Torsi Gergaji Piringan untuk Memotong Batang Tanaman Tebu. (Torsion of Disc with Serrated to Cutting Stalk of Sugarcane)

(1)

Torsi Gergaji Piringan untuk Memotong Batang Tanaman Tebu

(Torsion

of

Disc

with

Serrated

to

Cutting

Stalk

of

Sugarcane)

Bambang Sugiyanto1)_dan_Taufik_Rizaldi2)

1)_Jurusan_Teknik_Mesin_Politeknik_Negeri_Medan

2)_Program_Studi_Teknik_Pertanian,_Fakultas_Pertanian_USU,_Medan

Abstract

Alternative cutting mechanism harvesting sugar cane mechanization was rotary disc cutting tool with

serrated in peripherial driven by small knapsack gasoline motor.

Objective of this research was to study the cutting torque and influenced of design parameters to drive rotating disc with serrated cutting edge.

The Parameters wich used to determine torque were: diameter of material (Db), tangential velocity of

serrated (Vt) and feeding velocity (Vb). The materials used were meranti woods and sugar cane stalks. To

determine the cutting torque, dimension analysis which then result a mathematic model was used suitable for the

sugarcane stalk cutting process.

From analysis and discussion it was concluded that the cutting torque decreased if the feeding velocity inset to be constant and tangential velocity increased.

Keywords: torque, disc with serrated, sugarcane cutting

Abstrak

Alternatif mekanis pemanen tebu adalah alat potong gergaji piringan yang digerakkan oleh motor daya kecil dan dapat digendong oleh pekerja.

Tujuan penelitian adalah mengkaji besarnya torsi dan parameter desain yang berpengaruh untuk menggerakkan gergaji piringan sebagai alat potong untuk memotong batang (tebu).

Parameter‐parameter yang digunakan untuk menentukan besarnya torsi adalah diameter bahan (Db), kecepatan tangensial gergaji (Vt), kecepatan pengumpanan (Vb). Bahan yang digunakan adalah kayu meranti dan batang tebu. Untuk menentukan torsi pemotongan digunakan metode analisa dimensi sehingga ditemukan model matematika yang sesuai untuk proses pemotongan batang tebu.

Dari analisa dan pembahasan dapat disimpulkan bahwa besarnya torsi pemotongan berkurang jika kecepatan pengumpanan konstan dan kecepatan tangensial gergaji bertambah.

Kata kunci: torsi, gergaji piringan, pemotongan tebu

Pendahuluan

Latar Belakang

Budidaya tebu sebagai bahan dasar dalam proses produksi gula banyak diusahakan oleh petani di Indonesia, tetapi mekanisasi dalam proses pertanian tebu masih sangat terbatas dan proses panen masih dilakukan secara manual, yaitu dengan cara membabat tebu

dengan alat potong tradisional yang pada umumnya menggunakan sabit.

Proses panenan tebu secara manual/ tradisional membutuhkan tenaga kerja (buruh) yang relatif lebih banyak dengan kapasitas kerja yang rendah.

Maka dari itu perlu dikembangkan alat pertanian mekanis untuk proses pemanenan tebu. Alternatif alat mekanis pemanen tebu yang ditawarkan adalah jenis alat potong

(2)

piringan rotari portable dengan gerigi gergaji pada sekeliling luar piringannya dan digerakkan oleh motor pembangkit daya skala kecil yang dapat digendong oleh buruh perkebunan tebu.

Berdasarkan uraian tersebut di atas, maka perlu kiranya dilakukan penelitian (pengkajian) tentang analisa torsi pada alat potong jenis gergaji piringan rotari untuk memotong bahan tanaman tebu sehingga nantinya dapat menjadi bahan acuan dalam memperkirakan kebutuhan daya pada mesin pemanen tebu yang menggunakan gergaji piringan.

.

