METODA
PENELITIAN
1. WAKTU DAN TEMPAT. Penelitian ini dilaksanakan dari bulan Agustus 1993 samp i Juni 1994 di ruang STILT SYSTEM (the measuring system of soil-tillage tool interaction) Laboratorium Alat dan Mesin Budidaya Pertanian, Jurusan Hekanisasi Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor.
2. BAHAN. Bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah tanah latosol yang diambil dari lahan Kebun Percobaan Fakultas Pertanian, Institut Pertanian -or,
Darmaga, Bogor. Analisis teks-
turtanah dilakukan di Laboratorium Fisika Tanah, Jurusan Ilmu
Tanah, Fakultas Pertanian, Institut Pertanian Bogor dengan hasil sebagai diperlihatkan pada Tabel 3.1. Tabel 3.1. Analisa tekstur dari bahan percobaan. Kandungan
satuan
contoh 1
contoh 2
rataan
pasir
%
7.76
9.06
8.41
Debu
%
47.87
40.15
44.01
Liat
%
44.37
50.79
47.58
Kerapatan
g cm-'
2.71
2.58
2.645
Batas mengalir
% d.b.
64.49
70.68
67.58
Batas plastis
% dab.
55.69
54.85
55.27
33
3. ALAT-ALAT. Peralatan utaaa pada penelitian ini adalah Bak U ji Pengolahan Tanah (soil bin unit) atau yang dikenal juga dengan nama
STILT SYSTEM. Fasilitas ini adalah hibah Pemerintah Jepang kepada Institut Pertanian Bogormelaluibantuan kerjasama "JICA-
DGHE/IPB JTA-ga(132) Projectw. Bagian utama soil bin unit yang digunakan pada penelitian ini adalah b&
tanah dan lempeng pe-
nekan, lepeng datar pengolah tanah, unit pengukur gaya dan sifat mekanik tanah, serta unit kendali. 3.1.
Bak Tanah dan Lempeng Penekan. Bentuk dan ukuran bak tanah dan lempeng penekan sebagai
diperlihatkan pada Gambar 3.1. tabung hiiaulik
101
lot
bak tanah dan lempeng penekan upl,upZ,up3 = mwx tekanan atas
-
101,102Ja3 sensor tekanan bawah
Gambar 3.1. Bak tanah dan lempeng penekan.
Lempeng penekan tanah berfungsi menekan tanah yang sudah diisikan pada baktanah untuk mendapatkan suatu kepadatantertentu dan digerakkan tenaga hidrolik yang di salurkan melalui 3 buah silinder berkapasitas maksimum 4903 kPa. Langkah tekan
maksimum sebesar 30 cm. Alat ini diperlengkapi satu sensor langkah dan tiga sensor tekanan. Sensor tekanan yang ditempatkan pada permukaan b a w d leapeng penekan berfungsi untuk meng-
ukur besaran tegangan yang terjadi di permukaan atas tanah sedang sensor pada dasar baktanah untuk mengukur tegangan yang terjadi di dasar tanah sebagai akibat proses pemadatan.
Bak tanah bergerak maju sebagai ganti dari lempeng pengolah tanah yang bergerak maju pada kenyataan lapang. Bak tanah digerakkan oleh ac servomotor, 200 Volt, 3 phasa, kecepatan aaksimum 100 mm dt-' dan 2000 mm maksimum kapasitas sensor langkah. 3.2.
Lempeng Pengolah Tanah. Bentuk dan ukuran lempeng pengolah tanah diperlihatkan
pada Gambar 3.2.
Lempeng pengolah tanah dapat dinaik-turunkan
untuk operasi pengolahan atau pengaturan kedalaman pengolahan tanah baik secara manual atau melalui panel kendali. Lempeng ini digerakkan olah motor induksi 200 Volt, 0.2 kW, 3 phasa. Sudut potong pengolahan tanah dapat diatur pada 30, 45, 60, 70, 80 atau 90 " terhadap bidang datar. Pada permukaan lempeng dipasang empatbuah sensor gaya untuk llpengukur besarnya tekanan normal diterima lempeng datar pengolah tanah selama operasi pengolahan tanah.
