Prosiding Temu Ilmiah Nasional Dosen Teknik 2007 FT-UNTAR
ISBN : 978-979-99723-1-6
STUDI EKSPERIMENTAL KARAKTERISTIK GOVERNOR JENIS PROELL DAN HARTNELL HASIL DESAIN YANG DIGUNAKAN SEBAGAI MODUL PRAKTIKUM FENOMENA Oleh : AGUSTINUS PURNA IRAWAN DAN JEMMY SUSANTO Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Tarumanagara Jl. Let.jend. S. Parman No. 1 Jakarta 11440
[email protected] Abstrak Governor merupakan salah satu alat yang digunakan untuk mengatur putaran sesuai dengan putaran yang dikehendaki oleh mesin. Cara kerja governor adalah dengan memanfaatkan gaya sentrifugal pada bandul yang diputar. Dalam kerjanya governor dapat diatur untuk tetap pada posisinya dengan mode speed setting, load limit, speed droop, compensating. Fenomena yang terjadi dalam penggunaan governor cukup penting untuk diamati dan dianalisis sehingga dapat diperoleh kinerja mesin yang baik. Makalah ini membahas uji karakteristik governor tipe Proell dan Hartell hasil desain yang digunakan untuk praktikum fenomena mesin. Uji karakteristik disajikan dalam grafik hubungan antara gaya sentrifugal dan putaran, gaya sentrifugal dengan posisi sleeve, serta stabilitas dari governor tersebut. Hasil uji karakteristik terhadap governor tipe Proell dan Hartell hasil desain menunjukkan bahwa fenomena yang terjadi mengikuti pola fenomena governor secara teoretik. Perbedaan yang terjadi sebagai akibat kurang presisi dalam pembuatannya. Permasalahan tersebut akan dibahas secara lengkap dalam makalah ini. Kata kunci : Governor tipe Proell dan Hartell, Praktikum Fenomena, uji karakteristik.
Pendahuluan Pada setiap mesin yang menggunakan penggerak mula diperlukan pengaturan putaran agar diperoleh putaran yang stabil di titik putar yang dikehendaki. Salah satu alat yang dapat digunakan untuk mengatur atau menjaga agar putaran mesin tetap konstan disebut governor. Cara kerja governor adalah dengan memanfaatkan gaya sentrifugal yang terjadi pada bandul yang diputar (terhubung) oleh poros mesin dengan transmisi untuk menurunkan putaran atau mengukur/ membandingkan putaran, sehingga diperoleh suatu posisi tuas governor yang tetap dan dijadikan acuan putaran poros mesin. Fungsi dari suatu governor untuk mengatur dan mengendalikan kecepatan ratarata secara konstan dan menaikan momen inersia dari putaran mesin (flywheel) ketika ada variasi beban. Fungsi flywheel pada suatu mesin berbeda dengan governor. Flywheel berfungsi mengendalikan variasi kecepatan yang disebabkan fluktuasi dari mesin/motor yang berputar pada saat melakukan siklus operasi. Flywheel tidak dapat mengendalikan variasi kecepatan yang disebabkan oleh berbagai macam beban. Fenomena yang terjadi pada governor perlu diamati, sehingga dapat diperoleh karakteristik yang sesuai dengan penggunaannya. Pada penelitian ini, telah dirancang governor tipe Proell dan Hartnell. Governor ini dibuat sebagai alat percobaan di Laboratorium Fenomena Mesin Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Tarumanagara. Fokus penelitian ini adalah pengujian untuk menghasilkan karakteristik governor hasil rancangan, sehingga dapat digunakan untuk mengamati fenomena yang terjadi selama pengujian. Governor yang dirancang adalah governor tipe Proell dan Hartnell.
