PENURUNAN DRAFT DAN ENERGI PEMBAJAKAN PADA MODEL SUBSOILER GETAR DENGAN MENGGUNAKAN METODE SELF-EXCITED VIBRATION SOEHARSONO

Transkripsi

1 PENURUNAN DRAFT DAN ENERGI PEMBAJAKAN PADA MODEL SUBSOILER GETAR DENGAN MENGGUNAKAN METODE SELF-EXCITED VIBRATION SOEHARSONO SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2012

2

3 PERNYATAAN MENGENAI DISERTASI DAN SUMBER INFORMASI Dengan ini saya menyatakan bahwa disertasi Penurunan Draft Dan Energi pembajakan Pada Model Subsoiler Getar Dengan Menggunakan Metode Self- Excited Vibration ini adalah karya saya sendiri dan belum pernah 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 disertasi ini. Jakarta, 15 Oktober 2011 Soeharsono NIM F

4

5 ABSTRACT SOEHARSONO. Draft Force and Energy Reduction of Soil Tillage by Selfexcited Vibration Method. Under the Supervision of RADITE P.A.S, TINEKE MANDANG, ASEP SAPEI and WAWAN HERMAWAN Soil compaction potentially inhibits plant growth and reduces crop productivity. To loosen the compact soil, however high draft force and energy consumption are needed. The cause of which is due to soil cohesion, adhesion and friction between soil and tillage tool. It s well known that vibratory-tillage could reduce that soil cohesion, adhesion and friction between soil and tillage tools so that the draft force and energy consumption required is reduced. In this research, soil tillage by self-excited vibration (SEV) method has been conducted. The objective of this research was to obtain vibratory-system of self-excited vibration vibratory-tillage (SEVVT) so that the vibration of the tillage tool will reduce draft force and energy consumption during tillage operation. The research was divided into three steps, i.e.: analytical study, equipment design and experiment study. In the analytical study, the vibration of SEVVT was simulated as a vibration with single degree of freedom system (SDOF) and two degrees of freedom system (TDOF). The vibration of tillage tool was exerted by natural excitation of the varying cutting force. The elasticity of the elastic spring or the inertia of the tillage tool was optimized such that the tillage tool vibrates violently around its resonant frequency. Draft force reductions about % were observed. In the second step, the equipment was designed methodologically using VDI2221, with focus on the conceptual design. The embodiment design was then conducted to exemplify that the conceptual design was simple, easy to understand, and economically realizable. In the last step, soil tillage was conducted in a soil bin with the dimension of 1.2 m long, 0.3 m wide and 0.4 m depth. Clay loam soil was conditioned in soil bin into two layer namely hardpan and top soil. The tillage tool was connected to a fixed structure using a new model of semi-elliptical spring. The tillage speeds used were 0.158, and m/s. Five treatments were tested, i.e.: Non vibratory-system (NST), SDOF with rear spring orientation (RST), SDOF with front spring orientation (FST), TDOF system (TST) and low energy vibratory-system (VST). In the RST orientation, the draft force raised the elevation of the tillage tool tip, and the draft force caused the tillage tool tip elevation decrease in the FST orientation. Compared to NST, the average draft force in the FST orientation showed an increase of up to %, whereas a draft force reduction were found in the RST and in the TST treatment. In the VST treatment, a small unbalance mass of 0.24 and 0.35 kg was rotated 530 and 1150 rpm respectively and causing tillage tool vibrate with low amplitude. Compared to NST, draft force reduction about % and energy reduction about % were found. Keyword: self-excited vibration, draft force reduction, energy reduction, semielliptic spring and low energy vibratory-system

6

7 RINGKASAN SOEHARSONO. Penurunan Draft dan Energi pembajakan pada Model Subsoiler Getar Dengan Menggunakan Metode Self-Excited Vibration. Dibimbing oleh RADITE P.A.S., TINEKE MANDANG, ASEP SAPEI dan WAWAN HERMAWAN Indonesia merupakan negara agraris dan mempunyai lahan pertanian yang sangat luas. Sebagai gambaran luas lahan pertanian di Indoneia sekitar 76.4 juta hektar yang meliputi lahan basah sekitar 8.4 juta hektar dan lahan kering sekitar 68 juta hektar. Adalah wajar bilamana sektor pertanian dijadikan sebagai faktor utama bagi ketahanan nasional. Adanya lahan pertanian yang dilalui oleh alat-alat berat, mesin-mesin pertanian, manusia dan binatang serta adanya konsolidasi pada tanah berakibat terbentuknya lapisan kedap di dalam tanah. Lapisan tanah padat dengan tahanan penetrasi tanah di atas 2 MPa. atau mempunyai densitas tanah di atas 1.8 g/cm 3 sulit ditembus oleh akar tanaman, menghambat penetrasi air dan nutrisi serta menghambat sirkulasi udara di dalam tanah. Hal ini dapat menghambat pertumbuhan tanaman serta menurunkan produktivitas hasil tanaman. Untuk membongkar lapisan padat demikian diperlukan draft pembajakan dan konsumsi energi yang besar. Besarnya draft pembajakan ini digunakan untuk mengatasi gesekan antara tanah dengan permukaan tillage tool, mengatasi gesekan antar tanah, mengatasi percepatan tanah bongkaran di depan tillage tool serta karena adanya kelengketan antara tanah dengan tillage tool. Telah terbukti bahwa dengan penggetaran batang bajak, maka kohesi tanah, adhesi antara tanah dengan pisau bajak serta gesekan antara tanah dengan pisau bajak akan menurun sehingga draft pembajakan dan konsumsi energinya akan turun pula. Dalam penilitian ini upaya menurunkan draft pembajakan dan konsumsi energi dilakukan dengan penggetaran batang bajak dengan menggunakan metode self-excited vibration (SEV). Penelitian dilakukan dalam tiga tahap yang meliputi studi analitis, perancangan peralatan dan eksperimen. Untuk eksperimen dibagi menjadi eksperimen membajak tanah tanpa getar, eksperimen membajak tanah dengan penggetaran SEV dan eksperimen membajak dengan penggetaran berenergi rendah pada bajak getar SEV. Dalam studi analitis, dibuat simulasi bajak getar SEV di mana sistem getarnya dimodelkan sebagai sistem getar satu derajat kebebasan (SDOF) dan sistem getar dua derajat kebebasan (TDOF). Dalam simulasi SDOF, batang bajak dihubungkan dengan kerangka melaluai sebuah pegas semi-eliptis. Getaran diakibatkan oleh variasi draft pembajakan yang dimodelkan sebagai fungsi periodik dengan frekuensi pembajakan diambil 5 Hz dan 2 Hz. Hasil simulasi menunjukkan penurunan draft pembajakan secara signifikan dan kurang bergantung pada rasio kecepatan. Untuk bajak getar SDOF dengan frekuensi draft pembajakan 5 Hz, penurunan draft pembajakannya sekitar % sedangkan bila frekuensi draft pembajakan 2 Hz, penurunan draft pembajakannya sekitar 23 %. Untuk bajak getar TDOF dengan frekuensi draft pembajakan 5 Hz penurunan draft pembajakannya sekitar %. Mekanisme turunnya draft pembajakan ini berhasil diungkapkan dan dihubungkan dengan rasio kontak yang lebih kecil dari satu.

8 Dalam tahap yang ke dua, peralatan dirancang secara sistematis didasarkan kepada metode VDI2221. Perancangan ditekankan kepada perancangan konsep yang aktivitasnya meliputi membuat abstraksi perancangan, membuat struktur fungsi, mencari prinsip solusi yang sesuai dengan struktur fungsi. Prinsip solusi dikombinasikan menjadi beberapa konsep varian di mana masing-masing konsep varian dapat bekerja sesuai dengan struktur fungsi yang telah dibuat. Langkah akhir adalah mengevaluasi seluruh konsep varian sehingga dihasilkan satu rancangan konsep optimum. Ditambahkan informasi tambahan tentang rancangan wujud dari peralatan berupa lay-out drawing, gambar kerangka, soil bin dan peralatan pemadat tanah. Informasi tambahan ini memberi gambaran yang lebih jelas tentang peralatan yang akan dibangun, bentuk sederhana dan dapat diwujudkan menjadi peralatan dengan biaya yang relatif murah serta dapat beroperasi sebagaimana mestinya. Eksperimen tanpa getar (NST) bertujuan untuk mencari draft pembajakan tertinggi dan frekuensi draft pembajakan. Draft pembajakan tertinggi digunakan untuk mendisain pegas SEV sedangkan fekuensi draft pembajakan digunakan untuk membuat model matematis dari draft pembajakan. Eksperimen dilakukan di dalam soil bin (panjang 1.2 m, lebar 0.3 m dan dalam 0.4 m). Digunakan tanah liat yang dikondisikan di dalam soil bin menjadi dua lapis yaitu lapisan kedap setebal cm dengan tahanan penetrasi sekitar 2.75 MPa dan lapisan atas setebal 7 cm dengan tahanan penetrasi sekitar 1.1 MPa. Digunakan dua jenis chisel plow yaitu chisel plow dengan batang lurus tegak (S1) dan chisel plow dengan batang lurus miring (S2). Kedalaman membajak dibuat sekitar cm sedangkan kecepatan membajak divariasikan dari 0.158, dan m/s. Didapat hasil draft pembajakan tertinggi yang akan digunakan untuk mendisain pegas semi-eliptis sekitar 4800 N. Draft pembajakan mempunyai frekuensi rendah dan sifatnya adalah stokastik. Walaupun demikian draft pembajakan ini dapat dimodelkan sebagai fungsi periodik. Dalam eksperimen bajak getar SEV, batang bajak dihubungkan dengan kerangka oleh sebuah pegas semi-eliptis dengan kekakuan Nm/rad. Eksperimen dilakukan terhadap sistem getar SDOF dengan orientasi pegas menghadap ke muka (FST), sistem getar SDOF dengan orientasi pegas menghadap ke belakang (RST) dan sistem getar dua derajat kebebasan (TST). Hasil-hasil yang didapat dibandingkan dengan hasil yang didapat dari perlakuan NST. Untuk perlakuan FST terjadi kenaikan draft pembajakan sekitar %, oleh karenanya sistem ini tidak direkomendasikan digunakan dalam skala lapang. Untuk perlakuan RST, terjadi penurunan draft pembajakan sekitar %. Penurunan draft pembajakannya akan semakin besar dengan semakin tingginya kecepatan membajak. Hasil pengujian juga menunjukkan bahwa penurunan draft pembajakan pada bajak getar SEV yang menggunakan chisel plow S2 lebih besar dibandingkan dengan penurunan draft pembajakan pada bajak getar SEV yang menggunakan chisel plow S1. Sistem bajak getar RST ini disarankan untuk digunakan dalam skala lapang. Untuk itu kekakuan dan kekuatan pegas disesuaikan dengan besar draft pembajakan tanpa getar pada skala lapang. Perlakuan TST didapat dengan cara memasang pegas kantilever pada batang bajak dan memasang massa ayun pada ujung pegas kantilever. Perlakuan ini baru diuji pada satu tingkat kecepatan membajak m/s. serta dengan menggunakan chisel plow S1 dan chisel plow S2. Tercatat penurunan draft pembajakan masing-

9 masing sebesar 13.6 dan 14.7 %. Karena baru diuji pada satu tingkat kecepatan, maka belum dapat diambil kesimpulan tentang turunnya draft pembajakan ini. Walaupun demikian, sistem ini mempunyai potensi untuk diteliti lebih lanjut dengan cara memvariasikan kekakuan pegas kantilever dan besar massa ayun. Penurunan draft pembajakan pada perlakuan RST ini dirasa masih relatif rendah, untuk itu penurunan draft pembajakan ini diupayakan lebih besar dengan menggunakan penggetaran berenergi rendah pada bajak getar SEV. Sebagai penggetar digunakan massa tak imbang dengan bobot 0.35 kg dan 0.24 kg yang dipasang pada motor listrik 180 Watt pada radius 6.5 cm dan diputar masingmasing pada kecepatan putar 530 rpm dan 1150 rpm. Gaya inersia dari putaran massa tak imbang membuat ujung pisau bajak berosilasi dengan frekuensi tinggi dan dengan amplitudo getar yang relatif rendah. Osilasi ini akan mencacah tanah padat di depan ujung pisau sehingga terjadi kerusakan tanah di depan ujung pisau bajak tanpa membuat irisan tanah. Kondisi ini mengakibatkan gesekan antara tanah dengan pisau bajak serta adhesi tanah menurun drastis yang mengakibatkan turunnya darft tanah. Hanya digunakan chisel plow S2 dengan kecepatan membajak 0.158, dan m/s. Dibandingkan dengan perlakuan NST, tercatat penurunan draft pembajakan sekitar % dan jika dibandingkan dengan perlakuan RST, tercatat penurunan draft pembajakan sekitar %. Penurunan energi baru tercatat pada kecepatan membajak m/s yaitu turun 4.8 % bila digunakan massa tak imbang 0.35 kg dan turun 14.4 % bila digunakan massa tak imbang 0.24 kg. Sistem ini merupakan kebaruan utama dari penelitian ini dan direkomendasikan untuk diteliti lebih lanjut sebelum digunakan dalam skala lapang. Kata kunci: self-excited vibration, penurunan draft pembajakan, penurunan energy, pegas semi-eliptis, dan penggetaran berenergi rendah.

10

11 Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2012 Hak cipta dilindungi Undang-Umdang Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB. Dilarang mengumumkan atau memperbanyak sebagian atau seluruh Karya tulis dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB.

12

13 PENURUNAN DRAFT DAN ENERGI PEMBAJAKAN PADA MODEL SUBSOILER GETAR DENGAN MENGGUNAKAN METODE SELF-EXCITED VIBRATION SOEHARSONO F Disertasi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor pada Departemen Ilmu Keteknikan Pertanian SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2012

14 Ujian Tertutup Penguji Luar Komisi : Prof. Dr.Ir. Armansyah Tambunan (FATETA IPB) Dr. Ir. Erizal (FATETA IPB) Pelaksanaan : Kamis 24 November 2011 pukul Ruang Ujian 551, Gedung Andi Hakim Nasution Kampus IPB Dramaga Bogor Ujian Terbuka Penguji Luar Komisi : Prof. Dr. Ir. Komang Bagiasa (FTMD-ITB) Dr. Ir. Namaken Sembiring (FATETA IPB) Pelaksanaan : Kamis, 22 Desember 2011 pukul selesai Gedung Andi Hakim Nasution Kampus IPB Dramaga Bogor

15 Judul Disertasi Nama Nim : Penurunan Draft dan Energi Pembajakan pada Model Subsoiler Getar Dengan Menggunakan Metode Self-Excited Vibration. : Soeharsono : F Disetujui Komisi Pembimbing Dr.Ir. Radite Praeko Agus Setiawan, M.Agr. Ketua Prof.Dr.Ir. Tineke Mandang, M.S. Anggota Prof. Dr. Ir. Asep Sapei, M.S. Anggota Dr. Ir. Wawan Hermawan, M.S. Anggota. Diketahuhi Ketua Program Studi Ilmu Keteknikan Pertanian Dekan Sekolah Pascasarjana Dr. Ir. Wawan Hermawan, M.S. Dr. Ir. Dahrul Syah, M. S. Tanggal Ujian: 22 Desember 2011 Tanggal Lulus:

16

17 Untuk adinda Hartini Hs, Ananda dan cucu, Negeri dan institusi tercinta

18

19 PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah Yang Maha Pemurah, berkat rahmat dan karunia Nya sehingga karya ilmiah ini dapat diselesaikan. Penelitian ini mengambil topik di bidang bajak getar dengan judul Penurunan draft dan energi pembajakan pada model subsoiler getar dengan menggunakan metode self-excited vibration, di bawah bimbingan Dr. Ir. Radite P.A Setiawan, Prof. Dr. Ir. Tineke Mandang, Prof. Dr. Ir. Asep Sapei dan Dr. Ir. Wawan Hermawan. Penelitian dilakukan selama penulis menempuh studi S3 jalur penelitian di Sekolah Pascasarjana Institut Pertanian Bogor. Penelitian dilakukan di beberapa lokasi diantaranya adalah di Laboratorium Fenomena Dasar Mesin Universitas Trisakti, Laboratorium Perancangan Universitas Tarumanagara dan yang utama adalah di Laboratorium Teknik Mesin dan Budidaya Pertanian Institut Pertanian Bogor. Semua bab yang ditulis di disertasi ini merupakan pengembangan dari apa yang pernah penulis publikasikan di jurnal nasional, jurnal internasional serta yang dimuat di prosiding seminar nasional Perteta 2010 dan prosiding QIR 2009 Universitas Indonesia. Atas terselesaikannya penelitian ini, penulis mengucakapkan terima kasih kepada: Institusi ini, serta Universitas Trisakti yang telah memberi kesempatan kepada penulis untuk memberikan dedikasinya kepada negeri ini, paling tidak dedikasi yang terakhir. Ketua komisi pembimbing bapak Dr. Ir. Radite P. A. Setiawan, anggota komisi pembimbing ibu Prof. Dr. Ir. Tineke Mandang, bapak Prof. Dr. Ir. Asep Sapei, bapak Dr. Ir. Wawan Hermawan juga dosen IPB bapak Prof. Dr. Armansyah T. atas bimbingannya sehingga penelitian ini dapat diselesaikan. PT Matahari Megah Tanggerang, PT Resindo Jakarta, teman-teman satu angkatan khususnya adinda Deddy Sudibyo serta alumni Teknik Mesin Universitas Tarumanagara dan Universitas Trisakti terutama ananda Agus Halim dan ananda Didi Widyatama atas bantuan dana, saran dan pikiran sehingga penelitian ini bisa diselesaiakan. Teknisi Laboratorium Teknik Mesin dan Budidaya Pertanian khususnya bapak Wanna dan bapak Trisnadi serta ananda Achmad Mulya atas bantuannya sehingga penelitian ini dapat diselesaiakan Semua keluarga, istri dan ananda, atas bantuan moral dan sumbangan dana sehingga penulis tetap tabah dalam menyelesaikan penelitian ini. Sekecil apapun manfaatnya, namun semuanya penulis dedikasikan untuk negeri tercinta ini, khususnya institusi tercinta, Institut Pertanian Bogor. Harapannya, karya sederhana ini, semuanya dapat memberikan sumbangan bagi kemajuan ilmiah dan teknologi, untuk negeri ini, institusi ini dan generasi muda negeri ini. Semoga Penulis (Soeharsono)

20

21 RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Lamongan, Jawa Timur pada tanggal 8 April 1947 sebagai anak pertama dari pasangan Bapak Oesman Darmowisastro dan ibu Rahayu Ningsih. Pendidikan sarjana ditempuh di Fakultas Teknik Mesin, Institut Teknologi Sepuluh Novermber Surabaya, dan lulus pada tahun Pada tahun 1987, penulis melanjutkan studi di Fakultas Pascasarjana Institut Teknologi Bandung dan lulus pada tahun 1989 dengan predikat cum laude. Penulis memulai karir sebagai engineer di industri swasta sampai dengan tahun 1983 selanjutnya bekerja sebagai staf pengajar di Universitas Trisakti sampai sekarang. Pada tahun 2007, penulis melanjutkan studi S3 jalur peneltian di Sekolah Pascasarjana Institut Pertanian Bogor. Selama kuliah di IPB, penulis telah membuat sembilan karya publikasi, delapan diantaranya sebagai penulis pertama dan yang berkaitan erat dengan disertasi ini adalah: Getaran batang subsoiler akibat gangguan alami dari variasi gaya potong tanah, dipublikasikan di Jurnal Teknik Mesin Universitas Kristen Petra Surabaya edisi November 2008 Analytical study of self-excited vibration on two degree of freedom vibratory tillage, dimuat di Proceeding of the 11th International Conference on Quality in Research; Depok, 3-6 August 2009 Analytical study of self-excited vibration on single degree of freedom vibratory tillage, dipublikasikan di ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences edisi Mei Perancangan konsep dari peralatan guna simulasi self-excited vibration pada vibratory-tillage, dimuat di Prosiding Seminar Nasional Perteta yang diselenggarakan di Purwokerto, 10 Juli Studi eksperimental gaya potong tanah dan frekuensi getaran bajak saat pemotongan tanah pada operasi pengolahan tanah dipublikasikan di Jurnal Teknotan, edisi Mei 2011 Penerapan getaran paksa berenergi rendah pada pegas elastis untuk menurunkan draft dan energi pada operasi pembajakan tanah. Dipublikasikan di Jurnal Engineering Pertanian. (Inpers.) The influence of elastic springs and spring orientation on the draft force during tillage operation. Dipublikasikan di ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. Edisi Juni 2011.

22

23 DAFTAR ISI Halaman DAFTAR TABEL..xv DAFTAR GAMBAR xvi DAFTAR LAMPIRAN.xx DAFTER SINGKATAN...xxi PENDAHULUAN...1 Latar belakang Masalah.1 Rumusan Masalah... 5 Tujuan Penelitian....5 Kegunaan Penelitian...6 Ruang Lingkup Penelitian..6 Kebaruan Penelitian 7 STUDI ANALITIS SELF-EXCITED VIBRATION PADA VIBRATORY- TILLAGE...9 Abstrak...9 Abstract...9 Pendahuluan..10 Metodologi Hasil dan Pembahasan...21 Kesimpulan...30 Daftar Pustaka...31 PERANCANGAN KONSEP DARI PERALATAN GUNA SIMULASI SELF-EXCITED VIBRATION PADA VIBRATORY-TILLAGE Abstrak Abstract Pendahuluan..34 Proses Perancangan Peralatan...36 Hasil dan Pembahasan...55 Kesimpulan...58 Daftar Pustaka...58

24 STUDI EKSPERIMENTAL DRAFT PEMBAJAKAN PADA OPERASI MEMBAJAK TANAH DI DALAM SOIL BIN 61 Abstrak Abstract Pendahuluan..62 Bahan dan Metode...66 Hasil dan Pembahasan...74 Kesimpulan...83 Daftar Pustaka...83 PENGARUH ELASTISITAS DAN ORIENTASI PEGAS TERHADAP DRAFT PEMBAJAKAN PADA BAJAK GETAR JENIS SELF-EXCITED VIBRATION 85 Abstrak..85 Abstract Pendahuluan.86 Bahan dan Metode...89 Hasil dan Pembahasan...95 Kesimpulan Daftar Pustaka MENURUNKAN DRAFT PEMBAJAKAN DAN ENERGI DENGAN GETARAN PAKSA BERENERGI RENDAH PADA BAJAK GETAR SELF- EXCITED VIBRATION Abstrak Abstract Pendahuluan Bahan dan Metode Hasil dan Pembahasan Kesimpulan Daftar Pustaka PEMBAHASAN UMUM Studi Analitis/Simulasi Perancangan Peralatan 137 Draft Pembajakan Bajak Tanpa Getar 139

25 Draft Pembajakan Bajak Getar Self-Excited Vibration..141 Penggetaran Berenergi Rendah KESIMPULAN UMUM.149 Kesimpulan Saran-Saran.151 DAFTAR PUSTAKA..153 LAMPIRAN.159

26

27 DAFTAR TABEL Halaman 1. Hubungan antara rasio gaya dengan rasio kecepatan Daftar spesifikasi peralatan Pemilihan kombinasi varian Kriteria evaluasi Susunan eksperimen bajak tanpa getar Frekuensi getar terbongkarnya tanah Pendekatan model matematis utuk perlakuan NST Pendekatan model matematis utuk perlakuan NST Parameter tanah di dalam soil bin bajak getar SEV Penurunan draft pembajakan hasil simulasi pada RST1 dan RST Perbandingan draft pembajakan perlakuan NST dan FST Penurunan draft tanah hasil eksperimen dan hasil simulasi Hasil eksperimen TST dibandingkan dengan hasil eksperimen NST Parameter tanah di dalam soil bin perlakuan VST Penurunan draft pembajakan hasil eksperimen VST-NST Penurunan draft pembajakan hasil eksperimen VST-RST Penurunan konsumsi energi hasil eksperimen bajak VST...131

