Сервогидравлическое и традиционное гидравлическое литье под давлением: сравнение затрат за 5 лет.

Почему более дешевая машина может стоить дороже

Руководитель формовочного завода в Дунгуане только что заменил устаревший 250-тонный гидравлический пресс на совершенно новый аналогичной конструкции. Стоимость нового пресса составила менее половины стоимости аналогичной сервогидравлической машины. Через восемнадцать месяцев счет за электроэнергию на формовочном участке оказался на 6% выше, чем годом ранее — обычный пресс потреблял заметно больше энергии, чем старый, который он заменил. К концу третьего года совокупные затраты на электроэнергию обычного пресса превысили разницу в цене с аналогичной сервомашиной, даже без учета шума, потребности в охлаждении и интервала замены масла. В итоге завод модернизировал существующий пресс, установив на него сервосистему, вместо того чтобы заменять его, и за первый же полный месяц потребление энергии сократилось вдвое.

Выбор между сервогидравлическим и традиционным гидравлическим литьем под давлением — это не простое решение по принципу «чем новее, тем лучше». Это расчет общей стоимости владения за 5 лет, который зависит от тоннажа машины, профиля цикла, количества часов работы и стоимости электроэнергии в регионе. В этой статье подробно рассматривается этот расчет — как выглядит реальная разница в энергопотреблении, какова разница в затратах на техническое обслуживание, в чем традиционное оборудование по-прежнему оправдывает свою стоимость и как составить цифры для конкретной установки.

Как обычный гидравлический пресс использует энергию

В традиционной гидравлической литьевой машине с неподвижным насосом электродвигатель работает с постоянной скоростью и, как правило, подключается напрямую к сети без частотно-регулируемого привода. Двигатель приводит в движение гидравлический насос с фиксированным рабочим объемом — обычно лопастной или аксиально-поршневой — который подает постоянный поток гидравлической жидкости под давлением, пропорциональным нагрузке. Распределительные клапаны, пропорциональные клапаны и сервоклапаны машины регулируют поток и давление в соответствии с фазами цикла: закрытие пресс-формы, впрыск, выдержка, пластификация и открытие пресс-формы.

Двигатель работает на полной скорости на протяжении всего цикла, даже когда потребность в гидравлической энергии низка. Во время фазы выдержки — когда детали требуется лишь часть пикового расхода для поддержания давления в полости — избыточный поток отводится через предохранительный клапан обратно в резервуар, рассеивая энергию в виде тепла. Во время фазы охлаждения — когда гидравлический поток вообще не требуется, за исключением небольшого усилия зажима — насос по-прежнему вращается на полной скорости, по-прежнему потребляет полную мощность, и перепускной клапан по-прежнему сбрасывает избыточный поток. В этом заключается структурная неэффективность системы с фиксированным насосом: двигатель и насос работают в одной рабочей точке, и любое несоответствие между этой точкой и фактической потребностью в гидравлической энергии теряется в виде тепла.

Само по себе тепло не бесплатно. Гидравлическое масло необходимо охлаждать для поддержания вязкости и предотвращения окисления, а это означает, что отдельный маслоохладитель (с водяным или воздушным охлаждением) работает непрерывно, потребляя дополнительную энергию. Потребность в охлаждении 250-тонного обычного пресса при температуре окружающей среды 30 °C значительна — обычно в диапазоне 15–25 % от потребляемой машиной электроэнергии при трехсменной работе.

Как сервогидравлическая система использует энергию

Сервогидравлическая система заменяет двигатель постоянной скорости на серводвигатель с регулируемой скоростью — обычно это синхронный двигатель с постоянными магнитами (PMSM) — приводимый в движение частотно-регулируемым приводом (VFD). Сервопривод регулирует скорость двигателя в соответствии с гидравлической потребностью в реальном времени. Когда цикл находится в фазе высокого расхода (закрытие пресс-формы, впрыск, пластификация), двигатель плавно переходит на высокую скорость. Когда цикл находится в фазе низкого расхода (выдержка, охлаждение), двигатель плавно переходит на низкую скорость, которая точно соответствует фактической гидравлической потребности. Когда цикл находится в состоянии покоя (без движения), двигатель может полностью остановиться или работать на скорости, близкой к нулевой.

