Серво хидраулично наспроти конвенционално хидраулично вбризгување: споредба на трошоците за 5 години

Зошто поевтината машина може да чини повеќе

Менаџер на фабрика за калапи во Донггуан штотуку заменил стара конвенционална хидраулична преса од 250 тони со сосема нова со иста спецификација. Пресата за замена чинела помалку од половина од еквивалентната серво-хидраулична машина. Осумнаесет месеци подоцна, сметката за електрична енергија на фабриката за калапот била за 6% повисока од претходната година - конвенционалната преса трошела значително повеќе енергија од постарата што ја заменила. До крајот на третата година, кумулативните трошоци за електрична енергија на конвенционалната преса ја надминале премијата на цената на еквивалентната серво машина, пред да се земат предвид бучавата, побарувачката за ладење и интервалот за промена на маслото. Фабриката на крајот поставила серво систем на постојната преса, наместо да ја замени - и забележала пад на потрошувачката на енергија за половина во првиот цел месец.

Изборот помеѓу серво-хидраулично и конвенционално хидраулично вбризгување не е едноставна одлука од типот „што е поново, тоа е подобро“. Тоа е пресметка на вкупните трошоци за сопственост за 5 години што зависи од тонажата на машината, профилот на циклусот, работните часови и локалните трошоци за електрична енергија. Оваа статија детално го објаснува тоа пресметување - како всушност изгледа енергетскиот јаз, како изгледа јазот во одржувањето, каде конвенционалната машина сè уште ја заработува својата премија и како да се состават бројките за одредена инсталација.

Како конвенционалната хидраулична преса ја користи енергијата

Конвенционална машина за хидраулично лиење со вбризгување со фиксна пумпа работи со електричен мотор со константна брзина, обично поврзан директно со електричната мрежа без погон со променлива фреквенција. Моторот напојува хидраулична пумпа со фиксна поместување - обично пумпа со крила или аксијална клипна пумпа - која испорачува константен проток на хидраулична течност под притисок пропорционален на оптоварувањето. Вентилите за насочна контрола, пропорционалните вентили и серво вентилите на машината го модулираат протокот и притисокот за да одговараат на фазите на затворање на калапот, вбризгување, задржување, пластифицирање и отворање на калапот од циклусот.

Моторот работи со полна брзина во текот на целиот циклус, дури и кога хидрауличната побарувачка е мала. За време на фазата на задржување - кога на делот му е потребен само дел од врвниот проток за да го одржи притисокот во шуплината - вишокот проток се заобиколува преку вентил за олеснување назад во резервоарот, трошејќи ја енергијата како топлина. За време на фазата на ладење - кога воопшто не е потребен хидрауличен проток освен мала количина на тонажа на стегата - пумпата сè уште се врти со полна брзина, сè уште троши полна моќност, а бајпас вентилот сè уште го испушта вишокот проток. Ова е структурната неефикасност на систем со фиксна пумпа: моторот и пумпата работат на една работна точка, и секое несовпаѓање помеѓу таа точка и вистинската хидраулична побарувачка се губи како топлина.

Самата топлина не е бесплатна. Хидрауличното масло мора да се лади за да се одржи вискозитетот и да се спречи оксидација, што значи дека посебен ладилник за масло (ладен со вода или ладен со воздух) работи континуирано, трошејќи дополнителна енергија. Потребата за ладење на конвенционална преса од 250 тони во амбиент од 30 °C е значителна - обично во опсег од 15–25% од електричниот влез на машината при работа во три смени.

Како серво-хидрауличниот систем ја користи енергијата

Серво-хидрауличниот систем го заменува моторот со константна брзина со серво мотор со променлива брзина - обично синхрон мотор со перманентни магнети (PMSM) - управуван од погон со променлива фреквенција (VFD). Серво погонот ја контролира брзината на моторот за да одговара на хидрауличната побарувачка во реално време. Кога циклусот е во фаза на висок проток (затворање на калапот, вбризгување, пластифицирање), моторот се зголемува до голема брзина. Кога циклусот е во фаза на низок проток (задржување, ладење), моторот се намалува до мала брзина што едвај ја задоволува вистинската хидраулична побарувачка. Кога циклусот е во мирување (без движење), моторот може целосно да застане или да работи со брзина близу нула.

