Serwohydrauliczne a konwencjonalne formowanie wtryskowe metodą hydrauliczną: porównanie kosztów w ciągu 5 lat

Dlaczego tańsza maszyna może kosztować więcej

Kierownik zakładu formowania w Dongguan właśnie wymienił starą, 250-tonową, konwencjonalną prasę hydrauliczną na zupełnie nową o tej samej specyfikacji. Koszt wymiany prasy był niższy niż połowa ceny równoważnej maszyny serwohydraulicznej. Osiemnaście miesięcy później rachunek za prąd w zakładzie na hali formowania był o 6% wyższy niż rok wcześniej — prasa konwencjonalna zużywała zauważalnie więcej energii niż starsza, którą zastąpiła. Pod koniec trzeciego roku skumulowany koszt energii elektrycznej prasy konwencjonalnej przekroczył marżę cenową równoważnej maszyny serwo, przed uwzględnieniem hałasu, zapotrzebowania na chłodzenie i częstotliwości wymiany oleju. Zakład ostatecznie zamontował system serwo w istniejącej prasie zamiast ją wymieniać — i odnotował spadek zużycia energii o połowę w ciągu pierwszego pełnego miesiąca.

Wybór między serwohydrauliką a konwencjonalnym hydraulicznym formowaniem wtryskowym nie jest prostą decyzją typu „nowsze znaczy lepsze”. To kalkulacja całkowitego kosztu posiadania (CCO) w ciągu 5 lat, która zależy od tonażu maszyny, profilu cyklu, liczby godzin pracy i lokalnych kosztów energii elektrycznej. Niniejszy artykuł szczegółowo omawia tę kalkulację – jak faktycznie wygląda luka energetyczna, jak wygląda luka konserwacyjna, gdzie konwencjonalna maszyna nadal zasługuje na premię i jak zestawić te liczby dla konkretnej instalacji.

Jak konwencjonalna prasa hydrauliczna wykorzystuje moc

Konwencjonalna wtryskarka hydrauliczna z pompą stałą napędza silnik elektryczny o stałej prędkości, zazwyczaj podłączony bezpośrednio do sieci, bez przemiennika częstotliwości. Silnik napędza pompę hydrauliczną o stałej wydajności – zazwyczaj łopatkową lub tłokową osiową – która dostarcza stały przepływ płynu hydraulicznego pod ciśnieniem proporcjonalnym do obciążenia. Zawory sterujące kierunkiem przepływu, zawory proporcjonalne i serwozawory maszyny modulują przepływ i ciśnienie, dostosowując je do faz cyklu: zamykania formy, wtrysku, podtrzymywania, uplastyczniania i otwierania formy.

Silnik pracuje z pełną prędkością przez cały cykl, nawet gdy zapotrzebowanie hydrauliczne jest niskie. Podczas fazy podtrzymania — gdy element potrzebuje tylko ułamka szczytowego przepływu, aby utrzymać ciśnienie w komorze — nadmiar przepływu jest odprowadzany przez zawór bezpieczeństwa z powrotem do zbiornika, rozpraszając energię w postaci ciepła. Podczas fazy chłodzenia — gdy nie jest potrzebny żaden przepływ hydrauliczny poza niewielką ilością tonażu zacisku — pompa nadal obraca się z pełną prędkością, nadal pobiera pełną moc, a zawór obejściowy nadal odprowadza nadmiar przepływu. Jest to strukturalna nieefektywność układu pompy o stałej wydajności: silnik i pompa pracują w jednym punkcie roboczym, a wszelkie niedopasowanie między tym punktem a rzeczywistym zapotrzebowaniem hydraulicznym jest tracone w postaci ciepła.

Samo ciepło nie jest darmowe. Olej hydrauliczny musi być chłodzony, aby utrzymać lepkość i zapobiec utlenianiu, co oznacza, że ​​oddzielna chłodnica oleju (chłodzona wodą lub powietrzem) pracuje nieprzerwanie, pobierając dodatkową moc. Zapotrzebowanie na chłodzenie konwencjonalnej prasy o nacisku 250 ton w temperaturze otoczenia 30°C jest znaczne – zazwyczaj wynosi od 15 do 25% poboru mocy elektrycznej maszyny w trybie trzyzmianowym.

