Bab 9: Katup Pengatur Aliran

Lubang Orifice

Orifice adalah bukaan yang relatif kecil dalam jalur aliran fluida. Aliran melalui orifice dipengaruhi oleh beberapa faktor, tiga di antaranya yang utama adalah:

1. Ukuran Lubang
2. Perbedaan tekanan di kedua sisi orifice
3. Suhu fluida

Pengaruh ukuran orifice terhadap aliran

Ukuran orifice mengatur aliran yang melewatinya. Contoh umum dalam kehidupan sehari-hari adalah nosel selang taman — jika bukaan nosel kecil, air keluar berupa kabut halus atau semprotan. Jika bukaannya lebih besar, aliran berubah menjadi pancaran jet. Dalam kedua kasus tersebut, orifice pada nosel selang membatasi arah aliran air — aliran melalui orifice ditentukan oleh ukuran bukaannya.

Gambar 9-1 Katup pengatur aliran dalam suatu rangkaian. Katup ini membatasi aliran ke silinder. Aliran berlebih dari pompa dialirkan melalui katup pengaman (relief valve). Aliran yang dibatasi berubah menjadi energi potensial (kecepatan) di titik orifice.

Orifis Tetap

Orifice tetap memiliki ukuran bukaan yang tidak dapat disesuaikan. Contoh paling umum dalam teknologi hidrolik adalah lubang bor pada sumbat pipa atau katup periksa, atau katup pengatur aliran yang telah diatur pabrik.

Orifice variabel

Sebagian besar waktu, orifice variabel diperlukan alih-alih orifice tetap, karena lebih adaptif. Katup gerbang, katup bola, dan katup jarum merupakan contoh-contoh orifice variabel.

Katup Gerbang

Saluran aliran katup gerbang bersifat lurus. Ukuran orifice diubah dengan memutar tuas untuk membuka atau menutup gerbang di jalur aliran. Meskipun katup gerbang tidak dirancang khusus untuk pengaturan aliran, pada beberapa sistem pengukuran aliran kasar, katup ini dapat digunakan sebagai perangkat pembatas aliran.

Klep bola

Saluran aliran katup bola tidak lurus—melakukan belokan 90°. Orifice terdiri atas dudukan dan sumbat kerucut atau sumbat bola pada saluran berputar. Ukuran bukaan orifice disesuaikan dengan mengubah posisi sumbat bola.

Kran Jarum

Aliran melalui katup jarum juga berbelok 90°, kemudian melewati sebuah lubang orifis. Lubang orifis ini terdiri dari celah antara batang katup berujung meruncing dan dudukan katup. Ukuran lubang orifis diubah dengan menyesuaikan posisi permukaan kerucut relatif terhadap dudukan katup. Karena ulir penyetel pada batang katup berpitch halus dan ujungnya meruncing, ukuran lubang orifis ini berubah secara bertahap. Dalam sistem hidrolik, katup jarum merupakan orifis variabel yang paling sering digunakan.

Gambar 9-2 Jenis-jenis orifis variabel. Katup jarum (bawah) merupakan jenis yang paling umum digunakan dalam sistem hidrolik—ujungnya yang meruncing dan ulirnya yang halus memungkinkan penyesuaian aliran yang sangat presisi dan bertahap.

Penerapan katup jarum dalam suatu rangkaian

Rangkaian contoh ini menggunakan pompa perpindahan positif berkapasitas 5 gpm (18,95 Lpm), katup pengaman, katup pengarah arah aliran, orifis variabel (katup jarum), serta silinder hidrolik dengan luas penampang piston 3 in² (19,35 cm²). Jika katup pengaman disetel pada tekanan 500 psi (34,48 bar) dan pompa mengalirkan 5 gpm:

Dengan katup jarum membatasi aliran hanya sebesar 2 gpm (7,58 lpm), kecepatan batang = 2 × 19,25 ÷ 3 = 13 ft/menit (3,96 m/menit). Katup pengaman membatasi tekanan sistem pada 500 psi (34,48 bar) dengan mengalihkan sisa aliran sebesar 3 gpm (11,37 lpm) ke tangki.

