i
RANCANG BANGUN DAN PENGUJIAN BALON UDARA PANAS ALAT PENYEMPROT PADI TIPE BALON
NURAHMAN
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2015
ii
iii
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Rancang Bangun dan Pengujian Balon Udara Panas Alat Penyemprot Padi Tipe Balon adalah benar karya saya dengan arahan dari pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini. Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor. Bogor, Agustus 2015 Nurahman NIM F14100063
iv
v
ABSTRAK NURAHMAN. Rancang Bangun dan Pengujian Balon Udara Panas Alat Penyemprot Padi Tipe Balon. Dibimbing oleh RADITE PRAEKO AGUS SETIAWAN. Penelitian ini bertujuan untuk merancang dan menguji kinerja balon udara panas berbentuk elipsoid (zeppelin) sebagai pembawa alat penyemprot padi. Perancangan balon tersebut mengacu pada The Standard Atmosphere (ISA) dan The Royal Aeronautical Society untuk penentuan dimensi balon. Dari hasil perhitungan diperoleh dimensi balon udara dengan bentuk elipsoid yaitu volume, panjang total, dan diameter terbesar berturut-turut sebesar 40 m3, 10.8 m, dan 2.7 m. Analisis kekuatan rangka diperoleh τ sebesar 0.13 kg/mm2 < τijin dan σ sebesar 0.044 kg/mm2 < σijin, dan efisiensi sambungan paku rivet sebesar 50% dan rangka dinyatakan layak. Hasil uji kemampuan angkat beban oleh udara panas dengan suhu dalam dan luar rata-rata berturut-turut sebesar 93.4 oC dan 57.3 oC mampu mengangkat beban total sebesar 3.8 kg. Dari hasil pengujian dapat dinyatakan balon udara panas tidak mampu mengangkat beban sesuai rencana yaitu 10 kg. Diperlukan balon dengan volume 105.3 m3 untuk dapat mengangkat beban 10 kg. Kata kunci : elipsoid, balon udara panas, sprayer tipe balon ABSTRACT NURAHMAN. Design and Performance Test of Hot Air Balloon for Paddy Sprayer Ballon Type. Supervised by RADITE PRAEKO AGUS SETIAWAN. The objective of this research was to design an airship and conduct the performance test. The design was refered to The Standard Atmosphere (ISA) and The Royal Aeronautical Society for determination of airship’s dimensions. Analysis resulted the dimensional volume, lenght, and diameter were 40 m3, 10.8 m, dan 2.7 m respectively. Analysis of the frame has shown the value τ = 0.13 kg/mm2 < τallowed dan σ = 0.044 kg/mm2 < σallowed, and efficiency of the rivet’s joint was 50 %. The performance test shows the hot air (93.4 oC and 57.3 oC) can be lifted the load up to 3.8 kg. Based on the results it was not feasible in accordance with the plan that can be lifted 10 kg. Balloon with volume 105.3 m3 could lift the load 10 kg. Keywords : Airship, hot air ballon, sprayer balloon type
vi
vii
RANCANG BANGUN DAN PENGUJIAN BALON UDARA PANAS ALAT PENYEMPROT PADI TIPE BALON
NURAHMAN
Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Departemen Teknik Mesin dan Biosistem
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2015
vi
vii
Judul Skripsi : Rancang Bangun dan Pengujian Balon Udara Panas Alat Penyemprot Padi Tipe Balon Nama : Nurahman NIM : F14100063
Disetujui oleh
Dr Ir Radite Praeko Agus Setiawan, MAgr Pembimbing
Diketahui oleh
Dr Ir Desrial, MEng Ketua Departemen
Tanggal Lulus:
viii
ix
PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah subhanahu wa ta’ala atas segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Maret 2 0 1 4 sampai April 2015 ini ialah rancang bangun alat dengan judul Rancang Bangun Dan Pengujian Balon Udara Panas Alat Penyemprot Padi Tipe Balon. Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Dr Ir Radite Praeko Agus Setiawan, MAgr selaku pembimbing, kedua orang tua penulis, dan rekan-rekan mahasiswa Departemen Teknik Mesin dan Biosistem IPB angkatan 2010. Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Agustus 2015 Nurahman
x
vii
DAFTAR ISI DAFTAR ISI
vii
DAFTAR GAMBAR
viii
DAFTAR TABEL
viii
DAFTAR LAMPIRAN
viii
PENDAHULUAN
1
Latar Belakang
1
Rumusan Masalah
2
Tujuan
2
Manfaat Penelitian
2
Ruang Lingkup Penelitian
2
METODE PELAKSANAAN
3
Waktu dan Tempat Penelitian
3
Alat dan Bahan
3
Prosedur Penelitian
4
Perhitungan Kebutuhan Udara Panas
4
Desain Bentuk Balon
4
Perhitungan Gaya Lift dan Drag
5
Perhitungan Rangka
5
Pembuatan Alat
5
Pengujian Fungsional dan Pengujian Kinerja
6
HASIL DAN PEMBAHASAN
7
Kebutuhan Udara Panas
7
Desain Bentuk Balon
7
Gaya Lift
8
Gaya Drag
8
Data dan Spesifikasi Rangka
9
Perhitungan Rangka
9
Ditinjau Dari Tegangan Geser
10
Analisis Titik Berat
10
Sambungan Rangka
11
Pembuatan Alat
11
Uji Fungsional
13
Uji Kinerja
14
viii
SIMPULAN DAN SARAN
17
Simpulan
17
Saran
18
DAFTAR PUSTAKA
18
LAMPIRAN
19
DAFTAR GAMBAR Gambar 1 Diagram Alir Proses Penelitian 3 Gambar 2 Desain Bentuk Balon 4 Gambar 3 Alur Pembuatan Alat 6 Gambar 4 Desain Bentuk Balon 2 7 Gambar 5 Grafik Hubungan Kecepatan Maju Balon dan Gaya Lift 8 Gambar 6 Grafik Hubungan Kecepatan Maju Balon dan Gaya drag 8 Gambar 7 Rangka Sprayer 9 10 Gambar 8 Diagram Pembebanan Gambar 9 Rangka Tampak Samping (a) dan Atas (b) 10 12 Gambar 10 Sketsa Balon, Rangka, dan Posisi Seling Gambar 11 Sketsa Penggelembungan Balon dan Pembakaran Udara 13 Gambar 12 Sketsa Pengujian Gaya Lift dan Gaya Drag 14 Gambar 13 (a),(b) Pengujian Gaya Lift dan (c) Pengujian Gaya Drag 16 Gambar 14 (a), (b), (c) Pengujian Suhu Dalam, dan (d), (e), (f) Pengujian Suhu Luar 17 Gambar 15 Luas Penampang Rangka 22 Gambar 16 Rangka Tampak Samping dan Atas 24
DAFTAR TABEL Tabel 1 Data Beban Maksimal Sambungan Rangka Tabel 2 Waktu Pengoperasian Tabel 3 Gaya Lift dan Gaya Drag Tabel 4 Suhu Dalam dan Suhu Luar Tabel 5 Data Hasil Simulasi Gaya Drag