Jak układ serwohydrauliczny wykorzystuje moc

Układ serwo-hydrauliczny zastępuje silnik o stałej prędkości serwosilnikiem o zmiennej prędkości — zazwyczaj silnikiem synchronicznym z magnesami trwałymi (PMSM) — napędzanym przez napęd o zmiennej częstotliwości (VFD). Serwomotor steruje prędkością silnika, dostosowując ją w czasie rzeczywistym do zapotrzebowania na olej hydrauliczny. W fazie wysokiego przepływu (zamknięcie formy, wtrysk, uplastycznienie) silnik zwiększa prędkość do wysokiej. W fazie niskiego przepływu (utrzymanie, chłodzenie) silnik zmniejsza prędkość do niskiej, która zaspokaja rzeczywiste zapotrzebowanie na olej hydrauliczny. W fazie spoczynku (brak ruchu) silnik może całkowicie się zatrzymać lub pracować z prędkością bliską zeru.

W rezultacie maszyna serwohydrauliczna pobiera tylko tyle mocy, ile potrzebuje w każdej fazie cyklu. Silnik nie pracuje ze stałą prędkością, pompa nie omija nadmiernego przepływu, a rozpraszanie ciepła przez zawór obejściowy, które jest przyczyną niskiej wydajności konwencjonalnych pras, jest w dużej mierze wyeliminowane.Bosch Rexroth, Yukeni inni producenci układów hydraulicznych publikują notatki aplikacyjne zawierające porównania zmierzonego zużycia energii przez serwomechanizmy i pompy o stałej wydajności; typowy zakres opublikowanych danych wynosi 40–80% redukcji energii w przypadku części o dłuższych fazach przytrzymywania i chłodzenia oraz 20–40% redukcji w przypadku części o krótszych fazach przytrzymywania i chłodzenia.

Oszczędności nie są jednakowe w całym cyklu. Największe oszczędności występują w fazie chłodzenia (najdłuższej fazie niskiego zapotrzebowania w większości cykli), drugie co do wielkości w fazie podtrzymania, a najmniejsze w fazie wtrysku (gdzie wymagany jest przepływ szczytowy, a system serwo również pracuje z maksymalną wydajnością). W typowej prasie o nacisku 250 ton, formującej 200-gramowy element ABS w cyklu 25-sekundowym, faza chłodzenia stanowi około 50% cyklu, faza podtrzymania – 15%, fazy wtrysku i uplastyczniania – 25%, a fazy otwierania/zamykania – 10%. To właśnie w fazie chłodzenia serwomaszyna generuje największe oszczędności.

Servo Premium: Koszt kapitałowy a koszt operacyjny

Wtryskarka serwohydrauliczna kosztuje zazwyczaj o 30–60% więcej niż równoważna maszyna konwencjonalna o tym samym tonażu i wielkości wtrysku. Dokładna wysokość premii zależy od producenta maszyny, dostawcy systemu serwo oraz specyfikacji maszyny. W przypadku reprezentatywnej prasy o nacisku 250 ton, premia za serwo na obecnym rynku wynosi pięciocyfrowy wzrost – znaczący, ale nie transformacyjny dla kierownika zakładu rozważającego zakup.

Premia jest odzyskiwana dzięki oszczędnościom energii. Aby określić zwrot, potrzebne są trzy dane: oszczędności energii na cykl, liczba cykli na zmianę oraz koszt energii elektrycznej. Vickslinia produktów systemów serwojest skonfigurowany do systemów serwo z pompą łopatkową w zastosowaniach formowania wtryskowego, zapewniając oszczędności energii na poziomie systemu w opublikowanym zakresie. Dla maszyny o masie 250 ton, pracującej w cyklu 25-sekundowym przez 6000 godzin rocznie (w przybliżeniu dwie zmiany ciągłe), roczne oszczędności energii elektrycznej mieszczą się w znaczącym zakresie – wystarczająco dużym, aby zwrócić premię za serwo w ciągu pierwszych 18–36 miesięcy pracy, w zależności od lokalnej taryfy za energię elektryczną.

