III.
METODE PENELITIAN
A. Tempat dan Waktu Penelitian Penelitian dilaksanakan pada bulan Maret sampai Juli 2011 di Laboratorium Lapangan Departemen Teknik Mesin dan Biosistem. Pelaksanaan penelitian terbagi menjadi tiga tahap : 1) pembuatan peralatan pengujian, 2) pembuatan pisau, 3) percobaan pemotongan tebu. Bagan alir metode penelitian dapat dilihat pada Gambar 11. Simulasi putaran/mekanisme pisau pemotong tebu (n:500 rpm, v:0.5 m/s, k: 8)
Pembuatan pisau berdasarkan hasil simulasi dan pembuatan peralatan pengujian
Pengujian
Pemotongan tebu dengan pisau 1, 2 dan 3. kecepatan 0.5 m/s dan 0.3 m/s (posisi di sisi kiri posisi awal (tengah)).
Pengukuran daya sebelum pemotongan dan saat pemotongan
Pemotongan tebu dengan pisau 1, 2, dan 3. kecepatan 0.5 m/s dan 0.3 m/s (posisi tebu di tengah)
Pemotongan tebu dengan pisau 1, 2, dan 3. kecepatan 0.5 m/s dan 0.3 m/s. (posisi di sisi kanan posisi awal (tengah)).
Pemotongan sebanyak 7 kali ulangan Pengamatan hasil potongan tebu Kualitas A : Tebu tidak pecah, kulit pecah, kulit tidak terkelupas, tebu tidak retak Kualitas B : Tebu retak atau kulit tebu terkelupas Kualitas C : Tebu pecah
Pencatatan data, mendokumentasikan, dan melakukan perhitungan persentase jumlah tebu kualitas A, Kualitas B dan Kualitas C pada setiap tipe pisau. Gambar 11. Bagan alir metode penelitian
11
B. Alat dan Bahan 1. Peralatan dan Bahan Pembuatan Alat Pengujian Peralatan pembuatan alat pengujian yang digunakan adalah : - komputer (dengan kelengkapan software AutoCAD) - mesin potong listrik - las listrik - mesin bor - gergaji besi - dan peralatan bengkel lainnya. Software “AutoCAD” digunakan untuk menggambar alat penguji kepras tebu. Peralatan bengkel digunakan sebagai alat bantu dalam pembuatan alat pengujian. Alat pengujian dapat dilihat pada Gambar 12.
Pisau rotary
Pemegang tebu
Rantai penggerak tebu
Motor listrik penggerak pisau Gambar 12. Alat pengujian kepras tebu Bahan yang digunakan untuk membuat alat pengujian adalah : - besi U - besi L ( 4 x 4 cm) - besi silinder Besi U digunakan untuk pembuatan rangka penopang mesin kepras tebu, besi L dan besi silinder digunakan sebagai bahan pembuatan rel penarik tebu dan penjepit tebu.
12
2. Alat dan Bahan untuk Pengujian Alat/instrumen untuk pengukuran yang digunakan adalah seperti pada Tabel 2. Gambar alat/instrumen dapat dilihat pada Lampiran 4. Tabel 2. Alat atau Instrumen pengukuran Alat / Instrumen Clampmeter Tachometer Penggaris atau mistar
Penggunaannya Mengukur arus dan tegangan pada saat pemotongan Mengukur kecepatan putar pada pisau kepras dan motor penarik rel tebu Mengukur panjang retakan tebu
Clampmeter yang digunakan sebanyak dua unit. Satu unit digunakan untuk mengukur arus dan satu unit digunakan untuk mengukur tegangan. Pengukuran dilakukan sebelum pemotongan dan saat pemotongan. Untuk mengukur panjang retakan pada batang tebu hasil pemotongan digunakan penggaris. Motor listrik yang digunakan sebanyak dua unit. Satu unit untuk pemutar pisau kepras dan satu unit untuk penarik rel pembawa tebu. Motor listrik yang digunakan sebagai penarik rel tebu menggunakan motor listrik variabel speed dengan kecepatan putar 1440 rpm dan daya motor tersebut 3 hp. Kecepatan putar dari motor listrik tersebut dapat diubah-ubah. Motor listrik penggerak pisau kepras menggunakan motor listrik dengan kecepatan putar 1440 rpm dan memiliki daya 1 hp. Bahan yang digunakan untuk pengujian adalah : - tebu - pisau kepras Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah tunggul tebu berdiameter 3-4 cm dengan panjang 20 cm terhitung dari permukaan tanah dan varietas tebu yang digunakan adalah tebu kuning. Pemotongan tebu dilakukan diantara ruas tebu. Gambar tebu dapat dilihat pada Gambar 13.