Tujuan Penelitian

Tujuan penelitian adalah mengkaji besarnya torsi untuk memutar gergaji piringan sebagai alat potong batang tebu dengan beberapa parameter yang mempengaruhinya. Penelitian ini juga bertujuan untuk mendapatkan model matematis hubungan dari parameter‐ parameter tersebut.

Metodologi Penelitian

Prinsip Kerja Pemotongan

Pemotongan tanaman yang dibahas pada penelitian ini menggunakan mekanisme yang terdiri atas gergaji piringan dan poros pemutar.

Jika gergaji piringan berputar dengan kecepatan tertentu dan terhadap bidang putar dengan sudut tertentu terdapat bahan yang digerakkan (digeser) menuju sumbu piringan maka gergaji piringan yang berputar tersebut akan menggergaji dan memotong bahan.

2 =. Poros pemutar 1 = Gergaji piringan 3 = bahan (batang tebu)

Gambar 1. Bagian‐Bagian Utama Alat Potong Gergaji Piringan

Proses pemotongan berlangsung terus selama bahan digeser menuju sumbu piringan sampai bahan putus terpotong oleh gergaji.

Gaya Pemotongan

Proses pemotongan bahan oleh gergaji pada prinsipnya adalah perusakan (penghancuran) bahan tepat pada mata gergaji. Untuk dapat merusak (menghancurkan) bahan maka mata gergaji harus mampu melawan kekuatan yang dimiliki oleh bahan.

l

Fc

δs

Gambar 2. Bentangan Elemen Gergaji

Diasumsikan selama pemotongan tebal pemakanan gergaji adalah δs yaitu ujung mata gergaji yang masuk pada batang tebu, dan panjang pemakanan yang tidak lain adalah panjang busur gergaji piringan yang mengenai batang tebu adalah l, maka besarnya gaya pemotongan dapat dicari:

Fc = τ x δs x l

Torsi pemotongan

Torsi yang dialami oleh poros piringan selama proses pemotongan (dengan asumsi gaya inersia diabaikan) besarnya adalah:

T = Fct x R

Di mana: T = Torsi

Fct = Komponen gaya potong tangensial

= Komponen gaya potong yang tegak lurus jari‐jari piringan

R = Jari‐jari gergaji piringan Gaya potong = Fc

Komponen gaya potong arah tangensial Fct Komponen gaya potong arah radial Fcr

(3)

Jika gergaji piringan memiliki jumlah gigi sekeliling sebanyak NOK dan berputar N rpm, maka tiap gigi satu putaran akan menghasilkan pemotongan maju sebesar LLF, yaitu:

Satu gigi gergaji Φ Fct

Fcr Fc

60 1000

N

Vb

LLF

OK

×

=

Dan kecepatan gigi gergaji: Gambar 3. Gaya‐Gaya Potong

1000

ω

× = R V

Kecepatan Pengumpan dan Putaran Piringan Gergaji 1000 60 14 , 3 2 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ _× _× × = N R V

Satu kali mata gergaji memotong, maka hasil pemotongannya membentuk kurva sikloida. LLF R R α Vc V Vb

Gambar 5. Panjang Pemotongan Tiap Gigi

Berdasarkan Gambar 5 maka kecepatan pemotongan Vc adalah:

Gambar 4. Sikloida Dasar Gerakan Pemotongan

Kajian kecepatan menurut Sverker

Persson (1987, p. 115) adalah: Vc=

(V²

+

Vb²

-

2 V

Vb

sin

α

)

Vb : kecepatan pengumpanan [m/s]

Analisis Dimensi Vc : kecepatan pemotong (gigi gergaji) [m/s]

ω : kecepatan angular piringan [rad/s]

Berdasarkan uraian tersebut di atas maka variabel‐variabel yang diduga berpengaruh terhadap torsi pemotongan bahan batang oleh gergaji piringan disajikan pada Tabel 1.

