Dasar-Dasar Pneumatik: Konsep Kunci dan Aplikasi Sistem

Pendahuluan

Pneumatik telah memainkan peran penting sebagai teknologi dalam melakukan pekerjaan mekanis sejak lama. Ini juga digunakan dalam pengembangan solusi otomasi. Sistem pneumatik mirip dengan sistem hidraulik tetapi dalam sistem ini udara terkompresi digunakan sebagai ganti fluida hidraulik.

Sistem pneumatik adalah sistem yang menggunakan udara terkompresi untuk mentransmisikan dan mengontrol energi. Sistem pneumatik digunakan luas di berbagai industri. Sebagian besar sistem pneumatik bergantung pada pasokan udara terkompresi yang konstan agar bisa bekerja. Ini disediakan oleh kompresor udara. Kompresor menarik udara dari atmosfer dan menyimpannya di tangki tekanan tinggi yang disebut receiver. Udara terkompresi ini kemudian disuplai ke sistem melalui serangkaian pipa dan klep.

Kata 'Pneuma' berarti udara. Pneumatik adalah tentang menggunakan udara terkompresi untuk melakukan pekerjaan. Udara terkompresi adalah udara dari atmosfer yang volumenya dikurangi oleh kompresi sehingga meningkatkan tekanannya. Ini digunakan sebagai medium kerja biasanya pada tekanan 6 kg/sq mm hingga 8 kg/sq mm. Untuk menggunakan sistem pneumatik, gaya maksimal hingga 50 kN dapat dikembangkan. Aktuasi kontrol dapat manual, pneumatik atau listrik. Udara terkompresi terutama digunakan untuk melakukan pekerjaan dengan bekerja pada piston atau vane. Energi ini digunakan di banyak area industri baja.

Keuntungan Sistem Pneumatik

Sistem pneumatik digunakan luas di berbagai industri untuk penggerak mesin otomatis. Sistem pneumatik memiliki banyak keuntungan.

• Efektivitas tinggi - Ada pasokan udara yang tak terbatas di atmosfer untuk menghasilkan udara terkompresi. Juga ada kemampuan penyimpanan yang mudah dalam volume besar. Penggunaan udara terkompresi tidak terbatas oleh jarak, karena dapat dengan mudah diangkut melalui pipa. Setelah digunakan, udara terkompresi dapat dilepaskan langsung ke atmosfer tanpa perlu diproses.
• Ketahanan dan keandalan tinggi - Komponen sistem pneumatik sangat awet dan tidak mudah rusak. Dibandingkan dengan komponen elektromotif, komponen pneumatik lebih awet dan andal.
• Desain sederhana - Desain komponen sistem pneumatik relatif sederhana. Mereka lebih cocok untuk digunakan dalam sistem kontrol otomatis sederhana. Ada pilihan gerakan seperti gerak linear atau gerak rotasi sudut dengan kecepatan operasional yang sederhana dan terus bervariabel.
• Adaptabilitas tinggi terhadap lingkungan yang keras - Dibandingkan elemen sistem lain, udara terkompresi kurang terpengaruh oleh suhu tinggi, debu, dan lingkungan korosif, dll. Oleh karena itu mereka lebih cocok untuk lingkungan yang keras.
• Aspek keamanan - Sistem pneumatik lebih aman daripada sistem elektromotif karena dapat bekerja di lingkungan mudah terbakar tanpa menyebabkan kebakaran atau ledakan. Selain itu, overload di sistem pneumatik hanya mengakibatkan geseran atau berhentinya operasi. Tidak seperti komponen sistem elektromotif, komponen sistem pneumatik tidak terbakar atau panas berlebih saat overload.
• Pemilihan kecepatan dan tekanan yang mudah - Kecepatan gerak lurus dan osilasi sistem pneumatik mudah diatur dan tunduk pada sedikit keterbatasan. Tekanan dan volume udara terkompresi dapat dengan mudah diatur oleh regulator tekanan.
• Ramah lingkungan - Operasi sistem pneumatik tidak menghasilkan polutan. Sistem pneumatik bersih secara lingkungan dan dengan perawatan buang udara yang tepat dapat dipasang untuk standar ruangan bersih. Oleh karena itu, sistem pneumatik dapat bekerja di lingkungan yang meminta tingkat kebersihan tinggi. Salah satu contoh adalah baris produksi rangkaian terpadu.
• Hemat - Karena komponen sistem pneumatik tidak mahal, biaya sistem pneumatik cukup rendah. Selain itu, karena sistem pneumatik sangat awet, biaya pemeliharaan jauh lebih rendah dari sistem lain.

