Pelumasan dan tribologi: gesekan, rezim pelumasan, viskositas, gemuk, pemilihan, interval, dan kontaminasi

Sebuah laundry hotel menyimpan satu ember gemuk serbaguna untuk semua titik pelumasan: bantalan motor washer-extractor, rol penumpu drum pengering yang bekerja panas, rantai konveyor lipat, dan engsel pintu. Teknisi memompa setiap titik sampai gemuk keluar, sebulan sekali. Setelah setahun, gemuk di rol pengering menghitam dan mengeras seperti kerak, salah satu rol berbunyi, sedangkan bantalan motor washer-extractor justru panas setelah dilumasi. Rantai konveyor berkarat walaupun terlihat basah oleh gemuk.

Satu pelumas dan satu kebiasaan dipakai untuk kebutuhan yang berbeda. Rol pengering memerlukan pelumas yang tahan suhu tinggi, bantalan motor memerlukan jumlah gemuk yang terukur, dan rantai memerlukan pelumas yang masuk ke celah antara pin dan bus. Bab ini menjelaskan dasar pelumasan agar setiap titik mendapat pelumas, jumlah, dan interval yang sesuai.

Batas pembahasan

Bab ini membahas gesekan dan aus pada elemen mesin, rezim pelumasan, viskositas, gemuk, ketidakcocokan, pemilihan, cara pemberian, interval dan jumlah, kontaminasi, analisis oli sederhana, dan penyimpanan pelumas.

Gesekan statik dan kinetik ada di Bab 4 · Fisika tentang gesekan dan hambatan gerak; aturan pelumasan bantalan dari manual mesin pemilik di Bab 4 tentang bantalan gelinding dan luncur; oli gearbox di Bab 7 tentang roda gigi dan gearbox; pelumasan rantai di Bab 6 tentang sabuk, puli, dan rantai; hidrokarbon di Bab 20 · Kimia tentang kimia organik untuk teknisi; dan kecocokan elastomer di Bab 22 · Kimia tentang polimer dan elastomer. Jenis pelumas, kelas kekentalan, jumlah, dan interval untuk mesin tertentu diambil dari pabrik mesin dan pabrik pelumas. Angka kisaran yang disebut di bab ini adalah angka tipikal untuk memahami cara kerja, bukan nilai untuk mesin atau pelumas tertentu.

Gesekan dan aus pada elemen mesin

Tribologi (tribology) adalah ilmu tentang gesekan, aus, dan pelumasan pada permukaan yang saling bergerak. Dua permukaan logam yang tampak halus sebenarnya hanya bersentuhan di puncak-puncak kekasarannya. Di titik-titik kecil itu tekanan sangat tinggi, logam saling menempel, dan gerak relatif merobek tempelan itu. Itulah sumber gesekan dan aus, seperti dijelaskan di Bab 4 · Fisika tentang gesekan dan hambatan gerak. Pelumas bekerja dengan memisahkan kedua permukaan dengan lapisan tipis, membawa panas keluar, menahan kotoran dan air, dan melindungi logam dari karat.

Besarnya gesekan bergantung pada rezim pelumasan yang dijelaskan di bawah. Pada logam kering koefisien gesek dapat mendekati beberapa persepuluh; pada permukaan yang terpisah lapisan oli penuh, angkanya turun menjadi sekitar seperseribu sampai seperseratus. Perbedaan sebesar itu menjelaskan mengapa bantalan yang kehilangan pelumas cepat memanas: daya gesek naik puluhan kali walaupun beban dan putarannya tetap.

Jenis aus yang dijumpai teknisi:

1. Aus adhesif (adhesive wear): logam berpindah dari satu permukaan ke permukaan lain karena lapisan pelumas pecah.
2. Aus abrasif (abrasive wear): partikel keras menggores permukaan, baik partikel dari luar maupun serpihan aus sendiri.
3. Kelelahan permukaan (surface fatigue): lubang kecil dan serpihan karena kontak berulang jutaan kali, seperti pada jalur bantalan dan gigi roda gigi.
4. Korosi dan karat gesek (corrosion and fretting): permukaan terserang air atau bahan kimia, atau bergerak sangat kecil berulang tanpa pelumas.