28

29 DAFTAR GAMBAR Halaman 1. Model dinamis dari getaran struktur Model fisis dan model matematis dari perlakuan SEVVT_SDOF Model fisis dari perlakuan SEVVT_TDOF Model matematis dari perlakuan SEVVT_TDOF Model matematis draft pembajakan untuk frekuensi 5 Hz Simpangan absolut dari batang bajak sebagai fungsi dari Respons getar batang bajak SDOF dalam kondisi steady pada kekakuan pegas eliptis k = Nm/rad dengan f e = 5 Hz Respons getar batang bajak SDOF dalam kondisi steady pada kekakuan pegas eliptis k = Nm/rad dengan f e = 2 Hz Simpangan absolut ujung pisau bajak TDOF sebagai fungsi dari m Respons getar batang bajak TDOF dalam kondisi steady pada kekakuan pegas eliptis k = Nm/rad, f e = 5 Hz Contoh lintasan ujung pisau bajak Grafik lintasan ujung pisau bajak untuk SEVVT_SDOF dengan frekuensi draft tanah fe=5 Hz Grafik lintasan ujung pisau bajak untuk SEVVT_SDOF dengan frekuensi draft pembajakan fe=2 Hz Grafik lintasan ujung pisau bajak untuk SEVVT_TDOF dengan frekuensi draft tanah fe=5 Hz Grafik rasio draft pembajakan sebagai fungsi dari rasio kecepatan Sistematika perancangan sesuai dengan VDI Struktur fungsi yang menggambarkan cara kerja peralatan Prinsip solusi dari operasi memadatkan tanah Prinsip solusi dari operasi membongkar (membajak) tanah Prinsip solusi pengukuran gaya dan kecepatan Konsep peralatan varian V 9. Soil bin digerakkan oleh tenaga silinder hidrauliks, pemadatan tanah dilakukan oleh silinder hidrauliks Konsep peralatan varian V 12. Soil bin digerakkan oleh mekanisme konveyor, pemadatan tanah dilakukan oleh silinder hidrauliks Konsep peralatan varian V 14 Soil bin digerakkan oleh mekanisme konveyor, pemadatan tanah dilakukan oleh mekanisme lead sqrew Menyusun kriteria eveluasi ke i dan ke j...49

30 25. Menyusun parameter objectif perancangan Rancangan wujud dari peralatan guna simulasi self-excited vibration vibratory-tillage Rancangan wujud struktur landasan Rancangan wujud dari soil bin Rancangan wujud dari mesin hidrauliks pemadat tanah Blok diagram interaksi antara tanah dengan pisau bajak (a) Representasi tegangan di suatu titik pada tanah, (b) Lingkaran Mohr tegangan dengan beban utama σ 1 dan σ Gaya-gaya yang bekerja pada pisau bajak (Gill et al dan Upadhyaya et al. 2009) Peralatan yang digunakan untuk eksperimen bajak tanpa getar Rangkaian hidraulis peralatan pemadat tanah (a) Chisel dengan batang lurus tegak, (b) chisel dengan batang lurus miring Extended octagonal ring transducer Instrumentasi sensor regangan pada load cell Instrumentasi guna mengukur draft pembajakan bajak tanpa getar (a) Memasang pelat di atas permukaan tanah di dalam soil bin, (b) roll silindris menekan pelat Skematis membajak tanah tanpa getar di dalam soil bin Setup kalibrasi load cell, (a) mencari sensitivitas pengukuran dalam arah longitudinal, (b) mencari sensitivitas pengukuran dalam arah transversal (a) Grafik kalibrasi mengukur gaya dalam arah longitudinal, (b) grafik kalibrasi mengukur gaya dalam arah transversal Pengaruh kecepatan membajak terhadap draft maksimum (grafik a: perlakuan NST1, grafik b: perlakuan NST2, grafik c: perlakuan NST3, grafik d: perlakuan NST4) Pengaruh kecepatan membajak terhadap rerata draft pembajakan (grafik a: perlakuan NST1, grafik b: perlakuan NST2, grafik c: perlakuan NST3, grafik d: perlakuan NST4) Histogram draft pembajakan rata-rata untuk semua kondisi membajak tanah Grafik draft pembajakan pada perlakuan NST1 pada kecepatan membajak V=0.158 m/s Grafik draft pembajakan pada perlakuan NST1 pada kecepatan membajak V=0.158 m/s...,.81

31 48. Bajak getar dari Qiu Lichun et al (2000) Jenis Tines yang digunakan oleh Bernstsen et al (2006) Skema paralatan penelitian dari Laszlo et.al. (2002) Peralatan eksperimen pada bajak getar SEV Susunan instrumentasi guna mengukur draft pembajakan pada bajak getar SEV (a) Pegas semi-eliptis (b), pegas kantilever Ilustrasi eksperimen dengan orientasi FST dan RST pada bajak getar satu derajat kebebasan, (a) dengan menggunakan chisel plow batang lurus S1, (b) dengan menggunakan chisel plow batang miring S Ilustrasi eksperimen pada bajak getar dua derajat kebebasan dengan chisel plow batang lurus (S1) dan chisel plow batang miring S2) Skematis membajak tanah dengan bajak getar SEVdi dalam soil bin Draft pembajakan pada perlakuan NST Lintasan Ujung pisau bajak hasil simulasi pada perlakuan RST Grafik draft pembajakan perlakuan FST dan NST pada kecepatan membajak m/s, (a) FST1-NST11, (b) FST2-NST Simpangan ujung pisau bajak akibat draft pembajakan D pada perlakuan FST Grafik draft pembajakan perlakuan RST1 dan NST1,(a) kecepatan membajak V=0.158 m/s, (b) kecepatan membajak V=0.212 m/s, (c) kecepatan membajak V=0.265 m/s Grafik draft pembajakan perlakuan RST2 dan NST2, (a) kecepatan membajak V=0.158 m/s, (b) kecepatan membajak V=0.212 m/s, (c) kecepatan membajak V=0.265 m/s Defleksi dari batang bajak akibat draft pembajakan D membuat ujung pisau bajak terangkat naik Grafik draft pembajakan perlakuan TST dan NST pada kecepatan membajak V=0.158 m/s, (a) perlakuan TST1-NST11, (b) perlakuan TST2-NST Terjadinya kenaikan elevasi ujung pisau bajak dan massa tambahan pada pegas kantilever Peralatan penelitian dari Butson et.al. (1981) Peralatan eksperimen yang digunakan oleh Szabo et. al. (1998) Diagram kinematis dari peralatan eksperimen yang digunakan oleh Niyamapa et. al. (1980) Skema eksperimental dari Wang et al. (1980) Skema penelitian dari Soeharsono et.al. (2010)...114

32 71. Peralatan yang digunakan untuk eksperimen bajak getar SEV dengan penggetaran berenergi rendah (a) Susunan pegas eliptis, chisel plow dan penggetar, F i : gaya inersia dari massa tak imbang yang diputar dengan kecepatan sudut ω, (b) penggetar yang terdiri atas motor listrik, pelat serta massa tak imbang m Instrumentasi guna pengukuran gaya pada eksperimen bajak getar SEV dengan penggetaran berenergi rendah Tanah di dalam soil bin dibagi menjadi dua lapisan Setup eksperimen, perlakuan NST dan VST Putaran massa tak imbang m=0.21 kg diputar 1150 rpm pada saat ujung pisau bajak menyentuh tanah padat Grafik kekuatan geser sebagai fungsi dari tegangan normal dari tanah yang digunakan dalam eksperimen (2: Lingkarann Mohr tegangan batas minimum agar terjadi kerusakan tanah, 3: Lingkaran mohr tegangan akibat putaran massa tak imbang m=0.35 kg, n=530 rpm, 4: Lingkaran Mohr tegangan akibat putaran massa tak imbang m=0.24 kg, n=1150 rpm) Draft pembajakan untuk kondisi NST dan kondisi VST dengan massa tak imbang 0.35 kg diputar 530 rpm, (a) kecepatan membajak V= m/s, (b) kecepatan membajak V=0.212 m/s, (c) kecepatan membajak V=0.265 m/s Draft pembajakan untuk kondisi NST dan kondisi VST dengan massa tak imbang 0.24 kg diputar 1150 rpm, (a) kecepatan membajak V = m/s, (b) kecepatan membajak V=0.212 m/s, (c) kecepatan membajak V=0.265 m/s Mekanisme turunnya draft pembajakan pada fenomena VST Beda elevasi permukaan tanah di dalam soil bin antara perlakuan NST dan VST Kelengketan tanah pada shank dan pada pisau bajak Hasil analisis statis dan analisis modal dengan menggunakan program paket INVENTOR (a) bajak getar SEV kapasitas draft pembajakan 9000 N, (b) bajak getar SEV kapasitas draft pembajakan N (a) Bajak getar SEV diberi gangguan dalam arah menyudut, (b) bajak getar SEV diberi gangguan dalam arah transversal, (c) batang bajak bergetar dalam orientasi menudut, (d) Batang bajak bergetar dalam orientasi transversal

33 DAFTAR LAMPIRAN Halaman 1. Pandangan muka bajak getar SEV Gambar isometriks kerangka landasan Gambar isometriks soil bin Gambar isometriks Pemadat tanah Uji kekuatan geser tanah...163

34

35 DAFTAR SINGKATAN SEV SDOF TDOF SEV_VT RST FST NST VST TST D Self Excited Vibration Single Degree of Freedom Two Degree of Freedom Self Excited Vibration Vibratory-Tillage Rear Spring Treatment Front Spring Treatment Non Spring Treatment Vibratory Spring Treatment Two Degree of Freedom Spring Treatment Draft Force

36 PENDAHULUAN Latar Belakang Masalah Indonesia merupakan negara agraris dan mempunyai lahan pertanian yang sangat luas. Sebagai gambaran luas lahan pertanian di Indoneia mencapai sekitar 76.4 juta hektar yang meliputi lahan basah sekitar 8.4 juta hektar dan lahan kering sekitar 68 juta hektar (Departemen Pertanian, Dir. Jen. Pengelolaan Lahan dan Air 2007). Adalah wajar jika sektor pertanian dijadikan sebagai faktor utama bagi ketahanan nasional, paling tidak untuk suatu daerah tertentu. Adanya lahan pertanian/lintasan yang dilalui oleh alat-alat berat, mesin-mesin pertanian, manusia dan binatang serta adanya konsolidasi tanah berakibat terbentuknya lapisan kedap (hardpan) di dalam tanah (Randy et al. 2006, Zhang et al. 2006) Lapisan tanah padat dengan tahanan penetrasi tanah di atas 2 MPa. atau mempunyai densitas tanah di atas 1.8 g/cm 3 sulit ditembus oleh akar tanaman, menghambat penetrasi air dan nutrisi serta menghambat sirkulasi udara di dalam tanah. Hal ini akan menghambat pertumbuhan tanaman serta menurunkan produktivitas hasil tanaman (Susan dan Nina 1994, Soil Quality Institute 2003, Borghei et al. 2008, Wang et al. 2006). Pada tanaman lahan kering (misalnya tanaman tebu), kandungan air di atas lapisan kedap akan merusak akar tanaman sehingga pertumbuhan tanaman menjadi terhambat. Untuk membongkar lapisan padat demikian diperlukan draft pembajakan dan konsumsi energi yang besar (Kasisira 2004, Drewer et al. 1980, Chandon et al. 2002). Besarnya draft pembajakan ini digunakan untuk mengatasi gesekan antara tanah dengan permukaan tillage tool, kelengketan tanah dengan pisau bajak, gesekan antar tanah, kohesi tanah serta guna mengatasi percepatan tanah bongkaran di depan tillage tool (Gill et al. 1968, Upadhyaya et al. 2009) Pada operasi tillage konvensional, tidak ada gerak relatif antara chisel dengan implement sehingga selama operasi tillage, selalu terjadi kontak antara chisel dengan tanah. Karena selalu terjadi kontak langsung antara tillage tool dengan tanah, maka selama implement bergerak maju akan terjadi pemadatan tanah oleh tillage tool. Hal ini mengakibatkan draft pembajakan menjadi semakin besar (Zhang Ji 1997) sehingga energi yang diperlukan guna membongkar tanah padat juga menjadi besar pula. Energi yang diperlukan untuk menggerakkan

37 2 implement didapat dari traksi traktor. Untuk memperbaiki efisiensi dari drive wheel traktor umumnya dilakukan dengan cara menambah bobot pada bagian belakang traktor. Hal ini akan mengakibatkan kepadatan tanah yang dilalui oleh traktor semakin meningkat sehingga tahanan tanah akan meningkat pula. Draft pembajakan yang besar serta melampaui kemampuan kekuatan komponen traktor juga dapat merusak komponen dari traktor itu sendiri. Seiring dengan mahalnya harga bahan bakar minyak serta bila luasan lahan yang akan dibongkar sangat luas, maka biaya yang harus dikeluarkan guna mengatasi besarnya draft pembajakan menjadi besar pula. Sebagai gambaran luas lahan kering di Indonesia pada tahun 2008 yang ditanami tebu diperkirakan sekitar hektar dan akan meningkat menjadi sekitar hektar pada tahun 2009 (Dirjen Perkebunan Dep. Tan. 2007). Untuk itu diperlukan upaya guna menurunkan draft pembajakan dan energi yang diperlukan sehingga konsumsi bahan bakar yang diperlukan guna membajak tanah menjadi lebih sedikit. Ada beberapa metode dalam menurunkan draft pembajakan dan konsumsi energi yang telah dikembangkan diantaranya adalah dengan menggunakan teknologi variable depth tillage (Ahmad Kalilian et al. 2002, Yousef Abbaspour et al. 2005), Teknologi electro osmosis (Radite et al. 2002) dan dengan menggetarkan batang bajak. Ada tiga metode yang telah dikembangkan dalam menggetarkan batang bajak yaitu dengan memberi energi mekanis secara langsung ke batang bajak, dengan memberikan energi mekanis pada bagian elastis (pegas) dari batang bajak dan dengan memanfaatkan variasi tahanan tanah selama pisau bajak membongkar tanah. Metode pertama dinamakan oscilatory-tillage, metode ke dua dinamakan force vibration vibratory-tillage sedangkan metode ke tiga dikenal sebagai self excited-vibration (SEV) vibratory-tillage. Metode pertama telah banyak diteliti baik secara analitis maupun secara eksperimental dan berhasil menurunkan draft pembajakan secara signifikan namun selalu disertai dengan kenaikan penggunaan energi, bahkan sangat besar (Awat et al. 2009, Bandalan et al. 1999, Dawelbeit et al. 1999, Kofoed SS 1969 dan Sakai et al. 1993). Semua peneliti sepakat bahwa turunnya draft pembajakan terjadi bila rasio kecepatan (perbandingan antara kecepatan getar maksimum dari

38 3 batang bajak dengan kecepatan maju traktor) lebih besar dari satu atau jika rasio kontak (perbandingan antara waktu kontak ujung pisau bajak bersentuhan dengan tanah padat dengan waktu satu siklus getar) lebih kecil dari satu. Kondisi ini didapat dengan memvariasikan ampkitudo getar, frekuensi getar serta sudut osilasi batang bajak. Penggetaran batang bajak dengan amplitudo getar tinggi dengan frekuensi rendah menjadikan banyak retakan pada tanah (sebagai akibat tumbukan antara ujung pisau bajak dengan tanah padat) sedangkan penggetaran dengan amplitudo getar rendah pada frekuensi tinggi membuat terjadinya kehancuran tanah di depan ujung pisau bajak. Penggetaran juga mengakibatkan kelengketan antara pisau bajak dengan tanah jauh berkurang sehingga draft pembajakannya menjadi turun. Wang et al, (1998) mencatat penurunan kelengketan antara tanah dengan pelat logam secara drastis bila pelat digetarkan pada frekuensi tinggi. Yang unik adalah penelitian yang dilakukan oleh Shahgoli et al. (2007). Dalam penelitiannya, Shahgoli et al. (2007) melaporkan terjadinya penurunan draft pembajakan sebesar 15 % pada rasio kecepatan kecepatan Hal ini dilakukan dengan mengatur frekuensi getar, amplitude getar, sudut osilasi dan kecepatan membajak masing masing sebesar sebesar 1.9 Hz, 69 mm, 27 0 dan 2.9 km/h. Kondisi ini memungkinkan terjadinya rasio kontak sebesar 79 %. Sesuai dengan rumusan yang dikembangkan oleh Radite et al. (2002) dan Sakai (2009), kondisi rasio kontak ini memungkinkan terjadinya penurunan draft pembajakan. Kendati metode ini menaikkan pemakaian energi, namun mempunyai keunggulan yaitu kualitas tanah menjadi semakin gembur dan banyak terjadi retakan di dalam tanah yang telah terbongkar (Radite et al. 2007) sehingga memudahkan kandungan air di atas lapisan kedap meresap ke dalam tanah. Dalam metode ini berapapun besarnya energi yang dibutuhkan untuk mengosilasikan tillage tools disediakan sepenuhnya oleh sistem mekanis. Hal inilah yang menyebabkan kenaikan konsumsi energi secara berlebihan. Radite et al. (2010b) melakukan penelitian dengan menggunakan metode force vibration vibratory-tillage. Radite et al. (2010b) melakukannya dengan penggetaran struktur pada bajak mol getar lateral. Dalam penelitiannya, Radite et al. (2010b) memasang batang bajak mol pada batang kantilever yang digetarkan dalam arah transversal dan ditarik oleh traktor. Kedalaman membajak dibuat

39 4 sedalam cm sedangkan kecepatan membajak dibuat sebesar km/jam. Dengan penggetaran struktur pada frekuensi 7-12 Hz, draft bajak mol turun antara %. Pada frekuensi antara 7 Hz sampai dengan 12 Hz getaran struktur juga cukup efektif dalam menurunkan energi getar, dimana penurunan draft masih lebih besar dibandingkan dengan presentasi kenaikan daya kinetis. Penggetaran dengan frekuensi 15 Hz paling tidak efektif karena peningkatan daya kinetis sebesar 10.9 % hanya menghasilkan penurunan daya sebesar 3.1%. Metode yang ke tiga (self-excited vibration vibratoty tillage) juga telah diteliti secara analitis dan secara eksperimental (Laszlo et al. 2002, Berntsen et al dan Qiu Lichun et al. 2000, Duerinckx et al. 2005). Dalam metode ke tiga, penurunan tahanan tanahnya lebih rendah dibandingkan dengan metode yang pertama sedangkan konsumsi energinya menjadi lebih rendah jika dibandingkan dengan konsumsi energi pada operasi tillage tanpa getar dan metode oscilatorytillage. Energi yang dibutuhkan untuk menggetarkan tillage tools didapat dari energi yang disimpan di dalam pegas dalam bentuk energi potensial yang diakibatkan oleh variasi draft pembajakan. Dengan demikian energi yang disediakanpun menjadi terbatas. Perlu diupayakan untuk menaikkan level energi dari sistem getar yaitu dengan optimasi elastisitas pegas, dengan menambah jumlah derajat kebebasan dari sistem getar serta dengan penggetaran berenergi rendah pada pegas elastis. Dengan optimasi elastisitas pegas dan sistem getarnya, diharapkan energi yang disimpan di dalam pegas menjadi lebih besar sehingga getaran yang terjadi pada tillage tools akan mampu menurunkan tahanan tanah secara signifikan dengan kualitas tanah yang tidak jauh berbeda dengan kualitas tanah yang dihasilkan oleh subsoiling metode oscilatory-tillage. Gill et al. (1968) dan Upadhyaya et al. (2009) membuat rumusan draft pembajakan yang didasarkan pada keseimbangan gaya-gaya yang bekerja pada pisau bajak. Khusus irisan di depan ujung pisau bajak, draft pembajakannya didasarkan pada passive soil failure theory atau Mohr Coulomb theory. Draft pembajakan ini menjadi besar bilamana irisannya memanjang dari ujung pisau bajak sampai dengan permukaan tanah. Bilamana Mohr Coulomb theory ini hanya digunakan untuk menghancurkan tanah padat di depan ujung pisau bajak, maka

40 5 gaya tersebut menjadi sangat kecil. Hal ini bisa dilakukan dengan penggetaran pada batang bajak berenergi rendah dengan frekuensi tinggi. Dengan penggetaran berenergi rendah pada batang bajak, diharapkan mampu menghancurkan tanah di depan ujung pisau bajak tanpa membuat irisan tanah sehingga draft pembajakan beserta konsumsi energinya menjadi turun. Rumusan Masalah Dari uraian di atas dan agar penelitian ini menjadi jelas dan terarah, maka dibuat rumusan masalah sebagai berikut: Usaha menurunkan draft pembajakan dan konsumsi energi pada subsoiling dengan menggunakan subsoiler jenis self excited vibration satu dan dua derajat kebebasan, dan dengan penggetaran berenergi rendah pada bajak getar self-excited vibration. Usaha tersebut dilakukan melalui studi analitis dan studi eksperimental dalam skala laboratorium. Tujuan Penelelitian Tujuan dari penelitian ini adalah: Mengungkapkan mekanisme turunnya draft pembajakan, baik melalui simulasi matematis maupun melaluai eksperimen pada bajak getar yang mengalami gangguan secara alami sebagai akibat dari variasi draft pembajakan. Membuat derivasi matematis dari getaran subsoiler getar yang mengalami gangguan secara alami sebagai akibat dari variasi draft pembajakan, yang meliputi subsoiler getar satu dan dua derajat kebebasan. Membuat model subsoiler getar satu dan dua derajat kebebasan yang mengalami gangguan secara alami sebagai akibat dari variasi draft pembajakan dalam skala laboratorium, tujuannya adalah menurunkan draft pembajakan yang diperlukan untuk membajak tanah. Membuat model subsoiler getar dengan penggetaran berenergi rendah pada bajak getar satu derajat kebebasan yang mengalami gangguan secara alami sebagai akibat dari variasi draft pembajakan dalam skala laboratorium, tujuannya adalah menurunkan draft pembajakan beserta penggunaan energi yang diperlukan untuk membajak tanah.

41 6 Kegunaan Penelitian Penelitian ini diharapkan memberikan manfaat sebagai berikut: Memberikan kontribusi positif bagi pengembangan ilmu pengetahuan dan teknologi khususnya di bidang getaran struktur beserta penerapannya pada mesin-mesin pertanian. Bila digunakan dalam skala lapang dapat membantu petani dalam memperbaiki kualitas tanah sehingga produktivitas hasil pertanian semakin meningkat. Bila digunakan dalam skala lapang dapat menghemat penggunaan bahan bakar minyak yang diperlukan guna membongkar tanah padat. Bila digunakan dalam skala lapang dapat menjaga reliabilitas dari traktor yang digunakan untuk membajak tanah. Ruang Lingkup Penelitian Seluruh rangkaian penelitian ini dilakukan dalam skala laboratorium. Guna menjamin keberhasilan penelitian, maka penelitian ini disusun meliputi: Studi analitis/simulasi bajak getar jenis self-excited vibration (SEV), yang meliputi bajak getar SEV berderajat kebebasan tunggal maupun bajak getar SEV berderajat kebebasan ganda. Simulasi ditekankan pada getaran batang bajak, lintasan ujung pisau bajak serta besar penurunan draft pembajakan beserta mekanisme penurunan draft pembajakan. Perancangan peralatan penelitian. Perancangan ini disusun secara sistematis tahap demi tahap utamanya didasarkan pada teori yang dikembang oleh Pahl et al. (1976). Perancangan lebih ditekankan pada perancangan konsep peralatan dan disertai dengan informasi tambahan tentang perancangan wujud. Eksperimen guna mencari besar, frekuensi dan model matematis dari draft pembajakan. Eksperimen ini diperlukan untuk merancang pegas yang akan digunakan untuk penelitian bajak getar jenis self-excited vibration. Demikian pula diperlukan untuk proses simulasi lanjutan serta digunakan untuk perbandingan dengan draft pembajakan dari hasil yang didapat dari bajak getar self-excited vibration. Eksperimen guna mencari pengaruh elastisitas pegas beserta orientasinya terhadap draft pembajakan. Eksperimen meliputi bajak getar SEV satu dan dua

42 7 derajat kebebasan, orientasi pegas menghadap ke muka (front spring treatment) dan orientasi pegas menghadap ke belakang (rear spring treatment) Eksperimen guna mencari pengaruh penggetaran berenergi rendah pada bajak getar SEV terhadap draft pembajakan dan kebutuhan energi. Kebaruan Penelitian Kebaruan dari penelitian ini adalah: Digunakannya pegas semi-eliptis pada bajak getar SEV yang mempunyai potensi getar dalam arah menyudut (horisontal dan vertikal) serta dalam arah transversal. Diungkapkannya pengaruh orientasi pegas pada bajak getar SEV terhadap draft pembajakan. Kebaruan utama dari penelitian ini terletak pada pengaruh penggetaran berenergi rendah pada bajak getar SEV satu derajat kebebasan terhadap penurunan draft pembajakan dan energi saat membajak tanah.

