Servohüdrauliline vs tavapärane hüdrauliline survevalu: 5-aastane kulude võrdlus

Miks odavam masin võib maksta rohkem

Dongguani vormimistehase juhataja oli just vahetanud vananeva 250-tonnise tavapärase hüdraulilise pressi sama spetsifikatsiooniga täiesti uue vastu. Asenduspress maksis poole vähem kui samaväärse servohüdraulilise masina hinnast. Kaheksateist kuud hiljem oli tehase elektriarve vormimistsoonil 6% suurem kui aasta varem – tavapärane press tarbis märgatavalt rohkem energiat kui vanem, mille see oli välja vahetanud. Kolmanda aasta lõpuks oli tavapärase pressi kumulatiivne elektrienergia kulu ületanud samaväärse servomasina hinnalisa, arvestamata müra, jahutusvajadust ja õlivahetuse intervalli. Lõpuks paigaldas tehas olemasolevale pressile servosüsteemi, selle asemel et seda välja vahetada – ja nägi energiatarbimist poole võrra langemas esimese täiskuu jooksul.

Servohüdraulilise ja tavapärase hüdraulilise survevalu vahel valimine ei ole lihtne „uum on parem” otsus. See on 5-aastane omamise kogukulu arvutus, mis sõltub masina tonnaažist, tsükli profiilist, töötundidest ja kohalikust elektrienergia hinnast. See artikkel käsitleb seda arvutust üksikasjalikult – milline on tegelikult energiavahe, milline on hooldusvahe, kus tavapärane masin ikkagi oma lisaväärtust teenib ja kuidas konkreetse paigaldise jaoks numbreid kokku panna.

Kuidas tavaline hüdrauliline press energiat kasutab

Tavapärane fikseeritud pumbaga hüdrauliline survevalu masin käitab konstantsel kiirusel elektrimootorit, mis on tavaliselt otse vooluvõrku ühendatud ilma muudetava sagedusega ajamit. Mootor käitab fikseeritud nihkega hüdraulilist pumpa – tavaliselt labapumpa või aksiaalkolbpumpa –, mis tagab konstantse hüdraulilise vedeliku voolu rõhul, mis on proportsionaalne koormusega. Masina suunaventiilid, proportsionaalventiilid ja servoventiilid moduleerivad voolu ja rõhku, et need vastaksid tsükli vormi sulgemise, sissepritse, hoidmise, plastifitseerimise ja vormi avamise faasidele.

Mootor töötab kogu tsükli vältel täiskiirusel isegi siis, kui hüdrauliline nõudlus on väike. Hoidmisfaasis – kui detail vajab õõnsuse rõhu säilitamiseks vaid murdosa tippvoolust – juhitakse liigne vool ülerõhuklapi kaudu tagasi paaki, hajutades energia soojusena. Jahutusfaasis – kui hüdraulilist voolu pole üldse vaja, välja arvatud väike kogus klambritonnaaži – pöörleb pump endiselt täiskiirusel, tarbides endiselt täisvõimsust, ja möödavooluklapp laseb endiselt üleliigse voolu välja. See on fikseeritud pumbasüsteemi struktuuriline ebaefektiivsus: mootor ja pump töötavad ühes tööpunktis ning igasugune mittevastavus selle punkti ja tegeliku hüdraulilise vajaduse vahel läheb soojusena kaotsi.

Soojus ise ei ole tasuta. Hüdraulikaõli tuleb viskoossuse säilitamiseks ja oksüdeerumise vältimiseks jahutada, mis tähendab, et pidevalt töötab eraldi õlijahuti (vesijahutusega või õhkjahutusega), mis tarbib lisaenergiat. 250-tonnise tavapärase pressi jahutusvajadus 30 °C ümbritseva õhu juures on märkimisväärne – tavaliselt vahemikus 15–25% masina elektrilisest sisendist kolmevahetuse korral.

Kuidas servohüdrauliline süsteem kasutab võimsust

Servohüdrauliline süsteem asendab püsikiirusega mootori muudetava kiirusega servomootoriga – tavaliselt püsimagnetiga sünkroonmootoriga (PMSM) –, mida juhib muudetava sagedusega ajam (VFD). Servoajam juhib mootori kiirust vastavalt reaalajas hüdraulilisele vajadusele. Kui tsükkel on suure vooluhulga faasis (vormi sulgemine, sissepritse, plastifitseerimine), lülitub mootor suurele kiirusele. Kui tsükkel on väikese vooluhulga faasis (hoidmine, jahutamine), lülitub mootor madalale kiirusele, mis vastab täpselt tegelikule hüdraulilisele vajadusele. Kui tsükkel on paigal (liikumist pole), võib mootor täielikult seiskuda või töötada peaaegu nullkiirusel.

