuk yang bagus. Waktu yang dibutuhkan untuk membentuk kerucut pada satu buah kelapa muda adalah 90 detik.
Saran
Perlu pemodelan matemtika kebutuhan gaya yang memperhitungkan faktor kecepatan. Pemodelan matematika selanjutnya diharapkan dapat memperhitungkan ketahanan pisau dengan mempertimbangan faktor ergonomi.
DAFTAR PUSTAKA
Barlina R. 2007. Nilai Gizi Buah Kelapa Muda dan Peranannya untuk Pengolahan Pangan Fungsional. Di dalam: Revitalisasi Perkelapaan Melalui
Pengembangan Produk Kesehatan dan Energi Alternatif. Konferensi
Nasioanl Kelapa VI; 2006 Mei 16-18; Gorontalo, Indonesia. hlm 209-218. Cox SWR. 1997. Measurement and Control in Agriculture. London. Blackwell
Science Ltd.
Harsokoesoemo D. 1999. Pengantar Perancangan Teknik (Perancangan Produk). Bandung. Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi Departemen Pendidikan Nasional.
Intara YI. 2005. Analisis Gaya Spesifik Pemotongan Parenkhim Pelepah dan Batang Tandan Sawit (Elais guanensis, Jack) [tesis]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor.
Jarimopas B, Tuttanadat N. 2007. Development of Young Coconut Fruit Trimming Machine. Journal of Food Engineering. El Sevier. 79:752-757.
Jarimopas B, Ruttanadat N, Terdwangwora A. 2009. An Automatic Trimming Machine for Young Coconut Fruit. Journal Biosystems Engineering. El Sevier. 103:167-175.
32
Maliangkay RB, Matana YR. 2007. Debu Sabut Kelapa dan Peranannya dalam Penyediaan Unsur Hara. Di dalam: Revitalisasi Perkelapaan Melalui Pengembangan Produk Kesehatan dan Energi Alternatif. Konferensi Nasioanl Kelapa VI; 2006 Mei 16-18; Gorontalo, Indonesia. hlm 318-321. Maskromo I, Kumaunang J, Karouw S. 2007. Potensi Air Buah Beberapa Aksesi Kelapa Genjah Sebagai Minuman Kesehatan. Di dalam: Revitalisasi Perkelapaan Melalui Pengembangan Produk Kesehatan dan Energi
Alternatif. Konferensi Nasioanl Kelapa VI; 2006 Mei 16-18; Gorontalo,
Indonesia. hlm 175-181.
Mohsenin NN. 1986. Physical Properties of Plant and Animal Materials. New York. Gordon and Breach Science Publiser.
Persson S. 1987. Mechanics of Cutting Plant Material. St. Joseph, Michigan. An ASAE Monograph.
Razavi J, Kardany M, Masoumi A. 2010. Effects of Some Cutting Blades and Plant Factors on Specific Cutting Energy of Sugarcane Stalk. Proceeding of CIGR XVIIth World Congress, Canada, Juni 13-17. p 1-9.
Srivastava AC. 1987. Teknik Instrumentasi. Sutanto, penerjemah. Jakarta (ID): Universitas Indonesia Pr.
Sitkei G. 1986. Mechanics of Agricultural Material. Amsterdam. El Sevier.
Supriyadi A. 2005. Rancang Bangun Mesin Pemisah Daging Kelapa dari Tempurung. Jurnal Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Semarang. Jurnal ROTASI. 11:1.
