`
IV. PENDEKATAN DESAIN
A. Kriteria Desain Alat pengupas kulit ari kacang tanah ini dirancang untuk memudahkan pengupasan kulit ari kacang tanah. Seperti yang telah diketahui sebelumnya bahwa proses pengupasan kulit ari kacang tanah masih banyak menggunakan metode manual yakni dengan tangan manusia. Namun metode tersebut membutuhkan waktu dan tenaga kerja yang cukup banyak. Oleh karena itu dirancang alat untuk mengupas kulit ari kacang tanah dalam keadaan kering dengan kadar air tertentu. Tetapi perlu diperhatikan, kacang tanah hasil pengupasan alat ini harus memenuhi beberapa kriteria diantaranya tidak pecah, tidak berubah warna dan tidak berubah rasa. Ketiga kriteria tersebut penting sekali untuk mendapatkan hasil kupasan yang optimal. Pengumpanan kacang tanah dilakukan melalui bagian pemasukan dengan ukuran hopper yang disesuaikan. Hopper tersebut menjadi pengumpan kacang tanah sehingga dapat dengan mudah masuk ke silider pengupas. Selanjutnya pada sistem pengupasan digunakan dua buah silinder (roll) pengupas. Kacang tanah bergesekan langsung dengan dua buah silinder pengupas ini dengan jarak antara silinder yang dapat diatur sesuai ukuran rata-rata biji kacang tanah. Jarak antara dua silinder pengupas harus benar-benar tepat karena jika terlalu renggang maka kacang tanah tidak akan terkupas dengan sempurna sebaliknya jika jarak terlalu sempit maka kacang tanah akan pecah (tidak utuh). Silinder pengupas dilapisi oleh beberapa lapisan karet spon, diharapkan tekanan karet terhadap kacang rendah dengan gaya gesek yang optimal agar kacang tanah terkupas sempurna dan tidak pecah. Selain itu, alat ini dilengkapi dengan kipas yang berguna untuk memisahkan antara kulit ari dengan kacang tanah yang telah dikupas sehingga hasil akhir berupa kacang tanah bersih yang terpisah dari kulit arinya. Sumber tenaga yang digunakan sebagai penggerak silinder masih menggunakan tenaga manusia yang disalurkan melalui engkol sedangkan sumber tenaga penggerak kipas menggunakan baterai 12 volt. Proses pembuatan alat pengupas ini cukup sederhana meliputi proses pemotongan,
penyambungan,
pengelasan,
pengeboran,
pembentukan,
20
`
pemasangan, pengamplasan serta pengecatan. Kriteria lain dalam pembuatan alat ini adalah pemilihan bahan yang sesuai dan harus mudah didapatkan di pasaran. Selain itu, alat ini dirancang sederhana agar mudah dikembangkan lebih jauh oleh bengkel-bengkel di pedesaan maupun perkotaan. Kapasitas alat ini cocok untuk industri kecil atau rumah tangga dengan ukuran yang portable sehingga mudah dipindahkan dan digunakan dimana saja.
B. Desain Fungsional Dilihat secara fungsional, alat pengupas ini meliputi rangka, hopper, dudukan hopper, silinder pengupas, kipas/blower, poros silinder pengupas, sistem transmisi tenaga, saluran pengeluaran. Secara keseluruhan alat pengupas yang telah dirancang dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
Hopper engkol
karet transmisi Dudukan hopper
poros
Rangka
Saluran pengeluaran Gambar 13. Alat Pengupas Kulit Ari Kacang Tanah
21
`
1. Rangka alat Rangka ini berfungsi sebagai tempat menopang bagian-bagian alat pengupas sekaligus mendukung alat pengupas ini secara keseluruhan. Selain itu juga harus mampu menahan gaya-gaya yang terjadi akibat pembebanan ataupun penyaluran tenaga melalui poros yang terdapat pada alat pengupas. Selama berjalannya proses pengupasan, rangka alat ini harus statis dan mudah untuk dipindah-pindahkan melalui rancangan bentuk rangka yang kompak. 2. Hopper Hopper berfungsi sebagai lubang pemasukan kacang tanah, menampung sementara kacang tanah yang akan dikupas, mengeluarkan sedikit demi sedikit kacang tanah untuk dikupas dan mengatur jumlah kacang tanah yang masuk ke silinder pengupas. 3. Dudukan hopper Bagian ini berfungsi sebagai tempat melekatnya hopper sehingga bisa dibuka ataupun dipasang. Selain itu, bagian ini berfungsi juga sebagai tempat melekatnya poros pada silinder pengupas. 4. Silinder pengupas Silinder pengupas berfungsi untuk mengupas kacang tanah sehingga terbebas dari kulit arinya. Kacang tanah masuk diantara dua silinder pengupas dan kacang tanah yang bergesekan dengan kedua silinder pengupas ini akan terkupas. Dengan mengatur jarak antara dua silinder, diharapkan kulit ari akan terkupas tanpa menyebabkan pecah atau hancurnya biji. 5. Poros silinder pengupas Poros silinder pengupas berfungsi untuk memutar silinder pengupas. Poros ini digerakkan oleh tenaga manusia melalui engkol. 6. Sistem Transmisi Tenaga Sumber tenaga penggerak adalah tenaga manusia yang disalurkan melalui sistem transmisi engkol, karet dan poros. Engkol digunakan untuk menyalurkan tenaga manusia menjadi tenaga putar pada poros silinder.