187
STUDI PUSTAKA Governor Proell Governor Proell memiliki bola yang ditempatkan pada B dan C dengan perluasan dari mata rantai DF yang ditunjukkan pada Gambar 1. (a). Lengan FP dan GP berputar pada P. Dengan memperhitungkan keseimbangan dari kekuatan yang ditunjukkan pada Gambar 1. (b). Pusat lingkaran berada pada persimpangan yang menghasilkan garis PF yang tegak lurus terhadap bola yang berputar pada porosnya. Dan BM tegak lurus terhadap ID.
h
r (a) (b) Gambar 1. Skema Governor Proell Dengan menggunakan prinsip keseimbangan momen yang terjadi pada I, maka dapat dilalukan analisis sebagai berikut :
∑MI
=0
W x ID = 0 2 IM W ⎛ IM + MD ⎞ Fc = w x + ⎜ ⎟ BM 2 ⎝ BM ⎠
Fc x BM − w x IM −
(1) Modifikasi persamaan dengan mengalikan dan membagi dengan FM, diperoleh persamaan : Fc =
FM BM
⎡ IM W ⎛ IM MD ⎞⎤ ⎢ wx FM + 2 ⎜ FM + FM ⎟⎥ ⎝ ⎠⎦ ⎣
(2) Berdasarkan Gambar 1 di atas, IM = tgα dan MD = tgβ dan dengan memasukkan nilai tg FM
FM
α dan tg β ke dalam persamaan (2) diperoleh persamaan : Fc =
FM BM
W ⎡ ⎤ ⎢⎣ w tan α + 2 (tan α + tan β )⎥⎦
188
Fc =
FM x tan α BM
⎡ W ⎛ tan β ⎞⎤ ⎢ w + 2 ⎜1 + tan α ⎟⎥ ⎝ ⎠⎦ ⎣
(3) Persamaan umum gaya sentrifugal adalah : w Fc = ω 2r g (4) r tan α = h (5) tan β q= tan α (6) Dengan substitusi persamaan (4), (5), (6) ke dalam persamaan (3), diperoleh persamaan untuk menghitung kecepatan sudut dan putaran yang terjadi dari governor proell sebagai berikut : w 2 FM r x ω r= g BM h
W ⎡ ⎤ ⎢⎣ w + 2 (1 + q )⎥⎦
Kecepatan sudut : W ⎡ ⎤ w + (1 + q ) ⎥ ⎢ FM g 2 2 ω = ⎢ ⎥x BM ⎢ w ⎥ h ⎣⎢ ⎦⎥
(7) Putaran : W ⎡ ⎤ w + (1 + q ) ⎥ ⎢ FM 89500 2 n2 = ⎢ ⎥x BM ⎢ w h ⎥ ⎣⎢ ⎦⎥
(8) Jika α = β sehingga q = 1, maka putaran yang terjadi pada governor proell menjadi : n2 =
FM ⎡ w + W ⎤ 89500 x BM ⎢⎣ w ⎥⎦ h
(10) Governor Hartnell Governor Hartnell adalah governor yang terdiri dari pegas yang ditunjukkan pada Gambar 2, terdiri dari dua buah tuas siku-siku yang berputar pada poros O-O menuju bingkai. Pengungkit diikat dengan dua buah poros (roller) dan kemudian berputar berlawanan arah. Masing-masing pengungkit memiliki bola pada lengan vertikal OB dan roller yang terdapat pada ujung lengan yang horisontal OR. Pegas akan ditekan jika gaya
189
tekan pada dua roller melalui sebuah collar pada lengan. Gaya pegas dapat mengencangkan baut atau menaikan posisi lengan.
