PERANCANGAN KONSEP DARI PERALATAN GUNA SIMULASI SELF-EXCITED VIBRATION VIBRATORY-TILLAGE (Conceptual design of equipment used for simulation of Self-excited vibration vibratory-tillage) Abstrak Perancangan konsep dari peralatan yang akan digunakan untuk simulasi self-excited Vibration vibratory-tillage telah berhasil dibuat. Konsep perancangan dilakukan secara sistematis tahap demi tahap sesuai dengan metode VDI 2221. Tujuannya adalah agar didapat konsep rancangan peralatan optimum yang dapat dikembangkan lebih lanjut menjadi perancangan wujud dan perancangan detail sehingga dapat diwujudkan menjadi peralatan yang dapat bekerja sebagaimana mestinya, mudah, murah dan aman dalam pengoperasian dan perawatan. Konsep peralatan yang dirancang meliputi peralatan guna memadatkan tanah beserta mekanisme penggerak serta peralatan guna simulasi vibratory-tillage. Tahapan perancangan dimulai dari memperjelas tugas, mengumpulkan informasi tentang spesifikasi peralatan yang diabstraksikan tahap demi tahap menjadi abstraksi perancangan. Selanjutnya dibuat struktur fungsi dan sub struktur fungsi yang menggambarkan prinsip kerja dari peralatan. Struktur fungsi dikembangkan lebih lanjut menjadi matriks prinsip solusi di mana setiap elemen matriks prinsip solusi merupakan implementasi dari sub fungsi yang bersesuaian. Penggabungan dari elemen-elemen prinsip solusi menghasilkan beberapa konsep varian. Sebuah rancangan konsep didapat dengan cara mengevaluasi secara kualitatif dan kuantitatif dari setiap konsep varian. Hasilnya adalah sebuah rancangan konsep yang sederhana, mudah dimengerti dan dapat diwujudkan menjadi peralatan dengan biaya yang relatif murah. Ditambahkan pula informasi tambahan tentang perancangan wujud yang didasarkan pada rancangan konsep sehingga didapat gambaran yang lebih jelas tentang peralatan yang akan dibuat. Kata kunci: Perancangan konsep, vibratory-tillage, self-excited vibration, VDI 2221. Abstract Conceptual design process of equipment that will be used to simulate selfexcited vibration on a vibratory-tillage has been conducted successfully. The conceptual design was done systematically, step by step in accordance to VDI 2221 method. The objective of this design was to obtain an optimum concept design of equipment that can be developed further to embodiment design and detail design so that it can be realized into equipment that can work properly, easy, low cost and safe, both in operation and maintenance. Included in these design were equipment for soil compaction and its driving mechanism and equipment for simulation of self-excited vibration vibratory-tillage. Design processes starting from clarifying the tasks, collecting information about the specifications of equipment that are abstracted further step by step into design
34
abstract. Subsequently made structure functions and sub-functions that are further developed into the solution principle. Several concept variants were obtained by combining the elements of the principle solutions. A concept design was obtained by evaluating the concept variants qualitatively and quantitatively. The result is a simple concept design, easy to understand and can be realized into equipment at a reasonable cost. Information about embodiment design was added so that the possibility of realization of the equipment to be manufactured can be visualized. Keywords: conceptual design, vibratory-tillage, self-excited vibration, VDI 2221. Pendahuluan Studi eksperimental Bajak getar jenis self-excited vibration telah dilakukan dan terbukti mampu menurunkan draft pembajakan (Berntsen et al. 2006, Qiu Lichun dan Li Bao Fa, 2000). Keunggulan dari upaya penggetaran ini adalah konsumsi energinya menjadi lebih rendah dan tanah terpotong-potong menjadi tanah bongkaran dengan ukuran yang lebih kecil serta terjadinya banyak retakan di dalam tanah. Kondisi ini akan memfasilitasi penetrasi akar, air, nutrisi dan sirkulasi udara di dalam tanah. Kendati demikian belum ditemukan kesimpulan tentang mekanisme turunnya draft pembajakan, baik melalui studi analitis maupun studi eksperimental dari bajak getar jenis ini. Salah satu penyebabnya adalah sifat fisis tanah (densitas, kandungan air, tahanan penetrasi dan lain-lain) yang stokastik dari titik ke titik. Sayangnya, untuk melakukan studi ekspermental ini diperlukan biaya yang mahal. Untuk itu diperlukan peralatan yang mampu mensimulasikan banyak bajak getar jenis self-excited vibration dengan biaya yang relatif murah. Peralatan simulasi yang dapat mengkondisikan tanah agar mempunyai sifat fisis yang homogen dan deterministik sehingga dapat dilakukan pendekatan matematis dari fenomena self-excited vibration pada bajak getar. Dalam bab ini akan dibuat perancangan konsep sebuah peralatan yang akan digunakan untuk simulasi self-excited Vibration vibratory-tillage. Konsep peralatan didisain secara sistemik tahap demi tahap sesuai dengan metode VDI2221 (Pahl dan Beitz 1976). Secara umum, tahapan tersebut ditunjukkan pada Gambar 16 yang meliputi klarifikasi tugas, membuat perancangan konsep, membuat perancangan wujud dan perancangan detil. Perancangan lebih ditekankan kepada perancangan konsep, yang aktivitasnya meliputi membuat abstraksi perancangan, membuat struktur fungsi, mencari prinsip solusi yang bersesuaian dengan struksi fungsi. Prinsip solusi dikombinasikan menjadi
35
beberapa konsep varian di mana masing-masing konsep varian dapat bekerja sesuai dengan struktur fungsi yang dibuat. Langkah akhir adalah mengevaluasi seluruh konsep varian sehingga dihasilkan satu rancangan konsep optimum.
