ANALISA SISTEM PNEUMATIK UNTUK PENGGERAK ALAT PANEN KELAPA SAWIT
( TEMBILANG DAN SABIT )
Legisnal Hakim
ABSTRACT
Pneumatic is a fluid power system, that the energy source from the air pressure in compressor machine, where the air store in the tank.The air pressure to activate the pneumatic system is about 1 – 10 bar. Generally the pressure to made power is about 6 – 8 bar, and to make bigger power about 8 – 10 bar. The force in pneumatic system is determine in this machin. It is depent on wide of actuator linear. Wider the actuator it is bigger energy produced and have a better work will bw done. Force that produced by actuator fold with the piston step and devide by the time it is the power that need to harvest the palm. To make this machine work it is need control valve, it valve to control direction, the flow control valve and pressure control valve
Key Word : Pneumatik
PENDAHULUAN
Perubahan dalam teknik memanen kelapa sawit dari system manual dengan system pneumatik perlu sekali diterapkan, dengan menggunakan sumber energi yang murah, mudah didapat dan disimpan. Saat ini masih banyak yang belum memahami sistem pneumatik sebagai sumber tenaga yang dapat dikembangkan dan diterapkan ditengah masyarakat, sistem pneumatik ini adalah salah satu bentuk unit penggerak menggunakan udara kempa.
Pada umumnya petani sawit memanen kelapa sawit dengan menggunakan tembilang dan sabit (a spade & reaping hook), alat ini disambung dengan tangkai pemegang yang terbuat dari pipa atau kayu, dimana panjang tangkai tersebut selalu berubah sesuai dengan tinggi batang sawit tersebut, alat ini digerakkan dengan tenaga manusia, pada saat pohon sawit masih setinggi 1m, 2m, 3m sampai 5m mungkin masih mampu untuk untuk mengangkat dan menggerakkannya, dan bagaimana bila sawit itu semakin tinggi sesuai umurnya, tentu butuh energi yang besar untuk memanen kelapa sawit dari mengangkat sehingga menggerakkannya agar kelapa sawit dapat dipetik.
Sistim penggunaan tenaga yang menggerakan alat panen dari tenaga manusia perlu dikurangi dengan menggunakan tenaga
pneumatik, dari sistem pneumatik ini, gerakkan tembilang dan sabit dapat diatur gerakannya dari lambat atau cepat (spontan). Gerakan ini tergantung dari penggunaan actuator dan katup yang digunakan. Dari pengalihan sebahagian tenaga tersebut juga akan mengalami dampak terhadap kinerja petani kelapa sawit, dan perusahaan kelapa sawit yang memiliki kebun minimal 3000 Ha.
Sistem pneumatik ini bekerja berdasarkan tekanan udara yang ditransferkan ke actuator dan keluarkan berupa gaya ( kekuatan ) untuk menggerakan alat panen dan juga dapat memotong tangkai pelepah dan tandan kelapa sawit. Berapa besar gaya yang dihasilkan tergantung pada besar tekanan, ukuran actuator dan pemilihan katup pengontrol. untuk itu perlu identifikasi berapa kekerasan tangkai pelepah dan tandan kelapa sawit, agar dapat dianalisa berapa besar gaya yang diperlukan untuk memotong tangkai dan tandan tersebut, dan gerakan mana yang akan diterapkan pada sistem pneumatik dari alat panen ( tembilang dan sabit ).
Ada dua gerakan yang terjadi pada saat memanen yaitu gerakan menarik dan menghunjam serta diiringi dengan gerakan menukil, dari kedua gerakan ini mana yang lebih simple dan tidak membutuhkan kekuatan yang besar, maka perlu pemilihan untuk diterapkan pada gerakan actuator. Untuk itu perlu jenis actuator yang sesuaikan dengan
fungsi, beban dan tujuan penggunaan sistem pneumatik, ada beberapa jenis dari gerakannya antara lain :
1. Single Acting Cylinder. 2. Double Acting Cylinder.
3. Double Acting Cylinder with
Cushioning.
Dari tiga jenis actuator ini bergerak maju dan mundur dan memiliki kelebihan masing – masing. Untuk pengembangan sistem ini perlu didesain sirkuit pneumatik untuk menentukan pengaturan kecepatan gerak actuator.
Pemotongan tandan dan tangkai pelepah sawit membutuhkan energi, kekuatan dan teknik dalam pemotongan. Untuk itu perlu diperhitungkan berapa besar kekuatan yang dibutuhkan untuk memotong dengan sistem pneumatik, jadi disini dibatasi masalah berapa kekuatan yang dibutuhkan aktuator, ukuran
aktuator, dan bagaimana gerakkan
pemotongan pada aktuator yang sesuai dengan alat panen.
