PENURUNAN DRAFT DAN ENERGI PEMBAJAKAN PADA MODEL SUBSOILER GETAR DENGAN MENGGUNAKAN METODE SELF-EXCITED VIBRATION SOEHARSONO

PENURUNAN

DRAFT DAN ENERGI PEMBAJAKAN

PADA MODEL

SUBSOILER GETAR DENGAN

MENGGUNAKAN METODE

SELF-EXCITED VIBRATION

SOEHARSONO

SEKOLAH PASCASARJANA

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR

2012

Dengan ini saya menyatakan bahwa disertasi Penurunan Draft Dan Energi pembajakan Pada Model Subsoiler Getar Dengan Menggunakan Metode

Self-Excited Vibration ini adalah karya saya sendiri dan belum pernah 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 disertasi ini.

Jakarta, 15 Oktober 2011

Soeharsono NIM F164070142

excited Vibration Method. Under the Supervision of RADITE P.A.S, TINEKE MANDANG, ASEP SAPEI and WAWAN HERMAWAN

Soil compaction potentially inhibits plant growth and reduces crop productivity. To loosen the compact soil, however high draft force and energy consumption are needed. The cause of which is due to soil cohesion, adhesion and friction between soil and tillage tool. It’s well known that vibratory-tillage could reduce that soil cohesion, adhesion and friction between soil and tillage tools so that the draft force and energy consumption required is reduced. In this research, soil tillage by self-excited vibration (SEV) method has been conducted. The objective of this research was to obtain vibratory-system of self-excited vibration vibratory-tillage (SEVVT) so that the vibration of the tillage tool will reduce draft force and energy consumption during tillage operation. The research was divided into three steps, i.e.: analytical study, equipment design and experiment study. In the analytical study, the vibration of SEVVT was simulated as a vibration with single degree of freedom system (SDOF) and two degrees of freedom system (TDOF). The vibration of tillage tool was exerted by natural excitation of the varying cutting force. The elasticity of the elastic spring or the inertia of the tillage tool was optimized such that the tillage tool vibrates violently around its resonant frequency. Draft force reductions about 22-47 % were observed. In the second step, the equipment was designed methodologically using VDI2221, with focus on the conceptual design. The embodiment design was then conducted to exemplify that the conceptual design was simple, easy to understand, and economically realizable. In the last step, soil tillage was conducted in a soil bin with the dimension of 1.2 m long, 0.3 m wide and 0.4 m depth. Clay loam soil was conditioned in soil bin into two layer namely hardpan and top soil. The tillage tool was connected to a fixed structure using a new model of semi-elliptical spring. The tillage speeds used were 0.158, 0.212 and 0.265 m/s. Five treatments were tested, i.e.: Non vibratory-system (NST), SDOF with rear spring orientation (RST), SDOF with front spring orientation (FST), TDOF system (TST) and low energy vibratory-system (VST). In the RST orientation, the draft force raised the elevation of the tillage tool tip, and the draft force caused the tillage tool tip elevation decrease in the FST orientation. Compared to NST, the average draft force in the FST orientation showed an increase of up to 46-96 %, whereas a draft force reduction were found in the RST and in the TST treatment. In the VST treatment, a small unbalance mass of 0.24 and 0.35 kg was rotated 530 and 1150 rpm respectively and causing tillage tool vibrate with low amplitude. Compared to NST, draft force reduction about 7.3-38.3 % and energy reduction about 4.8-14.4% were found.

Keyword: self-excited vibration, draft force reduction, energy reduction, semi-elliptic spring and low energy vibratory-system

Getar Dengan Menggunakan Metode Self-Excited Vibration. Dibimbing oleh RADITE P.A.S., TINEKE MANDANG, ASEP SAPEI dan WAWAN HERMAWAN

Indonesia merupakan negara agraris dan mempunyai lahan pertanian yang sangat luas. Sebagai gambaran luas lahan pertanian di Indoneia sekitar 76.4 juta hektar yang meliputi lahan basah sekitar 8.4 juta hektar dan lahan kering sekitar 68 juta hektar. Adalah wajar bilamana sektor pertanian dijadikan sebagai faktor utama bagi ketahanan nasional. Adanya lahan pertanian yang dilalui oleh alat-alat berat, mesin-mesin pertanian, manusia dan binatang serta adanya konsolidasi pada tanah berakibat terbentuknya lapisan kedap di dalam tanah.

Lapisan tanah padat dengan tahanan penetrasi tanah di atas 2 MPa. atau mempunyai densitas tanah di atas 1.8 g/cm3 sulit ditembus oleh akar tanaman, menghambat penetrasi air dan nutrisi serta menghambat sirkulasi udara di dalam tanah. Hal ini dapat menghambat pertumbuhan tanaman serta menurunkan produktivitas hasil tanaman. Untuk membongkar lapisan padat demikian diperlukan draft pembajakan dan konsumsi energi yang besar. Besarnya draft pembajakan ini digunakan untuk mengatasi gesekan antara tanah dengan permukaan tillage tool, mengatasi gesekan antar tanah, mengatasi percepatan tanah bongkaran di depan tillage tool serta karena adanya kelengketan antara tanah dengan tillage tool. Telah terbukti bahwa dengan penggetaran batang bajak, maka kohesi tanah, adhesi antara tanah dengan pisau bajak serta gesekan antara tanah dengan pisau bajak akan menurun sehingga draft pembajakan dan konsumsi energinya akan turun pula. Dalam penilitian ini upaya menurunkan draft pembajakan dan konsumsi energi dilakukan dengan penggetaran batang bajak dengan menggunakan metode self-excited vibration (SEV). Penelitian dilakukan dalam tiga tahap yang meliputi studi analitis, perancangan peralatan dan eksperimen. Untuk eksperimen dibagi menjadi eksperimen membajak tanah tanpa getar, eksperimen membajak tanah dengan penggetaran SEV dan eksperimen membajak dengan penggetaran berenergi rendah pada bajak getar SEV.

Dalam studi analitis, dibuat simulasi bajak getar SEV di mana sistem getarnya dimodelkan sebagai sistem getar satu derajat kebebasan (SDOF) dan sistem getar dua derajat kebebasan (TDOF). Dalam simulasi SDOF, batang bajak dihubungkan dengan kerangka melaluai sebuah pegas semi-eliptis. Getaran diakibatkan oleh variasi draft pembajakan yang dimodelkan sebagai fungsi periodik dengan frekuensi pembajakan diambil 5 Hz dan 2 Hz. Hasil simulasi menunjukkan penurunan draft pembajakan secara signifikan dan kurang bergantung pada rasio kecepatan. Untuk bajak getar SDOF dengan frekuensi draft pembajakan 5 Hz, penurunan draft pembajakannya sekitar 33-43 % sedangkan bila frekuensi draft pembajakan 2 Hz, penurunan draft pembajakannya sekitar 23 %. Untuk bajak getar TDOF dengan frekuensi draft pembajakan 5 Hz penurunan

draft pembajakannya sekitar 42-47 %. Mekanisme turunnya draft pembajakan ini berhasil diungkapkan dan dihubungkan dengan rasio kontak yang lebih kecil dari satu.

fungsi, mencari prinsip solusi yang sesuai dengan struktur fungsi. Prinsip solusi dikombinasikan menjadi beberapa konsep varian di mana masing-masing konsep varian dapat bekerja sesuai dengan struktur fungsi yang telah dibuat. Langkah akhir adalah mengevaluasi seluruh konsep varian sehingga dihasilkan satu rancangan konsep optimum. Ditambahkan informasi tambahan tentang rancangan wujud dari peralatan berupa lay-out drawing, gambar kerangka, soil bin dan peralatan pemadat tanah. Informasi tambahan ini memberi gambaran yang lebih jelas tentang peralatan yang akan dibangun, bentuk sederhana dan dapat diwujudkan menjadi peralatan dengan biaya yang relatif murah serta dapat beroperasi sebagaimana mestinya.

Eksperimen tanpa getar (NST) bertujuan untuk mencari draft pembajakan tertinggi dan frekuensi draft pembajakan. Draft pembajakan tertinggi digunakan untuk mendisain pegas SEV sedangkan fekuensi draft pembajakan digunakan untuk membuat model matematis dari draft pembajakan. Eksperimen dilakukan di dalam soil bin (panjang 1.2 m, lebar 0.3 m dan dalam 0.4 m). Digunakan tanah liat yang dikondisikan di dalam soil bin menjadi dua lapis yaitu lapisan kedap setebal 12-15 cm dengan tahanan penetrasi sekitar 2.75 MPa dan lapisan atas setebal 7 cm dengan tahanan penetrasi sekitar 1.1 MPa. Digunakan dua jenis

chisel plow yaitu chisel plow dengan batang lurus tegak (S1) dan chisel plow dengan batang lurus miring (S2). Kedalaman membajak dibuat sekitar 14-17 cm sedangkan kecepatan membajak divariasikan dari 0.158, 0.212 dan 0.265 m/s. Didapat hasil draft pembajakan tertinggi yang akan digunakan untuk mendisain pegas semi-eliptis sekitar 4800 N. Draft pembajakan mempunyai frekuensi rendah dan sifatnya adalah stokastik. Walaupun demikian draft pembajakan ini dapat dimodelkan sebagai fungsi periodik.

