a. rancangan fungsioanal - repository.ipb.ac.id · sumber tenaga untuk rangkaian elektronika adalah...
TRANSCRIPT
15
IV. ANALISA PERANCANGAN
Alat tanam jagung ini menggunakan aki sebagai sumber tenaga penggerak elektronika
dan tenaga manusia sebagai penggerak alat. Alat ini direncanakan menggunakan jarak tanam
80 x 20 cm dengan harapan penjatahan benih sebanyak 1 benih per lubang pada kedalaman
2.5-5 cm. Furadan dengan dosis 5-10 g/m2 ditempatkan bersamaan dengan jagung pada
lubang tanam, serta pembuatan alur pupuk yang berada 5-10 cm dari alur tanam.
A. Rancangan Fungsioanal
Prototipe alat penanam jagung ini terdiri dari unit penugalan, penjatahan benih
dan furadan, pembuatan alur pupuk dan penutup lubang tanam.
1. Penugalan
Proses penugalan dilakukan untuk membentuk lubang tanam benih dengan
kedalaman 2.5-5 cm dengan jarak tanam 20 x 80 cm.
2. Penjatahan benih dan furadan
Proses penjatahan benih dan furadan terjadi di dalam hopper masing-masing
yang diatur oleh metering device yang berbentuk piringan bercelah yang diputar
oleh motor DC.
3. Pembuatan alur pupuk dan lubang tanam
Penutupan ubang tanam dilakukan saat piringan pembuka alur pupuk merobek
tanah dan bagian dalam tanah yang terangkat oleh piringan akan terseret masuk ke
lubang tanam oleh roda penahan rangka hopper.
Gambar 10. Skema rancangan fungsional
Maju
Penugalan lahan
Metering device berputar
Sensor magnet
Mikrokontroler
Motor driver
Penjatahan benih dan furadan
Open Gate
Pembukaan alur pupuk dan penutupan lubang tanam
16
B. Rancangan Struktural
1. Rangka Utama
Rangka utama terbuat dari besi pipa, besi hollow, dan besi plat yang ukurannya
bervariasi. Desain rangka yang terdiri dari dudukan poros roda yang terbuat dari
besi hollow, dudukan sensor magnet dan dudukan hopper terbuat dari besi plat serta
stang kendali yang terbuat dari besi pipa. Stang (kemudi) berbentuk silinder dengan
bahan besi pipa. Ukurannya sesuai dengan lebar bahu ergonomis manusia yaitu 40
cm dengan diameter genggaman 4 cm.
Gambar 11. Rancangan rangka alat
2. Penjatah Benih dan Furadan (metering device)
Penjatah benih yang digunakan adalah penjatah tipe lempeng bercelah yang
dipasang pada posisi miring. Lempengan yang digunakan berdiameter 12 cm dan
memiliki 8 buah celah berbentuk menyerupai elips dengan lebar celah 8 mm yang
disesuaikan dengan rata-rata lebar jagung manis yaitu 6.94 cm serta panjangnya 7.2
cm dan jumlah celah sama dengan banyaknya tugal dalam roda tugal. Harapannya
hasil keluaran benih adalah 1 benih per lubang. Penjatah benih ini digerakkan oleh
tenaga motor DC yang diberi tegangan 12 V yang dikontrol oleh motor driver.
