Pengembangan Desain Baru dan Manufaktur Alat Pemanen Sawit Mekanis Untuk Meningkatkan Mutu Produksi dan Daya Saing

  LAPORAN TAHUNAN PELAKSANAAN PENELITIAN DESENTRALISASI SKIM PENELITIAN HIBAH BERSAING Pengembangan Desain Baru dan Manufaktur Alat Pemanen Sawit Mekanis Untuk Meningkatkan Mutu Produksi dan Daya Saing Tahun ke-2 dari rencana 3 tahun

  Tim Peneliti Dr.Eng., Ir. Indra, MSc NIDN 0024106404 Dr.Eng. Ir. Listiani Nurul Huda, MT NIDN 0002046903

  Dibiayai oleh DIPA Direktorat Penelitian Pengabdian Kepada Masyarakat Tahun Anggaran 2015, Sesuai Dengan Surat Perjanjian Pelaksanaan Hibah Penelitian Bagi

  Dosen Perguruan Tinggi Universitas Sumatera Utara Nomor : 120/SP2H/PL/Dit. Litabmas/II/2015, tanggal 05 Pebruari 2015.

  LEMBAGA PENELITIAN UNIVERSITAS SUMATERA UTARA TAHUN ANGGARAN 2015 431/Teknik Mesin

  DAFTAR ISI

  HALAMAN PENGESAHAN RINGKASAN BAB 1 PENDAHULUAN........................................................................................

  BAB 2 STUDI PUSTAKA....................................................................................... BAB 3 METODE PENELITIAN............................................................................. BAB 4 BIAYA DAN JADWAL PENELITIAN.....................................................

  6. 1. Anggaran Biaya.................................................................................. 6. 2. Jadwal Penelitian.................................................................................

  BAB 5 DAFTAR PUSTAKA.................................................................................. LAMPIRAN-LAMPIRAN........................................................................................ Lampiran 1. Justifikasi Anggaran Penelitian ............................................................. Lampiran 2. Biodata Ketua dan Anggota .................................................................. Lampiran 3 Susunan Organisasi Tim Peneliti dan Pembagian Tugas........................ Lampiran 4. Surat Pernyataan Ketua Peneliti dan Anggota.......................................

  2

  3

  6

  20

  23

  23

  23

  24

  25

  25

  28

  

RINGKASAN

  Pengembangan Rancangan mata pisau pemanen sawit terdiri dari pemegang (shank) dan mata potong (insert). Pemilihan bahan dan perbaikan sifat mekanis untuk meningkatkan umur dan ketajaman mata pisau sudah dilakukan melalui metode Perlakuan panas (Heat treatment dan deformasi plastis serta thermomechanical heat treatment. Desain awal alat pemanen sawit dianalisa dengan menggunakan simulasi software ANSYS untuk mendapatkan pra rancangan distribusi gaya pemotongan. Selanjutnya dilakukan analisa mekanisme pemotongan tandan dan pelepah kelapa sawit secara eksperimental. Analisa ini dapat memberikan parameter awal mata pisau yang efektif dan effisien memotong tandan dan pelepah kelapa sawit secara aktual. Selanjutnya Desain dan Proses Manufaktur mata pisau pemanen sawit yang ergonomis dan ramah lingkungan. Target jangka panjang penelitian ini akan dapat meningkatnya produktivitas dan daya saing melalui pengembangan Alat Pemanen Sawit secara Mekanis. Sedangkan untuk mengetahui karakteristik kondisi kerja alat panen dilakukan melalui pengujian gaya potong dan pengamatan dilaboratorium. Dalam penelitian ini dianalisis gaya pemotongan spesifik pada tandan dan pelepah kelapa sawit untuk mendapatkan hubungan antara sifat mekanik dan mekanisme pemotongan serta parameter variasi mata pisau seperti sudut pemotongan (

  θ), sudut ketajaman (β) pada mata pisau dua sisi dan satu sisi ketajaman. Eksperimental dan simulasi di lakukan pada pisau satu sisi dan dua sisi ketajaman diambil pada

  θ= 10°,15°,20°,25°,30° dan β=10°,15°,20°,25°,30° Key word : Gaya potong, Variasi Bentuk Mata Pisau, Sudut Potong, Energi potong, Koefisien gesek potong, Manufaktur

BAB 1 PENDAHULUAN Alat pemanen sawit Egrek dan Dodos yang ada sekarang merupakan hasil desain

  dari zaman belanda. Hingga sekarang alat pemanen sawit ini belum banyak mengalami sentuhan teknologi dan juga perubahan desain. Egrek biasa digunakan sebagai alat pemanen sawit untuk pohon yang sudah tinggi minimal 3 meter, sedangkan dodos sawit digunakan untuk tinggi pohon lebih kecil dari 3 meter. Fungsi egrek sendiri selain untuk memanen buah sawit juga untuk memudahkan para petani memotong pelepah - pelepah daun sawit yang sudah tua. Adapun bentuk egrek yang ada dipasaran sekarang ini sebahagian besar desainnya sama satu dengan yang lain hanya yang berbeda merek manufaktur diantaranya Merk Sam Lee M222, Jaya Mata, BTM 222, SKL dll. Egrek biasanya terbuat dari baja karbon sedang yang berkualitas tinggi, sangat tajam dan tidak mudah tumpul. Menurut Hasil penelitian rekayasa alat pemanen kelapa sawit dapat meningkatkan produktivitas panen Tandan Buah Segar (TBS) Kelapa Sawit Hingga 90%.

  Pengembangan alat pemanen sawit yang efektif, effisien dan ergonomis dilakukan untuk mengantisipasi persaingan global dimasa mendatang. Salah satu pendekatan pengembangan desain yang dilakukan adalah melalui analisis mekanisme pemotongan tandan dan pelepah kelapa sawit. Analisis gaya-gaya yang terjadi dapat memberikan gambaran parameter dasar desain mata pisau untuk memotong tandan dan pelepah kelapa sawit secara effisien. Parameter geometris mata pisau dapat memberikan gaya pemotongan yang lebih rendah dengan kualitas hasil potong yang baik. Simulasi dan pemodelan matematika merupakan salah satu metode untuk mendapatkan secara teoritis terhadap suatu masalah mekanika. Pengembangan model matematik gaya pemotongan tandan dan pelepah sawit juga penting dalam Pengembangan desain alat pemanen dimassa mendatang. Sebagai langkah awal perlu dilakukan penelitian yang berkaitan dengan mekanisme pemotongan jaringan tandan dan pelepah sawit untuk mendapatkan gaya pemotongan spesifik dan daya pemotongan.

