DESAIN DAN KINERJA
RODA PENGGERAK METERING DEVICE
MESIN PENANAM KEDELAI
ADHIKA ROZI AHMAD
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Desain dan Kinerja Roda Penggerak Metering Device Mesin Penanam Kedelai 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 skipsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor.
Bogor, Juli 2014
Adhika Rozi Ahmad
ABSTRAK
ADHIKA ROZI AHMAD. Desain dan Kinerja Roda Penggerak Metering Device Mesin Penanam Kedelai. Dibimbing oleh WAWAN HERMAWAN.
Untuk merancang sebuah mesin penanam kedelai dua alur yang ditarik traktor tangan, diperlukan perancangan dan penentuan jenis roda penggerak untuk penjatah benihnya. Roda penggerak ini diharapkan mampu memutar dua piringan penjatah benih, memiliki tingkat luncuran roda yang rendah, dan jumlah tanah yang lengket sedikit. Untuk itu, telah dirancang roda penggerak yang dilengkapi poros fleksibel untuk mentransmisikan torsi putar ke kedua piringan penjatah. Untuk mendapatkan bentuk dan bahan roda yang terbaik, telah dibuat dan diuji lima jenis roda, yaitu: 1) roda karet bersirip karet, 2) roda baja bersirip karet, 3) roda baja bersirip baja, 4) roda baja tanpa sirip dan 5) roda karet tanpa sirip. Diameter roda 25 cm dan lebar roda 10 cm. Roda dipasangkan pada unit penanam kedelai, lalu diujicoba dalam penanaman di tanah kering (kadar air 31%) dan tanah basah (kadar air 53%). Kinerja roda yang diukur antara lain: tingkat luncuran roda dan banyaknya tanah yang lengket pada roda. Hasil pengujian menunjukkan bahwa roda mampu memutar kedua piringan penjatah benih kedelai. Roda karet bersirip karet memiliki tingkat luncuran yang paling rendah (21.33% pada tanah kering, dan 22.32% pada tanah basah). Roda karet tanpa sirip memiliki keunggulan dimana tanah yang lengket paling sedikit pada tanah basah.
Kata kunci: roda penggerak, penjatah benih, mesin penanam, roda karet, roda baja.
ABSTRACT
ADHIKA ROZI AHMAD. Design and performance of towed wheels for metering devices of soybean planting machine. Supervised by WAWAN HERMAWAN
In order to support the design of two rows soybean planting machine powered by a hand tractor, it is needed to design and determine the towed wheel for the metering device. The towed wheel is expected to be able to rotate two metering discs, has a low level of wheel sliding, and less soil sticking. For the purpose, the towed wheel was fitted by flexible shafts for transmitting torque to rotate the metering discs. To get the best wheel, five different types of wheels were made and tested, i,e. 1) rubber wheel with rubber lugs, 2) steel wheel with rubber lugs, 3) steel wheel with steel lugs, 4) steel wheel and 5) rubber wheel. Wheel diameter was 25 cm and wheel width was 10 cm. The wheels were tested using the planting machine operated on dry soil (31% of water content) and wet soil (53% of water content). Wheel performances were measured, using parameters: level of wheel sliding and soil sticking on wheel. The test result showed that the wheels could rotate the metering discs of the soybean planting machine. The rubber wheel with rubber lugs had the lowest level of wheel sliding (22% on dry soil, and 21% on wet soil). Rubber wheel without lugs had advantage where the amount of soil sticking was least, on the wet soil.
Key words: towed wheel, seed metering, planting machine, rubber wheel, steel wheel.
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik
pada
Departemen Teknik Mesin dan Biosistem
DESAIN DAN KINERJA
RODA PENGGERAK METERING DEVICE
MESIN PENANAM KEDELAI
ADHIKA ROZI AHMAD
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR
Judul Skripsi : Desain dan Kinerja Roda Penggerak Metering Device Mesin Penanam Kedelai
Nama : Adhika Rozi Ahmad NIM : F14100119 Disetujui oleh Dr Ir Wawan Hermawan, MS Pembimbing Diketahui oleh Dr Ir Desrial, MEng Ketua Departemen Tanggal Lulus:
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah subhanahu wa ta’ala atas segala karunia-Nya sehingga skripsi ini berhasil diselesaikan. Penelitian berjudul “Desain dan Kinerja Roda Penggerak Metering Device Mesin Penanam Kedelai” ini telah dilaksanakan sejak bulan Februari 2014 dan selesai pada bulan Juni 2014. Terima kasih penulis ucapkan yang sebesar-besarnya kepada Bapak Dr. Ir. Wawan Hermawan, MS. selaku dosen pembimbing yang telah memberikan dukungan, arahan, dan bimbingan selama penelitian dan pembuatan skripsi. Rasa terima kasih penulis sampaikan kepada para dosen penguji yang juga memberikan saran-saran manfaat untuk sempurnanya tulisan ini, yaitu Dr. Lenny Saulia S.Tp M.Si dan Dr. Ir. Mohamad Solahudin M.Si. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada orang tua, serta seluruh keluarga penulis atas segala doa dan kasih sayangnya. Selain itu, penulis sampaikan terima kasih kepada Ciptaningtyas Dyah Ayu I, Elgy Mohammad R, Yahya Al Mahdi, Fika Rahimah, Candra Viki A, Oldga Agusta D, Deny Saputro, Febri A. Sigiro, Husen, dan semua rekan-rekan Teknik Mesin dan Biosistem (TMB 47) yang namanya tidak bisa disebutkan satu-satu. Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Juli 2014
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL vi DAFTAR GAMBAR vi DAFTAR LAMPIRAN vi ABSTRACT ii PENDAHULUAN 1 Latar Belakang 1 Tujuan Penelitian 1 TINJAUAN PUSTAKA 2Budi daya Kedelai 2
Mesin Penanam Benih 3
Penjatah Benih (Metering device) 6
Roda Penggerak pada Mesin Tanam dan Interaksinya dengan Tanah 6
Flexible Shaft 8
Pengolahan Tanah 9
Sifat Fisik dan Mekanik Tanah 9
Ketenggelaman Roda (Sinkage) 10
METODOLOGI 11
Waktu dan Tempat Pelaksanaan 11
Alat dan Bahan 11
Tahapan Penelitian 12
Pengukuran Kondisi Tanah 14
Metode Pengujian Kinerja 20
ANALISIS RANCANGAN 21
Kriteria Perancangan 21
Rancangan Fungsional 21
Analisis Rancangan Struktural 22
HASIL DAN PEMBAHASAN 26
Konstruksi Prototipe Roda Penggerak 26
DAFTAR ISI (Lanjutan..)
SIMPULAN DAN SARAN 33
Simpulan 33
Saran 33
DAFTAR PUSTAKA 33
LAMPIRAN 36
DAFTAR TABEL
1. Jarak dan populasi kedelai per hektar (Sumarno dan Harnoto 1983) 3 2. Nilai kohesi dan sudut gesek dalam tanah untuk roda bersirip 15 3. Nilai adhesi dan sudut gesek dalam tanah untuk roda polos 15
4. Hasil perhitungan torsi 19
5. Rancangan fungsional 22
6. Perbandingan nc dan dr 24
7. Luncuran pada masing-masing roda penggerak 30
8. Jumlah tanah lengket pada roda 30
9. Keamblasan tanah 32
DAFTAR GAMBAR
1. Mesin tanam sebar dan hasil penempatannya (Srivastava et al. 1996) 4 2. Mesin tanam acak dan hasil penempatannya (Srivastava et al. 1996) 4 3. Proses penempatan benih (Srivastava et al. 1996) 5