17
Gambar 12. Rancangan penjatah benih jagung
Sedangkan penjatah furadan juga menggunakan tipe lempeng bercelah yang
terpasang dengan posisi horizontal atau sejajar dengan alas hopper. Lempengan
penjatah furadan ini memiliki dimensi diameter total 80 mm, tebal 8 mm dan 4 buah
celah yang berbentuk tabung dengan ukuran diameter celah 8 mm. Penjatah furadan
ini digerakkan oleh putaran motor DC yang diberi tegangan 12 V yang juga
dikontrol oleh motor driver. Hasil yang diharapkan adalah penjatahan furadan
dengan dosis 1.6 gram per lubang dengan perhitungan sebagai berikut:
𝐷 = 100
𝑘𝑔𝑎
× 0.2 × 0.8
10000= 1.6 𝑔
Gambar 13. Rancangan penjatah furadan
Volume lubang penjatah ditentukan berdasarkan volume furadan yang
dijatahkan per lubang tanam. Karena dibutuhkan dosis 1.6 g furadan per lubang
tanam, maka volume lubang pada piringan penjatah adalah:
𝑉𝜌𝑓=
𝐷
𝜌𝑓
= 1.6 𝑔
1.12 𝑔
𝑐𝑚3 = 1.43 𝑐𝑚3
15 mm
Ø80 mm
18
Karena tebal silinder penjatah 0.8 cm, maka diameter lubang adalah:
𝑑 = 4𝑉𝑙𝑏
𝜋𝑡=
4 × 1.43
3.14 × 0.8= 1.5 𝑐𝑚
Dimana:
D = dosis furadan
Vρf = volume lubang penjatah furadan
d = diameter lubang penjatah furadan
3. Kotak (hopper) Benih dan Furadan
Hopper benih pada alat ini terbuat dari bahan akrilik dengan tebal 3 mm.
Bentuk hopper benih ini berbentuk prisma segi lima yanng di bagian sisi miringnya
terdapat celah lempengan untuk penjatah benih. Hopper ini terbagi menjadi penutup
hopper, dinding hopper benih, dan katup ruang penjatah. Dimensi hopper benih
adalah 25 x 15 x 20 cm sedang kan dimensi hopper furadan adalah 250 x 10 x 20
cm. Kebutuhan volume hopper benih dan furadan dapat dihitung menggunakan
persamaan (1) dan persamaan (2) (Syafri 2010).
Kemiringan bagian penjatah hopper benih sebesar 450 dengan membuat sudut
kemiringan hopper lebih besar dibanding sudut curah jagung diharapkan jagung
yang jatuh ke saluran keluaran lebih lancar. Untuk jagung dengan kadar air 14 %
sudut curahnya adalah 25.110, 18% sudut curahnya 31.63
0 dan jagung dengan kadar
air 28% adalah 36.40 (Panggabean 2008).
(a) (b)
Gambar 14. (a) desain hopper Benih dan (b) desain hopper furadan
lp
jAV
b
bhb
410
Keterangan :
Vhb : volume kotak benih (cm3)
A : luas penanaman sekali mengisi kotak benih (1000 m2)
J : jumlah benih jagung setiap lubang tanam (1 biji)
b : massa per butir benih jagung rata-rata (0.3 g)
19
b : kerapatan isi benih (0.676 g/cm3)
p : jarak antar barisan tanam (80 cm)
l : jarak antar lubang tanam dalam barisan (20 cm)
Ukuran volume kotak benih dengan nilai parameter yang direncanakan adalah:
g
Vhb
1666.9mcm2467.1V
20800.676
100.311000
3
hb
4
Kebutuhan benih untuk luas 1000 m2 = 1000/0.8×0.2 = 6250 benih
Total benih dalam 1 hopper = 1669.9/0.3 = 5567 benih
Volume kotak furadan. Volume kotak furadan dapat ditentukan dengan
melihat kebutuhan dosis furadan per hektar, berat jenis furadan, dan efisiensi
pengisian furadan. Volume kotak pupuk dapat ditentukan dengan persamaan
berikut:
104
p
hp
DAV
Dalam hal ini:
Vhp : volume kotak pupuk(cm3)
A : luas pemupukan sekali mengisi kotak pupuk (1000 m2)
D : dosis furadan (100 kg/ha)
b : kerapatan isi furadan (1.12 g/cm3)
g
Vhp
580mcm858.52V
1041.12
1001000
3
hp
Kebutuhan furadan untuk luas 1000 m2 = 1.6 g × 6250 lubang = 10000 g = 10 kg
4. Roda Tugal
Agar tanah dapat terlubangi dengan rapi dan seragam maka diperlukan roda
tugal yang bekerja dengan sistem yang continuous dengan jarak mata tugal yang
telah disesuaikan jarak tanamnya. Roda tugal dirancang dengan diameter pada
velknya 45.72 cm . Kemudian mata tugal dirancang dengan bentuk prisma segitiga
dengan ukuran lebar 5cm dan tinggi 6 cm. Jarak tanam yang diharapkan oleh roda
tugal ini adalah 80 x 20 cm dan ke dalam penugalan adalah 2.5–5 cm, sehingga
volume mata tugal yang menekan tanah sekitar 36 cm3
seperti pada skema yang di
tunjukkan pada Gambar 16.
