Servohydraulinen vs. perinteinen hydraulinen ruiskuvalu: 5 vuoden kustannusvertailu

Miksi halvempi kone voi maksaa enemmän

Dongguanissa sijaitsevan muovaustehtaan johtaja oli juuri vaihtanut ikääntyvän 250 tonnin perinteisen hydraulisen puristimen upouuteen, saman spesifikaation mukaiseen. Uusi puristin maksoi alle puolet vastaavan servohydraulisen koneen hinnasta. Puolitoista vuotta myöhemmin tehtaan sähkölasku muovaustilassa oli 6 % korkeampi kuin edellisenä vuonna – perinteinen puristin kulutti huomattavasti enemmän energiaa kuin vanhempi, jonka se oli korvannut. Kolmannen vuoden loppuun mennessä perinteisen puristimen kumulatiiviset sähkökustannukset olivat ylittäneet vastaavan servokoneen hintapreemion ennen melun, jäähdytystarpeen ja öljynvaihtovälin huomioon ottamista. Lopulta tehdas jälkiasensi servojärjestelmän olemassa olevaan puristimeen sen vaihtamisen sijaan – ja energiankulutus putosi puoleen ensimmäisen kokonaisen kuukauden aikana.

Valinta servohydraulisen ja perinteisen hydraulisen ruiskuvalun välillä ei ole yksinkertainen "uudempi on parempi" -päätös. Se on viiden vuoden kokonaiskustannuslaskelma, joka riippuu koneen painosta, sykliprofiilista, käyttötunneista ja paikallisista sähkökustannuksista. Tässä artikkelissa käydään läpi tämä laskelma yksityiskohtaisesti – miltä energiavaje todellisuudessa näyttää, miltä huoltovaje näyttää, mistä perinteinen kone ansaitsee edelleen etunsa ja miten luvut lasketaan yhteen tietyssä asennuksessa.

Kuinka perinteinen hydraulinen puristin käyttää voimaa

Perinteinen kiinteäpumppuinen hydraulinen ruiskuvalukone käyttää sähkömoottoria vakionopeudella, ja se on tyypillisesti kytketty suoraan verkkovirtaan ilman taajuusmuuttajaa. Moottori käyttää kiinteätilavuuksista hydraulipumppua – yleensä siipipumppua tai aksiaalimäntäpumppua – joka syöttää vakiovirtauksen hydraulinestettä kuormaan suhteellisella paineella. Koneen suuntaventtiilit, proportionaaliventtiilit ja servoventtiilit moduloivat virtausta ja painetta vastaamaan muotin sulkemis-, ruiskutus-, pito-, plastisointi- ja muotin avausvaiheita syklissä.

Moottori käy täydellä nopeudella koko syklin ajan, jopa silloin, kun hydraulinen kysyntä on pieni. Pitovaiheen aikana – kun osa tarvitsee vain murto-osan huippuvirtauksesta ontelon paineen ylläpitämiseksi – ylimääräinen virtaus ohitetaan varoventtiilin kautta takaisin säiliöön, jolloin energia häviää lämpönä. Jäähdytysvaiheen aikana – kun hydraulista virtausta ei tarvita lainkaan lukuun ottamatta pientä puristusvoimaa – pumppu pyörii edelleen täydellä nopeudella ja käyttää edelleen täyttä tehoa, ja ohitusventtiili poistaa edelleen ylimääräisen virtauksen. Tämä on kiinteäpumppuisen järjestelmän rakenteellinen tehottomuus: moottori ja pumppu käyvät yhdessä toimintapisteessä, ja kaikki ero kyseisen pisteen ja todellisen hydraulisen kysynnän välillä häviää lämpönä.

Lämpö itsessään ei ole ilmaista. Hydrauliöljyä on jäähdytettävä viskositeetin ylläpitämiseksi ja hapettumisen estämiseksi, mikä tarkoittaa, että erillinen öljynjäähdytin (vesijäähdytteinen tai ilmajäähdytteinen) on jatkuvasti käynnissä ja kuluttaa lisätehoa. 250 tonnin tavanomaisen puristimen jäähdytystarve 30 °C:n ympäristön lämpötilassa on huomattava – tyypillisesti 15–25 % koneen sähkönkulutuksesta kolmivuorotyössä.

