SKRIPSI DESAIN RODA BESI BERSIRIP GERAK DENGAN MEKANISME SIRIP BERPEGAS UNTUK LAHAN SAWAH DI CIANJUR. Oleh: GINA AGUSTINA F

Transkripsi

1 SKRIPSI DESAIN RODA BESI BERSIRIP GERAK DENGAN MEKANISME SIRIP BERPEGAS UNTUK LAHAN SAWAH DI CIANJUR Oleh: GINA AGUSTINA F FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR

2 DESAIN RODA BESI BERSIRIP GERAK DENGAN MEKANISME SIRIP BERPEGAS UNTUK LAHAN SAWAH DI CIANJUR SKRIPSI Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN Pada Departemen Teknik Pertanian Fakultas Teknologi Pertanian Institut Pertanian Bogor Oleh: GINA AGUSTINA F FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR

3 FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR DESAIN RODA BESI BERSIRIP GERAK DENGAN MEKANISME SIRIP BERPEGAS UNTUK LAHAN SAWAH DI CIANJUR SKRIPSI Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN Pada Departemen Teknik Pertanian Fakultas Teknologi Pertanian Institut Pertanian Bogor Oleh: GINA AGUSTINA F Dilahirkan pada tanggal 04 Agustus 1983 Di Tasikmalaya Tanggal lulus :, 2006 Menyetujui, Bogor, Oktober 2006 Dr. Ir. Wawan Hermawan, M.S. Dosen Pembimbing I Dr. Ir. Gatot Pramuhadi, M.Si. Dosen Pembimbing II Mengetahui, Dr. Ir. Wawan Hermawan, M.S. Ketua Departemen Teknik Pertanian

4 GINA AGUSTINA. F Desain Roda Besi Bersirip Gerak Dengan Mekanisme Sirip Berpegas Untuk Lahan Sawah Di Cianjur. Di bawah bimbingan WAWAN HERMAWAN dan GATOT PRAMUHADI RINGKASAN Pelumpuran tanah adalah awal dari kegiatan budidaya padi sawah. Untuk memperoleh produktivitas padi yang tinggi maka pelumpuran tanah sawah harus bagus. Pada saat pelumpuran tanah secara mekanis menggunakan traktor tangan biasanya digunakan roda sangkar sebagai alat traksi. Umumnya konstruksi roda sangkar tersebut menggunakan sirip kaku (rigid lug). Pengoperasian roda sangkar tersebut menyebabkan ketenggelaman roda yang dalam sehingga akan menghambat laju traktor tersebut. Salah satu upaya untuk mengatasi hal tersebut, maka dirancang dan dibuat roda besi bersirip gerak dengan mekanisme sirip berpegas agar dapat mengurangi ketenggelaman roda sehingga diharapkan dapat meningkatkan kecepatan maju traktor. Dengan demikian, desain roda besi bersirip gerak dengan mekanisme sirip berpegas tersebut dapat meningkatkan efisiensi lapang pengolahan tanah. Tujuan penelitian ini adalah menganalisis parameter desain, merancang, membuat, dan melakukan pengujian fungsional dan kinerja lapangan prototipe roda besi bersirip gerak dengan mekanisme sirip berpegas untuk tanah sawah di Cianjur. Penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahapan, yaitu : (1) pengukuran kondisi fisik dan mekanik tanah, khususnya tahanan tanah terhadap penetrasi plat di persawahan Cianjur dan identifikasi traktor dua roda, (2) analisis parameterparameter desain roda besi bersirip dengan mekanisme sirip berpegas, (3) desain dan pembuatan gambar kerja roda besi bersirip gerak, (4) pembuatan prototipe roda besi bersirip dengan mekanisme sirip berpegas untuk traktor dua roda, dan (5) pengujian fungsional dan pengujian lapangan prototipe roda besi bersirip yang telah dibuat. Berdasarkan hasil analisis parameter desain, diameter prototipe roda rancangan 85 cm, jumlah sirip 14, luas sirip 280 cm 2 dengan lebar sirip 8 cm, panjang sirip 35 cm, tebal sirip 4 mm, sudut kemiringan sirip 54 0 atau defleksi maksimal sirip 9 0, diameter bahan rim 19 mm, diameter bahan jari-jari 19 mm,

5 diameter kawat pegas 8 mm, diameter lilitan pegas 19 mm, jumlah lilitan pegas 3, dan jarak kerja beban terhadap poros pegas 39.6 mm. Prototipe roda hasil rancangan menggunakan pegas torsional (puntir) yang dipasang pada sirip secara berpasangan. Prototipe roda hasil rancangan mempunyai dua buah rim dengan jarak antar rim 188 mm, delapan buah jari-jari ( jari-jari dalam 4, jari-jari luar 4), dan prototipe ini mempunyai flens yang ditambahkan dengan pipa pada lubang flensnya. Hasil pengujian fungsional menunjukkan bahwa flens roda dapat terpasang baik pada boss poros roda traktor dan mekanisme sirip berpegas dapat bekerja dengan baik sehingga roda dapat digunakan sebagi alat traksi. Hasil pengujian lapangan prototipe roda hasil rancangan menunjukkan bahwa prototipe roda hasil rancangan lebih unggul daripada roda bersirip kaku. Dari hasil pengujian diperoleh data bahwa kapasitas lapangan efektif prototipe roda hasil rancangan adalah ha/jam yang lebih besar dari kapasitas lapangan efektif roda bersirip kaku (0.062 ha/jam), efisiensi lapangan prototipe roda hasil rancangan adalah % yang lebih besar dari roda bersirip kaku (68.45 %), dan slip prototipe roda hasil rancangan adalah % yang lebih kecil dari slip roda bersirip kaku (20.89 %). Berdasarkan hasil pengujian di lapangan, prototipe roda hasil rancangan lebih unggul dibanding roda bersirip kaku sehingga prototipe roda ini dapat menggantikan penggunaan roda bersirip kaku yang selama ini digunakan untuk mengolah tanah walaupun ada beberapa hal yang harus disempurnakan, misalnya pengurangan bobot prototipe roda dan pelilitan ujung pegas pada rim (pelek).

6 RIWAYAT HIDUP Penulis bernama lengkap Gina Agustina, dilahirkan di Tasikmalaya pada tanggal 4 Agustus 1983 sebagai anak kedua dari tiga bersaudara dari pasangan Ojat Sudrajat, BA dan Tati Hadijati. Pada tahun 1995, penulis menyelesaikan pendidikan di Madrasah Diniyah Persatuan Islam dan pada tahun 1996 penulis menyelesaikan pendidikan dasar di SDN Babakan Goyang Tasikmalaya. Pada tahun 1999, penulis menyelesaikan pendidikan menengah pertama di SLTPN 2 Tasikmalaya dan menyelesaikan pendidikan menengah atas di SMUN 1 Tasikmalaya pada tahun Selama menempuh pendidikan menegah pertama dan menengah atas, penulis aktif di berbagai organisasi, seperti Pasukan Pengibar Bendera (Paskibra), Organisasi Siswa Intra Sekolah (OSIS), Generasi Masjid, dan Organisasi Olah Raga serta tercatat sebagai salah satu anggota tim Olimpiade Kimia Nasional tingkat SMU yang berlangsung di UGM. Penulis diterima di Institut Pertanian Bogor melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI) tahun Pada tahun 2005, penulis melakukan Praktek Lapangan dengan judul Aplikasi Alat Dan Mesin Pada Pengolahan Teh Hitam Orthodoks Di PT Perkebunan Nusantara VIII Kebun Malabar, Kecamatan Pangalengan Kabupaten Bandung. Pada tahun 2006, penulis melakukan penelitian dengan judul Desain Roda Besi Bersirip Gerak Dengan Mekanisme Sirip Berpegas Untuk Lahan Sawah Di Cianjur. Selama menempuh pendidikan di IPB, penulis aktif di berbagai organisasi kemahasiswaan, seperti Himpunan Mahasiswa Tasikmalaya (Himalaya), Himpunan Mahasiswa Teknik Pertanian (Himateta) IPB, dan Badan Eksekutif Mahasiswa (BEM) Fakultas Teknologi Pertanian, IPB. Selama menempuh pendidikan di IPB, penulis diberi kepercayaan untuk menjadi asisiten praktikum beberapa mata kuliah, yaitu Motor Bakar dan Tenaga di Bidang Pertanian, Alat dan Mesin Budidaya Pertanian, dan Traktor Pertanian dan Alat Berat.

