MODEL MATEMATIK KAPASITAS KERJA MESIN PEMBELAH BIJI KEDELAI (Glycine max) SISTEM GESEK PUTAR Mathematical Model of Working Capacity of Spin Friction Type Soybean Slicing Machine Rofarsyam 1, Bambang Purwantana2, Nursigit Bintoro2
ABSTRAK Penelitian ini dilakukan untuk mendapatkan model matematik kapasitas pembelahan biji kedelai pada mesin pembelah sistem gesek putar. Analisis dimensi digunakan sebagai pendekatan perancangan untuk mendapatkan parameter-parameter yang mempengaruhi kapasitas kerja mesin. Untuk mendapatkan model, dibuat 5 hoper berdiameter DH 260 mm dengan jarak sudu SH masing-masing 51 mm, 102 mm, 204 mm, 1 hoper berdiameter DH 300 mm dengan jarak sudu SH 118 mm dan 1 hoper berdiameter DH 280 mm dengan jarak sudu SH 110 mm, 3 rotor berdiameter DR 90 mm dengan jarak sudu SR 71 mm dan 1 rotor berdiameter DR 180 mm jarak sudu SR 141 mm serta 1 rotor berdiameter DR 75 mm dengan jarak sudu SR 59 mm. Hasil analisis data pengujian kapasitas pembelahan biji kedelai (Q) terhadap berat kedelai (WB), kecepatan putar (n), berat air (WA), waktu proses (t), massa jenis kedelai (), jarak sudu rotor (SR), panjang sudu rotor (HR), jarak sudu hoper (SH), panjang sudu hoper (HH), dan diameter hoper (DH) menghasilkan persamaan matematis: 0 ,869 0,833 0 , 715 0 , 081 0 , 266 3,865 HR SH HH DH W A 0 , 779 .S R 1, 099 t.n Q 10 WB n W WB SR SR SR SR B Hasil uji model menunjukkan bahwa korelasi kapasitas hasil perhitungan (QH) dengan kapasitas hasil pengamatan (QP) mempunyai nilai probalitas 0,954. Hasil t hitung 1,76 lebih kecil dibandingkan dengan t tabel 1,973, sehingga tidak ada perbedaan antara (QH) dengan (QP). Model matemetis hasil penelitian ini direkomendasikan untuk membuat mesin pembelah biji kedelai bahan baku tempe agar parameter-parameter yang mempengaruhi kapasitas kerja menghasilkan kapasitas yang sesuai dengan yang dikehendaki. Kata kunci : model kapasitas kerja, mesin pembelah biji kedelai, gesek putar, analsis dimensi.
PENDAHULUAN Pada umumnya proses pembelahan biji kedelai dalam pembuatan tempe pada industri rumah tangga masih dilakukan secara manual, yaitu dinjak-injak dengan kaki. Kapasitas cara ini baru mencapai 10 kg/jam dengan efisiensi 90 % (Yusron 2008). Beberapa pengrajin tempe kedelai skala yang lebih besar telah menggunakan mesin pembelah, seperti mesin pembelah sistem rol silinder, atau sistem dua lempengan grinda (disk). Efisiensi pembelahan kedua jenis mesin tersebut 85% dan kapasitasnya 50 kg/jam, dimana biji kedelai yang berukuran lebih besar dari jarak dua rol atau dua lempengan cenderung pecah atau hancur, biji kedelai yang berukuran lebih kecil tidak terbelah (Taufik 2006). Untuk mengatasi permasalahan tersebut 1
2
Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Semarang , Jl. Prof Sudarto Tembalang Semarang Jurusan Teknik Pertanian Fakultas Teknologi Pertanian UGM, Jl. Flora, Bulaksumur Yogyakarta
1
perlu dikembangkan mesin pembelah biji kedelai yang dapat mengatasi variasi ukuran bijian. Mesin pembelah sistem gesek putar diperhitungkan akan cukup efektif untuk tujuan tersebut. Untuk tujuan perancangan mesin perlu dikembangkan model matematis kapasitas kerja mesin pembelah biji kedelai. Hal tersebut dimaksudkan agar didalam pembuatan mesin saat pemilihan parameter-parameter kapasitas kerja dapat dilakukan secara tepat. Sistem gesek putar dengan parameter rancangbangun yang tepat memungkinkan biji kedelai bergesekan secara efektif baik dengan bagian mesin