BAB IV PERHITUNGAN SISTEM HIDRAULIK 4.1 Perhitungan Beban Operasi System Gaya yang dibutuhkan untuk mengangkat movable bridge kapasitas 100 ton yang akan diangkat oleh dua buah silinder hidraulik kanan dan kiri masing-masing 50 ton, dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (2.1) : Diketahui : m = massa (100.000 kg) g = percepatan grafitasi (9,81 m/sec 2 ) F = gaya (N) Maka : F = m. g F = 100.000 kg.9,81 m/sec F = 980.000 N Jadi gaya yang dibutuhkan untuk mengangkat jembatan F = 980.000 N beban masingmasing silinder hidraulik kanan dan kiri adalah 490.000 N 34
4.2 Skema Sistem Hydraulik a. Penggerak sistem Hydraulik power unit ini menggunakan dua sistem penggerak yaitu elektik motor sebagai penggerak utama dan engine sebagai penggerak saat emergency (mati lampu). Dengan demikian dibutuhkan shuttle valve sebagai valve yang berfungsi membuka dan menutup aliran berdasarkan tekanan yang dialirkan dari penggerak utama atau penggerak emergency dan check valve sebagai pengaman masing-masing pompa agar tidak terjadi tekanan balik. b. Posisi angkat Hydraulik power unit akan memberikan tekanan pada jalur pipa angkat yang dikontrol oleh directional valve 4/2, maka valve akan mengalirkan fluida untuk memberikan pressure untuk mengangkat kontruksi jembatan, aliran fluida diatur oleh flow control untuk membatasi aliran fluida pada silinder hydraulik sisi kanan dan sisi kiri agar posisi naik dan turun bisa bersamaan. c. Posisi Turun Pada posisi normal silinder hydraulik menahan beban kontruksi jembatan sehingga pada posisi normal ini secara terus menerus jembatan akan menarik batang piston untuk pergerakan ke arah turun, dengan demikian dibutuhkan suatu komponen / alat untuk menahan beban yang mampu menahan beban secara terus menerus dan aman ketika terjadi kebocoran pada instalsi atau kejadian yang tidak dinginkan seperti pecah hose atau kebocoran pada jalur instalasi. Dengan demikian dibutuhkan pilot operated check valve untuk menahan fluida agar tidak bisa keluar dari bore silinder bagian batang piston sehingga silinder hydraulik mampu menahan beban yang diterimanya, pilot operated check valve dipasang menyatu pada bodi silinder hydraulik agar ketika terjadi 35
kebocoran pada jalur instalasi pipa tidak berpengaruh pada sistem (dilihat pada gambar 4.1). Untuk menurunkan silinder hydraulik, jalur pilot pada pilot operated check valve diberikan pressure untuk menekan piston sehingga jalur fluida terbuka, karena beban jembatan fluida yang terjebak terdorong piston turun mengalir keluar menuju tangki hydraulik, karena piston bergerak kearah bawah maka ruang diatas piston akan vakum dan akan berubah fungsi seperti pompa menghisap fluida dari tangki untuk memenuhi ruang bore silinder piston. Dari hal tersebut kita bisa menentukan komponen yang dibutuhkan untuk menyusun suatu sistem rangkaian hidraulik yang kita perlukan. Gambar 4.1. Pilot Operated Check Valve (Sumber : Data Pribadi ) 36
