Szervóhidraulikus vs. hagyományos hidraulikus fröccsöntés: 5 éves költség-összehasonlítás

Miért kerülhet többe az olcsóbb gép?

Egy dongguani fröccsöntőüzem vezetője nemrég cserélt le egy elöregedett, 250 tonnás hagyományos hidraulikus présgépet egy vadonatúj, ugyanolyan specifikációjú gépre. A csereprés kevesebb mint felébe került egy hasonló szervo-hidraulikus gép árának. Tizennyolc hónappal később az üzem villanyszámlája a fröccsöntőüzemben 6%-kal magasabb volt, mint egy évvel korábban – a hagyományos présgép érezhetően több energiát fogyasztott, mint a régebbi, amelyet lecserélt. A harmadik év végére a hagyományos présgép összesített villamosenergia-költsége meghaladta az egyenértékű szervo-gép árprémjét, a zajszint, a hűtési igény és az olajcsere-intervallum figyelembevétele előtt. Az üzem végül egy szervorendszert szerelt a meglévő présgépre ahelyett, hogy kicserélte volna – és az energiafogyasztás az első teljes hónapon belül a felére csökkent.

A szervohidraulikus és a hagyományos hidraulikus fröccsöntés közötti választás nem egy egyszerű „minél újabb, annál jobb” döntés. Ez egy 5 éves teljes birtoklási költség számítása, amely a gép súlyától, a ciklusprofiltól, az üzemóráktól és a helyi áramköltségtől függ. Ez a cikk részletesen bemutatja ezt a számítást – hogyan néz ki valójában az energiahiány, hogyan néz ki a karbantartási hiány, hol éri el még a prémium árat a hagyományos gép, és hogyan kell összeadni a számokat egy adott telepítés esetén.

Hogyan használja fel az energiát egy hagyományos hidraulikus prés?

Egy hagyományos, fix szivattyús hidraulikus fröccsöntőgép állandó sebességű villanymotort hajtott, amely jellemzően közvetlenül a hálózatra volt csatlakoztatva, változtatható frekvenciájú hajtás nélkül. A motor egy fix térfogatú hidraulikus szivattyút – általában lapátos vagy axiális dugattyús szivattyút – hajt, amely állandó áramlású hidraulikafolyadékot szállít a terheléssel arányos nyomáson. A gép irányító szelepei, arányos szelepei és szervoszelepei modulálják az áramlást és a nyomást, hogy illeszkedjenek a ciklus formazárási, fröccsöntési, tartási, lágyító és formanyitási fázisaihoz.

A motor teljes fordulatszámon jár a ciklus alatt, még alacsony hidraulikus igény esetén is. A tartási fázisban – amikor az alkatrésznek a csúcsáramlásnak csak töredékére van szüksége az üregnyomás fenntartásához – a felesleges áramlást egy biztonsági szelepen keresztül visszavezetik a tartályba, hőként elvezetve az energiát. A hűtési fázisban – amikor egyáltalán nincs szükség hidraulikus áramlásra, kivéve egy kis mennyiségű szorítóerőt – a szivattyú továbbra is teljes fordulatszámon forog, továbbra is teljes teljesítményt vesz fel, és a megkerülő szelep továbbra is elvezeti a felesleges áramlást. Ez a fix szivattyús rendszer szerkezeti hatástalansága: a motor és a szivattyú egy működési ponton jár, és az adott pont és a tényleges hidraulikus igény közötti bármilyen eltérés hőként vész el.

Maga a hő nem ingyenes. A hidraulikaolajat hűteni kell a viszkozitás fenntartása és az oxidáció megakadályozása érdekében, ami azt jelenti, hogy egy külön olajhűtő (vízhűtéses vagy léghűtéses) folyamatosan működik, további energiát fogyasztva. Egy 250 tonnás hagyományos présgép hűtési igénye 30 °C-os környezeti hőmérsékleten jelentős – jellemzően a gép elektromos bemenetének 15–25%-a három műszakos üzemben.