4. Bagian-bagian mesin penanam (Hermawan 2011) 5
5. Mesin tanam presisi (Pneumatic Planter) dan hasil penanamannya
(Agromaster 2014) 6
6. Konsep penjatah benih piringan bercelah miring (Srivastava et al.
1996) 6
7. Roda penggerak metering device pada mesin penanam dan pemupuk
jagung (Hermawan 2011) 7
8. Roda bantu pada alat penanam benih butiran (Srivastava et al. 1996) 7 9. a) free-body diagram dari roda yang ditarik, b) free-body dari diagram
roda yang digerakkan oleh mesin ( Liljedahl et al. 1989 ) 8
10. Konstruksi flexible shaft 9
11. Traktor tangan Yanmar tipe YZC-L dan mesin penanam kedelai 12
12. Diagram alir tahapan penelitian 13
13. Kurva hubungan tekanan normal ( ) dan tahanan geser ( ) tanah 15 14. Benih kedelai yang berada di atas piringan penjatah 16 15. Benih kedelai yang berada pada celah benih di piringan penjatah 16
16. Roda sirip pada saat beroperasi 19
17. Cara pengukuran keamblasan tanah yang dilintasi roda penggerak 21 18. Pengukuran jarak vertikal dudukan rangka utama ke permukaan tanah 22
19. Rancangan rangka utama roda 23
20. Mekanisme perputaran metering device 23
21. Mekanisme perputaran metering device 24
22. Simulasi perhitungan sudut minimal sirip roda penggerak 25
23. Posisi penempatan sirip roda 25
24. Mekanisme penguncian flexible shaft 26
25. Rancangan roda penggerak piringan penjatah 26
26. Rancangan (kiri) dan prototipe (kanan) rangka utama 27 27. Rancangan (kiri) dan prototipe (kanan) lengan ayun 27 28. Rancangan (kiri) dan prototipe (kanan) roda 27 29. Rancangan (kiri) dan prototipe (kanan) roda baja tanpa sirip 28 30. Rancangan (kiri) dan prototipe (kanan) roda karet tanpa sirip 28
31. Rancangan (kiri) dan prototipe (kanan) roda karet bersirip karet 28 32. Rancangan (kiri) dan prototipe (kanan) roda baja bersirip karet 29 33. Rancangan (kiri) dan prototipe (kanan) roda baja bersirip baja 29 34. Rancangan (kiri) dan prototipe (kanan) dudukan pegas 29
35. Tanah yang melekat pada roda 31
36. Pegas A (kiri), pegas B (kanan) 31
37. Rata-rata pengukuran jarak tanam 32
DAFTAR LAMPIRAN
1. Spesifikasi traktor roda-2 yang digunakan 35
2. Karakteristik flexible shaft 36
3. Hasil Pengkuran Jarak Tanam Lima Jenis Roda Penggerak 36 4. Data Pengujian Luncuran Roda Penggerak pada Lahan Basah (Pegas B) 37 5. Data Pengujian Luncuran Roda Penggerak pada Lahan Kering (Pegas
B) 37
6. Data Pengujian Luncuran Roda Penggerak pada Lahan Basah (Pegas A) 38
7. Jumlah Tanah Melekat pada Roda 38
8. Hasil Pengukuran Kondisi Tanah pada Tanah Kering 39
9. Pengukuran Kondisi Tanah pada Tanah Basah 41
10. Gambar Kerja Roda Penggerak 42
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Kedelai merupakan tanaman pangan yang penting, mengingat berbagai macam makanan yang berbahan baku kedelai seperti tempe, tahu, dan kecap merupakan makanan asli Indonesia dan menjadi komoditi ekspor. Kebutuhan kedelai di Indonesia setiap tahun selalu meningkat seiring dengan pertambahan penduduk dan perbaikan pendapatan perkapita. Oleh karena itu, diperlukan suplai kedelai tambahan yang harus diimpor karena produksi dalam negeri belum dapat mencukupi kebutuhan tersebut. Lahan budidaya kedelai pun diperluas dan produktivitasnya ditingkatkan.
Kegiatan penanaman dan pemupukan pada budidaya pertanian di Indonessia khususnya budidaya tanaman kedelai masih dilaksanakan secara manual. Penanaman dan pemupukan kedelai dilakukan dengan cara ditugal atau disebar. Penanaman dan pemupukan kedelai secara manual membutuhkan tenaga kerja yang banyak dan waktu yang lama.
Dalam rangka peningkatan kapasitas, kualitas kerja dan efesiensi biaya dari alat dan mesin untuk mendukung budidaya kedelai, saat ini telah banyak dikembangkan peralatan yang inovatif dan spesifik lokasi khususnya kondisi usaha tani di Indonesia, karena ternyata penggunaan tenaga traktor tangan, implement pengolahan tanah, alat tanam dan pemupuk terbukti mampu meningkatkan kapasitas kerja lima hingga enam kali lipat dibandingkan dengan cara manual (Virawan 1989; Sembiring, et al. 2000; Pitoyo, et al. 2006). Walau demikian, masih banyak hal yang perlu ditingkatkan dan diperbaiki pada alat penanam dan pemupuk, di antaranya: ketepatan penjatahan benih, pengurangan tingkat kerusakan benih oleh mekanisme penjatah benih, luncuran pada roda penggerak, dan sistem penggandengan traktor tangan untuk mempermudah saat pembelokan dan berbalik arah.
Mesin pengolah tanah, penanam, dan pemupuk terintegerasi dengan tenaga gerak traktor berroda-2 telah berhasil didesain dan diuji coba (Hermawan 2011). Mesin ini digerakkan oleh traktor berroda-2 dan mampu melakukan proses pengolahan tanah, pembentukan guludan tanam, penanam benih jagung dan pemupukan (Urea, TSP, dan KCl). Berdasarkan hasil pengujian tingkat luncuran roda penggerak metering device didapatkan sebesar 22.97% (Eriska 2012). Sehubungan dengan permasalahan di atas, maka perlu dirancang mesin tanam dan pemupuk kedelai dengan merujuk kepada masalah-masalah yang sudah ada dengan harapan waktu penanaman dan pemupukan dapat dipersingkat, ketepatan dan keseragaman jarak tanam, dan jumlah benih yang tepat, sehingga pada akhirnya produksi kedelai dapat ditingkatkan, minimal untuk memenuhi kebutuhan dalam negeri yang semakin meningkat.
Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah merancang, membangun dan menguji unit roda penggerak metering device mesin penanam kedelai dengan tenaga penggerak traktor roda dua.
TINJAUAN PUSTAKA
Budi daya Kedelai
Kedelai (Glycine max (L.) Merr.) termasuk famili Leuminosae, sub famili
Papilionoidwae dan genus Glycine, merupakan tanaman semusim yang berupa
semak rendah, berdaun lebat, dengan beragam morfologi. Tanaman kedelai mempunyai sistem perakaran tunggang. Kedelai dapat tumbuh baik pada berbagai jenis tanah dengan syarat drainase cukup baik serta ketersediaan air cukup selama pertumbuhan tanaman. Lahan sawah beririgasi, lahan sawah tadah hujan, lahan kering (tegalan) dapat digunakan untuk budi daya kedelai (Hidayat 1985).
Tanaman kedelai biasanya ditanam pada tanah kering (tegalan) atau persawahan. Pengolahan tanah bagi pertanaman kedelai di lahan kering sebaiknya dilakukan pada akhir musim kemarau, sedangkan pada lahan sawah, umumnya dilakukan pada musim kemarau.
Menurut Adisarwanto (1999) persiapan lahan penanaman kedelai di areal persawahan dapat dilakukan secara sederhana. Mula-mula jerami padi yang tersisa dibersihkan, kemudian dikumpulkan, dan dibiarkan mengering. Selanjutnya, dibuat petak-petak penanaman dengan lebar 3-10 m, yang panjangnya disesuaikan dengan kondisi lahan. Di antaranya petak penanaman dibuat saluran drainase selebar 25-30 cm, dengan kedalaman 30 cm. Setelah didiamkan selama 7-10 hari, tanah siap ditanami.
Jika areal penanaman kedelai yang digunakan berupa lahan kering atau tegalan, sebaiknya dilakukan pengolahan tanah terlebih dahulu. Tanah dicangkul atau dibajak sedalam 15–20 cm. Di sekeliling lahan dibuat parit selebar 40 cm dengan kedalaman 30 cm. Selanjutnya, dibuat petakan-petakan dengan panjang antara 10–15 cm, lebar antara 3–10 cm, dan tinggi 20–30 cm. Antara petakan yang satu dengan yang lain (kanan dan kiri) dibuat parit selebar dan sedalam 25 cm. Antara petakan satu dengan petakan di belakangnya dibuat parit selebar 30 cm dengan kedalaman 25 cm. Selanjutnya, lahan siap ditanami benih.
Apabila lahan yang digunakan termasuk tanah asam (memiliki pH <5), bersamaan dengan pengolahan tanah dilakukan pengapuran. Dosis pengapuran disesuaikan dengan pH lahan. Lahan sawah supra insus dianjurkan diberi kapur sebanyak 300 kg ha-1. Kapur disebarkan merata, kemudian tanah dibalik sedalam 20–30 cm dan disiram hingga cukup basah.
Sebelum dilakukan kegiatan penanaman, terlebih dulu diberi pupuk dasar. Pupuk yang digunakan berupa TSP sebanyak 75–200 kg ha-1, KCl 50–100 kg ha-1, dan Urea 50 kg ha-1. Dosis pupuk dapat pula disesuaikan dengan anjuran petugas Wilayah Kerja Penyuluh Pertanian (WKPP) setempat. Pupuk disebar secara merata di lahan atau dimasukkan ke dalam lubang di sisi kanan dan kiri lubang tanam sedalam 5 cm.
Penempatan arah tanam di daerah tropik tidak menunjukkan perbedaan antara ditanam arah timur-barat dengan utara-selatan. Hal yang terpenting yaitu arah tanam harus sejajar dengan arah saluran irigasi atau pematusan sehingga air tidak menggenang dalam petakan. Berikut jarak tanam dan populasi kedelai per hektar disajikan pada Tabel 1.