R : jari‐jari piringan [mm]

Vt : kecepatan relatif antara alat potong dan bahan [m/s]

Vx : komponen kecepatan gigi gergaji pada sumbu X [m/s]

Menurut teorema Buckingham banyaknya kelompok bilangan tanpa dimensi yang akan dicari adalah: S = n ‐ b (Glenn Murphy, 1950).

Vy : komponen kecepatan gigi gergaji pada sumbu Y [m/s]

Ti : waktu pemotongan [s]

Komponen Vx dan Vy dapat dihitung sebagai

berikut: di mana:

S = banyaknya bilangan tak berdimensi π

(

) (

)

1000 Ti Sin R Vb

Vx= + ×

ω

× n = jumlah kuantitas parameter, n = 10 b = banyaknya dimensi dasar, b = 3

(

)

(

)

1000 Ti Cos R Vy= ×ω ω× sehingga S = 10 ‐ 3 S = 7

(4)

Tabel 1. Variabel yang Diduga Berpengaruh terhadap Torsi Pemotongan Bahan Batang oleh Gergaji Piringan

No. Variabel bebas dan tak bebas Simbol Satuan Dimensi

Variabel bebas

Bahan batang uji

1 Diameter batang Db m L 2 Tegangan geser τ N/m² F L –2 3 Koefisien gesekan μ ‐‐‐ ‐‐‐ 4 Sudut kemiringan bahan θ ‐‐‐ ‐‐‐ Peralatan 5 Jari – jari piringan R .m L 6 Sudut mata gergaji β ‐‐‐ ‐‐‐ 7 Tebal pelat gergaji .t .m L Sistem 8 Kecepatan Pengumpanan Vb .m/sec LT‐1 9 Kecepatan tangensial piringan gergaji Vt m/sec LT‐1

Variabel tak bebas

10 Torsi T N m F L

Setelah diselesaikan persamaan tersebut maka didapat bilangan tanpa dimensi Pi sebagai berikut: π1 = f ( π2 , π3 , π4 , π5 , π6 , π7 ) ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ = r t Vb Vt R Db R Db f R T , , , , , 3

_τ

μ

θ

Pengujian Model

Bentuk persamaan Pi‐bebas pada ruas kanan hasil analisis dimensi tersebut di atas sangatlah kompleks/rumit jika akan dilakukan pengujian di laboratorium. Oleh karena itu perlu dilakukan penyederhanaan dan idealisasi saat pengujian di laboratorium, dengan asumsi – asumsi (Langhaar Henry L.,1986).

Asumsi‐asumsi dan idealisasi dalam melakukan percobaan adalah sebagai berikut: 1) Tegangan geser τ, koefisien gesek μ yang

dimiliki oleh seluruh bahan batang uji karena sejenis adalah sama;

2) Kondisi peralatan yang digunakan seperti jari‐jari piringan R, sudut mata gergaji β, tebal pelat gergaji (t) adalah konstan.

Berdasarkan asumsi‐asumsi tersebut maka beberapa bentuk Pi pada ruas kanan persamaan fungsi ada yang nilainya konstan sehingga model matematik yang ingin dicari adalah: ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ = Vb Vt R Db f R T _, 3_τ

atau dapat dituliskan

π1 = f ( π2 , π3 )

Persamaan (model) matematik yang memenuhi fungsi tersebut di atas yang ingin diketemukan dalam penelitian ini.

Model Fisik

Pembuatan model fisik seperangkat alat gergaji piringan yang dilengkapi dengan sumber tenaga penggerak dan instrumentasi alat‐alat ukur di laboratorium.