7 KATA PENGANTAR Tidak ada kata yang paling indah selain puji dan syukur semoga selalu tercurahkan kepada Allah SWT, Robb Yang Maha Pengasih dan Maha Pelimpah Sayang, yang senantiasa menjaga rasa kasih dan sayang dalam hati setiap hamba- Nya sehingga Skripsi ini dapat diselesaikan. Skripsi yang berjudul Desain Roda Besi Bersirip Gerak Dengan Mekanisme Sirip Berpegas Untuk Lahan Sawah Di Cianjur ini merupakan tugas akhir dalam penyelesaian pendidikan S-1 di Departemen Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Pada kesempatan yang penuh dengan kebahagiaan ini, penulis menyampaikan terima kasih dan penghargaan yang tulus kepada semua pihak yang telah membantu dalam persiapan, pelaksanaan, dan penyusunan Skripsi ini, terutama kepada : 1. Dr. Ir. Wawan Hermawan, M.S. selaku dosen pembimbing akademik, atas semua masukan, bimbingan, dan perhatiannya. 2. Dr. Ir. Gatot Pramuhadi, M.Si. selaku dosen pembimbing, atas masukan dan bimbingannya. 3. Prof. Dr. Ir. Asep Sapei, M.S. selaku dosen penguji atas sarannya. 4. PROJEK DUE-LIKE IPB dari Program Studi Teknik Pertanian IPB - tahun 2006 atas bantuan dananya. 5. Yuzar Slamet dan Eka Yudhi Sarifuddin atas kebersamaannya. 6. Seluruh Keluarga Ojat Sudrajat dan Hertriani Agustine serta semua pihak yang telah membantu. Desain hasil penelitian ini diharapkan dapat mengatasi sedikit masalah yang terjadi dalam dunia pertanian sehingga pada akhirnya akan berpengaruh pada kesejahteraan para petani yang selama ini ada di pihak yang terkadang dirugikan. Penulis mengakui bahwa masih banyak kekurangan dalam Skripsi ini. Namun demikian, penulis berharap penelitian ini dapat bermanfaat dan menjadi sumber ilmu bagi penulis dan pembaca. Amin. Bogor, Oktober 2006 Penulis vi

8 DAFTAR ISI Halaman KATA PENGANTAR... vi DAFTAR ISI... vii DAFTAR TABEL... ix DAFTAR GAMBAR... x DAFTAR LAMPIRAN... xii I. PENDAHULUAN... 1 A. LATAR BELAKANG... 1 B. TUJUAN PENELITIAN... 2 II. TINJAUAN PUSTAKA... 3 A. SIFAT-SIFAT TANAH SAWAH... 3 B. RODA BESI BERSIRIP GERAK... 5 C. PERFORMANSI RODA Ketenggelaman Roda (Sinkage) Slip Roda Traksi Kapasitas Lapangan dan Efisiensi Lapangan III. METODE PENELITIAN A. RANCANGAN PENELITIAN B. WAKTU DAN TEMPAT PENELITIAN C. ALAT DAN BAHAN D. PENGUKURAN TAHANAN TANAH TERHADAP PENETRASI PLAT E. ANALISIS DESAIN F. PROSES PERANCANGAN RODA Diameter Roda Sirip Roda Mekanisme Pegas Flens Roda Jari-Jari Roda Pelek (Rim) vii

9 7. Pengujian Prototipe IV. HASIL DAN PEMBAHASAN A. KONDISI TANAH B. PENENTUAN GAYA REAKSI TANAH C. ANALISIS PARAMETER DESAIN Gaya Reaksi Tanah Diameter Roda Jumlah Sirip Ukuran Sirip Roda Ukuran Pegas Analisis Keterkaitan Antar Parameter Desain D. PROTOTIPE RODA BERSIRIP GERAK Sirip Roda dan Sistem Engsel Pegas dan Poros Pelek (Rim) Jari-Jari Flens Roda E. PENGUJIAN RODA Kondisi Tanah Pengujian Fungsional Pengujian Kinerja Lapangan Kondisi Roda Setelah Pengujian Dan Permasalahan V. KESIMPULAN DAN SARAN A. KESIMPULAN B. SARAN DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN viii

10 DAFTAR TABEL Halaman Tabel 1. Nilai indeks plastisitas dan sifat tanah (Hardiyatmo,1992)... 5 Tabel 2. Sifat fisik dan mekanik tanah sawah Darmaga, Bogor (Simanungkalit, 1993) dalam Wiyono (2005)... 5 Tabel 3. Kisaran kecepatan maju traktor dua roda (Sakai et al 1998) Tabel 4. Jumlah jari-jari roda berdasar ukuran roda (Phongsupasamit, 1988 dalam Muhtar, 2002) Tabel 5. Perbandingan spesifikasi roda besi bersirip gerak hasil rancangan dengan roda besi bersirip kaku.. 47 Tabel 6. Kondisi lahan sebelum pengujian roda.. 52 ix

11 DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 1. Batas-batas Atterberg (Hardiyatmo, 1992)... 4 Gambar 2. Sirip gerak dengan sudut kemiringan (α) (Hermawan et al., 1996)... 7 Gambar 3. Pola gerak sirip dari roda bersirip gerak (Hermawan et al., 1998)... 8 Gambar 4. Bagan alir desain roda besi bersirip gerak Gambar 5. Penetrometer yang digunakan untuk mengukur tahanan tanah sawah terhadap penekanan plat Gambar 6. Skema pengukuran tahanan penekanan tanah Gambar 7. Skema penentuan parameter desain Gambar 8. Formasi dasar pengolahan tanah yang baku di Indonesia Gambar 9. Bagian-bagian roda dan skema untuk menentukan ukuran roda Gambar 10. Skema pengukuran ruang bebas gerak roda pada traktor Gambar 11. Gaya-gaya yang bekerja pada roda besi bersirip Gambar 12. Sirip gerak dengan ketenggelaman Z Gambar 13. Skema gaya-gaya yang bekerja pada sirip Gambar 14. Mekanisme sirip gerak dengan pegas tekan (Muhtar, 2002) Gambar 15. Konsep mekanisme sirip gerak dengan pegas puntir (Wiyono, 2005) Gambar 16. Skema pengujian pegas torsional Gambar 17. Dimensi dan bentuk flens roda Gambar 18. Gaya-gaya yang bekerja pada jari-jari Gambar 19. Susunan pelek, jari-jari, flens, dan cara pemasangannya Gambar 20. Skema penentuan diameter bahan rim Gambar 21. Grafik hubungan antara kedalaman penekanan plat dengan tekanan tanah pada sudut tekan Gambar 22. Grafik hubungan antara kedalaman penekanan plat dengan tekanan tanah pada sudut tekan x

