Desain dan Analisis Kinerja Traksi Roda Trek untuk Traktor Roda Dua pada Lahan Sawah Berlumpur Dalam

Abstract

Kondisi tanah pada lahan sawah yang sangat bervariasi dapat mempengaruhi kemampuan traksi roda pada traktor roda dua. Penggunaan desain roda yang sesuai dengan kondisi tanah sangat penting untuk diperhatikan karena dapat meningkatkan traksi dan mengurangi slip, sehingga traktor roda dua dapat bekerja lebih optimal. Pemahaman yang baik mengenai karakteristik tanah dan desain roda sangat penting untuk memaksimalkan kinerja traktor roda dua. Lahan sawah berlumpur dalam menghadirkan tantangan khusus diantara berbagai kondisi tanah, karena kedalaman lumpur yang signifikan dan karakteristik tanah yang spesifik. Lahan sawah berlumpur dalam biasanya memiliki karaktersitik lapisan keras (hardpan) yang terletak lebih dalam dibandingkan lahan sawah biasa, dengan kedalaman lumpur mencapai 50 cm atau lebih. Lahan sawah berlumpur dalam juga memiliki karakteristik tingkat konsistensi tanah dengan indeks plastisitas yang berada pada batas cair tanah dan kadar air tanah yang lebih tinggi dibandingkan lahan sawah biasa. Pada kondisi ini, desain roda konvensional seperti roda besi bersirip sudah bekerja tidak optimal sehingga diperlukan desain roda khusus agar roda dapat bekerja lebih efektif pada kondisi tanah tersebut. Penelitian ini bertujuan untuk mengembangkan desain roda tipe trek yang memiliki kinerja traksi yang optimal untuk traktor roda dua, yang bekerja di lahan sawah berlumpur dalam. Pengembangan ini dilakukan melalui serangkaian tahapan penelitian yang dimulai dari pendugaan gaya traksi roda trek berdasarkan pengukuran tahanan penetrasi tanah. Metode yang digunakan melibatkan analisis gaya-gaya yang bekerja pada roda trek dan perhitungan kinerja traksi menggunakan model matematis yang didasarkan pada literatur yang relevan. Hasil pendugaan ini kemudian divalidasi melalui pengujian kinerja traksi roda trek di bak tanah (soil bin) pada pengujian kinerja traksi roda trek skala laboratorium, dengan karakteristik tanah di soil bin yang telah dikondisikan menyerupai karakteristik tanah yang diuji di lapangan. Pengujian kinerja traksi roda trek di bak tanah (soil bin) menghasilkan rekomendasi desain roda trek dengan konfigurasi tinggi dan jarak antar sirip terbaik yang dapat diterapkan untuk traktor roda dua agar dapat bekerja dengan optimal di lahan sawah berlumpur dalam berdasarkan kriteria desain dan rasio perbandingan ukuran 1:2. Desain roda trek dengan konfigurasi tinggi dan jarak antar sirip terbaik untuk traktor roda dua tersebut selanjutnya dibuat prototype, diuji dan dianalisis kinerja traksinya secara lanjut di lahan sawah berlumpur dalam pada pengujian kinerja traksi skala lapangan. Pengujian kinerja traksi roda trek di bak tanah (soil bin) dilakukan dengan menggunakan desain roda trek uji dengan dimensi keliling trek 152,4 cm, panjang 60 cm, lebar 20 cm, dan tinggi poros 8,5 cm. Desain roda trek uji juga diberi tambahan sirip yang berfungsi sebagai pendayung yang memudahkan gerakan roda trek uji di kondisi tanah basah dan berlumpur. Dimensi tinggi sirip dan jarak antar sirip pada roda tipe trek dapat divariasikan dengan variasi tinggi sirip 5 cm, 10 cm, dan 15 cm, dan jarak antar sirip 25,4 cm, 19,05 cm, dan 12,7 cm. Pengujian kinerja traksi roda trek uji di soil bin menggunakan perlakuan beban uji secara horizontal (1–4 kg) dan vertikal (9,5–22,7 kg), dengan kecepatan putar motor penggerak 30 rpm dan kecepatan maju roda tanpa beban sebesar 