Gambar 2. Governor Hartnell Keterangan: w : berat masing-masing bola W : berat lengan r1 : jarak maksimum r2 : jarak minimum ω1 : kecepatan angular governor pada saat jarak maksimum ω2 : kecepatan angular governor pada saat jarak minimum S1 : gaya pegas yang terjadi pada lengan pada saat ω 1 S2 : gaya pegas yang terjadi pada lengan pada saat ω 2 w 2 Fc1 : gaya sentrifugal pada saat ω 1 = ω 1 r1 g w 2 Fc 2 : gaya sentrifugal pada saat ω 2 = ω 2 r2 g s : kekakuan pegas. x : panjang lengan vertikal dari pusat. y : panjang lengan horisontal dari titik pusat. Posisi maksimum dan minimum lengan ditunjukkan seperti Gambar 3 di bawah ini:
Gambar 3. Posisi maksimum dan minimum pada lengan
190
Jadi h dapat menekan pegas atau sebagai pengangkut lengan yang ketika radius rotasi berubah dari r2 menjadi r1. dan segitiga OB1 B2 dan OR1 R2 maka diperoleh persamaan h sebagai berikut : h y = r1 − r2 x y h = (r1 − r2 ) x (11) Dengan menggunakan prinsip keseimbangan momen yang berpusat di titik O, dapat dihitung persamaan keseimbangan akibat berat massa dan gaya pegas posisi maksimum dan minimum sebagai berikut : Posisi maksimum : W + S1 x × y = Fc1 × x atau W + S1 = 2 Fc1 × y 2 (12)
Posisi minimum : W + S2 x × y = Fc 2 × x atau W + S 2 = 2 Fc 2 × y 2 (13) Dengan substitusi persamaan (11), (12) dan (13) diperoleh gaya pegas sebagai berikut : x S1 − S 2 = 2 × (Fc1 − Fc 2 ) y y S1 − S 2 = h ⋅ s = (r1 − r2 ) ⋅ s x x Dari mensubsitusi S1 − S 2 dengan persamaan S1 − S 2 = 2 × (Fc1 − Fc 2 ) ,maka didapat y persamaan kekakuan pegas sebagai berikut: (r1 − r2 ) y ⋅ s = 2 x (Fc1 − Fc 2 ) x y Kekakuan pegas : ⎛x⎞ s = 2⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ y⎠ (14)
2
⎛ Fc1 − Fc 2 ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ r r − ⎝ 1 2 ⎠
191
Efek momen akibat berat massa ketika ke posisi awal mengikuti pola Gambar 4.
Gambar 4. Dampak dari momen pada saat kembali Dengan menggunakan prinsip keseimbangan momen di titik O, dapat dianalisis persamaan gerakan sebagai berikut : W + S1 × y1 = Fc 2 × x1 + wa1 2 2 W + S1 = (Fc1 × x1 + w × a1 ) y1 2 (15) (Fc 2 × x 2 − w × a 2 ) W + S2 = y2 (16) Dengan memodifikasi persamaan (15) dan (16) diperoleh persamaan kekakuan pegas sebagai berikut : 2 2 (Fc 2 x2 − wa 2 ) S1 − S 2 = (Fc1 x1 + wa1 ) − y1 y2 S1 − S 2 = h ⋅ s y h = (r1 − r2 ) × x S − S 2 ⎛ S1 − S 2 ⎞ x ⎟⎟ s= 1 = ⎜⎜ h ⎝ r1 − r2 ⎠ y (17)
192
Kestabilan Governor Governor dikatakan stabil jika untuk setiap kecepatan di daerah operasinya ada konfigurasi yang tertentu dimana gesekan diabaikan, dan setiap perubahan kecepatan menyebabkan radius r (jarak pusat bola ke sumbu poros) berubah.
Gaya sentrifugal : wrω 2 Fc = g Fc wω 2 = r g
Fc juga meningkat, maka Fc harus meningkat lebih r cepat daripada r. Hal ini secara sistematik dinyatakan dengan : dFc Fc > dr r (18) dan jika ω meningkat maka rasio
Jika Fc diplot terhadap r maka garis singgung kurva pada setiap titik harus lebih besar dari Fc . r Karakteristik governor yang baik mengikuti pola seperti Gambar 5.a. Besar gaya sentrifugal yang terjadi akan makin besar dengan bertambah besarnya jari-jari putar.
(a) (b) Gambar 5. Grafik kestabilan governor
METODE PENELITIAN
1. Spesifikasi governor GovernorProell • Massa Bandul 1 set • Massa Sleeve S Governor Hartnell • Massa bandul total • Bandul bawah • Bandul atas
: 620 g : 860 g : 1615 g. : 1405 g. : 210 g.