  Tujuan Umum Modifikasi dimensi egrek diharapkan dapat memperkecil gaya potong (energi) yang diberikan oleh pemanen dan mempercepat waktu pemotongan tandan dan pelepah sawit sehingga dapat meningkatkan produktivitas panen. Rekayasa material egrek diharapkan dapat meningkatkan kekerasan (ketajaman) dan ketangguhan sehingga dapat mempercepat waktu pemotongan Tandan dan pelepah sawit. Hal ini diharapkan akan dapat memberikan luaran penelitian dan konstribusi langsung dalam bidang pendidikan dan pengajaran /ilmiah serta industri teknologi proses logam. Disamping itu juga untuk menerapkan teknologi inovatif dalam memperbaiki sifat-sifat mekanis, phisik, material, dan produksi rendah biaya. Adapun Tujuan Khusus dalam penelitian ini diantaranya adalah:

  1. Mengetahui karakteristik sifat fisik dan mekanik jaringan tandan dan pelepah sawit yang berkaitan dengan meknisme pemotongan.

  2. Membangun model Matematika gaya pemotongan spesifik tandan dan pelepah sawit dengan berbagi variasi mata pisau pemotongan serta perbandingan model matematika gaya pemotongan spesifik dengan hasil pengukuran.

  3. Membandingkan secara kualitatif gaya pemotongan spesifik maksimum pada berbagai perlakuan.

  4. Mendapatkan daya pemotongan dari perhitungan menggunakan parameter kondisi bahan uji dan membandingkan daya maksimum secara kualitatif.

  5. Menghasilkan Desain dan Proses Manufaktur baru mata pisau pemanen sawit yang ergonomis dan ramah lingkungan.

  6. Meningkatnya produktivitas melalu pengembangan Alat Pemanen Sawit secara Mekanis.

  7. Meningkatnya mutu produk bersertifikat dengan nilai tambah tinggi sehingga memiliki daya saing tinggi.

BAB 2 STUDI PUSTAKA Pemanenan Kelapa Sawit melalui pemotongan tandan Buah Sawit dan pelepah beserta

  brondolannya merupakan kegiatan penting dari operasional kebun kelapa sawit. pemanenan dilakukan terhadap semua tandan buah yang telah matang. Berdasarkan tinggi tanaman ada tiga cara panen yang umum dilakukan oleh perkebunan kelapa sawit di Indonesia. Tanaman yang tingginya 1- 3m digunakan cara panen jongkok dengan alat Dodos (Egrek). Sedangkan tanaman dengan ketinggian lebih besar 3 m di panen dengan cara berdiri dan menggunakan alat egrek (arit bergagang panjang). Pemanenan dengan memotong tandan sawit untuk memudahkan pemanenan sebaiknya pelepah daun yang menyangga buah dipotong terlebih dahulu.

  Sifat mekanik tandan dan Pelepah kelapa Sawit

  Analisa gaya pemotongan spesifik tandan dan pelepah Kelapa sawit sangat dipengaruhi oleh sifat mekanik tandan dan pelepahnya sendiri (Perrson 1997). Sifat mekanik dan fisik bahan yang akan dipotong akan sangat berpengaruh besar dalam berbagai penelitian-penelitian pemanenan. Data penting yang dibutuhkan dalam perhitungan analisa proses pemotongan terhadap sifat deformasi objek pemanenan misalnya Koeffisien gesek (µ),

  ). Sitkey (1986). Pengetahuan dari suatu

  y

  modulus Elastisitas bahan (E), dan Yield strength (ζ struktur tanaman/tumbuhan sangat diperlukan untuk mengetahui reaksi dari bahan tanaman terhadap gaya pemotongan dan deformasi. Hal tersebut menjadi dasar dalam hal pengembangan desain alat pemanen seperti pemotongan (perrson,1987). Alat yang dibuat untuk mengetahui gaya perlu dipelajari karakteristik bahan karena perbedaan ukuran dan bagian struktur antara skala laboratorium dan skala lapangan (Holman dan gajda, 1989)

  Mekanisme Pemotongan (Cutting) tandan dan Pelepah Kelapa Sawit

  Pemotongan tandan dan pelepah kelapa sawit yaitu proses pemisahan secara mekanik suatu benda padat sepanjang garis yang sebelumnya telah ditentukan dengan menggunakan alat pemotong. (perrson, 1987). Pemotongan Tandan dan pelepah kelapa sawit merupakan salah satu kegiatan yang paling sering dilakukan, misalnya pada saat (harvesting), pemisahan (Separation), dan juga dalam proses pengecilan (Comminution) ukuran bahan (Hendarson dan Perry,1975). Pada saat pemotongan, mata pisau menembus kedalam bahan, melewati kekuatan bahan sehingga bahan menjadi terpisah. Pada saat pemotongan berlansung, terjadi perbedaan deformasi pada bahan, yang tergantung pada bentuk mata pisau dan proses kinematik pemotongan. Oleh karena itu dalam mempelajari pemotongan suatu bahan akan selalu berhubungan dengan bentuk mata pisau dan kinematika pemotongn. (Sitkel,1986).

Gambar 2.1 memperlihatkan bentuk-bentuk pemotongan yang umum dilakukan. Pada gambar pertama (a). memperlihatkan proses pemotongan yang menggunakan mata pisau yang saling

  berhadapan dan terlibat pemotongan (Countermoving blade), contoh untuk kasus ini adalah gunting. (b). memperlihatkan tipe alat potong dimana bahan diletakkan pada landasan yang diam dan pisau pemotong bergerak. (C), mengilustrasikan pemotongan lapisan tipis, dimana distribusi tegangan disekitar mata pisau mengalami distori yang sangat besar akibat permukaan bebas pada sekitar bidang pemotngan. (d), menunjukkan metode pemotongan yang saat ini banyak dilakukan. Pada kasus ini kecepatan mata pisau harus tinggi (20 - 40 m/s). (Sitkey, 1986)

Gambar 2.1. Bentuk Pemotongan

  Proses pemotongan berarti memiliki komponen gaya- pada saat penetrasi mata pisau dan proses memotong, seperti tampak pada gambar 2.1 yaitu tahap pemotongan. gaya-gaya pada mata pisau tersebut saling terkait baik pada besaran sudut dan resultan gayanya, yang pada akhirnya akan membentuk suatu fungsi persamaan gaya pemotongan (Perrson, 1987)

Gambar 2.2. Tahap-tahap proses pemotongan bahan uji

  Menurut Sitkey (1986), bahwa pisau-pisau pemotong pada umumnya tajam pada salah satu sisi, dengan sudut ketajaman β dan ketebalan mata pisau δ. Penetrasi pisau kedalam bahan menyebabkan terjadinya deformasi dan gaya-gaya yang bekerja pada permukaan pisau ditunjukkan pada gambar 2.3.

Gambar 2.3. gaya-gaya yang bekerja selama proses pemotongan (Sitkel,1986)

  Menurut sitkel (1986), pada mata pisau satu sisi gaya normal yang bekerja pada bidang miring pisau merupakan penjumlahan komponen gaya horizontal dan gaya vertikal.

  = + ℎ sedangkan gaya tangensial yang timbul adalah 2 = µ = dimana

  µ=tanθ adalah koefisien gesek pada sisi vertikal pisau, gaya tangensial yang bekerja sebesar 1 = µ ℎ adanya gaya gesekan (friction) dalam banyak kasus sangat menentukan pada semua bidang mata pisau. Gesekan selalu terjadi pada beberapa bentuk selama pergerakan bahan dan mempengaruhi gaya yang dihasilkan. dimana: (Sitkei,G. 1986) F : Gaya pada mata pisau satu sisi dalam arah pemotongan (N/cm) Fe : Gaya pada mata pisau (N/cm) N : Gaya Normal kelancipan mata pisau (N/cm) T1,T2 : gaya Tangensial dari permukaan sisi mata pisau

  β : Sudut mata pisau µ : koefisien gesek F

  V : gaya vertikal sisi mata pisau (n/cm)

  Proses pemotongan bahan uji untuk penggunaan mata pisau dengan kemiringan >0°, maka gaya spesifik pemotongan pada jarak tempuh dan lebar bahan L=l tang ϴ (Perrson 1987)

  Konsep Koefisien Gesek

  Gaya gesek bekerja diantara dua permukaan dalam keadaan diam dikenal sebagai gaya gesek statis. Gaya gesek statis adalah gaya yang diperlukan untuk memulai pergeseran. Begitu geseran dimulai, gaya gesek biasanya akan berkurang pada tingkat tertentu yaitu untuk mempertahankan gerakan pergeseran. Gaya gesekan yang bekerja diantara dua permukaan pada gerakan relatif dikenal sebagai gaya gesek kinetik (Mohsenin, 1986) Menurut sitkei (1986), hubungan antara gaya F yang dibutuhkan untuk memulai perpindahan suatu bahan saat gaya F N yang bekerja dalam arah normal permukaan kontak dinyatakan dengan: = Diamana : F adalah koefisien gesekan statis atau dinamis.

  Hukum dasar gesekan, diasumsikan bahwa gaya gesek adalah: a. Sebanding dengan gaya normal.

  b. Bebas pada dimensi permukaan luncur.

  c. Bebas pada kecepatan luncur.

  d. Tergantung pada permukaan kontak alami.

  e. Fenomena diatas menerangkan sebagian mengapa koefisien gesekan tergantung juga pada lintasan gesekan pasa kasus bahan-bahan biologi. (Sitkey, 1986) Menurut suastawa dan aradite (1998), koefisien gesek antara bahan uji dengan permukaan bahan mata pisau dapat menggunakan persamaan berikut :

  = Dimana : µ : Koefesien gesek.

  max : Tegangan gesek maksimum terukur.

  η : Tegangan normal yang diberikan. ζ

  Menurut suastawa, okamoto dan torii (1998). Hubungan antara tegangan gesek dan tegangan normal dan relatif, ditunjukan pada gambar 2.4. Pemberiaan tegangan normal (Q )

  N

  maka tegangan gesek ( η) akan meningkat searah peningkatan perpindahan relatif (S).

Gambar 2.4. Kurva teganan regangan-perpindahan relatif Kebutuhan Enegi Pemotongan

  Menurut Sitkei (1986), proses pemotongan dibagi menjadi dua tahap, yaitu tahap pertama berupa kompaksi sampai suatu tekanan tertentu pada titik kontak antara bahan dengan mata pisau tercapai, dan tahap kedua berkaitan dengan gerakan mata pisau ke dalam bahan atau proses pemotongan itu sendiri. Kedua tahap ini dapat digambarkan secara jelas dengan diagram pemotongan statis. Gambar 2.5 memperhatikan pemotongan satis pada seikat batang jagung. Dalam hal ini bahan ditekan hingga setinggi h hingga melewati hambatan pemotongan dan besarnya energi yang diperlukan sama dengan luas daerah di bawah kurva A c kebutuhan energi untuk pemotongan efektif adalah A v sedangkan total kerjanya adalah :

  E=A c +A v

Gambar 2.5. Diagram pemotongan statis pada seikat batang jagung

  Sedangkan bagian kerja yang berguna untuk pemotongan yaitu: =

Energi spesifik yang diperlukan untuk pemotongan merupakan hasil bagi antara kerja total dengan luas potongan melintang pemotongan, yaitu : =

  Faktor yang mempengaruhi kebutuhan energi pemotongan diantaranya adalah sifat-sifat mekanik bahan, sifat geometri mata pisau dan kondisi kinematika. Sifat mekanik bahan tergantung pada jenis bahan, kadar air, tingkat pertumbuhan, dan lokasi tempat pemotongan bahan (menjauhi atau mendekati pangkal). (sitkei, 1986)

  Menurut sirvastava et.al (1993), suatu energi biomass pemotongan Ec untuk unit biomass batang/tangkai (kg) dapat dihitung dengan persamaan : = Dimana E sc adalah energi spesifik pemotongan per unit massa (Jm/kg), Lc adalah lebar dari batang/tangkai yang dipotong (m)