Gambar 4.2. Skema Sistem hydraulik 37
Komponen Komponen yang terdapat pada skema sistem hydraulik : 1. Tangki (reservoir) 2. Filler breather 3. Level gauge 4. Ball valve 5. Filter isab (Suction filter) 6. Pompa Vane 1 7. Motor engine diesel 8. Pompa Vane 2 9. Motor listrik 10. Katup searah (check valve) 11. Katup pembagi aliran (Shuttel Valve) 12. Katup pembatas tekanan (relief valve) 13. Ball valve 14. Pembaca tekanan (Pressure Gauge) 15. Katup pengarah arah aliran 16. Katup pengendali aliran (Flow Control Valve) 17. Manifold Blok 18. Katup pengendali aliran (Flow Control Valve) 19. Katup searah (check valve) 20. Ball valve 21. Ball valve 22. Katup pengendali aliran (Flow Control Valve) 23. Filter kembalian (Return filter) 38
24. Stop Valve 25. Pilot Check Valve 4.3 Perhitungan Sistem Hydraulik 4.3.1 Perhitungan Dimensi Silinder Hidraulik Perhitungan dimensi silinder hidraulik menyangkut luas silinder (A), diameter dalam silinder (D 1 ) diameter batang piston (d bp ) dan tebal dinding silinder (t d ). Pada gambar 4.1. diperlihatkan dimensi silinder hidraulik, yang menunjukkan luas efektif (A 1 dan A 2 ), diameter dalam silinder (D 1 ), diameter batang piston (d bp ) dan diameter luar (D o ). Gambar 4.3. Dimesi Silinder. Keterangan : A = Luas daerah silinder piston (m 2 ) A = Luas daerah batang piston (m 2 ) D D d L = Diameter dalam silinder (mm) = Diameter luar silinder (mm) = Diameter batang piston (mm) = Panjang langkah kerja (mm) 39
D 1 dan d bp didapatkan perhitungan, kemudian disesuaikan dengan S.1. 7181-1991 (lampiran 2). Luas penampang silinder dicari dengan menggunakan persamaan (2.3): Diketahui : P = tekanan (80.10 5 N/m 2 ) F = gaya luar (490.000 N) A = luas permukaan (m 2 ) P = F A 8. 10 5 N/m 2 = A = 490. 000 N 8. 10 5 N/m 2 A = 0, 06125 m 2 A = 612, 5 cm 2 490. 000 N A Karena beban berada diujung batang piston dan F kearah piston maka A disini disebut A, menurut SI 7181 1991 ( Lampiran 2) A 2 yang sesuai adalah A 2 = 638 cm 2 Dengan ratio (φ) = 1,6 pada lampiran 2 didapat : φ = A 1 A 2 = 1, 6 A 1 = A 2. 1, 6 A 1 = 638 cm 2. 1, 6 A 1 = 1020, 80 cm 2 menurut SI 7181 1991 ( Lampiran 2) A 1 yang sesuai adalah A 1 = 1018 cm 2 40
Berdasarkan lampiran 2, didapat D 1 : A 1 = π 4. (D 1) 2 1018 cm 2 = π 4. (D 1) 2 D 1 = 36, 1 cm = 361 mm Berdasarkan lampiran 2, didapat d bp : A 2 = π 4. (D 1 2 d 2 bp ) 638 cm 2 = π 4. ((36, 1 cm)2 d 2 bp ) 4.3.2 Tebal Dinding Silinder (t d ) d bp = 22 cm = 220 mm Keterangan : t = tebal dinding silinder (mm) C = faktor korosi = 0,5 mm = 0,0005 m t d = PD 1 2t izin + C Material yang digunakan adalah baja khrom Nikel Molibdenum (JIS G 4103 SNCM2) pada lampiran 1, dengan : T tarik = 95 kg/mm 2 = 932 N/mm 2 t tarik = t tarik k = 932 N/mm2 8 = 116,5 N/mm 2 = 116,5. 10 6 N/m 2 Keterangan : k = faktor keamanan = 8, Lampiran (3) t d = 8. 105 N/m 2. 0, 361 m 2. 116, 5. 10 6 N/m 2 + 0, 0005 T d = 0,012 m = 12 mm 41
