Ilmu Kereta - Sekilas tentang Lokomotif Uap

Pada bahasan yang telah lalu pernah di singgung mengenai lokomotif uap. Lokomotif uap adalah lokomotif penarik rangkaian Kereta yang menggunakan tenaga uap untuk menggerakkan roda-rodanya.Lokomotif Uap itu terdiri dari apa saja sih? dan bagaimana cara kerjanya, kok bisa dari uap bisa menggerakkan roda ? yuk kita cari tahu jawabannya..

Lokomotif uap merupakan generasi awal kereta api. Sebelum ditemukannya mesin diesel, mesin uap merupakan tenaga andalan bagi kegiatan manusia. transportasi massal kala itu yaitu kapal dan kereta di gerakkan oleh tenaga uap. Tenaga uap diperoleh melalui proses pemanasan air yang dengan menggunakan pembakaran kayu atau batu bara. Pada saat mesin uap diperkenalkan, jumlah kayu bakar masih melimpah, sehingga mesin uap berkembang pesat. Lokomotif uap juga mendapat energi untuk menggerakkan roda melalui pembakaran untuk memanaskan air dan menghasilkan uap. Uap yang dihasilkan akan memiliki tekanan yang kuat untuk menggerakan piston yang di gunakan untuk memutar roda lokomotif.

A. Bagian Lokomotif
Pada dasarnya, lokomotif terdiri dari beberapa bagian utama yaitu tungku, boiler, piston, cerobong dan roda. Namun seiring dengan perkembangan teknologi lokomotif uap, ditambahkan banyak komponen pendukung baik yang berfungsi untuk meningkatkan kekuatan lokomotif maupun untuk alasan keamanan.

Gambar 1 Bagian-bagian lokomotif uap

Tungku ( Fire Box ) merupakan tempat pembakaran bahan bakar lokomotif seperti kayu, batu bara atau residu. Bahan bakar dimasukan melaui lobang pada ujung tungku yang terletak di ruang masinis. Sementara  Asap hasil pembakaran akan di keluar melalui pipa menuju ujung satunya yang terletak jauh dari kabin masinis ( dalam istilah kereta Api di tanah air disebut sebagai Ujung Panjang / Long Hood ).

Boiler merupakan tempat "merebus" Air sehingga dihasilkan uap. Pada Boiler terjadi perpindahan panas dari api yang membakar bahan bakar di tungku menuju air. Perpindahan ini akan mendidihkan air sehingga terbentuk uap dan terkumpul sehingga mempunyai tekanan yang semakin lama semakin besar. Pada boiler terdapat pipa-pipa yang menghubungkan antara tungku dengan cerobong. Pipa ini berfungsi untuk memperluas bidang kontak perpindahan panas dari aliran udara panas dan api sehingga membantu mempercepat pemanasan sehingga uap akan lebih cepat dihasilkan. Uap air akan terkumpul pada boiler, dan akan dialirkan ke pipa uap melalui suatu katup pengatur yang terletak diatas boiler. pada Boiler juga terdapat katup pengaman yang berfungsi membuang uap jika terlalu banyak uap dan terjadi tekanan yang berlebihan.

Pipa uap ( Steam Pipe ) akan menyalurkan uap bertekanan tinggi menuju silinder. Sebelum menuju silinder, ditambahkan elemen superheater yang berfungsi untuk menaikkan suhu uap sehingga bisa dihasilkan uap yang lebih kering.

Dalam Silinder, uap bertekanan akan menggerakan piston. Piston ini akan menggerakan roda penggerak utama melalui batang penghubung ( connecting rod ). Setelah itu uap yang sudah terpakai akan di salurkan ke Smoke Box melalui Blast Pipe .

Pada Smoke Box, uap hasil pembuangan dari silinder akan membantu mendorong asap hasil pembakaran yang terjadi pada Tungku setelah melewati pipa boiler.  Asap yang terdorong serta bercampur uap akan keluar melalui cerobong yang terletak di bagian depan lokomotif. Adanya dorongan uap hasil pembuangan silinder ini lah yang membuat asap bisa membumbung dengan kuat seolah2 tertekan dari bawah serta menghasilkan suara khas lokomotif uap.

Roda penggerak utama tersusun dari satu atau lebih roda yang terhubung oleh connecting rod. Roda inilah yang akan menggerakan lokomotif uap. Selain rda penggerak juga terdapat roda idle atau roda yang hanya berputar mengikuti roda utama. Roda idle ini umumnya dipakai untuk mengurangi tekanan gandar yang di sebabkan oleh beratnya badan lokomotif uap.

Pada lokomotif besar, biasanya ditambahkan suatu bagian lokomotif yang disebut dengan Tender. Tender ini berfungsi untuk menyimpan cadangan bahan bakar dan juga air untuk boiler agar lokomotif bisa menempuh perjalanan jauh tanpa harus berhenti menambah cadangan bahan bakar atau air.

Sementara itu pada ruang masinis terdapat tuas-tuas pengendali seperti untuk arah maju mundur atau untuk mengatur jumlah uap yang masuk ke pipa uap melalui katup pengatur. Selain itu juga terdapat lobang untuk memasukan bahan bakar serta meter-meter tekanan yang menunjukkan tekanan uap pada boiler atau saluran pipa.


