סרוו הידראולי לעומת הזרקה הידראולית קונבנציונלית: השוואת עלויות ל-5 שנים

למה המכונה הזולה יותר יכולה לעלות יותר

מנהל מפעל יציקה בדונגגוואן החליף זה עתה מכבש הידראולי קונבנציונלי ישן במשקל 250 טון בחדש לגמרי באותו מפרט. מכבש ההחלפה עלה פחות ממחצית מחירה של מכונה סרוו-הידראולית מקבילה. שמונה עשר חודשים לאחר מכן, חשבון החשמל של המפעל ברצפת היציקה היה גבוה ב-6% מהשנה הקודמת - המכבש הקונבנציונלי צרכה חשמל רב יותר מהישן יותר שהחליף. עד סוף השנה השלישית, עלות החשמל המצטברת של המכבש הקונבנציונלי עלתה על פרמיית המחיר של מכונת סרוו מקבילה, לפני התחשבות ברעש, דרישת הקירור ומרווח החלפת השמן. בסופו של דבר, המפעל שיפץ מערכת סרוו במכבש הקיים במקום להחליפו - וראה את צריכת האנרגיה יורדת בחצי בתוך החודש המלא הראשון.

הבחירה בין הזרקה הידראולית סרוו-הידראולית להזרקה הידראולית קונבנציונלית אינה החלטה פשוטה של ​​"חדש יותר טוב". זוהי חישוב של עלות הבעלות הכוללת ל-5 שנים, התלוי בנפח המכונה, בפרופיל המחזור, בשעות הפעילות ובעלות החשמל המקומית. מאמר זה סוקר את החישוב בפירוט - כיצד נראה פער האנרגיה בפועל, כיצד נראה פער התחזוקה, היכן המכונה הקונבנציונלית עדיין מרוויחה את הפרמיה שלה, וכיצד לחבר את המספרים עבור התקנה ספציפית.

כיצד מכבש הידראולי קונבנציונלי משתמש בכוח

מכונת הזרקה הידראולית קונבנציונלית בעלת משאבה קבועה מפעילה מנוע חשמלי במהירות קבועה, המחובר בדרך כלל ישירות לרשת החשמל ללא הנעת תדר משתנה. המנוע מניע משאבה הידראולית בעלת תזוזת קבועה - בדרך כלל משאבת שבבים או משאבת בוכנה צירית - המספקת זרימה קבועה של נוזל הידראולי בלחץ פרופורציונלי לעומס. שסתומי הבקרה הכיווניים, השסתומים הפרופורציונליים ושסתומי הסרוו של המכונה מווסתים את הזרימה והלחץ כדי להתאים לשלבי סגירת התבנית, ההזרקה, ההחזקה, הפלסטיזציה ופתיחת התבנית של המחזור.

המנוע פועל במהירות מלאה לאורך כל המחזור, גם כאשר הדרישה ההידראולית נמוכה. במהלך שלב ההחזקה - כאשר החלק זקוק רק לחלקיק מזרימת השיא כדי לשמור על לחץ חלל הלחץ - הזרימה העודפת עוברת דרך שסתום שחרור חזרה למיכל, ומפזרת את האנרגיה כחום. במהלך שלב הקירור - כאשר אין צורך כלל בזרימה הידראולית מלבד כמות קטנה של נפח מהדק - המשאבה עדיין מסתובבת במהירות מלאה, עדיין שואבת את מלוא ההספק, ושסתום המעקף עדיין פולט את הזרימה העודפת. זוהי חוסר היעילות המבנית של מערכת משאבה קבועה: המנוע והמשאבה פועלים בנקודת פעולה אחת, וכל חוסר התאמה בין נקודה זו לדרישה ההידראולית בפועל אובד כחום.

החום עצמו אינו בחינם. יש לקרר את השמן ההידראולי כדי לשמור על צמיגות ולמנוע חמצון, מה שאומר שמקרר שמן נפרד (מקורר במים או מקורר באוויר) פועל ברציפות וצורך אנרגיה נוספת. דרישת הקירור במכבש קונבנציונלי של 250 טון בטמפרטורה סביבתית של 30 מעלות צלזיוס היא משמעותית - בדרך כלל בטווח של 15-25% מהקלט החשמלי של המכונה בפעולה של שלוש משמרות.