Keterbatasan Sistem Pneumatik

Meskipun sistem pneumatik memiliki banyak keuntungan, mereka juga tunduk pada beberapa keterbatasan. Keterbatasan ini adalah sebagai berikut.

• Akurasi relatif rendah - Karena sistem pneumatik didorong oleh gaya yang diberikan oleh udara terkompresi, operasinya tunduk pada volume udara terkompresi. Karena volume udara dapat berubah saat dikompresi atau dipanaskan, pasokan udara ke sistem mungkin tidak akurat, menyebabkan penurunan akurasi keseluruhan sistem.
• Beban rendah - Karena silinder yang digunakan dalam sistem pneumatik tidak terlalu besar, sistem pneumatik tidak dapat menggerakkan beban yang terlalu berat.
• Perlukan pemrosesan sebelum digunakan - Udara terkompresi harus diproses sebelum digunakan untuk memastikan tidak ada uap air atau debu. Tidak seperti itu, bagian bergerak komponen pneumatik dapat aus dengan cepat karena gesekan.
• Kecepatan gerak tidak merata - Karena udara mudah dikompresi, kecepatan gerak piston relatif tidak merata.
Kebisingan - Kebisingan biasanya terjadi ketika udara terkompresi dilepaskan dari komponen pneumatik.

Komponen Sistem Pneumatik

Silinder pneumatik, rotary actuator dan motor udara menyediakan gaya dan gerakan untuk sebagian besar sistem pneumatik, untuk memegang, memindahkan, membentuk, dan memproses material. Untuk mengoperasikan dan mengontrol actuator ini, komponen pneumatik lain diperlukan seperti air service unit untuk persiapan udara terkompresi dan klep untuk kontrol tekanan, aliran dan arah gerakan actuator. Sistem pneumatik dasar terdiri dari dua bagian utama berikut.

• Sistem produksi, transportasi, dan distribusi udara terkompresi
• Sistem konsumsi udara terkompresi

Komponen utama sistem produksi, transportasi, dan distribusi udara terkompresi terdiri dari kompresor udara, motor listrik dan motor control centre, pressure switch, check valve, storage tank, pressure gauge, auto drain, air dryer, filter, air lubricator, pipa, dan berbagai jenis klep. Komponen utama sistem konsumsi udara terdiri dari intake filter, kompresor, air take off valve, auto drain, air service unit, directional valve, actuator, dan speed controller. Komponen dasar sistem pneumatik ditunjukkan pada Fig 1.

Fig 1 Komponen utama sistem pneumatik

Intake filter juga dikenal sebagai air filter digunakan untuk menyaring kontaminan dari udara.

Kompresor udara mengubah energi mekanis motor listrik atau mesin pembakaran menjadi energi potensial udara terkompresi. Ada beberapa jenis kompresor yang digunakan dalam sistem udara terkompresi. Jenis kompresor untuk generasi udara terkompresi dipilih berdasarkan tekanan pengiriman maksimum yang diinginkan dan debit udara yang diperlukan. Jenis kompresor dalam sistem udara terkompresi adalah (i) piston atau reciprocating compressors, (ii) rotary compressors, (iii) centrifugal compressors, dan (iv) axial flow compressors. Reciprocating compressors adalah (i) single stage atau double stage piston compressor, dan (ii) diaphragm compressor. Rotary compressors adalah (i) sliding vane compressor, dan (ii) screw compressor.