Membuka bukaan katup jarum

Memutar katup jarum ke luar memperbesar bukaan — lebih banyak aliran melewati ke silinder, hingga mencapai batas tekanan katup pengaman. Kecepatan batang meningkat.

Menutup bukaan katup jarum

Memutar katup jarum ke dalam memperkecil bukaan. Aliran yang masuk ke silinder berkurang, sehingga kecepatan batang menurun.

Pengaruh Perbedaan Tekanan terhadap Aliran

Aliran melalui suatu bukaan dipengaruhi oleh perbedaan tekanan. Karena tekanan merupakan energi potensial dalam sistem hidrolik, semakin besar perbedaan tekanan di seberang suatu bukaan, semakin besar pula aliran melaluinya.

Contoh sehari-hari — kasur udara

Setelah seharian di pantai atau lokasi berkemah, Anda melepas sumbatan dari kasur udara yang telah dipompa dan membiarkan udara keluar secara bebas. Karena perbedaan tekanan antara dalam dan luar relatif kecil, kasur udara akan mengempis secara perlahan. Tekan keras kasur udara tersebut — tekanan internal meningkat relatif terhadap tekanan atmosferik, perbedaan tekanan menjadi lebih besar, sehingga udara keluar lebih cepat.

Tekan lembut tabung pasta gigi — sejumlah kecil pasta gigi keluar. Tekan keras — lebih banyak pasta gigi terdorong keluar dan mungkin jatuh ke lantai. Jika tabung pasta gigi diinjak, perbedaan tekanan dari dalam terhadap tekanan atmosferik menjadi lebih besar dibandingkan saat ditekan dengan tangan, sehingga lebih banyak pasta gigi keluar lebih cepat.

Pengaruh perbedaan tekanan terhadap aliran katup jarum dalam suatu rangkaian

Dalam rangkaian yang ditunjukkan, katup jarum membatasi aliran pompa 5 gpm (18,95 Lpm) menjadi 3 gpm (11,37 Lpm). Pengaturan katup pengaman: 500 psi (34,48 bar). Resistansi beban: 200 psi (14 bar). Tekanan masuk katup jarum sama dengan pengaturan katup pengaman: 500 psi (34,48 bar). Dari tekanan 500 psi (34,48 bar) tersebut, sebesar 200 psi (14 bar) digunakan untuk mengatasi resistansi beban; selisih tekanan sisanya sebesar 300 psi (21 bar) mendorong aliran 3 gpm (11,3 lpm) melalui katup jarum, menghasilkan kecepatan batang 19,25 ft/menit (5,87 m/menit). Aliran sisa sebesar 2 gpm (7,58 lpm) mengalir melalui katup pengaman menuju tangki.

Menaikkan pengaturan katup pengaman

Dengan menjaga tekanan beban dan pengaturan katup jarum tetap tidak berubah, menaikkan pengaturan katup pengaman menjadi 600 psi (41,38 bar): tekanan masuk katup jarum menjadi 600 psi (41,38 bar). Dari tekanan tersebut, 200 psi (14 bar) digunakan untuk mengatasi beban; selisih tekanan sebesar 400 psi (28 bar) kini mendorong aliran 4 gpm (15 lpm) melalui katup jarum. Kecepatan batang meningkat menjadi 26 ft/menit (7,92 m/menit).

Tekanan beban meningkat

Atur ulang katup pengatur tekanan kembali ke 500 psi (34,48 bar) dengan katup jarum tetap tidak berubah. Beban meningkat: tekanan beban naik menjadi 400 psi (28 bar). Tekanan masuk katup jarum masih 500 psi (34,48 bar), tetapi sekarang hanya terdapat selisih tekanan 100 psi (6,9 bar) yang mendorong aliran melalui katup jarum — hanya 1 gpm (3,79 lpm). Kecepatan batang turun menjadi 6 ft/menit (30 mm/detik). Aliran sisa sebesar 4 gpm (15 lpm) mengalir melewati katup pengatur tekanan.

