IV. PENDEKATAN DESAIN A. KRITERIA DESAIN Perancangan atau desain mesin pencacah serasah tebu ini dimaksudkan untuk mencacah serasah yang ada di lahan tebu yang dapat ditarik oleh traktor dengan daya 110-200 hp. Seperti yang tertulis dalam tujuan penelitian, perancangan mesin pencacah serasah tebu pada penelitian ini difokuskan hanya pada fungsi pengangkatan serasah dari lahan ke unit pencacah. Adapun kebutuhan daya dan jumlah putaran yang dibutuhkan oleh mesin pencacah serasah tebu diasumsikan telah terpenuhi oleh sumber tenaga putar PTO traktor. Perancangan ini merupakan bentuk rancangan baru karena belum ada mesin pencacah serasah tebu yang mobile mencacah serasah tebu di lahan tebu. Konsep yang dirancang adalah untuk mengangkat serasah tebu yang menumpuk di lahan, lalu menyalurkan serasah ke unit pencacah untuk selanjutnya dibenamkan. Rancangan mesin ini digerakkan oleh traktor roda 4 dan diputar dengan poros PTO traktor. Konsep rancangan mesin disajikan pada Gambar 24. Oleh karena itu, dengan waktu dan sumber daya yang tersedia, penelitian ini baru mengarah pada pemenuhan fungsi pencacahan, penarik dan penyalur saja. Perancangan bagian pencacah dikerjakan oleh peneliti lain sedangkan penelitian ini difokuskan pada pengerjaan bagian penarik dan penyalur. Desain ini dimulai dari ide dan penggabungan konsep dari bagian-bagian utama sampai pembuatan prototipe dan pengujian dari fungsi pengangkat pada mesin pencacah serasah tebu. V mesin = 0.3 m/s Penjepit Silinder penarik Serasah 1.2 m Pencacah Traktor Penyalur Gambar 24. Skema konsep mesin pengangkat dan pencacah serasah tebu B. DESAIN FUNGSIONAL Fungsi utama dari unit yang akan dirancang adalah mengangkat serasah tebu dari lahan ke unit pencacah. Adapun penguraian fungsi utama menjadi fungsi penguraian disajikan pada Gambar 25. 20
Fungsi utama : mengangkat serasah tebu dari lahan ke unit pencacah Fungsi menarik serasah dari lahan ke komponen penyalur Fungsi menyalurkan serasah dari komponen penarik ke unit pencacah Mendukung unit pengangkat Menghasilkan tenaga putar dan menyesuaikan jumlah putaran sesuai kebutuhan Gambar 25. Skema fungsi unit pengangkat Menarik serasah dari lahan ke komponen penyalur (fungsi penarik) Dudukan yang berfungsi untuk menempelkan penarik Merubah sudut penarik Menyalurkan serasah dari bagian penarik ke unit pencacah Dudukan yang berfungsi untuk menempelkan penyalur Menempelkan penyalur pada dudukan penyalur Memperkuat konstruksi mesin pencacah, menghubungkan semua bagian, tempat melekatnya semua komponen Menutup unit pengangkat serasah dan mencegah serasah keluar dari mesin Menahan bobot Menghasilkan tenaga putar Menghasilkan jumlah putaran sesuai kebutuhan 21
Adapun komponen yang digunakan dapat dilihat pada Tabel 2. No. Fungsi Tabel 2. Uraian fungsi dari unit pengangkat Sub Fungsi Komponen 1. Menarik serasah dari lahan ke komponen penyalur Menarik serasah dari lahan ke komponen penyalur (fungsi penarik) Besi silinder Dudukan yang berfungsi untuk menempelkan penarik Pipa silinder, besi plat 2. Menyalur serasah dari komponen penarik ke unit pencacah 3. Mendukung unit pengangkat 4. Menghasilkan tenaga putar dan menyesuaikan jumlah putaran sesuai kebutuhan Merubah sudut penarik Menyalurkan serasah dari komponen penarik ke unit pencacah Dudukan yang berfungsi untuk menempelkan penyalur Menempelkan penyalur pada cover Menghubungkan semua unit Memperkuat konstruksi mesin pencacah, menutupi unit pengangkat serasah, tempat melekatnya semua