35 Pandengan drman Ugak luru* ~ * r n u k u n
-L 180
I 4-
:I
mm
a 0
I
Sudut potong
Trmnoduoor ortoqonrl
Sonoor tmkmmn 4
Gambar 3.2. Lempeng datar pengolah tanah.
3.3.
Pengukur Gaya dan Sifat Hekanik Tanah. Tahanan olah (draft), gaya vertikal dan monten yang diala-
mi lempeng pengolah tanah diukur dengan strain gage transduser t i p ortogonal yang dipasang pada lengan penumpu lempeng pengolah tanah sebagai terlihat pada Gambar 3.2. Unit pengukur sifat mekanik tanah yang tersedia adalah penetrometer tipe konis untuk mengukur tahanan penetrasi dan
vane shear untuk mengukur tahanan geser tanah dengan bentuk dan ukuran sebagai pada Garbar 3.3. Penetrometer konis yang digunakan bergaris tengah 2 -86 cm atau luas permukaan lingkaran atas sebesar 6.42 cm2. Penekanan kedalam tanah menggunakantenaga ac servomotor, AC
200 volt,
0.06 Kw, 3 phasa dengan kecepatan penetrasi maksimuma 50 mm/dt, Penetrometer ini diperlengkapi satu buah sensor posisi pene-
36
trasi (0-50
lam)
dan satu buah sensor gaya dorong berkapasitas
1961.33 Newton. Vane shear juga digerakkan oleh
tor, AC 200 volt, maksimum
1 rpm
0.6 Kw,
ac servomo-
3 phasa, dengan kecepatan putar
atau 6" per detik. Alat ukur ini diperlengka-
pi dengan sebuah sensor sudut perputaran (0-90") dan satu sen-
sor pengukur momen puntir
berkapasitas 490.3 Nm.
Gambar 3.3. Penetrometer dan Vane Shear.
-
Gambar 3.4.
Diagram blok dari Unit Kendali.
3.4- Unit Kendali. Operasi pengolahan tanah, pengukuran gaya dan sifat mekanik tanah, kecuali pengukuran gaya melalui transduser ortogonal dilaksanakan melalui unit kendali seperti terlihat pada Gambar 3.4.
4. PENGUKURAN DAN ALAT UKUR. Pengukuran untukmengumpulkandata hasil penelitian, berdasarkan tempat dapat dikelompokkan atas pengukuran di Bak Uji Pengolahan Tanah, pengukuran di Laboratorium Mekanika Tanah d m penqukuran di Ruang Audio Visual. Pengukuran di Bak Uji
Pengolahan Tanah terdiri dari unit sumber tenaga, unit kotak pengukuran dan unit yang berhubungan dengan komputer seperti pada Gambar 3.5. -
k. Pemadrta
pengukuran kotak kendali
IGambar
'
11
unit kornputer
3.5.
Diagram pengukuran di Bak uji pengolahan tanah.
38
4.1. Pemadatan Tanah. Tanah yang sudah diayak dengan ayakan 2 mm dituang secara merata kedalam bak tanah sampai penuh. Tanah tersebut dipadatkan dengan lempeng penekan pada suatu tekanan hidrolik dengan lama penekanan tertentu. Pada percobaan ini digunakan 300 kPa tekanan hidrolik selama 12 detik. Tegangan dialami permukaan atas dan bawah tanah diukur Bengan sensor beban
(load cell)
yang sudah terpasang pada lempeng penekan dan dasar bak tanah. Tiga buah sensor ditempatkan di permukaan bawah lempeng penekan dan tiga buah di pewukaan atas dasar bak tanah (Gambar 3.1).
Nilai tegangan yang diperhatikan pada penelitian ini adalah tegangan yang terjadi pada akhir pembebanan, yang besarnya dapatdibaca pada layar komputer. Karena besaran yangtercatat pada komputer dalam satuanvoltmaka digunakan faktor konversi
untuk memperoleh besaran tegangan menggunakan persantaan(3.1).
dimana,
4.2.
Pr = tegangan pada tanah, kPa. Vr = nilai terukur, volt. f, = faktor konversi = 980.665 kPa/volt.
Tahanan Penetrasi.
