PERMODELAN DAN SIMULASI PENANAMAN PADA MESIN PENANAM PADI

I PENDAHULUAN

1. LATAR BELAKANG

Metode penanaman padi di Provinsi Aceh secara umum masih dilakukan secara tradisional oleh petani, sehingga menghasilkan jarak tanam yang tidak seragam, membutuhkan tenaga kerja yang banyak, waktu yang lama, dan biaya yang sangat besar. Ketidak seragaman jarak tanam juga akan memberikan dampak terhadap kelambatan perkembangbiakan bibit, menyulitkan petani saat melakukan penyiangan, pemupukan dan penyemprotan. Hal ini tentunya akan berdampak pada penurunan hasil panen padi. Fakta lain menunjukkan bahwa masa tanam tidak pernah terjadi secara serentak dikarenakan langkanya tenaga kerja yang mempunyai kualifikasi dibidang ini.

                      Perkembangan teknologi mesin penanam padi (rice transplanter) dewasa ini mengalami kemajuan yang sangat pesat di negara-negara maju. Pada tahun 2007, Dinas pertanian Jepang dan tanaman pangan telah berhasil menciptakan transplanter yang dapat bekerja dengan pengontrolan GPS. Penggunaan mesin penanam padi telah berhasil diimplementasikan di Negara-negara maju, seperti; Jepang, Korea, Thailand an China, akan tetapi sukar untuk diadopsi di negara-negara sedang berkembang seperti Indonesia dikarenakan keterbatasan kemampuan ekonomi petani dan budaya masyarakat sebagai petani turun-menurun.

          Thomas, E.V (2001) dan Thomas (2003) menegaskan bahwa untuk lahan sawah basah sistem mekanisme yang cocok pada mesin penanam padi adalah  mekanisme empat batang penghubung (four bar linkage mechanism) yang berfungsi sebagai lengan penanam dan pengambil bibit dari hoper. Implementasi dari mekanisme ini sangat rumit, sehingga memerlukan kedalaman analisa kinematik untuk memastikan mekanisme ini dapat bekerja sesuai yang diinginkan.

            Penelitian Marzuki, dkk (2014) telah menghasilkan suatu alat mekanisme penanam padi dari mekanisme empat batang penghubung. Lebih lanjut, Marzuki dkk berargumentasi bahwa permodelan mekanisme dari empat batang penghubung untuk mekanisme penanam padi dapat dimodelkan dan disimulasikan dengan menggunakan Software Solidworks dan analisa kinematik dapat juga dilakukan dengan menggunakan software-software lainnya. Permodelan dengan software akan sangat lebih efektif untuk mendapatkan kesesuaian dimensi dan panjang batang serta kesesuaian bentuk lokus gerakan.

           Untuk kajian lebih lanjut, penulis tertarik untuk membuat permodelan dan simulasi mekanisme penanaman padi dari mekanisme empat batang penghubung dengan menggunakan Software Solidworks premium 2013. Permodelan dan simulasi ini diharapkan nantinya dapat menemukan suatu mekanisme untuk penyesuaian seperti gerakan manusia pada saat mengambil bibit, menancapkan bibit padi kedalam tanah (penanaman)  secara baris dan kolom dan bergerak secara kontinyu melakukan perulangan.

                                                      II. TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Mekanisme Penanam Padi

kebanyakan mesin-mesin mekanisasi pertanian selalu menggunakan mekanisme batang penghubung yang digerakkan oleh penggerak utama yang berupa motor bensin atau diesel untuk menggerakkan mekanisme tersebut. Pergerakan, kecepatan dan percepatan yang terjadi pada  batang peluncur atau penghubung selalu dianalisa dengan prinsip kinematik.

Mekanisme penanam padi dapat menggunakan mekanisme lengan ayun, mekanisme penggerak lengan ayun merupakan suatu rantai kinematik yang dihubungkan bersama atau kedalam keadaan bersinggungan yang memungkinkan bergerak relative terhadap batang lainnya.

2.2     Permodelan dan Simulasi

Permodelan dan simulasi mekanisme dengan menggunakan software Solidworks premium 2013 haruslah melalui pengenalan dasar dari 1 (lengan motor), lengan 2 (lengan pengambil bibit), dan lengan 3 ( lengan penerus gerakan batang). Panjang ketiga lengan tersebut haruslah terdapat kesesuaian lubang, sehingga dapat memberikan gerakan yang mulus dan haruslah dipastikan lengan 2 harus dapat berputar 360⁰ setelah assembly dan pada saat dilakukan proses simulasi.

