STUDI EKSPERIMENTAL DRAFT PEMBAJAKAN PADA OPERASI MEMBAJAK TANAH DI DALAM SOIL BIN (Experimental Study in Soil Bin on Draft Force of a Tilled Operation) Abstrak Dalam bab ini dibahas hasil-hasil eksperimen membajak tanah pada soil bin. Tujuannya adalah mencari besar dan frekuensi draft pembajakan sehingga dapat dibuat pendekatan model matematis dari draft pembajakan. Hasil ini nantinya akan digunakan untuk merancang sebuah pegas elastis dari bajak getar jenis selfexcited vibration. Soil bin berukuran panjang 1.2 m, lebar 0.3 m dan tinggi 0.4 m. diisi dengan tanah liat setebal 19-22 cm. Di dasar Soil bin dibuat lapisan hardpan setebal sekitar 12-15 cm dengan tahanan penetrasi sekitar 2.75 MPa pada kedalaman 7 cm. Digunakan dua jenis chisel plough yaitu chisel plough dengan batang lurus tegak dan chisel plough dengan batang lurus miring. Kedalaman operasi diatur konstan sekitar 14-17 cm sedangkan tebal lapisan hardpan yang dibongkar adalah sekitar 7-10 cm Kecepatan membajak divariasikan pada kecepatan 0.158, 0.212 dan 0.265 m/s. Hasil-hasil menunjukkan bahwa chisel plough bekerja pada frekuensi draft pembajakan rendah sekitar 0.94-2.01 Hz. Draft pembajakan untuk chisel plough dengan batang lurus tegak lebih besar dibandingkan dengan draft pembajakan untuk chisel plough dengan batang lurus miring. Draft pembajakan semakin besar dan linier dengan semakin besarnya kecepatan membajak, sedangkan profil draft pembajakannya berupa fungsi matematiks yang stochastics dan dimodelkan sebagai fungsi periodik. Kata kunci: Draft pembajakan, frekuensi draft pembajakan, Soil Bin, Chisel plough. Abstract This chapter discusses a series experimental of soil tillage conducted in soil bin. The objective of this discussion is to determine the draught force and cutting frequency during tillage operation so that the mathematical model of draft force can be modeled. These parameters were needed for designing an elastic spring of a self-excited vibration vibratory-tillage. A 19-22 cm layer of clay loam soil was placed in a soil bin of 1.2 m long, 0.3 m wide and 0.4 m depth and subjected to test to determine its cutting frequency and drought forces using two types of chisel plough, i.e., the vertical straight and the incline straight shanks. The 12-15 cm hardpan layer of 2.75 MPa was performed at a soil depth of 7 cm. Both vertical and inclined shanks one at a time were trusted through the soil at an operation speed of 0.158, 0.212 and 0.265 m/s and at a plow depth of 14-17 cm with a hardpan cutting of 7-10 cm. The result showed that the chisel plough worked at low vibration frequency of 0.94-2.01 Hz. The draft force was increased linearly at increasing operation speed where the vertical shank chisel had linearly greater draft force than the incline one. The cutting forces performed stochastic mathematical functions and could be modeled as periodic function. Keyword: Draught Force, Cutting Frequency, Soil Bin, Chisel plough
62
Pendahuluan Lapisan tanah padat dengan tahanan penetrasi di atas 2 MPa atau mempunyai densitas tanah di atas 1.8 g/cm3 akan sulit untuk ditembus oleh akar tanaman (Susan dan Nina, 1994, Susan et al., 1994). Soil tillage dimaksudkan untuk membongkar tanah padat, menggemburkan dan membalik tanah serta memperkecil dan mendistribusikan agregat tanah. Hal ini akan memudahkan penetrasi akar tanaman, air, nutrisi serta memudahkan sirkulasi udara di dalam tanah. Dengan demikian tanaman akan tumbuh lebih subur sehingga produktivitas tanaman menjadi meningkat (Borghei et al., 2008). Parameter penting dalam membajak tanah adalah besar draft pembajakan. Gill dan Van den Berg (1967) dan Upadhyaya et al. (2009) melaporkan draft pembajakan dan kondisi akhir tanah besarnya tergantung pada bentuk tillage tool, cara menggerakkan tillage tool serta kondisi awal tanah. Hal ini ditunjukkan dalam diagram blok pada Gambar 30, yang menggambarkan interaksi antara tanah dengan pisau bajak.