Operasipenetrometerdilaksanakan pada kecepatan penetrasi lo mm/dt dengan siklus pengambilan data sebesar 100 Hz atau 100 data setiap detik pengukuran
. Dengan
renggunakan faktor
konversi seperti pada persaraan (3.2) diperoleh besaran tahan-
39
an penetrasi (cone indeks) tanah yang akan diolah.
dimana,
4.3.
CI Vp Ap fc
tahanan penetrasi, N data pengukuran, volt luas permukaan atas cone, cm2 = faktor konversi = 392.266 N/volt
= = =
Tahanan Geser. Pequkuran tahanan geser pada soil bin dengan alat ukur
jenis kipas (vane shear), dioperasikan pada kecepatan putar 3"
per detik. Seluruh lempeng kipas didorong masuk kedalamtanah. Untuk mendapatkan besarantahanan gesertanah dalam unit torsi digunakan faktor konversi seperti pada persamaan (3.3)-
dimana, Tg Vt fc
= = =
momen puntir, N m nilai pengukuran. volt. faktor konversi = 98-0665 Nm/volt
Pada pengukuran tahanan geser, dihasilkan pergeseran tanah dalam bentuk silinder dengan ukuran tinggi dan garis tengah sama dengan ukuran vane shear. Bila tegangan geser diseluruh permukaan silinder dianggap seragam maka besarnya tegangan geser dapat ditentukan dengan persamaan ( 3.5) Vanden Berg, 1968, Hogure
, (Gill dan
1988, Sudou, 1990).
dimana, Tg = torsi memutar alat, N m. Gt = garis tengah silinder (2 lebar lempeng), m H = tinygi vane, m r t = tegangan geser, N m-' Wnggunakan persamaan (3.5)
, pada
vane shear di Garnbar
3.3. dimana Gt = 2 r dan H = 4 r, maka persamaan tegangan geser dapat disederhanakan sebagai pada persamaan (3.6).
dimana;
r,
=
Tg = r =
4.4.
tegangan geser, N m-'. torsi menggerakkan alat, N m. lebar lempeng vane shear, m.
Tekanan Pada Permukaan Lelapeng Pengolah Tanah. Tekanan nonal yang dialami lempeng pengolahtanah selama
proses berlangsung, diukur pada empat lokasi mengggunakan sensor beban seperti pada Gambar 3.2. Seperti pada pengukuran tahanan penetrasi dantahanan geser, pencatatan data dengan komputer diatur pada siklus 100 data per detik. Menggunakan faktor konversi seperti pada persamaan (3.7), kefuaran pengukuran dapat dinyatakan dalam satuan tekanan.
dimana, L n = tekanan normal pada pennukaan l-peng, V n = data pengukuran, volt. f, = faktor konversi, 98.0665 kPa/volt.
kPa.
-penguat strain
pencatat dan penyimpan data 0 0 0 0 ............
L
or togonal tranduser
+
kotak jernbatan
printer
\
komputer
G a a a r 3.6. Diagram rangkaian pengukuran gaya dan momen.
4.5.
fengukuran Gaya dan Momen Pengolahan Tanah. Pengukuran gaya horisontal (Fx), gaya vertikal (Fz), dan
momen (My) yang dialad lempeng pengolah tanah, diukur menggunakan sejumlah sensor s t r a i n gage yang dirangkai sebagai transduser ortogonal. Transduser ini dirancang oleh Dr. Oida di Universitas Kyoto Jepang untuk dipasang sebagai alat ukur pada lengan lempeng pengolah tanah. S t r a i n (regangan) yang terjadi pada transduser, direkam dalam pita video menggunakan
42
pencatat data Kyowa RTP-650A setelah melalui penguat regangan Kyowa DPH-613B dalam satuan listrik volt. Data yang terekam pada pita video dibaca kembali menggunakan komputer untuk mendapatkan nilai nominal pengukuran dengan rangkaian sebagai pada Gambar 3 -6. Kalibrasi transduser ortogma1 yangdigunakantelah dilakukan oleh pembuat dengan hasil sebagai terlihat pada Gambar 3.7.