Dalam eksperimen bajak getar SEV, batang bajak dihubungkan dengan kerangka oleh sebuah pegas semi-eliptis dengan kekakuan 28602 Nm/rad. Eksperimen dilakukan terhadap sistem getar SDOF dengan orientasi pegas menghadap ke muka (FST), sistem getar SDOF dengan orientasi pegas menghadap ke belakang (RST) dan sistem getar dua derajat kebebasan (TST). Hasil-hasil yang didapat dibandingkan dengan hasil yang didapat dari perlakuan NST. Untuk perlakuan FST terjadi kenaikan draft pembajakan sekitar 46-96 %, oleh karenanya sistem ini tidak direkomendasikan digunakan dalam skala lapang. Untuk perlakuan RST, terjadi penurunan draft pembajakan sekitar 12.3-15.8 %. Penurunan draft pembajakannya akan semakin besar dengan semakin tingginya kecepatan membajak. Hasil pengujian juga menunjukkan bahwa penurunan draft pembajakan pada bajak getar SEV yang menggunakan chisel plow S2 lebih besar dibandingkan dengan penurunan draft pembajakan pada bajak getar SEV yang menggunakan chisel plow S1. Sistem bajak getar RST ini disarankan untuk digunakan dalam skala lapang. Untuk itu kekakuan dan kekuatan pegas disesuaikan dengan besar draft pembajakan tanpa getar pada skala lapang. Perlakuan TST didapat dengan cara memasang pegas kantilever pada batang bajak dan memasang massa ayun pada ujung pegas kantilever. Perlakuan ini baru diuji pada satu tingkat kecepatan membajak 0.158 m/s. serta dengan menggunakan

masing-dengan cara memvariasikan kekakuan pegas kantilever dan besar massa ayun. Penurunan draft pembajakan pada perlakuan RST ini dirasa masih relatif rendah, untuk itu penurunan draft pembajakan ini diupayakan lebih besar dengan menggunakan penggetaran berenergi rendah pada bajak getar SEV. Sebagai penggetar digunakan massa tak imbang dengan bobot 0.35 kg dan 0.24 kg yang dipasang pada motor listrik 180 Watt pada radius 6.5 cm dan diputar masing-masing pada kecepatan putar 530 rpm dan 1150 rpm. Gaya inersia dari putaran massa tak imbang membuat ujung pisau bajak berosilasi dengan frekuensi tinggi dan dengan amplitudo getar yang relatif rendah. Osilasi ini akan mencacah tanah padat di depan ujung pisau sehingga terjadi kerusakan tanah di depan ujung pisau bajak tanpa membuat irisan tanah. Kondisi ini mengakibatkan gesekan antara tanah dengan pisau bajak serta adhesi tanah menurun drastis yang mengakibatkan turunnya darft tanah. Hanya digunakan chisel plow S2 dengan kecepatan membajak 0.158, 0.212 dan 0.265 m/s. Dibandingkan dengan perlakuan NST, tercatat penurunan draft pembajakan sekitar 11.9-35.3 % dan jika dibandingkan dengan perlakuan RST, tercatat penurunan draft pembajakan sekitar 8.4-19.8 %. Penurunan energi baru tercatat pada kecepatan membajak 0.265 m/s yaitu turun 4.8 % bila digunakan massa tak imbang 0.35 kg dan turun 14.4 % bila digunakan massa tak imbang 0.24 kg. Sistem ini merupakan kebaruan utama dari penelitian ini dan direkomendasikan untuk diteliti lebih lanjut sebelum digunakan dalam skala lapang.

Kata kunci: self-excited vibration, penurunan draft pembajakan, penurunan energy, pegas semi-eliptis, dan penggetaran berenergi rendah.

©

Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2012

Hak cipta dilindungi Undang-Umdang

Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB.

Dilarang mengumumkan atau memperbanyak sebagian atau seluruh Karya tulis dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB.

PENURUNAN

DRAFT DAN ENERGI PEMBAJAKAN

PADA MODEL

SUBSOILER GETAR DENGAN

MENGGUNAKAN METODE

SELF-EXCITED VIBRATION

SOEHARSONO

F164070142

Disertasi

sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor pada

Departemen Ilmu Keteknikan Pertanian

SEKOLAH PASCASARJANA

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR

2012

Ujian Tertutup

Penguji Luar Komisi : Prof. Dr.Ir. Armansyah Tambunan (FATETA IPB) Dr. Ir. Erizal (FATETA IPB) Pelaksanaan : Kamis 24 November 2011 pukul 13.00-16.30

Ruang Ujian 551, Gedung Andi Hakim Nasution Kampus IPB Dramaga Bogor

Ujian Terbuka

Penguji Luar Komisi : Prof. Dr. Ir. Komang Bagiasa (FTMD-ITB) Dr. Ir. Namaken Sembiring (FATETA IPB) Pelaksanaan : Kamis, 22 Desember 2011 pukul 13.00-selesai

Gedung Andi Hakim Nasution Kampus IPB Dramaga Bogor

Nim : F164070142

Disetujui Komisi Pembimbing

Dr.Ir. Radite Praeko Agus Setiawan, M.Agr. Prof.Dr.Ir. Tineke Mandang, M.S. Ketua Anggota

Prof. Dr. Ir. Asep Sapei, M.S. Dr. Ir. Wawan Hermawan, M.S. Anggota Anggota

.

Diketahuhi

Ketua Program Studi Dekan Sekolah Pascasarjana Ilmu Keteknikan Pertanian

Dr. Ir. Wawan Hermawan, M.S. Dr. Ir. Dahrul Syah, M. S. Tanggal Ujian: 22 Desember 2011 Tanggal Lulus:

Untuk adinda Hartini Hs, Ananda dan cucu, Negeri dan institusi tercinta

berkat rahmat dan karunia Nya sehingga karya ilmiah ini dapat diselesaikan. Penelitian ini mengambil topik di bidang bajak getar dengan judul Penurunan

draft dan energi pembajakan pada model subsoiler getar dengan menggunakan metode self-excited vibration, di bawah bimbingan Dr. Ir. Radite P.A Setiawan, Prof. Dr. Ir. Tineke Mandang, Prof. Dr. Ir. Asep Sapei dan Dr. Ir. Wawan Hermawan. Penelitian dilakukan selama penulis menempuh studi S3 jalur penelitian di Sekolah Pascasarjana Institut Pertanian Bogor. Penelitian dilakukan di beberapa lokasi diantaranya adalah di Laboratorium Fenomena Dasar Mesin Universitas Trisakti, Laboratorium Perancangan Universitas Tarumanagara dan yang utama adalah di Laboratorium Teknik Mesin dan Budidaya Pertanian Institut Pertanian Bogor.

Semua bab yang ditulis di disertasi ini merupakan pengembangan dari apa yang pernah penulis publikasikan di jurnal nasional, jurnal internasional serta yang dimuat di prosiding seminar nasional Perteta 2010 dan prosiding QIR 2009 Universitas Indonesia.

Atas terselesaikannya penelitian ini, penulis mengucakapkan terima kasih kepada:

• Institusi ini, serta Universitas Trisakti yang telah memberi kesempatan kepada penulis untuk memberikan dedikasinya kepada negeri ini, paling tidak dedikasi yang terakhir.

• Ketua komisi pembimbing bapak Dr. Ir. Radite P. A. Setiawan, anggota komisi pembimbing ibu Prof. Dr. Ir. Tineke Mandang, bapak Prof. Dr. Ir. Asep Sapei, bapak Dr. Ir. Wawan Hermawan juga dosen IPB bapak Prof. Dr. Armansyah T. atas bimbingannya sehingga penelitian ini dapat diselesaikan. • PT Matahari Megah Tanggerang, PT Resindo Jakarta, teman-teman satu

angkatan khususnya adinda Deddy Sudibyo serta alumni Teknik Mesin Universitas Tarumanagara dan Universitas Trisakti terutama ananda Agus Halim dan ananda Didi Widyatama atas bantuan dana, saran dan pikiran sehingga penelitian ini bisa diselesaiakan.

• Teknisi Laboratorium Teknik Mesin dan Budidaya Pertanian khususnya bapak Wanna dan bapak Trisnadi serta ananda Achmad Mulya atas bantuannya sehingga penelitian ini dapat diselesaiakan

• Semua keluarga, istri dan ananda, atas bantuan moral dan sumbangan dana sehingga penulis tetap tabah dalam menyelesaikan penelitian ini.