2.3 Permodelan Mekanisme

Permodelan dengan software solidworks premium 2013 haruslah mengenai pengenalan dasar dari batang 1 (frame), batang 2 (crank), batang 3 (connector), dan batang 4 (rocker). panjang keempat batang tersebut haruslah terdapat kesesuaian lubang, sehingga dapat memberikan efek gerakan yang mulus dan haruslah dipastikan bahwa batang 2 harus dapat berputar 360⁰ setelah proses assembly selesai. 

Jika permodelan telah sesuai seperti yang diinginkan, maka langkah selanjutnya adalah menentukan komponen-komponen yang tetap dan bergerak baik rotasi maupun linear.

2.4 Simulasi Model

Menurut Law and Kelton (1991) Simulasi merupakan suatu teknik meniru operasi-operasi atau proses- proses yang terjadi dalam suatu sistem dengan bantuan perangkat komputer dan dilandasi oleh beberapa asumsi tertentu sehingga sistem tersebut bisa dipelajari secara ilmiah.

Model adalah alat yang sangat berguna untuk menganalisis maupun merancang sistem. Sebagai alat komunikasi yang sangat efisien, model dapat menunjukkan bagaimana suatu operasi bekerja dan mampu merangsang untuk berpikir bagaimana meningkatkan atau memperbaikinya. Model didefinisikan sebagai suatu deskripsi logis tentang bagaimana sistem bekerja atau komponen-komponen berinteraksi. Dengan membuat model dari suatu sistem maka diharapkan dapat lebih mudah untuk melakukan analisis. Hal ini merupakan prinsip pemodelan, yaitu bahwa pemodelan bertujuan untuk mempermudah analisis dan pengembangannya.

Melakukan pemodelan adalah suatu cara untuk mempelajari sistem dan model itu sendiri dan juga bermacam-macam perbedaan perilakunya.

2.5 Analisa Kinematik

Batang-batang penghubung pada mekanisme diidentifikasikan sebagai 1), panjang batang engkol, L₁, 2) panjang batang penghubung (coupler), L₂ 3) panjang batang yang mengikuti, L₃ 4) panjang batang tetap horizontal, β.

Batang penghubung diposisikan tetap, dimensi akan disesuaikan mengikuti batang engkol yang bergerak. Komponen ini disambung dengan menghitung sudut pergerakan engkol. Sudut engkol dikondisikan 1⁰. Untuk menganalisa kinematiknya menggunakan metode Newton-raphson yang dituliskan dengan matrik jacobian untuk batang penghubung. Perhitungan dimensi dilakukan untuk menentukan dimensi batang dan menganalisa panjang batang penghubung L1, L2, L3.

      Jika batang penghubung 1 merupakan titik A dan D dengan jarak R1, sementara batang penghubung 2 dengan garis AB dengan panjang R2. Batang penghubung 3 adalah garis BC dengan panjang R3, dan panjang batang 4 adalah mengikuti garis CD dengan panjang R4. Gambar 2.22 Menunjukkan sudut yang terbentuk titik A dan titik D yang merupakan sudut offset (θ₁). Maka persamaan  yang berlaku untuk menganalisa diagram kinematis tersebut adalah

2.6 Analisa Kinematik Dengan Menggunakan Software Solidworks

Menurut Liu, Ti Lin Menganalisa kinematik kecepatan dan percepatan dapat menggunakan Microsoft office excel dengan persamaan-persamaan berikut ini:

1.      Untuk mencari panjang lintas gerakan batang

S=                                                                                (2.1)

2.      Untuk mencari radian antara dua batang

β = )                                                                                         (2.2)

3.      Untuk mencari sudut terhadap bidang datar

ψ =                                                                                        (2.3)

4.      Untuk mencari radian yang terbentuk antara batang 1 dan 4

ƛ = ψ)                                                                                            (2.4)

II. METODE SIMULASI

3.1 Permodelan Simulasi Mekanisme

3.1      Lengan Motor

Lengan motor ini berfungsi untuk meneruskan pergerakan batang, sehingga batang lengan pengambil bibit dapat memberikan pergerakan batang yang mulus dan haruslah dipastikan lengan motor dapat berputar 360⁰ pada saat dijalankan simulasi, dan komponen lengan motor ini berhubungan dengan lengan pengambil bibit yang didukung oleh lengan penerus gerakan batang sehingga lengan pengambil bibit dapat memberikan pergerakan lokus yang mulus.