В результате сервогидравлическая машина потребляет только ту мощность, которая необходима ей на каждом этапе цикла. Двигатель не работает с постоянной скоростью, насос не отводит избыточный поток, а тепловыделение через перепускной клапан, которое является причиной низкой эффективности обычных прессов, в значительной степени исключается.Bosch Rexroth, ЮкенДругие производители гидравлических систем публикуют примечания к применению с измеренными сравнительными данными по энергопотреблению сервоприводов и насосов с фиксированным насосом; типичный диапазон в опубликованных данных составляет 40–80 % снижения энергопотребления для деталей со значительными фазами выдержки и охлаждения и 20–40 % снижения для деталей с более короткими фазами выдержки и охлаждения.

Экономия неравномерна на протяжении всего цикла. Наибольшая экономия наблюдается на фазе охлаждения (самая длительная фаза с низким спросом в большинстве циклов), вторая по величине — на фазе выдержки, а наименьшая — на фазе впрыска (где требуется пиковый поток, и сервосистема также работает на пике). На типичном 250-тонном прессе, формовочном изделии из АБС-пластика массой 200 г с 25-секундным циклом, фаза охлаждения составляет примерно 50 % цикла, фаза выдержки — 15 %, фазы впрыска и пластификации — 25 %, а фазы открытия/закрытия — 10 %. Именно на фазе охлаждения сервомашина обеспечивает наибольшую экономию.

Премия за использование сервоприводов: капитальные затраты против эксплуатационных затрат.

Сервогидравлическая машина для литья под давлением обычно стоит на 30–60 % дороже, чем аналогичная обычная машина той же грузоподъемности и объема впрыска. Точная разница в цене зависит от производителя машины, поставщика сервосистемы и технических характеристик машины. Для типичного пресса грузоподъемностью 250 тонн на современном рынке разница в цене за сервосистему составляет пятизначную сумму — значимую, но не кардинально меняющую ситуацию для руководителя предприятия, оценивающего покупку.

Премия окупается за счет экономии энергии. Для количественной оценки окупаемости необходимы три параметра: экономия энергии за цикл, количество циклов за смену и стоимость электроэнергии. VicksЛинейка продукции сервосистемДанная система сконфигурирована для сервосистем с лопастными насосами в процессах литья под давлением, обеспечивая экономию энергии на уровне системы в пределах заявленного диапазона. Для машины мощностью 250 тонн, работающей с 25-секундным циклом 6000 часов в год (примерно в две смены непрерывно), ежегодная экономия электроэнергии находится в значительном диапазоне — достаточно большом, чтобы окупить разницу в стоимости сервосистемы в течение первых 18–36 месяцев эксплуатации, в зависимости от местного тарифа на электроэнергию.

Новости о пластмассахиТехнология пластмассОпубликованы данные многолетнего исследования, показывающие, что сервогидравлические машины теперь доминируют на рынке новых прессов мощностью от 50 до 800 тонн в Северной Америке, Европе и Восточной Азии, в то время как традиционные прессы все чаще используются в специализированных и высокотоннажных областях применения. Сам по себе этот сдвиг рынка является показателем окупаемости: если бы премия за сервоприводы не окупилась в течение 3 лет, рынок бы не изменился.

Техническое обслуживание: где расходятся эти две системы.

Профиль технического обслуживания сервогидравлической системы отличается от профиля обслуживания обычного пресса по трем направлениям.

Во-первых, сам серводвигатель требует меньше технического обслуживания, чем асинхронный двигатель эквивалентной мощности — в нем нет щеток, контактных колец, а ротор с постоянными магнитами не требует тока возбуждения. У частотно-регулируемого привода свой профиль обслуживания (вентиляторы охлаждения, электролитические конденсаторы со сроком службы 8–12 лет), но активные компоненты самого двигателя рассчитаны на длительный срок службы без планового технического обслуживания.

Во-вторых, гидравлический насос в сервосистеме работает с переменной скоростью и, как правило, с более низкими средними оборотами в минуту, чем насос с фиксированной скоростью на обычном прессе. Более низкие средние обороты в минуту означают меньший износ подшипников, меньшие температурные циклы и более длительный срок службы уплотнений. Данные полевых исследований опубликованыТехнология изготовления пресс-формРазличные поставщики гидравлических насосов неизменно демонстрируют, что лопастные насосы, работающие в режиме переменной скорости, имеют значительно больший срок службы, чем тот же лопастной насос, работающий в режиме фиксированной скорости на сопоставимом прессе.

