Servo hidraulično u odnosu na konvencionalno hidraulično brizganje plastike: Poređenje troškova u narednih 5 godina

Zašto jeftinija mašina može koštati više

Menadžer fabrike za kalupljenje u Dongguanu upravo je zamijenio staru konvencionalnu hidrauličnu presu od 250 tona potpuno novom istih specifikacija. Zamjenska presa koštala je manje od polovine cijene ekvivalentne servo-hidraulične mašine. Osamnaest mjeseci kasnije, račun za struju u fabriku na kalupu bio je 6% veći nego godinu prije - konvencionalna presa je trošila znatno više energije od starije koju je zamijenila. Do kraja treće godine, kumulativni trošak električne energije konvencionalne prese premašio je premiju cijene ekvivalentne servo mašine, prije uračunavanja buke, potrebe za hlađenjem i intervala izmjene ulja. Fabrika je na kraju naknadno ugradila servo sistem u postojeću presu umjesto da je zamijeni - i potrošnja energije se prepolovila u prvom punom mjesecu.

Izbor između servo-hidrauličkog i konvencionalnog hidrauličkog brizganja nije jednostavna odluka po principu „novije je bolje“. To je obračun ukupnih troškova vlasništva za 5 godina koji zavisi od tonaže mašine, profila ciklusa, radnih sati i lokalnih troškova električne energije. Ovaj članak detaljno objašnjava taj obračun - kako zapravo izgleda energetski jaz, kako izgleda jaz u održavanju, gdje konvencionalna mašina još uvijek zarađuje svoju premiju i kako sastaviti brojke za određenu instalaciju.

Kako konvencionalna hidraulična presa koristi snagu

Konvencionalna hidraulična mašina za brizganje plastike sa fiksnom pumpom pokreće elektromotor konstantnom brzinom, obično direktno povezan na električnu mrežu bez pogona sa promjenjivom frekvencijom. Motor pokreće hidrauličnu pumpu fiksnog protoka - obično krilnu pumpu ili aksijalnu klipnu pumpu - koja isporučuje konstantan protok hidraulične tečnosti pod pritiskom proporcionalnim opterećenju. Usmjeravajući ventili mašine, proporcionalni ventili i servo ventili moduliraju protok i pritisak kako bi se uskladili sa fazama zatvaranja kalupa, ubrizgavanja, zadržavanja, plastifikacije i otvaranja kalupa u ciklusu.

Motor radi punom brzinom tokom cijelog ciklusa, čak i kada je hidraulički zahtjev nizak. Tokom faze zadržavanja - kada dijelu treba samo dio vršnog protoka za održavanje pritiska u šupljini - višak protoka se preusmjerava kroz sigurnosni ventil nazad u rezervoar, rasipajući energiju kao toplotu. Tokom faze hlađenja - kada hidraulički protok uopšte nije potreban osim male količine stezne tonaže - pumpa se i dalje okreće punom brzinom, i dalje vuče punu snagu, a preusmjeravajući ventil i dalje ispušta višak protoka. Ovo je strukturna neefikasnost sistema sa fiksnom pumpom: motor i pumpa rade u jednoj radnoj tački, a svaka neusklađenost između te tačke i stvarnog hidrauličkog zahtjeva gubi se kao toplota.

Sama toplina nije besplatna. Hidraulično ulje se mora hladiti kako bi se održala viskoznost i spriječila oksidacija, što znači da zasebni hladnjak ulja (hlađen vodom ili zrakom) radi kontinuirano, crpeći dodatnu energiju. Potreba za hlađenjem konvencionalne prese od 250 tona u okruženju od 30 °C je značajna - obično u rasponu od 15-25% električne ulazne snage mašine pri radu u tri smjene.

Kako servo-hidraulički sistem koristi snagu

Servo-hidraulički sistem zamjenjuje motor konstantne brzine servo motorom promjenjive brzine - obično sinhronim motorom s permanentnim magnetima (PMSM) - kojeg pokreće pogon s promjenjivom frekvencijom (VFD). Servo pogon kontrolira brzinu motora kako bi se uskladila s hidrauličkim zahtjevima u stvarnom vremenu. Kada je ciklus u fazi visokog protoka (zatvaranje kalupa, ubrizgavanje, plastifikacija), motor se ubrzava do velike brzine. Kada je ciklus u fazi niskog protoka (zadržavanje, hlađenje), motor se smanjuje na malu brzinu koja zadovoljava stvarne hidrauličke zahtjeve. Kada je ciklus u mirovanju (bez kretanja), motor se može potpuno zaustaviti ili raditi brzinom gotovo nulom.