Wiadomości o tworzywach sztucznychITechnologia tworzyw sztucznychopublikowali wieloletnie dane z badań, które pokazują, że maszyny serwohydrauliczne dominują obecnie w sprzedaży nowych pras w zakresie od 50 do 800 ton w Ameryce Północnej, Europie i Azji Wschodniej, a prasy konwencjonalne są coraz częściej ograniczane do konkretnych zastosowań wysokotonażowych i specjalistycznych. Zmiana rynku sama w sobie jest wskaźnikiem zwrotu z inwestycji: gdyby premia za serwo nie została odzyskana w ciągu 3 lat, rynek nie uległby zmianie.

Konserwacja: gdzie dwa systemy się rozchodzą

Profil konserwacji układu serwohydraulicznego różni się od profilu konserwacji prasy konwencjonalnej w trzech obszarach.

Po pierwsze, sam serwosilnik wymaga mniejszej konserwacji niż silnik indukcyjny o podobnej mocy – nie posiada szczotek ani pierścieni ślizgowych, a wirnik z magnesami trwałymi nie wymaga prądu wzbudzenia. Przetwornica częstotliwości ma własny profil konserwacji (wentylatory chłodzące, kondensatory elektrolityczne o żywotności 8–12 lat), ale aktywne elementy samego silnika zostały zaprojektowane z myślą o długiej żywotności bez konieczności planowej konserwacji.

Po drugie, pompa hydrauliczna w układzie serwo pracuje ze zmienną prędkością i zazwyczaj przy niższych średnich obrotach na minutę niż pompa o stałej prędkości w konwencjonalnej prasie. Niższe średnie obroty na minutę oznaczają mniejsze zużycie łożysk, mniejszą liczbę cykli termicznych i dłuższą żywotność uszczelnień. Dane terenowe opublikowane przezTechnologia produkcji formi różni dostawcy pomp hydraulicznych stale wykazują, że pompy łopatkowe pracujące przy zmiennej prędkości mają znacznie dłuższą żywotność niż taka sama pompa łopatkowa pracująca przy stałej prędkości w porównywalnej prasie.

Po trzecie, chłodnica oleju w prasie serwohydraulicznej pracuje mniej nieprzerwanie, ponieważ zmniejsza się rozpraszanie ciepła przez zawór obejściowy. Wentylator chłodnicy lub pompa wody chłodzącej włączają się i wyłączają cyklicznie w zależności od rzeczywistej temperatury oleju, zamiast pracować w sposób ciągły. Krótszy czas pracy chłodnicy oznacza mniejsze wymagania konserwacyjne i mniejsze pasożytnicze zużycie energii elektrycznej przez układ chłodzenia.

Z kolei prasa konwencjonalna charakteryzuje się większym zużyciem łożysk silnika i pompy, częstszą wymianą uszczelnień oraz wyższym naprężeniem termicznym oleju, co przyspiesza jego utlenianie i skraca okres między wymianami. W prasie konwencjonalnej pracującej trzy zmiany okres między wymianami oleju wynosi zazwyczaj 4000 godzin; w prasie serwohydraulicznej o tym samym cyklu pracy okres ten wydłuża się do 6000–8000 godzin. Koszt oleju w ciągu 5 lat jest znaczący — prasa o nacisku 250 ton mieści 400–600 litrów oleju hydraulicznego, a koszt oleju wraz z kosztami utylizacji przy każdej wymianie w wielu krajach sięga czterocyfrowej kwoty.

Hałas i środowisko pracy

W prasie konwencjonalnej silnik i pompa pracują z pełną prędkością obrotową, generując stały poziom hałasu w zakresie 78–85 dB(A) na stanowisku operatora. Prasa serwohydrauliczna zmniejsza prędkość obrotową silnika i pompy podczas faz podtrzymania i chłodzenia, znacząco redukując poziom hałasu generowanego przez układ hydrauliczny. Całkowity poziom hałasu maszyny spada do zakresu 65–72 dB(A), co stanowi różnicę między poziomem hałasu wymagającym stosowania ochronników słuchu podczas pracy na pełnej zmianie a poziomem hałasu na granicy dopuszczalnej.

