Karakteristik Kebutuhan Daya dan Panjang Cacahan pada Chopper Tipe Pisau Tebas 1)

Transkripsi

1 Karakteristik Kebutuhan Daya dan Panjang Cacahan pada Chpper Tipe Pisau Tebas 1) Bambang Purwantana ) Abstrak Chpper tipe pisau tetap dengan sistem pengaliran ptngan langsung banyak digunakan untuk pencacahan rumput-rumputan karena pada umumnya dapat dibuat dalam ukuran kecil dengan knstruksi yang sederhana. Namun demikian chpper tipe ini memerlukan daya yang sangat tinggi dan prsnya secara dinamis tidak stabil disamping distribusi panjang ptngan atau cacahan yang tidak seragam. Sebuah chpper dengan sistem pisau tebas (flail) telah dikembangkan untuk mengatasi kelemahan-kelemahan tersebut. Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan kinerja terbaik dari chpper tipe pisau tebas berdasarkan analisis bentuk pisau, prses pemtngan dan aliran ptngan, penataan pisau pada prs, dan dinamika prs. Karakteristik daya dikaji berdasarkan distribusi daya dan flukstuasi trsi. Distribusi panjang ptngan bahan dihitung dari mdel prses pemtngan berdasarkan faktr-faktr perasinal mesin dan kndisi tanaman. Hasil penelitian menunjukkan bahwa kebutuhan daya naik secara linier terhadap kenaikan vlume bahan yang dicacah dan bervariasi terhadap jenis dan umur tanaman. Amplitud fluktuasi trsi lebih disebabkan karena jarak antar pisau sedang frekuensi trsi dipengaruhi leh kecepatan revlusi prs. Distribusi cacahan didminasi leh panjang ptngan 1 cm; meskipun dalam jumlah yang kecil terdapat juga panjang ptngan antara 3-4 cm Kata kunci: chpper, pisau tebas, daya, panjang cacahan 1. PENDAHULUAN Chpper merupakan nama umum dari mesin pemanen atau pencacah rumputrumputan (misal frage harvester) untuk menghasilkan silase. Silase merupakan ptngan atau cacahan dari rumput-rumputan, jagung dan sejenisnya yang disediakan untuk makanan ternak. Dalam perasinalnya chpper biasanya digandengkan pada sebuah traktr, atau dapat pula memiliki unit penggerak sendiri. Knstruksi dasar dari chpper terdiri atas susunan pisau yang dipasangkan pada suatu prs, baik hrisntal maupun vertikal, dan biasanya juga dilengkapi dengan unit penghembus (blwer) untuk membawa aliran ptngan ke dalam suatu penampung. Kecepatan ptng merupakan faktr yang sangat menentukan dalam prses pencacahan. McRandal dan McNulty (1978) menyatakan bahwa kecepatan minimum untuk pemtngan rumputan adalah m/det. O Dgherty dan Gale (1986) dalam penelitiannya tentang pemtngan rumput-rumputan juga mendapatkan bahwa kecepatan kritis adalah antara 15 sampai 3 m/detik; dibawah kecepatan itu pemtngan sangat tidak efektif dipandang dari sudut energi spesifik pemtngan. Dilaprkan juga leh Chattpadhyay dan Pandey (1999) bahwa ketika kecepatan pemtngan dinaikkan dari ke 6 m/det, energi pemtngan per unit luas penampang melintang bahan turun menjadi hanya sepertiganya. 1) Dipresentasikan pada Seminar Nasinal Mekanisasi Pertanian dan Kngres Luar Biasa PERTETA, Bgr 9-3 Nvember 6 ) Dsen Jurusan Teknik Pertanian Fakultas Teknlgi Pertanian Universitas Gadjah Mada, Ygyakarta. bambang_pw@ugm.ac.id 1