Tugas Klarifikasi tugas
Kegiatan/hasil
Spesifikasi peralatan
Perancangan konsep
Kegiatan/hasil
Abstraksi perancangan Buat struktur fungsi Buat prinsip solusi Buat konsep varian Evaluasi konsep
Perancangan wujud
Prinsip yang digunakan
Kejelasan Sederhana aman
Perancangan detil
hasil
Gambar detil Dokumentasi
Gambar 16 Sistematika perancangan sesuai dengan VDI 2221 (Pahl dan Beitz 1976). Dalam langkah klarifikasi tugas, perancang dihadapkan kepada beberapa pertanyaan kritis dan mendasar sehingga apa yang dirancang menjadi jelas. Sebagai contoh adalah beberapa pertanyaan berikut ini: Problem nyata apa yang dituntut dalam tugas perancangan, hasil apa yang diharapkan, hal-hal apa yang dimiliki dan tidak dimiliki oleh perancangan tersebut. Selanjutnya dikumpulkan sebanyak mungkin informasi tentang kebutuhan (demand) yang harus dipenuhi oleh peralatan dan keinginan (wishes) dari pengguna. Informasi tersebut disusun dalam bentuk daftar spesifikasi peralatan. Daftar spesifikasi ini disusun utamanya didasarkan pada teori yang dikembangkan oleh Gill dan Vanden Berg (1968) dan Israel Dunmade (2005). Detail dari daftar spesifikasi diabstraksikan tahap demi tahap sehingga didapatkan abstraksi perancangan yang merupakan masalah
36
esensiil yang harus dipecahkan. Fungsi struktur yang menggambarkan prinsip kerja dari peralatan yang dirancang didasarkan pada aliran tanah, energi dan sinyal. Fungsi struktur disusun dalam bentuk blok diagram dan merupakan hubungan (solusi) antara masukan dengan keluaran. Hubungan/solusi tersebut berupa diubah, dimodifikasi, diteruskan, disimpan serta sinyal dalam mengukur besarnya draft pembajakan. Prinsip solusi merefleksikan bentuk fisis dari setiap sub-fungsi dan disusun dalam bentuk matriks. Kombinasi dari setiap prinsip solusi akan dihasilkan sebanyak mungkin konsep varian. Dengan mengevaluasi semua konsep varian secara kualitatif dan kuantitatif akan didapatkan sebuah rancangan konsep optimum. Pada bab ini juga ditampilkan informasi tambahan tentang beberapa hasil perancangan wujud sehingga didapat gambaran yang lebih lengkap tentang peralatan yang akan dirancang/dibuat. Tujuan dari penelitian ini adalah agar didapat rancangan konsep optimum yang dapat direalisasikan menjadi peralatan yang dapat bekerja sesuai dengan fungsinya, dengan biaya yang relatif murah. Peralatan yang mudah dan aman dalam pembuatan, pengoperasian dan perawatan. Peralatan juga dirancang untuk mensimulasikan pemadatan tanah dan dilengkapi dengan sistem pengukuran gaya selama simulasi membajak tanah. Proses Perancangan Peralatan Klarifikasi Tugas Sebelum membuat daftar spesifikasi peralatan, perancang dihadapkan pada beberapa pertanyaan yang sifatnya mendasar dan kritis di bawah ini yang harus dijawab terlebih dahulu: •
Apa fungsi dari peralatan?
•
Untuk itu apa saja yang harus dirancang?
•
Bagaimana karakteristik dari draft pembajakan dan peralatan yang dirancang?
Jawabannya adalah: Peralatan yang digunakan untuk simulasi penurunan draft pembajakan dan konsumsi energi sebagai akibat dari getaran batang bajak yang tereksitasi oleh variasi draft pembajakan. Untuk itu peralatan yang dirancang meliputi soil bin
37
(guna simulasi tanah padat), peralatan guna simulasi bajak getar dan instrumentasi guna pengukuran draft pembajakan dan energi. Informasi penting tentang karakteristik draft pembajakan adalah sifatnya yang hampir berupa fungsi periodik. Disamping itu peralatan yang dirancang sifatnya adalah modular sehingga dapat digunakan untuk keperluan simulasi membajak tanah lainnya. Selanjutnya dibuat spesifikasi menyeluruh dari peralatan yang dirancang yang meliputi geometri, kinematika, gaya, energi, material, sinyal, keselamatan, produksi, kontrol kualitas, perakitan, pengoperasian, perawatan dan biaya. Setiap spesifikasi dikelompokkan sesuai dengan kebutuhannya yang meliputi kelompok demand (D) yaitu persyaratan yang harus dipenuhi oleh peralatan dan kelompok wishes (W) yaitu persyaratan tambahan berupa keinginan dari perancang ataupun pengguna. Persyaratan ini diurut menurut derajat prioritas dan sedapat mungkin disajikan secara kuantitatif. Dengan demikian ada kejelasan tentang spesifikasi peralatan yang akan dibangun. Spesifiksi lengkap peralatan yang dirancang ditunjukkan pada Tabel 2. Daftar spesifikasi tersebut diabstraksikan tahap demi tahap sehingga didapat abstraksi perancangan yang merupakan masalah yang esensiil. Abstraksi ke satu: Abstraksi ke satu adalah proses untuk menghilangkan hal-hal yang bersifat subjektif dan hal-hal yang kurang berhubungan dengan fungsi peralatan. Demikian pula data kuantitatif sedapat mungkin diubah menjadi data kualitatif. Berdasarkan hal tersebut, maka daftar spesifikasi pada Tabel 2 dapat diabstraksikan menjadi: •
Dirancang dalam skala laboratorium.
•
Soil bin bergerak mendatar dengan kecepatan konstan dan dapat divariasikan.
