AGRITECH, Vol. 34, No. 1, Februari 2014
ANALISIS KEBUTUHAN TORSI PENJATAH PUPUK BUTIRAN TIPE EDGE-CELL UNTUK MESIN PEMUPUK JAGUNG Torque Requirement Analysis of Edge-cell Type Metering Device for Corn Fertilizer Applicator Annisa Nur Ichniarsyah1, Wawan Hermawan2, Tineke Mandang2 1
Pascasarjana Departemen Teknik Mesin Pertanian dan Pangan, Sekolah Pascasarjana Institut Pertanian Bogor, Kampus IPB Darmaga, PO Box 220, Bogor, Jawa Barat 2 Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor, Kampus IPB Darmaga, PO Box 220, Bogor, Jawa Barat Email:
[email protected],
[email protected]
ABSTRAK Penelitian mengenai desain penjatah pupuk yang dapat berfungsi lebih optimal dilakukan untuk mengatasi besarnya gaya gesek yang terjadi antara rotor penjatah dan ruang penjatah, serta terjadinya kemacetan perputaran rotor penjatah pupuk pada alat pemupuk dalam penelitian sebelumnya. Tujuan penelitian ini adalah menganalisis kebutuhan torsi penjatah pupuk tipe edge-cell. Model pendugaan matematis untuk menghitung kebutuhan torsi telah dibangun dan divalidasi melalui pengujian kebutuhan torsi. Pengukuran dilakukan menggunakan model alat pemupuk jagung yang dilengkapi dengan sensor pengukur torsi. Penjatah tersebut diputar menggunakan motor AC variable speed. Hasil pengukuran torsi menunjukkan bahwa penjatah tipe edge-cell mampu mengurangi kebutuhan torsi penjatahan hingga 68% (pupuk urea) dan 80% (pupuk TSP). Kemacetan yang terjadi akibat ganjalan butiran pupuk yang besar pada ruang penjatah tidak terjadi saat menggunakan penjatah tipe edge-cell. Hasil pengujian validasi model menunjukkan bahwa model matematis mampu menduga kebutuhan torsi dengan akurat hanya pada saat tingkat volume pupuk dalam hopper 25%. Semakin tinggi volume pupuk dalam hopper (50 dan 100%), hasil pendugaan torsi lebih besar sekitar dua hingga empat kali hasil pengukuran torsi. Volume pupuk dalam hopper tidak berpengaruh signifikan terhadap kebutuhan torsi pada rotor. Kata kunci: Alat pemupuk jagung, penjatah pupuk, kebutuhan torsi, rotor tipe edge-cell
ABSTRACT A study on the design of metering device which could work more optimally was conducted to overcome the high friction between the rotor and its metering tube, and the clogging of fertilizer particle on the conventional rotor type metering device. An edge-cell rotor type metering device was proposed to overcome the problems. Objectives of the study were to analyze the torque requirement of the edge-cell type metering device and to design metering device of corn fertilizer applicator with lower torque requirements and high accuracy. A mathematical model to calculate the torque requirement of the rotor was developed and validated using torque measurement in the experiment. Experiments were conducted using a model of fertilizer applicator equipped with a rotor torque measuring sensor and rotated using an electric motor. The torque measurement results showed that the edge-cell type metering device could reduce the torque requirement up to 68% and 80% when tested using urea and TSP, respectively. By using the edge-cell type rotor, there was no problem of clogging of fertilizer particle on the rotor system. The validation results showed that the mathematical model could predict accurately the torque requirement of the rotor only on the lower volume of fertilizer (25%) in the hopper. However, on the higher volume of fertilizer (50% and 100%) in the hopper, the calculated torques was 2-4 times higher than the actual measuring torques. The amount of the fertilizer in the hopper not significantly affected the torque requirement of the rotor. Keywords: Fertilizer applicator, metering device, torque requirement, edge-cell type rotor
102
PENDAHULUAN Penelitian yang berkaitan dengan mesin pemupuk dan penanam jagung telah dilakukan sebelumnya. Syafri (2010) membuat rancangbangun mesin penanam jagung terintegreasi dengan penggerak traktor roda dua. Mesin ini (prototipe-1) menggabungkan tiga kegiatan yaitu pengolahan tanah, penanam benih jagung, dan sekaligus pemupuk butiran. Dengan pengintegrasian ini diharapkan waktu kerja dan biaya dapat dipangkas hingga menjadi sepertiganya. Penjatahan benih dan pupuk digerakkan oleh roda penggerak yang bersinggungan dengan puncak guludan yang terbentuk. Prototipe ini dirancang untuk menanam benih jagung dengan jarak tanam 75 x 20 cm dengan jumlah benih 1-2 benih per lubang pada kedalaman 2.5-5 cm. Untuk alat pemupuk, prototipe-1 ini menggunakan penjatah tipe agitator feed yang dirancang untuk mengeluarkan dosis 150 kg/ha urea, 200 kg/ ha TSP, dan 100 kg/ha KCl. Kekurangan prototipe ini antara lain jarak tanam benih yang tidak seragam, dosis pupuk tidak dapat diatur, kemacetan roda penggerak sebesar 38% sehingga tidak mampu memutar penjatah pupuk dengan baik. Putra (2011) memodifikasi mesin penanam dan pemupuk jagung hasil penelitian Syafri. Mesin ini (prototipe-2) mengalami modifikasi antara lain memisahkan hopper pupuk urea dengan hopper pupuk TSP dan KCl, memodifikasi desain roda penggerak agar mampu memutar penjatah pupuk dengan baik dengan memperbesar luas permukaan dan jumlah sirip serta meningkatkan torsinya, pembuatan penjatah pupuk yang dilengkapi dengan pengatur dosis, dan menghaluskan pupuk TSP yang berukuran besar sebelum dimasukkan ke dalam hopper. Hasil modifikasi menunjukkan jarak alur benih dan pupuk lebih baik, kedalaman tanam mendekati kedalaman yang diharapkan, tingkat kemacetan roda penggerak berkurang menjadi 31%. Meskipun demikian, nilai kemacetan roda penggerak masih cukup besar sehingga penjatahan benih dan pupuk masih belum sempurna. Melalui penelitian-penelitian terdahulu dapat disimpulkan bahwa rotor penjatah pupuk sering terhambat putarannya akibat gesekan yang berlebihan dan juga adanya ganjalan butiran pupuk berukuran besar pada bagian dasar hopper. Karena roda penggerak mendapatkan daya putar atau torsi dari menggelindingnya roda di permukaan guludan, saat terjadi ganjalan menyebabkan kemacetan putaran rotor. Akibatnya penjatahan pupuk tidak seragam dan tidak akurat. Oleh karena itu, diperlukan suatu desain penjatah pupuk yang dapat bekerja lebih optimal untuk mengatasi masalahmasalah di atas. Penjatah pupuk tersebut bertipe edge-cell yang didesain untuk meminimalisir gesekan antara pupuk dengan ujung rotor sehingga hasil pemupukan seragam, dan kebutuhan torsi pemutaran rotor kecil.
