21
METODE PENELITIAN Waktu dan Tempat Penelitian ini dilakukan pada bulan Nopember 2010 – September 2011. Perancangan dan pembuatan prototipe serta pengujian mesin kepras tebu dilakukan di Laboratorium Teknik Mesin Budidaya Pertanian Departemen Teknik Mesin dan Biosistem Fateta IPB. Tahapan Penelitian Penelitian dilakukan dengan tahapan seperti pada Gambar 18. Mulai
Identifikasi lahan setelah panen
Analisis desain dan pembuatan gambar teknik
Pengukuran karakteristik profil guludan
Uji Fungsional dan Uji Pendahuluan
Pembuatan Prototipe
Modifikasi Tidak
Baik Uji Kinerja di lapangan Jenis Pisau (jari-jari sama dan penambahan feed) Kecepatan maju (0.3 m s-1dan 0.5 m s-1) Kecepatan putar pisau (500 dan 850 rpm) Sudut pemotongan pisau (450 dan 600)
Pengukuran kalibrasi torsi (kg.m)-regangangan (με)
Pengukuran torsi berbagai kombinasi perlakuan
Analisis Hasil Pengujian
Selesai
Gambar 18 Bagan alir penelitian
Pengamatan hasil keprasan berbagai kombinasi perlakuan
22
Alat dan Bahan Alat yang digunakan meliputi : 1) peralatan untuk pembuatan prototipe adalah peralatan bengkel manufaktur untuk kontruksi dan 2) instrumen pengujian. Peralatan perbengkelan yang digunakan antara lain:
mesin gerinda potong
mesin las potong
mesin las listrik
gerinda tangan
mesin bubut
bor listrik
mesin frais
kunci-kunci
dan peralatan bengkel lainnya. Bahan yang digunakan dalam pembuatan kontruksi prototipe mesin kepras
tebu adalah :
besi UNP 100 mm x 50 mm tebal 5 mm
besi plat tebal 8 mm
besi as diameter 40 mm
Universal joint
mur dan baut
flens bearing
plat baja Instrumen dan peralatan yang digunakan untuk mengukur tenaga
pemotongan adalah:
tachometer digital ((Shimpo DT205B)
handy Strain meter (Kyowa, UCAM-1A)
torsimeter
kamera digital Instrumen dan peralatan yang digunakan untuk mengukur kondisi guludan
dan hasil pengeprasan adalah:
alat ukur panjang/meteran
relief meter
23
Instrumen dan peralatan yang digunakan untuk mengukur kecepatan maju pengeprasan dan slip roda adalah:
stop watch
patok kayu
meteran dan lain-lainnya. Pengujian di lapangan, prototipe mesin pengepras digandengkan dengan
traktor 4 roda yang memiliki poros PTO yang sesuai. Identifikasi Dan Analisis Masalah Untuk keperluan perancangan mesin pengepras dilakukan identifikasi : 1) kondisi guludan tanaman tebu setelah panen, 2) karakteristik traktor meliputi three hitch point dan PTO traktor, 3) bahan konstruksi dan bahan pisau. Karakteristik lahan tebu meliputi jarak antar alur tanam tebu, profil guludan, dan jumlah tebu perumpun dan tahanan penetrasi tanah. Peubah-peubah hasil identifikasi digunakan sebagai dasar perancangan mesin kepras tebu. Analisis Rancangan Untuk memenuhi fungsinya maka mesin pengepras dirancang untuk dapat memotong tunggul tebu dan digandengkan ke tiga titik gandeng traktor serta diputar oleh tenaga putar poros PTO. Selain mengepras, mesin ini juga harus dapat memotong perakaran tunggul tebu di kiri-kanan barisan tanaman tebu. Pemotongan tunggul dirancang menggunakan pisau pemotong tipe rotari. Adapun untuk pemotongan akar dirancang menggunakan piringan bercoak yang dipasang vertikal. Seluruh komponen dianalisis untuk mendapatkan bentuk dan ukuran yang optimum. Analisis yang dilakukan pada rancangan pisau pemotong adalah sebagai berikut. 1 Jumlah mata pisau diupayakan cukup banyak tetapi disesuaikan dengan tempat pegangan mata pisau yang tersedia pada piringan. 2 Jumlah mata pisau, kecepatan maju mesin dan kecepatan putar pisau pemotong dirancang dengan dasar pitch pemotongannya kecil agar tidak memecahkan tunggul tebu.