•
Tanah dipadatkan dalam arah vertikal dan dibongkar dalam arah mendatar
•
Memadatkan tanah sampai dengan tahanan penetrasi sesuai dengan kondisi lapang.
•
Batang bajak bergetar dengan sendirinya akibat variasi draft pembajakan.
38
•
Dengan penggetaran maka draft pembajakan menjadi turun dan ukuran bongkaran tanah menjadi lebih kecil (dibandingkan dengan tanpa penggetaran)
•
Dilengkapi dengan peralatan untuk menyimpan energi akibat variasi draft pembajakan. Energi yang disimpan selanjutnya digunakan untuk menggetarkan batang bajak.
•
Batang bajak bergetar di sekitar frekuensi resonansi.
•
Konsumsi energi dengan penggetaran menjadi turun.
•
Draft pembajakan dan kecepatan membajak di ukur.
Abstraksi ke dua Abstraksi ke dua adalah proses mengubah data yang bersifat kuantitatif menjadi data yang bersifat kualitatif (bila masih ada) dan disimpulkan dalam bentuk persyaratan yang mendasar: •
Dirancang dalam skala laboratorium
•
Memadatkan tanah dan membajak tanah padat.
•
Energi yang diberikan oleh draft pembajakan disimpan selanjutnya diubah menjadi energi mekanis sebagai energi tambahan dan digunakan untuk penggetaran batang bajak.
•
Dengan penggetaran maka draft pembajakan maupun konsumsi energinya menjadi turun dan kualitas tanah menjadi lebih baik.
•
Mengukur draft pembajakan dan kecepatan membajak.
Abstraksi perancangan: Selanjutnya dibuat abstraksi perancangan yang merupakan masalah esensiil yang diabstraksikan dari abstraksi ke dua dan hasilnya adalah: Merancang peralatan dalam skala laboratorium guna simulasi penurunan draft pembajakan dan energi pada subsoiler getar jenis self-excited vibration.
39
Tabel 2 Daftar spesifikasi peralatan Rdt:Radite Suw:Suastawa Tnk:Tineke Ags:Agus Halim Shs:Harsono Perubahan Suw, 26/07/2009
Rdt, 13/09/2009
Sekolah Pasca Sarjana Institut Pertanian Bogor Soeharsono (F1640701420
Halaman 1/2
Daftar Spesifikasi Geometris Dirancang dalam skala laboratorium
D/W
Ukuran: panjang: 6 m dan lebar 1.5 m
W
Menggunakan chisel plow dengan batang lurus dan batang miring
W
D
Kinematika Soil bin bergerak mendatar dengan kecepatan konstan
D
Kecepatan gerak Soil bin dapat divariasikan
D
Memadatkan tanah dalam arah vertikal.
D
Membongkar tanah dalam arah horisontal.
D
Gaya Tnk, 1309-2009
Rdt, 13-09-2009
Memadatkan tanah sampai dengan tahanan penetrasi 3 MPa
W
Batang bajak bergetar dengan sendirinya akibat variasi draft pembajakan.
D
Batang bajak bergetar di sekitar frekuensi resonansi.
W
Draft pembajakan dengan penggetaran lebih rendah dibandingkan dengan draft pembajakan tanpa penggetaran
D
Gaya akibat penggetaran menjadikan tanah lebih gembur.
W
Draft pembajakan tidak membuat struktur ikut bergetar
W
Energi Dilengkapi dengan peralatan guna menyimpan energi akibat variasi draft pembajakan. Shs, 20/12/2010
Penggetaran berenergi rendah
D W
Material Membongkar tanah berpasir dan tanah liat.
D
Peralatan dibuat dari bahan yang mudah didapat di pasaran
D
Tidak memerlukan perlakuan khusus (heat treatment).
W
Menggunakan produk jadi yang ada di pasaran.
W
40
Tabel 2 Daftar spesifikasi peralatan (lanjutan) Rdt:Radite Suw:Suastawa Tnk:Tineke Ags:Agus Halim Shs:Harsono Perubahan
Sekolah Pasca Sarjana Institut Pertanian Bogor Soeharsono (F1640701420
Halaman 1/2
Daftar Spesifikasi
D/W
Signal Mengukur kepadatan tanah Mengukur draft pembajakan Mengukur getaran Mengukur kecepatan membajak Mengukur konsumsi energi
D D W W W
Keselamatan dan ergonomis Tidak membahayakan saat pengopersian Tidak membahayakan saat pemasangan ataupun pelepasan Saat beroperasi tidak menimbulkan suara berisik.
D D D
Perakitan Ags, 07/07/2009
Dapat dilakukan transportasi jarak jauh pada peralatan.
D
Dapat dipasang dan dilepas dengan mudah
W
Waktu pemasangan dan pelepasan singkat
W
Pengoperasian Dapat dioperasikan pada tanah keras dengan komposisi unsur yang bervariasi
D
Membajak tanah sampai dengan kedalaman 0.3 m
W
Perawatan Tidak memerlukan perawatan khusus
W
Biaya Tidak memerlukan biaya besar dalam pembuatan dan perawatan
W
41
Menyusun Struktur Fungsi Struktur fungsi yang menggambarkan cara kerja peralatan disusun dalam bentuk diagram blok ditunjukkan pada Gambar 17. Setiap blok menyatakan hubungan (fungsi transfer) antara masukan dan keluaran, sedangkan fungsi transfer itu sendiri berupa diubah, diteruskan, dibesarkan dan diproses. Struktur fungsi terdiri atas aliran tanah, aliran energi dan aliran sinyal. Sample tanah yang telah terkondisi (ukuran butir tanah dan kandungan air di dalam tanah) dipadatkan di dalam soil bin, selanjutnya tanah padat dibajak dan digemburkan. Untuk energi masukan digunakan energi listrik (tegangan listrik dan arus listrik) dan energi aliran fluida (tekanan dan laju aliran), selanjutnya energi tersebut diubah menjadi energi mekanis guna memadatkan tanah, membajak tanah serta menggemburkan tanah dari hasil membajak tanah serta digunakan sebagai energi gerak lainnya.