Penggambaran lengan motor ini digambarkan dengan menggunakan software solidworks dengan memilih new part kemudian ok, selanjutnya memilih pandangan front plane, dan memilih sketch entities: circle, line dan kemudian kita trim di beberapa bagian yang ingin di potong.

3.2      Lengan Pengambil Bibit

Lengan pengambil bibit ini berfungsi untuk mengambil bibit padi dari hoper dan mampu menanam padi baik secara baris maupun kolom dan mampu menutup kembali jejak tanam setelah penanam padi, dan komponen lengan pengambil bibit ini berhubungan dengan lengan penerus gerakan batang yang diputar oleh lengan motor sehingga lengan pengambil bibit dapat berputar dan dapat memberikan pergerakan lokus yang mulus.

Penggambaran lengan pengambil bibit ini digambarkan dengan menggunakan software solidworks dengan memilih new part kemudian ok, selanjutnya memilih pandangan front plane, dan memilih sketch entities: line, circle dan kemudian kita trim di beberapa bagian yang ingin di potong, dan berikutnya melakukan fillet dibeberapa titik. 

3.3 Lengan Penerus Gerakan

Lengan penerus gerakan ini berfungsi untuk membantu meneruskan pergerakan batang pengambil bibit setelah batang lengan motor berputar, sehingga lengan pengambil bibit dapat memberikan pergerakan batang yang mulus dan haruslah dipastikan batang lengan penerus gerakan dapat berputar searah jarum jam maupun berlawanan arah jarum jam, dan komponen lengan penerus gerakan batang ini berhubungan dengan lengan pengambil bibit yang didukung oleh poros penahan rangka belakang sehingga lengan pengambil bibit dapat memberikan pergerakan lokus yang mulus.

Penggambaran lengan penerus gerakan ini digambarkan dengan menggunakan software solidworks dengan memilih new part kemudian ok, selanjutnya memilih pandangan front plane, dan memilih sketch entities: line, circle dan berikutnya melakukan fillet di kedua ujung tersebut. 

3.4 Pengikat Rangka Belakang       

Pengikat rangka belakang ini berfungsi untuk mengikat batang lengan penerus gerakan sebelah kiri dengan yang sebelah kanan dan juga untuk mengikat penahan rangka atas, sehingga tidak terlepas dari kedudukan lubangnya, dan komponen pengikat rangka belakang ini berhubungan dengan lengan penerus gerakan batang yang didukung oleh rangka atas dan penahan rangka.

Penggambaran pengikat rangka atas ini digambarkan dengan menggunakan software solidworks dengan memilih new part kemudian ok, selanjutnya memilih pandangan front plane, dan memilih sketch entities line. 

3.5 Pin Motor

Pin motor ini befungsi untuk mengikat batang lengan pengambil bibit dengan batang lengan motor, sehingga tidak terlepas dari kedudukan lubang batang lengan pengambil bibit dengan batang lengan motor, sehingga batang lengan pengambil bibit dapat bergerak dengan mulus, dan pin motor ini berhubungan dengan lengan penerus gerakan batang dan lengan pengambil bibit.

Penggambaran pin motor ini digambarkan dengan menggunakan software solidworks dengan memilih new part kemudian ok, selanjutnya memilih pandangan front plane, dan memilih sketch entities line. 

3.6 Pin Lengan Pengambil Bibit

Pin lengan pengambil bibit ini befungsi untuk mengikat batang lengan pengambil bibit dengan batang lengan penerus gerakan, sehingga tidak terlepas dari kedudukan lubang batang lengan pengambil bibit dengan batang lengan penerus gerakan, sehingga batang lengan pengambil bibit dapat bergerak dengan mulus, dan pin lengan pengambil bibit ini berhubungan dengan lengan pengambil bibit dan lengan motor.

Penggambaran pin lengan pengambil bibit ini digambarkan dengan menggunakan software solidworks dengan memilih new part kemudian ok, selanjutnya memilih pandangan front plane, dan memilih sketch entities line. 