Tulemuseks on see, et servohüdrauliline masin tarbib iga tsükli faasi jaoks ainult nii palju energiat. Mootor ei tööta konstantsel kiirusel, pump ei lase liigsest voolust mööda ning möödavooluklapi soojuse hajumine, mis tavapärase pressi ebaefektiivsust põhjustab, on suures osas välistatud.Bosch Rexroth, Yukenja teised hüdraulikasüsteemide tootjad avaldavad rakendusmärkmeid koos mõõdetud servomootorite ja fikseeritud pumba energiatarbimise võrdlustega; avaldatud andmete tüüpiline vahemik on 40–80% energiasääst osade puhul, millel on märkimisväärsed hoidmis- ja jahutusfaasid, ja 20–40% energiasääst osade puhul, millel on lühemad hoidmis- ja jahutusfaasid.

Säästud ei ole tsükli ulatuses ühtlased. Suurim sääst on jahutusfaasis (enamikus tsüklites pikim väikese nõudlusega faas), suuruselt teine ​​​​hoidefaasis ja väikseim sissepritsefaasis (kus on vaja tippvoogu ja servosüsteem töötab samuti tippkoormusel). Tüüpilises 250-tonnise pressvormimises, mis valmistab 200 g ABS-detaili 25-sekundilise tsükliga, moodustab jahutusfaas umbes 50% tsüklist, hoidefaas 15%, sissepritse- ja plastifitseerimisfaasid 25% ning avamis-/sulgemisfaasid 10%. Jahutusfaasis säästab servomasin kõige rohkem.

Servo lisatasu: kapitalikulud vs tegevuskulud

Servohüdrauliline survevaluvormimismasin maksab tavaliselt 30–60% rohkem kui samaväärse tonnaaži ja vormisuurusega tavapärane masin. Täpne lisatasu sõltub masinatootjast, servosüsteemi tarnijast ja masina spetsifikatsioonist. Tüüpilise 250-tonnise pressi puhul on servosüsteemi lisatasu praegusel turul viiekohaline summa – see on oluline, kuid mitte pöördepunkt tehasejuhi jaoks ostu hindamisel.

Lisatasu kaetakse energiasäästu kaudu. Tasuvusaja arvutamiseks on vaja kolme sisendit: energiasäästu tsükli kohta, tsüklite arvu vahetuse kohta ja elektrienergia hinda. Vicksservosüsteemide tootesarion konfigureeritud survevalu rakendustes kasutatavate labapumba-põhiste servosüsteemide jaoks, kusjuures süsteemi tasemel energiasääst on avaldatud vahemikus. 250-tonnise masina puhul, mis töötab 25-sekundilise tsükliga 6000 tundi aastas (umbes kahes vahetuses pidevalt), jääb aastane elektrienergia sääst märkimisväärsesse vahemikku – piisavalt suur, et servo lisatasu tasuda esimese 18–36 töökuu jooksul, olenevalt kohalikust elektritariifist.

Plastist uudisedjaPlastitehnoloogiaon avaldanud mitmeaastase uuringu andmed, mis näitavad, et servohüdraulilised masinad domineerivad nüüd uute presside müügis 50–800-tonnise kandevõimega toodetes Põhja-Ameerikas, Euroopas ja Ida-Aasias, kusjuures tavapärased pressid piirduvad üha enam spetsiifiliste suure tonnaažiga ja spetsiaalsete rakendustega. Turu nihe iseenesest näitab tasuvusarvutust: kui servomootorite lisatasu ei oleks kolme aasta jooksul tagasi teenitud, poleks turg nihkunud.

Hooldus: kus kaks süsteemi erinevad

Servohüdraulilise süsteemi hooldusprofiil erineb tavapärasest pressist kolmes valdkonnas.

Esiteks on servomootoril endal vähem hooldust kui sama võimsusega asünkroonmootoril – puuduvad harjad, libisemisrõngad ja püsimagnetiga rootor ei vaja ergutusvoolu. Sagedusmuunduril on oma hooldusprofiil (jahutusventilaatorid, elektrolüütkondensaatorid, mille kasutusiga on 8–12 aastat), kuid mootori enda aktiivsed komponendid on konstrueeritud pikaks kasutuseaks ilma plaanilise hoolduseta.

Teiseks, servosüsteemi hüdropump töötab muutuva kiirusega ja tavaliselt madalama keskmise pöörlemiskiirusega kui tavapärase pressi fikseeritud kiirusega pump. Madalam keskmine pöörlemiskiirus tähendab väiksemat laagrite kulumist, väiksemat termilist tsüklit ja pikemat tihendite eluiga. Väliandmeid avaldasVormimise tehnoloogiaja mitmed hüdraulikapumpade tarnijad näitavad järjekindlalt, et muutuva kiirusega töötavate labapumpade kasutusiga on oluliselt pikem kui samadel labapumpadel fikseeritud kiirusega töötavatel võrreldaval pressil.

