Servohidraulinis ir įprastas hidraulinis liejimas: 5 metų sąnaudų palyginimas

Kodėl pigesnė mašina gali kainuoti daugiau

Liejimo gamyklos vadovas Dongguane ką tik pakeitė senstantį 250 tonų sveriantį įprastą hidraulinį presą visiškai nauju, atitinkančiu tą pačią specifikaciją. Pakeistas presas kainavo mažiau nei pusę lygiaverčio servohidraulinio staklių kainos. Po aštuoniolikos mėnesių gamyklos elektros energijos sąskaita liejimo ceche buvo 6 % didesnė nei prieš metus – įprastas presas sunaudojo pastebimai daugiau energijos nei senesnis, kurį jis pakeitė. Trečiųjų metų pabaigoje bendros įprasto preso elektros energijos sąnaudos viršijo lygiaverčio servomechanizmo kainos priedą, neįskaičiuojant triukšmo, aušinimo poreikio ir alyvos keitimo intervalo. Galiausiai gamykla, užuot keitusi esamą presą, įrengė servo sistemą ir pastebėjo, kad energijos suvartojimas perpus sumažėjo per pirmąjį pilną mėnesį.

Pasirinkimas tarp servohidraulinio ir įprastinio hidraulinio liejimo nėra paprastas „kuo naujesnis, tuo geresnis“ sprendimas. Tai yra 5 metų bendrų eksploatavimo išlaidų skaičiavimas, kuris priklauso nuo mašinos tonažo, ciklo profilio, darbo valandų ir vietinių elektros energijos kainų. Šiame straipsnyje išsamiai aprašomas šis skaičiavimas – kaip iš tikrųjų atrodo energijos deficitas, kaip atrodo techninės priežiūros deficitas, kur įprastinė mašina vis dar uždirba savo pranašumą ir kaip susumuoti skaičius konkrečiam įrenginiui.

Kaip įprastas hidraulinis presas naudoja energiją

Įprasta fiksuoto siurblio hidraulinė liejimo mašina varo pastoviu greičiu veikiantį elektros variklį, paprastai tiesiogiai prijungtą prie elektros tinklo be kintamo dažnio pavaros. Variklis suka fiksuoto tūrio hidraulinį siurblį – dažniausiai mentelinį arba ašinį stūmoklinį siurblį – kuris tiekia pastovų hidraulinio skysčio srautą, kurio slėgis yra proporcingas apkrovai. Mašinos kryptiniai valdymo vožtuvai, proporciniai vožtuvai ir servo vožtuvai moduliuoja srautą ir slėgį, kad jie atitiktų ciklo uždarymo, įpurškimo, laikymo, plastifikavimo ir atidarymo fazes.

Variklis veikia visu greičiu viso ciklo metu, net kai hidraulinis poreikis yra mažas. Palaikymo fazės metu – kai detalei reikia tik dalies didžiausio srauto, kad palaikytų ertmės slėgį – perteklinis srautas per apsauginį vožtuvą nukreipiamas atgal į baką, energija išsklaidoma kaip šiluma. Aušinimo fazės metu – kai hidraulinio srauto visai nereikia, išskyrus nedidelį kiekį prispaudimo tonažo – siurblys vis tiek sukasi visu greičiu, vis dar sunaudoja visą galią, o apėjimo vožtuvas vis tiek išleidžia perteklinį srautą. Tai yra fiksuoto siurblio sistemos struktūrinis neefektyvumas: variklis ir siurblys veikia viename veikimo taške, o bet koks neatitikimas tarp to taško ir faktinio hidraulinio poreikio prarandamas kaip šiluma.

Pati šiluma nėra nemokama. Hidraulinė alyva turi būti aušinama, kad būtų išlaikytas klampumas ir išvengta oksidacijos, o tai reiškia, kad nuolat veikia atskiras alyvos aušintuvas (aušinamas vandeniu arba oru), kuris sunaudoja papildomą energiją. 250 tonų įprastinio preso aušinimo poreikis 30 °C aplinkos temperatūroje yra didelis – paprastai sudaro 15–25 % mašinos elektros energijos suvartojimo, dirbant trimis pamainomis.