Gambar 30 Blok diagram yang menggambarkan interaksi antara tanah dengan pisau bajak (Upadhyaya et al. 2009). Kriteria kerusakan tanah didasarkan pada teori Mohr Coulomb (Gill et al. 1967, Upadhyaya et al. 2009, Ji Zang 1997). Dalam theorema ini batas maksimum agar tanah tidak mengalami kerusakan dinyatakan sebagai:
(24)
Di mana C adalah kohesi tanah, kekuatan geser maksimum agar tanah tidak mengalami kerusakan, σn adalah tegangan normal sedangkan ϕ adalah sudut gesekan di dalam tanah. Persamaan 24 dinyatakan dengan garis g pada Gambar 31b. Atas pembebanan yang mengakibatkan terjadinya tegangan geser di atas garis g mengakibatkan terjadinya kerusakan pada tanah. Sekarang diperhatikan lingkaran Mohr untuk tegangan sebagai akibat dari tegangan utama σ1 dan σ3. Bila lingkaran Mohr tegangannya adalah lingkaran 3, maka tidak terjadi
63
kerusakan pada tanah. Bila lingkaran Mohr tegangannya adalah lingkaran 1, maka tanah tepat akan mengalami kerusakan sedangkan bila lingkaran Mohr tegangannya adalah lingkaran 2, maka tanah mengalami kerusakan. Tanah akan tepat terbongkar pada titik B. Hal ini mensyaratkan konfigurasi sudut geseran tanah sebagai berikut (Gill et al. 1967, Upadhyaya et al. 2009.): 2 90
atau
(a)
0.590
(25)
(b)
Gambar 31 (a) Representasi tegangan di suatu titik pada tanah, (b) Lingkaran Mohr tegangan dengan beban utama σ1 dan σ3. Selanjutnya Gill dan Vandenberg (1968) dan Upadhyaya et al. (2009) mengaplikasikan kriteria kerusakan tanah di atas pada simple tool dengan ilustrasi seperti terlihat pada Gambar 32. Dalam gambar, G adalah bobot tanah yang dibongkar, B adalah gaya inersia guna mengatasi percepatan tanah yang dibongkar, δ adalah lift angle dari pisau bajak, β adalah sudut permukaan tanah yang telah rusak, µ adalah koefisien gesek antara tanah dengan tanah, µm adalah koefisien gesek antara tanah dengan pisau bajak. Selanjutnya C adalah kohesi di dalam tanah, Cm adalah Adhesi antara tanah dengan pisau bajak, F1 adalah luas permukaan tanah terluar yang telah rusak sedangkan F0 adalah luas permukaan bidang miring dari pisau bajak.
64
L2
L0 L1
B G
CF1
μ mN 0 C mF 0+
d N1
µN1 β
δ
h
N0
Gambar 32 Gaya-gaya yang bekerja pada pisau bajak (Gill et al. 1968 dan Upadhyaya et al. 2009). Kriteria kerusakan sesuai dengan persamaan 25 mensyaratkan besar sudut kerusakan tanah 90 ⁄2. Draft pembajakan D dirumuskan sebagai:
!"
#$% &!'()* &
+ ,
#$% -!'+ ()*-
(26)
di mana:
.
()* -/'+ *0 #$% -!'+ ()*-
1 234 5 67 =
< 34? : >
45 4 7A 4
:
*0 -!&
@0 &
BC# -!& *0 &
#$% &!'()*&
8 !89
*0 -
#$% -!&
()*&/'*0 &
;
(27a) (27b) (27c)
(27d) (27e)
7: 45 D
(27f)
EA 34⁄FG
(27g)
Persamaan 26-27 menunjukkan bahwa untuk jenis dan kondisi tanah yang telah ditentukan, serta untuk konfigurasi pisau bajak yang telah ditentukan, maka faktor/parameter penting yang berpengaruh terhadap besarnya draft pembajakan adalah kecepatan dan kedalaman membajak. Besar draft pembajakan merupakan
65
fungsi kwadratik terhadap kedalaman membajak sedangkan terhadap kecepatan membajak, besarnya draft pembajakan bisa merupakan fungsi linier, kwadratik, dan berupa fungsi polinomial (Onwualua dan Watts, 1998). Hal ini tergantung kepada jenis tanah, tingkat kepadatan tanah, kecepatan membajak serta kandungan air di dalam tanah. Mamman dan Oni (2005) melaporkan hubungan antara draft pembajakan dengan kecepatan membajak serta dengan kedalaman membajak. Penelitian dilakukan di dalam indor soil bin dengan menggunakan artificial soil. Maman dan Oni (2005) mencatat kenaikan draft pembajakan secara kuadratis dengan semakin tingginya kecepatan membajak sedangkan terhadap kedalaman membajak, Maman dan Oni (2005) mencatat kenaikan draft pembajakan secara linier. Manuwa dan Ademosun (2007) melakukan penelitian tentang hubungan antara draft pembajakan dengan tingkat kepadatan tanah dan kandungan air di dalam tanah. Penelitian dilakukan dengan menggunakan sandy clay loam di dalam soil bin. Manuwa dan Ademosun (2007) mencatat laju kenaikan draft pembajakan naik secara kuadratis dengan meningkatnya tahanan penetrasi tanah dan laju kenaikan draft pembajakan turun secara kuadratis dengan meningkatnya kandungan air di dalam tanah. Chandon dan Kushwaha (2002) melakukan penelitian tentang draft pembajakan dan getaran shank pada deep tillage. Penelitian dilakukan dalam skala lapang pada dua jenis tanah yaitu pada sandy loam dan clay loam soil. Kedalaman membajak dibuat konstan sekitar 180 mm. Chandon and Kushwaha (2002) mendapatkan hasil yaitu: •
Draft pembajakan untuk sandy loam lebih besar jika dibandingkan dengan draft pembajakan untuk clay loam.
•
Besar draft pembajakan naik secara linier sesuai dengan kenaikan kecepatan membajak.
•
Batang bajak bergetar dengan sendirinya secara random dengan frekuensi tinggi. Frekuensi getar batang bajak tidak terkorelasi dengan frekuensi draft pembajakan dan akan semakin tinggi bila draft pembajakannya semakin besar.
