ANALISA KEBUTUHAN

Jurnal TrendTech Vol 3 No 1, 2018 ISSN (cetak) 2502-2989 | ISSN (online) -------------
30
ANALISA KEBUTUHAN DAYA MOTOR HIDROLIK PADA CAPSTAN
BERKAPASITAS 3 TON
Ghany Heryana1
, BD Aprianto2
, DI Malik3
, Aji P Prakoso1
1
Program Studi Teknik Mesin, Sekolah Tinggi Teknologi Texmaco Subang
2
Program Studi Teknik Mesin, Politeknik Negeri Jakarta
3
Program Studi Teknik Mesin, Politeknik Manufaktur Bandung
E-mail koresponden: gantm99@yahoo.com
Abstract
Handling equipment in the sea requires detail calculations. Ships are used for surveys often remove anchors
or release equipment into the sea. For expensive equipment, usually have to be taken back and lifted to the ship
without damage. For example, certain sensors must be left inside or on the sea floor and left by the ship. But
the device and the sensor must still be controlled and must not be lost. Therefore a mechanism is needed to
keep the equipment physically connected to the ship. The most reasonable way is to tie the equipment with a
rope. The challenge of the rope can stretch up to hundreds of kilometers. In some cases, the rope must be able
to withstand loads such as sensors, then the weight of the rope itself, exposure to waves, and other unexpected
things related to nature. Lots of mechanisms to pull or stretch the rope. The mechanism is usually in the form
of a pull / stretcher wheel (capstan), or in the form of a coiler. The point is that the equipment is in the form of
a wheel that is powered to be able to pull and extend the rope along with the attached equipment. Swivel power
and torque are obtained from an electric motor or hydraulic motor. The selection of the type of player must
consider the corrosive (sea) environmental conditions. In this paper will be discussed and analyzed the needs
of motor power (hydraulic) and hydraulic circuit so that it can accommodate the loads that will occur.
Keywords: Capstan, hydraulic motor, coiler.
Abstrak
Penanganan peralatan yang berada di laut memerlukan perhitungan yang cermat. Kapal yang dipergunakan
untuk survei seringkali harus melepas jangkar atau melepaskan peralatan ke dalam laut. Untuk peralatan yang
mahal biasanya harus dapat kembali diambil dan diangkat ke atas kapal tanpa ada kerusakan. Sebagai contoh
sensor tertentu harus ditinggal di dalam atau dasar laut dan ditinggal oleh kapal. Namun alat/sensor tersebut
harus tetap dapat dikendalikan dan tidak boleh hilang. Oleh karena itu diperlukan mekanisme untuk tetap
menjaga peralatan terhubung secara fisik ke kapal. Cara yang paling masuk akal adalah mengikat peralatan
dengan tali. Yang menjadi tantangan tali tersebut dapat terbentang hingga ratusan kilometer. Pada beberapa
kasus, tali tersebut harus dapat menahan beban berupa sensor misalnya, kemudian berat tali itu sendiri, terpaan
ombak, dan hal-hal lain yang tidak terduga terkait alam. Banyak sekali mekanisme untuk menarik atau
mengulur tali. Mekanisme tersebut biasanya berupa roda penarik/pengulur tali (capstan), atau berupa coiler.
Intinya peralatan tersebut berupa roda yang diberi daya agar dapat menarik dan mengulur tali beserta peralatan
yang terikat. Daya dan torsi putar didapatkan dari motor listrik atau motor hidrolik. Pemilihan jenis pemutar
tersebut harus mempertimbangkan kondisi lingkungan (laut) yang korosif. Pada makalah ini akan dibahas dan
dianalisa kebutuhan daya motor (hidrolik) serta rangkaian hidroliknya agar dapat mengakomodir beban-beban
yang akan terjadi.
Kata kunci: Capstan, motor hidrolik, coiler.
1. Pendahuluan
Diperlukan sebuah capstan system yang dapat menarik beban hingga 1 ton dengan kecepatan tarik sekitar 10
km/jam. Diameter capstan tidak boleh menyebabkan tali menekuk atau melilit dengan radius yang kecil. Sistem
akan ditempatkan di atas kapal/ beroperasi di laut oleh karena itu perangkat dengan listrik harus diminimalisir.
Capstan harus dapat menahan beban tarik sebesar 1 ton, dengan safety factor 3 maka rancangan menjadi 3 ton.
Agar bebas perawatan maka material menggunakan baja jenis mild steel. Roda capstan berputar dengan media
planetary gear, yang diputar oleh pinion gear. Daya putar didapat dari motor hidrolik. Dengan demikian pada unit
capstan dapat dijauhkan dengan sumber listrik (fully hydraulic). Peralatan yang memiliki arus listrik dapat di-
install di tempat terpisah yang jauh dari pengaruh air laut.