22
`
Karet digunakan untuk menyalurkan tenaga putar dari silinder satu ke selinder dua dengan arah putar yang berlawanan dan kecepatan putar yang berbeda. 7. Kipas Kipas ini berfungsi untuk menghembuskan angin ke arah kacang tanah yang telah dikupas sehingga kulit arinya akan terpisah. Dengan begitu kacang tanah yang keluar sudah terpisah dengan kulit arinya. Kecepatan hembusan angin yang terukur pada anemometer adalah 2.18 m/s. 8. Saluran Pengeluaran Bagian ini berfungsi untuk mengeluarkan kacang tanah yang telah dikupas. Saluran pengeluaran ini terletak dibawah silinder pengupas.
C. Desain Struktural Pemilihan bahan dan penentuan ukuran disesuaikan dengan fungsi dan kriteria alat yang akan dirancang. Pemilihan bahan juga harus memperhatikan ketersediaan bahan dipasaran dan kemudahan untuk mendapatkannya. 1. Rangka Alat Rangka alat berukuran 320 x 320 x 700 mm terbuat dari besi siku berukuran 30 x 30 mm. Penyambungan antara bagian-bagaian rangka dilakukan dengan pengelasan sedangkan pemasangan penutup rangka menggunakan rivet dan mur-baut.
Lubang pengeluaran kulit ari penutup
rangka
Gambar 14. Rangka Alat 23
`
2. Hopper Hopper berukuran 400 mm x 320 mm x 250 mm dengan kemiringan 60o terbuat dari besi plat tebal 1 mm. Besarnya sudut kemiringan disesuaikan dengan sudut curah kacang tanah, fungsi dan estetika alat serta penempatan komponen agar tidak mengganggu komponen lain. Kemiringan sudut ini tidak boleh kurang dari nilai angle of repose yakni sekitar 20o. Angle of repose dicari dengan melakukan percobaan, yakni mencurahkan kacang tanah pada bidang datar sehingga membentuk tumpukan. Sudut yang dibentuk dari tumpukan kacang tanah tersebut kemudian diukur dengan busur derajat dan sudut itu merupakan angle of repose atau sudut curah. Oleh karena itu tidak begitu bermasalah jika sudut kemiringannya dirancang sebesar 60o. Hopper terbuat dari plat besi dengan tebal 1 mm. Bagian ini diletakkan di atas dudukan dan tidak menyatu dengan rangka sehingga bisa dibongkar pasang. Ukuran bagian bawah hopper disesuaikan dengan luas dudukannya.
Gambar 15. Hopper
3. Dudukan Hopper Dudukan hopper berbentuk kotak tanpa alas dan penutup berukuran 120 x 200 mm x 110 mm. Bagian ini terbuat dari besi plat dengan tebal 4 mm. Pada kedua sisinya dibuat lubang dengan diameter 18 mm sebagai tempat melekatnya poros silinder pengupas. Selain itu, disetiap lubang poros dipasang bearing atau bantalan sebagai penumpu poros beban sehingga putaran atau gerakannya dapat berlangsung secara halus, aman dan awet. Pada dudukan
24
`
hopper ini dipasang juga pengatur jarak untuk mengubah-ubah jarak antara kedua buah silinder pengupas. dudukan hopper
silinder pengupas
Gambar 16. Dudukan Hopper
4. Silinder Pengupas Silinder pengupas terbuat dari besi pipa dengan tebal 2 mm yang ditengahnya diberi poros. Penyambungan antara silinder dengan poros dilakukan dengan cara pengelasan. Kemudian silinder dan poros ini dibubut dengan mesin bubut untuk mendapatkan putaran poros yang tepat (center). Silinder yang digunakan berjumlah dua buah yang telah dilapisi karet spon setebal 4 mm dan direkatkan dengan menggunakan lem sebanyak dua lapisan. Pemilihan karet spon sebagai sabuk pengupas dikarenakan karet ini memiliki permukaan yang agak kasar sehingga gaya geseknya bisa maksimum. Disamping itu, karet spon bersifat elastis sehingga gaya tekan terhadap kacang tanah ketika terjadi kontak langsung dapat diminimumkan. Diameter silinder pengupas yang telah dilapisi karet spon adalah 50 mm dan 65 mm sedangkan panjang kedua silinder tersebut seragam yaitu 200 mm. Karet spon ini biasa dijual dipasaran dengan ukuran 900 x 1800 mm.