komponen dan mencegah serasah keluar dari mesin Menahan bobot dan menggerakan mesin pencacah Menghasilkan tenaga putar Menghasilkan jumlah putaran sesuai kebutuhan Sistem empat batang hubung, besi siku Konveyor rantai, sprocket dan besi poros Pillow block Mur dan baut Rangka Cover Roda PTO traktor Sprocket dan rantai, sabuk dan puli C.DESAIN STRUKTURAL Rancang bangun untuk desain struktural adalah adanya komponen penarik serasah dari lahan kemudian dimasukkan ke dalam mesin dan selanjutnya terdapat komponen penyalur serasah dari komponen penarik ke unit pencacah. Unit pengangakat mesin pencacah serasah tebu ini digerakan oleh PTO traktor yang sebelumnya juga digunakan untuk menggerakan unit pencacah mesin pencacah serasah tebu. Oleh sebab itu, kedua komponen ini harus terintegrasi sehingga dapat menyalurkan aliran serasah ke unit pencacah sehingga serasah dapat tercacah sesuai dengan ukuran yang diinginkan. Adapun konsep desain dari rancang bangun unit pengangakat mesin pencacah sersah tebu dapat dilihat pada Gambar 26. Gambar teknik mesin pencacah serasah tebu terlampir pada Lampiran 10. 22
Serasah ke unit pencacah Komponen penyalur Komponen penarik Sudu penarik Konveyor rantai Cover unit pengangkat Empat batang hubung Sudu konveyor Serasah dari lahan Gambar 26. Skema unit pengangkat serasah tebu pada mesin serasah tebu 1. Cover dan Rangka Komponen cover dan rangka merupakan komponen yang terbentuk dari besi plat, besi U, pipa silinder, besi silinder dan dilengkapi pillow block. Komponen cover direncanakan mempunyai lebar pemasukan 640 mm karena lebar pengangkatan serasah yang direncanakan adalah 600 mm dan mempunyai tinggi pemasukkan awal (di depan) adalah 625 mm karena tinggi pengangkatan serasah yang direncanakan adalah 400 mm. Sedangkan tinggi pengeluaran (di belakang) adalah 382 mm karena tinggi pengeluran serasah yang direncanakan adalah 80 mm. Oleh sebab itu terdapat perbedaan luas pemasukkan dan pengeluaran serasah. Besi plat yang digunakan untuk membentuk body unit pengangkat adalah besi plat yang mempunyai ketebalan 5 mm. Penggunaan besi plat 5 mm tersebut agar cover tersebut juga memiliki fungsi sebagai rangka yang kuat untuk menopang komponen-komponen lain yang ada di unit pengangkat. Namun untuk memperkokoh cover unit pengangkat maka perlu ditambahkan pipa besi yang berada didepan. Selain itu juga digunakan besi silinder yang berdiameter 9 mm yang terletak di depan bawah yang mempunyai fungsi sebagai penggarpu serasah tebu yang ada di lahan. Pillow block yang digunakan pun terdiri dari dua jenis masing-masing mempunyai diameter lubang bantalan adalah 31 mm dan 25 mm. Untuk menghubungkan unit pengangkat dengan unit pencacah maka digunakan besi U dengan ketebalan 5 mm. Gambar 27 di bawah menunjukan gambar komponen cover unit pengangakat mesin pencacah serasah tebu. Ban 23
382 mm 27 o 625 mm Gambar 27. Komponen cover dan rangka 640 mm 2. Silinder Penarik Komponen silinder penarik merupakan komponen yang terletak di bagian depan dari cover. Komponen ini terbuat dari besi plat, besi silinder, pipa besi dan bearing. Diameter silinder penarik yang direncanakan adalah 1000 mm. Komponen ini terbagi menjadi poros penarik, badan penarik, sudu penarik dan sistem empat batang hubung. Gambar 28 menunjukan gambar komponen silinder penarik mesin pencacah serasah tebu. Sudu penarik Poros penarik Badan penarik Sistem empat batang hubung A (1) A-A A 0.5 m (2) (3) Gambar 28. Komponen silinder penarik (1) tampak piktorial, (2) tampak atas, (3) tampak potongan A-A 24