AGRITECH, Vol. 34, No. 1, Februari 2014
Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis kebutuhan torsi penjatah pupuk tipe edge-cell (rotor bercelah). Penjatah yang baru ini akan direkomendasikan untuk menggantikan tipe penjatah pupuk yang digunakan pada penelitian terdahulu jika hasil kebutuhan torsinya lebih rendah. METODE PENELITIAN Waktu dan Tempat Penelitian ini dilaksanakan dari bulan Januari-November 2012 di Laboratorium Mekanika Tanah dan Laboratorium Lapangan Siswadi Soepardjo, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Bahan dan Alat Alat yang digunakan untuk penelitian antara lain: peralatan lab mekanika tanah, peralatan bengkel, komputer, software AutoCAD, strain gage, bridge box (Kyowa, DB-120), handy strain meter (Kyowa, UCAM-1A), slip ring tipe S4, tachometer digital (Krisbow KW 06-303), stopwatch, timbangan, kamera digital, akrilik tebal 3 dan 5 mm, poros stainless steel diameter 12 mm, silinder pejal berbahan polietilen berdiameter 60 mm, lem (Araldite, Dextone, Power Glue dan lem akrilik), sproket, rantai, dop PVC, dan besi siku. Bahan untuk pengujian kinerja antara lain: pupuk Urea dan TSP. Prosedur Penelitian Tahapan penelitian secara umum dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1. Diagram alir proses penelitian
103
AGRITECH, Vol. 34, No. 1, Februari 2014
selama proses pemutaran penjatah pupuk. Analisis pendugaan Bagian yang menjadi fokus bahasan dalam penelitian ini adalah analisis kebutuhan torsi penjatah pupuk tipe edge-cell, torsi ini dilakukan untuk membandingkan kebutuhan torsi pengembangan model matematis pendugaan torsi penggerak pada kedua tipe penjatah tersebut. Analisis pendugaan torsi rotor penjatah, dan uji validasi model. Analisis kebutuhan pada rotor konvensional digunakan dengan pendekatan seperti torsi dilakukan untuk membandingkan besar kebutuhan torsi yang terlihat pada Gambar 2. tipe penjatah modifikasi dan konvensional. Model matematis Gaya-gaya yang bekerja pada pupuk di dalam hopper pendugaan torsi dibangun untuk mengestimasi besarnya diduga dari persamaan-persamaan berikut ini: kebutuhan torsi putar rotor penjatah. Nantinya, dasar-dasar perhitungan matematis pendugaan torsi dapat digunakan pada saat akan mengembangkan alat pemupuk menggunakan tipe penjatah pupuk yang berbeda. Uji validasi model dilakukan untuk melihat kesesuaian antara hasil pendugaan torsi dengan hasil pengukuran kebutuhan torsi. Identifikasi masalah dilakukan dengan mengamati masalah-masalah yang muncul pada prototipe alat penanam dan pemupuk jagung yang telah diteliti sebelumnya terutama pada bagian penjatahan pupuk butiran. Terdapat beberapa permasalahan yang menyebabkan penjatahan pupuk tidak Gambar Analisis pendugaan torsi rotor konvensional Gambar 2. Analisis2.pendugaan torsi rotor konvensional seragam antara lain: 1) rotor penjatah pupuk macet karena Gambar 2. Analisis pendugaan torsi rotor konvensional ada butiran pupuk yang mengganjal ujung sudu rotor dengan ........................................................(1) Gaya-gaya yang bekerja pupuk di dalam hopper diduga dari persamaanW W uuUUUUpppp uu upada Wpppp lll l p ug W ppp111 1 tt t11t11 0 000...5 55.5ttt22t22 u u ggg pembatasnya, 2) beban vertikal dari pupuk yang berada persamaan di berikut ini: ···· §§§§§§§§§§§§ ppp ppp ·· ·· bekerja pupuk di dalam hopper diduga dari persamaan §¨¨ § § §p p · · yang ····uUU ·¸¸·¸uugpada ¸¸ ......................................