مقایسه هزینه ۵ ساله سروو هیدرولیک در مقابل قالب‌گیری تزریقی هیدرولیک معمولی

چرا دستگاه ارزان‌تر می‌تواند گران‌تر باشد؟

مدیر یک کارخانه قالب‌سازی در دونگوان به تازگی یک پرس هیدرولیک معمولی ۲۵۰ تنی قدیمی را با یک پرس کاملاً جدید با همان مشخصات جایگزین کرده بود. هزینه پرس جایگزین کمتر از نصف یک دستگاه سروو هیدرولیک معادل بود. هجده ماه بعد، هزینه برق کارخانه در بخش قالب‌سازی ۶ درصد بیشتر از سال قبل بود - پرس معمولی به طور قابل توجهی بیشتر از پرس قدیمی‌تری که جایگزین کرده بود، برق مصرف می‌کرد. تا پایان سال سوم، هزینه برق تجمعی پرس معمولی، قبل از در نظر گرفتن سر و صدا، نیاز به خنک‌کننده و فاصله تعویض روغن، از حق بیمه قیمت دستگاه سروو معادل فراتر رفته بود. کارخانه در نهایت به جای تعویض پرس موجود، یک سیستم سروو را به آن اضافه کرد - و شاهد کاهش مصرف انرژی در ماه اول به نصف بود.

انتخاب بین قالب‌گیری تزریقی هیدرولیک سروو و هیدرولیک معمولی یک تصمیم ساده‌ی «هرچه جدیدتر بهتر» نیست. این یک محاسبه‌ی کل هزینه‌ی مالکیت ۵ ساله است که به تناژ دستگاه، مشخصات چرخه، ساعات کار و هزینه‌ی برق محلی بستگی دارد. این مقاله به تفصیل این محاسبه را بررسی می‌کند - شکاف انرژی در واقع چگونه به نظر می‌رسد، شکاف نگهداری چگونه به نظر می‌رسد، دستگاه معمولی هنوز در چه مواردی حق بیمه‌ی خود را دریافت می‌کند و چگونه می‌توان اعداد را برای یک نصب خاص کنار هم گذاشت.

نحوه مصرف برق در پرس هیدرولیک معمولی

یک دستگاه قالب‌گیری تزریقی هیدرولیک پمپ ثابت معمولی، یک موتور الکتریکی را با سرعت ثابت، که معمولاً مستقیماً به برق شهری بدون درایو فرکانس متغیر متصل است، به کار می‌اندازد. این موتور یک پمپ هیدرولیک با جابجایی ثابت - معمولاً یک پمپ پره‌دار یا یک پمپ پیستونی محوری - را به حرکت در می‌آورد که جریان ثابتی از سیال هیدرولیک را با فشاری متناسب با بار ارائه می‌دهد. شیرهای کنترل جهت، شیرهای تناسبی و شیرهای سروو دستگاه، جریان و فشار را برای مطابقت با مراحل بسته شدن قالب، تزریق، نگهداری، نرم‌سازی و باز شدن قالب در چرخه، تنظیم می‌کنند.

موتور در طول چرخه با سرعت کامل کار می‌کند، حتی زمانی که تقاضای هیدرولیک کم است. در طول مرحله نگه‌داشتن - زمانی که قطعه فقط به کسری از جریان اوج برای حفظ فشار حفره نیاز دارد - جریان اضافی از طریق یک شیر اطمینان به مخزن بای‌پس می‌شود و انرژی را به صورت گرما تلف می‌کند. در طول مرحله خنک‌سازی - زمانی که به هیچ جریان هیدرولیکی به جز مقدار کمی از تناژ گیره نیازی نیست - پمپ هنوز با سرعت کامل می‌چرخد، هنوز قدرت کامل را مصرف می‌کند و شیر بای‌پس هنوز جریان اضافی را تخلیه می‌کند. این ناکارآمدی ساختاری یک سیستم پمپ ثابت است: موتور و پمپ در یک نقطه عملیاتی کار می‌کنند و هرگونه عدم تطابق بین آن نقطه و تقاضای هیدرولیک واقعی به صورت گرما از بین می‌رود.

