SISTEM PENGGERAK KEMUDI 4.1.
STEERING GEAR
4.1.1. INTRODUKSI STEERING GEAR.
Untuk menentukan gerakan daun kemudi dan merespon isyarat dari ruang pengemudian dengan tujuan menjamin kontrol kapal dan kualitas manuver. Sistem steering gear terdiri dan tiga tahap yaitu tahap perlengkapan kontrol untuk memindahkan suatu isyarat dan sudut kemudi yang diinginkan dalam ruang pengemudian, dan kerja dari unit-unit tenaga serta sistem transmisi sampai pada sudut yang diinginkan tercapai. Tahap berikutnya yaitu unit tenaga memberikan kekuatan atau gaya apabila membutuhkan, dan dengan pengaruh penghantar untuk menggerakkan kemudi menuju sudut yang diinginkan dan tahap terakhir sistem transmisi disini dimaksudkan agar gerakan daun kemudi tercapai. Steering gear digunakan untuk mengontrol kedudukan daun kemudi dan kualitas manuver kapal. Steering gear menghubungkan gerakan mesin kemudi dengan gerakan daun kemudi.
4.1.2. PERSYARATAN STEERING GEAR Menurut SOLAS 1974 dan Biro klasifikasi sebagai berikut:
Semua kapal harus dilengkapi steering gear utama dan steering gear bantu, dimana dalam pengoperasian tidak saling mengganggu apabila salah satu mengalami kerusakan. Steering gear utama bila dilengkapi dua buah unit tenaga yang sama maka steering gear bantu tidak dipenlukan lagi, tetapi bila salah satu sistem pipa dan kedua unit tenaga tersebut mengalami kerusakan maka steering gear harus mampu mengendalikan. Steering gear utama harus mampu mengendalikan kapal pada kecepatan maksimum, dapat memutar kemudi pada posisi satu 35o menuju ke posisi sisi lain pada 30o dalam waktu maksimum 28 detik. Steering gear bantu harus mampu bertahan dalam pengoperasian dan mengarahkan kemudi pada satu sisi 15o menuju ke sisi lain dengan sudut 15o dalam waktu 60 detik, pada 50% kecepatan maksimum atau 7 knot. Pengoperasian unit-unit tenaga steering gear utama dan bantu harus dapat dioperasikan dari anjungan navigasi, dan kegagalan salah satu unit harus dapat dikontrol dengan alarm atau visual, serta harus dapat bekerja lagi secara otomatis apabila sudah diperbaiki. Steering gear kontrol harus dipasang pada anjungan navigasi dan ruang steering gear. Untuk steering gear utama bila unit-unit tenaga lebih dari satu maka masing-masing harus dipasang steering gear kontrol yang dapat dioperasikan dianjungan. Sistem tenaga hidrolis harus dirancang sedemikian rupa untuk memelihara kebersihan cairan hidrolik, dan dilengkapi alarm permukaan rendah pada cairan secara suara atau visual, juga
tangki yang diatur sedemikian rupa sehingga sistem hidrolik dapat diketahui kondisi kosong atau mengisi, dan kapasitas tangki harus cukup, minimal satu kali tenaga untuk sistem kerja. Untuk diameter poros kemudi lebih dan 230 mili pada daerah tiller diperlukan tenaga alternatif yang mampu mengisi tenaga yang disediakan selama 45 second dan harus mengisi unit tenaga pada sistem kontrol dan sudut indikator. Kapasitas tenaga selama 30 menit untuk kapal ukuran diatas atau sama 10.000 GT, dan 10 menit diluar kapal ini.
4.1.3. PERSYARATAN MESIN STEERING DAN CONTROL GEAR
Mesin steering harus dapat distart oleh roda kemudi dari stasiun kontrol utama dan standby. Mesin steering harus dapat berputar balik sehingga mesin dapat memutar kemudi dalam kedua arah. Arah putaran mesin steering harus sesuai dengan arah putaran kemudi dimana roda kemudi diputar. Bila roda kemudi berhenti mesin steering juga berhenti dan kemudi pada posisi sesuai dengan indikator kemudi. Mesin steering harus menggerakkan kontrol gear dan kemudi secara cepat dalam arah yang diinginkan segera petugas roda kemudi memulai memutar roda kemudi sehingga menjamin tidak berhentinya kontrol kapal. Mesin steering harus berhenti/stop secara otomatis bila kemudi mencapai pada posisi terluarnya, untuk mencegah kerusakan dari steering gear. Kecepatan kemudi yang diputar harus sesuai dengan roda kemudi yang diputar, sehingga keinginan manuver dengan cepat dapat dicapai. Mesin steering harus bekerja dengan tenang dan tidak menimbulkan getaran pada badan kapal, dan tidak menimbulkan gangguan terhadap kondisi kehidupan ABK dan penumpang.
4.1.4. KOMPONEN STEERING GEAR. Daun kemudi atau rudder,
gaya-gaya hidrodinamikanya digunakan untuk mengubah arah gerakan kapal. Arah gerakan kapal pada hal ini ada 3 tahap yaitu tahap pertama akibat gayagaya normal yang bekerja pada daun kemudi dan momen gaya ini terhadap titik berat kapal. Pada tahap kedua perputaran arah kapal dipengaruhi disamping momen gaya normal terhadap titik berat kapal dan momen gaya tahanan terhadap titik berat kapal. Untuk tahap yang ketiga disebabkan oleh momen tahanan kapal terhadap titik berat, karena titik tangkap tahanan bergeser posisinya. Daun kemudi, dimana gaya yang bekerja pada daun digunakan untuk mengubah arah gerakan kapal (tergantung pada bentuk geometri daun). Geometris daun kemudi ditinjau dari luas daun terhadap sumbu poros putar, dikenal 3 macam yaitu simple rudder, semi balance rudder dan balance rudder. Bila ditinjau dari peletakan daun dikenal kemudi meletak, kemudi
semi menggantung dan kemudi menggantung. Jika ditinjau dari konstruksinya dikenal kemudi dengan konstruksi single plate atau flat dan double plate yang bentuk penampangnya hidrofoil.
Gambar 4.1
Daun kemudi.
Luas daun kemudi dipengaruhi oleh ukuran kapal terutama panjang, lebar dan sarat kapal. Atau dapat ditulis dengan rumus A = atau prosentase dari perkalian L dan T tergantung pada tipe kapal dan kecepatan. Luas daun yang dibalansir harus lebih kecil atau sama dengan 23% luas dan rumus diatas. Lebar daun yang dibalansir harus lebih kecil 35% dari lebar daun. Perbandingan tinggi dan lebar daun tergantung pada tipe kapal, jumlah propeller dan jumlah kemudi (1.8 – 2.4).
Tongkat kemudi
merupakan bagian dari daun kemudi yang menerima beban lentur dan puntiran. Diameter tongkat kemudi tergantung dari luas daun, jarak titik berat luas daun terhadap sumbu putar daun dan kecepatan kapal. Gaya hidrodinamika yang bekerja pada penampang daun kemudi dalam aliran air pada kecepatan V dapat dihitung dengan rumus gaya normal (Pn) = k /g A V2 sin2. Dan letak titik tangkap gaya normal berada pada : untuk = 10o maka 1/b = 0.34 dan = 35o maka l/b = 0.43 – 0.46. Besarnya momen torsi = Pn (x – a) ; dimana x adalah jarak titik tangkap gaya normal sampai pada ujung depan daun kemudi dan a adalah jarak sumbu putar daun kemudi ke ujung depan daun kemudi atau (x – a) merupakan jarak titik tangkap gaya normal ke sumbu putar daun kemudi. Momen torsi nominal 6 DT3/1000.
GAMBAR 4.2 GAYA HIDRODINAMIKA.
Mesin steering.
Mesin steering adalah penggerak streering gear, sedangkan steering gear instalasi yang menghubungkan rudder dengan mesin. Mesin kemudi terdiri dari gigi-gigi atau gear, dan mesin penggerak yang cocok dimana bekerjanya tenaga steering gear; untuk memutar ke kanan/ke kiri dan menahan daun kemudi; dan menentukan posisinya.
Tiller atau kuadran
Perlengkapan yang menghubungkan poros daun kemudi dengan steering gear.
Kontrol steering gear.
Perlengkapan yang menghubungkan mesin steering ke pusat kontrol kapal yang berada dianjungan atau di ruang steering gear. Kontrol gear pada mesin kemudi yang menghubungkan pusat-pusat kontrol di kapal untuk mengontrol kecepatan dan arah putaran daun kemudi. Teledinamik transmisi dapat berupa hidrolik atau elektrik atau elektrohidrolik.
Sumber tenaga.