2 Kebutuhan energi untuk pemtngan atau pencacahan rumputan dipengaruhi leh banyak faktr seperti: varietas, umur, bagian atau psisi ptngan, kadar lengas bahan, dan cara pemtngan. Chancellr (1958) mendapatkan adanya perbedaan kebutuhan energi karena perbedaan spesies tanaman. Chancellr (1958), Schreder (1961) dan DeGraff (196) melaprkan bahwa kebutuhan energi gesek adalah maksimum pada kadar air bahan antara sampai 4%. McRandal dan McNulty (198) mendapatkan bahwa semakin tua dan semakin besar ukuran tanaman maka semakin tinggi kebutuhan energi ptngnya. Oldenburg (1986) melaprkan bahwa diperlukan energi antara,19 sampai 5,6 W.jam/m untuk memtng rumput-rumputan. McRandal dan McNulty (1978) melaprkan bahwa rata-rata energi pemtngan turun dengan meningkatnya kecepatan ptng dari pisau. Namun demikian apabila pisau dipasang secara tetap pada prs maka kecepatan ptng yang tinggi akan menyebabkan hentakan dan getaran yang berlebih pada mesin atau badan chpper. Untuk itu pemakaian pisau tebas (flail) atau pisau yang di pin dan dapat berputar pada sumbunya akan sangat membantu mengurangi getaran pada badan mesin. Beberapa penelitian telah dilakukan dalam rangka mengurangi knsumsi energi untuk pemtngan rumput-rumputan. Salah satunya adalah dengan menggunakan knfigurasi pemtngan langsung (cut-and-thrw) dengan sistem pemtngan keatas (Shinners et al., 1991). Dilaprkan bahwa cara ini dapat menghemat 3-34% kebutuhan energi dibanding cara pemtngan knvensinal. Cara ini efektif untuk pemtngan dengan kecepatan tinggi. Dan seperti diuraikan diatas, penggunaan pisau ptng tipe tebas merupakan pilihan untuk cara pemtngan demikian. Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan kinerja terbaik dari suatu chpper tipe pisau tebas. Analisis dikaji berdasarkan parameter bentuk pisau, prses pemtngan dan aliran ptngan, penataan pisau pada prs, dan dinamika prs. Karakteristik daya dikaji berdasarkan distribusi daya dan flukstuasi trsi. Distribusi panjang ptngan diukur dan dihitung berdasarkan faktr-faktr perasinal mesin dan kndisi tanaman.. ESTIMASI DISTRIBUSI PANJANG POTONGAN Pada mesin pemanen ataupun chpper rumput dengan pisau tebas, panjang ptngan atau cacahan dipengaruhi leh jenis tanaman, tinggi tanaman dan kndisi perasi. Pada pendekatan ini mdel prses pemtngan batang dibuat berdasarkan analisis gemetri bidang (dua dimensi) dan distribusi panjang ptngan dihitung sebagai fungsi tinggi batang dan jarak perpindahan per rtasi pisau. Krdinat psisi pisau tebas, psisi titik ptng dan psisi batang diilustrasikan melalui Gambar 1. Bahan, dalam hal ini batang rumputan, diumpankan pada chpper dengan kecepatan V dan pada prses pemtngan diasumsikan batang tetap pada kndisi tegak. Dua prses pemtngan dianalisis berdasarkan karakteristik tinggi tanaman yaitu kasus dimana tanaman lebih rendah daripada mesin dan kasus dimana tanaman lebih tinggi daripada mesin. a. Mdel prses pemtngan tanaman yang lebih rendah dari tinggi mesin. Misalkan tinggi kerangka mesin adalah y, dan seperti ditunjukkan pada Gambar 1 tinggi tanaman L s digambarkan melalui garis putus-putus dan diumpankan pada psisi tegak kedalam chpper. Ujung bahan menyentuh garis lintasan putar ujung pisau (pada titik

