METODE PENELITIAN
Waktu dan Tempat Penelitian Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Teknik Mesin Budidaya Pertanian, Jurusan Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Penelitian berlangsung selama delapan bulan, mulai bulan Mei 2001 sampai Desember 2001. -
,
Alat dan Bahan Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Aparatus uji pemotongan rumput (turfbin test apparatus).
2. Mata pisau (blade). Mata pisau yang digunakan dalam pengujian terbuat dari stainless steel yang tersedia di pasaran Ukuran mata pisau adalah: lebar 20 rnm, tebal 1 mm, dan sudut ketajaman pisau 26,6'. Panjang mata pisau ada tiga macam untuk mendapatkan jari-jari pemotongan yang sama dengan sudut pemasangan yang berbeda, yaitu 75 mm, 78 rnm dan 94 mm. Gambar mata pisau yang digunakan dalam pengujian dapat dilihat pada Lampiran 2.
3. Instrumen pengukuran dan perekaman data yang terdiri dari: a. Sensor regangan (strain gage) (Kyowa, KFG-1-120-D16-11N15C2). b. Slip ring (Michgan scientific, S4), berfungsi sebagai terminal antara kabel
dari strain gage dan kabel penghubung ke bridge box.
20 c. Bridge box (Kyowa, DB-120), untuk menghubungkan kabel dari strain gage dengan strain amplifier. d. Strain amplrfier (Kyowa, DPM403A), berfungsi untuk merubah regangan dari strain gage menjadi tegangan. e. Interface (Analog Digital Converter), untuk mengubah data analog yang dihasilkan strain amplifier menjadi data digital.
f. Handy strain meter (Kyowa, UCAM-1A) untuk mengukur regangan. g. Komputer
(NEC,
PC-9801)
untuk
menganalisis data hasil pengukuran.
menampilkan, menyimpan
.
dan .
.
4. Alat-alat bank lain seperti multimeter, stop watch, tacl?ometer (Shimpo, DT-
205B), dan lain-lain. Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian adalah sebagai berikut. 1. Rumput bermuda (Cynodon dactylon) varietas tzfway. Rumput ditanam secara
sodding pada kotak kayu berisi pasir dengan ukuran 1400 mm x 6 0 0 x~100
mm. Untuk memperoleh kondisi tanaman yang seragam, sebelum pengujian dilakukan pemupukan, pernotongan, penyiangan dan top dressing pada m p u t yang ditanam. Rumput yang digunakan untuk pengujian dapat dilihat pada Lampiran 1.
2. Disket untuk merekamdata.
. Tahapan Penelitian
Penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahap, seperti pada Gambar 8.
1. 2. 3. 4.
ANALlSlS TORSI PEMOTONGAN : LINTASAN PEMOTONGAN PANJANG PlSAU YANG MEMOTONG PANJANG EFEKTIF PEMOTONGAN TORSl PEMOTONGAN
TORSI PEMOTONGAN
PENANAMAN DAN P E M E L I H A M N RUMPUT
ANALlSlS DATA
Gambar 8. Tahapan kegiatan penelitian. Analisis Torsi Pemotongan Dalam analisis torsi pemotongan, digunakan beberapa asumsi sebagai berikut: 1. Kecepatan putar pemotongan konstan.
2. Kecepatan maju pemotongan konstan. 3. Jarak tanam antara rumput satu dengan yang lain sama
4. Diameter batang dan kadar air rumput seragam.
5. Pemotongan dilakukan pada hamparan rumput yang datar clengan ketinfoi~n
sarna.
22
Secara urnum mekanisme pemotongan rumput dengan menggunakan pisau rotari seperti terlihat pada Gambar 9. Dalam penelitian ini, karena tinggi pemotongan
(h) sangat kecil, kurang lebih 2,5 sampai 3 cm, defleksi batang pada saat pemotongan dapat diabaikan.
(a) Tampak atas
Rumput y&g sudah dipotong
Rwnput yang belwn dipotong
(b) Tampak samping F, N
T n v il R h" h
= gaya pemotongan
=gayanormd = gaya tangensid = kecepatan putar pisau = kecepatan maju pemotougan = sudut pemasangan pisau = jari-jari pernotongan =tin@ m p u t = tinggi pemotongan Gambar 9. Mekanisme pemotongan rumput dengan pisau rotari.
23 Gambar
9
menunjukkan
mekanisme
pemotongan
runput
dengan
menggunakan pisau rotari dan beberapa parameter penting, yaitu kecepatan putar pemotongan (n), kecepatan maju pemotongan (v), sudut pemasangan pisau
(A)dan
jan-jan pemotongan (R). Dalam penelitian ini, analisis torsi pemotongan nunput didekati dengan persamaan mum torsi dan persamaan umum pemotongan seperti pada persamaan (3) dan (4).
TP = F,R,
F, = ~cos(;l)+T sin@) di mana: T, F,
&,
.torsi pemotongan (Nm) gayapemotongan (N) = jarak titik kej a Fp ke pusat putaran (m) = =
Pemotongan rumput dengan pisau rotari dilakukan secarafiee cutting. Pada free cutting, karena pemotongan dilakukan pada benda yang tipis, menggunakan mata
.
pisau yang tajam dengan kecepatan tinggi, sehingga gaya tangensial pemotongan dapat diabaikan. Hal ini sesuai dengan pemyataan Srivastava (1994) dan h a i l penelitian Dogherty dan Gale (1991). Srivastava (1994) menyatakan bahwa tidak ada pengaruh gesekan antara rumput dengan mata pisau pada rotary mower. Hasil penelitian Dogherty dan Gale (1991) menyatakan bahwa di atas kecepatan kntis (2530 ddetik), sudut pemasangan pisau (rake angle) tidak berpengaruh terhadap gaya spesifik pemotongan. Pada penelitian ini besamya hambatan spesifik pemotongan @) menggunakan nilai gaya spesifik pemotongan hasil penelitian Dogherty dan Gale (1991), sebesar 17,5 Nlmm (per diameter nunput), dengan arah gaya tegak lurus mata pisau. Berbeda
dengan Dogherty dan Gale yang men&ur
gaya pernotongan pada setiap satuan
rumput, dalarn penelitian ini pemotongan dilakukan pada hamparan m p u t (turf) sehingga panjang pernotongan, kerapatan dan diameter rurnput akan berpengaruh terhadap gaya pemotongan. Mekanisrne pernotongan pisau pemotong tipe rotari pada hamparan rumput diasurnsikan seperti terlihat pada Gambar 10.
LP
= panjang mata pisau yang memotong
j j '
=jar& antarrumput =jarak antammput yang terpotong 0' BJ) = diameter rumput = jari-jari torsi pemotongan = gaya pemotongan = gaya pernotongan tegak l m s jari-jari torsi = FpcosG
d, Re,
&
Fa,
Gambar 10. Asumsi mekanisme pemotongan rumput dengan pisau pemotong rumput tipe rotari. Pada gambar 10 besarnya sudut 6 dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan (5). Berdasarkan persarnaan (5) dapat ditentukan gaya pernotongan yang tegak lurus jari-jari torsi (persamaan 6).
di mana : p Len ;1
=
= =
hambatan spesifik pemotongan (Nlm) panjang efektif pemotongan (m) sudut pemasangan pisau
Penelitian Dogherty dan Gale dilakukan pada tanaman rumput ryegrass dengan diameter rata-rata 2,61 mm. Dalam penelitian ini digunakan rumput qnodon
dactylon dengan diameter rata-rata yang berbeda, sehingga dalam analisis besamya gaya spesifik pemotongan diekuivalenkan dengan diameter rata-rata rumput yang digunakan. Persamaan ekuivalen gaya spesifik pemotongan rumput seperti terlihat pada persamaan (7).
