MENURUNKAN DRAFT DAN ENERGI PEMBAJAKAN DENGAN GETARAN PAKSA BERENERGI RENDAH PADA BAJAK GETAR SELF-EXCITED VIBRATION (Draft force and energy reduction by low energy force vibration method on Self-Excited Vibration Vibratory-Tillage) Abstrak Penggetaran paksa berenergi rendah pada pegas bajak getar Self Excited Vibration guna menurunkan draft pembajakan dan energi selama membajak tanah telah dikembangkan dan diuji secara eksperimental. Pengujian dilakukan di dalam soil bin berukuran panjang 1.2 m, lebar 0.3 m dan dalam 0.4 m. Eksperimen menggunakan tanah liat dan dikondisikan sehingga mendekati kondisi lapang di mana lapisan hardpan dibuat setebal sekitar 15 cm dengan tahanan penetrasi sekitar 2.75 MPa. Kedalaman operasi diatur sekitar 17 cm sedangkan tebal lapisan hardpan yang dibongkar adalah sekitar 10 cm. Digunakan tillage tool jenis chisel dengan kemiringan shank sebesar 350 dan sudut potong sebesar 300. Chisel dihubungkan dengan fixed structure oleh sebuah pegas elastis berbentuk semieliptis. Pada batang bajak dipasang sebuah motor listrik dengan bobot 9.7 kg. Sebagai penggetar digunakan massa tak imbang yang diputar dan mempunyai bobot 0.24-0.35kg serta dipasang pada motor listrik pada radius 6.5 cm. Kecepatan membajak divariasikan yaitu dari kecepatan 0.158, 0.212 dan 0.265 m/s. Hasil-hasil eksperimen menunjukkan bahwa metode penggetaran ini berhasil menurunkan draft pembajakan dibandingkan dengan eksperimen tanpa penggetaran sebesar 7.3-38.3 % dan penurunan daya sebesar 4.8-14.4%. Kata kunci: Draft pembajakan, getaran paksa berenergi rendah, pegas elastis, massa tak imbang Abstract Draft force and energy reduction during tillage operation by low energy force vibration method on an elastic spring has been developed and tested experimentally. The experiments were conducted in soil bin, 1.2 m long, 0.3 wide and 0.4 m depth and soil that used in this experiment was clay loam soil; the thickness of hardpan in soil bin was 15 cm with penetration resistance of 2.75 MPa. The depth of operation was 17 cm while the thickness of the hardpan to be tilled was 10 cm. Chisel with incline angle of shank about 350 and lift angle of about 300 was used as tillage tool. A new model of elastic spring having shape of semi elliptic was used to connect the tillage toolto a fixed structure. An electric motor 9.7 kg of mass was installing to the plow shank. The vibration of tillage tool was caused by rotating unbalanced mass that was installed in the electric motor. The mass of unbalance mass was 0.24-028 kg and the eccentricity was 6.5 cm. The tillage speed was 0.158, 0.212 dan 0.265 m/s. Comparing to non vibratory tillage, reduction of average draft force about 7.3-38.3 % and energy reduction about 4.8-14.4% were found. Keyword: draft force, low energy-force vibration, elastic spring and rotating unbalance mass.
110
Pendahuluan Lapisan tanah padat dengan tahanan penetrasi tanah di atas 2 MPa. dan densitas tanah di atas 1.8 g/cm3 sulit ditembus oleh akar tanaman, menghambat penetrasi air dan nutrisi serta menghambat sirkulasi udara di dalam tanah. Hal ini akan menghambat pertumbuhan tanaman serta menurunkan produktivitas hasil tanaman (Soil Quality Institute 2003, Susan et al. 1994). Untuk membongkar lapisan padat demikian diperlukan draft pembajakan dan konsumsi energi yang besar. Besarnya draft pembajakan ini digunakan untuk mengatasi gesekan antara tanah dengan tillage tool, mengatasi gesekan antar tanah, mengatasi percepatan tanah bongkaran di depan tillage tool serta karena adanya kelengketan antara tanah dengan tillage tool (Gill dan Van den Berg 1968, Uphadaya at.al, 2009) Kondisi ini tidak menguntungkan sehingga gaya dan konsumsi energi tersebut harus diturunkan. Penggetaran paksa dengan cara memberikan energi mekanis secara langsung ke batang bajak telah banyak diteliti dan berhasil menurunkan draft pembajakan secara signifikan. Sayangnya, penggetaran batang bajak ini memerlukan energi secara berlebihan (Bandalan et al. 1999, Butson et al. 1981, Niyamapa et al. 2000, Yow et al. 1976). Penurunnan draft pembajakan ini terjadi bilamana rasio kecepatannya (perbandingan antara kecepatan getar maksimum dari batang bajak dengan kecepatan maju traktor) lebih besar dari satu. Hal ini diupayakan dengan cara membuat kombinasi antara amplitudo dan frekuensi getar dari batang bajak. Parameter utama yang berpengaruh terhadap turunnya draft pembajakan pada fenomena ini adalah: • Tumbukan antara pisau bajak dengan tanah pada kecepatan tinggi mengakibatkan terjadi retakan dan kehancuran tanah padat di depan pisau bajak. Hal ini terjadi bila batang bajak diosilasikan dengan frekuensi rendah dengan amplitudo getar yang relatif besar. • Penggetaran dengan frekuensi getar tinggi pada amplitude getar rendah mengakibatkan hancurnya tanah di depan pisau bajak sehingga gesekan antara pisau bajak dengan tanah menurun, turunnya kelengketan antara tanah dengan pisau bajak serta turunnya kohesi di dalam tanah. Fenomena ini mengakibatkan turunnya tahanan tanah.
111
Adapun parameter yang menyebabkan terjadinya kenaikan kenaikan penggunaan energi pada fenomena ini adalah: • Tingginya energi yang diperlukan untuk menggerakkan inersia dari batang bajak beserta mekanismenya.