11 14 15 16 27
DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1 Perhitungan Volume Lampiran 2 Perhitungan Luas Area Lampiran 3 Distribusi Beban Statis Lampiran 4 Simulasi Stress Rangka Lampiran 5 Analisis Titik Berat Lampiran 6 Perhitungan Kekuatan Sambungan Lampiran 7 Data Gaya Lift dan Gaya Drag (teoritis)
19 19 19 23 24 25 26
ix
Lampiran 8 Simulasi Koefisien Drag Lampiran 9 Pembuatan Alat dan Pengujian Alat Lampiran 10 Gambar Teknik
26 27 29
1
PENDAHULUAN Latar Belakang Indonesia adalah negara yang memiliki iklim tropis dimana kegiatan sehariharinya tidak terlepas dari pertanian. Pertanian adalah salah satu kegiatan yang sering dilakukan di Indonesia terutama pertanian padi. Padi merupakan salah satu kegiatan penting karena merupakan bahan makanan pokok masyarakat Indonesia. Beberapa faktor yang mempengaruhi dalam produksi padi adalah pemilihan bibit, pupuk, lingkungan tumbuh, dan pemeliharaan tanaman khususnya menjaga dari hama dan penyakit. Hama dan penyakit merupakan salah satu faktor yang sangat berpengaruh pada proses budidaya padi di Indonesia. Saat ini perkembangan teknologi pertanian didukung dengan dengan inovasi-inovasi teknologi telah mempermudah mengatasi hama dan penyakit tanaman. Contohnya adalah alat atau mesin penyemprot pestisida yang dioperasikan dengan traktor untuk tanaman padi di sawah. Namun mesin-mesin konvensional tersebut tidak bisa beroperasi karena lahan sawah di Indonesia tidak memiliki lapisan keras pada dasar sawah atau tidak terkonsolidasi. Alternatif dari permasalahan tersebut adalah dengan penyemprotan tanpa kontak dengan tanah, yaitu penyemprotan melalui udara. Penyemprotan melalui udara sudah dilakukan pada tahun 1921 oleh Departemen Pertanian US bekerja sama dengan US Army Signal Corps menggunakan pesawat Curtis JN4 yang sudah dimodifikasi, melakukan penyemprotan dari udara yang membasmi ulat sphinx di daerah pertanian Troy, Ohio. Pada era 1970-an, di Indonesia sempat mencuat penggunaan pesawat penyemprot, yaitu ketika terjadi ledakan hama belalang di Kep. Sangirtaulaud dimana pesawat satuan TNI AU melakukan penyemprotan secara berkala dengan pesawat gelatik. Seiring perkembangan dunia dirgantara, pesawat seperti ini sekarang sudah dibuat secara khusus dengan nama agricultural aircraft. Pada alternatif ini memiliki beberapa kekurangan yaitu, pesawat harus diterbangkan dari lahan yang cukup luas yang bebas dari tiang listrik dan pepohonan tinggi. Selain itu pesawat harus mampu terbang serendah mungkin. Alternatif lain adalah adalah menggunakan radio control, seperti pesawat, helikopter dan multikopter. Alternatif ini bisa digunakan di lahan yang relatif lebih sempit dan tidak terganggu dengan tiang listrik maupun pepohonan. Teknologi ini juga mampu melaksanakan tugas secara otomatis dengan memprogram sistem mikrokontrolernya sehingga lebih mudah penggunaannya dibandingkan dengan pesawat, namun penggunaan teknologi ini masih relatif mahal. Selain pengunaan alternatif tersebut, ada satu alternatif yang relatif murah dengan memanfaatkan teknologi penerbangan yaitu adalah balon udara. Balon udara yang sering digunakan adalah balon udara berbentuk elipsoid (zeppelin). Balon zeppelin ini lebih sering disebut dengan airship. Airship memiliki massa yang lebih ringan dari udaradimana tidak seperti pesawat maupun helikopter pada umumnya yaitu menggunakan sayap tetap dan baling-baling, tapi menggunakan daya apung (buoyancy) sebagai daya angkat utama bukan menggunakan sayap maupun baling-
2
baling. Daya angkat diperoleh dari gas pengisi balon dan memiliki densitas lebih kecil daripada udara seperti helium, hirogen, udara panas, dan lain-lain. Bentuk paling umum adalah bentuk menyerupai tetesan air mata ( teardrop ) atau zeppelin dan dapat diklasifikasikan ke bentuk non-rigid, semi-rigid, dan rigid (Casey Stockbridge, Alessandro Cerruti, & Pier Marzocca, 2012). Maka dengan melihat permasalahan tersebut diperlukan teknologi terbaru yang dapat menyelesaikan masalah dalam penyemprotan padi itu sendiri dengan memanfaatkan prinsip penyemprotan dari udara. Teknologi baru tersebut memungkinkan mesin penyemprot pestisida beroperasi tanpa ada kontak dengan tanah melainkan dengan cara melayang di udara. Selain itu teknologi baru tersebut harus relatif lebih murah dari alternatif yang telah ada. Rumusan Masalah Diperlukan suatu alternatif mesin penyemprot yang dapat menyemprot padi dari udara agar operasinya tidak terganggu dengan kondisi lahan di Indonesia. Balon udara panas dapat menjadi alternatif karena relatif murah dan mudah diperoleh. Tujuan Penelitian ini dilakukan untuk beberapa tujuan. Adapun tujuan-tujuan tersebut sebagai berikut : 1) Merancang bangun bagian pengangkat alat penyemprot padi tipe balon udara. 2) Menguji kemampuan membawa beban balon udara panas. Manfaat Penelitian Penelitian ini diharapkan dapat memberikan beberapa manfaat, yaitu: 1) Memberikan alternatif alat penyemprot padi yang lebih efisien. 2) Memberikan rekomendasi desain alat penyemprot padi dalam segi kelayakan di lahan. 3) Menjadi bahan pertimbangan dalam penentuan metode dan penerapan teknologi penyemprotan. Ruang Lingkup Penelitian Ruang lingkup penelitian ini adalah: 1) Desain balon dan bahan gas pengisi dibuat sesuai The Standard Atmosfer (ISA) dan The Royal Aeronautical Society. 2) Gas pengisi adalah udara yang dipanaskan dengan burner. 3) Pengujian kinerja untuk mengetahui kemampuan mengangkat beban.