Gambar 13. Tunggul tebu
13
Pisau kepras yang digunakan untuk memotong tebu sebanyak tiga tipe mata pisau. Pengukuran panjang pisau terhitung dari pusat putaran ke ujung pisau. Pisau tersebut terdiri dari : - Pisau Tipe 1 Panjang bagian muka pisau diberikan penambahan panjang sebesar satu pitch (7.5 mm), sedangkan bagian belakang pisau memiliki panjang 30 cm. Bentuk pisau dapat dilihat pada Gambar 14.
30 cm Arah putaran
+ 30.75 cm
Arah Gerak Tebu
Gambar 14. Pisau tipe 1
-
Pisau Tipe 2 Pisau tipe 2 memiliki ukuran panjang bagian muka dan belakang sama yaitu 30 cm. Bentuk pisau dapat dilihat pada Gambar 15.
30 cm Arah putaran
+
Arah Gerak Tebu
Gambar 15. Pisau tipe 2 -
Pisau Tipe 3 Pisau tipe 3 memiliki ukuran sedikit lebih panjang pada bagian belakang mata pisau. Penambahan diberikan sepanjang ¾ pitch (5.6 mm). Sedangkan bagian muka pisau sesuai dengan jari-jari (30 cm). Bentuk pisau dapat dilihat pada Gambar 16.
14
30.56 cm Arah putaran
+ 30 cm
Arah Gerak Tebu Gambar 16. Pisau tipe 3
3. Peralatan Pendukung Peralatan pendukung lain yang digunakan antara lain kamera digital yang digunakan untuk merekam dan mendokumentasikan pengujian, jangka sorong untuk mengukur diameter tebu yang akan dilakukan pengujian, kalkulator yang dipergunakan sebagai alat hitung dan PC yang dipergunakan untuk input data.
C. Metode Penelitian 1. Persiapan Penelitian Persiapan penelitian merupakan kegiatan awal yang dilakukan agar proses penelitian dapat berjalan dengan lancar. Persiapan penelitian meliputi pembuatan pisau kepras, dudukan pisau, motor listrik dan penjepit tebu, serta persiapan tebu yang akan digunakan dalam pengujian.
2. Simulasi Putaran Pisau Pensimulasian gerakan atau mekanisme pemotongan tebu dilakukan dengan menggunakan MS Office Excel, di mana input yang digunakan adalah kecepatan putar pisau (rpm), kecepatan maju (m/s), jumlah pisau, dan sudut pemotongan tebu. Putaran pisau yang digunakan adalah 500 rpm, kecepatan maju pisau 0.5 m/s, jumlah pisau 8, dan sudut pemotongan tebu 45o. Skema putaran pisau dapat dilihat pada Gambar 17.
Gambar 17. Skema putaran pisau tanpa kecepatan
15
R merupakan jari-jari dari pisau, dan θ adalah sudut yang terjadi akibat putaran dari titik awal. Maka pada posisi kedua pada saat t sekon, posisi X dan Y dapat diperhitungkan dengan persamaan, X = R Cos θ................................................................................(2) Y = R Sin θ................................................................................(3) di mana, X, Y R θ
: titik koordinat ujung mata pisau (m) : jari – jari pisau (m) : sudut putaran yang terjadi pada saat t sekon (rad).
Pada saat pemotongan tebu maka dibutuhkan kecepatan maju untuk memotong batang – batang tebu. Maka dengan adanya kecepatan yang diberikan, persamaan untuk X akan berubah seiring dengan kecepatan maju dari pemotongan tersebut selama t sekon. Skema putaran pisau yang diberikan kecepatan maju dapat dilihat pada Gambar 18.
Gambar 18. Skema putaran pisau dengan kecepatan maju
Dari hasil ilustrasi ini dapat diketahui bahwa tidak ada perubahan titik koordinat untuk Y, sedangkan perubahan terjadi pada sumbu X di mana perubahan titik koordinat X pada saat t sekon dan kecepatan pada saat t sekon. Sehingga dapat diketahui persamaan untuk X adalah, X = R Cos θ + V.t............................................................................(4)
16
Dalam pengujian alat, pemotongan dilakukan dengan kemiringan 45o (β). Sehingga terdapat koordinat baru yakni Z yang akan mempengaruhi nilai dari koordinat X. Berdasarkan skema pada Gambar 19, maka dapat diketahui nilai X, Y dan Z, untuk menentukan pitch yang akan dipergunakan sebagai acuan untuk pembuatan pisau kepras.