Hogyan használja fel a szervohidraulikus rendszer az energiát?

Egy szervohidraulikus rendszer az állandó sebességű motort egy változtatható sebességű szervomotorral – jellemzően állandó mágneses szinkronmotorral (PMSM) – helyettesíti, amelyet egy változtatható frekvenciájú hajtás (VFD) hajt. A szervohajtás a motor fordulatszámát valós időben a hidraulikus igénynek megfelelően szabályozza. Amikor a ciklus nagy áramlási fázisban van (formazárás, fröccsöntés, lágyítás), a motor nagy sebességre gyorsul. Amikor a ciklus alacsony áramlási fázisban van (tartás, hűtés), a motor olyan alacsony sebességre lassul le, amely éppen kielégíti a tényleges hidraulikus igényt. Amikor a ciklus nyugalmi állapotban van (nincs mozgás), a motor teljesen leállhat, vagy közel nulla sebességgel működhet.

Az eredmény az, hogy a szervohidraulikus gép csak a ciklus minden fázisához szükséges energiát veszi fel. A motor nem állandó fordulatszámon jár, a szivattyú nem kerüli el a felesleges áramlást, és a bypass szelep hőelvezetése, amely a hagyományos présgépek hatástalanságát okozza, nagyrészt megszűnik.Bosch Rexroth, Yuken, és más hidraulikus rendszergyártók alkalmazási megjegyzéseket tesznek közzé, amelyekben összehasonlítják a szervomotoros és a fix szivattyús rendszerek energiafogyasztását; a közzétett adatok tipikus tartománya 40–80%-os energiamegtakarítás a jelentős tartási és hűtési fázisú alkatrészeknél, valamint 20–40%-os csökkenés a rövidebb tartási és hűtési fázisú alkatrészeknél.

A megtakarítás nem egyenletes a ciklus során. A legnagyobb megtakarítás a hűtési fázisban jelentkezik (a legtöbb ciklusban a leghosszabb, alacsony igényű fázis), a második legnagyobb a tartási fázisban, a legkisebb pedig a befecskendezési fázisban (ahol csúcsáramlásra van szükség, és a szervorendszer is csúcson működik). Egy tipikus 250 tonnás, 200 g-os ABS alkatrész 25 másodperces ciklussal történő préselésekor a hűtési fázis a ciklus nagyjából 50%-át, a tartási fázis 15%-át, a befecskendezési és lágyító fázisok 25%-át, a nyitási/zárási fázisok pedig 10%-át teszi ki. A hűtési fázisban takarítja meg a szervogép a legtöbbet.

A szervoprémium: Tőkeköltség vs. Üzemeltetési költség

Egy szervohidraulikus fröccsöntőgép jellemzően 30–60%-kal drágább, mint egy hasonló kapacitású és méretű hagyományos gép. A pontos felár a gépgyártótól, a szervorendszer szállítójától és a gép specifikációjától függ. Egy reprezentatív 250 tonnás prés esetében a szervoprén-felár a jelenlegi piacon ötszámjegyű növekedés – ami jelentős, de nem átalakító jelentőségű egy üzemvezető számára a vásárlás értékelésekor.

A prémiumot az energiamegtakarításon keresztül térítik meg. A megtérülés számszerűsítéséhez három bemenetre van szükség: a ciklusonkénti energiamegtakarításra, a műszakonkénti ciklusok számára és az áramköltségre. A Vicks családszervorendszer termékcsaládfröccsöntési alkalmazásokban használt lapátos szivattyú alapú szervorendszerekhez van konfigurálva, a közzétett tartományon belüli rendszerszintű energiamegtakarítással. Egy 250 tonnás gép esetében, amely 25 másodperces ciklusonként évi 6000 órát üzemel (nagyjából két műszakban folyamatosan), az éves árammegtakarítás jelentős tartományba esik – elég nagy ahhoz, hogy a szervoprén árat az üzem első 18–36 hónapján belül megtérüljön, a helyi áramtarifától függően.

