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 tentang uap, udara tekan, air proses, dan neraca utilitas.

Tekanan dan hukum Pascal ada di Bab 9 · Fisika tentang fluida statis, gas ideal di Bab 15 · Fisika, aktuator dan mekanisme di Bab 2, katup solenoid di Bab 62 · Kelistrikan & Kendali tentang elemen kendali akhir, rugi tekan di Bab 2 · Fluida & Termal, segel di Bab 9 tentang segel, paking, dan perapat, dan kontaminasi pelumas di Bab 8 tentang pelumasan. Tekanan kerja, setelan katup pelepas, jenis fluida, dan interval perawatan diambil dari pabrik mesin.

Tekanan, luas, dan gaya

Tenaga fluida (fluid power) adalah tenaga yang dipindahkan oleh udara tekan atau oli bertekanan ke silinder dan aktuator. Tenaga fluida bekerja menurut hukum Pascal, seperti di Bab 9 · Fisika tentang fluida statis: 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:

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

dengan $D$ diameter piston dan $d$ diameter batang, sehingga gaya tarik lebih kecil daripada gaya dorong pada tekanan yang sama (Contoh 1). Luas piston di kedua sisi silinder memang dapat berbeda. Gesekan segel mengurangi gaya nyata, kira-kira 5 sampai 15 persen pada silinder pneumatik.

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; kekakuan hidraulik adalah ukuran kemampatan fluida, dan persamaan ruang silinder memakai modulus curah fluida. Tekanan kerja pneumatik mesin umumnya sekitar 5 sampai 7 bar, sedangkan hidraulik puluhan sampai ratusan bar, 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. Jenis baling-baling adalah salah satu bentuk aktuator putar, dan untuk aktuator katup tidak ada satu jenis yang terbaik untuk semua penerapan.
5. Motor hidraulik untuk beban putar berat.

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 9 tentang segel, paking, dan perapat.

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 Bab 15 · Fisika tentang gas ideal:

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

dengan $p$ tekanan ukur dan $p_{\text{atm}}$ tekanan atmosfer, sekitar 1,013 bar (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

Unit penyiap udara (air preparation unit) adalah rangkaian komponen yang membersihkan, mengatur tekanan, dan bila perlu melumasi udara tekan untuk satu mesin. 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. 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 (directional control valve) adalah katup yang menentukan ke lubang mana fluida dialirkan. 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 tentang elemen kendali akhir. Simbol katup dan komponen mengikuti standar gambar yang menunjukkan fungsi dan sambungan komponen.

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. Katup spul sering dipakai sebagai penguat daya, dan pada posisi netral kedua katup dalam rangkaian tertentu aliran pompa kembali ke tangki. Katup pengatur tekanan meliputi katup pelepas (relief valve) 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

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:

$P = p \, Q$

dengan $v$ kecepatan dalam m/s, $Q$ aliran dalam m³/s, $A$ luas piston dalam m², $P$ daya dalam W, dan $p$ tekanan dalam Pa (Contoh 4 dan Kunci 4). Bila silinder sampai di ujung langkah atau beban macet, aliran pompa berperpindahan tetap harus keluar lewat katup pelepas. Energi untuk aliran itu bergantung pada tekanannya sampai tekanan mencapai setelan katup pelepas, dan seluruhnya berubah menjadi panas di oli. Pompa yang mengalirkan 3 L/min pada tekanan 5,5 MPa, misalnya, bila seluruh alirannya lewat katup pelepas, menghasilkan panas $5{,}5 \times 10^6 \times 3/60.000 = 275$ W, terus-menerus selama pompa berjalan. Pompa berperpindahan berubah dengan kompensator tekanan atau penginderaan beban mengurangi aliran saat tidak diperlukan, salah satu cara dasar menaikkan efisiensi sistem hidraulik.

Fluida hidraulik dan kebersihannya

Fluida hidraulik memindahkan daya, melumasi, mendinginkan, dan merapatkan celah. Fluida harus dipilih dengan jenis dan sifat yang tepat agar semua fungsi itu terpenuhi. Ada pula 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. 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; udara yang keluar dari larutan membuat gerak lembek dan menimbulkan kavitasi di pompa.
3. Air. Air membentuk emulsi yang sulit dipisahkan dan merusak permukaan; ada saringan khusus penghilang air, dan ada cara yang lebih sederhana untuk mengeluarkan air dari sistem.
4. Partikel. Kebersihan fluida dinyatakan dengan kode berdasarkan jumlah partikel, dan rasio beta saringan berhubungan dengan efisiensi penyaringannya; partikel lebih besar daripada celah spul dan pompa adalah sebab utama aus dan katup macet. Bab 8 tentang pelumasan membahas kontaminasi lebih umum.
5. Tangki. Tangki menenangkan oli, memisahkan udara, mengendapkan kotoran, dan melepas panas; beberapa penerapan memerlukan tangki yang lebih besar daripada aturan umum.

Selang, sambungan, dan bocoran

Bocoran adalah salah satu cacat paling umum sistem hidraulik, dan 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. 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

Energi tersimpan (stored energy) adalah energi yang masih ada di mesin walaupun sumber dayanya sudah dimatikan. 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 (accumulator), yang 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 tentang bahaya dan energi tersimpan dan Bab 76 · Kelistrikan & Kendali tentang kerja aman dan LOTO 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 tentang Bernoulli, rugi tekan, dan perpipaan.

Contoh kerja

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

Contoh 1: gaya dorong dan tarik silinder pneumatik. Silinder berdiameter 50 mm dengan batang 20 mm pada 6 bar (0,6 MPa). Luas kepala $\pi \times 50^2/4 = 1.963{,}5$ mm² memberi $0{,}6 \times 1.963{,}5 = 1.178$ N dorong. Luas sisi batang $1.963{,}5 - 314{,}2 = 1.649{,}3$ mm² memberi 990 N tarik. Dengan rugi gesek 10 persen, gaya dorong nyata sekitar 1.060 N.

Contoh 2: udara bebas per langkah. Langkah 200 mm: volume kepala $1.963{,}5 \times 200 = 0{,}393$ 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: gaya pada beban yang terangkat. Pengangkat troli menahan 600 kg 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 6: silinder yang turun sendiri. Silinder Contoh 5 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.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan serahkan keputusan kepada pengawas atau penanggung jawab peralatan 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 tentang bahaya, energi tersimpan, dan kondisi berhenti dan Bab 76 · Kelistrikan & Kendali tentang kerja aman dan LOTO.
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

Hubungan dengan bab lain

Bab 9 · Fisika tentang fluida statis memberi hukum Pascal, Bab 15 · Fisika tentang gas ideal memberi hukum gas, Bab 2 tentang mekanisme dan aktuator membahas aktuator, dan Bab 62 · Kelistrikan & Kendali tentang elemen kendali akhir membahas katup solenoid. Udara tekan sebagai utilitas ada di Bab 1 · Utilitas tentang uap, udara tekan, air proses, dan neraca utilitas, segel silinder di Bab 9 tentang segel, paking, dan perapat, kontaminasi di Bab 8 tentang pelumasan, dan rugi tekan di Bab 2 · Fluida & Termal tentang Bernoulli, rugi tekan, dan perpipaan. Isolasi energi dibahas di Bab 1 · Keselamatan tentang bahaya, energi tersimpan, dan kondisi berhenti dan Bab 76 · Kelistrikan & Kendali tentang kerja aman dan LOTO; isolasi udara tekan dan hidraulik secara khusus ada di Bab 4 · Keselamatan tentang isolasi energi non-listrik.

Latihan dan pembahasan

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