Mekanika Terapan

8/17/2019 Mekanika Terapan

1/33

Mekanika Terapan03 Desember 2009

Mekanik pada sistem Variable SpeedDrive (VSD)Seri 1

Dalam applikasi Motor dan Variable Speed Drive (VSD) selalu dijumpai adakomponen mekanik yang terkait erat dengan sistem tersebut. Untuk memilih motordan VSDyang tepat ada baiknya para praktisi juga membekali diri dengan sedikitpengetahuan mekanik terapan.

1.1 Dasar-dasar mekanik

1.1.1 Gaya

Satuan gaya dalam

Hukum Newton mengenai gaya:

Hukum 1:Suatu benda akan tetap berada dalam keadaan diam atau akan terus bergerakdengan kecepatan tetap, kecuali ada gaya gaya lain yang bekerja padanya.Hukum pertama ini menyatakan juga kita harus memberikan gaya pada benda ituterlebih dahulu supaya benda tersebut dapat bergerak dari keadaan diam, ataumemberi gaya supaya benda itu dapat berubah arah geraknya ataupun merubah

kecepatannya.

Hukum :

!aya adalah perkalian antara massa yang diaselerasi dengan besaran aselerasitersebut.

Hukum ":

#ksi$%eaksi

1.1.2 Torsi


2/33


3/33

!ambar : (enda bergerak sejauh karena adanya !aya !

1.1." Daya # $o%er Dalam usaha kita tidak melihat adanya unsur waktu. )ita tidak tahu berapa lamausaha tersebut berlangsung, lama atau singkat *Namun adalah penting untuk mengetahui kecepatan gaya melakukanusaha. Sehingga kita perlu tahu daya atau power. +adi daya adalah kemampuanmelakukan suatu usaha dalam satu satuan waktu.

Satuan untuk daya adalah

1.1.& 'siensi -siensi tidak mempunyai satuan. Sering kali e-siensi dinyatakan denganpersentase /0.Dalam praktek nya selalu daya output atau daya mekanik yang tersedia selalu lebihkecil dari daya yang kita masukkan. )ita sebut sistem tersebut mengalami kerugian

daya. %ugi daya ini disebut dengan daya kerugian atau disingkat dengan

%ugi daya dapat terjadi karena bermacam alasan seperti antara lain:

• gesekan riction loses0

• kerugian arus eddy


4/33

• kerugian hysteresis

• kerugian tembaga

• dan lain lain.

2erbandingan antara daya output terhadap daya input disebut dengan e-siensi .

3akin tinggi makin sedikit kerugian sistem tersebut.

Dengan persamaan diatas maka daya kerugian dapat dihitung.

atau

1.2 Gerakan inear dan Gerakan *n+,ler 1.2.1 Gerakan inear

Suatu benda dikatakan bergerak jika benda itu sudah mengalami perpindahantempat terhadap titik acuan tertentu. +arak pindah benda tersebut terhadap titik

acuan kita sebut dengan jarak tempuh . )ecepatan atau laju menuju jarak

tempuh kita sebut dengan .2erubahan kecepatan terhadap satu satuan waktu kita sebut dengan percepatan

atau aselerasi sedangkan perlambatan deselerasi0 adalah kebalikan dariaselerasi dan diberi tanda minus 40.

Dari mekanika dasar kita mengetahui beberapa persamaan seperti ini:

Satuan percepatan linear

Satuan kecepatan linear

Satuan jarak tempuh linear


5/33

1.2.2 Gerakan erp,tar ata, Gerakan *n+,ler

!ambar ": %adial dan Sudut

Untuk satu lingkaran, nilai

Sehingga:

)ecepatan sudut atau kecepatan anguler dihitung berdasarkan:


6/33

!ambar 5: )ecepatan #nguler

Satuan percepatan anguler atau percepatan sudut

Satuan kecepatan anguler atau kecepatan sudut

Satuan jarak anguler


7/33

dengan

maka:

+ika untuk waktu t satu periode, dimana dan harga seperti yang telah

diturunkan diatas sebesar

maka:

Untuk pemakaian di motor, satu periode terjadi jika sumbu motor sudahberputar satu kali putaran.Sehingga dapat kita tampilkan persamaan diatas dengan persamaan yangtelah kita kenal baik, yaitu:

2ercepatan merupakan besaran yang sangat penting karena sangatmempengaruhi mekanik sistem.2emilihan motor berlandaskan besaran percepatan ini. 3isalnya kita selalumenghitung daya maksimum motor dengan mengambil data data saataselerasi dan deselerasi. Selain itu ada besaran lainnya lagi yang sering dipakai, yaitu

Hal yang sama juga dapat dipakai di gerakan anguler.

