Actuator Hydraulic

LAPOORAN PRESENTASI
HYDRAULIC & PNEUMATIC


Oleh;
HERI ANDRIYANTO
NBP. 06171002

Dosen : Dr. Ing. HAIRUL ABRAL













MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT
ENGINEERING FACULTY
ANDALAS UNIVERSITY
PADANG, 2010
HYDRAULIC ACTUATORS
Atuator sistem hidrolik adalah komponen yang melakukan aksi atau meneruskan daya dari pompa untuk melakukan kerja. Secara umum actuator dapat dibedakan menjadi dua yaitu linier dan rotary actuators ;
A. LINER ACTUATOR
Liner aktuator atau yang disebut silinder hidrolik merupakan aktuator dengan gerak translasi. Dapat dibedakan atas;
1. Berdasarkan fungsinya;
Yang umunm digunakan;
a) Single acting
b) Double acting
Special ;
a) Plunger or arm cylinders
b) Telescoping cylinders
c) Cable
d) Diaphragm
e) Bellow
f) Tandem
g) Duplex
h) Rotary
2. Berdasarkan konstruksinya;
a) Tie rod cylinders
b) Mill type cylinders
c) One piece welded cylinders
d) Treaded head cylinders


Bagian-Bagian Cilinder Hidrolik
Konstruksi Silinder hidrolik secara umum terdiri dari;
• Cylinder body or tube
• Piston
• Piston rod
• Threaded end of piston rod
• Bush seal
• Bush
• Front end cover / head end
• Rear end cover/ cap end
• Piston seal
• Cushioning assembly
• Rod wiper
• Tie-rod fastener
 Circular groove
Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar berikut ini.

Gambar 1. Komponen utama silinder hidrolik


Cylinder material
a. Cylinder barrel, terdapat beberapa material yang sering digunakan sebagai bahan pembuatan cylinder barrel sesuai konsisi penggunaanya;
– Grey C.I. Tubes, tekanan maksimum 300 bar proses pembuatanya biasanya adalah dengan tube drawing.
– Heavy duty C.I. tekanan operasi yang dapat di tamping adalah 500-600 bar, proses yang digunakan untuk membuat cylinder dengan material ini adalah casting atau pengecoran.
– Brass, tekanan maksimum adalah 400 bar, dengan proses pembuatan yaitu proses pengecoran.
– Bronze, tekanan maksimum adalah 400 bar, proses pembuatan biasanya dengan proses pengecoran.
– Aluminum alloy, tekanan maksimum yang dapat ditahan adalah 550 bar, proses pembuatan yang biasa digunakan adalahpengecoran.
– Low carbon steel, tungsten alloy, titanium and aluminum alloy, cylinder dengan bahan ini dapat menahan tekanan hingga 1250 bar, proses pembuatan yang biasa digunakan adalah cold drawn deep polished.
Cylinder hidrolik biasanya memiliki perbandingan diameter dengan ketebalannya 20 : 1, dan dibuat dengan ketelitian yang tinggi dengan toleransi H7 to H9. Bagian dalam cylinder dilakukan pengerasan misalnya dengan proses karburisasi atau dengan induction hardening , diakhiri dengan pelapisan krom dan pemolesan.
b. Piston Rod
Batang piston biasanya dibuat dari bahan stainless steel, harus memiliki kekerasan yang tinggi agar tahan terhadap gesekan, biasanya dilakukan pengerasan misalnya dengan carburisasi atau pengerasan induksi. Kekerasan 60-65 HRC, dan memiliki kepresisian tinggi dengan toleransi k9 m.
c. Bush, Made of bronze or other similar metals
d. Cylinder head and cap, Cast steel, minimum yield strength 30 kgf/cm2
e. Piston, Kekerasan harus lebih rendah dari material cylinder barrel
Seals in cylinder
• Umumnya berbantuk “u” atau “v”-ring.
• wiper seal digunakan untuk mecegah masunya kotoran.
• Material seal yang banyak digunakan yaitu PTFE (polytetrafluoeoethylene)
Cylinder reliability
• Karakteristik seal, seal sangat penting karena digunakan untuk mencegah kebocoroan antara rod dengan cilinder sehingga tekanan dapat dijaga.
• Gesekan, gesekan sangat mempengaruhi kinerja silinder hidrolik karana mempengaruhi tekanan yang dibutuhkan, hal yang berhubungan dengan gesekan adalah material hardness, koefisien gesekan, clearence, working temperature, surface.
• Wear rate, ketahanan material terhadap gesekan sangat diperhatikan dalam mengoptimalkan kinerja silinder hidrolik.
• Surface roughness, atau kekasaran permukaan akan mempengaruhi besarnya gesekan.
Untuk memprediksi ketahanan silinder hidrolik dengan perlakuan pengerasan yang berbeda dpat dilihat pada table berikut ini;
No. Process Workpiece materials Dimension accuracy Thickness of hardened layer
1 Carburising Low carbon steel 50-150 μm 0.5-2 mm
2 Nitriding Steel, C.I 50-100 μm 0.05-0.6 mm
3 Induction hardening steel 30-70 μm 0.2-10 mm
4 Cr-plating Steel, C.I, non ferrous alloy - 0.005-1.0 mm
5 Rolller burnishing Steel, C.I, Ti and non-ferrous alloy - 1-20 mm