B. Prinsip Kerja katup Silinder dan Roda Lokomotif Uap
Dalam mesin uap, pergerakan katup akan mengatur uap masuk dan keluar pada saat yang tepat. Untuk silinder yang memiliki dua lobang, fungsi katup adalah memasukan uap superheated pada salah satu ujung sementara itu diujung lainnya akan mengeluarkan uap buang yang telah terpakai. Sebagai hasil dari keluar masuk uap pada kedua lobang ini secara berurutan, piston didorong maju dan mundur oleh uap bertekanan tinggi dari boiler. Untuk mengatur pergerakan katup, maka digunakan suatu sistem katup mekanik yang akan di bahas di bawah.

Untuk mengetahui bagaimana katup mempengaruhi kecepatan lokomotif, kita harus memahami beberapa istilah yang umum di antara operator lokomotif uap  dan para penggemar. Putaran mengacu pada jumlah overlap antara katup dan lobang. Pada lokomotif yang bergerak lambat, penutupan yang lebih lama pada lobang pembuangan memberikan waktu pada uap yang terperangkap di dalam silinder untuk memperkuat mendorong piston. Di sisi lain, pada kecepatan yang lebih tinggi, lobang pembuangan dibuat untuk membuka lebih cepat saat katup pada posisi tengah sehingga memungkinkan uap untuk keluar lebih cepat. Selanjutnya, lokomotif kecepatan yang lebih tinggi juga memiliki jangkauan panjang yang berarti bahwa lobang masuk sudah terbuka ketika piston berada pada akhir gerakannya sehingga ada tekanan uap yang cukup yang akan segera mendorong piston kembali untuk memulai gerakan berikutnya.


Cut-off menunjukkan posisi piston, pada saat katup menutup lobang masuk. Ketika mesin bekerja keras dan perlahan,  cut-off yang panjang mengijinkan uap untuk menggerakkan piston. Pada lokomotif yang berjalan cepat ini akan menyebabkan tekanan balik ke boiler. Untuk menghindari tekanan balik yang tidak perlu, cut-off berkurang sehingga uap diijinkan hanya 20% dari gerakan piston dan sisa gerakan adalah karena ekspansi uap bertekanan tinggi.

Gambar 2. Kurva Cut-Off tekanan pada silinder loko Uap

Diagram Indikator seperti salah satu diatas telah digunakan oleh para insinyur lokomotif uap selama era mesin uap untuk memperkirakan efisiensi lokomotif pada konversi energi uap ke tenaga yang berguna pada berbagai kecepatan dan cut off. Garis horisontal OA menunjukan tekanan saat uap memasuki silinder. Saat cut off, tekanan turun saat uap mengembang dan bekerja mendorong melawan piston. Setelah lobang pembuangan terbuka, garis arus balik CD menunjukan permulaan dari gerakan balik piston. Ditunjukan bahwa tekanan rendah adalah saat uap dibuang. Garis DE pada akhir dorongan balik menunjukan satu kenaikan tekanan yang disebabkan oleh kompresi pada uap yang tersisa setelah lobang pembuangan tertutup. Uap baru akan dimasukan kedalam silinder, tekanan naik ke titik O dan siklus berulang.

Gambar 3. Pergerakan katup pada silinder terhadap roda penggerak lokomotif

C. Walschaert System

Katup persneling lokomotif memungkinkan masinis untuk memilih cut off uap masuk dan membalik arah lokomotif. Salah satu dari sistem katup persneling yang paling umum digunakan pada lokomotif buatan Inggris adalah Walschaert System yang pertama dipatenkan pada 1844 oleh Egide Walschaerts, seorang insinyur Belgia. Pada awalnya sistem ini tidak populer hingga awal abad 20, namun sekarang secara umum diyakini sebagai desain katup persneling terbaik berdasarkan pada perawatan yang mudah.

Gambar 4. Skema dan komponen pada Walschaert System

Pada sistem ini, gerakan kedapan dan belakang poros katup ( valve spindle ) bergantung pada gerakan tuas kombinasi ( Combination lever ) dan penghubung tambahan ( Expansion link ). Combination Lever dikerjakan oleh crosshead pada akhir batang piston ( Piston Rod ). Mereka tersambung dengan expansion link oleh radius rod. Gerakan expansion link diperolah dari koneksinya dengan eccentric rod. Ujung lain dari eccentric rod yang dilekatkan pada crank axle menyebabkan gerakan seperti pendulum pada expansion link.

Gambar 5. Gerakan roda sebagai hasil kerja silinder menggunakan Walschaert System

Dengan menyetel posisi radius rod pada expansion link, kita dapat mengatur panjang perjalanan valve spindle. Ini dapat dilakukan dengan dengan menaik-turunkan reversing rod dari kabin. Selain itu dengan menggerakkan Radius Rod naik dan turun dari setengah expansion link maka akan membalik pergerakan lokomotif.

Gambar 6. Proses pembalikan arah pada lokomotif uap
sumber :http://trumpetb.net/loco/rodsr.html

Sumber bahan dan gambar ( kecuali gambar no.6 ) diambil dari https://straction.wordpress.com/how-the-steam-engine-of-the-locomotive-works/   dengan alih bahasa dan perubahan dan penambahan seperlunya.