4.3.3 Diameter Luar Silinder (D o ) Diameter luar silinder (D o ) dapat dihitung dengan persamaan : D o = D 1 + 2.t d D o = 0,361 m + 2. 0,012 m D o = 0,385 m = 385 mm 4.4 Pemeriksaan Tegangan Tarik Batang Piston Silinder Uji tegangan tarik yang terjadi pada piston rod dihitung dengan persamaan 2.12 σ kerja = F A bp = F π. (d 4 bp) 2 Diketahui : d = diameter batang piston rod (220 mm) F = gaya luar (490.000 N) σ = tegangan tarik yang terjadi pada batang piston luas permukaan(n/mm 2 ) σ = tegangan izin bahan (N/mm 2 ) = 116,5 N/mm 2 Sehingga didapat σ kerja = π 4 490. 000 N. (0, 22 m)2 σ kerja = 12,89. 10 6 N/m 2 Dari hasil perhitungan menunjukan bahwa : σ < σ, 12,89. 10 6 N/m 2 < 116,5. 10 6 N/m 2, berarti batang piston rod aman dari tegangan tarik. 42
4.5 Menentukan Volume dan Laju Aliran Fluida Ruang silinder hydraulik terdiri dari dua ruangan, yaitu ruangan yang memiliki volume silinder penuh (V ) dan ruangan yang memiliki volume silinder penuh dikurangi volume silinder batang piston ( V ), sehingga dalam perhitungan volume silinder digunakan persamaan 2.6 yaitu : volume silinder penuh (V ) V 1 = A 1. S V 1 = 1080. 10 4 m 2. 2,5 m V 1 = 0, 27m 3 volume silinder batang piston (V ) V 2 = A 2. S V 2 = 638. 10 4 m 2. 2,5 m V 2 = 0, 1595 m 3 Diketahui : V = volume silinder (m 3 ) A = luas penampang daerah silinder piston penuh (1080. 10 m ) A = luas penamapang daerah silinder batang piston( 638. 10 m ) S = panjang langkah maksimum (2,5 m) Kapasitas laju aliran fluida pada silinder bagian bore (V ) dan bagian rod (V ) dihitung dengan persamaan 2.5, yaitu : Kapasitas laju aliran fluida pada silinder penuh (Q ) Q 1 = V t 43
Q 1 = 0, 27 m3 300 sec Q 1 = 0, 9. 10 3 m 3 /sec Kapasitas laju aliran fluida pada silinder batang piston (Q ) Q 2 = V t Q 2 = 4.6 Menentukan Fluida Kerja 0, 1595m3 300 sec Q 2 = 0, 53. 10 3 m 3 /sec Fluida kerja yang dipilih adalah Esstic 45 ( Lampiran 3 ) yang memiliki viscositas antara 1,22 0,25 cm 2 /sec pada suhu 20 0 C 50 0 C, Nilai viscositas kinematik (v) yang diambil berdasarkan kondisi suhu rata-rata 50 0 C, v = 25 centitikes = 0,25 cm 2 /sec = 25 mm 2 /sec = 25. 10-6 m 2 /sec yang berarti berdasarkan lampiran 3, kelas SAE (Society of Automotive Engineering) adalah SAE 10W, Nilai rapat Fluida (ρ) = 0,890 kg/dm 3 = 890 kg/m 3 4.7 Menentukan ukuran pipa pada jalur fluida 4.7.1 Jalur pipa Utama Gambar 4.4. Jalur Pipa Utama 44
Jalur pipa utama adalah jalur pipa antara pompa menuju manifold block katup pengarah aliran (directional valve) dan flow control utama. Bilangan Reynold di tentukan Re = 2200, agar aliran tetap laminar maka diameter pipa (d p ) didapatkan dengan persamaan 2.11, yaitu : R e = V. d v (Q/A). d = v Q = ( 1. π. 4 d2 ). d v d p = 4. Q kerja R e. π. v = 4. Q. d π. d 2. v Dimana : V = kecepatan aliran (m/sec) d = diameter dalam pipa (m) v = koefisien kekentalan kinematik (m 2 /sec) R = bilangan Reynolds Untuk mengangkat movable bridge hydraulik silinder bergerak secara serentak pada sisi kanan dan sisi kiri dalam satu periode, maka kapasitas laju aliran fluida pada silinder hydraulik sebelah kiri (Q ) sama dengan kapasitas laju aliran fluida silinder hydraulik sebelah kanan (Q ) sehingga didapat : Total kapasitas laju aliran fluida : Q total = Q kerja = Q 1L + Q 1R Q total = 0, 53. 