Turnare prin injecție servohidraulică vs. turnare hidraulică convențională: comparație a costurilor pe 5 ani

De ce mașina mai ieftină poate costa mai mult

Un manager de fabrică de turnare din Dongguan tocmai înlocuise o presă hidraulică convențională veche, de 250 de tone, cu una complet nouă, cu aceleași specificații. Presa de înlocuire costa mai puțin de jumătate din prețul unei mașini servo-hidraulice echivalente. Optsprezece luni mai târziu, factura de energie electrică a fabricii pentru secția de turnare era cu 6% mai mare decât în ​​anul precedent - presa convențională consuma considerabil mai multă energie decât cea mai veche pe care o înlocuise. Până la sfârșitul celui de-al treilea an, costul cumulativ al energiei electrice pentru presa convențională depășise prima de preț a mașinii servo echivalente, înainte de a lua în considerare zgomotul, necesarul de răcire și intervalul de schimb de ulei. În cele din urmă, fabrica a modernizat presa existentă cu un sistem servo, în loc să o înlocuiască - și a constatat că consumul de energie scădea la jumătate în prima lună completă.

Alegerea între turnarea prin injecție servo-hidraulică și cea convențională nu este o simplă decizie de tipul „mai nou înseamnă mai bine”. Este un calcul al costului total de proprietate pe 5 ani, care depinde de tonajul mașinii, profilul ciclului, orele de funcționare și costul local al energiei electrice. Acest articol prezintă în detaliu acest calcul - cum arată de fapt decalajul energetic, cum arată decalajul de întreținere, unde mașina convențională își câștigă în continuare prima și cum se calculează cifrele pentru o instalație specifică.

Cum utilizează o presă hidraulică convențională puterea

O mașină convențională de turnare prin injecție hidraulică cu pompă fixă ​​acționează un motor electric la viteză constantă, de obicei conectat direct la rețeaua electrică fără un acționare cu frecvență variabilă. Motorul acționează o pompă hidraulică cu debit fix - de obicei o pompă cu palete sau o pompă cu piston axial - care furnizează un debit constant de fluid hidraulic la o presiune proporțională cu sarcina. Supapele de control direcțional, supapele proporționale și servovalvele mașinii modulează debitul și presiunea pentru a se potrivi cu fazele de închidere a matriței, injecție, menținere, plastifiere și deschidere a matriței din cadrul ciclului.

Motorul funcționează la viteză maximă pe tot parcursul ciclului, chiar și atunci când cererea hidraulică este scăzută. În timpul fazei de menținere - când piesa are nevoie doar de o fracțiune din debitul de vârf pentru a menține presiunea din cavitate - excesul de debit este ocolit printr-o supapă de siguranță înapoi în rezervor, disipând energia sub formă de căldură. În timpul fazei de răcire - când nu este necesar deloc debit hidraulic, cu excepția unei cantități mici de tonaj de prindere - pompa se rotește în continuare la viteză maximă, consumând în continuare putere maximă, iar supapa de ocolire încă elimină excesul de debit. Aceasta este ineficiența structurală a unui sistem cu pompe fixe: motorul și pompa funcționează într-un singur punct de funcționare, iar orice neconcordanță dintre acel punct și cererea hidraulică reală se pierde sub formă de căldură.

Căldura în sine nu este gratuită. Uleiul hidraulic trebuie răcit pentru a menține vâscozitatea și a preveni oxidarea, ceea ce înseamnă că un răcitor de ulei separat (răcit cu apă sau cu aer) funcționează continuu, consumând energie suplimentară. Necesarul de răcire pentru o presă convențională de 250 de tone la o temperatură ambiantă de 30 °C este substanțial - de obicei în intervalul 15-25% din consumul electric de intrare al mașinii într-o operațiune în trei schimburi.

Cum utilizează puterea un sistem servo-hidraulic

Un sistem servo-hidraulic înlocuiește motorul cu viteză constantă cu un servomotor cu viteză variabilă — de obicei un motor sincron cu magneți permanenți (PMSM) — acționat de un variator de frecvență (VFD). Servomotorul controlează viteza motorului pentru a se potrivi cererii hidraulice în timp real. Când ciclul este în faza de debit ridicat (închidere matriță, injecție, plastifiere), motorul crește la viteză mare. Când ciclul este în faza de debit redus (menținere, răcire), motorul scade la o viteză mică care satisface exact cererea hidraulică reală. Când ciclul este în repaus (fără mișcare), motorul se poate opri complet sau poate funcționa la o viteză aproape zero.