(2) ¨¨Gaya-gaya atas rotor yang menyebabkan tingginya beban gesekan dan F cos (1) cosD uuUU ¸¸¸¸uugggu uuucos FFF P PPP¨¨¨¨¨¨¨ll¨¨l¨¨¨¨¨l¨©¨¨¨©¨ 22 ¸¹¸¸¹ ¸ ttt t 000...5 55.tt5tt ¸¸¸ ¸¸¸¸u cos DDD¸¸¸¸¸ 0 persamaan ¸¹¹¹ ¨©©©©©©©©© ©berikut ¹¹¹ 2 ¹ ¹ini: ¹¹¹ 2 ¹ ¹ © ¹ ©§ § § p p beban geser rotor pada pupuk. · · · § · (1) W U0.5 tu g¸ u U ¸ u·· g u cosD··¸·¸¸¸· ...............................(3) Ff p1 P lk ¨p¨¨ l1¨¨ t¨1§§§§§§§1§§§§0§§§.§p5pp2t 2¸ p ptp1u (2) ¨ © © ¨¨¨¨¨¨¨¨ll¨¨l¨¨2¨§¨¨§¨p ¹ p ··¸·¸ ·¸ tt tp0020..55.t5¸¹tt ··¸¸ ·¸¸·¸uuupUUU¸ ·¸¸¸·¸uuuggguuusin Studi pustaka dilakukan setelah masalah yang timbul W W W W sin W W sin · W W DDD¸¸¸¹¸¸ ·D © © ¨¨©¨©©¨¨©¨l ¨©©¨¨©©¨ §¨ §22§2 p1¸¹¹ t p20·.5t ¸¹¹¸u U ¹ ¸¹¸¹·¸u g u sin ¹ .5t 2¸ t1u¹U0¹p.5 tu ¸¸¹ u U p ¸ u g¸¹¹¹¹u cosD ¸ W Ff p1 © © ©P© l©k ©p¨ l1¨¨2 t¨1 ¹ 0 (2) 2 ¹ g ¸ berhasil diidentifikasi. Tujuan utamanya adalah untuk ¸ ¨ ¹ § § ©§©§ ©p©1 p22 · ¹ ·¹ ·¹ · ¸ t 0.··5··t 2 ¸¸ u··¸·¸·U p ¸¸ u g u sin··¸·¸·D......................... W p1a W p§§¨§¨2§§a§§ §§§§§¨§¨¨ppplp11¨¨ menentukan komponen-komponen dan sistem yang akan (4) (3) § 1¨pppp222···· ¸¹00p01..55. F cos · cosD FFFfff 22f22 P PPPkkkk¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨lll¨¨¨l¨¨¨¨©¨©¨©¨© 1© 2©2 2 2¸¸¹¸¹§¨ ¸ §¨tt t11t11§¨ UUU¹pppp¸¸¸¸¸u cos DDD·¸¸¸¸¸¸ ¸¹ uuuggg¹gu uu·¸ucos u·uuU § 0.155ttt22t2p2 ¸¸¸2 ¸¸¸¸u ¸ ¨ ¸ u u u W W l t 0 . 5 t U g sin D ¨ ¸ ¹ ¹ © © 2 © © ¹ ¹ © © ¹ ¹ p 1 a p 2 a 1 2 p 2 © ¹ (3) digunakan. Komponen tersebut antara lain hopper dan ¸ ¹¨ ¨ ¨ ¸¹¹ ¹¹ ¸ ¹¹ ©© © ©© ¹ ¹ ©© ©© 2 ¹ ¹ (5) F W · 11 W · Wpp11aa §FF§Fff11§ ......................................................................... metering device. Sistem yang digunakan adalah sistem · p1 p 2 · FFF 1 1 W p1pa1a¨F f 1f 1 § ¸ FFFf 2 W P ¨¨FFl ¨¨ ¨......................................................................... W § § § § ¸p t1p02 .·5t 2 ¸¸ u U p ¸¸·u g u·cos D ¸ · (6) (4) Wppp22p2aa2aka FF2222 W ¨FFfff©22f22© penjatahan pupuk tipe edge-cell atau rotor bercelah. (4) F © ©f 2 P k ¨¨2¨¨ l ¨¨ ¨ ¹ 1 ¸ t1 ¹ 0.5t 2 ¹¸¸ u U p ¸¸ u g u ¹cos D ¸¸ F W sin sin 11 sin ©D uuUUUUppp¹p uu uugggg ¹ FF FF1111FFFF2222 sin sin Wpp33 sinDDDF sinD ©sin FFF33 W W F FFF FF©F2222sin sin DDD 2 lll l pppp222¹2 tt t111t1 ttt22t22 u u sin DDD¹ ........ (7) Tahapan selanjutnya adalah perumusan dan 1 1sin D © F13 3 W pp13pa3 F f1 (5) F1 W p1a F f 1 penyempurnaan ide rancangan. Adapun bagian-bagian yang (6) (5) F2 W p 2 a Ff 2 (6) F2 W p 2 a F f 2 mengalami modifikasi dapat dilihat pada Tabel 1. analisis lperhitungan pada rotor (7) p 2 t1 t 2 u U p torsi F3 W Sehingga, u g F p 3 F1 sin D F2 sin D 1 F2 sin D F3 W p 3 F1 sin D F2 sin D l p 2 t1 t 2 u U p u g F1 F2 sin D (7) konvensional dapat diturunkan menggunakan persamaan Model Pendugaan Torsi Rotor Penjatah Sehingga, analisis perhitungan torsi pada rotor konvensional dapat diturunkan menggunakan Sehingga, ini: analisis perhitungan torsi pada rotor konvensional dapat diturunkan menggunakan persamaan berikut berikut ini: persamaan berikut ini: Pengembangan model pendugaan torsi rotor penjatah Tr Fs1 T Fs 2 Fu Rr F u R ........................................................ (8) (8) (8) r s1 s2 r diperoleh berdasarkan hasil analisis gaya-gaya yang bekerja ff11 f 1f 1
pp11aa p1pa1a
11 11
kk kk
pp22aa p 2pa2 a
22 22
11 11
11 11
22 22
22 22
11 11
pp pp
22 22
pp pp
Adapun analisis torsi pada pertama-tama dilakukan dengan Adapun pendugaan analisis pendugaan torsirotor pada edge-cell rotor edge-cell pertama-tama dilakukan dengan menganalisis gaya-gayagaya-gaya yang bekerja hopper seperti seperti pada Gambar 3 berikut ini. ini. menganalisis yang pada bekerja pada hopper pada Gambar 3 berikut
Tabel 1 Bagian yang dimodifikasi No.