Резултатот е дека серво-хидрауличната машина црпи само енергијата што ѝ е потребна за секоја фаза од циклусот. Моторот не работи со константна брзина, пумпата не го заобиколува вишокот проток, а дисипацијата на топлината на бајпас вентилот што ја дефинира неефикасноста на конвенционалната преса е во голема мера елиминирана.Бош Рексрот, Јукени други производители на хидраулични системи објавуваат белешки за примена со споредби на измерената потрошувачка на енергија на серво наспроти потрошувачката на енергија со фиксна пумпа; типичниот опсег низ објавените податоци е намалување на енергијата од 40–80% кај деловите со значителни фази на задржување и ладење и намалување од 20–40% кај деловите со пократки фази на задржување и ладење.

Заштедите не се рамномерни низ целиот циклус. Најголемите заштеди се во фазата на ладење (најдолгата фаза со ниска побарувачка во повеќето циклуси), втората најголема е во фазата на чекање, а најмалата е во фазата на вбризгување (каде што е потребен врвен проток, а серво системот исто така работи на врвен режим). На типично пресување од 250 тони за ABS дел од 200 g со циклус од 25 секунди, фазата на ладење е приближно 50% од циклусот, фазата на чекање 15%, фазите на вбризгување и пластифицирање 25% и фазите на отворање/затворање 10%. Фазата на ладење е местото каде што серво машината заштедува најмногу.

Премиум серво мотор: Капитални трошоци наспроти оперативни трошоци

Серво-хидраулична машина за лиење со вбризгување обично чини 30-60% повеќе од еквивалентна конвенционална машина со иста тонажа и големина на чаура. Точната премија зависи од производителот на машината, добавувачот на серво системот и спецификацијата на машината. За репрезентативна преса од 250 тони, премијата за серво на сегашниот пазар е петцифрен пораст - значајно, но не и трансформативно за менаџер на фабрика кој ја оценува купувањето.

Премијата се надоместува преку заштедата на енергија. За да се добие пресметка за отплатата, потребни се три влезни податоци: заштедата на енергија по циклус, циклусите по смена и цената на електричната енергија. Викслинија на производи за серво системе конфигуриран за серво системи базирани на лопатки-пумпи за апликации со лиење со вбризгување, со заштеда на енергија на ниво на систем во објавениот опсег. За машина од 250 тони на циклус од 25 секунди што работи 6.000 часа годишно (приближно две смени континуирано), годишните заштеди на електрична енергија спаѓаат во значаен опсег - доволно големи за да се отплати премијата за серво во првите 18-36 месеци од работењето, во зависност од локалната тарифа за електрична енергија.

Вести за пластикаиТехнологија на пластикаобјавија податоци од повеќегодишни истражувања кои покажуваат дека серво-хидрауличните машини сега доминираат во продажбата на нови преси во опсегот од 50 до 800 тони низ Северна Америка, Европа и Источна Азија, при што конвенционалните преси се повеќе се ограничени на специфични апликации со голема тонажа и специјализирани апликации. Промената на пазарот сама по себе е индикација за математиката на отплата: доколку премијата за серво мотори не се надоместеше на тригодишен хоризонт, пазарот немаше да се промени.

Одржување: Каде се разликуваат двата система

Профилот на одржување на серво-хидрауличен систем е различен од конвенционалната преса во три области.

Прво, самиот серво мотор бара помалку одржување од индукциски мотор со еквивалентна моќност - нема четки, нема лизгачки прстени, а роторот со перманентен магнет не бара струја на побудување. VFD има свој профил на одржување (вентилатори за ладење, електролитски кондензатори со работен век од 8-12 години), но активните компоненти на самиот мотор се дизајнирани за долг работен век без закажано одржување.

Второ, хидрауличната пумпа во серво систем работи со променлива брзина и обично со пониски просечни вртежи во минута отколку фиксната пумпа на конвенционална преса. Пониските просечни вртежи во минута значи помало абење на лежиштата, помало термичко циклусирање и подолг век на траење на заптивките. Теренски податоци објавени одТехнологија за производство на калапии разни добавувачи на хидраулични пумпи постојано покажуваат дека крилните пумпи во услуга со променлива брзина имаат значително подолг работен век од истата крилна пумпа во услуга со фиксна брзина на споредлива преса.