66
Dalam bab ini telah dibuat kajian hasil eksperimen dalam membajak tanah. Eksperimen dilakukan pada indoor soil bin dengan menggunakan tanah liat. Kedalaman membajak dibuat konstan sedangkan kecepatan membajak divariasikan. Sebagai sensor beban digunakan extended octagonal ring transducer yang dapat mengukur beban dalam tiga orientasi yaitu mengukur gaya dalam arah horisontal, vertikal dan mengukur momen lentur. Hasil yang didapat dibahas lebih lanjut sehingga didapat gambaran tentang keberhasilan penelitian ini. Tujuannya dari penelitian ini adalah: •
Mencari besar draft pembajakan dan frekuensi draft pembajakan sehingga dapat dirancang sebuah pegas elastis yang diperlukan untuk simulasi selfexcited vibration pada vibratory-tillage.
•
Mencari besar draft pembajakan sehingga dapat dibandingkan dengan draft pembajakan yang didapat dari bajak getar self excited vibration serta hasil yang didapat dari bajak getar dengan metode penggetaran berenergi rendah.
•
Demikian pula dibuat pendekatan model matematis dari draft pembajakan guna simulasi bajak getar jenis self-excited vibration Bahan dan Metode
Peralatan dan Instrumentasi Peralatan yang digunakan untuk eksperimen ditunjukkan pada Gambar 33 berukuran panjang 5.5 m, lebar 1.6 m dan tinggi 2.6 m, yang terdiri atas soil bin, peralatan pemadat tanah, sistem konveyor struktur bajak dan load cell.
Gambar 33 Peralatan yang digunakan untuk eksperimen.
67
Soil bin berukuran panjang 1.2 m, lebar 0.3 m dan tinggi 0.4 m ditarik oleh rantai (sistem konveyor) yang dihubungkan dengan motor listrik melalui transmisi roda gigi (perbandingan transmisi i=40) dan rantai dengan diameter pitch sprocket dp=375 mm). Motor listrik kapasitas 5.5 kW dikontrol oleh sebuah inverter sehingga kecepatan gerak dari soil bin dapat divariasikan dari V = 0.1 m/s hingga V= 0.5 m/s.
Gambar 34 Rangkaian hidraulis peralatan pemadat tanah. Peralatan guna memadatkan tanah menggunakan tenaga hidraulis, yang terdiri atas sebuah pompa hidraulis, sebuah silinder hidraulis (diameter dalam di=90 mm dan panjang langkah = 300 mm), pressure relieve valve (guna membatasi/mengatur tekanan aliran) dan sebuah 4/3 directional contorl valve sedangkan rangkaian hidraulisnya ditunjukkan pada Gambar 34. Pada tekanan kerja 60 MPa, silinder hidraulis menghasilkan gaya sekitar 35 kN dan diharapkan mampu memadatkan tanah sampai dengan tahanan penetrasi sekitar 3 MPa. Digunakan dua jenis chissel yaitu chissel dengan batang lurus tegak (S1) dan chissel dengan batang lurus miring (S2) seperti terlihat pada Gambar 35. Ke dua chisel tersebut berukuran panjang 200 mm dan lebar 80 mm mempunyai lift angle sebesar 300 sedangkan kemiringan batang chisel S2 dibuat sebesar 350. Dalam eksperimen bajak tanpa getar, batang chisel dipasang langsung pada extended octagonal ring transducer.
(a)
50 33
50 33
68
(b)
Gambar 35 (a) Chisel dengan batang lurus, (b) chisel dengan batang miring.
Gambar 36 Extended octagonal ring transducer. Untuk mengukur besarnya gaya dan momen digunakan Load Cell jenis extended octagonal ring transducer (EOR), dirancang dapat mengukur draft pembajakan sampai dengan 7000 N, gambar load Cell seperti terlihat pada Gambar 36. Dipilih transducer jenis EOR karena kemampuannya dalam mengukur beban dalam tiga orientasi sekaligus yaitu mengukur gaya dalam arah horizontal, vertical dan mengukur momen. Load cell terbuat dari tool steel dan di preharden sehingga mempunyai yield strength sampai dengan 680 MPa. Ukuran dari Load cell dirancang dengan menggunakan rumusan empiris yang dibuat oleh
69
Godwin
(1975)
sedangkan
perhitungan
kekuatannya
dilakukan
dengan
menggunakan piranti lunak INVENTOR. Load Cell dilengkapi dengan dua belas sensor regangan jenis tahanan listrik (strain gage) yang dibagi menjadi tiga pasang, masing-masing pasangan terdiri atas empat buah strain gage yang dirangkai sesuai dengan jembatan Wheat Stone. Instrumentasi dari load Cell untuk mengukur beban dalam arah longitudinal dan dalam arah transversal ditunjukkan pada Gambar 37. Masukan dari jembatan Wheat Stones berupa tegangan listrik 5000 mV. Keluaran dari sensor regangan dalam bentuk data analog tegangan listrik dikuatkan seribu kali oleh instrumented amplifier (dengan pembesaran G=10000) selanjutnya diubah menjadi data digital oleh wireless ADC. Rangkaian jembatan Wheat stone Gambar 37.b digunakan untuk mengukur gaya dalam arah x sedangkan rangkaian Gambar 37.c digunakan untuk mengukur gaya dalam arah y.
