Сервохидравлично срещу конвенционално хидравлично шприцване: 5-годишно сравнение на разходите

Защо по-евтината машина може да струва повече

Управител на завод за формоване в Донгуан току-що беше заменил остаряваща 250-тонна конвенционална хидравлична преса с чисто нова със същите спецификации. Заменената преса струваше по-малко от половината на еквивалентна сервохидравлична машина. Осемнадесет месеца по-късно сметката за електроенергия на завода за формоване беше с 6% по-висока от предходната година - конвенционалната преса консумираше забележимо повече енергия от по-старата, която беше заменила. До края на третата година кумулативният разход за електроенергия на конвенционалната преса надхвърли ценовата премия на еквивалентната серво машина, преди да се вземат предвид шумът, необходимостта от охлаждане и интервалът за смяна на маслото. В крайна сметка заводът преоборудва серво система на съществуващата преса, вместо да я замени - и наблюдава как потреблението на енергия спада наполовина през първия пълен месец.

Изборът между сервохидравлично и конвенционално хидравлично шприцване не е просто решение от типа „по-новото е по-добро“. Това е 5-годишно изчисление на общата цена на притежание, което зависи от тонажа на машината, профила на цикъла, работните часове и местната цена на електроенергията. Тази статия разглежда подробно това изчисление – как всъщност изглежда енергийната разлика, как изглежда разликата в поддръжката, къде конвенционалната машина все още печели своята премия и как да се съберат числата за конкретна инсталация.

Как конвенционалната хидравлична преса използва енергия

Конвенционалната хидравлична шприц машина с фиксирана помпа задвижва електрически двигател с постоянна скорост, обикновено свързан директно към електрическата мрежа без честотно задвижване. Двигателят задвижва хидравлична помпа с фиксиран обем - обикновено лопаткова помпа или аксиално-бутална помпа - която осигурява постоянен поток от хидравлична течност при налягане, пропорционално на натоварването. Разпределителните клапани, пропорционалните клапани и серво клапаните на машината модулират потока и налягането, за да съответстват на фазите на затваряне на формата, шприцване, задържане, пластифициране и отваряне на формата от цикъла.

Двигателят работи с пълна скорост през целия цикъл, дори когато хидравличното натоварване е ниско. По време на фазата на задържане - когато детайлът се нуждае само от малка част от пиковия поток, за да поддържа налягането в кухината - излишният поток се байпасира през предпазен клапан обратно към резервоара, разсейвайки енергията като топлина. По време на фазата на охлаждане - когато изобщо не е необходим хидравличен поток, освен малко количество тонаж на затягане - помпата все още се върти с пълна скорост, все още черпи пълна мощност, а байпасният клапан все още изпуска излишния поток. Това е структурната неефективност на система с фиксирана помпа: двигателят и помпата работят в една работна точка и всяко несъответствие между тази точка и действителното хидравлично натоварване се губи като топлина.

Самата топлина не е безплатна. Хидравличното масло трябва да се охлажда, за да се поддържа вискозитетът му и да се предотврати окисляването, което означава, че отделен охладител за масло (с водно или въздушно охлаждане) работи непрекъснато, като консумира допълнителна енергия. Нуждата от охлаждане на 250-тонна конвенционална преса при температура от 30°C е значителна - обикновено в диапазона от 15–25% от електрическата консумация на машината при работа на три смени.

Как сервохидравличната система използва мощност

Сервохидравличната система замества двигателя с постоянна скорост със серводвигател с променлива скорост — обикновено синхронен двигател с постоянен магнит (PMSM) — задвижван от честотно задвижване (VFD). Серво задвижването контролира скоростта на двигателя, за да съответства на хидравличното натоварване в реално време. Когато цикълът е във фаза на висок поток (затваряне на матрицата, шприцване, пластифициране), двигателят се движи с висока скорост. Когато цикълът е във фаза на нисък поток (задържане, охлаждане), двигателят се движи с ниска скорост, която точно отговаря на действителното хидравлично натоварване. Когато цикълът е в покой (без движение), двигателят може да спре напълно или да работи с почти нулева скорост.

