Dunia Kereta - Aerodinamis Kereta Api dan Konsumsi Energi

Setelah sebelumnya kita pelajari bahwa massa kereta mempengarumi konsumsi energi dimana semakin berat massa kereta maka semakin besar pula konsumsi energinya, maka pada kesempatan ini akan kita pelajadi pengaruh bentuk aerodinamis kereta terhadap konsumsi energi. Aerodinamis disini berkaitan dengan bentuk kereta, karena aerodinamis memiliki pengaruh pada timbulnya air resistance ( gaya hambat udara). Selain berpengaruh pada konsumsi energi, aerodinamis juga berperan pada noise/ kebisingan ketika kereta berjalan, safety pada high speed train, bahkan pada kenyamanan penumpang.

Gambar 1. Simulasi aerodinamis kereta api

Baca: Macam – macam resistansi (gaya gesek) padaKereta Api

Air resistance yang bekerja pada kereta dipengaruhi oleh dua faktor: bentuk geometri kereta api dan kekasaran permukaan. Secara umum semua bagian luar kereta memiliki peran untuk timbulnya air resistance. Pada high speed train, aerodinamis sangat penting. Gambar 2 dibawah menunjukkan presentase besarnya air resistance yang ditimbulkan beberapa komponen luar kereta high speed.

Gambar 2. Prosentase penyumbang air resistance

Berdasarkan Gambar 2 diatas, terlihat bahwa komponen penyumbang air resistance terbesar adalah bogie dan roda. Salah satu usaha untuk memperbaiki aerodinamis kereta api pada bagian bogie dan roda dapat dilakukan dengan memberikan cover di depan roda. Penyebab utama dari air resistance adalah pada transisi aliran udara laminar ke turbulensi, Gambar 3, maka aeroninamis pada sisi samping dan roof kereta dapat diperbaiki dengan menghindari lekuk-lekuk tajam kereta. Setiap sudut peralihat bentuk dibuat lengkung tidak menyudut.

Gambar 3. Laminar dan Turbulensi

Sedangkan pada kereta barang, yang memang memiliki bentuk tidak se-aerodinamis kereta high speed atau kereta penumpang, air resistence dapat dikurangan dengan pemberian cover dan pengaturan pada jarak antar kereta. Berdasarkan penelitian pada gerbong barang, ditemukan bahwa gerbong penuh memiliki aerodinamis yang lebih baik daripada gerbong kosong.

Selain air resistance, running resistance, yang timbul akibat gaya gesek juga berperan pada konsumsi energi kereta. Sedikit kita bahas tentang gaya gesek pada kereta api. Gaya gesek pada kereta api utamanya ditimbulkan karena kontak antara roda dan rel, selain itu pada flange roda ketika kereta berjalan di lintasan lengkung/ belokan. Kedua gaya gesek tadi berkontribusi pada 10 % penggunaan energi pada kereta api. Untuk itu, terkadang pada saat kereta berbelok dipakai pelumas untuk mengurangi gaya gesek sisi flange roda. Sedangkan pada gaya gesek antara roda dan rel, secara desain sudah dipertimbangkan seminimal mungkin, dimana pada perhitungannya mempertimbangkan syarat koefisien adhesive. Jika gaya gesek terlalu besar, maka rugi – rugi akibat gaya gesek besar, sebaliknya jika terlalu kecil maka kereta akan slip dan tidak bisa berjalan.

Semoga dengan sedikit pembahasan mengenai pengaruh aerodinamis kereta pada konsumsi energi ini bisa menambah pengetahuan kita bersama. Terima kasih atas kunjungan Anda pada website ini.