43 STUDI ANALITIS SELF-EXCITED VIBRATION PADA VIBRATORY-TILLAGE (Analytical Study of Self-Excited Vibration Vibratory-tillage) Abstrak Studi analitis dan eksperimental terhadap penggetaran batang bajak dengan cara memberikan energi mekanis ke batang bajak telah banyak dilakukan. Walaupun metode ini berhasil menurunkan tahanan tanah secara signifikan, namun penggunaannya berakibat pada kenaikan konsumsi energi secara berlebihan. Penggetaran dengan cara menggunakan metode eksitasi sendiri pada subsoiler getar juga telah banyak dilakukan secara eksperimental. Penggetaran dengan cara ini berhasil menurunkan tahanan tanah. Namun, penurunannya tidak sebesar yang dicapai dengan cara sebelumnya. Kendati demikian, studi analitis terhadap penggetaran dengan cara yang kedua ini belum pernah dilakukan secara detil. Oleh karena itu dalam penelitian ini akan dilakukan studi analitis dari bajak getar jenis self-excited vibration (SEVVT). Tujuannya adalah mencari parameter dinamis dari bajak getar sehingga getaran dari batang bajak mampu menurunkan draft pembajakan yang diperlukan untuk membajak tanah. Getaran dari SEVVT dimodelkan sebagai sistem getar Satu Derajat Kebebasan (SEVVT_SDOF) dan sistem getar Dua Derajat Kebebasan (SEVVT_TDOF). Dalam SEVVT_SDOF, derajat kebebasan yang dipilih adalah getaran batang bajak yang dihubungkan dengan kerangka tetap melaluai sebuah pegas semi-eliptis. Bajak getar SEVVT_TDOF didapat dengan cara menambah sebuah massa ayun yang dihubungkan dengan batang bajak melalui sebuah pegas koil. Getaran batang bajak diakibatkan oleh variasi draft pembajakan selama pisau bajak bergerak maju. Elastisitas pegas semi-eliptis atau besar massa ayun divariasikan sehingga batang bajak bergetar hebat di sekitar frekuensi resonansi. Kondisi ini diharapkan mampu menurunkan draft pembajakan yang diperlukan untuk membajak tanah. Seberapa besar turunnya draft pembajakan diinvestigasi dengan cara menganalisis gerak osilasi dari lintasan ujung pisau bajak. Hasil yang didapat dibahas lebih lanjut sehingga didapat gambaran tentang keberhasilan dari penelitian ini. Kata kunci: bajak getar, self-excited vibration, draft pembajakan, pegas semieliptis, lintasan ujung pisau bajak. Abstract Analytical and experimental study on vibratory-tillage by adding external energy to the tillage tool has been widely conducted. Though this method has been shown to significantly reduce soil resistance, it will, unfortunately, increases the energy consumption excessively. Experimental study on vibratory-tillage by selfexcited vibration method has also been performed. This method can also reduces soil resistance though not as much as the former. No analytical study in detail of the latter, however, can be found. This chapter discusses analytical study of selfexcited vibration of tillage-tool on vibratory-tillage (SEVVT) due to natural excitation of varying cutting forces. The objectif of this discussion is to find dynamics parameter of vibratory-tillage so that the vibration of tillage-tool will

44 10 be able to reduced draft force required for loosening soil density during tillage operation. The vibration of SEVVT was modeled as vibration systems with single and two degrees of freedom (SEVVT-SDOF and SEVVT_TDOF) system. In the SEVVT_SDOF, the degree of freedom was vibration of tillage tool that was connected to a fixed structure by a new model of semi-elliptic spring. In the SEVVT_TDOF, the degrees of freedom were the motion of the tillage tool and the motion of the swinging-mass arm; the swinging mass was connected to tillage tool by a coil spring. The vibration of tillage tool was caused by natural excitation of the varying cutting force. The elasticity of elastic spring or the mass of swinging mass was optimized such that the tillage tool vibrates violently around its resonant frequency. This condition decreases the draft force required to loosen soil density due to the self-exited vibration phenomenon. The possibility of draft force reduction was investigated further by analyzing the oscillating pathway of the tillage tool tip. The result discussed further so that the successfully of this research can be visualized. Keywords: Vibratory-tillage, self-excited vibration, draft force, semi-elliptic spring, oscillating pathway of the tillage tool tip. Pendahuluan Parameter dinamis dari suatu struktur dinyatakan dengan massa, elastisitas dan peredam. Massa dan elastisitas merupakan potensi getar dari struktur sedangkan peredam merupakan potensi struktur dalam meredam getaran. Sesuai dengan gangguannya, getaran struktur dibedakan dalam getaran bebas, getaran paksa dan self-excited vibration. Secara skematis, klasifikasi tersebut dapat ditunjukkan dalam bentuk model dinamis pada Gambar 1. Gambar 1 Model dinamis dari getaran struktur. Getaran bebas terjadi bilamana struktur diberi simpangan awal atau kecepatan awal, dalam hal demikian struktur akan bergetar secara harmonis dengan frekuensi getar sesuai dengan frekuensi alaminya. Getaran paksa terjadi bilamana struktur diberi gangguan dari luar baik berupa gaya/momen atau berupa

45 11 gerakan rangka dasar/pondasi. Dalam hal demikian, struktur akan bergetar dengan frekuensi getar yang sesuai dengan frekuensi gangguannya. Bila frekuensi gangguan berdekatan dengan frekuensi alami struktur, maka terjadi fenomena resonansi dan struktur akan bergetar hebat. Fenomena self-excited vibration terjadi utamanya akibat adanya interaksi antara gerakan struktur dengan lingkungan getarnya (Rao dan Yap Fook Fah 2005, McMillan 1997). Hal yang unik dari getaran ini adalah gangguannya selalu merupakan fungsi dari simpangan, kecepatan dan percepatan dari massa getar. Oleh karena itu pada kasus ini tidak ada solusi yang sifatnya umum bahkan pada beberapa kasus, solusi eksperimental memberikan jawab yang mendekati kebenaran (Ekwaro dan Desen 2001). Fenomena self-excited vibration telah digunakan pada bajak getar dengan tujuan untuk menurunkan draft pembajakan serta energi yang diperlukan untuk membajak tanah (Qiu Lichun et al. 2000, Berntsen et al dan Laszlo Fenyvesi et al. 2002). Qiu Lichun et al. (2000) membuat studi eksperimental bajak getar dengan menggunakan metode self-excited vibration. Pegas elastis dipasang antara bajak getar dengan traktor menggantikan fungsi dari upper link. Bajak getar bekerja pada kedalaman membajak antara 26 cm sampai dengan 29 cm. Dibandingkan dengan bajak tanpa getar, Qiu Lichun et al. (2000) mencatat penurunan draft pembajakan sekitar 10.8 %. Bernstsen et al. (2006) melakukan penelitian tentang draft pembajakan dengan menggunakan rigid tines dan flexible tines. Penelitian dilakukan pada loam soil pada dua kondisi tanah yaitu pada tilled soil dan pada no-tilled soil serta pada dua kondisi kecepatan 1 m/s dan 2 m/s. Kedalaman membajak dilakukan pada 0.06 m dan 0.12 m. Dalam penelitiannya, Bernstsen et al. (2006) menggunakan tiga jenis tines yaitu rigid tine, flexible straight tines dan flexible S tines. Jika dioperasikan pada no-tilled soil, Bernstsen mencatat penurunan draft pembajakan pada flexible straight tines dan flexible S tines berturut turut sebesar sebesar 20 % dan 28% dibandingkan dengan draft pembajakan yang diperlukan oleh rigid tines. Pada tilled soil, terjadi hal sebaliknya yaitu rigid tine memberikan

46 12 draft pembajakan paling rendah dibandingkan dengan draft pembajakan untuk flexible tine. Laszlo et al. (2002) membuat penelitian SEVVT guna menurunkan draft pembajakan dengan menggunakan Sakun plow. Laszlo et al. (2002) mencatat tidak terjadi penurunan draft pembajakan tanah pada kekakuan pegas yang sangat rendah. Penurunan draft pembajakan menjadi semakin tinggi pada kekakuan pegas yang semakin tinggi. Pada batas kekakuan pegas tertentu draft pembajakan nya menjadi semakin tinggi lagi. Laszlo et al. (2002) menyimpulkan penurunan draft pembajakan optimum terjadi pada rentang frekuensi alami bajak getar pada kisaran Hz. Walaupun bajak getar jenis SEVVT telah diuji secara eksperimental dan berhasil menurunkan draft pembajakan, namun kajian analitisnya baru dilakukan sebatas pada kajian analitis tentang getaran batang bajak sedangkan analisis tentang turunnya draft pembajakan pada bajak getar jenis SEVVT hanya sedikit dibahas. Pada bab ini akan dibuat studi analitis bajak getar jenis self-excited vibration. Getaran dari SEVVT dimodelkan sebagai system getar satu derajat kebebasan (SDOF) dan sistem getar dua derajat kebebasan (TDOF) yang meliputi getaran dari batang bajak dan getaran dari massa ayun. Batang bajak dihubungkan dengan fixed structure oleh sebuah pegas semi-eliptis sedangkan massa ayun dihubungkan dengan batang bajak oleh sebuah pegas koil. Getaran batang bajak diakibatkan oleh variasi draft pembajakan yang berupa fungsi periodik dan diekspansikan lebih lanjut dalam deret Fourier. Dilakukan simulasi pada dua kondisi frekuensi draft pembajakan yaitu pada frekuensi sedang (5 Hz) dan frekuensi draft pembajakan rendah (2 Hz). Momen inersia massa dari batang bajak dibuat konstan sedangkan elastisitas pegas atau besar massa ayun divariasikan. Kondisi ini berpengaruh terhadap getaran batang bajak. Getaran batang bajak direpresentasikan dalam domain waktu, dalam bentuk grafik simpangan batang bajak sebagai fungsi dari frekuensi alami ω n dan sebagai fungsi dari massa ayun m 2. Pada kondisi tertentu batang bajak akan bergetar hebat, energi regangan yang disimpan pada pegas mendorong batang bajak sehingga terjadi tumbukan antara pisau bajak dengan tanah padat dengan level energi yang

47 13 tinggi. Kondisi ini diharapkan mampu menurunkan draft pembajakan yang diperlukan untuk membajak tanah. Mekanisme turunnya draft pembajakan diinvestigasi lebih lanjut dengan menganalisis grafik dari lintasan ujung pisau bajak. Tujuan dari penelitian ini adalah: Mencari parameter dinamis bajak getar SEV sehingga getaran batang bajak mampu menurunkan draft pembajakan yang diperlukan untuk membajak tanah. Mengungkapkan secara analitis mekanisme turunnya draft pembajakan tanah pada bajak getar jenis self-excited vibration. Metodologi Persamaan Gerak Getaran Bajak Getar SEVVT_SDOF Model fisis dari perlakuan SEVVT_SDOF ditunjukkan pada Gambar 2a yang terdiri atas pegas semi-eliptis dengan kekakuan k dan batang bajak dengan momen inersia J. Model dari SEVVT dipasang pada sebuah carriage yang bergerak maju dengan kecepatan V 0. Getaran batang bajak diakibatkan oleh variasi draf pembajakan yang diakibatkan oleh interaksi antara pisau bajak dengan tanah selama carriage bergerak maju. Pada saat carriage bergerak maju, pisau bajak menekan tanah padat dengan gaya yang sangat besar. Batang bajak terdefleksi ke belakang menekan pegas elastis dan energinya disimpan pada pegas elastis dalam bentuk energi regangan. Pada saat tanah padat terbongkar, draft pembajakan menurun drastis, pegas elastis melepas energi regangan dan diubah menjadi energi mekanis pada batang bajak sehingga batang bajak bergetar sesuai dengan fenomena stick-slip pada self-excited vibration (Mc Milan 1997). Dengan demikian maka sistem getar dari bajak getar dapat dimodelkan sebagai sistem self-excited vibration satu derajat kebebasan seperti terlihat pada Gambar 2b. Pegas semi-eliptis dimodelkan sebagai pegas linier dengan kekakuan sudut k, c adalah model dari peredam tanah sedangkan batang bajak dimodelkan dengan inersia massa J. Sistem getar dihubungkan dengan kerangka yang bergerak maju dengan kecepatan V 0 sedangkan derajat kebebasan yang dipilih adalah getaran sudut dari batang bajak.

48 14 (a) Gambar 2 (a) Model fisis dari perlakuan SEVVT_SDOF, (b) model matematis dari perlakuan SEVVT_SDOF. Jika θ adalah simpangan sudut dari batang bajak, maka persamaan diferensial dari getaran batang bajak dapat ditulis sebagai: (b) atau:.,, (1) di mana: 2.,, / (2) x = rθ adalah simpangan horisontal dari ujung pisau bajak : adalah frekuensi alami dari sistem getar / 2 : adalah factor peredaman,, : draft pembajakan akibat interaksi antara pisau bajak dengan tanah selama carriage bergerak maju. J: momen inersia massa dari batang bajak dan pegas semi-eliptis k: : kekakuan sudut dari pegas semi-eliptis. r: jarak antara pusat getar O ke draft pembajakan. c: koefisien peredam viskus dari tanah setelah dibajak. t: tebal pegas semi-eliptis. Digunakan notasi.,,. Karena,, dimodelkan sebagai fungsi periodik maka M(t) juga merupakan fungsi periodik dengan perioda T dan frekuensi ω. Oleh karenanya maka M(t) dapat dinyatakan dalam deret Fourier sebagai berikut (Kreyszig 1988, Meirovitch 1986):

49 15 di mana: (3), (4) Subsitusi persamaan 3-4 ke persamaan 2 didapatkan respon getar menyudut dari getaran batang bajak sebagai (Rao dan Yap Fook Fah, 2005): di mana: sin (5) (6), n = 1,2,3,... (7) Persamaan 5-6 menunjukkan bahwa bajak getar akan bergetar hebat bilamana: 1. Persamaan Gerak Getaran Bajak Getar SEVVT_TDOF Model fisis dari SEVVT Dua Derajat Kebebasan (SEVVT_TDOF) ditunjukkan pada Gambar 3. Yang membedakan model fisis dari perlakuan SEVVT_TDOF dengan model fisis dari perlakuan SEVVT_SDOF adalah ditambahkannya massa ayun yang dihubungkan dengan batang bajak oleh sebuah pegas koil. Derajat kebebasan yang dipilih adalah simpangan sudut dari batang bajak dan simpangan sudut dari batang ayun. Sebuah massa dipasang pada ujung batang ayun. Semua komponen dari bajak getar terbuat dari bahan baja sehingga peredaman struktur dapat diabaikan. Model matematis dari getaran batang bajak getar jenis ini ditunjukkan pada Gambar 4.

50 16 t k1 O2 O1 J2 A k2 B C m2 r J1 Gambar 3 Model fisis dari perlakuan SEVVT_TDOF. Gambar 4 Model matematis dari perlakuan SEVVT_TDOF. Dari Gambar 3-4 dapat dibuat persamaan diferensial dari getaran batang bajak getar sebagai berikut: atau: di mana: 0 (8a) 0.,, dengan,, : draft pembajakan. (9), J 1 : momen inersia massa dari batang bajak. cos / k 1 : kekakuan sudut dari batang pegas semi-eliptis. k 2 : kekakuan linier dari pegas penghubung. (8b)

51 17 d 1 : jarak antara titik O 1 ke titik A. d 2 : jarak antara titik O 1 ke titik B. l 2 : jarak antara titik O 2 ke massa m 2. r: jarak antara titik O 1 ke draft pembajakan. J: matriks massa c: matriks peredaman. k: matriks kekakuan Persamaan 8 menunjukkan bahwa koordinat θ 1 terhubung (terkopling) dengan koordinat θ 2. Dengan menggunakan metode analisis modal, koordinat θ 1 dan θ 2 dapat diubah menjadi dua buah koordinat yang tidak terkopling, misalnya koordinat η 1 dan η 2. Frekuensi alami dan vector pribadi dari persamaan getar pada persamaan 8 adalah ω n1, ω n2, {Q} 1 and {Q} 2. Matriks modal Q didefinisikan sebagai: (10) Prinsip orthogonal dari matriks modal Q terhadap matriks massa J dan terhadap matriks kekakuan k ditulis sebagai (Meirovitch 1986, Rao et al. 2005): dan (11) di mana M dan K berupa matriks diagonal dan masing-masing adalah matriks massa umum dan matriks kekakuan umum serta ditulis sebagai: di mana (12), 1,2 Matriks terkopling θ dihubungkan dengan matriks tidak terkopling η oleh matriks modal Q yaitu:, (13) Subsitusi persamaan ke persamaan 8 selanjutnya di-prakalikan dengan matriks Q T dan dengan menganggap matriks peredaman c sebagai matriks proporsional terhadam matriks massa J dan matriks kekakuan k didapatkan dua

52 18 buah persamaan getar berderajat kebebasan satu yaitu (Rao dan Yap Fook Fah, 2005, Krodkiewski JM. 2008, Cai et al. 2002, Rich Marchand et al. 1999): 2 2 (14) Dengan M(t) berupa fungsi periodik pada persamaan 3-4, maka respon getar dalam koordinat tidak terkopling adalah (Rao dan Yap Fook Fah 2005): di mana cos sin cos sin (15), (16),, 1,2 (17) Dengan memperhatikan persamaan 14, maka respon getar dalam koordinat tidak terkopling adalah: dan (18) Persamaan 16 menunjukkan bahwa bajak getar akan bergetar hebat bilamana 1. Model Draft Pembajakan dan Parameter Getar dari Sistem Getar Untuk sesaat, draft pembajakan,, dimodelkan sebagai fungsi periodik seperti terlihat pada Gambar 5 dan dibagi menjadi tiga tahap. Dari titik 1 ke titik 2, pisau bajak bergerak maju melalui aliran plastis (plastic flow) dari tanah padat (Aluko et al dan Yow et al. 1976). Dalam langkah ini besar draft pembajakan dianggap sebesar 40 % dari besar draft pembajakan untuk bajak tanpa getar. Selanjutnya dari titik 2 ke titik 3 pisau bajak terdorong mundur oleh tanah padat. Dari titik 3 ke titik 4 selanjutnya ke titik 5, pisau bajak bergerak maju melalui tanah yang telah telah dibajak. Dalam langkah ini besar draft pembajakan

53 19 dianggap sebesar 20 % dari besar draft pembajakan untuk bajak tanpa getar. Besaran gaya untuk setiap tahap didasarkan pada hasil pengujian unconfined test yang dilakukan di Laboratorium Fisika dan Mekanika Tanah Fateta IPB. Dari unconfined test didapatkan data kualitatif sebagai berikut: Untuk tanah dengan kepadatan rendah yang setara dengan tanah yang telah terbongkar,,, sangat rendah dan besarnya konstan. Untuk tanah padat,,, mempunyai tendensi berupa fungsi polinomial berderajat tiga terhadap waktu t. Draft pembajakan (N) Draft pembajakan 4 5 M(t) M(t) (N.m) waktu (s) Gambar 5 Model matematis draft pembajakan dan M(t) untuk frekuensi 5 Hz. Draft pembajakan maksimum (titik 3) dicari dengan menggunakan rumusan dari Gill et al. (1968). Untuk kedalaman membajak 0.2 m, besar draft pembajakan maksimum sekitar 2500 N. Simulasi dilakukan pada dua frekuensi draft pembajakan (f e ) yaitu pada frekuensi sedang (5 Hz) dan pada frekuensi rendah (2 Hz). Untuk sesaat, asumsi data momen M(t) dari draft pembajakan terhadap pusat getar O ditunjukkan dengan garis putus-putus pada Gambar 5. Untuk frekuensi draft pembajakan sedang (5 Hz), draft pembajakannya dimodelkan sebagai:,, = 1000 N 0<t<0.05 = 12E6 t 3 3.6E6 t t (N) 0.05<t<0.1 = t (N) 0.1<t<0.15 = 500 N 0.15<t<0.2. (19)

54 20 Untuk frekuensi draft pembajakan 2 Hz (perioda 0.5 s), draft pembajakan nya dimodelkan sebagai:,, = 1000 N 0<t<0.125 = 768E3 t 3 576E3 t t (N) 0.125<t<0.25 = t (N) 0.25<t<0.375 = 500 N 0.375<t<0.5 (20) Parameter getar yang meliputi parameter dinamis dan ukuran yang digunakan dalam simulasi adalah sebagai berikut: Parameter getar untuk perlakuan SEVVT_SDOF (lihat Gambar 1): Momen inersia massa dari batang bajak J=3.789 kg-m 2, faktor peredaman ξ=10% dan ξ=20%. Kekakuan pegas semi-eliptis didapat dari hasil simulasi yaitu dengan cara memvariasikan nilai dari frekuensi alami system getar. Parameter getar lainnya adalah r = 0.6 m, a = m dan b = m. Pegas semi-eliptis terbuat dari bahan alloy steel yang mempunyai yield strength sekitar 550 MPa, material lainnya terbuat dari baja struktur. Parameter getar untuk perlakuan SEVVT_TDOF (lihat Gambar 2-3): Kekakuan dari pegas semi-eliptis k 1 =18750 Nm/rad yang didapat dari hasil simulasi SEVVT Satu Derajat Kebebasan. Kekakuan pegas penghubung k 2 =12000 N/m, faktor peredaman ξ=10% dan ξ=20% momen inersia dari batang bajak J 1 =2.486 kg-m 2, momen inersia batang ayun J 2 =0.02 kg-m 2 sedangkan massa ayun m 2 divariasikan dari 0-3 kg. Parameter getar lainnya adalah d 1 =0.406 m, d 2 =0.288 m, r=0.6 m, l 2 =0.448 m, sudut α 1 =88º dan α 2 =7º. Pegas semi-eliptis k 1 dan pegas penghubung k 2 ke duanya terbuat dari alloy steel dengan nilai yield strength sekitar 550 MPa. Dengan demikian persamaan gerak pada persamaan 8 menjadi: (21) 0

55 21 Prosedur Simulasi Simulasi didasarkan pada persamaan 1-21 dan ditekankan pada respon getar getaran batang bajak dalam kondisi steady serta ditekankan pada penurunan draft pembajakan. Untuk SEVVT_SDOF, simulasi dilakukan pada dua kondisi frekuensi draft pembajakan yaitu frekuensi draft pembajakan sedang (f e = 5 Hz) dan pada frekuensi draft pembajakan rendah (f e = 2 Hz) serta pada dua kondisi faktor peredaman yaitu pada ξ=10 % dan ξ=20 %. Faktor peredaman ξ=10 % digunakan untuk mencari kondisi resonansi sedangkan faktor peredaman ξ=20 % diharapkan sesuai dengan kondisi peredaman tanah yang sebenarnya. Momen inersia massa dari batang bajak dibuat konstan (J=3.789 kg-m 2 ) sedangkan frekuensi alami dari bajak getar divariasikan dari , 2. Selanjutnya dibuat grafik dari simpangan absolut (jarak antara simpangan maksimum dengan simpangan minimum) ujung pisau bajak sebagai fungsi dari.grafik ini akan digunakan untuk mencari kekakuan pegas k sehingga batang bajak dapat bergetar hebat. Untuk SEVVT_TDOF, kekakuan pegas diambil dari kekakuan pegas hasil simulasi perlakuan SEVVT_SDOF. Selanjutnya dibuat grafik simpangan absolut dari ujung pisau bajak sebagai fungsi dari besar massa ayun m 2 serta dibuat grafik simpangan ujung pisau bajak dalam domain waktu. Ini dimaksudkan untuk mencari besar massa ayun m 2 sehingga batang bajak bergetar hebat. Untuk simpangan batang bajak yang besar, dilakukan pengecekan terhadap tegangan pada pegas elastis. Ini dimaksudkan untuk menghindari bahan dari pegas elastis berubah menjadi plastis sehingga masih dapat berfungsi sebagai pegas. Mekanisme turunnya draft pembajakan dianalisis dalam kondisi batang bajak bergetar hebat yaitu dengan cara menganalisis lintasan ujung pisau bajak. Hasil dan Pembahasan Getaran Batang Bajak pada SEVVT_SDOF Hasil simulasi berupa grafik simpangan absolut dari ujung pisau bajak (pada frekuensi draft pembajakan f e = 5 Hz) sebagai fungsi dari frekuensi alami bajak getar ditunjukkan pada Gambar 6. Nilai dari frekuensi alami ω n divariasikan dari ω n =0.5ω e hingga ω n =2.5ω e.