  Ketebalan mata pisau mempengaruhi hambatan pemotongan dalam arah yang berbeda. Gaya pemotongan secara praktis adalah konstan jika ketebalan mencapai 70-80 µm, tetapi dengan meningkatnya ketebalan maka gaya pemotongan meningkat. Pisau yang tajam pada salah satu sisi, umumnya dibuat menonjol (mounted) dengan sudut Y agar gesekan pada sisi

  °

  permukaan kecil. Dalam kasus ini, deformasi ditentukan oleh Y+ β atau sudut q= 90 –(Y + β). Semakin kecil sudut q maka semakin besar deformasi dan kebutuhan energinya. (sitkei.1986)

  Pada saat pemotongan meluncur (sliding cut), maka gaya normal yang bekerja pada pisau dapat diturunkan dengan meningkatkan sudut λ yang optimal dapat diperoleh, yang pada

  ° °

  umumnya berkisar antara 20 sampai 25 . (Sitkei. 1986) Di dalam bagian A, hanya tekanan terjadi ketika kekuatan mata pisau waktu itu belum cukup tinggi untuk pemotongan. Setelah beberapa tekanan malanjud pada bagian B bersama dengan pemotongan. Di dalam bagian C, material secara penuh dimampatkan meneruskan peotongan dan kemudian kekuatan menurun dengan cepat ketika mata pisau menyeberang pada tepi countershear. (sirvastava et.al.,1993)

Gambar 2.6. Kurva force displacement pisau untuk pemotongan lurus dengan countershear

  Menurut perrson (1987), energi pemotonganm spesifik digunakan pada perhitungan daya pemotongan (P), hubungan dengan total penerimaan daya pemotongan dan jumlah dari material bahan yang dipotong dalam unit waktu P=E M

  cs a

  Dimana : P : Daya yang digunakan untuk cutting (kw) E : Energy spesifik memotong (kj/kg)

  cs

  M a : Kapasitas pemisahaan keadaan bahan kering perunit waktu (kg/s)

  Penentuan Bentuk MataPisau dan Sudut Mata Pisau

  Penentuan bentuk mata pisau yang akan digunakan dalam penelitian ini dikembangkan dari bentuk mata pisau dodos dan egrek. seperti gambar dibawah ini

Gambar 2.7. Penentuan macam variasi untuk pisau pemotongan

  1. Ketebalan mata pisau

  Ketebalan mata pisau yang digunakan dalam penelitian pemotongan tandan dan pelepah kelapa sawit ini dipilih plat ASSAB, HSS, dan Bohler dengan ketebalan 3 mm, merupakan pendekatan dari ketebalan pisau dodos dan egrek yang digunakan saat ini.

  2. variasi bentuk mata pisau

  a. Variasi bentuk sisi mata pisau (S) Variasi bentuk sudut mata pisau yang akan digunakan dapat dua variasi yaitu; dengan satu sisi menajam dan dengan kedua sisi menajam.

  b. Variasi Sudut Ketajaman mata pisau (β)

  Variasi sudut ketajaman didapat dari memvariasikan besar sudut pada ketajaman mata pisau tersebut terdiri dari ketajaman 10°, 15°,20°,25°, dan 30°

  3. Variasi Sudut Potong Pisau ( ϴ)

  Variasi sudut potong ditetapkan dari besar sudut pada bentuk kemiringan penampang pisau tersebut. terdiri dari sudut potong 10°, 15°,20°,25°, dan 30°. dari kriteria penentuan variasi bentuk dan sudut pisau tersebut diharapkan dapat membantu menunjukkan untuk gaya potong terendah.

  Analisa pemotongan Tandan dan Pelepah Kelapa Sawit

  Gaya-gaya yang bekerja pada pisau Pemanen Kelapa Sawit Proses pemotongan bahan uji untuk penggunaan mata pisau datar (0°), maka gaya pemotongan spesifik (secara skematika) dapat ditunjukkan pada diagram gaya pemotongan pada tandan dan pelepah sawit seperti gambar dibawah ini Gambar 2.8. Gaya Spesifik yang terjadi pada bahan pada lebar bahan (perrson, 1987).

  Gaya spesifik pada penelitian analisis mekanisme pemotongan tandan dan pelepah kelapa sawit diasumsikan dari sifat mekanik bahan pada saat deformasi bahan sepanjang garis lebar bahan pada proses pemotogan. Gaya-gaya dasar yang bekerja pada suatu proses pemotongan pada penelitian ini dalam dua bentuk yaitu pada mata pisau satu sisi dan pada mata pisau dua sisi.

Gambar 2.9 Kinematika gaya-gaya yang terdapat pada mata pisau merupakan fungsi penjumlahan vertikal gaya-gaya pada saat pemotongan (Sitkel 1986)

  Menurut Sitkel (1986) pada mata pisau satu sisi gaya normal yang bekerja pada bidang miring pisau merupakan penjumlahan komponen gaya horizontal dan gaya vertikal N = FV sin

  β + β

• N = FvSin

  ℎ

  2

  2 Mata pisau dua sisi simetris terdapat dua gaya normal dibagian sisi kiri dan sisi kanan mata pisau tersebut. Sedangkan gaya tangensial yang timbul pada pisau dilambangkan dengan T

  2

  adalah: = µ

  2

  = dimana µ=tanθ adalah koefisien gesek pada sisi vertikal pisau, gaya tangensial yang bekerja sebesar

  = µ ℎ Komponen vertikal gaya tangensial gaya T

  

2 ' adalah

  1

  2 ′

  ℎ

  = µ( 2 2 + )

  2 atau

  1

  2 ′

  = µ( )

• ℎ

  2

  2

  2

  2

  2 Komponen gaya-gaya akan berperan pada proses pemotongan pada tahap penetrasi mata pisau dan proses memotong seperti tampak pada gambar 2.10.

