METODE PENELITIAN Waktu dan Tempat Penelitian Penelitian dilakukan pada bulan Januari 2010 sampai dengan bulan Agustus 2010. Tempat penelitian dilaksanakan dibeberapa tempat sebagai berikut. 1) Laboratorium Teknik Mesin Budidaya Pertanian Departemen Teknik Mesin dan Biosistem Fateta IPB untuk kegiatan desain unit pencacah dari mesin pencacah tebu, pengukuran sifat dan mekanik serasah tebu. Sifat fisik : dimensi (panjang, lebar, tebal), kadar air, kerapatan isi (bulk density) dan berat. Sifat mekanik : perlakuan pemadatan terhadap kerapatan isi (bulk density) serasah tebu. Pengujian torsi pemotongan untuk beberapa variasi kecepatan putar, dan tingkat kepadatan serasah tebu pada sudut pemotongan 3o. 2) Bengkel Departemen Teknik Mesin dan Biosistem Fateta IPB untuk kegiatan rancang bangun unit pencacah dari mesin pencacah dan pengangkut serasah tebu dan desain peralatan pengujian. 3) Perkebunan Tebu PG Subang Jawa Barat untuk kegiatan survey kondisi lahan, pengukuran kerapatan isi (bulk density), pengukuran profil guludan lahan, pengambilan sampel serasah tebu, pucuk dan batang tebu.
Alat dan Bahan Alat – alat yang digunakan pada penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Alat Konstruksi : mesin bubut, mesin bor, mesin gerinda, mesin gergaji, las listrik, tabung oksigen, (rancang bangun unit pencacah dari pencacah serasah tebu). 2. Alat Ukur : tachometer digital (Krisbow KW06-303), brigde box (Kyowa, DB-120), handy strain meter, (Kyowa, UCAM-1A), multimeter digital (Masda, DT830B), slip ring (Michigan scientific, S10 SN2866), strain gauge tipe silang (Kyowa,KGF-6-120-D16), dynamic strain amplifier (DPM 601A), software analog to digital converter (ADC), stop watch, seperangkat komputer (NEC PC 980 UV), timbangan analog, timbangan digital (Libror EC-600), oven (Memmert D 06059 model 300).
19
3. Alat Pendukung : solder, timah, kamera digital, motor diesel, tool kit, caliver. Bahan yang digunakan adalah daun tebu, pucuk tebu dan batang tebu yang diambil langsung dari perkebunan tebu subang. Tahapan Penelitian Penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahapan sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 20. Mulai Pengukuran karakteristik fisik serasah tebu (dimensi: panjang, lebar, berat ; kadar air, bulk density,elastisitas,) dan pengukuran profil guludan pada lahan Analisis rancangan unit pencacah pada mesin pengangkat dan pencacah serasah tebu : rancangan silinder pisau pencacah, rancangan silinder penjepit, rancangan sistem transmisi, desain konstruksi dan mekanisme kerja
Pembuatan prototipe mesin pencacah serasah tebu
Uji fungsional mesin pencacah serasah tebu Kalibrasi torsi pemotongan
Pengujian torsi pada silinder pencacah dan silinder penjepit dengan sudut pemotongan 30
Pengukuran torsi dengan berbagai variasi kepadatan serasah (8,16,24,32) kg/m3
Pengukuran torsi dengan berbagai variasi kecepatan putar silinder pemotong (400 ,450, 500, 550 rpm)
Akusisi Dan Pengolahan data
Pengukuran Panjang Potongan serasah
Selesai Gambar 20 Bagan alir dari tahapan penelitian kajian pemotongan sersah tebu dengan menggunakan pisau tipe reel. 20
Pengukuran Karakteristik Fisik Serasah Tebu Pengukuran karekteristik fisik tebu yang dilakukan terdiri dari dimensi serasah tebu, bulk density, kadar air, elastisitas dan profil guludan pada lahan tebu seperti yang disajikan pada Tabel 1. Data-data pengukuran tersebut sangat penting terutama dalam menganalisis desain unit pencacah dari mesin pencacah serasah tebu. Tabel 1 Pengukuran karakteristik fisik dan mekanik serasah tebu. Sifat Fisik
Parameter dan cara pengukuran
1
Dimensi Serasah Tebu
Daun tebu : Panjang, lebar, ketebalan (cm), berat (gram) Pucuk tebu : Panjang, lebar, ketebalan (cm), berat (gram) Alat yang digunakan: meteran, jangka sorong, timbangan
2
Bulk Density
Berat serasah tebu di lapangan = Alat yang digunakan patok, meteran dan timbangan gantung
3
Kadar air
4
Elastisitas
5
Profil guludan lahan tebu
Pengukuran berat daun, batang dan pucuk dengan menggunakan timbangan digital. Kadar air diukur dengan metode gravimetri KA % = W basah – W kering x 100 W kering Kadar air yang dihutung adalah kadar air basis kering • Pengukuran ketebalan serasah sebelum diberi tekanan (cm) • Pengukuran ketebalan serasah setelah diberi tekanan (cm) • Penentuan beban tekan dan luas penampang (kg) • Koefisien elastisitas (kg/cm) • Ratio elastisitas (sebelum dan sesudah diberi tekanan) • Lebar guludan (cm) • Jarak antar tanaman (cm) • Tinggi guludan (cm)
Adapun metode yang digunakan dalam pengukuran karakteristik serasah tebu adalah dengan cara melakukan pengukuran langsung dengan alat ukur yaitu mistar, jangka sorong dan timbangan digital. Jumlah data yang diukur untuk daun dan pucuk tebu adalah 100 data.