Műanyag hírekésMűanyagtechnológiaközzétett többéves felmérési adatokat, amelyek azt mutatják, hogy a szervohidraulikus gépek ma már dominálják az új présgépek eladásait az 50-800 tonnás tartományban Észak-Amerikában, Európában és Kelet-Ázsiában, míg a hagyományos prések egyre inkább a nagy tonnatartalmú és speciális alkalmazásokra korlátozódnak. A piaci eltolódás önmagában is a megtérülési matematikát jelzi: ha a szervoprén-prés nem térülne meg 3 éves időhorizonton, a piac nem változott volna meg.

Karbantartás: Ahol a két rendszer elválik

Egy szervohidraulikus rendszer karbantartási profilja három területen tér el egy hagyományos présgépétől.

Először is, maga a szervomotor kevesebb karbantartást igényel, mint egy azonos teljesítményű indukciós motor – nincsenek kefék, nincsenek csúszógyűrűk, és az állandó mágneses rotor nem igényel gerjesztőáramot. A frekvenciaváltónak (VFD) saját karbantartási profilja van (hűtőventilátorok, 8–12 éves élettartamú elektrolitkondenzátorok), de maga a motor aktív alkatrészei hosszú élettartamra vannak tervezve, tervezett karbantartás nélkül.

Másodszor, a szervorendszerben lévő hidraulikus szivattyú változó sebességgel és jellemzően alacsonyabb átlagos fordulatszámon működik, mint egy fix szivattyú egy hagyományos présen. Az alacsonyabb átlagos fordulatszám kisebb csapágykopást, kevesebb hőciklust és hosszabb tömítés-élettartamot jelent. A terepi adatokat a következő tette közzé:Formázási technológiaés a különböző hidraulikus szivattyú beszállítók következetesen azt mutatják, hogy a változó sebességű üzemben lévő lapátos szivattyúk élettartama jelentősen hosszabb, mint ugyanazon lapátos szivattyúé fix sebességű üzemben egy hasonló présen.

Harmadszor, a szervohidraulikus prés olajhűtője kevésbé folyamatosan működik, mivel a bypass szelep hőelvezetése csökken. A hűtőventilátor vagy a hűtővíz-szivattyú a tényleges olajhőmérséklet alapján be- és kikapcsol, ahelyett, hogy folyamatosan működne. A rövidebb hűtő üzemidő kevesebb karbantartást és a hűtőrendszerből származó kisebb káros elektromos áramfelvételt jelent.

A hagyományos prés ezzel szemben nagyobb csapágykopással rendelkezik a motoron és a szivattyún, gyakrabban kell cserélni a tömítéseket, és nagyobb hőterhelés éri az olajat, ami felgyorsítja az olaj oxidációját és lerövidíti az olajcsere-intervallumot. Egy háromműszakos hagyományos présgépen az olajcsere-intervallum jellemzően 4000 óra; egy azonos munkaciklusú szervohidraulikus présgépen ez az intervallum 6000–8000 órára nő. Az olajköltség az 5 éves időszakra vetítve jelentős – egy 250 tonnás présgép 400–600 liter hidraulikaolajat tartalmaz, és az olaj, valamint az egyes cserék ártalmatlanítási költsége sok piacon négyszámjegyű tétel.

Zaj és munkakörnyezet

A hagyományos présgép folyamatosan teljes sebességgel járatja a motort és a szivattyút, ami állandó, 78–85 dB(A) tartományú akusztikus jelet generál a kezelőállomáson. A szervohidraulikus présgép a tartási és hűtési fázisokban csökkenti a motor és a szivattyú fordulatszámát, ezáltal jelentősen mérsékelve a hidraulikus rendszer zajkibocsátását. A gép teljes zajszintje 65–72 dB(A) tartományra csökken, ami a teljes műszakos expozícióhoz hallásvédelmet igénylő zajszint és a szabályozási határérték küszöbértékén lévő zajszint közötti különbség.