56 22 Agar terjadi penurunan draft pembajakan, diperlukan kondisi rasio kecepatan (perbandingan antara kecepatan getar maksimum dari batang bajak dengan kecepatan maju traktor) lebih besar dari satu (Bandalan et al.1999, Niyamapa dan Salokhe 2000). Kondisi ini dipenuhi bilamana batang bajak bergetar hebat. Simpangan maksimum yang sangat besar dari ujung pisau bajak terjadi pada ω n =ω e dan pada ω n =2ω e. Dalam kondisi ini kekakuan pegas semieliptis besarnya masing-masing adalah k = 3740 Nm/rad dan k=14960 Nm/rad. Pada ω n =ω e, simpangan absolut dari ujung pisau bajak untuk factor peredaman ξ=20 % mencapai 230 mm. Kondisi ini tidak realistis untuk direalisasikan. Pada ω n =2ω e, simpangan absolut ujung pisau bajak untuk factor peredaman ξ=20 % mencapai 85 mm dengan simpangan maksimum mencapai 71 mm. Dalam kondisi ini tebal pegas semi-eliptis t mencapai 23 mm sedangkan tegangan Von Mises nya mencapai 316 MPa (Fadli 2009). Tegangan ini sangat dekat dengan yield strength material pegas. Dari grafik pada Gambar 5 juga terlihat bahwa terjadi simpangan maksimum batang bajak yang sangat besar pada kekakuan pegas antara Nm/rad. Oleh karena itu pada daerah ini tegangan yang terjadi pada pegas selalu berdekatan dengan yield strength dari bahan pegas. Gambar 6 Simpangan absolut batang bajak sebagai fungsi dari (Garis putus-putus adalah simpangan absolut dari ujung pisau bajak dengan ξ=10 %, garis penuh adalah simpangan absolut ujung pisau bajak dengan ξ=20 %). Untuk itu dipilih alternatif lain yaitu pada Pada kondisi ini simpangan absolut dari ujung pisau bajak mencapai 59 mm sedangkan simpangan maksimum dari ujung pisau bajak mencapai 53.6 mm. Kekakuan pegas semi-

57 23 eliptis mencapai Nm/rad, tebal pegas semi-eliptis t dan tegangan von-mises dihitung secara empiris dan hasilnya adalah tebal pegas t=25 mm sedangkan tegangan von-mises σ VM =240 MPa. Kondisi ini dianggap cukup aman bagi pegas sehingga simulasi untuk SEVVT satu derajat kebebasan dilanjutkan pada kekakuan pegas semi-eliptis k = Nm/rad. Pada kekakuan pegas ini, respon getar dalam kondisi steady dari batang bajak (ujung pisau bajak) ditunjukkan pada Gambar 7. Garis penuh menyatakan getaran ujung pisau bajak sedangkan garis putus-putus menyatakan simpangan statis dari ujung pisau bajak. Dengan membandingkan ke dua grafik dapat disimpulkan bahwa draft pembajakan membuat simpangan batang bajak dalam kondisi bergetar akan lebih besar jika dibandingkan dengan simpangan batang bajak dalam kondisi statis. Gradien positif dari grafik menyatakan bahwa pisau bajak bergerak mundur terdorong oleh tanah padat sedangkan gradient negatif menyatakan bahwa ujung pisau bajak bergerak maju melalui tanah yang telah terbongkar. Grafik respon getar pada Gambar 7 juga menunjukkan bahwa dalam kondisi steady batang bajak bergetar secara periodik pada frekuensi gangguan dan pada frekuensi alami dari sistem getar. Kondisi ini menguntungkan karena getaran batang bajak dapat digunakan untuk membongkar tanah padat sekaligus dapat digunakan untuk menghancurkan bongkaran tanah di depan batang bajak. Gambar 7 Respon getar batang bajak SDOF dalam kondisi steady pada kekakuan pegas semi-eliptis k = Nm/rad, f e = 5 Hz (Garis putus putus adalah simpangan ujung pisau bajak dalam kondisi bergetar, garis penuh adalah simpangan ujung pisau bajak dalam kondisi statis).

58 24 Sekarang akan dibahas respon getar dari batang bajak untuk frekuensi draft pembajakan rendah. Simpangan ujung pisau bajak sebagai fungsi dari waktu untuk frekuensi draft pembajakan f e = 2 Hz ditunjukkan pada Gambar 8. Terlihat bahwa untuk frekuensi draft pembajakan rendah, simpangan batang bajak dalam kondisi bergetar mendekati simpangan batang bajak dalam kondisi statis. Ini sesuai dengan persamaan 5-7 yaitu pada frekuensi draft pembajakan rendah, maka respon getarnya mendekati kondisi statis (mendekati 2 ). Gambar 8 Respon getar batang bajak SDOF dalam kondisi steady pada kekakuan pegas semi-eliptis k = Nm/rad, f e = 2 Hz (Garis putus-putus adalah simpangan ujung pisau bajak dalam kondisi bergetar, garis penuh adalah simpangan ujung pisau bajak dalam kondisi statis). Getaran Batang Bajak pada SEVVT_TDOF Pada kasus SEVVT_TDOF, kekakuan pegas semi-eliptis diambil dari hasil simulasi SEVVT_SDOF yaitu pada k 1 =18750 Nm/rad. kekakuan pegas k 2, momen inersia massa dari batang bajak J 1 dan momen inersia massa dari batang ayun J 2 dibuat tetap sedangkan massa ayun m 2 divariasikan dari 0-3 kg. Dibuat grafik simpangan absolut dari ujung pisau bajak sebagai fungsi dari massa ayun m 2 seperti terlihat pada Gambar 10. Dari grafik terlihat bahwa simpangan absolut terbesar terjadi pada massa ayun m 2 =0.783 kg. Pada kondisi ini, frekuensi alami dari bajak getar adalah 10 Hz dan Hz, simpangan absolut dari ujung pisau bajak mencapai 92 mm, sedangkan simpangan maksimumnya mencapai 53.4 mm, tidak berbeda jauh dengan simpangan

59 25 maksimum ujung pisau bajak pada SEVVT_SDOF. Oleh karena itu tegangan Von Mises yang terjadi pada pegas semi-eliptis juga masih di bawah yield strength dari bahan pegas. Selanjutnya simulasi untuk SEVVT_TDOF dilakukan dengan menggunakan m 2 =0.783 kg. Getaran batang bajak pada ujung pisau bajak serta simpangan ujung pisau bajak dalam kondisi ini ditunjukkan pada Gambar 9. Terlihat bahwa draft pembajakan membuat simpangan batang bajak dalam kondisi bergetar akan lebih besar jika dibandingkan dengan simpangan batang bajak dalam kondisi statis. Gambar 9 Simpangan absolut ujung pisau bajak TDOF sebagai fungsi dari m 2. (Garis putus-putus adalah simpangan absolut dari ujung pisau bajak ξ=10 %, garis penuh adalah simpangan absolut ujung pisau bajak dengan ξ=20 %). Gambar 10 Respon getar batang bajak TDOF dalam kondisi steady pada kekakuan pegas semi-eliptis k = Nm/rad, f e = 5 Hz (Garis putus-putus adalah simpangan ujung pisau dalam kondisi bergetar, garis penuh adalah simpangan ujung pisau bajak dalam kondisi statis).

60 26 Penurunan Draft Pembajakan Dalam kondisi bergetar, penurunan draft pembajakan diinvestigasi dengan menganalisis lintasan ujung pisau bajak. Salah satu contoh dari lintasan ujung pisau bajak ditunjukkan pada Gambar 11. Dalam satu siklus getar dari titik a ke titik g, lintasannya dibagi menjadi enam tahap yaitu: Tahap ujung pisau bajak bergerak mundur terdorong oleh draft pembajakan. Tahapan ini dimulai dari titik a ke titik b dan dari titik d ke titik e. Di titik a dan d, ujung pisau bajak memulai membongkar tanah padat sedangkan di titik b dan e, ujung pisau bajak telah berhasil membongkar tanah padat. Draft pembajakan pada fase ini dianggap variatif % dari draft pembajakan maksimum bajak tanpa getar, waktu tahapan ini adalah. Tahap ujung pisau bajak bergerak maju melalui tanah yang telah dibongkar sebelumnya. Tahapan ini dimulai dari titik b ke titik c dan dari titik e ke titik f. Hal ini karena x c =x a dan x f =x d.. Draft pembajakan pada fase ini diasumsikan sebesar 20 % dari draft pembajakan maksimum bajak tanpa getar. Waktu untuk tahapan ini adalah. Tahap ujung pisau bajak bergerak maju, melalui aliran plastis tanah padat. Tahapan ini dimulai dari titik c ke titik d dan dari titik f ke titik g. Draft pembajakan pada fase ini diasumsikan sebesar 40 % dari draft pembajakan maksimum bajak tanpa getar. Waktu yang diperlukan untuk tahapan ini adalah. 6 5 Lintasan ujung pisau bajak Simpangan sudut batang bajak b Teta ( ⁰) g f d 100 e 50 c a Delta V (mm) Delta H (mm) -1 Gambar 11 Contoh lintasan ujung pisau bajak. (Delta V: simpangan ujung pisau bajak arah vertikal, Delta H: simpangan ujung pisau bajak arah horisontal, Teta: Simpangan sudut batang bajak).

61 27 Sakai (2009) dan Radite et al. (2002) menyatakan bahwa rasio gaya (DR) pada bajak getar dengan memberikan energi mekanis secara langsung ke batang bajak dapat dimodelkan sebagai fungsi linier dari contact ratio α (perbandingan antara waktu selama ujung pisau bajak membongkar tanah padat dengan waktu satu periode getar) yaitu α / dengan. Persamaan ini diperbaiki dan diaplikasikan pada bajak getar jenis self-excited vibration serta didasarkan pada enam tahapan di atas menjadi:.. (23) Harga p variatif dari 0.4 hingga 1. vr=1 vr= Simpangan horisontal (mm) (a) Simpangan horisontal (mm) (b) 0 vr=3 vr= Simpangan horisontal (mm) (c) 0 Gambar 12 Grafik lintasan ujung pisau bajak untuk SEVVT_SDOF dengan frekuensi draft pembajakan fe=5 Hz (a): vr=1, (b) vr=2, (c) vr=3 dan (d) vr=5. Grafik lintasan ujung pisau bajak lainnya ditunjukkan pada Gambar Gambar 12 adalah grafik lintasan ujung pisau bajak perlakuan SEVVT_SDOF pada frekuensi draft pembajakan f e = 5 Hz dengan rasio kecepatan vr = 1,2,3 dan 5. Gambar 13 adalah grafik lintasan ujung pisau bajak perlakuan SEVVT_SDOF pada frekuensi draft pembajakan f e = 2 Hz dengan rasio kecepatan vr = 1 dan Simpangan horisontal (mm) (d) 0

62 28 sedangkan Gambar 14 adalah grafik lintasan ujung pisau bajak perlakuan SEVVT_TDOF pada frekuensi draft pembajakan f e = 5 Hz dengan rasio kecepatan vr =1,2,3 dan 4. vr=1 vr= Simpangan horisontal (mm) (a) Simpangan horisontal (mm) (b) 0 Gambar 13 Grafik lintasan ujung pisau bajak untuk perlakuan SEVVT_SDOF dengan frekuensi draft pembajakan fe=2 Hz (a): vr=1, (b) vr=4. vr=1 vr= Simpangan horisontal (mm) (a) Simpangan horisontal (mm) (b) vr=3 vr= Simpangan horisontal (mm) (c) Gambar Simpangan horisontal (mm) (d) Grafik lintasan ujung pisau bajak untuk SEVVT_TDOF dengan frekuensi draft pembajakan fe=5 Hz (a) vr=1, (b) vr=2, (c) vr=3 dan (d) vr=4. Dari Gambar 12 dan Gambar 14 terlihat bahwa pada frekuensi gangguan fe=5 Hz, hanya pada rasio kecepatan vr=1 ujung pisau bajak selalu bersentuhan dengan tanah padat sedangkan pada rasio kecepatan yang lebih tinggi selalu ada kesempatan dari ujung pisau bajak bersentuhan dengan tanah yang telah

63 29 dibongkar sebelumnya. Dari Gambar 14 terlihat bahwa untuk perlakuan SEVVT_SDOF dengan frekuensi draft pembajakan rendah (fe= 2 Hz), baik untuk rasio kecepatan vr = 1 maupun untuk vr = 4, ujung pisau bajak selalu bersentuhan dengan tanah padat. Ini berarti pada rentang antara vr = 1 sampai dengan vr = 4 ujung pisau bajak selalu bersentuhan dengan tanah padat. Tabel 1 Hubungan antara rasio gaya dengan rasio kecepatan Rasio kecepatan SEVVT_SDOF fe = 5 Hz Rasio Gaya (%) SEVVT_SDOF fe = 2 Hz SEVVT_TDOF fe = 5 Hz Perhitungan penurunan draft pembajakan didasarkan pada persamaan 23 dan hasilnya ditunjukkan pada Tabel 1 serta pada Gambar 15. Untuk perlakuan SEVVT_SDOF dengan frekuensi draft pembajakan fe = 2 Hz, rasio gayanya sebesar 77.8 %., lebih besar jika dibandingkan dengan rasio gaya pada perlakuan SEVVT_SDOF dengan frekuensi gangguan fe = 5 Hz Rasio gaya tersebut konstan dan tidak tergantung kepada besarnya rasio kecepatan. Tabel 1 dan grafik pada Gambar 15 juga menunjukkan bahwa perlakuan SEVVT_TDOF memberikan rasio gaya paling rendah dibandingkan dengan sistem yang lain. Sampai dengan rasio kecepatan vr=1, untuk fe=5 rasio draft pembajakan untuk perlakuan SEVVT_SDOF adalah konstan sebesar 67.6 % sedangkan untuk perlakuan SEVVT_TDOF besarnya adalah konstan sebesar 58 % Hal ini karena pada rasio kecepatan sampai dengan satu, ujung pisau bajak selalu bersentuhan dengan tanah padat. Di atas vr = 1, rasio draft pembajakannya turun sekitar 60 % (perlakuan SEVVT_SDOF) dan 52 % (perlakuan SEVVT_TDOF). Rasio gaya ini hampir tidak terpengaruh sama sekali dengan semakin meningkatnya rasio kecepatan.

64 30 Rasio Gaya (%) SEVVT_SDOF fe=5 Hz SEVVT_TDOF fe=5hz SEVVT_SDOF fe=2 Hz Rasio Kecepatan Gambar 15 Grafik rasio draft pembajakan sebagai fungsi dari rasio kecepatan. Kesimpulan penting yang dapat diambil dari perlakuan SEVVT adalah tidak diperlukannya tambahan energi guna menggetarkan batang bajak sehingga penurunan draft pembajakan selalu diikuti dengan penurunan penggunaan energi. Kesimpulan Dari simulasi didapat parameter dinamis bajak getar SEV sebagai berikut: Parameter dinamis untuk perlakuan SEVVT_SDOF adalah: kekakuan pegas semi-eliptis k=17850 Nm/rad. dan momen inersia massa dari batang bajak J=3.789 kg-m 2. Parameter dinamis untuk perlakuan SEVVT_TDOF adalah: kekakuan pegas utama k 1 =17850 Nm/rad, kekakuan pegas penghubung k 2 =12000 N/m, momen inersia massa dari batang bajak J 1 =2.486 kg-m 2, momen inersia massa dari batang ayun J 2 =0.02 kg m 2 dan massa ayun m 2 =0.783 kg. Hal-hal lain yang menarik dan dapat disimpulkan dari pembahasan ini adalah: Berhasil diungkapkan getaran batang bajak dalam kondisi steady: Pada frekuensi draft pembajakan rendah (fe=2 Hz), getaran batang bajak pada perlakuan SEVVT_SDOF mengikuti simpangan dalam kondisi statis. Pada frekuensi draft pembajakan fe=5 Hz, getaran batang bajak pada kondisi peredaman ξ=20 % selalu lebih hebat dari simpangan statisnya. Kondisi ini

65 31 berlaku baik untuk perlakuan SEVVT_SDOF maupun perlakuan SEVVT_TDOF. Pada kondisi ini batang bajak bergetar pada frekuensi gangguan dan pada frekuensi alaminya. Pada frekuensi draft pembajakan rendah, selama membajak tanah, ujung pisau bajak pada perlakuan SEVVT_SDOF selalu bersentuhan dengan tanah padat. Berhasil diungkapkan pula mekanisme turunnya draft pembajakan dan besarnya dinyatakan dalam rasio gaya untuk membajak tanah sebagai berikut: Rasio draft pembajakan untuk perlakuan SEVVT_TDOF lebih rendah dibandingkan dengan rasio draft pembajakan perlakuan SEVVT_SDOF. Oleh karenanya perlakuan SEVVT_TDOF adalah menarik untuk dikembangkan. Pada frekuensi draft pembajakan rendah, pada perlakuan SEVVT_SDOF, rasio gayanya sebesar 77.8 % dan lebih besar dari rasio gaya untuk kondisi frekuensi draft pembajakan fe=5 Hz Rasio gaya tersebut besarnya konstan dan tidak tergantung pada besar rasio kecepatan. Pada frekuensi draft pembajakan fe=5 Hz, untuk rasio kecepatan sampai dengan satu, rasio gayanya adalah konstan (sebesar 67.6 % untuk perlakuan SEVVT_SDOF dan 58 % untuk perlakuan SEVVT_TDOF). Di atas vr = 1, rasio gayanya turun dan hampir tidak terpengaruh sama sekali dengan variasi rasio kecepatan. Rasio gaya tersebut sebesar sekitar 60 % untuk perlakuan SEVVT_SDOF dan sebesar 52% untuk perlakuan SEVVT_TDOF. Daftar Pustaka Aluko OB, Seig DA An experimental investigation of the characteristic and conditions for brittle fracture in two-dimensional soil cutting. Soil and Tillage Research. 57: Bandalan EP, Salokhe VM, Gupta CP, Niyamapa T Performance of an oscillating subsoiler in breaking a hardpan. Journal of Terramechanics 36: Berntsen R, Berre B, Torp T, Aasen H, Tine force established by a twolevel and the draft requirement of rigid and flexible tines. Soil and Tillage Research 90: Cai C, Zheng H, Khan MS, Hung KC Modeling of material damping properties in ANSYS. [8 Maret 2009].

66 32 Ekwaro S, Desen CI Experimental study on impact vibration absorber Jornal of Vibration and Control 7;4: Gill WR, Van den Berg GE Soil dynamics in tillage and traction. Agriculture hand-book No. 316 ARS USDA. Krodkiewski JM Mechanical vibration. Melbourne: The University of Melbourne Department of Mechanical and Manufacturing Engineering. Laszlo Fenyvesi, Istvan JJ, Bela Borsa Reduction of the energy requirement by new soil cultivation tools. Proceeding of the ASAE Annual International Meeting; Chicago, July CIGR 15th World Congress. Paper Number: McMillan JA A non-linear friction model for self-excited vibrations. Journal of Sound and Vibration. 194, Meirovitch L. 1986, Element of vibration analysis. Singapore: McGraw-Hill Book Company. Niyamapa T, Salokhe MV. 2000a. Force and pressure distribution under vibratory-tillage-tool. Journal of Terramechanics 37: Niyamapa T, Salokhe MV. 2000b. Soil disturbance and force mechanics of vibrating tillage-tool. Journal of Terramechanics 37: Qiu Lichun, Li Baofa Experimental study on the self-excited vibration subsoiler for reducing draft Force. Transaction of the Chinese Society of Agricultural Engineering 16; 6: Radite PAS, Wawan Hermawan, Sembiring EN dan Suastawa IN Penurunn Tahanan Tarik Bajak Subsoil dengan Penggetaran. Bogor: Lab. Teknik Mesin Budidaya Pertanian, FATETA, IPB, Bogor. Rao SS, Yap Fook Fah Mechanical vibrations. Singapore: Prentice Hall. Rich Marchand, Timothy JM Learning differential equations by exploring earthquake induced structural vibrations: A Case Study. Int. J. Engng Ed. 15; 6,: Sakai K. Part II: Vibratory Tillage Implement, of chapter 4: Power tillage equipment. in advances in soil dynamics volume 3. Uphadaya S.K. Chancellor, W. J. Perumpral J. V. Wulfsohn D. and Way TR. St. Joseph, Mich.: ASABE, Copyright 2009 American Society of Agricultural and Biological Engineers, eds., (2009), pp Yow J, Smith UJ Sinusoidal vibratory tillage. Journal of Terramechanics 13; 4:

67 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 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 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

68 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 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 VDI (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

69 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

70 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

71 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.

72 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.

73 39 Rdt:Radite Suw:Suastawa Tnk:Tineke Ags:Agus Halim Shs:Harsono Rdt, 13/09/2009 Tabel 2 Daftar spesifikasi peralatan Sekolah Pasca Sarjana Institut Pertanian Bogor Soeharsono (F Halaman 1/2 Perubahan Daftar Spesifikasi D/W Geometris Suw, 26/07/2009 Dirancang dalam skala laboratorium D Ukuran: panjang: 6 m dan lebar 1.5 m Menggunakan chisel plow dengan batang lurus dan batang miring W W Kinematika Soil bin bergerak mendatar dengan kecepatan konstan Kecepatan gerak Soil bin dapat divariasikan Memadatkan tanah dalam arah vertikal. Membongkar tanah dalam arah horisontal. D D D D Tnk, Rdt, Gaya Memadatkan tanah sampai dengan tahanan penetrasi 3 MPa Batang bajak bergetar dengan sendirinya akibat variasi draft pembajakan. Batang bajak bergetar di sekitar frekuensi resonansi. Draft pembajakan dengan penggetaran lebih rendah dibandingkan dengan draft pembajakan tanpa penggetaran Gaya akibat penggetaran menjadikan tanah lebih gembur. Draft pembajakan tidak membuat struktur ikut bergetar W D W D W W Shs, 20/12/2010 Energi Dilengkapi dengan peralatan guna menyimpan energi akibat variasi draft pembajakan. Penggetaran berenergi rendah D W Material Membongkar tanah berpasir dan tanah liat. Peralatan dibuat dari bahan yang mudah didapat di pasaran Tidak memerlukan perlakuan khusus (heat treatment). Menggunakan produk jadi yang ada di pasaran. D D W W

74 40 Rdt:Radite Suw:Suastawa Tnk:Tineke Ags:Agus Halim Shs:Harsono Tabel 2 Daftar spesifikasi peralatan (lanjutan) Sekolah Pasca Sarjana Institut Pertanian Bogor Soeharsono (F Halaman 1/2 Perubahan Daftar Spesifikasi D/W Signal Mengukur kepadatan tanah D Mengukur draft pembajakan D Mengukur getaran W Mengukur kecepatan membajak W Mengukur konsumsi energi W Keselamatan dan ergonomis Tidak membahayakan saat pengopersian Tidak membahayakan saat pemasangan ataupun pelepasan Saat beroperasi tidak menimbulkan suara berisik. D D D Ags, 07/07/2009 Perakitan Dapat dilakukan transportasi jarak jauh pada peralatan. Dapat dipasang dan dilepas dengan mudah Waktu pemasangan dan pelepasan singkat D W W Pengoperasian Dapat dioperasikan pada tanah keras dengan komposisi unsur yang bervariasi Membajak tanah sampai dengan kedalaman 0.3 m D W Perawatan Tidak memerlukan perawatan khusus W Biaya Tidak memerlukan biaya besar dalam pembuatan dan perawatan W

75 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 Ubah energi M Simpan energi potensial Tanah terkondisi Tanah dipadatkan Tanah dibajak Tanah digemburkan Tanah terbongkar Ukur kepadatan Ukur gaya Ukur kecepatan Ukur gaya sinyal Ukur getaran 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

76 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 A 1 dan E 1 (silinder hidrauliks) dan solusi A 2 dan E 2 (motor hidrauliks) sedangkan perubahan dari enegi mekanis ke energi mekanis ditunjukkan pada solusi B 1 dan F 1 (transmisi roda gigi), solusi B 2 dan F 2 (sistem konveyor) dan solusi B 3 dan F 4 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 G 1 (fly wheel/menyimpan energi kecepatan), solusi G 2 (energi regangan disimpan di pegas sebagai energy potensial) dan matriks solusi G 3 (energi potensial massa) Prinsip solusi saat memadatkan tanah ditunjukkan pada Gambar 18 yaitu pada solusi C 1 -C 3 dan solusi D 1 -D 3. Solusi C 1 adalah silinder hidrauliks menekan roll ke bawah sehingga pemadat tanah memadatkan, selanjutnya bergerak maju dan rol berputar, solusi C 2 adalah silinder hidrauliks menekan roll ke bawah sehingga pemadat tanah memadatkan dan roll bergerak maju tanpa roll berputar, solusi C 3 adalah roll hanya ditekan oleh silinder hidrauliks sehingga pemadat tanah hanya memadatkan saja sedangkan solusi C 4 adalah memadatkan tanah tanpa dilengkapi dengan rol, dalam hal ini pemadatan tanah dilakukan oleh pelat yang ditekan. Solusi D 1 adalah soil bin ditarik sehingga soil bin bergerak maju atau mundur secara kontinyu, solusi D 2 sadalah soil bin diam sedangkan solusi D 3 adalah soil bin ditarik bergerak maju atau mundur secara terputus-putus.