Sumber tenaga penggerak steering gear dapat diklasifikasikan menjadi 4 yaitu menggunakan tangan untuk kapal-kapal kecil, penggerak uap yang dijumpai pada kapal-kapal uap kuno kecuali pada kapal tanker yang diperlengkapi dengan boiler bantu, kebaikan digunakan pada kapal tanker karena resiko kebakaran rendah dan karena uap dapat dipakai sebagai media pemadam kebakaran atau digunakan untuk pembersih tangki minyak. Macam penggerak yang lain adalah dengan listnik atau hidrolik.
4.1.5. MACAM DAN TIPE STEERING GEAR.
Steam steering gear, menggunakan mesin uap silinder ganda dengan sudut engkol 90 o. Gerakan mesin dikontrol dengan katup geser, lama gerakan ditentukan oleh telemotor. Kerja mesin dapat dikendalikan oleh hunting gear dan aliran uap dapat diputus oleh katup ekonomis dan katup ini dapat meningkatkan efisiensi thermal. Two ram electrohidrolic steering gear, memiliki tipe dua ram dilengkapi dengan motor 15 KW untuk menggerakkan pompa dengan menghasilkan tekanan kerja pompa 70 bar. Waktu memutar kemudi saat posisi belok penuh ke posisi belok penuh yang lain selama 27 second. Besarnya momen torsi yang dihasilkan 275 kNm. Hubungan tiller dan ram digunakan Rapson Slide agar diperoleh torsi maksimum pada sudut maksimum. Four ram electrohidrolic steering gear, merupakan pengembangan tipe dua ram menjadi tipe empat ram dan lebih andal karena kegagalan kerja berkurang; mudah dibuat dan sederhana. Silinder hidrolic menghasilkan tekanan 275 bar. Hubungan antara tiller dengan ram menggunakan Ropson Slide atau cod piece. Hidrolic steering gear. Two ram hidro1ic steering gear, menghasilkan momen torsi 120 - 650 Nm. Peralatan tiller digerakkan oleh dua ram dengan menggunakan hubungan Ropson Slide, dilengkapi dengan dua silinder ram, dua pompa bantu, dua motor listrik sebagai penggerak pompa, dilengkapi oleh satu tangki replenishing dan katup relief. Four ram hidro1ic steering gear, menghasilkan momen torsi 250 - 10.000 Nm. Diperlengkapi dengan peralatan terdiri dari tiller yang digerakkan oleh empat ram, empat silinder ram, dua pompa bantu, dua motor listrik, satu tangki replenishing dan dua katup relief.
Gambar 4.3
Four ram hidraulic steering gear.
Small hand and power gear, menghasilkan momen torsi 150 kNm dan ram dalam silinder kerja ganda yang banyak digunakan pada kapal-kapal kecil. Rotary vane gear, prinsipnya sama dengan tipe dua ram hidrolik menghasilkan momen torsi 3000 kNm. Diperlengkapi dengan peralatan yang terdiri dari Rotor yang dipasang diatas tongkat kemudi dengan menggunakan pasak, dan rotor memiliki rotating vane dan berputar di dalam stator; dimana stator dilengkapi dengan Fixe vane. Antara rotating vane dan fixe vane terbentuk ruangan yang dapat diisi dengan minyak hidrolis atau dikosongkan. Stator dan Rotor dilengkapi dengan Manifold. Minyak hidrolic dapat mengalir pada pipa-pipa manifold akibat kerja pompa hidrolic (2 buah) dimana pompa-pompa hidrolic digerakkan oleh motor (2 buah) dan diperlengkapi tangki ekspansi (2 buah) dimana tangki ini dilengkapi dengan alarm untuk mendeteksi permukaan minyak.
Gambar 4.4
Rotary vane.
Test steering gear dilaksanakan pada bagian-bagian seperti kerja unit tenaga untuk steering gear utama dan bantu, juga kerja steering gear menggunakan tenaga emergency, dan dilakukan pengetesan bacaan indikator sudut kerja kemudi dengan sudut kemudi yang nyata, dan pengetesan pada alarm sistem kontrol untuk kecepatan kerja kemudi.