dengan : d,
= diameter rumput
yang dipotong (mm)
Panjang efektif pemotongan (LeTr)adalah panjang mata pisau yang benar-benar memotong rumput. Pada pemotongan benda secara umum, panjang efektif pemotongan adalah panjang mata pisau yang memotong. Hal ini berbeda dengan pemotongan rumput karena tanaman rumput tidak tersusun secara rapat dan padat tetapi ada rongga atau jarak antara tanaman rumput satu dengan yang lain. Akibatnya,
26
pada setiap saat tidak semua bagian sepanjang mata pisau melakukan proses pemotongan. Panjang mata pisau yang benar-benar memotong rumput d i p e n g d i oleh kerapatan atau jarak a n t a m p u t dan diameter rumput (Gambar 10). Panjang efektif pemotongan pada pisau rotari adalah jumlah rumput yang terpotong. Jumlah, rumput yang terpotong didekati dengan perbandingan antara panjang mata pisau yang memotong, diameter rumput dan jarak antarrumput. Panjang pisau yang memotong (L,) pada pisau pemotong rumput tipe rotari dipengaruhi oleh kecepatan putar, kecepatan maju, jari-jari pemotongan, jumlah dan sudut pemasangan pisau. Besarnya Lp berubah setiap saat mengikuti pola lintasan pemotongannya. Dalam penelitian ini besarnya L,
didekati dengan analisis
kinematika mekanisme pemotongannya. Analisis kinematika mekanisme pemotongan pada pisau pemotong rumput tipe rotari dilakukan dengan pendekatan pola lintasan pemotongannya yang merupakan gerak relatif benda berputar berbentuk locus trochoidal (persamaan (1)
dan (2)). Dari analisis akan diperoleh pola lintasan pemotongan pisau rotari yang yang merupakan fungsi dari waktu (t), kecepatan putar pisau (n), kecepatan maju jari-jari pemotongan (R), jumlah pisau (k) dan sudut ~ e m a s a n ~ a n pemotongan (i), pisau
(A).Berdasar pola lintasan ini dapat ditentukan forrnulasi panjang mata pisau
yang memotong setiap saat (L,,). Panjang mata pisau yang memotong setiap saat ini chgunakan untuk memprediksi torsi pemotongan. Diameter rumput (d,) dapat diperoleh dari pengukuran langsung diameter rata-
rata rumput yang dipotong. Pengukuran dilakukan setiap pengujian setelah m p u t
27
dipotong. Diameter rumput yang diukur adalah diameter pangkal batang rumput yang terpotong. Pengukuran dilakukan dengan menggunakan jangka sorong. Jarak antarmmput dapat diukur langsung atau ditentukan berdasarkan kerapatan rumput yang dipotong. Dalam analisis ini yang dimaksud jarak antarmmput adalah jarak titik pusat batang rumput satu dengan yang lain. Jarak antar rumput dtentukan dari kerapatan rumput yang dipotong. Pengukuran kerapatan rumput dilakukan dengan men&tung jumlah batang rumput yang terpotong pada tiap luas ( 5 x 5 ) cm2.Pengukuran dilakukan setiap pengujian setelah rumput dipotong.
Berdasarkan kerapatan nunput, diasumsikan bahwa rumput tersusun dengan jarak yang sama secara horisontal maupun vertikal (j) seperti pada Gambar 11. Dengan asumsi susunan rumput seperti pada Gambar 11, jarak antarmmput dapat didekati dengan menggunakan persamaan (8).