Kelemahan prototipe terdahulu
Komponen yang diperbaiki
Konsep modifikasi
1.
Beban pupuk yang masuk ke ruang penjatah terlalu besar
Hopper dan metering device
Posisi metering device digeser sehingga tidak tepat di bawah saluran pengeluaran hopper
2.
Pupuk lengket di metering device
Metering device
3.
Hasil penjatahan tidak seragam
Metering device
4.
Pupuk banyak yang hancur akibat tergerus dinding metering device
Metering device
5.
Hopper berkarat
104
Hopper
Bahan metering device diganti menjadi bahan polietilen Penambahan sikat pada bagian dinding pengeluaran untuk menjaga keseragaman keluaran pupuk Jarak antara sudu rotor dan metering device diperbesar Mengganti bahan hopper dengan akrilik
5
5
AGRITECH, Vol. 34, No. 1, Februari 2014
untuk budidaya jagung (dari literatur dan pedoman budidaya jagung) dan pengukuran karakteristik pupuk. Sifat karakteristik pupuk yang diperlukan untuk keperluan analisis antara lain ukuran partikel, sifat higroskopisitas pupuk, bulk density, dan sudut curah (De, 1989). Selain itu yang diperlukan untuk analisis adalah distribusi ukuran partikel dan koefisien gesek pupuk dengan bahan (Hofstee dan Huistman, 1990). Rancangan fungsional meliputi proses perancangan komponen-komponen alat penjatah pupuk antara lain hopper yang berfungsi untuk menampung pupuk sebelum masuk ke ruang penjatah. Menurut Mehring dan Cumings dalam Bainer dkk. (1961) salah satu faktor penting yang mempengaruhi Gambar 3. Analisis pendugaan torsi rotor edge-cell besarnya keluaran pupuk adalah kemudahan pupuk untuk Gambar 3.yang Analisis rotorhopper edge-cell Gaya-gaya bekerjapendugaan pada pupuk torsi di dalam diduga dari persamaan-persamaan mengalir yang dipengaruhi oleh higroskopisitas, bentuk berikut ini: dan ukuran partikel, penggumpalan, berat spesifik pupuk, 3. Analisis pendugaan torsi rotor edge-cell W V u U Gambar ug (9) Gaya-gaya F P l p t yang 0.5(t bekerja t ) u U pada u g Fpupuk ) u cos D di dalam hopper (10) kelembaban relatif tempat menyimpan, dan kerapatan benda. Gaya-gaya bekerja pada pupuk di dalam hopper persamaan-persamaan didugaWyang daril persamaan-persamaan ini:diduga dari(11) p t 0 . 5 t t u U u g u sinberikut D Oleh karena itu, sudut curah pupuk (angle of repose) perlu berikut ini: F W F (12) diperhatikan pada pembuatan hopper. Sudut pada hopper (9) W p V p analisis u U p u perhitungan g .......................................................... (9) Sehingga, torsi pada rotor tipe edge-cell dapat diturunkan 3. Analisis pendugaan edge-cell menggunakan persamaan 13Gambar Hasil perhitungan dari rumustorsi yangrotor dibangun kemudian sebaiknya sekitar 40°. Selain sudut curah, hal yang perlu ..... (10) F f 1 P h l p11 tberikut. 0 . 5 ( t t ) u U u g F ) u cos D (10) 1 2 21 p 2 dibandingkan dengan hasil pengujian. diperhatikan pada pembuatan hopper antara lain bahan (11) (11) Gaya-gaya yang bekerja diduga dari persamaan-persamaan t 1 t 0u.l5pada tpupuk g u sinhopper D ................. uURpdiu dalam t2Ftan TW p 1F a u lR p 11 C 21I u (13) berikutFini:W F ............................................................. (12) pembuatnya. Pupuk memiliki sifat yang korosif karena (12) 1 p1a f1 Keterangan: W V u U u g (9) p p perhitungan torsi pada rotor tipe edge-cell dapat diturunkan memiliki kadar pH yang rendah. Oleh karena itu, hopper Sehingga, : komponen gaya berat pupuk (N) Wp, Wp1p, Wp2analisis gaya gesek pupuk-dinding hopper (N)rumus yang dibangun kemudian Ff1, FF menggunakan Hasil perhitungan dari f2 persamaan l p1311 tberikut. P h: komponen (10) sebaiknya dibuat dari bahan anti korosi dan anti karat seperti f1 1 0.5(t 2 t 21 ) u U p u g F2 ) u cos D F1, F2, dengan F3 : hasil komponen gaya di penjatah pupuk (N) dibandingkan pengujian. analisis perhitungan torsi pada rotor tipe edgeĮ Sehingga, hopper (°) (11) bahan plastik, stainless steel, atau fiberglass (Champbell, W p 1 a l: sudut p 11 t kemiringan 0 . 5 t t u U u g u sin D 1 2 21 2p ) g percepatan gravitasi (m/detik F1s1 uditurunkan Rpr1a: C t u l F tan 3 I p u R F W F (13) r p 21 r 1 r (12) cell Tȡdapat menggunakan persamaan 13 berikut. 1990). : beratf 1jenis pupuk (g/cm ) p koefisien gesek antara pupuktorsi dengan bahanrotor hopper tipe edge-cell dapat diturunkan µk Sehingga, : analisis pada Hasil perhitungan dariperhitungan rumus yang dibangun kemudian Selain hopper, komponen yang dirancang adalah rotor : sudut gesekan dalam pupuk (°) �p Keterangan: menggunakan persamaan 13 berikut. Hasil perhitungan dari rumus yang dibangun kemudian : massa pupuk pada celahberat penjatah (g) (N) mppc, Wp1, Wp2dengan dibandingkan hasil pengujian. yang berfungsi untuk menyalurkan tenaga putar dari motor W : komponen gaya pupuk dibandingkan dengan hasil pengujian. Ȧ : kecepatan sudut rotor penjatah (rad/s) : komponen gaya gesek pupuk-dinding hopper (N) FR f1, Ff2 AC variable speed dan menggunakannya untuk memutar poros : jari-jari