Gambar 37 Instrumentasi sensor regangan pada load cell (a) Pemasangan sensor reganan pada load cell, (b) instrumentasi sensor regangan untuk mengukur beban dalam arah x, (c) instrumentasi sensor regangan untuk mengukur beban dalam arah y. Dengan rangkaian wheat stone tersebut dan dengan faktor sensor regangan Sg dan tegangan masukan Vi, maka keluaran tegangan listrik dari instrumented amplifier adalah:
70
Untuk pengukuran beban dalam arah horisontal (arah x): HI
@J K
LM0 N MO M N MP Q1000 H0 mV
(28a)
Untuk pengukuran beban dalam arah vertikal (arah y): HS
@J K
M N MT M( N MU 1000 H0 mV
(28b)
Gambar 38 Instrumentasi guna mengukur draft pembajakan bajak tanpa getar. Setup pengukuran gaya dan momen tersebut ditunjukkan pada Gambar 38. Sinyal keluaran dari sensor berupa tegangan listrik dikuatkan di Instrumentasi Amplifier (IA). Untuk sinyal keluaran dari gaya horisontal dan gaya vertikal dikuatkan sebesar seribu kali sedangkan sinyal keluaran dari momen dikuatkan sebesar dua ratus kali. Sinyal analog dari gaya horizontal dan vertical yang keluar dari IA didiskritkan di wireless Analog to Digital Converter (ADC) selanjutnya dikirim ke komputer sehingga data gaya yang tercatat pada komputer adalah data digital sedangkan sinyal analog dari momen yang keluar dari IA diteruskan ke osiloskop. Rangkaian instrumentasi Amplifier dan ADC mampu mengukur gaya sampai dengan 7000 N. Sebelum digunakan, ADC dikalibrasi dan tercatat mempunyai konstante kalibrasi sebesar 17.1 (mV)-1 Deskripsi Eksperimen dan Metode Penelitian dilakukan selama bulan Oktober 2009 sampai dengan bulan September 2010 di laboratorium Fenomena Dasar Mesin Fakultas Teknologi Universitas Trisakti, Jakarta dan di Laboratorium Teknik Mesin dan Budidaya
71
Pertanian Fakultas Teknologi Pertanian Institut Pertanian Bogor, Bogor. Tanah yang digunakan dalam penelitian ini adalah tanah liat dengan kandungan clay, sand dan silt masing-masing sebesar 83.41, 3.11 dan 13.48%. Sifat fisis tanah lainnya adalah batas plastis 45.51%, batas cair 70.3% dan kohesi tanah pada tahanan penetrasi 2.75 MPa adalah sekitar C=69.54 kPa dengan sudut gesekan tanah 36 . Eksperimen dilakukan pada empat kondisi (perlakuan) yaitu; •
Eksperimen tanpa getar ke 1 (NST1: eksperimen ke 1 dengan menggunakan chissel S1).
•
Eksperimen tanpa getar ke 2 (NST2: eksperimen ke 2 dengan menggunakan chissel S2).
•
Eksperimen tanpa getar ke 3 (NST3: eksperimen ke 3 dengan menggunakan chissel S1).
•
Eksperimen tanpa getar ke 4 (NST2: eksperimen ke 4 dengan menggunakan chissel S2). Tanah di dalam soil bin dipadatkan lapis demi lapis dan sejauh mungkin
disesuaikan dengan kondisi lapangan, yang terdiri atas lapisan kedap (hardpan) dan lapisan atas. Untuk memadatkan tanah, digunakan sebuah pelat berukuran panjang 0.3 m dan lebar 0.12 m yang ditekan oleh tenaga silinder hidraulis melalui sebuah roll silindiris (Gambar 39). Untuk membuat lapisan kedap dengan tahanan penetrasi 2.75 MPa, dilakukan dua kali penekanan, yang pertama pelat ditekan pada tekanan silinder hidraulis sebesar 2 MPa, selanjutanya pelat ditekan lagi dengan tekanan pada silinder hidraulis sekitar 4 MPa. Untuk membuat lapisan atas dengan tahanan penetrasi 1.1 MPa, pelat hanya ditekan dengan tekanan pada silinder hidraulis sekitar 1 MPa. Penekanan pelat untuk setiap tekanan silinger hidraulis dilakukan secara bertahap dari ujung kiri pelat sampai dengan ujung kanan pelat atau sebaliknya. Tahanan penetrasi tanah, baik untuk lapisan kedap maupun untuk lapisan atas diukur pada tiga titik dengan menggunakan penetrometer. Ke tiga posisi tersebut adalah dua titik berjarak 0.2 m dari ujungujung soil bin dan satu titik di tengah soil bin. Hanya pada lapisan kedap yang diambil contoh tanahnya untuk diukur kandungan air tanah serta densitas tanahnya. Ilustrasi lapisan tanah di dalam soil bin beserta pisau bajaknya ditunjukkan pada Gambar 40. Ujung pisau bajak selalu berada 5 cm di atas
72
landasan soil bin, h1 menyatakan lapisan tanah kedap sedangkan tanah di atas lapisan kedap menyatakan top soil. Kecepatan membajak diatur dari kecepatan soil bin yang ditarik oleh sistem konveyor yaitu V1 = 0.158 m/s, V2 = 0.212 m/s dan V3 = 0.265 m/s.
(a)
(b)
Gambar 39 (a) Memasang pelat di atas permukaan tanah di dalam soil bin, (b) roll silindris menekan pelat.