3
METODE PELAKSANAAN Waktu dan Tempat Penelitian Penelitian ini dilaksanakan pada bulan Maret 2014 sampai April 2015. Pembuatan rangka akan dibuat di kampus IPB Dramaga. Pengujian alat dilaksanakan di Jl. Tanjung 10 Dramaga IPB kampus IPB dan Laboratorium Lapangan Siswadhi Soepardjo di Leuwikopo Bogor. Diagram alir penelitian dapat dilihat di Gambar 1.
Gambar 1 Diagram Alir Proses Penelitian Alat dan Bahan Bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah :
Kertas karton A0 Aluminium siku Paku rivet Selang gas kecil Mur dan baut
Tabung gas (untuk burner) Kain nylon Resleting Seling dan pengait Gas mini
4
Alat yang digunakan pada penelitian ini adalah : Laptop Meteran Gunting Software SolidWork 2012 Software Pepakura Designer Timbangan Blower Gergaji tangan Bor tangan Korek api Kamera digital Tang Prosedur Penelitian
Perhitungan Kebutuhan Udara Panas Pada penelitian ini digunakan beberapa standar perhitungan yaitu menggunakan The Standard Atmosfer (ISA) dan The Royal Aeronautical Society. Pada penelitian ini digunakan sistem penerbangan menggunakan balon udara dengan udara panas. Dari perencanaan, balon udara direncanakan dapat mengangkat beban sebesar 10 kg. Kebutuhan udara panas bisa diperoleh dengan rumus berikut (The Standard Atmosfer (ISA)) : F = (ρ udara normal – ρ udara panas) x Vudara panas
(1)
V udara panas = F /((ρ udara normal – ρ udara panas) Dimana :
F :gaya angkat (kg)
ρ : densitas udara (kg/m3) V : volume (m3)
Desain Bentuk Balon Desain bentuk balon dibuat dengan bentuk elipsoid. Rumus untuk mendesain bentuk balon diperoleh dari bawah ini (The Royal Aeronautical Society 1986) :
Gambar 2 Desain Bentuk Balon
5
Dimana : b = 0.25a (m) D = 2b L = 2a
Vt = volume (m3) St = luas area (m2) D = diameter (m) L = panjang total (m)
Perhitungan Gaya Lift dan Drag Kebutuhan gaya lift dan gaya drag pada saat alat diterbangkan dapat diperoleh dari rumus berikut : (Kiran 2014) FL = 0.5 CL ρ V2/3u2
(2)
FD = 0.5 CD ρ V2/3u2
(3)
Dimana: FL dan FD CL CD
= gaya lift dan drag (N) = koefisien lift = koefisien drag
ρ V u
= desitas udara (kg/m3) = volume balon (m3) = kecepatan maju balon (m/s)
Perhitungan Rangka Perancangan rangka ini dirancang seringkas mungkin untuk mengurangi beban yang berlebih pada rangka, tapi dalam perancangan tetap memperhitungkan segala aspek yang diperlukan dalam perancangan. Selain itu dalam pembuatan rangka ini juga mempertimbangkan proses perawatan yang sangat penting untuk suatu alat. Pada analisis rangka ini, data dari rangka beban statis utamanya adalah : 1. Cairan pestisida 2. Rangka 3. Komponen lainnya Beban masing-masing di atas penempatannya simetris sama, maka secara riil tiap-tiap penyangga baik samping kanan maupun kiri mendapat pembebanan yang sama pula. Pembuatan Alat Setelah semua aspek dianalisis maka dilakukan pembuatan model menggunakan desain 3D yaitu Solidwork 2012. Pembuatan model dilakukan untuk mempermudah dalam pembuatan alat, alat-alat yang dibuat diantaranya adalah balon, rangka pembawa cairan, dan burner. Alur pembuatan alat dapat dilihat pada gambar 3.