celah rotor (cm) c :r komponen di1 penjatah pupuk (N) Fl1r, FT2r, F3Fs1 u:Rlebar C p (cm) t 21 ugaya lr F tan I p u R rotor (13) r ..................... (13) rotor, dan penjatah pupuk yang fungsinya berupa membawa Į : sudut kemiringan hopper (°) 2 Analisis Perancangan dan Modifikasi Penjatah Pupuk g : percepatan gravitasi (m/detik ) pupuk dari hopper ke saluran pupuk dan mengatur volume Keterangan: 3 Keterangan: :perancangan berat jenisbertujuan pupuk )pupuk (N)rancangan yang akan ȡpTahapan : komponen gaya(g/cm beratmenganalisis Wp, Wanalisis p1, Wp2 untuk panjatahan pupuk sesuai dengan dosis yang direncanakan. :pembuatan/pabrikasi koefisien gesekgaya antara pupuk dengan hopper k Ff1, F : komponen gesek pupuk-dinding hopper (N) dibuatµsebelum dilakukan prototipe. Untuk keperluanbahan analisis, dilakukan f2 Wp�, W , W : komponen gaya berat pupuk (N) Tipe penjatah pupuk edge-cell yang dipilih merupakan p1 p2 penentuan dosis pemupukan yang umum dilakukan untuk budidaya jagung (dari literatur dan : sudut gesekan gaya dalamdipupuk (°) pupuk (N) p F1, F2, F3 : komponen penjatah pedoman budidaya jagung) dan pengukuran karakteristik pupuk. Sifat pupuk : massa pupuk pada celah penjatah (g) karakteristik m pcĮ , F : komponen gaya gesek pupuk-dinding hopper (N) F : sudut kemiringan hopper (°) merupakan tipe penjatah umpan positif di mana roda penjatah f2 yangf1diperlukan untuk keperluan analisis antara lain ukuran partikel, sifat higroskopisitas 2 Ȧ g : kecepatan sudutgravitasi rotor penjatah (rad/s) ) : percepatan (m/detik dipasangkan pada jarak yang disyaratkan sepanjang hopper : komponen gaya di penjatah pupuk (N) F1,RFc 2, F3 6 : jari-jari ȡp : beratcelah jenis rotor pupuk(cm) (g/cm3) dan diputar oleh poros bulat (Gambar 4). Dosis penjatahan : lebar rotor (cm) α lr µk : koefisien gesekhopper antara pupuk : sudut kemiringan (°) dengan bahan hopper : sudut gesekan dalam pupuk2 (°) �p pupuk diatur dengan mengubah kecepatan putar rotornya g Perancangan : percepatan gravitasi (m/detik ) Analisis dan: massa Modifikasi Pupuk pupukPenjatah pada celah penjatah (g) mpc (Srivastava dkk., 2006). ρ Ȧ : kecepatan sudut rotor3)penjatah (rad/s) : berat jenis pupuk (g/cm Adapun analisis pendugaan torsi pada rotor edge-cell pertama-tama dilakukan dengan menganalisis gaya-gaya yang bekerja pada hopper seperti pada Gambar 3 berikut ini.
p
p
f1
h
p
11
p1a
11
1
r
p1a
s1
1
2
1
2
21
21
2
p
p
f1
r
p
21
r
1
p
r
p
Tahapan analisis perancangan bertujuan untukdengan menganalisis : jari-jari celah rotor (cm) Rc : koefisien gesek antara pupuk bahan rancangan yang akan µksebelum dibuat pembuatan/pabrikasi prototipe. Untuk keperluan analisis, dilakukan lr dilakukan : lebar rotor (cm) hopper penentuan dosis pemupukan yang umum dilakukan untuk budidaya jagung (dari literatur dan ϕ : sudut gesekan dalam pupuk (°) p pedoman budidaya jagung)dan dan pengukuran karakteristik Analisis Perancangan Modifikasi Penjatah Pupukpupuk. Sifat karakteristik pupuk yangmdiperlukan untuk keperluan analisis antara penjatah lain ukuran : massa pupuk pada celah (g) partikel, sifat higroskopisitas pc Tahapan analisis perancangan bertujuan untuk menganalisis rancangan yang akan ω 6 : kecepatan sudut rotor penjatah (rad/s) dibuat sebelum dilakukan pembuatan/pabrikasi prototipe. Untuk keperluan analisis, dilakukan Rc : jari-jari celah rotor (cm) penentuan dosis pemupukan yang umum dilakukan untuk budidaya jagung (dari literatur dan pedoman budidaya jagung) dan pengukuran karakteristik pupuk. Sifat karakteristik pupuk : lebar rotor (cm) lr yang diperlukan untuk keperluan analisis antara lain ukuran partikel, sifat higroskopisitas
Analisis Perancangan dan Modifikasi Penjatah Pupuk Tahapan analisis perancangan bertujuan untuk menganalisis rancangan yang akan dibuat sebelum dilakukan pembuatan/pabrikasi prototipe. Untuk keperluan analisis, dilakukan penentuan dosis pemupukan yang umum dilakukan
6
Gambar 4. Rotor dan selubung rotor
Rancangan struktural adalah analisis dari komponenkomponen alat yang akan dibuat yang telah dibahas pada rancangan fungsional. Bentuk, ukuran, dan bahan dari masing-masing komponen ditentukan melalui rancangan
105
Gambar 5. Penjatah pupuk; (a) konvensional dan (b) edge-cell