193
2. Langkah percobaan : Governor Proell • Susunlah perangkat percobaan Governor Proell. • Hidupkan speed controller dan mulai dari kecepatan rendah. • Catat posisi sleeve yang berkaitan/sesuai dengan kecepatan speed controller. • Buatlah grafik hubungan kecepatan sudut ω dengan ketinggian bola h atau y. • Buatlah pula grafik hubungan gaya sentrifugal F dengan jarak radial bola r. Governor Hartnell • Susun perangkat percobaan Governor Hartell. • Atur kekakuan pegas (mulai dari yang terendah sampai maksimal). • Hidupkan speed controller dan mulai dari kecepatan rendah sampai kecepatan dimana posisi roda Governor pada posisi maksimal. • Catat setiap perubahan posisi roda y untuk setiap kecepatan poros n. • Buat grafik hubungan antara Y dengan kecepatan poros governor ω untuk setiap perubahan nilai kekakuan pegas.
Gambar 6. Governor Hasil Desain HASIL PENGUJIAN DAN PEMBAHASAN Governor Proell Hasil pengujian yang telah dilakukan terhadap governor jenis Proell kemudian dianalisis dengan menggunakan persamaan dasar yang telah dibahas sebelumnya kemudian disajikan dalam grafik sebagai berikut :
194
gaya sentrifugal (N)
gaya sentrifugal (N)
14 12 10 8
14 12 10 8
6
6
4
4
2
2
0
0 0
17
22
25.7 27.3 28.1 28.9 29.6 30.2
10.4 13.3 15.4
kecepatan sudut (rad/s)
17
18.4 19.6 20.5 21.4 22.2
jari-jari, r (cm)
Gambar 7. Grafik hubungan Fc − ω
Gambar 8. Grafik hubungan Fc − r
jarak roler, y (cm)
25
20
15
10
5
0 0
17
22
25.7
27.3
28.1
28.9
29.6
30.2
kecepatan sudut (rad/s)
Gambar 9. Grafik hubungan y − ω Berdasarkan grafik yang dihasilkan melalui pengujian governor proell yang disajikan pada Gambar 7, 8, 9 di atas, dapat dianalisis sebagai berikut : wrω 2 1. Persamaan dasar gaya sentrifugal, Fc = . Dengan menggunakan persamaan ini g maka terlihat bahwa besar gaya sentrifugal adalah berbanding lurus dengan jari-jari putar (r) dan berbanding kuadrat dengan kecepatan sudut (ω). Secara teoritis ditunjukkan oleh Gambar 5.a. hasil pengujian governor proell seperti gambar 7, hubungan antara gaya sentrifugal dengan kecepatan sudut menunjukkan pola yang hampir sama secara teoritis dengan Gambar 5.a. Dengan demikian, karakteristik governor proell yang didesain mendekati karakteristik secara teoretik. 2. Analisis kedua dengan menggunakan Gambar 5.b, berkaitan dengan stabilitas governor yang diuji, maka dengan mengacu hasil pengujian seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8, grafik hubungan antara gaya sentrifugal dengan jari-jari putar, ternyata karakteristik yang diperoleh mendekati pola karakteristik governor yang stabil. Governor yang stabil akan menghasilkan gaya sentrifugal yang bernading lurus
195
dengan jari-jari putar. Tetapi gaya sentrifugal tidak langsung terjadi pada saat putaran awal, hal ini karena masih bekerja gaya berat dari massa. 3. Pada Gambar 9 yaitu grafik hubungan antara tinggi roller dengan kecepatan sudut dapat terlihat bahwa makin meningkat kecepatan sudut dari governor maka jarak roller terhadap pusat putaran bagian atas governor makin pendek. Hal ini terjadi karena lengan governor mengembangan dan bergerak ke arah atas dari governor. Kondisi ini sesuai dengan karakteristik secara teoritik seperti ditunjukkan Gambar 1.