Tiga rezim pelumasan

Rezim pelumasan (lubrication regime) adalah keadaan pelumasan pada sepasang permukaan yang bergerak. Tebal lapisan pelumas dibanding kekasaran permukaan menentukan rezim:

1. Pelumasan batas (boundary lubrication): lapisan oli terlalu tipis, permukaan bersentuhan di banyak titik, dan perlindungan datang dari zat aditif yang menempel di logam. Terjadi saat start, putaran sangat rendah, beban sangat besar, atau gerak bolak-balik.
2. Pelumasan campuran (mixed lubrication): sebagian beban ditahan lapisan oli dan sebagian oleh puncak kekasaran.
3. Pelumasan penuh (hidrodinamik atau elastohidrodinamik) (full-film lubrication): lapisan oli lebih tebal daripada kekasaran, sehingga permukaan tidak bersentuhan. Lapisan terbentuk karena oli terseret masuk ke celah yang menyempit oleh gerak permukaan. Pada bantalan gelinding dan gigi roda gigi, lapisan ini sangat tipis tetapi tekanannya sangat tinggi sehingga oli mengental sesaat.

Tebal lapisan naik bila kecepatan naik dan bila oli lebih kental, dan turun bila beban naik. Akibatnya gesekan paling besar terjadi saat start dan berhenti, dan oli yang terlalu encer karena panas menggeser kerja ke rezim batas.

Viskositas dan kelasnya

Viskositas (viscosity) adalah ukuran kekentalan. Viskositas dinamis $\mu$ dinyatakan dalam Pa·s, sedangkan viskositas kinematik

$\nu = \frac{\mu}{\rho}$

dengan $\rho$ massa jenis oli (kg/m³), dinyatakan dalam m²/s atau, untuk pelumas, mm²/s (sama dengan sentistokes, cSt). Kelas kekentalan ISO (ISO VG) untuk oli industri adalah viskositas kinematik nominal pada 40 °C dengan rentang sekitar plus minus 10 persen: ISO VG 68 berarti sekitar 61 sampai 75 mm²/s pada 40 °C (Contoh 1). Kelas SAE untuk oli mesin dan oli gigi kendaraan memakai skala lain; manual mesin pemilik mencantumkan padanan kelas SAE dan ISO untuk oli rumah bantalannya, seperti dicatat di Bab 4 tentang bantalan gelinding dan luncur.

Pengaruh suhu. Viskositas oli turun tajam saat suhu naik. Indeks viskositas (viscosity index) menyatakan seberapa besar perubahan itu: oli dengan indeks tinggi berubah lebih sedikit. Oli yang cukup kental pada 40 °C dapat menjadi terlalu encer pada suhu kerja rol pengering atau gearbox cacing yang panas (Contoh 6), sehingga pemilihan oli dilihat dari suhu kerja, bukan suhu ruang.

Gemuk: minyak dasar, pengental, dan konsistensi

Gemuk (grease) adalah oli dasar yang ditahan dalam pengental, seperti air dalam spons. Yang melumasi tetap minyaknya, yang keluar sedikit demi sedikit dari pengental. Tiga hal menentukan sifat gemuk:

1. Minyak dasar: mineral atau sintetis, dengan viskositasnya sendiri. Gemuk untuk putaran tinggi memakai minyak dasar lebih encer; untuk beban berat dan putaran rendah lebih kental.
2. Pengental: sabun litium, litium kompleks, kalsium sulfonat, poliurea, dan lainnya, yang menentukan ketahanan terhadap air dan suhu. Titik leleh (dropping point) adalah suhu saat gemuk mulai mencair dan menetes; suhu kerja harus jauh di bawahnya.
3. Konsistensi (consistency) dinyatakan dengan kelas NLGI, dari sangat lunak sampai sangat keras; kelas 2 adalah yang paling umum untuk bantalan.

Ketidakcocokan (incompatibility). Gemuk dengan pengental berbeda dapat melunak atau mengeras bila dicampur, dan oli sintetis tertentu tidak bercampur dengan oli mineral. Manual mesin pemilik mengingatkan bahwa mencampur gemuk berbahan dasar berbeda dapat merusak bantalan dan segel. Saat mengganti jenis gemuk, rumah bantalan dibersihkan atau gemuk lama didorong keluar sesuai petunjuk pabrik, dan titik itu diberi label jenis baru.