10 3 m 3 / sec + 0, 53. 10 3 m 3 /sec Q total = 1, 06. 10 3 m 3 /sec 45
Didapatkan diameter pipa utama : d pu = 4. Q kerja R e. π. v d p = 4. 1, 06. 10 3 m 3 /sec 2200. 3, 14. 25. 10 6 m 2 /sec d pu = 0, 024 m d pu = 24 mm Berdasarkan lampiran 4, maka diameter dalam standar saluran pipa utama (d ) = 24,4 mm, tebal saluran pipa = 2,8 mm dan diameter luar saluran pipa = 30 mm. 4.7.2 Jalur Pipa Aktuator Pressure Gambar 4.5 Jalur Pipa Akuator Pressure. Jalur pipa aktuator adalah jalur pipa utama menuju aktuator silinder hydraulik kanan dan kiri, karena beban jembatan diangkat silinder hydraulik kanan dan silinder hydraulik kiri maka silinder hydraulik kanan sama dengan silinder hydraulik kiri. Bilangan Reynold ditentukan Re = 2200, agar aliran tetap laminar maka diameter pipa (d pan ) adalah : 46
Kapasitas laju aliran fluida aktuator naik : Q kerja = Q 2L = Q 2R Didapatkan diameter pipa aktuator naik : Q kerja = 0, 53. 10 3 m 3 / d pan = 4. Q kerja R e. π. v d pan = 4. 0, 53. 10 3 m 3 /sec 2200. 3, 14. 25. 10 6 m 2 /sec d pan = 0, 012 m d pan = 12 mm Berdasarkan lampiran 4, maka diameter dalam standar saluran pipa aktuator naik (d ) = 12 mm, tebal saluran pipa = 2 mm dan diameter luar saluran pipa = 16 mm. 4.7.3 Jalur Pipa Aktuator Isab Gambar 4.6 Jalur Pipa Aktuator Isab 47
Kapasitas laju aliran fluida aktuator isab : Q kerja = Q 1L = Q 1R Didapatkan diameter pipa aktuator isab : Q kerja = 0, 9. 10 3 m 3 /sec d pis = 4. Q kerja R e. π. v d pis = 4. 0, 9. 10 3 m 3 /sec 2200. 3, 14. 25. 10 6 m 2 /sec d pis = 0, 020 m d pis = 20 mm Berdasarkan lampiran 4, maka diameter dalam standar saluran pipa aktuator jalur isab silinder (d ) = 19,4 mm, tebal saluran pipa = 2,8 mm dan diameter luar saluran pipa = 25 mm. Kapasitas aliran fluida dalam pipa aktuator (Q ) sama dengan Kapasitas aliran fluida dalam silinder hydraulik (Q ) maka : Q p = Q s V p. A p = V s. A s Didapatkan kecepatan aliran fluida dalam pipa aktuator naik adalah: V pa = A s A p. V s π 2 ) 4 V pa =. (D 1 2 D bp π. D 2. s s 4 pan t s 48
V pa = π 4. (0,36 0, 22)m π. 0,012 m. 4 2, 5 m 300 s V pa = 4, 699 m/s Didapatkan kecepatan aliran fluida dalam pipa isab silinder turun adalah : Diketahui : V pis = A s A p. V s π 4 V pis =. D 1 2 π. D 2. s s 4 pis t s V pis = π. 0, 4 362 m 2 π. 0, 4 0202 m. 2 V pis = 2, 7 m/s 2, 5 m 300 s V = Kecepatan aliran dalam silinder (m/sec) V = Kecepatan aliran dalam pipa (m/sec) V = S t 4.8 Kerugian Tekanan Akibat Gesekan, Sambungan, Katup dan Belokan Penurunan tinggi tekan (head Losses) akibat gesekan pada pipa dapat dihitung dengan diasumsikan panjang pipa lurus (Lp) dari pipa telanjang dapat dicari dengan menggunakan persamaan (2.13) 4.8.1 Kerugian head Akibat Gesekan : h L = 32. L p. v. V d 2. g 49