Tabel 1 Jarak dan populasi kedelai per hektar (Sumarno dan Harnoto 1983)
Lingkungan Jarak tanam
(cm x cm)
Populasi Tanaman/ha a. Tanah kurus kurang air
b. Kesuburan tanah sedang, pengairan cukup
c. Tanah subur, pengairan cukup
10 x 35 10 x 40 20 x 20 15 x 25 10 x 50 5 x 50 10 x 45 15 x 35 15 x 40 20 x 25 20 x 30 15 x 45 7.5 x 45 15 x 50 20 x 35 20 x 40 25 x 25 25 x 30 571428 500000 500000 533333 400000 400000 444444 380925 333332 400000 333333 296296 296296 266666 285714 250000 320000 266666 Keterangan : ditanam dua benih per lubang tanam
Mesin Penanam Benih
Mesin penanaman adalah peralatan tanam untuk mengatur dan menempatkan biji atau benih di dalam tanah pada kedalaman tertentu atau menyebarkan biji di atas permukaan tanah atau menanamkan tanaman di dalam tanah. Penanaman dimaksudkan untuk mendapatkan perkecambahan serta pertumbuhan biji yang baik. Perkecambahan dan pertumbuhan biji suatu tanaman dipengaruhi suatu faktor yaitu: jumlah biji yang ditanam, daya kecambah biji, perlakuan terhadap biji, keseragaman ukuran biji, kedalaman penanaman, jenis tanah, kelembaban tanah, mekanisme pengeluaran biji, keseragaman penyebaran, tipe pembuka dan penutup alur, waktu penanaman, tingkat pemadatan tanah sekitar biji, drainase yang ada, hama dan penyakit, dan keterampilan operator. Penanaman dapat dilakukan dengan menggunakan tangan saja, dengan bantuan alat-alat sederhana ataupun dengan bantuan mesin-mesin penanam.
Unit penanam benih harus mampu menanam benih dengan jumlah benih per lubang tanam yang sesuai kebutuhan (1-2 benih) serta pada jarak tanam 20 cm dalam barisan dan 75 cm antar baris, dengan satu tanaman per rumpun, atau jarak 40 cm dalam barisan dengan dua tanaman per rumpun (Hermawan 2011). Metode penanaman benih dengan bantuan mesin dapat dibedakan menjadi tiga, yaitu:
Mesin Tanam Sebar (Broadcast Seeder)
Pada mesin ini penjatahan benih dari hopper masuk melalui satu lubang variabel (variable orifice). Suatu agitator ditempatkan di atas lubang variabel tersebut untuk mencegah kemacetan karena benih-benih saling mengunci (seed
bridging), juga agar aliran benih dapat kontinyu. Centrifugal spreader merupakan
alat yang cukup fleksibel karena dapat dipergunakan untuk menyebar benih, pupuk, pestisida, dan material lain yang berupa butiran. Setelah operasi tanam sebar kemudian dilakukan operasi pengolahan tanah kedua untuk menutup benih dengan tanah. Alat tanam sebar dan hasil penempatannya dapat dilihat pada Gambar 1 (Srivastava 1996).
Mesin Tanam Acak dalam Lajur (Drill Seeder)
Pada mesin ini setiap alur tanam, benih dijatah dari hopper oleh suatu silinder bercoak yang digerakkan dengan roda tanah (ground wheel). Jumlah benih per satuan waktu atau laju benih dikontrol melalui lebar bukaan yang dapat diatur. Benih tersebut melewati tabung penyalur benih jatuh secara gravitasi ke lubang tanam yang dibuat oleh pembuka alur, bisa berupa disk atau bentuk lain. Umumnya jarak antara benih berkisar antara 150-400 mm.
Metoda penutupan benih dapat dilakukan dengan rantai tarik, yang ditempatkan di belakang pembuka alur (furrrow opener). Setelah benih tertutup tanah maka tanah di atas dan di samping benih tersebut akan diperkeras menggunakan roda tekan.
Gambar 1 Mesin tanam sebar dan hasil penempatannya (Srivastava et al. 1996)
Gambar 2 Mesin tanam acak dan hasil penempatannya (Srivastava et al. 1996)
Mesin tanam acak dan hasil penempatannya dapat dilihat pada Gambar 2. Proses penempatan benih dan bagian-bagian mesin penanam dapat dilihat pada Gambar 3 dan 4.
Mesin Tanam Presisi (Precision Seeder)
Mesin tanam presisi memberikan penempatan yang tepat dari setiap benih pada interval yang sama dalam setiap alur tanam. Jarak antara alur tanam atau sering juga disebut jarak barisan, umumnya dibuat cukup lebar untuk keperluan penyiangan. Sumber tenaga yang digunakan untuk menarik mesin tanam presisi adalah traktor roda-4. Secara umum ada 4 bagian utama yang selalu ada dalam alat tanam presisi, yaitu: 1) pembuka alur (furrow opener) untuk mengontrol kedalaman tanam, 2) penjatah benih (metering seed) untuk menjaga interval jarak benih dalam alur dapat seragam, 3) penutup alur untuk menutup alur tanam, dan 4) roda tekan (pressing wheel) untuk memadatkan tanah di sekitar benih agar kontak antara benih dan tanah cukup baik (Srivastava et al. 1996). Mesin tanam presisi dan hasil penempatannya dapat dilihat pada Gambar 5.
Gambar 3 Proses penempatan benih (Srivastava et al. 1996)
Penjatah Benih (Metering device)
Alat penjatah benih merupakan unit alat penanam yang menentukan hasil dari penanaman. Konsep penjatah benih dapat menggunakan piringan bercelah miring (Gambar 6). Jumlah celah benih dianalisis dari transmisi putaran roda penggeraknya.
Roda Penggerak pada Mesin Tanam dan Interaksinya dengan Tanah Mesin penanam dan pemupuk jagung bertenaga tarik traktor tangan dengan roda penggerak telah berhasil didesain pada tahun 2011 yang ditunjukkan pada Gambar 7 (Hermawan 2011)
Besarnya tingkat luncuran roda penggerak berkaitan dengan kebutuhan torsi putar roda penggerak. Semakin besar kebutuhan torsi putar roda penggerak maka gaya reaksi tanah yang dibutuhkan juga akan semakin besar. Hasil pengujian luncuran roda penggerak yang didapatkan sebesar 22.97 %. Menurut Srivastava,
et al (1996). Salah satu bentuk roda penggerak pada mesin tanam ditunjukkan
pada Gambar 8.
Gambar 5 Mesin tanam presisi (Pneumatic Planter) dan hasil penanamannya (Agromaster 2014)
Roda penggerak untuk menggerakkan metering device mesin tanam, pada umumnya merupakan roda jenis towed wheel (roda yang ditarik). Roda tersebut menurut Liljedahl et al. (1989) memiliki bentuk gaya-gaya yang bekerja seperti diperlihatkan pada gambar 9 a) free-body diagram dari roda yang ditarik. Akibat gaya tarik TF dan reaksi tanah G pada roda maka dihasilkan reaksi tanah komponen horizontal sebesar gaya TF, gaya tersebut menghasilkan torsi untuk dapat memutar metering device.
Menurut Liljedahl et al. (1989) interaksi roda yang memiliki sirip dan masuk ke permukaan tanah menghasilkan gaya geser sebesar persamaan (1)
tan W Ac F (1) F : gaya geser (N)
A : luas bidang kontak roda dengan tanah (m2)
C : kohesi tanah (Pa) W : beban vertikal (N)
: sudut gesekan dalam tanah (o)
Gambar 7 Roda penggerak metering device pada mesin penanam dan pemupuk jagung (Hermawan 2011)
Menurut Mandang dan Nishimura (1991) kelengketan tanah dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitu: (a) kecepatan maju, (b) luas kontak tanah, (c) tekanan per satuan luas, (d) tegangan permukaan dari lapisan air, (e) sifat permukaan, (f) kadar air, (g) tekstur, dan (h) bahan pembentuk alat. Besarnya kelengketan tanah biasanya dinyatakan dengan stickness index. Teori yang mendasari fenomena ini adalah sebagai berikut:
1 1 1 1 c p tan q F (2) dimana
F1 = tegangan geser yang terjadi dalam tanah
c1 = kohesi tanah
p1 = tekanan normal pada tanah
q1 = sudut gesekan antara partikel tanah
2 2 2 2 c p tan q F (3) dimana
F2 = tegangan gesek antara bahan dan tanah
c2 = adhesi
p2 = tekanan normal pada permukaan gesekan
q2 = sudut gesekan bahan dan tanah
Secara sederhana dapat disimpulkan bahwa kelengketan tanah pada suatu bahan akan terjadi bila F2 > F1
Flexible Shaft
Flexlible shaft merupakan sebuah poros lentur yang mentransmisikan
gerakan berputar seperti transmisi poros baja pejal. Tetapi flexible shaft dapat diatur melewati atas bawah maupun mengelilingi penghalang sehingga mempermudah dalam instalasinya. Flexible shaft terdiri dari poros berputar (inti) dengan bagian akhir baja untuk digabungkan pada bagian lain. Casing luar pelindung digunakan bila diperlukan. Casing ini memiliki perlengkapan sendiri disebut ferrules yang akan tetap diam saat digunakan. Susunan flexible shaft dapat dilihat pada Gambar 10.
(a) (b)
Gambar 9 a) free-body diagram dari roda yang ditarik, b) free-body dari diagram roda yang digerakkan oleh mesin ( Liljedahl et al. 1989 )
Gambar 10 Konstruksi flexible shaft Pengolahan Tanah
Setiap kegiatan budidaya pertanian di lahan pasti membutuhkan pengkondisian lahan terlebih dahulu, karena tanaman salah satunya akan tumbuh dengan baik pada kondisi fisik tanah yang kondusif bagi pertumbuhan tanaman. Secara umum tanaman membutuhkan kondisi lahan yang siap untuk ditanam, di antaranya memiliki tingkat kegemburan tanah yang cukup untuk pertumbuhan akarnya dan kandungan hara tanah yang cukup untuk pertumbuhan tanaman. Menurut Oisat (2001) dalam budi daya tanaman, pengolahan tanah diperlukan untuk menciptakan lingkungan fisik tanah yang kondusif bagi pertumbuhan tanaman.