Memilih pelumas

Pertanyaan yang dijawab sebelum memilih pelumas:

1. Suhu kerja titik itu, termasuk saat mesin paling panas.
2. Kecepatan dan beban: putaran tinggi meminta minyak dasar lebih encer; beban berat dan putaran rendah meminta lebih kental dan aditif tekanan ekstrem.
3. Air dan bahan kimia: titik yang terkena semprotan air, uap, atau deterjen memerlukan pengental tahan air dan perlindungan karat.
4. Bahan segel: pelumas tidak boleh membuat elastomer segel membengkak atau mengeras; Bab 22 · Kimia tentang polimer dan elastomer menjelaskan kecocokan bahan.
5. Kontak dengan makanan: peralatan dapur tempat pelumas dapat menetes ke makanan memakai pelumas yang terdaftar untuk kontak tidak sengaja dengan makanan, menurut ketentuan dan pabrik mesin.
6. Ketetapan pabrik mesin: bila manual menetapkan jenis dan kelas, itu yang dipakai; pelumas pengganti dibandingkan dari lembar datanya.

Pada kasus pembuka, satu gemuk serbaguna tidak memenuhi butir 1 untuk rol pengering dan butir 3 untuk rantai di ruang lembap.

Membandingkan lembar data. Pelumas pengganti dibandingkan dengan pelumas yang ditetapkan dari lembar datanya: jenis minyak dasar dan pengental, viskositas minyak dasar pada 40 °C dan 100 °C, kelas NLGI, titik leleh, rentang suhu kerja, ketahanan air, dan aditif. Nama dagang yang berbeda dapat berisi pelumas yang setara, dan nama yang mirip dapat berisi pelumas yang berbeda. Keputusan mengganti jenis pelumas dicatat beserta alasannya.

Cara pemberian, interval, dan jumlah

Cara pemberian pelumas

1. Pistol gemuk manual dengan jumlah per tekanan yang diketahui. Manual mesin pemilik memberi jumlah per tekanan dan cara memompa yang pelan, seperti dicatat di Bab 4 tentang bantalan gelinding dan luncur.
2. Pelumas otomatis satu titik, tabung kecil yang mengeluarkan gemuk sedikit demi sedikit dengan pegas, gas, atau motor kecil.
3. Pelumasan terpusat (centralized lubrication). Jaringan distribusi sederhana dilayani secara manual dari satu kumpulan nipel pelumas, sistem lain memberi pelumas setiap kali mesin bergerak, dan pengumpan gemuk disekrup ke fiting gemuk pada rumah bantalan; alat pelumasan makin penting untuk menjaga pabrik tetap berjalan.
4. Celup dan percik pada gearbox dan rumah bantalan berisi oli.
5. Tetes dan sikat untuk rantai dan permukaan luncur terbuka.

Apa pun caranya, fiting dibersihkan sebelum pistol dipasang, karena kotoran di kepala fiting ikut terdorong ke dalam bantalan.

Interval dan jumlah

Interval pelumasan ulang (relubrication interval) adalah selang jam kerja atau waktu antara dua pemberian pelumas pada titik yang sama. Gemuk di bantalan lama-lama kehilangan minyaknya, teroksidasi, dan tercampur kotoran. Interval pelumasan ulang dari pabrik bergantung pada jenis dan ukuran bantalan, putaran, suhu, dan lingkungan. Aturan praktis yang umum adalah interval dibagi dua setiap kenaikan suhu sekitar 15 K di atas suhu acuan sekitar 70 °C, sehingga titik yang panas seperti rol pengering memerlukan interval jauh lebih pendek (Contoh 2).

Jumlah gemuk untuk pelumasan ulang bantalan sering diperkirakan dengan rumus praktis

$G \approx 0{,}005 \, D \, B$

dengan $G$ dalam gram, $D$ diameter luar, dan $B$ lebar bantalan dalam mm (Contoh 3). Jumlah dari manual mesin selalu didahulukan. Gemuk yang terlalu banyak teraduk, memanas, dan mendorong segel, seperti bantalan motor pada kasus pembuka; Bab 4 tentang bantalan gelinding dan luncur mencatat peringatan manual mesin pemilik tentang gemuk berlebih yang masuk ke belitan motor.