struktural. Perbandingan model penjatah pupuk konvensional dan edge-cell dapat dilihat pada Gambar 5. Perbedaan antara model lama dan model baru penjatah pupuk ada pada posisi penjatah pupuk terhadap hopper dan adanya sikat penjatah pada tipe edge-cell untuk menjaga agar tidak ada pupuk berlebih yang ditampung celah penjatah. Letak penjatah pupuk tipe konvensional (Gambar 5a) langsung berada di bawah hopper. Sehingga pupuk dari dalam hopper akan langsung mengalir ke bagian penjatah pupuk. Sedangkan pada penjatah pupuk yang telah dimodifikasi (Gambar 5b), letak penjatah pupuk tidak tepat berada di bukaan hopper, melainkan digeser sedikit ke samping bukaan hopper. Perbedaan lainnya ada pada posisi rotor terhadap rumah rotor. Jarak antara dinding rumah rotor dan ujung sudu rotor pada tipe konvensional dibuat serapat mungkin. Hal ini bertujuan untuk mencegah pupuk yang jatuh melewati sela-sela celah tersebut. Sebaliknya, dinding tipe edge-cell berjarak cukup jauh dari dinding rotor. Tujuannya adalah untuk mengurangi gaya gesek antara dinding rumah rotor dan sudu rotor. Adanya gaya gesek ini mengakibatkan torsi yang dibutuhkan untuk memutar poros rotor semakin besar. Selain itu, hopper pada penjatah tipe edge-cell dilengkapi sikat yang letaknya berada di atas penjatah pupuk. Fungsi sikat ini adalah untuk mengontrol kelebihan pengambilan pupuk yang dilakukan oleh penjatah pupuk sehingga pupuk yang berlebih tidak bergesekan dengan dinding penjatah.
AGRITECH, Vol. 34, No. 1, Februari 2014
kebutuhan torsi dilakukan pemasangan strain gage pada poros pemutar rotor. Bagian ujung poros dilengkapi dengan slip ring. Kabel yang berasal dari slip ring disambungkan ke bridge box dan keluaran dari bridge box dihubungkan ke handy strain meter. Pupuk dimasukkan ke dalam hopper dan poros penjatah yang dihubungkan dengan motor AC variable speed diputar selama 30 detik. Keluaran nilai strain kemudian dikonversi menjadi torsi. Pengujian dilakukan dengan tiga kali ulangan. Hasil pengujian kebutuhan torsi pada tipe konvensional kemudian dibandingkan dengan tipe edge-cell. Bahan pengujian yang digunakan adalah pupuk urea dan TSP. Parameter pengujian kebutuhan torsi pupuk urea antara lain lebar bukaan selubung rotor penjatah (50, 75, dan 100%) dan volume pupuk dalam hopper (25, 50, dan 100%). Sedangkan pada pengujian untuk pupuk TSP hanya berupa perubahan volume hopper. Kecepatan putar rotor yang digunakan adalah 15 dan 35 RPM. Skema susunan alat untuk keperluan pengujian terdapat pada Gambar 6. Adapun uji validasi model dilakukan untuk mengetahui ketepatan model pendugaan torsi yang telah dibangun dari persamaan 1-13 dengan hasil pengukuran kebutuhan torsi.
Metode Pengujian Tahap pengujian yang dilakukan antara lain uji kebutuhan torsi dan uji validasi model. Untuk pengujian
106
Gambar 6. Skema susunan alat pengujian kebutuhan torsi
AGRITECH, Vol. 34, No. 1, Februari 2014
HASIL DAN PEMBAHASAN Analisis Kebutuhan Torsi Hasil pengujian kebutuhan torsi pupuk urea (bukaan selubung rotor 100%) dapat dilihat pada Gambar 7.
Gambar 7. Perbandingan kebutuhan torsi kedua tipe penjatah pupuk pada pupuk urea bukaan selubung 100%; (a) 15 RPM dan (b) 35 RPM
Hasil pengujian menunjukkan bahwa kebutuhan torsi penjatah tipe edge-cell lebih rendah daripada tipe konvensional. Penurunan kebutuhan torsi tipe penjatah edgecell mencapai hingga setengah dari kebutuhan torsi penjatah tipe konvensional. Gambar 7 di atas menunjukkan bahwa pada penjatah tipe edge-cell, peningkatan volume pupuk dalam hopper tidak berpengaruh signifikan terhadap perubahan kebutuhan torsi. Adapun hasil pengujian kebutuhan torsi untuk penjatahan pupuk urea dengan bukaan selubung 75% dapat dilihat pada Gambar 8. Seperti halnya pada pengujian dengan bukaan selubung 100%, hasil pengujian kebutuhan torsi penjatah tipe edgecell dengan bukaan selubung 75% lebih rendah daripada tipe penjatah konvensional. Selain itu, terlihat pula bahwa perubahan volume pupuk dalam hopper dan kecepatan putar
rotor pada penjatah tipe edge-cell tidak berpengaruh signifikan terhadap perubahan torsi. Penyebabnya, pada penjatah tipe terdahulu tidak terdapat sikat penjatah, sehingga ketika putaran rotor lebih kencang dan butiran pupuk berlebih masuk ke ruang penjatah, pupuk bergesekan dengan dinding bawah hopper dan dinding ruang penjatah sehingga menyebabkan nilai kebutuhan torsi putar rotor penjatah menjadi tinggi. Adapun hasil pengujian kebutuhan torsi pada bukaan selubung 50% dapat dilihat pada Gambar 9. Hasil pengujian kebutuhan torsi untuk penjatahan pupuk urea pada bukaan selubung 50, 75, dan 100% tersebut menunjukkan bahwa kebutuhan torsi tipe edge-cell lebih rendah daripada tipe konvensional. Pengurangan kebutuhan torsi ini tercapai hingga 68% dibandingkan dengan tipe konvensional. Hal ini menunjukkan bahwa tipe penjatah edge-
Gambar 8. Perbandingan kebutuhan torsi kedua tipe penjatah pupuk pada pupuk urea bukaan selubung 75%; (a) 15 RPM dan (b) 35 RPM
107
AGRITECH, Vol. 34, No. 1, Februari 2014
Gambar 9. Perbandingan kebutuhan torsi kedua tipe penjatah pupuk pada pupuk ureabukaan selubung 50%; (a) 15 RPM dan (b) 35 RPM
Gambar 10. Perbandingan kebutuhan torsi kedua tipe penjatah pupuk pada pupuk TSP; (a) 15 RPM dan (b) 35 RPM