Резултатът е, че сервохидравличната машина черпи само мощността, от която се нуждае за всяка фаза на цикъла. Двигателят не работи с постоянна скорост, помпата не байпасира излишния поток и разсейването на топлината от байпасния клапан, което определя неефективността на конвенционалната преса, е до голяма степен елиминирано.Бош Рексрот, Юкен, и други производители на хидравлични системи публикуват бележки за приложение с измерени сравнения на консумацията на енергия на сервопомпи спрямо фиксирани помпи; типичният диапазон в публикуваните данни е 40–80% намаление на енергията при части със значителни фази на задържане и охлаждане и 20–40% намаление при части с по-кратки фази на задържане и охлаждане.

Спестяванията не са еднакви по време на цикъла. Най-големите спестявания са във фазата на охлаждане (най-дългата фаза с ниско натоварване в повечето цикли), вторите по големина във фазата на задържане и най-малките във фазата на инжектиране (където е необходим пиков поток и серво системата също работи с пик). При типично 250-тонно пресоване на 200 g ABS детайл с 25-секунден цикъл, фазата на охлаждане е приблизително 50% от цикъла, фазата на задържане - 15%, фазите на инжектиране и пластифициране - 25%, а фазите на отваряне/затваряне - 10%. Фазата на охлаждане е мястото, където серво машината спестява най-много.

Серво премиум: Капиталови разходи срещу оперативни разходи

Сервохидравличната машина за шприцване обикновено струва с 30–60% повече от еквивалентна конвенционална машина със същия тонаж и размер на впръскването. Точната премия зависи от производителя на машината, доставчика на серво системата и спецификацията на машината. За представителна 250-тонна преса, премията за серво на настоящия пазар е петцифрено увеличение – смислено, но не и трансформиращо за мениджър на завод, оценяващ покупката.

Премията се възстановява чрез икономии на енергия. За да се определи числото на възвръщаемостта, са необходими три входни данни: икономиите на енергия на цикъл, циклите на смяна и разходите за електроенергия. Викспродуктова линия серво системие конфигуриран за серво системи, базирани на лопаткови помпи, за приложения за шприцване, с икономии на енергия на системно ниво в публикувания диапазон. За 250-тонна машина с 25-секунден цикъл, работеща 6000 часа годишно (приблизително двусменна непрекъсната работа), годишните икономии на електроенергия попадат в значителен диапазон - достатъчно големи, за да изплатят премията за серво в рамките на първите 18-36 месеца работа, в зависимост от местната тарифа за електроенергия.

Новини за пластмасииТехнология на пластмаситепубликуваха многогодишни данни от проучвания, показващи, че сервохидравличните машини вече доминират в продажбите на нови преси в диапазона от 50 до 800 тона в Северна Америка, Европа и Източна Азия, като конвенционалните преси все повече се ограничават до специфични приложения с голям тонаж и специализирани приложения. Промяната на пазара сама по себе си е индикация за математиката на възвръщаемостта: ако премията за серво машини не беше възстановена в рамките на 3 години, пазарът нямаше да се промени.

Поддръжка: Където двете системи се разминават

Профилът на поддръжка на сервохидравлична система се различава от този на конвенционална преса в три области.

Първо, самият серво мотор изисква по-малко поддръжка от асинхронен мотор с еквивалентна мощност — няма четки, няма контактни пръстени, а роторът с постоянен магнит не изисква възбуждащ ток. Честотният регулатор (VFD) има собствен профил на поддръжка (охлаждащи вентилатори, електролитни кондензатори с експлоатационен живот от 8–12 години), но активните компоненти на самия мотор са проектирани за дълъг експлоатационен живот без планирана поддръжка.

Второ, хидравличната помпа в серво система работи с променлива скорост и обикновено с по-ниски средни обороти в сравнение с фиксирана помпа на конвенционална преса. По-ниските средни обороти означават по-ниско износване на лагерите, по-малко термично циклиране и по-дълъг живот на уплътненията. Данни от полеви изследвания, публикувани отТехнология за производство на калъпии различни доставчици на хидравлични помпи постоянно показват, че лопатковите помпи с променлива скорост имат значително по-дълъг експлоатационен живот от същата лопаткова помпа с фиксирана скорост на сравнима преса.