Hal ini menunjukkan bahwa aliran melalui katup jarum berubah dengan adanya variasi tekanan di salah satu sisi lubang. Untuk mengukur aliran secara presisi melalui katup jarum, variasi tekanan tersebut harus dinetralkan atau dikompensasi.

Katup Pengatur Kecepatan (Katup Pengontrol Aliran dengan Kompensasi Tekanan)

Dari contoh-contoh di atas, perubahan tekanan di salah satu sisi orifis akan memengaruhi aliran katup jarum, sehingga mengubah kecepatan aktuator. Untuk mengukur aliran melalui orifis secara presisi terlepas dari variasi tekanan, variasi tekanan tersebut harus dikompensasi. Katup jarum merupakan katup pengatur aliran non-kompensasi — katup ini merupakan perangkat pengukur aliran yang baik selama beda tekanan tetap konstan dan jarum berada tepat di tengah.

Katup pengatur kecepatan (katup pengatur aliran berkompensasi tekanan) dapat dibagi menjadi tipe masuk (meter-in) dan tipe by-pass.

Konstruksi katup pengatur kecepatan tipe masuk (meter-in)

Katup pengatur aliran berkompensasi tekanan tipe masuk terdiri dari badan katup dengan port masuk dan keluar, katup jarum, spool kompensasi, serta pegas penekan.

Cara kerja tipe masuk (meter-in)

Untuk memahami cara kerja tipe meter-in, kami menganalisis operasinya langkah demi langkah. Ketika spool kompensasi sepenuhnya bergeser ke sisi A, seluruh oli tekanan masuk mengalir ke orifis katup jarum. Selama spool kompensasi bergerak sedikit ke arah sisi B, oli tekanan masuk akan dibatasi alirannya. Agar saluran aliran tetap terbuka, spool kompensasi diberi gaya pegas ke arah sisi A. Tekanan masuk katup jarum dirasakan melalui saluran kontrol internal menuju ujung A spool kompensasi — ketika tekanan naik di atas gaya pegas pengarah, spool akan bergeser ke arah sisi B.

Jika lubang katup jarum disetel sehingga aliran pompa penuh tidak sepenuhnya melewatinya, maka tekanan masuk katup jarum meningkat hingga mencapai pengaturan katup pelepas. Ketika tekanan masuk katup jarum naik di atas gaya pegas spool kompensasi, spool kompensasi bergeser ke arah B, sehingga membatasi aliran masuk. Ketika aliran melalui lubang spool kompensasi sama dengan aliran keluaran pompa, tekanan masuk katup jarum stabil pada nilai tekanan pegas. Sebagai contoh, dengan nilai pegas 100 psi (6,89 bar) dan pengaturan katup pelepas sebesar 500 psi (34,48 bar): tekanan masuk adalah 500 psi (34,48 bar); saat minyak mengalir melalui lubang spool kompensasi, 400 psi (28 bar) diubah menjadi panas, sehingga menurunkan tekanan masuk katup jarum menjadi 100 psi (6,89 bar). Artinya, terlepas dari tekanan masuk katup pengatur aliran, berkat aksi spool kompensasi, tekanan masuk katup jarum tetap dipertahankan pada 100 psi (6,89 bar).

Gambar 9-5 Katup pengatur kecepatan tipe meter-in (kompensasi tekanan). Spool kompensasi mempertahankan penurunan tekanan di sepanjang katup jarum tetap konstan, terlepas dari perubahan tekanan masuk atau keluar — sehingga menghasilkan aliran yang presisi dan konstan.