Трето, ладилникот за масло на серво-хидрауличната преса работи помалку континуирано бидејќи е намалена дисипацијата на топлината од бајпас вентилот. Вентилаторот на ладилникот или пумпата за вода за ладење се вклучуваат и исклучуваат врз основа на реалната температура на маслото, наместо да работат континуирано. Помалото време на работа на ладилникот значи помало одржување на ладилникот и помало паразитско електрично трошење од системот за ладење.

Конвенционалната преса, пак, има поголемо абење на лежиштата на моторот и пумпата, почеста замена на заптивките и поголем термички стрес на маслото, што го забрзува оксидацијата на маслото и го скратува интервалот за замена на маслото. Кај конвенционалната преса во три смени, интервалот за замена на маслото е обично 4.000 часа; кај серво-хидрауличната преса со ист работен циклус, интервалот се продолжува на 6.000–8.000 часа. Цената на маслото во текот на 5-годишниот прозорец е значајна - преса од 250 тони содржи 400–600 литри хидраулично масло, а маслото плус трошокот за отстранување при секоја замена е четирицифрена ставка на многу пазари.

Бучава и работна средина

Конвенционалната преса континуирано ги работи моторот и пумпата со полна брзина, генерирајќи постојан акустичен потпис во опсегот од 78–85 dB(A) на работната станица на операторот. Серво-хидрауличната преса ја намалува брзината на моторот и пумпата за време на фазите на задржување и ладење, значително намалувајќи го придонесот на бучава од хидрауличниот систем. Вкупниот шум на машината паѓа на опсегот од 65–72 dB(A), што е разликата помеѓу нивото на бучава за кое е потребна заштита за слух за изложеност во целосна смена и нивото на бучава што е на прагот на регулаторната граница.

Намалувањето на бучавата не е директна заштеда на трошоци, но е вистинска придобивка на пазарите со строги регулативи за бучава при работа (Директива на ЕУ за безбедност и здравје при работа 2003/10/EC, US OSHA 29 CFR 1910.95, China GBZ 2.2) каде што конвенционалната преса бара заштита на слухот за операторите. Трошоците за заштита на слухот, аудиометриско тестирање и инфраструктура за контрола на бучавата на подот од фабриката обично не се земаат предвид во пресметката за враќање на инвестицијата само со енергија - но тоа е реален трошок на хоризонт од 5 години.

Прецизност и повторување

Серво-хидрауличниот систем има предност во прецизноста што не секогаш се појавува во пресметката на поврат на енергијата, но се појавува во стапката на отпад. Контролата на притисокот во затворена јамка со сензор за притисок и пумпа со променлива брзина го држи притисокот во шуплината во потесен опсег отколку систем со фиксна пумпа со пропорционални вентили. Кај делови со тесна толеранција - оптички, медицински, пакување - самото подобрување на стапката на отпад може да ја плати премијата на сервото во период од 5 години, независно од заштедите на енергија.

Здружение на инженери за пластикаОбјавува технички трудови за прецизност на серво-хидраулично лиење со вбризгување, вклучувајќи варијации на тежината од истрел до истрел и податоци за димензионална повторување. Објавената предност на прецизноста е мала кај делови со опуштени толеранции (обично намалување од 10-20% во варијацијата од истрел до истрел) и значајна кај делови со тесна толеранција (намалување од 30-50%).

Каде конвенционалната хидраулика сè уште победува

Конвенционалната хидраулична преса со фиксна пумпа не е застарена. Три категории на примена сè уште ја фаворизираат.

• Машини со многу голема тонажа (над 1.500 тони).Премијата на серво системот се зголемува приближно линеарно со моќноста на моторот; при многу голема тонажа, апсолутната премија на серво станува доволно голема за да се продолжи периодот на враќање на инвестицијата. Некои специјализирани апликации со голема тонажа, исто така, бараат специфични карактеристики на динамички одговор што системот со променлива брзина не ги испорачува толку чисто како системот со фиксна пумпа со голем акумулатор.
• Долгоциклусни апликации со континуирана работа.Ако пресата работи со циклус од 90 секунди на дел со дебели ѕидови со долга фаза на задржување и континуирано работење во три смени, серво машината сè уште заштедува енергија, но заштедите се амортизираат во помал број циклуси годишно. Периодот на враќање на инвестицијата се продолжува, а конвенционалната машина станува поконкурентна.
• Инсталации со ограничен капитал.Фабрика со ограничен капитален буџет и краток инвестициски хоризонт може рационално да ја избере конвенционалната преса само врз основа на капиталните трошоци, особено ако локалните трошоци за електрична енергија се ниски.