atau antar biji kedelai sendiri. Keberhasilan mekanisme sistem gesek putar telah dibuktikan pada beberapa jenis mesin proses. Risfaheri (2006) telah mengembangkan mesin pengupas lada putih sistem gesek putar menggunakan piringan dan dicapai efisiensi pengupasan 97,5%. Prihatman (2006) mengembangkan mesin pencabut bulu ayam dengan sistem gesek putar dengan efisiensi 98% bulu/ekor, kapasitas kerja 60 ekor/jam. Suhendra (2010) berhasil mengembangkan mesin pengupas lada sistem gesek putar dengan kapasitas 10 kg/jam. Mekanisme kerja utama mesin pembelah sistem gesek putar meliputi pemutar silinder bersudu (rotor) yang berputar dalam tabung bersudu dian (stator), sehingga biji kedelai berbagai variasi ukuran akan diputar oleh gaya tangensial rotor yang menyebabkan trjadinya gesekan dan pembelahan. Dengan mekanisme sistem gesek putar mempunyai kelebihan dibandingkan dengan cara sebelumnya, diantaranya : pembelahan tidak tergantung ukuran biji, tidak perlu diinjak-injak, pembelahan lebih sempurna dan dapat menghemat waktu serta tenaga. Model matematis dibuat untuk menggambarkan hubungan antar parameter kapasitas kerja pembelahan dengan parameter rancangbangun. Hasil penelitian diharapkan dapat digunakan sebagai panduan atau pedoman dalam membuat mesin pembelah biji kedelai, karena memberikan gambaran hubungan antara kapasitas yang diinginkan dengan parameterparameter rancangbangun.
METODE PENELITIAN Bahan dan alat Gambar 1 memperlihatkan skema dan mekanisme kerja mesin pembelah biji kedelai yang dirancang. Komponen utama mesin terdiri dari hoper dan sudu hoper, rotor dan sudu rotor. Stainless steel tebal 3 mm digunakan untuk konstruksi hoper, stator, sudu hoper dan sudu rotor, besi ST 60 digunakan untuk poros rotor dan besi siku L-45 ST 37 digunakan untuk rangka mesin. Sumber daya penggerak motor listrik 1 HP dan dilengkapi inventer untuk
2
mengatur putaran motor. Kedelai impor dan lokal digunakan sebagai bahan uji coba mesin. Peralatan yang digunakan pada pembuatan mesin adalah : peralatan mesin las listrik, gergaji potong, gerinda tangan, mesin bor, mesin bubut, perkakas kerja bangku, tang, mistar, palu besi, penyiku, dan kunci pas. Alat dan peralatan yang digunakan untuk pengujian mesin yaitu : mesin pembelah hasil rancang bangun, stopwatch, meteran, tenggok, neraca atau timbangan. Proses perancangan dilakukan di Jurusan Teknik Pertanian Fakultas Teknologi Pertanian Universitas Gadjah Mada Yogyakarta. Pembuatan mesin dilakukan di Bengkel Konstruksi Sari Agung Semarang dan Politeknik Negeri Semarang. Tempat pengujian dilakukan di industri tempe Bapak Rofii di Warung Boto, Gedong Kuning Yogyakarta. l=3 HR SR
Pandangan atas sudu rotor SH HH DH
HH
l=3
HR
DR
Pandangan atas sudu hopper L
Lh
Dm
S D1
S
Gambar 1. Mekanisme kerja mesin pembelahan biji kedelai sistem gesek putar
Variabel-variabel yang mempengaruhi kapasitas kerja Untuk melakukan analisis dimensi pada rancangbangun mesin pembelahan biji kedelai sistem gesekan putar, terlebih dahulu menentukan parameter-parameter atau variabel-variabel yang berpengaruh terhadap proses pembelahan. Variabel-variabel yang diperhitungkan mempengaruhi kapasitas proses pembelahan biji kedelai adalah : berat kedelai (WB), berat air (WA), diameter pemutar (DR), diameter hoper (DH), ukuran panjang sudu rotor (HR), panjang sudu hoper (HH), jarak antar sudu rotor (SR), jarak antar sudu hoper (SH), putaran rotor (n) dan waktu proses (t), seperti ditunjukkan pada Tabel 1.