Pada rangkaian katup jarum sebelumnya, perbedaan tekanan di sepanjang lubang katup jarum hanya separuh cerita — tekanan di hilir katup jarum juga harus dikompensasi. Dengan kata lain, perbedaan tekanan yang konstan harus dipertahankan. Untuk mencapai hal ini, tekanan di hilir katup jarum juga dialirkan melalui saluran kontrol ke rongga pegas bias spool kompensasi. Kini dua gaya bekerja pada sisi A spool kompensasi: gaya pegas dan tekanan oli di hilir.

Jika gaya pegas = 100 psi (6,89 bar), perbedaan tekanan katup jarum akan dibatasi agar selalu lebih tinggi daripada tekanan hilir sebesar 100 psi (6,89 bar). Selama katup pengaman diatur pada nilai yang cukup tinggi, perbedaan tekanan pada orifis katup jarum selalu sama dengan nilai tekanan pegas. Dengan demikian, perbedaan tekanan yang mendorong aliran melalui katup jarum menjadi konstan—tidak dipengaruhi oleh fluktuasi tekanan hulu maupun hilir.

Katup kontrol kecepatan masuk (meter-in) dalam suatu rangkaian

Dalam rangkaian tersebut, katup pengatur kecepatan masuk (meter-in) diatur pada 3 gpm (11,37 Lpm). Katup pelepas tekanan (relief valve) diatur pada 500 psi (34,48 bar), sedangkan tekanan beban sebesar 200 psi (13,79 bar). Gaya pegas spool kompensasi = 100 psi (6,89 bar). Pompa berusaha mendorong seluruh aliran sebesar 5 gpm (18,95 lpm) melalui katup jarum (needle valve), sehingga menyebabkan tekanan inlet katup jarum meningkat. Pada tekanan 300 psi (21 bar), spool kompensasi berpindah posisi dan membatasi aliran, sehingga tekanan inlet pengatur aliran meningkat hingga mencapai pengaturan katup pelepas tekanan, yaitu 500 psi (34,48 bar). Dari tekanan total 500 psi (34,48 bar) tersebut, sebesar 200 psi (13,79 bar) digunakan untuk mengatasi beban; 100 psi (6,89 bar) digunakan untuk menggerakkan aliran melalui katup jarum; dan sisa tekanan sebesar 200 psi (13,79 bar) dari 500 psi tersebut diubah menjadi panas saat aliran melewati orifis spool kompensasi. Aliran pada kondisi ini adalah 3 gpm (11,37 Lpm) dan kecepatan batang piston = 19 ft/menit (97,83 mm/detik).

Meningkatkan tekanan beban dan pengaturan katup pelepas tekanan

Jika tekanan beban naik hingga 400 psi (27,58 bar) atau tekanan pelepasan diatur ulang menjadi 600 psi (41,38 bar), aliran penggerak melalui katup jarum tetap sebesar 100 psi (6,89 bar). Selama tekanan pelepasan diatur cukup tinggi untuk menggerakkan spool kompensasi, aliran keluaran ke silinder akan tetap konstan sebesar 3 gpm (11,37 Lpm).

Konstruksi katup pengatur kecepatan tipe bypass

Katup pengatur kecepatan tipe bypass terdiri atas badan katup dengan port masuk, port keluar, dan port kembali, katup jarum, spool kompensasi, serta pegas penekan.

Cara kerja tipe bypass

Spool kompensasi pada katup ini membuka dan menutup saluran bypass menuju kembali ke tangki. Spool kompensasi ditekan oleh pegas ke posisi tertutup (posisi bawah). Jika gaya pegas bernilai 100 psi (6,89 bar), maka tekanan masuk katup jarum akan dibatasi pada 100 psi (6,89 bar). Ketika aliran melalui katup sepenuhnya dialirkan ke tangki minyak dalam kondisi awalnya. Dalam operasi normal, spool kompensasi ditekan oleh pegas ke posisi tertutup.