77 Hid. Ubah energi mekanis A mekanis Cyl. hydraulics Hyd. motor 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: : : : : : :

78 Hid. Ubah energi mekanis mekanis E Cyl. hydraulics Hyd. motor mekanis F Gear transmission Chain conveyor leadscrew Simpan energi G ω J Kinetics enrgy Strain energy Potential energy Membongkar tanah 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: : : : : : Prinsip solusi saat membajak tanah ditunjukkan pada Gambar 19 yaitu pada solusi H 1 -H 3. Solusi H 1 adalah solusi di mana soil bin dan pisau bajak digerakkan saling bergerak berlawanan arah. Pada solusi H 2 hanya pisau bajak yang bergerak maju membajak tanah sedangkan solusi H 3, 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 A 1 -A 4 dan B 1 -B 3 ) dan solusi dalam pengukuran kecepatan (solusi C 1 -C 3 ). Untuk pengukuran gaya digunakan load cell

79 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.

80 46 Digunakan tiga solusi dalam mengukur kecepatan yaitu encoder (C 1 ), potensiometer (C 2 ), inverter (C 3 ) 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 (VC 31, VC 32, VC 33, VC 34, VC 41, VC 42, VC 43 ) dan enam VC di prinsip solusi membajak tanah (VC 11, VC 12, VC 13, VC 21, VC 22, VC 23 ). 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: Evaluasi Variant Concept secara Kualitatif Variant concept V 1 sampai dengan V 14 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

81 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 V 9, varian V 12 dan V 14. Ke tiga varian tersebut ditunjukkan pada Gambar Soeharsono F Varian solusi dievaluasi dengan kriteria solusi (+) Ya (-) Tidak (?) Kekurangan informasi (!) Periksa spesifikasi Sesuai fungsi keseluruhan Tabel 3 Pemilihan kombinasi varian Sesuai daftar kehendak Secara prinsip dapat diwujudkan Selection chart Untuk varian-varian yang dipilih Keputusan tanda solusi varian (+) Mengikat solusi (-) Menghilangkan solusi (?) Mengumpulkan informasi (!) Memeriksa spesifikasi Dalam batasan biaya produksi Pengetahuan tentang konsep memadai Disetujui oleh pembuat (manufacturer) Memenuhi syarat keamanan A B C D E F G PENJELASAN H V Gerakan di atas (sejajar kepala) membahayakan operator, perlu - tambahan unit power-pack V Sama dengan penjelasan V1 - V Sama dengan penjelasan V1 - V Sama dengan penjelasan V1 - V Sama dengan penjelasan V1 - V Sama dengan penjelasan V1 - V Sama dengan penjelasan V1 - V Sama dengan penjelasan V1 - V sesuai + V ! Diperlukan dua mekanisme untuk menggerakkan soil bin - V Diperlukan dua mekanisme untuk menggerakkan soil bin - V sesuai + V Diperlukan dua mekanisme untuk menggerakkan soil bin + V sesuai +

82 48 Gambar 21. Konsep peralatan varian V 9, soil bin digerakkan oleh tenaga silinder hidrauliks, pemadatan tanah dilakukan oleh silinder hidrauliks. Gambar 22 Konsep peralatan varian V 12., soil bin digerakkan oleh mekanisme konveyor, pemadatan tanah dilakukan oleh silinder hidrauliks.

83 49 Gambar 23 Konsep peralatan varian V 14, 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, C i manyatakan kriteria evaluasi ke i, P i menyatakan bobot pada kriteria evaluasi yang ke i sedangkan W i jumlah bobot yang ke i, jumlah bobot 1. Kriteria evaluasi Ci dipecah menjadi dua kriteria

84 50 yaitu C i1 dengan bobot P i1 dan C i2 dengan bobot P i2. Bobot total masing-masing kriteria evaluasi adalah W i1 dan W i2 di mana W i1 = W i * P i1 dan W i2 = W i * P i2 serta W i1 + W i2 = Wi. Secara umum berlaku: 100 %. operasi kerja Mudah dioperasikan W W W W Mudah dalam pengukuran W W Jumlah komponen sedikit 0.09 Konstruksi W W W W Mekanisme sederhana W W Bajak getar self-excited W=1 W1=1 Kemudahan diproduksi W W Mudah dalam perawatan W W Mudah diproduksi W W Mudah dirakit W W Tidak memerlukan perawatan khusus W W Frek. penggantian komponen rendah W W Mudah dalam transportasi W1313 W keamanan W W W Aman bagi peralatan W Aman bagi operator 0.08 W W 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

85 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 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 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.

86 52

87 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.

88 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

89 55 penetrasi sekitar 3 MPa. Konstruksi dibuat kokoh dan kaku sehingga deformasi akibat beban dapat diabaikan. Silinder hidrauliks Guide way Pelat adaptor 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

90 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).

91 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.

92 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 Information use in conceptual design: existing taxonomies and new approaches. International Journal of Design 4; 3: Angga Ma ruf Saputra 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, Tine force established by a twolevel and the draft requirement of rigid and flexible tines. Soil and Tillage Research 90: Butson JM, Rackham HD. 1981a. Vibratory soil cutting II. an improved mathematical model. J Agric. Eng. Research. 26: Butson J M, Rackham HD. 1981b. Vibratory soil cutting I. soil tank studies of draught and power requirements. J Agric. Eng. Research. 26: Gill WR, Van den Berg GE 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 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

93 59 Roberto Perancangan soil bin dan optimasi menggunakan FEM analysis [skripsi]. Jakarta: Fakultas Teknik Universitas Tarumanagara. Willy Perancangan sistem conveyor untuk soil bin [skripsi]. Jakarta: Fakultas Teknik Universitas Tarumanagara.

94 STUDI EKSPERIMENTAL DRAFT PEMBAJAKAN PADA OPERASI MEMBAJAK TANAH DI DALAM SOIL BIN (Experimental Study in Soil Bin on Draft Force of a Tilled Operation) Abstrak Dalam bab ini dibahas hasil-hasil eksperimen membajak tanah pada soil bin. Tujuannya adalah mencari besar dan frekuensi draft pembajakan sehingga dapat dibuat pendekatan model matematis dari draft pembajakan. Hasil ini nantinya akan digunakan untuk merancang sebuah pegas elastis dari bajak getar jenis selfexcited vibration. Soil bin berukuran panjang 1.2 m, lebar 0.3 m dan tinggi 0.4 m. diisi dengan tanah liat setebal cm. Di dasar Soil bin dibuat lapisan hardpan setebal sekitar cm dengan tahanan penetrasi sekitar 2.75 MPa pada kedalaman 7 cm. Digunakan dua jenis chisel plough yaitu chisel plough dengan batang lurus tegak dan chisel plough dengan batang lurus miring. Kedalaman operasi diatur konstan sekitar cm sedangkan tebal lapisan hardpan yang dibongkar adalah sekitar 7-10 cm Kecepatan membajak divariasikan pada kecepatan 0.158, dan m/s. Hasil-hasil menunjukkan bahwa chisel plough bekerja pada frekuensi draft pembajakan rendah sekitar Hz. Draft pembajakan untuk chisel plough dengan batang lurus tegak lebih besar dibandingkan dengan draft pembajakan untuk chisel plough dengan batang lurus miring. Draft pembajakan semakin besar dan linier dengan semakin besarnya kecepatan membajak, sedangkan profil draft pembajakannya berupa fungsi matematiks yang stochastics dan dimodelkan sebagai fungsi periodik. Kata kunci: Draft pembajakan, frekuensi draft pembajakan, Soil Bin, Chisel plough. Abstract This chapter discusses a series experimental of soil tillage conducted in soil bin. The objective of this discussion is to determine the draught force and cutting frequency during tillage operation so that the mathematical model of draft force can be modeled. These parameters were needed for designing an elastic spring of a self-excited vibration vibratory-tillage. A cm layer of clay loam soil was placed in a soil bin of 1.2 m long, 0.3 m wide and 0.4 m depth and subjected to test to determine its cutting frequency and drought forces using two types of chisel plough, i.e., the vertical straight and the incline straight shanks. The cm hardpan layer of 2.75 MPa was performed at a soil depth of 7 cm. Both vertical and inclined shanks one at a time were trusted through the soil at an operation speed of 0.158, and m/s and at a plow depth of cm with a hardpan cutting of 7-10 cm. The result showed that the chisel plough worked at low vibration frequency of Hz. The draft force was increased linearly at increasing operation speed where the vertical shank chisel had linearly greater draft force than the incline one. The cutting forces performed stochastic mathematical functions and could be modeled as periodic function. Keyword: Draught Force, Cutting Frequency, Soil Bin, Chisel plough

95 62 Pendahuluan Lapisan tanah padat dengan tahanan penetrasi di atas 2 MPa atau mempunyai densitas tanah di atas 1.8 g/cm 3 akan sulit untuk ditembus oleh akar tanaman (Susan dan Nina, 1994, Susan et al., 1994). Soil tillage dimaksudkan untuk membongkar tanah padat, menggemburkan dan membalik tanah serta memperkecil dan mendistribusikan agregat tanah. Hal ini akan memudahkan penetrasi akar tanaman, air, nutrisi serta memudahkan sirkulasi udara di dalam tanah. Dengan demikian tanaman akan tumbuh lebih subur sehingga produktivitas tanaman menjadi meningkat (Borghei et al., 2008). Parameter penting dalam membajak tanah adalah besar draft pembajakan. Gill dan Van den Berg (1967) dan Upadhyaya et al. (2009) melaporkan draft pembajakan dan kondisi akhir tanah besarnya tergantung pada bentuk tillage tool, cara menggerakkan tillage tool serta kondisi awal tanah. Hal ini ditunjukkan dalam diagram blok pada Gambar 30, yang menggambarkan interaksi antara tanah dengan pisau bajak. Gambar 30 Blok diagram yang menggambarkan interaksi antara tanah dengan pisau bajak (Upadhyaya et al. 2009). Kriteria kerusakan tanah didasarkan pada teori Mohr Coulomb (Gill et al. 1967, Upadhyaya et al. 2009, Ji Zang 1997). Dalam theorema ini batas maksimum agar tanah tidak mengalami kerusakan dinyatakan sebagai: (24) Di mana C adalah kohesi tanah, kekuatan geser maksimum agar tanah tidak mengalami kerusakan, σ n adalah tegangan normal sedangkan ϕ adalah sudut gesekan di dalam tanah. Persamaan 24 dinyatakan dengan garis g pada Gambar 31b. Atas pembebanan yang mengakibatkan terjadinya tegangan geser di atas garis g mengakibatkan terjadinya kerusakan pada tanah. Sekarang diperhatikan lingkaran Mohr untuk tegangan sebagai akibat dari tegangan utama σ 1 dan σ 3. Bila lingkaran Mohr tegangannya adalah lingkaran 3, maka tidak terjadi

96 63 kerusakan pada tanah. Bila lingkaran Mohr tegangannya adalah lingkaran 1, maka tanah tepat akan mengalami kerusakan sedangkan bila lingkaran Mohr tegangannya adalah lingkaran 2, maka tanah mengalami kerusakan. Tanah akan tepat terbongkar pada titik B. Hal ini mensyaratkan konfigurasi sudut geseran tanah sebagai berikut (Gill et al. 1967, Upadhyaya et al ): 2 90 atau (25) (a) (b) Gambar 31 (a) Representasi tegangan di suatu titik pada tanah, (b) Lingkaran Mohr tegangan dengan beban utama σ 1 dan σ 3. Selanjutnya Gill dan Vandenberg (1968) dan Upadhyaya et al. (2009) mengaplikasikan kriteria kerusakan tanah di atas pada simple tool dengan ilustrasi seperti terlihat pada Gambar 32. Dalam gambar, G adalah bobot tanah yang dibongkar, B adalah gaya inersia guna mengatasi percepatan tanah yang dibongkar, δ adalah lift angle dari pisau bajak, β adalah sudut permukaan tanah yang telah rusak, µ adalah koefisien gesek antara tanah dengan tanah, µ m adalah koefisien gesek antara tanah dengan pisau bajak. Selanjutnya C adalah kohesi di dalam tanah, C m adalah Adhesi antara tanah dengan pisau bajak, F 1 adalah luas permukaan tanah terluar yang telah rusak sedangkan F 0 adalah luas permukaan bidang miring dari pisau bajak.

97 64 L 2 L 0 L 1 B G d CF 1 N 1 µn 1 β C m F 0 + μ m N 0 δ N 0 h Gambar 32 Gaya-gaya yang bekerja pada pisau bajak (Gill et al dan Upadhyaya et al. 2009). Kriteria kerusakan sesuai dengan persamaan 25 mensyaratkan besar sudut kerusakan tanah Draft pembajakan D dirumuskan sebagai: (26) di mana: (27a) (27b) (27c) (27d) (27e) (27f) (27g) Persamaan menunjukkan bahwa untuk jenis dan kondisi tanah yang telah ditentukan, serta untuk konfigurasi pisau bajak yang telah ditentukan, maka faktor/parameter penting yang berpengaruh terhadap besarnya draft pembajakan adalah kecepatan dan kedalaman membajak. Besar draft pembajakan merupakan

98 65 fungsi kwadratik terhadap kedalaman membajak sedangkan terhadap kecepatan membajak, besarnya draft pembajakan bisa merupakan fungsi linier, kwadratik, dan berupa fungsi polinomial (Onwualua dan Watts, 1998). Hal ini tergantung kepada jenis tanah, tingkat kepadatan tanah, kecepatan membajak serta kandungan air di dalam tanah. Mamman dan Oni (2005) melaporkan hubungan antara draft pembajakan dengan kecepatan membajak serta dengan kedalaman membajak. Penelitian dilakukan di dalam indor soil bin dengan menggunakan artificial soil. Maman dan Oni (2005) mencatat kenaikan draft pembajakan secara kuadratis dengan semakin tingginya kecepatan membajak sedangkan terhadap kedalaman membajak, Maman dan Oni (2005) mencatat kenaikan draft pembajakan secara linier. Manuwa dan Ademosun (2007) melakukan penelitian tentang hubungan antara draft pembajakan dengan tingkat kepadatan tanah dan kandungan air di dalam tanah. Penelitian dilakukan dengan menggunakan sandy clay loam di dalam soil bin. Manuwa dan Ademosun (2007) mencatat laju kenaikan draft pembajakan naik secara kuadratis dengan meningkatnya tahanan penetrasi tanah dan laju kenaikan draft pembajakan turun secara kuadratis dengan meningkatnya kandungan air di dalam tanah. Chandon dan Kushwaha (2002) melakukan penelitian tentang draft pembajakan dan getaran shank pada deep tillage. Penelitian dilakukan dalam skala lapang pada dua jenis tanah yaitu pada sandy loam dan clay loam soil. Kedalaman membajak dibuat konstan sekitar 180 mm. Chandon and Kushwaha (2002) mendapatkan hasil yaitu: Draft pembajakan untuk sandy loam lebih besar jika dibandingkan dengan draft pembajakan untuk clay loam. Besar draft pembajakan naik secara linier sesuai dengan kenaikan kecepatan membajak. Batang bajak bergetar dengan sendirinya secara random dengan frekuensi tinggi. Frekuensi getar batang bajak tidak terkorelasi dengan frekuensi draft pembajakan dan akan semakin tinggi bila draft pembajakannya semakin besar.

99 66 Dalam bab ini telah dibuat kajian hasil eksperimen dalam membajak tanah. Eksperimen dilakukan pada indoor soil bin dengan menggunakan tanah liat. Kedalaman membajak dibuat konstan sedangkan kecepatan membajak divariasikan. Sebagai sensor beban digunakan extended octagonal ring transducer yang dapat mengukur beban dalam tiga orientasi yaitu mengukur gaya dalam arah horisontal, vertikal dan mengukur momen lentur. Hasil yang didapat dibahas lebih lanjut sehingga didapat gambaran tentang keberhasilan penelitian ini. Tujuannya dari penelitian ini adalah: Mencari besar draft pembajakan dan frekuensi draft pembajakan sehingga dapat dirancang sebuah pegas elastis yang diperlukan untuk simulasi selfexcited vibration pada vibratory-tillage. Mencari besar draft pembajakan sehingga dapat dibandingkan dengan draft pembajakan yang didapat dari bajak getar self excited vibration serta hasil yang didapat dari bajak getar dengan metode penggetaran berenergi rendah. Demikian pula dibuat pendekatan model matematis dari draft pembajakan guna simulasi bajak getar jenis self-excited vibration Bahan dan Metode Peralatan dan Instrumentasi Peralatan yang digunakan untuk eksperimen ditunjukkan pada Gambar 33 berukuran panjang 5.5 m, lebar 1.6 m dan tinggi 2.6 m, yang terdiri atas soil bin, peralatan pemadat tanah, sistem konveyor struktur bajak dan load cell. Gambar 33 Peralatan yang digunakan untuk eksperimen.

100 67 Soil bin berukuran panjang 1.2 m, lebar 0.3 m dan tinggi 0.4 m ditarik oleh rantai (sistem konveyor) yang dihubungkan dengan motor listrik melalui transmisi roda gigi (perbandingan transmisi i=40) dan rantai dengan diameter pitch sprocket d p =375 mm). Motor listrik kapasitas 5.5 kw dikontrol oleh sebuah inverter sehingga kecepatan gerak dari soil bin dapat divariasikan dari V = 0.1 m/s hingga V= 0.5 m/s. Gambar 34 Rangkaian hidraulis peralatan pemadat tanah. Peralatan guna memadatkan tanah menggunakan tenaga hidraulis, yang terdiri atas sebuah pompa hidraulis, sebuah silinder hidraulis (diameter dalam d i =90 mm dan panjang langkah = 300 mm), pressure relieve valve (guna membatasi/mengatur tekanan aliran) dan sebuah 4/3 directional contorl valve sedangkan rangkaian hidraulisnya ditunjukkan pada Gambar 34. Pada tekanan kerja 60 MPa, silinder hidraulis menghasilkan gaya sekitar 35 kn dan diharapkan mampu memadatkan tanah sampai dengan tahanan penetrasi sekitar 3 MPa. Digunakan dua jenis chissel yaitu chissel dengan batang lurus tegak (S1) dan chissel dengan batang lurus miring (S2) seperti terlihat pada Gambar 35. Ke dua chisel tersebut berukuran panjang 200 mm dan lebar 80 mm mempunyai lift angle sebesar 30 0 sedangkan kemiringan batang chisel S2 dibuat sebesar Dalam eksperimen bajak tanpa getar, batang chisel dipasang langsung pada extended octagonal ring transducer.

101 (a) Gambar 35 (a) Chisel dengan batang lurus, (b) chisel dengan batang miring. (b) Gambar 36 Extended octagonal ring transducer. Untuk mengukur besarnya gaya dan momen digunakan Load Cell jenis extended octagonal ring transducer (EOR), dirancang dapat mengukur draft pembajakan sampai dengan 7000 N, gambar load Cell seperti terlihat pada Gambar 36. Dipilih transducer jenis EOR karena kemampuannya dalam mengukur beban dalam tiga orientasi sekaligus yaitu mengukur gaya dalam arah horizontal, vertical dan mengukur momen. Load cell terbuat dari tool steel dan di preharden sehingga mempunyai yield strength sampai dengan 680 MPa. Ukuran dari Load cell dirancang dengan menggunakan rumusan empiris yang dibuat oleh

102 69 Godwin (1975) sedangkan perhitungan kekuatannya dilakukan dengan menggunakan piranti lunak INVENTOR. Load Cell dilengkapi dengan dua belas sensor regangan jenis tahanan listrik (strain gage) yang dibagi menjadi tiga pasang, masing-masing pasangan terdiri atas empat buah strain gage yang dirangkai sesuai dengan jembatan Wheat Stone. Instrumentasi dari load Cell untuk mengukur beban dalam arah longitudinal dan dalam arah transversal ditunjukkan pada Gambar 37. Masukan dari jembatan Wheat Stones berupa tegangan listrik 5000 mv. Keluaran dari sensor regangan dalam bentuk data analog tegangan listrik dikuatkan seribu kali oleh instrumented amplifier (dengan pembesaran G=10000) selanjutnya diubah menjadi data digital oleh wireless ADC. Rangkaian jembatan Wheat stone Gambar 37.b digunakan untuk mengukur gaya dalam arah x sedangkan rangkaian Gambar 37.c digunakan untuk mengukur gaya dalam arah y. Gambar 37 Instrumentasi sensor regangan pada load cell (a) Pemasangan sensor reganan pada load cell, (b) instrumentasi sensor regangan untuk mengukur beban dalam arah x, (c) instrumentasi sensor regangan untuk mengukur beban dalam arah y. Dengan rangkaian wheat stone tersebut dan dengan faktor sensor regangan S g dan tegangan masukan V i, maka keluaran tegangan listrik dari instrumented amplifier adalah:

103 70 Untuk pengukuran beban dalam arah horisontal (arah x): 1000 mv Untuk pengukuran beban dalam arah vertikal (arah y): 1000 mv (28a) (28b) Gambar 38 Instrumentasi guna mengukur draft pembajakan bajak tanpa getar. Setup pengukuran gaya dan momen tersebut ditunjukkan pada Gambar 38. Sinyal keluaran dari sensor berupa tegangan listrik dikuatkan di Instrumentasi Amplifier (IA). Untuk sinyal keluaran dari gaya horisontal dan gaya vertikal dikuatkan sebesar seribu kali sedangkan sinyal keluaran dari momen dikuatkan sebesar dua ratus kali. Sinyal analog dari gaya horizontal dan vertical yang keluar dari IA didiskritkan di wireless Analog to Digital Converter (ADC) selanjutnya dikirim ke komputer sehingga data gaya yang tercatat pada komputer adalah data digital sedangkan sinyal analog dari momen yang keluar dari IA diteruskan ke osiloskop. Rangkaian instrumentasi Amplifier dan ADC mampu mengukur gaya sampai dengan 7000 N. Sebelum digunakan, ADC dikalibrasi dan tercatat mempunyai konstante kalibrasi sebesar 17.1 (mv) -1 Deskripsi Eksperimen dan Metode Penelitian dilakukan selama bulan Oktober 2009 sampai dengan bulan September 2010 di laboratorium Fenomena Dasar Mesin Fakultas Teknologi Universitas Trisakti, Jakarta dan di Laboratorium Teknik Mesin dan Budidaya