12 Gambar 23. Grafik hubungan antara kedalaman penekanan plat dengan tekanan tanah pada sudut tekan Gambar 24. Grafik hubungan antara kedalaman penekanan plat dengan tekanan tanah pada sudut tekan Gambar 25. Grafik hubungan antara kedalaman penekanan plat dengan tekanan tanah pada sudut tekan Gambar 26. Daerah pemotongan tanah oleh sirip Gambar 27. Rancangan roda sirip 42 Gambar 28. Pegas yang digunakan pada perancangan Wiyono (2005) Gambar 29. Prototipe roda besi bersirip gerak untuk lahan sawah Cianjur Gambar 30. Bagian-bagian roda hasil rancangan 46 Gambar 31. Sirip dan sistem engsel roda 48 Gambar 32. Sudut kemiringan sirip 48 Gambar 33. Mekanisme sirip berpegas dan poros engsel 49 Gambar 34. Pelek (rim) hasil rancangan 50 Gambar 35. Jari-jari hasil rancangan 51 Gambar 36. Flens hasil rancangan 52 Gambar 37. Kondisi lahan sebelum pengujian 53 Gambar 38. Kegiatan pemasangan prototipe roda hasil rancangan 53 Gambar 39. Roda-roda yang diuji 54 Gambar 40. Perbandingan tanah atau lumpur yang menempel pada roda Gambar 41. Permasalahan yang terjadi pada prototipe roda hasil rancangan 56 xi

13 DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1. Hasil pengukuran tahanan tanah terhadap penekanan plat Lampiran 2. Analisis simulasi gaya reaksi terhadap plat sirip Lampiran 3. Analisis penentuan diameter roda traktor Lampiran 4. Analisis penentuan ukuran sirip Lampiran 5. Hasil pengukuran modulus nilai elastisitas pegas Lampiran 6. Analisis perencanaan pegas Lampiran 7. Analisis penentuan tebal sirip Lampiran 8. Analisis penentuan diameter bahan rim (pelek) Lampiran 9. Analisis penentuan diameter bahan jari-jari Lampiran 10. Hasil pengukuran slip, kecepatan maju, dan ketenggelaman roda xii

14 I. PENDAHULUAN A. LATAR BELAKANG Indonesia merupakan negara agraris di mana sektor pertanian sampai saat ini masih merupakan salah satu sektor terpenting bagi negara. Beberapa usaha telah dilakukan dalam rangka menunjang keberhasilan pertanian, di antaranya intensifikasi, ekstensifikasi, diversifikasi, dan rehabilitasi pertanian. Lahan sawah umumnya mempunyai kadar air tinggi dan digunakan untuk budidaya padi. Nasi merupakan makanan pokok bagi sebagian besar masyarakat Indonesia, maka usaha untuk menghasilkan padi berkualitas merupakan suatu tuntutan. Oleh karena itu, keberadaan lahan sawah sangat penting untuk memenuhi kebutuhan makanan pokok, terutama padi. Untuk meningkatkan produksi padi, maka perlu dilakukan pengolahan tanah sawah yang baik. Dalam kegiatan pengolahan tanah dengan menggunakan tenaga traktor, performansi traktor sangat penting untuk mendapatkan efisiensi lapangan maksimum sehingga pengolahan tanah dapat dilakukan dengan baik. Efisiensi lapangan dipengaruhi oleh kondisi tanah, konstruksi traktor, dan alat traksinya (roda). Penggunaan traktor dengan kondisi alat traksi yang tidak tepat dapat menyebabkan menurunnya efisiensi lapangan dalam pengolahan tanah. Fungsi alat traksi atau roda penggerak selain dapat memberikan kemampuan traksi yang cukup untuk menghasilkan daya tarik yang diperlukan, juga agar dapat menghasilkan kecepatan kerja yang sesuai untuk mencapai hasil kerja yang diharapkan. Berdasarkan penelitian Wiyono (2005) dan Listyati (2005), roda besi bersirip gerak dengan mekanisme sirip berpegas untuk tanah sawah Bogor memiliki kinerja lapangan yang lebih baik dibandingkan dengan roda besi bersirip kaku. Hasil pengujiannya menyatakan bahwa kapasitas lapangan efektif pembajakan tanah sawah dari roda besi bersirip kaku adalah ha/jam, efisiensi lapangan sebesar %, slip %, dan ketenggelaman roda sebesar cm pada beban tarik N sedangkan kapasitas lapangan efektif roda besi bersirip gerak dengan mekanisme sirip berpegas 1

15 adalah ha/jam, efisiensi lapangan sebesar %, slip %, dan ketenggelaman roda sebesar cm pada beban tarik N. Berawal dari pemikiran bahwa roda besi bersirip gerak dengan mekanisme sirip berpegas untuk tanah sawah Bogor memiliki keunggulan dibanding dengan roda bersirip kaku dan Cianjur merupakan salah satu sentra produksi padi, maka perlu dibuat prototipe roda besi bersirip gerak untuk meningkatkan efisiensi kegiatan pengolahan tanah di daerah tersebut. B. TUJUAN PENELITIAN Tujuan dari penelitian ini adalah menganalisis parameter desain, merancang, membuat, dan melakukan pengujian fungsional dan pengujian kinerja lapangan prototipe roda besi bersirip gerak dengan mekanisme sirip berpegas untuk tanah sawah di Cianjur. 2

16 II. TINJAUAN PUSTAKA A. SIFAT-SIFAT TANAH SAWAH Penentuan sifat fisik dan mekanika tanah sangat penting artinya dalam bidang pertanian karena berhubungan dengan penyediaan air bagi tanaman, aerasi tanah, tekstur dan struktur tanah bagi pertumbuhan tanaman. Sifat fisik tanah sangat mempengaruhi sifat tanah yang lain dalam hubungannya dengan kemampuannya untuk mendukung kehidupan tanaman. Tanah sebagai tubuh yang dinamis akan memberikan reaksi bila suatu gaya diberikan kepadanya. Besarnya gaya mekanis yang diperlukan untuk mengubah kondisi tanah berhubungan erat dengan sifat mekanik tanah antara lain kohesi, tahanan penetrasi, tahanan geser dan sudut gesekan. Sifat fisik yang umum dipakai sebagai parameter untuk menentukan kondisi tanah antara lain berat isi tanah (bulk density), porositas dan kandungan air tanah (Hillel, 1980). Menurut Sakai et al. (1998), pembentukan lapisan keras di bawah lapisan olah (top soil) harus dihindarkan pada pertanian lahan kering karena dapat mengganggu pertumbuhan akar tanaman. Sebaliknya, pada pertanian lahan sawah, lapisan keras (kedap) sangat diperlukan karena mempunyai fungsi yaitu: (1) lapisan kedap dengan kekerasan tanah sebesar 7 kgf/cm 2 (biasanya kgf/cm 2 dalam satuan cone index) pada ketebalan lapisan cm mampu mendukung manusia, ternak dan mesin, (2) lapisan kedap juga akan mencegah lahan sawah menjadi terlalu dalam, sehingga kebutuhan air irigasi menjadi lebih kecil, serta (3) menghindari perkolasi berlebihan yang dapat menyebabkan hilangnya pupuk sehingga menurunkan hasil. Wesley (1973) menyatakan bahwa bulk density tanah merupakan perbandingan antara massa tanah seluruhnya dengan isi tanah total. Semakin kecil angka bulk density maka kegemburan tanah semakin besar. Bulk density dengan produktivitas tinggi pada lahan sawah Indonesia berkisar antara g/cm 3 untuk tekstur sedang sampai halus, dan berkisar antara g/cm 3 untuk tekstur kasar. Bulk density yang terlalu tinggi dapat menghambat penetrasi akar, perkembangbiakan tanaman, dan drainase. 3

