III.METODE PENELITIAN
3.1. Tempat dan Waktu Penelitian Penelitian ini dilaksanakan pada bulan Maret 2011 hingga bulan November 2011. Desain, pembuatan model dan prototipe rangka unit penebar pupuk dilaksanakan di bengkel Laboratorium Teknik Mesin Budidaya Pertanian, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Institut Pertanian Bogor. Uji fungsional dilakukan di Laboratorium Lapangan Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Institut Pertanian Bogor. Uji kinerja dilakukan di sawah percobaan Departemen Teknik Mesin dan Biosistem.
3.2. Alat dan Bahan Penelitian 3.2.1. Alat Penelitian Alat-alat dan perlengkapan utama yang diperlukan untuk penelitian ini adalah peralatan perancangan dan pembuatan konstruksi mesin serta peralatan instrumen untuk pengujian kinerja lapangan (Tabel 2). Tabel 2. Peralatan untuk perancangan dan pembuatan konstruksi dan pengujian rangka Peralatan simulasi dan perancangan
Komputer Software Computer Aided Design Timbangan Load cell
Peralatan pembuatan prototipe
Mesin las listrik Mesin las LPG Mesin gerinda tangan Mesin gerinda duduk Mesin bor Tangan Mesin bor duduk Mesin bubut Penggaris Meteran Busur sudut Tang Obeng Kunci pas Kunci ring
Instrumen pengukuran uji fungsional dan uji kinerja lapangan
Meteran Stopwatch Penggaris 50 cm Timbangan 120 kg Penetrometer tipe SR-2
Mesin uji
Transplanter Yanmar tipe RR55
10
3.2.2. Bahan Penelitian Bahan-bahan yang digunakan untuk penelitian ini disajikan pada Tabel 3. Tabel 3. Bahan penelitian Bahan pembuatan prototipe
Baja karbon siku tebal 3 mm Baja plat tebal 2.5 mm dan lebar 3.5 cm Baja hollow baja poros
Bahan habis untuk pengujian lapangan
Pupuk urea Pupuk KCL Pupuk TSP Bahan bakar bensin Oli mesin
3.3. Tahapan Penelitian Tahapan penelitian yang dilakukan adalah seperti pada Gambar 4.
11
Gambar 4. Bagan alir desain rangka penebar pupuk
3.3.1. Identifikasi masalah Pada tahap ini dikumpulkan berbagai informasi yang dibutuhkan dalam perancangan. Data lapangan yang dikumpulkan berupa: a. Karakteristik budidaya padi di lokasi menyangkut metode pengolahan tanah, penanaman, pemupukan. Jenis dan karakteristik teknik dari tanah, benih padi dan pupuk yang digunakan. b. Ketersedian sumber tenaga penggerak (kualitas dan kuantitas), karakteristik teknik dan kemampuan transplanter Yanmar RR55, serta kapasitas menumpu beban tarik dari transplanter Yanmar RR55. c. Posisi dan karakteristik sistem penggandengan pada transplanter Yanmar RR55.
3.3.2. Perumusan dan Penyempurnaan Ide Pada tahap ini dilakukan analisis permasalahan yang ada kemudian mengumpulkan ide-ide pemecahan masalah dengan mempertimbangkan berbagai aspek seperti kondisi lapangan, sifat fisik dan mekanik tanah, karakteristik dari tanaman padi, bahan pupuk yang digunakan, karakteristik teknik dan kemampuan transplanter Yanmar RR55. Setelah dilakukan perumusan, pada tahap ini dihasilkan beberapa konsep rancangan fungsional maupun struktural dari rangka pemupuk yang potensial untuk dikembangkan dilengkapi
12
dengan gambar sketsa, prasyarat dan sistem yang mendukung efektifitas operasional alat di lapangan. Konsep yang akan digunakan merupakan inovasi dari penelitian yang telah dilakukan oleh Tim TMBP selama ini. Konsep-konsep perancangan yang diajukan merupakan alternatif dari beberapa bentuk rangka untuk menahan hopper pupuk dan menggandengkannya ke sistem penggandeng transplanter.
