IV.
ANALISA PERANCANGAN
Alat tanam jagung ini menggunakan aki sebagai sumber tenaga penggerak elektronika dan tenaga manusia sebagai penggerak alat. Alat ini direncanakan menggunakan jarak tanam 80 x 20 cm dengan harapan penjatahan benih sebanyak 1 benih per lubang pada kedalaman 2.5-5 cm. Furadan dengan dosis 5-10 g/m2 ditempatkan bersamaan dengan jagung pada lubang tanam, serta pembuatan alur pupuk yang berada 5-10 cm dari alur tanam.
A. Rancangan Fungsioanal Prototipe alat penanam jagung ini terdiri dari unit penugalan, penjatahan benih dan furadan, pembuatan alur pupuk dan penutup lubang tanam. 1. Penugalan Proses penugalan dilakukan untuk membentuk lubang tanam benih dengan kedalaman 2.5-5 cm dengan jarak tanam 20 x 80 cm. 2. Penjatahan benih dan furadan Proses penjatahan benih dan furadan terjadi di dalam hopper masing-masing yang diatur oleh metering device yang berbentuk piringan bercelah yang diputar oleh motor DC. 3. Pembuatan alur pupuk dan lubang tanam Penutupan ubang tanam dilakukan saat piringan pembuka alur pupuk merobek tanah dan bagian dalam tanah yang terangkat oleh piringan akan terseret masuk ke lubang tanam oleh roda penahan rangka hopper. Maju
Penugalan lahan
Sensor magnet Mikrokontroler Motor driver
Metering device berputar
Open Gate
Penjatahan benih dan furadan
Pembukaan alur pupuk dan penutupan lubang tanam Gambar 10. Skema rancangan fungsional
15
B. Rancangan Struktural 1. Rangka Utama Rangka utama terbuat dari besi pipa, besi hollow, dan besi plat yang ukurannya bervariasi. Desain rangka yang terdiri dari dudukan poros roda yang terbuat dari besi hollow, dudukan sensor magnet dan dudukan hopper terbuat dari besi plat serta stang kendali yang terbuat dari besi pipa. Stang (kemudi) berbentuk silinder dengan bahan besi pipa. Ukurannya sesuai dengan lebar bahu ergonomis manusia yaitu 40 cm dengan diameter genggaman 4 cm.
Gambar 11. Rancangan rangka alat
2. Penjatah Benih dan Furadan (metering device) Penjatah benih yang digunakan adalah penjatah tipe lempeng bercelah yang dipasang pada posisi miring. Lempengan yang digunakan berdiameter 12 cm dan memiliki 8 buah celah berbentuk menyerupai elips dengan lebar celah 8 mm yang disesuaikan dengan rata-rata lebar jagung manis yaitu 6.94 cm serta panjangnya 7.2 cm dan jumlah celah sama dengan banyaknya tugal dalam roda tugal. Harapannya hasil keluaran benih adalah 1 benih per lubang. Penjatah benih ini digerakkan oleh tenaga motor DC yang diberi tegangan 12 V yang dikontrol oleh motor driver.