104 71 Pertanian Fakultas Teknologi Pertanian Institut Pertanian Bogor, Bogor. Tanah yang digunakan dalam penelitian ini adalah tanah liat dengan kandungan clay, sand dan silt masing-masing sebesar 83.41, 3.11 dan 13.48%. Sifat fisis tanah lainnya adalah batas plastis 45.51%, batas cair 70.3% dan kohesi tanah pada tahanan penetrasi 2.75 MPa adalah sekitar C=69.54 kpa dengan sudut gesekan tanah 36. Eksperimen dilakukan pada empat kondisi (perlakuan) yaitu; Eksperimen tanpa getar ke 1 (NST1: eksperimen ke 1 dengan menggunakan chissel S1). Eksperimen tanpa getar ke 2 (NST2: eksperimen ke 2 dengan menggunakan chissel S2). Eksperimen tanpa getar ke 3 (NST3: eksperimen ke 3 dengan menggunakan chissel S1). Eksperimen tanpa getar ke 4 (NST2: eksperimen ke 4 dengan menggunakan chissel S2). Tanah di dalam soil bin dipadatkan lapis demi lapis dan sejauh mungkin disesuaikan dengan kondisi lapangan, yang terdiri atas lapisan kedap (hardpan) dan lapisan atas. Untuk memadatkan tanah, digunakan sebuah pelat berukuran panjang 0.3 m dan lebar 0.12 m yang ditekan oleh tenaga silinder hidraulis melalui sebuah roll silindiris (Gambar 39). Untuk membuat lapisan kedap dengan tahanan penetrasi 2.75 MPa, dilakukan dua kali penekanan, yang pertama pelat ditekan pada tekanan silinder hidraulis sebesar 2 MPa, selanjutanya pelat ditekan lagi dengan tekanan pada silinder hidraulis sekitar 4 MPa. Untuk membuat lapisan atas dengan tahanan penetrasi 1.1 MPa, pelat hanya ditekan dengan tekanan pada silinder hidraulis sekitar 1 MPa. Penekanan pelat untuk setiap tekanan silinger hidraulis dilakukan secara bertahap dari ujung kiri pelat sampai dengan ujung kanan pelat atau sebaliknya. Tahanan penetrasi tanah, baik untuk lapisan kedap maupun untuk lapisan atas diukur pada tiga titik dengan menggunakan penetrometer. Ke tiga posisi tersebut adalah dua titik berjarak 0.2 m dari ujungujung soil bin dan satu titik di tengah soil bin. Hanya pada lapisan kedap yang diambil contoh tanahnya untuk diukur kandungan air tanah serta densitas tanahnya. Ilustrasi lapisan tanah di dalam soil bin beserta pisau bajaknya ditunjukkan pada Gambar 40. Ujung pisau bajak selalu berada 5 cm di atas

105 72 landasan soil bin, h1 menyatakan lapisan tanah kedap sedangkan tanah di atas lapisan kedap menyatakan top soil. Kecepatan membajak diatur dari kecepatan soil bin yang ditarik oleh sistem konveyor yaitu V1 = m/s, V2 = m/s dan V3 = m/s. (a) (b) Gambar 39 (a) Memasang pelat di atas permukaan tanah di dalam soil bin, (b) roll silindris menekan pelat. Gambar 40 Skematis membajak tanah tanpa getar di dalam soil bin. Data eksperimen yang meliputi tebal lapisan kedap, tinggi permukaan lapisan atas (h2), tahanan penetrasi tanah (CI), jenis pisau bajak serta kecepatan membajak ditunjukkan pada Tabel 5. Kondisi tanah untuk perlakuan NST1 adalah sama dengan kondisi tanah untuk perlakuan NST2, yang membedakan adalah pada perlakuan NST1 digunakan chisel dengan batang lurus tegak sedangkan pada

106 73 perlakuan NST2 digunakan chisel dengan batang lurus miring. Demikian pula kondisi tanah untuk perlakuan NST3 adalah sama dengan kondisi tanah untuk perlakuan NST4, yang membedakan adalah pada perlakuan NST3 digunakan chisel dengan batang lurus tegak sedangkan pada perlakuan NST4 digunakan chisel dengan batang lurus miring. Tahanan penetrasi tanah lapisan atas dikondisikan sekitar 1.1 MPa sedangkan tahanan penetrasi tanah lapisan kedap dikondisikan sekitar 2.75 MPa. Kandungan air di dalam tanah dikondisikan sekitar % dengan kerapatan (tanah lapisan kedap) sekitar 1.6 g/cm 3. No Jenis shank Tabel 5 Susunan eksperimen bajak tanpa getar Tanah di dalam Cone index (MPa) soil bin (cm) h1 h2 A1 A2 A3 B1 B3 Kecepatan membajak NST1 S V 1, V 2, V 3 NST2 S V 1, V 2, V 3 NST3 S V 1, V 2, V 3 NST4 S V 1, V 2, V 3 Selama eksperimen, tutup soil bin di ujung kiri dibuka sedangkan tutup soil bin di sebelah kanan ditutup. Soil bin ditarik sehingga bergerak dari kiri ke kanan. Operasi membajak tanah diawali tepat pada saat pisau bajak menyentuh tanah padat dan diakhiri tepat sebelum pisau bajak menyentuh tutup soil bin sebelah kanan. Untuk setiap perlakuan, draft pembajakannya dicatat di komputer selanjutnya dibuat grafik draft pembajakan sebagai fungsi dari waktu. Perlu dicari besar draft pembajakan maksimum, minimum dan draft pembajakan rata-rata serta jumlah getaran draft pembajakan dalam selang waktu tertentu. Frekuensi draft pembajakan dicari dengan cara membagi jumlah getaran dalam selang waktu tersebut dengan selang waktunya. Data di atas digunakan untuk membuat pendekatan model matematis dari draft pembajakanh serta digunakan untuk merancang kekakuan dan kekuatan pegas yang akan digunakan untuk penelitian bajak getar jenis self-excited vibration. Demikian pula draft pembajakan untuk setiap perlakuan dibandingkan satu dengan yang lainnya serta dibandingkan

107 74 dengan draft pembajakan yang dihitung berdasarkan rumusan dari Gill dan Vandenberg (1968). Hasil dan Bahasan Kalibrasi Load Cell Pertama kali dilakukan kalibrasi dari load cell dengan tujuan mencari sensitivitas load cell dalam arah horizontal (longitudinal) dan arah vertikal (transversal). Untuk mencari sensitivitas pengukuran gaya dalam arah longitudinal, setup pembebananya ditunjukkan pada Gambar 41a dengan beban P l bekerja pada lengan dengan jarak 0.5 m dari pusat load cell, sedangkan setup guna mencari sensitivias gaya dalam arah transversal ditunjukkan pada Gambar 41b dengan beban P v bekerja pada lengan yang berjarak 0.3 m dari pusat load cell. Gaya P l divariasikan dari N sedangkan gaya P v divariasikan dari N. Hasil pengukuran dipresentasikan dalam bentuk grafik pada Gambar 42a (kalibrasi dalam arah longitudinal) dan pada Gambar 42b (kalibrasi dalam arah transversal). (a) Gambar 41 Setup kalibrasi load cell, (a) mencari sensitivitas pengukuran dalam arah longitudinal, (b) mencari sensitivitas pengukuran dalam arah transversal. Grafik pada Gambar 42a menunjukkan bahwa kalibrasi gaya dalam arah longitudinal berupa garis lurus dengan persamaan dengan R 2 = sedangkan persamaan garis dalam arah silang longitudinail transversal adalah Gambar 42b menunjukkan bahwa persamaan garis lurus untuk kalibrasi gaya dalam arah transversal adalah (b)

108 dengan R 2 = sedangkan garis dalam arah silang transversal-longitudinal adalah Keluaran ADC-V (mv) longitudinal L=0.5 m longitunal transversal Vl= F R² = Vlv= F Beban gaya F (N) (a) Keluaran ADC -V (mv) transversal longitudinal Transversal L=0.3 m Gambar 42 (a) Grafik kalibrasi mengukur gaya dalam arah longitudinal, (b) grafik kalibrasi mengukur gaya dalam arah transversal. (b) Vv = x R² = Vvl = x R² = Beban gaya F (N) Hasil ini mengindikasikan bahwa load cell mempunyai ketelitian dalam mengukur beban baik beban dalam arah longitudinal maupun dalam arah transversal yang tinggi. Sensitivitas pengukuran gaya dalam arah longitudinal S l = N/mV sedangkan Sensitivitas pengukuran gaya dalam arah transversal St= N/mV. Sensitivitas pengukuran gaya dalam arah silang dapat diabaikan. Jika masukan pada jembatan Wheat Stone dan pembesaran pada instrumented amplifier masing-masing adalah sebesar 5000 mv dan sebesar

109 76 seribu kali, maka sensitivitas pengukuran dalam arah longitudinal dan dalam arah vertical adalah: S l =5.552E-05 (mv)v -1 N -1 dan S v =5.722E-05 (mv)v -1 N -1. Draft Pembajakan Dalam bab ini hanya dipresentasikan draft pembajakan dalam arah horizontal F H saja baik besar draft pembajakan maksimum maupun besar rerata draft pembajakan. Pertama kali dihitung draft pembajakan berdasarkan rumusan dari Gill et al. (1968) seperti ditunjukkan pada persamaan Tanah yang dugunakan dalam penelitian ini mempunyai bulk density ρ=1.6 g/cm 3, dry bulk density ρ d =1.23 g/cm 3, kohesi tanah C=49.54 kpa sedangkan adhesi antara tanah dengan pisau bajak diambil 10 kpa. Data lainnya adalah lebar pisau bajak b=0.08 m, panjang pisau bajak l=0.2 m dan kedalaman membajak diambil 0.17 m. Untuk kecepatan membajak m/s dan dengan menggunakan persamaan 26-27, didapatkan draft pembajakan teoritis D =2371 N. Karena sistem bekerja pada kecepatan rendah, maka tidak ada perubahan yang nyata pada draft pembajakan hasil perhitungan teoritis antara kecepatan 0.158, dan m/s. Draft pembajakan maksimum (N) y = 11576x R² = y = x R² = y = 13301x R² = y = x R² = Kecepatan membajak (m/s) b a c d Gambar 43 Pengaruh kecepatan membajak terhadap draft maksimum (grafik a: perlakuan NST1, grafik b: perlakuan NST2, grafik c: perlakuan NST3, grafik d: perlakuan NST4). Sekarang dibahas draft pembajakan hasil eksperimen. Pengaruh kecepatan membajak terhadap besar draft pembajakan maksimum untuk semua perlakuan NST1-NST4 ditunjukkan pada Gambar 43 sedangkan pengaruh kecepatan membajak terhadap besar rerata draft pembajakan ditunjukkan pada Gambar 44.

110 77 Besar rerata draft pembajakan untuk berbagai kondisi kecepatan pada semua perlakuan juga dipresentasikan dalam bentuk histogram gaya pada Gambar 43. Draft pembajakan maksimum untuk perlakuan NST1 berada pada kisaran N, untuk perlakuan NST2 draft pembajakan maksimum berada pada kisaran N, kisaran draft pembajakan maksimum untuk perlakuan NST3 adalah N sedangkan kisaran draft pembajakan maksimum untuk perlakuan NST4 adalah N. Rerata draft untuk perlakuan NST1 berada pada kisaran N, untuk perlakuan NST2 draft rata-rata berada pada kisaran N. Hasil ini selalu lebih besar jika dibandingkan dengan hasil teoritis yang dibuat oleh Gill et al. (1968) yang besarnya adalah 2371 N. Kisaran draft pembajakan rata-rata untuk perlakuan NST3 adalah N sedangkan kisaran draft pembajakan rata-rata untuk perlakuan NST4 adalah N. Rerata draft pembajakan (N) y = 8492x R² = y = x R² = y = x R² = a b c d y = x R² = Gambar 44 Pengaruh kecepatan membajak terhadap rerata draft pembajakan (grafik a: perlakuan NST1, grafik b: perlakuan NST2, grafik c: perlakuan NST3, grafik d: perlakuan NST4). Semua grafik menunjukkan bahwa besar draft pembajakan naik dengan semakin tigginya kecepatan membajak. Dari grafik terlihat bahwa kenaikan draft pembajakan mempunyai tendensi berupa fungsi linier terhadap kenaikan kecepatan membajak dengan ketelitian yang cukup baik (R 2 antara 0.85 hingga 0.99). Fungsi linier ini karena sistem bekerja pada kecepatan membajak yang relatif rendah sehingga inersia dari bongkaran tanah di depan bajak kurang berpengaruh terhadap besar draft pembajakan. Kecepatan membajak (m/s)

111 78 Rerata draftpembajakan (N) NST1 NST2 NST3 NST V=0.265 m/s V=0.212 m/s V=0.158 m/s Gambar 45 Histogram draft pembajakan rata-rata untuk semua kondisi membajak tanah. Rerata draft pembajakan juga dipresentasikan dalam bentuk histogram gaya pada Gambar 45. Dari histogram gaya pada Gambar 45 terlihat bahwa besar draft pembajakan yang diperlukan pada perlakuan NST1 selalu lebih besar jika dibandingkan dengan besar draft pembajakan yang diperlukan untuk membajak tanah pada perlakuan NST2. Demikian pula draft pembajakan yang diperlukan untuk membajak tanah pada perlakuan NST3 selalu lebih besar jika dibandingkan dengan besar draft pembajakan yang diperlukan untuk membajak tanah pada perlakuan NST4. Hal ini karena luas permukaan bongkaran tanah di depan batang bajak pada perlakuan NST1 selalu lebih luas dibandingkan dengan luas permukaan bongkaran tanah di depan batang bajak pada pada perlakuan NST2. Hal yang sama juga berlaku pada perlakuan NST3 dengan perlakuan NST4. Frekuensi dan Model Matematis Draft Pembajakan Besar draft pembajakan dan frekuensi getar dari terbongkarnya tanah pada saat operasi tillage diperlukan untuk merancang pegas bajak getar sedangkan frekuensi getar dan pendekatan model matetmatis draft pembajakan diperlukan untuk simulasi getar dari bajak getar. Frekuensi draft pembajakan ditunjukkan pada Tabel 6. Terlihat bahwa sistem bekerja pada frekuensi getar yang sangat rendah yaitu pada kisaran Hz. Terlihat bahwa frekuensi getar dari

112 79 terbongkarnya tanah menjadi semakin besar dengan semakin tingginya kecepatan membajak. Pada kecepatan membajak yang sama, frekuensi draft pembajakan dari chisel dengan batang bajak lurus miring selalu lebih rendah jika dibandingkan dengan frekuensi draft pembajakan dari chisel dengan batang bajak lurus tegak. Hal ini karena chisel dengan batang bajak lurus miring selalu lebih elastis jika dibandingkan dengan elastisitas dari chisel dengan batang bajak lurus tegak. Tabel 6 Frekuensi getar terbongkarnya tanah Kecepatan Frekuensi draft pembajakan (Hz) membajak (m/s) NST1 NST Walaupun tanah di dalam soil bin sudah dikondisikan sehingga dari titik ke titik mempunyai kondisi yang hampir sama (densitas, tahanan penetrasi serta kadar air tanah), namun grafik draft pembajakan sebagai fungsi dari waktu tetap saja sifatnya adalah stokastiks. Contoh grafik draft pembajakan ditunjukkan pada Gambar 46, yaitu grafik draft pembajakan pada perlakuan NST1 dengan kecepatan membajak m/s dan pada Gambar 47, yaitu grafik draft pembajakan pada perlakuan NST2 dengan kecepatan membajak V=0.158 m/s. Proses terbongkarnya tanah adalah mendekati periodik, oleh karena itu maka pendekatan model matematis yang dibangun guna simulasi getar juga berupa fungsi periodik. Dengan melihat grafik draft pembajakannya, maka model matematis yang dibangun berupa fungsi periodik di mana setiap satu siklus getarnya terdiri atas: Pisau bajak bergerak maju melalui aliran tanah plastis tanah (plastics flow). Dalam tahap ini draft pembajakannya dianggap konstan sebesar draft pembajakan minimum. Pisau bajak tedorong ke balakang oleh tanah padat sampai dengan tanah padat terbongkar. Dalam tahap ini draft pembajakannya dianggap berupa fungsi pangkat tiga dari waktu, meningkat dari draft pembajakan minimum ke draft pembajakan maksimum.

113 80 Pisau bajak bergerak maju melalui tanah yang telah terbongkar. Dalam tahap ini draft pembajakannya dianggap linier terhadap waktu, menurun dari draft pembajakan maksimum ke draft pembajakan minimum. Sebagai ilustrasi adalah draft pembajakan perlakuan NST1 pada kecepatan membajak v=0.158 m/s. Dalam kondisi ini frekuensi draft pembajakan f=1.38 Hz. Draft pembajakan maksimum F mak = 3560 N, draft pembajakan minimum F min = 2341 N dan draft pembajakan rata-rata F mean = 2912 N. Model matematis dari draft pembajakan untuk satu periode getar didekati dengan persamaan: 2341, 0<t< , 0.126<t<0.631 (29) , 0.631<t<0.758 Grafik dari pendekatan model matematis draft pembajakan ini ditunjukkan pada Gambar Draft pembajakan (N) Eksperimen Model matematis Waktu (s) Gambar 46 Grafik draft pembajakan pada perlakuan NST1 pada kecepatan membajak V=0.158 m/s. Sebagai ilustrasi lain adalah draft pembajakan perlakuan NST2 pada kecepatan membajak m/s. Dalam kondisi ini frekuensi draft pembajakan f=0.94 Hz. Draft pembajakan maksimum F mak = 3300 N, draft pembajakan minimum F min = 1544 N dan draft pembajakan rata-rata F mean = 2285 N.

114 81 Model matematis dari draft pembajakan untuk satu periode getar didekati dengan persamaan: 1544, 0<t< , 0.177<t<0.885 (30) , 0.885<t<1.06 Grafik dari pendekatan model matematis draft pembajakan ini ditunjukkan pada Gambar 47. Draft pembajakan (N) Eksperimen Model matematis Waktu (s) Gambar 47 Grafik draft pembajakan pada perlakuan NST2 kecepatan membajak V=0.158 m/s. Pendekatan model matematis dari draft pembajakan sifatnya adalah unik dan tergantung dari frekuensi terbongkarnya tanah serta besar draft maksimum, minimum dan rerata draft pembajakan. Untuk itu pemodelan draft pembajakan untuk setiap perlakuan membajak juga berbeda. Pada tulisan ini hanya ditampilkan pendekatan model matematis dari draft pembajakan untuk perlakuan NST1 dan NST2 saja. Hal ini karena hanya pada perlakuan ini yang digunakan dalam penelitian penurunan draft pembajakan pada bajak getar jenis self-excited vibration yang dilakukan dalam bab berikutnya. Hasilnya ditunjukkan pada Tabel 7 (frekuensi dan pendekatan model matematis untuk perlakuan NST1) dan pada Tabel 8 (frekuensi dan pendekatan model matematis untuk perlakuan NST2).

115 82 Kecepatan membajak (m/s) V=0.158 V=0.212 V=0.265 Tabel 7 Pendekatan model matematis utuk perlakuan NST1 Draft pembajakan (N) F mak =3560 F min =2341 F mean =2912 F mak =3969 F min =2644 F mean =3313 F mak =4800 F min =3140 F mean =3821 Frek. (Hz) Pendekatan model matematis 2341, 0<t< , 0.126<t< , 0.631<t< , 0<t< , 0.102<t< , 0.54<t< , 0<t< , 0.083<t< , 0.415<t<0.498 Kecepatan membajak (m/s) V=0.158 V=0.212 V=0.265 Tabel 8 Pendekatan model matematis utuk perlakuan NST2 Draft pembajakan (N) F mak =3300 F min =1544 F mean =2285 F mak =3581 F min =1553 F mean =2558 F mak =4732 F min =2411 F mean =3262 Frek. (Hz) Pendekatan model matematis 1544, 0<t< , 0.177<t< <t< , 0<t< , 0.109<t< , 0.546<t< , 0<t< , 0.085<t< , 0.423<t<0.508

116 83 Kesimpulan Dari data hasil eksperimen dan pembahasan dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: Gaya yang diperlukan untuk membajak tanah besarnya tergantung pada besarnya tahanan penetrasi tanah serta tebal lapisan hardpan. Semakin besar tahanan penetrasi dan semakin tebal lapisan hardpan, draft pembajakannya juga akan semakin besar. Besar draft pembajakan akan naik secara linier dengan semakin besarnya kecepatan membajak. Tanah terbongkar dengan frekuensi rendah yaitu pada frekuensi antara 0.94 sampai dengan 2.01 Hz. Pada kecepatan membajak tanah yang sama, frekuensi draft pembajakan untuk chisel dengan batang lurus tegak selalu lebih besar dibandingkan dengan frekuensi draft pembajakan untuk chisel dengan batang lurus miring. Draft pembajakan sifatnya adalah stokastik serta pendekatan model matematisnya berupa fungsi periodik, masing-masing perioda dibagi dalam tiga tahap yaitu tahap pisau bajak bergerak maju melalui aliran plastis dari tanah padat, pisau bajak terdorong ke belakang oleh tanah padat sampai dengan tanah padat terbongkar, dan pisau bajak bergerak maju melalui tanah yang telah dibongkar sebelumnya. Daftar Pustaka Borghei AM, Taghinejad J, Minaei S, Karimi M, Varnamkhasti GM Effect of subsoiling on soil bulk density, penetration, penetration resistance, and cotton yield in northwest of Iran. International Journal of Agriculture & Biology. 10; 1: Chandon K, Kushwaha RL Soil forces and shank vibration on deep tillage. Proceeding of the ASAE Annual International Meeting; Chicago, July CIGR 15th World Congress. Paper Number: Gill WR, Van den Berg GE Soil dynamics in tillage and traction. Agriculture hand-book No. 316 ARS USDA. Godwin, RJ An extended octagonal ring transducer for use in tillage studies. Journal of Agricultural Engineering Research. 20:

117 84 Mamman E, Oni KC Draught performance of a range of model chisel furrowers. CIGR Journal. 003; 8: 1-17 Onwualu AP, Watts KC Draught and vertical forces obtained from dynamic soil cutting by plane tillage tools. Soil & Tillage Research. 48; Soil Quality Institute 411s Soil compaction: detection, prevention, and alleviation. Soils.usda.gov/sqi. Soil quality Agronomy technical note. Paper no. 17. Susan DD, Nina LB A review of the effects of soil compaction and amelioration treatments on landscape trees. Journal of Arboriculture 20;1:9-17 Upadhyaya SK, Sanchez PA, Sakai K, Chancellor WJ, Godwin RJ. Tillage, of chapter 3: In advance in soil dynamics Volume Upadhyaya SK, Sanchez PA, Chancellor WJ, Perumtal JV, Wulfsohn D, Way TR. St. Joseph, Mich.: ASABE, Copyright 2009 American Society of Agricultural and Biological Engineers, eds:

118 PENGARUH ELASTISITAS DAN ORIENTASI PEGAS TERHADAP DRAFT PEMBAJAKAN PADA BAJAK GETAR SELF-EXCITED VIBRATION The influence of elastic springs and spring orientation on the draft force of self-excited vibration vibratory tillage Abstrak Pengaruh sistem getar dan pegas elastis beserta orientasinya terhadap draft pembajakan selama operasi tillage telah berhasil diuji secara eksperimental. Tujuan utamanya adalah mencari pengaruh sistem getar dan orientasi pegas terhadap draft pembajakan. Untuk keperluan ini dilakukan serangkaian eksperimen membajak tanah yang dilakukan di dalam sebuah soil bin berukuran panjang 1.2 m, lebar 0.3 m dan dalam 0.4 m. Soil bin diisi tanah liat setebal cm dan dikondisikan menjadi dua lapisan yaitu lapisan kedap dengan ketebalan sekitar cm dan lapisan atas dengan ketebalan sekitar 7 cm. Kedalaman membajak dibuat sekitar cm sedangkan tebal lapisan kedap yang dibongkar adalah sekitar 7-10 cm. Digunakan dua jenis tillage tool yaitu chisel plough dengan batang lurus tegak dan chisel plough dengan batang lurus miring. Tillage tool dihubungkan dengan kerangka melalui sebuah pegas berbentuk semi-eliptis yang mempunyai kekakuan Nm/rad. Kecepatan membajak divariasikan dari 0.158, dan m/s. Eksperimen dilakukan terhadap sistem getar satu derajat kebebasan dengan orientasi pegas menghadap ke muka (FST), sistem getar satu derajat kebebasan dengan orientasi pegas menghadap ke belakang (RST) dan sistem getar dua derajat kebebasan (TST). Hasil yang didapat dibandingkan dengan hasil perlakuan tanpa getar (NST). Untuk perlakuan RST, draft pembajakan menaikkan elevasi ujung pisau bajak sedangkan untuk perlakuan FST membuat elevasi ujung bajak tertekan turun. Dibandingkan dengan perlakuan NST, draft pembajakan pada perlakuan FST naik sampai dengan % sedangkan pada perlakuan RST dan TST terjadi penurunan draft pembajakan. Kata kunci: Elastisitas pegas, orientasi pegas, draft pembajakan, pegas semieliptis dan elevasi ujung pisau bajak. Abstract The influence of vibratory system, spring elasticity and spring orientation to draft force during tillage operation has been successfully conducted experimentally. The objective of these experiments is to determine the influence of the vibratory system, spring elasticity and spring orientation to the draft force reduction. The experiments were conducted in a soil bin with the following dimensions: 1.2 m in length, 0.3 m in width and 0.4 m in depth. The soil used in this experiment was clay loam soil; the depth of the hardpan in the soil bin was about cm with a penetration resistance of about 2.75MPa. The depth of the tillage operation was cm, and the thickness of the hardpan to be tilled was about 7-10 cm. The tillage tool was connected to a fixed structure using a semielliptical spring. The tillage speeds used were 0.158, and m/s. Three treatments were tested: Single degree of freedom system with rear spring

119 86 orientation (RST), Single degree of freedom system with front spring orientation (FST) and two degree of freedom vibratory system (TST). In the RST orientation, the draft force raised the elevation of the tillage tool tip, and the draft force caused the tillage tool tip elevation decrease in the FST orientation. Compared to rigid tine, the average draft force in the FST orientation increased up to %, whereas a draft force reduction were found in the RST and in the TST treatment. Keywords: tillage tool tip elevation, spring elasticity, spring orientation, draft force. Pendahuluan Masalah penting dalam membajak tanah adalah besar draft pembajakan. Draft pembajakan yang besar mengakibatkan meningkatnya kebutuhan energi, memerlukan traktor dengan kapasitas besar serta mengakibatkan terjadinya kerusakan pada komponen traktor. Penggunaan metode self-excited vibration pada bajak getar (SEVVT) dengan tujuan untuk menurunkan draft pembajakan telah dilakukan, baik secara analitis maupun secara eksperimental (Qiu Lichun et al. 2000, Berntsen et al. 2006, Laszlo et al serta Gill et al. 1967). Dalam eksperimennya tercatat penurunan draft pembajakan sekitar %. Gill dan Van den Berg (1967) menginvestigasi terjadinya penurunan draft pembajakan pada saat membajak tanah dengan menggunaan spring tine atau flexible tine sekitar % dibandingkan dengan membajak tanah dengan menggunakan rigid tine. Penyebabnya adalah terjadinya osilasi pada tine yang diakibatkan oleh variasi draft pembajakan. Gill dan Van den Berg (1967) tidak menjelaskan mekanisme turunnya draft pembajakan. Peralatan eksperimen dari Qiu Lichun et al. (2000) ditunjukkan pada Gambar 48. Pegas elastis dipasang antara traktor dengan implement menggantikan fungsi dari upper link. Melihat konstruksinya, draft pembajakan membuat elevasi ujung pisau bajak akan turun dan konstruksi demikian diberi nama front spring treatment. Pada kedalaman membajak cm, Qiu Lichun et al. (2000) mencatat penurunan draft pembajakan sekitar 10.8 % relatif terhadap draft pembajakan tanpa getar. Qiu Lichun et al. (2000) tidak menjelaskan mekanisme turunnya draft pembajakan.