31
Capstan merupakan mesin yang berputar (rotating machinery) yang digunakan untuk menggulung sesuatu
seperti tali, tambang, fiber, atau bahan lainnya. Dengan memanfaatkan gaya gesek antara besi penggulung dengan
bahan yang digulung, gaya tarik penahan yang kecil dapat menarik beban yang jauh lebih besar [1]. Perbandingan
gaya tarik dengan gaya penahannya biasa dijabarkan melalui persamaan dasar pada capstan seperti pada
Persamaan 1 [2].
𝑇2
𝑇1
= 𝑒 𝜇𝜃
(1)
Dengan T2 merupakan gaya tegangan tali penarik, T1 merupakan gaya penahan, μ merupakan koefisien gesek
antara bahan dengan penggulung, dan θ merupakan sudut jarak sentuh bahan dengan penggulung. Wei pada tahun
1998 mempelajari bahwa tidak semua tali yang dihubungkan pada sistem capstan merupakan tali lentur yang
tergulung pada capstan dengan baik, selanjutnya dikembangkan persamaan baru yang dapat memperhitungkan
tegangan tarik beban yang dihasilkan pada capstan dengan tali yang kurang lentur [3].
Selanjutnya pada tahun 2007, Jung mempelajari pengaruh rasio jari-jari dan power-law friction pada capstan
kepada rasio tegagangannya. Dihasilkan bahwa kedua variabel tersebut berpengaruh besar kepada rasio tegangan
pada capstan [4]. Kemudian Baser pada tahun 2010 mencoba untuk membuat persamaan yang dapat
mengkalikulasi deviasi pada gesekan antara capstan dengan tali yang dapat mengakibatkan kesalahan hitung pada
robot yang menggunakan sistem capstan. Namun, persamaan yang dihasilkan masih dalam bentuk persamaan
integral yang belum diselesaikan [5]. Selanjutnya pada tahun 2013 Kevin Cronin mencoba untuk menghubungkan
pengaruh gaya gesek pada capstan dengan variasi kebutuhan momen puntir yang terjadi pada capstan
menggunakan pencekatan teoritis dan statistik yang kemudian dibuktikan menggunakan eksperimen dan simulasi
numerik [6].
2. Landasan Teori
2.1 Kekuatan Capstan dan Rugi-rugi capstan
Wei, pada 1998 memodifikasi Persamaan 1 dengan menambahkan variabel f pada persamaan untuk
meningkatkan prediksi gaya tarik yang dihasilkan sekaligus untuk mengakomodasi kondisi tali yang tidak mudah
dibengkokkan. Persamaan baru tersebut tercantum dalam Persamaan 2 [3].
𝑇2 = 𝑇1 𝑒 𝜇𝜃
+ 𝑓0 (2)
Dimana, untuk tali dengan kelengkungan yang linier, nilai f0 dapat ditentukan dengan Persamaan 3 [3].
𝑓0 =
𝜇𝐾√𝐵
𝑅
(√ 𝑇1 + √ 𝑇2) (3)
Sedangkan, untuk tali dengan kelengkungan tidak linier, persamaan 3 berubah menjadi Persamaan 4 [3].
𝑓0 =
2𝑚0
𝑅
+
𝜇𝐾√𝐵
𝑅
(√ 𝑇1 + √ 𝑇2) (4)
Dengan B merupakan kekuatan lentur dari tali, R merupakan jari-jari kelengkungan tali, K merupakan rasio
antara jari-jari capstan dengan jari-jari kelengkungan tali, serta m0 adalah pasangan lentur koersif dari tali.
Capstan yang berputar menggunakan sistem roda gigi memiliki batasan kekuatan tersendiri yang dipengaruhi
oleh material, bentuk, dan ukuran roda gigi. Beban maksimum yang mampu diterima oleh sebuah roda gigi dapat
dihitung menggunakan Persamaan 5 [7].
𝐹𝑇 =
𝜎 𝑀 𝑊𝐹 𝑓𝐿
𝐷 𝑝 (5)
Dimana FT merupakan beban tangensial maksimum pada roda gigi, σM merupakan tegangan lekuk maksimum
pada mata gigi (biasanya adalah 1/3 dari UTS), WF merupakan lebar penampang roda gigi, dan fL merupakan
faktor Lewis yang dipengaruhi oleh bentuk dan jumlah mata gigi. Sistem roda gigi yang digunakan pada studi ini
menghasilkan gaya gesek antar mata gigi yang setara dengan persamaan 6 [8].
𝜇 𝑀 = 0.12 [
𝑤𝑡 𝑅 𝑎
𝜂 𝑀 𝑣𝑟
]
0.25
(6)