Sekecil apapun manfaatnya, namun semuanya penulis dedikasikan untuk negeri tercinta ini, khususnya institusi tercinta, Institut Pertanian Bogor.

Harapannya, karya sederhana ini, semuanya dapat memberikan sumbangan bagi kemajuan ilmiah dan teknologi, untuk negeri ini, institusi ini dan generasi muda negeri ini.

Semoga

Penulis

sebagai anak pertama dari pasangan Bapak Oesman Darmowisastro dan ibu Rahayu Ningsih. Pendidikan sarjana ditempuh di Fakultas Teknik Mesin, Institut Teknologi Sepuluh Novermber Surabaya, dan lulus pada tahun 1975. Pada tahun 1987, penulis melanjutkan studi di Fakultas Pascasarjana Institut Teknologi Bandung dan lulus pada tahun 1989 dengan predikat cum laude.

Penulis memulai karir sebagai engineer di industri swasta sampai dengan tahun 1983 selanjutnya bekerja sebagai staf pengajar di Universitas Trisakti sampai sekarang.

Pada tahun 2007, penulis melanjutkan studi S3 jalur peneltian di Sekolah Pascasarjana Institut Pertanian Bogor. Selama kuliah di IPB, penulis telah membuat sembilan karya publikasi, delapan diantaranya sebagai penulis pertama dan yang berkaitan erat dengan disertasi ini adalah:

• Getaran batang subsoiler akibat gangguan alami dari variasi gaya potong tanah, dipublikasikan di Jurnal Teknik Mesin Universitas Kristen Petra Surabaya edisi November 2008

• Analytical study of self-excited vibration on two degree of freedom vibratory

tillage, dimuat di Proceeding of the 11th International Conference on Quality in Research; Depok, 3-6 August 2009

• Analytical study of self-excited vibration on single degree of freedom vibratory

tillage, dipublikasikan di ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences edisi Mei 2010.

• Perancangan konsep dari peralatan guna simulasi self-excited vibration pada vibratory-tillage, dimuat di Prosiding Seminar Nasional Perteta yang diselenggarakan di Purwokerto, 10 Juli 2010.

• Studi eksperimental gaya potong tanah dan frekuensi getaran bajak saat pemotongan tanah pada operasi pengolahan tanah dipublikasikan di Jurnal Teknotan, edisi Mei 2011

• Penerapan getaran paksa berenergi rendah pada pegas elastis untuk menurunkan draft dan energi pada operasi pembajakan tanah. Dipublikasikan di Jurnal Engineering Pertanian. (Inpers.)

• The influence of elastic springs and spring orientation on the draft force during

tillage operation. Dipublikasikan di ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. Edisi Juni 2011.

Halaman DAFTAR TABEL………..xv DAFTAR GAMBAR………xvi DAFTAR LAMPIRAN……….xx DAFTER SINGKATAN………...xxi PENDAHULUAN………...1

Latar belakang Masalah ……….1 Rumusan Masalah………...………5 Tujuan Penelitian………...……….5 Kegunaan Penelitian………...6 Ruang Lingkup Penelitian………..6 Kebaruan Penelitian………7 STUDI ANALITIS SELF-EXCITED VIBRATION PADA VIBRATORY-

TILLAGE………......9 Abstrak………..……….9

Abstract………....9

Pendahuluan……….……….10 Metodologi………...……….13 Hasil dan Pembahasan...21 Kesimpulan...30 Daftar Pustaka...31 PERANCANGAN KONSEP DARI PERALATAN GUNA SIMULASI

SELF-EXCITED VIBRATION PADA VIBRATORY-TILLAGE……..….….………33 Abstrak………...……….…33

Abstract………...………..………33

Pendahuluan……….……….34 Proses Perancangan Peralatan...36 Hasil dan Pembahasan...55 Kesimpulan...58 Daftar Pustaka...58

Abstrak..……….…………..………61

Abstract………..………..……….61

Pendahuluan………..62 Bahan dan Metode...66 Hasil dan Pembahasan...74 Kesimpulan...83 Daftar Pustaka...83 PENGARUH ELASTISITAS DAN ORIENTASI PEGAS

TERHADAP DRAFT PEMBAJAKAN PADA BAJAK GETAR

JENIS SELF-EXCITED VIBRATION………85 Abstrak………..85

Abstract………..………..……….…85

Pendahuluan……….86 Bahan dan Metode...89 Hasil dan Pembahasan...95 Kesimpulan...106 Daftar Pustaka... 106 MENURUNKAN DRAFT PEMBAJAKAN DAN ENERGI DENGAN

GETARAN PAKSA BERENERGI RENDAH PADA BAJAK GETAR

SELF-EXCITED VIBRATION

.………..……….

109

Abstrak……….………...109

Abstract……….………..109

Pendahuluan………..…….……….110 Bahan dan Metode...115 Hasil dan Pembahasan...120 Kesimpulan...131 Daftar Pustaka... 132 PEMBAHASAN UMUM………..………..135 Studi Analitis/Simulasi……….………..………135 Perancangan Peralatan………137

KESIMPULAN UMUM……….149 Kesimpulan……….……....149 Saran-Saran……….151 DAFTAR PUSTAKA………..153 LAMPIRAN……….159

1. Hubungan antara rasio gaya dengan rasio kecepatan………...………29 2. Daftar spesifikasi peralatan...39 3. Pemilihan kombinasi varian……….…………47 4. Kriteria evaluasi………...……….52 5. Susunan eksperimen bajak tanpa getar………..………...73 6. Frekuensi getar terbongkarnya tanah……….………….……..79 7. Pendekatan model matematis utuk perlakuan NST1………..……..82 8. Pendekatan model matematis utuk perlakuan NST2…………..….……….82 9. Parameter tanah di dalam soil bin bajak getar SEV……….94 10. Penurunan draft pembajakan hasil simulasi pada RST1 dan RST2…..…...97 11. Perbandingan draft pembajakan perlakuan NST dan FST……..……….…97 12. Penurunan draft tanah hasil eksperimen dan hasil simulasi………...100 13. Hasil eksperimen TST dibandingkan dengan hasil eksperimen NST……104 14. Parameter tanah di dalam soil bin perlakuan VST……….118 15. Penurunan draft pembajakan hasil eksperimen VST-NST……….127 16. Penurunan draft pembajakan hasil eksperimen VST-RST……….127 17. Penurunan konsumsi energi hasil eksperimen bajak VST...131

1. Model dinamis dari getaran struktur...10 2. Model fisis dan model matematis dari perlakuan SEVVT_SDOF …..…...14 3. Model fisis dari perlakuan SEVVT_TDOF………...….16 4. Model matematis dari perlakuan SEVVT_TDOF...16 5. Model matematis draft pembajakan untuk frekuensi 5 Hz……..………...…19 6. Simpangan absolut dari batang bajak sebagai fungsi dari

⁄ …………...21 7. Respons getar batang bajak SDOF dalam kondisi steady pada

kekakuan pegas eliptis k = 18750 Nm/rad dengan fe = 5 Hz.………..……..23

8. Respons getar batang bajak SDOF dalam kondisi steady pada

kekakuan pegas eliptis k = 18750 Nm/rad dengan fe = 2 Hz…………....…..24

9. Simpangan absolut ujung pisau bajak TDOF sebagai fungsi dari m2….……25

10. Respons getar batang bajak TDOF dalam kondisi steady pada

kekakuan pegas eliptis k = 18750 Nm/rad, fe = 5 Hz………...……….…….25

11. Contoh lintasan ujung pisau bajak………..26 12. Grafik lintasan ujung pisau bajak untuk SEVVT_SDOF

dengan frekuensi draft tanah fe=5 Hz………..….….27 13. Grafik lintasan ujung pisau bajak untuk SEVVT_SDOF

dengan frekuensi draft pembajakan fe=2 Hz……….………....….28 14. Grafik lintasan ujung pisau bajak untuk SEVVT_TDOF

dengan frekuensi draft tanah fe=5 Hz………....….28 15. Grafik rasio draft pembajakan sebagai fungsi dari rasio kecepatan………...30 16. Sistematika perancangan sesuai dengan VDI 2221...35 17. Struktur fungsi yang menggambarkan cara kerja peralatan………...….41 18. Prinsip solusi dari operasi memadatkan tanah………43 19. Prinsip solusi dari operasi membongkar (membajak) tanah………...…44 20. Prinsip solusi pengukuran gaya dan kecepatan………...45 21. Konsep peralatan varian V9. Soil bin digerakkan oleh

tenaga silinder hidrauliks, pemadatan tanah dilakukan

oleh silinder hidrauliks……….……...48 22. Konsep peralatan varian V12. Soil bin digerakkan oleh mekanisme

konveyor, pemadatan tanah dilakukan oleh silinder hidrauliks………...…...48 23. Konsep peralatan varian V14 Soil bin digerakkan oleh mekanisme

konveyor, pemadatan tanah dilakukan oleh mekanisme lead sqrew………..49 24. Menyusun kriteria eveluasi ke i dan ke j...49

self-excited vibration vibratory-tillage………..……… 53 27. Rancangan wujud struktur landasan……….…..54 28. Rancangan wujud dari soil bin……….…...54 29. Rancangan wujud dari mesin hidrauliks pemadat tanah……….……55 30. Blok diagram interaksi antara tanah dengan pisau bajak……..……….……62 31. (a) Representasi tegangan di suatu titik pada tanah,