33 Lampiran 1 Data poisson ratio sabut kelapa muda hijau
No
Sampel awal Sampel akhir Defleksi Lateral
Defleksi aksial
Possion Ratio Panjang Lebar Tinggi Panjang Lebar Tinggi
1 20,45 19,56 30,34 21,62 20,93 25,34 1,37 5 0,274 2 19,9 18,98 30,89 21,22 21,22 25,89 2,24 5 0,448 3 19,05 18,82 26,94 20,25 20,55 21,94 1,73 5 0,346 4 19,51 19,51 29,97 19,95 21,14 24,97 1,63 5 0,326 5 22,36 20,75 29,32 20,12 22,42 24,32 1,67 5 0,334
Nilai poisson ratio : 0,3456±0,0568
Sampel : balok sabut kelapa muda ukuran 2cm x 2cm x 3cm
[image:46.595.92.520.94.807.2]Gambar 1.1. Sampel awal sabut kelapa Gambar 1.2. Sampel sebelum diberi tekanan dari UTM
Gambar 1.4. Sampel akhir sabut kelapa muda
34
Lampiran 2 Data modulus elastisitas sabut kelapa muda hijau No Deformasi
(m)
Kecepatan (mm/menit)
Diameter penekan (m)
Kekuatan tekan (N)
Rataan (N)
Modulus elastisitas
(MPa) A B
1 0,0075 25 0,0064 372 283 327,5 4,180607733 2 0,0075 25 0,0064 303 352 327,5 3,867859979 3 0,0075 25 0,0064 350 361 355,5 4,467825058 4 0,0075 25 0,0064 377 340 358,5 4,812485848 5 0,0075 25 0,0064 327 254 290,5 4,174225126
[image:47.595.35.484.62.784.2]Nilai modulus elastisitas : 4,30 ±0,3186 MPa
Gambar 2.1. Sampel kelapa muda
hijau Gambar 2.2. Bentuk plunger
[image:47.595.333.476.267.416.2]35 Lampiran 3 Koefisien gesek sabut kelapa muda hijau
Diameter : 6 cm Area sampel : 28,26 cm2 Tinggi : 1,5 cm
K : 0, 269
Proving-ring mov. Dp(1/100mm)
shear stress (kgf/cm2)
Proving-ring mov. Dp(1/100mm)
shear stress (kgf/cm2)
Proving-ring mov. Dp(1/100mm)
shear stress (kgf/cm2)
0 0 0 0 0 0 0
20 11 0,105 15 0,143 19 0,181
40 12 0,114 20 0,191 29 0,276
60 14 0,133 22 0,210 29,5 0,281
80 15 0,143 25 0,238 29,5 0,281
100 15 0,143 26 0,248 29,5 0,281
120 15 26 0,248
140 26 0,248
Normal Stress = 0,2 kgf/cm2 Horizontal
movement (1/100mm)
Normal Stress = 0,4 kgf/cm2 Normal Stress = 0,6 kgf/cm2
Gambar (a) Dial gauge (b) Direct shear aparatus (c) Sampel kelapa muda
[image:48.595.106.555.118.765.2](a) (b) (c)
[image:48.595.113.493.537.748.2]36
Lampiran 4 Data strength maximum sabut kelapa muda hijau No L (meter) Defleksi
bahan (meter)
R (meter) Strength max (N/m2)
Strength Max (MPa)
1 0,06 0,00656 0,068597561 457079,7788 0,45707978
2 0,06 0,00684 0,065789474 440936,0376 0,44093604
3 0,06 0,00632 0,071202532 470610,9061 0,47061091
4 0,06 0,00624 0,072115385 500498,5282 0,50049853
5 0,06 0,00672 0,066964286 467513,2141 0,46751321
Nilai strength maximum : 0,47 ±0,019
[image:49.595.32.506.64.808.2]Sampel : Balok sabut kelapa muda ukuran 1,5cm x 1,5cm x 6cm
Gambar 4.1. Sampel kelapa muda hijau
[image:49.595.317.485.273.402.2]Gambar 4.2. Bentuk plunger
[image:49.595.245.389.449.667.2]38
Lampiran 6 Hasil perhitungan model matematika gaya pemotongan sabut kelapa muda pada sudut potong 00
Ketajaman Radian tan β sin β cos β sin β sin^ β cos^ β
β 0,174532925 0,176326981 0,173648178 0,984807753 0,347296355 0,0301537 0,96984631 β 5 0,261799388 0,267949192 0,258819045 0,965925826 0,51763809 0,0669873 0,933012702 β 0,34906585 0,363970234 0,342020143 0,939692621 0,684040287 0,1169778 0,883022222 β5 0,087266463 0,087488664 0,087155743 0,996194698 0,174311485 0,0075961 0,