خود گرما آزاد نیست. روغن هیدرولیک باید خنک شود تا ویسکوزیته خود را حفظ کند و از اکسیداسیون جلوگیری کند، به این معنی که یک خنک‌کننده روغن جداگانه (خنک‌کننده با آب یا هوا) به طور مداوم در حال کار است و توان اضافی مصرف می‌کند. نیاز به خنک‌سازی در یک پرس معمولی ۲۵۰ تنی در دمای ۳۰ درجه سانتیگراد قابل توجه است - معمولاً در محدوده ۱۵ تا ۲۵ درصد از ورودی برق دستگاه در یک عملیات سه شیفته.

چگونه یک سیستم سروو هیدرولیک از برق استفاده می‌کند

یک سیستم سروو-هیدرولیک، موتور سرعت ثابت را با یک سروو موتور سرعت متغیر - معمولاً یک موتور سنکرون آهنربای دائم (PMSM) - که توسط یک درایو فرکانس متغیر (VFD) هدایت می‌شود، جایگزین می‌کند. سروو درایو سرعت موتور را کنترل می‌کند تا با تقاضای هیدرولیک در زمان واقعی مطابقت داشته باشد. هنگامی که چرخه در فاز جریان بالا (بستن قالب، تزریق، پلاستیک‌سازی) است، موتور به سرعت بالا می‌رود. هنگامی که چرخه در فاز جریان پایین (نگهداری، خنک‌کننده) است، موتور به سرعت پایینی که دقیقاً تقاضای هیدرولیک واقعی را برآورده می‌کند، کاهش می‌یابد. هنگامی که چرخه در حالت سکون (بدون حرکت) است، موتور می‌تواند کاملاً متوقف شود یا با سرعت نزدیک به صفر کار کند.

نتیجه این است که دستگاه سروو-هیدرولیک فقط توان مورد نیاز خود را برای هر مرحله از چرخه دریافت می‌کند. موتور با سرعت ثابت کار نمی‌کند، پمپ جریان اضافی را بای‌پس نمی‌کند و اتلاف حرارت شیر ​​بای‌پس که ناکارآمدی پرس‌های معمولی را مشخص می‌کند، تا حد زیادی از بین می‌رود.بوش رکسروت, یوکنو سایر تولیدکنندگان سیستم‌های هیدرولیک، یادداشت‌های کاربردی را با مقایسه مصرف انرژی اندازه‌گیری شده سروو موتور در مقابل پمپ ثابت منتشر می‌کنند؛ محدوده معمول در داده‌های منتشر شده، کاهش انرژی ۴۰ تا ۸۰ درصدی در قطعاتی با مراحل نگهداری و خنک‌سازی قابل توجه و کاهش ۲۰ تا ۴۰ درصدی در قطعاتی با مراحل نگهداری و خنک‌سازی کوتاه‌تر است.

صرفه‌جویی‌ها در طول چرخه یکسان نیستند. بیشترین صرفه‌جویی در مرحله خنک‌سازی (طولانی‌ترین مرحله کم‌مصرف در اکثر چرخه‌ها)، دومین مرحله بزرگ در مرحله نگهداری و کمترین صرفه‌جویی در مرحله تزریق (جایی که به جریان اوج نیاز است و سیستم سروو نیز در اوج کار می‌کند) است. در یک پرس معمولی ۲۵۰ تنی که یک قطعه ABS 200 گرمی را با چرخه ۲۵ ثانیه‌ای قالب‌گیری می‌کند، مرحله خنک‌سازی تقریباً ۵۰٪ چرخه، مرحله نگهداری ۱۵٪، مراحل تزریق و نرم‌سازی ۲۵٪ و مراحل باز/بسته کردن ۱۰٪ است. مرحله خنک‌سازی جایی است که دستگاه سروو بیشترین صرفه‌جویی را می‌کند.

سروو پریمیوم: هزینه سرمایه در مقابل هزینه عملیاتی

یک دستگاه قالب‌گیری تزریقی سروو هیدرولیک معمولاً 30 تا 60 درصد بیشتر از یک دستگاه معمولی معادل با تناژ و اندازه تزریق یکسان هزینه دارد. حق بیمه دقیق به سازنده دستگاه، تأمین‌کننده سیستم سروو و مشخصات دستگاه بستگی دارد. برای یک پرس 250 تنی نمونه، حق بیمه سروو در بازار فعلی یک افزایش پنج رقمی است - معنادار، اما برای مدیر کارخانه‌ای که خرید را ارزیابی می‌کند، تحول‌آفرین نیست.

این حق بیمه از طریق صرفه‌جویی در انرژی جبران می‌شود. برای تعیین میزان بازپرداخت، به سه ورودی نیاز است: صرفه‌جویی در انرژی در هر چرخه، چرخه در هر شیفت و هزینه برق. ویکسخط تولید سیستم سرووبرای سیستم‌های سروو مبتنی بر پمپ پره در کاربردهای قالب‌گیری تزریقی پیکربندی شده است، با صرفه‌جویی در انرژی در سطح سیستم در محدوده منتشر شده. برای یک دستگاه ۲۵۰ تنی با چرخه ۲۵ ثانیه‌ای که ۶۰۰۰ ساعت در سال (تقریباً دو شیفت پیوسته) کار می‌کند، صرفه‌جویی سالانه برق در محدوده معناداری قرار می‌گیرد - به اندازه‌ای بزرگ که بسته به تعرفه برق محلی، هزینه سروو را در ۱۸ تا ۳۶ ماه اول کارکرد جبران کند.

اخبار پلاستیکوفناوری پلاستیکداده‌های نظرسنجی چند ساله منتشر کرده‌اند که نشان می‌دهد ماشین‌های سروو-هیدرولیک اکنون بر فروش پرس‌های جدید در محدوده ۵۰ تا ۸۰۰ تن در سراسر آمریکای شمالی، اروپا و آسیای شرقی تسلط دارند، در حالی که پرس‌های معمولی به طور فزاینده‌ای به کاربردهای خاص با تناژ بالا و تخصصی محدود می‌شوند. تغییر بازار خود نشانه‌ای از محاسبه بازگشت سرمایه است: اگر حق بیمه سروو در یک افق ۳ ساله جبران نمی‌شد، بازار تغییر نمی‌کرد.

نگهداری: جایی که دو سیستم از هم جدا می‌شوند

مشخصات نگهداری یک سیستم سروو هیدرولیک از سه جهت با یک پرس معمولی متفاوت است.

اولاً، خودِ سروو موتور نسبت به یک موتور القایی با قدرت معادل، نیاز به تعمیر و نگهداری کمتری دارد - بدون جاروبک، بدون حلقه‌های لغزان، و روتور آهنربای دائمی نیازی به جریان تحریک ندارد. VFD مشخصات تعمیر و نگهداری خاص خود را دارد (فن‌های خنک‌کننده، خازن‌های الکترولیتی با عمر مفید ۸ تا ۱۲ سال)، اما اجزای فعال خود موتور برای عمر مفید طولانی و بدون نیاز به تعمیر و نگهداری برنامه‌ریزی‌شده طراحی شده‌اند.

دوم، پمپ هیدرولیک در یک سیستم سروو با سرعت متغیر و معمولاً با دور در دقیقه (RPM) متوسط ​​پایین‌تری نسبت به یک پمپ ثابت در یک پرس معمولی کار می‌کند. دور در دقیقه متوسط ​​پایین‌تر به معنای سایش کمتر یاتاقان، چرخه حرارتی کمتر و عمر بیشتر آب‌بند است. داده‌های میدانی منتشر شده توسطفناوری قالب‌سازیو تأمین‌کنندگان مختلف پمپ هیدرولیک همواره نشان می‌دهند که پمپ‌های پره‌دار در سرویس با سرعت متغیر، عمر مفید به طور معناداری طولانی‌تری نسبت به همان پمپ پره‌دار در سرویس با سرعت ثابت در یک پرس مشابه دارند.