Redukcja hałasu nie przekłada się bezpośrednio na oszczędności, ale stanowi realną korzyść na rynkach, na których obowiązują surowe przepisy dotyczące hałasu w miejscu pracy (dyrektywa UE OSH 2003/10/WE, amerykańska OSHA 29 CFR 1910.95, chińska GBZ 2.2), gdzie konwencjonalna prasa wymaga stosowania ochronników słuchu dla operatorów. Koszty ochronników słuchu, badań audiometrycznych i infrastruktury kontroli hałasu na hali produkcyjnej zazwyczaj nie są uwzględniane w kalkulacji zwrotu z inwestycji, ale w perspektywie 5 lat stanowią realny koszt.

Precyzja i powtarzalność

Układ serwohydrauliczny ma przewagę w zakresie precyzji, która nie zawsze jest widoczna w kalkulacji zwrotu energii, ale przekłada się na wskaźnik złomu. Zamknięta pętla regulacji ciśnienia z czujnikiem ciśnienia i pompą o zmiennej prędkości utrzymuje ciśnienie w jamie w węższym zakresie niż układ z pompą stałą i zaworami proporcjonalnymi. W przypadku części o wąskiej tolerancji – optycznych, medycznych, opakowaniowych – sama poprawa wskaźnika złomu może pokryć koszty premii za serwo w perspektywie 5 lat, niezależnie od oszczędności energii.

Towarzystwo Inżynierów Tworzyw SztucznychPublikuje artykuły techniczne na temat precyzji formowania wtryskowego z wykorzystaniem serwohydrauliki, w tym dane dotyczące zmienności masy między wtryskami i powtarzalności wymiarów. Opublikowana przewaga w zakresie precyzji jest niewielka w przypadku części o zawężonych tolerancjach (zwykle 10–20% redukcja zmienności między wtryskami) i znacząca w przypadku części o wąskich tolerancjach (redukcja 30–50%).

Gdzie konwencjonalna hydraulika nadal wygrywa

Konwencjonalna prasa hydrauliczna ze stałą pompą nie jest przestarzała. Nadal jednak znajduje zastosowanie w trzech kategoriach zastosowań.

• Maszyny o bardzo dużym tonażu (powyżej 1500 ton).Premia za system serwo rośnie mniej więcej liniowo wraz z mocą silnika; przy bardzo dużym tonażu, bezwzględna premia za serwo staje się na tyle duża, że ​​okres zwrotu z inwestycji ulega wydłużeniu. Niektóre specjalistyczne zastosowania o dużym tonażu wymagają również specyficznych charakterystyk dynamiki, których system o zmiennej prędkości nie zapewnia tak precyzyjnie, jak system z pompą o stałej prędkości i dużym akumulatorem.
• Zastosowania o długim cyklu i ciągłej pracy.Jeśli prasa pracuje w 90-sekundowym cyklu na detalu o grubych ściankach, z długą fazą przetrzymania i ciągłą pracą na trzy zmiany, serwomechanizm nadal oszczędza energię, ale oszczędności amortyzują się w mniejszej liczbie cykli rocznie. Okres zwrotu z inwestycji wydłuża się, a maszyna konwencjonalna staje się bardziej konkurencyjna.
• Instalacje o ograniczonych środkach kapitałowych.Zakład dysponujący ograniczonym budżetem kapitałowym i krótkim horyzontem inwestycyjnym może racjonalnie wybrać konwencjonalną strategię redukcji kosztów kapitałowych, szczególnie jeśli lokalne koszty energii elektrycznej są niskie.

Poza tymi trzema kategoriami, system serwo-hydrauliczny jest dominującym wyborem w kontekście całkowitego kosztu posiadania w ciągu 5 lat. Dane rynkowe to potwierdzają: udział serwo w nowych instalacjach pras jest największy w większości regionów i klas tonażowych, z wyjątkiem specjalistycznych zastosowań o dużym tonażu, wymienionych powyżej.

Tworzenie arkusza kalkulacyjnego TCO na okres 5 lat

Porównanie całkowitego kosztu posiadania prasy serwohydraulicznej i konwencjonalnej w ciągu 5 lat obejmuje cztery składniki kosztów: kapitał, energię, konserwację oraz złom/przestoje. Każdy z nich jest obliczany inaczej.