Kontaminasi dan analisis oli

Kontaminasi: air dan partikel

Kontaminasi (contamination) adalah masuknya zat asing ke pelumas, terutama air, partikel, serat, dan debu. Air menurunkan kekuatan lapisan oli, menimbulkan karat, dan mempercepat oksidasi. Oli yang tercampur air menjadi keruh atau berwarna susu. Di laundry dan dapur, air datang dari semprotan pencucian, uap, dan pengembunan saat mesin dingin di ruang lembap. Lubang napas dengan pengering udara dan segel yang baik mengurangi masuknya air.

Partikel datang dari debu, serat kain, dan serpihan aus. Partikel yang lebih besar daripada tebal lapisan oli menggores permukaan. Karena itu wadah oli ditutup, corong dan pistol gemuk diberi label per jenis dan disimpan bersih, dan oli baru disaring bila pabrik memintanya.

Panas mengoksidasi oli dan gemuk: oli menggelap dan mengental, gemuk mengeras seperti pada rol pengering di kasus pembuka.

Serat dan debu adalah kontaminan khas laundry. Serat kain yang terbang dari pengering menempel di gemuk yang keluar dari segel, menjadi gumpalan yang menahan air dan kotoran di bibir segel. Gemuk lama yang keluar dibersihkan setiap kali pelumasan, dan penutup bantalan yang hilang dipasang kembali.

Analisis oli sederhana

Pemeriksaan di lapangan:

1. Lihat dan cium: warna gelap, bau terbakar, keruh, busa, atau endapan.
2. Uji tetes di kertas saring: setetes oli di kertas memperlihatkan cincin kotoran dan serpihan.
3. Sumbat kuras bermagnet dan saringan untuk serpihan besi.
4. Bandingkan dengan oli baru dalam wadah bening yang sama.

Mengambil sampel. Sampel diambil saat oli hangat dan teraduk, dari titik yang sama setiap kali, misalnya katup sampel atau di tengah aliran saat menguras, bukan dari dasar wadah tampung. Botol sampel bersih dan kering, diberi label mesin, tanggal, jam kerja, dan jenis oli.

Laboratorium dapat mengukur viskositas, kadar air, logam aus, partikel, dan bilangan asam. Hasil satu kali kurang bermakna daripada tren dari sampel yang diambil dengan cara dan di titik yang sama setiap kali.

Penyimpanan dan daftar titik pelumasan

Penyimpanan dan penanganan

Pelumas disimpan tertutup di tempat kering dan sejuk, dengan label jenis dan tanggal terima, dan dipakai menurut urutan datang. Drum disimpan berbaring atau ditutup agar air hujan tidak tergenang di tutupnya. Wadah dan alat pemindah dipisahkan per jenis agar tidak tercampur. Daftar titik pelumasan mencatat titik, jenis pelumas, jumlah, interval, dan alat yang dipakai.

Menyusun daftar titik pelumasan

Pelumasan yang andal dimulai dari daftar, bukan dari ember gemuk. Daftar titik pelumasan untuk satu ruang laundry atau dapur memuat, untuk setiap titik:

1. Mesin dan titik, dengan nomor yang sama dengan label di mesin, misalnya bantalan depan motor washer-extractor nomor 2.
2. Jenis pelumas menurut manual mesin, dengan nama generik dan kelas kekentalan atau kelas NLGI, ditambah pelumas pengganti yang sudah dibandingkan lembar datanya.
3. Jumlah dalam gram atau jumlah tekanan pistol yang sudah dikalibrasi.
4. Interval dalam jam kerja atau kalender, disesuaikan dengan suhu dan lingkungan titik itu.
5. Cara: mesin berhenti atau berjalan menurut pabrik, alat yang dipakai, dan pelindung yang harus tetap terpasang.
6. Pemeriksaan bersama: suhu, bunyi, rembesan, dan keadaan pelumas lama yang keluar.