• Perlu tambahan energi guna mengatasi gaya vertikal yang diberikan oleh pisau bajak ke pada tanah. Butson et al. (1981) membuat penelitian bajak getar dengan memberikan energi mekanis ke batang bajak. Penelitian dilakukan di dalam soil tank (panjang: 27.6 m, lebar: 1.8 m dan dalam 0.6 m) dengan menggunakan clay soil sebagai sample tanah. (Gambar 66). Kecepatan membajak divariasikan dari 0.15-0.55 m/s. Frekuensi getar divariasikan dari 7-51 Hz sedangkan amplitude getar divariasikan
dari 1.7-8 mm. Peralatan penelitian tidak dilengkapi dengan elemen guna menyimpan dan melepas energi sebagai akibat dari variasi draft pembajakan.
Dalam studi analitisnya, Butson et al. (1981) memhubungkan turunnya draft dengan membuat prediksi grafik draft pembajakan sebagai fungsi dari waktu.
Gambar 66 Peralatan penelitian dari Butson et al. (1981). Yang menarik dalam eksperimennya adalah kesimpulan dari Butson et al.
(1981) sebagai berikut: • Tidak terjadi penurunan draft pembajakan pada rasio kecepatan di bawah satu. Di atas rasio kecepatan satu, terjadi penurunan draft pembajakan yang merupakan fungsi parabolis terhadap rasio kecepatannya.
• Terjadi kenaikan penggunaan energi pada semua kondisi rasio kecepatan di mana kenaikan energi berbanding lurus dengan rasio kecepatannya.
112
• Diperkirakan 50 % konsumsi energinya digunakan untuk mengatasi gesekan mekanis pada mekanisme serta digunakan untuk menggerakkan mekanisme itu sendiri. Szabo et al. (1998) melaporkan turunnya draft pembajakan pada vibrating bulldozer dan plow blade. Penggetaran dilakukan dengan cara memberikan energi mekanis ke plow blade (Gambar 67). Blade diosilasikan pada frekuensi 10-70 Hz dengan amplitudo getar 1 dan 2.5 mm. Rasio kecepatan dibuat tinggi di atas 17. Tercatat penurunan draft pembajakan sekitar 70-85% pada frekuensi getar antara 20-70 Hz. Hal ini karena penggetaran dengan frekuensi di atas mengakibatkan kohesi di dalam tanah serta adhesi antara tanah dengan blade menurun drastis. Szabo et al. (1998) tidak melaporkan seberapa tinggi kenaikan energi yang diperlukan. Demikian pula tidak dilakukan analisis tentang turunnya kohesi tanah serta turunnya adhesi antara tanah dengan pisau bajak.
Gambar 67 Peralatan eksperimen yang digunakan oleh Szabo et al. (1998). Niyamapa et al. (2000) melaporkan hasil eksperimen penurunan draft pembajakan pada bajak getar (Gambar 68). Penggetaran dilakukan dengan memberikan energi mekanis ke tillage tool. Kecepatan osilasi maksimum tillage tool dibuat 2.5 m/s. Pada kecepatan maju traktor 0.34 dan 0.85 m/s, terjadi penurunan draft pembajakan masing-masing sebesar 37 dan 7% sedangkan pemakaian energinya naik masing-masing sebesar 45 dan 41%. Penyebab turunnya draft pembajakan adalah turunnya effective stress tanah akibat ditambahkan kecepatan pembebanan yang sangat tinggi sedangkan penyebab kenaikan kebutuhan energi adalah tingginya pemakaian energi yang digunakan untuk menggerakkan inersia dari bajak getar. Kendati demikian, Niyamapa et al.
113
(2000) tidak menganalisis fenomena turunnya effectice stress pada tanah sebagai akibat ditambahkan kecepatan pembebanan yang sangat tinggi.
Gambar 68 Diagram kinematis dari peralatan eksperimen yang digunakan oleh Niyamapa et al. (2000). Wang et al. (1998) 98) membuat penelitian guna menurunkan adhesi antara tanah dengan pelat logam (Gambar 69). Tanah jenis silt loam disemprotkan
dengan kecepatan 5-7 m/s ke pelat logam yang digetarkan. Pada frekuensi getar pelat sampai dengan 40 Hz, tanah yang melekat pada pelat banyaknya sekitar 8090 %, pada frekuensi getar pelat 50 Hz, tanah yang lengket pada pelat banyaknya
sekitar 25-85 %, sedangkan pada frekuensi getar pelat antara 60-100 Hz tidak terjadi pelengketan tanah pada pelat logam sama sekali. Yang unik adalah pada frekuensi getar di atas 100 Hz, tanah yang lengket pada pelat semakin banyak.
Wang et al. (1998) juga menyimpulkan bahwa kelengketan tanah pada pelat banyaknya berbanding terbalik dengan percepatan getar di setiap titik pada pelat.
Ganbar 69 Skema eksperimental dari Wang et al. (1998).
114
Radite dan Soeharsono (2010) melaporkan penurunan draft dan energi pada
penggetaran paksa batang mole plow ke arah samping kiri-kanan. Pengujian lapangan dilakukan dengan traktor 4 roda 72 hp pada kedalaman operasi 36-44 cm
dengan kecepatan maju 1.61-1.80 km/jam. Dilaporkan bahwa respon frekuensi getar yang efektif adalah pada 7-12 Hz. Pada kisaran frekuensi getar ini penurunan draft yang terjadi berkisar antara 18.2-23.6 %, di mana penurunan draft terbesar yaitu 23.6 % terjadi pada frekuensi getar 9 Hz. Pada kisaran frekuensi getar 7, 9 dan 12 Hz juga dilaporkan terjadi penurunan energi, di mana
draft turun 19.6, 23.6 dan 18.2 % sementara kenaikan daya kinetis masing-masing hanya sebesar 2.9, 4.2 dan 6.1 %. Sementara frekuensi getar 15 Hz kurang efektif
karena penurunan draft hanya 3.1 % sedangkan daya kinetis meningkat 10.9 %.