3
Tabel 1. Variabel yang mempengaruhi kapasitas belahan biji kedelai (Q ) No Variabel Konstruksi alat pembelah biji kedelai 1 Diameter hoper 2 Diameter rotor 3 Panjang sudu hoper 4 Jarak sudu hoper 5 Panjang sudu rotor 6 Jarak sudu rotor Bahan biji kedelai akan dibelah 1 Massa jenis biji kedelai Proses pembelahan-pengupasan 1 Waktu proses 2 Putaran 3 Berat bahan biji kedelai 4 Berat air Dependen (variable tak bebas) 1 Kapasitas belahan biji kedelai
Notasi
Satuan
Dimensi
DH DR HH SH HR SR
m m m m m m
L L L L L L
ρ
Kg/m3
M L– 3
t n WB WA
dt 1/det kg kg
T T –1 M M
Q
Kg/det
M T –1
Analisis dimensi mesin pebelah biji kedelai sistem gesek putar Analisis variabel berpengaruh terhadap kapasitas belahan biji kedelai dilakukan dengan menggunakan teori phi-Buckingham. Dari variabel-variabel pada Tabel 1 dibuat persamaan sebagai berikut : Q = f (WA, WB, n, SR, t, , HR, SH, HH, DR, DH ) Qa, WAb, WBc, nd, SRe, tf, g, HRh, SHi, HHj, DRk, DHl ) = C Bilangan tanpa dimensi persamaan tersebut sebagai berikut : (M T – 1)a (M)b (M)c (T – 1)d (L)e (T)f (M L– 3)g (L)h (L)i (L)j (L)k (L)l M :a+b+c+g=0 L : e – 3g + h + i + j + k + l = 0 T :–a–d+f=0 Selanjutnya dilakukan pemilihan kelompok variabel guna mendapatkan nilai determinan lebih besar dari nol, dan diperoleh kelompok c, d dan e, sehingga : a, b, f, g, h, i, j, k, l dibandingkan dengan c, d dan e. Untuk a = 1 maka (b, f, g, h, i, j, k, l) = 0, sehingga c = - 1, d = -1, e = 0. Dengan demikian Q1(WB) - 1 (n) - 1 (SR) 0 = π 1 atau π 1 =
Q WB . n 3
Dengan cara yang sama didapat : π 2 =
WA H S ρ . SR , π 3 = t . n, π 4 = , π5 = R , π6 = H , SR SR WB WB
4
π7 =
HH D D , π 8 = R , dan π 9 = H . SR SR SR
π 1 fungsi dari π 2 sampai dengan π 9 , ditulis dengan persamaan : π1 = f ( π 2 , π 3 , π 4 , π 5 , π 6 , π 7 , π 8 , π 9 )
....................................... (1)
Dengan memasukkan parameter-parameter π 1 sampai π 9 pada persamaan 1, dieproleh:
Q WB . n
W ρ SR H R SH H H D R D H f A , t . n , , , , , , WB S R S R S R S R S R WB
....... .................................… (2)
Fungsi f merupakan konstanta C, sehingga persamaan (2) menjadi :
W ρ SR H R SH H H D R D H Q C A , t . n , , , , , , WB . n WB S R S R S R S R S R WB
......….… (3)
Dari persamaan 3 dapat disimpulkan bahwa kapasitas pembelahan (Q) adalah :
W Q C WB . n A WB
a
t . n
b
ρ . SR W B
3
c
HR SR
d
SH SR
e
HH S R
f
DR SR
g
DH S R
h
… (4)
Dalam pembuatan mesin ditetapkan jumlah sudu rotor (SR) sebanyak empat buah pada diameter rotor (DR) tetap, sehingga
DR bernilai konstan. Dengan demikian persamaan (4) SR
dapat disederhanakan menjadi :
W Q C WB . n A WB
a
t . n
b
ρ . SR W B
3
c
HR SR
d
SH SR
e
HH SR
f
DH SR
g
……. (5)
Pembuatan dan pengujian mesin Unit utama mesin pembelah biji kedelai dibuat terdiri atas komponen-komponen sesuai dengan hasil perhitungan pra-desain dan menggunakan analisis dimensi, yaitu terdiri dari 7 variasi hopper dan 5 variasi rotor seperti ditunjukkan pada Tabel 2. Pada pelaksanaan pengujian masing-masing pasangan hoper dan rotor dipasang secara bergantian sesuai dengan rancangan percobaan Tabel 3. Setiap variasi perlakuan dilakukan sebanyak tiga ulangan.
5
Tabel 2. Bagian Utama Unit Mesin Pembelah Biji Kedelai Bahan Baku Tempe No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Nama Unit Hopper Hopper Hopper Hopper Hopper Hopper Hopper Rotor Rotor Rotor Rotor Rotor
Jumlah 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
Diameter [mm] 300 280 260 260 260 260 260 180 75 90 90 90
Jumlah Sudu 8 8 4 8 16 8 8 4 4 4 4 4
Jarak Sudu [mm] 117,75 109,9 204,1 102,05 51,025 102,05 102,05 141,3 58,875 70,65 70,65 70,65
Lebar Sudu [mm] 20 20 20 20 20 15 10 20 20 20 15 10
Biji kedelai yang telah direbus, direndam dan ditiriskan sesuai dengan kriteria bahan baku tempe, ditimbang beratnya ( WB ) sesuai dengan berat masukan yang direncanakan mengikuti rancangan percoban Tabel 3. Demikian pula air bersih ( WA ) untuk campuran ditimbang dengan sesuai rancangan pengujian. Selanjutnya biji kedelai dan air ke dimasukkan ke dalam hoper. Motor dihidupkan dengan kecepatan putar yang ditentukan menggunakan pengatur putaran (inventer), pengaturuan waktu proses menggunakan alat pengatur waktu stopwacth. Motor dimatikan setelah proses pembelahan sesuai waktu yang ditentukan, dan hoper dimiringkan sampai posisi 90o dengan mengangkat kunci pin melalui tuas pengunci. Hasil pembelahan ditampung pada wadah yang telah disediakan. Sampel hasil proses pembelahan diambil dan diukur beratnya. Berat sampel dinotasikan ( D ) dalam gram gram, kemudian sampel ( D ) dikeringkan selama 30 menit, dan ditimbang. Biji kedelai yang tidak terbelah (B) dan kulit arin (C) dipisahkan dan dihitung perbandingannya terhadap biji kedelai yang terbelah (A). Persentase biji kedelai yang terbelah ( PB ) diformulasikan dengan PB = berat biji kedelai yang terbelah ( Q ) dihitung dengan Q =
A x 100% dan D
PB x WB , dimana t adalah total 100 . t
waktu proses pembelahan.