16
Gambar 12. Rancangan penjatah benih jagung Sedangkan penjatah furadan juga menggunakan tipe lempeng bercelah yang terpasang dengan posisi horizontal atau sejajar dengan alas hopper. Lempengan penjatah furadan ini memiliki dimensi diameter total 80 mm, tebal 8 mm dan 4 buah celah yang berbentuk tabung dengan ukuran diameter celah 8 mm. Penjatah furadan ini digerakkan oleh putaran motor DC yang diberi tegangan 12 V yang juga dikontrol oleh motor driver. Hasil yang diharapkan adalah penjatahan furadan dengan dosis 1.6 gram per lubang dengan perhitungan sebagai berikut:
𝐷=
100
𝑘𝑔
𝑎 × 0.2 × 0.8 = 1.6 𝑔 10000
Ø80 mm
15 mm
Gambar 13. Rancangan penjatah furadan Volume lubang penjatah ditentukan berdasarkan volume furadan yang dijatahkan per lubang tanam. Karena dibutuhkan dosis 1.6 g furadan per lubang tanam, maka volume lubang pada piringan penjatah adalah:
𝑉𝜌 𝑓 =
𝐷 1.6 𝑔 = = 1.43 𝑐𝑚3 𝑔 𝜌𝑓 1.12 𝑐𝑚3
17
Karena tebal silinder penjatah 0.8 cm, maka diameter lubang adalah:
𝑑=
4𝑉𝑙𝑏 = 𝜋𝑡
4 × 1.43 = 1.5 𝑐𝑚 3.14 × 0.8
Dimana: D = dosis furadan Vρf = volume lubang penjatah furadan d = diameter lubang penjatah furadan
3. Kotak (hopper) Benih dan Furadan Hopper benih pada alat ini terbuat dari bahan akrilik dengan tebal 3 mm. Bentuk hopper benih ini berbentuk prisma segi lima yanng di bagian sisi miringnya terdapat celah lempengan untuk penjatah benih. Hopper ini terbagi menjadi penutup hopper, dinding hopper benih, dan katup ruang penjatah. Dimensi hopper benih adalah 25 x 15 x 20 cm sedang kan dimensi hopper furadan adalah 250 x 10 x 20 cm. Kebutuhan volume hopper benih dan furadan dapat dihitung menggunakan persamaan (1) dan persamaan (2) (Syafri 2010). Kemiringan bagian penjatah hopper benih sebesar 450 dengan membuat sudut kemiringan hopper lebih besar dibanding sudut curah jagung diharapkan jagung yang jatuh ke saluran keluaran lebih lancar. Untuk jagung dengan kadar air 14 % sudut curahnya adalah 25.110, 18% sudut curahnya 31.630 dan jagung dengan kadar air 28% adalah 36.40 (Panggabean 2008).
(a) (b) Gambar 14. (a) desain hopper Benih dan (b) desain hopper furadan
Vhb
A j
10 4 b p l b
Keterangan : Vhb : volume kotak benih (cm3) A : luas penanaman sekali mengisi kotak benih (1000 m2) J : jumlah benih jagung setiap lubang tanam (1 biji) b : massa per butir benih jagung rata-rata (0.3 g)
18
b p l
: kerapatan isi benih (0.676 g/cm3) : jarak antar barisan tanam (80 cm) : jarak antar lubang tanam dalam barisan (20 cm)
Ukuran volume kotak benih dengan nilai parameter yang direncanakan adalah:
Vhb
1000 1 0.3 10 4
0.676 80 20 Vhb 2467.1 cm 3 m 1666.9 g
Kebutuhan benih untuk luas 1000 m2 = 1000/0.8×0.2 = 6250 benih Total benih dalam 1 hopper = 1669.9/0.3 = 5567 benih
Volume kotak furadan. Volume kotak furadan dapat ditentukan dengan melihat kebutuhan dosis furadan per hektar, berat jenis furadan, dan efisiensi pengisian furadan. Volume kotak pupuk dapat ditentukan dengan persamaan berikut:
Vhp
A D p 104
Dalam hal ini: Vhp : volume kotak pupuk(cm3) A : luas pemupukan sekali mengisi kotak pupuk (1000 m2) D : dosis furadan (100 kg/ha) b
: kerapatan isi furadan (1.12 g/cm3)
Vhp
1000 100
1.12 104 Vhp 858.52 cm 3 m 580 g
Kebutuhan furadan untuk luas 1000 m2 = 1.6 g × 6250 lubang = 10000 g = 10 kg
4. Roda Tugal Agar tanah dapat terlubangi dengan rapi dan seragam maka diperlukan roda tugal yang bekerja dengan sistem yang continuous dengan jarak mata tugal yang telah disesuaikan jarak tanamnya. Roda tugal dirancang dengan diameter pada velknya 45.72 cm . Kemudian mata tugal dirancang dengan bentuk prisma segitiga dengan ukuran lebar 5cm dan tinggi 6 cm. Jarak tanam yang diharapkan oleh roda tugal ini adalah 80 x 20 cm dan ke dalam penugalan adalah 2.5–5 cm, sehingga volume mata tugal yang menekan tanah sekitar 36 cm3 seperti pada skema yang di tunjukkan pada Gambar 16.