Во-третьих, маслоохладитель сервогидравлического пресса работает менее непрерывно, поскольку снижается теплоотдача от перепускного клапана. Вентилятор охладителя или насос охлаждающей воды включаются и выключаются в зависимости от фактической температуры масла, а не работают непрерывно. Меньшее время работы охладителя означает меньшие затраты на техническое обслуживание и меньшее потребление электроэнергии системой охлаждения.

В отличие от этого, у обычного пресса наблюдается более высокий износ подшипников двигателя и насоса, более частая замена уплотнений и более высокое термическое напряжение масла, что ускоряет его окисление и сокращает интервал замены масла. На обычном прессе, работающем в три смены, интервал замены масла обычно составляет 4000 часов; на сервогидравлическом прессе с тем же рабочим циклом этот интервал увеличивается до 6000–8000 часов. Стоимость масла за 5-летний период значительна — пресс весом 250 тонн вмещает 400–600 литров гидравлического масла, и стоимость масла плюс затраты на утилизацию при каждой замене составляют четырехзначную сумму на многих рынках.

Шум и условия труда

Обычный пресс работает с двигателем и насосом на полной скорости непрерывно, создавая устойчивый акустический шум в диапазоне 78–85 дБ(А) на рабочем месте оператора. Сервогидравлический пресс снижает скорость двигателя и насоса во время выдержки и охлаждения, что значительно уменьшает шум от гидравлической системы. Общий уровень шума машины снижается до 65–72 дБ(А), что является разницей между уровнем шума, требующим защиты слуха при работе в течение всей смены, и уровнем, находящимся на пороговом значении нормативного предела.

Снижение уровня шума не приводит к прямой экономии затрат, но является реальным преимуществом на рынках со строгими нормами по охране труда и технике безопасности (Директива ЕС по охране труда 2003/10/EC, правила OSHA США 29 CFR 1910.95, правила GBZ Китая 2.2), где в традиционной прессе требуется использование средств защиты слуха операторами. Стоимость средств защиты слуха, аудиометрического тестирования и инфраструктуры шумоподавления на производстве обычно не учитывается при расчете окупаемости только за счет энергозатрат, но в перспективе 5 лет это реальные затраты.

Точность и воспроизводимость

Сервогидравлическая система обладает преимуществом в точности, которое не всегда отражается в расчете окупаемости затрат энергии, но проявляется в уровне брака. Система управления давлением с обратной связью, использующая датчик давления и насос с регулируемой скоростью, поддерживает давление в полости в более узком диапазоне, чем система с фиксированным насосом и пропорциональными клапанами. Для деталей с жесткими допусками — оптических, медицинских, упаковочных — улучшение уровня брака само по себе может окупить преимущества сервогидравлической системы в течение 5 лет, независимо от экономии энергии.

Общество инженеров-пластиковПубликует технические статьи по точности сервогидравлического литья под давлением, включая данные о разбросе веса от партии к партии и повторяемости размеров. Опубликованное преимущество в точности незначительно для деталей с ослабленными допусками (обычно снижение разброса от партии к партии на 10–20%) и существенно для деталей с жесткими допусками (снижение на 30–50%).

Где традиционная гидравлика по-прежнему побеждает

Традиционный гидравлический пресс с неподвижным насосом не устарел. В трех категориях применений он по-прежнему предпочтительнее.

• Машины очень большой грузоподъемности (более 1500 тонн).Доплата за сервосистему примерно линейно зависит от мощности двигателя; при очень больших тоннажах абсолютная доплата за сервосистему становится достаточно большой, чтобы увеличить срок окупаемости. Некоторые специализированные высокотоннажные приложения также требуют специфических характеристик динамического отклика, которые система с регулируемой скоростью не обеспечивает так же четко, как система с фиксированным насосом и большим аккумулятором.
• Применение в условиях длительного цикла работы и непрерывного режима эксплуатации.Если пресс работает в 90-секундном цикле на толстостенной детали с длительной фазой выдержки и непрерывной трехсменной работой, сервоприводной станок все равно экономит энергию, но экономия амортизируется за меньшее количество циклов в год. Срок окупаемости увеличивается, и традиционный станок становится более конкурентоспособным.
• Установки с ограниченными капитальными ресурсами.Предприятие с ограниченным капитальным бюджетом и коротким инвестиционным горизонтом может рационально выбрать традиционный пресс, исходя исключительно из капитальных затрат, особенно если стоимость электроэнергии в регионе низкая.