3 kntak T(x i, y i ) pada psisi B 1. Setelah waktu t bahan datang pada psisi B sedemikian sehingga interseksi C(x c, y c ) antara batang dan garis lingkaran dapat dinyatakan dengan persamaan: x c h L V t x v. t r. i s (1) F N G(,h) r C T C A N C 1 T Ls L m L 1 D 3 D B B 1 V D 1 Gambar 1. Krdinat untuk mdel prses pemtngan Sementara itu psisi pisau tebas GF dapat dijabarkan dengan sudut θ dari jari-jari GT ketika batang pada psisi B 1. Setelah waktu t krdinat ujung pisau dapat dinyatakan sebagai berikut: x f r. cs. t () y f r. sin. t (3) Batang diptng pada psisi C dan untuk menentukan t, x c disamakan dengan x f. Dengan demikian waktu t dan panjang ptngan l dapat dihitung berdasarkan persamaan 4 dan 5 berikut. h L V. t r.cs t y L r sin. t h r s. l L s f s (4). (5) Panjang ptngan pada pemtngan berikutnya dapat dihitung dengan mengganti nilai yang sudah ditentukan untuk x c atau y f kedalam x i dari persamaan (1) atau L s dari persamaan (5) mengikuti psisi awal pisau θ =. Panjang dapat diperleh dengan cara yang sama dan batang diptng ketika bahan datang pada titik pusat O. Metde penentuan waktu t untuk menyelesaikan fungsi trignmetri persamaan (4) adalah sebagai berikut. Nilai aktual disubstitusi kedalam t pada persamaan (4) pada interval,5 x 6/n x1/36 detik sesuai dengan sudut rtasi pisau,5 dimana n adalah kecepatan rtasi pisau. Nilai yang paling mungkin untuk t diperleh ketika kedua anggta persamaan (4) adalah mendekati sama atau ekivalen. Dengan kata lain, karena psisi pisau tebas adalah tidak dapat ditentukan ketika bahan pada psisi B 1, pada persamaan (4) sudut θ dapat ditentukan pada sembarang nilai antara dan 36. Nilai aktual dengan interval 18 disubstitusikan kedalam θ dan kemudian nilai t yang berbeda dihitung menggunakan 3

4 kmputer. Sebagai knsekuensinya akan diperleh kurva distribusi panjang ptngan dan rerata dari kurva-kurva tersebut dapat diadpsi sebagai hasil dari mdel pertama. b. Mdel prses pemtngan tanaman yang lebih tinggi dari tinggi mesin. Misalkan tinggi kerangka mesin adalah y, dan seperti ditunjukkan pada Gambar 1 batang L l diilustrasikan dengan garis utuh dan diumpankan ke chpper pada psisi bersudut. Batang bersinggungan dengan titik A pada rangka mesin pada psisi D 1 dan setelah waktu t menyentuh lingkaran lintasan ujung pisau pada titik T(x i, y i ). Setelah waktu t 1 batang pada psisi D 3 diptng di titik C 1. Batang pada psisi D 3 mengikuti persamaan sederhana berikut y tan. x b (6) dimana tan (7) V ( t ) t 1 b x V ( t t1) (8) Dan t dapat ditentukan secara gemetri sebagai berikut r x t V tan V x ( h y ) r x ( h y ) r (9) Garis lintasan lingkaran dari ujung pisau adalah : x (6) jarak x untuk titik C 1 dapat dinyatakan dengan: ( y h) r, dan dari persamaan h tan b tan (tan 1) r ( h b) x c 1 (1) tan 1 Kndisi ptngan tanaman dapat diberikan dengan xc1 = x f, dan dengan demikian dari persamaan () dan (1) waktu t 1 dapat difrmulasikan sebagai berikut h tan b tan (tan 1) r ( h b) r cs( t1 ) (11) tan 1 Di dalam persamaan (11) nilai-nilai tan dan b diperleh dari persamaan (7), (8) dan (9). Seperti ditunjukkan pada Gambar 1 bagian ptngan bahan diatas ruas C 1 N mungkin melmpat keatas. Panjang ptngan atau cacahan l 1 dapat dihitung berdasarkan persamaan berikut: r sin( t1 ) h l1 C1N AN C A x r (1) sin Sementara itu bagian sebelah kiri yang tidak terptng, D 3 C 1, diumpankan pada kecepatan V pada psisi sudut dan diptng pada saat t dari psisi D 3. Tinggi ptngan dapat difrmulasikan sebagai y tan ( x xc 1 Vt ) ketika diptng dan untuk mendapatkan t pernyataan untuk b harus disubstitusikan kedalam persamaan (11) dengan nilai =. b ( Vt x ) tan 1 (13) c 4