25
`
Gambar 17. Silinder Pengupas 5. Poros Silinder Pengupas Poros silinder pengupas terbuat dari besi pejal dengan diameter 15 mm dan panjang 360 mm. Besi poros ini kemudian dipasang pada dudukan dengan dilapisi oleh bearing agar perputaran silinder lebih lancar. dudukan hopper
bearing
poros
Gambar 18. Poros silinder pengupas
6. Sistem Transmisi Tenaga Sistem transmisi tenaga menggunakan engkol untuk menyalurkan tenaga dari tangan manusia menjadi tenaga putar dan karet untuk menyalurkan tenaga putar dari silinder pengupas pertama ke silinder pengupas yang kedua. Engkol terbuat dari besi pejal berdiameter 15 mm. Penyambungan besi dilakukan dengan las dan pada bagian ujung engkol diberi pegangan untuk memudahkan pemutaran. Engkol dibentuk saling tegak lurus antara poros, lengan engkol dan pegangan seperti yang terlihat pada gambar 19.
26
`
poros
pegangan
lengan engkol
Gambar 19. Engkol Transmisi alat pengupas ini menggunakan karet yang tidak terlalu elastis. Jenis transmisi ini dipilih karena sistemnya lebih sederhana dan dapat menyalurkan tenaga secara langsun serta slip yang terjadi sangat kecil. Poros silinder pertama yang terhubung ke engkol tidak dipasang karet tetapi pada poros kedua dipasang karet secara permanen. Pada ujung silinder kedua diberi baut agar karet tersebut ikut berputar ketika engkol digerakkan. Karet ini kemudian dihubungkan secara langsung ke poros silinder pertama sehingga ketika poros pertama bergerak maka poros kedua akan ikut bergerak tetapi berlawanan arah dengan kecepatan yang lebih kecil. dudukan hopper karet poros 1
poros 2
Gambar 20. Sistem Transmisi
8. Kipas Kipas yang digunakan merupakan kipas DC dengan tegangan 12V dan kuat arus 0.15 A. Kipas jenis ini biasa digunakan pada CPU computer. Disetiap sisi kipas ditutup dengan plat besi setebal 2 mm sehingga seperti membentuk sebuah kotak. Tujuannya agar angin yang dihembuskan dari kipas tidak
27
`
menyebar tetapi menuju ke satu arah. Pemasangan kipas pada saluran pengeluaran dilakukan dengan pengelasan. Sumber tenaga yang digunakan untuk menggerakan kipas adalah baterai atau adaptor 12 volt. Kecepatan udara yang dihasilkan dari kipas sebesar 2.18 m/s dan hembusan itu sudah cukup untuk memisahkan kulit ari dengan bijinya.
Gambar 21. Kipas 9. Saluran pengeluaran Saluran pengeluaran berupa bidang miring dengan sudut 45o, terbuat dari besi plat dengan tebal 1.5 mm. Saluran pengeluaran terdiri dari dua bidang miring yang saling menyilang. Saluran pertama berada tepat dibawah silinder pengupas sehingga kacang langsung jatuh ke sana sedangkan saluran kedua berada dibawah saluran pertama dan ditengah-tengahnya terdapat kipas. Ketika kacang tanah dan kulit arinya akan jatuh dari saluran pertama ke saluran kedua maka kipas yang berada di tengah langsung menghembuskan kulit ari sehingga keluar dari alat.
penutup rangka
rangka saluran pengeluaran
Gambar 22. Saluran pengeluaran
28
`
D. Analisa Teknik Gaya Gesek yang Bekerja pada Silinder Pengupas Gaya gesek akan terjadi ketika kacang tanah bersentuhan langsung dengan silinder pengupas. Selain itu, ada juga gaya pegas yang berasal dari karet spon terhadap biji kacang tanah. Gaya pegas dari karet spon mempengaruhi gesekan antara karet tersebut dengan biji kacang tanah.