3.3.3. Desain Fungsional Fungsi utama dari unit yang dirancang adalah menggandeng unit pemupuk dengan transplanter yang telah dicopot unit penanamnya. Adapun penguraian fungsi utama menjadi sub-sub fungsi disajikan pada Gambar 5.
Gambar 5. Skema fungsi rangka unit penebar pupuk Komponen yang digunakan pada rangka unit penebar pupuk dapat dilihat pada Tabel 4. Tabel 4. Tabel fungsi dari rangka unit penebar pupuk No.
Fungsi
Sub Fungsi
Komponen
1.
Fungsi tempat dudukan hopper pupuk Fungsi menggandeng rangka ke transplanter
Menahan beban hopper yang diisi pupuk Dudukan hopper Menyambungkan rangka dengan three point hitch Menyambung titik gandeng rangka dengan transplanter Mengatur ketinggian
Baja siku Baja plat Baja poros
2.
3.
Fungsi membawa pupuk
Menempatkan pupuk Menyalurkan pupuk ke metering device
Three point hitch Baja poros, hidrolik hopper
3.3.4. Desain Struktural Desain mesin pemupuk variable rate untuk budidaya padi secara struktural dilakukan dengan memodifikasi implemen transplanter dengan mencopot bagian tersebut
13
dan menggantinya dengan unit pemupuk. Modifikasi implemen dan desain struktural dari rangka utama pemupuk seperti dijelaskan berikut ini. Hopper. Wadah pupuk ini terbuat dari bahan akrilik dengan tebal 5 mm, akrilik merupakan bahan yang kuat dan tahan karat. Desain hopper berdasarkan sudut curah pupuk yang akan digunakan agar pupuk dapat meluncur dengan baik. Pupuk yang akan digunakan yaitu urea, TSP, dan KCl dengan sudut curah 31o – 35o sehingga sudut kemiringan hopper dirancang sekitar 45o
Gambar 6. Dimensi dan ukuran hopper (Azis 2011) Rangka alat. Rangka utama pemupuk dipasang di bagian belakang transplanter Yanmar RR55 dengan mencopot inplemen transplanter dan menggantinya dengan unit pemupuk. Pada bagian ujung depan rangka utama dihubungkan pada titik gandeng. Skema penempatan unit di transplanter disajikan pada gambar 7.
Gambar 7. Skema penempatan unit pada transplanter Rangka utama direncanakan dibuat menggunakan besi siku dengan ukuran yang mampu menahan beban dari hopper pupuk dan isinya (dihitung). Rangka utama diharapkan mampu menopang seluruh beban unit pemupuk (hopper beserta isinya). Pada bagian rangka yang menopang hopper dibuat mekanisme untuk mengatur letak hopper. Desain awal rangka unit penebar pupuk disajikan pada Gambar 8.
14
Gambar 9. Rangka unit penebar pupuk Tiga titik gandeng terdiri dari lower link dan top link. Lower link dihubungkan ke hidrolik transplanter untuk digunakan mengatur ketinggian implemen. Dimensi yang digunakan akan ditentukan dengan merancang berdasarkan posisi dan karakteristik dari sistem penggandengan pada transplanter Yanmar RR55. Analisis yang dilakukan adalah penentuan posisi dan berat maksimum transplanter Yanmar RR55. Penentuan posisi dan berat maksimum transplanter Yanmar RR55 dilakukan dengan mengukur gaya vertikal ke bawah yang dihasilkan oleh roda depan Yanmar RR55 dan gaya vertikal ke bawah yang dihasilkan oleh roda belakang Yanmar RR55. Dengan mengetahui kedua gaya tersebut, dapat ditentukan centroid atau titik berat dari Yanmar RR55. Skema penentuan titik berat Yanmar RR55 disajikan pada Gambar 9.
Gambar 10. Skema penentuan titik berat Yanmar RR55 (1.1) Di mana:
Lr = jarak titik berat transplanter ke titik pusat roda belakang Lp = jarak titik berat transplanter ke titik pusat roda depan Ff = Gaya vertikal roda depan Fr = Gaya vertikal di roda belakang
Setelah ditentukan titik berat dari transplanter Yanmar RR55 dapat ditentukan panjang lengan titik gandeng (L2) dan beban maksimum (W) yang dapat ditumpu oleh
15
transplanter melalui analisis keseimbangan momen di titik tumpu roda belakang. Skema penentuan bobot maksimum dapat dilihat pada Gambar 10.