Gambar 2.10 Tahap-tahap proses pemotongan bahan uji

  Gaya-gaya pada mata pisau tersebut saling terkait baik pada besaran sudut dan resultan gayanya, yang pada akhirnya akan membentuk suatu fungsi persamaan gaya pemotongan. Pembentukan gaya pemotongan didapat dari penjumlahan komponen gaya-gaya yang bekerja, ditunjukkan sebagai berikut:

  Mata Pisau datar (0°)

a. Mata Pisau dua sisi ketajaman

  Proses pemotongan bahan dengan analisa gaya-gaya yang bekerja merupakan fungsi penjumlahan gaya secara vertikal seperti tampak pada gambar2.10. Proses pemotongan tersebut pertama ujung mata pisau akan menusuk permukaan bahan dalam proses membelah bahan, selanjutnya kedua sisi pisau ikut dalam proses pemotongan mengalami proses gaya gesek terhadap bahan. Karena pisau dua sisi simetris, maka selain Fe komponen gaya-gaya lainnya tersebut dikalikan dua sehingga,

  1

  ′

  2

  1

• = + 2(

  2

  1 β β

  2 F = F + 2 sin cos Cos

  e F μ F + v v ℎ

  2

  2

  2

  1

  1

  2 F = F + 2

• sin

  e v v

  F μF

  ℎ ℎ

  2

  2

  2

  2 Dimana; F : gaya pada mata pisau dua sisi dalam arah pemotongan (daN/cm) Fe : Gaya pada mata pisau (daN/cm) N : Gaya normal kelancipan mata pisau (daN/cm) T1,T2 : gaya tangensial dari permukaan sisi mata pisau

  : Sudut mata pisau β µ : koefisien gesek Fv : gaya vertikal sisi mata pisau (daN/cm) Fh : Gaya horizontal sisi mata pisau (daN/cm)

Gambar 2.10. adalah contoh kurva hasil perhitungan dari model matematika gaya spesifik pemotongan dari mata pisau datar (sudut pemotongan

  θ = 0°) dengan ketajaman pada satu sisi. Mata pisau miring (kemiringan >0°), maka gaya pemotongan spesifik dapat ditunjukkan pada diagram gaya pemotongan pada jarak tempuh h dan lebar bahan L tan

  θ dan skema pemotongan pisau miring pada tandan dan pelepah kelapa sawit (gambar 2.11) Gambar2.11 Gaya pemotongan spesifik sebagai fungsi dari perpindahan berbagai bagian dari mata pisau pada kemiringan

  ϴ > 0°. (persson, 1987) Mata pisau dengan kemiringan > 0° tampak ditunjukkan pada gambar 2.11. Gaya pemotongan spesifik yang dihasilkan dipengaruhi oleh lebar bahan uji sepanjang kemiringan mata pisau terhadap L yang ditunjukkan dalam hasil selisih dari total lintasan koordinat pisau pemotong pertama. Pergerakan memotong pada pisau miring akan menghasilkan fungsi perpindahan dengan perbedaaan nilai l, sehingga: 1 = ℎ −

  

2

  2

  = ( ℎ − )

• 2

  1

  1

  maka perhitungan pergerakan geometri pisau miring adalah: jika h < H maka lt = 0 ( (

  ℎ − ) ℎ − ) 3 =

  1

  tan ≤ jika h ≥H maka (

  ℎ − ) 3 = 3

  1

  ≤ dimana: Ftot : Gaya total pemotongan pada pisau miring n sisi menajam (daN?cm)

  :sudut kemiringan pisau terhadap / (derajat) θ d1 : perpindahan nilai/pada lintasan koordinat pisau pemotong (cm) l : Jarak tempuh pada lebar bahan-bahan terhadap waktu (cm) L : lebar bahan uji (cm) H : tinggi bahan h - l tan

  θ: perpindahan pada kemiringan sudut potong terhadap suatu degradasi lebar bahan

  a. mata pisau miring (>0°) dengan dua sisi menajam Rumus dasar yang digunakan merupakan rumus gaya pemotongan pada mata pisau dua sisi: _{2 2}

  1 _{2 2 2 2}

  1 _{2 2 2 2}

  1 (

• )
_{2 1} ℎ − ℎ − ℎ − ℎ ( ^{2 2 2}

¹

¹ + + ¹ −

  3

  3

  2

  2

  2

  2 F = + ₁ … l _{2 1}

  b. Mata pisau miring (>0°) dengan satu sisi menajam Rumus dasar yang digunakan merupakan rumus gaya pemotongan pada mata pisau satu sisi: _{2 2}

  1 _{2 2}

₂

  1

• (
_{2 2 2 1 1 1 2 − 1} ℎ − ℎ − ℎ − ℎ ( + + + 1( + ) ^{2 2 2 2 2}

  2

  3

  3 F = + ₁ l _{2 1} Analisa Daya Pemotongan (Kebutuhan energi pemotongan)

  Analisa gaya pada Pemotongan Tandan Kelapa Sawit energi yang dikeluarkan dalam sekali potong lurus dapat digunakan rumus (perrson (1987):

  1 = (

  )

  2 Dimana : Ec : Energi pemotongan dalam sekali potong (J) F :lintasan kordinat pisau pemotong (cm) Energi spesifik (Es) yang diperlukan untuk memotong merupakan hasil bagi antara kerja total (E) dengan luas potongan melintang pemotongan (A) yaitu:

  = Dengan kenaikan tinggi kompaksi permulaan maka proporsi kerja yang digunakan untuk pemotongan menurun dan konsumsi energi spesifik meningkat (Sitkey, 1986) Energi pemotongan spesifik dalam pengukurannya penting diterapkan untuk menghubungkan penerimaan energi dari jumlah bahan yang sedang dalam proses pemotongan, dirumuskan:

  = Dimana : Ecs : Energi memotong spesifik (kJ/kg) Eo : Energi Memotong untuk sekali memotong (J) d : Perpindahan pemotongan pada lapisan bahan (cm) H : Jarak pemotongan (cm) L : Lebar aktual (cm)

  : Kepadatan material lapisan bahan kering (kg) ρ (Perrson 1987)

  Daya pemotongan

  Energi pemotongan spesifik yang digunakan pada perhitungan daya pemotongan (P), hubungan dengan total penerimaan daya pemotongan dan jumlah dari material bahan yang dipotong dalam unit waktu P = Ecs Ma Ecs : Energi spesifik memotong (k/kg) P : Daya yang digunakan untuk cutting (kw) Ma : KApasitas Pemisahan keadaan bahan kering (kg/s)

  Analisa Gaya Pemotongan dengan Simulasi ANSYS

  Analisa gaya pada proses pemanenan pemotongan tandan dan pelepah kelapa sawit, perlu dilakukan pembahasan tentang penguraian gaya-gaya yang terjadi. Dalam pembahasan ini dilakukan pada 1 titik kontak saja untuk mewakili gaya-gaya seperti gambar hasil simulasi menggunakan softwareANSYS dibawah ini. Radius Alat Pemanen Sawit: 200 mm