(b) Lingkaran Mohr tegangan dengan beban utama σ1 dan σ3…………....…63

32. Gaya-gaya yang bekerja pada pisau bajak (Gill et al. 1968 dan

Upadhyaya et al. 2009)…..……….…..64 33. Peralatan yang digunakan untuk eksperimen bajak tanpa getar……….66 34. Rangkaian hidraulis peralatan pemadat tanah………67 35. (a) Chisel dengan batang lurus tegak, (b) chisel dengan

batang lurus miring………...68 36. Extended octagonal ring transducer……….………..68 37. Instrumentasi sensor regangan pada load cell………...………...69 38. Instrumentasi guna mengukur draft pembajakan bajak tanpa getar…………70 39. (a) Memasang pelat di atas permukaan tanah di dalam soil bin,

(b) roll silindris menekan pelat..……….72 40. Skematis membajak tanah tanpa getar di dalam soil bin………72 41. Setup kalibrasi load cell, (a) mencari sensitivitas pengukuran

dalam arah longitudinal, (b) mencari sensitivitas

pengukuran dalam arah transversal…..……….….…….74 42. (a) Grafik kalibrasi mengukur gaya dalam arah longitudinal,

(b) grafik kalibrasi mengukur gaya dalam arah transversal………75 43. Pengaruh kecepatan membajak terhadap draft maksimum

(grafik a: perlakuan NST1, grafik b: perlakuan NST2,

grafik c: perlakuan NST3, grafik d: perlakuan NST4)…..……….…….76 44. Pengaruh kecepatan membajak terhadap rerata draft pembajakan

(grafik a: perlakuan NST1, grafik b: perlakuan NST2,

grafik c: perlakuan NST3, grafik d: perlakuan NST4).………...77 45. Histogram draft pembajakan rata-rata untuk semua kondisi

membajak tanah……….…….78 46. Grafik draft pembajakan pada perlakuan NST1 pada kecepatan

membajak V=0.158 m/s.……….……….….…..80 47. Grafik draft pembajakan pada perlakuan NST1 pada kecepatan

50. Skema paralatan penelitian dari Laszlo et.al. (2002)……….………….88 51. Peralatan eksperimen pada bajak getar SEV………...90 52. Susunan instrumentasi guna mengukur draft pembajakan pada

bajak getar SEV………..90 53. (a) Pegas semi-eliptis (b), pegas kantilever..………..….……91 54. Ilustrasi eksperimen dengan orientasi FST dan RST pada bajak getar

satu derajat kebebasan, (a) dengan menggunakan chisel plow batang

lurus S1, (b) dengan menggunakan chisel plow batang miring S2...…..…....92 55. Ilustrasi eksperimen pada bajak getar dua derajat kebebasan dengan

chisel plow batang lurus (S1) dan chisel plow batang miring S2)...………..93 56. Skematis membajak tanah dengan bajak getar SEVdi dalam soil bin………94 57. Draft pembajakan pada perlakuan NST21………….……….……96 58. Lintasan Ujung pisau bajak hasil simulasi pada perlakuan RST21…………96 59. Grafik draft pembajakan perlakuan FST dan NST pada kecepatan

membajak 0.158 m/s, (a) FST1-NST11, (b) FST2-NST21..……….…..98 60. Simpangan ujung pisau bajak akibat draft pembajakan D

pada perlakuan FST………....99 61. Grafik draft pembajakan perlakuan RST1 dan NST1,(a) kecepatan

membajak V=0.158 m/s, (b) kecepatan membajak V=0.212 m/s,

(c) kecepatan membajak V=0.265 m/s..….……….….….…101 62. Grafik draft pembajakan perlakuan RST2 dan NST2, (a) kecepatan

membajak V=0.158 m/s, (b) kecepatan membajak V=0.212 m/s,

(c) kecepatan membajak V=0.265 m/s………..………....102 63. Defleksi dari batang bajak akibat draft pembajakan D membuat

ujung pisau bajak terangkat naik………..…….……103 64. Grafik draft pembajakan perlakuan TST dan NST pada kecepatan

membajak V=0.158 m/s, (a) perlakuan TST1-NST11,

(b) perlakuan TST2-NST21……...……….……..104 65. Terjadinya kenaikan elevasi ujung pisau bajak dan massa

tambahan pada pegas kantilever………...……….105 66. Peralatan penelitian dari Butson et.al. (1981)………...111 67. Peralatan eksperimen yang digunakan oleh Szabo et. al. (1998)…………..112 68. Diagram kinematis dari peralatan eksperimen yang digunakan

oleh Niyamapa et. al. (1980)……….…113 69. Skema eksperimental dari Wang et al. (1980)………..113 70. Skema penelitian dari Soeharsono et.al. (2010)………...114

72. (a) Susunan pegas eliptis, chisel plow dan penggetar, Fi : gaya inersia

dari massa tak imbang yang diputar dengan kecepatan sudut ω, (b) penggetar yang terdiri atas motor listrik, pelat serta massa tak

imbang m………...117 73. Instrumentasi guna pengukuran gaya pada eksperimen bajak

getar SEV dengan penggetaran berenergi rendah……….…………117 74. Tanah di dalam soil bin dibagi menjadi dua lapisan……….118 75. Setup eksperimen, perlakuan NST dan VST...120 76. Putaran massa tak imbang m=0.21 kg diputar 1150 rpm pada saat

ujung pisau bajak menyentuh tanah padat………121 77. Grafik kekuatan geser sebagai fungsi dari tegangan normal dari

tanah yang digunakan dalam eksperimen (2: Lingkarann Mohr tegangan batas minimum agar terjadi kerusakan tanah, 3: Lingkaran mohr tegangan akibat putaran massa tak imbang m=0.35 kg,

n=530 rpm, 4: Lingkaran Mohr tegangan akibat putaran

massa tak imbang m=0.24 kg, n=1150 rpm)…….………122 78. Draft pembajakan untuk kondisi NST dan kondisi VST dengan massa

tak imbang 0.35 kg diputar 530 rpm, (a) kecepatan membajak V= 0.158 m/s, (b) kecepatan membajak V=0.212 m/s,

(c) kecepatan membajak V=0.265 m/s...124 79. Draft pembajakan untuk kondisi NST dan kondisi VST dengan massa

tak imbang 0.24 kg diputar 1150 rpm, (a) kecepatan membajak V = 0.158 m/s, (b) kecepatan membajak V=0.212 m/s, (c) kecepatan

membajak V=0.265 m/s………...125 80. Mekanisme turunnya draft pembajakan pada fenomena VST………....…..128 81. Beda elevasi permukaan tanah di dalam soil bin antara

perlakuan NST dan VST...129 82. Kelengketan tanah pada shank dan pada pisau bajak...129 83. Hasil analisis statis dan analisis modal dengan menggunakan

program paket INVENTOR……….141 84. (a) bajak getar SEV kapasitas draft pembajakan 9000 N,

(b) bajak getar SEV kapasitas draft pembajakan 10000 N………...144 85. (a) Bajak getar SEV diberi gangguan dalam arah menyudut,

(b) bajak getar SEV diberi gangguan dalam arah transversal, (c) batang bajak bergetar dalam orientasi menudut,

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman 1. Pandangan muka bajak getar SEV…………..……….………..…….……..159 2. Gambar isometriks kerangka landasan………...……..160 3. Gambar isometriks soil bin………...161 4. Gambar isometriks Pemadat tanah………....164 5. Uji kekuatan geser tanah………...163

DAFTAR SINGKATAN

SEV Self Excited Vibration

SDOF Single Degree of Freedom

TDOF Two Degree of Freedom

SEV_VT Self Excited Vibration Vibratory-Tillage

RST Rear Spring Treatment

FST Front Spring Treatment

NST Non Spring Treatment

VST Vibratory Spring Treatment

TST Two Degree of Freedom Spring Treatment

PENDAHULUAN

Latar Belakang Masalah

Indonesia merupakan negara agraris dan mempunyai lahan pertanian yang sangat luas. Sebagai gambaran luas lahan pertanian di Indoneia mencapai sekitar 76.4 juta hektar yang meliputi lahan basah sekitar 8.4 juta hektar dan lahan kering sekitar 68 juta hektar (Departemen Pertanian, Dir. Jen. Pengelolaan Lahan dan Air 2007). Adalah wajar jika sektor pertanian dijadikan sebagai faktor utama bagi ketahanan nasional, paling tidak untuk suatu daerah tertentu. Adanya lahan pertanian/lintasan yang dilalui oleh alat-alat berat, mesin-mesin pertanian, manusia dan binatang serta adanya konsolidasi tanah berakibat terbentuknya lapisan kedap (hardpan) di dalam tanah (Randy et al. 2006, Zhang et al. 2006)