Gambar 70 Skema penelitian dari Soeharsono et al. (2010). Soeharsono et al. (2011) melaporkan pengaruh orientasi pagas pada bajak getar jenis self-excited vibration terhadap draft pembajakan. Adapun skema penelitiannya ditunjukkan pada Gambar 70. Penelitian dilakukan di dalam soil bin pada kecepatan membajak rendah yaitu 0.158, 0.212 dan 0.265 m/s. Digunakan tiga jenis perlakuan yang meliputi perlakuan tanpa pegas (NST), perlakuan dengan pegas menghadap ke muka (FST) dan perlakuan pegas menghadap ke
belakang (RST). Pada perlakuan FST, draft pembajakan membuat elevasi ujung pisau bajak bergerak turun yang mengakibatkan kenaikan draft pembajakan sampai dengan 90 %. Pada perlakuan RST, draft pembajakan membuat elevasi ujung pisau bajak bergerak naik yang mengakibatkan turunnya draft pembajakan sampai dengan 15-18 %. Penurunan draft pembajakan dirasa masih relatif kecil sehingga perlu diupayakan untuk memperbesar penurunan draft pembajakan. Demikian pula perlu diupayakan agar kekakuan kekakuan pegas dapat digunakan pada bajak
115
getar (jenis self-excited vibration) dengan rentang kepadatan tanah yang lebih lebar. Penggetaran suatu inersia berenergi rendah dengan frekuensi tinggi dan dengan amplitude yeng relatif rendah dapat dilakukan dengan menggetarkan inersia tersebut yang dihubungkan dengan suatu pegas elastis. Agar terjadi pembesaran gaya gangguan, diupayakan frekuensi getar dari gangguannya berada pada rentang frekuensi 1.41 dengan fn sebagai frekuensi alami sistem getar (Graham Kelly 1996, Rao et al. 2005, Krodkiewski JM. 2008).
Dalam penelitian ini akan dilakukan metode alternatif guna menurunkan draft pembajakan pada bajak getar tanpa disertai dengan kenaikan energi. Metode tersebut dilakukan dengan cara penggetaran berenergi rendah kepada batang bajak yang dihubungkan dengan struktur tetap melalui sebuah pegas elastis. Sumber getar didapat dari kecepatan putar massa tak imbang yang diputar oleh sebuah motor listrik 180 Watt yang dipasang pada batang bajak. Gaya inersia dari putaran massa tak imbang ini mengakibatkan batang bajak berosilasi dengan amplitudo getar rendah. Getaran batang bajak ini diharapkan mampu menghancurkan tanah padat di depan pisau bajak sehingga tahanan tanahnya menjadi turun, akibatnya adalah draft pembajakan dan pemakaian energi menjadi turun pula. Tujuan dari penelitian ini adalah •
Mencari pengaruh penggetaran berenergi rendah pada bajak getar self-excited vibration terhadap besar penurunan draft pembajakan dan energi saat operasi membajak.
•
Mengungkapkan mekanisme kerusakan tanah di depan pisau bajak sebagai akibat dari penggetaran berenergi rendah dengan frekuensi yang relatif tinggi.
•
Memperbesar penurunan draft pembajakan pada bajak getar jenis self-excited vibration. Bahan dan Metode
Peralatan dan Instrumentasi Peralatan dasar yang digunakan dalam eksperimen ini (Gambar 71), adalah sama dengan peralatan dasar yang digunakan untuk mencari draft pembajakan tanpa getar dan peralatan dasar pada bajak getar self-excited vibration dengan
116
komponen dasar terdiri atas soil bin, peralatan pemadat tanah, sistem konveyor, struktur bajak, load cell dan tillage tool. Hanya digunakan satu jenis tillage tool yaitu chisel plow dengan batang lurus miring S2 (Gambar 35 b).
Gambar 71 Peralatan yang digunakan untuk eksperimen bajak getar SEV dengan penggetaran berenergi rendah. Yang membedakan adalah ditambahkannya penggetar pada batang bajak yang digunakan untuk mengosilasikan batang bajak (Gambar 72 a). Penggetar (Gambar 72 b) terdiri atas motor listrik 180 Watt, dua buah pelat berdiameter 150 mm dan massa tak imbang berbobot m= 0.24-0.35 kg yang dipasang pada pelat pada radius r= 0.65 mm dengan jarak 0.35 m dari pusat getar. Jika massa m diputar dengan kecepatan sudut ω, maka gaya inersianya adalah:
(32)
Dengan kekakuan pegas k (Nm/rad), inersia sistem getar J serta faktor peredaman ξ, maka persamaan gerak dari sistem getar adalah: 2ξω θ 0.35 / !
(33)
#
" $ adalah frekuensi alami dari sistem getar Response getar adalah:
%.&'( ) *
) 0 ) 0 ) # +,-./ 2 3 4/ 5 2 01 01
(34)
117
Massa tak imbang
ω m
65 mm
150 mm
0.55 m
(b) 0.35 m
(a)
Gambar 72 (a) Susunan pegas semi-eliptis, chisel plow dan penggetar, Fi: gaya inersia dari massa tak imbang yang diputar dengan kecepatan sudut ω, (b) penggetar yang terdiri atas motor listrik, pelat serta massa tak imbang m. Bilamana efisiensi dari sistem adalah η, dengan memperhatikan jarak antara pusat getar dengan pusat putaran massa tak imbang serta jarak antara pusat getar dengan ujung pisau bajak, maka gaya Fp yang ditransmisikan ke ujung pisau bajak guna memecah kepadatan tanah adalah: 67 89!/0.55
(35)
Gambar 73 Instrumentasi guna pengukuran gaya pada eksperimen penggetaran berenergi rendah. Instrumentasi guna
mengukur draft pembajakan pada
eksperimen
penggetaran berenergi rendah ini adalah sama dengan instrumentasi pada Gambar 52, bedanya adalah pada batang bajak dipasang penggetar berenergi rendah seperti terlihat pada Gambar 73. Di samping itu ditambahkan pula sebuah stroboscope guna mengukur kecepatan putar dari penggetar.
