Memahami Hoop Stress pada Desain Selang Microbore
Oleh Josh Cosford, Editor Kontributor
Hoop stress adalah konsep mendasar dalam tenaga fluida, namun sering diabaikan. Ini mewakili tegangan melingkar yang diberikan pada tabung, silinder, atau dinding melingkar ketika tekanan internal mendorong keluar. Bayangkan lingkaran baja yang memperkuat tong anggur—prinsip serupa juga berlaku pada selang lubang mikro plastik, yang dapat menahan tekanan sangat tinggi.
Tegangan lingkaran tidak berskala linier terhadap diameter dan berbanding terbalik dengan ketebalan dinding, dinyatakan dengan persamaan:
σ =(P × D) / (2 × t)
di mana σ adalah tegangan, P adalah tekanan internal, D adalah diameter dalam, dan t adalah tebal dinding.
Meskipun perhitungannya mungkin menakutkan, kesimpulan utamanya adalah menggandakan ketebalan dinding menghasilkan efek yang sama seperti mengurangi separuh diameter internal. Hubungan ini berlaku untuk tabung, pipa, dan selang, namun tidak untuk bejana tekan yang diatur dengan persamaan berbeda.
Pertimbangkan selang lubang mikro PTFE dengan daya 5.000 psi. Selang tersebut mungkin memiliki diameter dalam 1/8 inci (0,125 inci) dan ketebalan dinding hanya 0,060 inci. Untuk menggandakan diameter menjadi 1/4 inci, dinding juga harus berlipat ganda menjadi 0,120 inci. Untuk selang berdiameter 1/2 inci, diperlukan ketebalan dinding 0,240 inci.
Angka-angka ini menggambarkan mengapa memproduksi selang atau silinder bertekanan tinggi dan berlubang besar menjadi tidak praktis. Selang hidraulik PTFE ID 12 inci akan membutuhkan material dinding hampir 6 inci, sehingga diameter luarnya mendekati 24 inci—contoh nyata dari keterbatasan yang disebabkan oleh tegangan lingkaran.
Mengapa ketebalan dinding penting? Ini adalah efek luas permukaan. Visualisasikan sebuah cincin radial dengan lebar 2 inci dan lebar 1 inci. Luas permukaan dalamnya adalah keliling × lebar, atau 6,28 inci². Pada 3.000 psi, tekanan internal memberikan gaya luar sebesar 18.840 pon pada permukaan tersebut.
Menggandakan diameter menjadi 4 inci akan menggandakan keliling, sehingga gaya keluar meningkat menjadi sekitar 37.699 pon. Untuk mempertahankan tingkat 5.000 psi dengan ketebalan dinding yang sama, tabung memerlukan dinding dengan tebal kira-kira 2 inci untuk melawan gaya 63.000 pon.
Dalam praktiknya, kami tidak membuat silinder PTFE 5.000 psi; tembok yang dibutuhkan akan menjadi tidak praktis. Di Higginson, kami menggunakan tabung baja yang diasah di dinding berukuran ¼ inci untuk silinder hidrolik dengan lubang 4 inci, dengan kecepatan 3.000 psi dengan faktor keamanan 4:1.
Demikian pula, silinder dengan lubang berukuran 8 inci memerlukan dinding berukuran ½ inci untuk menangani tekanan 3.000 psi, dan silinder dengan lubang berukuran 16 inci dapat menggunakan dinding berukuran 1 inci. Contoh-contoh ini menegaskan bahwa penghitungan tegangan lingkaran memandu pengambilan keputusan material dan ketebalan dinding pada sebagian besar kasus.
Lain kali Anda menguji selang lubang mikro, ingatlah bahwa gaya keluarnya besar meskipun diameter selangnya kecil. Memahami tekanan lingkaran memastikan Anda mendesain dengan aman dan efisien.
Anda mungkin juga menyukai:
