Pneumatik dan hidraulik mesin: tekanan dan gaya silinder, unit penyiap udara, katup arah, pompa hidraulik, fluida, dan energi tersimpan

Silinder pneumatik pada mesin lipat di sebuah laundry rumah sakit bergerak lambat dan tersendat, kadang berhenti di tengah langkah. Teknisi menaikkan regulator di mesin dari 6 ke 8 bar, dan silinder memang bergerak lebih cepat untuk beberapa hari. Mangkuk saringan unit penyiap udara di sebelahnya penuh air, dan mangkuk pelumasnya kosong. Di ruangan lain, rekan kerjanya mencari bocoran pada pengangkat troli hidraulik dengan mengendurkan sambungan selang sementara troli masih terangkat; semburan oli mengenai tangannya.

Kedua kejadian berasal dari kebiasaan yang sama: menganggap tekanan sebagai angka yang boleh diubah, bukan sebagai energi yang harus dipahami dan dikendalikan. Tekanan yang lebih tinggi menutupi gejala air dan gesekan, tetapi mempercepat aus dan menambah gaya di luar rancangan. Tekanan yang tertahan di silinder dan selang tetap ada setelah pompa mati. Bab ini menjelaskan cara tenaga fluida bekerja di mesin dan cara memeriksanya dengan aman.

Batas pembahasan

Bab ini membahas pneumatik dan hidraulik pada mesin: silinder, unit penyiap udara, katup arah dan pengatur aliran, pompa hidraulik, katup pengatur tekanan, fluida, selang, energi tersimpan, dan diagnosis. Pembangkitan dan distribusi udara tekan dari kompresor sampai titik pakai termasuk rak Utilitas dan Bab 1 · Utilitas. Sumber utamanya adalah buku dasar sistem hidraulik yang dikutip di narasi Teknik Mekanikal dan Mekatronika dan narasi Fluida, Termal, dan Utilitas Industri, ditambah pengetahuan teknik umum yang ditandai di peta sumber.

Tekanan dan hukum Pascal ada di Fisika 182, gas ideal di Fisika 191, aktuator dan mekanisme di Bab 2, katup solenoid di Bab 62 · Kelistrikan & Kendali, rugi tekan di Bab 2 · Fluida & Termal, segel di bab segel, dan kontaminasi pelumas di bab pelumasan. Tekanan kerja, setelan katup pelepas, jenis fluida, dan interval perawatan diambil dari pabrik mesin. Angka di bab ini adalah nilai literatur umum atau angka latihan, dan ditandai.

Tekanan, luas, dan gaya

Tenaga fluida bekerja menurut hukum Pascal di Fisika 182: tekanan dalam fluida tertutup diteruskan ke segala arah, dan gaya pada piston adalah

$F = p \, A$

dengan $p$ tekanan ukur dan $A$ luas piston. Satuan yang dipakai di lapangan adalah bar, dengan 1 bar = 0,1 MPa = 100 kPa, sehingga gaya dalam newton sama dengan tekanan dalam MPa dikali luas dalam mm². Pada silinder kerja ganda, luas sisi batang lebih kecil daripada luas sisi kepala:

$A_{\text{batang}} = \frac{\pi}{4} (D^2 - d^2)$

sehingga gaya tarik lebih kecil daripada gaya dorong pada tekanan yang sama (Contoh 1). Buku dasar sistem hidraulik dalam narasi mencatat bahwa luas piston di kedua sisi silinder dapat berbeda. Gesekan segel mengurangi gaya nyata, kira-kira 5 sampai 15 persen pada silinder pneumatik (nilai literatur umum).

Pneumatik dan hidraulik berbeda karena fluidanya. Udara mudah dimampatkan, sehingga silinder pneumatik cepat dan ringan tetapi sulit berhenti tepat di tengah langkah dan bergerak tersendat bila gesekan besar. Oli hampir tidak dapat dimampatkan, sehingga hidraulik memberi gaya besar dan gerak yang kaku; buku hidraulik yang sama menjelaskan kekakuan hidraulik sebagai ukuran kemampatan fluida dan memakai modulus curah fluida dalam persamaan ruang silinder. Tekanan kerja pneumatik mesin umumnya sekitar 5 sampai 7 bar, sedangkan hidraulik puluhan sampai ratusan bar (nilai literatur umum), sehingga bahaya hidraulik jauh lebih besar.

