12 3 METODE PENELITIAN Waktu dan Tempat Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Teknik Mesin Budidaya Pertanian, Laboratorium Mekanika Tanah, dan Laboratorium Lapangan Siswadhi Supardjo, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor pada bulan Januari hingga bulan November 2012. Alat dan Bahan Adapun alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini antara lain: 1) untuk pembuatan apparatus pengujian, 2) untuk pengamatan dan pengukuran, dan 3) untuk pengujian karakteristik pupuk. Peralatan untuk pembuatan apparatus pengujian adalah: a. Perangkat perancangan: komputer dan software AutoCAD b. Peralatan pembuatan penjatah pupuk dan hopper: mesin bubut, mesin gerinda duduk, bor tangan, bor duduk, busur, pembengkok akrilik, meteran, burner, strain gage, bridge box (Kyowa, DB-120), handy strain meter (Kyowa, UCAM-1A), slip ring tipe S4, motor AC variable speed, serta peralatan bengkel lainnya. Peralatan untuk pengamatan dan pengukuran antara lain tachometer digital (Krisbow KW 06-303), stopwatch, timbangan, dan kamera digital. Adapun peralatan untuk pengujian karakteristik pupuk antara lain direct shear apparatus, oven, timbangan digital, ring sample, piknometer, wadah evaporasi, dan cawan. Bahan yang diperlukan untuk penelitian antara lain: 1) bahan untuk pembuatan apparatus pengujian, 2) bahan untuk pengujian. Bahan untuk pembuatan apparatus pengujian antara lain: plat akrilik dengan ketebalan 5 mm, akrilik silinder dengan ketebalan 3 mm, mika siku, poros stainless steel diameter 12 mm, silinder pejal berbahan polietilen berdiameter 60 mm dan panjang 60 cm, lem (Araldite, Dextone, Power Glue dan lem akrilik), sok pipa PVC berdiameter 1 inci, sproket, rantai, sikat gigi, mur dan baut, serta bahan pendukung untuk pembuatan dudukan alat yang berasal dari besi siku. Bahan untuk pengujian kinerja antara lain: pupuk Urea, TSP, dan KCl.
13 Tahapan Penelitian Secara umum, penelitian melalui tahapan-tahapan seperti yang terlihat pada Gambar 9. Gambar 9 Tahapan penelitian Berdasarkan Gambar 9, tahapan penelitian yang dilakukan berupa: Identifikasi Masalah Identifikasi masalah merupakan langkah awal dalam perancangan alat. Pada tahap ini dilakukan identifikasi masalah-masalah yang muncul pada prototipe alat penanam dan pemupuk jagung yang telah diteliti sebelumnya terutama pada bagian penjatahan pupuk butiran. Terdapat beberapa permasalahan yang menyebabkan penjatahan pupuk tidak seragam antara lain: 1) rotor penjatah pupuk macet karena ada butiran pupuk yang mengganjal ujung sudu rotor dengan pembatasnya, 2) beban vertikal dari pupuk yang berada di atas rotor yang menyebabkan tingginya beban gesekan dan beban geser rotor pada pupuk.
14 Sebagai akibatnya, roda penggerak rotor tidak mampu memutar rotor dengan baik, dan penjatahan pupuk tidak seragam dan tidak akurat. Setelah diketahui permasalahan yang ada pada alat pemupuk yang telah ada sebelumnya maka dilakukan analisis permasalahan. Tujuannya agar solusi permasalahan yang sesuai dengan kebutuhan dapat diperoleh. Melalui solusi inilah maka dasar konsep desain alat pemupuk hasil modifikasi dapat dibuat. Pada metering device rancangan Syafri, penjatah pupuk yang digunakan merupakan penjatah pupuk tipe agitator feed yang terdiri dari 6 buah celah seperti Gambar 10. Gambar 10 Penjatah pupuk rancangan Syafri (a) bukaan 100%, (b) bukaan 75%, dan (c) bukaan 50% Selain itu, metering device pada alat penjatah sebelumnya terletak di bagian tengah tumpukan pupuk. Akibatnya, rotor sulit berputar karena adanya gaya gesek yang besar antara sudu rotor dan pupuk. Ketika gaya putar yang diberikan lebih besar, rotor dapat berputar dan menjatah pupuk. Akan tetapi, banyak pupuk yang rusak ukurannya karena tergerus dinding bawah hopper. Hasilnya, penjatahan pupuk menjadi tidak seragam karena dosis penjatahan berbeda-beda. Sketsa butiran pupuk yang terhimpit dan posisi penjatah pupuk pada hopper dari penelitian terdahulu terdapat pada Gambar 11. Gambar 11 (a) butiran pupuk yang menghambat putaran rotor dan (b) hopper pupuk pada penelitian terdahulu Seperti yang terdapat pada Gambar 11, hopper yang digunakan untuk penelitian sebelumnya menggunakan bahan plat stainless steel. Karena bahan hopper yang tidak transparan, di lapangan ketinggian pupuk di dalam hopper tidak diketahui. Operator sewaktu-waktu harus mengecek ketinggian isi pupuk agar mengetahui kapan dilakukan pengisian ulang pupuk.
