Dunia Kereta - Metro Kapsul

Saat ini, dunia transportasi Indonesia kembali dihangatkan dengan karya anak bangsa yakni metro kapsul. Apa itu metro kapsul? Istilah metro umum dipakai untuk menyebut kereta intercity (dalam kota) dan biasanya ciri khas dari kereta ini adalah bobotnya yang ringan. Sedangkan metro kapsul adalah sebutan untuk moda transportasi metro yang memiliki bentuk seperti kapsul. Selain itu, moda transportasi yang difungsikan sebagai metro ini juga hanya terdiri dari satu car (gerbong) sehingga sangat mirip dengan kapsul.

Metro kapsul merupakan moda transportasi yang dikembangkan oleh PT Teknik Rekayasa Kereta Kapsul (Trekka) yang konsorsium empat perusahaan, yakni PT Surya Gemilang sebagai pembuat sasis, PT Karsa Kerja Mekanotama sebagai pembuat bodi, PT Treka sebagai perekayasa mesin, serta PP Precast sebagai pembuat fondasi jalur.

Direktur Operasi Trekka, Leonnardo Feneri mengungkapkan, Metro Kapsul seperti bus dengan 8 roda namun digerakkan dengan listrik dengan trek khusus di atas beton layang (elevated) di ketinggian 6 meter. Sementara tenaga penggeraknya adalah listrik seperti halnya kereta commuter. Dengan lebar kapsul 2,2 meter dan panjang 9 meter, satu kapsul made in Subang ini sendiri bisa mengangkut 50 penumpang sekali jalan. Dalam sekali perjalanan, satu setidaknya ada 4-5 Metro Kapsul yang berjalan beriringan sehingga bisa mengangkut setidaknya 200 - 250 penumpang.

Gambar. Metro Kapsul dan Tracknya [4]

"Hampir semua bagian dari program pengujian ini dibuat dari komponen lokal hingga 90%. Hanya motor listrik, kompresor, dan sensor saja yang harus dibuat di luar. Dikembangkan sejak 2007," jelasnya.

Gambar. Konstruksi chasis metro kapsul [5]

Lebih jauh, menurut Leonnardo, Metro Kapsul berjalan dengan kecepatan normal 40 km per jam dengan kecepatan maksimum hingga 80 km per jam. Metro Kapsul ini direncanakan berhenti pada setiap halte dengan jarak antar halte sejauh 1 km.

Menurut Leonardo Feneri, sebagai moda transportasi berbasis rel, penghitungan biaya investasi kereta kapsul per kilo meternya diperkirakan sekira Rp200 miliar. “Investasi untuk moda transportasi ini bisa dibilang lebih murah dibandingkan monorel untuk per kilo meternya. Jika satu kilometer LRT menelan Rp400 miliar dan MRT menelan Rp900 triliun per kilo meternya. Biaya pembangunan sekitar Rp200 m per km. Ini akan dihitung ulang seandainya ada permintaan khusus stasiun besar halte besaran dihitung ulang,” ujarnya.

Selain lebih murah kata dia, kemampuan mengangkut penumpangnya juga lebih banyak. Kereta Metro Kapsul mampu mengangkut 15 ribu orang per jam. “Estimasinya, per rangkaian kereta kapsul dengan asumsi setiap 1,5-2 menit tiba di halte. Per kapsul akan mengangkut 50 orang. Dengan ideal rangkaian kapsul 4-5 kapsul atau bisa maksimal mencapai 10 rangkaian,” ungkap dia.

Ref:

1. http://finance.detik.com
2.  http://mediajakarta.com
3. http://megapolitan.kompas.com
4.   http://ekbis.sindonews.com
5. http://www.merdeka.com

Read More

Dunia Kereta - Motor Linier

Linier motor adalah motor listrik yang stator dan rotornya berbentuk linier. Jadi motor ini berbrntuk linier datar, tidak bulat tabung seperti motor pada umumnya, Gambar 1. Karena bentuknya yang linier, motor ini  tidak menghasilkan torsi (putaran) tetapi menghasilkan gaya yang linier. Umumnya, motor liier dibuat dengan prinsip hukum Lorentz, yakni arus listrik yang mengalir pada medan magnet akan terkena gaya Lorentz yang arahnya tegak lurus, seperti ilustrasi gambar 2.