Gambar 19. Putaran pisau dengan kecepatan maju dan sudut pemotongan tebu (β). Maka berdasarkan skema Gambar 18, dapat diketahui persamaan X yaitu, X = R Cos θ ×Cos β+V.t...........................................................(5) di mana, R : jari – jari pisau (m) θ : sudut putaran yang terjadi pada saat t sekon (rad) = ω × t β : sudut pemotongan pisau (45o) v : kecepatan maju pisau (m/s) t : waktu (sekon) ω : kecepatan sudut (rad/s) Sumbu Y memiliki nilai tetap karena tidak ada penambahan jarak dan begitu juga pada sumbu Z, sehingga hanya nilai pada sumbu X yang diperhitungkan. Selanjutnya nilai pitch yang diperoleh dari hasil simulasi dijadikan acuan untuk pembuatan pisau kepras tebu. Selain menggunakan simulasi, panjang pitch dapat diketahui dengan persamaan,
=
..........................................................................(6)
di mana, f : feed pemotongan (m) v : kecepatan maju mesin (m/s) k : jumlah pisau N : kecepatan putar pisau (rpm)
17
3. Perlakuan Penelitian Perlakuan yang dilakukan pada penelitian ini adalah pemotongan tebu dengan kecepatan maju, bentuk mata pisau dan posisi tebu yang berbeda. Dalam pengujian, kecepatan yang digunakan berdasarkan pada kisaran kecepatan relatif yang digunakan di perkebunan untuk kepras tebu. Setiap perlakuan dilakukan pemotongan sebanyak tujuh sampel. Data perlakuan penelitian tersebut tersaji dalam Tabel 3. Tabel 3. Data perlakuan kepras tebu. No perlakuan
Kecepatan maju (m/s)
Tipe pisau
Posisi tebu
1
0.3
1
Tengah (1)
2
0.3
1
Kanan (2)
3
0.3
1
Kiri (3)
4
0.5
1
Tengah (1)
5
0.5
1
Kanan (2)
6
0.5
1
Kiri (3)
7
0.5
2
Tengah (1)
8
0.5
2
Kanan (2)
9
0.5
2
Kiri (3)
10
0.3
2
Tengah (1)
11
0.3
2
Kanan (2)
12
0.3
2
Kiri (3)
13
0.3
3
Tengah (1)
14
0.3
3
Kanan (2)
15
0.3
3
Kiri (3)
16
0.5
3
Tengah (1)
17
0.5
3
Kanan (2)
18
0.5
3
Kiri (3)
Posisi tebu dapat dilihat pada Gambar 20.
Pisau
Arah putaran pisau
Gambar 20. Skema posisi tebu
18
4. Pengukuran dan Pengamatan 1.
Pengukuran daya Pengukuran yang dilakukan dalam penelitian ini adalah pengukuran daya yang dipakai pisau untuk memotong tebu. Parameter yang diukur meliputi arus dan tegangan pada motor listrik pemutar pisau. Pengukuran arus dan tegangan dilakukan pada saat pisau mulai berputar (dalam keadaan tidak memotong/sebelum memotong) dan pengukuran pada saat pemotongan berlangsung. Pengukuran dilakukan pada setiap sampel, di mana setiap perlakuan menggunakan tujuh sampel tunggul tebu. Pengukuran arus dan tegangan menggunakan alat clampmeter yang dipasangkan pada salah satu kabel penyuplai arus ke motor listrik untuk pengukuran arus dan disambungkan dengan kedua kabel motor listrik untuk pengukuran tegangan. Dari hasil pengukuran arus dan tegangan tersebut dapat dihitung dayanya. Daya yang dibutuhkan untuk menggerakkan pisau tersebut dapat diketahui dengan persamaan (Sularso 2004), =
×
× ..........................................................................(7)
di mana, P : daya (Watt) fc : faktor koreksi (0.8) V : tegangan (Volt) I : arus (Ampere) Selanjutnya, daya pemotongan tebu adalah selisih dari daya saat memotong dengan daya sebelum memotong. Maka daya pemotongan tebu dapat dihitung dengan persamaan, =
−
.........................................................................(8)
di mana, Pp : daya untuk memotong tebu (Watt) Psp : daya terukur saat memotong (Watt) Ptp : daya terukur sebelum memotong (Watt) Torsi pemotongan dihitung dengan persamaan berikut,
=
=
......................................................................(9)
di mana, T : torsi pemotongan (Nm) ω : kecepatan sudut (rad/s) N : kecepatan putar pisau (rpm) Gaya pemotongan dihitung dengan persamaan,
=
............................................................................(10)
di mana, F : gaya pemotongan (N) Rp : jari – jari pemotongan (m)
19
2.