32
Pada studi kali ini, capstan menggunakan tali berbahan nilon yang lentur dan memiliki koefisien gesek yang
kecil. Oleh karena itu rugi-rugi akibat slip pada capstan perlu diperhatikan sesuai dengan persamaan berikut [5].
(7)
2.2 Motor Hidrolik Piston Radial
Motor hidrolik digunakan sebagai sumber penggerak pada studi kali ini. Motor hidrolik memiliki kekuatan
momen puntir yang jauh lebih tinggi daripada motor listrik [9]. Di sisi lain, penggunaan motor listrik dengan daya
yang tinggi di daerah pantai memiliki tingkat risiko bahaya yang tinggi dibandingkan dengan menggunakan daya
hidrolik. Di antara motor hidrolik yang ada, motor hidrolik piston radial memiliki efisiensi yang paling tinggi
dengan torsi yang besar [10]. Efisiensi motor hidrolik jenis ini adalah di antara 90% hingga 93% [9].
Motor hidrolik piston radial terdiri atas beberapa piston yang disusun radial terhadap poros putar dan
terhubung dengan poros putar menggunakan engkol penghubung. Piston-piston tersebut kemudian secara
simultan memutar poros karena adanya dorongan dari fluida yang memasuki ruang piston. Engkol penghubung
yang mendorong poros putar ini yang membuat motor hidrolik jenis ini mampu memberikan momen puntir yang
besar [11].
Motor hidrolik piston radial tipe MR-190 memiliki nilai torsi spesifik 3.05 Nm/bar, sehingga dengan tekanan
hidrolik 200 bar, motor ini mampu memutar poros hingga 600 Nm. Motor hidrolik tipe ini memiliki jangkauan
kecepatan putar 1 rpm hingga 850 rpm tergantung pada kebutuhan. Daya motor dapat disesuaikan dengan
menyesuaikan tekanan dan debit fluida yang masuk ke dalam motor [12].
Sebagai mesin fluida, motor hidrolik memiliki faktor kecepatan yang sesuai dengan Persamaan 8 [13].
𝜙 =
𝑢
√2𝑔𝐻 (8)
Dengan u merupakan kecepatan tangensial engkol motor, g merupakan percepatan gravitasi, dan H merupakan
tinggi tekan fluida. Dengan didapatkannya faktor kecepatan, kecepatan spesifik motor dapat dihitung
menggunakan persamaan 9 [13].
𝑁𝑠 =
𝑛√𝑃
(𝐻)5/4 (9)
Dengan n merupakan putaran dalam RPM, P merupakan daya motor, dan H merupakan tinggi tekan fluida.
Untuk mengetahui kebutuhan tekanan dan debit pada motor hidrolik, setiap motor hidrolik memiliki besaran
khusus yang menggambarkan spesifikasi kerja nya, yaitu torsi spesifik dan debit spesifik. Persamaan 10 dan 11
menjelaskan bagaimana mengetahui kebutuhan tekanan dan debit untuk motor hidrolik [12].
𝑝 =
𝜏
𝑇𝑜𝑟𝑠𝑖 𝑆𝑝𝑒𝑠𝑖𝑓𝑖𝑘 (10)
𝑄 = 𝐷𝑒𝑏𝑖𝑡 𝑆𝑝𝑒𝑠𝑖𝑓𝑖𝑘 ∙ 𝑅𝑃𝑀 ∙ 0.06 (11)
Debit yang dihitung memiliki satuan liter per jam, p dalam bar dengan τ merupakan momen puntir motor yang
diharapkan dalam Nm.
Untuk mendapatkan daya motor pompa sebenarnya, harus diketahui 2 parameter utama yaitu torsi dan rpm
yang dibutuhkan, berikut ini rumus hubungan daya, torsi dan rpm [13].
𝑃 = 2𝜋𝑁𝑆 𝑡 (12)
Jika sudah diketahui daya riil pompa hidrolik, daya motor juga dapat dihitung dengan rumus daya pompa
dibagi randemen mekanis, rendemen mekanis pompa umumnya sebesar 85% [14]. Putaran motor dan momen
puntir yang dibutuhkan pada kondisi lapangan dapat berubah-ubah, hal tersebut mengakibatkan kebutuhan
tekanan dan debit fluida yang dibutuhkan berbeda-beda. Hal tersebut selanjutnya akan mengakibatkan fluktuasi
daya pada pompa [15].
2.3 Debit Aliran Fluida
Debit aliran fluida merupakan rumus yang digunakan untuk menghitung kecepatan aliran fluida, yaitu sebagai
berikut [16]:

33
𝑄 = 𝐴 ∙ 𝑉 (13)
Kemudian dari persamaan kontinuitas akan didapat:
𝐴 = 1/4𝜋𝑑2
(14)
2.4 Daya Pompa Hidrolik
Dengan ditentukannya randemen volumetrik dan randemen mekanis maka daya pompa dapat dihitung [17].
𝑃𝑆𝐻 = 𝜌𝑔𝑄𝐻𝑒 (15)
2.5 Fluida Hidrolik
Fluida dalam sistim hidrolik digunakan untuk mengangkat energi dan menghasilkan gaya yang dibutuhkan
pada aktuator, Fluida hidrolik harus memiliki beberapa syarat agar bisa digunakan dengan baik diantaranya:
1. Pelumas yang baik yang mampu mereduksi gesekan kontak logam ke logam yang menyebabkan keausan.
2. Tahan terhadap karat
3. Tidak mudah terbakar
4. Memiliki sifat sealing yang baik
5. Memiliki viscosity index yang tinggi
6. Low compressibility
7. Stabil secara kimia dan tidak mengalami oksidasi
8. Ramah lingkungan dll.
Suhu fluida hidrolik cenderung naik dengan kerja yang dilakukan, suhu operasinya yang ideal adalah sekitar
500C.
3. Rancangan Capstan
Gambar 1a. Rangkaian roda gigi capstan.

34
Capstan dirancang dengan sistem surface winder, dimana motor menggerakkan bagian permukaan dari roller
utama. Dengan teknik ini maka torsi yang diperlukan menjadi lebih kecil. Teknik centre winder tidak digunakan
karena diameter capstan yang besar menyebabkan torsi awal yang diperlukan besar. Setelah melalui pengujian
dan perhitungan maka tarikan dari kabel ditetapkan sebesa 1 ton. Nilai safety factor 3 menjadikan beban Tarik
untuk analisa dan perhitungan menjadi 3 ton, atau setara dengan 29.430 Newton. Kecepatan tarikan ditetapkan
sebesar 5 knot atau setara 9,26 km/jam.
Gear pada motor berdiameter 500 mm, dengan demikian, mengacu pada gambar maka torsi yang dibutuhkan
motor adalah 14.715 Nm. Sedangkan putaran motor hidrolik dikalkulasi dengan melibatkan kecepatan Tarik dan
diameter gear pada motor, didapat hasil 98,26 rpm (Gambar 1a). Untuk dapat mendistribusikan torsi dari motor
hidrolik maka semua material harus mempunyai kekuatan tarik lebih dari 29.430 N. Jika lebar roda gigi 15,12
mm dan tebal 50 mm (Gambar 1b) maka luas penampang per 1 gigi adalah 500 m.
Gambar 1b. Rangkaian roda gigi capstan.
Material roda gigi yang digunakan adalah SS400 (SS41) atau sesuai standart ASTM A-36 yang mempunyai
tensile strength 400 – 450 MPa. Dengan menggunakan persamaan 5, dengan faktor lewis sebesar 0,3 gaya
tangensial pada capstan dapat diperhitungkan sebagai berikut.
𝐹𝑇 =
𝜎 𝑀 𝑊𝐹 𝑓𝐿
𝐷 𝑝
=
400 ∙ 106
3⁄ ∙ 0.01512 ∙ 0.3
0.5
= 12 ∙ 106
𝑁
Telah diketahui bahwa beban yang harus ditarik diperkirakan sebesar 29.430 N jika dikalikan safety factor 3
maka beban menjadi 88.290 N. Nilai ini jauh lebih kecil dibandingkan dengan beban yang mampu ditarik
berdasarkan persamaan 5. Dengan demikian beban yang terjadi aman. Dengan gaya tarik dan torsi yang begitu
besar maka factor keselamatan kerja harus diperhatikan. Untuk mencegah interaksi putaran capstan dengan
manusia (operator) maka dibuat pembatas/penghalang yang disebut safety fence. Untuk menghindari sengatan
listrik maka unit tidak diputar dengan motor listrik melainkan motor hidrolik. Motor listrik ditempatkan di lokasi
yang aman dan tertutup untuk menggerakkan hydraulic power pack. Gambar 2 menunjukkan penempatan
sesungguhnya sistem capstan di kapal lengkap dengan safety fence -nya.