Cylinder force, acceleration and losses
Untuk mengitung gaya keluaran yang dihasilkan sebuah silinder dapat dilihat parameter yang menpengaruhi seperti pada gambar berikut ini;

Gambar 2. Gaya-gaya pada cylinder
Fa = Fs + Fd

During acceleration;

Fa = Fr + Fg + Fd

Steady travel;
Fa = Fs
Dimana, Fs > Fd
Sedangkan untuk Friction force and losses in cylinder, ada beberapa perameter yang mempengaruhi sebagai berikut ini;
• Surface finish
• Coefficient of friction, μ
• Size of sealing, A
• Oil pressure, P
• Pre-load seal, Fp
Sehingga friction force dirumuskan sebagai berikut;

Dimana; Ac = π l D
μ = 0.15 s/d 0.2
Ac = circumental area
L = length of seal surface
D = cylinder diameter
Fp = pre-load force
Fp = (0.5 s/d 1) bar dikali jumlah ring

Secara teori Frictional losses dari kebanyakan silinder hidrolic adalah berkisar antara 2 sampai 8 %. Dari sini secara teoritis gaya maksimum dapat dirumuskan sebagai berikut;

Dan kehilangan tekana selama kerja (Pressure drop) adalah;

Dimana;
∆P’ = pressure drop in inlet line


Piston, piston rod and rod length
Ada hubungan antara piston batang piston dan panjang batang sehingga dihasilkan performa yang optimal, dimana biasanya;

d= piston rod diameter
D= piston diameter
Pada beberapa kasus , d = 0.5~0.7 D
Cylinder dengan tekanan tinggi sebaiknya memiliki langkah sependek mungkin, karena jika langkahnya terlalu panjang maka kemungkinan batang terdefleksi makin besar.
Dalam menghitung gaya yang dihasilkan atau yang dibutuhkan maka beberapa parameter yang perlu diketahui;
• Total beban
• Menentukan percepatan
• μs , μk
Contoh; Beban arah horizontal 3000 kgf, Kecepatan 0,5 m/s ingin dicapai setelah jarak 15 mm, Cylinder dia. 40 mm, Koef. Gesekan 0,15, Tentukan tekanan !





Flow Velocity (kecepatan aliran oli)
• Umumnya 1 s/d 7 m/s2
• Debit yang diperlukan Qf
• Debit pompa Qp


• Kecepatan piston Vf


• Kecepatan piston kembali Vr


Cylinder Efficiency
Efisiensi dari silinder hidrolik dapat dirumuskan;


Efisiensi dipengaruhi frictional force yang dipengaruhi luas area gesekan, maka efisiensi secara keseluruhan juga dipengaruhi dimensi silinder itu sensiri, seperti pada table berikut ini;
Piston diameter Cylinder efficiency
20-50 mm
50-120 mm
120 mm 80-85
85-90
90-95


Sizing Cylinder Tubes
Dalam perancangan silinder yang perlu diperhatikan adalah tegangan yang akan dialami material denagan kondisi kerjanya,


Gambar 3. Ketebalan dinding silinder
Hoop sress, σ dapat dirumuskan sebagai berikut;



Ketebalan, t yang dibutuhkan sesuai karakteristik material



Piston Rod Design
Sedangkan dalam perancangan batang piston yang perlu diperhatikan adalah gaya yang bekerja, dimana;
F = a . σ
F = beban tekan atau tarik
a = penampang rod
σ = material stress
Critical buckling, merupakan perbandingan antara panjang batang dengan diameternya sehingga dapat dihindari lendutan batang atau buckling, gaya kritis Fc dapat dirumuskan;

Dimana inersia penampang I;


Beban maksimum F = Fc / S , dimana S merupakan safety factor.