~ari Gambar 3.7 dihasilkan hubungan antara beban dan re-
gangan sebagaiPpadapersamaan (3.8),
dimana,
Fx Fz Hy
= = =
Ux
=
Uz
=
Uy
=
(3.9) dan (3.10).
gaya horisontal, N. gaya vertikal, N. momen, N m. regangan arah horizontal. regangan arah vertikal. regangan untuk mmen.
Pada awal setiap percobaan dilakukan kalibrasi rangkaian
ukur untuk mendapatkan hubungan antara regangan dengan tegangan listrik (volt). Regressi linier data kalibrasi menghasilkan persamaan (3.11),
(3.12), dan (3.13).
Ux = Ao
+
A1
Vx
(3.11)
Kalibrasi
0
100 200
Fx
300 400 500 600 700 800 Regangan @s) Kalibrasi My
V
0
200 400 600 800 1rnXr 1200 1400 1600 Regangan (ps)
Nenggabungkan persamaan (3.%), (3.11),
(3.9), dan (3.10) dengan
(3.12), dan (3.13), diperoleh persamaan konversi data
pengukuran seperti pada persamaan (3.14),
dimana,
Vx Vz Vy Ao,Al Bo,Bl m,H1
4.6.
data ukur data ukur = data ukur = koefisien = koefisien = koefisien =
=
(3.15), dan (3.16).
gaya horisontal, volt. gaya vertikal, volt. momen, volt. regressi gaya horizontal. redressi gaya vertikal, regressi momen.
Kohesi dan Sudut Gesekan Dalam. Kohesi tanah diukur menggunakan metoda unconfined com-
p r e s s i o n test yaitu uji uniaksial (uniaxial test) dengan model alat sebagai diperlihatkan pada Gambar 3.8.
Gambar 3 . 8 . Model uji uniaksial.
Pelaksanaan pengukuran kekuatan geser tanah menggunakan uji uniaksial mengacu kepada penuntun pengukuran sifat mekanik
.
tanah yang disusun oleh A s e p dkk. ( 1990) dan Lambe (1951) Contoh tanah diambil dari dalam bak uji pengolahan tanah menggunakan tabung wntoh. Perhitungan kekuatan tanah dengan asumsi kohesi tidak sama dengan no1 sehingga didapatkan nilai kohesi dan sudut gesekan dalam tanah dengan menggunakan persamaan (3.17), (3.19),
(3,18),
(Sudou, 1990). t,
dimana,
= C, + a,
tan t#J
r,
= tegangan geser uniaksial, Pa. = kohesi tanah, Pa. @ = sudut gesekan dalam, derajat. a = sudut patah tanah, derajat. om = tegangan normal maksimum, Pa.
C,
4.7.
Perpindahan Tanah. Gerakan perpindahan tanah diamati menggunakan batang ke-
cil (pin) yang diletakkan melintang pada lapisan tanah seperti terlihat pada Gambar 3.9. Perpindahan pin diasursikan mengikuti pergerakan tanah di atas lempeng pengolah tanah. Pergerakan pin ini direkam dalam pita casette menggunakan handy camera video. Pergerakan pin selama proses pengolahan tanah yang telah direkapr pada pita
46
casette, diputar kembali dengan video player untuk mengukur posisi pin pada suBbu horisontal dan vertikal di monitor televisi sehingga diperoleh arah pergerakan pin terhadap bidang horisontal.
Gambar 3.9.
Pengamatan pergerakan tanah.
5.OPERASI PENGOLAHAN TANAH Operasi pengolahan tanah menggunakan bak uji pengolahan tanah, berbeda dengan operasi normal di lapang yaitu tanah bergerak sedang alat pengolah tanah diam. Sistem ini memudahkan dalam ha1 instrumentasi karena sensor gaya dam tekanan yang dipasang pada alat pengolah tanah, tidak bergerak selama operasi pengolahan tanah. Lima tingkatkecepatan maju pengolahan tanah yang diteliti yaitu, 20, 25, 30, dan 40 mm/dt. dan tiga tingkat kedalaman
47
pengolahan tanah yaitu, 15, 17.5, dan 20 cm pada 30" sudut potong tanah atau kemiringan lempeng pengolah tanah ke arah sejajar bidang gerak. Kecepatan maju diatur dari panel kontrol, sedang kedalaman secara manual.