6
Modelling dan drafting
Pembuatan mal balon
Pembuatan balon
Pembuatan rangka
Perakitan alat
Uji coba alat
Pembuatan burner Gambar 3 Alur Pembuatan Alat Pengujian Fungsional dan Pengujian Kinerja Pengujian fungsional dilakukan pada saat prototipe sudah dibuat semua dan uji ini dilakukan dengan cara menguji kemampuan mengangkat beban. Pengujian kinerja dilakukan saat pengujian fungsional sudah berjalan sesuai dengan yang direncanakan, uji ini dilakukan dengan cara menerbangkan alat dengan membawa beban sampai maksimal. Prosedur pengujian kinerja yang pertama adalah meyiapkan semua alat dan bahan yang dibutuhkan. Kemudian balon (masih dalam keadaan kempes) dibetangkan. Rangka dipasang pada bagian tengah balon (telah tersedia) dan seling dipasang pada rangka dan bagian atas balon sebagai pengait. Burner telah terpasang pada bagian rangka. Setelah itu, balon ditiup menggunakan blower sampai terisi penuh. Pengukuran waktu penggelembungan dimulai pada saat blower dinyalakan sampai balon terisi penuh. Pada saat balon telah terisi penuh, maka burner mulai dinyalakan. Dari burner dinyalakan sampai balon terbang, maka diperoleh waktu pembakaran udara. Parameter yang diukur pada pengujian ini antara lain: 1) waktu penggelembungan dan pemanasan udara, 2) beban angkat, 3) suhu luar dan dalam balon, 4) gaya drag. Alat ukur yang digunakan adalah stop watch, termometer infra merah, dan timbangan pegas. Pengukuran waktu dengan cara mengukur waktu dari awal balon kempes dan diisi udara sampai menggelembung, kemudian waktu dicatat pada saat burner mulai dinyalakan sampai balon terangkat. Pengukuran beban angkat (gaya lift) dilakukan dengan cara menambah timbangan pegas di bawah rangka, dan pada timbangan pegas diberi beban. Pada saat balon mengangkat maka timbangan pegas akan menunjukkan nilai kemampuan angkat beban. Suhu luar dan dalam dilakukan dengan cara menembakkan laser dari termometer ke dalam dan luar balon. Penembakan dilakukan pada bagian tengah dan setiap ujung balon. Gaya drag diperoleh dengan cara menambahkan seling di depan rangka dan pada ujung rangka ditambah timbangan pegas, kemudian timbangan pegas ditarik ke arah depan, maka timbangan akan menunjukkan gaya drag maksimal pada saat balon diam.
7
HASIL DAN PEMBAHASAN Kebutuhan Udara Panas Udara panas digunakan untuk mengangkat beban alat yang akan dibawa. Volume yang diperoleh merupakan volume penuh udara panas yang nanti akan mengisi balon udara. Kebutuhan beban perencanaan sebesar 10 kg, hal ini diperkirakan beban yang akan dibawa yaitu cairan sebesar 5 kg, rangka dan komponen-komponen lainnya sebesar 5 kg. Secara umum ρ udara = 1.293 kg/m3 pada tekanan 1 atm (interpolasi tabel ISA (Standard Atmospher) pada altitude 3 m = 1.225 kg/m3
ρ udara panas = 0.95 kg/m3 (100
ρudara
).
Diperoleh Volume sebesar 36.4 m3 ≈ 40 m3 Desain Bentuk Balon Bentuk balon dibuat membentuk elipsoid (The Royal Aeronautical Society 1986)
V1, S1
V2, S2
Gambar 4 Desain Bentuk Balon 2 Diperoleh : (Lampiran 1) Vt = (4/3) πab2 (4) 3 Vt = 40 m a = 5.4 m b = 1.35 m D = 2.7 m L = 10.8 m Balon udara dibuat dengan dimensi panjang total 10.8 m dan diameter maksimum 2.7 m dan kapasitas (volume) penuh balon udara sebesar 40 m3 (Lampiran 2).
8
(5)
St = 147.54 m2 Balon udara yang akan dibuat membutuhkan bahan dengan luasan area minimal 147.54 m2. Gaya Lift
Gambar 5 Grafik Hubungan Kecepatan Maju Balon dan Gaya Lift Gaya lift memiliki nilai yang bergantung pada bentuk balon, dimana gaya lift merupakan gaya angkat dinamis pada saat balon bergerak diudara. Berdasarkan literatur (Kiran 2014) bentuk balon elipsoid memiliki nilai koefisien lift sebesar 0.030. Gaya lift disimulasikan dengan kecepatan maju balon dari 0.1 – 2 m/s. Dari simulasi tersebut diperoleh nilai gaya lift. Semakin besar kecepatan maju maka gaya lift juga semakin besar. Hubungan kecepatan maju dan gaya lift dapat dilihat pada gambar 5 dengan persamaan FL = 0.5 CL ρ V2/3u2. Gaya Drag
Gambar 6 Grafik Hubungan Kecepatan Maju Balon dan Gaya drag
9
Gaya drag memiliki nilai yang bergantung pada bentuk balon, dimana gaya drag merupakan gaya hambat udara pada saat balon bergerak diudara. Berdasarkan literatur (Kiran 2014) bentuk balon elipsoid memiliki nilai koefisien drag sebesar 0.025. Gaya drag disimulasikan dengan kecepatan maju balon dari 0.1 – 2 m/s. Dari simulasi tersebut diperoleh nilai gaya drag. Semakin besar kecepatan maju maka gaya drag juga semakin besar. Hubungan kecepatan maju dan gaya drag dapat dilihat pada gambar 6 dengan persamaan FD = 0.5 CD ρ V2/3u2.