Silinder dan aktuator

1. Silinder kerja tunggal: udara atau oli mendorong satu arah, pegas atau berat beban mengembalikan.
2. Silinder kerja ganda: fluida mendorong kedua arah.
3. Peredam ujung langkah: aliran keluar dicekik di ujung langkah agar piston tidak membentur tutup.
4. Aktuator putar: baling-baling atau roda gigi dan batang bergigi untuk gerak putar terbatas. Buku katup dan perpipaan dalam narasi mencatat aktuator putar jenis baling-baling dan bahwa tidak ada satu jenis aktuator katup yang terbaik untuk semua penerapan.
5. Motor hidraulik untuk beban putar berat, seperti dicatat buku hidraulik.

Silinder bertahan lama bila batangnya lurus, tidak menerima beban samping, dan permukaannya tidak tergores. Batang yang panjang dan ramping dapat melengkung di bawah gaya tekan; ujung batang dipasang dengan sambungan yang memberi sedikit kebebasan sudut agar ketidaklurusan tidak menekan segel. Segel batang dan segel piston dibahas di bab segel.

Konsumsi udara

Setiap langkah silinder pneumatik menghabiskan udara yang volumenya sama dengan volume silinder, dimampatkan sampai tekanan kerja. Dinyatakan sebagai udara bebas pada tekanan atmosfer, menurut hukum gas di Fisika 191:

$V_{\text{bebas}} = V_{\text{silinder}} \, \frac{p + p_{\text{atm}}}{p_{\text{atm}}}$

dengan $p$ tekanan ukur (Contoh 2). Konsumsi ini, ditambah bocoran, menentukan kebutuhan kompresor. Menaikkan tekanan regulator seperti pada kasus pembuka menaikkan konsumsi udara setiap langkah dan gaya yang diterima mekanisme, tanpa menghapus sebab gerak yang tersendat.

Unit penyiap udara

Udara dari jaringan membawa air, minyak kompresor, karat, dan partikel. Sebelum masuk mesin, udara melewati unit penyiap udara:

1. Saringan dengan mangkuk dan kuras: memisahkan air dan partikel. Mangkuk yang penuh membuat air terbawa ke katup dan silinder, mencuci pelumas, dan menimbulkan karat. Kuras otomatis diperiksa fungsinya; kuras manual dibuka menurut jadwal.
2. Regulator: menurunkan dan menstabilkan tekanan ke nilai kerja mesin. Setelan regulator adalah keputusan menurut pabrik, bukan alat untuk menutupi gejala. Buku pengolahan air dan air limbah dalam narasi mencatat bahwa katup pengatur tekanan dipakai di saluran udara dan juga di saluran cairan.
3. Pelumas kabut: menambahkan kabut oli tipis untuk katup dan silinder yang dirancang memerlukannya. Banyak komponen modern dilumasi seumur pakai dari pabrik dan tidak memerlukan pelumas kabut; bila pernah diberi pelumas kabut, pelumasan itu harus diteruskan karena pelumas aslinya sudah tercuci.
4. Katup buang dan katup mula lunak: membuang udara mesin saat dimatikan dan menaikkan tekanan perlahan saat dihidupkan, agar silinder tidak meloncat.

Pada kasus pembuka, air di mangkuk dan pelumas yang kosong menjelaskan gerak tersendat; menaikkan tekanan hanya menutupi gejala.

Katup arah dan pengatur kecepatan

Katup arah diberi nama menurut jumlah lubang dan posisinya, misalnya katup 5/2 dengan lima lubang dan dua posisi untuk silinder kerja ganda, dan katup 3/2 untuk silinder kerja tunggal. Katup digerakkan solenoid, udara pilot, tangan, atau mekanis, dan dikembalikan pegas atau oleh sinyal lain; katup solenoid dibahas di Bab 62 · Kelistrikan & Kendali. Simbol katup dan komponen mengikuti standar gambar yang menunjukkan fungsi dan sambungan komponen, seperti dijelaskan buku hidraulik.

Kecepatan silinder pneumatik biasanya diatur dengan katup pengatur aliran searah yang mencekik udara keluar, sehingga piston terdorong melawan bantalan udara di sisi buang dan geraknya lebih halus. Peredam suara di lubang buang yang tersumbat debu dan oli memperlambat silinder, gejala yang mudah disalahkan pada tekanan.

Pada hidraulik, katup arah berbentuk spul yang bergeser di dalam rumah. Buku hidraulik mencatat bahwa katup spul sering dipakai sebagai penguat daya, dan bahwa pada posisi netral kedua katup dalam rangkaian tertentu aliran pompa kembali ke tangki. Katup pengatur tekanan meliputi katup pelepas yang membatasi tekanan paling tinggi, katup penurun tekanan untuk cabang yang memerlukan tekanan lebih rendah, dan katup urutan yang menunda satu gerakan sampai tekanan tertentu tercapai.

