i
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis Kajian Mekanisme
Pemisahan Biji Buah Asam (Tamarindus indica sp) Dalam Rangka
Perancangan Prototipe Mesin Pengolah Asam Tanpa Biji adalah benar karya
saya sendiri dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi
manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang
diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam
teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini
Bogor, Agustus 2012
ii
Seedless Tamarind (Tamarindus indica sp) Processing Machine. Supervised by SAM
HERODIAN and SUTRISNO
The process of fruit and seed separation on Tamarind is a challenge for agricultural
mechanization technology that must be solved. The purpose of this study is to
develop a basic study of the Tamarind fruit separation mechanism (Tamarindus
indica sp) as a part of design process on Tamarind seedless processing machine.
Initial design of Tamarind seeds separation machine was made by studying the work
of slashing unit and seed separation unit. Tamarind seedless processing machine
consist of slicer and peeler. The slicer function is to slice the fruit before it sent into
peeler unit which contains two cylindrical peeler. The peeler unit installed parallel so
it let through the fruit pulp but still hold the Tamarind seeds that had been separated
by the separator unit. Tamarind seeds separation prototype model has been
succesfully made. Model testing was done by measuring the rotary speed of spindle
peelers on 1065 rpm which considered work effectively for the test load of 100
grams, 200 grams and 300 grams. Further, shaft torque measurements in the process
of peeling showed a significant increase in value and it is proportional to the increase
in load level for all treatments. Greatest torque happened at 890 rpm rotation speed
with a value of 1.45 Nm at 300 gram load. While the rotary speed of 1220 rpm
produce 1.17 Nm torque at 300 grams load.
iii
indica sp ) dalam Rangka Perancangan Prototipe Mesin Pengolah Asam Tanpa
Biji, Dibimbing Oleh Dr. Ir. Sam Herodian MS dan Dr. Ir. Sutrisno, M. Agr.
Buah asam merupakan suatu komoditi pertanian yang banyak terdapat di
daerah Timor, NTT, dan Madura mempunyai nilai ekonomis cukup baik. Upaya
pengolahan buah asam dalam pemisahan biji dengan daging menjadi produk asam
yang siap dipasarkan dilakukan dengan cara manual masih kurang efektif dan
memerlukan waktu yang cukup lama. mekanisme pemisahan biji dan daging buah
asam merupakan tantangan dalam pemecahan masalah saat ini menggunakan konsep
teknologi mesin pertanian. Potensi-potensi terhadap pengembangan pemanfaatan
hasil buah asam di masa mendatang akan memerlukan suatu teknologi yang tepat
dalam penanganan pascapanen komoditi tersebut. Pembuatan alat mesin pemisah
daging dan biji asam merupakan langkah penting dalam menghasilkan konsep
teknologi tepat guna yang dapat bermanfaat bagi masyarakat petani asam. Tujuan
penelitian ini adalah menganalisis sifat fisik mekanik buah asam untuk perancangan
alat mesin pertanian di mana terdiri dari: pemilihan bentuk komponen alat pemisah
daging dan biji buah asam serta analisisa mekanisme pemisah daging dan biji dalam
desain gambar mesin.
Perancangan pada pra prototipe mesin pengupas memiliki dimensi panjang 50
cm, lebar 20 cm dan tinggi 45 cm yang terdiri dari tiga mekanisme kerja yaitu
mekanime penyayat, mekanisme pengupas dan mekanisme pemisah biji. Desain
pengupas berkapasitas 4,5 kg/jam dan pengujian model mesin pada putaran mesin
1220 rpm untuk kebutuhan daya 190 watt. Pengujian mesin untuk mekanisme
penyayat dan mekanisme pengupas terdiri dari tiga tingkat pembebanan yaitu 100
gram, 200 gram dan 300 gram dengan perlakuan tiga level kecepatan putar mesin
yaitu 890 rpm, 1065 rpm dan 1220 rpm. Pengukuran dilakukan dengan waktu
masing-masing 3 menit untuk uji penyayatan dan 4 menit untuk uji pengupasan.
Parameter yang diukur dalam pengujian mesin pengupas meliputi torsi, daya,
kapasitas dan efisiensi kinerja mesin. Analisis data menghasilkan grafik perbandingan
perlakuan. Hasil pengujian menunjukkan kebutuhan torsi pengupas yang terjadi
cenderung meningkat seiring dengan meningkatnya tingkat beban untuk semua
perlakuan. Kebutuhan torsi terbesar yaitu 1,45 Nm pada kecepatan putar mesin 890
rpm dengan perlakuan beban sebesar 300 gram sedangkan kebutuhan torsi terkecil
yaitu 1,17 Nm pada kecepatan putar mesin 1220 rpm dengan perlakuan beban 300
gram. Kebutuhan daya berubah seiring meningkatnya kecepatan putar mesin dan
tingkat pembebanan, daya terbesar yaitu 149,1 watt pada kecepatan putar mesin 1220
rpm dengan pembebanan 300 gram, sedangkan daya terkecil yaitu 134,1 watt dengan
kecepatan putar mesin 890 rpm pada beban 300 gram.
Efisiensi kinerja pengupas menunjukkan bahwa pada kecepatan putar mesin
yang tercepat efisiensinya menurun (60 %). Hal tersebut disebabkan pada kecepatan
mesin tertinggi (1220 rpm) unit pengupas tidak tidak efektif dalam mengupas
sejumlah asam yang ada dalam hoper. Efisiensi pengupas mesin yang cukup
efektif pada kecepatan putar mesin sedang yaitu 1065 rpm dengan nilai efisiensi
sebesar 65 % pada perlakuan beban sebesar 300 gram, sedangkan efiseinsi terendah
yaitu 52 % pada kecepatan putar mesin 890 rpm dengan perlakuan beban 300 gram.
iv
@Hak cipta milik Institut Pertanian Bogor, Tahun 2012
Hak cipta dilindungi Undang-Undang
1.
Dilarang Mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa
mencantumkan atau menyebut sumber
a.
Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan
karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik atau tinjauan suatu
masalah
b.
Pengutipan tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB
v
PROTOTIPE MESIN PENGOLAH ASAM TANPA BIJI
HUSEN ASBANU
Tesis
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains pada
Program Studi Teknik Mesin Pertanian dan Pangan
Departemen Teknik Mesin dan Biosistem
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
vi
Penguji Luar Komisi :
vii
Asam Tanpa Biji
Nama
: Husen Asbanu
NRP
: F151090011
Program studi : Teknik Mesin Pertanian dan Pangan
Disetujui
Komisi Pembimbing
Dr. Ir. Sam Herodian, MS
Dr. Ir. Sutrisno, M.Agr
(Ketua)
(Anggota)
Diketahui,
Ketua Program Studi
Teknik Mesin Pertanian dan Pangan
Dr. Ir. Setyo Pertiwi, M.Agr
Dekan Sekolah Pascasarjana
viii
berkahnya, rahmat, hidayah dan karunia Allah SWT sematalah penulis dapat
menyelesaikan laporan tesis berjudul Kajian Mekanisme Pemisahan Biji Buah Asam
(Tamarindus indica sp) Dalam Rangka Peracangan Prototipe Mesin Pengolah Asam
Tanpa Biji, sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada
Program Studi Teknik Mesin Pertanian & Pangan Departemen Teknik Mesin dan
Biosistem Sekolah Pascasarjana Institut Pertanian Bogor. Penelitian ini merupakan
salah satu karya yang tentunya melibatkan bantuan dari segala pihak sehingga haturan
terima kasih disampaikan antara lain kepada :
1.
Dr. Ir. Sam Herodian, MS selaku Ketua Komisi Pembimbing dan Dr. Ir Sutrisno,
M.Agr selaku Anggota Komisi Pembimbing yang dengan arif dan bijak
membimbing studi penulis.
2.
Dr. Ir. Muhammad Faiz Syuaib, M.Agr selaku Penguji Luar Komisi yang telah
memberikan koreksi untuk penyempurnaan tesis penulis.
3.
Dr. Ir. Setyo Pertiwi selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin Pertanian dan
Pangan Institut Pertanian Bogor
4.
Para Staf pengajar Program Studi Teknik Mesin Pertanian dan Pangan yang
dengan tulus mengajarkan ilmunya kepada penulis.
5.
Teknisi beserta staf administrasi Program Studi Teknik Mesin Pertanian dan
Pangan yang telah membantu penelitian dan administrasi studi penulis.
6.
Teman-teman kuliah TMP angkatan 2009 dan 2010 yang tidak di sebut namanya
satu per satu yang senantiasa membantu selama perkuliahan dan penelitian.
7.
Pa Yazid Ismi Intara yang telah banyak membantu menyelesaikan penelitian.
8.
Kedua orang tua yang selalu memberi motivasi dalam menyelesaikan studi
9.
Almarhum Bapak angkat ( Bapak Karman Nenosaet ) semoga mendapat tempat
yang mulia di sisi-Nya
10.