Rezultat je da servo-hidraulična mašina crpi samo onu snagu koja joj je potrebna za svaku fazu ciklusa. Motor ne radi konstantnom brzinom, pumpa ne premošćava višak protoka, a rasipanje toplote bypass ventila koje definiše neefikasnost konvencionalne prese je u velikoj mjeri eliminisano.Bosch Rexroth, Juken, i drugi proizvođači hidrauličnih sistema objavljuju bilješke o primjeni s poređenjima izmjerene potrošnje energije servo pumpi u odnosu na fiksne pumpe; tipičan raspon objavljenih podataka je smanjenje energije od 40-80% na dijelovima sa značajnim fazama zadržavanja i hlađenja, i smanjenje od 20-40% na dijelovima s kraćim fazama zadržavanja i hlađenja.

Uštede nisu ujednačene tokom cijelog ciklusa. Najveće uštede su u fazi hlađenja (najduža faza niske potražnje u većini ciklusa), druga najveća u fazi zadržavanja, a najmanje u fazi ubrizgavanja (gdje je potreban vršni protok i servo sistem također radi na vršnoj snazi). Kod tipičnog presovanja od 250 tona, dijela od 200 g ABS-a, s ciklusom od 25 sekundi, faza hlađenja je otprilike 50% ciklusa, faza zadržavanja 15%, faze ubrizgavanja i plastifikacije 25%, a faze otvaranja/zatvaranja 10%. Faza hlađenja je mjesto gdje servo mašina ostvaruje najveće uštede.

Servo Premium: Kapitalni troškovi u odnosu na operativne troškove

Servo-hidraulična mašina za brizganje plastike obično košta 30-60% više od ekvivalentne konvencionalne mašine iste tonaže i veličine sačme. Tačna premija zavisi od proizvođača mašine, dobavljača servo sistema i specifikacije mašine. Za reprezentativnu presu od 250 tona, premija servo sistema na trenutnom tržištu je petocifreni porast - značajan, ali ne i transformativan za menadžera postrojenja koji procjenjuje kupovinu.

Premija se nadoknađuje kroz uštedu energije. Da bi se izračunao povrat ulaganja, potrebna su tri ulazna podatka: ušteda energije po ciklusu, broj ciklusa po smjeni i trošak električne energije. Vickslinija proizvoda servo sistemakonfigurisan je za servo sisteme zasnovane na krilnim pumpama za primjene u brizganju plastike, sa uštedama energije na nivou sistema u objavljenom rasponu. Za mašinu od 250 tona sa ciklusom od 25 sekundi koja radi 6.000 sati godišnje (otprilike dvosmjenski kontinuirani rad), godišnja ušteda električne energije spada u značajan raspon - dovoljno velika da otplati premiju servo motora u prvih 18-36 mjeseci rada, ovisno o lokalnoj tarifi električne energije.

Vijesti o plasticiiTehnologija plastikeobjavili su višegodišnje podatke istraživanja koji pokazuju da servo-hidraulične mašine sada dominiraju prodajom novih presa u rasponu od 50 do 800 tona širom Sjeverne Amerike, Evrope i Istočne Azije, dok su konvencionalne prese sve više ograničene na specifične primjene velike tonaže i specijalne primjene. Promjena na tržištu sama po sebi je pokazatelj matematike povrata ulaganja: da se premija servo mašina nije oporavila u roku od 3 godine, tržište se ne bi promijenilo.

Održavanje: Gdje se dva sistema razilaze

Profil održavanja servo-hidrauličnog sistema razlikuje se od konvencionalne prese u tri oblasti.

Prvo, sam servo motor zahtijeva manje održavanja od indukcionog motora ekvivalentne snage - nema četkica, nema kliznih prstenova, a rotor sa permanentnim magnetom ne zahtijeva struju pobude. VFD ima vlastiti profil održavanja (ventilatori za hlađenje, elektrolitički kondenzatori sa vijekom trajanja od 8-12 godina), ali su aktivne komponente samog motora dizajnirane za dugi vijek trajanja bez planiranog održavanja.

Drugo, hidraulična pumpa u servo sistemu radi promjenjivom brzinom i obično na nižim prosječnim okretajima u minuti nego fiksna pumpa na konvencionalnoj presi. Niži prosječni okretaji u minuti znače manje habanje ležajeva, manje termičke cikluse i duži vijek trajanja zaptivke. Podaci s terena objavljeni od straneTehnologija izrade kalupai razni dobavljači hidrauličnih pumpi dosljedno pokazuju da krilne pumpe u radu s promjenjivom brzinom imaju znatno duži vijek trajanja od iste krilne pumpe u radu s fiksnom brzinom na usporedivoj presi.