כיצד מערכת סרוו-הידראולית משתמשת בכוח

מערכת סרוו-הידראולית מחליפה את המנוע בעל המהירות הקבועה במנוע סרוו בעל מהירות משתנה - בדרך כלל מנוע סינכרוני בעל מגנט קבוע (PMSM) - המונע על ידי הנעה בתדר משתנה (VFD). הנעה הסרוו שולטת במהירות המנוע כדי להתאים אותה לדרישה ההידראולית בזמן אמת. כאשר המחזור נמצא בשלב זרימה גבוהה (סגירת תבנית, הזרקה, פלסטייזציה), המנוע עולה למהירות גבוהה. כאשר המחזור נמצא בשלב זרימה נמוכה (החזקה, קירור), המנוע יורד למהירות נמוכה שעונה בדיוק על הדרישה ההידראולית בפועל. כאשר המחזור במנוחה (ללא תנועה), המנוע יכול לעצור לחלוטין או לפעול במהירות כמעט אפס.

התוצאה היא שהמכונה הסרוו-הידראולית שואבת רק את הכוח הדרוש לה עבור כל שלב במחזור. המנוע אינו פועל במהירות קבועה, המשאבה אינה עוקפת זרימה עודפת, ופיזור החום של שסתום המעקף המגדיר את חוסר היעילות של מכבש קונבנציונלי מבוטל במידה רבה.בוש רקסרוט, יוקןויצרני מערכות הידראוליות אחרים מפרסמים הערות יישום עם השוואות צריכת אנרגיה מדודות של סרוו לעומת משאבות קבועות; הטווח הטיפוסי על פני הנתונים שפורסמו הוא הפחתת אנרגיה של 40-80% בחלקים עם שלבי החזקה וקירור משמעותיים, והפחתה של 20-40% בחלקים עם שלבי החזקה וקירור קצרים יותר.

החיסכון אינו אחיד לאורך כל המחזור. החיסכון הגדול ביותר הוא בשלב הקירור (שלב הביקוש הנמוך הארוך ביותר ברוב המחזורים), השני בגודלו בשלב ההמתנה, והקטן ביותר בשלב ההזרקה (שבו נדרשת זרימת שיא ומערכת הסרוו פועלת גם היא בשיא). במכבש טיפוסי של 250 טון לעיצוב חלק ABS במשקל 200 גרם עם מחזור של 25 שניות, שלב הקירור הוא בערך 50% מהמחזור, שלב ההמתנה 15%, שלבי ההזרקה והפלסטליזציה 25%, ושלבי הפתיחה/סגירה 10%. שלב הקירור הוא המקום שבו מכונת הסרוו חוסכת הכי הרבה.

פרמיית הסרוו: עלות הון לעומת עלות תפעול

מכונת הזרקה סרוו-הידראולית עולה בדרך כלל 30-60% יותר ממכונה קונבנציונלית מקבילה באותו טון וגודל ירייה. הפרמיה המדויקת תלויה ביצרן המכונה, בספק מערכת הסרוו ובמפרט המכונה. עבור מכבש מייצג של 250 טון, פרמיית הסרוו בשוק הנוכחי היא תוספת של חמש ספרות - משמעותית, אך לא טרנספורמטיבית עבור מנהל מפעל שבודק את הרכישה.

הפרמיה מוחזרת דרך חיסכון באנרגיה. כדי לקבוע את ההחזר, נדרשים שלושה נתונים: חיסכון באנרגיה לכל מחזור, מספר המחזורים למשמרת ועלות החשמל. משפחת ויקסקו מוצרים של מערכת סרוומוגדר עבור מערכות סרוו מבוססות משאבת גלגלים ביישומי הזרקה, עם חיסכון באנרגיה ברמת המערכת בטווח שפורסם. עבור מכונה של 250 טון במחזור של 25 שניות הפועלת 6,000 שעות בשנה (בערך שתי משמרות רציפות), החיסכון השנתי בחשמל נופל בטווח משמעותי - גדול מספיק כדי להחזיר את פרמיית הסרוו בתוך 18-36 חודשי הפעילות הראשונים, בהתאם לתעריף החשמל המקומי.