Poros penarik berbeda dengan poros dengan poros penarik pada umumnya. Poros penarik terletak di ujung kiri dan kanan badan penarik namun kedua ujung tersebut tidak saling berhubungan. Hal ini dimaksudkan agar tidak mengganggu sistem empat batang hubung. Poros yang digunakan berdiameter 31 mm. Adapun rincian perhitungan poros silinder penarik dapat dilihat pada Lampiran 5. Berbeda dengan poros kanan yang menggunakan pillow block, poros sebelah kiri tidak dipasang dengan pillow block namun hanya dipasang pada cover kemudian dikencangkan dengan baut. Hal ini disebabkan agar mudah dalam melakukan bongkar pasang komponen penarik pada cover. Badan penarik terbuat dari besi plat dengan tebal 5 mm yang berbentuk lingkaran dan di bagian ujung keliling lingkaran (penutup) terdapat empat buah bearing. Bearing ini berfungsi sebagai penahan dari pipa besi yang ujung sudah dikencangkan dengan baut agar bisa berputar. Selain itu juga, pipa besi ini berfungsi sebagai penghubung antara penutup penarik kanan dengan penutup penarik kiri. Badan penarik memiliki diameter 500 mm. Di badan penarik juga terdapat 4 penahan sudu penarik yang terbuat dari besi plat dengan tebal 5 mm. Dalam komponen silinder penarik terdapat empat sudu penarik. Keempat sudu tersebut dipasang di badan penarik (pipa besi) dengan pola zig-zag. Hal ini dimaksudkan agar sudu yang lain dapat menutupi bagian sudu lain dalam menarik serasah dari lahan ke dalam mesin. Sudu penarik ini terbuat dari besi silinder dengan diameter 9 mm (Lampiran 6). Besi silinder ini cukup kuat untuk menarik serasah dari lahan ke dalam mesin. Dalam satu pipa terdapat 8 atau 7 besi silinder dengan masing-masing memiliki panjang 250 mm. Sistem empat batang hubung ditempatkan di sebelah kanan dari komponen penarik. Sistem empat batang hubung ini memiliki empat bagian, yaitu: pusat sistem, lengan panjang, lengan pendek dan poros empat batang hubung. Sistem empat batang hubung sendiri terbuat dari besi plat dengan ketebalan 5 mm. Perbedaan sudut dari sistem empat batang hubung adalah agar posisi sudu penarik yang berdekatan dengan sudu penyalur tidak terjadi benturan karena jarak antara penarik dan penyalur yang sempit. Fungsi lain dari sistem empat batang hubung adalah mencegah keluarnya serasah karena tersangkut sudu penarik yang tegak lurus seperti penarik biasa. Adapun mekanisme empat batang hubung dapat dilihat di Gambar 29. Lintasan batang hubung 4 (pipa) Serasah dari lahan Gambar 29. Sistem empat batang hubung Lintasan batang hubung 3 3. Penyalur Komponen penyalur merupakan komponen yang terletak setelah komponen penarik jika dilihat dari depan. Komponen penyalur ini terdiri dari konveyor bawah dan konveyor atas. Serasah akan 25
melewati ruang diantara konveyor atas dan konveyor bawah. Konveyor yang digunakan pada komponen ini adalah konveyor rantai. Jarak antara konveyor atas dan konveyor bawah di depan adalah 27 mm sedangkan di belakang berjarak 8 mm. Gambar komponen penyalur dapat dilihat pada Gambar 30. Konveyor atas Sudu konveyor atas sproket Konveyor bawah rantai Sudu konveyor atas Gambar 30. Komponen penyalur Konveyor bawah merupakan konveyor utama yang mendorong serasah tebu dari komponen penarik ke unit pencacah. Konveyor ini terbuat dari 2 poros besi pejal dengan diameter 25 mm (Lampiran 5), memiliki kemiringan 24 o dari permukaan tanah dan setiap poros diberi 2 buah sprocket yang memiliki 15 gigi disertai dengan pasak di antara