15 Studi Pustaka Studi pustaka dilakukan setelah masalah yang timbul berhasil diidentifikasi. Tujuan utamanya adalah untuk menentukan komponen-komponen dan sistem yang akan digunakan. Perumusan, Penyempurnaan Ide Rancangan dan Pemilihan Model Penjatahan Setelah melakukan identifikasi masalah dan studi pustaka, tahapan selanjutnya adalah perumusan dan penyempurnaan ide rancangan. Kemudian barulah model penjatahan yang digunakan untuk model baru dapat dipilih. Bagian-bagian yang mengalami modifikasi diperlihatkan pada Tabel 2. Tabel 2 Bagian yang dimodifikasi No. Kelemahan prototipe terdahulu 1. Beban pupuk yang masuk ke ruang penjatah terlalu besar 2. Pupuk banyak yang hancur akibat tergerus dinding metering device 3. Hasil penjatahan tidak seragam 4. Ketinggian pupuk dalam hopper sukar diketahui 5. Pupuk lengket pada rotor penjatah Komponen yang diperbaiki Hopper dan metering device Konsep modifikasi Posisi metering device digeser sehingga tidak tepat di bawah saluran pengeluaran hopper Metering device Jarak antara sudu rotor dan metering device ditambah Metering device Penambahan sikat pada bagian dinding pengeluaran untuk menjaga keseragaman keluaran pupuk Hopper Mengganti bahan hopper dengan akrilik Rotor penjatah Mengganti bahan rotor penjatah dengan polietilen Rotor yang digunakan pada penelitian ini adalah rotor bercelah (edge-cell) (Gambar 12) yang digerakkan oleh poros stainless steel berdiameter 12 mm. Penampang poros berbentuk lingkaran. Gambar 12 Rotor penjatah Rotor penjatah pada penelitian sebelumnya diletakkan di bagian tengah dasar hopper. Sedangkan, pada model penjatah yang baru ini, rotor tidak diletakkan tepat di bagian tengah dasar hopper, melainkan sedikit digeser ke salah satu sisi samping dinding hopper dimana ujung sudu penjatah berada tepat di
16 bawah ujung salah satu sisi dinding hopper. Modifikasi yang dilakukan tersebut dapat dilihat lebih jelas pada Gambar 13. Gambar 13 Rotor penjatah (a) prototipe-2 dan (b) prototipe-3 Pengembangan Model Matematis Pendugaan Torsi Penggerak Rotor Penjatah Pengembangan model pendugaan torsi rotor penjatah diperoleh berdasarkan hasil analisis gaya-gaya yang bekerja selama proses pemutaran penjatah pupuk. Analisis pendugaan torsi ini dilakukan untuk membandingkan kebutuhan torsi pada kedua tipe penjatah tersebut. Harapannya, kebutuhan torsi pada rancangan modifikasi lebih kecil daripada rancangan sebelumnya. Analisis pendugaan torsi pada prototipe-2 digunakan dengan pendekatan seperti yang terlihat pada Gambar 14 berikut. Gambar 14 Analisis pendugaan torsi pada prototipe-2 Gaya-gaya yang bekerja pada pupuk di dalam hopper diduga dari persamaan-persamaan berikut ini:
17... 1 ( )... 2 Selain ada gaya W p (gaya berat pupuk) yang bekerja pada bagian tengah hopper, komponen gaya berat pupuk lain yang bekerja di hopper diduga dari persamaan berikut ini: ( ( - ) ( ))... 3 ( ( - ) ( ))... 4 ( )... 5 Gaya gesek di dalam hopper pada bagian 1 dan 2 dapat diduga menggunakan persamaan berikut ini: ( )... 6... 7 ( )... 8... 9 Sehingga gaya yang bekerja pada pupuk saat mengalir ke penjatah pupuk pada masing-masing sisi hopper diduga menggunakan persamaan berikut ini: -... 10 -... 11 Gaya berat pupuk total yang masuk ke ruang penjatahan adalah:... 12 Keterangan: : komponen gaya berat pupuk (N) : komponen gaya gesek pupuk-dinding hopper (N) : komponen gaya di penjatah pupuk (N) : sudut kemiringan hopper ( ) : percepatan gravitasi (m/s 2 ) : berat jenis pupuk (g/cm 3 ) : koefisien gesek pupuk pada bahan hopper Torsi yang dibutuhkan pada saat penjatah pupuk berputar diduga dari analisis gaya yang bekerja pada saat penjatah pupuk berputar. Gambar 15
18 menunjukkan gaya-gaya yang bekerja pada prototipe-2 saat aplikator sedang bekerja. Gambar 15 Analisis torsi pada prototipe-2 Saat pupuk mengalami kontak dengan sudu rotor, terjadi gaya geser di antara keduanya. Perhitungan gaya geser menggunakan rumus sebagai berikut: ( ) ( ) ( )... 13 Pada saat rotor berputar, terjadi gaya sentrifugal pada pupuk di dalam celah penjatah pupuk. Gaya ini juga dimasukkan dalam perhitungan pendugaan torsi. Perhitungan gaya ini menggunakan rumus berikut:... 14 Selain gaya geser dan gaya sentrifugal pada penjatah pupuk juga terjadi gaya gesek antara dinding rotor dan pupuk. Gaya ini muncul karena jarak antara dinding rotor dan ujung sudu penjatah pupuk sangat kecil, sehingga pupuk yang berada pada penjatah pupuk bergesekan dengan dinding rotor. Perhitungan gaya gesek antara pupuk dan dinding rotor dihitung menggunakan persamaan berikut ini:... 15 Sehingga analisis perhitungan torsi pada prototipe-2 dapat diturunkan menggunakan persamaan di bawah ini:... 16 Keterangan: T r : torsi putar rotor penjatah (N m) : gaya geser antara pupuk dengan ujung sudu rotor (N) : gaya gesek antara pupuk dengan dinding rotor (N) : gaya sentrifugal pupuk pada celah rotor (N)
19 : nilai kohesi butiran pupuk (Pa) : koefisien gesek pupuk dengan bahan sudu penjatah pupuk : sudut gesekan dalam pupuk ( ) : massa pupuk pada celah (g) : kecepatan putar sudut rotor (rad/s) : jari-jari celah rotor (cm) : jari-jari rotor (cm) : lebar rotor (cm) Rotor prototipe-2 tersebut dimodifikasi untuk meningkatkan ketepatan penjatahan sekaligus untuk menurunkan torsi yang dibutuhkan untuk memutar rotor. Rotor yang dimodifikasi adalah rotor tipe edge-cell. Analisis pendugaan torsi pada prototipe-3 pertama-tama dilakukan dengan menganalisis gaya-gaya yang bekerja pada hopper seperti pada Gambar 16 berikut. Gambar 16 Analisis pendugaan torsi pada prototipe-3 Seperti halnya pada analisis gaya-gaya yang bekerja pada prototipe-2, analisis gaya pada prototipe-3 juga dimulai dari pendugaan gaya berat pupuk yang dihitung dari persamaan di bawah ini:... 17 ( )... 18 ( ( ))... 19 ( )... 20 Gaya gesek yang terjadi pada dinding hopper dihitung menggunakan rumus sebagai berikut:
20... 21... 22 ( )... 23 -... 24 (( ) )... 25 Sehingga gaya berat pupuk yang menuju ruang penjatahan dihitung menggunakan persamaan berikut ini: -... 26 Keterangan: g : komponen gaya berat pupuk (N) : komponen gaya gesek pupuk-dinding hopper (N) : komponen gaya di penjatah pupuk (N) : sudut kemiringan hopper ( ) : percepatan gravitasi (m/s) : berat jenis pupuk (g/cm 3 ) : koefisien gesek pupuk pada bahan hopper Torsi yang dibutuhkan pada saat penjatah pupuk berputar diduga dari analisis gaya yang bekerja pada saat penjatah pupuk bekerja. Gambar 17 berikut ini menunjukkan gaya-gaya yang bekerja pada prototipe-3 saat aplikator sedang bekerja. Gambar 17 Analisis torsi pada prototipe-3 Saat pupuk mengalami kontak dengan sudu rotor, terjadi gaya geser di antara keduanya. Perhitungan gaya geser menggunakan rumus sebagai berikut: ( ) ( ) ( )... 27
21 Pada prototipe-3 ini tidak terdapat gesekan antara pupuk dan dinding rotor karena jarak antara ujung sudu dan dinding rotor cukup renggang. Sehingga analisis torsi untuk prototipe-3 dilakukan dengan pendekatan melalui persamaan berikut ini:... 28 Keterangan: T r : torsi putar rotor penjatah (N m) : gaya geser antara pupuk dengan ujung sudu rotor (N) : gaya sentrifugal pupuk pada celah rotor (N) : nilai kohesi butiran pupuk (Pa) : sudut gesekan dalam pupuk ( ) : massa pupuk pada celah (g) : kecepatan putar sudut rotor (rad/s) : jari-jari celah rotor (cm) : jari-jari rotor (cm) : lebar rotor (cm) Melalui model matematis pendugaan torsi di atas, keperluan torsi untuk memutar penjatah pupuk pada tiap-tiap pengujian dapat diduga. Hasil perhitungan kemudian dibandingkan dengan hasil pengujian di lab lapangan untuk dilihat kesesuaian antara data teoritis dan data hasil pengukuran. Analisis Perancangan Tahapan ini bertujuan untuk menganalisis rancangan yang akan dibuat sebelum dilakukan pembuatan/pabrikasi prototipe. Analisis perancangan yang akan dilakukan adalah: 1) analisis penentuan ukuran rotor, 2) analisis penentuan jumlah, bentuk dan ukuran celah-celah pada rotor, dan 3) analisis penentuan kecepatan putar rotor. Untuk keperluan analisis, dilakukan penentuan dosis pemupukan yang umum dilakukan untuk budidaya jagung (dari literatur dan pedoman budidaya jagung). Pengukuran karakteristik pupuk juga dilakukan, yaitu: 1) massa jenis, 2) kadar air, 3) kohesi pupuk, 4) sudut gesekan dalam pupuk, 5) koefisien gesek pupuk dengan bahan rotor, dan 6) koefisien gesek pupuk dengan dinding hopper dan bahan dinding rumah rotor (akrilik). Pengukuran karakteristik pupuk tersebut dapat dilihat pada Lampiran 1-4. Pembuatan Prototipe Penjatah Pada tahap ini, bagian-bagian penjatah dipabrikasi di laboratorium dan di bengkel. Komponen yang dipabrikasi antara lain hopper, rotor, dan penjatah pupuk. Pengujian Pengujian yang dilakukan antara lain: 1) pengujian ketepatan penjatahan, 2) pengujian keseragaman penjatahan, 3) analisis kebutuhan torsi, dan 4) validasi model.