Data dan Spesifikasi Rangka
Gambar 7 Rangka Sprayer
Spesifikasi rangka yang akan dibuat : a. Panjang = 57.5 cm Lebar = 60 cm b. c. Tinggi = 40 cm d. Tebal siku = 0.2 cm
Perhitungan Rangka Keterangan : A, B a, b W1 W2
= titik tumpu rangka (kait pada balon) = titik tumpu penampang = beban komponen terbang = beban cairan
10
Gambar 8 Diagram Pembebanan Pada analisis rangka ini, data dari rangka dan beban statis utamanya adalah : a. Komponen terbang b. Cairan c. Rangka Penempatan pembebanan masing-masing diatas simetris sama, maka maka secara riil tiap-tiap kait kiri maupun kanan mendapat pembebanan yang sama. Dari hasil perhitungan diperoleh beban pada setiap titik kait sebesar 2 kg. Total kait sebanyak 4 kait, maka total beban yang diperoleh kait pada balon sebesar 8 kg (Lampiran 3). Ditinjau Dari Tegangan Geser Bahan rangka aluminium paduan 1100 dengan teganga tarik 90-170 MPa = 9.17 kg/mm2. Angka keamanan 8; 9.17/8 = 1.146 kg/mm2. Tegangan geser ijin bahan τg = 0.8; σijin = 0.8x1.146 = 0.92 kg/mm2. Dari hasil perhitungan diperoleh τ sebesar 0.13 kg/mm2 < τijin dan σ sebesar 0.044 kg/mm2 < σijin. Dari hasil tersebut maka rangka dinyatakan layak (Lampiran 3). Simulasi stress rangka menggunakan Solidwork dapat dilihat pada lampiran 4. Analisis Titik Berat
(a)
(b) Gambar 9 Rangka Tampak Samping (a) dan Atas (b)
11
Dari hasil perhitungan diperoleh letak titik berat rangka berada pada titik (x,y,z) (30, 15, 18.3) dari titik O (Lampiran 5). Sambungan Rangka Sambungan yang digunakan adalah sambungan rivet (diameter 3 mm), pada rangka terdapat dua macam sambungan yaitu sambungan tunggal dan sambungan ganda, maka dilakukan dua kali perhitungan (Lampiran 5). Spesifikasi paku rivet : Jarak antar rivet (p)
= 6 mm = 0.6 cm (sambungan ganda)
Diameter (d)
= 3 mm = 0.3 cm
σt plat
= 0.92 kg/mm2 = 920 N/cm2
τ paku rivet
= 700 N/cm2 (Irawan, AP. 2009)
σc paku rivet
= 1400 N/cm2 (Irawan, AP. 2009)
tebal plat (t)
= 2 mm = 0.2 cm
Dari hasil perhitungan diperoleh data sebagai berikut (Lampiran 5) : Tabel 1 Data Beban Maksimal Sambungan Rangka Sambungan tunggal Sambungan ganda
Ft (N) 55.2 55.2
Fs (N) 49.455 197.8
Fc (N) 84 168
Fmax (N) 110.04 110.04
η (%) 45 50
Pembuatan Alat Pembuatan alat dilakukan setelah semua analisis dilakukan. Ada beberapa komponen yang dibuat pada keseluruhan alat ini yaitu : a. Balon Proses pertama pembuatan balon adalah menentukan parameter-parameter yang telah dihitung. Parameter-parameter tersebut dijadikan acuan sebagai pembuatan model 3D menggunakan software SolidWork. Setelah model telah dibuat maka, file disimpan dalam format .prt dalam file SolidWork dan format .pdo untuk di-eksport ke software Pepakura Designer. File .pdo kemudian dieksport ke software Pepakura Designer untuk dilakuakn pembuatan potonganpotongan sampai menjadi mal atau cetakan untuk pembuatan balon. Mal yang sudah dibuat kemudian dicetak ke kertas berukuran A0. Setelah dicetak maka kertas dipotong sesuai bentuk yang telah dicetak. Kertas yang telah dipotong kemudian dijadikan sebagai cetakan untuk kain. Kain dipotong sesuai ukuran cetakan. Kain yang telah dipotong kemudian disatukan menggunakan mesin jahit. Pada bagian tengah bawah balon diberi resleting sesuai dengan ukuran rangka.
12
Resleting ditambah lagi di sebelah belakang dan samping resleting awal untuk tempat memasukkan udara dengan blower dan tempat penyalaaan burner. Pada bagian atas dan bawah dipasang ring sebanyak masing-masing empat ring untuk pengait seling. Setelah semua selesai maka balon siap untuk digabung dengan rangka dan seling.
(a)
(b) Gambar 10 Sketsa Balon, Rangka, dan Posisi Seling Dalam (a) dan Luar (b) a. Rangka Pembuatan rangka pertama dilakukan dengan mendesain 3D menggunakan SolidWork 2012 dan kemudian dicetak dalam bentuk 2D. Hasil cetakan 2D ini digunakan sebagai acuan dalam pembuatan rangka. Bahan yang digunakan adalah bahan siku aluminium dan penyambungannya menggunakan paku rivet. Bahan aluminium dipotong sesuai ukuran dan dibor kemudian disambungkan dengan paku rivet. b. Burner Burner dibuat dari bahan bekas kaleng gas kecil dan instalasinya menggunakan peralatan kompor gas mini lapangan. Setelah semua alat dibuat, maka semua alat tersebut dirakit menjadi satu dan kemudian siap untuk uji fungsional dan uji kinerja.
13
Uji Fungsional Uji fungsional yang pertama dilakukan adalah mencoba mengisi balon menggunakan udara. Pengisian udara dilakukan menggunakan hand blower dan membutuhkan waktu 1 jam sampai balon penuh. Pengujian ini dilakukan untuk mengecek kemungkinan adanya kebocoran pada balon dan jahitan yang kurang sempurna.
a. Balon yang masih kempes ditiup dengan blower
b. Balon penuh udara, dibakar dengan burner Gambar 11 Sketsa Penggelembungan Balon dan Pembakaran Udara Pengujian selanjutnya adalah uji menerbangkan balon, pada uji terbang pertama gagal karena ada kesalahan pada tempat pemasukan udara dan tempat mengaitkan rangka utama, maka dilakukan perubahan pada balon dengan cara ditambah dua lubang pemasukan lagi yaitu sebagai pemasukan udara dan sebagai pengecek kondisi api. Setelah balon diperbaiki maka dilakukan pengujian terbang kembali. Pengujian ini kembali gagal karena burner mengalami kerusakan pada lubang output gasnya sehingga perlu diganti. Pada pengujian ini terjadi beberapa kecelakaan yang membuat sebagian balon bagian bawah terbakar sehingga balon bolong dan harus diperbaiki. Setelah lubang output gas burner diganti dan balon diperbaiki, maka dilakukan uji terbang kembali dan kali ini uji terbang berhasil mengangkat balon. Waktu yang dibutuhkan untuk memanaskan udara sampai balon terbang adalah 30 menit. Setelah uji terbang maka selanjutnya dilakukan uji kinerja.