FFp1 1
Fp2 F2
mg Gambar 23. Diagram Gaya yang Bekerja pada Kacang Tanah
Dengan memperhatikan gambar di atas maka gaya yang bekerja terhadap kacang tanah adalah gaya tekan pegas F dan gaya gesek , sehingga : FT = R1+ R2……………………………………………………....(7) Dengan: R1 2 = F12 +
2 1
R1 2 = F22 +
2 2
Dimana: FT = Gaya gesek total (N) F1 = Gaya pegas karet pertama (N) F2 = Gaya pegas karet kedua (N) 1
= Gaya gesek pada silinder pertama(N)
2
= Gaya gesek pada silinder kedua (N)
R1 = Resultan gaya F1 dan R2 = resultan gaya F2 dan
1 2
Jika diuraikan satu per satu maka gaya gesek yang bekerja adalah:
29
`
(silinder pengupas kiri)
(silinder pengupas kanan)
Gambar 24. Gaya yang Bekerja antara Kacang Tanah dengan Silinder
Gaya gesek terjadi ketika kacang tanah bersentuhan langsung dengan karet pengupas. Besarnya gaya gesek dapat dihitung dengan persamaan (2): =µ N Dimana: 1
= gaya gesek (Newton)
µ
= koefisien gaya gesek
N
= gaya normal (Newton) Besarnya gaya tekan pegas yang terjadi adalah F1 dan F2. Pada kenyataan
yang sebenarnya terdapat banyak gaya menyebar pada semua permukaan karet yang menekan kacang tanah. Tetapi untuk memudahkan perhitungan, penulis mengasumsikan bahwa gaya pegas yang bekerja pada kacang tanah hanya gaya F1 dan F2 saja yang merupakan gaya pegas maksimum. Selain itu penulis juga berasumsi bahwa kacang tanah yang dikupas merupakan benda bulat dan kaku sempurna sehingga tidak mengalami elastisitas ataupun perubahan ukuran ketika ditekan. Sehingga, persamaan yang dapat digunakan untuk kondisi di atas adalah: F = k Δx................................................................................(8)
30
`
dimana: F
= gaya pegas (Newton)
k
= konstanta pegas (N/m)
Δx
= simpangan (meter)
Untuk mendapatkan nilai konstanta k dilakukan percobaan terhadap karet spon dengan cara memberi gaya tekan kemudian dimasukkan kedalam persamaan k = m g/ Δx sehingga didapatkan nilai simpangannya. Pada percobaan, digunakan karet spon dengan tebal mula-mula 10 mm, kemudian diberi beban sebesar 1500 gram sehingga tebalnya menjadi 9 mm. Dengan kalimat matematis dapat dituliskan: xo = 10 mm = 10-2 m x1 = 9 mm = 9 x 10-3 m Δx = 1 mm = 10-3 m m = 1500 garm = 1.5 kg g = 9,81 m/s2 dengan menggunakan persamaan 8, maka: k = m g/ Δx = 1.5 x 9.81 /10-3 = 1470 N/m Gaya pegas dari karet spon yang bekerja terhadap kacang tanah adalah: F = k Δx Untuk mendapatkan nilai Δx: diameter rata-rata kacang tanah = 7.05 mm jarak optimal antara dua silinder = 5.5 mm Diameter kacang tanah lebih besar daripada jarak antara dua silinder, dengan begitu terjadi simpangan pada karet spon. Oleh karena itu diasumsikan besarnya simpangan minimal pada dua buah karet spon adalah 7.05 – 5.5 mm = 1.55 mm. Dengan demikian besarnya Δx pada salah satu karet spon adalah 1.55 mm/2 = 0.775 mm ≈ 0.8 mm
31
`
Jadi, besarnya gaya pegas dari salah satu permukaan karet spon adalah: F = k Δx F = 1470 N/m x (8 x 10-4 m) F = 1.176 N Karena jenis karet sama dan simpangan juga sama maka: F1 = F2 = F =1.176 N Besarnya gaya gesek adalah: Hasil penelitian yang dilakukan oleh salah satu dosen TEP menyebutkan bahwa besarnya koefisien gesek statis antara kacang tanah dengan karet adalah 0.8. Diasumsikan besarnya koefisien gaya gesek dinamis sekitar ¼ dari koefisien gaya gesek statisnya. Maka besarnya µ adalah 0.2. Pada percobaan pendahuluan didapat bobot rata-rata tiap satu butir kacang tanah adalah 0.4 gram. Namun saat terjadi gesekan, kacang tanah yang dikupas mendapat gaya berat dari kacang tanah yang berada di atasnya. Dalam hal ini, penulis mengasumsikan bahwa besarnya beban dari kacang tanah yang berada diatasnya adalah sekitar 500 gram untuk satu kali pengupasan optimum, maka: 1= 1
µ N
= µ [(mkacang + m beban) g] = 4.91 N
Dalam hal ini semua parameter antara pengupas kiri dan kanan sama, maka dapat dikatakan bahwa: 1=
2=
4.91 N
Setelah diketahui
1,
R1 2 = F12 +
2,
F1 dan F2 , maka:
2 1
R2 2 = F22 +
= 25.491
= 25.491
R1 = 5.05 N
R2 = 5.05 N
2 2
Jadi FT = R1 + R2 = 10.1 N
32