17 Kadar air tanah adalah perbandingan antara berat air dengan berat tanah (Wesley, 1973). Kadar air tanah biasanya dinyatakan dalam basis kering dan basis basah. Kenaikan kadar air sebanyak 1 % akan menurunkan tahanan tarik sebesar 10 %. Baver et al. (1978) menyatakan bahwa tahanan penetrasi adalah suatu indeks kekuatan tanah pada suatu kondisi pengukuran. Indeks tersebut mencakup kepadatan tanah, kadar air tanah, tekstur, dan mineral liat. Tahanan penetrasi meningkat dengan menurunnya kadar air. Selain itu, tahanan penetrasi juga meningkat dengan menurunnya kedalaman. Konsistensi merupakan salah satu sifat mekanik tanah. Konsistensi menunjukkan kekuatan daya kohesi butir-butir tanah atau daya adhesi butirbutir tanah dengan benda lain. Hal ini ditunjukkan oleh daya tahan tanah terhadap gaya yang akan mengubah bentuk seperti pengolahan tanah. Atterberg memberikan cara untuk menggambarkan batas-batas konsistensi dari tanah berbutir halus dengan mempertimbangkan kadar airnya. Batas-batas tersebut adalah batas cair, batas plastis, dan batas susut. Kedudukan batas konsistensi dari tanah kohesif dapat dilihat pada Gambar 1. Padat Semi-padat Plastis Cair Batas susut Batas plastis Batas cair Kadar air bertambah Gambar 1. Batas-batas Atterberg (Hardiyatmo, 1992). Batas plastis didefinisikan sebagai kadar air di mana transisi dari keadaan semi-padat ke keadaan plastis terjadi, sedangkan dari keadaan plastis ke keadaan cair dinamakan batas cair. Indeks plastisitas merupakan selisih dari batas plastis dan batas cair. Batasan mengenai indeks plastisitas dan sifat tanah diberikan oleh Atterberg dalam Hardiyatmo (1992) seperti pada Tabel 1. 4

18 Tabel 1. Nilai indeks plastisitas dan sifat tanah (Hardiyatmo,1992) Indeks plastisitas Sifat 0 Nonplastis < 7 Plastisitas rendah 7-17 Plastisitas sedang >17 Plastisitas tinggi Simanungkalit (1993) dalam Wiyono (2005) menunjukkan hasil pengukuran sifat-sifat fisik dan mekanik untuk jenis tanah sawah seperti pada Tabel 2 dengan jenis tanah latosol coklat kemerahan bertekstur liat dari kebun percobaan Sawah Baru, Darmaga, Bogor. Tabel 2. Sifat fisik dan mekanik tanah sawah Darmaga, Bogor (Simanungkalit, 1993) dalam Wiyono (2005) Sifat - Berat jenis partikel (g/cc) - Berat isi (g/cc) - Tekstur (%): - pasir - debu - liat - Ruang pori total (% volume) - Konduktivitas hidrolik (cm/jam) - Batas cair (%) - Batas plastis (%) - Indeks plastisitas (%) Kedalaman (cm) B. RODA BESI BERSIRIP GERAK Salokhe dan Gee Clough (1988) menyatakan bahwa roda sirip digunakan untuk meningkatkan traksi dan membantu dalam pengolahan tanah di lahan basah. Total gaya pada roda sirip merupakan fungsi dari jumlah sirip yang menyentuh tanah. Peningkatan jumlah sirip menyebabkan adanya gaya pada 5

19 roda bertambah hingga mencapai batas tertentu, selebihnya penambahan sirip tersebut dapat menurunkan gaya pada roda. Jayasundera (1988) dalam Tritanasiricahi (1991) menyatakan bahwa roda dengan jumlah sirip 18 (spasi sirip 20 o ) cepat tertutup oleh lumpur sehingga mengurangi kemampuan roda untuk mentransmisikan tenaga. Wimalawansa (1990) dalam Tritanasiricahi (1991) menemukan bahwa traktor tidak dapat berjalan pada spasi sirip 15 o karena roda tertutup oleh lumpur dan menghasilkan slip 100 %. Dari penelitiannya disimpulkan bahwa spasi sirip 24 o dan 30 o merupakan sudut spasi sirip yang paling baik untuk ditetapkan pada roda bersirip dengan diameter 142 cm dan ketinggian sirip 10 cm agar memberikan tenaga drawbar yang tinggi untuk bekerja dengan tenaga traktor pada tanah liat berlumpur. Setelah melakukan analisis interaksi antara sirip dan roda, Triratanasirichai (1991) menyatakan bahwa adhesi, kohesi dan ketenggelaman sirip merupakan komponen yang mempengaruhi gaya reaksi tanah. Gee-Clough dan Chancellor (1976) merumuskan perhitungan gaya angkat dan gaya tarik sebagai berikut : F p = F n Sin(θ-β) F t Cos(θ-β)... (1) F t = F n Cos(θ-β) + F t Sin(θ-β)... (2) di mana : F p = gaya tarik (N), F t = gaya angkat (N), F n = gaya normal (N), F t = gaya tangensial (N), θ = sudut putaran ( o ), β = sudut sirip ( o ). Menurut Hermawan et al. (1996), gaya tarik dan gaya angkat meningkat seiring dengan meningkatnya sinkage. Meningkatnya slip roda dari 5 % sampai 50 % mempengaruhi kenaikan nilai gaya tarik dan gaya angkat. Selain itu meningkatnya kadar air menyebabkan menurunnya gaya tarik dan gaya angkat. 6

20 Hermawan et al. (1996) menguji sirip gerak dengan sudut kemiringan sirip dengan garis mendatar (α ) tetap seperti terlihat pada Gambar 2. Hasilnya menunjukkan bahwa roda besi bersirip gerak bentuk datar dengan sudut kemiringan sirip 45 o umumnya menghasilkan gaya tarik yang lebih tinggi dari pada kemiringan 30 o dan 60 o. Semakin besar sudut kemiringan sirip maka semakin rendah gaya angkatnya. Berdasarkan hasil pengamatan, gaya tarik dan gaya angkat meningkat sesuai dengan kenaikan ketenggelaman roda. Gambar 2. Sirip gerak dengan sudut kemiringan (α) (Hermawan et al., 1996). Hermawan et al. (1996) mengajukan dan mengevaluasi sebuah mekanisme baru yang disebut sirip gerak. Dengan mekanisme ini, plat sirip dari roda bersirip gerak dipertahankan pada sudut kemiringan (dengan garis permukaan tanah) tertentu selama perputarannya. Dari hasil percobaan pada bak tanah diperoleh bahwa sirip gerak yang rata dan yang lengkung menghasilkan gaya tarik dan gaya angkat yang lebih tinggi dibandingkan dengan sirip kaku. Jenis pola gerak sirip dari roda bersirip gerak dapat dilihat pada Gambar 3. Secara umum, hasil percobaan menunjukkan bahwa roda bersirip gerak ketenggelamannya lebih dangkal dan menghasilkan efisiensi traksi yang lebih tinggi dibandingkan dengan roda besi bersirip kaku. 7