24
3 Kecepatan putar pisau diupayakan tinggi untuk mendapatkan pitch pemotongan yang kecil dan disesuaikan dengan kecepatan putar poros PTO (540 dan 850 rpm). Untuk analisis pisau pemotong telah dibuat skema mekanisme pemotongan seperti pada Gambar 19. Mata pisau dipasang pada plat piringan pemegang, di mana jari-jari mata pisau R=f(n,Ro,γ,θ), n adalah kecepatan putar pisau (rpm), Ro adalah diameter luar pisau (m)= AC, Ri=BC, R adalah jari-jari kelengkungan mata pisau arah radial (m) dan γ adalah sudut kemiringan piringan. Pergerakkan posisi mata pisau (x,y,z) dianalisis dengan persamaan berikut :
x v.t Ri sin(nt / 30). cos
(2)
y Ri(1 cos(nt / 30). sin
(3)
y Ri sin(nt / 30)
(4)
Arah putaran
A
y
B
B
R Mata pisau
C
x
z Lintasan pisau
Tebu
Gambar 19 Sketsa pisau pemotong.dan mekanisme pemotongan tunggul tebu (Radite et al 2010)
25
Perhitungan Feed dan Luas Pemotongan Feed (pitch) pemotongan dipengaruhi oleh beberapa faktor yakni kecepatan maju pemotongan (V), kecepataan putaran pisau (n), dan jumlah pisau pada piringan pemotong (k). Direncanakan jumlah pisau 8 buah. Secara matematis feed (f) dapat dituliskan dengan persamaan (5), dan luas pemotongan (Ap) dihitung dengan persamaan (6).
f
60v kn
(5)
Di mana f = feed pemotongan (m), v = kecepatan maju mesin (m s-1), k = jumlah pisau 8 buah dan n = kecepatan putaran pisau ( 500 rpm). Ap J t t f
(6)
Di mana Ap =luas pemotongan (m2), Jt = jumlah tebu yang dipotong (diasumsikan 3 buah), t = diameter tebu (diasumsikan 4 cm), maka hasil perhitungannya dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1 Perhitungan feed dan luas pemotongan dengan jumlah pisau 8 buah Kecepatan maju (m s-1) 0.3 0.3 0.5 0.5
Kecepatan putar (rpm) 500 850 500 850
Feed (cm) 0.450 0.265 0.750 0.441
Luas pemotongan (cm2) 5.400 3.176 9.000 5.294
Perhitungan Gaya, Torsi dan Daya Pemotongan Untuk menghitung gaya pemotongan digunakan persamaan (7), untuk menghitung torsi digunakan persamaan (8), dan menghitung daya digunakan persamaan (9). Hasil perhitungannya pada Tabel 2. Fr T p A p
(7)
Di mana Fr = gaya pemotongan (N) dan Tp = tahanan potong tebu (28 N cm-2) (Lisyanto 2007) T Fr R
(8)
Di mana T = torsi (Nm) dan R = jari-jari pisau 30 cm
P
T 2n 60
(9)
26
Di mana P = daya pemotongan (watt) Tabel 2 Perhitungan gaya pemotongan, torsi dan daya Kec. maju (m s-1) 0.3 0.3 0.5 0.5
Kec. putar (rpm) 500 850 500 850
Luas pemotongan (cm2) 5.400 3.176 9.000 5.294
Gaya pemotongan (N) 151.20 88.94 252.00 148.24
Torsi (Nm) 45.36 26.68 75.60 44.47
Daya (Watt) 2373.84 2373.84 3956.40 3956.40
Bila diperkirakan nilai efisiensi transmisi daya dari poros PTO traktor ke pisau pemotong (menggunakan poros teleskopis dan universal joint) sebesar 80%, maka diperlukan daya PTO sebesar 4.95 kWatt (6.64 Hp). Oleh karena itu mesin pengepras ini dapat digerakkan oleh PTO traktor roda 4 yang memiliki daya PTO diatas 6.64 Hp. Perhitungan Dimensi Pisau Untuk perencanaan ketebalan dan lebar mata pisau dapat dihitung dengan persamaan (10), (11) dan (12). Diasumsikan gaya pemotongan tebu (Fr) yang bekerja berlawanan arah putaran pisau 252 N (Gambar 20), panjang pisau dari penahan pisau sampai ujung pisau (l) 10 cm, dan lebar pisau (h) 6 cm yang disesuaikan dengan piringan pengikat pisau.
l
h
Fr Gambar 20 Gaya pemotongan berlawanan arah putaran pisau
a
a
M c I
Sf
(10)
M c I
(11)
27
karena I
b h3 , c 0.5h dan M Fr l , 12
maka
Sf
Fr l 0.5h 6( Fr l ) b h3 b h2 12
(12)
Karena telah ditentukan lebar pisau (h) = 6 cm dan faktor keamanan Sf = 4, maka ketebalan pisau dapat dihitung b
b
6( Fr l ) S f
h2 6( 252 N 0.1) 4 1029 10 6 N / m (0.06 ) 2
b 1.6 104 m 0.16 mm Selain gaya yang bekerja berlawanan arah putaran pisau, pada saat mesin bergerak maju, gaya (Fd) juga bekerja dari arah depan pisau (Gambar 21). Diasumsikan gaya (Fd) yang bekerja dari depan pisau pada saat mesin kepras maju 252 N, panjang pisau dari pengikat baut sampai ujung pisau (l) 13 cm dan sudut saat pemotongan 450, dan lebar pisau (b) 6 cm.