Motor listrik mengubah energi listrik menjadi energi mekanis. Ini digunakan untuk menggerakkan kompresor udara.

Udara terkompresi yang berasal dari kompresor disimpan di air receiver. Tujuan air receiver adalah untuk meratakan aliran berdenyut dari kompresor. Ini juga membantu udara pendingin dan mengkondensasi kelembaban yang ada. Air receiver harus cukup besar untuk menampung semua udara yang dikirim oleh kompresor. Tekanan di receiver dijaga lebih tinggi dari tekanan operasional sistem untuk mengkompensasi kehilangan tekanan di pipa. Juga luas permukaan receiver yang besar membantu dalam menyebarkan panas dari udara terkompresi.

Untuk operasi yang memuaskan sistem pneumatik, udara terkompresi perlu dibersihkan dan dikeringkan. Udara atmosfer tercemar debu, asap dan lembab. Partikel-partikel ini dapat menyebabkan aus komponen sistem dan keberadaan kelembaban dapat menyebabkan korosi. Oleh karena itu penting untuk merawat udara untuk menghilangkan kotoran ini. Lebih lanjut selama operasi kompresi, suhu udara meningkat. Oleh karena itu pendingin digunakan untuk menurunkan suhu udara terkompresi. Uap air atau kelembaban dalam udara dipisahkan dari udara menggunakan separator atau air dryer.

Perawatan udara dapat dibagi menjadi tiga tahap. Di tahap pertama, partikel besar dicegah untuk masuk ke kompresor udara oleh intake filter. Udara yang keluar dari kompresor mungkin lembab dan mungkin pada suhu tinggi. Udara terkompresi dari kompresor dirawat di tahap kedua. Di tahap ini suhu udara terkompresi diturunkan menggunakan pendingin dan udara dikeringkan menggunakan dryer.

Sistem pendinginan udara dapat berupa adsorption type, absorption type, refrigeration type, atau tipe yang menggunakan semi permeable membranes. Juga inline filter disediakan untuk menghapus partikel kontaminan yang ada. Perawatan ini disebut primary air treatment. Di tahap ketiga yang merupakan proses secondary air treatment, pemfilteran lebih lanjut dilakukan.

Pelumasan bagian bergerak silinder dan klep sangat penting dalam sistem pneumatik. Untuk tujuan ini air lubricator digunakan di depan peralatan pneumatik. Lubricator memperkenalkan kabut halus minyak ke dalam udara terkompresi. Ini membantu pelumasan komponen bergerak sistem yang diterapkan udara terkompresi. Grade minyak pelumas yang benar biasanya memiliki viskositas kinematik sekitar 20-50 centistokes.

Control valve digunakan untuk mengatur, mengontrol dan memantau untuk kontrol arah aliran, tekanan dll. Fungsi utama control valve adalah untuk mempertahankan tekanan downstream konstan di garis udara, terlepas dari variasi tekanan upstream. Akibatnya kecepatan aliran udara terkompresi yang tinggi, ada penurunan tekanan yang bergantung pada aliran di antara receiver dan beban (aplikasi). Oleh karena itu tekanan di receiver selalu dijaga lebih tinggi dari tekanan sistem. Di lokasi aplikasi, tekanan diatur untuk menjaganya konstan. Ada tiga cara untuk mengontrol tekanan lokal yang diberikan di bawah ini.