Gambar 11. Asumsi susunan tanaman rumput dengan kerapatan 4 batang/cm2
di mana: j
=jar& antarnunput (m) d, = kerapatan rumput (batang/m2)
Panjang efektif pemotongan ditentukan dengan menggunakan persamaan 8. Dalam analisis jarak antarmmput yang terpotong G ') diasumsikan sama dengan jarak antarmmput secara vertical atau horizontal G) (Gambar 10). Pendekatan panjang efektif pemotongan seperti pada persamaan 9.
di mana:
4
= panjang mata pisau yang memotong (m)
Di samping berpengaruh terhadap panjang efektif pemotongan, jarak antarrumput juga berpengaruh terhadap jari-jari torsi pernotongan. Pada saat terjadi pemotongan rumput, ada beberapa jari-jari torsi pemotongan, sesuai dengan jumlah rumput yang terpotong. Jari-jari torsi pernotongan dinyatakan sebagai jarak antara pusat p r o s dengan posisi resultan gaya, yang selanjutnya dinyatakan sebagai jari-jari ekuivalen (&,). Jan-jari ekuivalen (&,) ditentukan berdasarkan sudut pemasangan
.
pisau, jari-jari pemotongan dan panjang mata pisau yang memotong, seperti terlihat pads persamaan (10).
Berdasarkan persamaan (6), (7), (9) dan (10) dapat ditentukan besamya torsi pemotongan (T,) seperti terlihat pada persamaan (11). Model matematika torsi pemotongan ditentukan berdasarkan persamaan (11).
Model matematika yang diperoleh disimulasikan dengan parameter peubah kecepatan putar pisau, jumlah dan sudut pemasangan pisau.
Sistem Pengukuran dan Perekaman Data Model matematik untuk men&tung torsi pemotongan yang diperoleh dari analisis selanjutnya divalidasi dengan torsi pemotongan rumput hasil pengukwan. Untuk pengukuran torsi pemotongan, dibuat suatu instrumen khusus berupa apparatus ..*'
uji pemotongan rumput ( t u f bin test apparatus) lengkap dengan sensor torsi pemotongan dan sistem perekaman data, seperti terlihat pada Gambar 12. Aparatus uji pemotong rumput ini khusus dibuat untuk memenuhi kriteria pemotongan dm mendekati asumsi-asumsi yang telah ditetapkan, yang sulit dipenuhi
jika pengujian dilakukan di lapangan. Dalam apparatus uji ini digunakan dua buah motor listnk, satu untuk menggerakkan pisau pemotong dan satu untuk menggerakkan rumput. Hal ini dilakukan untuk mendapatkan kecepatan putar dan kecepatan maju pemotongan yang mendekati konstan. Pada saat pemotongan akan tejadi perubahan torsi pada p r o s pemutar pisau sebagai &bat gaya reaksi yang diberikan rumput terhadap pisau. Perubahan torsi ini akan menyebabkan tejadi perubahan regangan pada pros. Untuk mengindera perubahan regangan tersebut, pada poros pisau dipasang transducer torsi berupa dua buah strain gages tipe silang yimg dipasang membentuk circuit wheatstone bridge seperti pada Gambar 13.
Sirair1 amplifier
--+
Komputer
Bridge box
Trar~sdrrcertorsi
..
. ..
. . .. . ..... . .....,.,, .. .. ... ... . ......... ............ ............ . ................ ...
,,.,.,> ..:, , , , .K:: , :.:.:.: , , ,, ,, ,., , ..,, , ,, , , , , , , , , ;i:::i:::::i:i: ::ljllll::il:l::l:~j/ijijjiiijiiiiiiiIiiiiiijiijij~'I~,i.:ji.:jiii:~iij/Bi!~'7,i~j1iiij;:iiiiiiijjili;~ijli~:~~,~~~~~~~:~.i~::~,:~:;;:~~~:~~jiii:;~!<1:~~<::j~; i:! ,: , , , $,, , : ~ , i / / / j ~ / : , / ~ / / j / j / j ~ / j j / / j / / : ; j ; / ~ ~ j * ~ : j ~ , ~ ~ j> ~ ;; j j: : j : ; ; : : , ,' ,,,,,,,,,,,,,,,, ', ,' ,, ,',,,,,,,, ::iiii::::ii:::;:::::;::::::::::::::::~:;~~:::,::::.:::~;;;;;;;;;;:;::;:;~~~~~;;:.~:;::;~<:<:?<~i1!.~!~~.::>~::::.~~:::.:: .:::::.:::.:.:,.:.:
...