Pengolahan tanah dapat dibagi menjadi pengolahan tanah pertama dan pengolahan tanah kedua (Daywin et al. 1993). Alat pengolahan tanah pertama adalah alat yang pertama sekali digunakan, yaitu untuk memotong, memecah dan membalik tanah. Pengolahan tanah kedua dilakukan setelah pembajakan. Pengolahan tanah kedua membuat tanah menjadi gembur dan rata, tata air diperbaiki, sisa-sisa tanaman dan tumbuhan pengganggu dihancurkan dan dicampur dengan lapisan tanah atas, kadang-kadang diberikan kepadatan tertentu pada permukaan tanah, dan mungkin juga dibuat guludan atau alur penanaman.
Sifat Fisik dan Mekanik Tanah
Menurut Hardjowigeno (1995), tanah adalah sekumpulan dari benda alam di permukaan bumi yang tersusun dalam horizon-horizon, terdiri dari campuran bahan mineral, bahan organik, dan merupakan media untuk tumbuhnya tanaman. Bahan-bahan penyusun tanah memiliki jumlah yang berbeda untuk setiap jenis tanah setiap lapisan tanah.
Tekstur Tanah
Hardjowigeno (1995) menyatakan bahwa tanah terdiri dari butir-butir tanah berbagai ukuran. Bagian tanah yang berukuran lebih dari 2 mm sampai lebih kecil dari pedon disebut fragmen batuan (rock fragment) atau bahan kasar (kerikil sampai batu). Bahan-bahan tanah yang lebih halus (< 2mm) disebut fraksi tanah halus (fine earth fraction). Fraksi tanah halus ini dapat dibedakan menjadi: pasir (2mm-50µ), debu (50-2µ), dan liat (< 2µ).
Tekstur tanah menunjukkan kasar halusnya tanah dari fraksi tanah halus (<2mm). Tanah yang bertekstur pasir maka setiap satuan berat (misal setiap gramnya) mempunyai luas permukaan lebih kecil sehingga sulit untuk menyerap (menahan) air dan unsur hara. Tanah bertekstur liat maka setiap satuan beratnya
memiliki luas permukaan yang lebih besar sehingga kemampuan menahan air dan menyediakan unsur hara tinggi (Hardjowigeno, 1995).
Kadar Air Tanah
Kadar air tanah adalah perbandingan antara berat air dengan berat tanah pada suatu sampel tanah yang diambil. Kadar air tanah ini dapat dinyatakan dalam basis basah maupun basis kering. Kadar air tanah dapat ditentukan dengan persamaan (4) berikut (Budhu 2007) :
k k b A m m -m = K (4)
Dengan: KA = kadar air tanah basis kering (%)
mb = massa tanah basah (g)
mk = massa tanah kering (g)
Bulk Density Tanah
Bulk density atau bobot isi merupakan perbandingan antara berat tanah kering dengan volume total tanah termasuk volume pori-pori tanah. Bulk density sangat dipengaruhi oleh tekstur tanah, kandungan bahan organik, struktur tanah dan cara pengolahan tanah.
Hillel (1980) menyatakan bahwa nilai bulk density tanah berkisar antara 1.1– 1.6 g cm-3, sedangkan Wesley (1973) menyatakan bulk density tanah berkisar dari 0.6 g cm-3 sampai 2.4 g cm-3. Semakin tinggi nilai, maka semakin kecil pori-porinya dan semakin tinggi derajat kepadatannya. Bulk density tanah ini dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (5) berikut (Budhu 2007) :
v m
= k
d
(5)
Dengan: ρd = kerapatan isi tanah (g/cm3)
mk = massa tanah kering (g)
v = volume tanah (cm3)
Ketenggelaman Roda (Sinkage)
Menurut Mandang dan Nishimura (1991) terjadinya penurunan permukaan tanah akibat gaya dari luar khususnya karena lalu lintas, merupakan pertanda terjadinya pemadatan tanah pada daerah tersebut. Penurunan permukaan akan terjadi sampai pada keadaan di mana gaya penahanan dari tanah seimbang dengan beban yang diberikan.
Ketenggelaman roda yang besar akan menyebabkan tahanan gelinding (motion resistance) semakin besar pula. Menurut Sembiring et al. (1990), tahanan gelinding adalah besarnya tahanan yang harus diatasi traktor untuk dapat bergerak menarik melalui rodanya. Besarnya tahanan gelinding dipengaruhi oleh kondisi permukaan tanah dan ukuran roda. Bila roda masuk ke dalam tanah atau tenggelam maka akan menaikkan tahanan gelinding dan menurunkan gaya tarikan.
Menurut Sudianto (2000) dari hasil penelitiannya menyimpulkan bahwa dengan meningkatnya pembebanan mendatar maka nilai ketenggelaman roda cenderung bertambah. Hal ini disebabkan oleh terdeformasinya tanah untuk
mengatasi beban tarik yang ditumpu oleh tanah yang ditekan sirip lebih besar pada saat pembebanan mendatar yang besar.
METODOLOGI
Waktu dan Tempat Pelaksanaan
Perancangan, pabrikasi serta pengujian kinerja roda penggerak metering
device ini dilakukan mulai dari bulan Februari sampai dengan Juni 2014. Tahap
perancangan dilakukan pada akhir Februari hingga pertengahan Maret, dilanjutkan tahap pabrikasi hingga akhir Mei. Pengujian kinerja roda penggerak dilakukan pada bulan Juni 2014. Seluruh kegiatan penelitian ini dilakukan di Laboratorium Lapangan Siswadhi Soepardjo, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor.
Alat dan Bahan
Alat dan bahan yang digunakan berdasarkan tahapan penelitian ini adalah sebagai berikut.
Alat dan Bahan Perancangan
Alat yang digunakan dalam perancangan, yaitu perangkat komputer,
software Computer Aided Design SolidWorks 2012 x32 Edition, software Microsoft Excel 2010, printer, kalkulator teknik, mistar, jangka sorong dan
peralatan tulis. Alat tersebut digunakan pada tahap perancangan terutama gambar teknik serta analisis teknik roda penggerak.
Alat dan Bahan Pembuatan Prototipe
Alat yang digunakan pada proses pembuatan roda penggerak antara lain: alat-alat perbengkelan seperti, gerinda, bor duduk, las listrik, las argon, mesin bubut, mesin roll, ragum, gergaji baja, pemotong baja plat, tang, palu, obeng, kikir, siku, mistar, jangka sorong, dan peralatan pendukung lainnya. Bahan yang digunakan dalam pembuatan prototipe antara lain: baja plat (ketebalan 2, 3, dan 5 mm), baja silinder, roda ban sepeda, cat, mur dan baut.
Alat dan Bahan Pengujian Kinerja
Pada tahap pengujian kinerja digunakan traktor tangan Yanmar tipe YZC-L (Gambar 11) yang menarik garu rotari dan mesin penanam kedelai. Spesifikasi traktor dapat dilihat pada Lampiran 1. Alat yang digunakan pada pengujian antara lain: timbangan, ring sample, pita meter, mistar dan stopwatch. Pada saat pengujian digunakan alat bantu berupa: kunci pas, obeng, tang, kamera digital dan tiang pancang, sedangkan bahan yang digunakan adalah benih kedelai dan bahan bakar solar.
Tahapan Penelitian
Pada penelitian ini dilakukan pendekatan perancangan mesin secara umum yaitu dengan pendekatan fungsional dan pendekatan struktural. Tahapan penelitian secara lengkap dapat dilihat pada Gambar 12.
Identifikasi Masalah
Pada tahap ini dicari permasalahan-permasalahan yang ada dan dilakukan pengumpulan berbagai informasi yang dibutuhkan dalam perancangan. Roda penggerak harus dapat menghasilkan torsi putaran untuk memutar piringan penjatah benih pada mesin penanam kedelai. Sementara ini untuk mentransmisikan putaran masih menggunakan sistem transmisi rantai – sprocket dan pasangan bevel gear. Luncuran roda penggerak masih tinggi, sekitar 22%. Hal ini akan mempengaruhi kinerja penjatahan benih pada mesin tanam.
Penyempurnaan Ide dan Pemilihan Konsep
Setelah mengetahui permasalahan, analisis dilakukan untuk mencari solusi-solusi pemecahan masalah. Solusi pemecahan masalah yang dihasilkan berupa beberapa konsep rancangan fungsional maupun rancangan struktural dari roda penggerak metering device mesin penanam kedelai yang potensial untuk dikembangkan. Konsep-konsep tersebut berupa: lima jenis roda yang berbeda, daya ditansmisikan oleh poros lentur, roda penggerak bekerja pada posisi traktor mengolah dengan kedalaman 12 cm, dan roda bekerja pada tanah gembur.