3.7 Rangka Atas

Rangka atas ini berfungsi untuk mengikat rangka belakang sehingga komponen sebelah kiri dengan yang sebelah kanan tidak bergeser dari kedudukannya, rangka atas ini juga diikat dengan penahan rangka, dan komponen rangka atas ini berhubungan dengan poros penahan rangka belakang yang didukung oleh penahan rangka.

Penggambaran rangka atas ini digambarkan dengan menggunakan software solidworks dengan memilih new part kemudian ok, selanjutnya memilih pandangan front plane, dan memilih sketch entities: line, circle dan berikutnya melakukan fillet di beberapa sudut.

3.8 Komponen Motor

Komponen motor ini berfungsi untuk meneruskan semua putaran batang  batang lengan motor, sehingga batang lengan motor dapat berputar searah jarum jam dan dapat memberikan pergerakan lengan pengambil bibit yang mulus, dan komponen motor ini berhubungan dengan batang lengan motor.

Penggambaran komponen motor ini digambarkan dengan menggunakan software solidworks dengan memilih new part kemudian ok, selanjutnya memilih pandangan front plane, dan memilih sketch entities line.

3.9 Penahan Rangka

Penahan rangka ini berfungsi untuk menahan seluruh komponen empat batang penghubung yang sudah di assembly, sehingga waktu proses menjalankan simulasi dapat berputas dengan mulus seperti yang diinginkan, dan komponen penahan ini berhubungan dengan rangka atas yang didukung oleh poros penahan rangka belakang.

Penggambaran penahan rangka ini digambarkan dengan menggunakan software solidworks dengan memilih new part kemudian ok, selanjutnya memilih pandangan front plane, dan memilih sketch entities line. 

3.10 Penyambung Poros

Penyambung poros ini berfungsi untuk mengikat batang lengan motor sebelah kiri dengan yang sebelah kanan, sehingga batang lengan motor tidak terlepas dari kedudukan lubangnya dan dipastikan komponen motor harus fix sehingga tidak akan bergeser, dan komponen penyambung poros ini berhubungan dengan lengan motor.

Penggambaran penyambung poros ini digambarkan dengan menggunakan software solidworks dengan memilih new part kemudian ok, selanjutnya memilih pandangan front plane, dan memilih sketch entities circle. 

3.11      Pengujian Simulasi Gerakan

Pengujian simulasi ini dilakukan untuk menguji fungsi dari komponen-komponen simulasi yang dirancang atau dibuat untuk melihat gerakan yang mulus dan untuk melihat lokus pergerakan yang diinginkan, apakah berfungsi atau tidak. Pengujian ini meliputi: lengan motor, lengan pengambil bibit, dan lengan penahan gerakan.

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1              4.1 Model Mekanisme Empat Batang Penghubung Pada Mesin Penanam Padi

Hasil yang telah dicapai pada proses pembuatan komponen empat batang penghubung dengan jumlah lengan 2 (dua). Mekanisme gerakan dari empat batang penghubung didesain bersumber dari motor penggerak yang diteruskan oleh rantai penghubung untuk memutar poros yang terhubung dengan batang lengan penggerak sehingga lengan pengambil bibit dapat bergerak mengambil bibit dari hoper. 

4.1              4.2 Simulasi Mekanisme Empat Batang Penghubung Pada Mesin Penanam Padi

Hasil akhir yang telah dicapai pada proses pembuatan simulasi mekanisme empat batang penghubung pada mesin penanam padi (Transplanter). 

4.3        Prinsip Kerja

Simulasi mekanisme empat batang penghubung pada mesin penanam padi ini memiliki beberapa prinsip kerja diantaranya adalah sebagai berikut:

1.      Lengan motor dapat berputar 360⁰ searah jarum jam

2.      Simulasi mekanisme penanam padi dari mekanisme empat batang penghubung yang dapat bergerak secara kontinyu, mengambil bibit padi dari hoper dan menancapkan bibit ketanah dengan kedalaman tanam antara 4-8 cm.

3.      Simulasi dilengkapi dengan jari penanam yang berfungsi mengambil bibit dari hoper, membawa, menancapkan bibit ketanah dan bergerak secara mekanik membentuk lokus yang sama tanpa terjadinya slip.

4.      Simulasi ini dapat melakukan penanaman dengan jarak tanam secara baris 25 x 25 cm dan kolom dengan jarak penanaman 20 x 20 cm.