+erk biasanya dipakai pada alat pengangkut atau 6it penumpang.

+erk yang lebih besar dari umpamanya dapat menimbulkan perasaanyang tidak nyaman saat kita berada didalam sebuah lit.


8/33

!ambar 7: Diagram waktu dari +arak, )ecepatan, #selerasi dan +erk

Dalam prakteknya kita lebih banyak mempergunakan istilah kecepatan

rotasi dan diberi satuan rpm rotasi per menit0.

1.3 Transmisi daya 3otor bertujuan:3erubah energi listrik menjadi energi mekanik dengan e-siensi yang tinggi3enghasilkan gaya, torsi sesuai dengan kebutuhan proses

Dengan mensubstitusikan de8nisi kecepatan linear ke persamaan usaha yangtelah dibahas diatas:

dan

diperoleh:

2oris sebuah motor listrik memberikan kecepatan anguler sebagaioutputnya. Untuk mempergunakan kecepatan ini pada mesin kita harusmengkon9ersikan kecepatan anguler ini menjadi kecepatan translasi.


9/33

Disini berlaku:

Dengan dan

maka:

Dengan menggabungkan persamaan diatas, maka:

+ika &orsi dinyatakan dengan Nm, )ecepatan dinyatakan dengan satuan rotasiper menit rpm0 dan Daya dalam satuan k, maka kita mendapatkan suatupersamaan yang sudah sangat dikenal para parktisi lapangan, yaitu:

1." onversi Gerak Dalam prakteknya kita harus mengkon9ersikan gerakan rotasi yang tersediapada poros motor.)on9ersi ini dapat merupakan perubahan dari gerakan rotasi menjadi gerakantranslasi, merubah arah putaran baik selaras dengan poros motor maupun

membentuk sudut umpamanya dengan poros motor atau menurunkankecepatan. #da banyak cara untuk mengkon9ersi kecepatan rotasi menjadi kecepatantranslasi.(eberapa methode diantaranya adalah dengan mempergunakan:

1.".1 $inion dan /ak 2inion dan %ak merupakan cara paling murah untuk mengubah gerak rotasimenjadi gerak translasi.

&iap gigi pada pinion berpasangan dengan gigi pada rak.

!ambar ;: 2inion dan %ak Sumber: !oogle0


10/33

2inion dihubungkan ke motor dan berputar, maka rak akan begerak. !erakanrak maju atau mundur tergantung dari arah putaran pinion.

1.".2 alls0re%

&iap rotasi dari spindle ballscrew menghasilkan jarak sebesar pitch padaballscrew.

(iasanya dipakai untuk beban yang lebih berat dan kecepatan yang tinggi.

!ambar


11/33

+ika pulley dalam keadaan diam, kedua gaya sama besar .#pabila daya sedang dipindahkan tarikan daya menjadi tidak sama besar.Umpamanya jika daya dari penggerak sisi motor0 dipindahkan ke sisi beban,

maka tali pulley pada bagian bawah menjadi tegang, sedang pada tali

pulley yang disebelah atas menjadi terulur. Sehingga ada terjadiselisih gaya sebesar:

&orsi didapat dari:

Gear!ear kadang kala disebut dengan gear bo>.!ear berungsi untuk merubah kecepatan pada sumbu rotasi , menaikkan ?

menurunkan torsi, merubah arah putaran dan juga dapat merubah gerakrotasi menjadi gerak translasi.Uraian kita dibawah tidak membahas aktor e-siensi, slip, hysteresis,backlash pada sistem transmisi ini. 1."." Gear /ed,0er!ear reducer gunanya untuk menurunkan kecepatan dan pada saat yangsama menaikkan torsi pada sumbu putaran sesuai dengan nilai gear ratio.3otor listrik biasanya mempunyai kecepatan yang terlalu tinggi untukapplikasi tertentu. Daya motor nya cukup, namun torsi nya masih terlalurendah. Dengan penggunaan !ear %educer maka kecepatan dapat diturunkansesuai dengan nilai gear ratio dan pada saat yang sama kita menaikkan torsi

pada sumbu output dari gear reducer. 2emindahan daya terjadi melalui roda gigi. 2erbandingan jumlah gigimerupakan aktor pengurangan kecepatan dan sekaligus aktor untukmenaikkan torsi output.