Pompa hidraulik menghasilkan aliran

Buku hidraulik dalam narasi menegaskan hal yang sering disalahpahami: pompa hidraulik hanya menghasilkan aliran, bukan tekanan. Tekanan timbul karena aliran itu ditahan oleh beban. Pompa roda gigi umumnya berperpindahan tetap, sedangkan pompa sudu dan pompa piston ada yang berperpindahan tetap dan ada yang berperpindahan berubah.

Kecepatan silinder hidraulik ditentukan aliran:

$v = \frac{Q}{A}$

dan daya hidraulik ditentukan tekanan dan aliran:

$P = p \, Q$

(Contoh 4 dan 5). Bila silinder sampai di ujung langkah atau beban macet, aliran pompa berperpindahan tetap harus keluar lewat katup pelepas. Energi untuk aliran itu, menurut buku hidraulik, bergantung pada tekanannya sampai tekanan mencapai setelan katup pelepas; seluruhnya berubah menjadi panas di oli (Contoh 6). Pompa berperpindahan berubah dengan kompensator tekanan atau penginderaan beban mengurangi aliran saat tidak diperlukan, salah satu cara dasar menaikkan efisiensi sistem hidraulik menurut buku yang sama.

Fluida hidraulik dan kebersihannya

Fluida hidraulik memindahkan daya, melumasi, mendinginkan, dan merapatkan celah. Buku hidraulik mencatat bahwa fluida harus dipilih dengan jenis dan sifat yang tepat agar semua fungsi itu terpenuhi, dan bahwa ada fluida berbahan dasar air, misalnya glikol air dan emulsi, termasuk emulsi minyak dalam air yang umumnya 95 persen air. Fluida berbeda tidak dicampur, karena bahan segel dan aditifnya dapat tidak cocok.

Hal yang dijaga:

1. Suhu. Buku hidraulik mencatat bahwa untuk sistem hidraulik bergerak, suhu kerja paling tinggi yang diizinkan umumnya 80 °C. Oli yang lebih panas mengencer, membocorkan lebih banyak di celah, dan teroksidasi.
2. Udara. Fluida berbahan dasar minyak bumi biasanya melarutkan udara sekitar 5 sampai 10 persen menurut buku yang sama; udara yang keluar dari larutan membuat gerak lembek dan menimbulkan kavitasi di pompa.
3. Air. Air membentuk emulsi yang sulit dipisahkan dan merusak permukaan; buku hidraulik membahas saringan penghilang air dan cara paling sederhana mengeluarkan air dari sistem.
4. Partikel. Buku hidraulik memuat kode kebersihan fluida berdasarkan jumlah partikel dan hubungan rasio beta dengan efisiensi penyaringan; partikel lebih besar daripada celah spul dan pompa adalah sebab utama aus dan katup macet. Bab pelumasan membahas kontaminasi lebih umum.
5. Tangki. Tangki menenangkan oli, memisahkan udara, mengendapkan kotoran, dan melepas panas; buku hidraulik mencatat bahwa beberapa penerapan memerlukan tangki yang lebih besar daripada aturan umum.

Selang, sambungan, dan bocoran

Buku hidraulik mencatat bahwa bocoran adalah salah satu cacat paling umum sistem hidraulik dan bahwa sebagian bocoran memang diharapkan karena ada celah di antara permukaan yang bergerak. Bocoran luar dari sambungan dan selang membuang oli dan mencemari lantai; bocoran dalam melewati segel piston atau spul membuat silinder lemah atau turun sendiri.

Selang dipasang tanpa terpuntir, dengan jari-jari tekuk sesuai pabrik, tidak bergesekan dengan tepi tajam, dan jauh dari sumber panas berlebih seperti dianjurkan buku hidraulik. Saluran balik dirancang dengan rugi tekan rendah, sehingga selang dan saringan balik yang tersumbat menaikkan tekanan balik dan panas. Selang diganti menurut umur dan keadaannya: retak di lapisan luar, gelembung, kawat penguat yang terlihat, atau sambungan yang merembes.

Jangan mencari bocoran dengan tangan. Semburan oli bertekanan tinggi dari lubang kecil dapat menembus kulit dan memasukkan oli ke jaringan; luka yang terlihat kecil itu adalah keadaan darurat medis. Bocoran dicari dengan karton atau papan yang digerakkan di sekitar selang setelah sistem diamankan, dan dengan pelindung muka.