Kaip servohidraulinė sistema naudoja energiją

Servohidraulinėje sistemoje pastovaus greičio variklis pakeičiamas kintamo greičio servovarikliu – paprastai nuolatinio magneto sinchroniniu varikliu (PMSM) – kurį varo kintamo dažnio pavara (VFD). Servopavara kontroliuoja variklio greitį, kad jis realiuoju laiku atitiktų hidraulinį poreikį. Kai ciklas yra didelio srauto fazėje (formos uždarymas, įpurškimas, plastifikavimas), variklis padidina greitį iki didelio. Kai ciklas yra mažo srauto fazėje (palaika, aušinimas), variklis sumažina greitį iki mažo, kad vos patenkintų faktinį hidraulinį poreikį. Kai ciklas yra ramybės būsenoje (nėra judėjimo), variklis gali visiškai sustoti arba veikti beveik nuliniu greičiu.

Dėl to servohidraulinė mašina sunaudoja tik tiek energijos, kiek jai reikia kiekvienam ciklo etapui. Variklis neveikia pastoviu greičiu, siurblys neaplenkia perteklinio srauto, o aplenkiamojo vožtuvo šilumos išsklaidymas, kuris lemia įprasto preso neefektyvumą, yra iš esmės pašalinamas.Bosch Rexroth, Jukenasir kiti hidraulinių sistemų gamintojai skelbia taikymo pastabas su išmatuotų servo ir fiksuoto siurblio energijos suvartojimo palyginimais; tipiškas paskelbtų duomenų diapazonas yra 40–80 % energijos sumažėjimas detalėms, turinčioms ilgas laikymo ir aušinimo fazes, ir 20–40 % sumažėjimas detalėms, turinčioms trumpesnes laikymo ir aušinimo fazes.

Sutaupymas nėra vienodas visame cikle. Didžiausias sutaupymas gaunamas aušinimo fazėje (ilgiausias mažos apkrovos etapas daugumoje ciklų), antras pagal dydį – laikymo fazėje, o mažiausias – įpurškimo fazėje (kai reikalingas didžiausias srautas ir servo sistema taip pat veikia piko metu). Įprastame 250 tonų presavimo staklėje, kurioje 25 sekundžių ciklas formuojama 200 g ABS detalė, aušinimo fazė sudaro maždaug 50 % ciklo, laikymo fazė – 15 %, įpurškimo ir plastifikavimo fazės – 25 %, o atidarymo/uždarymo fazės – 10 %. Aušinimo fazėje servo mašina sutaupo daugiausia.

Servo priemoka: kapitalo sąnaudos ir eksploatavimo sąnaudos

Servohidraulinė liejimo mašina paprastai kainuoja 30–60 % daugiau nei lygiavertė įprasta mašina, kurios tonažas ir šūvių dydis yra toks pat. Tiksli priemoka priklauso nuo mašinos gamintojo, servo sistemos tiekėjo ir mašinos specifikacijos. Tipiniam 250 tonų presui servo priemoka dabartinėje rinkoje yra penkiaženklis padidėjimas – reikšmingas, bet ne esminis gamyklos vadovui, vertinančiam pirkinį.

Priemoka atgaunama sutaupyus energiją. Norint įvertinti atsipirkimo rodiklį, reikia trijų duomenų: sutaupytos energijos kiekio per ciklą, ciklų skaičiaus per pamainą ir elektros energijos sąnaudų. „Vicks“servo sistemų produktų linijayra sukonfigūruotas mentelinių siurblių pagrindu veikiančioms servo sistemoms, skirtoms liejimo įpurškimu technologijoms, o sistemos lygio energijos taupymas atitinka paskelbtą diapazoną. 250 tonų mašinos, veikiančios 25 sekundžių ciklu 6000 valandų per metus (maždaug dvi pamainos nepertraukiamai), metinis elektros energijos taupymas yra pakankamai didelis – pakankamai didelis, kad servo priemoka būtų grąžinta per pirmuosius 18–36 eksploatavimo mėnesius, priklausomai nuo vietinio elektros energijos tarifo.