חדשות פלסטיקוטכנולוגיית פלסטיקהפרסמו נתוני סקר רב שנתיים המראים כי מכונות סרוו-הידראוליות שולטות כיום במכירות מכונות דפוס חדשות בטווח של 50 עד 800 טון ברחבי צפון אמריקה, אירופה ומזרח אסיה, כאשר מכונות דפוס קונבנציונליות מוגבלות יותר ויותר ליישומים ספציפיים בעלי טונות גבוהות ויישומים מיוחדים. השינוי בשוק הוא כשלעצמו אינדיקציה למתמטיקה של החזר: אם פרמיית הסרוו לא הייתה מתאוששת באופק של 3 שנים, השוק לא היה משתנה.

תחזוקה: היכן שתי המערכות נפרדות

פרופיל התחזוקה של מערכת סרוו-הידראולית שונה ממכונה קונבנציונלית בשלושה תחומים.

ראשית, למנוע הסרוו עצמו נדרש תחזוקה נמוכה יותר מאשר למנוע אינדוקציה בעל הספק שווה ערך - ללא מברשות, ללא טבעות החלקה, והרוטור בעל המגנט הקבוע אינו דורש זרם עירור. לממיר המתח המתח (VFD) יש פרופיל תחזוקה משלו (מאווררי קירור, קבלים אלקטרוליטיים עם אורך חיים של 8-12 שנים), אך הרכיבים הפעילים של המנוע עצמו מתוכננים לחיי שירות ארוכים ללא תחזוקה מתוכננת.

שנית, המשאבה ההידראולית במערכת סרוו פועלת במהירות משתנה ובדרך כלל בסל"ד ממוצע נמוך יותר בהשוואה למשאבה קבועה במכבש קונבנציונלי. סל"ד ממוצע נמוך יותר פירושו בלאי מיסבים נמוך יותר, מחזורי תרמית נמוכים יותר וחיי אטם ארוכים יותר. נתוני שטח שפורסמו על ידיטכנולוגיית ייצור תבניותוספקי משאבות הידראוליות שונים מראים באופן עקבי כי משאבות וויינרים בשירות במהירות משתנה בעלות חיי שירות ארוכים משמעותית מאשר משאבת וויינרים זהה בשירות במהירות קבועה במכבש דומה.

שלישית, מצנן השמן במכבש סרוו-הידראולי פועל פחות רציף מכיוון שפיזור החום של שסתום המעקף מופחת. מאוורר המצנן או משאבת מי הקירור נדלקים ונכבים מחזורית בהתבסס על טמפרטורת השמן בפועל במקום לפעול ברציפות. זמן פעולה קצר יותר של המצנן פירושו תחזוקה קצרה יותר של המצנן וצריכת חשמל טפילית נמוכה יותר ממערכת הקירור.

לעומת זאת, למכבש קונבנציונלי יש שחיקה גבוהה יותר של המיסבים במנוע ובמשאבה, החלפת אטמים תכופה יותר, ועומס תרמי גבוה יותר על השמן, מה שמאיץ את חמצון השמן ומקצר את מרווח החלפות השמן. במכבש קונבנציונלי בעל שלוש משמרות, מרווח החלפות השמן הוא בדרך כלל 4,000 שעות; במכבש סרוו-הידראולי באותו מחזור עבודה, המרווח מתארך ל-6,000-8,000 שעות. עלות השמן על פני חלון של 5 שנים משמעותית - מכבש של 250 טון מכיל 400-600 ליטר שמן הידראולי, והשמן בתוספת עלות הסילוק בכל החלפה הוא פריט של ארבע ספרות בשווקים רבים.

רעש וסביבת עבודה

מכבש קונבנציונלי מפעיל את המנוע והמשאבה במהירות מלאה ברציפות, ויוצר צליל אקוסטי קבוע בטווח של 78-85 dB(A) בתחנת המפעיל. מכבש סרוו-הידראולי מוריד את מהירות המנוע והמשאבה במהלך שלבי ההחזקה והקירור, ומוריד משמעותית את תרומת הרעש מהמערכת ההידראולית. רעש המכונה הכולל יורד לטווח של 65-72 dB(A), שהוא ההפרש בין רמת רעש הדורשת הגנה על השמיעה לחשיפה במשמרת מלאה לבין רמת רעש שנמצאת בסף המגבלה הרגולטורית.