Gambar 1. Motor Induksi vs Motor Linier[1]

Gambar 2. Hukum Lorentz[2]

Gambar 3. Ilustrasi cara kerja motor linier[2]

Gambar 3 menunjukkan ilustrasi cara kerja sederhana dari motor linier. N dan S adalah kutub magnet sedangkan kotak tengah adalah koil/lilitan, terdapat dua lilitan atas dan bawah. Gambar ini adalah penampang melintang, sehingga tanda silang pada lingkaran kecil di lilitan menunjukkan lilitan arah keluar, sedangkan tanda titik adalah lilitan arah masuk. Kedua lilitan ini dialiri arus listrik dengan beda fasa 90°. Sehingga jika lilitan bawah kita buat fasa nya mendahului maka motor akan bergerak kebawah dan jika lilitan atas yang fasa nya mendahului maka motor akan bergerak ke atas. Kedua lilitan ini disebut sebagai active part karena yang dikendalikan, sedangkan medan magnet yang ada di kanan kirinya disebut reactive part.

Banyak desain yang diusulkan para ilmuwan untuk motor linier, yang kesemuanya memiliki dua karegori utama yaitu: low acceleration (percepatan rendah) dan high accerelation (percepatan tinggi). Low acceleration cocok untuk diaplikasikan untuk kendaraan darat seperti kereta api, sedangkan high acceleration diaplikasikan untuk studi tentang tumbukan dan pesawat luar angkasa.

Sedangkan jenis linier motor sendiri hampir sama seperti motor umunyanya yakni Linier DC motor, Linier Synchronous Motor (LSM), dan Linier induction motor (LIM). Mengingat kekurangan dari motor DC dibanding motor AC, maka Linier DC motor juga tidak cocok dipakai untuk transportasi. LSM biasanya memakai megnet permanen dimana cara kerjanya sudah dijelaskan diatas. Sedangkan untuk LIM sendiri, cara kerjanya adalah active part yang berupa konduktor yang dililiti koil 3 phase sehingga apabila ada plat besi yang diletakkan diatasnya akan ter-induksi dan memiliki eddy current yang menghasilkan medan magnet yang berlawanan. Sesuai dengan hukum Lenz’s maka kedua medan magnet yang berlawanan ini akan saling tolak – menolak sehingga menghasilkan gaya gerak.

Gambar 4. Linier induction motor (LIM)[2]

Gambar 5. Linier Synchronous Motor (LSM)[2]

Berdasarkan letak bagian active part dan reactive part maka pemanfaatan motor linier dalam perkeretaapian juga berbeda. Jika active part ada di kereta, artinya kita perlu mengalirkan listrik ke kereta karena inverter yang mengendalikan active part ada di kereta sehingga tetap dibutuhkan overhead line (LAA) atau 3^rd rail. Sedangkan jika active part ada di lintasan maka tidak perlu mengalirkan energi ke kereta. Menurut hemat saya, cara kedua memerlukan dana yang lebih ,ahal karena harus membuat active part sepanjang lintasan. Sebagai informasi Japan subway produk Kawasaki mamaki overhead line sedangkan Bombardier memakai 3^rd rail pada kereta motor linier mereka.

Berikut beberapa kelebihan dan kekurangan motor linier dibanding motor biasa pada aplikasi kereta api:

Kelebihan:

•  Perawatan lebih mudah dan murah
• Tidak ada bearing, gear dan coupling
• Pengereman sepenuhnya elektrik
• Luas terowongan dapat dibuat lebih kecil

Kekurangan:

•  Untuk factor keamanan air gap minimal 10 mm
• Efisiensi rendah

Contoh aplikasi motor linier pada kereta api:

1. Airport express di Beijing
2.   Kelana Jaya line di Kuala Lumpur
3. Green Line di Yokohama

Gambar 6. Kelana Jaya LRT, Malaysia[5]

Ref:

1. http://www.explainthatstuff.com/linearmotor.html
2. https://en.wikipedia.org/wiki/Linear_motor
3.  http://www.hitachi-rail.com/products/rolling_stock/linear/feature01.html
4.  Hellinger, Rolf and Mnich, Peter. Linier Motor Powered Transportation: History, Present Status, and Future Outlook. Proceeding IEEE. Vol. 97, No. 11, Nov 2009.
5. http://www.myrapid.com.my/media-centre/media-releases/2014/rapidkl-rolls-out-first-newly-refurbished-trains

Read More

Dunia Kereta - Train Performance

Berbicara tentang train performance erat kaitanya dengan sistem propulsi kereta karena pada dasarnya train performance dipakai untuk menentukan spesifikasi komponen propulsi dan juga mensimulasikan performa kereta terhadap resistan gerak yang ada. Sebelum melangkah lebih jauh, baca juga PemodelanLongitudinal Kereta Api dan Resistansi Gerak Kereta. Jika sudah, pada artikel kali ini akan coba kita pelajari cara pembaca suatu plot atau grafik dari perhitungan train performance.