Plastiko naujienosirPlastiko technologijapaskelbė daugiamečių tyrimų duomenis, rodančius, kad servohidraulinės mašinos dabar dominuoja naujų presų pardavimuose 50–800 tonų diapazone Šiaurės Amerikoje, Europoje ir Rytų Azijoje, o įprastiniai presai vis dažniau apsiriboja specifinėmis didelės talpos ir specializuotomis reikmėmis. Rinkos pokytis pats savaime rodo atsipirkimo matematiką: jei servovardžių priemoka nebūtų atgauta per 3 metus, rinka nebūtų pasikeitusi.

Priežiūra: kur skiriasi dvi sistemos

Servohidraulinės sistemos priežiūros profilis skiriasi nuo įprasto preso trijose srityse.

Pirma, pats servo variklis reikalauja mažiau priežiūros nei atitinkamos galios asinchroninis variklis – jam nereikia šepetėlių, kontaktinių žiedų, o nuolatinio magneto rotoriui nereikia žadinimo srovės. Dažnio keitiklis turi savo priežiūros profilį (aušinimo ventiliatoriai, elektrolitiniai kondensatoriai, kurių tarnavimo laikas yra 8–12 metų), tačiau paties variklio aktyvūs komponentai yra sukurti ilgam tarnavimo laikui be planinės priežiūros.

Antra, servo sistemos hidraulinis siurblys veikia kintamu greičiu ir paprastai mažesniu vidutiniu apsisukimų skaičiumi nei fiksuotas siurblys įprastame prese. Mažesnis vidutinis apsisukimų skaičius reiškia mažesnį guolių susidėvėjimą, mažesnius terminius ciklus ir ilgesnį sandariklio tarnavimo laiką. Lauko duomenis paskelbėLiejimo technologijair įvairūs hidraulinių siurblių tiekėjai nuolat rodo, kad kintamo greičio mentiniai siurbliai tarnauja žymiai ilgiau nei tie patys fiksuoto greičio mentiniai siurbliai, naudojami panašiame prese.

Trečia, servohidraulinio preso alyvos aušintuvas veikia ne taip nuolat, nes sumažėja apėjimo vožtuvo šilumos išsklaidymas. Aušintuvo ventiliatorius arba aušinimo vandens siurblys įsijungia ir išsijungia pagal faktinę alyvos temperatūrą, o ne veikia nuolat. Trumpesnis aušintuvo veikimo laikas reiškia mažesnes aušintuvo priežiūros išlaidas ir mažesnį parazitinį elektros energijos suvartojimą iš aušinimo sistemos.

Tuo tarpu įprastas presas pasižymi didesniu variklio ir siurblio guolių susidėvėjimu, dažnesniu sandariklių keitimu ir didesniu alyvos terminiu įtempimu, dėl kurio pagreitėja alyvos oksidacija ir sutrumpėja alyvos keitimo intervalas. Trijų pamainų įprastame prese alyvos keitimo intervalas paprastai yra 4000 valandų; servohidrauliniame prese, veikiančiame tuo pačiu darbo ciklu, intervalas pailgėja iki 6000–8000 valandų. Alyvos kaina per 5 metus yra reikšminga – 250 tonų prese telpa 400–600 litrų hidraulinės alyvos, o alyvos ir kiekvieno keitimo utilizavimo kaina daugelyje rinkų sudaro keturženklę sumą.

Triukšmas ir darbo aplinka

Įprastas presas nuolat veikia visu greičiu, todėl operatoriaus pozicijoje skleidžiamas pastovus 78–85 dB(A) garsinis signalas. Servohidraulinis presas sumažina variklio ir siurblio greitį laikymo ir aušinimo fazių metu, todėl hidraulinės sistemos skleidžiamas triukšmas gerokai sumažėja. Bendras mašinos triukšmo lygis sumažėja iki 65–72 dB(A) diapazono, t. y. triukšmo lygio, kuriam esant visos pamainos metu reikia dėvėti klausos apsaugos priemones, ir lygio, kuris yra ties reglamentine riba.