5 Dengan demikian panjang ptngan l adalah sebagai berikut r sin t h rsin( t1 ) sin t l D3C1 (14) sin sin Bagian lain C N dibawah mata pisau secara hiptetis diumpankan dalam psisi hrisntal pada kecepatan V. Panjang ptngan l 3 dalam prses ini akan sesuai jarak perpindahan maju tiap rtasi pisau V l 3 (15) Dari frmulasi-frmulasi diatas maka dapat diperhitungkan bahwa panjang ptngan atau cacahan akan berkisar pada nilai l 1, l, dan l3. Diantara tanaman yang lebih panjang dari y, jika panjangnya antara y sampai dengan D A maka pada saat diumpankan dengan kecepatan V mempunyai psisi yang membentuk sudut. Jika panjangnya adalah L m, maka sudut dapat diperleh dengan 1 tan (16) L y m Bahan menyentuh lintasan lingkaran ujung pisau dan diptng setelah waktu t 1. Dengan mengikuti penjabaran seperti pada persamaan (6) maka nilai b dapat ditentukan sebagai berikut: b Vt1 tan y i xi tan (17) Perhitungan untuk panjang ptngannya dilakukan dengan cara yang sama untuk menghitung L l. Panjang ptngan diperleh dengan mensubstitusikan b pada persamaan (17) kedalam persamaan (11). 3. METODE PENELITIAN Penelitian dilakukan dengan menggunakan mdel chpper pisau tebas yang digandengkan di depan traktr seperti terlihat pada Gambar. Spesifikasi mesin ditunjukkan pada Tabel 1. Kmpnen utama mesin terdiri atas 18 pasang pisau tebas yang di-pin pada dudukan yang terpasang pada suatu prs hrisntal. Rtr digerakkan dengan mtr listri 1,5 kw melalui transmisi belt-puli. Kecepatan putar rtr bervariasi antara 5 11 rpm yang menghasilkan kecepatan linier antara 9 sampai m/det. Tanaman yang digunakan dalam penelitian adalah rumput gajah dan kedelai. Kndisi tanaman ditunjukkan pada Tabel. Tinggi, jumlah dan berat tanaman dihitung berdasarkan rata-rata nilai per satuan luas 1 (satu) meter persegi. Pencacahan atau pemtngan tanaman dilakukan pada kecepatan putar 5, 6, 7, 8, 9, 1, dan 11 rpm. Kecepatan kerja atau kecepatan maju mesin diatur pada kisaran 1,5 km/jam. Kecepatan putar rtr diukur pada kndisi tanpa beban, sedang kecepatan kerja mesin diukur pada saat mesin berperasi. Trsi yang bekerja pada prs rtr diukur menggunakan sensr gaya, strain gage, yang dilengkapi dengan instrumen strain amplifier dan data recrder. Kecepatan rtasi prs diukur menggunakan rrary encder, sedang kecepatan maju mesin (travelling speed) diukur menggunakan stp watch dan rll meter. Sebuah cerbng dipasang diatas kerangka rtr dan distribusi kecepatan udara yang melalui cerbng aliran pengeluaran 5

6 cacahan bahan diukur menggunakan air-velcity meter pada kndisi tanpa beban di dua psisi yaitu,5 meter dan 1,5 meter dari ujung pisau pemtng. Untuk mengukur panjang ptngan rumput, digunakan sampel sebanyak 5 gram dalam setiap perlakuan. Distribusi panjang ptngan diperleh baik berdasar prprsi berat maupun prprsi jumlah.. Gambar. Mdel chpper yang digunakan dalam percbaan. Tabel 1. Spesifikasi chpper pisau tebas Lebar pemtngan ttal 3 mm Diameter rtr 14 mm Diameter lingkaran luar pisau 34 mm Jumlah pisau 18 pasang (dibagi 4 lajur) Jarak antar pisau 7 mm Lebar pemtngan tiap pisau 4 mm Ukuran pisau 75 mm x 6 mm x 3 mm Tabel. Kndisi tanaman untuk percbaan Tanaman Umur Prduk Tinggi Kerapatan Kadar air Rumput gajah 1 minggu 37 tn/ha 64 mm 846/m 83% Kedelai 1 minggu tn/ha mm 1/m 81% 4. HASIL DAN PEMBAHASAN a. Karakteristik Kebutuhan Daya Pada mesin pemtng, pemanen ataupun chpper, kebutuhan daya pada umumnya ditentukan leh faktr-faktr seperti jenis tanaman, umur tanaman, panjang ptngan, dan lain-lain. Pada penelitian ini panjang ptngan tidak divariasi melalui rancangbangun mesin sehingga diskusi kebutuhan daya difkuskan pada pengaruh jenis dan fase pertumbuhan tanaman. 6