Gambar. Contoh grafik train performance [1]

Gambar diatas adalah grafik train performance yang dibuat dengan mengacu data Shinkansen seri 200 dimana daya dari sumber yang dipakai adalah 15900 HP atau sekitar 11861 kW. Dengan efisiensi transfer energinya diasumsikan 0.7. Kurva warna merah adalah tractive effort yang sebelumnya kita singkat dengan FT, sedangkan kurva warna biru adalah resistan gerak dimana dalam perhitugan ini hanya memakai Rumus Davis, yang berarti pula, perhitungan dapat dilakukan tanpa data lintasan.

Pembacaan kurva warna merah, tractive force. Nilai FT konstan 400 kN dan nilai ini dipertahankan sampai kecepatan 20 m/s, artinya dalam selang waktu itu percepatannya konstan dan setelah melewati kecepatan 20 m/s ini, FT mulai turun yang berarti pula nilai percepatan juga turun. Nilai kecepatan dimana traction force mulai turun disebut weakening point, sehingga pada grafik diatas weakening pointnya adalah 20 m/s. Berdasar data grafik diatas, maka daya yang dibutuhkan adalah P=FT*v=400*20 = 8000 kW. Sehingga daya sumber yang diperlukan adalah 8000 kW, sedangkan disebutkan sebelumnya daya yang tersedia adalah 11861 kW, dapat disimpulkan daya yang ada cukup. Sedangkan percepatan konstannya berapa tidak bisa kita tentukan tanpa mengetahui massa kereta.

Pembacaan kurva warna biru, resistan gerak. Seperti sudah dibahas pada artikel Resistansi Gerak Kerata, Rumus Davis mengandung rumus hambatan gesek dan aerodinamis yang keduanya memiliki hubungan dengan kecepatan, sehingga semakin tinggi kecepatan maka nilainya juga semakin besar. Ilustrasi sederhana, semakin cepat kita naik motor maka kecepatan angin yang menerpa kita juga semakin kuat.

Point penting lain dari kurva diatas adalah perpotongan antara kurva merah dan biru yang menunjukkan kecepatan maksimum kereta. Pada grafik diatas perpotongan terjadi pada kecepatan 82.8 m/s atau 298 km/jam, sehingga untuk kecepatan maksimum kereta ini bisa mencapai 298 km/jam untuk lintasan lurus tanpa tanjakan maupun tikungan. Kenapa? Karena grafik tersebut dihitung tanpa hambatan gradient dan tikungan. Penambahan data gradient dan radius tikungan dari lintasan sangan penting apabila kita mendesain kereta dan melakukan perhitungan train performance. Karena dari situ kita bisa memiliki gambaran kecepatan maksimum kereta pada lintasan tersebut.

Ref.

[1] Rail Transportation: Adendum, Rail Resistence Equation.

 http://128.173.204.63/courses/cee3604/cee3604_pub/rail_resistance.pdf

Read More

Dunia Kereta - Resistansi Gerak Kerata

Ilmu tentang resistansi gerak kereta diperlukan dalam pemodelan longitudinal kereta. Pada pemodelan longitudinal kereta, kita bisa mensimulasikan pendekatan sederhana mengenai perhitungan daya penggerak kereta. Lihat Pemodelan Longitudinal Kereta Api. Pada artikel kali ini akan kita bahas mengenai beberapa resistansi yang umum dipakai dalam pemodelan longitudinal kereta.

Runing resistance

Running resistance adalah resistance yang timbul akibat adanya gaya gesek. Disini running resistance dibagai dua yakni yang tidak dipengarahi oleh kecepatan dan yang dipengaruhi oleh kecepatan. Yang tidak dipengaruhi oleh kecepatan misalnya gesekan antara roda dan rel, bearing dan lain sebagainya. Sedangkan yang dipengaruhi oleh kecepatan adalah gesekan flangeroda, benturan antar komponan dan lainya. Hubungan antara losses yang dihasilkan dari resistansi ini dengan kecepatan adalah linier seperti ditunjukkan gambar 1[1].