Ibu angkat ( Dra. Hj. Hartiti Ichtiyati, MM ) yang senantiasa memberi motivasi
selama proses belajar.
ix
13.
Adik Elia Asbanu, Amd selaku Direktur utama PT. QUANTUAN COM Jakarta
yang senantiasa memberi motivasi dalam menyelesaikan studi.
Kesempurnaan merupakan hal yang semata didambakan, meskipun tidak akan
pernah tercapai karena Allah SWT sematalah yang merupakan Dzat yang Maha
Sempurna. Dengan penuh harapan semoga penelitian ini memberikan manfaat bagi
pembaca utamnya serta kemaslahatan umat.
x
Penulis dilahirkan di Kuantua Kupang Nusa Tenggara Timur Kab Timor
Tengah Selatan Kec Amanuban Timur Desa Falas tanggal 31 Desember 1973. Dari
Bapak Marthinus Asbanu dan Ibu Katerina Talan. Penulis merupakan anak Pertama
dari sembilan orang bersaudara.
Jenjang pendidikan Taman kanak-kanak hingga Sekolah Menengah Atas
ditempuh didaerah kelahiran yaitu pulau Timor sedangkan pendidikan S1 Teknik
Mesin di peroleh di Institut Teknologi Bina Tunggal Bekasi tahun (1996-2001),
semasa kuliah pada semester lima sampai delapan penulis aktif sebagai Instruktur
Laboratorium Komputer dan sebagai Asisten Dosen. Pada tahun 2001 setelah tamat
diminta untuk mengajar mata kuliah Menggambar Teknik Berbantuan Komputer
pada Program studi S1 Teknik Mesin Institut Teknologi Bina Tunggal Bekasi hingga
sekarang.
xi
PROTOTIPE MESIN PENGOLAH ASAM TANPA BIJI
HUSEN ASBANU
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
xii
KAJIAN MEKANISME PEMISAH BIJI BUAH ASAM (Tamarindus indica
Leguminosae sp ) DALAM RANGKA PERANCANGAN PROTOTIPE MESIN
PENGOLAH ASAM TANPA BIJI
Pemisahan biji dan daging buah asam merupakan tantangan dalam pemecahan
masalah saat ini yaitu teknologi mekanisasi atau mesin pertanian. Penelitian ini
bertujuan membuat suatu kajian dasar mekanisme pemisahan biji buah asam
(Tamarindus indica sp) dalam rangka perancangan mesin pengolah asam tanpa
biji. Model awal dari alat mesin pemisah biji asam dengan mempelajari konsep
perancangan terhadap kinerja unit penyayat dan pemisah biji asam. Perancangan
awal bagian pemisahan biji dan daging buah terdiri dari unit penyayatan untuk
menyayat buah asam sebelum buah asam ke unit pengupas yang terdiri dari dua
buah silinder pengupas. Unit pengupas dipasang sejajar sehingga mampu
melewatkan daging yang terpisah dan tetap menahan biji asam yang akan
dipisahkan dengan unit pemisah biji. Model prototipe awal dari alsin pemisah
biji asam telah berhasil dibuat, pada uji model dilakukan pengukuran kecepatan
putar dari poros pengupas pada rpm 1065 yang efektif pada tingkat beban yang
diuji yaitu pada 100 gram, 200 gram, dan 300 gram. Pengukuran torsi
pengupasan menunjukan nilai torsi terjadi peningkatan yang cukup signifikan
dengan naiknya tingkat beban untuk semua perlakuan, nilai torsi terbesar terjadi
pada kecepatan putar 890 rpm dengan nilai torsi sebesar 1,45 Nm pada tingkat
beban yang diberikan sebesar 300 gram. Sedangkan pada kecepatan putar 1220
rpm nilai torsi yang terjadi adalah 1,17 Nm dengan tingkat beban yang di berikan
sebesar 300 gram.
xi
DAFTAR TABEL……….………. xiii
DAFTAR GAMBAR……….…
xiv
LAMPIRAN………..………….… xvi
I
PENDAHULUAN……….………
1
1.1 Latar belakang………..………
1
1.2 Tujuan penelitian………...………...…
2
1.3 Manfaat penelitian……….………..…
2
II
TINJAUAN PUSTAKA………
3
2.1 Buah asam …….………...…………
3
2.2 Sifat fisik dan mekanik bahan uji……….……...
5
2.3 Mekanisme pemotongan (cutting) bahan pertanian………..…..
5
2.4 Mekanisme pemarutan (grating/rasping) bahan………...……...
9
2.5 Proses desain dan analisis suatu peralatan………...….…...
9
III
METODE PENELITIAN……….………...………..
11
3.1 Waktu dan tempat………..………..….
11
3.2 Bahan dan alat……….………...…...…..….…
11
3.3 Tahapan penelitian……….…….….…
12
3.3.1
Analisis pengukuran sifat fisik dan mekanik buah asam ……..
13
3.3.2 Analisis mekanisme dan perancangan alat mesin….…….…...
14
3.3.3 Analisis desain model alat percobaan mesin………….….……..
23
3.3.4
Rancangan percobaan dan pengujian model alat percobaan
mesin……….……….…
26
3.3.5 Uji kinerja model alat percobaan mesin ……….….….….
26
3.3.6 Pengkuran torsi dan daya model alat percobaan mesin.…..……
27
xii
4.2 Analisa desain mekanisme dan perancangan mesin ………...
31
4.2.1 Analisa desain mekanisme penyayatan………...…..……….
31
4.2.2 Analisa desain mekanisme pengupasan ………...….…..
35
4.2.3 Analisa desain mekanisme pemisahan biji buah asam …...…..….
39
4.3 Desain model alat percobaan mesin ………...…...
39
4.3.1 Pendekatan desain model alat percobaan mesin …………....……
39
4.3.2 Desain model alat percobaan mesin ……….…..…...….…...
40
4.3.3 Desain fungsional………...
41
4.3.4 Desain struktural……….
42
4.3.5. Hasil akhir dari desain………
45
4.4 Pendekatan pengukuran torsi….………….………..…….
464.5 Data hasil pengukuran model alat percobaan mesin……….
47
4.5.1 Data hasil pengukuran mekanisme penyayat………....
47
4.5.2 Data hasil pengukuran mekanisme pengupas………..…..
49
4.6 Analisa data pengujian dan perhitungan………...………....
51
4.6.1 Analisa data pengujian dan hitungan mekanisme penyayat…….
51
4.6.2 Analisa data pengujian dan hitungan mekanisme pengupas…....
58
V
KESIMPULAN DAN SARAN……….
66
5.1
Kesimpulan………..…………
66
5.2
Saran……..……….……….…
67
DAFTAR PUSTAKA………..…….….
68
xiii
Halaman
Tabel
1
Fluktuasi produksi daging buah asam tahun 2001-2007………...…..
1
Tabel
2
Metode pengukuran sifat fisik dan mekanik buah asam.…………
14
Tabel
3
Metode analisis mekanisme pengupas biji asam……….
15
Tabel
4
Rancangan percobaan dan pengujian mesin...……...….……..…..
26
Tabel
5
Metode pengukuran kinerja mesin………..………..…...
27
Tabel
6
Metode pengukuran torsi pengupasan………...
28
Tabel
7
Hasil analisa sifat fisik dan mekanik buah asam………...………...
30
Tabel
8
Hasil analisa pengujian dan hitung pada mekanisme pengupas buah
asam……….
31
Tabel
9
Hasil pengukuran kapasitas penyayat..………...……….
47
Tabel
10
Hasil pengukuran torsi, gaya, daya dan efisiensi penyayat…………
48
Tabel
11
Hasil pengukuran kapasitas pengupasan…….………...……….
49
xiv
Gambar
1
Bentuk fisik tanaman buah asam)……….… 4
Gambar
2
Bentuk fisik polong buah asam .………...…………..
4
Gambar
3
Beberapa bentuk pemotongan………...………
6
Gambar
4
Tahapan proses pemotongan bahan uji..………...… 7
Gambar 5
Komponen gaya-gaya yang bekerja selama proses pemotongan... 7
Gambar
6
Gaya-gaya pemotongan pada mata pisau... 8
Gambar
7
Kurva tegangan-regangan perpindahan relative……….…………..
9
Gambar
8
Diagram alir penelitian...
12
Gambar
9
Pengukuran sifat fisik dan mekanik buah asam ... 13
Gambar 10 Desain mekanisme penyayatan buah asam…..……...……… 17
Gambar 11 Proses aliran buah asam pada unit penyayat………. 18
Gambar 12 Mekanisme pengupasan biji buah asam……… 20
Gambar 13 Mekanisme pemisah biji buah asam dan perkiraan sudut ulir…….. 23
Gambar 14 Photo pengukuran tegangan dan arus untuk memperoleh nilai
torsi………
27
Gambar 15 Model struktural mekanisme mesin pengupasan biji buah asam….. 42
Gambar 16 Kontruksi model gambar 3D mesin pengupas biji buah asam.…... 43
Gambar 17 Model mekanisme penyayat daging buah asam……….. 44
Gambar 18 Model mekanisme pengupas biji buah asam……..…...………...… 44
Gambar 19 Model mekanisme ulir pemisah biji buah asam………...