הפחתת הרעש אינה חיסכון ישיר בעלויות, אך זוהי יתרון ממשי בשווקים עם תקנות רעש תעסוקתיות מחמירות (הנחיית האיחוד האירופי בנושא בטיחות ובריאות 2003/10/EC, הנחיית OSHA 29 CFR 1910.95 של ארה"ב, הנחיית GBZ 2.2 של סין), שבהם העיתונות הקונבנציונלית דורשת הגנה על השמיעה עבור מפעילים. עלות הגנת השמיעה, בדיקות אודיומטריה ותשתית בקרת רעש בקומת המפעל אינה נלקחת בחשבון בדרך כלל בחישוב החזר האנרגיה בלבד - אך זוהי עלות אמיתית באופק של 5 שנים.

דיוק וחזרתיות

למערכת הסרוו-הידראולית יש יתרון דיוק שלא תמיד מופיע בחישוב החזר האנרגיה, אך מתבטא בקצב הגרוטאות. בקרת לחץ בלולאה סגורה עם חיישן לחץ ומשאבה במהירות משתנה שומרת על לחץ החלל בטווח צר יותר מאשר מערכת משאבה קבועה עם שסתומים פרופורציונליים. בחלקים בעלי סבילות צמודה - אופטיים, רפואיים, אריזות - שיפור קצב הגרוטאות לבדו יכול לשלם עבור פרמיית הסרוו על פני אופק של 5 שנים, ללא תלות בחיסכון באנרגיה.

אגודת מהנדסי הפלסטיקהמפרסמת מאמרים טכניים על דיוק הזרקה סרוו-הידראולית, כולל נתוני שינוי משקל בין ירייה לירייה ונתוני חזרתיות ממדית. יתרון הדיוק שפורסם הוא קטן בחלקים עם סבילות נוחות (בדרך כלל הפחתה של 10-20% בשונות בין ירייה לירייה) ומשמעותי בחלקים עם סבילות צפופה (הפחתה של 30-50%).

היכן שהידראוליקה קונבנציונלית עדיין מנצחת

מכבש הידראולי קונבנציונלי בעל משאבה קבועה אינו מיושן. שלוש קטגוריות של יישומים עדיין מעדיפות אותו.

• מכונות בעלות טון גבוה מאוד (מעל 1,500 טון).פרמיית מערכת הסרוו משתנה באופן ליניארי פחות או יותר עם הספק המנוע; בטונאז' גבוה מאוד, פרמיית הסרוו המוחלטת הופכת גדולה מספיק כך שתקופת ההחזר מתארכת. יישומים מיוחדים מסוימים בטונאז' גבוה דורשים גם מאפייני תגובה דינמיים ספציפיים שמערכת במהירות משתנה אינה מספקת בצורה נקייה כמו מערכת משאבה קבועה עם מצבר גדול.
• יישומים ארוכי מחזור, רציף.אם מכונת הדפוס מפעילה מחזור של 90 שניות על חלק בעל דופן עבה עם שלב המתנה ארוך ופעולה רציפה של שלוש משמרות, מכונת הסרוו עדיין חוסכת אנרגיה אך החיסכון מופחת על פני מספר קטן יותר של מחזורים בשנה. תקופת ההחזר מתארכת, והמכונה הקונבנציונלית הופכת לתחרותית יותר.
• מתקנים מוגבלים בהון.מפעל עם תקציב הון מוגבל ואופק השקעה קצר עשוי לבחור באופן רציונלי במכונת חיתוך קונבנציונלית על סמך עלות ההון בלבד, במיוחד אם עלות החשמל המקומית נמוכה.

מחוץ לשלוש הקטגוריות הללו, מערכת הסרוו-הידראולית היא הבחירה הדומיננטית על בסיס עלות הבעלות הכוללת ל-5 שנים. נתוני השוק מאשרים זאת: נתח הסרוו של התקנות מכבשים חדשים הוא הרוב ברוב האזורים וברוב קבוצות הטונאז', למעט יישומים מיוחדים בעלי טונאז' גבוה שצוינו לעיל.

בניית גיליון עבודה של עלות כוללת (TCO) לחמש שנים

השוואה של עלות הבעלות הכוללת למשך 5 שנים בין מכבש סרוו-הידראולי למכבש קונבנציונלי כוללת ארבעה מרכיבי עלות: הון, אנרגיה, תחזוקה וזמן גריטה/השבתה. כל אחד מהם מחושב בצורה שונה.