Miten servohydraulinen järjestelmä käyttää tehoa

Servohydraulinen järjestelmä korvaa vakionopeusmoottorin muuttuvanopeuksisella servomoottorilla – tyypillisesti kestomagneettisynkronimoottorilla (PMSM) – jota käyttää muuttuvataajuusmuuttaja (VFD). Servomoottori säätää moottorin nopeutta vastaamaan hydraulista tarvetta reaaliajassa. Kun sykli on suuren virtauksen vaiheessa (muotin sulkeminen, ruiskutus, plastisointi), moottori kiihtyy suureen nopeuteen. Kun sykli on pienen virtauksen vaiheessa (pito, jäähdytys), moottori hidastuu pieneen nopeuteen, joka juuri ja juuri vastaa todellista hydraulista tarvetta. Kun sykli on levossa (ei liikettä), moottori voi pysähtyä kokonaan tai käydä lähes nollanopeudella.

Tuloksena on, että servohydraulinen kone kuluttaa vain tarvitsemansa tehon syklin jokaisessa vaiheessa. Moottori ei käy vakionopeudella, pumppu ei ohita ylimääräistä virtausta, ja ohitusventtiilin aiheuttama lämmönhukka, joka aiheuttaa perinteisen puristimen tehottomuuden, poistuu suurelta osin.Bosch Rexroth, Yukenja muut hydrauliikkajärjestelmien valmistajat julkaisevat sovellustietoja, joissa vertaillaan servomoottorin ja kiinteän pumpun energiankulutusta; julkaistujen tietojen tyypillinen vaihteluväli on 40–80 %:n energiansäästö osilla, joilla on merkittävät pito- ja jäähdytysvaiheet, ja 20–40 %:n energiansäästö osilla, joilla on lyhyemmät pito- ja jäähdytysvaiheet.

Säästöt eivät ole yhdenmukaisia ​​koko syklin ajan. Suurimmat säästöt saavutetaan jäähdytysvaiheessa (pisin vähäisen kysynnän vaihe useimmissa sykleissä), toiseksi suurimmat pitovaiheessa ja pienimmät ruiskutusvaiheessa (jossa tarvitaan huippuvirtausta ja servojärjestelmä toimii myös huippunopeudella). Tyypillisessä 250 tonnin puristusmuovauksessa, jossa 200 g:n ABS-osaa muovataan 25 sekunnin syklillä, jäähdytysvaihe on noin 50 % syklistä, pitovaihe 15 %, ruiskutus- ja plastisointivaiheet 25 % ja avaus-/sulkemisvaiheet 10 %. Jäähdytysvaiheessa servokone säästää eniten.

Servopalkkio: pääomakustannukset vs. käyttökustannukset

Servohydraulinen ruiskuvalukone maksaa tyypillisesti 30–60 % enemmän kuin vastaava perinteinen kone, jonka paino ja koko ovat samat. Tarkka lisähinta riippuu koneenrakentajasta, servojärjestelmän toimittajasta ja koneen spesifikaatiosta. Edustavan 250 tonnin puristimen servopreemio on nykyisillä markkinoilla viisinumeroinen lisäys – merkittävä, mutta ei mullistava ostoa arvioivalle tehtaanjohtajalle.

Lisämaksu katetaan energiansäästöillä. Takaisinmaksun numeroimiseksi tarvitaan kolme lähtötietoa: energiansäästöt sykliä kohden, syklien määrä vuoroa kohden ja sähkön hinta. Vicksservojärjestelmien tuotelinjaon konfiguroitu siipipumppupohjaisille servojärjestelmille ruiskuvalussa, ja järjestelmätason energiansäästöt ovat julkaistulla alueella. 250 tonnin koneella, jonka sykli on 25 sekuntia ja joka toimii 6 000 tuntia vuodessa (noin kaksi vuoroa jatkuvasti), vuotuiset sähkönsäästöt ovat merkittävällä tasolla – riittävän suuria maksamaan servolaitteen hinnan takaisin ensimmäisten 18–36 käyttökuukauden aikana paikallisesta sähkötariffista riippuen.