Koszt kapitałowy to cena zakupu maszyny powiększona o koszty instalacji, transportu, szkolenia i uruchomienia. Premia za serwomotor to różnica między kosztem kapitałowym obu maszyn.

Koszt energii to skumulowana ilość kWh w ciągu 5 lat, pomnożona przez lokalną taryfę za energię elektryczną. Oszczędności energii serwomaszyny to różnica między energią zużywaną przez prasę konwencjonalną a energią zużywaną przez prasę serwo w tym samym okresie.

Koszt konserwacji to skumulowany koszt części i robocizny w ciągu 5 lat. Maszyna serwo zazwyczaj wymaga mniej konserwacji pompy, mniejszej częstotliwości wymiany oleju i niższej konserwacji chłodnicy. Maszyna konwencjonalna charakteryzuje się większym zużyciem łożysk silnika i pompy oraz większym zużyciem oleju.

Koszt złomu i przestoju to wartość złomowanych części oraz wartość produkcji utraconej w wyniku nieplanowanego przestoju. Maszyna serwo ma ściślejszą kontrolę ciśnienia i niższy wskaźnik braków; maszyna konwencjonalna ma wyższy wskaźnik braków w przypadku części o wąskiej tolerancji, ale nie ma wad w przypadku części o luźnej tolerancji.

Pięcioletnie oszczędności netto maszyny serwo to suma oszczędności energii, oszczędności na konserwacji, oszczędności na złomie/przestojach, pomniejszona o premię za serwo. Jeśli wynik jest dodatni, wygrywa maszyna serwo. Jeśli ujemny, wygrywa maszyna konwencjonalna w perspektywie 5 lat.

Ramy decyzyjne: pięć pytań, które należy zadać przed określeniem

W przypadku konkretnej instalacji decyzję dotyczącą wyboru między systemem serwo a systemem konwencjonalnym można sprowadzić do pięciu pytań.

1. Czym jest profil cyklu?Długie fazy utrzymywania i chłodzenia sprzyjają serwo. Krótkie cykle z wysokim zapotrzebowaniem na przepływ sprzyjają konwencjonalnemu lub serwosterowaniu, z niewielką różnicą.
2. Jaki jest harmonogram operacji?Ciągła praca na trzy zmiany zwiększa oszczędności energii. Praca na jedną zmianę z długimi okresami przestoju zmniejsza te oszczędności, ponieważ prasa jest wyłączona przez większość dnia.
3. Jaki jest lokalny koszt energii elektrycznej?Rynki o wysokich taryfach (Europa, Japonia, znaczna część Azji Wschodniej) przyspieszają zwrot inwestycji. Rynki o niskich taryfach (część Bliskiego Wschodu, Ameryka Północna z dużymi zasobami gazu ziemnego) spowalniają zwrot inwestycji.
4. Jaka jest tolerancja części?Części o wąskiej tolerancji (medyczne, optyczne, niektóre opakowania) wzmacniają przewagę serwomotorów poprzez zmniejszenie ilości odpadów. Części o luźnej tolerancji neutralizują ten składnik oszczędności.
5. Czym jest ograniczenie kapitałowe?Jeżeli premii kapitałowej nie można sfinansować na rozsądnym poziomie, okres zwrotu ma znaczenie, nawet jeśli ekonomika na poziomie projektu jest dodatnia.

Dla typowej prasy o nacisku 250 ton, pracującej w cyklu 25-sekundowym na dwie zmiany w systemie ciągłym, na rynku o umiarkowanej taryfie, zwrot z inwestycji mieści się w przedziale 18–36 miesięcy. Dla prasy o nacisku 100 ton, pracującej w cyklu 12-sekundowym na jedną zmianę w systemie o niskiej taryfie, zwrot z inwestycji może wynieść 4 lata lub więcej.arkusz zwrotu projektuuwzględnia wszystkie pięć zmiennych i tworzy zalecenia dotyczące konkretnego projektu.

FAQ: Formowanie wtryskowe metodą serwo a konwencjonalną metodą hydrauliczną