Pemilihan Konsep Rancangan, Analisis dan Pembuatan Gambar Kerja Dari beberapa konsep rancangan yang dihasilkan pada tahap sebelumnya, dilakukan analisis kelayakan baik dari segi teknis maupun segi ekonomisnya untuk menentukan suatu konsep rancangan yang akan diteruskan dalam pembuatan prototipenya. Berdasarkan konsep rancangan yang dipilih, dilakukan analisis teknik untuk menentukan: bahan, bentuk, ukuran dan cara pembuatan dari tiap-tiap bagian alat. Dari hasil analisis tersebut kemudian dibuat gambar kerjanya dengan bantuan software untuk mempermudah pembuatannya.
Pembuatan Prototipe
Pembuatan prototipe dilaksanakan dengan bantuan gambar kerja yang telah dibuat sebagai dasar. Proses fabrikasi prototipe diupayakan menghasilkan hasil nyata yang memiliki ukuran-ukuran yang sama persis dengan yang telah tertera pada perancangan gambar teknik.
Pengujian Mesin
Pada tahap ini dilakukan pengujian fungsional dan pengujian kinerja. Pengujian fungsional mencakup pengujian komponen unit penggerak metering
device untuk memastikan setiap komponen dapat berfungsi dengan baik. Jika
diperlukan, dilakukan beberapa modifikasi lanjutan agar komponen unit penggerak metering device dapat bekerja dengan baik. Pengujian kinerja meliputi: luncuran roda, keamblasan roda dan tanah yang lengket pada roda. Pengujian alat ini dilakukan di Laboratorium Lapangan Siswadhi Soepardjo Departemen Teknik Mesin dan Biosistem.
Pengukuran Kondisi Tanah
Pengukuran kondisi tanah bertujuan untuk mengetahui nilai kadar air tanah,
bulk density tanah, kohesi tanah, nilai adhesi antara tanah dan karet, nilai adhesi
antara baja dan tanah serta sudut gesek dalam tanah.
Pengukuran densitas tanah dan kadar air tanah dilakukan tiga kali pengulangan dengan mengambil sampel tanah menggunakan ring sampel kemudian tanah dioven selama 24 jam. Kadar air tanah dapat dihitung menggunakan persamaan (4) dan bulk density tanah dihitung menggunakan persamaan (5).
Pengukuran nilai kohesi, nilai adhesi dan sudut gesekan dalam tanah dilakukan sebanyak tiga kali pengulangan. Penetrometer SR-2 dilengkapi ring gesek dan ring geser bersirip digunakan untuk mengukur kondisi tanah tersebut. Pengukuran dilakukan dengan dua kondisi tekanan normal ( ) yaitu sebesar 39017.05 Pa dan 78034.09 Pa serta pada dua kondisi tanah yang berbeda, yaitu tanah dengan kadar air 30.13% dan tanah dengan kadar air 52.38%. Persamaan (6) digunakan untuk menentukan tahanan geser tanah (Oida 1992).
A ri r ri r M o o 2 2 3 3 3 2
A ri r ri r M o o 3 3 3 3 3 2
3 3
2 3 ri r M o (6)Dengan: M = momen puntir (N.m)
= tahanan geser (N/m2)
ro = jari-jari luar cincin (0.05m)
ri = jari-jari dalam cincin (0.03m)
Grafik hubungan antara tahanan geser tanah dan tekanan normal (Gambar 13) digunakan untuk menentukan nilai kohesi dan sudut geser dalam tanah. Setelah mendapatkan nilai kohesi, maka sudut geser dalam tanah dihitung dengan menggunakan persamaan (7).
1 c tan (7) Dimana:
: sudut gesekan dalam tanah (o) : tahanan geser tanah (Pa)
c : nilai kohesi (Pa)
: tekanan normal (Pa)
Tabel 2 dan 3 menunjukkan hasil pengukuran nilai kohesi, adhesi dan sudut gesek dalam tanah.
Tabel 2 Nilai kohesi dan sudut gesek dalam tanah untuk roda bersirip Kadar air (%) Kohesi (Pa) (o)
30.13 3982.86 30.61
52.38 6373.23 29.20
Tabel 3 Nilai adhesi dan sudut gesek dalam tanah untuk roda polos
Jenis bahan Kadar air (%) Adhesi (Pa) δ (o) Karet 30.13 52.38 2788.66 3188.25 33.14 31.83
Baja 30.13 1994.05 32.28
52.38 3982.86 30.08
Perhitungan Kebutuhan Torsi Piringan Penjatah
Beban putaran roda penggerak berupa beban torsi putar piringan penjatah benih, yang bersumber dari: 1) gesekan benih kedelai yang berada di atas piringan penjatah (Gambar 14), 2) gesekan benih pada celah benih di piringan penjatah dengan dasar hoper (Gambar 15), dan 3) gesekan yang terjadi pada bearing dan kabel fleksible shaft. Perhitungan beban torsi total metering device dijelaskan sebagai berikut:
Asumsi lebar piringan penjatah (acrylic) yang menampung benih sama dengan sepertiga diameter lingkaran (jatuhan benih dari hopper) yaitu 40 mm. Maka didapatkan panjang tali busur adalah 113.14 mm dan besar sudut juring adalah 141°. Untuk menghitung volume benih yang berada di atas piringan penjatah dihitung terlebih dahulu luas lingkaran (LO) luas juring (Lj) luas
tembereng (Ltm), sebagai berikut:
2 Ο=π×r L (8) 2 2 mm 11309.73 = 60 × 3.14 = LΟ 360 × L = Ljr O (9) 2 mm 4429.64 = 360 141 × 11309.73 = Ljr
Gambar 14 Benih kedelai yang berada di atas piringan penjatah
2 t × a = LΔ (10) 2 mm 1131.40 = 2 20 × 113.14 = LΔ
Volume tembereng (Vtm) dapat dihitung sebagai berikut:
LΔ L = Ltm jr - (11) 2 mm 3298.24 = 1131.40 4429.64 = Ltm t × L = Vtm tm (12) 3 mm 131929.60 = 40 × 3298.24 = Vtm
Dengan angle of repose sebesar 45°, maka volume yang terisi benih (Vtb)
adalah: 3 tb = V 65964.80mm 2 131929.60
Beban torsi (τ) pada metering device dapat dihitung menggunakan rumus berikut: v × = mbk (13) N = Fg (14) l × F = 1 (15)
dalam hal ini:
mbk : massa benih kedelai (g)
ρ : massa jenis benih kedelai (gram/cm3)
v : volume yang terisi benih (cm3)
Fg : gaya (N)
l : jarak (m)
g : gravitasi (9.81 m/s2)
Jika diketahui volume benih (v) adalah 65.96 cm3, massa jenis benih kedelai (ρ) adalah 0.7 gram/cm3, sudut kemiringan metering device (θ) adalah 45° dan friksi antara benih dengan piringan penjatah (μ) adalah 0.332 (LoCurto et al. 1997), maka: v × = mbk (16) g 46.18 65.96 0.7 = mbk N = Fg (17) mbkgcos = Fg
N 0.106 ) cos(45 9.81 10 46.18 0.332 -3 = Fg l × F = T1 (18) Nm 0.0064 0.06 × 0.106 = T1
Jumlah lubang pada piringan penjatah adalah lima lubang. Jika rancangan jari-jari lubang adalah 5 mm dan ketebalan piringan penjatah adalah 10 mm. Torsi pada celah benih di piringan penjatah dapat dihitung sebagai berikut:
t πr 5 = V 2 lp (19) 3 mm 392699 10 × 2 5 3.14 5 = Vlp v × = mbk (20) gram 2.75 3.92 × 0.7 = mbk N = Fg (21) cosθ g m = Fg bk N 0.0063 ) cos(45 9.81 10 2.75 0.332 -3 = Fg l × F = T2 (22) Nm 0.00033 0.0525 × 0.0063 = T2
maka, total beban torsi yang ada pada metering device (τtotal) adalah
2 1 total=T T T (23) Nm 0.00673 0.00033 + 0.0064 = Ttotal
Perhitungan Torsi Roda
Perhitungan torsi pada roda dilakukan dengan kondisi roda menekan tanah dan masuk pada tanah sedalam ±4.5 cm dari permukaan tanah (Gambar 16). Panjang permukaan roda (l) yang kontak dengan tanah dihitung menggunakan persamaan (24) dan lebar roda (b) yang kontak tanah yaitu sebesar 10 cm. Persamaan (25) digunakan untuk menentukan luas permukaan (A) roda yang kontak dengan tanah. Gaya geser (Fr) dan gaya gesek (Ff) tanah maksimum yang
dapat dihasilkan roda baja tanpa sirip dan roda karet tanpa sirip dihitung menggunakan persamaan (26) dan (28). Persamaan (27) digunakan untuk menghitung torsi yang dihasilkan oleh roda bersirip. Dengan menggunakan bobot vertikal roda (W) sebesar 191.3 N, maka hasil perhitungan torsi pada masing-masing roda disajikan pada Tabel 4 dan 7. Untuk roda polos (tanpa sirip) maka gaya gesek roda dengan tanah dihitung dengan persamaan (29).
2 2 2 R R z l (24) b l A (25) ) tan( W Ac Fr (26) R F T r (27) ) tan( W Ac Ff a (28) R F T f (29) dimana: : sudut geser dalam tanah (o)
Fr : tahanan geser tanah (kg/cm2)
c : nilai kohesi (kg/cm2)
l : panjang permukaan kontak cm) b : lebar permukaan kontak (cm) z : kedalaman keamblasan roda (cm) R : jari-jari roda (cm)
T : torsi (kg.cm)
Ff : tahanan gesek tanah (kg/cm2)
a
c : nilai adhesi (kg/cm2) Tabel 4 Hasil perhitungan torsi
Jenis bahan Kadar air (%) Fr (N) Ff (N) T(N.m)
Bersirip 30.13% 52.38% 151.43 168.12 - - 18.93 21.02 Karet polos 30.13% 52.38% - - 159.33 164.63 18.96 18.67
Baja tanpa sirip 30.13% - 139.99 17.50
52.38% - 141.42 18.63
Hasil perhitungan torsi roda penggerak diatas lebih besar dari kebutuhan torsi metering device yaitu sebesar 0.00673 Nm. Ini berarti roda penggerak mampu menggerakkan metering device.
Metode Pengujian Kinerja
Setelah setiap komponen dari unit penggerak dipastikan dapat bekerja dengan baik maka dilakukan pengujian kinerja unit penggerak metering device. Uji kinerja unit penggerak metering device yang dilakukan antara lain: 1) mengukur tingkat luncuran dari roda penggerak dengan lima macam tipe roda yang berbeda, 2) mengukur tingkat pemadatan tanah dengan cara membandingkan nilai bulk density tanah sebelum dilewati oleh roda dan setelah dilewati oleh roda penggerak metering device, 3) pengukuran keamblasan tanah setelah dilewati oleh roda penggerak metering device, 4) serta menguji kemudahan pengaturan dan pengendalian traktor dalam pengoperasiannya
Luncuran Roda
Luncuran semua pengujian dilakukan pada saat menggerakkan mesin penanam. Pengukuran luncuran roda dilakukan dengan cara mengukur jarak tempuh dalam tiga putaran roda penggerak penjatah benih saat mengoprasikan mesin tanam. Pengukuran luncuran roda dilakukan sebanyak tiga kali pengulangan di setiap tipe roda. Luncuran roda dihitung menggunakan rumus:
% 100 3 rp rp ld K S S (30) dimana:
Sld : luncuran roda penggerak (%)
Srp : jarak tempuh roda penggerak dalam tiga putaran (m)
Krp : keliling roda penggerak (m)
Perubahan Bulk Density
Pengukuran bulk density tanah dilakukan dengan cara mengambil contoh tanah menggunakan ring sample pada lintasan yang akan dilewati oleh roda penggerak dan mengambil kembali sampel tanah menggunakan ring sample pada tanah yang telah dilewati oleh roda penggerak. Bulk density tanah ditentukan dengan menggunakan persamaan (7):
Keamblasan Tanah
Pengukuran kedalaman keamblasan tanah dilakukan dengan cara menempatkan penggaris pada tanah yang telah dilintasi oleh roda penggerak kemudian mengukurnya dengan menggunakan penggaris lainnya. Cara
pengukuran kedalaman tanah dapat dilihat pada Gambar 17.
Kelengketan Tanah pada Roda Penggerak
Pengukuran kelengketan tanah pada masing masing roda dilakukan setelah roda penggerak berjalan dengan jarak 10 m. Tanah yang lengket pada roda dikumpulkan pada lembaran kertas penampung (yang telah ditimbang) ditaruh di bawah roda kemudian membersihkan tanah yang melekat pada roda secara perlahan dan menimbang berat tanah pada kertas koran tersebut.
ANALISIS RANCANGAN
Kriteria Perancangan
Roda penggerak metering device ini merupakan tenaga penggerak dari piringan penjatah. Kriteria perancangan dijelaskan pada beberapa poin berikut:
1. Roda penggerak harus dapat dipasangkan pada traktor roda dua dengan mesin tanam.
2. Roda penggerak memiliki tingkat luncuran yang rendah dan mampu memutar metering device.
3. Putaran roda penggerak dapat ditransmisikan oleh poros lentur (flexible
shaft)
Rancangan Fungsional
Berdasarkan fungsinya, roda penggerak metering device berfungsi untuk memutar piringan penjatah dengan menggunakan transmisi daya poros lentur (flexible shaft). Rancangan fungsional disajikan pada Tabel 5:
Roda penggerak akan berputar akibat majunya mesin oleh tenaga tarik traktor tangan. Putaran roda disalurkan dengan sistem transmisi flexible shaft untuk memutar piringan penjatah benih serta jumlah putaran roda sama dengan jumlah putaran piringan penjatah benih.
Tabel 5 Rancangan fungsional
Fungsi Utama Sub fungsi Komponen
Memutar piringan penjatah dengan menggunakan transmisi daya poros lentur
Menghasilkan tenaga putar Roda Menyalurkan tenaga putar dari
roda ke piringan penjatah
Poros lentur (flexible
shaft)
Menahan roda Garpu roda
Memberikan gaya tekan ke roda
Pegas Menahan garpu roda dan
memasangkan pada bagian rangka rotari traktor
Rangka utama roda penggerak
Analisis Rancangan Struktural
Struktur roda penggerak yang dirancang adalah: rangka utama, pegas, roda dan flexible shaft.
Rangka Utama
Dalam perancangan rangka utama perlu dilakukan pengukuran jarak bebas antara spakboard dengan permukaan tanah (y) dan jarak yang tersedia untuk dudukan bawah rangka utama (x). Pengukuran ini disimulasikan dengan cara garu rotari turun (lebih rendah) posisinya dari roda traktor ±12 cm dari permukaan tanah (Gambar 18).
Hasil pengukuran di atas didapatkan x sebesar 140 mm yaitu jarak yang tersedia untuk batang pengunci rangka utama, serta y sebesar 255 mm yaitu jarak yang tersedia untuk komponen komponen roda penggerak lainnya. Rancangan rangka utama roda dapat dilihat pada Gambar 19.
Gambar 18 Pengukuran jarak vertikal dudukan rangka utama ke permukaan tanah
Perancangan Roda Penggerak
Roda penggerak dirancang untuk menggerakkan piringan penjatah bibit kedelai yang ditransmisikan oleh flexible shaft. Roda penggerak berputar dengan memanfaatkan gaya gesekan dan gaya geseran dari tanah yang dilaluinya. Putaran tersebut akan menggerakkan sistem transmisi flexible shaft yang akan memutar poros pada piringan penjatah. Adapun gambar mekanisme perputaran piringan penjatah dapat dilihat pada Gambar 20.
Berdasarkan dari gambar 21 jarak 1 putaran roda adalah jumlah dari keliling roda dan luncuran roda penggerak (Persamaan 31) serta jarak tanam per baris kedelai yaitu 20 cm. Lebar dari roda penggerak dibuat 10 cm untuk menjaga agar tidak terjadi pemadatan tanah pada daerah tanam. Diameter dari roda penggerak dipengaruhi oleh jarak tanam bibit tanaman kedelai, luncuran pada roda
Gambar 19 Rancangan rangka utama roda
penggerak, serta jumlah lubang pada piringan penjatah. Luncuran pada roda penggerak diasumsikan sebesar 25%. Untuk menentukan diameter roda penggerak digunakan persamaan 32: r n p l d J (1 ) (31)
c n
t r l J n d 1 (32) di mana:dr : diamater roda penggerak (cm)
nc : jumlah lubang pada piringan penjatah
Jt : jarak tanam bibit kedelai (cm)
Jp : jarak satu putaran roda(cm)
ln : luncuran yang terjadi pada roda penggerak (diasumsikan 25%)
Dari perhitungan menggunakan rumus di atas maka diperoleh perbandingan antara jumlah lubang pada piringan penjatah dan diameter roda dalam Tabel 6 sebagai berikut:
Tabel 6 Perbandingan nc dan dr
nc dr (cm)
3 15.27
4 20.36
5 25.55
6 30.55
Berdasarkan hasil perhitungan di atas maka digunakan lima lubang pada piringan penjatah dan diameter roda penggerak sebesar 25.55 cm.
Dalam penelitian ini digunakan lima jenis roda yang berbeda, yaitu roda baja tanpa sirip, roda karet tanpa sirip, roda karet dengan sirip karet, roda baja dengan sirip karet, dan roda baja dengan sirip baja. Tinggi sirip (ts) yang
digunakan pada roda ini sebesar 1 cm, jari jari roda (r) 12.5 cm. Dengan menggunakan persamaan (33) maka didapatkan sudut (α) minimal dari sirip tersebut sebesar 44.38o. Simulasi perhitungan dari sudut maksimal sirip dapat dilihat pada Gambar 22.
s t r r 1 cos 2 (33) Setelah didapatkan sudut maksimal antar sirip maka dapat ditentukan jumlah sirip (Js) minimal yang digunakan pada roda. Jumlah sirip minimal yang
digunakan pada roda adalah: 11 . 8 38 . 44 360 360 s J (34)
Berdasarkan perhitungan di atas maka jumlah sirip harus lebih dari 8 buah. Dalam desain ini digunakan sirip pada setiap sisi roda sebanyak 10 sirip. Jadi total sirip yang digunakan pada roda adalah 20 sirip. Gambar 23 menunjukkan posisi penempatan sirip roda.