14
Uji Kinerja Uji kinerja dilakukan dengan cara menerbangkan balon dan ditambah beban sampai balon tidak bisa mengangkat lagi. Dari hasil pengujian diperoleh massa balon ditambah rangka dan burner sebesar 8 kg dan data pada tabel dan sketsa pengukuran dapat dilihat di bawah ini :
a. Pengujian Gaya Lift Statis
b. Pengujian Gaya Drag
Gambar 12 Sketsa Pengujian Gaya Lift dan Gaya Drag
Tabel 2 Waktu Pengoperasian Ulangan I II III IV V
Waktu (menit) penggelembungan pemanasan 55 20 40 15 43 17 50 5.29 52 6.09
Rata-rata 17.33 5.69
Keterangan Api sedang Api sedang Api sedang Api besar Api besar
15
Dari hasil pengujian diperoleh bahawa rata-rata penggelembungan balon membutuhkan waktu 48 menit dan pemanasan 17 menit pada api sedang dan 5.6 menit pada api besar. Pada pengujian ulangan I – III diperoleh waktu yang lebih lama, hal ini disebabkan karena api yang digunakan untuk memanaskan udara adalah api kecil. Sedangkna pada ulangan IV-V diperoleh waktu yang lebih cepat karena api yang digunakan adalah api besar. Dari hasil percobaan dengan gas LPG 3 kg mampu bertahan selama 40 menit. Sketsa pengujian dan hasil pengukuran dapat dilihat di bawah ini : Tabel 3 Gaya Lift dan Gaya Drag Gaya Drag (kg ) Ulangan Gaya Lift statis (kg) Depan Samping I 3.5 1 4 II 4 2 3 III 3.5 1 3 IV 4 2 4 V 4 2 3 Rata-rata 3.8 1.6 3.4
(a)
(b)
16
(c) Gambar 13 (a),(b) Pengujian Gaya Lift dan (c) Pengujian Gaya Drag Dari hasil pengujian diperoleh rata-rata gaya lift statis sebesar 3.8 kg dan gaya drag sebesar 1.6 kg. Gaya lift statis sangant jauh dari perencanaan yaitu 10 kg. hal ini disebabkan karena beban untuk mengangkat balon udara dan rangka sudah cukup besar yaitu sebesar 8 kg, sehingga hal ini sangat berpengaruh pada kemampuan angkatnya. Dibutuhkan balon dengan volume 105.3 m3 untuk dapat mengangkat beban 10 kg. Volume ini merupakan volume udara panas, jika menggunakan isi gas yang berbeda maka akan memiliki volume yang berbeda seperti penggunaan gas He dan H2. Gas He dan H2 merupakan gas pengisi yang lebih ringan dari udara panas sehingga penggunaan kedua gas ini akan memiiliki volume yang lebih kecil dari udara panas. Gas He da H2 memiliki densitas berturut-turut sebesar 0.0899 dan 0.1785 kg/m3. Gaya drag yang diperoleh merupakan gaya untuk dapat meggerakkan balon udara. Dari hasil ini maka bisa ditentukan kecepatan maju maksimal agar balon udara tetap stabil. Maka diperoleh kecepatan maksimal dengan nilai CD = 0.14 (lampiran 8) sebesar : FD = 0.5 CD ρ V2/3u2 u2 = FD / 0.5 CD ρ V2/3 = 1.6 / 0.5 x 0.14 x 1.225 x 402/3 u = 4.3 m/s
Ulangan I II III IV V Rata-rata
Tabel 4 Suhu Dalam dan Suhu Luar Suhu (°C) Dalam Luar Depan Tengah Belakang Depan Tengah Belakang 91.9 89.8 104.3 51.8 58.0 60.0 87.2 90.5 95.4 52.8 61.4 53.1 94.6 93.6 93.7 52.1 58.8 55.9 91.1 95 93.6 60.1 60.1 56.8 92.4 94.3 93.4 61 58.3 58.8 91.4 92.6 96.1 55.6 59.3 56.9 93.4 57.3
17
(a)
(b)
(c)
(d) (e) (f) Gambar 14 (a), (b), (c) Pengujian Suhu Dalam, dan (d), (e), (f) Pengujian Suhu Luar Dari pengujian diperoleh rata-rata suhu dalam dan luar berturut-turut sebesar 93.4 °C dan 57.3 °C. Suhu dalam dan luar sangat berbeda karena suhu diluar dipengaruhi oleh suhu lingkungan dimana relatif lebih rendah dari pada suhu dalam balon. Nilai suhu dalam memiliki perbadaan sebesar 6.6 °C dari perencanaan yaitu sebesar 100 °C. Tetapi hal ini masih cukup sesuai karena pada ulangan I suhu dalam belakang mencapai 104.3 °C yang melebihi suhu perencanaan.
SIMPULAN DAN SARAN Simpulan a. Rancang bangun penerbang alat penyemprot padi tipe balon dengan bentuk zeppelin (elipsoid) diperoleh dengan dimensi panjang total, diameter, dan volume berturut-turut sebesar 10.8 m, 2.7 m, dan 40 m3. b. Pada pengujian kemampuan mengangkat beban tidak mencapai target yaitu sebesar 10 kg, namun balon tersebut hanya mampu mengangkat beban sebesar 3.8 kg. Dibutuhkan balon dengan volume 105.3 m3 untuk mengangkat beban 10 kg. c. Dari uji kinerja diperoleh rata-rata drag maksimal sebesar 1.6 kg sehingga diperoleh kecepatan izin maksimal sebesar 4.3 m/s.
18
d. Sebaran suhu dalam balon (depan, tengah, dan belakang ) berturut-turut sebesar 91.4 °C, 92.6 °C, dan 96.1 °C. Sedangkan sebaran suhu dalam balon (depan, tengah, dan belakang ) berturut-turut sebesar 55.6 °C, 59.3 °C, dan 56.9 °C. Saran Perlu dilakukan penelitian dengan gas pengisi balon He dan H2 yang memiliki densitas lebih kecil dari udara panas agar diperoleh volume yang lebih kecil dan mampu mengangkat beban sesuai kebutuhan.