Triukšmo sumažinimas nėra tiesioginis sąnaudų taupymas, tačiau tai reali nauda rinkose, kuriose galioja griežti profesinio triukšmo reglamentai (ES DSS direktyva 2003/10/EB, JAV OSHA 29 CFR 1910.95, Kinijos GBZ 2.2), kur įprastiems presams operatoriams reikalingos klausos apsaugos. Klausos apsaugos, audiometrinių tyrimų ir triukšmo kontrolės infrastruktūros gamyklos ceche kaina paprastai neįtraukiama į vien energijos sąnaudų grąžos skaičiavimą, tačiau tai yra realios išlaidos per 5 metus.

Tikslumas ir pakartojamumas

Servohidraulinė sistema turi tikslumo pranašumą, kuris ne visada atsispindi skaičiuojant energijos atsipirkimą, bet matomas metalo laužo kiekyje. Uždaro ciklo slėgio valdymas su slėgio jutikliu ir kintamo greičio siurbliu palaiko ertmės slėgį griežtesniame diapazone nei fiksuoto siurblio sistema su proporciniais vožtuvais. Griežto tolerancijos detalių – optikos, medicinos, pakavimo – gamyboje vien metalo laužo kiekio pagerėjimas gali padengti servo priedą per 5 metus, nepriklausomai nuo energijos taupymo.

Plastikų inžinierių draugijaskelbia techninius straipsnius apie servohidraulinio liejimo tikslumą, įskaitant šūvių svorio kitimo ir matmenų pakartojamumo duomenis. Paskelbtas tikslumo pranašumas yra nedidelis detalėms su atsipalaidavusiais tolerancijos nuokrypiais (paprastai šūvių svorio kitimo sumažėjimas 10–20 %) ir reikšmingas detalėms su griežtais tolerancijos nuokrypiais (30–50 %).

Kur vis dar laimi įprasti hidrauliniai įrenginiai

Įprastas stacionarus hidraulinis presas nėra pasenęs. Trys taikymo kategorijos jį vis dar palankiai vertina.

• Labai didelio tonažo mašinos (virš 1500 tonų).Servo sistemos priemoka maždaug tiesiškai proporcinga variklio galiai; esant labai didelei talpai, absoliuti servo sistemos priemoka tampa pakankamai didelė, kad atsipirkimo laikotarpis pailgėtų. Kai kurioms specializuotoms didelės talpos taikymo sritims taip pat reikalingos specifinės dinaminės charakteristikos, kurių kintamo greičio sistema neužtikrina taip švariai kaip fiksuoto siurblio sistema su dideliu akumuliatoriumi.
• Ilgo ciklo, nepertraukiamo veikimo taikymas.Jei presas vykdo 90 sekundžių ciklą su storasiene detale, naudodamas ilgą laikymo fazę ir nepertraukiamą trijų pamainų darbą, servo staklės vis tiek taupo energiją, tačiau sutaupytos lėšos amortizuojamos per mažesnį ciklų skaičių per metus. Atsipirkimo laikotarpis pailgėja, o įprasta staklė tampa konkurencingesnė.
• Kapitalo riboti įrenginiai.Gamykla, turinti ribotą kapitalo biudžetą ir trumpą investicijų laikotarpį, gali racionaliai pasirinkti įprastą presą vien dėl kapitalo sąnaudų, ypač jei vietinės elektros energijos kainos yra mažos.

Išskyrus šias tris kategorijas, servohidraulinė sistema yra dominuojantis pasirinkimas pagal 5 metų bendras eksploatavimo sąnaudas. Rinkos duomenys tai patvirtina: servovarikliai sudaro didžiąją dalį naujų presų įrenginių daugumoje regionų ir daugumoje tonažų klasių, išskyrus aukščiau paminėtas didelės talpos specializuotas programas.

5 metų TCO darbalapio sudarymas

Lyginant 5 metų servohidraulinio ir įprasto preso bendrąsias eksploatavimo sąnaudas, sudaro keturios sąnaudų sudedamosios dalys: kapitalas, energija, priežiūra ir metalo laužas / prastova. Kiekvienas iš jų apskaičiuojamas skirtingai.