21 Gambar 3. Pola gerak sirip dari roda bersirip gerak (Hermawan et al., 1998). Menurut Hermawan et al. (1997), reaksi tanah saat melawan gerak sirip, meningkat perlahan-lahan dan mencapai nilai maksimum ketika sirip berada pada titik terendah dalam tanah, lalu menurun tanpa menyebabkan adanya perlawanan gerak sirip sampai sirip meningggalkan tanah. Sinkage terbesar dari gerak sirip terjadi saat gaya reaksi tanah terbesar dan titik kerja gayanya bergeser dari ujung menuju pusat sirip. Peningkatan slip sirip dari 25 % sampai 50 % memberikan gaya reaksi tanah yang besar terhadap gerak sirip, tapi tidak berpengaruh langsung terhadap titik kerja dari gaya yang dihasilkan. C. PERFORMANSI RODA Selain oleh kondisi traktor, performansi roda traksi juga dipengaruhi oleh kondisi lahan. Pada lahan sawah, untuk meningkatkan traksi dari roda maka digunakan roda sangkar. Lahan sawah harus dapat mendukung laju lalu lintas traktor. Roda traksi traktor pertanian salah satunya berfungsi untuk menghasilkan traksi. Traksi yang diperoleh merupakan hasil dari aksi-reaksi roda traksi dengan landasannya. Aksi putaran roda traksi dan beban dinamis yang dimilikinya mengakibatkan reaksi dari landasan berupa gesekan dan geseran di antara lapisan landasan yang menerima beban tersebut. Kejadian tersebut dapat mengakibatkan slip pada roda traksi yang akan mengurangi kecepatan maju traktor dan tenaga tarik yang dihasilkan. Semakin besar traksi, maka tenaga tarik yang dihasilkan akan semakin besar pula. Dan semakin besar tenaga tarik maka efisiensi traksi akan semakin besar pula. Pada slip optimum akan tercapai gaya tarik dan efisiensi traksi yang maksimum. 8

22 1. Ketenggelaman Roda (Sinkage) Mandang dan Nishimura (1991) menyatakan bahwa kemampuan lalu lintas traktor tidak hanya ditentukan oleh kelunakan dan kelemahan tanah tetapi juga tergantung pada kemampuan alat tersebut untuk bekerja pada kondisi tanpa adanya sinkage. Kemampuan ini disebut sebagai daya apung dari kendaraan. Sinkage adalah terjadinya penurunan permukaan tanah akibat gaya dari luar dengan mengabaikan distribusi dalam tanah khususnya lalu lintas, yang dapat mengakibatkan pemadatan tanah. Penurunan permukaan terjadi sampai pada keadaan di mana gaya penahan dari tanah seimbang dengan beban yang diberikan. Kenaikan beban dapat menyebabkan kenaikan sinkage (Mandang dan Nishimura, 1991). Batas sinkage pada kemampuan lalu lintas traktor maksimum adalah cm, tetapi hal ini tergantung pada alat traksi traktor, kondisi profil dan permukaan tanah. Ketenggelaman roda (sinkage) yang besar dapat menimbulkan tahanan gelinding (rolling resistance) yang semakin besar. Menurut Sembiring, et al. (1990) tahanan gelinding adalah besarnya tahanan yang harus diatasi traktor untuk dapat bergerak menarik melalui rodanya. Besarnya tahanan gelinding dipengaruhi oleh kondisi permukaan tanah dan ukuran roda. Bila traktor tenggelam atau masuk ke dalam tanah maka dapat menaikkan tahanan gelinding dan gaya angkat serta dapat menurunkan gaya tarik. Menurut Triratanasirichai (1991), semakin besar slip yang terjadi maka ketenggelaman roda juga akan semakin besar. Metode pengukuran ketenggelaman roda yang dilakukan adalah dengan menggunakan metode alat ski dengan mekanisme 4 batang hubung yang dilengkapi sensor infrared distancemeter. Selain itu dinyatakan bahwa kisaran ketenggelaman roda yang terjadi pada traktor dua roda di sawah berkisar 10 cm 42 cm. Sembiring et al. (1990) menyatakan bahwa beban tarik roda sangat dipengaruhi oleh adanya kontak antara roda dengan tanah. Kontak antara roda dengan tanah dipengaruhi oleh ukuran roda, berat roda, berat traktor yang ditumpu roda, dan kondisi tanah tumpuan roda. Semakin besar beban tarik maka ketenggelaman roda semakin besar. 9

23 Sudianto (2000) dari hasil penelitiannya menyimpulkan bahwa dengan meningkatnya beban horisontal maka nilai ketenggelaman roda cenderung bertambah. Hal ini disebabkan oleh terdeformasinya tanah untuk mengatasi beban tarik yang ditumpu oleh tanah yang ditekan sirip lebih besar pada saat pembebanan mendatar yang besar. Menurut Sudianto (2000) dalam pengujian ketenggelaman jenis roda bersirip kaku, roda bersirip karet dan roda besi dengan sirip berpegas pada tanah basah, di antara ketiga jenis roda sirip tersebut roda sirip berpegas menghasilkan sinkage roda yang paling rendah. Pada beban tarik kurang dari 360 N roda besi dengan sirip kaku menghasilkan rata-rata lebih besar (11.3 cm) daripada roda besi dengan sirip pegas (9.5 cm). Hal ini disebabkan adanya gerakan dari mekanisme sirip berpegas sehingga gaya angkatnya tinggi. Sedangkan pada roda besi dengan sirip karet nilai sinkage rata-rata lebih rendah (9.0 cm) dari roda besi dengan sirip kaku (11.3 cm). Hal ini karena mekanisme lenturan karet yang membentuk sudut kemiringan sirip sehingga gaya angkat roda tersebut bertambah. Menurut Muhtar (2002) dalam pengujian ketenggelaman jenis roda besi bersirip kaku, dan roda besi bersirip gerak dengan sirip berpegas pada lahan sawah leuwikopo dengan menggunakan implemen gelebeg diperoleh hasil bahwa besarnya sinkage dari roda besi bersirip kaku lebih besar yaitu cm dibandingkan dengan sinkage dari roda besi bersirip gerak sebesar 12 cm, hal ini disebabkan karena nilai slip dari roda besi bersirip kaku lebih besar yaitu 9.1 %, bila dibandingkan dengan slip dari roda besi bersirip gerak yaitu 1.75 %. 2. Slip Roda Traksi Liljedahl et al. (1989) menyatakan bahwa slip merupakan penurunan kecepatan traktor karena beban operasi pada kondisi lapangan. Besarnya slip sangat dipengaruhi oleh tipe alat tarik, tipe dan kondisi tanah, kandungan air tanah, dimensi alat tarik, distribusi tekanan tanah dan lug design. Slip yang terjadi pada traksi traktor dapat diketahui dari pengurangan kecepatan traktor pada saat beroperasi dengan beban 10

24 dibandingkan dengan kecepatan traktor teoritis. Slip roda traksi dapat dihitung dengan rumus (Hermawan et al., 2001) : V f S = 1 X (3) 0.5ωD w di mana : S = slip roda (%), V f = kecepatan maju roda (m/detik), ω = kecepatan putar roda (radian/detik), D w = diameter roda (m). Selain persamaan di atas persamaan lain yang dapat digunakan adalah: S J J J ro ri =... (4) ro di mana: S = slip roda traksi (%), J ri = jarak tempuh traktor saat bekerja (m), J ro = jarak tempuh traktor tanpa beban (m). Sedangkan menurut Sakai et al. (1998), slip adalah ukuran gerak relatif permukaan kontak dari alat traksi atau alat transportasi dengan permukaan pendukungnya. Slip yang berlebihan akan mengurangi kecepatan maju traktor dan tenaga tarik yang dihasilkan. Semakin kecil slip roda traktor maka efisiensi traktor makin besar. Lapisan kedap mampu mengurangi terjadinya slip roda pada alat dan mesin pertanian. Lahan dapat dikatakan mempunyai lapisan kedap apabila nilai indeks kerucutnya lebih dari 7 kgf/cm 2. Besarnya slip sangat dipengaruhi oleh beban tarik, landasan, dan jenis tarikan. Perbedaan kecepatan dengan perbedaan transmisi yang digunakan juga dapat memberikan pengaruh pada slip. Menurut Sembiring et al. (1990), pada tanah liat yang basah, tenaga terbesar untuk menarik dicapai pada slip sekitar 35 %. Sedangkan pada tanah kering, tenaga terbesar untuk menarik dicapai pada slip %. Namun pada tanah basah, slip terjadi sampai 60% dengan hanya menghasilkan tenaga sekitar %. Dengan 11