Lapisan tanah padat dengan tahanan penetrasi tanah di atas 2 MPa. atau mempunyai densitas tanah di atas 1.8 g/cm3 sulit ditembus oleh akar tanaman, menghambat penetrasi air dan nutrisi serta menghambat sirkulasi udara di dalam tanah. Hal ini akan menghambat pertumbuhan tanaman serta menurunkan produktivitas hasil tanaman (Susan dan Nina 1994, Soil Quality Institute 2003, Borghei et al. 2008, Wang et al. 2006). Pada tanaman lahan kering (misalnya tanaman tebu), kandungan air di atas lapisan kedap akan merusak akar tanaman sehingga pertumbuhan tanaman menjadi terhambat. Untuk membongkar lapisan

padat demikian diperlukan draft pembajakan dan konsumsi energi yang besar (Kasisira 2004, Drewer et al. 1980, Chandon et al. 2002). Besarnya draft pembajakan ini digunakan untuk mengatasi gesekan antara tanah dengan permukaan tillage tool, kelengketan tanah dengan pisau bajak, gesekan antar tanah, kohesi tanah serta guna mengatasi percepatan tanah bongkaran di depan

tillage tool (Gill et al. 1968, Upadhyaya et al. 2009)

Pada operasi tillage konvensional

,

tidak ada gerak relatif antara chisel dengan implement sehingga selama operasi tillage, selalu terjadi kontak antara

chisel dengan tanah. Karena selalu terjadi kontak langsung antara tillage tool dengan tanah, maka selama implement bergerak maju akan terjadi pemadatan tanah oleh tillage tool. Hal ini mengakibatkan draft pembajakan menjadi semakin besar (Zhang Ji 1997) sehingga energi yang diperlukan guna membongkar tanah padat juga menjadi besar pula. Energi yang diperlukan untuk menggerakkan

implement didapat dari traksi traktor. Untuk memperbaiki efisiensi dari drive

wheel traktor umumnya dilakukan dengan cara menambah bobot pada bagian belakang traktor. Hal ini akan mengakibatkan kepadatan tanah yang dilalui oleh traktor semakin meningkat sehingga tahanan tanah akan meningkat pula. Draft pembajakan yang besar serta melampaui kemampuan kekuatan komponen traktor juga dapat merusak komponen dari traktor itu sendiri.

Seiring dengan mahalnya harga bahan bakar minyak serta bila luasan lahan yang akan dibongkar sangat luas, maka biaya yang harus dikeluarkan guna mengatasi besarnya draft pembajakan menjadi besar pula. Sebagai gambaran luas lahan kering di Indonesia pada tahun 2008 yang ditanami tebu diperkirakan sekitar 405500 hektar dan akan meningkat menjadi sekitar 408000 hektar pada tahun 2009 (Dirjen Perkebunan Dep. Tan. 2007). Untuk itu diperlukan upaya guna menurunkan draft pembajakan dan energi yang diperlukan sehingga konsumsi bahan bakar yang diperlukan guna membajak tanah menjadi lebih sedikit.

Ada beberapa metode dalam menurunkan draft pembajakan dan konsumsi energi yang telah dikembangkan diantaranya adalah dengan menggunakan teknologi variable depth tillage (Ahmad Kalilian et al. 2002, Yousef Abbaspour

et al. 2005), Teknologi electro osmosis (Radite et al. 2002) dan dengan menggetarkan batang bajak.

Ada tiga metode yang telah dikembangkan dalam menggetarkan batang bajak yaitu dengan memberi energi mekanis secara langsung ke batang bajak, dengan memberikan energi mekanis pada bagian elastis (pegas) dari batang bajak dan dengan memanfaatkan variasi tahanan tanah selama pisau bajak membongkar tanah. Metode pertama dinamakan oscilatory-tillage, metode ke dua dinamakan

force vibration vibratory-tillage sedangkan metode ke tiga dikenal sebagai self

excited-vibration (SEV) vibratory-tillage.

Metode pertama telah banyak diteliti baik secara analitis maupun secara eksperimental dan berhasil menurunkan draft pembajakan secara signifikan namun selalu disertai dengan kenaikan penggunaan energi, bahkan sangat besar (Awat et al. 2009, Bandalan et al. 1999, Dawelbeit et al. 1999, Kofoed SS 1969 dan Sakai et al. 1993). Semua peneliti sepakat bahwa turunnya draft pembajakan terjadi bila rasio kecepatan (perbandingan antara kecepatan getar maksimum dari

batang bajak dengan kecepatan maju traktor) lebih besar dari satu atau jika rasio kontak (perbandingan antara waktu kontak ujung pisau bajak bersentuhan dengan tanah padat dengan waktu satu siklus getar) lebih kecil dari satu. Kondisi ini didapat dengan memvariasikan ampkitudo getar, frekuensi getar serta sudut osilasi batang bajak. Penggetaran batang bajak dengan amplitudo getar tinggi dengan frekuensi rendah menjadikan banyak retakan pada tanah (sebagai akibat tumbukan antara ujung pisau bajak dengan tanah padat) sedangkan penggetaran dengan amplitudo getar rendah pada frekuensi tinggi membuat terjadinya kehancuran tanah di depan ujung pisau bajak. Penggetaran juga mengakibatkan kelengketan antara pisau bajak dengan tanah jauh berkurang sehingga draft pembajakannya menjadi turun. Wang et al, (1998) mencatat penurunan kelengketan antara tanah dengan pelat logam secara drastis bila pelat digetarkan pada frekuensi tinggi. Yang unik adalah penelitian yang dilakukan oleh Shahgoli et al. (2007). Dalam penelitiannya, Shahgoli et al. (2007) melaporkan terjadinya penurunan draft pembajakan sebesar 15 % pada rasio kecepatan kecepatan 0.95. Hal ini dilakukan dengan mengatur frekuensi getar, amplitude getar, sudut osilasi dan kecepatan membajak masing masing sebesar sebesar 1.9 Hz, 69 mm, 270 dan 2.9 km/h. Kondisi ini memungkinkan terjadinya rasio kontak sebesar 79 %. Sesuai dengan rumusan yang dikembangkan oleh Radite et al. (2002) dan Sakai (2009), kondisi rasio kontak ini memungkinkan terjadinya penurunan draft pembajakan. Kendati metode ini menaikkan pemakaian energi, namun mempunyai keunggulan yaitu kualitas tanah menjadi semakin gembur dan banyak terjadi retakan di dalam tanah yang telah terbongkar (Radite et al. 2007) sehingga memudahkan kandungan air di atas lapisan kedap meresap ke dalam tanah. Dalam metode ini berapapun besarnya energi yang dibutuhkan untuk mengosilasikan tillage tools disediakan sepenuhnya oleh sistem mekanis. Hal inilah yang menyebabkan kenaikan konsumsi energi secara berlebihan.

Radite et al. (2010b) melakukan penelitian dengan menggunakan metode

force vibration vibratory-tillage. Radite et al. (2010b) melakukannya dengan penggetaran struktur pada bajak mol getar lateral. Dalam penelitiannya, Radite et

al. (2010b) memasang batang bajak mol pada batang kantilever yang digetarkan dalam arah transversal dan ditarik oleh traktor. Kedalaman membajak dibuat

sedalam 36-44 cm sedangkan kecepatan membajak dibuat sebesar 1.61-1.8 km/jam. Dengan penggetaran struktur pada frekuensi 7-12 Hz, draft bajak mol turun antara 18.2-23.6 %. Pada frekuensi antara 7 Hz sampai dengan 12 Hz getaran struktur juga cukup efektif dalam menurunkan energi getar, dimana penurunan draft masih lebih besar dibandingkan dengan presentasi kenaikan daya kinetis. Penggetaran dengan frekuensi 15 Hz paling tidak efektif karena peningkatan daya kinetis sebesar 10.9 % hanya menghasilkan penurunan daya sebesar 3.1%.

Metode yang ke tiga (self-excited vibration vibratoty tillage) juga telah diteliti secara analitis dan secara eksperimental (Laszlo et al. 2002, Berntsen et al. 2006 dan Qiu Lichun et al. 2000, Duerinckx et al. 2005). Dalam metode ke tiga, penurunan tahanan tanahnya lebih rendah dibandingkan dengan metode yang pertama sedangkan konsumsi energinya menjadi lebih rendah jika dibandingkan dengan konsumsi energi pada operasi tillage tanpa getar dan metode oscilatory-

tillage. Energi yang dibutuhkan untuk menggetarkan tillage tools didapat dari energi yang disimpan di dalam pegas dalam bentuk energi potensial yang diakibatkan oleh variasi draft pembajakan. Dengan demikian energi yang disediakanpun menjadi terbatas. Perlu diupayakan untuk menaikkan level energi dari sistem getar yaitu dengan optimasi elastisitas pegas, dengan menambah jumlah derajat kebebasan dari sistem getar serta dengan penggetaran berenergi rendah pada pegas elastis. Dengan optimasi elastisitas pegas dan sistem getarnya, diharapkan energi yang disimpan di dalam pegas menjadi lebih besar sehingga getaran yang terjadi pada tillage tools akan mampu menurunkan tahanan tanah secara signifikan dengan kualitas tanah yang tidak jauh berbeda dengan kualitas tanah yang dihasilkan oleh subsoiling metode oscilatory-tillage.