20
Gambar 15. Rancangan Roda tugal
Gambar 16. Rancangan mata tugal
Gambar 17. Skema tahanan penetrasi tanah
Ø 45.72 cm
57.72 cm
benih
Titik centroid
21
5. Poros Roda Tugal
Poros roda tugal mengalami pembebaban yang berasal dari beban alat
keseluruhan. Dengan adanya pembebanan yang terjadi maka ukuran dan jenis poros
tidak boleh sembarangan. Harus melalui perhitungan yang memperhitungkan
berbagai aspek, perhitungan diameter poros dengan beban lentur murni:
W = 29 kg, g = 80 cm = 800 mm, j = 100 cm = 1000 mm
h = 106 cm = 1060 mm, V = 0.325 m/s = 1.17 km/h, r = 24.13 cm = 241.3 mm
𝑀1 = 1000 − 800
4× 29 = 1450 𝑘𝑔. 𝑚𝑚
αV = 0.4, αL = 0.3
M2 = 0.4 × 1450 = 580 kg.mm
ɑ = 10 cm = 100 mm, l = 60 mm
P = 0.3 × 29 = 8.7 kg
Q0 = 8.7 × 1060/1000 = 9.22 kg
𝑅₀ = 8.7 1060 +241.3
800 = 14.15 kg
M3 = 8.7 × 241.3 + 9.22 ×(100 + 60) – 14.15 ×(100+60) – (1000 – 800/2)
= 2725.51 kg.mm
Poros pengikut, kelas 1, σwb = 10 km/mm2, m = 1
𝑑𝑠 ≧ 10.2 × 1 × (1450 + 580 + 2725.51)
10
1/3= 16.93 𝑚𝑚 = 17 𝑚𝑚
𝜍𝑏 = 10.2 × 1 × (1450 + 580 + 2725.51)
173 = 98.7
𝑘𝑔𝑚𝑚2
n = 10/9.87 = 1.01, baik
Diameter poros berdasarkan perhitungan adalah 17 mm dan untuk
mempermudah perakitan digunakan diameter poros 1 inchi = 2.54 cm yang mudah
diperoleh.
22
6. Pembuka Alur Pupuk
Rancangan pembuka alur pupuk ini dibuat berbentuk piringan atau blade yang
terletak di belakang hopper. Jarak yang diharapkan untuk membuat alur pupuk
adalah 5-10 cm dari alur lubang tanam dan dengan kedalaman 2–5 cm dari
permukaan tanah karena pupuk disarankan berada tidak jauh dari permukaan tanah
agar lebih mudah diserap oleh akar tanaman. Selain itu piringan pembuka alur pupuk
ini dirancang dengan kemiringan 13.6° agar piringan dapat berputar, berobek dan
membalik tanah dengan baik, selain itu agar tanah juga menutup lubang tanam
dengan sempurna.