118
Deskripsi dan Prosedur Eksperimen Penelitian dilakukan dari bulan Desember 2010 sampai dengan bulan Februari 2011 di Laboratorium Teknik Mesin dan Budidaya Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian Institut Pertanian, Bogor. Tanah yang digunakan dalam penelitian ini adalah tanah liat dengan kandungan clay, sand dan silt masingmasing sebesar 83.41, 3.11 dan 13.48%. Sifat fisis tanah lainnya adalah batas plastis 45.51% dan batas cair 70.3% dengan kandungan air dikondisikan sekitar 35-36 %. Tanah di dalam soil bin dipadatkan menjadi dua lapisan yaitu lapisan A dan lapisan B (Gambar 74). Lapisan A setebal sekitar 15 cm mensimulasikan lapisan tanah kedap (hardpan) dengan tahanan penetrasi sekitar 2.75 MPa, bulk density sekitar 1.6 g/cm3. Lapisan B mensimulasikan lapisan tanah atas dengan ketebalan sekitar 7 cm dan tahanan penetrasi sekitar 1.1 MPa.. Lapisan kedap yang dibongkar setebal sekitar 10 cm sedangkan kedalaman membajak adalah sekitar 17 cm. VST
B
h2 h1
A
NST
V
D 5 cm
Gambar 74 Tanah di dalam soil bin dibagi menjadi dua lapisan. Tabel 14 Parameter tanah di dalam soil bin perlakuan VST (lihat Gambar 74) Kecepatan membajak (m/s) 0.158
0.212
0.265
Massa m Treatment (kg) 0 0.35 0.24 0 0.35 0.24 0 0.35 0.24
NST21 VST11 VST21 NST22 VST12 VST22 NST23 VST13 VST23
Tebal lapisan tanah (cm) h1 h2 15 22 15 22 15 22 15 22 15 22 15 22 15 22 15 22 15 22
Tahanan penetrasi (MPa) A B 2.75 1.1 2.75 1.1 2.75 1.1 2.75 1.1 2.75 1.1 2.75 1.1 2.75 1.1 2.75 1.1 2.75 1.1
119
Eksperimen dilakukan dalam dua kondisi yaitu kondisi membajak tanah tanpa pegas elastis (NST) dan kondisi membajak tanah dengan penggetaran pada pegas elastis (VST). Pada kondisi NST, pegas elatis tidak dipasang serta vibrator tidak diputar sehingga tidak ada pengaruh getaran pada batang bajak. Pada kondisi VST, pegas elastis dipasang pada batang bajak sedangkan penggetar dipasang pada batang bajak. Penggetar berbobot 9.7 kg terdiri atas sebuah motor listrik (180 Watt), dua buah piringan silindris berdiameter 150 mm serta massa tak imbang 0.24 -0.35 kg. Detil dari setup eksperimen ditunjukkan pada Gambar 75. Sesuai dengan kecepatan membajak V, kondisi NST dibagi lagi menjadi tiga perlakuan yaitu perlakuan NST21 (V=0.158 m/s), NST22 (V=0.212m/s) dan perlakuan NST23 (V=0.268 m/s). Ada enam perlakuan pada VST disesuaikan dengan besar massa tak imbang m, kecepatan putar motor penggetar n serta kecepatan membajak V. Perlakuan teraebut meliputi: •
VST11 (kecepatan putar n=530 rpm, massa m=0.35 kg dan kecepatan membajak V=0.158 m/s).
•
VST12 (kecepatan putar n=530 rpm, massa m=0.35 kg dan kecepatan membajak V=0.212 m/s).
•
VST13 (kecepatan putar n=530 rpm, massa m=0.35 kg, kecepatan membajak V=0.265 m/s).
•
VST21 (kecepatan putar n=1150 rpm, massa m=0.24 kg, kecepatan membajak V=0.158 m/s).
•
VST22 (kecepatan putar n = 1150 rpm, massa m=24 kg, kecepatan membajak V=0.212 m/s).
•
VST21 (kecepatan putar n=1150 rpm, massa m=0.24 kg (kecepatan membajak V=0.265 m/s). Selama eksperimen, kecepatan putar dari massa tak imbang diukur dengan
menggunakan stroboskop. Selanjutnya kemungkinan terjadinya kerusakan tanah padat pada lapisan kedap dicari terlebih dahulu dengan menggunakan Mohr Column theory yang diberlakukan pada tanah yaitu pada persamaan 24 dan pada Gambar 31.
120
Detil dari parameter eksperimen tanah di dalam soil bin untuk setiap perlakuan ditunjukkan pada Tabel 14. 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. Hasil yang didapat dari setiap perlakuan VST dibandingkan dengan hasil yang didapat dari perlakuan NST (membajak tanpa getar) dan perlakuan RST.