25 demikian banyak tenaga yang hilang untuk mengatasi tahanan gelinding dan slip roda sehingga yang didapat hanya pelumpuran lahan oleh roda. Penambahan berat statis pada roda penggerak dapat meningkatkan daya tarik traktor dan menurunkan slip pada pengoperasian roda di tanah kering. Jumlah berat statis yang dapat digunakan pada roda penggerak dibatasi oleh kemampuan roda menerima beban, daya dari motor, kekuatan rangka traktor, operasi di lapangan, dan daya dukung tanah (Ritchey et al.,1961 dalam Daywin, 1991). Menurut Triratanasirichai (1990), tingginya slip roda dipengaruhi oleh adanya kelengketan tanah pada sirip dari roda sirip. Jika kelengketan tanah pada sirip sangat banyak maka akan menimbulkan roda bersirip itu ditutupi tanah, dan fungsi dari roda bersirip untuk meningkatkan gaya angkat akan percuma saja karena bentuk roda akan seperti roda biasa sehingga menyebabkan tingginya slip. Salah satu cara untuk mengatasi hal ini adalah dengan membuat sudut sirip sebesar 45 o, karena sirip dengan sudut ini tidak menyebabkan kelengketan tanah yang terlalu besar. Hasil penelitian Sudianto (2000) menunjukkan bahwa untuk tiga jenis roda sirip yang diuji (roda besi dengan sirip kaku, roda besi dengan sirip berpegas dan roda besi dengan sirip karet) pada beban tarik kurang dari 250 N nilai slip rodanya tidak berbeda jauh, tetapi untuk beban tarik lebih dari 250 N roda sirip berpegas maupun sirip karet slipnya lebih tinggi dibandingkan roda sirip kaku. Nilai slip roda rata-rata pada sirip kaku sebesar % untuk beban tarik 125 N, pada roda sirip karet denagn beban tarik 124 N slip roda yang dihasilkan sebesar % sedangkan untuk roda sirip berpegas dengan beban tarik 127 N slip yang dihasilkan sebesar 2.70 %. Sudianto (2000) dalam penelitiannya menyatakan bahwa jumlah tanah lengket pada sirip roda untuk ketiga tingkat spasi sirip (182.5 mm, mm, dan mm) umumnya cenderung naik dengan semakin besarnya nilai pembebanan mendatar. Hal ini disebabkan oleh nilai ketenggelaman dan slip roda yang cenderung tinggi pada beban tarik yang tinggi, sehingga volume tanah yang terdorong dan lengket pada sirip besar. 12

26 3. Kapasitas Lapangan dan Efisiensi Lapangan Kapasitas lapangan efektif (K LE ) dan efisiensi lapangan (E l ) diperoleh dari pengukuran waktu kerja efektif (W K ), kecepatan maju traktor rata-rata (v t ), luas lahan (L l ), dan lebar kerja alat pengolahan tanah (L k ) menggunakan rumus : L l K LE =...(5) Wk LT ( vt Lk K = )...(6) KLE E l = 100%...(7) K LT di mana : K LE = kapasitas lapangan efektif (ha/jam), L l L k W K K LT v t = luas lahan (ha), = lebar kerja alat pengolahan tanah (m), = waktu kerja efektif (jam), = kapasitas lapangan teoritis (ha/jam), = kecepatan maju traktor rata-rata (m/det), E l = efisiensi lapangan (%). Menurut Sakai et al. (1998), kecepatan maju traktor untuk kegiatan membajak berkisar antara m/s. Kisaran kecepatan maju traktor dua roda disajikan pada Tabel 3 berikut : Tabel 3. Kisaran kecepatan maju traktor dua roda (Sakai et al 1998) Jenis Kegiatan Kisaran Kecepatan (m/s) Pengolahan tanah dengan rotari Berbagai kerja di lapangan Membajak Transportasi 4.2; 6.5;

27 III. METODE PENELITIAN A. RANCANGAN PENELITIAN Mulai Identifikasi dan pengukuran kondisi tanah sawah dan traktor Tahanan penekanan tanah Konstruksi dan bobot traktor Beban tarik (draft) Rolling resistance Penentuan gaya yang ditumpu roda Analisis dan perhitungan parameter desain Ukuran sirip Kekuatan mekanisme sirip berpegas Diameter roda Jumlah sirip Persiapan peralatan dan bahan Desain roda bersirip pegas : Perencanaan mekanisme pegas Perencanaan pelek (rim) Perencanaan jari-jari Perencanaan flens Perencanaan pemasangan jari-jari, flens roda, pelek roda, dan batang penghubung pelek Gambar kerja Pembuatan prototipe roda besi bersirip gerak A B 14

28 Persiapan traktor uji dan lahan sawah A Pengujian prototipe : pengujian fungsional pengujian kinerja lapangan B Analisis data Hasil sesuai indikator keberhasilan Tidak Ya Selesai Gambar 4. Bagan alir desain roda besi bersirip gerak. Penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahapan, yaitu : (1) pengukuran kondisi tanah, khususnya tahanan tanah terhadap penetrasi plat di persawahan Cianjur dan pengukuran data dimensi dan berat traktor dua roda, (2) analisis dan perhitungan parameter-parameter desain roda besi bersirip dengan mekanisme sirip berpegas, (3) desain dan pembuatan gambar kerja roda besi bersirip gerak, (4) pembuatan prototipe roda besi bersirip dengan mekanisme sirip berpegas untuk traktor dua roda, dan (5) pengujian fungsional dan pengujian lapangan prototipe roda besi bersirip yang telah dibuat. Dari hasil identifikasi dan pengukuran kondisi tanah sawah dan traktor dua roda diperoleh data tahanan penekanan tanah, konstruksi traktor, bobot traktor, beban tarik, dan tahanan gelinding roda. Berdasarkan data tersebut, maka dilakukan analisis dan perhitungan parameter-parameter desain roda besi bersirip dengan mekanisme sirip berpegas. Analisis tersebut menghasilkan data ukuran sirip, kekuatan mekanisme sirip pegas, diameter roda, dan jumlah sirip. Berdasarkan data-data tersebut, maka tahap desain dan pembuatan gambar kerja roda besi bersirip gerak dilakukan. Pada tahap ini 15

29 juga ditentukan bahan yang akan digunakan untuk membuat prototipe roda tersebut. Setelah gambar kerja terbentuk dan bahan untuk membuat roda ditentukan, maka tahap pembuatan prototipe roda besi bersirip gerak dilakukan. Setelah prototipe terbentuk, maka tahap selanjutnya adalah pengujian fungsional dan pengujian lapangan prototipe roda, tapi sebelumnya telah dipersiapkan lahan dan traktor uji. Tahap selanjutnya adalah analisis data hasil pengujian. Apabila berdasarkan data tersebut prototipe roda hasil rancangan lebih unggul dibanding roda bersirip kaku (persentase slip lebih kecil dan efisiensi lapangan lebih besar) maka rancangan selesai. Tetapi apabila prototipe roda hasil rancangan tidak lebih unggul dari roda bersirip kaku, maka prototipe roda harus dimodifikasi. B. WAKTU DAN TEMPAT PENELITIAN Penelitian ini dilaksanakan pada bulan Mei 2006 sampai bulan September 2006 yang dilaksanakan di Bogor dan Cianjur. Pengukuran karakteristik tahanan tanah sawah terhadap penetrasi plat dan pengukuran data dimensi dan berat traktor roda dua dilakukan di daerah persawahan Desa Nagrak Kabupaten Cianjur. Analisis dan perhitungan parameter-parameter desain serta proses desain roda besi bersirip dengan mekanisme sirip berpegas dilakukan di Bagian Teknik Mesin Budidaya Pertanian, Departemen Teknik Pertanian, IPB. Pembuatan prototipe roda hasil rancangan dilakukan di bengkel konstruksi Departemen Teknik Pertanian, IPB, sedangkan model mekanisme sirip berpegas dibuat di bengkel konstruksi di Jakarta. Pengujian fungsional dan pengujian lapangan prototipe roda besi bersirip yang telah dibuat dilakukan di daerah persawahan Desa Nagrak Kabupaten Cianjur. C. ALAT DAN BAHAN Bahan utama yang digunakan dalam pembuatan prototipe roda adalah : 1) plat stainless steel tebal 4 mm yang digunakan untuk pembuatan sirip, 2) plat stainless steel tebal 11 mm yang digunakan untuk pembuatan flens, 3) besi plat strip 80 mm x 30 mm x 5 mm yang digunakan untuk pembuatan engsel sirip, 16