DAFTAR PUSTAKA Aak. 1990. Agronomi Tanaman Padi I. Teori pertumbuhan dan meningkatkan hasil padi.Lembaga Pusat Penelitian Pertanian Perwakilan Padang.68 hal Anonim. Airship Design and Operation – Present and Future. Volume I + II. London: The Royal Aeronautical Society, 1986. Anonim.1997. Laporan Hasil Pengkajian Sistem Usahatani Padi Berbasis Padi dengan Wawasan Agribisnis (SUTPA) di Bali.Instalasi Penelitian dan Pengkajian Teknologi Pertanian (IP2TP) Denpasar. Badan Penelitian dan Pengembangan Pertanian. 2002. Teknik Budidaya Padi Sawah. Bogor Boon, N K. 2004. Mini Airship Patrol Craft. Singapore. Department of Mechanical Engineering, National University of Singapore. Irawan, AP. 2009. Diktat Elemen Mesin. Jakarta. Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Tarumanegara. Kiran, Babu K M and Subha, M. 2014. Computational Analysis of Load on Envelope of MAGLEV Propelled Transportation Airship using FSI. Coimbatore. IJETAE. 4(2):117-120. Lutz, C and Rüegg, M. 1998. The Airship “Simon”, The Design and Construction of a Radio Controlled Blimp. Realgymnasium Rämibühl 8001 Zürich. Poernomo D, Sidopekso S, dan Susilo T. 2009. Menghitung Distribusi Tekanan Udara dan Gaya Hambat Kepala Pesawat BOEING 777-200. Jakarta; Jurnal Fisika dan Aplikasinya. 5(1):1-6. Pradel dan Gilbert. 2007. Modelling and Development of a quadrotor UAV.Toulouse. Stockbridge C, Cerruti A, & Marzocca P. 2012. Airship Research and Development in the Areas of Design, Structures, Dynamics and Energy Systems. Int’l J. of Aeronautical & Space Sci. 13(2), 170–187 (2012) Suryana, A dan Kariyasa K.1997.Efisiensi Usahatani padi Melalui Pengembangan SUTPA.Forum Penelitian Agro Ekonomi.Vol.15 No.1&2, Desember 1997.Pusat Penelitian Sosial Ekonomi Pertanian. Bogor. halaman 67–81.
19
LAMPIRAN Lampiran 1 Perhitungan Volume
Lampiran 2 Perhitungan Luas Area
V1 = V2 Vt = V1 + V2 = 2V1 S1 = S2 St = S1+S2 = 2S1
Vt = (4/3) πab2
Lampiran 3 Distribusi Beban Statis a. Beban komponen terbang didistribusikan ke sisi kanan dan kiri rangka, dengan data sebagai berikut : W1 = 3 kg,
l1 = l2 = 15 cm
W1 l1
O
a1
l2 a2
∑Ma1
=0
W1.l1 – a2 (l1 + l2)
=0
20
3.15 – a2(15 +15)
=0
a2
= 45/30
a2
= 1.5 kg
a1 = a2 = 1.5 kg MO
= 1.5 x 15 = 22.5 kg.cm
b. Beban cairan didistribusikan ke sisi kanan dan kiri rangka, dengan data sebagai berikut : W2 = 5 kg,
l1 = l2 = 15 cm
W2 l1
O
l2
b1
b2
∑Mb1
=0
W2.l1 – b2 (l1 + l2)
=0
5.15 – a2(15 +15)
=0
b2
= 75/30
b2
= 2.5 kg
b1 = b2 = 2.5 kg MO
= 2.5 x 15 = 37.5 kg.cm
c. Reaksi tumpuan pada rangka utama pada titik tumpu A dan B (kait pada balon). Dari beban yang telah dihitung, maka dapat digunakan sebagai perhitungan. a2 = 1.5 kg, l1 = l2 = 20 cm
a2 l1 A2
O2
l2 B2
21
∑MA2
=0
a2.l1 – B2 (l1 + l2)
=0
1.5x20 – B2(20 +20) = 0 B2
= 30/40
B2
= 0.75 kg
B2 = A2 = 0.75 kg MO2 = 0.75 x 20 = 15 kg.cm
b3 = b1 = 2.5 kg, l1 = l2 = 20 cm
b3 l1
O3
A3
l2 B3
∑MA3
=0
b1.l1 – B3 (l1 + l2)
=0
2.5x20 – B2(20 +20) = 0 B3
= 50/40
B3
= 1.25 kg
B3 = A3 = 1.25 kg MO2 = 1.25 x 20 = 25 kg.cm Jadi total beban yang diperoleh titik A dan B adalah sebagai berikut : A
B
=A1 = A2 + A3 = 0.75 + 1.25 = 2 kg =A = 2 kg
22
Ditinjau dari tegangan geser Luas bahan rangka :
A
B 25 mm
2 mm 15 mm Gambar 15 Luas Penampang Rangka
Bangun A B
Iy
A(mm2) x bar (mm) 50 1 26 8.5 Total
Iybar (mm4) 2604.17 8.67 2612.83
Ax2 (mm4) 50 1878.5 1928.5
= Iybar + Ax2 = 2612.83 + 1928.5 = 4541.33 mm4
Fmax
= 10 kg
lmax
= 20 mm
Kekuatan rangka :
Tegangan bengkok :
τ
σ
= Fmax/A
= Mc/Iy
= 10/76
= (Fmax x lmax)/Iy
= 0.13 kg/mm2
= (10 x 20)/ 4541.33 = 0.044 kg/mm2
23
Lampiran 4 Simulasi Stress Rangka Name
Type
Min
Max
Stress
VON: von Mises Stress
2.7606e-006 N/mm^2 (MPa) Node: 17452
29.8285 N/mm^2 (MPa) Node: 23325
RANGKASIMULASI-SimulationXpress Study-Stress-Stress
Name
Type
Min
Max
Displacement
URES: Resultant Displacement
0 mm Node: 777
0.673493 mm Node: 1897
RANGKASIMULASI-SimulationXpress Study-Displacement-Displacement
24
Lampiran 5 Analisis Titik Berat
Gambar 16 Rangka Tampak Samping dan Atas Bangun I ( limas segitiga ): x
y
z
= 0.5 (xt)
= 20 cm
= 0.5 (20)
y = 0.5 (30)
= 10 cm
= 15 cm
= 0.5 (30)
z = 1/2 (t)
= 15 cm
= 1/2 (30)
= 1/3 (t)
= 15 cm
= 1/3 (10) = 3.3 cm Bangun II (limas segitiga) : x = 2/3 (xt) = 2/3 (15) = 10 cm y = 0.5 (30) = 15 cm z = 1/2 (t) = 1/2 (30) = 15 cm Bangun III (balok) : x = 0.5 (xt)
= 0.5 (40)
Letak titik berat ditinjau dari titik O adalah : x = xII + xIII = 10 + 20 = 30 cm ( dari titik O ) y = yI/II/III = 15 cm ( dari titik O) z = zI + zII = 3.3 + 15 = 18.3 cm ( dari titik O) Jadi letak titik berat rangka berada pada titik (x,y,z) (30, 15, 18.3) dari titik O.