Gambar 75 Setup eksperimen, perlakuan NST dan VST. Hasil dan Pembahasan Pertama kali dilakukan pengamatan terhadap kecepatan putar motor listrik penggetar (pada massa tak imbang 0.24 kg diputar pada 1150 rpm). Pengamatan menunjukkan bahwa pada saat chisel plow melalui tanah yang telah terbongkar, kecepatan putar massa tak imbang menjadi turun di bawah 1150 rpm. Hal ini disebabkan oleh adanya peredaman antara chisel plow dengan bongkaran tanah. Pada saat ujung pisau bajak menyentuh tanah padat, kecepatan putar massa tak imbang bergerak naik sampai sekitar 1150 rpm atau sekitar 19.2 Hz (Gambar 76). Dengan demikian maka perhitungan gaya inersia pada massa tak imbang yang diperlukan untuk merusak tanah padat didasarkan kepada kecepatan putar ini.
121
Gambar 76 Kecepatan putar massa tak imbang m=0.24 kg diputar 1150 rpm pada saat menyentuh tanah padat. Selanjutnya dicari kemungkinan rusaknya tanah padat di depan ujung pisau bajak akibat getaran yang ditimbulkan oleh gaya inersia dari massa tak imbang. Dari data uji direct shear, didapatkan data sebagai berikut: Persamaan fungsi kekuatan geser τ terhadap tegangan normal σ: : 0.729= 49.541
(36)
Didapat pula kohesi tanah C=49.54 KPa dan sudut gesekan antar tanah
ϕ 360 . Grafik dari persamaan 36 ditunjukkan pada grafik 1 Gambar 67. Dalam hal tanah diberi tegangan geser di atas grafik 1, maka tanah akan rusak sesuai
dengan sudut gesernya. Salah satu batas minimum agar tanah tidak rusak adalah jika tanah menerima beban berupa teganagn utama =- 194 KPa dan = =&
0. Lingkaram Mohr dalam kondisi ini ditunjukkan pada Gambar 67 dalam grafik 2. Tegangan geser maksimum yang terjadi pada kondisi ini adalah τ = 97,4 KPa
pada tegangan normal sebesar 97.6 KPa. Titik singgung antara lingkaran Mohr dengan garis 1 terjadi pada σ=37.3 KPa dan τ=76.7 KPa. Karena itu dapat disimpulkan bahwa bila akibat getaran massa tak imbang terjadi tegangan normal di depan ujung pisau bajak sebesar =- 194 KPa dan = =& 0, maka tanah padat di depan ujung pisau bajak tepat akan rusak sesuai dengan arah gesernya.
Sekarang akan dihitung tegangan utama yang terjadi pada tanah sebagai akibat adanya gaya inersia dari massa tak imbang. Perhitungan didasarkan pada persamaan 34-35. Ujung pisau bajak mempunyai ketebalan t=0.5 mm dan lebar
122
b=80 mm. jika diambil kondisi yang ekstrim yaitu efisiensi dari sistem η=70 %, tegangan utama yang ke tiga besarnya diambil 15 % dari besar tegangan utama yang pertama sedangkan transmisibilitas gaya diambil sama dengan satu maka tegangan normal pada ujung pisau bajak adalah: •
•
Untuk m=0.35 kg diputar 530 rpm =- 398 9BC
=& 697 9BC, = 0
(36)
Untuk m=0.24 kg diputar 1150 rpm =- 1259 9BC
=& 17859BC, = 0
(37)
Gambar 77 Grafik kekuatan geser sebagai fungsi dari tegangan normal tanah yang digunakan dalam eksperimen (2: Lingkarann Mohr tegangan batas minimum agar terjadi kerusakan tanah, 3: Lingkaran mohr tegangan akibat putaran massa tak imbang m=0.35 kg, n=530 rpm, 4: Lingkaran Mohr tegangan akibat putaran massa tak imbang m=0.24 kg, n=1150 rpm). Lingkaran Mohr tegangan pada tanah padat yang bersesuaian dengan persamaan 36 (m=0.35 kg dan n=530 rpm) dan persamaan 37 (m=0.24 kg dan n=1150 rpm) ditunjukkan pada grafik 3 dan grafik 4 pada Gambar 67. Pada grafik 3, lingkaran berada di atas grafik 1 pada tegangan antara σ=149 KPa, τ =158 KPa dengan σ=316 KPa, τ = 284 KPa sedangkan pada grafik 4, lingkaran 4 berada di atas grafik 1 pada tegangan antara σ= 319 KPa, τ = 284 KPa dengan σ = 970 KPa,
123
τ = 756 KPa. Dengan demikian dapat diduga terjadinya kerusakan tanah padat di depan ujung pisau bajak sebagai akibat dari adanya gaya inersia putaran massa tak imbang m. Karena gaya inersia tersebut sifatnya siklis, maka kerusakan tanah di depan pisau bajak menjadi semakin banyak. Draft Pembajakan Grafik draft pembajakan hasil eksperimen ditunjukkan pada Gambar 78 (kondisi NST dan VST dengan massa tak imbang m = 0.35 kg diputar 530 rpm) dan Gambar 79 (kondisi NST dan VST dengan massa tak imbang m = 0.24 kg diputar 1150 rpm). Data numerik draft pembajakan untuk perlakuan dengan penggetaran dan tanpa penggetaran (VST-NST) ditunjukkan pada Tabel 15 sedangkan data numerik draft pembajakan untuk perlakuan dengan penggetaran dan perlakuan self excited vibration (SEV) ditunjukkan pada Tabel 16. Dari grafik dan data numerik pada Tabel terlihat bahwa terjadi penurunan draft pembajakan untuk semua perlakuan VST (dengan penggetaran) dibandingkan dengan draft pembajakan untuk semua kondisi NST (tanpa penggetaran) demikian pula terjadi penurunan draft pembajakan untuk perlakuan VST (dengan penggetaran) dibandingkan dengan perlakuan RST (self-excited Vibration). Dalam kondisi penggetaran dengan bobot massa tak imbang m=0.35 kg yang diputar pada kecepatan putar 530 rpm (frekuensi f=8.8 Hz), terjadi penurunan draft pembajakan rata-rata pada perlakuan VST11, VST12 dan VST13 dibandingkan dengan perlakuan tanpa getar NST21, NST22 dan NST23 berturut-turut sebesar 11.9, 7.3 dan 25.7 % sedangkan penurunan draft pembajakan maksimumnya berturut turut sebesar 7.2, 0.0 dan 22.8 %. Dalam kondisi penggetaran dengan bobot massa tak imbang m=0.24 kg yang diputar dengan kecepatan putar 1150 rpm (frekuensi f=19.2 Hz), terjadi penurunan draft pembajakan rata-rata pada perlakuan VST21, VST22 dan VST23 dibandingkan dengan draft pembajakan perlakuan tanpa getar NST21, NST22 dan NST23 berturut-turut sebesar 18.3, 24.9 dan 35.3 % sedangkan penurunan draft pembajakan maksimumnya berturut turut sebesar 19.1, 32.8 dan 38.3 %.