Gambar 2.12 Analisa gaya pemotongan dengan Simulasi menggunakan Software

  Gaya yang bekerja pada gambar tersebut adalah gaya tarik pada gagang mata pisau pemanen sawit. Hal ini akan mengakibatkan terjadinya gaya normal yg berlawanan arah pada titik kontak permukaan pisau dengan tandan sawit seperti diperlihatkan pada gambar 2.13

  N

F

Gambar 2.13. Skema Penguraian Gaya F
• – N Pada Mata Pisau Pemanen Sawit Gaya normal (N) tegak lurus berlawanan arah dengan gaya F. Oleh karena itu maka dapat uraikan gaya-gaya pada sumbu x dan sumbu y yang tegak lurus terhadap pemukaan mata pisau yang berbentuk sudut tertentu. Asumsi penguraian gaya-gaya ini dapat dijelaskan lebih rinci seperti pada gambar 4.9. dibawah ini. Oleh karena itu gaya F dan gaya N tegak lurus maka sudut yang terjadi oleh gaya terhadap garis sumbu dapat di ketahui bahwa sudut oleh gaya F dan gaya N sama. Sudut itu disebut sebagai sudut

  θ. Sementara gaya F tidak tepat satu garis lurus dengan gaya N maka terdapat jarak antara titik awal gaya F yang disebut X ₁. seperti diperlihatkan pada gambar 2.14. dibawah ini.

• – N pada Sumbu x dan Sumbu y Untuk mendapatkan momen pada gaya F maka dapat digambarkan seperti pada

  1

  (2.2) cos =

  = = sin

  Penguraian Gaya F Terhadap Sudut θ Maka di dapat persamaan (2.2) dan persamaan (2.3) berikut. sin

  Gambar 2.16.

  Untuk mendapatkan ΣFx dan ΣFy maka diperlukan penguraian lebih lanjut tentang gaya F dan gaya N terhadap sudut θ, seperti dijelaskan pada gambar 2.15 dan gambar 2.16 berikut ini.

Gambar 2.15. Penguraian Momen

  ) (2.1)

  1

  = (

  1

  maka,

  ( ¹ ) ₁

  =

  1

Gambar 2.14. Penguraian Gaya F

  )

  1

  (

  1

  =

  1

  1

  =

  1

  1 1 = 0

  −

  1

  ₁ dapat diabaikan, seperti dijelaskan pada persamaan (2.1). 0 = 0

gambar 2.5. Karena terjadi pada sumbu x maka y

  1

  = (2.3)

  1

  cos Gambar 2.17.

  Penguraian Gaya N Terhadap Sudut θ Maka di dapat persamaan (2.2) dan persamaan (2.3) berikut. sin

  = (2.4)

  = sin cos =

  (2.5) = cos

  Dari penguraian gaya F dan gaya N terhadap sudut θ tersebut maka dapat dihitung ΣFx dan ΣFy yaitu seperti dijelaskan pada persamaan (2.6) dan persamaan (2.7) berikut ini.

  = 0 − = 0

  1 1 − = 0

  cos

  1 − cos

  (2.6)

  

1 − cos = 0

  = 0 − = 0 sin − sin = 0

  (2.7) − sin = 0

  Dengan mensubsitusikan persamaan (2.6) dan persamaan (2.7) ke persamaan (2.8) berikut maka didapatkan nilai dari ΣF.

  2

  2

• 2

  = ( ) ( )

  1

  − − sin )²

• ( =

  2

  2

  2

  2

  (2.8) = (

  1 −

• 2

  Hasil Penelitian Yang Telah di Capai

  Kegiatan penelitian yang telah dilakukan oleh pengusul dapat dilihat pada diagram penelitian dibawah ini. Serangkaian Penelitian-penelitian seperti yang digambarkan pada peta jalanpenelitian (road map research) dibawah ini yang telah dimulai semenjak tahun 2002 ketika pengusul masih studi lanjut S3 dan seterusnya sebagai Asóciate research di Toyohashi University of Technology (TUT)Japan. Hingga sekarang terus mengembangkan penelitian-penelitian aplikasi.

  Skematik Road Map Research

  Meningkatkan Sifat Mekanis Besi Karbon menggunakan _{Metode Deformasi plastis menyeluruh untuk bahan Konstruksi transportasi dan Pertahanan Pengembangan Mekanisasi Alat Mekanisasi Alat pemanen Sawit menuju Sertifikasi Standard Nasional Indonesia untuk} Meningkatkan Daya Saing _{dan Mutu Produksi}

BAB 3 METODE PENELITIAN Tempat dan Waktu

  1. Laboratorium Teknologi Produksi Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara 2. Laboratorium Konstruksi Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

  3. Kebun percobaan PPKS di kebun Sungai putih pematang Suiantar.

  Alat dan bahan

  1. Peralatan uji pemotongan dilengkapi dengan: ring transduser l cincin sensor (kapasitas 850 kg, diameter 2,5 inch, lebar 2 cm, tebal 6 mm), Sensor regangan (strain gage) (Kyowa, KFG1-120-D16-11N15C2), plat besi ketebalan 3 mm yang dibuat variasi mata pisau; macam sisi mata pisau (1 dan 2 sisi), kemiringan pisau (15° dan 20°) dan sudut mata pisau (10°,15° dan 20°)

  2. Alat pengukur koefisien gesek

  3. Universal Testing Mesin

  Bahan-bahan yang digunakan yaitu

  Tanaman kelapa sawit yang diakai dalam pengambilan sebagai bahan uji adalah diambil dari kebun PPKS dan di Seputar Universitas Sumatera Utara. Bahan uji yang diambil dari tandan dan Pelepah tanaman kelapa sawit usia lebih besar dari 5 tahun. seperti pada Gambar dibawah ini

Gambar 3.1. Pengambilan bahan untuk uji pemotongan tandan dan pelepah kelapa sawit

  1. Tandan Buah Kelapa Sawit Tandan kelapa sawit yang digunakan dalam pengujian ini merupakan potongan tangkai tandan buah dengan ukuran sama seperti perlakuan pengujian pemotongan pelepah yaitu pengujian hanya menggunakan bagian jaringan tandan dengan ukuran 9 x 4 x 2,5 cm untuk sifat mekanik bahan dan 9 x 3 x 2,5 cm untuk uji gaya pemotongan spesifik.