Gambar 10. Skema penentuan bobot maksimum
(1.2) Di mana:
Lr = jarak titik berat transplanter ke titik gandeng Lp = panjang lengan titik gandeng Wp = beban implement Wt = bobot transplanter
Rangka utama dibuat dengan ukuran 30 x 125 cm untuk memegang 4 unit variable rate granular fertilizer applicator dengan ukuran 30 cm x 30 cm dengan sela setiap dua unit hopper sebesar 3 cm. Rangka bagian bawah yang digunakan untuk menahan beban variable rate granular fertilizer applicator terbuat dari besi siku, dan pada bagian tengah rangka, ditarik dengan kawat baja untuk membagi dua beban, sehingga momen yang muncul akibat beban dapat diperkecil.
Gambar 11. Rangka wadah hopper Bahan yang digunakan untuk rangka bawah yang menopang beban adalah baja karbon berbentuk siku, untuk menghitung momen yang terjadi digunakan persamaan :
16
(2.1) Di mana : 2 a = nilai kekuatan lentur bahan yang diperbolehkan (kgf/mm ) M = Momen yang terjadi pada tangkai (kgf mm) c = Titik tengah bahan (mm) lm = Inersia bahan (mm4) Bentuk momen yang terjadi pada rangka dapat digambarkan sebagai berikut,
Gambar 12. Momen rangka bawah Sehingga ; M = F1L1+F2L2
(2.2)
Setiap unit variable rate granular fertilizer applicator mampu menampung hingga 30 kgf ditambah dengan beban dari hopper 5 kgf, sehingga total F1 = 35 kgf, dan F2 = F1 , L1 = 450 mm dan L2 = 150 mm. dengan menggunakan persamaan (2.2), diperoleh M = 21000 kgf mm. Diasumsikan bagian dari rangka penebar pupuk yang paling kritis menumpu beban hopper adalah bagian depan dari dudukan hopper yang diberi tanda lingkaran merah pada Gambar 13.
17
Gambar 13. Skema momen rangka bawah Bahan yang digunakan adalah baja karbon berbentuk siku sama kaki, sehingga dapat digambarkan sebagai berikut.
Gambar 14. Penampang baja siku Sehingga : (3.1)
(3.2)
(3.3) (3.4) (3.5) (3.6)
18
Di mana : a = dimensi sisi kaki baja siku terluar yang sejajar sumbu geometris X (mm) b = dimensi sisi kaki baja siku terluar yang sejajar sumbu geometris Y (mm) t = tebal baja siku (mm) Xs = jarak dari sisi kaki terluar baja siku (sisi kaki yang // sumbu geometris X) ke pusat berat penampang besi siku (mm) Ys = jarak dari sisi kaki terluar baja siku (sisi kaki yang // sumbu geometris Y) ke pusat berat penampang besi siku (mm) Baja siku yang digunakan adalah baja siku sama kaki, sehingga dapat diasumsikan a = b = L. Baja siku yang digunakan diasumsikan memiliki profil ketebalan t = 3/40L. Apabila ukuran L dari baja siku yang digunakan adalah 40 mm, maka dengan menggunakan persamaan diatas dapat dihitung momen inertia maksimum untuk bahan tersebut adalah 0.09 x 106 mm4. Momen inersia tersebut dimasukkan ke dalam persamaan (2.1) dan diperoleh = 2.613 kgf/mm2. Momen tersebut lebih kecil dari kekuatan lentur yang diizinkan untuk baja karbon S30C sebesar 48 kgf/mm2, sehingga baja siku dengan ukuran L = 40 mm dipilih untuk rangka unit penebar pupuk. Pengatur ketinggian berasal dari lower link dari tiga titik gandeng, yang dihubungkan dengan hidrolik traktor, perubahan ketinggian yang dapat dicapai ± 60 cm mengikuti disain tiga titik gandeng yang digunakan transplanter. Bahan pengatur ketinggian tebuat dari besi hollow dengan ketebalan 3 mm dan ukuran 4 x 4 cm.