سوم، خنک‌کننده روغن در پرس سروو هیدرولیک به دلیل کاهش اتلاف حرارت شیر ​​بای‌پس، کمتر به طور مداوم کار می‌کند. فن خنک‌کننده یا پمپ آب خنک‌کننده به جای کار مداوم، بر اساس دمای واقعی روغن روشن و خاموش می‌شوند. زمان کارکرد کمتر خنک‌کننده به معنای نگهداری کمتر خنک‌کننده و مصرف برق کمتر از سیستم خنک‌کننده است.

در مقابل، پرس معمولی، سایش یاتاقان بیشتری در موتور و پمپ، تعویض مکرر آب‌بند و تنش حرارتی بیشتری در روغن دارد که اکسیداسیون روغن را تسریع کرده و فاصله تعویض روغن را کوتاه می‌کند. در یک پرس معمولی سه شیفته، فاصله تعویض روغن معمولاً ۴۰۰۰ ساعت است؛ در یک پرس سروو-هیدرولیک با همان چرخه کاری، این فاصله به ۶۰۰۰ تا ۸۰۰۰ ساعت افزایش می‌یابد. هزینه روغن در طول ۵ سال معنی‌دار است - یک پرس ۲۵۰ تنی ۴۰۰ تا ۶۰۰ لیتر روغن هیدرولیک را در خود جای می‌دهد و هزینه روغن به علاوه هزینه دفع هر تعویض در بسیاری از بازارها، رقمی چهار رقمی است.

سر و صدا و محیط کار

پرس معمولی، موتور و پمپ را به طور مداوم با حداکثر سرعت به کار می‌اندازد و در ایستگاه اپراتور، صدای آکوستیک ثابتی در محدوده ۷۸ تا ۸۵ دسی‌بل (A) ایجاد می‌کند. پرس سروو-هیدرولیک سرعت موتور و پمپ را در طول مراحل نگهداری و خنک‌سازی کاهش می‌دهد و سهم نویز سیستم هیدرولیک را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد. کل نویز دستگاه به محدوده ۶۵ تا ۷۲ دسی‌بل (A) کاهش می‌یابد، که این تفاوت بین سطح نویزی است که برای قرار گرفتن در معرض کل شیفت به محافظت شنوایی نیاز دارد و سطحی که در آستانه حد مجاز نظارتی است.

کاهش نویز، صرفه‌جویی مستقیم در هزینه نیست، اما در بازارهایی با مقررات سختگیرانه سر و صدای شغلی (دستورالعمل OSH اتحادیه اروپا 2003/10/EC، US OSHA 29 CFR 1910.95، China GBZ 2.2) که در آن دستگاه‌های چاپ معمولی نیاز به محافظت شنوایی برای اپراتورها دارند، یک مزیت واقعی محسوب می‌شود. هزینه محافظت شنوایی، آزمایش شنوایی‌سنجی و زیرساخت‌های کنترل نویز در کارخانه معمولاً در محاسبه بازگشت سرمایه فقط بر اساس انرژی در نظر گرفته نمی‌شود - اما در یک افق 5 ساله، یک هزینه واقعی است.

دقت و تکرارپذیری

سیستم سروو-هیدرولیک از مزیت دقتی برخوردار است که همیشه در محاسبه بازگشت انرژی ظاهر نمی‌شود، اما در نرخ ضایعات خود را نشان می‌دهد. کنترل فشار حلقه بسته با یک حسگر فشار و یک پمپ با سرعت متغیر، فشار حفره را در محدوده تنگ‌تری نسبت به سیستم پمپ ثابت با شیرهای متناسب نگه می‌دارد. در قطعات با تلرانس کم - نوری، پزشکی، بسته‌بندی - بهبود نرخ ضایعات به تنهایی می‌تواند هزینه حق بیمه سروو را در یک افق ۵ ساله، مستقل از صرفه‌جویی در انرژی، جبران کند.