  2. Pelepah daun kelapa sawit Pelepah kelapa sawit diambil dari pelepah sawit sebagai pelepah duduk, dengan pengambilan sampel pada bagian 12 cm dari pangkal petiolus, dimana selanjutnya pengujian hanya menggunakan gbagian jaringan pelepah ukuran 9 x 4 x 2,5 cm untuk sifat mekanik bahan dan 9 x 3 2,5 cm untuk uji gaya pemotongan spesifik.

Gambar 3.2. Bahan Uji dalam Penelitian (Tandan dan Pelepah Kelapa Sawit)

  Pengambilan Data

  Pengukuran sifat mekanik Pelepah dan tandan Sawit Pengukuran data material bahan dari bahan uji pelepah dan tandan kelapa sawit (ukuran 9x4x2,5 cm), seperti gambar dibawah ini dengan tujuan untuk mendapatkan nilai:

  1. Modulus Elastisitas (E)

  2. Poison Ratio (v) 3.

  Yield strength (ζ) 4. Strain (ε) pengujian sifat mekanis tersebut dilakukan menggunakan alat Universal testing Machine (UTM) di Lab. konstruksi Departemen Teknik Mesin USU.

Gambar 3.3 Metode Pengukuran sifat Mekanik Pelepah dan tandan Sawit

  Pengukuran Koefisien Gesek Koefisien gesek (µ) antara permukaaan melintang pelepah dengan permukaan plat besi bahan pisau pemotong, dilakukan dengan menggunakan peralatan uji gesek seperti gambar dibawah ini.

Gambar 3.4 Metode pengukuran koefisien gesek pelepah dan tandan sawit

  Sistem Pengukuran dan perekaman data mekanisme pemotongan

  Untuk mengukur mekanisme pemotongan tersebut, akan dibuat suatu instrumen khusus berupa peralatan pemotongan dilengkapi dengan sensor dan sistem perekam data.

Gambar 3.5 Skema penelitian analisis mekanisme pemotongan bahan uji pelepah dan batang tandan sawit.

  Model matematika untuk menghitung gaya, energi dan daya pemotongan diperoleh dari analisis selanjutnya dibandingkan dengan mekanisme pemotongan diperoleh dari analisis selanjutnya dibandingkan dengan mekanisme pemotongan tandan dan pelepah hasil pengukuran kondisi instrumen uji pada saat pengukuran adalah bahan uji diletakkan dibawah mata pisau pemotong yang telah dilengkapi dengan cincin sensor. kabel dari cincin sensor disambungkan pada Bridge box, dari Bridge box ke strain amplifier, ke interface (ADC) dan personal komputer. Dalam pengujian dilakukan perekaman data dengan frekuensi samping data 200 Hz selama 120 detik. Perekaman dat dimulai pada saat motor penggerak pisau dinyalakan (pada jarak antara mata pisau dengan bahan =3 mm) Pada pengunaan alat pengukur gaya pemotongan yang dioperasikan secara mekanik menggunakan penggerak motor listrik, dapat diukur dan dilihat karakter gaya dari mekanisme pemotongan yang terjadi.

Gambar 3.6 Posisi dan Pemasangan strain gage pada cincin sensor

  Pada saat pemotongan akan terjadi perubahan gaya pada pisau pemotong sebagai akibat gaya reaksi yang diberikan bahan uji terhadap pisau pemotong. Untuk mengindra perubahan regangan tersebut, pada cincin dipasang transduser berupa dua buah strain gage tipe silang yang dipasang membentuk circuit wheatstone bridge seperti gambar diatas. Sebelum pengukuran, dilakukan kalibrasi transduser untuk mendapatkan hubungan antara nilai tegangan keluaran dari strain amplifier dengan besarnya gaya yang terjadi. Selanjutnya nilai tegangan hasil pengukuran dikonversi kedalam satuan gaya dengan menggunakan persamaan hasil kalibrasi. Variasi parameter bahan uji, sebagai berikut:

  1. Sisi Pisau (S)

  a. Satu sisi mata pisau

  b. dua sisi mata pisau

  2. Sudut Ketajaman mata Pisau (T)

  a. 10° b.15° c.20°

  3. Sudut Kemiringan Pisau (K)

  a. 10° b. 15° c. 20° d. 25° f. 30°

• gaya pemotongan
• Gaya pemotongan Spesifik
• gaya pemotongan
• Gaya pemotongan Spesifik

  3. Pengukuran jarak dan 4. bentuk natomi irisan tandan dan pelepah

  Model matematika pemotongan Model matematika pemotongan

  Selesai Selesai

  Hasil Validasi Hasil Validasi

  Analisa Data Analisa Data

  Rekomendasi gaya teringan untuk pemotongan bahan uji dan model pemrograman pemotongan

  Rekomendasi gaya teringan untuk pemotongan bahan uji dan model pemrograman pemotongan

  Pembuatan instrumen Uji Pembuatan instrumen Uji

  Pengukuran:

  Pengukuran:

  2. Pengukuran Berat

  Pengukuran karakteristik tandan dan pelepah pada Tandan Kelapa Sawit 1. pengukuran dasar

  3. Pengukuran jarak dan 4. bentuk natomi irisan tandan dan pelepah

  2. Pengukuran Berat

  Pengukuran karakteristik tandan dan pelepah pada Tandan Kelapa Sawit 1. pengukuran dasar

  Penentuan variasi ukuran, bentuk pisau, sudut mata pisau, dan kelengkungan Penentuan variasi ukuran, bentuk pisau, sudut mata pisau, dan kelengkungan

  Analisa daya Pemotongan Analisa daya Pemotongan

  Analisa gaya pemotonganbahan:

  Analisa gaya pemotonganbahan:

  Pengaturan dan potongan bahan uji dan alat uji yang diperlukn dalam penelitian Pengaturan dan potongan bahan uji dan alat uji yang diperlukn dalam penelitian

  Mulai Mulai

• gaya potongan
• Bahan uji untuk daya potongan
• gaya potongan
• Bahan uji untuk daya potongan
Gambar 3.3. Diagram alir dari tahapan penelitian analisis mekanisme pemotongan tandan dan pelepah kelapa sawit