Kolmandaks, servohüdraulilise pressi õlijahuti töötab vähem pidevalt, kuna möödaviiguklapi soojuseraldus on vähenenud. Jahuti ventilaator või jahutusveepump lülituvad sisse ja välja vastavalt tegelikule õlitemperatuurile, selle asemel et pidevalt töötada. Lühem jahuti tööaeg tähendab väiksemat jahuti hooldust ja väiksemat parasiitset elektritarvet jahutussüsteemist.

Tavapärasel pressil on seevastu suurem laagrite kulumine mootoril ja pumbal, sagedasem tihendite vahetus ning õlile avaldatav suurem termiline koormus, mis kiirendab õli oksüdeerumist ja lühendab õlivahetuse intervalli. Kolmevahetusega tavapärasel pressil on õlivahetuse intervall tavaliselt 4000 tundi; sama töötsükliga servohüdraulilisel pressil pikeneb see intervall 6000–8000 tunnini. Õlikulu 5-aastase perioodi jooksul on märkimisväärne – 250-tonnine press mahutab 400–600 liitrit hüdraulikaõli ning õli pluss iga vahetuse utiliseerimiskulu on paljudel turgudel neljakohaline summa.

Müra ja töökeskkond

Tavapärane press paneb mootori ja pumba pidevalt täiskiirusel tööle, tekitades operaatori juures püsiva akustilise signaali vahemikus 78–85 dB(A). Servohüdrauliline press vähendab mootori ja pumba kiirust hoidmis- ja jahutusfaasis, vähendades oluliselt hüdraulikasüsteemi müra panust. Masina kogumüra langeb vahemikku 65–72 dB(A), mis on vahe mürataseme vahel, mille puhul on vaja täisvahetuse jooksul kuulmiskaitset, ja mürataseme vahel, mis on regulatiivse piirnormi lävel.

Müra vähendamine ei ole otsene kulude kokkuhoid, kuid see on reaalne eelis turgudel, kus kehtivad ranged töökeskkonna müranõuded (ELi tööohutuse ja tööohutuse direktiiv 2003/10/EÜ, USA OSHA 29 CFR 1910.95, Hiina GBZ 2.2), kus tavapärane press nõuab operaatoritele kuulmiskaitset. Kuulmiskaitsevahendite, audiomeetrilise testimise ja mürasummutava infrastruktuuri kulusid tootmispõrandal tavaliselt energiakulu tasuvuse arvutamisel ei arvestata, kuid see on viie aasta perspektiivis reaalne kulu.

Täpsus ja korduvus

Servohüdraulilisel süsteemil on täpsuse eelis, mis ei kajastu alati energiatasuvuse arvutuses, kuid kajastub praagimääras. Suletud ahelaga rõhureguleerimine rõhuanduri ja muudetava kiirusega pumba abil hoiab õõnsuse rõhu kitsamas vahemikus kui proportsionaalventiilidega fikseeritud pumbasüsteem. Kitsa tolerantsiga osade – optika, meditsiini, pakendite – puhul võib ainuüksi praagimäära paranemine katta servomootori lisatasu viie aasta jooksul, olenemata energiasäästust.

Plastitehnika inseneride ühingavaldab tehnilisi artikleid servohüdraulilise survevalu täpsuse kohta, sh valuvormide vahelise kaalu varieeruvuse ja mõõtmete korduvuse andmed. Avaldatud täpsuse eelis on väike osade puhul, millel on lõdvestunud tolerantsid (tavaliselt 10–20% vähenemine valuvormidevahelises varieeruvuses) ja märkimisväärne osade puhul, millel on kitsas tolerants (30–50% vähenemine).

Kus tavapärane hüdraulika ikkagi võidab

Tavapärane fikseeritud pumbaga hüdrauliline press pole iganenud. Kolm rakenduskategooriat soosivad seda endiselt.

• Väga suure tonnaažiga masinad (üle 1500 tonni).Servosüsteemi lisatasu skaleerub ligikaudu lineaarselt mootori võimsusega; väga suure tonnaaži korral muutub absoluutne servosüsteemi lisatasu piisavalt suureks, et tasuvusaeg pikeneb. Mõned spetsiaalsed suure tonnaažiga rakendused nõuavad ka spetsiifilisi dünaamilisi reageerimisomadusi, mida muudetava kiirusega süsteem ei paku nii puhtalt kui suure akumulaatoriga fikseeritud pumbaga süsteem.
• Pika tsükliga, pideva tööga rakendused.Kui press töötleb paksuseinalist detaili 90-sekundilise tsükliga pika hoidefaasi ja pideva kolmevahetuselise tööga, säästab servopress ikkagi energiat, kuid sääst amortiseerub väiksema arvu tsüklite jooksul aastas. Tasuvusaeg pikeneb ja traditsiooniline masin muutub konkurentsivõimelisemaks.
• Kapitalipiiranguga rajatised.Piiratud kapitalieelarve ja lühikese investeerimishorisondiga tehas võib ratsionaalselt valida tavapärase pressi ainuüksi kapitalikulude tõttu, eriti kui kohalikud elektrienergia kulud on madalad.