Diketahui : h = penurunan head (m) L = panjang pipa utama (10 m) L = panjang pipa Aktuator (71 m) v = koefisien kekentalan kinematik (25. 10-6 m 2 /sec) V = kecepatan aliran pipa (0,093 m/sec ) d = diameter dalam pipa utama (0,024 m) d = diameter dalam pipa aktuator (0,012 m) g = percepatan grafitasi (9,81 m/sec 2 ) Maka Penurunan head pada pipa utama adalah : h L1 = 32. L p. v. V d 2. g h L1 = 32. 10. 25. 10 6 m 2 /sec. 0, 093 m/sec (0, 024 m) 2. 9, 81 m/sec 2 h L1 = 0, 132 m Penurunan head pada pipa aktuator adalah : h L1 = 32. L p. v. V d 2. g h L2 = 32. 71. 25. 10 6 m 2 /sec. 0, 093 m/sec (0, 012 m) 2. 9, 81 m/sec 2 50
h L2 = 3, 75 m 4.8.2 Kerugian head Akibat Sambungan, Katup dan belokan Kerugian akibat katup, belokan dan sambungan dapat dihitung dengan mengetahui jumlah katup, sambungan dan belokan yang ada pada jalur system dan koefisen yang didapat. Penurunan kerja ini dinyatakan dengan rumus : Komponen Nilai factor hambatan Jumlah Check Valve 2 12 Directional valve 3 1 Flow Control Valve 5 3 Belokan 90 0 0,5 34 Sambungan T 1,5 7 K total = (k. n) K total = (2. 12) + (3. 1) + (5. 3) + (0, 5. 34) + (1, 5. 7) K total = 69,5 h L3 = K total. V 2 2g h L3 = 69, 5. (0, 093 m/sec )2 2. 9, 81 m/sec 2 h L3 = 0,030 m 51
4.8.3 Kerugian head Total h L = h L1 + h L2 + h L3 h L = 0, 132 m + 3, 75 m + 0, 030 m h L = 3,919 m 4.8.4 Kerugian tekanan dalam system Kerugian tekanan dalam sistem didapat dengan menggunakan persamaan P = ρ. g. h Diketahui : P = penurunan tekanan dalam sistem (N/m 2 ) ρ = rapat masa fluida (890 kg/m 3 ) h = kerugian tekanan secara keseluruhan (m) Maka : P = ρ. g. h L P = 890 kg/m 3. 9, 81 m/sec 2. 3, 919 m P = 34188, 30 N/m 2 4.9 Tekanan Pembatas Tekanan pembatas dipakai untuk mengamankan komponen yang digunakan pada sistem yaitu dengan membatasi tekanan yang dihasilkan pompa agar tidak melebihi tekanan yang diijinkan pada instalasi dan komponen. Besarnya tekanan pembatas didapat dengan menjumlahkan besar tekanan yang akan dioperasikan ditambah dengan total kerugian tekanan. Karena pada system ini kita 52
mempunyai dua tekanan yaitu tekanan untuk naik dan tekanan untuk turun maka kita ambil tekanan paling besar sebagai tekanan pembatas. Tekanan untuk naik sudah kita tentukan, untuk tekanan turun kita dapatkan berdasarkan fungsi dari pilot operated check valve, diperlihatkan pada gambar : Gambar 4.7 Pilot Operating Check Valve Dimana : P = Tekanan naik ditentukan (80. 10 5 N/m 2 ) P = Tekanan turun (N/m 2 ) P = Tekanan dari dalam silinder hydraulik (80. 10 5 N/m 2 ) d = Diameter piston pilot check valve (0,040 m) d = Diameter jalur menuju silinder hydraulik (0,030 m) Gaya (F ) dari dalam piston check valve yang adalah : P 3 = F 3 A 3 F 3 = 80. 10 5 N m 2. (π 4. (0, 03)2 )m 2 F 3 = 5. 652 N 53