A zajcsökkentés nem jelent közvetlen költségmegtakarítást, de valódi előnyt jelent azokon a piacokon, ahol szigorú munkahelyi zajszabályozás van (EU OSH Directive 2003/10/EC, US OSHA 29 CFR 1910.95, China GBZ 2.2), és ahol a hagyományos présgépek hallásvédelmet írnak elő a kezelők számára. A hallásvédelem, az audiometriai vizsgálatok és az üzemi zajcsökkentő infrastruktúra költségeit általában nem veszik figyelembe az energia-megtérülési számításnál – de 5 éves időhorizonton valós költséget jelent.

Pontosság és ismételhetőség

A szervohidraulikus rendszernek van egy precíziós előnye, amely nem mindig jelenik meg az energia-megtérülési számításban, de a selejtarányban megmutatkozik. A nyomásérzékelővel és változtatható sebességű szivattyúval ellátott zárt hurkú nyomásszabályozás a hengerüreg nyomását szűkebb sávban tartja, mint egy proporcionális szelepekkel ellátott fix szivattyús rendszer. A szűk tűrésű alkatrészeknél – optikai, orvosi, csomagolóanyagok – a selejtarány javulása önmagában fedezheti a szervoprén árat 5 éves időhorizonton, függetlenül az energiamegtakarítástól.

Műanyagmérnökök Társaságaműszaki cikkeket publikál a szervohidraulikus fröccsöntés pontosságáról, beleértve a lövésenkénti tömegváltozást és a méretek ismételhetőségét. A publikált pontossági előny kicsi a lazább tűrésű alkatrészeken (jellemzően 10–20%-os csökkenés a lövésenkénti eltérésben), és jelentős a szűk tűrésű alkatrészeken (30–50%-os csökkenés).

Ahol a hagyományos hidraulika továbbra is nyer

A hagyományos fix szivattyús hidraulikus prés nem elavult. Három alkalmazási kategória továbbra is előnyben részesíti.

• Nagyon nagy teherbírású gépek (1500 tonna felett).A szervorendszer prémium értéke nagyjából lineárisan skálázódik a motor teljesítményével; nagyon nagy tonnatartalom esetén az abszolút szervorendszer-prémium elég nagy lesz ahhoz, hogy a megtérülési idő meghosszabbodjon. Egyes speciális, nagy tonnatartalmú alkalmazások speciális dinamikus válaszjellemzőket is igényelnek, amelyeket egy változó sebességű rendszer nem biztosít olyan tisztán, mint egy nagy akkumulátorral ellátott fix szivattyús rendszer.
• Hosszú ciklusú, folyamatos üzemű alkalmazások.Ha a présgép 90 másodperces ciklust futtat vastag falú alkatrészen hosszú tartási fázissal és folyamatos háromműszakos üzemmel, a szervomotor továbbra is energiát takarít meg, de a megtakarítás évente kevesebb ciklus alatt amortizálódik. A megtérülési idő meghosszabbodik, és a hagyományos gép versenyképesebbé válik.
• Tőkekorlátos létesítmények.Egy korlátozott tőkeköltségvetéssel és rövid beruházási horizonttal rendelkező üzem racionálisan választhatja a hagyományos prést pusztán a tőkeköltségek alapján, különösen akkor, ha a helyi villamosenergia-költségek alacsonyak.

E három kategórián kívül a szervo-hidraulikus rendszer a domináns választás az 5 éves teljes birtoklási költség alapján. A piaci adatok ezt megerősítik: az új présberendezések szervo részaránya a legtöbb régióban és a legtöbb tonnatartalom-kategóriában többségben van, a fent említett nagy tonnatartalmú speciális alkalmazások kivételével.