124
5000
Draft pembajakan (N)
NST21, V=0.158m/s 4000 3000 2000 1000 VST11, V=0.158 m/s 0 11 25 12
26 13
14 27 15
16 2817
1829 19
20 30 21
-1000
Waktu (s)
(a) 5000
Draft pembajakan (N)
NST22, V=0.212 m/s 4000 3000 2000 1000
VST12, V=0.212 m/s
0 12 28
1429
16 30 18
3120
22 32
-1000
waktu (s)
(b) 5000
Draft pembajakan (N)
NST23, V=0.265 m/s 4000 3000 2000 1000 VST13, V=0.265 m/s 0 1017 -1000
11 18 12
1913
20 14
1521
16 22 17
Waktu (s)
(c) Gambar 78 Draft pembajakan kondisi NST dan kondisi VST dengan massa tak imbang 0.35 kg diputar 530 rpm, (a) kecepatan membajak V= 0.158 m/s, (b) kecepatan membajak V=0.212 m/s, (c) kecepatan membajak V=0.265 m/s.
125
5000 NST21, V=0.158 m/s
Draft pembajakan (N)
4000 3000 2000 1000 VST21, V=0.158 m/s
0 23.5 11 24.5 12 25.5 13 26.5 14 27.5 15 28.5 16 29.5 17 30.5 18 31.5 19 32.5 20 33.5 21 -1000
Waktu (s)
(a)
(b)
Draft pembajakan (N)
5000
NST23, V=0.265 m/s
4000 3000 2000 1000 VST23, V=0.265 m/s 0 16 10
17 11
1812
1913 2014 21 15 22 16 23 1724 1825
-1000
Waktu (s)
(c) Gambar 79 Draft pembajakan kondisi NST dan kondisi VST dengan massa tak imbang 0.24 kg diputar 1150 rpm, (a) kecepatan membajak V = 0.158 m/s, (b) kecepatan membajak V=0.212 m/s, (c) kecepatan membajak V=0.265 m/s.
126
Dibandingkan dengan perlakuan self-excited vibration, terjadi penurunan draft pembajakan maksimum pada perlakuan VST11,VST12 dan VST13 masing masing sebesar 4.7 %, -6.3 (draft pembajakannya naik), dan 9.0 % sedangkan draft pembajakan rata-ratanya turun masing masing sebesar 8.4, -3.7 (draft pembajakannya naik), dan 9.2 %. Untuk perlakuan VST21,VST22 dan VST23 penurunan draft pembajakan maksimumnya menjadi lebih besar yaitu masing masing sebesar 17.8, 20.4 dan 27.2 % sedangkan penurunan draft pembajakan rata-ratanya masing-masing adalah sebesar 15.1, 15.9 dan 27.2 %. Turunnya draft pembajakan ini dapat dijelaskan sebagai berikut (lihat Gambar 80): •
Draft pembajakan D membuat batang bajak mendorong pegas elastis sehingga batang bajak terdefleksi ke belakang serta elevasi dari ujung pisau bajak terangkat ke atas. Kenaikan elevasi ini membuat kedalaman membajak menjadi relatif lebih rendah sehingga draft pembajakannya turun. Fenomena ini juga terjadi pada perlakuan self-excited vibration.
•
Pada waktu pegas terdefleksi ke belakang, energinya disimpan oleh pegas dalam bentuk energi regangan. Pada saat tanah terbongkar, draft pembajakan menjadi rendah. Energi regangan yang disimpan di dalam pegas dilepas dan mendorong batang bajak ke depan dengan kecepatan tinggi. Tumbukan yang terjadi antara ujung pisau bajak dengan tanah padat mengakibatkan terjadinya retakan di dalam tanah sehingga draft pembajakannya menjadi turun. Fenomena ini juga terjadi pada perlakuan self-excited vibration.