6. ANALISIS DATA 6.1.
Tahanan olah (Draft) Pengolahan Tanah, Tahanan olah lempeng datar pengolah tanah pada bak uji
pengolahan tanah, didekati dengan teori mekanika pengolahan tanah sebagai yang diperkenalkan oleh NcKyes (1985). Nengacu
pada Gill and Vandenberg (1968), Nishimura (1992), dan pengalaman lainnya, ditetapkan bentuk potongan tanah di atas lempeng pengolah tanah adalah trapesium sebagai pada Gaabar 3-10.
PERMUKAAN TANAH
b
Gambar 3.10. Gaya-gaya yang bekerja pada blok potongan tanah berbentuk trapesium menggunakan lempeng datar pengolah tanah.
48
Henggunakan Gaanbar 3.10. disusun persamaan keseimbangan gaya horisontal (F,) dan vertikal (F,) seperti pada persamaan (3.20) dan (3 -21) untuk memperoleh gaya dorong (F) yang beker-
ja pada lempeng pengolah tanah seperti pada persamaan (3.22).
ZF,
ZF,
F sin(a+6)
=
=
+ CaL cosa
- Fcos(a+6)
-
CaL
- R sin(Q+
sina - R cos(P+4)
cot (P+Q) + sina - c a r ,w [cosa sin(a+6) cot (P++) + Fa
= = = = c, = c, =
dimana, F, F" F F,
[
cos$ cot (P+4) - sinP sin(a+i) cot (b++)
1
I
gaya-gaya horizontal, N. gaya-gaya vertikal, N. gaya dibutuhkan mendorong alat, N. gaya inertia pergerakan tanah, N. adhesi alat-tanah, N cm-". kohesi tanah, N m-". R = gaya potongan tanah pada tanah tidak terolah, N. berat potongan tanah. N.
L = L, = a =
A
panjang alat, cm. panjang patahan tanah, cm. sudut alat dengan bidang datar, derajat. sudut patah tanah, derajat. sudut gesekan dalam alat-tanah, derajat. sudut gesekan dalam tanah-tanah, derajat.
=
6 = $ =
Berat potongan tanah (G) yang berbentuk trapesium ditetapkan dengan persamaan berikut:
cos { a + $ ) + sin (a+$)tana ~sinp
I
dirnana, p, = densitas tanah basah, kg cm" g = percepatan gravitasi, 9.8066 m d t ' w = lebar alat , cm. A = luas trapesium, cm-* D = kedalaman olah, cm Gaya yang dibutuhkan untuk memindahkan bongkah potongan tanah (Fa) pada kecepatan tetap sepanjang permukaan lempeng pengolah tanah pada sudut a dan sepanjang permukaan patah pada sudut B disebut sebagai gaya inersia. Bila alat bergerak sejarak x pada kecepatan tetap V (Gambar 3.10) maka bongkah tanah akan berpindah diarah datar sepanjang (xf + a) dan kearah tegak sepanjang z dan dapat dinyatakan dengan persamaan berikut.
x = x l + a
z
=
a = z cota
x' tan $ x1
=
x
v1 t
~t
=
cos
sehingga ,
p
x
=
XI
(1 + tan Q cot a )
V = ~ / c o 0s (1
+
tan Q cot a)
Gaya inersia perpindahan massatanah sejajar dengan bidang patah tanah adalah,
v cosp (1 + tan0 cota) m
=
I"
t
p D w x = p D w V t
sehingga ,
dimana,
Fa p,
V D w
gaya inertia, N. densitas tanah basah, kg cm". = kecepatan maju alat, m dt-I. = kedalaman olah, em. = lebar alat, cm.
= =
Memasukkan persamaan (3.23) dan persamaan (3.24) kedalam persamaan (3.22), maka gaya dibutuhkan mendorong alat pengolah tanah (F) dapat dinyatakan dengan persamaan (3.25) berikut.