Treće, hladnjak ulja na servo-hidrauličnoj presi radi manje kontinuirano jer je smanjeno odvođenje topline bypass ventila. Ventilator hladnjaka ili pumpa rashladne vode se ciklički uključuju i isključuju na osnovu stvarne temperature ulja, umjesto da rade kontinuirano. Kraće vrijeme rada hladnjaka znači manje održavanja hladnjaka i manju parazitsku potrošnju električne energije iz sistema za hlađenje.

Konvencionalna presa, nasuprot tome, ima veće trošenje ležajeva na motoru i pumpi, češću zamjenu zaptivki i veće termičko opterećenje ulja što ubrzava oksidaciju ulja i skraćuje interval izmjene ulja. Na konvencionalnoj presi s tri smjene, interval izmjene ulja je obično 4.000 sati; na servo-hidrauličnoj presi s istim radnim ciklusom, interval se produžava na 6.000-8.000 sati. Trošak ulja tokom 5-godišnjeg perioda je značajan - presa od 250 tona sadrži 400-600 litara hidrauličnog ulja, a ulje plus troškovi odlaganja pri svakoj zamjeni iznose četverocifrenu stavku na mnogim tržištima.

Buka i radno okruženje

Konvencionalna presa neprekidno pokreće motor i pumpu punom brzinom, generirajući stalan akustični potpis u rasponu od 78–85 dB(A) na operaterskoj stanici. Servo-hidraulična presa smanjuje brzinu motora i pumpe tokom faza zadržavanja i hlađenja, značajno smanjujući doprinos buci iz hidrauličkog sistema. Ukupna buka mašine pada na raspon od 65–72 dB(A), što je razlika između nivoa buke koji zahtijeva zaštitu sluha za izloženost tokom cijele smjene i onog koji je na pragu regulatorne granice.

Smanjenje buke ne predstavlja direktnu uštedu troškova, ali predstavlja stvarnu korist na tržištima sa strogim propisima o buci na radu (Direktiva EU o zaštiti na radu 2003/10/EZ, US OSHA 29 CFR 1910.95, China GBZ 2.2) gdje konvencionalna presa zahtijeva zaštitu sluha za operatere. Troškovi zaštite sluha, audiometrijskog testiranja i infrastrukture za kontrolu buke u pogonu obično se ne uzimaju u obzir u izračunu povrata ulaganja samo za energiju - ali to je stvarni trošak na petogodišnjem horizontu.

Preciznost i ponovljivost

Servo-hidraulički sistem ima prednost u preciznosti koja se ne pojavljuje uvijek u proračunu povrata energije, ali se pokazuje u stopi otpada. Zatvorena petlja kontrole pritiska pomoću senzora pritiska i pumpe s promjenjivom brzinom drži pritisak u šupljini unutar užeg raspona nego sistem s fiksnom pumpom i proporcionalnim ventilima. Na dijelovima s uskim tolerancijama - optičkim, medicinskim, pakiranjem - samo poboljšanje stope otpada može pokriti premiju servo motora u periodu od 5 godina, neovisno o uštedi energije.

Društvo inženjera plastikeobjavljuje tehničke radove o preciznosti servo-hidrauličkog brizganja, uključujući podatke o varijacijama težine od injekcije do injekcije i ponovljivosti dimenzija. Objavljena prednost u preciznosti je mala na dijelovima s relaksiranim tolerancijama (obično smanjenje varijacije od injekcije do injekcije od 10-20%), a značajna na dijelovima s uskim tolerancijama (smanjenje od 30-50%).

Gdje konvencionalna hidraulika i dalje pobjeđuje

Konvencionalna hidraulična presa sa fiksnom pumpom nije zastarjela. Tri kategorije primjene i dalje joj idu u prilog.

• Mašine vrlo velike tonaže (preko 1.500 tona).Premija servo sistema se skalira otprilike linearno sa snagom motora; pri vrlo velikoj tonaži, apsolutna premija servo sistema postaje dovoljno velika da se period otplate produži. Neke specijalne primjene velike tonaže također zahtijevaju specifične karakteristike dinamičkog odziva koje sistem sa promjenjivom brzinom ne isporučuje tako čisto kao sistem sa fiksnom pumpom i velikim akumulatorom.
• Primjene s dugim ciklusima i kontinuiranim radom.Ako presa radi u ciklusu od 90 sekundi na dijelu s debelim zidovima s dugom fazom zadržavanja i kontinuiranim radom u tri smjene, servo mašina i dalje štedi energiju, ali se uštede amortiziraju kroz manji broj ciklusa godišnje. Period povrata ulaganja se produžava, a konvencionalna mašina postaje konkurentnija.
• Instalacije s ograničenim kapitalom.Postrojenje s ograničenim kapitalnim budžetom i kratkim investicijskim horizontom može racionalno odabrati konvencionalnu presu samo na osnovu kapitalnih troškova, posebno ako je lokalna cijena električne energije niska.