Gambar 40 Skematis membajak tanah tanpa getar di dalam soil bin. Data eksperimen yang meliputi tebal lapisan kedap, tinggi permukaan lapisan atas (h2), tahanan penetrasi tanah (CI), jenis pisau bajak serta kecepatan membajak ditunjukkan pada Tabel 5. Kondisi tanah untuk perlakuan NST1 adalah
sama dengan kondisi tanah untuk perlakuan NST2, yang membedakan adalah pada perlakuan NST1 digunakan chisel dengan batang lurus tegak sedangkan pada
73
perlakuan NST2 digunakan chisel dengan batang lurus miring. Demikian pula kondisi tanah untuk perlakuan NST3 adalah sama dengan kondisi tanah untuk perlakuan NST4, yang membedakan adalah pada perlakuan NST3 digunakan chisel dengan batang lurus tegak sedangkan pada perlakuan NST4 digunakan chisel dengan batang lurus miring. Tahanan penetrasi tanah lapisan atas dikondisikan sekitar 1.1 MPa sedangkan tahanan penetrasi tanah lapisan kedap dikondisikan sekitar 2.75 MPa. Kandungan air di dalam tanah dikondisikan sekitar 35-37 % dengan kerapatan (tanah lapisan kedap) sekitar 1.6 g/cm3. Tabel 5 Susunan eksperimen bajak tanpa getar
No
Tanah di dalam Jenis shank soil bin (cm) h1 h2
Kecepatan membajak
Cone index (MPa) A1
A2
A3
B1
B3
NST1
S1
15
22
2.75 2.75 2.75 1.1 1.1
V1, V2, V3
NST2
S2
15
22
2.75 2.75 2.75 1.1 1.1
V1, V2, V3
NST3
S1
12
19
2.75 2.75 2.75 1.1 1.1
V1, V2, V3
NST4
S2
12
19
2.75 2.75 2.75 1.1 1.1
V1, V2, V3
Selama eksperimen, tutup soil bin di ujung kiri dibuka sedangkan tutup soil bin di sebelah kanan ditutup. Soil bin ditarik sehingga bergerak dari kiri ke kanan. Operasi membajak tanah diawali tepat pada saat pisau bajak menyentuh tanah padat dan diakhiri tepat sebelum pisau bajak menyentuh tutup soil bin sebelah kanan. Untuk setiap perlakuan, draft pembajakannya dicatat di komputer selanjutnya dibuat grafik draft pembajakan sebagai fungsi dari waktu. Perlu dicari besar draft pembajakan maksimum, minimum dan draft pembajakan rata-rata serta jumlah getaran draft pembajakan dalam selang waktu tertentu. Frekuensi draft pembajakan dicari dengan cara membagi jumlah getaran dalam selang waktu tersebut dengan selang waktunya. Data di atas digunakan untuk membuat pendekatan model matematis dari draft pembajakanh serta digunakan untuk merancang kekakuan dan kekuatan pegas yang akan digunakan untuk penelitian bajak getar jenis self-excited vibration. Demikian pula draft pembajakan untuk setiap perlakuan dibandingkan satu dengan yang lainnya serta dibandingkan
74
dengan draft pembajakan yang dihitung berdasarkan rumusan dari Gill dan Vandenberg (1968). Hasil dan Bahasan Kalibrasi Load Cell Pertama kali dilakukan kalibrasi dari load cell dengan tujuan mencari sensitivitas load cell dalam arah horizontal (longitudinal) dan arah vertikal (transversal). Untuk mencari sensitivitas pengukuran gaya dalam arah longitudinal, setup pembebananya ditunjukkan pada Gambar 41a dengan beban Pl bekerja pada lengan dengan jarak 0.5 m dari pusat load cell, sedangkan setup guna mencari sensitivias gaya dalam arah transversal ditunjukkan pada Gambar 41b dengan beban Pv bekerja pada lengan yang berjarak 0.3 m dari pusat load cell. Gaya Pl divariasikan dari 0-2750 N sedangkan gaya Pv divariasikan dari 01400 N. Hasil pengukuran dipresentasikan dalam bentuk grafik pada Gambar 42a (kalibrasi dalam arah longitudinal) dan pada Gambar 42b (kalibrasi dalam arah transversal).
(a)
(b)
Gambar 41 Setup kalibrasi load cell, (a) mencari sensitivitas pengukuran dalam arah longitudinal, (b) mencari sensitivitas pengukuran dalam arah transversal. Grafik pada Gambar 42a menunjukkan bahwa kalibrasi gaya dalam arah longitudinal berupa garis lurus dengan persamaan HP 0.2708E N 1.1381 dengan R2=0.9999 sedangkan persamaan garis dalam arah silang longitudinail transversal adalah HPZ 0.0018E N 3.9256. Gambar 42b menunjukkan bahwa persamaan garis lurus untuk kalibrasi gaya dalam arah transversal adalah H
75
0.2861E N 2.3764 dengan R2=0.9999 sedangkan garis dalam arah silang transversal-longitudinal adalah HPZ 0.0052E N 0.7443.