Untuk membuka jalur menuju silinder hydraulik maka gaya pada piston pilot (F ) harus lebih besar dari gaya pada piston check valve (F ) F 2 > F 3 P 2 = F 2 A 2 P 2 = 5. 652 N ( π 4. (0, 04)2 ) m2 P 2 = 45. 10 5 N/m 2 P 2 = 45 bar Jadi tekanan yang dibutuhkan untuk menurunkan jembatan ( P ) harus lebih besar dari 45 bar P 2 > 45 bar Dengan demikian tekanan paling besar adalah tekanan untuk menaikan movable bridge, Sehingga diperoleh : P p = P + P P p = 80. 10 5 N/m 2 + 3, 4188. 10 4 N/m 2 P p = 80, 342. 10 5 N/m 2 P p = 80, 342 bar 4.10 Penentuan Power Supply Pompa ditentukan berdasarkan kapasitas laju aliran fluida dan head yang diperlukan untuk mengalirkan zat cair yang akan dipompa, sehingga didapat data-data teknis sebagai berikut : Umumnya besar tekanan pompa maksimum ditentukan 110% dari tekanan pembatas, sehingga diperoleh : 54
P max = P p x 110 % P max = 80, 342 bar x 110 % P max = 88, 36 bar Kapasitas pompa yang diperlukan untuk sistem hydraulik ini ditentukan dengan menggunakan persamaan : Q Pompa = Q kerja Efisiensi Q Pompa = 0, 53. 10 3 m 3 /sec 0, 9 Q Pompa = 1, 17. 10 3 m 3 /sec Q Pompa = 70, 2 ltr/menit Jadi pompa yang dibutuhkan adalah pompa yang memiliki kapasitas 70 ltr/s Daya Pompa (W ) : W P = P max. Q Pompa η W P = 88, 33. 105 N/m 2. 1, 17. 10 3 m 3 /sec 0, 85 W P = 11130, 74 N m/sec W P = 11130, 74 Watt W P = 11, 130 KW Diambil daya pompa yang diperlukan adalah 11 KW Diketahui : η = Efisiensi Volumetris (0,90) η = Efisiensi Mekanis (0,85) 55
4.11 Tangki Oli Besarnya kapasitas tangki yang dibutuhkan dalam sistem hydraulik adalah 2 3 kali dari kapasitas aliran fluida dalam sistem, karena penggunaan system movable bridge ini tidak terlalu sering dalam satu hari maka ditentukan 2 kali volume fluida dalam sistem, dengan menggunakan persamaan : V = 2 (V + V + V ) Diketahui : V = Volume silinder kanan (0,27m ) V =Volume silinder kiri (0,27m ) V =Volume dalam instalasi pipa (N/m 2 ) Volume pada jalur pipa utama : V pu = A pu. S V pu = ( π 4. (Dpu)2 ). S V pu = ( π 4. (0, 024)2 )m 2. 10 m V pu = 0, 0045m 3 Volume pada jalur pipa actuator naik : V pan = ( π 4. (Dpan)2 )m 2. S m V pan = ( π 4. (0, 012)2 )m 2. 71 m V pan = 0, 0080m 3 56
Maka total volume pada jalur pipa : V p = V pu + V pan V p = 0, 0045m 3 + 0, 0080m 3 V p = 0, 0125m 3 Maka didapatkan volume tanki adalah : V tangki = 2 (0, 1595 m 3 + 0, 1595 m 3 + 0, 0125 m 3 ) V tangki = 0, 663 m 3 V tangki = 663. 000 cm 3 V tangki = 663 liter Kapasitas tangki yang dibutuhkan untuk sistem hydraulik movable bridge ini adalah 663 liter 4.12 Filter Berdasarkan data berarti dibutuhkan filter dengan karakteristik sebagai berikut : Kapasitas aliran fluida bebas Q = 70,2 ltr/menit Tingkat penyaringan = 10 micron (kotoran berukuran lebih dari 10 micron tidak mampu melalui filter ini) sehingga kotoran tertahan oleh filter 57
58