Rezultatul este că mașina servo-hidraulică consumă doar puterea de care are nevoie pentru fiecare fază a ciclului. Motorul nu funcționează la turație constantă, pompa nu ocolește excesul de debit, iar disiparea căldurii de către supapa de bypass care definește ineficiența presei convenționale este în mare parte eliminată.Bosch Rexroth, Yuken...și alți producători de sisteme hidraulice publică note de aplicare cu comparații ale consumului de energie măsurat între servomotor și pompe fixe; intervalul tipic pentru datele publicate este o reducere a energiei de 40-80% la piesele cu faze semnificative de menținere și răcire și o reducere de 20-40% la piesele cu faze mai scurte de menținere și răcire.

Economiile nu sunt uniforme pe parcursul ciclului. Cele mai mari economii se înregistrează în faza de răcire (cea mai lungă fază cu solicitare redusă din majoritatea ciclurilor), a doua ca mărime în faza de menținere și cea mai mică în faza de injecție (unde este necesar debitul maxim, iar sistemul servo funcționează și el la maxim). La o presă tipică de 250 de tone care turnează o piesă ABS de 200 g cu un ciclu de 25 de secunde, faza de răcire reprezintă aproximativ 50% din ciclu, faza de menținere 15%, fazele de injecție și plastifiere 25%, iar fazele de deschidere/închidere 10%. Faza de răcire este cea în care mașina servo economisește cel mai mult.

Prima Servo: Cost de capital vs. cost de operare

O mașină de turnare prin injecție servo-hidraulică costă de obicei cu 30-60% mai mult decât o mașină convențională echivalentă de același tonaj și dimensiune a injecției. Prima exactă depinde de producătorul mașinii, de furnizorul sistemului servo și de specificațiile mașinii. Pentru o presă reprezentativă de 250 de tone, prima servo pe piața actuală este o creștere de cinci cifre - semnificativă, dar nu transformatoare pentru un manager de fabrică care evaluează achiziția.

Prima este recuperată prin economiile de energie. Pentru a calcula rentabilitatea investiției, sunt necesare trei date de intrare: economiile de energie pe ciclu, ciclurile pe schimb și costul energiei electrice. Vickslinie de produse pentru sisteme servoeste configurat pentru sisteme servo bazate pe pompe cu palete în aplicații de turnare prin injecție, cu economii de energie la nivel de sistem în intervalul publicat. Pentru o mașină de 250 de tone pe un ciclu de 25 de secunde care funcționează 6.000 de ore pe an (aproximativ două schimburi continue), economiile anuale de energie electrică se încadrează într-un interval semnificativ - suficient de mari pentru a rambursa prima de servo în primele 18-36 de luni de funcționare, în funcție de tariful local la energie electrică.

Știri despre materiale plasticeşiTehnologia materialelor plasticeau publicat date din sondaje multianuale care arată că mașinile servo-hidraulice domină acum vânzările de prese noi în gama de 50 până la 800 de tone în America de Nord, Europa și Asia de Est, presele convenționale fiind din ce în ce mai mult limitate la aplicații specifice de tonaj mare și speciale. Schimbarea pieței este în sine o indicație a calculelor de recuperare a investiției: dacă prima servo nu ar fi fost recuperată pe un orizont de 3 ani, piața nu s-ar fi schimbat.

Întreținere: Unde cele două sisteme diverg

Profilul de întreținere al unui sistem servo-hidraulic este diferit de cel al unei prese convenționale în trei aspecte.

În primul rând, servomotorul în sine necesită mai puțină întreținere decât un motor cu inducție de putere echivalentă — nu are perii, nu are inele colectoare, iar rotorul cu magnet permanent nu necesită curent de excitație. VFD-ul are propriul profil de întreținere (ventilatoare de răcire, condensatoare electrolitice cu o durată de viață de 8-12 ani), dar componentele active ale motorului în sine sunt proiectate pentru o durată lungă de viață, fără întreținere programată.

În al doilea rând, pompa hidraulică dintr-un sistem servo funcționează la viteză variabilă și, de obicei, la o turație medie mai mică decât o pompă fixă ​​de pe o presă convențională. O turație medie mai mică înseamnă o uzură mai mică a rulmenților, cicluri termice mai mici și o durată de viață mai lungă a etanșării. Date de teren publicate deTehnologie de fabricare a matrițelorși diverși furnizori de pompe hidraulice arată în mod constant că pompele cu palete în serviciu cu viteză variabilă au o durată de viață semnificativ mai lungă decât aceeași pompă cu palete în serviciu cu viteză fixă ​​pe o presă comparabilă.