120 87 Gambar 48 Bajak getar dari Qiu Lichun et al (2000). Sistem getar peralatan eksperimen Bernstsen et al. (2006) ditunjukkan pada Gambar 49, terdiri atas rigid tine (R), Flexible straight tines (FS1 dan FS2) serta Flexible S tines ( S45 dan S34). Melihat konstruksinya, draft pembajakan akan menekan ujung pisau bajak sehingga elevasinya naik. Konstruksi demikian diberi nama rear spring treatment. Eksperimen dilakukan pada loam soil pada dua kondisi tanah yaitu padaa tilled soil dan pada no-tidled soil serta pada dua kondisi kecepatan 1 m/s dan 2 m/s. Kedalaman membajak dilakukan pada 0.06 m dan 0.12 m. Jika dioperasikan pada no-tilled soil, Bernstsen et al. (2006) mencatat penurunan draft pembajakan pada flexible straight tines dan flexible S tines berturut turut sebesar 20 % dan 28% dibandingkan dengan draft pembajakan yang diperlukan oleh rigid tines. Jika dioperasikan pada tilled soil, terjadi hal sebaliknya yaitu rigid tine memberikan draft pembajakan paling rendah kecuali pada FS2, yang karena fleksibilitasnya memberikan draft pembajakan lebih rendah dibandingkan dengan draft pembajakan untuk rigid tine. Bernstsen et al. (2006) tidak menjelaskan mekanisme turunnya draft pembajakan. Gambar 49 Jenis Tines yang digunakan oleh Bernstsen et al. (2006).

121 88 Laszlo et al. (2002) membuat penelitian SEVVT guna menurunkan draft pembajakan dengan menggunakan Sakun plow dengan peralatan seperti terlihat pada Gambar 50. Laszlo et al. (2002) mencatat tidak terjadi penurunan draft pembajakan pada kekakuan pegas yang sangat rendah. Penurunan draft pembajakan menjadi semakin tinggi pada kekakuan pegas yang semakin tinggi. Pada batas kekakuan pegas tertentu draft pembajakannya menjadi semakin tinggi lagi. Laszlo et al. (2002) menyarankan agar frekuensi alami dari sistem getar berada di bawah 50 Hz dan merekomendasikan penurunan draft pembajakan optimum terjadi pada rentang frekuensi alami bajak getar pada kisaran 21 Hz. Dalam penelitiannya, Laszlo et al. (2002) tidak menjelaskan mekanisme turunnya draft pembajakan Gambar 50 Skema paralatan penelitian dari Laszlo et al. (2002). Dalam penelitian ini, dilakukan serangkaian eksperimen pada bajak getar self-excited vibration, guna mengungkapkan pengaruh sistem getar dan elastisitas pegas terhadap draft pembajakan serta mekanisme terjadinya penurunan draft pembajakan. Akan diungkapkan pula pengaruh orientasi pegas terhadap draft pembajakan. Penelitian dilakukan pada bajak getar satu derajat kebebasan dan dua derajat kebebasan. Untuk keperluan itu digunakan dua jenis pegas yaitu pegas semi-eliptis (yang mempunyai potensi getar dalam vertikal, horisontal dan transversal) dan pegas kantilever. Dipilih dua jenis tillage tool yaitu chisel plow dengan batang lurus tegak dan chissel plow dengan batang lurus miring. Eksperimen dilakukan di dalam soil bin berukuran panjang 1.2 m, lebar 0.3 m dan dalam 0.4 m. Digunakan tanah liat yang dikondisikan di dalam soil bin menjadi dua lapisan yaitu lapisan kedap dan tanah lapisan atas. Kecepatan membajak divariasikan serta draft pembajakan dicatat melaluai serangkaian instrumentasi yang meliputi sebuah extended octagonal ring transduser, strain amplifier,

122 89 wireless analog to digital converter dan komputer. Hasil yang didapat dari eksperimen dibandingkan dengan hasil dari simulasi matematis dan dibandingkan dengan hasil membajak tanah tanpa getar. Tujuan dari penelitian ini adalah: Membuat model subsoiler getar skala laboratorium yang mengalami gangguan secara alami guna menurunkan draft pembajakan yang diperlukan untuk membongkar tanah padat. Mengukur draft subsoiling dari model subsoiler getar SEV guna memverivikasi model matematis/simulasi yang dibuat. Mencari pengaruh sistem getar dan orientasi pegas terhadap draft pembajakan. Mengungkapkan mekanisme turunnya draft pembajakan pada fenomena bajak getar self-excited vibration. Penelitian ini diharapkan memberikan manfaat sebagai berikut: Memberikan kontribusi positif dalam pengembangan ilmu pengetahuan dan teknologi khususnya di bidang getaran struktur beserta penerapannya pada mesin-mesin pertanian. Bila digunakan dalam skala lapang dapat membantu petani dalam memperbaiki kualitas tanah sehingga produktivitas hasil pertanian semakin meningkat. Bila digunakan dalam skala lapang dapat menghemat penggunaan bahan bakar minyak yang diperlukan guna membjak tanah. Bahan dan Metode Peralatan dan Instrumentasi Peralatan penelitian ditunjukkan pada Gambar 51, adalah sama dengan peralatan yang digunakan untuk mencari draft pembajakan tanpa getar pada Gambar 33, dengan komponen dasar terdiri atas soil bin, peralatan pemadat tanah, sistem konveyor, struktur bajak, load cell dan tillage tool. Yang membedakan dengan peralatan guna mencari draft pembajakan tanpa getar adalah ditambahkannya pegas semi-eliptis dan pegas kantilever guna mengakomodasi getaran pada tillage tool sebagai akibat dari variasi draft pembajakan.

123 90 Gambar 51 Peralatan eksperimen pada bajak getar SEV. Instrumentasi guna mengukur draft pembajakan ditunjukkan pada Gambar 52. Susunan ini adalah sama dengan instrumentasi guna mengukur draft pembajakan pada Gambar 38 yang terdiri atas extended octagonal ring transduser, strain amplifier, wireless analog to digital converter dan komputer. Bedanya adalah pada load cell dipasang pegas semi-eliptis. Pegas semi-eliptis ini berfungsi untuk menyimpan energi regangan sebagai akibat dari variasi draft pembajakan. Gambar 52 Susunan instrumentasi guna mengukur draft pembajakan pada bajak getar self-excited vibration. Digunakan dua jenis tillage tool yaitu chisel plow dengan batang lurus tegak (S1) dan chisel plow dengan batang lurus miring (S2) seperti terlihat pada Gambar 35. Digunakan dua jenis pegas yaitu pegas semi-eliptis dan pegas kantilever. Pegas semi-eliptis (Gambar 53a) yang merupakan new model, dibuat dari baja

124 91 S55C dan di heat treatment sehingga mempunyai yield strength sekitar 550 MPa. Kekakuan pegas dicari dengan menggunakan program paket INVENTOR dan hasilnya adalah k=28602 Nm/rad. Pegas mempunyai ukuran luar 360 mm melebar, tinggi 390 mm dan lebar 100 mm sedangkan ketebalan pegas dibuat tidak merata antara mm. Keunggulan dari pegas ini adalah kemampuannya dalam mengakomodasi getaran dalam arah vertikal, horisontal dan dalam arah transversal. Pegas kantilever (Gambar 53b) terbuat dari bahan pelat baja SS41 dan mempunyai yield strength sekitar 300 MPa. Pegas mempunyai kekakuan k=12160 N/m. Pegas kantilever mempunyai ukuran luar panjang 350 mm, tinggi 55 mm dan lebar 100 mm sedangkan tebal pegas adalah 3.5 mm. Figure 53 (a) Pegas semi-eliptis (b), pegas Kantilever. Deskripsi dan Metode Eksperimen Penelitian dilakukan selama bulan September 2010 sampai dengan bulan Desember 2010 di Laboratorium Teknik Mesin dan Budidaya Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian Institut Pertanian Bogor, Bogor. Tanah yang digunakan dalam penelitian ini adalah sama dengan tanah yang digunakan dalam penelitian

125 92 guna mencari draft pembajakan yaitu tanah liat dengan kandungan clay, sand dan silt masing-masing sebesar 83.41, 3.11 dan 13.48%. Sifat fisis tanah lainnya adalah batas plastis 45.51% dan batas cair 70.3%. Eksperimen dilakukan dalam dua sistem getar yaitu sistem getar satu derajat kebebasan (SEVVT_SDOF) dan sistem getar dua derajat kebebasan (SEVVT_TDOF). (a) (b) Gambar 54 Ilustrasi eksperimen dengan orientasi FST dan RST pada bajak getar satu derajat kebebasan, (a) dengan menggunakan chisel plow batang lurus S1, (b) dengan menggunakan chisel plow batang miring S2. Dalam eksperimen dengan satu derajat kebebasan, hanya digunakan pegas semi-eliptis saja yang dipasang pada load cell, selanjutnya tillage tool dipasang pada pegas elastis. Sistem ini, sesuai dengan orientasi pemasangan tillage tool ke pegas semi-eliptis, dibagi menjadi dua perlakuan yaitu perlakuan dengan orientasi pegas menghadap ke belakang (RST) dan perlakuan dengan orientasi pegas

126 93 menghadap ke depan (FST). Baik perlakuan RST maupun perlakuan FST menggunakan chisel plow S1 dan chisel plow S2. Ke dua perlakuan tersebut ditunjukkan pada Gambar 54a (menggunakan chisel plow S1) dan pada Gambar 54b (menggunakan chisel plow S2). Pada perlakuan FST hanya digunakan satu tingkat kecepatan membajak yaitu pada kecepatan membajak V=0.158 m/s sedangkan pada perlakuan RST, kecepatan membajaknya divariasikan yaitu pada kecepatan membajak 0.158, dan m/s. Gambar 55 Ilustrasi eksperimen pada bajak getar dua derajat kebebasan dengan chisel plow batang lurus (S1) dan chisel plow batang miring (S2). Dalam eksperimen getar dua derajat kebebasan digunakan tambahan satu pegas kantilever yang dipasang pada susunan eksperimen getar satu derajad kebebasan. Pada pegas kantilever yang juga berfungsi sebagai pegas penghubung, diletakkan massa dengan bobot sekitar 9.8 kg. Dalam eksperimen ini hanya digunakan satu tingkat kecepatan membajak yaitu V=0158 m/s dan digunakan dua jenis chisel plow yaitu jenis S1 dan jenis S2. Skema dari eksperimen ini ditunjukkan pada Gambar 55. Tanah di dalam soil bin dikondisikan menjadi dua lapisan yaitu lapisan A dan lapisan B (Gambar 56). Lapisan A mensimulasikan lapisan kedap dengan bulk density ρ=1.6 g/cm 3, dry bulk density ρ d =1.23 g/cm 3, kohesi tanah C=49.54 kpa, sudut gesekan tanah 36 0 tahanan penetrasi tanah sekitar 2.75 MPa dan kandungan air tanah sekitar %. Lapisan B mensimulasikan lapisan atas dengan tahanan penetrasi tanah sekitar 1.1 MPa. Pada perlakuan NST, RST dan perlakuan getar dua derajat kebebasan, tebal lapisan kedap dibuat sekitar 15 cm sedangkan lapisan

127 94 kedap yang dibongkar adalah setebal 10 cm. Pada perlakuan FST, tebal lapisan kedap dibuat sekitar 12 cm sedangkan tebal lapisan kedap yang dibonkar adalah sekitar 7 cm. Detil dari tebal lapisan kedap, tebal lapisan atas serta kecepatan membajak untuk semua perlakuan ditunjukkan pada Tabel 9. Gambar 56 Skematis membajak tanah dengan bajak getar SEVdi dalam soil bin. Tabel 9 Parameter tanah di dalam soil bin bajak SEV (lihat Gambar-4) Jenis getaran Tanpa getar Tanpa getar Getar- TDOF FST RST Jenis shank S1 S2 Perlakuan Kecepatan membajak (m/s) Tahanan Tebal lapisan penetrasi tanah (cm) (MPa) h1 h2 A B NST NST NST NST NST NST S1 TST S2 TST S1 FST S2 FST S1 S2 RST RST RST RST RST RST

128 95 Selama eksperimen, tutup soil bin di ujung kiri dibuka sedangkan tutup soil bin di sebelah kanan ditutup (Gambar 56). Soil bin ditarik sehingga bergerak dari kiri ke kanan. Operasi membajak tanah diawali tepat pada saat pisau bajak menyentuh tanah padat dan diakhiri tepat sebelum pisau bajak menyentuh tutup soil bin sebelah kanan. Untuk semua perlakuan, draft pembajakannya dicatat di komputer selanjutnya dibuat grafik draft pembajakan sebagai fungsi dari waktu. Draft pembajakan untuk setiap perlakuan getar dibandingkan dengan draft pembajakan pada perlakuan membajak tanah tanpa getar. Dengan demikian dapat dianalisis pengaruh getar terhadap draft pembajakan. Demikian pula draft pembajakan untuk perlakuan getar RST hasilnya dibandingkan dengan hasil yang didapat dari simulasi matematis sehingga dapat dibuktikan kebenaran dari model matematis yang dibangun. Hasil dan Pembahasan Hasil Simulasi Dalam simulasi ini, model matematis dari draft pembajakan didasarkan pada persamaan dan Tabel 7. Sebagai contoh adalah draft pembajakan pada perlakuan NST21. Grafik draft pembajakan hasil eksperimen dan simulasi matematis ditunjukkan pada Gambar 57. Setiap siklus, draft pembajakannya dibagi menjadi tiga tahap yaitu: Tahap pisau bajak terdorong mundur oleh tanah padat. Dalam tahap ini draft pembajakannya dianggap berupa fungsi pangkat tiga dari waktu, meningkat dari draft pembajakan minimum ke draft maksimum. Tahap pisau bajak bergerak maju melalui tanah yang telah terbongkar. Dalam tahap ini draft pembajakannya dianggap linier terhadap waktu, menurun dari draft pembajakan maksimum ke draft minimum. Tahap pisau bajak bergerak maju melalui aliran plastis tanah padat. Dalam kondisi ini draft pembajakannya dianggap sama dengan draft minimum. Model matematis tersebut menjadi: 1544, 0<t< , 0.177<t<0.885 (30) , 0.885<t<1.062

129 96 Draft pembajakan (N) Eksperimen Model matematis Waktu (s) Gambar 57 Grafik draft pembajakan pada perlakuan NST21 hasil eksperimen dan pendekatan matematis. Lintasan ujung pisau bajak pada perlakuan RST11 ditunjukkan pada Gambar 58. Karena perbandingan antara draft pembajakan minimum dengan draft pembajakan maksimum pada perlakuan ini adalah 1544/3300=0.468, maka sesuai dengan persamaan 23, besar penurunan draft pembajakannya menjadi:. (31) c d b a Simpangan mendatar (mm) Gambar 58 Lintasan ujung pisau bajak hasil simulasi pada perlakuan RST21. Untuk perlakuan NST21, data simulasi adalah t a = 0 s, t b = s, t c = 0.9 s dan t d = 1.05 s sehingga DR = 0.84 atau terjadi penurunan draft pembajakan sekitar 16 %. Hasil selengkapnya penurunan draft pembajakan yang didapat dari simulasi untuk perlakuan RST11-RST13 dibandingkan dengan perlakuan NST21- NST23 ditunjukkan pada Tabel 10. Simpangan vertikal (mm)

130 97 Tabel 10 Penurunan draft pembajakan hasil simulasi pada RST1 dan RST2 Kecepatan membajak (m/s) Deskripsi Penurunan draft (%) Deskripsi Penurunan draft (%) RST11-NST RST21-NST RST12-NST RST22-NST RST13-NST RST23-NST Hasil Eksperimen Pada Perlakuan FST Eksperimen pada FST hanya dilakukan pada perlakuan FST1 dan FST2, keduanya bekerja pada kecepatan membajak m/s sedangkan hasilnya dibandingkan dengan hasil dari perlakuan NST11 dan NST21. Grafik draft pembajakan pada ke dua perlakuan ini ditunjukkan pada Gambar 59a (FST1- NST11) dan pada Gambar 59b. (FST2-NST21) sedangkan data numeriknya ditunjukkan pada Tabel 11. Walaupun lapisan tanah di dalam soil bin pada perlakuan NST lebih tebal dibandingkan dengan tebal lapisan tanah pada perlakuan FST, namun terjadi kenaikan draft pembajakan pada perlakuan FST. Dibandingkan dengan perlakuan NST11, terjadi kenaikan draft pembajakan maksimum dan rerata draft pembajakan sebesar 46 %. Dibandingkan dengan draft pembajakan pada perlakuan NST21, terjadi kenaikan draft pembajakan maksimum yang sangat tinggi yaitu sekitar 99 % serta kenaikan rerata draft pembajakan sebesear 96 %. Table 11 Perbandingan draft pembajakan perlakuan NST dan FST N0 1 2 Draft pembajakan maksimum Rerata draft pembajakan Perlakuan Kenaikan draft Kenaikan draft Besar (N) Besar (N) pembajakan (%) pembajakan (%) NST FST NST FST

131 98 Draft pembajakan (N) (a) FST2 NST21 (b) Gambar 59 Grafik draft pembajakan perlakuan FST dan NST pada kecepatan membajak m/s, (a) FST1-NST11, (b) FST2-NST21. Fenomena ini dapat diterangkan sebagai berikut: Karena orientasinya, maka draft pembajakan akan membuat batang bajak terdefleksi ke belakang serta membuat ujung pisau bajak turun dari posisi sebelumnya (Gambar 60). Pengamatan selama eksperimen menunjukkan bahwa posisi ujung pisau bajak turun sampai dengan sekitar 5 cm. hal ini mengakibatkan terjadinya kenaikan draft pembajakan.

132 99 Gambar 60 Simpangan ujung pisau bajak akibat draft pembajakan D pada perlakuan FST. Kekuatan dari pegas semi-eliptis diuji dengan menggunakan piranti lunak AUTODESK INVENTOR. Untuk draft pembajakan sebesar 7000 N, tegangan ekuivalen yang terjadi pada pegas adalah sebesar 530 MPa. Besaran ini sangat dekat dengan yield strength dari bahan pegas yang berada pada kisaran 550 MPa. Untuk menghindari terjadinya yielding pada bahan pegas, eksperimen pada perlakuan FST ini tidak dilanjutkan terlebih pada kondisi membajak tanah yang beroperasi pada kecepatan yang lebih tinggi. Hasil Eksperimen Pada Perlakuan RST Grafik draft pembajakan perlakuan RST ditunjukkan pada Gambar 61 dan Gambar 62 sedangkan data numeriknya ditunjukkan pada Tabel 12. Dalam perlakuan ini, kondisi membajak (kecepatan membajak, kedalaman membajak, kondisi tanah di dalam soil bin) dibuat sama dengan kondisi simulasi dan kondisi membajak perlakuan NST. Dari grafik pada Gambar serta dari Tabel 12 terlihat bahwa terjadi penurunan draft pembajakan untuk semua perlakuan. Draft pembajakan maksimum perlakuan RST11, RST12 dan RST13 dibandingkan dengan draft pembajakan perlakuan NST11, NST12 dan NST13 berturut turut

133 100 turun sebesar 8.9, 8.7 dan 15.8 % sedangkan rerata draft pembajakan turun masing-masing sebesar 6.6, 10 dan 13.9 %. Pada perlakuan RST21, RST22 dan RST23, draft pembajakan maksimumnya turun dibandingkan dengan draft pembajakan maksimum perlakuan NST21, NST22 dan NST23 masing-masing sebesar 4.7, 5.9 dan 15.2 % sedangkan rerata draft nya turun masing-masing sebesar 3.8, 10.7 dan 18.5 %. Rerata draft pembajakan hasil simulasi untuk perlakuan RST11, RST12 dan RST13 dibandingkan dengan draft pembajakan perlakuan NST11, NST12 dan NST13 turun masing masing sebesar 12.3, 12.6 dan 13.1 %. Untuk simulasi RST21, RST22 dan RST23, rerata draft pembajakannya turun masing-masing sebesar 16, 13.2 dan 15.8 %. Terlihat bahwa penurunan draft pembajakan hasil simulasi tidak jauh berbeda dengan draft pembajakan hasil eksperimen bahkan pada kecepatan membajak m/s, besar penurunan draft pembajakan nya hampir sama. Hal ini menunjukkan bahwa model matematis yang dibangun mendekati kebenaran. Dari data numerik terlihat bahwa penurunan draft pembajakannya semakin tinggi dengan meningkatnya kecepatan membajak. Demikian pula terlihat bahwa penurunan draft pembajakan perlakuan RST21, RST22 dan RST23 lebih besar jika dibandingkan dengan penurunan draft pembajakan pada perlakuan RST11, RST12 dan RST13. Tabel 12 Penurunan draft pembajakan hasil eksperimen dan hasil simulasi Perlakuan Besar (N) Draft maksimum Penurunan draft (%) Besar (N) NST RST NST RST NST RST NST RST NST RST NST RST Rerata draft Penurunan draft (%) Eksperimen Simulasi

134 101 NST11 RST11 (a) NST12 RST12 (b) NST13 RST13 Gambar 61 Grafik draft pembajakan perlakuan RST1 dan NST1, (a) kecepatan membajak V=0.158 m/s, (b) kecepatan membajak V=0.212 m/s dan (c) kecepatan membajak V=0.265 m/s. (c)

135 102 NST21 RST21 (a) NST22 RST22 (b) NST23 RST23 (c) Gambar 62 Grafik draft pembajakan perlakuan RST2 dan NST2, (a) kecepatan membajak V=0.158 m/s, (b) kecepatan membajak V=0.212 m/s dan (c) kecepatan membajak V=0.265 m/s.