30 4) besi behel 19 mm yang digunakan untuk pembuatan rim dan jari-jari roda, 5) besi behel 16 mm yang digunakan untuk pembuatan poros pegas, 6) pegas puntir (torsional) dengan kawat 8 mm yang digunakan sebagai pegas pada mekanisme sirip berpegas, dan 7) pipa besi Ø 65 mm dengan tebal 8 mm yang digunakan sebagai dudukan rim luar. Peralatan utama yang digunakan untuk pembuatan prototipe roda adalah : 1) mesin las listrik yang digunakan untuk proses penyambungan besi, 2) perlengkapan pemanas (oksigen dan gas elpiji) yang digunakan untuk memanaskan pegas pada pelek, 3) gerinda potong yang digunakan untuk memotong besi, 4) bor listrik yang digunakan untuk membuat lubang, 5) mesin bubut yang digunakan untuk membuat pipa dudukan rim luar, 6) gerinda tangan yang digunakan untuk menghaluskan besi hasil pengelasan, dan 7) meteran dan penggaris, untuk mengukur bagian yang akan dipotong. Traktor yang digunakan sebagai dasar perancangan roda besi bersirip dengan mekanisme sirip berpegas adalah Traktor Quick G600. Peralatan yang digunakan untuk mengukur reaksi tanah terhadap penekanan plat sirip adalah : 1) penetrometer tipe SR-2 dengan 3 ukuran plat sirip, 2) penyangga penetrometer, 3) meteran, dan 4) busur derajat. Peralatan yang digunakan untuk mengukur kadar air dan bulk density tanah adalah : 1) ring sample, 2) penekan ring sample, 3) oven, dan 4) timbangan. Peralatan yang digunakan untuk menganalisis konsistensi tanah adalah : 17

31 1) saringan tanah ukuran 420 mikrometer, 2) peralatan Cassagrande (untuk mengukur batas cair) 3) plat kaca (untuk mengukur batas plastis), 4) oven, dan 5) timbangan. Peralatan yang digunakan untuk pengujian prototipe roda adalah : 1) stopwatch, 2) patok-patok, 3) meteran-meteran, dan 4) ring sample. D. PENGUKURAN TAHANAN TANAH TERHADAP PENETRASI PLAT Pengukuran tahanan tanah sawah terhadap penekanan plat menggunakan penetrometer yang dilengkapi plat dan penahan kemiringan penekanan (Gambar 5). Gambar 5. Penetrometer yang digunakan untuk mengukur tahanan tanah sawah terhadap penekanan plat. Plat penekan yang digunakan terdiri dari tiga ukuran, yaitu : a) 2.5 cm x 10 cm, b) 3.75 cm x 10 cm, dan c) 5 cm x 10 cm. Tahanan tanah terhadap penekanan plat diukur pada sudut tekan 30 o, 45 o, 60 o, 75 o, dan 90 o masingmasing pada tiap kedalaman 2.5 cm, 5 cm, 7.5 cm, 10 cm, 12.5 cm, 15 cm, 17.5 cm, dan 20 cm. Dari hasil pengukuran, dapat dihitung karakteristik tahanan tanah terhadap penekanan plat pada setiap sudut penekanan dan 18

32 kedalaman tekan. Skema pengukuran tahanan penekanan tanah dapat dilihat pada Gambar 6. Gambar 6. Skema pengukuran tahanan penekanan tanah. E. ANALISIS DESAIN Parameter desain yang ditentukan adalah : 1) ukuran sirip roda, 2) kekuatan mekanisme sirip berpegas, 3) diameter roda, dan 4) jumlah sirip. Data yang digunakan dalam keperluan analisis tersebut adalah : 1) data tahanan tanah sawah terhadap penekanan plat, 2) data konstruksi dan bobot traktor dua roda, dan 3) data beban tarik implemen pengolahan tanah serta tahanan guling roda. Skema analisis penentuan parameter desain dapat dilihat pada Gambar 7. 19

33 Gambar 7. Skema penentuan parameter desain. F. PROSES PERANCANGAN RODA Dalam melakukan proses desain roda besi bersirip dengan mekanisme sirip berpegas untuk traktor roda dua perlu memperhatikan semua sistem yang berkaitan, roda, traktor, implemen (alat pengolahan tanah), dan operator (Gambar 8). Ukuran roda optimum ditentukan dengan mempertimbangkan ketenggelaman roda, ukuran kotak roda gigi reduksi traktor, tinggi tangkai kendali, dan formasi dasar pengolahan tanah atau penggaruan yang baku di Indonesia, sedemikian sehingga traktor dapat dioperasikan dengan nyaman untuk menghasilkan traksi yang diharapkan. H o H t R w H c T d Z Gambar 8. Formasi dasar pengolahan tanah yang baku di Indonesia. 20

34 Tahapan perancangan roda besi bersirip gerak dengan mekanisme sirip berpegas adalah : 1) merencanakan diameter luar roda sirip, 2) menentukan jumlah sirip, 3) menentukan ukuran lebar, panjang, tebal, dan bahan sirip, 4) merancang mekanisme pegas untuk sirip, 5) menentukan ukuran dan bahan pegas sirip, 6) merencanakan jumlah, ukuran, bahan, dan diameter luar pelek (rim), 7) merencanakan bentuk jari-jari dan menentukan jumlah, bahan, dan ukuran jari-jari roda, 8) menentukan bentuk, ukuran, dan bahan flens roda, dan 9) merencanakan pemasangan jari-jari, flens roda, pelek roda, dan batang penghubung pelek. 1. Diameter Roda Untuk menentukan diameter roda sirip, maka kecepatan putar poros roda untuk pengolahan tanah perlu diamati. Selanjutnya hubungan kecepatan putar roda, diameter roda, dan kecepatan optimum pengolahan tanah sawah (sekitar 1 m/det) dapat diperoleh dengan memasukkan slip roda dalam perhitungan (sekitar 30 %). Diameter roda minimum harus ditentukan dengan memperhatikan formasi dasar yang menunjukkan ketenggelaman roda, Z dan ground clearance, H c seperti yang diperlihatkan pada Gambar 9. Gambar 9. Bagian-bagian roda dan skema untuk menentukan ukuran roda. 21

35 Dengan demikian, dalam suatu proses pembajakan atau penggaruan yang baku, dasar kotak gigi reduksi traktor tidak boleh bersentuhan dengan permukaan tanah untuk menghindari kerusakan dan tahanan gerak traktor. Dari Gambar 9, jari-jari luar roda sirip R w dapat ditentukan dengan persamaan : R = H + H Z...(8) w t c + Dw = 2R w...(9) di mana : R w = jari-jari luar roda sirip, H t H c Z D w = jari-jari dasar kotak gigi reduksi, = ground clearance, = ketenggelaman roda, dan = diameter roda. Diameter roda sirip maksimum dibatasi oleh ruang bebas yang tersedia pada traktor, yang dibatasi oleh lengan pengengkol engine (di depan) dan implemen (di belakang). Kedua data tersebut diamati pada traktor yang akan digunakan. Data tersebut dapat diketahui dari hasil pengukuran, jarak poros roda ke bagian terdepan implemen, jarak lengan pengengkol ke poros roda, dan jarak bagian tengah traktor ke lengan pengengkol. Skema pengukuran ruang bebas traktor dapat dilihat pada Gambar 10. Gambar 10. Skema pengukuran ruang bebas gerak roda pada traktor. 22