În al treilea rând, răcitorul de ulei de la o presă servo-hidraulică funcționează mai puțin continuu deoarece disiparea căldurii de către supapa de bypass este redusă. Ventilatorul răcitorului sau pompa de apă de răcire pornește și se oprește în funcție de temperatura reală a uleiului, în loc să funcționeze continuu. Un timp de funcționare mai scurt al răcitorului înseamnă o întreținere mai mică a răcitorului și un consum electric parazit mai mic din sistemul de răcire.

Presa convențională, prin contrast, are o uzură mai mare a rulmenților motorului și ai pompei, înlocuirea mai frecventă a garniturilor și o solicitare termică mai mare asupra uleiului, ceea ce accelerează oxidarea uleiului și scurtează intervalul de schimb al uleiului. La o presă convențională cu trei schimburi, intervalul de schimb al uleiului este de obicei de 4.000 de ore; la o presă servo-hidraulică cu același ciclu de funcționare, intervalul se extinde la 6.000-8.000 de ore. Costul uleiului pe o perioadă de 5 ani este semnificativ - o presă de 250 de tone conține 400-600 de litri de ulei hidraulic, iar uleiul plus costul de eliminare pentru fiecare schimb reprezintă un element de patru cifre pe multe piețe.

Zgomot și mediu de lucru

Presa convențională funcționează motorul și pompa la viteză maximă în mod continuu, generând o semnătură acustică constantă în intervalul 78–85 dB(A) la postul operatorului. Presa servo-hidraulică scade viteza motorului și a pompei în timpul fazelor de menținere și răcire, reducând semnificativ contribuția la zgomot a sistemului hidraulic. Zgomotul total al mașinii scade la intervalul 65–72 dB(A), care reprezintă diferența dintre un nivel de zgomot care necesită protecție auditivă pentru expunerea pe tot parcursul turei și unul care se află la pragul limitei de reglementare.

Reducerea zgomotului nu reprezintă o economie directă de costuri, dar reprezintă un beneficiu real pe piețele cu reglementări stricte privind zgomotul ocupațional (Directiva UE privind SSM 2003/10/CE, US OSHA 29 CFR 1910.95, China GBZ 2.2), unde presa convențională necesită protecție auditivă pentru operatori. Costul protecției auditive, al testelor audiometrice și al infrastructurii de control al zgomotului din incinta fabricii nu este de obicei luat în considerare în calculul amortizării exclusiv a energiei - dar este un cost real pe un orizont de 5 ani.

Precizie și repetabilitate

Sistemul servo-hidraulic are un avantaj de precizie care nu apare întotdeauna în calculul recuperării energiei, dar se reflectă în rata de rebut. Controlul presiunii în buclă închisă cu un senzor de presiune și o pompă cu viteză variabilă menține presiunea din cavitate într-o bandă mai strânsă decât un sistem cu pompă fixă ​​și supape proporționale. În cazul pieselor cu toleranțe strânse - optice, medicale, ambalaje - îmbunătățirea ratei de rebut poate acoperi singura prima de servo pe un orizont de 5 ani, independent de economiile de energie.

Societatea Inginerilor Plasticipublică lucrări tehnice despre precizia turnării prin injecție servo-hidraulică, inclusiv variația greutății de la o lovitură la alta și date despre repetabilitatea dimensională. Avantajul de precizie publicat este mic la piesele cu toleranțe relaxate (de obicei o reducere de 10-20% a variației de la o lovitură la alta) și semnificativ la piesele cu toleranțe strânse (o reducere de 30-50%).

Unde hidraulica convențională încă câștigă

Presa hidraulică convențională cu pompă fixă ​​nu este învechită. Trei categorii de aplicații o favorizează în continuare.

• Mașini de tonaj foarte mare (peste 1.500 de tone).Prima de putere a sistemului servo se scalează aproximativ liniar cu puterea motorului; la o putere foarte mare, prima absolută de putere a servomotorului devine suficient de mare pentru ca perioada de amortizare să se prelungească. Unele aplicații speciale cu putere mare necesită, de asemenea, caracteristici specifice de răspuns dinamic pe care un sistem cu viteză variabilă nu le oferă la fel de precis ca un sistem cu pompă fixă ​​și un acumulator mare.
• Aplicații cu ciclu lung de funcționare continuă.Dacă presa rulează un ciclu de 90 de secunde pe o piesă cu pereți groși, cu o fază lungă de menținere și funcționare continuă în trei schimburi, mașina servo economisește în continuare energie, dar economiile sunt amortizate pe un număr mai mic de cicluri pe an. Perioada de amortizare se extinde, iar mașina convențională devine mai competitivă.
• Instalații cu constrângeri de capital.O fabrică cu un buget de capital limitat și un orizont de investiții scurt poate alege rațional presa convențională doar pe baza costului de capital, în special dacă costul local al energiei electrice este scăzut.