21
Pengukuran kerapatan isi (bulk density) serasah tebu dilakukan langsung di lahan tebu. Hal ini dilakukan untuk mengetahui kondisi lahan sebenarnya karena desain mesin serasah tebu akan diaplikasikan pada lahan tebu. Pengambilan sampel tumpukan serasah dilakukan pada luasan 2 x 2 meter secara acak. Alat yang digunakan adalah patok, meteran dan timbangan gantung. Kadar air serasah tebu berfungsi untuk mengetahui kandungan air yang terdapat pada serasah setelah pemanenan. Varietas tanaman tebu yang digunakan adalah PS 865 langsung diambil di perkebunan tebu – PG Subang 1 minggu setelah panen. Metode pengukuran kadar air bahan dilakukan dengan cara metode gravimetrik yaitu dengan menimbang berat bahan serasah berupa daun, pucuk dan tebu setelah pemanenan, setelah ditimbang selanjutnya bahan tersebut dimasukkan kedalam oven denganm suhu 100oC lalu ditimbang ulang. Elastisitas dilakukan dengan cara menekan serasah tebu dengan beban hingga ketinggian tertentu beban yang diberikan adalah 80 kg dan 50 kg dengan luas penampang 448 cm2 sebanyak 20 kali. Pengukuran ketinggian serasah sebelum dan sesudah ditekan di catat sehingga rasio perbandingan pemadatan dapat diperoleh. Pengukuran profil guludan di lahan sangat diperlukan untuk menentukan dimensi dari rancangan mesin yang akan dibuat. Adapun alat yang digunakan pada saat pengukuran di lahan adalah relief meter, water pas dan penggaris. Mekanisme pengukuran dilakukan dengan cara memasang relief meter pada lahan guludan tebu yang dilengkapi dengan water pas dengan tujuan agar posisi relief meter dalam posisi lurus seimbang. Setelah mendapatkan posisi lurus dan seimbang langkah selanjutnya lebar guludan, ketinggian guludan dan jarak antar tanaman diukur menggunakan penggaris. Pengukuran Kalibrasi Strain - Torsi Kalibrasi strain – torsi dilakukan sebelum pengukuruan torsi pemotongan dengan tujuan untuk mendapatkan persamaan regresi yang menghubungkan antara strain dengan torsi. Alat ukur yang digunakan pada kalibrasi ini adalah strain gauge, brigde box, timbangan, beban, handy strain meter. Untuk mengindera perubahan strain tersebut, pada poros pisau dipasang strain gauge tipe silang yang dipasang membentuk sirkuit jembatan Wheatstone.