Perhitungan sudut piringan pada pembuka alur pupuk:
𝛼 = sin−1 2
8.5 = 13.6°
Gambar 18. Rancangan piringan (blade) pembuka alur pupuk
30 cm Ø 13 cm
5 cm
6.5 cm
8.5 cm
a = 8.5 cm
b = 2 cm
α
23
7. Sumber Tenaga
Sumber tenaga untuk rangkaian elektronika adalah aki (accu) kering 5Ah.,
sedangkan sumber tegana dorong alat dari tenaga manusia. Untuk mengetahui
besarnya daya listrik yang dibutuhkan untuk mengoperasikan keseluruhan sistem
kerja dari kontrol elektronika, maka diperlukannya perhitungan daya listrik yang
tersedia oleh aki dan daya yang akan digunakan. Perhitungan kebutuhan kosumsi
daya listrik:
Daya Aki 12V, 5Ah = 60 W
Mikon = 0.02 A, 12V = 0.24 W
EMS 2A = 2A, 5V = 10 W
Oph-Amp = 0.02 A, 5V = 0.1 W
Sensor magnet = 0.025 A, 5V = 0.125 W
Motor DC MD = 0.06 A, 12V = 0.72 W × 4 buah = 2.88 W
Motor DC OG = 0.025 A, 5V = 0.125 W × 2buah = 0.5 W
Total daya = 0.24 + 10 + 0.24 + 0.125 + 2.88 + 0.5 = 13.845 W
Ketika daya yang berasal dari aki kering habis maka aki dapat diisi kembali
dayanya dengan bantuan charger.
Daya charger aki 18 V, 800mA = 14.4 W
Daya aki 60 W
maka waktu yang dibutuhkan untuk mengisi daya pada aki = 60/14.4 = 4.16 jam
Untuk mengetahui besarnya daya yang diperlukan untuk mengoperasikan alat,
perlu diketahui terlebih dahulu analisis kebutuhan tenaga dorong yang terjadi ketika
alat beroperasi.
Dimana:
Frr = tahanan gelinding pada roda tugal (N)
Ftp = tahanan potong piringan pembuka alur pupuk (N)
Wr = bobot dinamis roda (N)
Crr = koefisien tahanan gelinding
Fd = gaya dorong yang diperlukan (N)
ds = draft per unit area
Kecepatan maju operator = 1.17 km/h = 0.325 m/s
Daya manusia laki-laki dewasa (asumsi berat badan 60 kg) = 0.3 Hp = 223.71 W
Fd
Ftp Frr
Wr
24
Fd = Ftp + Frr
Frr = Crr × Wr
Dimana Wr dihitung dari kebutuhan untuk menekan tugal (pada roda) menembus
tanah hasil olahan.
A = 6 cm × 6 cm 36 cm2
𝑡𝑝 = 5 𝑘𝑔𝑓
2 𝑐𝑚2= 2.5
𝑘𝑔𝑓𝑐𝑚2
𝐴𝑡 = 3
5× 36 𝑐𝑚2 = 21.6 𝑐𝑚2
𝑊𝑟 = 21.6 × 2 × 2.5 × 2 = 108 𝑘𝑔𝑓 = 1058 𝑁
𝐶𝑟𝑟 = 0.3 × 1058 𝑁 = 317 𝑁
Ftp dihitung menggunakan persamaan draft per unit area
Asumsi tanah gembur yang sudah diolah menggunakan persamaan Sandy Loan
Draft per unit area:
ds = 2.8 + 0.013V = 2.8 + (0.013 × 1.17) = 2.815 N/cm2
𝐴𝑝𝑜𝑡𝑜𝑛𝑔 = 5 × 2
2× 2 = 10 𝑐𝑚2
𝐹𝑡𝑝 = 𝑑𝑠 × 𝐴𝑝𝑜𝑡𝑜𝑛𝑔 = 2.815 × 10 = 28.15 𝑁
𝐹𝑑𝑜𝑟𝑜𝑛𝑔 = 𝐹𝑟𝑟 + 𝐹𝑡𝑝 = 317 + 28.15 = 345.15 𝑁
𝐷𝑎𝑦𝑎 𝑑𝑜𝑟𝑜𝑛𝑔 = 𝐹𝑑𝑜𝑟𝑜𝑛𝑔 × 𝑣 = 345.15 𝑁 × 0.325 𝑚𝑠 = 112 𝑊𝑎𝑡𝑡
Tenaga dorong yang tersedia (tenaga dorong manusia laki-laki dewasa) 223.71 Watt,
sehingga dapat disimpulkan alat dapat didorong.