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

Zašto jeftiniji stroj može koštati više

Voditelj tvornice kalupa u Dongguanu upravo je zamijenio staru konvencionalnu hidrauličnu prešu od 250 tona potpuno novom istih specifikacija. Zamjenska preša koštala je manje od polovice cijene ekvivalentnog servo-hidrauličkog stroja. Osamnaest mjeseci kasnije, račun za struju tvornice na kalupu bio je 6% veći nego godinu prije - konvencionalna preša trošila je znatno više energije od starije koju je zamijenila. Do kraja treće godine, kumulativni trošak električne energije konvencionalne preše premašio je premiju cijene ekvivalentnog servo stroja, prije uračunavanja buke, potrebe za hlađenjem i intervala izmjene ulja. Tvornica je na kraju naknadno ugradila servo sustav u postojeću prešu umjesto da je zamijeni - i potrošnja energije pala je za polovicu unutar prvog punog mjeseca.

Izbor između servo-hidrauličkog i konvencionalnog hidrauličkog injekcijskog prešanja nije jednostavna odluka "novije je bolje". To je izračun ukupnih troškova vlasništva za 5 godina koji ovisi o tonaži stroja, profilu ciklusa, radnim satima i lokalnoj cijeni električne energije. Ovaj članak detaljno prolazi kroz taj izračun - kako zapravo izgleda energetski jaz, kako izgleda jaz u održavanju, gdje konvencionalni stroj još uvijek zarađuje svoju premiju i kako sastaviti brojke za određenu instalaciju.

Kako konvencionalna hidraulična preša koristi snagu

Konvencionalni hidraulički stroj za brizganje plastike s fiksnom pumpom pokreće elektromotor konstantnom brzinom, obično izravno spojen na električnu mrežu bez pogona s promjenjivom frekvencijom. Motor pokreće hidrauličku pumpu fiksnog protoka - obično krilnu pumpu ili aksijalnu klipnu pumpu - koja isporučuje konstantan protok hidraulične tekućine pod tlakom proporcionalnim opterećenju. Usmjerni ventili stroja, proporcionalni ventili i servo ventili moduliraju protok i tlak kako bi se uskladili s fazama zatvaranja kalupa, ubrizgavanja, zadržavanja, plastificiranja i otvaranja kalupa u ciklusu.

Motor radi punom brzinom tijekom cijelog ciklusa, čak i kada je hidraulički zahtjev nizak. Tijekom faze zadržavanja - kada dijelu treba samo djelić vršnog protoka za održavanje tlaka u šupljini - višak protoka se premošći kroz sigurnosni ventil natrag u spremnik, rasipajući energiju kao toplinu. Tijekom faze hlađenja - kada uopće nije potreban hidraulički protok osim male količine stezne tonaže - pumpa se i dalje okreće punom brzinom, i dalje vuče punu snagu, a premosni ventil i dalje ispušta višak protoka. To je strukturna neučinkovitost sustava s fiksnom pumpom: motor i pumpa rade u jednoj radnoj točki, a svaka neusklađenost između te točke i stvarnog hidrauličkog zahtjeva gubi se kao toplina.

Sama toplina nije besplatna. Hidraulično ulje mora se 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 preše od 250 tona u okruženju s temperaturom od 30 °C je znatna - obično u rasponu od 15-25 % električne ulazne snage stroja pri radu u tri smjene.

Kako servo-hidraulički sustav koristi snagu

Servo-hidraulički sustav zamjenjuje motor konstantne brzine servo motorom promjenjive brzine - obično sinkronim motorom s permanentnim magnetom (PMSM) - pokretanim pogonom promjenjive frekvencije (VFD). Servo pogon kontrolira brzinu motora kako bi se prilagodio hidrauličkom zahtjevu 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 stvarni hidraulički zahtjev. Kada je ciklus u mirovanju (bez kretanja), motor se može potpuno zaustaviti ili raditi brzinom gotovo nulom.

Rezultat je da servo-hidraulički stroj crpi samo onu snagu koja mu je potrebna za svaku fazu ciklusa. Motor ne radi konstantnom brzinom, pumpa ne premošćuje višak protoka, a rasipanje topline premosnog ventila koje definira neučinkovitost konvencionalne preše uvelike se eliminira.Bosch Rexroth, Juken, a drugi proizvođači hidrauličnih sustava objavljuju bilješke o primjeni s usporedbama izmjerene potrošnje energije servo pumpi u odnosu na fiksne pumpe; tipičan raspon objavljenih podataka je 40–80 % smanjenja energije na dijelovima sa značajnim fazama zadržavanja i hlađenja te 20–40 % smanjenja na dijelovima s kraćim fazama zadržavanja i hlađenja.