Penelitian ini bertujuan mengembang-kan teknologi pneumatik yang mudah dipakai oleh masyarakat petani kelapa sawit khususnya dan masyarakat awam umumnya, dan juga untuk menjajaki sistem pneumatik dapat dijadikan model alat yang hemat energi dan waktu. Komponen sistem pneumatik dapat diuraikan dan di rangkai oleh petani dengan cepat, serta mudah untuk mobilisasi dan merawat peralatan pneumatik.. Dan juga membuktikan bahwa sistem pneumatik dapat diaplikasikan dengan mudah dan cepat.
TINJAUAN PUSTAKA
Sistem pneumatik sumber energinya adalah udara, dimana udara adalah campuran gas yang terdiri dari atas senyawa :
78% dari udara adalah nitrogen 21% adalah oksigen
Sisanya adalah campuran karbondioksida, argon, hydrogen neon, helium, krypton, dan xenon. Sifat udara adalah kemampuan kemampatannya, bila dikompresi pada volume konstan dan tekanan konstan temperaturnya akan naik, dan juga udara dapat disimpan pada sebuah medium yang tertutup dengan tekanan
tetap terjaga dan menjadi sumber energi yang tersimpan, saat tertentu bisa dimanfaatkan.
Prinsip dari pneumatik ini juga berdasarkan pada hukum pascal ” tekanan yang dikerjakan pada fluida dalam bejana tertutup diteruskan tanpa berkurang kesemua bagian fluida dan dinding bejana itu ”. Penekan pneumatik adalah suatu alat untuk melipatkan gaya yang faktor perkaliannya sama dengan perbandingan antara luas kedua peston. A F P f x a A F dan A F a f P
Karena segala sesuatu dibumi ini menerima tekanan yaitu tekanan absolut atmosfir (Pat), maka tekanan tidak dapat
dirasakan. Pada umumnya tekanan atmosfir dianggap sebagai tekanan dasar, dan yang bervariasi (akibat penyimpangan nilai) adalah:
Tekanan ukur = Pg
Tekanan vakum = Pv
Tekanan atmosfir tidak mempunyai nilai konstan, tergantung letak dan iklimnya. Tekanan dibawah 1 atm disebut vacum dan diatas 1 atm adalah daerah tekanan.
Tekanan absolut terdiri atas tekanan atmosfir Pat dan tekanan ukur Pg.
Udara mempunyai karakteristik sama dengan gas, udara juga tidak mempunyai bentuk yang khusus. Bentuknya mudah berubah karena tahanannya kecil. Udara akan berubah bentuk sesuai dengan tempatnya. Udara dapat dimampatkan dan selalu berusaha untuk mengembang.
F A
f
Hukum Boyle Mariote menjelaskan sifat : Volume dari massa gas yang tertutup pada temperatur konstan adalah berbanding terbalik dengan tekanan absolut atau hasil kali dari volume dan tekanan absolut adalah konstan untuk massa gas tertentu.
P1 x V1 = P2 x V2 = P3 x V3 = konstan
Umumnya elemen – elemen pneumatic seperti silinder dan katup disiapkan untuk menerima tekanan kerja maksimal 8 – 10 Bar. Untuk pengoperasian yang ekonomis, tekanan tekanan 6 Bar sudah cukup.Tetapi karena adanya tahanan arus pada masing – masing komponen ( misalnya pencekik ) dan dalam pipa saluran, sambungan, panjang pipa, kebocoran, maka harus diperkirakan pula nilai susut tekanan antara 0,1 sampai 0,5. Oleh sebab itu, kompresor harus menyediakan tekanan 6,5 sampai 7 Bar supaya tekanan kerja sebesar 6 Bar tetap terjamin.
Usaha yang dilakukan tekanan P yang bekerja pada permukaan sebuah bidang dengan luas A ketika permukaan tersebut bergerak sejauh suatu jarak Δx adalah sama dengan tekanan dikalikan dengan volume langkah piston actuator ( A . Δx ).
Menurut hukum Poiseuille ” aliran fluida melalui pipa berbentuk selinder sepanjang L dengan jari – jari penampang r adalah :
L P P r Q
8 ) ( 1 2 4 P1 – P2 adalah beda tekanan antara kedua
ujung pipa.
Kapasitas aliran yang mengalir juga berpengaruh terhadap gerak actuator, yang mana kapasitas aliran udara yang mengalir didalam actuator tergantung pada kecepatan rata – rata aliran udara ( v ) yang mengalir dan luas penampang ( A ), yaitu Q = A.v
Supaya keandalan pengendalian pneumatik terjamin, harus disediakan udara yang kualitasnya memadai, seperti udara yang bersih, kering, dan tekanan yang tepat.