Трето, масленият охладител на сервохидравлична преса работи по-рядко, защото разсейването на топлината от байпасния клапан е намалено. Вентилаторът на охладителя или помпата за охлаждаща вода се включват и изключват циклично въз основа на действителната температура на маслото, вместо да работят непрекъснато. По-малкото време на работа на охладителя означава по-малко поддръжка на охладителя и по-ниска паразитна консумация на електричество от охладителната система.

Конвенционалната преса, за разлика от нея, има по-голямо износване на лагерите на двигателя и помпата, по-честа смяна на уплътненията и по-високо термично натоварване на маслото, което ускорява окисляването на маслото и скъсява интервала за смяна на маслото. При трисменна конвенционална преса интервалът за смяна на маслото обикновено е 4000 часа; при сервохидравлична преса със същия работен цикъл интервалът се удължава до 6000–8000 часа. Цената на маслото през 5-годишния период е значителна – 250-тонна преса побира 400–600 литра хидравлично масло, а маслото плюс разходите за изхвърляне при всяка смяна е четирицифрена сума на много пазари.

Шум и работна среда

Конвенционалната преса работи с двигателя и помпата на пълна скорост непрекъснато, генерирайки постоянен акустичен сигнал в диапазона 78–85 dB(A) на операторската станция. Сервохидравличната преса намалява скоростта на двигателя и помпата по време на фазите на задържане и охлаждане, като по този начин значително намалява приноса на шума от хидравличната система. Общият шум на машината спада до диапазона 65–72 dB(A), което е разликата между ниво на шум, което изисква защита на слуха при експозиция през цялата смяна, и такова, което е на прага на регулаторната граница.

Намаляването на шума не е пряка икономия на разходи, но е реална полза на пазари със строги разпоредби за професионалния шум (Директива 2003/10/ЕО на ЕС за здравословни и безопасни условия на труд, US OSHA 29 CFR 1910.95, China GBZ 2.2), където конвенционалната преса изисква защита на слуха за операторите. Цената на защитата на слуха, аудиометричното тестване и инфраструктурата за контрол на шума в производствения цех обикновено не се отчита при изчислението само за възвръщаемост на енергията, но това е реален разход в 5-годишен хоризонт.

Прецизност и повторяемост

Сервохидравличната система има предимство в прецизността, което не винаги се проявява в изчислението за възвръщаемост на енергията, но се вижда в процента на брак. Затвореният контрол на налягането със сензор за налягане и помпа с променлива скорост поддържа налягането в кухината в по-тесен диапазон, отколкото система с фиксирана помпа с пропорционални клапани. При части с ограничени допуски – оптични, медицински, опаковъчни – само подобрението на процента на брак може да изплати премията на сервомотора за 5-годишен хоризонт, независимо от икономиите на енергия.

Дружество на инженерите по пластмасипубликува технически статии за прецизността на сервохидравличното шприцване, включително данни за вариации в теглото между отделните изстрелвания и повторяемост на размерите. Публикуваното предимство в прецизността е малко при части с по-ниски допустими отклонения (обикновено 10–20% намаление на вариациите между изстрелванията) и значимо при части с по-строги допустими отклонения (30–50% намаление).

Където конвенционалната хидравлика все още печели

Конвенционалната хидравлична преса с фиксирана помпа не е отживелица. Три категории приложения все още я облагодетелстват.

• Машини с много голям тонаж (над 1500 тона).Премията на серво системата се увеличава приблизително линейно с мощността на двигателя; при много висок тонаж, абсолютната премия на серво системата става достатъчно голяма, че периодът на изплащане се удължава. Някои специализирани приложения с голям тонаж също изискват специфични динамични характеристики, които системата с променлива скорост не осигурява толкова чисто, колкото системата с фиксирана помпа и голям акумулатор.
• Дългоциклични, непрекъснати приложения.Ако пресата работи с 90-секунден цикъл върху дебелостенна детайл с дълга фаза на задържане и непрекъсната работа на три смени, серво машината все още пести енергия, но спестяванията се амортизират за по-малък брой цикли годишно. Периодът на възвръщаемост се удължава и конвенционалната машина става по-конкурентоспособна.
• Инсталации с ограничен капитал.Завод с ограничен капиталов бюджет и кратък инвестиционен хоризонт може рационално да избере конвенционалната преса само въз основа на капиталовите разходи, особено ако местната цена на електроенергията е ниска.