6
Tabel 2. Variasi perlakuan parameter terhadap nilai kapasitas (Q) Variabel No
SR [mm]
Q [kg/det]
WA [kg]
n [rpm] , t [det]
WB [kg] , [kg/m3]
1
70,65
Q1
WA1 = 2 kg
n2 = 100, t1 = 180
WB1 = 5,
2
70,65
Q2
WA2 = 3 kg
n2 = 300, t1 = 180
WB1 = 5,
3
70,65
Q3
WA3 = 5 kg
n2 = 500, t1 = 180
WB1 = 5,
33
141,3
Q33
WA2 = 5 kg
n3 = 500, t1 = 180
WB1 = 5,
34
70,65
Q34
WA2 = 5 kg
n3 = 500, t1 = 180
WB1 = 5,
35
70,65
Q35
WA2 = 5 kg
n3 = 500, t1 = 180
WB1 = 5,
36
70,65
Q36
WA2 = 5 kg
n3 = 500, t1 = 180
WB1 = 5,
HR [mm]
SH [mm]
HH [mm]
DR [mm]
DH [mm]
1
15
102,05
20
90
260
1
15
102,05
20
90
260
1
15
102,05
20
90
260
1
15
102,05
20
180
260
1
15
102,05
20
90
260
1
15
109,9
20
90
280
1
15
117,75
20
90
300
dst
Keterangan : SR = jarak sudu rotor , Q = berat biji kedelai yang terbelah, WA = berat air, n = putaran rotor, t = waktu proses belah, WB = berat biji kedelai yang diproses belah, HR = panjang sudu rotor, HH = panjang sudu hoper, SH = jarak sudu hoper, DR = diameter rotor, DH = diameter hoper.
HASIL DAN PEMBAHASAN Gambar 2 memperlihatkan bagian-bagian utama mesin pembelah biji kedelai hasil rancangbangun. Spesifikasi utama mesin ditunjukkan pada Tabel 4.
97
8
Penyangga
9
Pin pengunci
Rotor
86
Hoper 5 6 Mtr listrik 45
10
Inventer
Pemutar 3 4 Rangka
2 1
Unit hoper dan rotor pada mesin
Belt
Puli
Mesin pembelah biji kedelai bahan baku tempe
Biji kedelai siap diproses
Gambar 2. Mesin pembelah biji kedelai
7
Tabel 4. Spesifikasi mesin Nama Dimensi Panjang, lebar, tinggi (mm) Sumber daya Kecepatan kerja (rpm) Rotor Diameter (mm) Jumlah sudu Stator Diameter (mm) Jumlah sudu
:
Mesin pembelah kedelai tipe gesek putar
: : : : : : : : :
780, 430, 710 Motor listrik 1 HP, 1400 RPM 100, 300, 500 Poros putar 75, 90, 180 4 Hoper 260, 280, 300 4, 8, 16
Hasil pengujian sesuai dengan rancangan percobaan ditransformasikan ke dalam bentuk
π 1 sampai π 8 . Kemudian nilai-nilai π 1 sampai π 8 ditransformasikan kebentuk log dan disusun menjadi sejumlah persamaan. Selanjutnya dihitung nilai konstanta C dan koefisien a, b, c, d, e, f, dan g. Nilai konstanta dan koefisien adalah : a = 0,869, b = - 0,779, c = - 0,833, d = 0,715, e = - 0,081, f = 0,266, g = - 3,865 dan Log C = 1,099 sehingga nilai C = 101,099. Dengan memasukkan nilai konstanta dan koefisien pada persamaan 5, maka diperoleh model matematis hubungan antar parameter kapasitas kerja dengan parameter lainnya sebagai berikut :
W Q 10 1,099 WB . n A WB
0,869
t . n 0,779 ρ . SR WB
3
0,833
HR SR
0,715
SH SR
0,081
HH SR
0,266
DH SR
.............................................................. (6) Batasan keberlakuan penggunaan persamaan (6) tersebut adalah : nilai (
WA ) = 0,4 ~ WB
3
5, nilai ( t . n ) = 100 ~ 1500, nilai (
(
H ρ . SR ) = 0,080 ~ 0,402, nilai ( R ) = 0,142 ~ 0,283, nilai SR WB
SH H D ) = 0,722 ~ 2,889, Nilai ( H ) = 0,142 ~ 0,340 dan nilai ( H ) = 1,840 ~ 4,246. SR SR SR
8
3,865
Kapasitas kerja hasil perhitungan (QH) Dengan menggunakan persamaan (6) kapasitas kerja pembelahan biji kedelai dihitung (QH) dibandingkan dengan kapasitas kerja hasil pengamatan (QP). Hasilnya ditunjukkan pada Gambar 8. Berdasarkan analisis statistik diperoleh nilai korelasi antara QH dengan QP yang sangat dekat yaitu sebesar 0,954. Hasil uji signifikansi juga menunjukkan QP dengan QH tidak beda secara nyata atau QP dengan QH adalah sama.