Gambar 1. Hubungan antara gaya gesek dan kecepatan

Aerodynamic resistance

Aerodynamic resistance atau air resistance adalah hambatan yang disebabkan oleh angin. Besarnya hambatan ini dipengaruhi oleh luas penampang kabin kereta, bentuk kereta, panjang kereta dan lain sebagainya. Hubungan antara hambatan ini dengan kecepatan kereta adalah kuadratis seperti dapat dilihat pada gambar 2[1]:

Gambar 2. Hubungan antara gaya aerodinamis dan kecepatan

Running resistance dan aerodynamic resistance dapat dimodelkan tanpa harus mengetahui kondisi lintasan. Untuk dua jenis resistansi ini, terdapat rumus yang sudah banyak dikenal dalam dunia perkeretaapian yakni rumus Davis dengan persamaan sebagai berikut:

Dimana konstanta A mewakili gaya gesek yang tidak dipengaruhi kecepatan, konstanta B mencerminkan gaya gesek yang dipengaruhi kecepatan, dan konstanta C mewakili aerodynamis resistance. Besaranya nilai dari konstanta A, B, dan C berbeda – beda setiap pabrikan dan memerlukan pengujian untuk memperolehnya. Berikut contoh Rumus Davis yang dipakai di Shinkansen Series 200[2]:

Dimana R(kN), V(m/s).

Gradient Resistance

Gradient resistance adalah hambatan yang dipengaruhi oleh gradient atau ketinggian lintasan. Biasanya gradient dinyatakan dalam % atau ‰. Gradient 10 % artinya setiap jarak 100 m terjadi kenaikan sebesar 10 m. Sedangkan jika gradient 10 ‰ artinya, setiap jarak 1000m terjadi kenaikan 10m. Di Indonesia sendiri dipakai satuan ‰.

Rumus untuk resistansi ini adalah sebagai berikut[1]:

Dimana Rg adalah gradient resistance (kN), M adalah massa kereta (ton), g adalah percepatan gravitasi (m/s2), dan G adalah gradient dalam %. Jika gradient dalam ‰, maka nilai penyebut pada rumus diatas, 100, diganti 1000.

Curve Resistance

Curve resistance adalah resistansi yang timbul akibat adanya tikungan di lintasan. Resistansi ini bersama gradient resistance termasuk resistansi yang berhubungan dengan lintasan, sehingga untuk menghitung keduanya diperlukan data lintasan. Curve resistance dirumuskan sebagai berikut[2]:

Dimana Rc adalah kurve resistance (kN), k adalah konstanta tanpa dimensi dimana besarnya antara 500 - 1200, M adalah massa kereta (ton) dan r adalah radius tikungan (m).

Ref:

[1] https://pantherfile.uwm.edu/horowitz/www/PropulsionResistance.html

[2]Rail Transportation: Adendum, Rail Resistence Equation.

http://128.173.204.63/courses/cee3604/cee3604_pub/rail_resistance.pdf

Read More

Dunia Kereta - Pemodelan Longitudinal Kerata Api (Longitudinal Train Modelling)

Apakah itu longitudinal train model? Longitudinal train model adalah pemodelan kereta yang hanya meninjau arah longitudinal, tanpa meninjau arah lateral maupun arah vertikal. Dalam hal ini arah longitudinal adalah arah gerak kereta. Jadi dalam model ini nantinya tidak mempertimbangkan hembusan angin dengan arah tegak lurus arah gerak kereta(arah lateral), maupun getaran yang memiliki arah vertikal. Apa fungsi model longitudinal ini? Fungsinya adalah untuk mensimulasikan gerakan kereta dengan adanya resistance yang ada. Resistance adalah gaya yang menghambat arah gerak kereta, lebih jelas baca ResistansiGerak Kereta. Dari hasil simulasi ini, kita dapat memperkirakan daya mesin yang dibutuhkan dan juga spesifikasi dari komponen penggerak kereta, seperti motor traksi dan lainya. Model longitudinal adalah model yang paling sederhana, dan akan kita pelajari bersama pada artikel ini.