19
Ø 45.72 cm
57.72 cm
Gambar 15. Rancangan Roda tugal
Gambar 16. Rancangan mata tugal
Titik centroid
benih
Gambar 17. Skema tahanan penetrasi tanah
20
5. Poros Roda Tugal Poros roda tugal mengalami pembebaban yang berasal dari beban alat keseluruhan. Dengan adanya pembebanan yang terjadi maka ukuran dan jenis poros tidak boleh sembarangan. Harus melalui perhitungan yang memperhitungkan berbagai aspek, perhitungan diameter poros dengan beban lentur murni: W = 29 kg, g = 80 cm = 800 mm, j = 100 cm = 1000 mm h = 106 cm = 1060 mm, V = 0.325 m/s = 1.17 km/h, r = 24.13 cm = 241.3 mm 𝑀1 =
1000 − 800 × 29 = 1450 𝑘𝑔. 𝑚𝑚 4
αV = 0.4, αL = 0.3 M2 = 0.4 × 1450 = 580 kg.mm ɑ = 10 cm = 100 mm, l = 60 mm P = 0.3 × 29 = 8.7 kg Q0 = 8.7 × 1060/1000 = 9.22 kg 𝑅₀ = 8.7
1060 +241.3 800
= 14.15 kg
M3 = 8.7 × 241.3 + 9.22 ×(100 + 60) – 14.15 ×(100+60) – (1000 – 800/2) = 2725.51 kg.mm Poros pengikut, kelas 1, σwb = 10 km/mm2, m = 1 𝑑𝑠 ≧
10.2 × 1 × (1450 + 580 + 2725.51) 10
𝜍𝑏 =
10.2 × 1 × (1450 + 580 + 2725.51) 𝑘𝑔 = 98.7 𝑚𝑚2 173
1/3
= 16.93 𝑚𝑚 = 17 𝑚𝑚
n = 10/9.87 = 1.01, baik Diameter poros berdasarkan perhitungan adalah 17 mm dan untuk mempermudah perakitan digunakan diameter poros 1 inchi = 2.54 cm yang mudah diperoleh.
21
6. Pembuka Alur Pupuk Rancangan pembuka alur pupuk ini dibuat berbentuk piringan atau blade yang terletak di belakang hopper. Jarak yang diharapkan untuk membuat alur pupuk adalah 5-10 cm dari alur lubang tanam dan dengan kedalaman 2–5 cm dari permukaan tanah karena pupuk disarankan berada tidak jauh dari permukaan tanah agar lebih mudah diserap oleh akar tanaman. Selain itu piringan pembuka alur pupuk ini dirancang dengan kemiringan 13.6° agar piringan dapat berputar, berobek dan membalik tanah dengan baik, selain itu agar tanah juga menutup lubang tanam dengan sempurna. Perhitungan sudut piringan pada pembuka alur pupuk:
6.5 cm
α
a = 8.5 cm
5 cm b = 2 cm
8.5 cm 𝛼 = sin−1
30 cm
2 = 13.6° 8.5
Ø 13 cm
Gambar 18. Rancangan piringan (blade) pembuka alur pupuk
22