Tekanan masuk katup jarum dirasakan melalui saluran kontrol internal ke bagian atas spool kompensasi. Ketika tekanan naik di atas gaya pegas pengarah, spool kompensasi berfungsi seperti katup pelepas — membuka saluran bypass dan membatasi tekanan masuk katup jarum pada 100 psi (6,89 bar). Tekanan masuk tetap pada katup jarum tidak menjamin aliran konstan — jika tekanan hilir berubah, perbedaan tekanan pada orifis katup jarum juga berubah, sehingga aliran pun berubah.

Untuk mengkompensasi hal ini, tekanan katup jarum di sisi hilir dialirkan melalui saluran kontrol ke rongga pegas pengarah spool kompensasi. Kini sisi A spool kompensasi memiliki dua gaya pengarah: gaya pegas dan tekanan oli di sisi hilir. Jika gaya pegas = 100 psi (6,89 bar), tekanan masuk katup jarum akan dibatasi pada 100 psi (6,89 bar) di atas tekanan hilir. Selama katup pelepas diatur cukup tinggi, perbedaan tekanan pada orifis katup jarum akan selalu bernilai 100 psi (6,89 bar) — konstan.

Katup pengatur kecepatan tipe bypass dalam suatu rangkaian

Katup pengatur kecepatan tipe bypass diatur pada 3 gpm (11,37 Lpm). Tekanan pelepasan: 500 psi (34,48 bar), beban: 200 psi (13,79 bar), gaya pegas: 100 psi (6,89 bar). Pompa berusaha mendorong seluruh aliran sebesar 5 gpm (18,95 Lpm) melalui katup jarum. Spool kompensasi membuka saluran bypass, membatasi tekanan masuk katup jarum pada 300 psi (20,68 bar). Dari tekanan 300 psi tersebut: 200 psi (13,79 bar) mengatasi beban, sedangkan 100 psi (6,89 bar) mendorong aliran 3 gpm (11,37 Lpm) melalui katup jarum. Aliran sisa sebesar 2 gpm (7,58 Lpm) dialirkan kembali ke tangki melalui bukaan spool kompensasi.

Gambar 9-8: Rangkaian pengatur kecepatan tipe bypass. Spool kompensasi mengalihkan kelebihan aliran pompa secara langsung ke tangki, bukan mengirimkannya melalui katup pelepas. Metode ini lebih efisien dari segi energi dibandingkan tipe meter-in karena kelebihan aliran tidak melewati tekanan sistem penuh.

Meningkatkan tekanan beban dan pengaturan katup pelepas tekanan

Jika tekanan beban naik hingga 400 psi (27,58 bar) atau tekanan pelepasan diatur ulang menjadi 600 psi (41,38 bar), masih ada tekanan 100 psi (6,89 bar) yang mendorong aliran melalui katup jarum. Selama tekanan pelepasan diatur cukup tinggi untuk membuka spool kompensasi, aliran keluar ke silinder tetap konstan sebesar 3 gpm (11,37 Lpm).

Pengaruh Suhu terhadap Aliran Orifice

Seperti disebutkan di awal bab ini, tiga faktor utama yang memengaruhi aliran melalui orifis adalah ukuran orifis, perbedaan tekanan, dan suhu minyak. Ketika suhu minyak berubah, viskositasnya juga berubah — dan ketika viskositas minyak berubah, aliran melalui orifis pun berubah. Untuk orifis tetap atau katup jarum, perubahan aliran akibat suhu biasanya tidak signifikan karena ukuran orifis dan perbedaan tekanan umumnya jauh lebih besar dibandingkan pengaruh viskositas. Namun, untuk aplikasi yang memerlukan pengendalian aliran sangat presisi, pengaruh suhu harus dipertimbangkan. Baik katup pengendali kecepatan tipe meter-in maupun tipe bypass umumnya memadai untuk aplikasi hidrolik industri standar.

Untuk aplikasi yang memerlukan pengendalian aliran ekstrem presisi — terlepas dari perubahan suhu — dapat digunakan katup pengendali aliran yang dikompensasi suhu. Jenis katup ini juga mengkompensasi pengaruh suhu.

Rumus Utama — Bab 9