45
Gambar 20 Konstruksi pembuatan model alat percobaan mesin pengupas ... 46
Gambar 21 Grafik analisa kebutuhan torsi penyayat………... 52
Gambar 22 Grafik kebutuhan daya penyayat buah asam …….…………...….... 53
xv
xvi
Halaman
Lampiran
1
Gambar teknik desain mekanisme pengupas asam ………... 70
Lampiran
2
Gambar teknik desain mekanisme ulir penyayat………... 71
Lampiran
3
Gambar teknik desain mekanisme poros pengupas……….. 72
Lampiran
4
Gambar teknik desain mekanisme ulir pemisah biji…………...
73
Lampiran
5
Analisis desain teknik mesin penggerak ………... 74
Lampiran
6
Tabel hasil pengujian kinerja unit penyayat………...……… 76
Lampiran
7
Tabel hasil pengujian torsi unit penyayat…………...……...…… 78
Lampiran
8
Tabel hasil pengujian kinerja pengupasan………….…………... 80
Lampiran
9
Tabel hasil pengujian torsi unit pengupas………...….. 82
Lampiran
10 Tabel hasil perhitungan kebutuhan energi penyayatan dan
pengupas ………....
84
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar belakang
Pemanfaatan buah asam di Indonesia masih terbatas sebagai bumbu dapur dan obat-obatan tradisional. Bagian daun dapat digunakan sebagai obat reumatik, demam, eksim luka, sedangkan daging asam digunakan sebagai obat sariawan dan obat gatal serta bagian kulit batangnya digunakan sebagai anti asam.
Tahun 1980 masyarakat di pedesaan memanfaatkan biji asam sebagai makanan sampingan di saat santai, biji asam yang sudah dikupas diberikan perlakuan pengeringan dan penyangraian serta ditumbuk untuk mengeluarkan kulit ari berwarna kecoklatan yang mengandung getah sepat, namun pada akhir-akhir ini biji dapat digunakan untuk pengental cairan pewarna tekstil di industri.
Potensi pemanfaatan biji asam banyak terdapat di Jawa Timur dan Nusa Tenggara Timur khususnya di Kabupaten Timor Tengah Selatan, selama ini telah dimanfaatkan sebagai bahan pengental pada proses pencapan tekstil. Hal tersebut menjadi peluang dalam penelitian tesis ini yaitu pembuatan konsep pemisah daging buah dan biji asam, agar kedua bagian tersebut dapat menjadi dua komoditi ekonomis di pasaran serta meningkatkan kesejahteraan petani asam.
Pascapanen buah asam yakni bulan Agustus-Oktober dimana para petani dapat memanen dan mengolah untuk proses pemasaran. Daerah Kabupaten Timor Tengah Selatan setiap tahun dapat memproduksi daging buah asam antara 3.000-4.000 ton dengan nilai jual per kilogram sebesar Rp 5.000-10.000, sedangkan biji asam dapat diolah menjadi tepung dijual dengan harga Rp 7.000/kg. Produksi daging asam tujuh tahun terakhir di Timor Tengah Selatan mengalami pasang surut seperti disajikan pada Tabel 1.
Tabel 1. Fluktuasi produksi daging buah asam tahun 2001-2007 (Departemen Pertanian Daerah Kabupaten Timor Tengah Selatan 2010).
Buah asam merupakan suatu komoditi pertanian yang banyak terdapat di daerah Timor serta mempunyai nilai ekonomis cukup baik dalam pemenuhan kebutuhan masyarakat. Upaya pengolahan buah asam terhadap pemisahan biji dengan daging buah menjadi produk asam yang siap dipasarkan dilakukan dengan cara manual dan memerlukan waktu yang cukup lama. Pemisahan biji dan daging buah asam merupakan tantangan dalam pemecahan masalah saat ini yaitu teknologi mekanisasi atau mesin pertanian.
Potensi pengembangan dan pemanfaatan hasil buah asam di masa mendatang akan memerlukan suatu teknologi yang tepat dalam penanganan pascapanen komoditi tersebut. Pembuatan alat mesin pemisah daging dan biji buah asam menjadi penting diwujudkan guna menghasilkan konsep teknologi tepat guna yang dapat bermanfaat bagi masyarakat petani asam.
Sebelum masuk dalam konsep perancangan alat mesin pemisah daging dan biji buah asam, maka perlu dilakukan penelitian terhadap sifat fisik dan mekanik bahan dari komoditi pertanian tersebut.
1.2.Tujuan penelitian
Tujuan umum penelitian ini adalah : menganalisis sifat fisik mekanik buah asam serta menganalisis mekanisme pemisahan daging dan biji buah asam untuk keperluan perancangan alat mesin pengolah buah asam.
1.3. Manfaat penelitian
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Buah asam
Buah asam (Tamarindus indica sp) banyak dijumpai di daerah beriklim tropis terutama di Asia dan Afrika. Di Indonesia tanaman ini banyak ditanam sebagai tanaman perindang di tepi jalan raya.
Pohon asam pertumbuhannya tidak sulit seperti tanaman yang lain, bahkan pohon yang ada di hutan tumbuh secara alami dan tanpa perawatan (Alawi, 2008). Pohon asam merupakan tanaman yang cocok tumbuh di daerah kering dan basah yakni di dataran rendah sampai ketinggian 10 meter dari permukaan laut. Pohon asam pada umumnya berbunga pada akhir musim kering sekitar bulan Desember sampai bulan Januari dan menghasilkan buah polong (Danoesastro, 1976).
Pohon asam akan tumbuh dan mulai berbuah pada umur 10-15 tahun dan secara kesinambungan dapat berproduksi sampai umur 60 tahun, pada usia yang produktif ini dapat menghasilkan buah sekitar 180-225 kg per tahun (Rao dan Srivastava, 1973).
Bentuk fisik dari tanaman asam (Tamarindus indica sp) yaitu berpohon besar dan rindang dengan ketinggian 5-10 meter, mempunyai batang kayu keras, berdaun majemuk menyirip dengan 10-15 pasang helai anak daun yang berbentuk bulat panjang berukuran kecil seperti terlihat pada Gambar 1. Bunga berbentuk tandan terdiri dari 6-30 bunga berwarna kuning, buah berbentuk polong yang tidak beraturan dengan panjang sekitar 2,5-17,5 cm dan lebar 2,5 cm.
(a). Pohon Asam (b). Buah Polong asam mudah
Gambar 1. Bentuk fisik tanaman buah asam
Buah asam (Tamarindus indica sp) mengandung biji dan daging yang dilindungi oleh serat yang kuat. Biji asam tidak teratur bentuknya serta dapat berbentuk lonjong atau segi empat panjang, sisi-sisinya sekitar 1.5 cm dengan ketebalan 0.75 cm.
Bagian tepi pada buah asam melebar dan sering beralur tipis, bagian intinya dilindungi oleh testa yang berwarna coklat, biji asam pada umumnya berwarna hitam kecoklatan (Rao dan Srivastava, 1973). Gambar buah asam dapat disajikan pada Gambar 2.
(a). Polong buah asam mudah, (b). polong buah asam tua, (c). polong buah asam danbiji, (d). polong buah asam dalam keadaan kering.
Gambar 2. Bentuk fisik polong buah asam
a b
e
c d
2.2. Sifat fisik dan mekanik bahan uji
Sifat fisik bahan uji diambil dari buah asam berupa polong buah asam yaitu bagian daging dan biji buah asam. Pengetahuan dari suatu sifat fisik tanaman pada bagian buahnya sangat diperlukan untuk mengetahui rekasi dari bahan terhadap gaya pengupasan dan deformasi. Hal tersebut akan mempermudah untuk menemukan Logical solution untuk mengembangkan desain alat pengupas (perrson,1987). Alat yang dibuat untuk mengetahui gaya yang perlu dipelajari karaketristik dari bahan tersebut, karena perbedaan ukuran dan bagian struktur antara skala laboratorium dan real dilapangan (Holman and Gajda,1989)
Pengolahan buah asam yang diharapkan adalah pemisahan antara daging dan biji, dasar pemisahannya yaitu penyobekan plasenta untuk memisahkan biji dari daging asam. Proses pengolahan buah asam secara tradisional pada prinsipnya meliputi: pengambilan dari hutan, pemisahan kulit luar, pembersihan serat jaringan pengikat buah, penjemuran dan proses pemisahan biji dari daging asam.
2.3. Mekanisme pemotongan (cutting) bahan pertanian
Pemotongan merupakan suatu proses terpenting dalam upaya pemanenan dan pascapanen bahan pertanian atau proses pemisahan secara mekanik pada suatu benda padat sepanjang garis yang sebelumnya telah ditentukan dengan menggunakan alat pemotong (Perrson, 1987).
Pemotongan bahan-bahan hasil pertanian merupakan salah satu kegiatan yang sering dilakukan, misalnya pada saat panen, dalam pemisahan, dan juga dalam proses pengecilan ukuran bahan pertanian (Hendarson dan Perry, 1975).
(a). Pemotongan dengan dua mata pisau, (b).pemotongan bahan pada landasan diam, (c). pemotongan pada lapisan tipis, (d). Pemotongan dengan kecepatan mata pisau tinggi.
Gambar 3. Beberapa bentuk pemotongan
Gambar 3 memperlihatkan bentuk dan mekanisme pemotongan yang umum dilakukan. Gambar pertama (a), memperlihatkan proses pemotongan yang menggunakan dua mata pisau yang saling berhadapan dan terlibat pemotongan (countermoving blade), contoh untuk kasus ini adalah gunting. Gambar kedua (b), memperlihatkan tipe alat potong dimana bahan diletakkan pada landasan yang diam dan pisau pemotongan bergerak. Gambar ketiga (c), mengilustrasikan pemotongan lapisan yang tipis, dimana distribusi tegangan di sekitar mata pisau mengalami distorsi yang sangat besar akibat permukaan bebas pada sekitar bidang pemotongan. Keempat (d), menunjukkan metode pemotongan
yang saat ini banyak dilakukan. Pada kasus ini kecepatan mata pisau harus tinggi (20 - 40 m/s) (Sitkei, 1986).
→
→ →
Gambar 4. Tahapan proses pemotongan bahan uji
Keterangan :
µ : koefisien gesek
F : gaya mata pisau dalam arah pemotongan (N) Fv : gaya vertikal sisi mata pisau (N)
Fh : gaya horisontal sisi mata pisau (N) γ : sudut gesekan pada permukaan (0)
N : gaya normal kelancipan pisau (N)
T1&T2 : gaya tangensial dari permukaan mata pisau (N)
β : sudut mata pisau ( 0 ) Fe : gaya pada mata pisau ( N)
Gaya normal yang bekerja pada bidang miring pisau merupakan penjumlahan komponen gaya horisontal dan gaya vertikal,
N = Fsinβ + Fh cos β...(1) Sedangkan gaya tangensial yang timbul adalah :
T2 = µN = Ntanφ...(2) Dimana : µtanφ adalah koefisien gesek. Gaya tangensial yang bekerja pada sisi vertikal pisau yaitu:
T1 = µFh...(3)
Menusuk Penetrasi Memotong
Rupture
Sitkei (1986) menyatakan bahwa pisau-pisau pemotong pada umumnya tajam pada salah satu sisi, dengan sudut ketajaman β dan ketebalan mata pisau δ. Penetrasi pisau ke dalam bahan mengakibatkan terjadinya deformasi dan gaya-gaya yang bekerja pada permukaan pisau pada Gambar 6.
Gambar 6. Gaya-gaya pemotongan pada mata pisau
Persamaan 4 berfungsi sebagai suatu referensi analisis untuk memperoleh gaya penyayatan, kecepatan sayatan aktual pada buah asam serta menjelas gaya-gaya pemotongan yang terjadi pada mata pisau Gambar 6.
F : Fe + Fv + µFh + T cosβ...(4)
Keterangan :
µ : koefisien gesek β : Sudut mata pisau ( 0 )
Fe : gaya pada mata pisau ( N)
T : gaya tangensial dari permukaan mata pisau F : gaya mata pisau dalam arah pemotongan (N) Fv : gaya vertikal sisi mata pisau (N)
Fh : gaya horisontal sisi mata pisau (N). δ : ketebalan pisau (cm)
γ : sudut gesekan pada permukaan N : gaya normal kelancipan pisau (N)
Menurut Suastawa et al. (1998), hubungan antara tegangan gesek dan tegangan normal serta perpindahan relatif, ditunjukan pada Gambar 7. Untuk suatu pemberian tegangan normal (σN) maka tegangan gesek (τ) akan meningkat
Gambar 7. Kurva tegangan regangan-perpindahan relatif
Banyak faktor yang mempengaruhi kebutuhan energi pemotongan diantaranya adalah sifat-sifat mekanik bahan, sifat geometri mata pisau dan kondisi kinematika. Sifat-sifat mekanik tergantung pada jenis bahan, kadar air, tingkat pertumbuhan, dan lokasi tempat pemotongan pada bahan (menjauhi atau mendekati pangkal) (Sitkei,1986).
2.4. Mekanisme pemarutan (grating/rasping) bahan
Pemarutan merupakan salah satu proses pemotongan (cutting/grinding) dengan menggunakan banyak mata potong. Masing-masing mata potong bekerja hanya sebagian pada rotasinya. Proses pemotongan pada mata potong multiple seperti pada pemarutan dipengaruhi oleh ukuran dan jumlah serta susunan mata potong. Semakin besar ukuran (diameter) mata potong maka semakin besar gaya yang dibutuhkan untuk proses pemotongan serta ukuran hasil potonganpun semakin besar. Demikian pula halnya dengan jumlah gigi potong, semakin banyak jumlah gigi potong maka gaya untuk pemotongan meningkat dan hasil ukuran potongan akan semakin kecil (Hendarson dan Perry,1975).
2.5. Proses desain dan analisis suatu peralatan
Desain adalah perhitungan ukuran dan bentuk dari bagian-bagian suatu sistem untuk mencapai performansi yang diinginkan (Arora, 1989). Ditambahkan oleh Cochin dan Plass (1990), pemilihan bahan dan komponen-komponen yang akan digunakan pada suatu sistem termasuk aktivitas desain.
τmax 1
τmax 2
T
eg
an
g
an
g
es
ek
(
τ
)
Perpindahan relatif (s)
Tegangan normal σ 1
Norton (1993) mendefinisikan desain sebagai proses penerapan berbagai prinsip-prinsip teknik dan ilmiah (scientific) untuk tujuan mendefinisikan suatu peralatan, suatu proses, atau suatu sistim agar dapat direalisasikan.
Desain merupakan suatu proses yang interactive yang berarti bahwa beberapa “trial and error system” harus dianalisis sebelum suatu desain yang dapat diterima (acceptable desain) diperoleh. Dalam proses desain, pengalaman intuisi dan pengetahuan desainer merupakan faktor yang penting dalam menentukan dan mendesain suatu sistem.
Menurut Ulman (1992) ada empat langkah dasar yang harus dilakukan dalam mendesain suatu sistem, yaitu: (1) Sadar akan adanya masalah yang harus diselesaikan (establish need), (2) memahami permasalahan, (3) pemilihan alternatif pemecahan masalah (generate potential solutions), (4) evaluasi alternatif yang diambil untuk kemudian memutuskan mana yang terbaik .
Menurut Norton (1993), proses desain terdiri dari 10 tahap yaitu (1) identifikasi kebutuhan (identification of need), (2) mengumpulkan informasi yang relevan (background researh), (3) menyatakan tujuan (goal statement), (4) menentukan spesifikasi (task specification), (5) ide dan penemuan (ideation and
invention), (6) analisa (analysis), (7) seleksi, (8) rincian perancangan (detailed
design), (9) percobaan prototipe (prototyping and testing), (10) produksi
(production).
Persyaratan atau kriteria yang harus diperhatikan dalam mendesain suatu alat yang baik yaitu: (a) kebutuhan masyarakat terhadap alat yang didesain, (b) secara teknis dapat dibuat, (c) secara ekonomi dapat di pertanggung jawabkan, (d) secara politik dapat diterima, (e) bahan yang dibutuhkan mudah didapat dilingkungan setempat, (f) mudah dalam pengoperasian.
State of the art dari penelitian ini belum dapat diuraikan dengan lengkap
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1. Waktu dan tempat
Penelitian ini dari bulan Juni-Oktober 2011. Penelitian awal mengenai sifat fisik mekanik bahan komoditas asam dilakukan di Laboratorium Teknologi Hasil Hutan, Fakultas Kehutanan IPB. Penelitian perancangan gambar teknik dan uji kinerja model mesin dilakukan di Laboratorium Ergonomika, Fakultas Teknologi Pertanian IPB.
3.2. Bahan dan alat
Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian berupa: buah asam timor dan produk asam jawa yang ada di pasaran. Alat-alat yang digunakan di dalam penelitian ini adalah mesin uji lentur statis Universal Testing Machine (UTM): AMSLER (Tipe 120, Machine Nr 381, Kom Nr 1798, 1973), Universal Testing
Machine (UTM) Instron 3369 yang langsung terhubung dengan komputer (PC)
3.3. Tahapan penelitian
[image:30.612.103.479.111.715.2]Penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahap seperti disajikan pada Gambar 8.
Gambar 8. Diagram alir penelitian
Mulai
Pengambilan bahan di lapangan
Pengukuran sifat fisik & mekanik
Sesuai
Pembuatan model prototipe awal mesin pengupas biji asam
Analisis mekanisme dan perancangan alat mesin
Sesuai
Selesai
Analisis data pengukuran sifat fisik mekanik bahan
Ya
Tidak
Ya Analisis data pengujian
Pengujian model prototipe percobaan mesin
Sifat fisik mekanik
3.3.1. Analisis pengukuran sifat fisik dan mekanik buah asam
Pengukuran karekteristik fisik-mekanik buah asam yang dilakukan terdiri dari ukuran buah polong, biji asam, daging dan plasenta serta serat pengikat buah asam seperti yang disajikan pada Tabel 2 dan Gambar 9. Data-data pengukuran tersebut sangat penting dalam menganalisis desain unit pengupas dari mesin pengupas biji buah asam.
[image:31.612.116.508.200.396.2](a). Pengukuran tebal biji asam, (b). uji kekerasan biji, (c). Uji tarik plasenta, (d). Uji tarik serat pengikat buah asam
Gambar 9. Pengukuran sifat fisik dan mekanik dari buah asam. .
Analisis pengujian sifat fisik-mekanik buah asam dilakukan pendekatan pada bagian buah asam yang dapat berpeluang menjadi fokus pengupasan yaitu plasenta dan biji buah asam dengan mengacu pada metode pengukuran yang disajikan pada Tabel 2.
Tabel 2. Metode Pengukuran sifat fisik dan mekanik buah asam.
Bagian buah asam Ukuran Metode pengukuran
Buah (polong) Panjang buah Jangka sorong Lebar buah Jangka sorong Tebal buah Jangka sorong
Biji Panjang biji Jangka sorong
Lebar biji Jangka sorong Tebal biji Jangka sorong Tebal kulit biji Jangka sorong Kekerasan biji UTM Amsler
Daging buah
Tebal daging buah asam Jangka sorong Berat Buah asam Timbangan digital
Serat asam/jaring daging buah
Panjang serat utama Jangka sorong Panjang serat cabang Jangka sorong Jumlah serat cabang Manual Kuat tarik serat UTM Instron Kulit polong Tebal kulit Jangka sorong buah asam Kuat tekan kulit UTM Instron Plasenta biji Kuat robek (tarik) UTM Instron
3.3.2. Analisis mekanisme dan perancangan alat mesin.
Tabel 3. Metode analisis mekanisme pengupas biji asam
MEKANISME METODE ANALISA BAGIAN ANALISA
Analisa hitung Panjang busur
Penyayatan Analisa hitung Sudut putar pisau
Analisa hitung Asam pada area sayatan
Pengujian model alat Daya
Pengujian model alat Torsi
Pengujian&hitung Kebutuhan gaya sayatan
Pengujian model alat Kapasitas sayatan
Pengujian model alat Efisiensi sayatan
Analisa hitung Gaya gesek
Analia hitung Gaya normal
Pengupas Analisa hitung Panjang kontak silinder
Analisa hitung Luas bidang kontak
Pengujian model alat Daya
Pengujian model alat Torsi
Pengujian & Hitung Gaya pengupas
Pengujian model alat Kapasitas pengupas
Pengujian model alat Efisiensi
Pemisah Analisa hitung Kecepatan translasi biji asam
Biji asam Analisa hitung Luas daerah alir biji asam
Analisa hitung Kapasitas
a. Analisis mekanisme penyayatan
Jumlah titik sayat setiap saat (JTP) dari mekanisme penyayatan buah asam diperoleh melalui pisau ulir yang dibentangkan pada Gambar 10 dan 11, pada saat x = 0,titik potong (TP) dari ulir (A),(A-1) dan (A-2) adalah
TP (A) = 0,0 TP (A-1) = (0,PY) TP (A-2) = (0,2PY)
Pada saat X=X titik potong (TTP) dari ulir (A), (A-1), (A-2) adalah :
TP (A-1) = (X,PYtanXα)
TP (A-2) = (X,2PYtanXα)
Jika :
JTP = 3 maka 2PY+tanXα < L dan X < PX
JTP = 2 maka 2PY+tanXα > L dan X < PX
Mekanisme penyayatan buah asam diperoleh melalui pisau ulir yang dipasang melintang pada Gambar 10 menunjukkan jarak pisau (Px) dan jarak sayatan arah sejajar poros ulir (Py) dapat dihitung dengan persamaan :
k πd x
P = sedangkan
tanα p
P x
Y = dengan demikian pada saat JTP = 3 maka x
dapat dihitung sebagai berikut:
2PY+
tanX < L α
L tanα
X y
2P + = tanXα=L−2Py
X = (L-2Py)tanα X= (Ltanα-2Py), Karena Px = k
πd
maka :
X = (Ltanα-2 k )
πd
Gambar 10. Desain mekanisme penyayatan buah asam pisau ulir.1
pisau ulir.2
L
α
Cr1 Cr2
VP2 1,5cm VP2
5
• Sudut putar pisau o x360 πd
X
θ= ……….………(6)
0 x360 πd k d 2π Ltanα x θ − = ………..…..……..…….………...…(7) jika
[image:36.612.81.505.32.751.2]JTP : jumlah titik sayatan setiap saat k : jumlah pisau PX : jarak antar pisau (cm) L : panjang pisau (cm) X : panjang busur (cm) θ : sudut putar pisau ( 0 ) α : sudut sayat pisau ( 0 ) d : diameter ulir ( Ø ) PY : jarak titik sayatan arah sejajar poros (cm)
Gambar 11. Proses aliran buah asam pada unit penyayat
• Kecepatan titik sayatan searah poros ulir (VPY)
tanBKα V Py
V = (m/detik)………..………...…..…………..…(8)
Py
V
BK
V
tan
β
=
,Pa
V
PY
V
cos
β
=
ω
• Kecepatan titik-titik sayat aktual (Vpa)
β
cos
PY
V
Pa
V
=
(m/detik)………...…….….………..…(9)jika
VBK : kecepatan linier pisau ulir (m/detik) R : Jari-jari ulir (cm)
ω : kecepatan sudut (rad/detik) α : sudut sayat pisau VPY : kecepatan titik sayatan searah poros ulir (m/detik)
β : sudut yang dibentuk titik-titik sayatan aktual terhadap pisau ulir VBK : kecepatan linier pisau ulir (m/detik)
Vpa : kecepatan titik - titik sayat aktual (m/detik)
• Luas bidang lintasan titik sayatan (Lltp)
Lltp = (VPY ) x (t) x (CR) (cm/detik)………...……..…(10)
• Jumlah asam pada luas area sayatan (JB)
JB : (VPY) x (t) x (CR) x (Kr) (gram)……….………...….…(11) jika
CR : jarak yang ditempuh oleh satu titik sayatan pada satu ulir ke ulir
berikut (cm2) t : waktu (detik) JB : jumlah asam pada luas area sayatan (gram)
• Kr : Kerapatan /densitas buah asam (gram)
Kr =
(gram/s.m
3
)
sayatan
ruang
volume
Kapasitas
• Gaya yang diperlukan untuk penyayatan buah asam (FP) adalah :
FP = (Vpy) x (t) x (CR) x (Kr)x (d) x (JTP)x (Fpt)….…….……….(12)
• Gaya puncak sayatan spesifik arah tangensial terhadap mata pisau (Fpt)
) TP x(d)x(J r) )x(K r )x(C py V ( dt p dF pt
F = =
……….…..……(13) Jika
b. Analisis mekanisme pengupasan
Analisis mekanisme dan kebutuhan torsi pengupas biji asam, dilakukan pendekatan kinematika dan geometri mekanisme pengupasan. Hasil mekanisme pengupasan menunjukkan bahwa kebutuhan torsi untuk pengupasan tergantung pada: koefesien gesek kinetik antara permukaan silinder pengupas dan permukaan daging buah asam yang dikupas, gaya pengupasan, kecepatan putar silinder pengupas, jari-jari silinder pengupas, komponen gaya normal (gaya dorong). Gambar 12 memperlihatkan mekanisme pengupas yang dapat dijadikan sebagai analisis kebutuhan gaya pengupas.