Gambar 1. Ilustrasi model longitudinal kereta api

Dasar dari pemodelan ini adalah Hukum Newton. Seperti diilustrasikan pada gambar 1, kita modelkan kereta dengan massa M bergerak ke arah kanan (moving direction). Maka pada kereta akan bekerja gaya FT(traction force) dan juga hambatan(resistansi) R. Dengan hukum Newton 2 maka diperoleh persamaan:

Terlihat bahwa dari rumus diatas terjadi sebuah hubungan dimana gaya/resistance adalah fungsi dari kecepatan(v), kecepatan adalah fungsi dari akselerasi(a), dan akselerasi adalah fungsi dari gaya. Sehingga kita perlu mengetahui v untuk menghitung F, F untuk menghitung a, dan a untuk menghitung v. Sebelum melangkah ke analisa lebih jauh disarankan untuk membaca macam – macam resistansi gerak kereta.

Gambar. Shinkansen Series 200 [1]

Sebagai contoh kita akan membuat model longitudinal kereta dengan memakai analisa hambatan gesekan dan aerodynamic, yang mana kedua hambatan ini tidak terpengaruh kondisi lintasan sehingga kita tidak memerlukan data lintasan. Untuk formula hambatan kita pakai Rumus Davis kereta Shinkansen Seri 200 yakni[2]:

Dimana R(kN), V(m/s). Massa kereta kita asumsikan 10 ton dan percepatan kita desain 0.5 m/s2, maka kita dapatkan nilai Traction Force:

Berdasarkan perhitungan diatas kita peroleh nilai FT=13.202 kN, nilai ini adalah nilai gaya yang diperlukan untuk menggerakkan kereta dengan percepatan 0.5 m/s2. Sekarang, bagaimana cara menentukan daya mesin yang diperlukan untuk menggerakkan kereta atau daya listrik maksimum yang diperlukan? Karena daya, P=F*v, maka kita bisa mendesain sampai kecepatan berapa kereta mempertahankan percepatan desain kita tadi, 0.5 m/s2, untuk selanjutnya mengurangi nilai percepatan ini. Perlu diingat, semakin besar nilai percepatan maka akan semakin cepat kereta mencapai maksimum speed yang berarti juga dapat mnegurangi waktu tempuh. Nilai percepatan maksimum untuk kereta api biasanya 1 m/s2, kenapa kecil sekali? Karena hal ini berhubungan dengan keselamatan dan kenyamanan penumpang, dengan percepatan yang terlalu tinggi penumpang bisa terpental dan ini berbahaya. Biasanya untuk kereta jarak jauh percepatan yang dipakai sekitar 0.2 – 0.3 m/s2, sedangkan kereta lokal atau KRL biasanya memiliki percepatan sekitar 0.5 – 0.8 m/s2.

Kembali ke perhitungan diatas, misal kita ingin mendesain kereta mempertahankan percepatan 0.5 m/s2 hingga kecepatan 30 km/jam (30/3.6=8.33 m/s) maka kita peroleh nilai daya yang dibutuhkan sebagai berikut:

Dari nilai diatas kita dapatkan nilai daya mesin atau daya listrik yang dibutuhkan kereta dengan spesifikasi percepatan 0.5 m/s2 yang dipertahankan hingga kecepatan 30 km/jam. Lantas apakah kereta hanya mampu berjalan sampai kecepatan 30 km/jam? Tentu tidak, karena seperti disebutkan sebelumnya kecepatan 30 km/jam adalah kecepatan dimana percepatan kereta adalah 0.5 m/s2, dan setelah melewati kecepatan 30 km/jam kereta masih bisa menambah kecepatanya hanya saja percepatannya akan turun. Kenapa percepatan turun? Hal ini sesuai dengan persamaan P=F*v, karena daya mesin adalah tertentu/ tetap, maka jika nilai P=110 kW, dan nilai v terus bertambah, otomatis nilai F akan berkurang. Berkurangnya nilai F,  akan menyebabkan nilai percepatan berkurang pula seperti yang ada pada formula diatas. Hasil perhitungan ini biasanya disebut train performance calculation, baca juga Train Performance.

Gambar. Ilustrasi nilai FT [3]

Ref.

[1] http://www.newhallstation.com/images-lib/tomix_n_scale/TO-92641/page02.php

[2] Rail Transportation: Adendum, Rail Resistence Equation. http://128.173.204.63/courses/cee3604/cee3604_pub/rail_resistance.pdf

[3] http://www.twoof.freeserve.co.uk/motion1.htm

Read More