poros dengan sprocket. Kedua sprocket tersebut memiliki jarak 600 mm sesuai dengan pemasukan serasah dari lahan. Rantai yang digunakan khusus untuk rantai konveyor yang memiliki sisi sebagai penambat sudu konveyor. Gambar rantai konveyor yang digunakan dapat dilihat pada Gambar 31. Sudu yang digunakan adalah besi siku yang mempunyai ketebalan 2 mm. Besi siku tersebut diberi lubang dikedua sisinya dengan jarak 540 mm disesuaikan dengan sisi penambat pada rantai konveyor. Sudu konveyor bawah memiliki tinggi 18 mm. Jumlah sudu yang ada pada konveyor bawah adalah 17 buah dengan masing-masing berjarak 98 mm. Jarak antara poros konveyor bawah adalah 698 mm. Gambar 31. Konveyor rantai pada komponen penyalur 26
Konveyor atas merupakan konveyor pembantu untuk mendorong serasah ke unit pencacah. Selain itu juga, konveyor atas berfungsi memampatkan serasah tebu bersama konveyor bawah. Spesifikasi konveyor atas hampir sama dengan konveyor bawah. Hal yang membedakannya adalah konveyor atas memiliki 15 buah sudu, sudunya bergerigi, tinggi sudu 38 mm, kemiringan konveyor dari permukaan tanah adalah 13 o dan jarak antara poros adalah 600 mm. 4. Ban Depan Komponen ban depan (Gambar 32) merupakan komponen pelengkap yang terletak di bagian depan kanan dan kiri komponen cover. Ban yang digunakan kali ini adalah ban karet dengan diameter 250 mm dan memiliki tebal 63 mm. Ban tersebut dihubungkan dengan komponen cover dengan besi pejal dengan diameter 25 mm dan ditempel dengan mur dan baut Gambar 32. Komponen ban depan 5. Komponen Transmisi Komponen transmisi dibuat untuk memenuhi kebutuhan daya yang sesuai untuk komponen penarik dan komponen penyalur, memperoleh arah putaran yang sesuai untuk komponen penarik dan komponen penyalur dan memperoleh kecepatan putar yang sesuai dengan kebutuhan masing-masing komponen. Bagian penyusun komponen transmisi adalah sproket dengan rantai, puli dengan sabuk dan sproket dengan rantai konveyor. Bagian transmisi pembalik arah terdapat pada unit pencacah yang berupa sproket dengan rantai. Skema komponen transmisi unit pengangkat ditunjukan pada Gambar 33. Skema pemenuhan kebutuhan arah putar pada komponen transmisi unit pengangkat ditunjukan Gambar 34. Berdasarkan rencana aplikasi mesin, kecepatan maju mesin adalah 0.3 m/s. Untuk itu kecepatan linier silinder penarik serasah harus lebih besar dari 0.3 m/s. Agar tidak terjadi penumpukan serasah di depan silinder penarik, maka digunakan kecepatan linier 0.48 m/s. Tabel 3 memperlihatkan rencana kecepatan putar pada masing-masing poros untuk memenuhi kebutuhan kecepatan linier serasah. Kecepatan putar ini dihitung berdasarkan kebutuhan kecepatan linier yaitu: ketika di bawah komponen penarik direncanakan memiliki kecepatan linier adalah 0.48 m/s dan diantara konveyor atas dan bawah direncanakan memiliki kecepatan linier adalah 0.48 m/s. Perhitungan pada Tabel 3 dapat dilihat pada Lampiran 2. 27
Tabel 3. Kecepatan putar poros Komponen Kecepatan Linier (m/s) Kecepatan Putar (rpm) Poros silinder penarik 0.48 9 Poros depan konveyor atas 0.48 59 Poros depan konveyor bawah 0.48 59 Poros belakang konveyor atas 0.48 59 Poros belakang konveyor 0.48 59 bawah Poros pencacah 0.48 59 Sproket yang dipasang pada poros konveyor bawah dan konveyor atas adalah sproket dengan 15 gigi dengan rantai nomor 60. Panjang rantai yang digunakan untuk konveyor bawah adalah 89 mata rantai, sedangkan konveyor atas menggunakan rantai dengan panjang 78 mata rantai. Rincian perhitungan