Parameter Teknis Dasar

2.1 Parameter Teknis Dasar

2.1.1 Parameter Pemecah Batu Hidrolik

(1) Parameter kinerja

W dan frekuensi tumbukan f adalah parameter kinerja yang menggambarkan pemecah batu hidrolik. W menentukan kapasitas kerja pemecah batu; f menentukan laju kerjanya.

Daya keluaran pemecah batu hidrolik dapat dinyatakan sebagai:

N = W × f                                           (2.1)

Karena dua parameter yang menggambarkan kinerja — energi tumbukan dan frekuensi tumbukan — saling terkait, saat merancang pemecah batu hidrolik rasio antara W ke f harus diimbangi dengan cermat. Dalam kondisi kapasitas terpasang minimum, efisiensi kerja maksimum harus dicapai. Untuk pemecah batu hidrolik, energi benturan besar W diperlukan dan frekuensi benturan f harus dikurangi secara tepat, guna memenuhi kebutuhan akan gaya benturan tinggi serta efek pemecahan yang baik. Untuk bor batu hidrolik, meskipun juga merupakan mekanisme benturan hidrolik, bor ini memerlukan energi benturan kecil W dan frekuensi benturan setinggi mungkin f , guna memenuhi kebutuhan pengeboran berkecepatan tinggi.

(2) Parameter Kerja

Kecepatan benturan piston maksimum v _m , aliran kerja Q , tekanan kerja p , dan gaya dorong optimal F _T adalah parameter kerja dari pemecah batu hidrolik.

● Kecepatan tumbukan piston maksimum v _m : ini adalah kecepatan kontak sesaat ketika piston menabrak ujung belakang pahat. Energi kinetik piston yang bersesuaian didefinisikan sebagai energi tumbukan palu hidrolik W . Ketika energi kinetik piston sepenuhnya dipindahkan ke target, energi tumbukan palu hidrolik adalah:

W = ½ mV ²_m                                            (2.2)

dimana: m — massa piston.

Dari Pers. (2.2), semakin tinggi kecepatan tumbukan piston, semakin tinggi pula energi tumbukannya.

Namun, peningkatan v _m dibatasi oleh dua faktor:

1) Batasan sifat material piston dan pahat. Kecepatan ujung tumbukan v _m berkaitan dengan tegangan kontak σ ; semakin tinggi σ , semakin besar pengaruhnya terhadap masa pakai piston dan pahat. Di bawah tegangan kontak yang diizinkan σ , pilihan tipikal adalah v _m = 9 hingga 12 m/detik. Seiring kemajuan ilmu material, nilai v _m dapat ditingkatkan lebih lanjut.

2) Batas frekuensi mekanisme tumbukan. Karena struktur dan langkah piston terbatas, dengan langkah piston tetap, percepatan hingga mencapai v _m yang dibutuhkan memerlukan waktu yang sangat singkat. Jelaslah, semakin besar v _m , semakin pendek waktu percepatan yang diperlukan.

Frekuensi rendah berarti waktu siklus dan waktu langkah piston keduanya panjang, sedangkan frekuensi tinggi v _m secara tidak terhindarkan mengakibatkan langkah dan waktu siklus yang lebih pendek—yaitu frekuensi benturan tinggi—yang tidak memenuhi persyaratan desain frekuensi rendah.

● Alur Kerja Q : aliran yang dikirimkan ke pemecah batu hidrolik oleh pompa hidrolik selama operasi; ini merupakan variabel bebas. Parameter perilaku dan kinerja pemecah batu hidrolik semuanya terkait erat dengan aliran kerja dan merupakan fungsi dari aliran kerja; parameter-parameter tersebut berubah seiring perubahan aliran kerja.

● Tekanan Kerja p : tekanan yang dibutuhkan sistem hidrolik ketika pemecah batu hidrolik beroperasi—tekanan sistem yang diperlukan untuk mencapai parameter kinerjanya. Tekanan kerja p merupakan variabel tak bebas; nilainya berubah seiring perubahan aliran masukan Q dan parameter struktural. Selama operasi, ketika semua parameter lain tetap konstan, tekanan p tidak dapat diubah secara aktif. Tekanan kerja p dan aliran masukan Q memenuhi prinsip dasar teknologi hidrolik: tekanan sistem ditentukan oleh beban eksternal. Berdasarkan prinsip ini, desain pemecah batu hidrolik berarti menggunakan parameter struktural dan aliran kerja untuk memastikan tekanan kerja sistem p tercapai.

