Servohydraulické vs. konvenčné hydraulické vstrekovanie plastov: Porovnanie nákladov za 5 rokov

Prečo môže lacnejší stroj stáť viac

Manažér lisovne v Dongguane práve vymenil starnúci 250-tonový konvenčný hydraulický lis za úplne nový s rovnakými špecifikáciami. Náhradný lis stál menej ako polovicu ceny ekvivalentného servohydraulického stroja. O osemnásť mesiacov neskôr bol účet za elektrinu v lisovni o 6 % vyšší ako v predchádzajúcom roku – konvenčný lis spotrebovával citeľne viac energie ako starší lis, ktorý nahradil. Do konca tretieho roka kumulatívne náklady na elektrinu konvenčného lisu prekročili cenovú prémiu ekvivalentného servostroja, a to ešte pred započítaním hluku, požiadaviek na chladenie a intervalu výmeny oleja. Závod nakoniec namiesto výmeny lisu nainštaloval servo systém do existujúceho lisu – a spotreba energie klesla v priebehu prvého celého mesiaca o polovicu.

Voľba medzi servohydraulickým a konvenčným hydraulickým vstrekovaním plastov nie je jednoduché rozhodnutie typu „novšie je lepšie“. Ide o 5-ročný výpočet celkových nákladov na vlastníctvo, ktorý závisí od tonáže stroja, profilu cyklu, prevádzkových hodín a miestnych nákladov na elektrinu. Tento článok podrobne prechádza týmto výpočtom – ako v skutočnosti vyzerá energetická medzera, ako vyzerá medzera v údržbe, kde si konvenčný stroj stále zarába svoju prémiu a ako dať dokopy čísla pre konkrétnu inštaláciu.

Ako konvenčný hydraulický lis využíva energiu

Konvenčný hydraulický vstrekovací lis s pevným čerpadlom poháňa elektromotor s konštantnou rýchlosťou, zvyčajne pripojený priamo k elektrickej sieti bez frekvenčného meniča. Motor poháňa hydraulické čerpadlo s pevným objemom – zvyčajne lopatkové čerpadlo alebo axiálne piestové čerpadlo – ktoré dodáva konštantný prietok hydraulickej kvapaliny pri tlaku úmernom zaťaženiu. Smerové regulačné ventily, proporcionálne ventily a servo ventily stroja modulujú prietok a tlak tak, aby zodpovedali fázam zatvárania formy, vstrekovania, zastavenia, plastifikácie a otvárania formy v rámci cyklu.

Motor beží počas celého cyklu plnou rýchlosťou, aj keď je hydraulický dopyt nízky. Počas fázy zastavenia – keď súčiastka potrebuje len zlomok maximálneho prietoku na udržanie tlaku v dutine – sa prebytočný prietok obchádza cez poistný ventil späť do nádrže, čím sa energia rozptyľuje ako teplo. Počas fázy chladenia – keď nie je potrebný žiadny hydraulický prietok okrem malého množstva upínacieho tlaku – sa čerpadlo stále otáča plnou rýchlosťou, stále odoberá plný výkon a obtokový ventil stále odvádza prebytočný prietok. Toto je štrukturálna neefektívnosť systému s pevným čerpadlom: motor a čerpadlo bežia v jednom prevádzkovom bode a akýkoľvek nesúlad medzi týmto bodom a skutočným hydraulickým dopytom sa stráca ako teplo.

Samotné teplo nie je zadarmo. Hydraulický olej sa musí chladiť, aby sa udržala jeho viskozita a zabránilo sa oxidácii, čo znamená, že samostatný chladič oleja (chladený vodou alebo vzduchom) beží nepretržite a odoberá dodatočnú energiu. Nároky na chladenie 250-tonového konvenčného lisu v prostredí s teplotou 30 °C sú značné – zvyčajne sa pohybujú v rozmedzí 15 – 25 % elektrického príkonu stroja pri trojzmennej prevádzke.

Ako servohydraulický systém využíva energiu

Servohydraulický systém nahrádza motor s konštantnou rýchlosťou servomotorom s premenlivou rýchlosťou – zvyčajne synchrónnym motorom s permanentnými magnetmi (PMSM) – poháňaným meničom frekvencie (VFD). Servopohon riadi rýchlosť motora tak, aby zodpovedala hydraulickej požiadavke v reálnom čase. Keď je cyklus vo fáze vysokého prietoku (uzatváranie formy, vstrekovanie, plastifikácia), motor sa zrýchli na vysokú rýchlosť. Keď je cyklus vo fáze nízkeho prietoku (udržiavanie, chladenie), motor sa zníži na nízku rýchlosť, ktorá práve zodpovedá skutočnej hydraulickej požiadavke. Keď je cyklus v pokoji (bez pohybu), motor sa môže úplne zastaviť alebo bežať s takmer nulovou rýchlosťou.