За пределами этих трех категорий сервогидравлическая система является доминирующим выбором с точки зрения общей стоимости владения за 5 лет. Данные рынка подтверждают это: сервоприводы составляют большинство новых установок прессов в большинстве регионов и большинстве классов тоннажа, за исключением отмеченных выше высокотоннажных специализированных применений.

Составление таблицы расчета совокупной стоимости владения на 5 лет.

Сравнение общей стоимости владения сервогидравлическим и традиционным прессом за 5 лет включает четыре компонента: капитальные затраты, энергозатраты, техническое обслуживание и потери/простои. Каждый из них рассчитывается по-разному.

Капитальные затраты — это покупная цена машины плюс стоимость установки, доставки, обучения и ввода в эксплуатацию. Премия за сервопривод — это разница между капитальными затратами на две машины.

Стоимость энергии рассчитывается как суммарное потребление кВт·ч за 5 лет, умноженное на местный тариф на электроэнергию. Экономия энергии сервоприводного пресса — это разница между потреблением энергии обычным прессом и потреблением энергии сервоприводным прессом за тот же период.

Стоимость технического обслуживания — это совокупная стоимость запчастей и работ за 5 лет. Сервоприводные машины, как правило, требуют меньшего технического обслуживания насоса, реже нуждаются в замене масла и реже обслуживают систему охлаждения. У обычных машин наблюдается больший износ подшипников двигателя и насоса, а также больший расход масла.

Стоимость брака и простоя — это стоимость бракованных деталей и стоимость потерянной продукции во время незапланированного простоя. Сервоприводной станок обеспечивает более жесткий контроль давления и более низкий процент брака; у обычного станка процент брака выше для деталей с жесткими допусками, но нет недостатков для деталей с более мягкими допусками.

Пятилетняя чистая экономия от использования сервоприводного станка рассчитывается как сумма экономии энергии, экономии на техническом обслуживании, экономии на браке/простоях и вычета надбавки за сервопривод. Если результат положительный, то сервоприводный станок выигрывает. Если отрицательный, то в пятилетнем периоде выигрывает традиционный станок.

Структура принятия решений: пять вопросов, которые следует задать перед определением спецификаций.

Для конкретной установки выбор между сервоприводом и традиционным оборудованием можно свести к пяти вопросам.

1. Каков профиль цикла?Длительные фазы выдержки и охлаждения благоприятствуют сервоприводу. Короткие циклы с высокой потребностью в потоке воздуха благоприятствуют как традиционному, так и сервоприводу, при этом разница незначительна.
2. Каков график работы?Непрерывная трехсменная работа значительно увеличивает экономию энергии. Односменная работа с длительными периодами простоя снижает экономию, поскольку пресс не работает большую часть дня.
3. Какова стоимость электроэнергии в вашем регионе?Рынки с высокими тарифами (Европа, Япония, большая часть Восточной Азии) ускоряют окупаемость. Рынки с низкими тарифами (некоторые регионы Ближнего Востока, Северная Америка с обильными запасами природного газа) замедляют окупаемость.
4. Каков допуск на деталь?Детали с жесткими допусками (медицинские, оптические, некоторые виды упаковки) усиливают преимущество сервопривода за счет снижения брака. Детали с более мягкими допусками нивелируют этот компонент экономии.
5. В чём заключается ограничение по капиталу?Если капитальные вложения не могут быть профинансированы по приемлемой ставке, то срок окупаемости имеет значение, даже если экономические показатели проекта в целом положительны.

Для типичного 250-тонного пресса, работающего в двухсменном режиме непрерывно в условиях умеренных тарифов, срок окупаемости составляет от 18 до 36 месяцев. Для 100-тонного пресса, работающего в односменном режиме и работающего в условиях низких тарифов, срок окупаемости может составлять 4 года и более. (Vicks)Таблица окупаемости проектаучитывает все пять переменных и формирует рекомендацию, специфичную для конкретного проекта.

Часто задаваемые вопросы: Сервоприводное против традиционного гидравлического литья под давлением