4.1.6. KARAKTERISTIK STEERING GEAR
Dapat diandalkan dan tidak lemah pada suatu kondisi berlayar. Mampu memutar kemudi untuk sudut yang diperlukan pada kecepatan penuh saat berlayar. Mampu memutar kemudi pada kecepatan gerak kemudi yang dipilih. Kemungkinan untuk mengubah dari steering gear utama ke fasilitas bantu (steering gear bantu). Kemungkinan dapat dikontrol pada beberapa tempat di kapal (pada steering gear room diburitan atau diruang ceruk buritan, atau wheel house). Kemudahan dalam pengemudian. Umur pelayanan lama. Ukuran kecil dan berat minimum. Rancangan, pemeliharaan dan pelayanannya sederhana.
Ekonomis operasi kerjanya.
4.1.7. KEISTIMEWAAN DAN KELEMAHAN MESIN STEERING
Mesin steering hidrolik keistimewaannya memiliki sensitifitas tinggi terhadap gerakan roda kemudi atau lengan kontrol, rata, kerja tenang, torsi yang dihasilkan pada poros kemudi tetap, kecepatan gerakan kemudi lebih luas, aman kerjanya, efisiensi lebih tinggi, ukuran/berat kecil, dan torsi yang dihasilkan lebih tinggi. Kelemahannya lebih komplek/rumit dalam pembuatan instalasi dan penyetelan, biaya awal tinggi dan kenyataan membutuhkan kekhususan didalam pemeliharaan dan penempatan dalam operasi. Mesin steering elektrik, keistimewaannya memiliki instalasi mudah dan lebih andal dalam hubungannya dengan stasiun kontrol, memiliki kepekaan kontrol steering yang tinggi dan kecepatan kerja untuk opersi pada suatu waktu tanpa menunggu persiapan operasi. Kelemahannya ialah biaya lebih tinggi dan lebih rumit penyetelan dan operasinya. Data-data yang dibutuhkan dalam perhitungan steering gear elektrik adalah karakter kemudi, torsi pada kepala poros kemudi dan waktu yang dibutuhkan untuk memutar kemudi. Waktu yang dibutuhkan untuk memutar sampai pada bagian luar kemudi tergantung pada tujuan kapal dan penggunaan rancangan steering gear. Untuk kapal transport dan sea going craft waktu yang dibutuhkan untuk memutar kemudi dari sisi luar ke sisi luar lainnya adalah 25 – 30 detik dengan kecepatan sudut 2.8 – 2.34 derajat/detik pada sudut kemudi 2o = 70o dan kecepatan sudut 2.56 – 2.13 derajat/detik pada sudut kemudi 2o = 64o.
4.1.8. MENENTUKAN KAPASITAS MESIN STEERING
Torsi mesin streering.
Perhitungan secara praktis :
Momen puntir/torsi yang bekerja pada kemudi T = P(x – a), dimana T = torsi (kgm), P = gaya normal yang bekerja pada kemudi (kg), x = jarak diukur dari pusat gaya normal ke ujung depan daun kemudi (m), a = jarak yang diukur dari sumbu poros kemudi ke ujung depan kemudi (m).
Nilai (x – a) tergantung pada karakteristik kemudi, untuk kemudi balans (x – a) minimum sama dengan 0.10b, (b = lebar rata-rata daun kemudi) dan untuk kemudi tidak balans (x – a) = 0.25b
Kecepatan relatif pada kemudi yang diambil adalah 1.15 dari kecepatan percobaan (knot), Vr = 1.15Vt Gaya normal yang bekerja pada daun kemudi adalah P = 15.6A(Vr)2 sin atau P = 15.6A(1.15Vt)2 sin , dimana A = luas daun kemudi pada centreline (m2). Nilai A dapat dihitung dengan prosentase luas dari hasil kali panjang garis air pada sarat musim panas dengan sarat pada musim panas atau A =
. Nilai x dapat dicari dengan rumus x = b(0.195 + 0.305 sin ), formula jossel, dimana = sudut kemudi terhadap aliran air (o). Torsi pada poros kemudi maksimum.
= 35o, kecepatan relatif air 1.15Vt T maksimum = P(x – a) = 15.6A(1.15Vt)2 sin = 15.6A(1.15Vt)2 sin 35o [b(0.195 + 0.305 sin 35o) – a]
EP =
Tenaga efektif mesin steering.
....(ps), dimana n = kecepatan steering (rpm), T = torsi maksimum (tonm).
Kecepatan steering biasanya diambil 70o per 30 deitk, maka n =
EP =
= 0.543T
= 0.00648
Tenaga input mesin steering.