0,064 m/s. Berdasarkan hasil pengujian kinerja traksi roda trek uji di soil bin ditemukan bahwa konfigurasi desain roda trek uji dengan tinggi sirip 10 cm dan jarak antar sirip 19,05 cm menghasilkan efisiensi traksi maksimum sebesar 68,45 % pada slip 14,44 % dan sinkage 7,32 cm. Berdasarkan hasil analisa penentuan konfigurasi desain roda trek dengan konfigurasi tinggi sirip dan jarak antar sirip terbaik dengan metode Analytical Hierarchy Process (AHP) maka dapat disimpulkan bahwa konfigurasi desain roda trek terbaik yang menghasilkan kinerja traksi paling optimal adalah roda trek dengan desain tinggi sirip 10 cm dan jarak antar sirip 19,05 cm (jumlah sirip 8). Hasil pendugaan gaya traksi bersih (pull) roda trek divalidasi berdasarkan hasil gaya tarik (pull) roda trek pada dua kondisi pendugaan dengan menggunakan uji Mean Absolute Percentage Error (MAPE). Kondisi pertama melibatkan pendugaan kinerja traksi roda trek dengan beban horizontal sebesar 9,81–39,23 N dan beban vertikal sebesar 93,16 N, menggunakan tinggi sirip 5 cm dan jarak antar sirip 25,40 cm. Kondisi kedua dilakukan dengan variasi beban vertikal 93,16–222,61 N dan beban horizontal 29,42 N, menggunakan tinggi sirip 10 cm dan jarak antar sirip 19,05 cm. Hasil validasi pendugaan gaya traksi bersih (pull) pada kondisi pertama menunjukkan bahwa pendugaan gaya traksi bersih (pull) memperoleh tingkat error sebesar 5,31 % dengan tingkat akurasi sebesar 94,69 %. Hasil validasi pendugaan gaya traksi bersih (pull) pada kondisi kedua menunjukkan bahwa pendugaan gaya traksi bersih (pull) memperoleh tingkat error sebesar 2,55 % dengan tingkat akurasi sebesar 97,45 %. Model pendugaan gaya traksi bersih (pull) memperoleh hasil lebih akurat pada desain roda trek dengan konfigurasi kombinasi tinggi sirip 10 cm dan jarak antar sirip 19,05 cm dibandingkan dengan desain roda trek dengan konfigurasi kombinasi tinggi sirip 5cm cm dan jarak antar sirip 25,40 cm pada kondisi perlakuan pembebanan horizontal dan vertikal yang sama. Tahap akhir penelitian adalah menguji kinerja traksi roda trek menggunakan traktor roda dua di lahan sawah berlumpur dalam. Desain roda trek dibuat berdasarkan rekomendasi tinggi sirip dan jarak antar sirip yang sebelumnya menunjukkan kinerja traksi terbaik di soil bin. Untuk menyesuaikan dengan traktor roda dua, roda trek dibuat dengan ukuran keliling yang memiliki rasio 1:2 dari keliling roda trek yang direkomendasikan. Roda trek dibuat dengan material karet (rubber track), berbentuk segitiga, dengan dimensi lingkar trek 372 cm, lebar trek 45 cm, dan tinggi trek 89 cm, tinggi sirip 10 cm, dan jarak antar sirip 22,8 cm (jumlah sirip 16). Traktor roda dua yang digunakan yaitu tipe traktor roda dua dengan tipe Yanmar Bromo-DX, dengan spesifikasi tipe mesin diesel dengan daya maksimum 8,5 HP/ 2200 rpm dan daya kontinyu 7,5 HP/ 2200 rpm. Pengujian kinerja traksi rubber tracks dilakukan dengan perlakuan beban horizontal sebanyak 9 tingkat dimulai dari 22 kg hingga 195 kg dan kecepatan putar mesin sebesar 2200 rpm pada kecepatan maju level 1. Pengujian kinerja traksi rubber tracks dilakukan di lahan sawah berlumpur dalam dengan kedalaman lumpur rata-rata 51 cm dan kadar air 71 % (bk). Hasil pengujian kinerja traksi rubber tracks oleh traktor roda dua di lahan sawah berlumpur dalam menunjukkan bahwa rata-rata efisiensi traksi maksimum sebesar 73,08 % dicapai pada tingkat rata-rata beban tarik 65 kg, rata-rata drawbar pull 637,55 N, rata-rata slip 18,84 %, dan rata-rata sinkage 39,04 cm.