pemilihan rantai rol dapat dilihat pada Lampiran 5. Puli yang dipasang pada poros depan konveyor atas adalah puli dengan diameter 3 inchi, sedangkan untuk puli yang dipasang pada poros penarik memiliki diameter 5 inchi. Sabuk yang digunakan untuk kedua puli tersebut adalah sabuk-v tipe B. Rincian perhitungan pemilihan sabuk dan puli dapat dilihat pada Lampiran 5. Unit pencacah Unit pencacah Rantai Rantai Poros belakang konveyor atas Poros belakang konveyor bawah Rantai Rantai Poros depan konveyor atas Poros belakang konveyor atas Gambar 33. Skema komponen transmisi Sabuk Poros penarik Gambar 34. Skema pemenuhan kebutuhan arah putar pada komponen transmisi 6. Analisis Teknik Analisis aliran massa mulai dari lahan sampai ke unit pencacah (Gambar 35): 28
QLAHAN = QPENARIK = QPENYALUR QPENCACAH Gambar 35. Aliran massa serasah pada mesin (10) Dimana : = Bulk Density Serasah Tebu (kg/m 3 ) v = Kecepatan maju mesin (m/s) A = Luasan penarikan (m 2 ) Dengan analisis aliran massa, bulk density serasah yang masuk disetiap komponen dapat diketahui nilainya. Bulk density serasah di tiap-tiap komponen dapat dilihat sebagai berikut : a. Serasah di lahan (lahan) adalah 7.7 kg/m 3 (tabel 4) b. Serasah di bawah komponen penarik (0.4-0.3 m) adalah 6.41 kg/m 3 c. Serasah di depan komponen penyalur (0.3-0.27 m) adalah 7.12 kg/m 3 d. Serasah di antara konveyor atas dan konveyor bawah (0.27-0.08 m) adalah 24.05 kg/m 3 Rincian perhitungan dapat dilihat pada Lampiran 1. Analisis kebutuhan daya diperlukan untuk mengetahui seberapa besar daya yang diperlukan oleh setiap komponen agar terjadi aliran massa di komponen tersebut sesuai dengan kebutuhan. Dalam hal ini dikelompokkan menjadi dua bagian karena terdiri dari dua komponen utama yaitu komponen silinder penarik dan komponen penyalur. Analisis kebutuhan daya pada komponen silinder penarik dimulai dengan menganalisis kebutuhan gaya. Berdasarkan Gambar 36 besarnya gaya (F) yang dibutuhkan untuk menarik serasah masuk kedalam mesin pencacah serasah tebu dapat diketahui. (11) Dimana : F = gaya yang dibutuhkan untuk menarik serasah (N) = Fcomp = 24 o fk Wtcos serasah Wt Silinder penarik Wtsin F Gambar 36. Skema gaya pada komponen silinder penarik Besarnya torsi (M) pada sudu penarik dihitung dengan persamaan (Suastawa et al 2004) : 29
(12) Dimana : M = torsi pada sudu penarik (Nm) d = lengan momen (m) F = gaya yang dibutuhkan untuk menarik serasah (N) Besarnya daya (Pp) yang diperlukan oleh komponen silinder penarik dihitung dengan persamaan (Anwari 1981) : (13) Dimana : Pp = daya yang diperlukan oleh komponen silinder penarik (Watt) Tp = torsi komponen penarik (Nm) np = kecepatan putar komponen penarik (rpm) Dari persamaan 11, 12 dan 13 dapat dihitung besar daya yang diperlukan oleh komponen penarik. Dengan perhitungan yang terlampir dalam Lampiran, maka besarnya daya yang diperlukan (P) adalah 0.01958 kw. Analisis kebutuhan daya pada komponen penyalur dimulai dengan menganalisis kebutuhan gaya. Berdasarkan Gambar 37 besarnya gaya (F) yang dibutuhkan untuk menyalurkan serasah masuk ke unit pencacah dapat diketahui. (14) Dimana : F = gaya yang dibutuhkan untuk menyalurkan serasah (N) 0.7 m W s cos W s sin W s Gambar 37. Skema gaya pada komponen penyalur Selanjutnya menentukan besarnya torsi (M) pada komponen penyalur dihitung dengan persamaan (Suastawa et al 2004) : (15) Dimana : M = torsi pada komponen penyalur (Nm) d = lengan momen (m) F = gaya yang dibutuhkan untuk menyalurkan serasah (N) Besarnya daya (Pp) yang diperlukan oleh komponen penyalur dihitung dengan persamaan (Anwari 1981) : 30