Gill et al. (1968) dan Upadhyaya et al. (2009) membuat rumusan draft pembajakan yang didasarkan pada keseimbangan gaya-gaya yang bekerja pada pisau bajak. Khusus irisan di depan ujung pisau bajak, draft pembajakannya didasarkan pada passive soil failure theory atau Mohr Coulomb theory. Draft pembajakan ini menjadi besar bilamana irisannya memanjang dari ujung pisau bajak sampai dengan permukaan tanah. Bilamana Mohr Coulomb theory ini hanya digunakan untuk menghancurkan tanah padat di depan ujung pisau bajak, maka

gaya tersebut menjadi sangat kecil. Hal ini bisa dilakukan dengan penggetaran pada batang bajak berenergi rendah dengan frekuensi tinggi. Dengan penggetaran berenergi rendah pada batang bajak, diharapkan mampu menghancurkan tanah di depan ujung pisau bajak tanpa membuat irisan tanah sehingga draft pembajakan beserta konsumsi energinya menjadi turun.

Rumusan Masalah

Dari uraian di atas dan agar penelitian ini menjadi jelas dan terarah, maka dibuat rumusan masalah sebagai berikut:

Usaha menurunkan draft pembajakan dan konsumsi energi pada subsoiling dengan menggunakan subsoiler jenis self excited vibration satu dan dua derajat kebebasan, dan dengan penggetaran berenergi rendah pada bajak getar self-excited

vibration. Usaha tersebut dilakukan melalui studi analitis dan studi eksperimental dalam skala laboratorium.

Tujuan Penelelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah:

• Mengungkapkan mekanisme turunnya draft pembajakan, baik melalui simulasi matematis maupun melaluai eksperimen pada bajak getar yang mengalami gangguan secara alami sebagai akibat dari variasi draft pembajakan.

• Membuat derivasi matematis dari getaran subsoiler getar yang mengalami gangguan secara alami sebagai akibat dari variasi draft pembajakan, yang meliputi subsoiler getar satu dan dua derajat kebebasan.

• Membuat model subsoiler getar satu dan dua derajat kebebasan yang mengalami gangguan secara alami sebagai akibat dari variasi draft pembajakan dalam skala laboratorium, tujuannya adalah menurunkan draft pembajakan yang diperlukan untuk membajak tanah.

• Membuat model subsoiler getar dengan penggetaran berenergi rendah pada bajak getar satu derajat kebebasan yang mengalami gangguan secara alami sebagai akibat dari variasi draft pembajakan dalam skala laboratorium, tujuannya adalah menurunkan draft pembajakan beserta penggunaan energi yang diperlukan untuk membajak tanah.

Kegunaan Penelitian

Penelitian ini diharapkan memberikan manfaat sebagai berikut:

• Memberikan kontribusi positif bagi pengembangan ilmu pengetahuan dan teknologi khususnya di bidang getaran struktur beserta penerapannya pada mesin-mesin pertanian.

• Bila digunakan dalam skala lapang dapat membantu petani dalam memperbaiki kualitas tanah sehingga produktivitas hasil pertanian semakin meningkat. • Bila digunakan dalam skala lapang dapat menghemat penggunaan bahan bakar

minyak yang diperlukan guna membongkar tanah padat.

• Bila digunakan dalam skala lapang dapat menjaga reliabilitas dari traktor yang digunakan untuk membajak tanah.

Ruang Lingkup Penelitian

Seluruh rangkaian penelitian ini dilakukan dalam skala laboratorium. Guna menjamin keberhasilan penelitian, maka penelitian ini disusun meliputi:

• Studi analitis/simulasi bajak getar jenis self-excited vibration (SEV), yang meliputi bajak getar SEV berderajat kebebasan tunggal maupun bajak getar SEV berderajat kebebasan ganda. Simulasi ditekankan pada getaran batang bajak, lintasan ujung pisau bajak serta besar penurunan draft pembajakan beserta mekanisme penurunan draft pembajakan.

• Perancangan peralatan penelitian. Perancangan ini disusun secara sistematis tahap demi tahap utamanya didasarkan pada teori yang dikembang oleh Pahl et

al. (1976). Perancangan lebih ditekankan pada perancangan konsep peralatan dan disertai dengan informasi tambahan tentang perancangan wujud.

• Eksperimen guna mencari besar, frekuensi dan model matematis dari draft pembajakan. Eksperimen ini diperlukan untuk merancang pegas yang akan digunakan untuk penelitian bajak getar jenis self-excited vibration. Demikian pula diperlukan untuk proses simulasi lanjutan serta digunakan untuk perbandingan dengan draft pembajakan dari hasil yang didapat dari bajak getar

self-excited vibration.

• Eksperimen guna mencari pengaruh elastisitas pegas beserta orientasinya terhadap draft pembajakan. Eksperimen meliputi bajak getar SEV satu dan dua

derajat kebebasan, orientasi pegas menghadap ke muka (front spring treatment) dan orientasi pegas menghadap ke belakang (rear spring treatment)

• Eksperimen guna mencari pengaruh penggetaran berenergi rendah pada bajak getar SEV terhadap draft pembajakan dan kebutuhan energi.

Kebaruan Penelitian

Kebaruan dari penelitian ini adalah:

• Digunakannya pegas semi-eliptis pada bajak getar SEV yang mempunyai potensi getar dalam arah menyudut (horisontal dan vertikal) serta dalam arah transversal.

• Diungkapkannya pengaruh orientasi pegas pada bajak getar SEV terhadap draft pembajakan.

• Kebaruan utama dari penelitian ini terletak pada pengaruh penggetaran berenergi rendah pada bajak getar SEV satu derajat kebebasan terhadap penurunan draft pembajakan dan energi saat membajak tanah.

(Analytical Study of Self-Excited Vibration Vibratory-tillage)

Abstrak

Studi analitis dan eksperimental terhadap penggetaran batang bajak dengan cara memberikan energi mekanis ke batang bajak telah banyak dilakukan. Walaupun metode ini berhasil menurunkan tahanan tanah secara signifikan, namun penggunaannya berakibat pada kenaikan konsumsi energi secara berlebihan. Penggetaran dengan cara menggunakan metode eksitasi sendiri pada

subsoiler getar juga telah banyak dilakukan secara eksperimental. Penggetaran dengan cara ini berhasil menurunkan tahanan tanah. Namun, penurunannya tidak sebesar yang dicapai dengan cara sebelumnya. Kendati demikian, studi analitis terhadap penggetaran dengan cara yang kedua ini belum pernah dilakukan secara detil. Oleh karena itu dalam penelitian ini akan dilakukan studi analitis dari bajak getar jenis self-excited vibration (SEVVT). Tujuannya adalah mencari parameter dinamis dari bajak getar sehingga getaran dari batang bajak mampu menurunkan

draft pembajakan yang diperlukan untuk membajak tanah. Getaran dari SEVVT dimodelkan sebagai sistem getar Satu Derajat Kebebasan (SEVVT_SDOF) dan sistem getar Dua Derajat Kebebasan (SEVVT_TDOF). Dalam SEVVT_SDOF, derajat kebebasan yang dipilih adalah getaran batang bajak yang dihubungkan dengan kerangka tetap melaluai sebuah pegas semi-eliptis. Bajak getar SEVVT_TDOF didapat dengan cara menambah sebuah massa ayun yang dihubungkan dengan batang bajak melalui sebuah pegas koil. Getaran batang bajak diakibatkan oleh variasi draft pembajakan selama pisau bajak bergerak maju. Elastisitas pegas semi-eliptis atau besar massa ayun divariasikan sehingga batang bajak bergetar hebat di sekitar frekuensi resonansi. Kondisi ini diharapkan mampu menurunkan draft pembajakan yang diperlukan untuk membajak tanah. Seberapa besar turunnya draft pembajakan diinvestigasi dengan cara menganalisis gerak osilasi dari lintasan ujung pisau bajak. Hasil yang didapat dibahas lebih lanjut sehingga didapat gambaran tentang keberhasilan dari penelitian ini.

Kata kunci: bajak getar, self-excited vibration, draft pembajakan, pegas

semi-eliptis, lintasan ujung pisau bajak.