Energi Ubah energi M
Tanah terkondisi
Tanah dipadatkan
Ubah energi M
Tanah dibajak
Simpan energi potensial
Tanah digemburkan
Tanah terbongkar
Ukur gaya Ukur kepadatan
Ukur kecepatan
Ukur gaya
Ukur getaran sinyal
Gambar 17 Struktur fungsi yang menggambarkan cara kerja peralatan. Energi yang diakibatkan oleh variasi draft pembajakan ke pisau bajak dioptimalkan untuk disimpan di perangkat mekanis sebagai energi potensial, selanjutnya diubah menjadi energi mekanis sebagai energi tambahan guna membajak tanah. Aliran sinyal menggambarkan kapan dilakukan pengukuran kepadatan tanah, mengukur besar draft pembajakan, mengukur getaran, mengukur kecepatan membajak. Energi untuk membajak tanah tidak diukur karena dapat
42
diganti dengan perkalian antara draft pembajakan dengan kecepatan membajak. Terlihat bahwa struktur fungsi yang dibuat memberikan kejelasan cara kerja dari konsep peralatan yang dirancang. Prinsip Solusi Prinsip solusi dari setiap sub struktur fungsi disusun dalam bentuk matriks dibagi menjadi tiga bagian/tahap yaitu solusi tahap memadatkan tanah (Gambar 18), solusi tahap membongkar (membajak) tanah (Gambar 19) dan solusi pengukuran (Gambar 20). Perubahan energi dari energi hidrauliks ke energi mekanis ditunjukkan pada solusi A1 dan E1 (silinder hidrauliks) dan solusi A2 dan E2 (motor hidrauliks) sedangkan perubahan dari enegi mekanis ke energi mekanis ditunjukkan pada solusi B1 dan F1 (transmisi roda gigi), solusi B2 dan F2 (sistem konveyor) dan solusi B3 dan F4 yaitu transmisi dengan menggunakan lead screw untuk gerak linier (Gambar 18-19). Prinsip solusi dari menyimpan energi yang diakibatkan variasi draft pembajakan ditunjukkan pada Gambar 19 yaitu matriks solusi G1 (fly wheel/menyimpan energi kecepatan), solusi G2 (energi regangan disimpan di pegas sebagai energy potensial) dan matriks solusi G3 (energi potensial massa) Prinsip solusi saat memadatkan tanah ditunjukkan pada Gambar 18 yaitu pada solusi C1-C3 dan solusi D1-D3. Solusi C1 adalah silinder hidrauliks menekan roll ke bawah sehingga pemadat tanah memadatkan, selanjutnya bergerak maju dan rol berputar, solusi C2 adalah silinder hidrauliks menekan roll ke bawah sehingga pemadat tanah memadatkan dan roll bergerak maju tanpa roll berputar, solusi C3 adalah roll hanya ditekan oleh silinder hidrauliks sehingga pemadat tanah hanya memadatkan saja sedangkan solusi C4 adalah memadatkan tanah tanpa dilengkapi dengan rol, dalam hal ini pemadatan tanah dilakukan oleh pelat yang ditekan. Solusi D1 adalah soil bin ditarik sehingga soil bin bergerak maju atau mundur secara kontinyu, solusi D2 sadalah soil bin diam sedangkan solusi D3 adalah soil bin ditarik bergerak maju atau mundur secara terputus-putus.
43
1
2
3
4
Hid. mekanis A Ubah energi
Cyl. hydraulics
Hyd. motor
mekanis mekanis B
Gear transmission
Chain conveyor
leadscrew
C Memadatkan tanah D
Gambar 18 Prinsip solusi dari operasi memadatkan tanah. Dilakukan penggabungan prinsip solusi menjadi konsep varian memadatkan tanah sebagai berikut: 31: 1 1 1 1 32: 1 2 2 33: 1 3 1 3 34: 1 4 2 3 41: 1 1 2 1 42: 2 2 2 43: 1 3 2 3
44
1
2
3
Hid . mekanis Ubah energi
E
Cyl. hydraulics
F
Gear transmission
Hyd. motor
mekanis mekanis
Chain conveyor
leadscrew
Strain energy
Potential energy
ω J
Simpan energi
G
Membongkar tanah
Kinetics enrgy
H Soil bin + tool moved
Tool moved
Soil bean moved
Gambar 19 Prinsip solusi dari operasi membongkar (membajak) tanah. Dilakukan penggabungan prinsip solusi menjadi konsep varian memadatkan tanah sebagai berikut: 11: 1 1 2 1 12: 1 2 2 2 13: 3 3 2 3 21: 2 1 2 1 22: 2 2 2 2 23: 2 3 2 3
Prinsip solusi saat membajak tanah ditunjukkan pada Gambar 19 yaitu pada solusi H1-H3. Solusi H1 adalah solusi di mana soil bin dan pisau bajak digerakkan saling bergerak berlawanan arah. Pada solusi H2 hanya pisau bajak yang bergerak maju membajak tanah sedangkan solusi H3, soil bin digerakkan maju sehingga pisau bajak membajak tanah yang ada di dalam soil bin. Prinsip solusi guna pengukuran ditunjukkan pada Gambar 20. yang terdiri atas solusi dalam pengukuran gaya (solusi A1-A4 dan B1-B3) dan solusi dalam pengukuran kecepatan (solusi C1-C3). Untuk pengukuran gaya digunakan load cell
45
dan sistem sensor regangan yang dipasang pada poros yang berputar. load cell yang dipilih semuanya mempunyai potensi dalam mengukur beban dalam tiga orientasi sekaligus yaitu gaya dalam arah x arah y dan mengukur momen (kecuali slip ring dan strain gage). Transducer jenis slip ring dan strain gage hanya bisa digunakan mengukur torsi yang diubah menjadi pengukuran gaya sehingga hanya dapat digunakan untuk mengukur gaya dalam satu orientasi saja. Untuk ring transducer, bila digunakan untuk mengukur beban yang relatif besar diperlukan ukuran yang besar pula. Di samping itu pemasangan sensor regangan pada transducer pada umumnya juga kurang teliti sehingga berpengaruh pada ketelitian mengukur beban. Untuk octagonal ring transducer, bila digunakan untuk mengukur beban yang relatif besar diperlukan ukuran yang besar namun ada kemudahan dalam memasang sensor regangan. Kesulitan memasang sensor regangan juga dapat terjadi pada extended ring transducer, namun karena bentuknya maka untuk beban yang besar tidak diperlukan ukuran yang besar. Yang ideal adalah extended octagonal ring transducer, disamping strain gage dapat dengan mudah dan teliti dipasang, transducer juga dapat digunakan untuk mengukur beban yang relatif besar dengan ukuran yang relatif kecil.