7. Sumber Tenaga Sumber tenaga untuk rangkaian elektronika adalah aki (accu) kering 5Ah., sedangkan sumber tegana dorong alat dari tenaga manusia. Untuk mengetahui besarnya daya listrik yang dibutuhkan untuk mengoperasikan keseluruhan sistem kerja dari kontrol elektronika, maka diperlukannya perhitungan daya listrik yang tersedia oleh aki dan daya yang akan digunakan. Perhitungan kebutuhan kosumsi daya listrik: Daya Aki 12V, 5Ah = 60 W Mikon = 0.02 A, 12V EMS 2A = 2A, 5V Oph-Amp = 0.02 A, 5V Sensor magnet = 0.025 A, 5V Motor DC MD = 0.06 A, 12V Motor DC OG = 0.025 A, 5V
= 0.24 W = 10 W = 0.1 W = 0.125 W = 0.72 W × 4 buah = 2.88 W = 0.125 W × 2buah = 0.5 W
Total daya = 0.24 + 10 + 0.24 + 0.125 + 2.88 + 0.5 = 13.845 W Ketika daya yang berasal dari aki kering habis maka aki dapat diisi kembali dayanya dengan bantuan charger. Daya charger aki 18 V, 800mA = 14.4 W Daya aki 60 W maka waktu yang dibutuhkan untuk mengisi daya pada aki = 60/14.4 = 4.16 jam Untuk mengetahui besarnya daya yang diperlukan untuk mengoperasikan alat, perlu diketahui terlebih dahulu analisis kebutuhan tenaga dorong yang terjadi ketika alat beroperasi.
Fd
Wr Ftp
Frr
Dimana: Frr = tahanan gelinding pada roda tugal (N) Ftp = tahanan potong piringan pembuka alur pupuk (N) Wr = bobot dinamis roda (N) Crr = koefisien tahanan gelinding Fd = gaya dorong yang diperlukan (N) ds = draft per unit area Kecepatan maju operator = 1.17 km/h = 0.325 m/s Daya manusia laki-laki dewasa (asumsi berat badan 60 kg) = 0.3 Hp = 223.71 W
23
Fd = Ftp + Frr Frr = Crr × Wr Dimana Wr dihitung dari kebutuhan untuk menekan tugal (pada roda) menembus tanah hasil olahan. A = 6 cm × 6 cm 36 cm2 5 𝑘𝑔𝑓 𝑘𝑔𝑓 𝑡𝑝 = = 2.5 𝑐𝑚2 2 𝑐𝑚2 𝐴𝑡 =
3 × 36 𝑐𝑚2 = 21.6 𝑐𝑚2 5
𝑊𝑟 = 21.6 × 2 × 2.5 × 2 = 108 𝑘𝑔𝑓 = 1058 𝑁 𝐶𝑟𝑟 = 0.3 × 1058 𝑁 = 317 𝑁 Ftp dihitung menggunakan persamaan draft per unit area Asumsi tanah gembur yang sudah diolah menggunakan persamaan Sandy Loan Draft per unit area: ds = 2.8 + 0.013V = 2.8 + (0.013 × 1.17) = 2.815 N/cm2
𝐴𝑝𝑜𝑡𝑜𝑛𝑔 =
5 ×2 × 2 = 10 𝑐𝑚2 2
𝐹𝑡𝑝 = 𝑑𝑠 × 𝐴𝑝𝑜𝑡𝑜𝑛𝑔 = 2.815 × 10 = 28.15 𝑁 𝐹𝑑𝑜𝑟𝑜𝑛𝑔 = 𝐹𝑟𝑟 + 𝐹𝑡𝑝 = 317 + 28.15 = 345.15 𝑁 𝐷𝑎𝑦𝑎 𝑑𝑜𝑟𝑜𝑛𝑔 = 𝐹𝑑𝑜𝑟𝑜𝑛𝑔 × 𝑣 = 345.15 𝑁 × 0.325 𝑚 𝑠 = 112 𝑊𝑎𝑡𝑡 Tenaga dorong yang tersedia (tenaga dorong manusia laki-laki dewasa) 223.71 Watt, sehingga dapat disimpulkan alat dapat didorong.
24