Udara bertekanan diperoleh dari kompresor, kemudian dialirkan melalui beberapa elemen sampai mencapai pemakai. Tidak menggunakan persiapan udara yang
yang salah akan mengurangi kualitas. Elemen – elemen berikut harus dipergunakan dalam penyiapan udara bertekanan :
Kompresor udara Tangki udara Pengering udara Pengatur tekanan Pelumas
Tempat pembuangan untuk kondensasi. Katup pengontrol arah adalah bagian yang mempengaruhi jalannya aliran udara. Secara kontruksinya katup ini dibagi 2 kategori yaitu katup duduk dan katup geser.dari kedua kategori katup dapat dibagi beberapa jenis sesuai dengan kontruksinya yaitu
Katup duduk
Katup dengan kedudukan bola
Katup dengan kedudukan piringan
Katup geser
Katup geser memanjang
Katup geser rata memanjang
Katup geser dengan piringan
Katup geser dari kontruksinya memiliki kode berupa angka yang memiliki pengertian dari fungsi, dan cara kerja katup itu sendiri, seperti katup 2/2 ( katup ini adalah katup yang memiliki dua lubang dan dua posisi). Jenis – jenis katup geser yang memiliki kode tersebut antar lain :
Katup 2/2
Katup 3/2 ( 3 lubang dan 2 posisi )
Katup 4/2 ( 4 lubang dan 2 posisi )
Katup 4/3 ( 4 lubang dan 3 posisi )
Katup 5/2 ( 5 lubang dan 2 posisi ) Katup – katup ini juga sangat besar peranannya pada sistem pneumatik yang berfungsi sebagai pengatur aliran atau sebagai katup kontrol. Jenis – jenis katup pendukung itu antara lain :
Katup satu arah
o Katup cek
o Katup dua tekanan fungsi logika DAN
o Katup ganti : fungsi logika ATAU
Katup kontrol aliran
o Katup cekik dua arah
o Katup kontrol aliran satu arah
Katup tekanan
o Katup pembatas tekanan
o Katup sekuens ( sakelar tekanan )
o Katup kombinasi
Aktuator adalah bagian keluaran untuk mengubah energi fluida yang disuplai menjadi energi kerja yang dimanfaatkan. Sinyal keluaran dikontrol oleh sistem kontrol dan aktuator bertanggung jawab pada sinyal kontrol melalui elemen kontrol terakhir. Jenis lain dari bagian keluaran digunakan untuk mengindikasi status kontrol sistem atau aktuator
Aktuator pneumatik bisa diuraikan pada dua kelompok gerak lurus dan putar
Gerakan lurus ( gerakan linier )
o Silinder kerja – tunggal
o Silinder kerja – ganda Gerakan putar
o Motor udara
o Aktuator yang berputar ( ayun ) Karakteristik penampilan selinder dapat ditentukan secara teori atau dengan data –data dari pabriknya. Kedua metode ini dapat dilaksanakan, tetapi biasanya untuk pelaksanaan dan penggunaan tertentu, data – data dari pabrik pembuat adalah lebih relevan.
Gaya piston
Gaya piston yang dihasilkan oleh silinder bergantung pada tekanan udara, diameter selinder, dan tahanan gesekan dari komponen perapat. Gaya piston secara teoritis dihitung menurut rumus berikut :
Fth = A x P
Fth = Gaya Piston teoritis ( N )
A = Luas piston yang dipakai ( m2 ) P = Tekanan kerja ( Pa )
Panjang langkah
Langkah silinder pneumatic tidak boleh lebih dari 2 m, untuk selinder rodless jangan lebih dari 10 m. Dengan akibat langkah yang panjang, tekanan mekanik
batang piston dan bantalan menjadi terlalu besar. Untuk menghindari bahaya tekanan diameter batang piston pada langkah yang panjang harus sedikit lebih besar.
Kecepatan piston
Kecepatan selinder pneumatik tergantung pada beban, tekanan udara yang ada, panjang saluran, penampang antara elemen kontrol terakhir dan elemen kerja, dan juga jumlah aliran udara yang melalui elemen kontrol terakhir. Kecepatan juga dipengaruhi peredam akhir langkah.