cell layak digunakan untuk menggantikan tipe konvensional dalam pemupukan jagung. Adapun pengujian kebutuhan torsi untuk penjatahan pupuk TSP dapat dilihat pada Gambar 9. Hasil pengujian menunjukkan bahwa kebutuhan torsi penjatahan pupuk TSP pada tipe konvensional jauh lebih tinggi daripada tipe edge-cell, dimana semakin meningkatnya kecepatan putar rotor penjatah menyebabkan selisih kebutuhan torsi antara kedua tipe penjatah pupuk semakin besar. Pada tipe edge-cell, perubahan kecepatan putar rotor penjatah dan volume pupuk dalam hopper tidak berpengaruh signifikan terhadap perubahan kebutuhan torsi pupuk. Besarnya penurunan kebutuhan torsi yang diperoleh menggunakan penjatah tipe edge-cell dapat mencapai hingga 80% karena pada tipe konvensional jarak antara ujung sudu rotor penjatah dengan dinding ruang penjatah sempit. Ukuran butiran pupuk TSP yang dijatahkan cukup besar dan kasar sehingga saat dijatahkan menggunakan tipe konvensional terjadi gesekan yang cukup besar terjadi di ruang penjatah pupuk. Karena
108
ruang penjatah terbuat dari akrilik, ruang penjatah mudah pecah/patah saat digunakan untuk menjatah pupuk TSP.
Gambar 11. Retakan pada ruang penjatah pupuk tipe konvensional
Validasi Model Validasi model dilakukan untuk membandingkan torsi penjatahan pupuk antara model dan pengujian. Pendugaan nilai torsi penjatahan pupuk dibangun dengan menggunakan Persamaan 1-13. Melalui validasi ini, ketepatan model torsi yang dibangun akan dibandingkan dengan hasil pengukuran torsi penjatahan pupuk. Hasil validasi model penjatah pupuk urea tipe konvensional dapat dilihat pada Gambar 12. Pengujian tersebut dilakukan pada tiga kondisi volume pupuk dalam hopper. Titik-titik yang mengumpul pada bagian kiri grafik adalah saat volume pupuk dalam hopper 25%. Titik-titik yang berada pada bagian tengah adalah hasil saat volume hopper 50%, dan titik-titik yang mengumpul pada bagian kanan adalah saat volume hopper 100%. Sedangkan garis berwarna oranye merupakan garis 45° yang menunjukkan ketepatan nilai torsi pendugaan terhadap nilai torsi pengukuran. Saat titik-titik pada grafik tersebut berada dekat dengan garis oranye, maka hal ini menunjukkan bahwa hasil pendugaan torsi mendekati hasil pengukuran torsi. Artinya, model pendugaan torsi yang dibangun cukup akurat untuk menduga nilai kebutuhan torsi putar penjatah pupuk. Hal ini juga berlaku pada pengujian validasi model tipe edgecell pada Gambar 13. Hasil pengujian validasi model penjatah tipe konvensional untuk penjatahan pupuk urea pada Gambar 12 menunjukkan bahwa saat volume hopper 25%, hasil pengukuran torsi hampir sesuai dengan hasil pendugaan torsi. Akan tetapi, adanya pertambahan volume hopper menunjukkan semakin jauh hasil pendugaan dan pengukuran yang diperoleh. Pada saat volume hopper 50%, torsi pendugaan berada pada
AGRITECH, Vol. 34, No. 1, Februari 2014
kisaran dua kali hasil torsi pengukuran. Sedangkan pada saat volume hopper 100%, torsi pendugaan berada pada kisaran nilai lima kali hasil torsi pengukuran. Hasil pengujian menunjukkan bahwa perubahan volume pupuk dalam hopper tidak memberikan pengaruh yang signifikan terhadap peningkatan kebutuhan torsi penjatahan pupuk. Pada model pendugaan torsi, perubahan volume pupuk dimasukkan dalam parameter perhitungan gaya berat pupuk dalam hopper (persamaan 1 dan 9). Sehingga, pada model pendugaan torsi, semakin tinggi volume pupuk dalam hopper menyebabkan nilai kebutuhan torsi semakin meningkat. Hasil pengukuran torsi menunjukkan bahwa pada tingkat volume pupuk dalam hopper yang berbeda-beda, kebutuhan torsi yang ditunjukkan tidak berbeda jauh. Adapun hasil validasi model penjatahan pupuk urea tipe edge-cell dapat dilihat pada Gambar 13. Hasil validasi model penjatah tipe edge-cell menunjukkan bahwa hasil pengukuran kebutuhan torsi pada volume pupuk dalam hopper 25% cukup mendekati hasil pendugaan torsi. Namun, semakin meningkatnya volume pupuk dalam hopper menyebabkan perbedaan nilai kebutuhan torsi antara hasil pendugaan dan pengukuran yang semakin jauh. Pada saat volume pupuk dalam hopper 100%, nilai torsi pendugaan sekitar tiga kali nilai torsi pengukuran. Hal ini menunjukkan bahwa peningkatan volume hopper tidak memberi pengaruh yang signifikan terhadap peningkatan kebutuhan torsi. Terdapat dua dugaan yang menyebabkan torsi hasil pengukuran lebih kecil daripada torsi pendugaan pada tingkat volume pupuk dalam hopper tertentu. Pertama, besarnya berat pupuk diperoleh melalui pendugaan gaya berat pupuk yang terdapat pada seluruh ruang hopper seperti yang dicantumkan
Gambar 12. Hasil validasi model penjatahan pupuk urea tipe konvensional; (a) 15 RPM, (b) 35 RPM
109
AGRITECH, Vol. 34, No. 1, Februari 2014
a
b
Gambar 13. Hasil validasi model penjatahan pupuk urea tipe edge-cell; (a) 15 RPM, (b) 35 RPM
pada persamaan pendugaan torsi. Melalui hasil pengukuran torsi diperoleh hasil bahwa berat pupuk yang memberi pengaruh signifikan dalam perhitungan torsi pendugaan adalah berat pupuk dalam hopper yang akan masuk ruang penjatah (volume pupuk 25% dalam hopper). Sehingga, komponen gaya berat pupuk dalam hopper yang dihitung cukup pada daerah hopper hingga ketinggian t2 seperti yang diilustrasikan pada Gambar 14 berikut.