7 Daya (PS) Daya (PS) Gambar 3 memperlihatkan bahwa rata-rata kebutuhan daya naik mendekati linier terhadap kenaikan laju pengumpanan bahan. Kebutuhan daya ini dihitung dari kurva distribusi trsi, dan laju pengumpanan dihitung dari prduksi per satuan luas, lebar pemtngan dan kecepatan maju mesin. Untuk tanaman rumput gajah, diperlukan daya antara 4 7 PS pada laju pengumpanan maksimum 3, kg/det, dan sebagai knsekuensinya mesin memerlukan daya maksimum kira-kira 1 PS berdasarkan perhitungan distribusi frekuensi dari trsinya. Rumput gajah memerlukan daya yang lebih besar dibanding kedelai. Hal ini disebabkan karena perbedaan tahanan pemtngan ataupun tinggi tanaman antara tanaman rumput gajah dengan kedelai. Pengaruh fase pertumbuhan atau umur tanaman terhadap kebutuhan daya pemtngan ataupun pencacahan secara tidak langsug juga dapat dicermati melalui Gambar 3. Tanaman yang lebih muda memerlukan daya pemtngan yang lebih rendah dibanding tanaman yang lebih tua. Distribusi daya terhadap kecepatan putar prs, dalam pengertian jarak maju mesin per putaran pisau (pitch) ditunjukkan pada Gambar 4. Daya gesekan mekanis diukur ketika pisau-pisau belum dipasangkan, sedang daya mekanis berupa gesekan dengan udara ditentukan pada pengukuran daya ketika pisau-pisau dipasangkan tetapi tidak dalam kndisi memtng atau mencacah bahan. Dari sini dapat dilihat bahwa kebutuhan daya untuk mengalirkan udara mencapai 5-35% dari ttal kebutuhan daya; suatu nilai yang sangat tinggi bila dikaitkan dengan efisiensi mesin penghembusan pemtngan ttal rumput kedelai Debit pengumpanan (kg/det) Gambar 3. Pengaruh jenis tanaman dan debit pengumpanan Kecepatan putar rtr (rpm) Gambar 4. Distribusi kebutuhan daya b. Karakteristik Fluktuasi Trsi Karakteristik dinamis trsi yang bekerja dianalisis berdasarkan distribusi frekuensi dan kerapatan spektrum daya dari fluktuasi trsi. Cnth distribusi frekuensi dari trsi yang diukur ditunjukkan melalui Gambar 5. Kurva diperleh dari cnth hasil pengukuran fluktuasi trsi yang terjadi dalam suatu pemtngan dengan peride yang pendek yaitu pada pemtngan batang kedelai. Suatu instrumen scillgrams yang diperhalus dengan lw-pass filter 15 Hz digunakan untuk menganalisis kurva sedemikian sehingga kurva yang diperleh dapat memperlihatkan amplitud laju pengumpanan bahan. Hasil pengamatan menunjukkan bahwa amplitud fluktuasi trsi mempunyai nilai yang sangat besar dan nilai reratanya naik terhadap kenaikan jarak maju per rtasi pisau. 7

8 Frekuensi relatif Frekuensi relatif Frekuensi relatif Hasil analisis kerapatan spektrum daya dari perilaku trsi pada pemtngan tanaman kedelai menggunakan silgram menunjukkan bahwa puncak daya terletak pada frekuensi Hz sesuai dengan dua kali frekuensi prs pt dan puncak-puncak pada frekuensi 5 Hz disebabkan leh rtasi prs pisau. Puncak pada 4 5 Hz sesuai dengan dua kali frekuensi revlusi rtr. Hal ini disebabkan pada chpper yang diuji, pisaupisau dipasang dengan jarak 18 dan jarak antar tanaman adalah lebih lebar daripada jarak yang ditempuh setiap rtasi pisau c. Panjang Ptngan Trsi rtr (kg.m) Gambar 5. Kurva distribusi frekuensi trsi rtr Distribusi panjang ptngan bahan ditunjukkan pada Gambar 6. Panjang ptngan kedelai dinyatakan dalam bentuk jumlah ptngan sedang pada rumput dinyatakan dalam bentuk berat. Secara keseluruhan hampir semua ptngan mempunyai panjang rerata 1 cm; meskipun dijumpai pula panjang ptngan yang mencapai 3-4 cm daam jumlah yang sangat sedikit. Puncak frekuensi naik secara tajam sebagai fungsi jarak perpindahan maju per rtasi pisau. Dari hasil pengamatan visual dijumpai pula bahan yang tersayat, tidak terptng, leh mekanisme pisau tebas, khususnya pada pemtngan dengan kecepatan rendah Panjang ptngan (cm) (a) Kedelai Panjang ptngan (cm) (b) Rumput gajah Gambar 6. Distribusi frekuensi ptngan bahan 8