Kecepatan piston rata-rata dari selinder standard berkisar antara 0,1 sampai 1,5 m/s. Selinder khusus dapat mencapai kecepatan sampai 10 m/s. Kecepatan piston dapat diatur dengan katup pengontrol aliran satu arah dan dapat ditingkatkan dengan katup pembuangan cepat
Untuk penyiapan udara dan untuk mengetahui biaya pengadaan energi terlebih dahulu harus diketahui konsumsi udara pada sistem. Pada tekanan kerja, diameter piston, dan langkah tertentu, konsumsi udara dihitung :
Konsumsi udara = Perbandingan kompresi x luas bidang piston x panjang langkah. Perbandingan kompresi
= 1.031 + tekanan kerja ( bar ) 1.031.
METODE PENELITIAN. 1. Observasi praktis.
Memahami gerakan tembilang dan sabit pada saat memanen kelapa sawit. 2. Formulasi matematik.
- Memformulasikan secara matematis dasar – dasar persamaan hukum Pascal - Analisis gaya, kerja,energi dam daya
pada selinder pneumatik
- Analisis torsi pada selinder pneumatik - Analisis tekanan udara yang
dibutuhkan untuk selinder pneumatik dengan luas selinder yang berbeda. 3. Membuat tabel tingkat kekuatan selinder
pneumatik sesuai dengan ukuran selinder pneumatik.
Gambar analisis kecepatan torak HASIL DAN PEMBAHASAN.
Formulasi Matematis Dasar-dasar Persamaan Hukum Pascal
1. Analisis Aliran Fluida
Udara yang masuk kedalam selinder dengan luas A ( m2 ), dengan kecepatan udara yang mengalir v ( m/s ), maka akan
menghasilkan debit udara Q (m3/s ).
Debit aliran udara ( Q )
m sA
x
v
msQ
3
m2Bila Fluida mengalir melalui saluran yang memiliki perbedaan luas penampang A, maka debit fluida akan tetap, namun kecepatannya yang akan berubah, sebanding dengan perubahan luas penampangnya.
2 1 2 1 2 1 , A A V V sehingga Q Q
2. Analisis Kecepatan Torak
Pada selinder pneumatik memiliki torak dengan luas dan memiliki luas penampang batang torak, maka dengan perbedaan tersebut gerak maju lebih lambat dari pada gerak mundur torak.
n mundur maju A Q V A Q V Dimana : V = kecepatan torak ( m/s )
Q = debit aliran fluida (udara) (m3/s) A = luas penampang torak ( m2 ) An = A- Ak ( m2 )
3. Analisis gaya torak
Gambar analisis gaya torak Fmaju = Pe . A . η ...( N )
Dimana : F = gaya torak ( N ) Pe = tekanan kerja/efektif ( N/m2) A = luas penampang (m2) An = A – Ak (m2) Ak = Luas penampang (m2)
4. Udara yang diperlukan .
Gambar analisis kebutuhan udara
mnt ltr P P P n S A Q mnt ltr P P P n S A Q atm atm e mundur atm atm e maju ... . . . ... . . Dimana : S = langkah torak ( m )Pe = tekanan kerja / efektif ( N/m2)
A = luas penampang (m2) An = A – Ak
Ak = luas batang torak (m2)
n = banyaknya langkah (kali/menit) kebutuhan udara bertekanan yang diperlukankan (Q) juga dapat dicari melalui rumus :
s m x P S D Q 10 / 3 , 101 10 3 , 101 . . 7854 , 0 12 3 3 2 ...Majundar, 2001Gambar analisis daya pompa 5. Perhitungan daya kompresor
2 1 2 2 600 . . p P P Q P P Q P e e
P2 = Daya output pompa ( kW)
P1 = Daya motor ( kW)
6. Pengubah Tekanan
Gambar analisis tekanan pada penampang berbeda . . 2 1 1 2 A A P Pe e Dimana : Pe1 = Tekanan awal ( N/m2) Pe2 = Tekanan Akhir ( N/m2) A1 = Luas penampang 1 A2 = Luas penampang 2