În afara acestor trei categorii, sistemul servo-hidraulic este alegerea dominantă pe baza costului total de proprietate pe 5 ani. Datele de piață confirmă acest lucru: ponderea servo-hidraulică în instalațiile noi de prese este majoritară în majoritatea regiunilor și în majoritatea claselor de tonaj, cu excepția aplicațiilor speciale de tonaj mare menționate mai sus.

Construirea fișei de lucru TCO pe 5 ani

O comparație a costului total de proprietate pe 5 ani între o presă servo-hidraulică și una convențională are patru componente de cost: capital, energie, întreținere și rebuturi/timp de nefuncționare. Fiecare este calculată diferit.

Costul de capital este prețul de achiziție al mașinii plus instalare, transport, instruire și punere în funcțiune. Prima de servo este diferența dintre costul de capital al celor două mașini.

Costul energiei este reprezentat de kWh cumulativ pe o perioadă de 5 ani, înmulțit cu tariful local la electricitate. Economiile de energie ale mașinii servo reprezintă diferența dintre energia presei convenționale și energia presei servo pe aceeași perioadă.

Costul de întreținere reprezintă costul cumulat al pieselor și manoperei pe o perioadă de 5 ani. Mașina servo necesită de obicei mai puțină întreținere legată de pompă, o frecvență mai mică de schimbare a uleiului și o întreținere mai mică a răcitorului. Mașina convențională are o uzură mai mare a rulmenților motorului și ai pompei și un consum mai mare de ulei.

Costul pieselor casate și al timpilor de nefuncționare reprezintă valoarea pieselor casate și valoarea producției pierdute în timpul perioadelor de nefuncționare neplanificate. Mașina servo are un control mai strict al presiunii și o rată de casare mai mică; mașina convențională are o rată de casare mai mare la piesele cu toleranțe strânse, dar nu prezintă dezavantaje la piesele cu toleranțe relaxate.

Economiile nete pe 5 ani ale servomașinii reprezintă suma economiilor de energie plus economiile de întreținere plus economiile de rebuturi/timp de nefuncționare, minus prima pentru servo. Dacă rezultatul este pozitiv, servomașina câștigă. Dacă este negativ, mașina convențională câștigă pe un orizont de 5 ani.

Cadrul decizional: Cinci întrebări de pus înainte de specificare

Pentru o instalație specifică, decizia dintre servomotor și convențional poate fi redusă la cinci întrebări.

1. Care este profilul ciclului?Fazele lungi de menținere și răcire favorizează servomotoarele. Ciclurile scurte cu cerere mare de debit pe tot parcursul lor favorizează servomotoarele convenționale sau servomotoare, cu o diferență mică.
2. Care este programul de funcționare?Funcționarea continuă în trei schimburi amplifică economiile de energie. Funcționarea într-un singur schimb, cu perioade lungi de inactivitate, diluează economiile, deoarece presa este oprită cea mai mare parte a zilei.
3. Care este costul energiei electrice la nivel local?Piețele cu tarife ridicate (Europa, Japonia, o mare parte din Asia de Est) accelerează amortizarea. Piețele cu tarife scăzute (părți din Orientul Mijlociu, America de Nord cu gaze naturale din abundență) încetinesc amortizarea.
4. Care este toleranța piesei?Piesele cu toleranțe stricte (medicale, optice, anumite ambalaje) amplifică avantajul servo prin reducerea rebuturilor. Piesele cu toleranțe relaxate neutralizează această componentă a economiilor.
5. Care este constrângerea de capital?Dacă prima de capital nu poate fi finanțată la o rată rezonabilă, perioada de recuperare a investiției contează chiar dacă aspectele economice la nivel de proiect sunt pozitive.

Pentru o presă tipică de 250 de tone, cu un ciclu de 25 de secunde, care funcționează continuu în două schimburi, pe o piață cu tarife moderate, amortizarea este în intervalul 18-36 de luni. Pentru o presă de 100 de tone, cu un ciclu de 12 secunde, care funcționează într-o singură tură, pe o piață cu tarife reduse, amortizarea se poate extinde la 4 ani sau mai mult. Vicksfișă de lucru pentru recuperarea investiției proiectuluiîncorporează toate cele cinci variabile și produce o recomandare specifică proiectului.

Întrebări frecvente: Turnare prin injecție hidraulică servo vs. turnare convențională