Gambar 4. Buckling pada batang





ROTARY ACTUATORS
Yaitu merupakan actuator system hidrolik dengan gerakan rotasi atau berupa putaran dan sering disebut sebagai hydraulic motors (motor hidrolik). Sama halnya dengan hydraulic pump atau pompa hidrolik (vanes, gears, dan piston dsb). Perbedaanya adalah pompa menghasilkan tekanan, sedangkan motor hidrolik diputar degan oli bertekanan.

Gambar 5. prinsip dasar rotary actuator
Motor hidrolik dapat di rating berdasarkan;
a. Displacement, yaitu Jumlah fluida yang diperlukan untuk memutar motor satu putaran.
b. Torque capacity
c. Maximum pressure capacity
Torque, dapat digambarkan debagai berikut;

Sehingga , Rotari power = Torque x Angular velocity = T x Rev/s x 2p
Input hydraulic power;


Jadi Torsi motor adalah;

Flow rate, Q;
Q = rpm x displacement, cm3 /rev
Pressure P, Tekanan yang dibutuhkan tergantung pada torsi dan displacement.

Tekanan P adalah kN/cm2 dimana N/mm2 = Mpa = 10 bar.
Klasifikasi Motor Hidrolik
Motor hidrolik dapat diklasifikasikan berdasarkan arah putaran dan konstruksinya.
• Berdasarkan arah;
a) Uni-directional, hanya dapat berputar satu arah saja.
b) Bi-directional, dapat berputar dua arah berlawanan.

Gambar 6. symbol rotary actuator
• Berdasarkan konstruksi dapat dibedakan atas;
1. VANE MOTOR




Gambar 7. vane motor
Flow from the pump enters the inlet, forces the rotor and vanes to rotate and passes out through the outlet. Rotation of the rotor causes the output shaft to rotate. Since no centrifugal force exists until the rotor begins to rotate some method must be provided to initially hold the vanes against the casing contour. Springs are often used for this purpose. Springs are usually unnecessary in vane pumps because the drive shaft in these units initially supplies the centrifugal force to assure vane-to-casing contact. Vane motors rotate in either direction but they do so only when the flow rate through the motor is reversed.

2. GEAR MOTORS
Fluid is pumped into the motor inlet (P) where it has two courses to follow around the outside in the space between the teeth to the exit at (T). Like the gear pump the gears in a gear motor are closely fitted in the housing end and, for this reason, flow of fluid through the motor from the inlet to the outlet can occur only when the gears rotate. In the gear motor fluid drives both gears but only one gear is coupled to the output shaft to supply rotary mechanical motion. Gear motors are of the fixed displacement type - this means that the output shaft speed varied only when the flow rate through the motor changes. These motors are generally two directional, the motor being reversed by direction fluid through the motor in the opposite direction.


Gambar 8. Gear motor

3. SEMI - ROTARY PISTON TYPE ACTUATORS
Torque actuators are used to give semi-rotary actuation. Very large torques are produced at low speeds. The Type on the left produces rotation of about 300o. The oil enters between the fixed and moving vanes. The pressure makes the moving vane rotate the shaft. The type on the right has two sets of vanes, which doubles the torque but reduces rotation to less than 180o.


Gambar 9. Semi Rotary motor
4. ROTARY PISTON TYPE
The oil forces the piston to move in a similar way to a hydraulic ram. The piston has studs on it with 45o splines that mate with fixed splines on one side. This makes the piston and shaft rotate as it moves.

Gambar 10. Rotary piston motor

5. PARALLEL PISTON TYPE
The two pistons move parallel to each other. One piston rotates the shaft one way and the other piston rotates it the other. The rotation is about 100o. This design is commonly used for the pneumatic operation of pipe line valves.

Gambar 11. Paralel piston motor


6. RACK AND PINION TYPE
The construction is basically two single acting cylinders with a single connecting rod in the form of a rack. The rack engages with a pinion gear that is part of the output shaft. The pistons are moved either right to left or left to right producing clockwise or counter-clockwise rotation. Adjusting the piston stroke can set the degree of rotation. The design is typical for a pneumatic actuator.