BAB 4. BIAYA DAN JADWAL PENELITIAN

  4.1. Ringkasan Anggaran Biaya Biaya yang diusulkan (Rp) No Jenis Pengeluaran Tahun I Tahun II Tahun III

  1. Gaji dan upah (Maks. 30%) 20.900.000 20.900.000 20.900.000 Bahan habis pakai dan peralatan

  2. 16.073.500 16.073.500 16.073.500 (30

• –40%)

  3. Perjalanan (15 23.400.000 23.400.000 23.400.000

• –25%) Lain-lain: publikasi, seminar,

  4. laporan, lainnya sebutkan (Maks. 15.340.000 15.340.000 15.340.000 15%)

  Jumlah 75.713.500 75.713.500 75.713.500 Jumlah dana yang dibutuhkan selama 3 tahun: Dua Ratus Dua Puluh Tujuh Juta Seratus Empat Puluh Ribu Rupiah (Rp.227.140.000.,-)

  4.2.Jadwal Penelitian

  a. Waktu Pelaksanaan kegiatan Kegiatan dilakukan dalam 1 (satu) tahun dengan rincian tahapan kegiatan dijabarkan dalam Matriks Pelaksanaan Kegiatan.

  b. Matriks Pelaksanaan Kegiatan Jadwal kegiatan yang dilakukan secara rinci dapat dilihat pada Lampiran 3. Matriks Pelaksanaan Kegiatan .

DAFTAR PUSTAKA

  

Alexandrov, M.Ivanov, K.Reimann, A.B. Reiziz, S.Surinach and A.P. Zhilyaev.,

  Rev.Adv.Mater.Sci.2 (2001) 1

A. Yu. Vinogradov,V.V. Stolyarof, S. Hashimoto, R.Z. Valiev., Mater. Sci. Eng.A318 (2001) 163.

  Booothroyd , (2008) , “Design for Die Casting”, Second edition, Mc graw hill, USA C.Y. Nam, J.H. Han, Y.H. Chung, M.C. Shin., Mater. Sci. Eng.A347 (2003) 253.

  I. Kopacz, M. Zehetbauer, L.S. Toth, I.V. alexandrov, B. Ortner., Proc. RisǾ Int.Symposium on Material Science, Denmark 2001.

  Flemings, 2004 “Heat Flow in Solidification”, Francis balcon, England, Hans Conrad, J. Narayan., App. Physics Letters 2002; 81; 12: 2241.

  J.Y. Huang, Y.T. Zhu, H. Jiang, T.C. Lowe., Acta metall.mater., 2001, 49, 1497. Karl T. Ulrich, Steven D.Eppinger Product Design and Development, 2nd Edition, Mc. Grawhill, Singapore 2000.

  

Mabie, H.H. and F. W Ocvirk. 1975. Mechanisme and Dynamics of Machinery. John

  Willey and Sons. New York

  

Mohsenin, N.N, 1986 Physical properties of plant and Animal materials gordon and Breach

  Science publisher, New York

  M.D. Baro, Yu.R.Kolobov, I.A.Ovid’ko, H.E.Schaefer, B.B. Straumal, R.Z.Valiev, I.V. M. Seefeldt., Rev.Adv.Mater.Sci.2 (2001) 44 M.Yu. Gutkin, I.A. Ovid’ko, C.S. Pande., Rev.Adv.Mater.Sci.2 (2001) 80.

  

Perrson S.1987, Mechanics of cutting Plant Material. An ASAE Monograp, St Josep,

  michigan:ASAE R.Z. Valiev, R.K. Islamgaliev, I.V. Alexandrov., Prog. Mater. Sci. 45 (2000) 103.

  Sitkey G 1986. Mechanics of Agricultural Material Elsevier, Amsterdam Serope Kalpakjian and Steven R. Schmid, (2006),

  “Manufacturing, Engineering &

  Technology ”, Fifth Edition, Pearson Education, Inc., Upper Saddle River, NJ.

  V.M. Segal, Mater. Sci. Eng.A271 (1999) 322.

  X. Huang, N. Tsuji, Y. Minamino, N. Hansen.,

  Proc. RisǾ Int.Symposium on Material Science, Denmark 2001 Zenji Horita, Takayoshi Fujinami, Terence G. Langdon., Mater. Sci. Eng.A318 (2001) 34.

  

LAMPIRAN-LAMPIRAN

Lampiran 1. Justifikasi Anggaran Penelitian

2. Peralatan Penunjang

3. Bahan/Barang habis pakai

  3 Transportasi Sosialisasi 2 400.000 800.000 800.000 800.000

  2 Handbook Mech Design 1 600.000 2.460.000

  1 Hand Book Mech. Engineering 1 800.000 2.460.000

  No Kegiatan Justifikasi Kuantitas Harga iaya per Tahun (Rp) Pemakaian Satuan (Rp)Tahun I Tahun II Tahun III

  5 Transportasi Medan Jakarta Bandung 1 4.000.000 4.000.000 4.000.000 4.000.000 12.325.000 12.325.000 12.325.000 5. lain-lain

  4 Transportasi Pusat Riset Sawit Malaysia 1 5.000.000 5.000.000 5.000.000 5.000.000

  1 Transportasi ke Workshop 7 75.000 525.000 525.000 525.000

  2 Transportasi survey ke Perkebunan 5 400.000 2.000.000 2.000.000 2.000.000

  4 Laporan hardcover 5 45.000 540.000 540.000 540.000

  

Justifikasi Kuantitas Harga

Pemakaian Satuan (Rp)TahunI Tahun II Tahun III

  2.058.500 2.058.500 2.058.500

  5 Aqua 15 13.500 202.500 202.500 202.500

  4 Kertas A0/kalkir 3 150.000 450.000 450.000 450.000

  3 Cartridge Printer 4 275.000 1.100.000 1.100.000 1.100.000

  3 Pengolahan Data 4 bulan/tahun 2 100.000 800.000 800.000 800.000

  1 Seminar 2 2.500.000 5.000.000 5.000.000 5.000.000

  5 Menghadiri Seminar

  1 Kertas A4 @ 36000 6 36.000 216.000 216.000 216.000

  6 Pendaftaran patent (HKI)

  1 1 3.000.000 3.000.000 3.000.000 3.000.000

  7 Publikasi Jurnal

  1 1 1.000.000 1.000.000 1.000.000 1.000.000