Transmisi Daya
Flexible shaft yang digunakan harus mampu menahan semua beban yang
diterima. Perhitungan beban torsi tersebut belum termasuk beban yang ada pada
bearing dan flexible shaft, maka beban torsi minimal yang harus dapat ditahan
oleh flexible shaft adalah 0.00673 Nm. Proses perancangan menggunakan bahan yang mudah ditemukan di pasaran, sehingga digunakan flexible shaft berdiameter 3.2 mm yang mampu menahan beban 1.3 Nm (Lampiran 2).
Gambar 22 Simulasi perhitungan sudut minimal sirip roda penggerak
Mekanisme penguncian yang digunakan pada sistem transmisi flexible shaft adalah dengan cara menekan poros flexible shaft dengan baut pada poros roda. Mekanisme penguncian tersebut digambarkan pada Gambar 24.
Gambar 24 Mekanisme penguncian flexible shaft
HASIL DAN PEMBAHASAN
Konstruksi Prototipe Roda Penggerak
Roda penggerak piringan penjatah terdiri dari rangka utama (1), pegas (2), garpu roda (3) dan roda (4). Hasil perancangan roda penggerak piringan penjatah dapat dilihat pada gambar 25.
Rangka utama dari roda penggerak ini terbuat dari baja silinder dengan diameter 40 mm, serta plat baja dengan ketebalan 5 mm. Kemudian plat dilubangi sebesar 12 mm untuk menempatkan poros pengunci. Rangka utama ini kemudian dipasangkan pada tempat roda penggerak yang terdapat pada spakboard traktor roda utama. Gambar dari rancangan rangka utama dapat dilihat pada Gambar 26.
Desain lengan ayun dapat dilihat pada Gambar 27. Lengan ayun dibuat dari plat baja dengan ketebalan 5 mm yang disambungkan dengan las pada pipa baja berdiameter 20 mm dengan diameter dalam 12 mm kemudian dipasangkan pada rangka utama dan dikunci menggunakan baut as ukuran M14. Pada plat baja dibuat lubang 10 mm untuk poros pengunci dudukan pegas
Desain dari roda dapat dilihat pada Gambar 28. Untuk mempermudah pembuatan, bagian poros dan velg roda digunakan roda ban sepeda yang banyak dijual di pasaran kemudian disesuaikan ukuran velg dengan diameter roda yang akan dirancang, sedangkan bagian luar roda dibuat dari plat baja dengan ketebalan 3 mm yang dilingkarkan. Pelengkungan plat roda menggunakan mesin roll. Roda dibuat dengan diameter 250 mm dan lebar 100 mm. Dibuat lima jenis roda dengan sirip yang berbeda yaitu: roda karet bersirip karet, roda besi bersirip karet, roda besi bersirip besi, roda karet tanpa sirip, roda besi tanpa sirip.
Roda baja tanpa sirip dirancang dengan cara melingkarkan plat besi 3 mm menggunakan mesin rol. Roda karet tanpa sirip dirancang dengan menambahkan lapisan karet yang di buat melingkar dan dimasukkan pada roda baja tanpa sirip. Gambar roda baja tanpa sirip dan roda karet tanpa sirip dapat dilihat pada Gambar 29 dan 30.
Gambar 26 Rancangan (kiri) dan prototipe (kanan) rangka utama
Gambar 27 Rancangan (kiri) dan prototipe (kanan) lengan ayun
Roda karet bersirip karet dirancang dengan menambahkan sirip karet pada roda karet tanpa sirip. Sirip karet yang dipasang memiliki tebal 10 mm panjang 70 mm dan lebar 20 mm dan dipasangkan dengan kemiringan 450. Gambar roda karet bersirip karet dapat dilihat pada Gambar 31.
Roda baja bersirip karet dirancang dengan menambahkan sirip karet pada roda baja tanpa sirip dengan dimensi dan peletakan sirip sama dengan roda karet bersirip karet. Gambar dari roda baja bersirip karet dapat dilihat pada Gambar 32.
Gambar 29 Rancangan (kiri) dan prototipe (kanan) roda baja tanpa sirip
Gambar 30 Rancangan (kiri) dan prototipe (kanan) roda karet tanpa sirip
Terakhir yaitu roda baja bersirip baja yaitu dengan memasangkan sirip baja pada roda baja tanpa sirip dengan dimensi panjang sirip 50 mm, tebal 2 mm, dan tinggi 10 mm yang dipasangkan dengan sudut 900. Gambar dari roda baja bersirip baja dapat dilihat pada Gambar 33.
Bagian terakhir dari komponen roda penggerak yaitu dudukan pegas yang dibuat dari pipa baja dengan diameter luar 20 mm, diameter dalam 12 mm dan panjang 130 mm yang kemudian dilaskan dengan batang baja dengan diameter 10 mm, untuk mempermudah agar dudukan pegas ini bergerak bebas dibuat poros dengan diameter 12 mm, serta masing-masing ujung poros dilubangi sebesar baut M12. Desain dari dudukan pegas dapat dilihat pada Gambar 34.
Kinerja Prototipe Roda Penggerak
Pengukuran kinerja roda penggerak dilakukan pada tanah basah dengan kadar air rata-rata 53.3 % dan tanah kering dengan kadar air rata-rata 31.05 %
Gambar 32 Rancangan (kiri) dan prototipe (kanan) roda baja bersirip karet
Gambar 33 Rancangan (kiri) dan prototipe (kanan) roda baja bersirip baja
untuk data kadar air lengkap terlampir pada Lampiran 8 dan 9. Tingkat luncuran roda penggerak merupakan salah satu faktor yang mempengaruhi kinerja alat penanam. Kemacetan atau luncuran roda penggerak mengakibatkan jarak tanam yang dihasilkan akan bertambah besar (Khaerudin 2009). Tabel 7 menunjukkan data setelah dilakukan pengujian. Data lengkap pengukuran luncuran roda terlampir pada Lampiran 4 dan 5.
Tabel 7 Luncuran pada masing-masing roda penggerak
Kadar air (%) luncuran (%) Roda karet bersirip karet Roda baja bersirip karet Roda baja bersirip baja Roda baja tanpa sirip Roda karet tanpa sirip 31.05 21.33 24.44 29.39 34.91 35.75 53.30 22.32 26.57 26.99 29.11 29.81
Berdasarkan data yang tersaji pada Tabel 7 roda karet bersirip karet mempunyai luncuran paling kecil yaitu 21.33% pada tanah kering (kadar air 31.05%) dan 22.32% pada tanah basah (kadar air 53.3%). Roda bersirip mempunyai luncuran paling kecil dibandingkan dengan tanpa sirip dikarenakan pada perhitungan torsi yang dihasilkan roda (Tabel 4) roda bersirip menghasilkan torsi lebih besar dibandingkan dengan roda tanpa sirip.
Tanah yang melekat pada roda penggerak akan mempengaruhi kinerja roda penggerak, khususnya pada roda yang bersirip semakin banyak tanah yang melekat pada roda bersirip akan semakin besar pula luncuran yang dihasilkan. Hal ini terbukti pada data hasil pengukuran. Foto dari tanah yang melekat pada roda dapat dilihat pada Gambar 35. Pengukuran tanah yang lengket pada roda tersaji pada Tabel 8.
Tabel 8 Jumlah tanah lengket pada roda
Kadar air (%)
Tanah yang lengket pada roda (gram) Roda karet bersirip karet Roda baja bersirip karet Roda baja bersirip baja Roda baja tanpa sirip Roda karet tanpa sirip 31.05 12 4 28 3 2 53.30 2373 2798 2608 1274 987
Baik pada lahan basah maupun lahan kering tanah yang melekat pada roda baja tanpa sirip lebih besar dibandingkan dengan tanah yang melekat pada roda karet tanpa sirip. Hal ini dikarenakan nilai adhesi karet (3188.25 Pa) lebih kecil dari nilai adhesi baja (3982.86 Pa). Untuk mengurangi tanah yang melekat pada roda dapat digunakan bahan sirip yang memiliki nilai adhesi rendah serta menggunakan sirip lentur.