Kapitalo sąnaudos yra mašinos įsigijimo kaina plius įrengimo, transportavimo, mokymo ir paleidimo išlaidos. Servo priemoka yra skirtumas tarp dviejų mašinų kapitalo sąnaudų.

Energijos sąnaudos yra sukaupta kWh per 5 metus, padauginta iš vietinio elektros energijos tarifo. Servo preso energijos sutaupymas yra skirtumas tarp įprasto preso energijos ir servo preso energijos per tą patį laikotarpį.

Priežiūros išlaidos yra bendros dalių ir darbo sąnaudos per 5 metus. Servo varikliui paprastai reikia mažiau priežiūros, rečiau keisti alyvą ir prižiūrėti aušintuvą. Įprasto variklio variklio ir siurblio guoliai dėvisi labiau, o alyvos sunaudojama daugiau.

Atliekų ir prastovų kaina yra atliekų vertė ir neplanuotų prastovų metu prarastos gamybos vertė. Servo staklės turi griežtesnę slėgio kontrolę ir mažesnį atliekų kiekį; įprastos staklės turi didesnį griežto tolerancijos nuokrypio dalių atliekų kiekį, tačiau neturi jokių trūkumų dalims su sumažinto tolerancijos nuokrypio nuokrypiais.

Grynasis servovariklio 5 metų sutaupymas yra energijos sutaupymo, techninės priežiūros išlaidų ir metalo laužo/prastovų sutaupymo suma atėmus servovariklio priemoką. Jei rezultatas teigiamas, laimi servovariklis. Jei neigiamas, 5 metų laikotarpiu laimi įprastas įrenginys.

Sprendimų sistema: penki klausimai, kuriuos reikia užduoti prieš nustatant tikslą

Konkrečiam atveju sprendimą tarp servo ir įprastinių variklių galima sutrumpinti iki penkių klausimų.

1. Koks yra ciklo profilis?Ilgos palaikymo ir aušinimo fazės yra palankios servo varikliams. Trumpi ciklai, kai reikia didelio srauto, yra palankesni įprastiems arba servo varikliams, o skirtumas nedidelis.
2. Koks yra darbo grafikas?Nuolatinis darbas trimis pamainomis padidina energijos taupymą. Darbas viena pamaina su ilgomis prastovomis sumažina taupymą, nes presas didžiąją dienos dalį yra išjungtas.
3. Kokia yra vietinės elektros energijos kaina?Didelių tarifų rinkos (Europa, Japonija, didžioji dalis Rytų Azijos) pagreitina atsipirkimą. Mažų tarifų rinkos (Artimųjų Rytų dalys, Šiaurės Amerika, kurioje gausu gamtinių dujų) sulėtina atsipirkimą.
4. Koks yra detalės tolerancijos lygis?Griežto tolerancijos detalės (medicininės, optinės, tam tikros pakuotės) sustiprina servo pranašumą dėl mažesnio atliekų kiekio. Dalys su mažesniu tolerancijos tolerancija neutralizuoja šį sutaupymo komponentą.
5. Kas yra kapitalo apribojimas?Jei kapitalo priemokos negalima finansuoti priimtina norma, atsipirkimo laikotarpis yra svarbus, net jei projekto lygmens ekonomika yra teigiama.

Įprasto 250 tonų preso, veikiančio 25 sekundžių ciklu ir veikiančio dviem pamainomis nepertraukiamai vidutinių tarifų rinkoje, atsipirkimo laikotarpis yra 18–36 mėnesiai. 100 tonų preso, veikiančio 12 sekundžių ciklu ir veikiančio viena pamaina mažų tarifų rinkoje, atsipirkimo laikotarpis gali siekti 4 metus ar ilgiau. „Vicks“ šeima.projekto atsipirkimo darbalapisįtraukia visus penkis kintamuosius ir pateikia projektui pritaikytą rekomendaciją.

DUK: Servo ir įprastinis hidraulinis liejimas