MuoviuutisetjaMuoviteknologiaovat julkaisseet usean vuoden tutkimustiedot, jotka osoittavat, että servohydrauliset koneet hallitsevat nyt uusien puristimien myyntiä 50–800 tonnin luokassa Pohjois-Amerikassa, Euroopassa ja Itä-Aasiassa, kun taas perinteiset puristimet rajoittuvat yhä enemmän tiettyihin suuren tonnimäärän ja erikoissovelluksiin. Markkinoiden muutos itsessään on osoitus takaisinmaksulaskelmasta: jos servopreemiota ei olisi saatu takaisin kolmen vuoden horisontilla, markkinat eivät olisi muuttuneet.

Kunnossapito: Missä kaksi järjestelmää eroavat toisistaan

Servohydraulisen järjestelmän huoltoprofiili eroaa perinteisen puristimen huoltoprofiilista kolmella osa-alueella.

Ensinnäkin servomoottori itsessään vaatii vähemmän huoltoa kuin vastaavan tehoinen oikosulkumoottori – siinä ei ole harjoja, liukurenkaita, eikä kestomagneettiroottori vaadi herätevirtaa. VFD:llä on oma huoltoprofiilinsa (jäähdytyspuhaltimet, elektrolyyttikondensaattorit, joiden käyttöikä on 8–12 vuotta), mutta moottorin itse aktiiviset komponentit on suunniteltu pitkää käyttöikää varten ilman määräaikaista huoltoa.

Toiseksi, servojärjestelmän hydraulipumppu käy vaihtelevalla nopeudella ja tyypillisesti alhaisemmalla keskimääräisellä kierrosluvulla kuin kiinteällä pumpulla perinteisessä puristimessa. Alhaisempi keskimääräinen kierrosluku tarkoittaa pienempää laakerin kulumista, vähäisempää lämpösykliä ja pidempää tiivisteiden käyttöikää. Kenttätiedot julkaissutMuotinvalmistustekniikkaja useat hydraulipumppujen toimittajat osoittavat johdonmukaisesti, että muuttuvanopeuksisissa siivikippipumpuissa on huomattavasti pidempi käyttöikä kuin samoissa kiinteänopeuksisissa siivikippipumpuissa vastaavassa puristimessa.

Kolmanneksi, servohydraulisen puristimen öljynjäähdytin käy harvemmin jatkuvasti, koska ohitusventtiilin lämmönhukka vähenee. Jäähdyttimen tuuletin tai jäähdytysvesipumppu käynnistyy ja sammuu öljyn todellisen lämpötilan perusteella sen sijaan, että se kävisi jatkuvasti. Lyhyempi jäähdyttimen käyntiaika tarkoittaa pienempää jäähdyttimen huoltotarvetta ja pienempää loisvirrankulutusta jäähdytysjärjestelmästä.

Perinteisessä puristimessa sitä vastoin moottorin ja pumpun laakerit kuluvat enemmän, tiivisteet on vaihdettava useammin ja öljyyn kohdistuu suurempi lämpörasitus, mikä kiihdyttää öljyn hapettumista ja lyhentää öljynvaihtoväliä. Kolmivuoroisessa tavanomaisessa puristimessa öljynvaihtoväli on tyypillisesti 4 000 tuntia; samalla käyttöjaksolla toimivassa servohydraulisessa puristimessa väli on 6 000–8 000 tuntia. Öljyn hinta viiden vuoden aikana on merkittävä – 250 tonnin puristimeen mahtuu 400–600 litraa hydrauliöljyä, ja öljyn ja kunkin vaihdon hävityskustannukset ovat monilla markkinoilla nelinumeroinen summa.

Melu ja työympäristö

Perinteinen puristin käyttää moottoria ja pumppua jatkuvasti täydellä nopeudella, mikä tuottaa tasaisen akustisen ominaisuuden käyttäjän työpaikalla 78–85 dB(A):n alueella. Servohydraulinen puristin laskee moottorin ja pumpun nopeutta pito- ja jäähdytysvaiheiden aikana, mikä vähentää hydraulijärjestelmän melutasoa merkittävästi. Koneen kokonaismelutaso laskee 65–72 dB(A):n alueelle, joka on ero koko työvuoron kuulonsuojaimia vaativan melutason ja säädetyn raja-arvon kynnysarvon välillä.