IP = f EP, dimana f = 1.3 – 1.8 untuk penggerak elektro hidrolis. f = 1.5 – 2.0 untuk penggerak motor listrik. f = 4.0 – 6.0 untuk penggerak uap. Perhitungan dengan cara detail.
Menentukan torsi pada poros mesin streering dengan cara detail.
Mm = ....(kgm), dimana nm = kecepatan putaran = 100 – 350 rpm untuk penggerak uap dan 300 –1800 rpm untuk penggerak motor listrik. Kecepatan putar angular pada poros kemudi
rs =
, dimana o = sudut kemudi maksimum diukur dari
=
centreline bidang kemudi, nrs =
Tenaga pada poros kemudi.
Nrs =
.....(hp).
Nrs =
.....(hp).
Nm =
=
Tenaga pada poros mesin steering.
atau Nm =
Juga dapat dihitung melalui torsi pada poros seperti berikut :
.....(rpm) dan isg =
Mm =
.....(kgm)
Nm =
.....(hp)
Efisiensi steering gear (sg)
Rasio gearing (isg)
Steering gear uap 0.1 – 0.35
284 – 1105
Steering gear listrik 0.1 – 0.35
1105 – 5000
Steering gear tangan 0.36 – 0.70
4 – 22
Steering gear standby 0.36 – 0.40
4 – 229
Tenaga steering gear elektro hidrolis.
- Jumlah ram (Z)......................................................................buah. - Tekanan kerja maksimum yang diijinkan (pm)......................psi. - Sudut kemudi maksimum ()................................................derajat. - Sudut kemudi pada akhir waktu putar ().............................derajat. - Torsi kemudi pada (M).....................................................lb.in - Torsi maju yang dirancang maksimum (M1).........................lb.in - Sudut kemudi pada M1 (1)...................................................derajat - Torsi mundur maksimum yang dirancang (M2).....................lb.in - Sudut kemudi pada M2 (2)...................................................derajat - Efisiensi ram sampai kemudi (E)........................................... - Jari-jari secara pendekatan (R’).............................................in
R’ =
, untuk tipe Rapson Slide
R’ =
, untuk tipe link
Diameter ram pendekatan (D’)...............................................in
D’ = - Jari-jari cross heat (R)..............................................................in - Diameter ram yang dipakai (D)...............................................in - Tekanan maksimum ram maju (p1).........................................psi
p1 =
, untuk tipe Rapson
p1 =
, untuk tipe link
- Tekanan maksimum ram mundur (p2).....................................psi - Langkah ram selama waktu putar (S)......................................in - S = R(tan + tan ), untuk tipe Rapson - S = R(sin + sin ), untuk tipe link - Volume minyak selama berputar (V)......................................in 3
V= - Durasi waktu putar (t).............................................................detik - Persyaratan aliran minyak (C).........................................gram per menit
C= - Efisiensi pompa (e)................................................................. - Tekanan maksimum ram maju selama waktu putar (p3).........psi
- Tenaga motor yang disyaratkan (N).......................................hp
N= - Tenaga motor yang dipakai (N1)............................................hp
N1 =
, untuk tipe Rapson
N1 =
, untuk tipe link
- dan M pada tekanan maksimum dan sudut pada M. Dan nilai N N1
Hubungan tiller dengan ram pada steering gear hidrolik.
Hubungan tersebut ada dua tipe yaitu tipe Rapson slide dan tipe link.
Penggunaan tipe Rapson slide dipakai pada kapal yang berukuran besar karena torsi kemudi yang dihasilkan cukup besar pada sudut kemudi besar dan penggeraknya menggunakan elektro hidrolik. Bila torsi kemudi yang dihasilkan rendah sering dipakai pada ram tunggal pada masing-masing grup (ada dua grup yang sering disebut ram ganda/twin ram) sedangkan pada torsi kemudi yang dihasilkan tinggi sering dipakai pada ram ganda pada masingmasing grup (ada dua grup yang sering disebut ram empat/four ram). Sedangkan penggunaan tipe link cocok dipakai pada kapal dengan dua daun kemudi. Torsi kemudi harus direncanakan pada torsi maksimum untuk sudut kemudi makimum 35o, M = fR cos untuk tipe link dan M = untuk tipe Rapson slide dimana M = torsi kemudi (lb.in), f = gaya ram (lb), R = jari-jari cross heat (in), = sudut kemudi (o).
Gambar 4.5
Rapson Slide dan Link.