Selain tanah yang melekat pada roda penggerak, gaya tekan roda ke tanah pun akan mempengaruhi kinerja pada roda penggerak. Semakin kecil gaya tekan roda pada tanah maka semakin besar luncuran yang dihasilkan. Pengujian gaya tekan pada tanah dilakukan dengan menggunakan dua pegas yang berbeda (Gambar 36). Pegas A dengan perubahan 10 mm dapat menghasilkan gaya sebesar 46.107 N sehingga nilai konstanta pegasnya 46107 Nm-1, sedangkan pegas B dengan perubahan panjang 10 mm dapat menghasilkan gaya sebesar 212.88 N dengan konstanta pegas 212877 Nm-1. Pengukuran gaya yang dihasilkan dari pegas tersebut adalah dengan cara menarik pegas sampai suatu jarak tertentu dengan mengguunakan timbangan tarik digital. Kedua pegas tersebut diuji pada lahan kering dengan menggunakan roda karet bersirip karet untuk mengetahui luncuran yang terjadi pada masing-masing pegas, luncuran yang dihasilkan dari pegas A adalah sebesar 36.59 %, sedangkan pegas B sebesar 21.33%. Hal ini dikarenakan semakin besar dorongan gaya yang diberikan pegas pada roda, maka roda akan lebih menekan pada tanah dan akan menaikkan nilai beban vertikal (W). Berdasarkan persamaan 35, nilai beban vertikal sejajar dengan nilai gaya gesek (Ff) antara roda dengan tanah. Jika nilai beban vertikal naik, maka nilai gaya
gesek akan meningkat dan torsi dari roda penggerak pun akan naik. Gambar 35 Tanah yang melekat pada roda
) tan( W Ac Ff R F T f (35)
Pengukuran rata-rata jarak tanam pada tanah kering masing-masing roda dapat dilihat pada Gambar 37 serta pengukuran lengkap jarak tanam terlampir pada Lampiran 3. Berdasarkan Gambar 37 jarak tanam yang sesuai dengan yang direncanakan yaitu sebesar 20.1 cm dengan menggunakan roda besi tanpa sirip.
Bersamaan dengan naiknya gaya gesek antara roda dengan tanah, maka luncuran roda pun akan semakin berkurang. Data luncuran hasil percobaan terlampir pada Lampiran 3 dan 4. Untuk membuktikan pegas tersebut bekerja, maka dilakukan pengukuran keamblasan tanah yang telah dilewati oleh roda tersebut. Hasil pengukuran keamblasan tanah untuk dua kondisi tanah yang berbeda dapat dilihat pada Tabel 10. Kerapatan isi tanah sebelum roda melintas sebesar 0.91 g/cm3 lebih kecil dari pada kerapatan isi tanah setelah roda melintas yaitu sebesar 0.94 g/cm3. Hal ini menunjukkan bahwa terjadi pemadatan tanah setelah lahan dilintasi oleh roda penggerak. Data kerapatan isi tanah telampir pada Lampiran 8 dan 9.
Tabel 9 Keamblasan tanah
Kadar air (%) Keamblasan (cm)
31.05 4.2
53.30 4.5
Berdasarkan hasil pengujian kinerja roda penggerak roda karet bersirip karet mempunyai data terbaik daripada roda tipe lainnya. Hasil pengujian roda karet bersirip karet mempunyai luncuran sebesar 21.33% pada tanah kering dan 22.32% pada tanah basah. Berat tanah lengket pada roda karet bersirip karet sebesar 12 g pada tanah kering dan 2373 g pada tanah basah. Pegas yang digunakan adalah pegas dengan konstanta pegasnya sebesar 212877 Nm-1 karena pegas tersebut mampu menghasilkan gaya yang lebih besar, sehingga akan menaikkan torsi yang dihasilkan oleh roda.
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Hasil pengujian menunjukkan bahwa roda mampu memutar kedua piringan penjatah benih kedelai. Pegas dengan konstanta 212877 N/m mampu bekerja dengan baik dan mengurangi luncuran pada roda. Roda karet bersirip karet memiliki tingkat luncuran yang paling rendah (21.33% pada tanah kering, dan 22.32% pada tanah basah). Roda karet tanpa sirip memiliki keunggulan dimana jumlah tanah yang lengket paling sedikit pada tanah basah.
Saran
Roda karet bersirip karet digunakan untuk memutar kedua piringan penjatah pada mesin penanam kedelai. Pada hasil pengujian didapatkan berat tanah yang lengket pada roda masih besar. Untuk mengatasi hal tersebut dapat digunakan bahan sirip dengan nilai adhesi rendah dan sirip lentur.
DAFTAR PUSTAKA
Adisarwanto T dan Wudianto. 1999. Meningkatkan Hasil Panen Kedelai di Lahan
Sawah-Kering-Pasang Surut. Penebar Swadaya. Bogor
Agromaster. 2014. Pneumatic Precision Planter. [terhubung berkala] http://www.astepar.com.tr [18 oktober 2014]
Budhu M. 2007. Soil Mechanics and Foundation. New Jersey: John Wiley, INC Daywin FJ, Sitompul RG, Hidayat I. 1993. Mesin-mesin Budidaya Pertanian.
Academic Development of the Graduate Program, the Faculty of Agricultural Engineering and Technology, Bogor Agricultural University. Bogor.
Durney Construction Machinary [DCM]. 2014. DURNEY Universal Speedometer
/Tachometer Inner Wire. [terhubung berkala] http://www.durney.net/.
Eriska A. 2012. Skripsi. Peningkatan Kinerja Unit Pemupuk Pada Mesin
Penanam dan Pemupuk Jagung Terintegrasi. Bogor: IPB Press.p-
Hardjowigeno.1995. Ilmu Tanah I. Granesia Pustaka, Jakarta
Hermawan W. 2011. Perbaikan desain mesin penanam dan pemupuk jagung bertenaga traktor tangan. Jurnal Keteknikan Pertanian (JTEP). ISSN: 0216-3365.
Hidayat OD. 1985. Morfologi Tanaman Kedelai. Hal 73 - 86. Dalam S.Somaatmadja et al (Eds.). Griffin, Georgia. 325-541 p.
Hillel D. 1980. Fundamentals of Soil Physics. Academic Press, New York, 413 pp. Liljedahl JB, Turnquist PK, Smith DW, Hoki Makoto. 1989. Tractors and Their
Power Units. New York: Van Nostrand Reinhold
Mandang T, Isao Nishimura. 1991. Hubungan Tanah dan Alat Pertanian. JICA-DGHE/IPB PROJECT/ADAET: JTA-9a (132). Proyek Peningkatan Perguruan Tinggi. Institut Pertanian Bogor.
Oida A. 1992. Report on Terramechanics, FEM and FFT Analyzer. JICA-DGHE/IPB PROJECT : JTA-9a(132). Academic Development of the Graduate Program, IPB.
Oisat.2001. Soil Tillage (www.oisat.org/control_methods).p.1-2
Pitoyo J, dan Sulistyosari N. 2006. Mesin Penanam Jagung dan Kedelai (Seeder)
untuk permukaan bergelombang. Prosiding Seminar Mekanisasi Pertanian. Balai
Besar Pengembangan Mekanisasi Pertanian, Bogor. P. 75-81.
Sembiring EN, Hermawan W, Suastawa IN, Radite PAS. 2000. Rancang Bangun
Mesin Penanam dan Pemupuk Kedelai. Laboratorium Teknik Mesin Budidaya
Pertanian, Departemen Teknik Pertanian, IPB.
Sembiring EN, Suastawa I, Desrial. 1990. Sumber Tenaga Tarik di Bidang Pertanian. JICA/DGHE/IPB PROJECT/ADAET : JTA-9a(132). Proyek Peningkatan Perguruan Tinggi, IPB.
Srivastava AK, Goering CE, Rohrbach RP. 1996. Engineering Principles of
Agricultural Machines. Michigan: ASAE
Sudianto D. 2000. Perancangan dan Pengukuran Kemampuan Traksi Roda baja
Bersirip Gerak dengan Mekanisme Sirip Berpegas dan Sirip Karet pada Tanah Basah. Skripsi. Jurusan Mekanisasi Pertanian, IPB, Bogor.
Sumarno dan Harnoto. 1983. Kedelai dan cara bercocok tanamnya. Pusat Penelitian
dan Pengembangan Tanaman Pangan. Buletin Teknik 6:53 hal.
Virawan G. 1989. Skripsi. Disain dan Uji Mesin Penanam dan Pemupuk Dengan
Tenaga Tarik Traktor Tangan. Fakultas Teknologi Pertanian, IPB. Bogor.
Wesley LD. 1973. Some Basic Engineering Properties of Halloysite and
Allophane Clays in Java, Indonesia. Geotechnique Vol 23, No. 4, pp. 471- 494.
Yanmar Diesel Indonesia [YDI]. 2014. Spesifikasi - YZC Seri. [terhubung berkala] http://id.yanmar.com/ [1 Juli 2014]
Lampiran 1 Spesifikasi traktor roda-2 yang digunakan Sumber: YDI 2014 Model YZC-L Dimensi Panjang – mm 2414 Lebar – mm 800 Tinggi – mm 1130 Berat Berat, kg 352
Motor Penggerak Model TF 105 ML-di
Sistem pembakaran Injeksi langsung
Volume langkah (cc) 583
Daya keluaran , KW (PS)/rpm 10,5/2400
Bahan Bakar solar
Kapasitas Tangki Bahan Bakar, L 11
Metode penyalaan Manual (engkol)
Transmisi Tipe transmisi Roda gigi - rantai
Transmisi mundur Roda gigi - rantai
Transmisi utama Roda gigi - rantai
Jumlah gigi F3/R1
Jalur penggerak Roda depan 5-12
Kopeling Cakram majemuk kering
Rem bantalan rem
Kemudi Kopling belok
PTO Gigi PTO F2
Kopeling Cakram majemuk kering
Penggandengan Stay hitch
Traktor yang sesuai Traktor rotary
Metode penyambungan Traktor rotary
Metode pembajakan Stay hitch
Lebar pembajakan, mm Rotary
Kedalaman bajak 660