•
Kecepatan putar (n) massa tak imbang m mengakibatkan getaran pada ujung pisau bajak dengan amplitudo getar rendah. Gaya inersia yang ditransmisikan ke ujung pisau bajak menyebabkan kerusakan tanah di depan ujung pisau bajak serta tidak terbentuknya irisan tanah sehingga luasan kontak antara ujung pisau bajak dengan tanah lebih kecil, selain itu getaran membuat waktu kontak antara tanah dan ujung pisau bajak lebih pendek sehingga kelengketan tanah, gesekan antara tanah dengan bajak serta kohesi di dalam tanah menjadi berkurang. Akibatnya adalah terjadi penurunan draft pembajakan. Fenomena ini tidak terjadi pada perlakuan self-excited vibration sehingga penurunan
127
draft pembajakan pada perlakuan penggetaran pegas elastis berenergi rendah selalu lebih besar jika dibandingkan dengan penurunan draft pembajakan pada perlakuan self-excited vibration. Tabel 15 Penurunan draft pembajakan hasil eksperimen VST-NST Kecepatan membajak (m/s)
Perlakuan NST21
0.158
0.212
0.265
Draft rata-rata Besar draft Penurunan (N) draft (%) 2285 -
Draft maksimum Besar draft Penurunan (N) draft (%) 3204 -
VST11
2014
11.9
2971
7.2
VST21
1866
18.3
2562
19.1
NST22
2556
-
3581
-
VST12
2369
7.3
3581
0
VST22
1920
24.9
2683
32.8
NST23
3245
-
4732
-
VST13
2411
25.7
3654
22.8
VST23
2099
35.3
2921
38.3
Tabel 16 Penurunan draft pembajakan hasil eksperimen VST-RST Kecepatan membajak (m/s) 0.158
0.212
0.265
Perlakuan
Draft rata-rata Besar draft Penurunan (N) draft (%)
Draft maksimum Besar draft Penurunan (N) draft (%)
RST21
2199
VST11
2014
8.4
2971
4.7
VST21
1866
15.1
2562
17.8
RST22
2284
VST12
2369
-3.7
3581
-6.3
VST22
1920
15.9
2683
20.4
RST23
2656
VST13
2411
9.2
3654
9.0
VST23
2099
19.8
2921
27.2
3117
3369
4014
Dari grafik dan data numerik terlihat bahwa penurunan draft pembajakan menjadi semakin besar bila kecepatan membajak semakin tinggi. Juga terlihat bahwa pada perlakuan massa tak imbang m=0.24 kg diputar dengan n=1150 rpm
128
(f=19.2 Hz) terjadi penurunan draft pembajakan yang lebih besar jika dibandingkan dengan penurunan draft pembajakan pada perlakuan massa tak imbang m=0.35 kg diputar dengan n=530 rpm (f=8.8 Hz). Penyebabnya adalah, pada perlakuan massa tak imbang m=0.24 kg diputar dengan frekuensi f=19.2 Hz, pisau bajak lebih sering mencacah tanah dibandingkan dengan perlakuan massa tak imbang m=0.35 kg diputar dengan frekuensi f=8.8 Hz. Disamping itu gaya inersia dari massa tak imbang m=0.24 kg (diputar 1150 rpm) lebih besar dibandingkan dengan gaya inersia massa tak imbang m=0.35 kg (diputar 530 rpm). Kondisi ini membuat kemampuan ujung pisau bajak dari perlakuan massa tak imbang m=0.24 kg (diputar 1150 rpm) dalam menghancurkan tanah akan lebih besar dibandingkan dengan kemampuan ujung pisau bajak dalam menghancurkan tanah dari perlakuan pada massa tak imbang m=0.35 kg (diputar 530 rpm). Hal lain yang menarik untuk diungkapkan dalam penelitian ini adalah kelengketan antara tanah dengan pisau bajak serta bongkaran tanah di depan pisau bajak. Pada perlakuan NST, terjadi banyak kelengketan antara tanah dengan pisau bajak sedangkan pada perlakuan VST hanya terjadi sedikit kelengketan antara tanah dengan pisau bajak (Gambar 82). Kelengketan membuat pisau bajak lebih tebal serta ujung pisau bajak seolah-olah menjadi tumpul. Perubahan ini menyebabkan proses pemotongan tanah lebih berat karena alat harus mengatasi gaya gesek dan kohesi sekaligus.
Gambar 80 Mekanisme turunnya draft pembajakan pada fenomena VST.
129
Gambar 81 Beda elevasi permukaan tanah di dalam soil bin antara perlakuan NST dan VST.
Gambar 82 Kelengketan tanah pada shank dan pada pisau bajak. Dari grafik pada Gambar 78 dan Gambar 79 terlihat bahwa beda antara draft pembajakan maksimum dengan draft pembajakan minimum untuk semua perlakuan NST selalu lebih besar jika dibandingkan dengan beda antara draft pembajakan maksimum dengan draft pembajakan minimum untuk semua perlakuan VST. Hal ini mengakibatkan ukuran tanah bongkaran di depan pisau bajak pada perlakuan NST menjadi besar. Sedangkan pada perlakuan VST ukuran agregat tanah di depan pisau bajak menjadi lebih kecil. Kondisi ini mengakibatkan permukaan tanah di depan pisau bajak untuk perlakuan NST selalu lebih tinggi jika dibandingkan dengan permukaan tanah di depan pisau bajak untuk perlakuan
130
VST (Gambar 81). Hal ini membuat kohesi tanah di depan pisau bajak serta gesekan antara tanah dengan batang bajak pada pelakuan NST menjadi lebih besar jika dibandingkan dengan kohesi tanah di depan pisau bajak serta gesekan antara tanah dengan batang bajak pada pelakuan VST. Oleh karena itu, draft pembajakan pada perlakuan VST menjadi lebih rendah jika dibandingkan dengan draft pembajakan pada perlakuan VST. Kebutuhan Daya (P) Jika dianggap kecepatan soil bin selama membajak tanah adalah konstan serta semua daya dari motor listrik (180 Watt) digunakan untuk penggetaran, maka daya P yang diperluklan untuk membajak tanah adalah: Daya yang diperlukan dalam membajak tanah pada perlakuan NST: BEFG HEFG I J
(38)
Daya yang diperlukan dalam membajak tanah pada perlakuan VST: BKFG HKFG I J 180
(39)
Di mana BEFG dan BKFG masing-masing adalah kebutuhan daya guna
membajak tanah pada perlakuan NST dan VST, HEFG dan HKFG adalah draft
pembajakan pada perlakuan NST dan VST serta V adalah kecepatan membajak.