3.3.5. Pembuatan Prototipe Pada tahap ini dilakukan pembuatan prototipe berdasarkan gambar kerja yang dibuat pada tahap sebelumnya. Pembuatan prototipe dilakukan di bengkel Departemen Teknik Mesin dan Biosistem IPB.
3.4. Prosedur Pengujian 3.4.1. Uji fungsional Pada uji fungsional, rangka dipasangkan pada penggandeng dari transplanter. Dalam uji ini diperiksa: 1) Kemudahan dan ketepatan dalam pemasangan rangka ke bagian penggandeng transplanter 2) Kemudahan dan ketepatan ukuran dalam pemasangan hopper-hopper pupuk pada rangka 3) Kestabilan dudukan hopper pada rada rangka 4) Kelancaran gerak naik-turun melalui mekanisme hidrolik dari transplanter 5) Kesesuaian posisi rangka kepada permukaan tanah
3.4.2. Uji kinerja Pada uji kinerja, rangka dipasangkan pada penggandeng transplanter. Kemudian hopper dipasangkan pada masing-masing dudukan. Pengujian dilakukan dalam dua macam kondisi, yaitu hopper kosong dan hopper terisi penuh. Pada kondisi hopper terisi penuh, hopper diisi pupuk TSP masing-masing 30kg. Total berat pupuk yang ditampung seluruh hopper sebesar 120 kg. Transplanter dengan unit penebar pupuk tersebut digerakkan pada lahan sawah yang sudah dilumpurkan. Tahanan penetrasi lahan diukur menggunakan transplanter sampai
19
kedalaman 30 cm. Petak sawah pengujian yang disiapkan berukuran 26 m x 23 m. Skema petak sawah pengujian dapat dilihat pada Gambar 15.
Gambar 15. Skema petak sawah pengujian Transplanter di-set atau dijalankan dalam kecepatan “Low”. Dalam pengujian diukur: 1) Kedalaman ketenggelaman roda (sinkage) 2) Keceptan maju 3) Slip roda penggerak Kedalaman ketenggelaman roda (sinkage). Ketenggelaman roda dalam lahan diukur untuk mengetahui pengaruh pemasangan unit pemupuk pada aplikasi tranplanter di lahan. Pengujian dilakukan di lahan sawah dalam dua kondisi, yaitu pada saat transplanter dipasang unit pemupuk dan transplanter tanpa unit pemupuk. Masing-masing kondisi dilakukan lima kali pengambilan data. Pengukuran ketenggelaman roda dilakukan dengan cara mengukur kedalaman bagian paling dasar dari roda dari permukaan lumpur sawah. Untuk mengukurnya digunakan penggaris yang ditempelkan pada salah satu jari-jari roda belakang transplanter (lihat Gambar 16). Pembacaan ukuran tersebut dilakukan langsung pada saat transplanter melintas di lumpur saat pengujian kinerja.
20
Gambar 16. Skema pengukuran tingkat ketenggelaman roda Slip Roda Penggerak. Slip roda penggerak diukur dengan cara mengukur jarak yang ditempuh dalam lima putaran roda traksi di sawah saat pengoperasian pemupuk, kemudian dibandingkan dengan jarak tempuh lima putaran roda penggerak teoritis. Pengukuran dilakukan sebanyak lima kali ulangan untuk masing-masing kondisi. Slip roda penggerak dihitung dengan menggunakan rumus:
Slip 1
St x 100% S0
(4.1)
dimana: St = jarak tempuh 5 kali putaran roda aktual S0 = jarak tempuh teoritis 5 kali putaran roda (5 x πdroda) Kecepatan maju. Kecepetan maju diukur dengan mengukur waktu tempuh transplanter sejauh 20 m. Pengukuran dilakukan sebanyak lima kali pengulangan untuk masing-masing kondisi. Kecepatan maju dihitung dengan menggunakan rumus:
v
S t
(4.2)
dimana: v = kecepatan maju (m/s) S = 20 m t = waktu tempuh transplanter sejauh 20 m (s)
21