36 2. Sirip Roda Jumlah sirip L n ditentukan dari spasi linear sirip optimum yang diperoleh dari percobaan dengan rumus : L πd w n =...(10) Ls di mana : L n = jumlah sirip, D w L s = diameter roda, dan = spasi linear sirip. Ukuran sirip roda ditentukan melalui pengkajian hubungan beban tarik horizontal, beban tegak, diameter roda, jumlah sirip, ukuran sirip, dan ketenggelaman roda. Dari pengkajian yang dilakukan pada tahap awal penelitian ini telah diperoleh rasio beban mendatar, beban tegak, dan jumlah sirip aktif pada kondisi yang menghasilkan efisiensi tertinggi. Dalam analisis, resultan gaya reaksi tanah pada setiap sirip aktif (yang P i bekerja pada tanah) arah horizontal harus lebih dari beban tarik ( ) dan 2 tahanan gelinding roda (F rr ). Resultan gaya reaksi tanah arah vertikal W t harus lebih besar dari bobot traktor yang ditumpu roda ( ). 2 n i Fsh i= 1 2 i= P + F rr...(11) Wt Fsv (12) n F = F + F...(13) s sh sv dimana : F sh F sv F s = gaya reaksi tanah pada sirip arah horizontal, = gaya reaksi tanah pada sirip vertikal, dan = resultan gaya reaksi tanah pada sirip. 23

37 Gambar 11. Gaya-gaya yang bekerja pada roda besi bersirip. Gaya-gaya yang bekerja pada roda besi bersirip diperlihatkan pada Gambar 11. Gaya reaksi tanah pada sirip aktif yaitu F s1, F s2, F s3, dst dihitung dari tahanan tanah terhadap penekanan plat sesuai dengan kedalaman (posisi sirip dalam tanah) dan sudut kemiringan muka plat sirip yang bersangkutan. F = A T...(14) sn s pn di mana : F sn = gaya reaksi tanah pada sirip ke-n, A s T pn = luas permukaan sirip, dan = tahanan tanah pada sirip ke-n. Dari masing-masing gaya reaksi tersebut dapat ditentukan komponen gaya arah horizontal dan vertikal. F shn = F sn cosα...(15) F svn = F sn sinα...(16) di mana : F shn = gaya reaksi tanah arah horizontal pada sirip ke-n, α = sudut kemiringan sirip ke-n, dan F svn = gaya reaksi tanah arah vertikal pada sirip ke-n. 24

38 Jumlah sirip aktif J sa yang bekerja dan menumpu beban tarik mendatar dan beban tegak dihitung dengan persamaan : R cos 1 w Z J s = Rw J sa...(17) 180 di mana : J sa = jumlah sirip aktif, J s = jumlah sirip pada roda. Gambar 12. Sirip gerak dengan ketenggelaman Z. Ketenggelaman dari masing-masing sirip aktif (Gambar 12) dapat ditentukan dengan persamaan : Z n = Z...(18) Z Z [( D / 2) x( 1 cosθ )] n 1 = Zn 1 = Z r s +...(19) [( D / 2) x( 1 cos2θ )] n 2 = Zn 2 = Z r di mana : Z n +...(20) θ s = ketenggelaman sirip ke-n, = sudut spasi. s Lebar sirip direncanakan dengan mempertimbangkan spasi antar sirip dan spasi horizontal antar sirip. Menurut Cebro (2006), lebar sirip yang efisien bernilai lebih kecil atau sama dengan 0.75 dari spasi horizontal sirip (L s 0.75 S hs ). Pada perancangan ini ditentukan lebar sirip sebesar 0.6 spasi horizontal antar sirip. Besarnya spasi antar sirip dapat dihitung dengan persamaan : 25

39 S as 180 = 2 R r sin...(21) J s di mana : S as = spasi antar sirip, R r J s = jari-jari roda, dan = jumlah sirip. Spasi horizontal antar sirip dapat diketahui dengan persamaan : S (( S ) xπd ) r hs = 1...(22) J s di mana : S hs = spasi horizontal antar sirip, S = slip roda, D r J s = diameter roda, dan = jumlah sirip. Perhitungan tebal sirip didasarkan pada gaya resultan tanah terhadap sirip yang disederhanakan pada skema Gambar 13 berikut : F r E A B T s P s R a Gambar 13. Skema gaya-gaya yang bekerja pada sirip. R b Gaya reaksi pada tumpuan A dan B adalah sama karena gaya F r diasumsikan bekerja tepat di tengah sirip : Fr R A = RB =...(23) 2 Maka momen pada titik E dapat dihitung sebagai berikut : 26

40 M E Ps = RA 2...(24) Tegangan yang diijinkan oleh bahan pada sirip dihitung dengan cara sebagai berikut : σ maks σ a =...(25) Sf 1 Sf 2 di mana : σ maks = tegangan tarik maksimum, Sf 1 = faktor keamanan dinamis (6 untuk bahan SC), dan Sf 2 = faktor keamanan statis ( ). Untuk menghitung inersia bahan dapat digunakan persamaan berikut : 3 bh I = 12...(26) di mana : b = panjang sirip =P s h = tebal sirip = T s Kemudian tebal sirip dapat ditentukan dengan analisis tegangan patah dengan persamaan berikut : M σ a = E Y I di mana Y = 0.5 T s...(27) Momen terjadi pada 2 roda dan dianggap bekerja pada sirip yang aktif saja sehingga tebal sirip dapat dihitung dengan persamaan : T s = (3M E ) J σ P sa a s...(28) 27

41 Jumlah sirip aktif J sa, ukuran sirip (luas penampang sirip A s ), dan ketenggelaman roda Z saling berkaitan dalam mencapai kesetimbangan gaya pada sistem roda. Ukuran sirip ditentukan dengan optimisasi menggunakan persamaan-persamaan di atas. Ukuran panjang sirip sangat berpengaruh terhadap wheel base dan kemampuan traktor untuk belok. Semakin panjang ukuran sirip, maka dapat mengurangi kemampuan traktor untuk berbelok akibat tahanan gesek sirip dan tahanan geser sirip dengan tanah semakin besar. 3. Mekanisme Pegas Konsep mekanisme sirip berpegas yang telah ditemukan antara lain mekanisme sirip gerak dengan pegas tekan dan mekanisme sirip gerak dengan pegas torsional (puntir). Konsep mekanisme sirip berpegas seperti terlihat pada Gambar 14, terdapat dua buah pelek (rim), sirip dibuat rata, dan sistem engselnya dibuat dengan memasang mur pada bagian pelek. Pegas yang digunakan adalah pegas tekan yang berada pada tengah-tengah sirip. Kelemahan dari mekanisme ini adalah tanah menempel pada pegas tersebut sehingga dapat mengganggu mekanisme gerak pegas yang pada akhirnya akan menyebabkan peningkatan slip roda dan mengurangi efisiensi kerja dari roda tersebut. Gambar 14. Mekanisme sirip gerak dengan pegas tekan (Muhtar, 2002). Konsep mekanisme pegas yang lain diperlihatkan pada Gambar 15. Mekanisme ini menggunakan dua buah pegas puntir yang ukuran dan jenis bahannya ditentukan untuk menghasilkan defleksi optimum saat bekerja. 28