Gambar 20 Prinsip solusi pengukuran gaya dan kecepatan.
46
Digunakan tiga solusi dalam mengukur kecepatan yaitu encoder (C1), potensiometer (C2), inverter (C3) dan flowmeter digital. Encoder memang merupakan peralatan guna mengukur kecepatan sehingga ideal jika digunakan. Potensiometer dapat digunakan untuk mengukur jarak yang ditempuh (posisi) sehingga diperlukan perangkat yang diperlukan untuk mendiferensialkan grafik posisi sebagai fungsi dari waktu. Flow meter digital digunakan untuk mengukur laju aliran selanjutnya dikonversi guna pengukuran kecepatan. Inverter merupakan peralatan yang digunakan untuk mengatur kecepatan rata-rata sehingga bila yang diperlukan dalam penelitian adalah kecepatan rata-rata seperti yang dilakukan dalam penelitian ini, maka peralatan yang dipilih untuk mengukur kecepatan adalah inverter. Penggabungan prinsip solusi dihasilkan tiga belas variant concept (VC), yaitu tujuh VC di prinsip solusi memadatkan tanah (VC31, VC32, VC33, VC34, VC41, VC42, VC43) dan enam VC di prinsip solusi membajak tanah (VC11, VC12, VC13, VC21, VC22, VC23). Pada prinsip solusi pengukuran, dipilih yang menguntungkan untuk digunakan yaitu load cell jenis Extended Octagonal Ring Transducer sedangkan inverter digunakan sebagai pedoman untuk kecepatan ratarata membajak tanah. Dipilih kombinasi yang memungkinkan dari varian prinsip solusi memadatkan tanah dan membongkar tanah dan hasilnya adalah empat belas konsep varian: 1 31 21
2 31 11
3 41 21
4 41 11
5 32 12
6 32 22
7 42 12
8 41 22
9 33 13
10 33 23
11 43 13
12 43 23
13 34 13
14 34 23
Evaluasi Variant Concept secara Kualitatif Variant concept V1 sampai dengan V14 dievaluasi secara kualitatif seperti terlihat pada Tabel 2. Digunakan kriteria evaluasi dan kriteria solusi berada pada kolom A sampai dengan kolom G yang meliputi sesuai dengan daftar kehendak
47
dan fungsi secara keseluruhan, secara prinsip dapat diwujudkan, dalam batasan biaya produksi, pengetahuan tentang konsep memadahi, disetujui oleh pembuat dan memenuhi syarat keamanan. Keputusan solusi varian ada pada kolom H. Hasil evaluasi menunjukkan bahwa varian yang sesuai adalah varian V9, varian V12 dan V14. Ke tiga varian tersebut ditunjukkan pada Gambar 21-23. Tabel 3 Pemilihan kombinasi varian Soeharsono F164070142
Selection chart Untuk varian-varian yang dipilih
Varian solusi dievaluasi dengan kriteria solusi (+) Ya (-) Tidak (?) Kekurangan informasi (!) Periksa spesifikasi Sesuai fungsi keseluruhan
Keputusan tanda solusi varian (+) Mengikat solusi (-) Menghilangkan solusi (?) Mengumpulkan informasi (!) Memeriksa spesifikasi
Sesuai daftar kehendak Secara prinsip dapat diwujudkan Dalam batasan biaya produksi Pengetahuan tentang konsep memadai Disetujui oleh pembuat (manufacturer) Memenuhi syarat keamanan
A
B
C
D
E
F
G
V1
+
+
+
-
+
-
-
V2
V9
+ + + + + + + +
+ + + + + + + +
+ + + + + + + +
+
+ + + + + + + +
+
+
V10
+
+
-
!
+
-
+
V11
+
+
+
-
+
-
+
V12
+
+
+
+
+
+
+
V13
+
+
-
+
+
-
+
V14
+
+
+
+
+
+
+
V3 V4 V5 V6 V7 V8
PENJELASAN Gerakan di atas (sejajar kepala) membahayakan operator, perlu tambahan unit power-pack Sama dengan penjelasan V1 Sama dengan penjelasan V1 Sama dengan penjelasan V1 Sama dengan penjelasan V1 Sama dengan penjelasan V1 Sama dengan penjelasan V1 Sama dengan penjelasan V1 sesuai Diperlukan dua mekanisme untuk menggerakkan soil bin Diperlukan dua mekanisme untuk menggerakkan soil bin sesuai Diperlukan dua mekanisme untuk menggerakkan soil bin
sesuai
H -
+ -
+ + +
48
Gambar 21. Konsep peralatan varian V9, soil bin digerakkan oleh tenaga silinder hidrauliks, pemadatan tanah dilakukan oleh silinder hidrauliks.