35
Gambar 2. Rancangan aktual posisi roda gigi capstan.
Capstan system mempuyai 3 penggerak utama, yaitu penggerakan roller capstan yang berdiameter 2m, dan 2
buah roller kecil yang diputar secara hirolik sebagai penegang (tensioner). Gambar 3 menjelaskan sistem
penggerak yang digunakan dalam studi ini.
Gambar 3. Rancangan lengkap capstan beserta safety fence.
Untuk pengendalian sistem maka digunakan sistem elektrohidrolik, dimana actuator seluruhnya hidrolik
sedangkan pilotnya menggunakan elektrik dengan rangkaian seperti pada Gambar 4. Daftar material yang
digunakan :
1. Hydraulic motor 3 buah
2. Double acting cylinder 2 buah
3. Pressure release valve 3 buah
4. 4/3 double solenoid valve – with back spring 1 buah
5. 4/2 solenoid valve – with back spring 2 buah
6. 4/2 solenoid valve – with back spring (flow block type) 2 buah
7. Hydraulic pump 1 buah
8. Filter/ Strainer 1 buah
9. Induction motor 1 buah
10. Oil tank 1 buah

36
Gambar 4. Rangkaian Hidrolik Capstan.
Sedangkan rangkaian elektrik kendali menggunakan tombol jenis push button dengan tambahan komponen
kontaktor. Rangkaian ini dapat dikembangkan dengan tambahan PLC jika sistem capstan akan dirangkai secara
komprehensif dengan sistem lain pada kapal jika diperlukan.
Gambar 5. Rangkaian Daya dan Kendali Capstan.
4. Kesimpulan
Dari hasil analisa kekuatan, kecepatan dan lain-lain maka dapat disimpulkan bahwa rancangan aman untuk
digunakan.
Daftar Pustaka
[1] J. Liu dan M. A. Vaz, “Constraint ability of superposed woven fabrics wound on capstan,” Mechanism
and Machine Theory, vol. 104, pp. 303-312, 2016.
[2] J. W. S. Hearle dan W. E. Morton, Physical properties of textile fibres, Elsevier, 2008.

37
[3] M. Wei dan R. Chen, “An improved capstan equation for nonflexible fibers and yarns,” Textile research
journal, vol. 68, pp. 487-492, 1998.
[4] J. H. Jung, N. Pan dan T. J. Kang, “Capstan equation including bending rigidity and non-linear frictional
behavior,” Mechanism and Machine Theory, vol. 43, pp. 661-675, 2008.
[5] O. Baser dan E. I. Konukseven, “Theoretical and experimental determination of capstan drive slip error,”
Mechanism and Machine Theory, vol. 45, pp. 815-827, 2010.
[6] K. Cronin dan J. P. Gleeson, “Variability in output torque of capstan and wrap spring elements,”
Mechanism and Machine Theory, vol. 68, pp. 49-66, 2013.
[7] R. S. Khurmi dan J. K. Gupta, Machine design, S. Chand, 2005.
[8] A. Csobán, “Tooth friction loss in simple planetary gears,” Scientific Bulletin Series C: Fascicle
Mechanics, Tribology, Machine Manufacturing Technology, vol. 21, p. 153, 2007.
[9] Sjödin, U. I.; Olofsson, U. L.-O., “Experimental study of wear interaction between piston ring and piston
groove in a radial piston hydraulic motor,” Wear, vol. 257, pp. 1281-1287, 2004.
[10] U. I. Sjödin dan U. L.-O. Olofsson, “Initial sliding wear on piston rings in a radial piston hydraulic
motor,” Wear, vol. 254, pp. 1208-1215, 2003.
[11] L. Ceschini, A. Marconi, C. Martini dan A. Morri, “Tribological behavior of components for radial piston
hydraulic motors: Bench tests, failure analysis and laboratory dry sliding tests,” Wear, vol. 305, pp. 238-
247, 2013.
[12] Bosch Rexroth AG, Radial Piston Hydraulic Motor with Fixed Displacement MR, MRE, 2014.
[13] C. P. Kothandaraman, Fluid mechanics and machinery, New Age International, 2007.
[14] D. T. T. L. D. Zuhal, “Elektronika Daya,” Gramedia, Jakarta, 1993.
[15] G. Heryana, S. Prasetya, M. Adhitya dan D. A. Sumarsono, “Power consumption analysis on large-sized
electric bus,” dalam IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2018.
[16] A. Parr, Hydraulics and pneumatics: a technician's and engineer's guide, Elsevier, 2011.
[17] F. Dietzel dan D. Sriyono, Turbin, pompa dan kompresor, Penerbit Erlangga, Jakarta, 1988.

ANALISA KEBUTUHAN

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to ANALISA KEBUTUHAN

Similar to ANALISA KEBUTUHAN (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (6)

ANALISA KEBUTUHAN