Извън тези три категории, сервохидравличната система е доминиращият избор на база 5-годишна обща цена на притежание. Пазарните данни потвърждават това: делът на сервохидравличните системи в новите инсталации на преси е по-голям в повечето региони и повечето тонажни класове, с изключение на посочените по-горе специализирани приложения с голям тонаж.

Изготвяне на работен лист за 5-годишните общи разходи за притежание (TCO)

5-годишното сравнение на общите разходи за притежание между сервохидравлична и конвенционална преса има четири компонента на разходите: капитал, енергия, поддръжка и брак/престой. Всеки от тях се изчислява по различен начин.

Капиталовите разходи са покупната цена на машината плюс монтаж, транспорт, обучение и въвеждане в експлоатация. Премията за сервоусилвател е разликата между капиталовите разходи на двете машини.

Цената на енергията е кумулативният брой kWh за 5 години, умножен по местната тарифа за електроенергия. Спестяванията на енергия от серво машината са разликата между енергията на конвенционалната преса и енергията на серво пресата за същия период.

Цената на поддръжката е кумулативният разход за части и труд за 5 години. Серво машината обикновено има по-ниска поддръжка, свързана с помпата, по-рядка честота на смяна на маслото и по-рядка поддръжка на охладителя. Конвенционалната машина има по-голямо износване на лагерите на двигателя и помпата и по-висок разход на масло.

Разходите за брак и престой са стойността на бракуваните части и стойността на загубеното производство по време на непланиран престой. Серво машината има по-строг контрол на налягането и по-нисък процент на брак; конвенционалната машина има по-висок процент на брак при части с тесни допуски, но няма недостатък при части с по-слаби допуски.

5-годишните нетни спестявания от серво машината са сумата от спестяванията на енергия плюс спестяванията от поддръжка плюс спестяванията от брак/престой, минус премията за серво машина. Ако резултатът е положителен, серво машината печели. Ако е отрицателен, конвенционалната машина печели в 5-годишен хоризонт.

Рамка за вземане на решения: Пет въпроса, които трябва да си зададете преди уточняване

За конкретна инсталация, решението за серво или конвенционално управление може да се сведе до пет въпроса.

1. Какъв е профилът на цикъла?Дългите фази на задържане и охлаждане са в полза на сервомоторите. Кратките цикли с висок дебит са в полза на конвенционалните или сервомоторите с малка разлика.
2. Какъв е оперативният график?Непрекъснатата работа на три смени увеличава икономиите на енергия. Едносменната работа с дълги периоди на престой намалява икономиите, тъй като пресата е изключена през по-голямата част от деня.
3. Каква е цената на тока в района?Пазарите с високи тарифи (Европа, Япония, голяма част от Източна Азия) ускоряват изплащането. Пазарите с ниски тарифи (части от Близкия изток, Северна Америка с изобилие от природен газ) забавят изплащането.
4. Какъв е толерансът на детайла?Частите с тесни допуски (медицински, оптични, някои видове опаковки) усилват предимството на сервомоторите чрез по-нисък брак. Частите с по-ниски допуски неутрализират този компонент от спестяванията.
5. Какво е капиталовото ограничение?Ако капиталовата премия не може да бъде финансирана с разумен лихвен процент, периодът на възвръщаемост има значение, дори ако икономиката на ниво проект е положителна.

За типична 250-тонна преса с 25-секунден цикъл, работеща на две смени непрекъснато на пазар с умерени тарифи, изплащането е в диапазона 18–36 месеца. За 100-тонна преса с 12-секунден цикъл, работеща на една смяна на пазар с ниски тарифи, изплащането може да продължи до 4 години или повече. Виксработен лист за изплащане на проектавключва всичките пет променливи и изготвя препоръка, специфична за проекта.

ЧЗВ: Серво срещу конвенционално хидравлично шприцване