Melun vähentäminen ei ole suora kustannussäästö, mutta se on todellinen etu markkinoilla, joilla on tiukat työperäisen melun määräykset (EU:n työsuojeludirektiivi 2003/10/EY, Yhdysvaltain OSHA 29 CFR 1910.95, Kiinan GBZ 2.2) ja joilla perinteinen puristin edellyttää kuulonsuojaimia käyttäjille. Kuulonsuojainten, audiometristen testien ja tehtaan melunhallintainfrastruktuurin kustannuksia ei yleensä oteta huomioon energiatehokkuuden laskennassa – mutta ne ovat todellinen kustannus viiden vuoden aikajänteellä.

Tarkkuus ja toistettavuus

Servohydraulisella järjestelmällä on tarkkuusetu, joka ei aina näy energian takaisinmaksulaskelmissa, mutta näkyy romuprosentissa. Suljetun silmukan paineensäätö paineanturilla ja muuttuvanopeuksisella pumpulla pitää ontelon paineen tiukemmalla alueella kuin kiinteästi toimiva pumppujärjestelmä proportionaaliventtiileillä. Tiukan toleranssin omaavilla osilla – optisilla, lääketieteellisillä, pakkausmateriaaleilla – pelkkä romuprosentin parannus voi kattaa servomoottorin lisäarvon viiden vuoden horisontilla energiansäästöistä riippumatta.

Muovi-insinöörien yhdistysjulkaisee teknisiä artikkeleita servohydraulisen ruiskuvalun tarkkuudesta, mukaan lukien laukausten välisen painonvaihtelun ja mittatoistettavuuden tiedot. Julkaistu tarkkuushyöty on pieni osilla, joilla on rennot toleranssit (tyypillisesti 10–20 %:n vähennys laukausten välisessä vaihtelussa) ja merkittävä osilla, joilla on tiukat toleranssit (30–50 %:n vähennys).

Missä perinteinen hydrauliikka edelleen voittaa

Perinteinen kiinteäpumppuinen hydraulipuristin ei ole vanhanaikainen. Kolme sovellusluokkaa suosii sitä edelleen.

• Erittäin painavat koneet (yli 1 500 tonnia).Servojärjestelmän preemio skaalautuu karkeasti lineaarisesti moottorin tehon kanssa; erittäin suurilla tonnimäärillä absoluuttinen servopreemio tulee niin suureksi, että takaisinmaksuaika pitenee. Jotkut erikoiskäyttöön tarkoitetut suuren tonnimäärän sovellukset vaativat myös erityisiä dynaamisia vasteominaisuuksia, joita muuttuvanopeuksinen järjestelmä ei tarjoa yhtä puhtaasti kuin kiinteän pumpun järjestelmä, jossa on suuri paineakku.
• Pitkäkestoiset, jatkuvakäyttöiset sovellukset.Jos puristin suorittaa 90 sekunnin syklin paksuseinäiselle osalle pitkällä pitovaiheella ja jatkuvalla kolmivuorokäytöllä, servokone säästää edelleen energiaa, mutta säästöt kuolevat pienemmässä määrässä syklejä vuodessa. Takaisinmaksuaika pitenee ja perinteisestä koneesta tulee kilpailukykyisempi.
• Pääomarajoitteiset asennukset.Rajallisen pääomabudjetin ja lyhyen investointihorisontin omaava laitos voi rationaalisesti valita perinteisen puristimen pelkästään pääomakustannusten perusteella, varsinkin jos paikalliset sähkön kustannukset ovat alhaiset.

Näiden kolmen kategorian ulkopuolella servohydraulinen järjestelmä on hallitseva valinta viiden vuoden kokonaiskustannusten perusteella. Markkinatiedot vahvistavat tämän: servomoottorien osuus uusista puristimista on enemmistö useimmilla alueilla ja useimmissa tonniluokissa, lukuun ottamatta edellä mainittuja suuren tonnimäärän erikoissovelluksia.

5 vuoden kokonaiskustannuslaskennan laatiminen

Servohydraulisen ja perinteisen puristimen viiden vuoden kokonaiskustannusten vertailussa on neljä kustannuskomponenttia: pääoma, energia, kunnossapito ja romu/seisokkiaika. Jokainen lasketaan eri tavalla.