انجمن مهندسان پلاستیکمقالات فنی در مورد دقت قالب‌گیری تزریقی سروو-هیدرولیک، از جمله تغییرات وزن هر شات به شات دیگر و داده‌های تکرارپذیری ابعادی منتشر می‌کند. مزیت دقت منتشر شده در قطعات با تلرانس‌های ملایم (معمولاً کاهش 10 تا 20 درصدی در تغییرات هر شات به شات دیگر) کم و در قطعات با تلرانس دقیق (کاهش 30 تا 50 درصدی) معنادار است.

جایی که هیدرولیک معمولی هنوز برنده است

پرس هیدرولیک پمپ ثابت معمولی منسوخ نشده است. سه دسته کاربرد هنوز هم از آن استفاده می‌کنند.

• ماشین آلات با تناژ بسیار بالا (بالای ۱۵۰۰ تن).حق بیمه سیستم سروو تقریباً به صورت خطی با قدرت موتور افزایش می‌یابد؛ در تناژ بسیار بالا، حق بیمه مطلق سروو به اندازه‌ای بزرگ می‌شود که دوره بازگشت سرمایه طولانی‌تر می‌شود. برخی از کاربردهای تخصصی با تناژ بالا همچنین به ویژگی‌های پاسخ دینامیکی خاصی نیاز دارند که یک سیستم با سرعت متغیر به اندازه یک سیستم پمپ ثابت با یک انباره بزرگ، آن را به طور واضح ارائه نمی‌دهد.
• کاربردهای چرخه طولانی و پیوسته.اگر پرس یک چرخه ۹۰ ثانیه‌ای را روی یک قطعه با دیواره ضخیم با فاز نگهداری طولانی و عملکرد مداوم سه شیفته اجرا کند، دستگاه سروو همچنان در مصرف انرژی صرفه‌جویی می‌کند اما این صرفه‌جویی‌ها در تعداد چرخه‌های کمتری در سال مستهلک می‌شوند. دوره بازگشت سرمایه افزایش می‌یابد و دستگاه معمولی رقابتی‌تر می‌شود.
• تأسیسات با محدودیت سرمایه.یک کارخانه با بودجه سرمایه‌ای محدود و افق سرمایه‌گذاری کوتاه‌مدت، ممکن است به‌طور منطقی پرس معمولی را صرفاً بر اساس هزینه سرمایه‌ای انتخاب کند، به‌ویژه اگر هزینه برق محلی پایین باشد.

خارج از این سه دسته، سیستم سروو-هیدرولیک بر اساس هزینه کل مالکیت ۵ ساله، انتخاب غالب است. داده‌های بازار این موضوع را تأیید می‌کنند: سهم سروو از نصب پرس‌های جدید در اکثر مناطق و اکثر کلاس‌های تناژ، به استثنای کاربردهای تخصصی تناژ بالا که در بالا ذکر شد، اکثریت است.

ساخت برگه کاری ۵ ساله TCO

مقایسه هزینه کل مالکیت ۵ ساله بین یک پرس سروو هیدرولیک و یک پرس معمولی دارای چهار جزء هزینه است: سرمایه، انرژی، تعمیر و نگهداری و ضایعات/زمان از کار افتادگی. هر کدام به طور متفاوتی محاسبه می‌شوند.

هزینه سرمایه گذاری، قیمت خرید دستگاه به علاوه نصب، حمل و نقل، آموزش و راه اندازی است. حق بیمه سروو، تفاوت بین هزینه سرمایه گذاری دو دستگاه است.

هزینه انرژی، مجموع کیلووات ساعت در طول ۵ سال ضرب در تعرفه برق محلی است. صرفه‌جویی در مصرف انرژی دستگاه سروو برابر است با تفاوت بین انرژی پرس معمولی و انرژی پرس سروو در مدت مشابه.

هزینه نگهداری شامل مجموع قطعات و نیروی کار در طول ۵ سال است. دستگاه سروو معمولاً نیاز به نگهداری کمتری در رابطه با پمپ، دفعات تعویض روغن کمتر و نگهداری خنک‌کننده کمتری دارد. دستگاه معمولی سایش یاتاقان بیشتری در موتور و پمپ و مصرف روغن بیشتری دارد.