9 Frekuensi relatif Frekuensi relatif Dari hasil pengukuran, tinggi tanaman rata-rata untuk kedelai dan rumput gajah masing-masing adalah dan 64 mm dengan distribusi frekuensi mendekati nrmal. Hasil perhitungan distribusi panjang ptngan berdasarkan mdel 1 dan mdel ditunjukkan pada Gambar 7. Dari gambar tersebut terlihat bahwa apabila tinggi tanaman adalah melebihi tinggi mesin maka panjang ptngan reratanya akan lebih besar dibanding apabila tinggi tanaman lebih rendah dari tinggi mesin. Perkiraan panjang ptngan berdasarkan mdel 1 dan ditunjukkan pada Gambar 8. Diperlihatkan bahwa pla distribusi panjang ptngan hasil perhitungan dan pengukuran adalah mirip satu dengan yang lain dan bervariasi terhadap jarak maju atau jarak rtasi tiap pasang mata pisau h=ls h=lm.5. Percbaan Perhitungan Panjang ptngan (cm) Gambar 7. Distribusi frekuensi panjang ptngan hasil perhitungan 1 3 Panjang ptngan (cm) Gambar 8. Perbandingan frekuensi panjang ptngan hasil perhitungan dan pengukuran 5. KESIMPULAN 1. Kebutuhan daya rtr bertambah secara linier sebagai fungsi debit masuk bahan atau tanaman dan bervariasi terhadap jenis bahan atau tanaman.. Kebutuhan daya untuk penghembusan (blwing) mencapai sekitar 3% ttal daya 3. Amplitud fluktuasi trsi merupakan fungsi jarak melingkar antar pisau pada rtr dan variasi debit masuk bahan yang diptng. Frekuensi fluktuasi trsi dipengaruhi leh kecepatan revlusi rtr. 4. Pada tanaman yang lebih tinggi dari mesin panjang ptngan reratanya lebih besar dibanding apabila tinggi tanaman lebih rendah dari mesin 5. Pla distribusi panjang ptngan hasil perhitungan identik dengan hasil pengukuran dan bervariasi terhadap jarak rtasi mata pisau DAFTAR PUSTAKA Chancellr, W.J Energy requirements fr cutting frage. Agricultural Engineering 39(1): Chattpadhyay, P.S., dan PK.P. Pandey. (1999). Effect f Knife and Operatinal Parameter n Energy Requirement in Flail Frage Harvesting. Jurnal f Agricultural Engineering Research, N.73: 3-1 9

10 DeGraff, R.P Factrs affecting the energy required t cut frage materials. MS Thesis, Purdue University, West Lafayette, IN McRandal, D.M., dan P.B. McNulty. (1978). Impact Cutting Behaviur f Frage Crps; Mathematical Mdels and Labratry Tests. Jurnal f Agricultural Engineering Research, N.3: McRandal, D.M., dan P.B. McNulty. (198). Mechanical and and physical prperties f grasses. Jurnal Transactin f the ASAE 3(4): O Dgherty, M.J dan G.E. Gale. (1986). Labratry Studies f the Cutting f Grass Stems. Jurnal f Agricultural Engineering Research, N.35: Oldenburg, J Lightweight Mwers and Energy Eficiency. Flrida Turf Digest 3(3):1,4 Schreder, M.E Methd fr determining the energy t shear frage. MS Thesis, Purdue University, West Lafayette, IN Shinners, K.J., R.G. Kegel, P.J. Pritzl An upward cutting cut-and-thrw frage harvester t reduce machine energy requirements. Transactin f the ASAE 37(4):