lebih kecil daripada hasil perhitungan berdasarkan model yang dibangun karena terhambat oleh gaya gesek tersebut. Pada saat volume pupuk dalam hopper penuh (100%), gaya gesek yang terjadi antara pupuk di daerah Wp3 dengan pupuk pada sisi hopper lebih besar daripada saat volume pupuk 25%. Penyebabnya adalah saat hopper penuh diisi pupuk, gaya gesek antar pupuk lebih besar karena lebih banyak jumlah pupuk yang bergesekan daripada saat volume pupuk hanya 25% dalam hopper (Balevičius dkk., 2008). Kedua pendugaan yang telah dikemukakan di atas juga berlaku pada model yang dibangun untuk penjatah tipe edge-cell. KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan
Gambar 14. Koreksi perhitungan pendugaan gaya berat pupuk dalam hopper
Kedua, diduga terjadi gesekan (Fs) antar pupuk sepanjang daerah Wp3 yang bekerja terhadap pupuk pada sisi hopper (F1 dan F2) seperti yang disajikan pada Gambar 14 tersebut dan sebelumnya tidak dimasukkan dalam perhitungan. Hal ini menyebabkan pada kondisi riil besar gaya berat pupuk Wp3
110
Kebutuhan torsi pemutar rotor pada alat pemupuk tipe edge-cell yang diperoleh dari hasil pengujian lebih rendah daripada tipe konvensional baik pada pengujian untuk pupuk urea (68%) maupun untuk pengujian pada pupuk TSP (80%). Hal ini menunjukkan bahwa penjatah tipe edge-cell layak digunakan untuk digunakan untuk penjatah dalam alat pemupuk jagung. Hasil pengujian validasi model menunjukkan bahwa pada saat volume hopper 25%, kebutuhan torsi pengukuran mendekati kebutuhan torsi hasil validasi. Akan tetapi, saat terjadi peningkatan volume hopper maka hasil yang diperoleh berbeda cukup jauh. Hasil pengukuran torsi menunjukkan bahwa peningkatan volume pupuk dalam hopper tidak berpengaruh terhadap peningkatan kebutuhan torsi.
Saran Model penjatah pupuk tipe edge-cell direkomendasikan untuk menggantikan tipe penjatah konvensional dalam desain mesin pemupuk jagung. Koreksi pada model terkait belum sesuainya hasil pengukuran dengan hasil pendugaan torsi dari model yang dibangun adalah parameter volume pupuk dalam hopper yang seharusnya diperhitungkan adalah volume pupuk yang akan masuk ruang penjatahan. Selain itu, diduga terdapat gaya geser antar partikel pupuk pada bagian tengah hopper sehingga gaya berat pupuk yang masuk ke ruang penjatah tidak sebesar hasil perhitungan DAFTAR PUSTAKA Bainer, R., Kepner, R.A. dan Barger, E.I. (1961). Principles of Farm Machinery. John Wiley and sons, Inc. NewYork. Balevičius, R., Kačianauskas, R., Mróz, Z. dan Sielamowicz, I. (2008). Discrete-particle investigation of friction effect in filling and unsteady/steady discharge in threedimensional wedge-shaped hopper. Elsevier. Powder Technology 187: 159-174.
AGRITECH, Vol. 34, No. 1, Februari 2014
Champbell, J.K. (1990). Dibble Stick, Donkeys, and Machines in Crop Production. Manila, Philiphines: International Rice Research Institute. De, D. (1989). Flow behaviour of chemical fertilizers as affected by their properties. Journal of Agricultural Engineering Research 42: 235-249. Hofstee, J.W. dan Huisman, W. (1990). Handling and spreading of fertilizer part 1: Physical properties of fertilizer in relation to particle motion. Journal of Agricultural Engineering Research 7: 213-234. Putra, P.M. (2011). Peningkatan Kinerja Unit Penanam dan Pemupuk pada Mesin Penanam dan Pemupuk Jagung Terintegrasi. Skripsi. Fakultas Teknologi Pertanian. Institut Pertanian Bogor. Bogor. Syafri, E. (2010). Disain Mesin Penanam Jagung Terintegrasi dengan Penggerak Traktor Roda Dua. Tesis. Program Pascasarjana. Institut Pertanian Bogor, Bogor. Srivastava, A.K., Goering, C.E. dan Rohrbach, R.P. (2006). Engineering Principle of Agricultural Machine. USA: American Society of Agriculture Enginering.
111