هزینه ضایعات و زمان از کارافتادگی، ارزش قطعات از کار افتاده و ارزش تولید از دست رفته در طول زمان از کارافتادگی برنامه‌ریزی نشده است. دستگاه سروو کنترل فشار دقیق‌تر و نرخ ضایعات کمتری دارد؛ دستگاه معمولی نرخ ضایعات بالاتری در قطعات با تلرانس محدود دارد اما هیچ نقصی در قطعات با تلرانس آزاد ندارد.

صرفه‌جویی خالص ۵ ساله دستگاه سروو برابر است با مجموع صرفه‌جویی در انرژی به علاوه صرفه‌جویی در هزینه‌های تعمیر و نگهداری به علاوه صرفه‌جویی در ضایعات/زمان از کارافتادگی، منهای حق بیمه سروو. اگر نتیجه مثبت باشد، دستگاه سروو برنده است. اگر منفی باشد، دستگاه معمولی در یک افق ۵ ساله برنده است.

چارچوب تصمیم‌گیری: پنج سوالی که قبل از مشخص کردن باید بپرسید

برای یک نصب خاص، تصمیم‌گیری در مورد انتخاب سیستم سروو موتور در مقابل سیستم معمولی را می‌توان به پنج سوال کاهش داد.

1. مشخصات چرخه چیست؟مراحل نگهداری طولانی و خنک‌سازی به نفع سروو موتور است. چرخه‌های کوتاه با تقاضای جریان بالا در کل سیستم، سیستم‌های معمولی یا سروو موتور را با اختلاف کمی ترجیح می‌دهند.
2. برنامه عملیاتی چیست؟عملیات پیوسته سه شیفته، صرفه‌جویی در انرژی را افزایش می‌دهد. عملیات تک شیفته با دوره‌های بیکاری طولانی، صرفه‌جویی را کاهش می‌دهد زیرا دستگاه چاپ در بیشتر طول روز خاموش است.
3. هزینه برق محلی چقدر است؟بازارهای با تعرفه بالا (اروپا، ژاپن، بخش عمده‌ای از شرق آسیا) روند بازگشت سرمایه را تسریع می‌کنند. بازارهای با تعرفه پایین (بخش‌هایی از خاورمیانه، آمریکای شمالی با گاز طبیعی فراوان) روند بازگشت سرمایه را کند می‌کنند.
4. تلرانس قطعه چقدر است؟قطعات با تلرانس پایین (پزشکی، اپتیکی، بسته‌بندی‌های خاص) از طریق کاهش ضایعات، مزیت سروو موتور را تقویت می‌کنند. قطعات با تلرانس پایین این بخش از صرفه‌جویی را خنثی می‌کنند.
5. محدودیت سرمایه چیست؟اگر نتوان حق بیمه سرمایه را با نرخ معقولی تأمین مالی کرد، دوره بازگشت سرمایه حتی اگر اقتصاد سطح پروژه مثبت باشد، اهمیت پیدا می‌کند.

برای یک پرس معمولی ۲۵۰ تنی با سیکل ۲۵ ثانیه‌ای که به صورت دو شیفت پیوسته در بازاری با تعرفه متوسط ​​کار می‌کند، بازگشت سرمایه در محدوده ۱۸ تا ۳۶ ماه است. برای یک پرس ۱۰۰ تنی با سیکل ۱۲ ثانیه‌ای که به صورت تک شیفت در بازاری با تعرفه پایین کار می‌کند، بازگشت سرمایه ممکن است تا ۴ سال یا بیشتر ادامه یابد. ویکسبرگه بازگشت سرمایه پروژههر پنج متغیر را در بر می‌گیرد و یک توصیه مختص پروژه ارائه می‌دهد.

سوالات متداول: قالب‌گیری تزریقی هیدرولیک سروو در مقابل قالب‌گیری تزریقی هیدرولیک معمولی