(5)

No. Nama bagian 1 Rangka

2 Motor listrik

3 Roda gigi pada poros motor

4 Rantai dan roda gigi transmisi putaran

5 Roda gigi poros horizontal

6 Amplifier

7 Komputer (unit perekam)

8 Gergaji piringan

9 Test piece (batang benda uji yang dipotong)

10 Unit mekanik pemegang dan pengumpan benda kerja 11 Bantalan (bearing) poros vertical

12 Poros vertikal pemutar gergaji pirigan

13 Unit strain gage dan slip ring

14 Bearing dan rangka pemegang poros horisontal

15 Poros horisontal (bagian sistem transmisi putaran)

16 Roda gigi paying

11 15 11 10 9 8 5 4 3 2 1 7 7 4 7 6 12 7 13 7 16

Gambar 6. Model Fisik Pengujian Gergaji Piringan

Bahan dan Alat

Bahan

Bahan uji adalah sampel batangan kayu meranti yang telah diuji nilai tegangan gesernya di laboratorium dan dibuat diameternya bervariasi yaitu 2,5 cm, 3,0 cm, 3,5 cm dan 4,0 cm, serta untuk observasi digunakan batang tebu yang didapat dari daerah perkebunan dengan jenis, umur, dan diameter tertentu.

Alat

Peralatan utama adalah seperti tergambar pada model fisik alat gergaji piringan dan peralatan lain yang diperlukan saat pengambilan data seperti jangka sorong, tacho‐ meter dan lain‐lain.

Model Matematis

Percobaan diatur untuk memperoleh hubungan sepasang π yaitu:

π1 = f ( π2 ,

π

₃ )

Percobaan untuk mendapatkan hubungan antara π1 dan π2 dengan π3 konstan.

Variabel π1 tak bebas dan variabel π2 bebas, divariasikan untuk nilai‐nilai π2‐0, π2‐1 , π2‐2 , π2‐3 .

π1 = f (

π

₂ , π3 )

Percobaan untuk mendapatkan hubungan antara π1 dan π3 dengan

π

₂ konstan.

Variabel π1 tak bebas dan variabel π3 bebas, divariasikan untuk nilai‐nilai π3‐0, π3‐1, π3‐2, π3‐3.

Selain yang dijelaskan tersebut di atas, untuk mendapatkan persamaan model matematis gabungan maka masih dilakukan percobaan untuk memenuhi data yang dibutuhkan pada bujur sangkar latin.

Pengambilan Data dan Analisa Data

Pengambilan data dilakukan dengan mengoperasikan seperangkat alat gergaji piringan digunakan untuk memotong bahan kayu dan batang tebu serta dicatat besaran‐ besaran yang berkait dengan persamaan bilangan tanpa dimensi yang ingin ditemukan.

Setelah data didapat kemudian dianalisa dengan memasukkan ke persamaan fungsi bilangan tanpa dimensi dengan

(6)

menggunakan analisis regresi, untuk masing‐ masing pasangan perlakuan yaitu:

π1 = f ( π2 ,

π

₃ ) π1 = f (

π

₂ , π3 )

Sedangkan untuk mendapatkan model persamaan gabungan digunakan desain faktorial dengan cara melengkapi bujur sangkar latin.

Hasil dan Pembahasan

Hubungan antara π1 dan π2

Hubungan antara π1 dan π2 secara matematis dapat dituliskan:

π1 = f (π2 ,

π

₃ ) dalam hal ini

π

₃ pada nilai konstan tertentu yaitu

π

₃ pada nilai Vt = 3,67 m/det, Vb = 4,5 x 10‐3 _m/det_atau

3

π

= [Vt/Vb] = 815,5.

Tegangan geser bahan kayu meranti merah sebesar τ = 22460647,61 [N/m²] (Sugiyanto B, 2003)

Jari‐jari gergaji piringan R = 0,125 (m).

Hubungan persamaan matematis π1 dan π2 adalah:

( )

0,2789 2 1 0,0002

π

= atau 2789 , 0 3 0,0002 ⎟_⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = R Db R T

τ

Dengan koefisien determinasi R² = 0,9892.

Tabel 2. Nilai π1 dan π2 Hasil Percobaan No.