English title: The effect of train aerodynamic to the energy consumption

Artikel terkait:

Efek Berat Kereta Terhadap Konsumsi Energi

Resistansi Gerak Kereta
Effisiensi Penggunaan Space pada Kereta Api

  

Reff: 
www.railway-energy.com 
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167610515000288

Read More

Dunia Kereta - Efek Berat Kereta Terhadap Konsumsi Energi

Berdasarkan data dari [1] kereta penumpang rata – rata memiliki berat 400 kg sampai 800 kg per seat/ kursi (berat ini adalah berat total kereta di bagi jumlah seat). Untuk kereta high speed misalnya German ICE 2 bahkan beratnya mencapai 1100 kg/ seat. Kira – kira apakah pengaruh berat kereta terhadap konsumsi energi? Cara sederhana untuk memperkirakan jumlah energi yang dikonsumsi kereta adalah dengan Hukum Newton 2 ( pelajaran Fisika). F = M*a, dimana F adalah gaya yang diperlukan untuk menggerakkan kereta atau sering disebut gaya traksi, M adalah massa kereta, a adalah percepatan kereta. Sedangkan P = F*v, dimana P adalah daya, v adalah kecepatan kereta. Sedangkan energi adalah W = P * t, dimana W adalah energi, t adalah satuan waktu. Nah dari rumus – rumus yang saling berhubungan ini, intinya M berpengaruh pada W, bahkan pengaruhnya sangat besar.

Berdasarkan perhitungan sederhana diatas, maka pengurangan massa kereta akan sangat membantu dalam menghemat energi. Ada dua cara yang dapat dilakukan untuk mengurangi berat kereta yaitu:

1. Component based. Artinya dengan mencari komponen yang sama tetapi lebih ringan tanpa mengganti sistem.
2. System based. Untuk cara ini, pengurangan massa kereta dilakukan secara sistem dengan membuat sistem baru yang lebih optimal secara beban.

Pada component based, penggunaan material yang ringan merupakan salah satu kuncinya. Gambar/ Figure 1 menunjukkan distribusi massa pada suatu kereta Multiple Unit(MU) dimana berat totalnya 92.7 ton. Salah satu cara yang sudah dilakukan yaitu dengan mengurangi berat carbody dengan cara menggunakan material yang ringan. Salah satu contoh material ringan yang sudah banyak dipakai sekarang adalah alumunium. Kedepan, sedang diteliti untuk pengembangan material carbody dengan menggunakan fiber.

Sedangkan untuk komponen propulsi, dengan ditemukannya IGBT yang memiliki dimensi lebih kecil dari GTO, dimensi VVVF bisa diperkecil. Bahkan teknologi terkini SiC bisa lebih kecil lagi sehingga dimungkinkan untuk penempatan inverter di bogie karema saking kecilnya dimensi inverter VVVF. Kemudian juga dari segi motor traksi, sekarang sudah banyak dipakai teknologi motor PMSM (permanen magnet synchronous motor). PSMS memiliki dimensi yang lebih kecil dibanding motor induksi untuk daya yang sama. Selain itu, pemakaian PMSM memungkinkan untuk direct drive, artinya motor traksi langsung terhubung ke roda (adapun gearbox yang dipakai hanya untuk mengubah arah putar, sehingga berat gearboxnya lebih ringan). Demikian juga untuk interior, sekarang sudah banyak ditemukan material untuk pembuatan kursi yang lebih ringan.

Jacob Bogie

(sumber:Wikipedia.org)

Sedangkan secara system based, penggunaan jenis bogie artikulasi sangat membantu menurunkan beban dari bogie. Misalnya dengan menggunakan Jacob-type bogie. Semoga artikel sederhana ini bisa membantu memahami tentang pentingnya dan cara penghematan energi pada kereta dengan pengurangan berat kereta.

English title: The effect of train mass to the energy consumption

Reff:

[1]  www.railway-energy.com

Artikel terkait:
Aerodinamis Kereta Api Berperan pada Konsumsi Energi

Pemodelan Longitudinal Kereta Api

Train Performance  

Flywheel: Solusi Efisiensi Energi Kereta Listrik 

Read More