Keluaran ADC-V (mV)
900
longitudinal L=0.5 m
750 600
longitunal transversal
450
Vl = 0.2708F - 1.1381 R² = 0.9999
300 150
Vlv= 0.0018F + 3.9256
0 0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Beban gaya F (N)
(a)
Keluaran ADC -V (mV)
375
Transversal L=0.3 m
300
transversal longitudinal
225
V v = 0.2868x - 2.6664 R² = 0.9997
150 75
Vvl = 0.0055x - 0.8695 R² = 0.5687
0 0
-75
200
400
600
800
1000
1200
Beban gaya F (N)
(b) Gambar 42 (a) Grafik kalibrasi mengukur gaya dalam arah longitudinal, (b) grafik kalibrasi mengukur gaya dalam arah transversal. Hasil ini mengindikasikan bahwa load cell mempunyai ketelitian dalam mengukur beban baik beban dalam arah longitudinal maupun dalam arah transversal yang tinggi. Sensitivitas pengukuran gaya dalam arah longitudinal Sl=0.2708 N/mV sedangkan Sensitivitas pengukuran gaya dalam arah transversal St=0.2708 N/mV. Sensitivitas pengukuran gaya dalam arah silang dapat diabaikan. Jika masukan pada jembatan Wheat Stone dan pembesaran pada instrumented amplifier masing-masing adalah sebesar 5000 mV dan sebesar
76
seribu kali, maka sensitivitas pengukuran dalam arah longitudinal dan dalam arah vertical adalah: Sl=5.552E-05 (mV)V-1N-1 dan Sv=5.722E-05 (mV)V-1N-1. Draft Pembajakan Dalam bab ini hanya dipresentasikan draft pembajakan dalam arah horizontal FH saja baik besar draft pembajakan maksimum maupun besar rerata draft pembajakan. Pertama kali dihitung draft pembajakan berdasarkan rumusan dari Gill et al. (1968) seperti ditunjukkan pada persamaan 26-27. Tanah yang dugunakan dalam penelitian ini mempunyai bulk density ρ=1.6 g/cm3, dry bulk density ρd=1.23 g/cm3, kohesi tanah C=49.54 kPa sedangkan adhesi antara tanah dengan pisau bajak diambil 10 kPa. Data lainnya adalah lebar pisau bajak b=0.08 m, panjang pisau bajak l=0.2 m dan kedalaman membajak diambil 0.17 m. Untuk kecepatan membajak 0.158 m/s dan dengan menggunakan persamaan 26-27, didapatkan draft pembajakan teoritis D =2371 N. Karena sistem bekerja pada kecepatan rendah, maka tidak ada perubahan yang nyata pada draft pembajakan hasil perhitungan teoritis antara kecepatan 0.158, 0.212 dan 0.265 m/s.
Draft pembajakan maksimum (N)
5000
y = 11576x + 1659.4 R² = 0.9608
4500
y = 13301x + 1057.6 R² = 0.8848
a b
4000 3500 3000
c
2500
d
2000
y = 2538.3x + 1897.7 R² = 0.8566
y = 4978.7x + 1551.5 R² = 0.9906
1500 1000 0.15
0.17
0.19
0.21
0.23
0.25
0.27
Kecepatan membajak (m/s)
Gambar 43 Pengaruh kecepatan membajak terhadap draft maksimum (grafik a: perlakuan NST1, grafik b: perlakuan NST2, grafik c: perlakuan NST3, grafik d: perlakuan NST4). Sekarang dibahas draft pembajakan hasil eksperimen. Pengaruh kecepatan membajak terhadap besar draft pembajakan maksimum untuk semua perlakuan NST1-NST4 ditunjukkan pada Gambar 43 sedangkan pengaruh kecepatan membajak terhadap besar rerata draft pembajakan ditunjukkan pada Gambar 44.
77
Besar rerata draft pembajakan untuk berbagai kondisi kecepatan pada semua perlakuan juga dipresentasikan dalam bentuk histogram gaya pada Gambar 43. Draft pembajakan maksimum untuk perlakuan NST1 berada pada kisaran 35604800 N, untuk perlakuan NST2 draft pembajakan maksimum berada pada kisaran 3269-4732 N, kisaran draft pembajakan maksimum untuk perlakuan NST3 adalah 2380-2885 N sedangkan kisaran draft pembajakan maksimum untuk perlakuan NST4 adalah 2270-2540 N. Rerata draft untuk perlakuan NST1 berada pada kisaran 2912-3821N, untuk perlakuan NST2 draft rata-rata berada pada kisaran 2285-3262 N. Hasil ini selalu lebih besar jika dibandingkan dengan hasil teoritis yang dibuat oleh Gill et al. (1968) yang besarnya adalah 2371 N. Kisaran draft pembajakan rata-rata untuk perlakuan NST3 adalah 2055-2820 N sedangkan kisaran draft pembajakan rata-rata untuk perlakuan NST4 adalah 1740-2400 N.
Rerata draft pembajakan (N)
4500
y = 9117.9x + 771.04 R² = 0.9354
3750
y = 8492x + 1551.2 R² = 0.9946
b c d
3000 2250 1500
a
y = 6110.7x + 820.56 R² = 0.9451
y = 7143.5x + 892.96 R² = 0.9759
750 0 0.15
0.17
0.19
0.21
0.23
0.25
0.27
Kecepatan membajak (m/s) Gambar 44 Pengaruh kecepatan membajak terhadap rerata draft pembajakan (grafik a: perlakuan NST1, grafik b: perlakuan NST2, grafik c: perlakuan NST3, grafik d: perlakuan NST4). Semua grafik menunjukkan bahwa besar draft pembajakan naik dengan semakin tigginya kecepatan membajak. Dari grafik terlihat bahwa kenaikan draft pembajakan mempunyai tendensi berupa fungsi linier terhadap kenaikan kecepatan membajak dengan ketelitian yang cukup baik (R2 antara 0.85 hingga 0.99). Fungsi linier ini karena sistem bekerja pada kecepatan membajak yang relatif rendah sehingga inersia dari bongkaran tanah di depan bajak kurang berpengaruh terhadap besar draft pembajakan.