Abstract

Analytical and experimental study on vibratory-tillage by adding external energy to the tillage tool has been widely conducted. Though this method has been shown to significantly reduce soil resistance, it will, unfortunately, increases the energy consumption excessively. Experimental study on vibratory-tillage by self-excited vibration method has also been performed. This method can also reduces soil resistance though not as much as the former. No analytical study in detail of the latter, however, can be found. This chapter discusses analytical study of self-excited vibration of tillage-tool on vibratory-tillage (SEVVT) due to natural excitation of varying cutting forces. The objectif of this discussion is to find dynamics parameter of vibratory-tillage so that the vibration of tillage-tool will

be able to reduced draft force required for loosening soil density during tillage operation. The vibration of SEVVT was modeled as vibration systems with single and two degrees of freedom (SEVVT-SDOF and SEVVT_TDOF) system. In the SEVVT_SDOF, the degree of freedom was vibration of tillage tool that was connected to a fixed structure by a new model of semi-elliptic spring. In the SEVVT_TDOF, the degrees of freedom were the motion of the tillage tool and the motion of the swinging-mass arm; the swinging mass was connected to tillage tool by a coil spring. The vibration of tillage tool was caused by natural excitation of the varying cutting force. The elasticity of elastic spring or the mass of swinging mass was optimized such that the tillage tool vibrates violently around its resonant frequency. This condition decreases the draft force required to loosen soil density due to the self-exited vibration phenomenon. The possibility of draft force reduction was investigated further by analyzing the oscillating pathway of the tillage tool tip. The result discussed further so that the successfully of this research can be visualized.

Keywords: Vibratory-tillage, self-excited vibration, draft force, semi-elliptic spring, oscillating pathway of the tillage tool tip.

Pendahuluan

Parameter dinamis dari suatu struktur dinyatakan dengan massa, elastisitas dan peredam. Massa dan elastisitas merupakan potensi getar dari struktur sedangkan peredam merupakan potensi struktur dalam meredam getaran. Sesuai dengan gangguannya, getaran struktur dibedakan dalam getaran bebas, getaran paksa dan self-excited vibration. Secara skematis, klasifikasi tersebut dapat ditunjukkan dalam bentuk model dinamis pada Gambar 1.

Gambar 1 Model dinamis dari getaran struktur.

Getaran bebas terjadi bilamana struktur diberi simpangan awal atau kecepatan awal, dalam hal demikian struktur akan bergetar secara harmonis dengan frekuensi getar sesuai dengan frekuensi alaminya. Getaran paksa terjadi bilamana struktur diberi gangguan dari luar baik berupa gaya/momen atau berupa

gerakan rangka dasar/pondasi. Dalam hal demikian, struktur akan bergetar dengan frekuensi getar yang sesuai dengan frekuensi gangguannya. Bila frekuensi gangguan berdekatan dengan frekuensi alami struktur, maka terjadi fenomena resonansi dan struktur akan bergetar hebat.

Fenomena self-excited vibration terjadi utamanya akibat adanya interaksi antara gerakan struktur dengan lingkungan getarnya (Rao dan Yap Fook Fah 2005, McMillan 1997). Hal yang unik dari getaran ini adalah gangguannya selalu merupakan fungsi dari simpangan, kecepatan dan percepatan dari massa getar. Oleh karena itu pada kasus ini tidak ada solusi yang sifatnya umum bahkan pada beberapa kasus, solusi eksperimental memberikan jawab yang mendekati kebenaran (Ekwaro dan Desen 2001).

Fenomena self-excited vibration telah digunakan pada bajak getar dengan tujuan untuk menurunkan draft pembajakan serta energi yang diperlukan untuk membajak tanah (Qiu Lichun et al. 2000, Berntsen et al. 2006 dan Laszlo Fenyvesi et al. 2002).

Qiu Lichun et al. (2000) membuat studi eksperimental bajak getar dengan menggunakan metode self-excited vibration. Pegas elastis dipasang antara bajak getar dengan traktor menggantikan fungsi dari upper link. Bajak getar bekerja pada kedalaman membajak antara 26 cm sampai dengan 29 cm. Dibandingkan dengan bajak tanpa getar, Qiu Lichun et al. (2000) mencatat penurunan draft pembajakan sekitar 10.8 %.

Bernstsen et al. (2006) melakukan penelitian tentang draft pembajakan dengan menggunakan rigid tines dan flexible tines. Penelitian dilakukan pada

loam soil pada dua kondisi tanah yaitu pada tilled soil dan pada no-tilled soil serta pada dua kondisi kecepatan 1 m/s dan 2 m/s. Kedalaman membajak dilakukan pada 0.06 m dan 0.12 m. Dalam penelitiannya, Bernstsen et al. (2006) menggunakan tiga jenis tines yaitu rigid tine, flexible straight tines dan flexible S

tines. Jika dioperasikan pada no-tilled soil, Bernstsen mencatat penurunan draft pembajakan pada flexible straight tines dan flexible S tines berturut turut sebesar sebesar 20 % dan 28% dibandingkan dengan draft pembajakan yang diperlukan oleh rigid tines. Pada tilled soil, terjadi hal sebaliknya yaitu rigid tine memberikan

draft pembajakan paling rendah dibandingkan dengan draft pembajakan untuk

flexible tine.

Laszlo et al. (2002) membuat penelitian SEVVT guna menurunkan draft pembajakan dengan menggunakan Sakun plow. Laszlo et al. (2002) mencatat tidak terjadi penurunan draft pembajakan tanah pada kekakuan pegas yang sangat rendah. Penurunan draft pembajakan menjadi semakin tinggi pada kekakuan pegas yang semakin tinggi. Pada batas kekakuan pegas tertentu draft pembajakan nya menjadi semakin tinggi lagi. Laszlo et al. (2002) menyimpulkan penurunan

draft pembajakan optimum terjadi pada rentang frekuensi alami bajak getar pada kisaran 20-25 Hz.

Walaupun bajak getar jenis SEVVT telah diuji secara eksperimental dan berhasil menurunkan draft pembajakan, namun kajian analitisnya baru dilakukan sebatas pada kajian analitis tentang getaran batang bajak sedangkan analisis tentang turunnya draft pembajakan pada bajak getar jenis SEVVT hanya sedikit dibahas.

Pada bab ini akan dibuat studi analitis bajak getar jenis self-excited

vibration. Getaran dari SEVVT dimodelkan sebagai system getar satu derajat kebebasan (SDOF) dan sistem getar dua derajat kebebasan (TDOF) yang meliputi getaran dari batang bajak dan getaran dari massa ayun. Batang bajak dihubungkan dengan fixed structure oleh sebuah pegas semi-eliptis sedangkan massa ayun dihubungkan dengan batang bajak oleh sebuah pegas koil. Getaran batang bajak diakibatkan oleh variasi draft pembajakan yang berupa fungsi periodik dan diekspansikan lebih lanjut dalam deret Fourier. Dilakukan simulasi pada dua kondisi frekuensi draft pembajakan yaitu pada frekuensi sedang (5 Hz) dan frekuensi draft pembajakan rendah (2 Hz). Momen inersia massa dari batang bajak dibuat konstan sedangkan elastisitas pegas atau besar massa ayun divariasikan. Kondisi ini berpengaruh terhadap getaran batang bajak. Getaran batang bajak direpresentasikan dalam domain waktu, dalam bentuk grafik simpangan batang bajak sebagai fungsi dari frekuensi alami ωn dan sebagai fungsi

dari massa ayun m2. Pada kondisi tertentu batang bajak akan bergetar hebat,

energi regangan yang disimpan pada pegas mendorong batang bajak sehingga terjadi tumbukan antara pisau bajak dengan tanah padat dengan level energi yang

tinggi. Kondisi ini diharapkan mampu menurunkan draft pembajakan yang diperlukan untuk membajak tanah. Mekanisme turunnya draft pembajakan diinvestigasi lebih lanjut dengan menganalisis grafik dari lintasan ujung pisau bajak.

Tujuan dari penelitian ini adalah:

• Mencari parameter dinamis bajak getar SEV sehingga getaran batang bajak mampu menurunkan draft pembajakan yang diperlukan untuk membajak tanah. • Mengungkapkan secara analitis mekanisme turunnya draft pembajakan tanah

pada bajak getar jenis self-excited vibration.

Metodologi

Persamaan Gerak Getaran Bajak Getar SEVVT_SDOF

Model fisis dari perlakuan SEVVT_SDOF ditunjukkan pada Gambar 2a yang terdiri atas pegas semi-eliptis dengan kekakuan k dan batang bajak dengan momen inersia J. Model dari SEVVT dipasang pada sebuah carriage yang bergerak maju dengan kecepatan V0. Getaran batang bajak diakibatkan oleh

variasi draf pembajakan yang diakibatkan oleh interaksi antara pisau bajak dengan tanah selama carriage bergerak maju. Pada saat carriage bergerak maju, pisau bajak menekan tanah padat dengan gaya yang sangat besar. Batang bajak terdefleksi ke belakang menekan pegas elastis dan energinya disimpan pada pegas elastis dalam bentuk energi regangan. Pada saat tanah padat terbongkar, draft pembajakan menurun drastis, pegas elastis melepas energi regangan dan diubah menjadi energi mekanis pada batang bajak sehingga batang bajak bergetar sesuai dengan fenomena stick-slip pada self-excited vibration (Mc Milan 1997).