136 103 Fenomena turunnya draft pembajakan di atas dapat diterangkan sebagai berikut: Pada saat soil bin bergerak maju, tanah padat menekan chisel plow ke belakang dengan gaya yang besar. Hal ini mengakibatkan batang bajak terdefleksi ke belakang menekan pegas elastis dan energinya disimpan dalam bentuk energi regangan pada pegas elastis. Pada saat tanah terbongkar, tahanan tanah menjadi jauh berkurang. Selanjutnya pegas elastis melepas energi regangan dan diubah menjadi energi kinetik pada batang bajak. Oleh karena itu ujung pisau bajak bergerak maju dengan kecepatan tinggi. Tumbukan antara ujung pisau bajak dengan tanah padat mengakibatkan tahanan tanah di sekitar daerah tumbukan menjadi turun yang berakibat turunnya draft pembajakan. Karena orientasinya, maka draft pembajakan membuat elevasi ujung pisau bajak (selama bergerak mundur) terangkat naik sehingga kadalaman membajak menjadi berkurang (Gambar 63) hal ini mengakibatkan draft pembajakan menjadi turun. Ganbar 63 Defleksi dari batang bajak akibat draft pembajakan D membuat ujung pisau bajak terangkat naik. Hasil Eksperimen Pada Perlakuan TST Dalam eksperimen ini kecepatan membajak dibuat m/s sedangkan lapisan kedap dibuat setebal 15 cm dengan tahanan penetrasi sebesar 2.75 MPa, lapisan atas dibuat setebal 7 cm dengan tahanan penetrasi sebesar 1.1 MPa. Lapisan kedap yang dibongkar setebal 10 cm sedangkan tebal keseluruhan tanah yang dibongkar adalah setebal 17 cm.

137 104 Draft pembajakan (N) Draft pembajakan (N) Gambar 64 Grafik draft pembajakan perlakuan TST dan NST pada kecepatan membajak V=0.158 m/s, (a) perlakuan TST1-NST11, (b) perlakuan TST2-NST22. Tabel 13 Hasil eksperimen TST dibandingkan dengan hasil eksperimen NST Perlakuan Draft pembajakan maksimum Penurunan draft Besar (N) pembajakan (%) NST TST NST TST Rerata draft pembajakan Besar Penurunan draft (N) pembajakan (%)

138 105 Hasil-hasil eksperimen ditunjukkan pada Tabel 13 serta pada Gambar 64. Draft pembajakan perlakuan TST1 dibandingkan dengan draft pembajakan pada perlakuan NST11, sedangkan draft pembajakan perlakuan TST2 dibandingkan dengan draft pembajakan perlakuan NST22. Pada TST1 tercatat penurunan draft pembajakan maksimum sebesar 13.6 % dan penurunan rerata draft pembajakan sebesar 14.7 %. Pada TST2, tercatat penurunan draft pembajakan maksimum sebesar 14.7 % dan penurunan rerata draft pembajakan sebesar 9.3 %. Penurunan draft pembajakan ini lebih besar jika dibandingkan penurunan draft pembajakan pada perlakuan RST11 dan RST22. Hal ini terjadi karena adanya tambahan massa pada pegas penghubung (Gambar 65) sehingga momentum tumbukan yang terjadi antara pisau bajak dengan tanah padat (pada saat pegas elastis melepas energi regangan) menjadi lebih besar dibandingkan dengan momentum tumbukan pada perlakuan RST. Oleh karena itu, penurunan draft pembajakan pada perlakuan TST menjadi lebih besar dibandingkan dengan penurunan tanah pada perlakuan RST. Seharusnya perlakuan ini mempunyai potensi untuk dikembangkan lebih lanjut yaitu dengan cara memvariaskan kekakuan dan posisi pegas kantilever serta dengan memvariasikan besar massa tambahan pada pegas kantilever. Sayangnya, perlakuan ini hanya dilakukan pada satu tingkat kecepatan membajak. Disamping itu juga dalam pengamatan selama eksperimen terlihat bahwa kekakuan pegas penghubung kurang tinggi. Oleh karena itu maka belum bisa diambil kesimpulan tentang penurunan draft pembajakan. Gambar 65 Terjadinya kenaikan elevasi ujung pisau bajak dan massa tambahan pada pegas kantilever.

139 106 Kesimpulan Dari bahasan di atas dapat disimpulkan sebagai berikut: Penurunan draft pembajakan hasil eksperimen pada perlakuan RST besarnya tidak terlalu jauh berbeda dengan hasil simulasi matematis terlebih pada kecepatan membajak m/s, besar penurunan draft pembajakannya sangat berdekatan. Hal ini menunjukkan kebenaran simulasi/model matematis yang dibangun. Terjadi kenaikan draft pembajakan secara berlebihan pada bajak getar satu derajat kebebasan pada perlakuan FST (dibandingkan dengan perlakuan tanpa getar). Oleh karenanya perlakuan ini tidak direkomendasikan untuk digunakan pada bajak getar jenis self-excited vibration. Terjadi penurunan draft pembajakan pada bajak getar satu derajat kebebasan pada perlakuan RST (dibandingkan dengan perlakuan tanpa getar). Semakin tinggi kecepatan membajaknya, semakin tinggi pula besar penurunan draft pembajakannya. Penurunan draft pembajakan pada perlakuan RST21, RST22 dan RST23 (membajak tanah dengan chisel plow batang lurus miring) lebih besar dibandingkan dengan penurunan draft pembajakan pada perlakuan RST11, RST12 dan RST13 (membajak tanah dengan chisel plow batang lurus tegak). Oleh karenanya perlakuan ini direkomendasikan untuk digunakan pada bajak getar jenis self-excited vibration khususnya bila digunakan chisel plow dengan batang miring. Terjadi penurunan draft pembajakan pada bajak getar dua derajat kebebasan (dibandingkan dengan perlakuan tanpa getar) pada tingkat kecepatan membajak m/s. Mekanisme turunnya draft pembajakan diungkapkan melalui mekanisme naiknya posisi ujung pisau bajak. Daftar Pustaka Berntsen R, Berre B, Torp T, Aasen H, Tine force established by a two-level and the draft requirement of rigid and flexible tines. Soil and Tillage Research 90: Gill WR, Van den Berg GE Soil dynamics in tillage and traction. Agriculture hand-book No. 316 ARS USDA.

140 107 Laszlo Fenyvesi, Istvan JJ, Bela Borsa Reduction of the energy requirement by new soil cultivation tools. Proceeding of the ASAE Annual International Meeting;Chicago, July CIGR 15th World Congress. Paper Number: Qiu Lichun, Li Baofa Experimental study on the self-excited vibration subsoiler for reducing draft Force. Transaction of the Chinese Society of Agricultural Engineering 16; 6: Sakai K. Part II: Vibratory tillage implement, of chapter 4: Power tillage equipment. In advances in soil dynamics volume 3. Uphadaya S.K. Chancellor WJ, Perumpral JV, Wulfsohn D, and Way TR. St. Joseph, Mich.: ASABE, Copyright 2009 American Society of Agricultural and Biological Engineers, eds., (2009), pp Shahgoli, G. Saunders J, Desbiolles J dan Fielke J, An investigation into the performance of oscillatory tillage using different frequencies. [24 April 2009]. Szabo B, Barnes F, Sture S, Ko JH Effectiveness of vibrating bulldozer and plow blades on draft force reduction. Transaction of the ASAE. 41; 2:

141 MENURUNKAN DRAFT DAN ENERGI PEMBAJAKAN DENGAN GETARAN PAKSA BERENERGI RENDAH PADA BAJAK GETAR SELF-EXCITED VIBRATION (Draft force and energy reduction by low energy force vibration method on Self-Excited Vibration Vibratory-Tillage) Abstrak Penggetaran paksa berenergi rendah pada pegas bajak getar Self Excited Vibration guna menurunkan draft pembajakan dan energi selama membajak tanah telah dikembangkan dan diuji secara eksperimental. Pengujian dilakukan di dalam soil bin berukuran panjang 1.2 m, lebar 0.3 m dan dalam 0.4 m. Eksperimen menggunakan tanah liat dan dikondisikan sehingga mendekati kondisi lapang di mana lapisan hardpan dibuat setebal sekitar 15 cm dengan tahanan penetrasi sekitar 2.75 MPa. Kedalaman operasi diatur sekitar 17 cm sedangkan tebal lapisan hardpan yang dibongkar adalah sekitar 10 cm. Digunakan tillage tool jenis chisel dengan kemiringan shank sebesar 35 0 dan sudut potong sebesar Chisel dihubungkan dengan fixed structure oleh sebuah pegas elastis berbentuk semieliptis. Pada batang bajak dipasang sebuah motor listrik dengan bobot 9.7 kg. Sebagai penggetar digunakan massa tak imbang yang diputar dan mempunyai bobot kg serta dipasang pada motor listrik pada radius 6.5 cm. Kecepatan membajak divariasikan yaitu dari kecepatan 0.158, dan m/s. Hasil-hasil eksperimen menunjukkan bahwa metode penggetaran ini berhasil menurunkan draft pembajakan dibandingkan dengan eksperimen tanpa penggetaran sebesar % dan penurunan daya sebesar %. Kata kunci: Draft pembajakan, getaran paksa berenergi rendah, pegas elastis, massa tak imbang Abstract Draft force and energy reduction during tillage operation by low energy force vibration method on an elastic spring has been developed and tested experimentally. The experiments were conducted in soil bin, 1.2 m long, 0.3 wide and 0.4 m depth and soil that used in this experiment was clay loam soil; the thickness of hardpan in soil bin was 15 cm with penetration resistance of 2.75 MPa. The depth of operation was 17 cm while the thickness of the hardpan to be tilled was 10 cm. Chisel with incline angle of shank about 35 0 and lift angle of about 30 0 was used as tillage tool. A new model of elastic spring having shape of semi elliptic was used to connect the tillage toolto a fixed structure. An electric motor 9.7 kg of mass was installing to the plow shank. The vibration of tillage tool was caused by rotating unbalanced mass that was installed in the electric motor. The mass of unbalance mass was kg and the eccentricity was 6.5 cm. The tillage speed was 0.158, dan m/s. Comparing to non vibratory tillage, reduction of average draft force about % and energy reduction about % were found. Keyword: draft force, low energy-force vibration, elastic spring and rotating unbalance mass.

142 110 Pendahuluan Lapisan tanah padat dengan tahanan penetrasi tanah di atas 2 MPa. dan densitas tanah di atas 1.8 g/cm 3 sulit ditembus oleh akar tanaman, menghambat penetrasi air dan nutrisi serta menghambat sirkulasi udara di dalam tanah. Hal ini akan menghambat pertumbuhan tanaman serta menurunkan produktivitas hasil tanaman (Soil Quality Institute 2003, Susan et al. 1994). Untuk membongkar lapisan padat demikian diperlukan draft pembajakan dan konsumsi energi yang besar. Besarnya draft pembajakan ini digunakan untuk mengatasi gesekan antara tanah dengan tillage tool, mengatasi gesekan antar tanah, mengatasi percepatan tanah bongkaran di depan tillage tool serta karena adanya kelengketan antara tanah dengan tillage tool (Gill dan Van den Berg 1968, Uphadaya at.al, 2009) Kondisi ini tidak menguntungkan sehingga gaya dan konsumsi energi tersebut harus diturunkan. Penggetaran paksa dengan cara memberikan energi mekanis secara langsung ke batang bajak telah banyak diteliti dan berhasil menurunkan draft pembajakan secara signifikan. Sayangnya, penggetaran batang bajak ini memerlukan energi secara berlebihan (Bandalan et al. 1999, Butson et al. 1981, Niyamapa et al. 2000, Yow et al. 1976). Penurunnan draft pembajakan ini terjadi bilamana rasio kecepatannya (perbandingan antara kecepatan getar maksimum dari batang bajak dengan kecepatan maju traktor) lebih besar dari satu. Hal ini diupayakan dengan cara membuat kombinasi antara amplitudo dan frekuensi getar dari batang bajak. Parameter utama yang berpengaruh terhadap turunnya draft pembajakan pada fenomena ini adalah: Tumbukan antara pisau bajak dengan tanah pada kecepatan tinggi mengakibatkan terjadi retakan dan kehancuran tanah padat di depan pisau bajak. Hal ini terjadi bila batang bajak diosilasikan dengan frekuensi rendah dengan amplitudo getar yang relatif besar. Penggetaran dengan frekuensi getar tinggi pada amplitude getar rendah mengakibatkan hancurnya tanah di depan pisau bajak sehingga gesekan antara pisau bajak dengan tanah menurun, turunnya kelengketan antara tanah dengan pisau bajak serta turunnya kohesi di dalam tanah. Fenomena ini mengakibatkan turunnya tahanan tanah.

143 111 Adapun parameter yang menyebabkan terjadinya kenaikan penggunaan energi pada fenomena ini adalah: Tingginya energi yang diperlukan untuk menggerakkan inersia dari batang bajak beserta mekanismenya. Perlu tambahan energi guna mengatasi gaya vertikal yang diberikan oleh pisau bajak ke pada tanah. Butson et al. (1981) membuat penelitian bajak getar dengan memberikan energi mekanis ke batang bajak. Penelitian dilakukan di dalam soil tank (panjang: 27.6 m, lebar: 1.8 m dan dalam 0.6 m) dengan menggunakan clay soil sebagai sample tanah. (Gambar 66). Kecepatan membajak divariasikan dari m/s. Frekuensi getar divariasikan dari 7-51 Hz sedangkan amplitude getar divariasikan dari mm. Peralatan penelitian tidak dilengkapi dengan elemen guna menyimpan dan melepas energi sebagai akibat dari variasi draft pembajakan. Dalam studi analitisnya, Butson et al. (1981) memhubungkan turunnya draft dengan membuat prediksi grafik draft pembajakan sebagai fungsi dari waktu. Gambar 66 Peralatan penelitian dari Butson et al. (1981). Yang menarik dalam eksperimennya adalah kesimpulan dari Butson et al. (1981) sebagai berikut: Tidak terjadi penurunan draft pembajakan pada rasio kecepatan di bawah satu. Di atas rasio kecepatan satu, terjadi penurunan draft pembajakan yang merupakan fungsi parabolis terhadap rasio kecepatannya. Terjadi kenaikan penggunaan energi pada semua kondisi rasio kecepatan di mana kenaikan energi berbanding lurus dengan rasio kecepatannya.

144 112 Diperkirakan 50 % konsumsi energinya digunakan untuk mengatasi gesekan mekanis pada mekanisme serta digunakan untuk menggerakkan mekanisme itu sendiri. Szabo et al. (1998) melaporkan turunnya draft pembajakan pada vibrating bulldozer dan plow blade. Penggetaran dilakukan dengan cara memberikan energi mekanis ke plow blade (Gambar 67). Blade diosilasikan pada frekuensi Hz dengan amplitudo getar 1 dan 2.5 mm. Rasio kecepatan dibuat tinggi di atas 17. Tercatat penurunan draft pembajakan sekitar 70-85% pada frekuensi getar antara Hz. Hal ini karena penggetaran dengan frekuensi di atas mengakibatkan kohesi di dalam tanah serta adhesi antara tanah dengan blade menurun drastis. Szabo et al. (1998) tidak melaporkan seberapa tinggi kenaikan energi yang diperlukan. Demikian pula tidak dilakukan analisis tentang turunnya kohesi tanah serta turunnya adhesi antara tanah dengan pisau bajak. Gambar 67 Peralatan eksperimen yang digunakan oleh Szabo et al. (1998). Niyamapa et al. (2000) melaporkan hasil eksperimen penurunan draft pembajakan pada bajak getar (Gambar 68). Penggetaran dilakukan dengan memberikan energi mekanis ke tillage tool. Kecepatan osilasi maksimum tillage tool dibuat 2.5 m/s. Pada kecepatan maju traktor 0.34 dan 0.85 m/s, terjadi penurunan draft pembajakan masing-masing sebesar 37 dan 7% sedangkan pemakaian energinya naik masing-masing sebesar 45 dan 41%. Penyebab turunnya draft pembajakan adalah turunnya effective stress tanah akibat ditambahkan kecepatan pembebanan yang sangat tinggi sedangkan penyebab kenaikan kebutuhan energi adalah tingginya pemakaian energi yang digunakan untuk menggerakkan inersia dari bajak getar. Kendati demikian, Niyamapa et al.

145 113 (2000) tidak menganalisis fenomena turunnya effectice stress pada tanah sebagai akibat ditambahkan kecepatan pembebanan yang sangat tinggi. Gambar 68 Diagram kinematis dari peralatan eksperimen yang digunakan oleh Niyamapa et al. (2000). Wang et al. (1998) membuat penelitian guna menurunkan adhesi antara tanah dengan pelat logam (Gambar 69). Tanah jenis silt loam disemprotkan dengan kecepatan 5-7 m/s ke pelat logam yang digetarkan. Pada frekuensi getar pelat sampai dengan 40 Hz, tanah yang melekat pada pelat banyaknya sekitar %, pada frekuensi getar pelat 50 Hz, tanah yang lengket pada pelat banyaknya sekitar %, sedangkan pada frekuensi getar pelat antara Hz tidak terjadi pelengketan tanah pada pelat logam sama sekali. Yang unik adalah pada frekuensi getar di atas 100 Hz, tanah yang lengket pada pelat semakin banyak. Wang et al. (1998) juga menyimpulkan bahwa kelengketan tanah pada pelat banyaknya berbanding terbalik dengan percepatan getar di setiap titik pada pelat. Ganbar 69 Skema eksperimental dari Wang et al. (1998).

146 114 Radite dan Soeharsono (2010) melaporkan penurunan draft dan energi pada penggetaran paksa batang mole plow ke arah samping kiri-kanan. Pengujian lapangan dilakukan dengan traktor 4 roda 72 hp pada kedalaman operasi cm dengan kecepatan maju km/jam. Dilaporkan bahwa respon frekuensi getar yang efektif adalah pada 7-12 Hz. Pada kisaran frekuensi getar ini penurunan draft yang terjadi berkisar antara %, di mana penurunan draft terbesar yaitu 23.6 % terjadi pada frekuensi getar 9 Hz. Pada kisaran frekuensi getar 7, 9 dan 12 Hz juga dilaporkan terjadi penurunan energi, di mana draft turun 19.6, 23.6 dan 18.2 % sementara kenaikan daya kinetis masing-masing hanya sebesar 2.9, 4.2 dan 6.1 %. Sementara frekuensi getar 15 Hz kurang efektif karena penurunan draft hanya 3.1 % sedangkan daya kinetis meningkat 10.9 %. Gambar 70 Skema penelitian dari Soeharsono et al. (2010). Soeharsono et al. (2011) melaporkan pengaruh orientasi pagas pada bajak getar jenis self-excited vibration terhadap draft pembajakan. Adapun skema penelitiannya ditunjukkan pada Gambar 70. Penelitian dilakukan di dalam soil bin pada kecepatan membajak rendah yaitu 0.158, dan m/s. Digunakan tiga jenis perlakuan yang meliputi perlakuan tanpa pegas (NST), perlakuan dengan pegas menghadap ke muka (FST) dan perlakuan pegas menghadap ke belakang (RST). Pada perlakuan FST, draft pembajakan membuat elevasi ujung pisau bajak bergerak turun yang mengakibatkan kenaikan draft pembajakan sampai dengan 90 %. Pada perlakuan RST, draft pembajakan membuat elevasi ujung pisau bajak bergerak naik yang mengakibatkan turunnya draft pembajakan sampai dengan %. Penurunan draft pembajakan dirasa masih relatif kecil sehingga perlu diupayakan untuk memperbesar penurunan draft pembajakan. Demikian pula perlu diupayakan agar kekakuan pegas dapat digunakan pada bajak

147 115 getar (jenis self-excited vibration) dengan rentang kepadatan tanah yang lebih lebar. Penggetaran suatu inersia berenergi rendah dengan frekuensi tinggi dan dengan amplitude yeng relatif rendah dapat dilakukan dengan menggetarkan inersia tersebut yang dihubungkan dengan suatu pegas elastis. Agar terjadi pembesaran gaya gangguan, diupayakan frekuensi getar dari gangguannya berada pada rentang frekuensi 1.41 dengan f n sebagai frekuensi alami sistem getar (Graham Kelly 1996, Rao et al. 2005, Krodkiewski JM. 2008). Dalam penelitian ini akan dilakukan metode alternatif guna menurunkan draft pembajakan pada bajak getar tanpa disertai dengan kenaikan energi. Metode tersebut dilakukan dengan cara penggetaran berenergi rendah kepada batang bajak yang dihubungkan dengan struktur tetap melalui sebuah pegas elastis. Sumber getar didapat dari kecepatan putar massa tak imbang yang diputar oleh sebuah motor listrik 180 Watt yang dipasang pada batang bajak. Gaya inersia dari putaran massa tak imbang ini mengakibatkan batang bajak berosilasi dengan amplitudo getar rendah. Getaran batang bajak ini diharapkan mampu menghancurkan tanah padat di depan pisau bajak sehingga tahanan tanahnya menjadi turun, akibatnya adalah draft pembajakan dan pemakaian energi menjadi turun pula. Tujuan dari penelitian ini adalah Mencari pengaruh penggetaran berenergi rendah pada bajak getar self-excited vibration terhadap besar penurunan draft pembajakan dan energi saat operasi membajak. Mengungkapkan mekanisme kerusakan tanah di depan pisau bajak sebagai akibat dari penggetaran berenergi rendah dengan frekuensi yang relatif tinggi. Memperbesar penurunan draft pembajakan pada bajak getar jenis self-excited vibration. Bahan dan Metode Peralatan dan Instrumentasi Peralatan dasar yang digunakan dalam eksperimen ini (Gambar 71), adalah sama dengan peralatan dasar yang digunakan untuk mencari draft pembajakan tanpa getar dan peralatan dasar pada bajak getar self-excited vibration dengan

148 116 komponen dasar terdiri atas soil bin, peralatan pemadat tanah, sistem konveyor, struktur bajak, load cell dan tillage tool. Hanya digunakan satu jenis tillage tool yaitu chisel plow dengan batang lurus miring S2 (Gambar 35 b). Gambar 71 Peralatan yang digunakan untuk eksperimen bajak getar SEV dengan penggetaran berenergi rendah. Yang membedakan adalah ditambahkannya penggetar pada batang bajak yang digunakan untuk mengosilasikan batang bajak (Gambar 72 a). Penggetar (Gambar 72 b) terdiri atas motor listrik 180 Watt, dua buah pelat berdiameter 150 mm dan massa tak imbang berbobot m= kg yang dipasang pada pelat pada radius r= 0.65 mm dengan jarak 0.35 m dari pusat getar. Jika massa m diputar dengan kecepatan sudut ω, maka gaya inersianya adalah: (32) Dengan kekakuan pegas k (Nm/rad), inersia sistem getar J serta faktor peredaman ξ, maka persamaan gerak dari sistem getar adalah: 2ξω θ 0.35 / (33) adalah frekuensi alami dari sistem getar Response getar adalah:. (34)

149 117 Massa tak imbang ω m 65 mm 0.55 m 150 mm 0.35 m (b) (a) Gambar 72 (a) Susunan pegas semi-eliptis, chisel plow dan penggetar, F i : gaya inersia dari massa tak imbang yang diputar dengan kecepatan sudut ω, (b) penggetar yang terdiri atas motor listrik, pelat serta massa tak imbang m. Bilamana efisiensi dari sistem adalah η, dengan memperhatikan jarak antara pusat getar dengan pusat putaran massa tak imbang serta jarak antara pusat getar dengan ujung pisau bajak, maka gaya F p yang ditransmisikan ke ujung pisau bajak guna memecah kepadatan tanah adalah: /0.55 (35) Gambar 73 Instrumentasi guna pengukuran gaya pada eksperimen penggetaran berenergi rendah. Instrumentasi guna mengukur draft pembajakan pada eksperimen penggetaran berenergi rendah ini adalah sama dengan instrumentasi pada Gambar 52, bedanya adalah pada batang bajak dipasang penggetar berenergi rendah seperti terlihat pada Gambar 73. Di samping itu ditambahkan pula sebuah stroboscope guna mengukur kecepatan putar dari penggetar.