Arah maju mesin
13cm
Fd θ
h
Gambar 21 Gaya pemotongan dari arah depan pisau
Sf
Fr l 0.5h 6( Fr l ) b h3 b h2 12
Karena telah ditentukan lebar pisau (b) = 6 cm dan faktor keamanan (Sf) = 4, maka ketebalan pisau dapat dihitung
28
h h
6( Fd l sin 45o ) S f
b 6(252N 0.13 sin 45o m) 4 1029 106 N / m 0.06
h 3.29 10 3 m 3.29 mm Bila dimensi pisau memiliki lebar 6 cm
maka dari hasil perhitungan
diperkirakan tebal mata pisau ≥ 3.29 mm (diambil yang maksimal) dan diharapkan mata pisau tidak mudah patah atau getas saat menahan gaya yang bekerja pada saat memotong tebu dari samping dan depan ketika mesin kepras bergerak maju. Penentuan Bentuk Mata pisau Untuk menentukan bentuk ujung mata pisau dianalisis dengan simulasi excel agar diketahui lintasan pergerakkan mata pisau (Gambar 22). 0.35 0.3 0.25 0.2
f=0.0075 m
0.15 0.1 0.05 0 -0.35 -0.3 -0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 -0.1 -0.15 -0.2
f=0.0019 m
-0.25 -0.3 -0.35 ujung depan mata pisau 1
ujung belakang mata pisau 1
ujung depan mata pisau 2
ujung belakang mata pisau 2
Gambar 22 Simulasi pemotongan titik-titik ujung dua mata pisau
29
Hasil simulasi pergerakkan titik-titik ujung mata pisau yang berputar berlawanan arah jarum jam menghasilkan jarak dari ujung depan dan belakang satu mata pisau sebesar 0.0019 m dan feed yang dihasilkan untuk dua mata pisau yang berdekatan sebesar 0.0075 m. Dari simulasi pergerakkan mata pisau ditentukan 2 buah bentuk mata pisau (Gambar 23) agar dihasilkan pemotongan pada batang tebu yang efektif dan daya yang dihasilkan kecil. 0.0056 m
R
R
a.Pisau dengan jari-jari yang sama
b. Pisau dengan penambahan feed
Gambar 23 Bentuk mata pisau yang diuji 1 Bentuk mata pisau 1 memiliki jari-jari depan dan belakang yang sama panjangnya maka pemotongan 1 feed akan dilakukan oleh sisi depan dan samping mata pisau (Gambar 23a) 2 Bentuk mata pisau 2 memiliki penambahan panjang 0.0056 m pada jari-jari belakang dengan tujuan 1 feed dipotong oleh bagian sisi samping 1 mata pisau (Gambar 23b) Mata pisau akan diikatan pada unit pisau yang terdiri dari 8 buah yang berfungsi memotong bagian tunggul tebu pada kedalaman 5-10 cm di bawah permukaan tanah. Agar tahan terhadap penggerusan oleh tanah saat operasi pengeprasan maka bagian pisau yang berfungsi memotong perlu diperkeras. Untuk memotong perakaran tua, digunakan coulter yang membelah kedua sisi guludan agar proses pengeprasan berlangsung lebih baik. Bagian guludan akan dibelah hingga kedalaman 20-30 cm dengan lebar 30-40 cm. Oleh karena itu digunakan coulter dengan diameter 50 cm. Kedalaman dan lebar pembelahan guludan dapat diatur. Tenaga putar pisau diperoleh dari poros PTO traktor dan direncanakan putaran pisau sesuai dengan kecepatan putar poros PTO maka tidak diperlukan roda gigi reduksi. Karena arah poros PTO tidak segaris dengan poros pemutar piringan pisau maka digunakan transmisi daya berupa universal joint. Universal joint akan berfungsi sebagai penyaluran tenaga dari PTO ke unit pisau untuk menggerakkan mata pisau yang dapat diatur sudut kemiringannya. Rangka mesin
30
dirancang sedemikian rupa agar mampu menahan unit pisau pemotong, unit coulter, dan dapat digandengkan ke tiga titik gandeng traktor. Oleh karena itu ukuran dan posisi dari komponen penggandeng pada mesin kepras disesuaikan dengan ukuran dan posisi standar dari sistem tiga titik gandeng traktor roda empat. Rancangan struktural disusun sesuai dengan hasil analisis rancangan. Untuk rangka dibuat dari besi UNP ukuran 10 x 5 cm tebal 5 mm. Coulter terbuat dari besi plat 8 mm dengan diameter 50 cm dan bagian kelilingnya bergerigi atau bercoak agar dapat melakukan pembelahan tanah dengan baik. Unit pisau terdiri dari 8 buah mata pisau yang terbuat dari baja dengan ukuran panjang 20 cm, lebar 6 cm, dan tebal 6 mm yang dipasangkan dengan pengikat baut pada piringan pisau yang memiliki diameter 40 cm. Unit pisau diberi perlakuan pengerasan. Universal joint yang digunakan untuk menghubungkan unit pisau ke poros PTO, merupakan komponen standart pabrik. Gambar rancangan mesin pengepras tebu disajikan pada Gambar 24.