78
Rerata draft pembajakan (N)
4500
NST1
3821 3750 3000
3262 2836 2394
2250
NST2
NST3
NST4
3313 2912 2556 2338
2207
2285 2056 1741
1500 750 0
V=0.265 m/s
V=0.212 m/s
V=0.158 m/s
Gambar 45 Histogram draft pembajakan rata-rata untuk semua kondisi membajak tanah. Rerata draft pembajakan juga dipresentasikan dalam bentuk histogram gaya pada Gambar 45. Dari histogram gaya pada Gambar 45 terlihat bahwa besar draft pembajakan yang diperlukan pada perlakuan NST1 selalu lebih besar jika dibandingkan dengan besar draft pembajakan yang diperlukan untuk membajak tanah pada perlakuan NST2. Demikian pula draft pembajakan yang diperlukan untuk membajak tanah pada perlakuan NST3 selalu lebih besar jika dibandingkan dengan besar draft pembajakan yang diperlukan untuk membajak tanah pada perlakuan NST4. Hal ini karena luas permukaan bongkaran tanah di depan batang bajak pada perlakuan NST1 selalu lebih luas dibandingkan dengan luas permukaan bongkaran tanah di depan batang bajak pada pada perlakuan NST2. Hal yang sama juga berlaku pada perlakuan NST3 dengan perlakuan NST4. Frekuensi dan Model Matematis Draft Pembajakan Besar draft pembajakan dan frekuensi getar dari terbongkarnya tanah pada saat operasi tillage diperlukan untuk merancang pegas bajak getar sedangkan frekuensi getar dan pendekatan model matetmatis draft pembajakan diperlukan untuk simulasi getar dari bajak getar. Frekuensi draft pembajakan ditunjukkan pada Tabel 6. Terlihat bahwa sistem bekerja pada frekuensi getar yang sangat rendah yaitu pada kisaran 0.94-2.01 Hz. Terlihat bahwa frekuensi getar dari
79
terbongkarnya tanah menjadi semakin besar dengan semakin tingginya kecepatan membajak. Pada kecepatan membajak yang sama, frekuensi draft pembajakan dari chisel dengan batang bajak lurus miring selalu lebih rendah jika dibandingkan dengan frekuensi draft pembajakan dari chisel dengan batang bajak lurus tegak. Hal ini karena chisel dengan batang bajak lurus miring selalu lebih elastis jika dibandingkan dengan elastisitas dari chisel dengan batang bajak lurus tegak. Tabel 6 Frekuensi getar terbongkarnya tanah Kecepatan membajak (m/s) 0.158
Frekuensi draft pembajakan (Hz) NST1 NST2 1.32
0.94
0.212
1.68
1.525
0.265
2.01
1.97
Walaupun tanah di dalam soil bin sudah dikondisikan sehingga dari titik ke titik mempunyai kondisi yang hampir sama (densitas, tahanan penetrasi serta kadar air tanah), namun grafik draft pembajakan sebagai fungsi dari waktu tetap saja sifatnya adalah stokastiks. Contoh grafik draft pembajakan ditunjukkan pada Gambar 46, yaitu grafik draft pembajakan pada perlakuan NST1 dengan kecepatan membajak 0.158 m/s dan pada Gambar 47, yaitu grafik draft pembajakan pada perlakuan NST2 dengan kecepatan membajak V=0.158 m/s. Proses terbongkarnya tanah adalah mendekati periodik, oleh karena itu maka pendekatan model matematis yang dibangun guna simulasi getar juga berupa fungsi periodik. Dengan melihat grafik draft pembajakannya, maka model matematis yang dibangun berupa fungsi periodik di mana setiap satu siklus getarnya terdiri atas: •
Pisau bajak bergerak maju melalui aliran tanah plastis tanah (plastics flow). Dalam tahap ini draft pembajakannya dianggap konstan sebesar draft pembajakan minimum.
•
Pisau bajak tedorong ke balakang oleh tanah padat sampai dengan tanah padat terbongkar. Dalam tahap ini draft pembajakannya dianggap berupa fungsi pangkat tiga dari waktu, meningkat dari draft pembajakan minimum ke draft pembajakan maksimum.
80
•
Pisau bajak bergerak maju melalui tanah yang telah terbongkar. Dalam tahap ini draft pembajakannya dianggap linier terhadap waktu, menurun dari draft pembajakan maksimum ke draft pembajakan minimum. Sebagai ilustrasi adalah draft pembajakan perlakuan NST1 pada kecepatan
membajak v=0.158 m/s. Dalam kondisi ini frekuensi draft pembajakan f=1.38 Hz. Draft pembajakan maksimum Fmak = 3560 N, draft pembajakan minimum Fmin = 2341 N dan draft pembajakan rata-rata Fmean = 2912 N. Model matematis dari draft pembajakan untuk satu periode getar didekati dengan persamaan: E 2341,
0
1992 \ N 7545 : 7146 1555,
0.126
N19367 16423,
0.631
(29)
Grafik dari pendekatan model matematis draft pembajakan ini ditunjukkan pada Gambar 46. 4500
Draft pembajakan (N)
3750 3000 2250 1500
Eksperimen Model matematis
750 0 -750
18
19
20
21
22
23
24
25
Waktu (s)
Gambar 46 Grafik draft pembajakan pada perlakuan NST1 pada kecepatan membajak V=0.158 m/s. Sebagai ilustrasi lain adalah draft pembajakan perlakuan NST2 pada kecepatan membajak 0.158 m/s. Dalam kondisi ini frekuensi draft pembajakan f=0.94 Hz. Draft pembajakan maksimum Fmak = 3300 N, draft pembajakan minimum Fmin = 1544 N dan draft pembajakan rata-rata Fmean = 2285 N.