Pääomakustannukset ovat koneen ostohinta sekä asennus-, rahti-, koulutus- ja käyttöönottokustannukset. Servopreemio on kahden koneen pääomakustannusten erotus.

Energiakustannus on viiden vuoden aikana kertyneiden kWh-arvo kerrottuna paikallisella sähkötariffilla. Servokoneen energiansäästö on perinteisen puristimen energian ja servopuristimen energian välinen erotus samalla ajanjaksolla.

Ylläpitokustannukset ovat osien ja työn kumulatiiviset kustannukset viiden vuoden ajalta. Servomoottorilla on tyypillisesti vähemmän pumppuun liittyvää huoltoa, pienempi öljynvaihtoväli ja pienempi jäähdyttimen huoltotarve. Perinteisellä moottorilla ja pumpulla on suurempi laakerien kuluminen ja suurempi öljynkulutus.

Hylky- ja seisokkikustannukset ovat romutettujen osien arvo ja suunnittelemattomien seisokkiaikojen aikana menetettyjen tuotantomäärien summa. Servokoneella on tiukempi paineensäätö ja alhaisempi hylkyprosentti; perinteisellä koneella on korkeampi hylkyprosentti tiukan toleranssin omaavilla osilla, mutta ei haittaa väljemmän toleranssin omaavilla osilla.

Servokoneen viiden vuoden nettosäästöt ovat energiansäästöjen, kunnossapidon säästöjen ja romu-/seisokkiaikasäästöjen summa, josta on vähennetty servopreemio. Jos tulos on positiivinen, servokone voittaa. Jos negatiivinen, perinteinen kone voittaa viiden vuoden horisontilla.

Päätöksentekokehys: Viisi kysymystä, jotka kannattaa kysyä ennen määrittelyä

Tietyssä asennuksessa servo- vs. perinteinen -päätös voidaan supistaa viiteen kysymykseen.

1. Mikä on sykliprofiili?Pitkät pito- ja jäähdytysvaiheet suosivat servomoottoria. Lyhyet syklit, joissa tarvitaan paljon virtausta, suosivat perinteistä tai servomoottoria lähes ilman merkittäviä eroja.
2. Mikä on toiminta-aikataulu?Jatkuva kolmivuorotyöskentely tehostaa energiansäästöjä. Yksivuorotyöskentely pitkine seisokkiaikoineen laimentaa säästöjä, koska puristin on pois päältä suurimman osan päivästä.
3. Mikä on paikallinen sähkön hinta?Korkean tullin markkinat (Eurooppa, Japani, suuri osa Itä-Aasiasta) nopeuttavat takaisinmaksua. Alhaisen tullin markkinat (osat Lähi-idästä, Pohjois-Amerikka, joilla on runsaasti maakaasua) hidastavat takaisinmaksua.
4. Mikä on osan toleranssi?Tiukan toleranssin omaavat osat (lääketieteelliset, optiset, tietyt pakkausmateriaalit) vahvistavat servomoottorien etuja pienemmän romun ansiosta. Löyhämmän toleranssin omaavat osat neutraloivat tämän säästökomponentin.
5. Mikä on pääomarajoite?Jos pääomapreemiota ei voida rahoittaa kohtuullisella korolla, takaisinmaksuajalla on merkitystä, vaikka projektitason taloustiedot olisivatkin positiivisia.

Tyypillisellä 250 tonnin puristimella, joka käyttää 25 sekunnin sykliä kahdessa vuorossa jatkuvassa käytössä kohtuuhintaisilla markkinoilla, takaisinmaksuaika on 18–36 kuukautta. 100 tonnin puristimella, joka käyttää 12 sekunnin sykliä yhdessä vuorossa alhaisen tariffin markkinoilla, takaisinmaksuaika voi olla neljä vuotta tai enemmän. Vicksprojektin takaisinmaksutaulukkosisältää kaikki viisi muuttujaa ja tuottaa projektikohtaisen suosituksen.

Usein kysytyt kysymykset: Servo vs. perinteinen hydraulinen ruiskuvalu