Gambar 22 Konsep peralatan varian V12., soil bin digerakkan oleh mekanisme konveyor, pemadatan tanah dilakukan oleh silinder hidrauliks.
49
Gambar 23 Konsep peralatan varian V14, soil bin digerakkan oleh mekanisme konveyor, pemadatan tanah dilakukan oleh mekanisme lead sqrew. Evaluasi Konsep Varian Secara Kuantitatif Evaluasi kuantitatif meliputi penilaian teknis, keamanan, lingkungan, dan nilai-nilai ekonomis. Secara umum langkah-langkah untuk mengevaluasi secara konseptual adalah : a. Menentukan kriteria evaluasi didasarkan pada spesifikasi yang telah dibuat. Selanjutnya memberikan bobot kriteria evaluasi dengan memilih tingkat pengaruh yang berbeda terhadap varian konsep. b. Agar perbandingan setiap varian konsep dapat terlihat dengan jelas, maka dipilih parameter yang dapat dipakai untuk setiap varian.
Gambar 24 Menyusun kriteria eveluasi ke i dan ke j. Pada Gambar 24, Ci manyatakan kriteria evaluasi ke i, Pi menyatakan bobot pada kriteria evaluasi yang ke i sedangkan Wi jumlah bobot yang ke i, jumlah bobot 1. Kriteria evaluasi Ci dipecah menjadi dua kriteria
50
yaitu Ci1 dengan bobot Pi1 dan Ci2 dengan bobot Pi2. Bobot total masing-masing kriteria evaluasi adalah Wi1 dan Wi2 di mana Wi1= Wi * Pi1 dan Wi2= Wi* Pi2 serta Wi1+ Wi2 = Wi. Secara umum berlaku: ∑ 100 %. Mudah dioperasikan
operasi kerja W11 0.3
W111 0.3
W111 0.5
0.15
W1111 0.15
Mudah dalam pengukuran W112 0.5
0.15
W1121 0.15
Jumlah komponen sedikit W121 0.3
Konstruksi W12 0.3
W121 0.3
Mekanisme sederhana W122 0.3
W123 0.4
W=1
W1231 0.12
Mudah diproduksi
W1=1 Kemudahan diproduksi W13 0.2
W131 0.2
W1311 0.4
W13111 0.08
W1312 0.3
W1313 0.3
W13121 0.06
W13131 0.06
Aman bagi peralatan W14 0.2
W141 0.2
Tidak memerlukan perawatan khusus W12311 0.4
Frek. penggantian komponen rendah W12312 0.6
0.048
W113111 0.048
0.072
W123121 0.072
0.08
Mudah dirakit
Mudah dalam transportasi
keamanan
0.09
W1221 0.09
Mudah dalam perawatan
Bajak getar self-excited
0.09
W1211 0.09
W1411 0.4
0.06
0.06
0.08
W14111 0.08
Aman bagi operator W1412 0.6
W14121 0.12
0.12
Jumlah = 1
Gambar 25 Menyusun parameter objectif perancangan. Kriteria evaluasi dari rancangan yang dibuat ditunjukkan pada Gambar 25 Kriteria pertama dari produk adalah operasi kerja dengan bobot 30 %, konstruksi dengan bobot 30 %, kemudahan diproduksi dengan bobot 20 % dan kriteria
51
keamanan dengan bobot 20 %. Jumlah bobot adalah: ∑"# 100 %. Penyusunan kriteria evaluasi dilanjutkan sehingga didapat sebelas kriteria evaluasi seperti terlihat pada Gambar 25. Selanjutnya kriteria evaluasi pada Gambar 25 ditabulasikan dan digunakan untuk mengevaluasi V9, V12 dan V13 seperti terlihat pada Tabel 4. Setiap varian dievaluasi sesuai dengan kriteria evaluasi yang telah ditentukan dan diberi nilai dari 1-10. Bobot dari setiap kriteria eveluasi merupakan hasil perkalian antara Wt dengan nilai setiap bobot evaluasinya. Pada baris 1 varian V9 dinilai lebih sulit dioperasikan dibandingkan dengan varian yang lain dalam mengoperasikan peralatan. Hal ini disebabkan oleh kesulitan mengatur kecepatan gerak dari soil bin yang didorong oleh silinder hidrauliks. Demikian pula dengan kriteria evaluasi no 3, jumlah komponen untuk varian V9 dievaluasi lebih banyak dibandingkan dengan varian lainnya. Hal ini karena perangkat hidrauliks untuk mendorong soil bin harus dilengkapi dengan beberapa flow control valve, directional control valve, pressure relieve valve dan lain sebagainya. Untuk perangkat hidrauliks yang demikian diperlukan teknisi khusus yang harus mengerti tentang sistem hidrauliks sehingga kemudahan perawatan untuk kriteria evaluasi dari varian V9 dievaluasi lebih sulit dibandingkan dengan varian yang lain. Pembobotan dijumlahkan dan hasilnya menunjukkan bahwa bobot total dari varian V9 adalah 6.31, bobot total varian V12 adalah 7 sedangkan bobot total untuk varian V14 adalah 6.81. Dengan demikian rancangan konsep optimum guna simulasi selfexcited vibration pada bajak getar adalah gambar konsep varian V12 seperti terlihat pada Gambar 22. Rancangan peralatan yang telah dibuat baru berupa rancangan konsep optimum (yang merupakan kerja manajerial). Rancangan konsep ini sifatnya adalah universal dan dapat diterjemahkan menjadi rancangan wujud maupun menjadi peralatan yang berbeda-beda sesuai dengan kondisi kerja dari peneliti. Agar dapat diwujudkan menjadi peralatan, perlu dilengkapi dengan rancangan wujud dan rancangan detil (yang merupakan kerja tingkat teknisi). Walaupun demikian pada karya ini ditampilkan informasi tambahan tentang rancangan wujud sehingga didapat gambaran yang lebih jelas tentang peralatan yang akan dibangun.