The soil conditions in paddy fields can vary significantly, affecting the traction capability of two-wheel tractors. Using a wheel design that matches the soil conditions is crucial, as it can enhance traction and reduce slip, thereby allowing the two-wheel tractor to operate more efficiently. A thorough understanding of soil characteristics and wheel design is essential to maximize the performance of two-wheel tractors. Among various soil conditions, deep muddy paddy fields pose a particular challenge due to the significant depth of mud and specific soil characteristics. Deep muddy paddy fields typically have a hardpan layer located deeper than in regular paddy fields, with mud depths reaching 60 cm or more. These fields also exhibit high soil consistency with a plasticity index near the soil’s liquid limit and higher water content compared to regular paddy fields. Under these conditions, the traction performance of conventional wheels, such as cage wheels commonly used on two-wheel tractors, becomes suboptimal, necessitating a specially designed wheel to operate effectively in such soil conditions. This research aims to develop a track-type wheel design with optimal traction performance for two-wheel tractors operating in deep muddy paddy fields. The development process involves research stages, starting with estimating the track-type wheel’s traction performances based on soil penetration resistance measurements. The methods used include analyzing the forces acting on the track wheel and calculating traction performances using a mathematical model grounded in relevant literature. The traction efficiency estimation is then validated through laboratory-scale traction performance tests in a soil bin, with soil conditions adjusted to resemble field characteristics. Testing the traction performance of the track wheel in the soil bin yields a recommended wheel track design with optimal fin height and spacing configuration, which can be applied to two-wheel tractors for optimal performance in deep muddy paddy fields based on design criteria and a 1:2 size ratio. The track wheel design with the best fin height and spacing configuration is then realized, tested, and further analyzed in deep muddy paddy fields during field-scale traction performance testing. The traction performance testing of the track wheel in the soil bin was conducted using a test track wheel design with a track circumference of 152,4 cm, length of 60 cm, width of 20 cm, and axle height of 8,5 cm. The test track wheel design also included lugs that functioned as paddles to facilitate movement in wet and muddy soil conditions. The lug height and spacing dimensions on the track-type wheel were varied, with fin heights of 5 cm, 10 cm, and 15 cm, and lug spacings of 25,4 cm, 19,05 cm, and 12,7 cm. The traction performance tests in the soil bin were conducted with horizontal loads (1–4 kg) and vertical loads (9,5–22,7 kg), a motor rotation speed of 30 rpm, and an unloaded forward speed of 0.064 m/s. Based on the results of the traction performance test in the soil bin, it was found that the track wheel design configuration with a lug height of 10 cm and lug spacing of 19,05 cm achieved maximum traction efficiency of 68,45 % at 14,44 % slip and 7,32 cm sinkage. Using the Analytical Hierarchy Process (AHP) method to determine the best track wheel design configuration based on lug height and spacing, it was concluded that the optimal track wheel design configuration for traction performance was a track wheel with a lug height of 10 cm and lug spacing of 19,05 cm (eight lugs in total). The estimation results of the net traction force (pull) of the track wheel were validated based on the measured traction force (pull) of the track wheel under two estimation conditions using the Mean Absolute Percentage Error (MAPE) test. The first condition involved estimating the traction performance of the track wheel with a horizontal load ranging from 9,81 to 39,23 N and a vertical load of 93,16 N, using a lug height of 5 cm and a lug spacing of 25,40 cm. The second condition was conducted with a variation in vertical load from 93,16 to 222,61 N and a horizontal load of 29,42 N, using a lug height of 10 cm and a lug spacing of 19,05 cm. The validation results of the net traction force (pull) estimation under the first condition showed an error rate of 5,31% with an accuracy level of 94,69%. The validation results under the second condition indicated an error rate of 2,55% with an accuracy level of 97,45%. The net traction force (pull) estimation model achieved more accurate results for the track wheel design with a lug height of 10 cm and a lug spacing of 19,05 cm compared to the track wheel design with a lug height of 5 cm and a lug spacing of 25,40 cm under the same horizontal and vertical loading conditions. The final stage of the research involves testing the traction performance of the track wheels using a two-wheel tractor in deep muddy paddy fields. The track wheel design was made based on the recommended lug height and lug spacing that previously tested the best traction performance in the soil bin. The track wheel was manufactured with a circumference ratio of 1:2 compared to the recommended track wheel circumference to fit the two-wheel tractor. The track designed for the two-wheel tractor was made of rubber (rubber track) in a triangular shape, with a track circumference of 372 cm, track width of 45 cm, track height of 89 cm, lug height of 10 cm, and lug spacing of 22,8 cm (16 lugs in total). The two-wheel tractor used was the Yanmar Bromo-DX model, with a diesel engine rated at a maximum power of 8,5 HP at 2200 rpm and a continuous control of 7,5 HP at 2200 rpm. The traction performance test of the rubber tracks by the two-wheel tractor in deep muddy rice fields was conducted under nine levels of horizontal loading, ranging from 22 kg to 195 kg, with the engine speed set at 2200 rpm in forward speed level 1. The test was performed in deep muddy rice fields with an average mud depth of 51 cm, a moisture content of 71 % (dry basis), and soil characteristics that were previously observed. The results of the traction performance test of the rubber tracks by the two-wheel tractor in deep muddy rice fields showed that an average maximum traction efficiency of 73,08 % was achieved at an average load level of 65 kg, an average drawbar pull of 637,55 N, an average slip of 18,84 %, and an average sinkage of 39,04 cm.