Pengukuran kecepatan Pengukuran kecepatan gerak tebu dilakukan pada rel pembawa tebu. Karena pembawa tebu digerakkan oleh rantai dan putaran sproket, maka kecepatan majunya adalah,
=
.........................................................................(11)
di mana, vt : kecepatan maju (m/s) ds : diameter sproket (m) Ns : kecepatan putar sproket (rpm) Dengan menggunakan Persamaan 11, maka kecepatan yang diharapkan yaitu 0.3 m/s dan 0.5 m/s dapat dicapai dengan mencari nilai Ns (rpm) pada sproket penarik rel tebu tersebut. Perubahan kecepatan maju pemotongan dilakukan dengan cara mengubah putaran pada motor listrik penggerak rel tebu. Motor listrik tersebut merupakan motor listrik variabel speed, di mana putaran dari motor tersebut dapat diubah sesuai dengan yang diharapkan. Berdasarkan Persamaan 11, kecepatan 0.3 m/s akan dicapai ketika putaran pada penggerak tebu mencapai 96 rpm dan kecepatan 0.5 m/s akan dicapai ketika putaran pada penggerak tebu mencapai 160 rpm. Diameter sproket yang digunakan untuk menggerakkan rel tebu adalah 0.06 m. Dalam mereduksi kecepatan putaran motor digunakan transmisi rantai sproket, maka dengan perbandingan jumlah gigi sproket dapat diketahui kecepatan putaran (rpm) dengan menggunakan persamaan, =
×
.................................................................(12)
di mana, N1 : putaran 1 (rpm) N2 : putaran 2 (rpm) Z1 : jumlah gigi sproket 1 Z2 : jumlah gigi sproket 2 Perbandingan jumlah gigi pada poros penggerak rel tebu dengan motor listrik adalah 13 : 30. Sehingga dengan Persamaan 12 dapat diketahui kecepatan putaran pada motor listrik adalah 41.6 rpm untuk kecepatan 0.3 m/s dan 70 rpm untuk kecepatan 0.5 m/s. Pada motor listrik pengerak pisau kepras memiliki kecepatan putaran motor secara terukur pada tachometer sebesar 1493 rpm, dengan perbandingan jumlah gigi antara motor listrik dengan pisau kepras 11 : 30 maka putaran yang tersalurkan pada pisau kepras yaitu 547 rpm. 3.
Pengamatan Pengamatan dilakukan pada tebu hasil pemotongan. Setelah selesai dilakukan pemotongan, tebu diamati baik dari segi bentuk potongan maupun dari segi efek yang terjadi akibat pemotongan tersebut (pecah atau retak). Apabila tebu mengalami retak maka dihitung berapa jumlah retakan yang terjadi dan diukur pula panjang retakan yang terjadi. Untuk mengetahui tingkat kerusakan pada setiap tipe pisau maka kerusakan yang terjadi dapat dikategorikan menjadi: 1) bagus (tidak pecah, kulit pecah, kulit tidak terkelupas, atau tidak retak), 2) rentan rusak (kulit terkelupas atau tebu retak), dan 3)
20
rusak (tebu pecah). Selain itu dapat diketahui tingkat kerusakan (dalam persentase) dengan menggunakan perbandingan antara jumlah bagus, rentan rusak, atau rusak dengan jumlah total sampel pengujian pada tiap tipe pisau.
5. Perbandingan Gaya Setelah dilakukan pengujian dan diperoleh gaya yang dibutuhkan pisau untuk memotong tebu, maka gaya hasil pengujian dapat dibandingkan dengan gaya secara teoritis. Secara teori, gaya pemotongan sebanding dengan luas bidang potong. Luas bidang potong sebanding dengan kecepatan maju pisau untuk kecepatan putar yang sama. Oleh karena itu, secara teoritis :
.
di mana, F0.5 F0.3
= ×
.
...................................................................(13)
: gaya pemotongan saat kecepatan 0.5 m/s (N) : gaya pemotongan saat kecepatan 0.3 m/s (N)
21