Giunbar 12. Bagan skelnatik pengukuan torsi pernotongan.
Gambar 13. Posisi clan pemasangan strain gages pada poros pemutar pisau Sebelum pengukuran, dilakukan kalibrasi iransducer untuk mendapatkan hubungan antara nilai tegangan keluaran dari strain amplrfier dengan besamya torsi nilai tegangan hasil pengukuran dikonversi ke dalam satuan yang tejadi. ~'elanjutn~a torsi dengan menggunakan persamaan h a i l kalibrasi. Metode kalibrasi seperti terlihat pada Gambar 14.
.
,
Strait1 amplifier
Slip ring
Poros Multimeter Lengan beban
Penjepit poros
I
+ Beban
+
Poros
Gambar 14. Metode kalibrasi transducer torsi. Kondisi instrumen uji pada saat pengukuran adalah kotak rumput mletakkan di atas re1 penggerak. Kabel dari slip range disambungkan ke bridge box, dari bridge box ke strain amplifier, ke interface (ADC) danpersonal computer (Garnbar 12) Dalam pengujian ini yang akan diukur adalah besamya torsi pernotongan rumput, tanpa rnernperhitungkan besamya torsi yang tejadi ahbat gesekan antara pisau dengan rumput yang terpotong. Oleh karena itu pengarnbilan data dilakukan dua kali untuk mendapatkan data torsi pada saat tejadi pernotongan dan data torsi setelah pernotongan (gesekan antara pisau dengan rumput yang sudah terpotong). Torsi pernotongan adalah selisih antara torsi pada saat pernotongan dengan torsi yang tejadi akibat gesekan antara pisau dengan rumput.
Dalam pengujian dilakukan perekaman data dengan frekuensi sampling data 200 Hz, selama 15 detik. Perekaman data dimulai pada saat motor penggerak pisau dinyalakan. Motor penggerak rumput dinyalakan f 5 detik setelah motor penggerak pisau dnyalakan. Hal ini dimaksudkan supaya pada saat terjadi pemotongan rumput, kecepatan pisau sudah stabil. Setelah pemotongan, pengambilan data dilakukan sekali lagi untuk mendapatkan data torsi gesekan antara pisau dengan rumput. Pernotongan dilakukan pada kecepatan maju yang sama sebesar 0,5 mldetik, dengan variasi parameter lainnya sebagai berikut. 1. Jumlah pisau (k) a. 2 pisau b. 4 pisau 2. Kecepatan putar (n) a. 1812rpm b. 2264 rpm c. 2573 rpm 3. Sudut pemasangan pisau (A)
a. 0' b. 10" c. 20"
Analisis Data Data hasil pengukuran ada dua rnacarn yaitu tegangan pada saat pernotongan rumput dan setelah pernotongan (gesekan pisau dengan rurnput). Data tegangan keluaran yang rnerupakan tegangan pernotongan adalah selisih antara tegangan pada saat pernotongan rumput dengan tegangan pada saat tejadi gesekan antara pisau dengan rumput, seperti pada persarnaan (12).
di rnana: V, V, V,
= = =
tegangan pernotongan (volt) tegangan pada saat terjadi pernotongan rumput (volt) tegangan pada saat tejadi gesekan pisau dengan rumput setelah pernotongan (volt)
Tegangan pernotongan dikonversi ke satuan torsi dengan mensubstitusikan ke
dalam persarnaan hasil kalibrasi seperti pada persamaan (13).
di mana: T,
vp
a b
= = =
=
torsi pernotongan (N rn) tegangan pernotongan (volt) konstanta dari hasil kalibrasi transducer torsi konstanta dari hasil kalibrasi transducer torsi
Selanjutnya torsi pernotongan hasil pengukman dibadingkan dengan torsi pernotongan hasil simulasi untuk validasi model matematik yang diperoleh dari analisis.