2erbandingan ini disebut gear ratio

2ada gear reducer berlaku:

2ada gear reducer juga berlaku:


12/33


13/33

Siat seperti ini sangat berguna dan sering digunakan pada sistemon9eyor. 'itur BbrakeC ini dapat menahan con9eyor pada tempatnya jikamotor tidak sedang beroperasi.

!ambar 11: )onsep orm !ear Sumber: !oogle0

Sebuah orm !ear yang dipakai di industri diperlihatkan pada gambar 1.Sayatan memperlihatkan !ear dan orm.

!ambar 1: orm !ear Sumber: 3oto9ario0

1.".4 $lanetary GearSeperti namanya, planetary gear mempunyai susunan gear seperti matahari

dan planet planet nya.


14/33

!ambar 1": 2lanetary !ear

2lanetary gearbo> mengkombinasi torsi tinggi dengan dimensi yang kecil.!ear jenis ini mempunyai e-siensi yang tinggi.Sangat cocok untuk applikasi untuk kecepatan yang rendah.

&orsi pada 2lanetary gearbo> terdistribusi merata, yaitu pada masing masinggear dalam system planetary tersebut.

!ambar 15: 2lanetary !earbo> Sumber: !oogle0

2emilihan gear reducer selalu harus mempertimbangkan beban.#pakah beban dalam kategori normal load, shocked load dibawah 17/ ataushocked load diatas 17/ * #pakah jalan sepanjang hari *Untuk itu ada aktor yang dipertimbangkan. )ita sebut aktorini dengan service factor .

Jakarta, 2 Desember 2009Oleh: Amir asan Dipl! "n#! $en%lis telah berke&imp%n# dalam d%nia Drive ' A%tomation lebih dari d%a dasaarsa pada beberapa M*! Saat ini men+abat seba#i Advisor pada $! -.SS!


15/33

$! -%da .sa Semp%rna Se+ahtera ($!-.SS) adalah seb%ah per%sahaan /an# ber#erak di bidan# Motion *ontroller dan A%tomation!ami melak%kan pen#adaan peralatan seperti re1%ensi "nverter, D**onverter,Servodriver, Motor "nd%ksi, Motor D*, Motor Servo, Motor Stepper serta peralatan

A%tomasi seperti $3* dan 4M" dan mesin mesin pen#er+aan lo#am seperti mesin 3athedan mesin Millin#!!

ami +%#a melak%kan ran&an# ban#%n (en#ineerin#) dan %+i &oba (testin# and&ommissionin#) di lapan#an serta +asa pela/anan p%rna +%al!

Mekanika Terapan 201 Maret 2010

Mekanik pada sistem Variable Speed Drive (VSD)Seri

1.& 'ner+i

2ada gerak translasi kita mengenal usaha yang dide8nisikan sebagai gaya yang

dibutuhkan untuk mengerakkan suatu benda sejauh lihat gambar pada seri10.Didalam rumus dinyatakan sebagai berikut:

Satuan usaha adalah Nm atau + +oule0.Usaha yang tersimpan disebut energi. #da bermacam macam energi dalam kehidupan sehari hari, antara lain:


16/33

energi untuk mengangkat, energi untuk mengaselerasi, energi untuk mengecaspegas,energi gesekan, energi panas, energi bunyi, energi cahaya, energy nuklir,energi matahari, energi angin, energi air dan lain lain. #da jenis energi, yaitu energi potensial dan energi kinetik.