● Gaya Dorong F _T ketika pemecah batu hidrolik beroperasi, percepatan piston pada langkah kerja menyebabkan badan mesin mengalami recoil (reaksi balik), yang membuat pahat kehilangan kontak dengan sasaran dan mencegah terjadinya benturan secara normal. Untuk mengatasi recoil ini, diperlukan gaya yang diberikan sepanjang sumbu badan pemecah batu—yang disebut gaya dorong (push force). Gaya dorong harus cukup besar untuk menjaga agar pahat tetap bersentuhan erat dengan benda yang dipukul. Gaya dorong tersebut harus bersifat optimal. Dengan kata lain, terdapat permasalahan gaya dorong optimal, yang sangat terkait dengan kelas ukuran mesin penggerak (carrier machine). Jika mesin penggerak terlalu kecil, gaya dorong yang dapat dihasilkannya tidak mencukupi; jika terlalu besar, meskipun kebutuhan gaya dorong terpenuhi, biaya investasi untuk mesin penggerak tersebut meningkat, yang juga tidak diinginkan. Dalam desain pemecah batu hidrolik, mencapai energi benturan tinggi dengan gaya dorong yang kecil selalu menjadi tujuan optimasi. Hal ini memungkinkan pemecah batu hidrolik berenergi benturan tinggi dipadukan dengan mesin penggerak yang lebih kecil, membentuk kombinasi kerja yang efisien serta menekan biaya operasional.

(3) Parameter Struktural

Tiga diameter piston p ₁, p ₂, dan p ₃, massa kerja m , dan langkah kerja S adalah parameter struktural dari pemecah batu hidrolik. Parameter struktural menentukan parameter kinerjanya. Merancang pemecah batu hidrolik pada dasarnya berarti menentukan parameter struktural p ₁, p ₂, p ₃, m , dan S yang akan memastikan tercapainya parameter kinerja yang dibutuhkan. Setelah parameter struktural ditetapkan, semua parameter kinerja dan parameter kerja berubah seiring dengan aliran masuk serta merupakan fungsi dari aliran masuk.

2.1.2 Tekanan Minyak Kerja dan Tekanan Pengenal

(Tekanan pengenal dilambangkan p _H di seluruh bagian ini)

Ketika pemecah batu hidrolik beroperasi, tekanan minyak hidrolik menggerakkan piston, dan pola gerak piston ditentukan oleh pola perubahan gaya penggerak minyak ini — ini disebut kinematika dan dinamika piston.

Mempertimbangkan massa piston m , percepatan a , dan gaya inersia piston F _K , hukum kedua Newton memberikan:

F _K = mA                                              (2.3)

Gaya penggerak F sama dengan F _K dalam besarannya tetapi berlawanan arah. Gaya penggerak F yang bekerja pada piston dihasilkan oleh tekanan minyak p di dalam ruang, dan dapat dinyatakan sebagai:

p = F _K / A = mA / A = ( m / A ) · d v / d t             (2.4)

dimana: m — massa piston, konstan;

 A — luas permukaan piston yang menahan tekanan, konstan;

 v — kecepatan piston; aliran sesaat q gerak piston penggerak memenuhi:

AV = q                                               (2.5)

Sejak v dan q dalam Pers. (2.5) adalah fungsi waktu, penurunan v dan q terhadap waktu menghasilkan:

A p v / d t = D q / d t                                  (2.6)

Substitusi Pers. (2.6) ke dalam Pers. (2.4) menghasilkan:

p = ( m / A ²) · d q / d t                              (2.7)

Dalam Pers. (2.7), m / A ²adalah konstanta; d q / d t mewakili laju perubahan aliran sistem.

Dari Pers. (2.3) – (2.7), tekanan sistem ditentukan berdasarkan perubahan aliran masuk ke ruang oli. Dengan kata lain, perubahan laju aliran oli hidrolik menghasilkan percepatan piston dan gaya inersia, yang pada gilirannya membentuk tekanan di ruang oli p .

Tekanan Oli Sistem p berbanding lurus dengan massa piston m dan laju perubahan aliran d q /dt , serta berbanding terbalik dengan kuadrat luas area penahan tekanan piston A . Untuk mengurangi tekanan oli sistem p , peningkatan luas area penahan tekanan piston A merupakan metode paling efektif, namun juga menyebabkan ukuran badan mesin menjadi lebih besar; oleh karena itu, kedua faktor tersebut harus dipertimbangkan dalam desain.

Tekanan Oli Sistem p adalah fungsi dari aliran dan merupakan variabel tak bebas; besaran ini tidak dapat diubah secara aktif selama operasi, melainkan hanya berubah seiring perubahan aliran masuk. Karena aliran oli ke ruang oli merupakan fungsi waktu saat pemecah batu hidrolik beroperasi, tekanan oli p juga bervariasi terhadap waktu dan tidak memiliki nilai konstan. Tekanan oli yang tercantum pada lembar data produk, yang oleh penulis disebut tekanan oli nominal, dilambangkan dengan p _H . Pada tekanan ini, parameter kinerja pemecah batu hidrolik mencapai nilai nominalnya. p _H adalah parameter virtual — secara aktual tidak ada — namun sangat penting dalam perancangan dan penggunaan pemecah batu hidrolik. Dalam perancangan, p _H digunakan sebagai dasar untuk menghitung parameter kinerja, parameter kerja, dan parameter struktural, serta untuk memilih komponen sistem hidrolik. Di lapangan, parameter ini menjadi acuan penting bagi operator dalam menilai apakah sistem bekerja secara normal atau tidak. Parameter p _H akan dibahas lebih lanjut pada bab-bab berikutnya.