(16) Dimana : Pp = daya yang diperlukan oleh komponen penyalur (Watt) Tp = torsi komponen penyalur (Nm) np = kecepatan putar komponen penyalur (rpm) Dari persamaan 14, 15 dan 16 dapat dihitung besar daya yang diperlukan oleh komponen penyalur. Dengan perhitungan yang terlampir dalam Lampiran 4, maka besarnya daya yang diperlukan (P) adalah 0.07081 kw. D. METODE PENGUKURAN Untuk keperluan desain unit pengangkat pada mesin pencacah serash tebu diperlukan data pendukung diantaranya: 1. Volume tumpukan serasah tebu di lahan 2. Bulk density tumpukan serasah tebu dan komposisinya 3. Profil guludan di lahan 4. Elastisitas tumpukan serasah tebu Untuk menjawab permasalahan di atas, maka dilakukan pengambilan data sebelum proses perancangan mesin pencacah serasah tebu dimulai. Pengukuran dilakukan pada guludan yang ada serasah tebu. Poin-poin yang dicatat diantaranya adalah lebar tumpukan serasah, tinggi tumpukan serasah, volume serasah per dua meter, massa serash per dua meter, profil guludan, komposisi serasah beserta ukurannya dan densitas serasah. Menurut Krauskopf dan Beiser (2000) densitas adalah massa per unit volume. (17) Dimana : = densitas (kg/m 3 ) m = massa (kg) V = volume (m 3 ) Massa benda dengan sederhana dapat diperoleh dengan cara penimbangan. Sedangkan volume benda diperoleh dengan mengukur air yang tumpah saat benda dicelupkan ke dalam wadah yang berisi air. Ini adalah cara termudah, walaupun bukan cara yang paling akurat, untuk memperoleh densitas suatu benda dengan bentuk sembarang (Mulligan 1991). Tumpukan serasah tebu dapat ditimbang dengan mudah menggunakan timbangan untuk memperoleh massanya. Namun akan sulit untuk menemukan volume tumpukan serasah tebu dengan cara mencelupkannya ke dalam wadah berisi air. Oleh karena itu, volume tumpukan serasah diukur dengan mengukur lebar, tinggi dan panjang per dua meter tumpukan serasah di lahan. Dengan data tersebut dapat diketahui volume tumpukan serasah. Profil guludan di perkebunan PT Rajawali II Unit PG Subang dapat diukur dengan profilmeter. Tekanan adalah gaya per unit luas penampang. (18) Dimana : P = tekanan (N/m 2 ) 31
F = gaya tekan (N) A = luas penampang (m 2 ) Pengukuran elastisitas serasah dapat dilakukan dengan sebuah kotak dengan ukuran panjang 0.6 m, lebar 0.5 m dan tinggi 0.4 m. Kemudian tumpukan serasah dimasukkan kedalam kotak tersebut sesuai dengan massa dan bulk density yang direncanakan. Kemudian tekan tumpukan serasah tersebut dengan beban sampai dengan ketinggian tumpukan yang direncanakan. Beban yang digunakan kali ini adalah wadah yang berisi air. Pemilihan beban dengan air dikarenakan pembebanannya dapat dilakukan sedikit demi sedikit. Jika sudah mencapai ketinggian yang diinginkan kemudian diukur massa air tersebut dengan timbangan. Dari data tersebut dapat diketahui besarnya pembebanan (gaya tekan) terhadap tumpukan serasah sehingga dapat diketahui tekanan yang diperoleh tumpukan serasah. Data profil guludan dibutuhkan untuk perancangan lebar pemasukan serasah kedalam mesin pencacah. Dengan data tersebut maka kapasitas mesin dapat diperkirakan. Data densitas tumpukan serasah dibutuhkan untuk perancangan aliran massa yang terjadi didalam mesin pencacah serasah tebu. Data gaya tekan terhadap tumpukan serash tebu dibutuhkan untuk menghitung besarnya daya yang diperlukan untuk memampatkan tumpukan serasah didalam mesin tersebut. 32