1.&.1 'ner+i $otensial nergi potensial adalah energi yang tersimpan pada obyek karena kondisi atauposisinya. ontoh energi potensial adalah:

• nergi gra9itasi

• nergi yang tersimpan didalam pegas

• nergi medan listrik

• nergi medan magnet pada induktor

• nergi yang tersimpan didalam kapasitor

• nergi pada batere

• nergi 6istrik

• dan lain lain

1.&.2 'ner+i inetik Translasi nergi potensial mempunyai potensi untuk dirubah menjadi energi kinetik.Dalam hal ini energi listrik termasuk energi potensial .nergi kinetik adalah energi dari massa yang bergerak. Untuk gerak translasi berlaku:

1.&.3 'ner+i inetik /otasi %otasi adalah perputaran suatu obyek mengelilingi sumbu putarnya.2ada rotasi tidak menyebabkan terjadi translasi.(enda yang berotasi memiliki energi kinetik.


17/33

dengan:

Untuk benda yang berotasi dari diam ke kecepatan sudut tertentu dengan

percepatan sudut berlaku:

Sehingga energi kinetik dari benda yang berotasi adalah:

Dengan substitusikan ke persamaan diatas, maka kita peroleh energikinetik rotasi:

2ersamaan ini mempunyai kesamaan dengan energi kinetik dari benda yang

bertranslasi, yaitu:• massa dari gerak translasi identik dengan momen kelembaman dari gerak rotasi

• kecepatan linear pada gerak translasi identik dengan kecepatan sudut padagerak rotasi

esimp,lan:Didalam suatu sistem tertutup berlaku hukum kekekalan energi, yaitu:nergi tidak dapat di ciptakan maupun dimusnahkan, energi hanya dapat dirubahdari satu bentuk ke bentuk yang lain.Sehingga didalam satu sistem tertutup jumlah semua energi potensial dan energikinetik baik translasi maupun rotasi0 adalah konstan.


18/33

1. Momen elembaman ata, 5nersia 3omen )elembaman atau Enersia adalah resistansi dari suatu objek yang bergerakmelawan percepatan atau perlambatan0 atau dengan kata lain keegganan untukmerespons perubahan gerak.

Dalam kehidupan sehari hari kita jumpai, umpamanya sewaktu kita mengeremkenderaan yang lagi melaju cepat. alaupun kita sudah mengerem, kenderaan kitamasih akan terus melaju selama beberapa saat lamanya sebelum berhenti samasekali.

5ambar 67: "nersia


19/33

dengan:

&orsi total oleh momen kelembaman yang terbentuk merupakan jumlah Entegral0dari elemen elemen massa menjadi:

sebagai 3omen )elembaman atau Enersia dengan dimensi , dimana:

maka:

3omen kelembaman suatu benda padat selain tergantung dari massa yangmerupakan kumpulan dari elemen elemen massa yang membentuk benda padat


20/33

tersebut0 yang bergerak juga tergantung dari bentuknya. Selain itu momenkelembaman juga tergantung arah dari sumbu putarnya. Enersia suatu benda padat yang tidak beraturan dapat dihitung dengan membiarkanbenda tersebut diputar terhadap suatu sumbu yang melewati pusat massa bendaitu.

Untuk menghitung inersia benda benda yang bergeser sumbu putar nya terhadaptitik berat seperti yang dilukiskan pada gambar 1;, dapat dipakai ,k,m Steiner.

5ambar 68: $er#eseran s%mb% p%tar se+a%h a terhadap titik berat

+ika pergeseran sumbu putar sejauh a terhadap sumbu putar yang melalui titikberat >4>0, maka momen kelembaman menjadi:

1..1 Momen elembaman dari Silinder $e6al


21/33

5ambar 6: Silinder pe+al

dengan:

dengan:


22/33

dimana:

Dengan memakai hukum Steiner kita dapat menghitung momenkelembaman siatu silinder pejal yang sumbu putarnya bergeser sejauh rsumbu putar yang melaui titik beratnya >4>0.


23/33

5ambar 6: S%mb% p%tar ber#eser r dari titik berat

Dengan mengapplikasikan hukum Steiner dengan pergeseran a $r, maka:

1..2 Momen elembaman ,nt,k silinder den+an dindin+yan+ tipis


24/33

5ambar 69: Silinder den#an Dindin# ipis

sehingga:


25/33

Volume silinder kosong adalah:

Sehingga massa silinder kosong menjadi:

Dengan mensubsitusikan:

maka kita memperoleh:

1.6.3 Momen Kelembaman dari beberapa benda

Beberapa bentuk geometri tertentu yang sering dipakai sudah langsung dapat diambil dari buku

tabel tanpa harus melakukan perhitungan seperti diatas.