7. Analisis tekanan udara dalam selinder yang berbeda luas penampangnya. P ( N/m² ) Bar D ( m ) A ( m² ) F ( N ) v ( m/s ) L ( m ) V ( m³ ) Q ( m³/s ) 1 x 105 1 0.006 2.8 x 10-5 2.8 0.02 0.001 2.8 x 10-8 5.6 x 10-7 2 x 105 2 0.007 3.8 x 10-5 7.7 0.06 0.002 7.7 x 10-8 2.3 x 10-6 3 x 105 3 0.008 5.0 x 10-5 15 0.09 0.004 2.0 x 10-7 4.5 x 10-6 4 x 105 4 0.009 6.4 x 10-5 25 0.12 0.006 3.8 x 10-7 7.6 x 10-6 5 x 105 5 0.01 7.8 x 10-5 39 0.15 0.008 6.3 x 10-7 1.2 x 10-5 6 x 105 6 0.02 3.1 x 10-4 188 0.18 0.009 2.8 x 10-6 5.6 x 10-5 6 x 105 6 0.04 1.3 x 10-3 753 0.21 0.01 1.3 x 10-5 2.6 x 10-4 6 x 105 6 0.06 2.8 x 10-3 1695 0.25 0.02 5.6 x10-5 7.1 x 10-4 6 x 105 6 0.08 5.0 x 10-3 3014 0.3 0.03 1.5 x 10-4 1.5 x 10-3 7 x 105 7 0.1 7.8 x 10-3 5495 0.33 0.04 3.1 x 10-4 2.6 x 10-3 7 x 105 7 0.12 1.1 x 10-2 7913 0.38 0.06 6.8 x 10-4 4.4 x 10-3 7 x 105 7 0.14 1.5 x 10-2 10770 0.41 0.08 1.2 x 10-3 6.3 x 10-3 7 x 105 7 0.16 2.0 x 10-2 14067 0.44 0.1 2.0 x 10-3 8.8 x 10-3 7 x 105 7 0.18 2.5 x 10-2 17804 0.48 0.2 5.1 x 10-3 0.012 8 x 105 8 0.2 3.1 x 10-2 25120 0.51 0.3 9.4 x 103 0.016 8 x 105 8 0.21 3.5 x 10-2 27695 0.55 0.4 1.4 x 102 0.019 8 x 105 8 0.22 3.8 x 10-2 30395 0.61 0.5 2.0 x 10-2 0.023 8 x 105 8 0.23 4.2 x 10-2 33221 0.66 0.6 2.5 x 10-2 0.027 8 x 105 8 0.24 4.5 x 10-2 36173 0.71 0.7 3.3 x 10-2 0.032 9 x 105 9 0.25 5.0 x 10-2 44156 0.75 0.8 4.0 x 10-2 0.037 9 x 105 9 0.26 5.1 x 10-2 47759 0.8 0.9 4.8 x 10-2 0.042 9 x 105 9 0.27 5.7 x 10-2 51504 0.85 1 5.7 x 10-2 0.049 9 x 105 9 0.28 6.2 x 10-2 55389 0.9 1.2 7.4 x 10-2 0.055 9 x 105 9 0.29 6.6 x 10-2 59417 0.95 1.4 9.2 x 10-2 0.063 10 x 105 10 0.3 7.1 x 10-2 70650 1 1.6 0.113 0.071 10 x 105 10 0.31 7.5 x 10-2 75438 1 1.8 0.136 0.075 10 x 105 10 0.32 8.0 x 10-2 80384 1 2 0.161 0.080 KESIMPULAN
Dari hasil dan pembahasan dapat disimpulkan sebagai berikut :
1. Besar aliran udara didalam selinder dipengaruhi oleh luas penampang dan kecepatan aliran dan juga dapat menentukan daya yang dibutuhkan pada sistem untuk menggerakkan aktuator bila besaran aliran dikalikan dengan tekanan yang disuplai ke aktuator.
2. Gaya yang ditimbulkan pada
aktuator dihasilkan dari besarnya tekanan udara yang disuplai dan luas penampang yang menerima
energi udara untuk menggerakan aktuator.
3. Tekenan udara, luas penampang aktuator dan panjang langkah piston merupakan indikator dalam pengaplikasian sistem pneumatik untuk menghasilkan gaya yang besar untuk menghasilkan energi atau kerja.
DAFTAR PUSTAKA
Andrew Parr, (2007), ” Hidrolika dan Pneumatika Pedoman untuk Teknisi dan Instruktur” Edisi kedua – Erlangga
Wirawan, Drs, MT, dan Pramono, Drs., (2009), “ bahan ajar PTM 305 Hidrolik dan Pneumatik “ pdf
Riccy Kurniawan., ( 2008 ), ” Rekayasa rancang bangun sistem pemindahan material otomatis dengan sistem elektro-pneumatic ”, jurnal ilmiah teknik mesin CAKRAM Vol.2 No. 1, Juni 2008 (42 – 47 )
P. Croser, F. Ebel, (2003 ), ” Pneumatik,” Festo didactic.
S.R . Majumdar, ( 2001 ), “ Pneumatic System : Principles and maintenance “ Tata McGraw-Hill
Harry L. Stewart, ( ……), “ Hydraulic and Pneumatic Power for Production “, R. Keith Mobley, ( ……), “ Fluida Power