Izvan ove tri kategorije, servo-hidraulični sistem je dominantan izbor na osnovu ukupnih troškova vlasništva u periodu od 5 godina. Tržišni podaci to potvrđuju: udio servo motora u novim instalacijama presa je većinski u većini regija i većini klasa tonaže, s izuzetkom specijaliziranih primjena za veliku tonažu navedenih gore.

Izrada radnog lista za 5-godišnji TCO

Petogodišnje poređenje ukupnih troškova vlasništva između servo-hidraulične i konvencionalne prese ima četiri komponente troškova: kapital, energiju, održavanje i otpad/zastoje. Svaka se izračunava drugačije.

Kapitalni trošak je kupovna cijena mašine plus instalacija, prijevoz, obuka i puštanje u rad. Premija servo motora je razlika između kapitalnih troškova dvije mašine.

Trošak energije predstavlja kumulativni kWh tokom 5 godina, pomnožen lokalnom tarifom električne energije. Ušteda energije servo mašine predstavlja razliku između energije konvencionalne prese i energije servo prese tokom istog perioda.

Troškovi održavanja predstavljaju kumulativne troškove dijelova i rada tokom 5 godina. Servo mašina obično ima manje održavanja vezanog za pumpu, rjeđu učestalost izmjene ulja i manje održavanja hladnjaka. Konvencionalna mašina ima veće trošenje ležajeva na motoru i pumpi i veću potrošnju ulja.

Trošak otpada i zastoja predstavlja vrijednost otpadnih dijelova i vrijednost izgubljene proizvodnje tokom neplaniranog zastoja. Servo mašina ima strožu kontrolu pritiska i nižu stopu otpada; konvencionalna mašina ima veću stopu otpada na dijelovima s uskim tolerancijama, ali nema nedostataka na dijelovima s opuštenim tolerancijama.

Petogodišnja neto ušteda servo mašine je zbir uštede energije plus uštede na održavanju plus uštede na otpadu/zastojima, minus premija servo mašine. Ako je rezultat pozitivan, servo mašina pobjeđuje. Ako je negativan, konvencionalna mašina pobjeđuje u petogodišnjem horizontu.

Okvir za donošenje odluka: Pet pitanja koja treba postaviti prije specificiranja

Za specifičnu instalaciju, odluka o servo ili konvencionalnom sistemu može se svesti na pet pitanja.

1. Šta je profil ciklusa?Duge faze zadržavanja i hlađenja idu u prilog servo motorima. Kratki ciklusi sa visokim protokom tokom cijelog procesa idu u prilog konvencionalnim ili servo motorima, uz malu razliku.
2. Kakav je operativni raspored?Neprekidan rad u tri smjene povećava uštedu energije. Rad u jednoj smjeni s dugim periodima neaktivnosti smanjuje uštedu jer je presa isključena veći dio dana.
3. Kolika je lokalna cijena električne energije?Tržišta s visokim tarifama (Evropa, Japan, veći dio Istočne Azije) ubrzavaju otplatu. Tržišta s niskim tarifama (dijelovi Bliskog istoka, Sjeverna Amerika s obiljem prirodnog plina) usporavaju otplatu.
4. Kolika je tolerancija dijela?Dijelovi sa uskim tolerancijama (medicinski, optički, određena ambalaža) pojačavaju prednost servo motora kroz manji otpad. Dijelovi sa opuštenim tolerancijama neutraliziraju ovu komponentu uštede.
5. Šta je kapitalno ograničenje?Ako se kapitalna premija ne može finansirati po razumnoj stopi, period otplate je važan čak i ako je ekonomija na nivou projekta pozitivna.

Za tipičnu presu od 250 tona s ciklusom od 25 sekundi koja radi u dvije smjene kontinuirano na tržištu s umjerenim tarifama, period povrata ulaganja je u rasponu od 18 do 36 mjeseci. Za presu od 100 tona s ciklusom od 12 sekundi koja radi u jednoj smjeni na tržištu s niskim tarifama, period povrata ulaganja može se produžiti na 4 godine ili više. Vicksradni list za otplatu projektauključuje svih pet varijabli i daje preporuku specifičnu za projekat.

Često postavljana pitanja: Servo u odnosu na konvencionalno hidraulično brizganje plastike