22
Adapun skema pemasangan sensor strain gauge dan alat ukur yang lainnya untuk kalibrasi strain torsi dapat disajikan pada Gambar 21. Lengan beban Silinder pencacah
Handy strain Poros pencacah
Strain gauge
Brigde box
Bantalan
Rg 1
Pisau Pencacah
A B
Rg2
C B
C A
Tampak Atas
Beban Lengan beban Penjepit
Poros pencacah
Tampak Samping Gambar 21 Skema pengukuran kalibrasi strain – torsi. Pengukuran kalibrasi strain - torsi dilakukan pada dua titik pengukuran yaitu pada poros pisau pencacah dan poros penjepit (Gambar 22). Sensor strain
23
gauge dipasang pada kedua poros tersebut yang berfungsi untuk mengindra regangan yang terjadi pada saat proses puntiran dilakukan. Lengan beban dipasang tegak lurus pada setiap poros dengan panjang 1 meter yang ujungnya diberi beban. Pada saat beban diberikan regangan yang terjadi dibaca menggunakan alat handy strain meter.
Strain gauge pada poros penjepit
Lengan beban
Strain gauge pada poros pisau
Gambar 22 Pengukuran kalibrasi strain - torsi. Ukuran beban yang digantung pada ujung lengan beban dilakukan secara bertahap dari nilai yang terkecil hingga yang paling besar dan sebaliknya. Panjang lengan beban yang dirancang adalah 1 m sedangkan beban yang diberikan adalah 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20 kg. Setiap pemberian beban dibaca besarnya strain pada alat ukur handy strain meter (Gambar 23).
Handy Strain
Beban
Gambar 23 Pembacaan strain pada saat diberi beban.
24
Instrumen dan Perlengkapan Pengukur Torsi Pemilihan instrumen dan perlengkapan pada pengukur torsi pemotongan merupakan langkah awal yang harus dilakukan sebelum melakukan pengukuran torsi pemotongan ataupun kalibrasi sensor. Adapun instrumen dan perlengkapan yang digunakan untuk mengukur torsi pemotongan adalah sebagai berikut : 1. Strain Gauge tipe silang berfungsi untuk mengindera perubahan regangan pada poros pencacah dan penjepit. 2. Slip ring yang berfungsi untuk meneruskan tegangan dari sensor strain gauge yang menuju brigde box. 3. Brigde box yang berfungsi untuk meneruskan tegangan dari strain gauge menuju strain amplifier. 4. Strain amplifier yang berfungsi untuk menaikkan tegangan sehingga bisa dibaca pada analog to digital converter (ADC). 5. Analog to digital converter (ADC) berfungsi untuk membaca tegangan analog menjadi digital. 6. Tachometer untuk mengukur kecepatan putar pada poros pencacah dan poros penjepit. 7. Komputer berfungsi untuk menampilkan grafik tegangan pada saat pencacahan berlansung. 8. Timbangan untuk menimbang berat serasah. 9. Multimeter dalam penelitian ini hanya untuk mengukur tegangan. 10. Alat uji berupa satu unit pencacah serasah tebu yang berfungsi untuk mencacah serasah tebu hingga potongan kecil . 11. Bak pemadatan yang berfungsi sebagai landasan serasah tebu dan memadatkan serasah tebu. Instrumen dan perlengkapan pengukur torsi tersebut kemudian dipasang pada alat uji unit pencacah yang dilengkapi dengan bak pemadatan. Setelah itu mempersiapkan bahan serasah yang akan diuji. Adapun skema pemasangan alat ukur untuk pengukuran torsi pemotongan seperti yang disajikan pada Gambar 24.
25
Pendorong serasah Komputer
ADC Bak pemadatan Gear box Dynamic Strain Amplifier
Strain gauge
Silinder penjepit
Slip ring
Brigde box Puli Belt
Silinder pencacah
Mesin diesel
Gambar 24 Skema pengujian torsi pemotongan serasah tebu. Pengkuran Kalibrasi Strain – Tegangan Kalibrasi strain – tegangan dilakukan untuk memperoleh persamaan regresi yang menghubungkan antara strain dengan tegangan. Pemasangan alat ukur untuk kalibrasi ini adalah strain gauge, dynamic strain amplifier, brigde box, slip ring, software analog to digital converter (ADC) dan 1 unit komputer (Gambar 25). Pengukuran kalibrasi ini dilakukan sebelum pengujian berlangsung. Variasi beban diperoleh dengan mengatur beban strain pada dynamic strain amplifier dengan berbagai nilai strain. Nilai beban strain yang diberikan adalah 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450 dan 500 με. Setiap kali pemberian beban strain dibaca keluaran tegangan pada komputer.