Dengan demikian maka sistem getar dari bajak getar dapat dimodelkan sebagai sistem self-excited vibration satu derajat kebebasan seperti terlihat pada Gambar 2b. Pegas semi-eliptis dimodelkan sebagai pegas linier dengan kekakuan sudut k, c adalah model dari peredam tanah sedangkan batang bajak dimodelkan dengan inersia massa J. Sistem getar dihubungkan dengan kerangka yang bergerak maju dengan kecepatan V0 sedangkan derajat kebebasan yang dipilih

(a) (b)

Gambar 2 (a) Model fisis dari perlakuan SEVVT_SDOF, (b) model matematis dari perlakuan SEVVT_SDOF.

Jika θ adalah simpangan sudut dari batang bajak, maka persamaan diferensial dari getaran batang bajak dapat ditulis sebagai:


  

 . ,  ,  (1) atau:

  2
 
_{. , , /  (2)} di mana:

x = rϴ adalah simpangan horisontal dari ujung pisau bajak    ⁄ : adalah frekuensi alami dari sistem getar   /2 : adalah factor peredaman

,  ,  : draft pembajakan akibat interaksi antara pisau bajak dengan tanah selama carriage bergerak maju.

J: momen inersia massa dari batang bajak dan pegas semi-eliptis

k:: kekakuan sudut dari pegas semi-eliptis.

r: jarak antara pusat getar O ke draft pembajakan.

c: koefisien peredam viskus dari tanah setelah dibajak.

t: tebal pegas semi-eliptis.

Digunakan notasi   . ,  , . Karena ,  ,  dimodelkan sebagai fungsi periodik maka M(t) juga merupakan fungsi periodik dengan perioda T dan frekuensi ω. Oleh karenanya maka M(t) dapat dinyatakan dalam deret Fourier sebagai berikut (Kreyszig 1988, Meirovitch 1986):

 





 ∑ !

&'( 

"#$% 

)



*+%%,

(3)

di mana:

!

-



_.

/ ,

_-.

!





_.

/ "#$%

_-.



)





_.

/ *+%%

_-. (4)

Subsitusi persamaan 3-4 ke persamaan 2 didapatkan respon getar menyudut dari getaran batang bajak sebagai (Rao dan Yap Fook Fah, 2005):

 

 0

 ∑ 1

∞'( 

#$% 2 3



  4



sin%+ 2 3





(5) di mana:

1





8⁄0 9:(;<8= =8> ? @?A<?B8=₌₈ >?

4





C8⁄0 9:(;<8= =8> ? @?A<?B8=₌₈ >?

(6)

3



 !!% <

_{(;E E}DE E_{⁄ }⁄ ₈8?

>,

n = 1,2,3,... (7)

Persamaan 5-6 menunjukkan bahwa bajak getar akan bergetar hebat

bilamana:

<

E E8

>



 1.

Persamaan Gerak Getaran Bajak Getar SEVVT_TDOF

Model fisis dari SEVVT Dua Derajat Kebebasan (SEVVT_TDOF) ditunjukkan pada Gambar 3. Yang membedakan model fisis dari perlakuan SEVVT_TDOF dengan model fisis dari perlakuan SEVVT_SDOF adalah ditambahkannya massa ayun yang dihubungkan dengan batang bajak oleh sebuah pegas koil. Derajat kebebasan yang dipilih adalah simpangan sudut dari batang bajak
₍ dan simpangan sudut dari batang ayun
_. Sebuah massa G dipasang pada ujung batang ayun. Semua komponen dari bajak getar terbuat dari bahan baja sehingga peredaman struktur dapat diabaikan. Model matematis dari getaran batang bajak getar jenis ini ditunjukkan pada Gambar 4.

Gambar 3 Model fisis dari perlakuan SEVVT_TDOF.

Gambar 4 Model matematis dari perlakuan SEVVT_TDOF.

Dari Gambar 3-4 dapat dibuat persamaan diferensial dari getaran batang bajak getar sebagai berikut:

H( # 0 J K
 (
L  M (( ( ( N K

_ (L  H((( (J O

(P  Q0 R (8a) atau: ST  UT  VT  W (8b) di mana:

  . ,  ,  dengan ,  , : draft pembajakan . (9) (( ( (_{#$X(, ( 2(#$X(}

( (   _#$X(

J1: momen inersia massa dari batang bajak.

    GYcosX(/#$X

k1: kekakuan sudut dari batang pegas semi-eliptis.

k2: kekakuan linier dari pegas penghubung. r J1 J2 O1 O2 A B m2 k1 k2 t C

d1: jarak antara titik O1 ke titik A. d2: jarak antara titik O1 ke titik B. l2: jarak antara titik O2 ke massa m2.

r: jarak antara titik O1 ke draft pembajakan .

J: matriks massa c: matriks peredaman. k: matriks kekakuan

Persamaan 8 menunjukkan bahwa koordinat θ1 terhubung (terkopling)

dengan koordinat θ2. Dengan menggunakan metode analisis modal, koordinat θ1

dan θ2 dapat diubah menjadi dua buah koordinat yang tidak terkopling, misalnya

koordinat η1dan η2. Frekuensi alami dan vector pribadi dari persamaan getar pada

persamaan 8 adalah ωn1, ωn2, {Q}1 and {Q}2. Matriks modal Q didefinisikan

sebagai:

\  ] ^,( ^,_  H^(( ^(

^( ^J (10) Prinsip orthogonal dari matriks modal Q terhadap matriks massa J dan terhadap matriks kekakuan k ditulis sebagai (Meirovitch 1986, Rao et al. 2005):

\`<sub>S\  W dan \</sub>`_{V\  a (11)} di mana M dan K berupa matriks diagonal dan masing-masing adalah matriks massa umum dan matriks kekakuan umum serta ditulis sebagai:

W  H( 0

0 J a  Hb0 b( 0J (12) di mana

bc⁄c' ,c d  1,2

Matriks terkopling θ dihubungkan dengan matriks tidak terkopling η oleh matriks modal Q yaitu:

T  \e, e  Qf(_fR (13) Subsitusi persamaan 11-13 ke persamaan 8 selanjutnya di-prakalikan dengan matriks QT dan dengan menganggap matriks peredaman c sebagai matriks proporsional terhadam matriks massa J dan matriks kekakuan k didapatkan dua

buah persamaan getar berderajat kebebasan satu yaitu (Rao dan Yap Fook Fah, 2005, Krodkiewski JM. 2008, Cai et al. 2002, Rich Marchand et al. 1999):

(f( 2((f ( bf(  ^((

f 2f  bf ^( (14) Dengan M(t) berupa fungsi periodik pada persamaan 3-4, maka respon getar dalam koordinat tidak terkopling e adalah (Rao dan Yap Fook Fah 2005):

f

(



_ighh_h

 ∑ 1

∞'( (

cos % 2 3

(

  4

(

sin % 2 3

(

,

f

_



gh? i?

 ∑ 1

 

_{cos % 2 3}



  4



sin %

∞ '(

2 3



,

(15) di mana

1

c



ghj8⁄ij k<(;lmjn?>?AlDmjn?

,

4

_c



ghjC8⁄ij k<(;lmjn?>?AlDmjn?

(16)

!%3

_c



Dmj (;lmjn?

,

c  c⁄ , d  1,2 (17)

Dengan memperhatikan persamaan 14, maka respon getar dalam koordinat tidak terkopling adalah:

(  ^((f( ^(f dan
  ^(f( ^f (18) Persamaan 16 menunjukkan bahwa bajak getar akan bergetar hebat bilamana

<

E

E8

>



 1

.

Model Draft Pembajakan dan Parameter Getar dari Sistem Getar

Untuk sesaat, draft pembajakan ,  ,  dimodelkan sebagai fungsi periodik seperti terlihat pada Gambar 5 dan dibagi menjadi tiga tahap. Dari titik 1 ke titik 2, pisau bajak bergerak maju melalui aliran plastis (plastic flow) dari tanah padat (Aluko et al. 2010 dan Yow et al. 1976). Dalam langkah ini besar draft pembajakan dianggap sebesar 40 % dari besar draft pembajakan untuk bajak tanpa getar. Selanjutnya dari titik 2 ke titik 3 pisau bajak terdorong mundur oleh tanah padat. Dari titik 3 ke titik 4 selanjutnya ke titik 5, pisau bajak bergerak maju melalui tanah yang telah telah dibajak. Dalam langkah ini besar draft pembajakan