Titik dikelompokkan menurut interval, misalnya harian, mingguan, bulanan, dan empat bulanan, agar satu putaran kerja menyelesaikan satu kelompok. Pada kasus pembuka, daftar seperti ini akan memisahkan rol pengering yang panas, bantalan motor yang jumlah gemuknya terbatas, dan rantai di ruang lembap menjadi tiga baris dengan pelumas dan interval berbeda. Daftar diperbarui setiap kali mesin atau pelumas berganti, dan catatan pelaksanaannya disimpan bersama catatan perawatan mesin.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: oli di luar kelasnya. Oli bekas dari gearbox berkelas ISO VG 100 (rentang sekitar 90 sampai 110 mm²/s) diukur laboratorium 125 mm²/s pada 40 °C. Kenaikan 25 persen dari nominal menunjukkan oksidasi, oli lain yang tercampur, atau oli yang salah diisi.

Contoh 2: interval dan suhu. Interval dasar 6.000 jam pada 70 °C. Dengan aturan dibagi dua setiap 15 K: pada 85 °C menjadi 3.000 jam dan pada 100 °C menjadi 1.500 jam, seperempat interval dasar.

Contoh 3: jumlah gemuk. Bantalan 6208 berdiameter luar 80 mm dan lebar 18 mm (ukuran katalog): $G = 0{,}005 \times 80 \times 18 = 7{,}2$ gram.

Contoh 4: jumlah tekanan pistol. Dengan 1,77 gram per tekanan dari manual mesin pemilik: $7{,}2/1{,}77 = 4{,}1$, sekitar 4 tekanan. Pistol yang tidak dikalibrasi dapat memberi jumlah yang sangat berbeda, seperti dibahas di Bab 4 tentang bantalan gelinding dan luncur.

Contoh 5: air di rumah bantalan. Rumah bantalan berisi 0,5 liter oli terkontaminasi 2 persen air: $0{,}02 \times 500 = 10$ mL air, cukup untuk membuat oli berwarna susu. Sumbernya dicari sebelum oli diganti.

Contoh 6: oli yang menjadi encer saat panas. Misalkan lembar data sebuah oli memberi 68 mm²/s pada 40 °C dan 8,7 mm²/s pada 100 °C. Pada suhu kerja tinggi oli sekitar delapan kali lebih encer, sehingga lapisan pelumas lebih tipis dan kelas yang lebih kental atau oli berindeks viskositas lebih tinggi mungkin diperlukan menurut pabrik.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan serahkan keputusan melanjutkan kepada penanggung jawab peralatan bila salah satu keadaan berikut terjadi:

1. Titik pelumasan akan dicapai di dekat bagian yang berputar, panas, atau bertekanan sebelum mesin dimatikan, dikunci, dan diberi tanda, atau sebelum permukaan panas dingin; ikuti Bab 1 · Keselamatan tentang bahaya, risiko, energi tersimpan, dan kondisi berhenti. Pelumasan yang menurut pabrik harus dilakukan saat mesin berjalan mengikuti prosedur dan pelindung pabrik.
2. Pelumas yang jenisnya tidak diketahui akan diberikan ke titik yang jenis pelumasnya ditetapkan.
3. Pistol gemuk bertekanan tinggi akan dipakai di dekat tangan tanpa sarung tangan; semburan gemuk bertekanan dapat menembus kulit dan memerlukan pertolongan medis segera.
4. Oli bekas berwarna susu, berbau terbakar, atau penuh serpihan, dan mesin akan dijalankan kembali tanpa mencari sebabnya.
5. Pelumas biasa akan dipakai di peralatan dapur yang memerlukan pelumas untuk kontak tidak sengaja dengan makanan.
6. Tumpahan oli di lantai belum dibersihkan; lantai licin di ruang basah adalah bahaya tersendiri.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 4 · Fisika tentang gesekan dan hambatan gerak memberi dasar gesekan; Bab 4 tentang bantalan gelinding dan luncur memberi aturan pelumasan bantalan dari manual; Bab 7 tentang roda gigi dan gearbox memberi oli gearbox; dan Bab 6 tentang sabuk, puli, dan rantai memberi pelumasan rantai.

Bab 20 · Kimia tentang kimia organik untuk teknisi memberi hidrokarbon, Bab 22 · Kimia tentang polimer dan elastomer memberi kecocokan elastomer, Bab 1 · Keselamatan tentang bahaya, risiko, energi tersimpan, dan kondisi berhenti memberi kondisi berhenti, dan Bab 15 · Laundry tentang pengeringan dan finishing membahas pengering, yang titik pelumasannya bekerja panas.

Latihan dan pembahasan

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