Energi tersimpan dan isolasi

Mesin pneumatik dan hidraulik menyimpan energi di beberapa tempat setelah motor dan katup dimatikan:

1. Udara tekan di tangki, selang, dan ruang silinder.
2. Oli bertekanan yang terkunci di silinder oleh katup searah atau katup arah tertutup.
3. Akumulator, yang menurut buku hidraulik menahan tekanan selama waktu yang ditentukan ukurannya.
4. Beban yang terangkat dan pegas yang tertekan.

Isolasi energi untuk tenaga fluida meliputi: mematikan dan mengunci sumber listrik dan katup pasokan udara, membuang udara dengan katup buang yang terkunci terbuka, menurunkan beban ke posisi aman atau menahannya dengan penyangga mekanis, melepas tekanan akumulator menurut prosedur pabrik, lalu memeriksa dengan pengukur tekanan bahwa tekanan sudah nol. Bab 1 · Keselamatan dan Bab 76 · Kelistrikan & Kendali menjelaskan isolasi dan penguncian. Pada kasus kedua di pembuka, troli yang masih terangkat menahan oli bertekanan di selang yang dikendurkan.

Diagnosis gerak yang salah

Pengukuran tekanan di titik pakai saat silinder bergerak lebih bermakna daripada membaca regulator saat diam, karena saluran yang terlalu kecil dan saringan yang tersumbat menurunkan tekanan hanya saat ada aliran, seperti rugi tekan di Bab 2 · Fluida & Termal.

Contoh kerja

Contoh 1. Gaya dorong dan tarik silinder pneumatik. Silinder berdiameter 50 mm dengan batang 20 mm pada 6 bar (0,6 MPa). Luas kepala $\pi \times 50^2/4 = 1.963$ mm² memberi $0{,}6 \times 1.963 = 1.178$ N dorong. Luas sisi batang $1.963 - 314 = 1.649$ mm² memberi 990 N tarik. Dengan rugi gesek 10 persen (angka latihan), gaya dorong nyata sekitar 1.060 N.

Contoh 2. Udara bebas per langkah. Langkah 200 mm: volume kepala $1.963 \times 200 = 0{,}393$ L. Pada 6 bar ukur, perbandingan $(6 + 1{,}013)/1{,}013 = 6{,}92$, sehingga udara bebas $0{,}393 \times 6{,}92 = 2{,}72$ L untuk dorong dan sekitar 2,28 L untuk tarik.

Contoh 3. Konsumsi per menit. Silinder Contoh 2 bekerja 10 siklus per menit: $(2{,}72 + 2{,}28) \times 10 = 50$ L udara bebas per menit. Bila regulator dinaikkan ke 8 bar, perbandingannya menjadi $9{,}013/1{,}013 = 8{,}90$ dan konsumsi naik sekitar 29 persen.

Contoh 4. Gaya dan kecepatan silinder hidraulik. Silinder 63 mm pada 100 bar (10 MPa): $A = 3.117$ mm² dan $F = 10 \times 3.117 = 31{,}2$ kN. Pompa 10 L/min memberi kecepatan $v = (10 \times 10^{-3}/60)/(3{,}117 \times 10^{-3}) = 0{,}053$ m/s.

Contoh 5. Daya hidraulik. $P = p Q = 10 \times 10^6 \times 10/60.000 = 1.667$ W. Dengan efisiensi pompa dan motor 85 persen (angka latihan), motor penggerak memerlukan sekitar 1,96 kW.

Contoh 6. Panas di katup pelepas. Buku hidraulik dalam narasi memberi soal pompa yang mengalirkan 3 L/min pada tekanan 5,5 MPa; bila seluruh aliran itu lewat katup pelepas, panasnya $5{,}5 \times 10^6 \times 3/60.000 = 275$ W, terus-menerus selama pompa berjalan.

Contoh 7. Gaya pada beban yang terangkat. Pengangkat troli menahan 600 kg (angka latihan) dengan silinder 40 mm. Gaya $600 \times 9{,}81 = 5.886$ N pada luas 1.257 mm² memberi tekanan tertahan $5.886/1.257 = 4{,}7$ MPa, sekitar 47 bar, walaupun pompa sudah mati.

Contoh 8. Silinder yang turun sendiri. Silinder Contoh 7 turun 12 mm dalam 10 menit. Volume yang bocor $1.257 \times 12 = 15{,}1$ mL dalam 10 menit, sekitar 1,5 mL per menit, cukup kecil untuk tidak terlihat dari luar; bocoran dalam di segel piston atau katup diperiksa.