[image:38.612.100.493.266.687.2]
Gambar 12. Mekanisme pengupasan biji buah asam
Keterangan
1. Hopper
2. Buah asam
3. Ulir pemisah biji
4. Silinder pengupas
5. Daging asam murni
6. Pisau penggores asam
• Kebutuhan gaya yang diperlukan untuk pengupasan :
f = µN2(Newton)……….…………..…….(14) N2 : Gaya saat pengujian (Newton)
• Gaya normal sebagai fungsi dari perubahan sudut :
F = f cos (θ) t (Newton).………...……….….…..…(15) jika
F: Gaya normal (Newton) f : Gaya gesek (Newton)
θ: Sudut kontak ( 0 ) t : Waktu (detik)
• Panjang kontak selinder pengupasan setiap saat (Pb):
Pb = 2π 360 θ
R (cm)……….………...……….……...…(16)
• Luas bidang kontak selinder pengupas
A = Pbl = l 2π
360 θ
R (cm)………...………...….………...…...……..(17)
l adalah lebar silinder (cm) dan θ adalah sudut kontak ( 0 )
• Koefisien gesek antara silinder pengupas dan buah asam.
Gaya pengupasan sebagai fungsi dari waktu untuk nilai koefisien gesek dan gaya pengupasan :
( )
= k Fcos θt
Fpt + (
( )
) 360 t θ l t
f 2πR
(Newton)………...…(18) jika
Fpt : gaya pengupasan (Newton) F : gaya normal (Newton) µk : koefisien gesek (µ) t : waktu (detik)
R : jari-jari celah silinder (cm) θ : sudut kontak ( 0 ) ft :gaya pengupasan saat pengujian (Newton)
l : lebar selinder (cm)
• Koefisien gesekan antara buah asam dan komponen pengupas
f : µk fs……….………..(19)
• Kecepatan buah asam :
=
V St(m/detik)………..……….……….……….……..(20)
jika S : tinggi hopper (cm)
• Masa buah asam pada mesin
M =
asam buah aliran Kecepatan
Kapasitas (kg).……….………(21)
• Gaya sentrifugal (Fs)
Fs = mω2r (Newton)..………..……….…..(22) Jika ω =
60 N
2π (rad/detik)
• Tenaga pengupasan (Wg)
Wg = fv x π x d x N/60 sin θ (watt).……….………(23)
• Kecepatan gaya gesekan buah asam dan komponen pengupas
Fv = (Wg x 60sin θ)/(π x D x N). (m/detik)………...……..(24)
• Gaya gesek resultan (ft)
sinθ Fv
ft= (Newton)...………..……….…...(25)
• Koefisien gesek (µ)
fs ft
= ……….……(26)
c. Analisis Mekanisme pemisahan biji buah asam
Gambar 13. Mekanisme pemisah biji buah asam dan perkiraan sudut ulir
Keterangan :
d1 : diameter dalam (cm), Ra : jarak antar gang (cm), d2 : diameter luar (cm) P : panjang ulir (cm), β : sudut ulir
• Kecepatan translasi biji asam yang dialirkan (V)
V=2π60Ran(gram/detik)
………...………...…..……….…...(27)
• Luas daerah pengaliran biji asam ((LP)
(cm) 2 2 d1 d2 π Lp − = ………...……….………(28)
• Kapasitas ulir
Kapasitas ulir =
33.6336
d
2
d
1
x
cos.
p.n
β
(gram/deti
k)
−
…………..………(29)3.3.3. Analisis desain model alat percobaan mesin
Disain model alat percobaan mesin dapat dilakukan dengan pendekatan rancangan, rancangan funsional dan rancangan struktural sebagai berikut :
a. Pendekatan desain
Pengupasan dilakukan secara tradisional memberikan hasil pengupasan yang baik, tetapi membutuhkan tenaga manusia, waktu dan biaya yang relatif besar. Dengan suatu alat yang hanya memerlukan satu sampai dua orang operator serta memiliki kapasitas pengupasan yang besar diharapkan dapat memecahkan masalah pengupasan biji asam yang dilakukan secara tradisional.
Pendekatan dalam sistem pengupasan adalah dari perlakuan beban impact
pada suatu benda. Aplikasi pemukulan atau gesekan pada jarak tertentu, maka diharapkan polong asam dapat mengalami gesekan dan biji dapat terpisah dari dagingnya. Bagian pengupas ini terdiri dari mekanisme penyayatan untuk menyayat buah asam sebelum buah asam ke mekanisme pengupas.
Proses gesekan antara dua buah silinder pengupas maka daging asam akan lewat melalui celah silinder dan tetap menahan biji asam yang tinggal sehingga dapat diarahkan oleh poros pemisah biji. Penyayatan buah asam, pisau atau kawat berulir adalah cara yang dapat diterapkan dalam hal ini, karena kontur buah asam yang berbeda serta keadaan daging yang lentur.
Aplikasi dua buah pisau berulir setebal 3 mm dan panjang 195 mm yang dipasang mendatar serta terhubungkan dengan motor penggerak yang nantinya akan mampu memutarkan kedua pisau tersebut, saat buah asam masuk dari hoper dan berada pada unit penyayat maka kedua pisau ini akan bergerak memutar sehingga buah asam akan mengalami proses penyobekan. Susunan pisau seperti ini diharapkan mampu menyobek atau menyayat buah asam sehingga akan mempermudah pada proses pengupasan.
b. Desain fungsional
Desain fungsional pada model alat percobaan mesin pengupas biji buah asam terdiri dari :
• Hopper
• Unit penyayat
• Unit pengupas/poros pengupas
• Ulir/screw pengarah biji asam • Rangka penunjang
• Sistem penyalur tenaga
• Tenaga penggerak
c. Desain struktural
Pemilihan bahan-bahan yang digunakan dalam perancangan mesin (bahan logam stainlees dan plastik) disesuaikan dengan sifat fisik-mekanik buah asam yang akan diolah. Desain struktural dilaksanakan dengan membuat suatu rangka dilengkapi dengan unit penyayat untuk menyobek daging asam dan dua (2) poros pengupas, serta poros pemisah biji berperan untuk memisahkan biji yang terpisah dari daging sehingga dapat mempermudah pemasangan dan mempermudah dalam operasional.
Pembuatan model prototipe ini dibuat agar dilakukan pengujian di lapangan apakah alat tersebut dapat berfungsi sesuai dengan desain yang diinginkan atau tidak. Model alat percobaan dimaksudkan: sebagai alat uji untuk mengukur kebutuhan gaya atau torsi pengupas yang selanjutnya dijadikan sebagai dasar untuk pembuatan prototipe (full scale). Desain struktural
komponen mesin terdiri dari :
• Rangka mesin
• Pisau penyayat
• Desain poros pengupas biji asam
3.3.4. Rancangan percobaan dan pengujian model alat percobaan mesin
Tahapan ini dilakukan pengujian terhadap model alat mesin pengupas biji asam untuk mengetahui kinerja dari pada alat berupa: kapasitas, torsi dan
kebutuhan daya pengupasan.
[image:44.612.130.509.247.403.2]Sesuai pendekatan rancangan yaitu untuk mengetahui faktor desain yang belum diperhitungkan dimana hal tersebut akan mempengaruhi proses kerja alat. Tabel pengujian alat pengupas biji buah asam dapat disajikan pada Tabel 4.
Tabel 4. Rancangan percobaan dan pengujian mesin
Perlakuan Ulangan I Ulangan II Ulangan III R1B1 R2B1 R3B1 R1B11 R2B11 R3B11 R1B12 R2B12 R3B12 R1B13 R2B13 R3B13 R1B2 R2B2 R3B2 R1B21 R2B21 R3B21 R1B22 R2B22 R3B22 R1B23 R2B23 R3B23 R1B3 R2B3 R3B3 R1B31 R2B31 R3B31 R1B32 R2B32 R3B32 R1B33 R2B33 R3B33
Keterangan : R : rpm R1 : 890 rpm R2 : 1065 rpm R3 : 1220 rpm B : beban B1 : 100 gram B1: 200 gram B3 : 300 gram
Parameter yang diukur dalam pengujian mesin pengupas meliputi torsi, daya, kapasitas dan efisiensi kinerja mesin. Analisis data dilakukan menggunakan grafik, standar deviasi dan standar deviasi relatif.
3.3.5. Uji kinerja model alat percobaan mesin.
Tabel 5. Metode pengukuran kinerja mesin
No Para meter pengukuran Metode pengukuran 1 Buah terkupas (gram) Timbangan digital 2 Buah tak terkupas (gram) Timbangan digital
3 Asam murni (gram) Timbangan digital
Kapasitas pengupasan(kg/jam) Pengujian dan analisa hitung
5 Efisiensi pengupasan (%) Pengujian dan analisa hitung
3.3.6. Pengukuran torsi dan daya model alat percobaan mesin
Pengukuran torsi pengupas tidak dapat dilakukan dengan slip ring dan strain gauge sehubung model alat yang di buat masih memiliki keterbatasan maka
dapat di uji dengan clamp meter sebagai pendekatan untuk memperoleh kebutuhan
torsi pengupas. Metode pengujian dapat disajikan pada Gambar 14 dan Tabel 6.