1 L sin(a+$) tana z +cos(a+$) +2sinp ] [sin(a+6) cot (p++) I
'Ip-
-
- cosp cot ( P +@) - s i n - sinp s i n ( a + & )c o t (p$)
o
"la
- cosa c o t ( p + 4 ) + sina - s i n ( a + b ) c o t (P++)
q f = [c-Q c o t (P+4) - sinp]
sin(a+8) cot($++)
[ cosp
1 +
sinp cota
1
Tahanan olah pengolahan tanah (draft) adalah gaya horisontal yang bekerja pada lempeng pengolahtanah yaitu yang berasal dari gaya dorong dan gaya gesekan tanah dengan peraukaan lempeng sebagai dinyatakan dengan persamaan (3.26). -F, = F s i n ( a + 6 ) + C, L w cota
(3.26)
Dengan menggabungkan persamaan (3.25) kedalam persamaan (3.26) akan menghasilkan persamaan (3.27) sebagai persamaan duga tahanan olah pengolahan tanah.
dimana,
F, = Pb
=
Q =
D =
w = L =
c,
=
C, = =
v
tahanan olah, Newton densitas tanah basah, g perceptan gravitasi, 9.8066 m d C 2 kedalaman olah, an lebar olah, cm panjang alat pengolah, cm Rohesi tanah, N adhesi tanah-alat, N cm-' kecepatan olah, cm dt-l
.
Dari persamaan ( 3 27) terlihat bahwa tahanan olah (draft) dibangun dari komponen bobot tanah, kohesi, adhesi dan gaya
inersia tanah sehingga dapat dituliskan dalam bentuk sederhana sebagai persamaan (3.28)-
Fx
=
W
~
g
+
Koqm
cos(a+p)
' ~ C O
q ,
=
+
Ad
1 (,
+
sin(a+P) tana 2 sin$ +
In q i
(3.28)
1
1 + cotp cot(Q+4) - cot(P+4) + cot(a+b)
cots + sina - cosa cot(fj++) cot{$+4) + cot ( a + 6 )
1 + cot0 cot<$++)
[I
[cot(p++) + cot(a+a, cotg I+ cota1
6.2. Arah Patahan Tanah.
Potongan tanah hasilpengolahan bergerak sepanjang permukaan lempeng pengolah tanah dan sejajar bidang patahan tanah. Arah patahan tanah dihitung dari Pergerakan tanah sepanjang
bidang patah dengan mengamati pergerakan pin yang telah dipasang dalam bak tanah.
53
Dengan asumsi sudut pergerakan tanah sejajar dengan sudut patahan tanah dan sudut ini ( 8 ) dibandingkan dengan sudut patah tanah pada uji uniaksial dan arah resultan gaya horisontal
(Fx) dengan gaya vertikal (Fz) terhadap bidang horisontal. Arah ini dinyatakan dengan { y ) sebagai pada Gambar 3.11.
mpeng d e t a r
--------
- -
Gambar 3.11. Arah patahan tanah dan resultante gaya olah. Dari Gambar 3.11 dapat diketahui bahwa:
6.3. Pusat Beban Pada Lempeng Pengolah Tanah. Pusat beban dari gaya-gaya pengolahan tanah adalah pusat dari resultan gaya horisontal (Fx) dengan gaya vertikal (Fz) pada bidang sepanjang perrukaan lempeng pengolahan tanah, Henggunakan ukuran lempeng pengolah tanah dan lengan penyangga dapat ditetapkan pusat beban sebagai digambarkan pada Gambar 3.12. Lokasi pusat beban menentukan besarnya momen yang beker-
54
ja pada lengan penyangga lempeng pengolah tanah yang penting diketahui dalam hubungannya dengan rancang bangun peralatan pengolah tanah Pusat beban pada Gambar 3.12 dirisalkan berada pada titik I yaitu berjarak A1 dari ujung lea-
(titik A) sehingga da-
pat dihitung menggunakan persamaan (3.27).
Fx Fz R AC FZ
E I
---
gaya horizontal (draft)
Oaya vertlkal reaultan Fx. Fz. lempeng pengolah tanah tran6du8.r ortogonal pusat beban
Gambar 3.12. Lokasi pusat beban pengolahan tanah (AI).
dimana, BE = panjang lengan sbpai transduser, cm. AC = panjang lempeng, 40 cm. My = m m e n pengukuran pada transduser.