Надвор од овие три категории, серво-хидрауличниот систем е доминантен избор врз основа на 5-годишниот вкупен трошок на сопственост. Пазарните податоци го потврдуваат ова: уделот на серво моторите во новите инсталации за преса е најголем во повеќето региони и повеќето класи на тонажа, со исклучок на специјализираните апликации со голема тонажа наведени погоре.

Создавање на 5-годишен работен лист за вкупна вредност на сопственост

Споредбата на вкупните трошоци за сопственост за 5 години помеѓу серво-хидраулична и конвенционална преса има четири компоненти на трошоци: капитал, енергија, одржување и отпад/застој. Секоја од нив се пресметува различно.

Капиталните трошоци се куповната цена на машината плус инсталацијата, превозот, обуката и пуштањето во работа. Премијата за серво моторот е разликата помеѓу капиталните трошоци на двете машини.

Трошокот за енергија е кумулативниот kWh во текот на 5 години, помножен со локалната тарифа за електрична енергија. Заштедата на енергија на серво машината е разликата помеѓу енергијата на конвенционалната преса и енергијата на серво пресата во истиот период.

Трошоците за одржување се кумулативните делови и работната сила во текот на 5 години. Серво машината обично има помало одржување поврзано со пумпата, помала фреквенција на менување на маслото и помало одржување на ладилникот. Конвенционалната машина има поголемо абење на лежиштата на моторот и пумпата и поголема потрошувачка на масло.

Трошоците за отпад и застој се вредноста на отпаднатите делови и вредноста на изгубеното производство за време на непланиран застој. Серво машината има построга контрола на притисокот и помала стапка на отпад; конвенционалната машина има повисока стапка на отпад кај деловите со тесна толеранција, но нема недостатоци кај деловите со опуштена толеранција.

5-годишните нето заштеди на серво машината се збир од заштедите на енергија плус заштедите од одржување плус заштедите од отпад/застој, минус премијата за серво. Ако резултатот е позитивен, серво машината победува. Ако е негативен, конвенционалната машина победува на 5-годишен хоризонт.

Рамката за донесување одлуки: Пет прашања што треба да се постават пред да се специфицира

За специфична инсталација, одлуката за серво наспроти конвенционален мотор може да се сведе на пет прашања.

1. Кој е профилот на циклусот?Долгите фази на задржување и ладење се во корист на серво моторот. Кратките циклуси со голема побарувачка на проток во текот на целиот процес се во корист на конвенционалниот или серво моторот, со мала разлика.
2. Кој е оперативниот распоред?Континуираното работење во три смени ги зголемува заштедите на енергија. Работата во една смена со долги периоди на мирување ги намалува заштедите бидејќи печатарската машина е исклучена поголемиот дел од денот.
3. Колкава е цената на локалната електрична енергија?Пазарите со високи тарифи (Европа, Јапонија, голем дел од Источна Азија) го забрзуваат враќањето на инвестицијата. Пазарите со ниски тарифи (делови од Блискиот Исток, Северна Америка со изобилство природен гас) го забавуваат враќањето на инвестицијата.
4. Колкава е толеранцијата на делот?Деловите со тесна толеранција (медицински, оптички, одредено пакување) ја зголемуваат предноста на сервото преку помал отпад. Деловите со опуштена толеранција ја неутрализираат оваа компонента на заштедите.
5. Кое е ограничувањето на капиталот?Доколку капиталната премија не може да се финансира по разумна каматна стапка, периодот на враќање на инвестицијата е важен дури и ако економските показатели на ниво на проект се позитивни.

За типична преса од 250 тони на циклус од 25 секунди што работи во две смени континуирано на пазар со умерени тарифи, периодот на отплата е во опсег од 18-36 месеци. За преса од 100 тони на циклус од 12 секунди што работи во една смена на пазар со ниски тарифи, периодот на отплата може да се продолжи до 4 години или повеќе. Викс.работен лист за отплата на проектотги вклучува сите пет варијабли и произведува препорака специфична за проектот.

Најчесто поставувани прашања: Серво наспроти конвенционално хидраулично вбризгување