עלות ההון היא מחיר הרכישה של המכונה בתוספת התקנה, הובלה, הדרכה והפעלה. פרמיית הסרוו היא ההפרש בין עלות ההון של שתי המכונות.

עלות האנרגיה היא הקוט"ש המצטבר על פני 5 שנים, כפול תעריף החשמל המקומי. החיסכון באנרגיה של מכונת הסרוו הוא ההפרש בין אנרגיית מכבש קונבנציונלי לאנרגיית מכבש הסרוו באותה תקופה.

עלות התחזוקה היא עלות החלקים והעבודה המצטברת על פני 5 שנים. למכונת סרוו יש בדרך כלל תחזוקה נמוכה יותר הקשורה למשאבה, תדירות החלפת שמן נמוכה יותר ותחזוקה נמוכה יותר של המצנן. למכונה הקונבנציונלית יש בלאי מיסבים גבוה יותר של המנוע והמשאבה וצריכת שמן גבוהה יותר.

עלות הגרוטאות והשבתות היא ערך החלקים שנגרטו וערך הייצור שאבד במהלך השבתות לא מתוכננות. למכונת הסרוו יש בקרת לחץ הדוקה יותר וקצב גרוטאות נמוך יותר; למכונה הקונבנציונלית יש קצב גרוטאות גבוה יותר בחלקים בעלי סבילות צפופה אך אין חיסרון בחלקים בעלי סבילות רפה.

החיסכון נטו של מכונת הסרוו למשך 5 שנים הוא סכום החיסכון באנרגיה בתוספת החיסכון בתחזוקה בתוספת החיסכון בזמן גריטה/השבתה, פחות פרמיית הסרוו. אם התוצאה חיובית, מכונת הסרוו מנצחת. אם התוצאה שלילית, המכונה הקונבנציונלית מנצחת באופק של 5 שנים.

מסגרת ההחלטות: חמש שאלות שיש לשאול לפני שמפרטים

עבור התקנה ספציפית, ניתן לצמצם את ההחלטה בין סרוו לקונבנציונלי לחמש שאלות.

1. מהו פרופיל המחזור?שלבי החזקה וקירור ארוכים מעדיפים סרוו. מחזורים קצרים עם דרישת זרימה גבוהה לאורך כל הדרך מעדיפים קונבנציונלי או סרוו עם הבדל קטן.
2. מהו לוח הזמנים של הפעילות?פעולה רציפה של שלוש משמרות מגבירה את החיסכון באנרגיה. פעולה במשמרת אחת עם תקופות סרק ארוכות מדללת את החיסכון מכיוון שהמכונה כבויה במשך רוב היום.
3. מהי עלות החשמל המקומית?שווקים עם מכסים גבוהים (אירופה, יפן, חלק ניכר ממזרח אסיה) מאיצים את תקופת ההחזר. שווקים עם מכסים נמוכים (חלקים מהמזרח התיכון, צפון אמריקה עם שפע של גז טבעי) מאטים את תקופת ההחזר.
4. מהי סבילות החלקים?חלקים בעלי סבילות נמוכה (רפואית, אופטית, אריזות מסוימות) מגבירים את יתרון הסרוו באמצעות גרוטאות נמוכות יותר. חלקים בעלי סבילות נמוכה יותר מנטרלים רכיב זה של החיסכון.
5. מהי מגבלת ההון?אם לא ניתן לממן את פרמיית ההון בריבית סביר, תקופת ההחזר חשובה גם אם המצב הכלכלי ברמת הפרויקט חיובי.

עבור מכבש טיפוסי של 250 טון במחזור של 25 שניות הפועל בשתי משמרות רציפות בשוק עם תעריפים מתונים, החזר ההשקעה הוא בטווח של 18-36 חודשים. עבור מכבש של 100 טון במחזור של 12 שניות הפועל במשמרת אחת בשוק עם תעריפים נמוכים, החזר ההשקעה עשוי להימשך עד 4 שנים או יותר. משפחת ויקסגליון עבודה להחזר הפרויקטמשלב את כל חמשת המשתנים ומייצר המלצה ספציפית לפרויקט.

שאלות נפוצות: סרוו לעומת הזרקה הידראולית קונבנציונלית