• Di metode pertama, beban melepaskan udara ke atmosfer secara kontinu. Pressure regulator membatasi aliran udara ke beban, sehingga mengontrol tekanan udara. Dalam jenis regulasi tekanan ini, aliran minimum diperlukan untuk mengoperasikan regulator. Jika beban adalah jenis dead end yang tidak menarik udara, tekanan di receiver naik ke tekanan manifold. Jenis regulator ini disebut 'non-relieving regulators', karena udara harus melewati beban.
• Di tipe kedua, beban adalah dead end load. Namun regulator melepaskan udara ke atmosfer untuk menurunkan tekanan. Jenis regulator ini disebut 'relieving regulator'.
• Tipe ketiga regulator memiliki beban yang sangat besar. Oleh karena itu kebutuhan volume udaranya sangat tinggi dan tidak dapat terpenuhi dengan menggunakan regulator sederhana. Dalam kasus tersebut, control loop yang terdiri dari pressure transducer, controller dan vent valve digunakan. Karena beban besar, tekanan sistem dapat naik di atas nilai kritisnya. Ini terdeteksi oleh transducer. Kemudian sinyal diproses oleh controller yang mengarahkan klep untuk dibuka untuk melepas udara. Teknik ini juga digunakan ketika sulit untuk memasang pressure regulating valve di dekat titik tempat regulasi tekanan diperlukan.

Silinder udara dan motor adalah actuator yang digunakan untuk mendapatkan gerakan yang diperlukan dari elemen mekanis sistem pneumatik. Actuator adalah output device yang mengubah energi dari udara terkompresi menjadi jenis gerakan atau gerak yang diperlukan. Secara umum, sistem pneumatik digunakan untuk operasi memegang dan/atau memindahkan di berbagai industri. Operasi ini dilakukan menggunakan actuator. Actuator dapat diklasifikasikan menjadi tiga tipe yaitu (i) linear actuator yang mengubah energi pneumatik menjadi gerak linear, (ii) rotary actuator yang mengubah energi pneumatik menjadi gerak rotasi, dan (iii) actuator untuk mengoperasikan flow control valve- ini digunakan untuk mengontrol aliran dan tekanan fluida seperti gas, uap atau cairan. Konstruksi actuator linear hidraulik dan pneumatik mirip. Namun mereka berbeda pada rentang tekanan operasinya. Tekanan tipis hydraulic cylinder sekitar 100 kg/sq mm dan pneumatic cylinder sekitar 10 kg/sq mm.

Distribusi Udara Terkompresi

Distribusi udara terkompresi yang tepat sangat penting untuk mencapai performa yang baik. Beberapa persyaratan penting yang harus dipastikan adalah sebagai berikut.

• Tata letak pipa (open atau closed loop) dengan jumlah drain valve yang tepat di sudut berseberangan
• Desain pipa memiliki parameter penting seperti diameter pipa untuk aliran tertentu, penurunan tekanan, jumlah dan tipe fitting dan tekanan absolut
• Kemiringan main horizontal header dari kompresor yang biasanya 1:20
• Take off branches dari atas horizontal headers dengan U atau 45 derajat
• Penyediaan accumulator dengan drain cock di bawah semua vertical headers
• Air service unit terhubung tegak lurus terhadap vertical headers

Semua komponen pneumatik utama dapat direpresentasikan oleh simbol pneumatik sederhana. Setiap simbol hanya menunjukkan fungsi komponen yang direpresentasikan, bukan struktur-nya. Simbol pneumatik dapat digabungkan untuk membentuk diagram pneumatik. Sebuah diagram pneumatik menjelaskan hubungan di antara setiap komponen pneumatik, yaitu, desain sistem. Sebuah diagram tipis sistem pneumatik ditunjukkan pada Fig 2.

Fig 2 Diagram tipis sistem pneumatik

Saat menganalisis atau merancang rangkaian pneumatik, empat pertimbangan penting berikut harus dipertimbangkan

• Keamanan operasi
• Performa fungsi yang diinginkan
• Efisiensi operasi
• Biaya

Aplikasi Sistem Pneumatik

Ada beberapa aplikasi untuk sistem pneumatik. Beberapa di antaranya adalah pneumatic presses, pneumatic drills, operasi sistem klep untuk udara, air atau kimia, pengosongan hopper dan bin, machine tools, pneumatic rammers, pengangkutan dan pemindahan objek, spray painting, pemegang di jigs dan fixtures, pemegang untuk brazing atau welding, operasi forming, riveting, operasi peralatan proses dll.