Penutup unit pisau
Rangka utama
Universal joint/sambungan ke PTO
Universal joint Unit pisau
coulter
Gambar 24 Alat kepras tebu yang dirancang. Metode Pengujian Uji kinerja mesin kepras tebu dilakukan di lahan Percobaan Teknik Mesin Budidaya Pertanian Departemen Teknik Mesin dan Biosistem Fateta IPB. Lahan pengujian adalah lahan yang ditanami 48 rumpun tebu yang memiliki tinggi
31
guludan antara 15-25 cm. Masing-masing rumpun terdiri dari 3-5 tunggul tebu (Gambar 25).
(a) Rumpun tanaman tebu
(b) Tunggul tebu yang akan di kepras
Gambar 25 Lahan pengujian Pada saat uji kinerja beberapa peubah yang divariasikan dalam pelaksanan pengujian antara lain: 1. Bentuk mata pisau (P1 dan P2 sesuai Gambar 23) 2. Kecepatan maju pengeprasan (V1= 0.3 m s-1 dan V2= 0.5 m s-1) 3. Kecepatan putar pisau (n1= 500 dan n2= 850 rpm) 4. Sudut kemiringan piringan pisau (S= 45o dan 60o). Dengan demikian ada 16 perlakuan untuk pengujian dengan 3 ulangan (Lampiran 1) Parameter yang diukur adalah : 1 Kebutuhan Torsi Untuk mengukur daya pengeprasan digunakan persamaan 13, setelah mendapatkan nilai kecepatan putaran pisau pemotongan dan nilai pengukuran torsi pemotongan. P T
(13)
Di mana : P = Daya pengrasan tebu (Watt), T = Torsi pemotongan (Nm), ω =
Kecepatan
sudut (rad/sec) = 2π n/60, n = Kecepatan putar pisau pemotong (rpm) Untuk mengukur kecepatan putaran pisau digunakan alat tachometer digital dengan cara menyenter pada bagian poros penggerak pemutar pisau yang telah diberi reflektor. Dari hasil pengukuran didapat data kecepatan putaran (rpm). Pengukuran torsi pengeprasan dilakukan dengan menggunakan sebuah torsimeter yang dipasang antara poros PTO dan poros pemutar pisau (Gambar 26). Untuk mengukur regangan yang terjadi pada torsimeter, digunakan sebuah handy strain
32
meter. Selanjutnya nilai torsi dihitung dengan menggunakan persamaan 14, yang merupakan hasil kalibrasi hubungan torsi-strain. T = a + bX
(14)
di mana : T : torsi (Nm), a dan b : konstanta hasil kalibrasi torsi-strain X
: nilai yang terbaca pada handy strain meter (με).
Bride box
Handy strain meter
Sensor torsi
Gambar 26 Skema pengukuran torsi Proses pengukuran torsi dimulai dengan menghidupkan traktor untuk menggerakkan pisau pemotong. Setelah pisau berputar stabil, traktor sebagai sumber tenaga tarik dijalankan untuk menarik mesin kepras dengan kecepatan maju yang telah disesuaikan dengan kombinasi perlakuan. Pemotongan terjadi pada saat mata pisau mulai menyentuh tunggul tebu. Pengukuran torsi dilakukan secara berkelanjutan selama pemotongan.
33
2 Hasil pengeprasan Sebelum pengeprasan dilakukan pengukuran profil guludannya dengan reliefmeter. Setelah pengeprasan maka dilakukan pengamatan kualitas hasil keprasan dengan mengukur profil guludan hasil pemotongan dengan reliefmeter dan untuk mengukur persentase jumlah batang tebu yang pecah dan persentase pertumbuhan tunas dilakukan dengan metode pengamatan. Pengamatan pecah tidaknya hasil potongan dilakukan secara manual dan kamera. Pengamatan pertumbuhan tunas meliputi jumlah tunas yang diamati 2 minggu dan 3 minggu setelah pengeprasan.
Gambar 27 Pengukuran profil guludan