[

N

M

]

T

3 1

R

T

τ

π

=

[ ]

m

Db

_R

Db

=

2

π

Vb

Vt

=

3

π

1 5,3089 1,2101 x 10 –4 _0,025 _0,20 _815,5 2 5,5395 1,2628 x 10 ‐4 _0,030 _0,24 _815,5 3 5,8624 1,3364 x 10 –4 _0,035 _0,28 _815,5 4 6,0251 1,3743 x 10 ‐4 _0,040 _0,32 _815,5

Kurva hub. Pi 1 dan Pi 2

(Pi 1) = 0.0002(Pi 2) 0.2789 R2 = 0.9892 0.000115 0.00012 0.000125 0.00013 0.000135 0.00014 0 0.1 0.2 0.3 0.4

Pi 2

Pi 1

Kurva hubungan Pi 1 dan Pi 2

Pi

1

Pi 2

Gambar 7. Kurva Hubungan π1 dan π2

(7)

Hubungan antara π1 dan π3

Hubungan antara π1 dan π3 secara matematis dapat dituliskan: π1 = f (

π

₂ , π3) dalam hal ini

π

₂ pada nilai konstan tertentu yaitu

π

₂ pada nilai diameter bahan Db = 3 cm dan jari‐jari piringan gergaji R = 12,5(cm.) Atau

2

π

= (Db/R) = 0,24 sedangkan π3 = ( Vt / Vb ) divariasikan.

Nilai Vt adalah kecepatan tangensial mata gergaji piringan yang besarnya adalah Vt = 2 x 3,14 R x N, di mana R adalah jari‐jari piringan dan N adalah putaran poros (rps), sedangkan Vb adalah kecepatan maju bahan

4,5 mm/s, dan onstan besar 0,12 , untuk memvariasikan nilai π3 yang paling mudah adalah dengan memvariasikan nilai Vt yaitu dengan memvariasikan putaran poros piringan N.

engumpan) yang konstan sebesar

R k se 5 m

Variasi Vt tersebut adalah sebagai

berikut: t persamaan matematis π1 dan π3 a (p Vt1 = 3,67 m/s, Vt2 = 4,58 m/s, V3 = 4,95 m/s, Vt4 = 5,50 m/s. Hubungan dalah:

( )

0 3 1 0,0007 − = π π ,2482 atau 2482 , 0 3 0,0007 − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = Vb Vt R T τ

dengan koefisien determinasi R²= 0,9504.

abel 3. Nilai π1 dan π3

No.

T dari Hasil Percobaan

[

N

M

]

T

1

_R

3

T

τ

π

=

R

Db

=

2

π

[m /det] [m /det] Vt Vb

Vb

Vt

=

3

π

1 5,5395 1,2628 x 10 ‐4 _0,24 _3,67 _0,0045 _815,5 2 5,3252 1,2139 x 10 –4 _0,24 _4,58 _0,0045 _1017,8 3 5,2113 1,1879 x 10 –4 _0,24 _4,95 _0,0045 _1100,0 4 4,9888 1,1372 x 10 –4 _0,24 _5,50 _0,0045 _1222,2

Kurva hub. Pi-1 dan Pi-3

(Pi1) = 0.0007(Pi3) -0.2483 R2 = 0.9504 0.000112 0.000114 0.000116 0.000118 0.00012 0.000122 0.000124 0.000126 0.000128 500 700 900 1100 1300 Pi Pi-1 -3

Kurva hubungan Pi 1 dan Pi 3

Gambar 8. Kurva Hubungan π1 dan π3

Pi 1 Pi 3

(8)

Persam

t π

tin (latin square). Setelah dilakukan perhitungan, persamaan gabungan yang didapat adalah:

aan Gabungan

Persamaan gabungan yang dimaksud adalah hubungan matema is π1 = f ( 2, π3), untuk mencari persamaan gabungan maka desain percobaan yang digunakan adalah desain factorial plan (Watkins R.K. dan Shupe O.K., p.96), di mana data yang dibutuhkan dirancang dapat memenuhi bujur sangkar la

0242 2751 , 0 3 4 10 4627 , 9 ⎟ ⎠ ⎜ ⎝ ⎟ ⎠ ⎜ ⎝ R Vt ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ × = − Db Vb R T

τ

Pen rapan Model untuk Memotong Tanaman Tebu n matema u e i

Sugiyanto (2003) besarnya tegangan

geser b 6

torsi gergaji piringan untuk memotong batang tebu satu per tu adalah sebagai berikut:

e

Selanjutnya model (persamaa tis) yang telah didapat akan diaplikasikan pada pemotongan batang tebu.