Az 5 éves teljes birtoklási költség (TCO) munkalap elkészítése

Egy szervohidraulikus és egy hagyományos présgép 5 éves teljes birtoklási költségének összehasonlítása négy költségkomponenst tartalmaz: tőke, energia, karbantartás és selejt/leállás. Mindegyiket másképp számítják ki.

A tőkeköltség a gép vételára, plusz a telepítés, a szállítás, a képzés és az üzembe helyezés költsége. A szervoprénum a két gép tőkeköltsége közötti különbség.

Az energiaköltség az 5 év alatt összesített kWh-érték szorozva a helyi áramtarifával. A szervogép energiamegtakarítása a hagyományos présenergia és a szervoprés ugyanezen időszak alatti energiájának különbsége.

A karbantartási költség az alkatrészek és a munkadíj 5 év alatti kumulatív összege. A szervomotor jellemzően kevesebb szivattyúval kapcsolatos karbantartást, ritkább olajcserét és ritkább hűtőkarbantartást igényel. A hagyományos gépnél nagyobb a motor és a szivattyú csapágykopása, és nagyobb az olajfogyasztás.

A selejt és állásidő költsége a selejtezendő alkatrészek értéke és a nem tervezett állásidő alatt kiesett termelés értéke. A szervomotor szigorúbb nyomásszabályozással és alacsonyabb selejtaránnyal rendelkezik; a hagyományos gép selejtaránya magasabb a szűk tűrésű alkatrészeknél, de nincs hátránya a lazább tűrésű alkatrészeknél.

A szervomotor 5 éves nettó megtakarítása az energiamegtakarítás, a karbantartási megtakarítás és a selejt/leállási idő megtakarításának összege, levonva a szervoprénumot. Ha az eredmény pozitív, a szervomotor nyer. Ha negatív, a hagyományos gép nyer 5 éves időhorizonton.

A döntési keretrendszer: Öt kérdés, amit fel kell tenni a meghatározás előtt

Egy adott telepítés esetén a szervomotoros és hagyományos motor közötti döntés öt kérdésre redukálható.

1. Mi a ciklusprofil?A hosszú tartási és hűtési fázisok a szervomotoroknak kedveznek. A rövid, nagy áramlási igényű ciklusok kis különbséggel a hagyományos vagy a szervomotoroknak kedveznek.
2. Mi a működési ütemterv?A folyamatos háromműszakos működés felerősíti az energiamegtakarítást. Az egyműszakos működés hosszú állásidővel csökkenti a megtakarítást, mivel a nyomdagép a nap nagy részében ki van kapcsolva.
3. Mennyi a helyi áramdíj?A magas vámtarifájú piacok (Európa, Japán, Kelet-Ázsia nagy része) felgyorsítják a megtérülést. Az alacsony vámtarifájú piacok (a Közel-Kelet egyes részei, Észak-Amerika bőséges földgázkészletekkel) lassítják a megtérülést.
4. Mi az alkatrész toleranciája?A szűk tűrésű alkatrészek (orvosi, optikai, bizonyos csomagolási egységek) a kevesebb selejt révén felerősítik a szervomotorok előnyeit. A kisebb tűrésű alkatrészek semlegesítik a megtakarítás ezen elemét.
5. Mi a tőkekorlát?Ha a tőkeprémium nem finanszírozható elfogadható áron, a megtérülési idő akkor is számít, ha a projekt szintű gazdaságossága pozitív.

Egy tipikus 250 tonnás présgép esetében, amely 25 másodperces cikluson át, két műszakban folyamatosan üzemel mérsékelt tarifájú piacon, a megtérülési idő 18-36 hónap. Egy 100 tonnás présgép esetében, amely 12 másodperces cikluson át, egyetlen műszakban működik alacsony tarifájú piacon, a megtérülési idő 4 év vagy több is lehet. A Vicks családprojekt megtérülési munkalapmind az öt változót magában foglalja, és projektspecifikus ajánlást készít.

GYIK: Szervó vs. hagyományos hidraulikus fröccsöntés