gaya sentrifugal, Fc (N)
Governor Hartnell Hasil pengujian yang telah dilakukan terhadap governor jenis hartnell kemudian dianalisis dengan menggunakan persamaan dasar yang telah dibahas sebelumnya kemudian disajikan dalam grafik sebagai berikut : 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2
0
15
18.9
21.4
21.9
22.6
gaya sentrifugal, Fc (N)
kecepatan sudut (rad/s)
22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 10.2 -2 -3
11.2
12.3
13.3
14.2
15.2
jari-jari, r (cm)
196
tinggi roller (cm)
−r
Gambar 10. Grafik hubungan Fc − ω
Gambar 11. Grafik hubungan Fc
6 5 4 3 2 1 0 0
15
18.9
21.4
21.9
22.6
kecepatan sudut (rad/s)
Gambar 12. Grafik hubungan y − ω Berdasarkan grafik yang dihasilkan melalui pengujian governor hartnell yang disajikan pada Gambar 10, 11, 12 di atas, dapat dianalisis sebagai berikut : wrω 2 1. Persamaan dasar gaya sentrifugal, Fc = . Dengan menggunakan persamaan ini g maka terlihat bahwa besar gaya sentrifugal adalah berbanding lurus dengan jari-jari putar (r) dan berbanding kuadrat dengan kecepatan sudut (ω). Secara teoritis ditunjukkan oleh Gambar 5.a. hasil pengujian governor hartnell seperi gambar 10, hubungan antara gaya sentrifugal dengan kecepatan sudut menunjukkan pola yang hampir sama dengan Gambar 5.a. Dengan demikian, karakteristik governor hartnell yang didesain mendekati karakteristik secara teoretik. 2. Analisis kedua dengan menggunakan Gambar 5.b, berkaitan dengan stabilitas governor yang diuji, maka dengan mengacu hasil pengujian seperti yang ditunjukkan pada Gambar 11, grafik hubungan antara gaya sentrifugal dengan jari-jari putar, ternyata karakteristik yang diperoleh mendekati pola karakteristik governor yang stabil. 3. Pada Gambar 12 yaitu grafik hubungan antara tinggi roller dengan kecepatan sudut dapat terlihat bahwa makin meningkat kecepatan sudut dari governor maka tinggi roller juga makin meningkat. Meningkatnya kecepatan sudut akan melawan gaya pegas pada governor sehingga lengan pembawa massa makin melebar dan sekaligus mendorong roller makin ke atas. Kondisi ini sesuai dengan karakteristik secara teoritik seperti ditunjukkan Gambar 3 dan 4. KESIMPULAN Berdasarkan hasil pengujian karakteristik governor Proell dan Hartnell hasil desain yang digunakan sebagai modul praktikum untuk mengamati fenomena yang terjadi pada governor, dapat disimpulkan sebagai berikut :
197
1. Karakteristik governor Proell dan Hartnell hasil desain mendekati karakteristik governor secara teoretik. Karakteristik ini terlihat dari hasil pengujian berupa grafik hubungan Fc − ω, hubungan Fc − r dan hubungan y − ω. 2. Fenomena yang dapat diamati selama pengujian dengan menggunakan governor hasil desain adalah gaya sentrifugal makin besar dengan bertambahnya kecepatan sudut (putaran), makin besar jari-jari putar, makin besar pula gaya sentrifugal yang terjadi. Governor juga dapat digunakan untuk mengamati gaya pegas yang terjadi. 3. Perbedaan karakteristik governor hasil desain dengan karakteristik teoretik antara lain terjadi karena gesekan yang terjadi diabaikan dan kekurangtelitian dalam pembuatan konstruksi dan massa uji. 4. Governor hasil desain dapat digunakan untuk mengamati fenomena yang terjadi pada governor selama bekerja, dengan hasil yang cukup baik. DAFTAR PUSTAKA 1. George Martin H. Kinematika dan Dinamika Teknik. Edisi Kedua. Penerbit Erlangga. Jakarta 1994. 2. Holowenko, A. R. Dinamika Permesinan. Edisi Keempat. Penerbit Erlangga. Jakarta 1993. 3. Jacques Groajean. Kinematics and Dynamics of Mechanisms. Internasional Edition. McGraw-Hill Inc. 1991. 4. Khurmi, R.S., J.K. Gupta. Theory of Machines. Eurasia Publishing House. Rama Nagar. New Delhi. 1978.
198