22 1) Pengujian ketepatan penjatahan Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui ketepatan penjatahan pupuk yang dilakukan oleh rotor dan selubung rotor. Pada pengujian ini, bukaan selubung rotor yang diujikan berbeda-beda, yaitu: 50, 75, dan 100%. Adapun kecepatan putar rotor yang digunakan adalah 15, 25, dan 35 RPM. Pupuk yang digunakan dalam pengujian ini adalah pupuk urea, TSP, dan TSP+KCl (2:1). Pengujian ini dilakukan dengan mengisi pupuk dalam hopper, kemudian poros penjatah diputar dengan menghidupkan motor AC variable speed selama satu menit, menampung keluaran pupuk, dan menimbang massanya. Pengujian dilakukan sebanyak 5 kali ulangan pada masing-masing bukaan selubung rotor. 2) Pengujian keseragaman penjatahan Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui tingkat keseragaman jumlah pupuk yang dikeluarkan oleh unit pemupuk dengan mengubahubah volume pupuk yang dimuat oleh hopper. Tingkat volume hopper yang digunakan adalah 25, 50, dan 100%. Adapun kecepatan putar rotor yang digunakan adalah 15, 25, dan 35 RPM. Pupuk yang digunakan dalam pengujian ini adalah pupuk urea, TSP, dan TSP+KCl (2:1). Cara pengujian yang dilakukan hampir sama dengan pengujian ketepatan penjatahan. Pupuk dimasukkan ke dalam hopper. Kemudian motor AC variable speed dihidupkan selama 1 menit dan keluaran pupuk ditampung, dan ditimbang. Pengujian dilakukan sebanyak lima kali ulangan pada masing-masing tingkat volume hopper. Gambar 18 berikut menunjukkan skema susunan alat untuk pengujian ketepatan dan keseragaman penjatahan. Gambar 18 Susunan alat untuk pengujian ketepatan dan keseragaman penjatahan
23 3) Analisis kebutuhan torsi penjatah pupuk Untuk keperluan pengujian analisis kebutuhan torsi dilakukan pemasangan strain gage pada poros pemutar rotor penjatah. Bagian ujung poros dilengkapi dengan slip ring. Kabel yang berasal dari slip ring disambungkan ke bridge box. Kemudian barulah disambungkan ke handy strain meter. Pupuk dimasukkan ke dalam hopper dan motor AC variable speed dihidupkan selama 30 detik. Keluaran nilai strain kemudian dikonversi menjadi torsi. Pengujian dilakukan sebanyak tiga kali ulangan. Hasil pengujian kebutuhan torsi prototipe-2 dibandingkan dengan kebutuhan torsi prototipe-3. Bahan pengujian yang digunakan adalah pupuk urea dan TSP. Parameter pengujian antara lain lebar bukaan selubung rotor penjatah (50, 75, dan 100%%) dan volume pupuk dalam hopper (25, 50, dan 100%) untuk pengujian pada pupuk urea. Sedangkan pengujian untuk pupuk TSP hanya berupa perubahan volume pupuk dalam hopper. Kecepatan putar rotor yang digunakan adalah 15, 25, dan 35 RPM. Skema susunan alat untuk keperluan pengujian kebutuhan torsi dapat dilihat pada Gambar 19. Gambar 19 Skema susunan alat pengujian kebutuhan torsi 4) Validasi model Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui akurasi hasil pengukuran kebutuhan torsi terhadap model yang dibangun. Jika hasil pengukuran torsi mendekati hasil pendugaannya, hal ini menunjukkan bahwa model pendugaan torsi yang dibangun cukup akurat untuk mengestimasi kebutuhan torsi penjatahan pupuk. Jika yang terjadi adalah sebaliknya, perlu ditelusuri parameter-parameter dalam model pendugaan yang harus dikoreksi.
24 Kalibrasi Handy Strain Meter Kalibrasi dilakukan untuk mencari rumusan hubungan antara nilai regangan (strain) dan torsi. Suatu lengan pemberat dibautkan pada poros. Lengan tersebut terbuat dari besi rectangle hollow dengan panjang 50 cm yang ujungnya dilaskan dengan besi strip ketebalan 2 mm dan lebar 20 mm yang dibentuk menjadi busur lingkaran dengan radius 50 cm. Pemberat ditaruh pada besi strip yang berbentuk busur lingkaran dan diikat menggunakan tali baja. Pemberat yang digunakan bermassa 1-5 kg. Saat pemberat ditaruh pada ujung lengan pemberat, handy strain meter akan menunjukkan besar regangan yang bekerja pada poros. Kalibrasi dilakukan dengan lima kali ulangan pada masing-masing massa pemberat. Gambar 20 memperlihatkan susunan alat untuk proses kalibrasi. Gambar 20 Susunan alat pada proses kalibrasi Setelah hasil kalibrasi alat diperoleh, hasil diplotkan ke grafik sehingga diperoleh persamaan garis antara torsi dan regangan. Persamaan grafik inilah yang digunakan untuk pengujian pendugaan torsi yang dibutuhkan oleh penjatah pupuk karena nilai keluaran yang diperoleh dari handy strain meter berupa nilai regangan yang bekerja pada poros penjatah. Selain itu, perbandingan kebutuhan torsi tipe penjatah terdahulu dan modifikasi akan dibandingkan sehingga diketahui apakah penjatah tipe modifikasi (prototipe-3) memang membutuhkan torsi pemutaran poros yang lebih kecil sehingga dapat menggantikan penjatah prototipe-2. Hasil kalibrasi dapat dilihat pada Lampiran 8.