Uštede nisu jednolike tijekom cijelog ciklusa. Najveće uštede su u fazi hlađenja (najduža faza s niskim opterećenjem u većini ciklusa), druga najveća u fazi zadržavanja, a najmanje u fazi ubrizgavanja (gdje je potreban vršni protok i servo sustav također radi s vršnim opterećenjem). Kod tipičnog prešanja od 250 tona, dijela od 200 g ABS-a s ciklusom od 25 sekundi, faza hlađenja iznosi otprilike 50% ciklusa, faza zadržavanja 15%, faze ubrizgavanja i plastificiranja 25%, a faze otvaranja/zatvaranja 10%. Faza hlađenja je mjesto gdje servo stroj ostvaruje najveće uštede.

Servo Premium: Kapitalni trošak u odnosu na operativni trošak

Servo-hidraulički stroj za brizganje plastike obično košta 30–60 % više od ekvivalentnog konvencionalnog stroja iste tonaže i veličine sačme. Točna premija ovisi o proizvođaču stroja, dobavljaču servo sustava i specifikaciji stroja. Za reprezentativnu prešu od 250 tona, premija servo sustava na trenutnom tržištu je peteroznamenkasti porast - značajan, ali ne i transformativan za voditelja pogona koji procjenjuje kupnju.

Premija se nadoknađuje kroz uštedu energije. Za izračun povrata uloženog, potrebna su tri ulazna podatka: ušteda energije po ciklusu, broj ciklusa po smjeni i trošak električne energije. Vickslinija proizvoda servo sustavakonfiguriran je za servo sustave temeljene na krilnim pumpama za primjene injekcijskog prešanja, s uštedama energije na razini sustava u objavljenom rasponu. Za stroj od 250 tona s ciklusom od 25 sekundi koji radi 6000 sati godišnje (otprilike dvosmjenski kontinuirano), godišnja ušteda električne energije pada u značajan raspon - dovoljno velika da otplati premiju servo motora unutar prvih 18-36 mjeseci rada, ovisno o lokalnoj tarifi električne energije.

Vijesti o plasticiiTehnologija plastikeobjavili su višegodišnje podatke istraživanja koji pokazuju da servo-hidraulički strojevi sada dominiraju prodajom novih preša u rasponu od 50 do 800 tona diljem Sjeverne Amerike, Europe i Istočne Azije, dok su konvencionalne preše 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 strojeva nije oporavila u roku od 3 godine, tržište se ne bi promijenilo.

Održavanje: Gdje se dva sustava razilaze

Profil održavanja servo-hidrauličkog sustava razlikuje se od konvencionalne preše u tri područja.

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

Drugo, hidraulična pumpa u servo sustavu radi promjenjivom brzinom i obično s nižim prosječnim brojem okretaja u minuti od fiksne pumpe na konvencionalnoj preši. Niži prosječni broj okretaja u minuti znači manje trošenje ležajeva, manje termičke cikluse i dulji vijek trajanja brtve. Podaci s terena objavljeni od straneTehnologija izrade kalupai razni dobavljači hidrauličnih pumpi dosljedno pokazuju da krilne pumpe u radu s promjenjivom brzinom imaju znatno dulji vijek trajanja od iste krilne pumpe u radu s fiksnom brzinom na usporedivoj preši.

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

Konvencionalna preša, nasuprot tome, ima veće trošenje ležajeva na motoru i pumpi, češću zamjenu brtvi i veće toplinsko opterećenje ulja što ubrzava oksidaciju ulja i skraćuje interval izmjene ulja. Na konvencionalnoj preši s tri smjene, interval izmjene ulja obično je 4000 sati; na servo-hidrauličnoj preši s istim radnim ciklusom, interval se produžuje na 6000-8000 sati. Trošak ulja tijekom 5-godišnjeg razdoblja je značajan - preša od 250 tona sadrži 400-600 litara hidrauličkog ulja, a ulje plus trošak zbrinjavanja pri svakoj izmjeni iznosi četveroznamenkasti iznos na mnogim tržištima.

Buka i radno okruženje

Konvencionalna preša neprestano pokreće motor i pumpu punom brzinom, stvarajući stalan akustični potpis u rasponu od 78–85 dB(A) na operaterskoj stanici. Servo-hidraulična preša smanjuje brzinu motora i pumpe tijekom faza zadržavanja i hlađenja, značajno smanjujući doprinos buci iz hidrauličkog sustava. Ukupna buka stroja pada na raspon od 65–72 dB(A), što je razlika između razine buke koja zahtijeva zaštitu sluha za izloženost tijekom cijele smjene i one koja je na pragu regulatorne granice.

Smanjenje buke nije izravna ušteda troškova, ali je stvarna korist na tržištima sa strogim propisima o buci na radu (Direktiva EU o sigurnosti i zdravlju na radu 2003/10/EZ, US OSHA 29 CFR 1910.95, China GBZ 2.2) gdje konvencionalna preša 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 u petogodišnjem horizontu.