Gambar 8. Grafik hubungan kapasitas hasil perhitungan (QH) terhadap kapasitas hasil pengamatan (QP)
KESIPULAN DAN SARAN Model matematis kapasitas kerja mesin pembelah biji kedelai telah dihasilkan menggunakan pendekatan analisis dimensi dan pengujian mesin sesuai rancangan percobaan. Variabel yang diperhitungkan mempengaruhi kapasitas kerja yaitu : berat
kedelai (WB),
kecepatan putar (n), berat air (WA), waktu proses ( t ), massa jenis kedelai ( ρ ), jarak sudu rotor ( SR), panjang sudu rotor (HR), jarak sudu hoper ( SH), panjang sudu hoper (HH), dan diameter hoper (DH). Persamaan matematis kapasitas pembelahan yang dihasilkan ditunjukkan dengan hubungan :
W Q 10 1,099 WB . n A WB
H H 0,266 D H 3,865 SR SR WB W Batasan keberlakuan penggunaan persamaan (6) tersebut adalah : nilai ( A ) = 0,4 ~ 5, nilai ( WB 0,869
t . n 0,779 ρ . SR
3
0,833
HR SR
0,715
SH SR
0,081
9
3
H S ρ . SR t . n ) = 100 ~ 1500, nilai ( ) = 0,080 ~ 0,402, nilai ( R ) = 0,142 ~ 0,283, nilai ( H ) = SR SR WB 0,722 ~ 2,889, Nilai (
HH D ) = 0,142 ~ 0,340 dan nilai ( H ) = 1,840 ~ 4,246. SR SR
Untuk pengembangan lebih lanjut disarankan dibuat tipe hoper dengan poros horizontal agar pembelahan dapat dilakukan secara kontinyu.
UCAPAN TERIMAKASIH Ucapan terimakasih dan penghargaan ditujukan : kepada Politeknik Negeri Semarang yang telah memberikan kesempatan belajar kepada saya untuk mengikuti program S2, kepada Direktur Program BPPS DIKTI yang telah mendanai selama saya mengikuti pendidikan dan kepada semua pihak yang membantu, sehingga penulis dapat melaksanakan penelitian ini dengan baik.
DAFTAR PUSTAKA Prihatman, K. 2001. Mesin Pencabut Bulu Ayam. Balai Pengembangan Teknologi Tepat Guna Alat-Alat Teknologi Pedesaan, LIPI, Subang; Jakarta Risfaheri, Hidayat, T. 2002. Rancang Bangun Alat Pengupas Lada Terpadu, Buletin Tanaman Rempah dan Obat, Vol XIII, Bogor Suhendra. 2010. Rancang Bangun Dan Pengujian Alat Pengupas Lada (Piper Nigrum L) Tipe Silinder Putaran Vertikal, Program Pasca Sarjana Universitas Gadjah Mada Yogyakarta. Taufik. 2006. Pengujian Mesin Pengupas Kulit Ari Biji Kedelai Di Sentra Industri Tempe Bringin Sala Tiga Jawa Tengah. Dimensi, Vol. III No. 2 Politeknik Negeri Semarang. Semarang. Yusron, M. 2008. Pengujian Gaya Pengupas Kulit Ari dan Gaya Pembelahan Biji Kedelai Bahan Baku Produksi Tempe. Dimensi, Vol. III No. 2 Politeknik Negeri Semarang. Semarang
10