26
Strain Amplifier
Alat uji
Komputer
Gambar 25 Pengukuran kalibrasi strain – tegangan. Pengukuran Torsi Parameter yang diukur dalam pengujian adalah perubahan torsi akibat pemotongan. Pengukuran torsi pemotongan dilakukan dengan cara memotong serasah tebu yang masuk ke dalam mesin pencacah serasah tebu lalu sensor strain gauge akan mengindera regangan yang terjadi. Alat ukur yang digunakan dalam pengujian torsi pemotongan adalah strain gauge, dynamic strain amplifier, brigde box, slip ring, software analog to digital converter (ADC), stabilizer, tachometer, stopwatch, 1 unit komputer, alat uji berupa unit pencacah dan bak pemadatan. Bak pemadatan dirancang dengan ukuran panjang 1.2 m, lebar 60 cm dan tinggi 10 cm yang berfungsi untuk memasukkan serasah tebu yang akan dicacah Ukurun tersebut dirancang untuk memperoleh kecepatan umpan 0.3 m/s dan kerapatan isi serasah tebu yang dapat ditekan hingga ketebalan 10 cm sesuai dengan jarak silinder penjepit (Gambar 26).
Bak pemadatan
Gambar 26 Bak pemadatan.
27
Slip ring dipasang pada ujung poros pencacah dan poros penjepit yang berfungsi untuk meneruskan sinyal listrik dari sensor strain gauge menuju brigde box ketika pengujian berlangsung (Gambar 27). Agar kabel listrik tidak melilit pada poros yang sedang berputar maka sepanjang poros dibuat alur dengan cara membubut poros dengan kedalaman tertentu. Sinyal yang telah diterima oleh brigde box selanjutnya diteruskan ke dynamic strain amplifier. Alat ukur ini berfungsi untuk membesarkan atau menguatkan sinyal dari sensor yang relative masih kecil. Untuk dapat dibaca di komputer maka dibutuhkan suatu software analog to digital converter (ADC) yang berfungsi untuk merubah data analog ke digital.
Slip ring
Gambar 27 Posisi slip ring pada poros pencacah dan poros penjepit. Setelah alat ukur terpasang seluruhnya pada alat uji, langkah awal adalah melakukan kalibrasi strain - tegangan dengan tujuan agar alat ukur dapat berfungsi dengan baik. Kalibrasi strain – tegangan selalu dilakukan setiap kali akan melakukan pengujian. Pengujian dimulai dengan mempersiapkan serasah tebu yang akan dicacah selanjutnya menghidupkan mesin diesel. Kecepatan putar dari mesin diesel direduksi dengan rasio 1 : 4 dengan menggunakan belt dan puli agar diperoleh kecepatan putar poros pencacah yang diinginkan. Adapun variasi kecepatan putar pada saat pengujian adalah 400, 450, 500, 550 rpm dengan sudut pemotongan pisau 3o. Mengingat serasah tebu bersifat bulky, serasah dapat dipadatkan hingga 4 kali dengan variasi kepadatan dibuat 4 perlakuan yaitu 8, 16, 24, 32 kg/m3. Nilai tersebut diambil dengan dasar kapasitas lapang hasil perhitungan adalah 1.9 ton/ jam yang bisa dipadatkan hingga 4 kalinya. Pada saat 28
alat uji mulai beroperasi kecepatan putar pada poros pencacah diukur dengan menggunakan tachometer langkah selanjutnya adalah memasukkan serasah tebu yang telah dipersiapkan ke dalam bak pemadatan. Mekanisme pengumpanan dilakukan secara manual yaitu dengan cara mendorong serasah tebu dengan menggunakan alat pendorong agar masuk pada silinder penjepit. Waktu yang dibutuhkan untuk mendorong serasah tebu adalah 4 detik dengan jarak tempuh adalah 1.2 m sehingga kecepatan maju serasah pada pengumpanan adalah 0.3 m/s. Pengujian ini dilakukan dengan ulangan sebanyak 2 kali. Persamaan Torsi Terukur Kalibrasi strain – torsi dan kalibrasi strain – tegangan masing – masing akan menghasilkan suatu persamaan regresi. Persamaan strain - tegangan yang diperoleh kemudian disubsitusi ke dalam persamaan strain - torsi sehingga diperoleh persamaan torsi terukur. Akusisi dan Pengolahan Data Akusisi data dilakukan sebelum pengujian berlangsung. Adapun dasar dalam penentuan sampling data adalah kecepatan putar yang akan digunakan. Kecepatan putar yang digunakan pada saat pengujian adalah 500 rpm dengan jumlah pisau sebanyak 8 buah sehingga jumlah pemotongan setiap menitnya adalah 500 x 8 = 4000 pemotongan/menit atau 66 pemotongan/detik. Frekuensi sampling yang diperlukan jika 1 siklus diambil data sebanyak 5 kali adalah 5 x 66 = 333 Hertz. Frekuensi yang disetting pada software analog to digital converter (ADC) yang digunakan adalah 500 Hertz. Nilai tersebut dipilih karena mendekati nilai frekuensi hasil perhitungan. Adapun periode sampling untuk setiap data yang terekam adalah T = 1/f = 1/500 = 2 ms (milli second). Skala tegangan yang digunakan pada saat pengujian adalah 10 V dalam bentuk + 5 dan -5 V. Data pengukuran terdiri dari 2 jenis yaitu data tegangan tanpa beban dan data tegangan dengan beban yang dilakukan pada 2 titik sensor yaitu pada poros pencacah dan poros penjepit. Hasil data pengukuran kemudian direkam oleh komputer untuk keperluan analisis data. Data hasil pengukuran selanjutnya diolah untuk memperoleh grafik torsi pemotongan. Adapun cara pengolahan data hasil pengukuran adalah mencari standar deviasi, tegangan maksimum, tegangan minimum, rata – rata tegangan
29
sebelum pembebanan, rata – rata tegangan setelah pembebanan dan rata – rata tegangan pemotongan (Lampiran 5). Voltase pemotongan (V p ) yang digunakan untuk torsi adalah voltase pemotongan yang diperoleh dari persamaan berikut : V p = V b – V tb .....................................................................................(4) di mana : Vp
= voltase pemotongan (V)
Vb
= voltase dengan beban (V)
V tb
= voltase tanpa beban (V)
Torsi pemotongan diperoleh dengan mensubsitusikan V p ke persamaan yang diperoleh dari hasil kalibrasi. T = V p . d . b…………………………………………………….….(5) di mana : T = torsi terukur (kg.m) V p = voltase pemotongan (V) d = gradien kurva hasil kalibrasi strain - tegangan (με/V) b = gradien kurva hasil kalibrasi strain – torsi (kg.m/ με) Hasil dari akusisi dan pengolahan data pengukuran kemudian dianalisis untuk memperoleh hubungan torsi pemotongan terhadap tingkat kepadatan serasah dengan berbagai kecepatan putar unit pencacah, hubungan antara daya pemotongan dengan tingkat kepadatan dengan berbagai kecepatan putar yang terjadi untuk setiap perlakuan dan panjang serasah tebu hasil cacahan. Pengukuran Kapasitas Kapasitas mesin dilakukan sebanyak 4 kali sesuai dengan tingkat kepadatan yaitu 8,12,24 dan 32 kg/m3. Untuk mendekati kecepatan umpan 0.3 m/s maka dirancang dimensi bak pemadatan dengan ukuran panjang 1.2 m, tinggi 0.1 m dan lebar 0.6 cm dengan waktu yang dibutuhkan untuk sekali pengumpanan adalah 4 detik. Berdasarkan hasil perhitungan (Lampiran 19) berat serasah yang diumpankan adalah 0.6 kg, 1.2 kg, 1.7 kg, 2.3 kg sehingga kapasitas teoritis untuk masing – masing pengumpanan adalah 540 kg/jam, 1.08 ton/jam, 1.53 ton/jam dan 2.07 ton/jam.
30
Pengukuran Panjang Potongan Hasil cacahan berupa serasah tebu yang telah terpotong kemudian diambil secara acak untuk setiap perlakuan. Adapun metode pengukuran yang dilakukan yaitu dengan cara mengukur langsung setiap panjang potongan hasil cacahan dengan menggunakan jangka sorong dan penggaris seperti yang disajikan pada Gambar 28.
Gambar 28 Pengukuran panjang hasil pemotongan serasah. Jumlah data yang diukur untuk setiap perlakuan adalah 30 potongan serasah tebu. Perlakuan pada saat pengujian adalah 16 perlakuan sehingga total data panjang serasah hasil pengukuran berjumlah 480 data. Data aktual panjang pemotongan kemudian dianalisis untuk setiap kecepatan putar yang berbeda dan dibandingkan dengan data perhitungan panjang pemotongan secara teoritis.
31