Preciznost i ponovljivost

Servohidraulički sustav ima prednost u preciznosti koja se ne pojavljuje uvijek u izračunu povrata energije, ali se pokazuje u stopi otpada. Zatvorena petlja regulacije tlaka sa senzorom tlaka i pumpom s promjenjivom brzinom drži tlak u šupljini unutar užeg raspona nego sustav s fiksnom pumpom s proporcionalnim ventilima. Na dijelovima s uskim tolerancijama - optičkim, medicinskim, pakiranjem - samo poboljšanje stope otpada može pokriti premiju servo motora tijekom 5 godina, neovisno o uštedi energije.

Društvo inženjera plastikeobjavljuje tehničke radove o preciznosti servo-hidrauličkog injekcijskog prešanja, 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 preša s fiksnom pumpom nije zastarjela. Tri kategorije primjene i dalje joj idu u prilog.

• Strojevi vrlo velike tonaže (iznad 1500 tona).Premija servo sustava skalira se otprilike linearno sa snagom motora; pri vrlo velikoj tonaži, apsolutna premija servo sustava postaje dovoljno velika da se razdoblje povrata ulaganja produžuje. Neke specijalizirane primjene s velikom tonažom također zahtijevaju specifične karakteristike dinamičkog odziva koje sustav s promjenjivom brzinom ne isporučuje tako čisto kao sustav s fiksnom pumpom i velikim akumulatorom.
• Dugociklične, kontinuirane primjene.Ako preša izvodi 90-sekundni ciklus na dijelu s debelim stijenkama s dugom fazom zadržavanja i kontinuiranim radom u tri smjene, servo stroj i dalje štedi energiju, ali se uštede amortiziraju tijekom manjeg broja ciklusa godišnje. Razdoblje povrata ulaganja se produžuje, a konvencionalni stroj postaje konkurentniji.
• Instalacije s ograničenim kapitalom.Tvornica s ograničenim kapitalnim proračunom i kratkim investicijskim horizontom može racionalno odabrati konvencionalnu prešu samo na temelju kapitalnih troškova, posebno ako je lokalna cijena električne energije niska.

Izvan ove tri kategorije, servo-hidraulički sustav je dominantan izbor na temelju ukupnih petogodišnjih troškova vlasništva. Tržišni podaci to potvrđuju: udio servo motora u novim instalacijama preša je većinski u većini regija i većini tonažnih klasa, s izuzetkom gore navedenih specijaliziranih primjena za velike tonaže.

Izrada 5-godišnjeg radnog lista za TCO

Petogodišnja usporedba ukupnih troškova vlasništva između servohidraulične i konvencionalne preše ima četiri komponente troškova: kapital, energiju, održavanje i otpad/zastoje. Svaka se izračunava drugačije.

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

Trošak energije je kumulativni kWh tijekom 5 godina, pomnožen s lokalnom tarifom električne energije. Ušteda energije servo stroja je razlika između energije konvencionalne preše i energije servo preše tijekom istog razdoblja.

Trošak održavanja je kumulativni trošak dijelova i rada tijekom 5 godina. Servo stroj obično ima manje održavanja vezanog uz pumpu, rjeđu učestalost izmjene ulja i manje održavanja hladnjaka. Konvencionalni stroj ima veće trošenje ležajeva na motoru i pumpi te veću potrošnju ulja.

Trošak otpada i zastoja je vrijednost otpadnih dijelova i vrijednost izgubljene proizvodnje tijekom neplaniranog zastoja. Servo stroj ima strožu kontrolu tlaka i nižu stopu otpada; konvencionalni stroj ima veću stopu otpada na dijelovima s uskim tolerancijama, ali nema nedostataka na dijelovima s labavijim tolerancijama.

Petogodišnja neto ušteda servo stroja je zbroj uštede energije plus uštede na održavanju plus uštede na otpadu/zastojima, minus premija servo stroja. Ako je rezultat pozitivan, servo stroj pobjeđuje. Ako je negativan, konvencionalni stroj pobjeđuje u petogodišnjem horizontu.

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

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

1. Kakav je profil ciklusa?Duge faze zadržavanja i hlađenja pogoduju servo motorima. Kratki ciklusi s visokim protokom pogoduju konvencionalnim ili servo motorima s malom razlikom.
2. Kakav je operativni raspored?Kontinuirani rad u tri smjene povećava uštedu energije. Rad u jednoj smjeni s dugim razdobljima mirovanja smanjuje uštedu jer je preša isključena veći dio dana.
3. Kolika je lokalna cijena električne energije?Tržišta s visokim tarifama (Europa, Japan, veći dio istočne Azije) ubrzavaju povrat ulaganja. Tržišta s niskim tarifama (dijelovi Bliskog istoka, Sjeverna Amerika s obilnim prirodnim plinom) usporavaju povrat ulaganja.
4. Kolika je tolerancija dijela?Dijelovi s uskom tolerancijom (medicinski, optički, određena ambalaža) pojačavaju prednost servo motora kroz manji otpad. Dijelovi s opuštenom tolerancijom neutraliziraju ovu komponentu uštede.
5. Što je kapitalno ograničenje?Ako se kapitalna premija ne može financirati po razumnoj stopi, razdoblje povrata je važno čak i ako je ekonomija na razini projekta pozitivna.

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

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