Sifat mekanis bahan batang tebu agak berbeda dengan sifat mekanis kayu khus snya dalam hal tegangan geser, jika tegangan geser pada kayu besarnya relatif seragam pada seluruh penampang potong batang uji, akan tetapi pada tebu besarnya t gangan geser tidak seragam yakni pada bagian sekitar kulit tebu memiliki tegangan geser yang lebih tinggi diband ngkan pada bagian dalamnya, sehingga dalam hal ini penulis mengambil nilai tegangan geser rata‐rata sebanding dengan luas penampang yang dimiliki oleh batang tebu. Menurut

atang tebu rata‐rata τ = 11220 13,76 [N/m²].

Torsi pengamatan = 1,1431 (torsi prediksi). Dengan koefisien determinasi R² = 0,9323. Jadi persamaan sa 0242 2751 , 0 3 3 10 0817 , 1 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ × = − Vt Vb R Db R T τ

Torsi Prediksi Vs Torsi Observasi

y = 0.9962x R2 = 0.9845 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50 4. 6.50 Torsi P redi ksi 50 5.00 5.50 6.00 Torsi observasi

Gambar. 9 Kurva Torsi Prediksi Torsi Observasi untuk Kayu Vs y = 1.1431x R2 = 0.9323 2.70 2.80 2.90 3.00 3.10 3.20 3.30 3.40 3.50 3.60 2.20 2.40 2.60 2.80 3.00 3.20 Torsi Pr To rs i P e nga m a ta n ( N m ) ediksi (N-m)

Gambar 10. Kurva Torsi Pengamatan Vs Torsi Prediksi untuk Tebu

To rs i P re d ik si Torsi O bservasi Torsi Prediksi (N-m) To rs i P e n g a m a ta n ( N m)

(9)

Kesimpulan dan Saran Kesimp lan u e h ep

dapat diaplikasikan pada emotongan batang tebu dengan mengalikan konstanta tertentu, hal ini disebabkan leh perbedaan sifat‐sifat fisis‐mekanis antara kayu da

potong gergaji piringa perlu diperhatikan bahwa kondisi alat potong i lapangan dapat memotong dua atau tiga bat tebu sekaligus sehingga perhitungan torsinya rus disesuaik

.

Engineering Experiment Station‐Utah State University – Logan, Utah 84322.

Jika kecepatan pengumpan konstan, maka p rtamba an kec atan tangensial mata gergaji (putaran poros) akan menurunkan besarnya torsi pemotongan.

Model matematis torsi pemotongan untuk kayu p bilangan o n tebu. Saran

Untuk merancang bangun mesin pemanen tebu dengan alat

n d ang ha an. Daftar Pustaka

Glenn Murphy, 1950. Similitude in Engineering. The Ronald Press Company, New York. Langhaar Henry L., 1986, Dimensional Analysis

and Theory of Model. John Wiley & Sons, Inc., New York.

Nuri N. Mohsenin, 1970. Physical Properties of

Plant and Animal material. Vol. 1, Gordon

and Science Publisher, New York. Sverker Persson, 1987. Mechanic of Cutting Plant

Material. ASAE 2950, Niles Road St.

Joseph. Michigan 49085 USA.

Sugiyanto Bambang, 2003, Kajian Torsi Gergaji Piringan pada Mesin Pemanen, Pascasarjana UGM, Yogyakarta

Watkins. Reynold K., Shupe Owen K., 1976.