Gambar 14. Photo Pengukuran tegangan dan arus untuk memperoleh nilai torsi
[image:45.612.193.440.348.529.2]Tabel 6. Metode pengukuran torsi pengupasan
No Parameter pengukuran Metode pengukuan
1 Arus pada saat dan sebelum pembebanan (i)
Pengujian
2 Tegangan pada saat dan sebelum pembebanan (V)
Pengujian
3 Daya (P) Pengujian dan Analisa hitung
4 Kecepatan sudut (ω) Analisa hitung
5 Torsi (T) Pengujian dan Analisa hitung
3.3.7. Analisa data pengujian dan perhitungan model alat percobaan mesin
Data hasil pengujian model alat pengupas biji asam ditampilkan dalam grafik dan tabel sehingga dapat diketahui torsi, daya, gaya, kapasitas serta efisiensi pada mekanisme penyayat dan mekanisme pengupas, untuk memperoleh parameter-parameter tersebut dapat menggunakan persamaan.
a. Torsi penyayat dan pengupas
Analisis kebutuhan torsi penyayat dan pengupas biji buah asam, buah asam yang telah melewati unit penyayat selanjutnya masuk pada selinder pengupas. Torsi yang terjadi diperoleh dari selisih antara rata-rata sebelum pembebanan dan rata-rata tegangan setelah diberi beban sehingga dapat dianalisis dengan persamaan berikut.
(Nm)
ω
P
T
=
………...(30)
) (rad/detik 60
n 2π
ω =
……….……….(31)
b. Kebutuhan daya penyayat dan pengupasan
Analisis kebutuhan daya sangat penting khususnya dalam memilih kebutuhan energi untuk menggerakkan mesin yang diperoleh dari perbandingan antara: kebutuhan tenaga dari mesin dan kapasitas mesin sehingga dapat dianalisis dengan Persamaan kebutuhan energi.
mesin
Kapasitas
P
energi
Kebutuhan
=
…...…...…...….………..(33)
c. Kapasitas penyayat dan pengupas
Kapasitas pengupas yaitu: jumlah polong buah asam yang digunakan pada corong pengumpan dalam waktu tertentu pada setiap perlakuan sehingga dapat dijadikan sebagai acuan untuk mengetahui kinerja mesin dalam perancangan prototipe mesin.
t(detik)
360
polong)x
(berat
kg/jam)
Kapasitas(
=
………....………..(34)
d. Efisiensi penyayatan dan pengupasan
Efesiensi yaitu : perbandingan antara hasil output terhadap hasil input dikali 100 % atau perbandingan antara polong buah asam tidak tersayat/terkupas terhadap polong buah asam total dikali 100 %.
x100
%
total
polong
terkupas
tersayat/
tidak
polong
EP
=
…………..………...…..(35)e. Gaya penyayat dan gaya pengupas
Kebutuhan gaya penyayat dan gaya pengupas dapat dianalisa menggunakan
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1. Sifat fisik dan mekanik buah asam
[image:48.612.133.506.247.496.2]Sifat fisik dan mekanik bahan buah asam diperlukan untuk proses perancangan mesin sehingga data selengkapnya dapat disajikan pada Tabel 7. merupakan hasil analisa pengukuran.
Tabel 7. Hasil analisa sifat fisik dan mekanik buah asam.
Bagian buah asam
Ukuran Metode pengukuran Nilai rata-rata
(mm)
Buah (polong) Panjang buah Jagka sorong 100 mm
Lebar buah Jangka sorong 20 mm
Tebal buah Jangka sorong 15 mm
Biji Panjang biji Jangka sorong 20 mm
Lebar biji Jangka sorong 10 -15 mm
Tebal biji Jangka sorong 7-8 mm
Tebal kulit biji Jangka sorong 2 mm
Kekerasan biji UTM Amsler 150 kg/N
Daging buah Tebal daging asam Jangka sorong 3mm
Berat buah asam Timbangan digital 20 gram
Serat asam/jaring daging buah
Panjang serat utama Jangka sorong 100 mm
Panjang serat cabang Jangka sorong 10 mm
Jumlah serat cabang Manual 30 serat
Kuat tarik serat UTM Instron 8.3 kg/N
Kulit polong Tebal kulit Jangka sorong 0.5 mm
buah asam Kuat tekan kulit UTM Instron 0.23 kg/N
Plasenta biji Kuat robek (tarik) UTM Instron 14.2 kg/N
4.2. Analisa desain mekanisme dan perancangan mesin
[image:49.612.117.505.216.516.2]Proses pengupasan biji buah asam terdiri dari tiga tahap mekanisme kerja yaitu: mekanisme penyayatan, mekanisme pengupas dan mekanisme pemisah biji. Berdasarkan hasil uji dan analisa hitung maka dapat diperoleh data-data yang dapat disajikan pada Tabel 8.
Tabel 8. Hasil analisa pengujian dan hitung pada mekanisme pengupas buah asam
Mekanisme Metode analisa Bagian analisa Hasil
Rata-rata
Analisa hitung Panjang busur 4.3 cm
Penyayatan Analisa hitung Sudut putar pisau 1450
Analisa hitung Asam pada area sayatan 19 gram
Pengujian model alat Daya 146-170 watt
Pengujian model alat Torsi 1.35-1.65 N
Pengujian&hitung Kebutuhan gaya sayatan 1-1.10 N
Pengujian model alat Kapasitas sayatan 6 kg/jam
Pengujian model alat Efisiensi sayatan 69 %
Analisa hitung Gaya gesek 0,16 N
Analia hitung Gaya normal 0,23 N
Pengupas Analisa hitung Panjang kontak silinder 5-6 cm
Analisa hitung Luas bidang kontak 3,2 cm
Pengujian model alat Daya 134-149 watt
Pengujian model alat Torsi 1.17-1.45
Pengujian & Hitung Gaya pengupas 1.8-2.1 N
Pengujian model alat Kapasitas pengupas 4.5 kg/jam
Pengujian model alat Efisiensi 65 %
Pemisah Analisa hitung Kecepatan translasi biji asam 3.14 gram/detik Biji asam Analisa hitung Luas daerah alir biji asam 0.19 cm
Analisa hitung Kapasitas 0,17
gram/detik
Berdasarkan hasil pengujian dan analisa hitung pada parameter-parameter tersebut di atas dapat dijadikan sebagai referensi dalam desain mesin.
4.2.1. Analisa desain mekanisme penyayatan
Pisau ulir yang digunakan dalam penelitian ini ada 2 buah yakni ulir 1 dan ulir 2. Kedua pisau tersebut mempunyai spesifikasi yang sama yakni d : 3,4 cm), L :1,5 cm dan α : 45o. Dengan demikian nilai X, Px dan θ dari pisau ulir dengan k : 2 dapat dihitung sebagai berikut :
• Panjang busur Jarak antar pisau (cm)
X= (15tan45-2 ) 4,3cm 2
3,14x3,4 =
• Jarak antar pisau (cm)
cm 5,3 2
(3,14x3,4 X
P = =
• Sudut terhadap jarak antar pisau
o 360 x
πxd P px θ = o 178 o 360 x 3,14x3,4 5,33 = =
Jumlah titik sayatan (JTP) berdasarkan sudut putar piasau ulir (θ) yaitu hubungan antara X dan θ tersebut dapat dihitung sebagai berikut:
θx 3,14x3,4 x3600 1450
2 2x3,14x3,4 15x1 = − =
• Kecepatan titik sayatan linier ulir (VBK)
Kecepatan linier ulir diperoleh dari :
VBK =
penyayatan waktu penyayatan Kapasitas = menit 60 kg 6 atau detik 3600 gram 60
• Kecepatan titik sayat searah poros ulir (Vpy)
Kecepatan titik sayat searah poros ulir diperoleh dari : jika : sudut β = 450,
tan 45
gram/detik 0,01
py
V =
= 0,01 gram/detik
Maka kecepatan titik sayatan searah poros sayat yaitu : 0,01 m/detik
• Sudut yang dibentuk titik sayatan aktual terhadap pisau ( 0 )
1 0,01 0,01
β
tan = =
1 0,01 0,01
β
cos = =
• Kecepatan titik sayatan aktual (gram/detik)
jika
VBK : kecepatan linier pisau ulir (0,01m/detik) R : Jari-jari ulir (1,5 cm)
ω : kecepatan sudut (rad/detik)
VPY : kecepatan titik sayatan searah poros ulir (0,01 m/detik)
α : sudut sayat pisau (45 0 )
β : sudut yang dibentuk titik-titik sayatan aktual terhadap pisau ulir ( 450 ) Vpa : kecepatan titik-titik sayat aktual (0,01 m/detik)
gram/detik 0,01
0,7 0,01 45 cos
0,01 Pa
• Gaya penyayatan buah asam (FP)
Gaya penyayatan ditentukan oleh : (1) jumlah buah asam pada luas sayatan (JB), (2) jumlah titik sayatan (JTP), dan (3) gaya puncak sayatan spesifik arah tangensial (Fpt) .