52
53
Informasi Tambahan Perancangan Wujud Hasil rancangan wujud berupa layout drawing (gambar susunan/wujud), component shape dan material. Dengan menggunakan prinsip kesederhanaan, kejelasan, dan keamanan, maka gambar konsep optimum pada Gambar 22 dapat diwujudkan menjadi gambar wujud seperti terlihat pada Gambar 26, dengan bagian utama peralatan meliputi struktur landasan, soil bin, mesin pres hidrauliks (untuk memadatkan tanah) dan bajak getar beserta struktur pengikatnya. Integrasi dari bagian utama ini menunjukkan bahwa peralatan yang akan dibuat adalah sederhana dan jelas. Dikatakan sederhana karena bentuknya yang sederhana dengan jumlah komponen yang sedikit serta jelas karena hanya dengan melihat gambar saja sudah bisa diketahui kegunaan peralatan, disamping itu juga ada kejelasan fungsi dan hubungan antar fungsi dari setiap komponen.
Gambar 26 Rancangan wujud dari peralatan guna simulasi self-excited vibration vibratory tillage. Hasil rancangan wujud dari struktur landasan ditunjukkan pada Gambar 27. (Willy 2009). Sesuai dengan fungsinya, struktur terdiri atas drive unit guna penggerak soil bin (motor listrik, gearbox, transmisi rantai, dan rantai konveyor), rel dan kerangka guna landasan gerak soil bin. Pada daerah di mana tanah dipadatkan, struktur menerima beban paling berat yaitu sekitar 30 kN, oleh karena itu hanya pada daerah ini struktur diperkuat dengan cara penambahan banyak profil penguat.
54
Gambar 27 Rancangan wujud struktur landasan. Hasil rancangan wujud dari soil bin ditunjukkan pada Gambar 28 (Roberto 2009), terdiri atas roda, kotak tanah dan pengait guna menghubungkan soil bin dengan rantai penggerak. Roda tidak dilengkapi dengan peralatan guna menahan soil bin agar tidak bergerak ke atas karena gerakan ini direncanakan ditahan oleh berat soil bin (termasuk tanah yang ada di dalamnya) dan ditahan oleh load cell.
Gambar 28 Rancangan wujud dari soil bin. Hasil rancangan wujud dari mesin hidrauliks pemadat tanah ditunjukkan pada Gambar 29 (Angga, 2009), terdiri atas silinder hidrauliks, pelat adaptor, rol silinder penekan dan guide way. Silinder hidrauliks mempunyai kapasitas gaya sekitar 30 kN dan diharapkan mampu mamadatkan tanah sampai dengan tahanan
55
penetrasi sekitar 3 MPa. Konstruksi dibuat kokoh dan kaku sehingga deformasi akibat beban dapat diabaikan.
Silinder hidrauliks
Pelat adaptor
Guide way
Rol silindris penekan
Gambar konsep
Gambar wujud Gambar 29 Rancangan wujud dari mesin hidrauliks pemadat tanah. Hasil dan Pembahasan Perancangan dimulai dari klarifikasi tugas dengan cara menjawab beberapa pertanyaan kritis yang meliputi fungsi peralatan, apa saja yang harus dirancang serta karakteristik draft pembajakan dan peralatan yang dirancang. Hasilnya adalah peralatan yang digunakan untuk mensimulasikan penurunan draft pembajakan beserta konsumsi energi sebagai akibat dari getaran batang bajak yang tereksitasi oleh variasi draft pembajakan. Peralatan yang dirancang meliputi soil bin, peralatan guna simulasi bajak getar dan instrumentasi guna pengukuran draft pembajakan dan energi. Informasi penting tentang karakteristik draft pembajakan adalah sifatnya yang hampir berupa fungsi periodik. Di samping itu peralatan yang dirancang sifatnya adalah modular sehingga dapat digunakan untuk keperluan simulasi bajak lainnya. Selanjutnya dibuat daftar spesifikasi menyeluruh tentang peralatan yang dirancang (Tabel 2). Informasi penting dan
56
fundamental adalah perubahan spesifikasi peralatan (SUW, 26/07/2009) bahwa peralatan yang dirancang harus dalam skala laboratorium. Daftar spesifikasi ini digunakan sebagai pertimbangan pada semua tahapan perancangan berikutnya dan diabstraksikan dalam tiga tahap. Tahap pertama merupakan gabungan dari tahap menghilangkan hal-hal yang bersifat subjektif, tahap menghilangkan hal-hal yang kurang berhubungan dengan fungsi peralatan serta tahap mengubah data kuantitatif menjadi data kualitatif. Abstraksi berikutnya adalah membuat pernyataan yang lebih umum yang didapat dari abstraksi ke satu. Abstraksi terakhir berupa masalah esensiil yang harus dipecahkan yaitu “Merancang peralatan dalam skala laboratorium guna simulasi penurunan draft pembajakan dan energi pada subsoiler getar jenis self-excited vibration”. Terlihat bahwa abstraksi terakhir merupan masalah esensiil dari hasil klarifikasi tugas. Fungsi struktur yang dibuat (Gambar 17) menggambarkan cara kerja dari peralatan yang terdiri atas aliran tanah, energi dan aliran sinyal serta tetap berpedoman kepada daftar spesifikasi yang telah dibuat. Aliran tanah diawali dengan memadatkan tanah selanjutnya tanah dibongkar dan digemburkan. Energi diberikan pada saat memadatkan tanah, membajak dan menggemburkan tanah sedangkan energi akibat variasi draft pembajakan disimpan dalam bentuk energi potensial yang akan digunakan untuk menurunkan draft pembajakan beserta konsumsi energinya. Prinsip solusi dipisah-pisah sesuai dengan fungsinya (Andrew et al. 2010) menjadi tiga bagian yaitu prinsip solusi memadatkan tanah (Gambar 18), prinsip solusi mmbajak tanah (Gambar 19) dan prisip solusi pengukuran (Gambar 20). Kombinasi dari setiap prinsip solusi dihasilkan empat belas varian konsep yaitu V1-V14 yang selanjutnya dievaluasi secara kualitatif. Meskipun evaluasi ini dilakukan seobyektif mungkin, namun sulit dihindari evaluasi yang sifatnya subyektif terutama pada kriteria disetujui oleh pembuat. Hal ini bisa dimengerti karena keterbatasan peralatan yang dimiliki oleh pembuat. Evaluasi menghasilkan tiga konsep varian yaitu varian V9 (gambar 21), varian V12 (Gambar 22) dan varian V14 (gambar 23).