81
Model matematis dari draft pembajakan untuk satu periode getar didekati dengan persamaan: E 1544,
0
1045 \ N 5550 : 7368 408,
0.177
N9955 1544,
0.885
(30)
Grafik dari pendekatan model matematis draft pembajakan ini ditunjukkan
Draft pembajakan (N)
pada Gambar 47.
3750 3000 2250 1500 Eksperimen Model matematis
750 0 11
12
13
14
15
16
17
18
19
Waktu (s) Gambar 47 Grafik draft pembajakan pada perlakuan NST2 kecepatan membajak V=0.158 m/s. Pendekatan model matematis dari draft pembajakan sifatnya adalah unik dan tergantung dari frekuensi terbongkarnya tanah serta besar draft maksimum, minimum dan rerata draft pembajakan. Untuk itu pemodelan draft pembajakan untuk setiap perlakuan membajak juga berbeda. Pada tulisan ini hanya ditampilkan pendekatan model matematis dari draft pembajakan untuk perlakuan NST1 dan NST2 saja. Hal ini karena hanya pada perlakuan ini yang digunakan dalam penelitian penurunan draft pembajakan pada bajak getar jenis self-excited vibration yang dilakukan dalam bab berikutnya. Hasilnya ditunjukkan pada Tabel 7 (frekuensi dan pendekatan model matematis untuk perlakuan NST1) dan pada Tabel 8 (frekuensi dan pendekatan model matematis untuk perlakuan NST2).
82
Tabel 7 Pendekatan model matematis utuk perlakuan NST1 Kecepatan membajak (m/s)
Draft
pembajakan (N)
Frek. (Hz)
V=0.158
Fmak =3560 Fmin =2341 Fmean=2912
1.32
V=0.212
Fmak =3969 Fmin =2644 Fmean=3313
1.68
V=0.265
Fmak =4800 Fmin =3140 Fmean=3821
2.01
Pendekatan model matematis 0
Tabel 8 Pendekatan model matematis utuk perlakuan NST2 Kecepatan membajak (m/s) V=0.158
Draft pembajakan (N) Fmak =3300 Fmin =1544 Fmean=2285
Frek. (Hz) 0.94
V=0.212
Fmak =3581 Fmin =1553 Fmean=2558
1.524
V=0.265
Fmak =4732 Fmin =2411 Fmean=3262
1.97
Pendekatan model matematis 0
83
Kesimpulan Dari data hasil eksperimen dan pembahasan dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: •
Gaya yang diperlukan untuk membajak tanah besarnya tergantung pada besarnya tahanan penetrasi tanah serta tebal lapisan hardpan. Semakin besar tahanan penetrasi dan semakin tebal lapisan hardpan, draft pembajakannya juga akan semakin besar.
•
Besar draft pembajakan akan naik secara linier dengan semakin besarnya kecepatan membajak.
•
Tanah terbongkar dengan frekuensi rendah yaitu pada frekuensi antara 0.94 sampai dengan 2.01 Hz. Pada kecepatan membajak tanah yang sama, frekuensi draft pembajakan untuk chisel dengan batang lurus tegak selalu lebih besar dibandingkan dengan frekuensi draft pembajakan untuk chisel dengan batang lurus miring.
•
Draft pembajakan sifatnya adalah stokastik serta pendekatan model matematisnya berupa fungsi periodik, masing-masing perioda dibagi dalam tiga tahap yaitu tahap pisau bajak bergerak maju melalui aliran plastis dari tanah padat, pisau bajak terdorong ke belakang oleh tanah padat sampai dengan tanah padat terbongkar, dan pisau bajak bergerak maju melalui tanah yang telah dibongkar sebelumnya. Daftar Pustaka
Borghei AM, Taghinejad J, Minaei S, Karimi M, Varnamkhasti GM. 2008. Effect of subsoiling on soil bulk density, penetration, penetration resistance, and cotton yield in northwest of Iran. International Journal of Agriculture & Biology. 10; 1:120-123 Chandon K, Kushwaha RL. 2002. Soil forces and shank vibration on deep tillage. Proceeding of the ASAE Annual International Meeting; Chicago, 28-31 July 2002. CIGR 15th World Congress. Paper Number: 021086. Gill WR, Van den Berg GE. 1968. Soil dynamics in tillage and traction. Agriculture hand-book No. 316 ARS USDA. Godwin, RJ. 1975. An extended octagonal ring transducer for use in tillage studies. Journal of Agricultural Engineering Research. 20:347-352
84
Mamman E, Oni KC. 2005. Draught performance of a range of model chisel furrowers. CIGR Journal. 003; 8: 1-17 Onwualu AP, Watts KC. 1998. Draught and vertical forces obtained from dynamic soil cutting by plane tillage tools. Soil & Tillage Research. 48; 230-253 Soil Quality Institute 411s. 2003. Soil compaction: detection, prevention, and alleviation. Soils.usda.gov/sqi. Soil quality–Agronomy technical note. Paper no. 17. Susan DD, Nina LB. 1994. A review of the effects of soil compaction and amelioration treatments on landscape trees. Journal of Arboriculture 20;1:9-17 Upadhyaya SK, Sanchez PA, Sakai K, Chancellor WJ, Godwin RJ. Tillage, of chapter 3: In advance in soil dynamics Volume 3. 2009. Upadhyaya SK, Sanchez PA, Chancellor WJ, Perumtal JV, Wulfsohn D, Way TR. St. Joseph, Mich.: ASABE, Copyright 2009 American Society of Agricultural and Biological Engineers, eds: 373-359