Bentuk bidang lintasan titik sayatan dari pisau ulir ini adalah jajaran genjang sehingga luas bidang tersebut dapat dihitung sebagai berikut :
Lltp = 0,01 x 180 x 36 = 64,8 mm (6,4 cm) JB = 0,01 x 180 x 36 x0,3
= 19,4 gram jika
Lltp : luas bidang lintasan titik sayatan (6,4 cm)
CR : jarak yang ditempuh oleh satu titik sayatan pada satu ulir ke ulir berikut 36 mm (3,6 cm)
t : waktu (180 detik)
JB : jumlah asam pada luas area sayatan (19 gram) Kr : Kerapatan densitas buah asam (0,3 gram)
• Densitas buah asam (gram/detik)
Kr =
mm 40 x mm 50 volome kg/jam 6 = mm 40 x mm 50 volome gram/detik 60 =
cm
200
gram/detik
60
= 0,3 gram/detik
• Gaya yang diperlukan untuk penyayatan buah asam (FP) :
Terdapat sejumlah gaya yang bekerja pada saat penyayatan buah yaitu : gaya gesek pisau dengan buah asam, gaya untuk mendorong buah asam, dan gaya akibat tahanan penyayatan buah asam itu sendiri. Ketiga gaya tersebut tercakup ke dalam gaya puncak penyayatan spesifik arah tangensial (Fpt) saat pengukuran yang besarnya 1 Newton.
• Gaya sesaat yang diperlukan untuk sayatan adalah turunan dari Persamaan:
Fp = (0,01) x (3,6) x (0,3) x (3,4) x (3) = 1,10 Newton.
(1,10 N merupakan hasil analisis hitungan Fpt, ternyata selisihnnya tidak terlalu beda dengan hasil pengukuran)
Jika
FP : gaya penyayatan buah asam (Newton)
JTP : jumlah titik sayatan setiap saat adalah 3 titik sayatan
Fpt : gaya puncak penyayatan spesifik arah tangensial terhadap mata pisau 1,10 Newton
• Kapasitas pisau penyayat
Kapasitas penyayat adalah jumlah polong buah asam yang digunakan pada corong pengumpan dalam waktu tertentu pada setiap perlakuan.
6 kg/jam
(detik) 180
detik 3600 (0,3kg)x
= =
• Efisiensi pisau penyayat
Efisiensi penyayat adalah perbandingan antara polong buah asam tidak tersayat terhadap polong buah asam total dikali 100 %
x100%
gram 300
gram 91,97 1−
=
= 69 %
4.2.2. Analisa desain mekanisme pengupasan
Analisa desain mekanisme pengupas yang disajikan pada Gambar 10 terdiri dari:
• Kebutuhan gaya gesek pengupasan dapat dihitung sebagai berikut :
jika
f : gaya gesek (Newton) µ : koefisien gesek 0,001
F : gaya normal yang bekerja pada saat pengujian yaitu 1.6 Newton pada rpm 1065
• Panjang kontak selinder pengupasan setiap saat (Pb);
Pb =
2x3,14
x
0,8
360
49
= 0,68 cm (0,7 cm) Jika
Pb : panjang kontak silinder pengupasan (cm)
R : jari-jari lubang silinder pengupasan 8 mm/0,8 cm
θ : 490
• Komponen Gaya Normal
Besarnya gaya normal tergantung pada perubahan sudut (θ), dan oleh karena sudut θ merupakan fungsi dari waktu, maka gaya normal merupakan fungsi dari pada waktu. Gaya normal sebagai fungsi dari perubahan sudut diperoleh F = 0,0016 x cos 49 x 240 = 0,23 Newton
jika
F : gaya normal (Newton), f : gaya gesek 0,0016 (Newton)
θ : sudut kontak 490,t : waktu 240 (detik)
• Luas bidang kontak selinder pengupas
Luas bidang kontak diperoleh dari
A = 5 2x3,14x0,8 360 49
= 3,2 cm
jika
• Koefisien gesek antara silinder pengupas dan buah asam.
Secara teoritis, gaya pengupasan sebagai fungsi dari waktu sehingga diperolehnya nilai koefisien gesek dan gaya pengupasan sebagai berikut :
=
0,001
0,23
cos
49
4
t
Fp
+ 2x3,14x0,8360 4 49 1,6x0,5
Fpt = 2,1 Newton jika
Fpt : gaya pengupasan 2,01 (Newton) R : jari-jari /celah silinder pengupas 0,8cm
θ : sudut kontak 490 t : waktu 4 menit L : lebar silinder 5 cm(0,5 m) µk : koefisien gesek 0,01µ F : gaya normal 0,23 Newton
ft : gaya pengupasan saat pengujian 1,6 Newton
• Koefisien gesekan antara buah asam dan komponen pengupas
Koefisien gesek dapat dihitung pada kecepatan putar mesin rpm 1065 dengan waktu yang dibutuhkan saat pengupasan yaitu : 50,42 detik :
f : µk fs
f : gesekan antara buah asam dengan komponen pengupas
µk : koefisien gesek antara buah asam dengan komponen pengupas fs : gaya sentrifugal dari buah asam yang bergerak melingkar (Newton) S : tinggi hopper (cm)
• Kecepatan buah asam :
0,029 detik
50,42 cm 1,5
V= = m/detik = 10,71 m/jam
• Masa buah asam pada mesin
M =
m/jam 10,71
kg/jam
• Gaya sentrifugal (Fs)
Fs = Masa 300 gram = 0,3 kg x
2 60 5 2x3,14x106
x 0,8 = 29,8 Newton
Tenaga pengupasan (Wg), kebutuhan tenaga pengupasan(Wl) saat pengukuran dengan menggunakan clamp meter yaitu : 140,93 watt
Wl = Wg + Wp
Wg = 140,93 –½ m V2/t
= 140,93-½ x 0,3 x(0,0029/cos 40)2/50,42 = 1,42 Watt
Wg = fv x π x d x N/60 sin 40 Fv = (Wg x 60 sin 40)/(π x D x N)
= (2,84 x 60 x 0,64)/(3,14 x 0,5 x 1065 = 0,03 Newton
Gaya gesek resultan (ft)
sin40 Fv ft =
=
0,64
0,03 = 0,05 N
Koefiesien gesek (µ)
fs ft = 0,001 Newton 29,8 Newton 0,05 = =
• Kapasitas mesin pengupas adalah jumlah polong buah asam yang digunakan pada corong pengumpan dalam waktu tertentu pada setiap perlakuan.
240(detik) 3600 (0.3kg)x
Kapasitas = = 4,5 kg/jam
• Efisiensi pengupasan adalah: Perbandingan antara polong buah asam tidak terkupas dan polong buah asam total dikali 100%.
= x100%
gram 300 gram 103,81 1 −
4.2.3. Analisa desain mekanisme pemisahan biji buah asam
Analisa desain mekanisme pemisah biji buah asam pada Gambar 18. terdiri dari:
• Kapasitas ulir
Kapasitas ulir dapat dihitung sebagai berikut :
Jika diameter luar (d2) =2 cm, diameter luar (d1) =1,5 cm, panjang ulir (p) =30 cm putaran maximum (n)rpm = 200 rpm, tebal ulir =0,6 cm, jarak antar gang cm (Ra) = 1,5 cm dan sudut (β) = 600 maka :
Kapasitas ulir cos60 rpm x200 mm 300 x 33,6336 1,5 2 − =
• Luas daerah pengaliran biji asam (Lp)
2 2 1,5 -2 3,14 P
L
= = 0,19 cm2
• Kecepatan translasi biji asam yang dialirkan (V)
detik) 3,14(gram/ detik 60 rpm 200 x cm 2x3,14x1,5
V= =
4.3. Desain model alat percobaan mesin
4.3.1. Pendekatan desain model alat percobaan mesin
4.3.2. Desain model alat percobaan mesin
Model mesin didisain untuk mengupas biji buah asam yaitu dibuat dua benda yang bergesekan (sliding) antara buah asam dengan unit pengupas. Komponen pengupas yang dipakai adalah sistem silinder yang menyerupai dua buah poros yang berfungsi mengupas buah asam.
Buah asam yang dapat digunakan saat pengupasan yaitu: buah asam dan biji sedangkan kulit luar polong buah asam dan serat pengikat daging asam dapat dipisahkan secara manual, namun buah serta biji asam yang masuk ke mesin saat pengupasan harus di kurangi kadar airnya dengan proses penjemuran selama kurang lebih satu hari sebelum pengupasan dengan tujuan untuk mempermudah pengupasan agar daging asam tidak dapat melekat pada silinder pengupas.
Mekanisme kerja mesin yaitu unit penyayat akan beroperasi menyayat daging asam selama beberapa menit sesuai standard operasi dan seterusnya buah asam akan bergerak mengalir ke unit pengupas dan unit pemisah biji. Mekanisme penyayatan akan bekerja menyobek daging buah asam untuk memudahkan proses pengupasan sedangkan pada mekanisme pengup