57
Dibuat kriteria evaluasi kuantitatif yang bagian utamanya terdiri atas operasi kerja (30 %) , konstruksi (30 %), kemudahan diproduksi (20 %) dan keamanan (20 %). Detil dari kriteria evaluasi tersebut ditunjukkan pada Gambar 25. Evaluasi secara kuantitatif dari ke tiga varian (Tabel 3) menunjukkan bahwa varian V12 mempunyai bobot total paling tiggi sehingga varian tersebut dipilih sebagai rancangan konsep optimum dari peralatan guna simulasi penurunan draft pembajakan bajak getar jenis self exited vibration. Peralatan terdiri atas sebuah soil bin, satu unit peralatan guna memadatkan tanah, satu unit bajak getar dan satu unit peralatan guna mengukur gaya. Soil bin digerakkan maju dan mundur oleh sebuah konveyor rantai. Perangkat pemadatan tanah terdiri atas sebuah roll silindris yang ditekan oleh sebuah silinder hidrauliks. Perangkat bajak getar dilengkapi dengan sebuah pegas semi-eliptis yang berfungsi untuk menyimpan energi potensial dalam bentuk strain energi. Perangkat guna mengukur gaya terdiri atas sebuah load cell jenis extended octagonal ring, sebuah instrumented amplifier, sebuah analog to digital converter dan sebuah komputer. Gambar 22 memperlihatkan rancangan konsep peralatan yang sederhana dan jelas, baik kejelasan hubungan antar fungsi maupun kejelasan prinsip kerja, sehingga peralatan yang dirancang mudah dimengerti. Informasi tambahan tentang rancangan wujud dibuat dengan menggunakan prinsip kesederhanaan, kejelasan dan keamanan dan didasarkan atas rancangan konsep optimum. Hasilnya ditunjukkan pada Gambar 26 (Gambar susunan peralatan), Gambar 27 (landasan gerak soil bin), Gambar 28 (soil bin) dan Gambar 29 (mesin hidrauliks pemadat tanah). Terlihat bahwa perlatan yang dibuat adalah sederhana (bentuknya tidak kompleks dan jumlah komponen sedikit) serta jelas yang meliputi kejelasan prinsip kerja peralatan, kejelasan fungsi setiap komponen peralatan dan kejelasan hubungan antar fungsi peralatan. Walaupun demikian belum nampak adanya kriteria keamanan pada gambar wujud yang dibuat. Hal ini karena hasil perhitungan kekuatan terhadap semua komponen yang dirancang tidak ditunjukkan pada bab ini.
58
Kesimpulan Beberapa hal yang menarik untuk disimpulkan dari pembahasan ini adalah: •
Telah dihasilkan gambar rancangan konsep optimum dari peralatan guna simulasi self-excited vibration vibratory-tillage.
•
Telah dihasilkan pula rancangan wujud dari peralatan yang sederhana dan jelas, baik kejelasan bentuk, fungsi maupun hubungan antar fungsi.
•
Rancangan tersebut meliputi peralatan guna memadatkan tanah, peralatan guna membajak tanah, soil bin dan instrumentasi. Dengan demikian diharapkan dapat diwujudkan menjadi peralatan yang dapat menjamin keberhasilan penelitian ini. Daftar Pustaka
Andrew J, Wodehouse, William JI. 2010. Information use in conceptual design: existing taxonomies and new approaches. International Journal of Design 4; 3: 53-65. Angga Ma’ruf Saputra. 2009. Analisa dan optimasi struktur rangka alat pemadat tanah dengan FEM [skripsi]. Jakarta: Fakultas Teknologi Industri Universitas Trisakti. Berntsen R, Berre B, Torp T, Aasen H, 2006. Tine force established by a twolevel and the draft requirement of rigid and flexible tines. Soil and Tillage Research 90: 230-241. 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. Israel dunmade, 2005, Designing agricultural machinery for environment, CSAE/SCGR Meeting, Winnipeg, Manitoba, Paper No. 05-066. Pahl G, Beit W. 1976, Engineering design, London: The Design Council. Radite PAS, Wawan Hermawan, Suastawa IN. 2003, Pengembangan subsoiler getar 2-bajak, Gakuryoku. IX;2: pp 181-186.
59
Roberto. 2009. Perancangan soil bin dan optimasi menggunakan FEM analysis [skripsi]. Jakarta: Fakultas Teknik Universitas Tarumanagara. Willy. 2009. Perancangan sistem conveyor untuk soil bin [skripsi]. Jakarta: Fakultas Teknik Universitas Tarumanagara.