Väljaspool neid kolme kategooriat on servohüdrauliline süsteem domineeriv valik 5-aastase omamise kogukulu alusel. Turuandmed kinnitavad seda: servomootorite osakaal uutes pressimispaigaldistes on enamikus piirkondades ja enamikus tonnaažiklassides valdav, välja arvatud eespool nimetatud suure tonnaažiga erirakendused.

5-aastase kogukulude töölehe koostamine

Servohüdraulilise ja tavapärase pressi 5-aastase omamise kogukulu võrdlus hõlmab nelja kulukomponenti: kapital, energia, hooldus ja jääk/seisakud. Igaüks neist arvutatakse erinevalt.

Kapitalikulu on masina ostuhind pluss paigaldus-, transpordi-, koolitus- ja kasutuselevõtukulud. Servomootori lisatasu on kahe masina kapitalikulu vahe.

Energiakulu on viie aasta kumulatiivne kWh, korrutatuna kohaliku elektrienergia tariifiga. Servopressi energiasääst on tavapärase pressi energia ja servopressi energia vahe sama perioodi jooksul.

Hoolduskulu on osade ja tööjõu kumulatiivne summa viie aasta jooksul. Servomootoril on tavaliselt väiksem pumbaga seotud hooldusvajadus, väiksem õlivahetuse sagedus ja väiksem jahuti hooldusvajadus. Tavalisel mootoril ja pumbal kulub rohkem laagreid ning õlitarve on suurem.

Praagi ja seisaku kulu on praagiks antud osade väärtus ja planeerimata seisaku ajal kaotatud tootmise väärtus. Servomootoril on rangem rõhukontroll ja madalam praagi määr; tavapärasel masinal on kitsa tolerantsiga osade puhul suurem praagi määr, kuid lõdvestunud tolerantsiga osade puhul puudusi pole.

Servomootori 5-aastane netosääst on energiasäästu, hooldussäästu ja praagi/seisakuaja säästu summa, millest on lahutatud servomootori lisatasu. Kui tulemus on positiivne, võidab servomootor. Kui negatiivne, võidab 5-aastasel perioodil tavapärane masin.

Otsustusraamistik: viis küsimust, mida enne täpsustamist esitada

Konkreetse paigalduse puhul saab servomootori ja tavalise mootori valiku taandada viiele küsimusele.

1. Mis on tsükli profiil?Pikad hoidmis- ja jahutusfaasid soosivad servomootorit. Lühikesed tsüklid suure vooluvajadusega soosivad tavalist või servomootorit, erinevuste vähesuse tõttu.
2. Milline on töögraafik?Pidev kolmes vahetuses töötamine võimendab energiasäästu. Ühes vahetuses töötamine pikkade seisakuperioodidega lahjendab säästu, kuna press on suurema osa päevast välja lülitatud.
3. Kui palju maksab kohalik elekter?Kõrgete tariifidega turud (Euroopa, Jaapan, suur osa Ida-Aasiast) kiirendavad tagasimakset. Madalate tariifidega turud (osa Lähis-Idast, Põhja-Ameerika, kus on rikkalikud maagaasivarud) aeglustavad tagasimakset.
4. Mis on detaili tolerants?Kitsama tolerantsiga osad (meditsiinilised, optilised, teatud pakendid) võimendavad servo eelist väiksema jäätmekoguse kaudu. Leebema tolerantsiga osad neutraliseerivad selle kokkuhoiu komponendi.
5. Mis on kapitalipiirang?Kui kapitalipreemiat ei ole võimalik mõistliku määraga finantseerida, on tasuvusaeg oluline isegi siis, kui projekti tasandil on majanduslik seis positiivne.

Tüüpilise 250-tonnise pressi puhul, mis töötab 25-sekundilise tsükliga kahes vahetuses pidevalt mõõduka tariifiga turul, on tasuvusaeg 18–36 kuu jooksul. 100-tonnise pressi puhul, mis töötab 12-sekundilise tsükliga ühes vahetuses madala tariifiga turul, võib tasuvusaeg ulatuda nelja aastani või kauemgi. Vicksprojekti tasuvusaja töölehthõlmab kõiki viit muutujat ja annab projektipõhise soovituse.

KKK: Servo vs tavapärane hüdrauliline survevalu