Contoh 9. Biaya bocoran udara. Bocoran 60 L/min udara bebas setara 3,6 m³ per jam. Dengan kebutuhan energi kompresor sekitar 0,11 kWh per m³ udara bebas pada sekitar 7 bar (nilai literatur umum), bocoran itu memakan sekitar 0,40 kW terus-menerus, atau sekitar 3.500 kWh setahun bila jaringan bertekanan sepanjang waktu.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan bila:

1. Selang, sambungan, silinder, atau katup akan dibuka sebelum sumber listrik dan udara dikunci, tekanan dibuang dan diperiksa nol, akumulator dikosongkan, dan beban diturunkan atau disangga mekanis; ikuti Bab 1 · Keselamatan dan Bab 76 · Kelistrikan & Kendali.
2. Bocoran hidraulik akan dicari dengan tangan atau jari. Luka tusukan oli bertekanan memerlukan pertolongan medis segera walaupun tampak kecil.
3. Regulator atau katup pelepas akan disetel di atas nilai pabrik untuk menutupi gerak yang lambat atau lemah.
4. Tangan atau badan berada di jalur gerak silinder yang masih bertekanan, termasuk silinder yang dapat bergerak saat udara dimasukkan kembali.
5. Selang retak, menggelembung, atau kawatnya terlihat, dan mesin akan dijalankan lagi.
6. Fluida hidraulik pengganti tidak diketahui jenisnya atau akan dicampur dengan fluida lain.

Salah tafsir yang sering terjadi

"Pompa membuat tekanan." Pompa membuat aliran; tekanan timbul karena aliran ditahan beban.

"Naikkan tekanan bila silinder lambat." Lambat sering karena air, gesekan, saringan, atau pengatur aliran, dan tekanan lebih tinggi menambah gaya di luar rancangan.

"Mesin mati berarti aman." Udara, oli bertekanan, akumulator, dan beban terangkat tetap menyimpan energi.

"Bocoran kecil tidak berbahaya." Semburan halus hidraulik dapat menembus kulit, dan bocoran udara kecil menghabiskan energi terus-menerus.

"Gaya tarik sama dengan gaya dorong." Luas sisi batang lebih kecil, sehingga gaya tarik lebih kecil.

"Pelumas kabut selalu diperlukan." Banyak komponen dilumasi seumur pakai; pelumasan mengikuti pabrik.

Hubungan dengan bab lain

Fisika 182 memberi hukum Pascal, Fisika 191 hukum gas, Bab 2 aktuator, Bab 62 · Kelistrikan & Kendali katup solenoid, Bab 1 · Utilitas udara tekan sebagai utilitas, bab segel segel silinder, bab pelumasan kontaminasi, Bab 1 · Keselamatan dan Bab 76 · Kelistrikan & Kendali isolasi energi, dan Bab 2 · Fluida & Termal rugi tekan.

Latihan dan pembahasan

Untuk setiap soal, tuliskan rumus, hitungan, atau alasannya.

1. Silinder 32 mm pada 6 bar. Berapa gaya dorong teoretisnya?
2. Silinder 80 mm dengan batang 25 mm pada 6 bar. Berapa gaya tariknya?
3. Pompa 20 L/min mengisi silinder berluas 2.000 mm². Berapa kecepatan piston?
4. Berapa daya hidraulik pada 150 bar dan 20 L/min?
5. Mengapa silinder hidraulik dapat turun sendiri walaupun tidak ada oli yang menetes?
6. Mengapa tekanan diukur di titik pakai saat silinder bergerak?

Kunci jawaban beralasan

1. $A = \pi \times 32^2/4 = 804$ mm², sehingga $F = 0{,}6 \times 804 = 483$ N sebelum rugi gesek segel.
2. $A = \pi/4 \times (80^2 - 25^2) = 4.536$ mm², sehingga $F = 0{,}6 \times 4.536 = 2.721$ N tarik.
3. $v = (20 \times 10^{-3}/60)/(2.000 \times 10^{-6}) = 0{,}167$ m/s, karena kecepatan sama dengan aliran dibagi luas.
4. $P = 15 \times 10^6 \times 20/60.000 = 5.000$ W, atau 5 kW sebelum efisiensi pompa dan motor.
5. Oli dapat lolos di dalam, melewati segel piston atau katup, dari ruang bertekanan ke ruang lain tanpa keluar dari sistem.
6. Rugi tekan di saluran dan saringan hanya muncul saat ada aliran, sehingga pembacaan saat diam terlihat normal.

Referensi