Hasilnya ditunjukkan pada Tabel 17, tanda positif menyatakan terjadinya penurunan daya yang diperlukan untuk membajak tanah sedangkan tanda negatif menyatakan terjadi kenaikan kebutuhan daya. Pada kecepatan membajak 0.158 dan 0.212 m/s, terjadi kenaikan kebutuhan daya pada perlakuan NST11 dan NST12 masing-masing sebesar 38 % dan 26 %. sedangkan pada perlakuan NST21 dan NST22 terjadi kenaikan kebutuhan daya masing masing sebesar 31.5 % dan 8.3 %. Pada kecepatan membajak 0.265 m/s, terjadi penurunan pemakaian daya sebesar 4.8 % (VST13, massa tak imbang 0.35 kg diputar 530 rpm) dan 14.45 % (VST23, massa tak imbang 0.24 kg diputar 1150 rpm). Pada Tabel-3 juga terlihat bahwa kebutuhan daya guna membajak tanah pada penggetaran dengan kecepatan putar massa tak imbang n=1150 rpm (f=19.3 Hz) lebih rendah jika dibandingkan
131
dengan kebutuhan daya pada penggetaran dengan kecepatan putar massa tak imbang n=530 rpm (f=8.8 Hz). Tabel 17 Penurunan konsumsi energi hasil eksperimen bajak VST Kecepatan Daya P untuk membajak perlakuan NST (m/s) (Watt)
Daya untuk m=0.35 kg n=530 rpm Daya P Penurunan (Watt) daya (%) 498.2 -38
Daya untuk m= 0.24 kg n=1150 rpm Daya P Penurunan (Watt) daya (%) 474.8 -31.5
0.158
361.0
0.212
541.9
682.2
.-26
587.0
-8.3
0.265
859.9
818.9
+4.8
736.2
+14.4
Kesimpulan Penggetaran dengan energi rendah pada pegas bajak getar SEV membuat ujung pisau bajak mencacah tanah menjadi gembur sehingga terjadi penurunan draft pembajakan dan kebutuhan energi yang diperlukan guna membajak tanah. •
Telah berhasil diungkapkan mekanisme kerusakan tanah di depan pisau bajak sebagai akibat dari penggetaran berenergi rendah dengan frekuensi yang relatif tinggi.
•
Dibandingkan dengan perlakuan NST, terjadi penurunan draft pembajakan pada perlakuan VST dengan bobot massa tak imbang m=0.35 kg (diputar 530 rpm) sebesar 18.3, 24.9 dan 35.3 % pada kecepatan membajak masingmasing sebesar 0.158, 0.212 dan 0.265 m/s. Sedangkan pada perlakuan VST dengan bobot massa tak imbang m=0.24 kg (diputar 1150 rpm) terjadi penurunan draft pembajakan sebesar 19.1, 32.8 dan 38.3 %. pada kecepatan membajak masing-masing sebesar 0.158, 0.212 dan 0.265 m/s.
•
Dibandingkan dengan perlakuan self-excited vibration, tercatat penurunan draft pembajakan pada perlakuan VST11, VST12 dan VST13 masing-masing sebesar 8.4, -3.7 (draft pembajakannya naik), dan 9.2 %. sedangkan pada perlakuan VST21, VST22 dan VST23 tercatat penurunan draft pembajakan masing-masing sebesar 15.1,15.9 dan 19.8 %.
•
Terjadi kenaikan penggunaan energi pada kecepatan membajak tanah 0.158 dan 0.212 m/s. Penurunan penggunaan daya tercatat pada kecepatan
132
membajak 0.265 m/s yaitu sebesar 4.8 % (perlakuan VST13) dan 14.4% perlakuan VST23). Daftar Pustaka Bandalan EP, Salokhe VM, Gupta CP, Niyamapa T. 1999. Performance of an oscillating subsoiler in breaking a hardpan. Journal of Terramechanics 36: 117-125. 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 Butson JM, Rackham HD. 1981a. Vibratory soil cutting II. an improved mathematical model. J. agric. Eng. Research 26: 419-439. Butson J M, Rackham HD. 1981b. Vibratory soil cutting I. soil tank studies of draught and power requirements. J. Agric. Eng. Research 26: 409-418. Gill WR, Van den Berg GE. 1968. Soil dynamics in tillage and traction. Agriculture hand-book No. 316 ARS USDA. Graham kelly S. 1996. Mechanical vibrations. New York: Mcgraw-hill. Krodkiewski JM. 2008. Mechanical vibration. Melbourne: The University of Melbourne Department of Mechanical and Manufacturing Engineering. Niyamapa T, Salokhe MV. 2000a. Force and pressure distribution under vibratory tillage-tool. Journal of Terramechanics 37: 139-150 Niyamapa T. and Salokhe MV. 2000b. Soil disturbance and force mechanics of vibrating tillage-tool. Journal of Terramechanics 37, 151-166. Rao SS, Yap Fook Fah. 2005. Mechanical vibrations. Singapore: Prentice Hall. Radite PAS, Soeharsono. 2010b. Kinerja penggetaran struktur pada operasi bajak mol getar. Pros. Seminar Nasional Perteta 2010 “Revitalisasi Mekanisasi Pertanian dalam Mendukung Ketahanan Pangan dan Energi”, Purwokerto, 10 Juli 2010. Paper no:C-13. Soeharsono, Radite PAS, Tineke M, Wawan H, Sapei A. 2011. The influence of elastic springs and spring orientation on the draft force during tillage operation. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 6: 5: 56-60. 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
133
Szabo B, Barnes F, Sture S, Ko JH. 1998. Effectiveness of vibrating bulldozer and plow blades on draft force reduction. Transaction of the ASAE 41; 2: 283290. 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., (2009), pp. 373-359 Wang XL, Ito N, Kito K, Garcia PP. 1998. Study on use of vibration to reduce soil adhesion. Journal of Terramechanics, 35:87-101 Yow J, Smith UJ. 1976. Sinusoidal vibratory tillage. Journal of Terramechanics 13; 4: 211-226.