25
Lampiran 6 Perhitungan Kekuatan Sambungan Ketahanan plat terhadap robekan (tearing) Ft = (p−d)t.σt = (0.6−0.3)0.2x920 = 55.2 N Ketahanan geser pada rivet (Shearing resistance) Fs = (π/4)d2.τ
Fs = nx2(π/4)d2.τ
= (π/4)0.32x700
= 2x2(π/4)0.32x700
= 49.455 N (sambungan tunggal)
= 197.82 N (sambungan ganda)
Ketahanan patah pada rivet (Crushing resistance) Fc = d.t. σc
Fc = n.d.t. σc
= 0.3x0.2x1400
= 2x0.3x0.2x1400
= 84 N (sambungan tunggal)
= 168 N (sambungan ganda)
Efisiensi diambil dari ketahan yang paling kecil yaitu ketahanan geser (Fs)untuk sambungan tunggal dan ketahanan plat terhadap robekan (Ft) pada sambungan ganda.
Beban maksimum yang diterima oleh plat : Fmax = p.t. σt = 0.6x0.2x920 =110.4 N Efisiensi sambungan paku keling (sambungan tunggal) :
Efisiensi sambungan paku keling (sambungan ganda) :
η = Fs / Fmax
η = Ft / Fmax
= 49.455/110.4
= 55.2/110.4
= 0.45
= 0.5
= 45 %
= 50 %
26
Lampiran 7 Data Gaya Lift dan Gaya Drag (teoritis) Volume (m) 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40
CL 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03
CD
ρudara
0.0246 0.0246 0.0246 0.0246 0.0246 0.0246 0.0246 0.0246 0.0246 0.0246 0.0246 0.0246 0.0246 0.0246 0.0246 0.0246 0.0246 0.0246 0.0246 0.0246
(kg/m) 1.225 1.225 1.225 1.225 1.225 1.225 1.225 1.225 1.225 1.225 1.225 1.225 1.225 1.225 1.225 1.225 1.225 1.225 1.225 1.225
Lampiran 8 Simulasi Koefisien Drag
Kecepatan (m/s) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2
Gaya Lift statis N 0.002 0.009 0.019 0.034 0.054 0.077 0.105 0.138 0.174 0.215 0.260 0.309 0.363 0.421 0.484 0.550 0.621 0.696 0.776 0.860
kg 0.0002 0.0009 0.0019 0.0034 0.01 0.01 0.01 0.01 0.02 0.02 0.03 0.03 0.04 0.04 0.05 0.06 0.06 0.07 0.08 0.09
Gaya Drag N 0.002 0.007 0.016 0.028 0.044 0.063 0.086 0.113 0.143 0.176 0.213 0.254 0.298 0.345 0.397 0.451 0.509 0.571 0.636 0.705
kg 0.0002 0.0007 0.0016 0.0028 0.0044 0.01 0.01 0.01 0.01 0.02 0.02 0.03 0.03 0.03 0.04 0.05 0.05 0.06 0.06 0.07
27
Tabel 5 Data Hasil Simulasi Gaya Drag Goal Name GG Force (X) 1 SG Av Static Pressure 1 SG Av Total Pressure 1 SG Av Velocity 1 SG Av Velocity (X) 1 SG Normal Force (X) 1 Drag Coefficient
Unit [N] [Pa] [Pa] [m/s] [m/s] [N] []
Lampiran 9 Pembuatan Alat dan Pengujian Alat
Value 1.394121762 101319.1851 101319.1851 0 0 0.87 0.14
28
29
29 Lampiran 10 Gambar Teknik
29
30
30
31
31
32
32
33
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Pamekasan, Madura pada 19 Juli 1992 dari ayah Suparto dan ibu Siti Djuhairiyah. Penulis adalah putra kedua dari tiga bersaudara. Pada tahun 2007 penulis lulus dari SMPN 1 Pamekasan dan diterima di SMAN 1 Pamekasan. Penulis lulus dari SMA pada tahun 2010 dan pada tahun yang sama penulis diterima di IPB melalui jalur USMI di Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, IPB. Selama mengikuti perkuliahan, penulis menjadi asisten praktikum terpadu Mekanika dan Kekuatan bahan semester ganjil tahun ajaran 2013/2014. Penulis juga pernah menjadi Asisten Praktikum Bela Negara Mahasiswa PPP Diploma IPB pada semester ganjil tahun ajaran 2014/2015. Selain itu penulis aktif dalam organisasi mahasiswa diantaranya menjadi Wakil Komandan Kompi Resimen Mahasiswa IPB 2013/2014.