Gambar 12. Rack and Pinion piston motor
7. RADIAL PISTON MOTORS
There are many designs for radial piston motors. They are typically used for applications requiring a large torque and slow speed such as with winches. The design is common for hydraulic and pneumatic motors. The diagram shows a design with radial cylinders each in a separate block. The pistons are connected to the shaft by a crank or some other mechanism. Suitable valve designs allow the oil into the cylinders and force the pistons to reciprocate and turn the shaft. These produce high power and torque. Figure 11 This design uses a central piston block. The oil pressure forces the pistons out against a cam. The force acting on the side of the cam produces rotation of the piston block and shaft. The cam has several lobes and s the pistons make several strokes in one revolution. They are typically used to rotate large drums.

Gambar 13. Radial piston motor
8. AXIAL PISTON MOTORS
These motors can be either fixed or variable displacement and are usually two directional. Typical designs are the cam type (fixed) or swash plate (fixed or variable).

Gambar 14. Axial piston motor
a. Cam Type
Flow enters the motor at the inlet (6) and is directed to piston and ball (3), which pushes forward against a ring cam (4). The ball engages on the slope of the cam and produces rotation. The cam is fixed but the cylinder block is splined to the shaft (7). The cylinder block and shaft rotates. When the block rotates the cam pushes the piston back. At this point the piston connects to the low pressure exhaust port (Blue). By using cams with several lobes and several inlet and outlet ports in the rear block (7) the piston is made to do several strokes during each revolution. They are typically used to rotate the drums on dustbin lorries (garbage trucks).

Gambar 15. Cam piston motor
b. Swash Plate Types
These are similar to the cam in principle but the cam ring is replaced by a swash plate. Because of the angle of the plate, the piston pushing against it produces rotation. In some designs the swash plate is fixed and the cylinder block rotates. In other designs the piston block is fixed and the cam plate rotates. The speed of the motor at a given flow rate may be changes by altering the angle of the swash plate. Sometimes the piston block is cranked to make a fixed angle with the swash plate. The motors can run at high speed and the speed can be varied by changing the angle of the swash plate. Large powerful versions are used in heavy vehicle transmission systems and the gear ratio to te wheels is varied by varying the swash plate angle.

Gambar 16. Swash Plate piston motor

9. DERI -SINE MOTORS
Fluid enters the motor and is directed to two ports that allow the fluid to enter the rotor chamber. Pressure acting on the rotors forces them to rotate. The vanes follow the cam shaped contours of the rotor and prevent fluid passing directly to the outlet ports. Because of the shape of the rotors the space at the inlet increases as the fluid enters which causes the rotor to turn, then as the rotor approaches the outlet the space begins to decrease and the fluid is discharged from the outlet. Reversing the direction of flow through the motor reverses the motor. These motors are very quiet and smooth running. They are compact and easily fit inside robotic devices.

Gambar 17. Deri-sine motor

Pemilihan Motor Hidrolik
Dalam pemilihan motor hidrolik ada beberapa hal yang perllu diperhatikan
 Sesuaikan dengan torsi yang dibutuhkan
 Tekanan sistem
 Jika dibutuhkan rpm yang tinggi, gunakan breaking relief valve
 Hydro-motor sebaiknya digunakan pada rpm maksimumnya
 Gunakan flow control valve untuk mengatur rpm motor

Rangkaian Hydraulic Motor
Hydraulic Transmission


Gambar 17. Hydraulic Transmission
Pum-Motor Combination

Fixed pump-variable motor

Gambar 18. Kombinasi pompa dan motor hidrolik
Keuntungan menggunakan hydrostatic transmission
 Bebas kejut saat start dan stop dan saat ada perubahan kecepatan
 Dapat mentransmisikan tenaga yang besar dengan inertia yang rendah
 Transmisi continuous
 Dapat bekerja efktif
 Respon cepat

Aplikasi
 Earth moving equipment
 Truck mounted cranes
 Winches
 Steering system
 Railway shunting engine
 Heavy automobile
 Ship instalation
 Aircraft system


Gambar 19. Contoh aplikasi system transmisi hidrolik














DAFTAR PUSTAKA

Majumdar, M.S. 2002. ”Oil Hydraulic System Principles and Maintanance”. McGraw-Hill : Singapore
http://users.pandora.be/educypedia/education/mechanicshydrau.htm
http://www.industrialskillscampus.com/online.htm e-l
http://users.pandora.be/educypedia/education/mechanicshydrau.htm
http://home.wxs.nl/~brink494/frm_e.htm
http://www.coes.latech.edu/meen/melabs.htm