Pada gambar 20 dibawah diperlihatkan geometri tertentu dengan momen kelembamannya

masing masing.


26/33

5ambar 20: Momen kelembaman dari beberapa #eometri


27/33

1.4 *pplikasi Momen elembaman pada sistem VSD

1.4.1 opplin+ lan+s,n+ motor teradap beban

5ambar 26: opplin# 3an#s%n#

&otal 3omen )elembaman adalah penjumlahan momen kelembaman motordan momen kelembaman beban.

1.4.2 opplin+ melal,i Gear o7

5ambar 22: opplin# leat 5ear ;o dinyatakan seperti padagambar " dibawah ini. Selain itu kita juga tidak memperhitumgkane-siensi, backlash dalam hitungan kita.


28/33

!1 terhubung ke sumbu motor, sedang ! terhubung melalui sumbu gear bo>ke beban. 2erbandingan gigi output terhadap input dari gearbo> merupakangear ratio.

5ambar 2=: 5ear ;o


29/33

dengan gear ratio:

maka:

3omen kelembaman sisi beban yang direGeksikan ke sumbu motor menjadi:

Sehingga persamaan diatas dapat dituliskan sebagai berikut:

1.4.3 opplin+ melal,i Gear o7 dan Trommol


30/33

5ambar 2>: opplin# den#an 5ear ;o< dan ;eban leat rommol

&rommol menaikan atau menurunkan beban yang mempunyai massa m

dengan kecepatan linear sebesar .(eban dari gear bo> adalah keseluruhan trommol dan beban yang dinaikkanatau diturunkan, sehingga torsi pada output sumbu gearbo> adalah:

nergi kinetik dari sistem ini:

Dengan mereGeksikan sisi beban ke sumbu penggerak, diperoleh:


31/33

dengan !ear %atio:

maka:

Sehingga persamaan diatas dapat dituliskan sebagai berikut:

)esimpulan:• 3omen kelembaman beban yang terreGeksi pada shat motor adalah

momen kelembaman yang terlihat dari shat motor.

• )ecepatan disisi beban berbanding lurus dengan satu per gear ratio.

• &orsi di sisi beban berbanding lurus dengan gear ratio.

• 3omen kelembaman beban yang dikoppel lewat gearbo> menjadi lebih

kecil dengan perbandingan satu per kuadratis dari gear ratio.

• !ear (o> hanya mempengaruhi momen kelembaman beban, tidak

mempengaruhi momen kelembaman motor

Contoh hitungan inersia: 4it%n# inersia sistem kopplin# seperti pada #ambar 27!Massa beban ?7000 k#

Momen kelembaman motor ? =

Momen kelembaman #ear 56 ?2


32/33

Momen kelembaman #ear 52 ? 670

Momen kelembaman trommol ?270

5ravitasi (%nt%k memperm%dah perhit%n#an) ?5ear @atio 6: 67nmot ?970 rpmd?0!8 m

5ambar 27: inersia seb%ah s/stem

Sol%si:


33/33

Mas%kkan data data:

Jakarta, 60 ebr%ari 2060Oleh: Amir asan Dipl! "n#! $en%lis telah berke&imp%n# dalam d%nia Drive ' A%tomation lebih dari d%a dasa arsa padabeberapa M*! Saat ini men+abat seba#i 5eneral Mana#er pada $! -.SS! $! -%da .sa Semp%rna Se+ahtera ($!-.SS) adalah seb%ah per%sahaan /an# ber#erak dibidan# Motion *ontroller dan A%tomation!ami melak%kan pen#adaan peralatan seperti re1%ensi "nverter, D**onverter, Servodriver,Motor "nd%ksi, Motor D*, Motor Servo, Motor Stepper serta peralatan A%tomasi seperti $3*dan 4M" dan mesin mesin pen#er+aan lo#am seperti mesin 3athe dan mesin Millin#!!

ami +%#a melak%kan ran&an# ban#%n (en#ineerin#) dan %+i &oba (testin# and&ommissionin#) di lapan#an serta +asa pela/anan p%rna +%al!

Mekanika Terapan

Documents

Transcript of Mekanika Terapan