Výsledkom je, že servohydraulický stroj odoberá iba toľko energie, koľko potrebuje pre každú fázu cyklu. Motor nebeží konštantnou rýchlosťou, čerpadlo neobteká prebytočný prietok a odvod tepla obtokovým ventilom, ktorý definuje neefektívnosť konvenčného lisu, je do značnej miery eliminovaný.Bosch Rexroth, Juken, a ďalší výrobcovia hydraulických systémov publikujú aplikačné poznámky s porovnaním nameranej spotreby energie servopohonov a pevných čerpadiel; typický rozsah v publikovaných údajoch je 40 – 80 % zníženie energie na súčiastkach s výraznými fázami udržiavania a chladenia a 20 – 40 % zníženie na súčiastkach s kratšími fázami udržiavania a chladenia.

Úspory nie sú v priebehu cyklu rovnomerné. Najväčšie úspory sú vo fáze chladenia (najdlhšia fáza s nízkym dopytom vo väčšine cyklov), druhé najväčšie vo fáze udržiavania a najmenšie vo fáze vstrekovania (kde je potrebný špičkový prietok a servosystém tiež beží na špičke). Pri typickom 250-tonovom lisovaní 200 g ABS dielu s 25-sekundovým cyklom tvorí fáza chladenia približne 50 % cyklu, fáza udržiavania 15 %, fázy vstrekovania a plastifikácie 25 % a fázy otvárania/zatvárania 10 %. Fáza chladenia je miestom, kde servopohon ušetrí najviac.

Prémiové servo: Kapitálové náklady vs. prevádzkové náklady

Servohydraulický vstrekovací lis zvyčajne stojí o 30 – 60 % viac ako ekvivalentný konvenčný stroj s rovnakou tonážou a veľkosťou vstrekovacej dávky. Presná cena závisí od výrobcu stroja, dodávateľa servosystému a špecifikácie stroja. Pre reprezentatívny 250-tonový lis je cena servosystému na súčasnom trhu päťciferná – čo je zmysluplné, ale nie transformačné pre manažéra závodu, ktorý hodnotí nákup.

Prémia sa získava z úspor energie. Na vyčíslenie návratnosti investícií sú potrebné tri vstupy: úspora energie na cyklus, počet cyklov na smenu a náklady na elektrinu. Vicksproduktová rada servosystémovje konfigurovaný pre servosystémy na báze lopatkových čerpadiel pre aplikácie vstrekovania plastov s úsporami energie na úrovni systému v publikovanom rozsahu. Pre 250-tonový stroj s 25-sekundovým cyklom, ktorý beží 6 000 hodín ročne (zhruba dvojzmenný nepretržitý provoz), sa ročné úspory elektriny pohybujú v rozumnom rozsahu – dostatočne veľké na to, aby sa prémia za servopohon splatila v priebehu prvých 18 – 36 mesiacov prevádzky v závislosti od miestnej tarify za elektrinu.

Novinky o plastochaTechnológia plastovpublikovali údaje z viacročných prieskumov, ktoré ukazujú, že servohydraulické stroje v súčasnosti dominujú predaju nových lisov v rozsahu od 50 do 800 ton v Severnej Amerike, Európe a východnej Ázii, pričom konvenčné lisy sa čoraz viac obmedzujú na špecifické aplikácie s vysokou tonážou a špeciálne aplikácie. Posun na trhu je sám o sebe ukazovateľom matematiky návratnosti: ak by sa prémia za servomotory nevrátila v trojročnom horizonte, trh by sa nezmenil.

Údržba: Kde sa dva systémy rozchádzajú

Profil údržby servohydraulického systému sa líši od konvenčného lisu v troch oblastiach.

Po prvé, samotný servomotor si vyžaduje menej údržby ako indukčný motor s rovnakým výkonom – neobsahuje žiadne kefy, žiadne zberné krúžky a rotor s permanentným magnetom nevyžaduje budiaci prúd. Frekvenčný menič má svoj vlastný profil údržby (chladiace ventilátory, elektrolytické kondenzátory s životnosťou 8 – 12 rokov), ale aktívne komponenty samotného motora sú navrhnuté na dlhú životnosť bez plánovanej údržby.

Po druhé, hydraulické čerpadlo v servosystéme beží s premenlivou rýchlosťou a zvyčajne s nižšími priemernými otáčkami ako pevné čerpadlo na konvenčnom lise. Nižšie priemerné otáčky znamenajú nižšie opotrebovanie ložísk, nižšie tepelné cykly a dlhšiu životnosť tesnenia. Údaje z praxe publikované spoločnosťouTechnológia výroby foriema rôzni dodávatelia hydraulických čerpadiel opakovane ukazujú, že lamelové čerpadlá v prevádzke s premenlivou rýchlosťou majú životnosť výrazne dlhšiu ako rovnaké lamelové čerpadlo v prevádzke s pevnou rýchlosťou na porovnateľnom lise.

Po tretie, chladič oleja na servohydraulickom lise beží menej nepretržite, pretože je znížený odvod tepla obtokovým ventilom. Ventilátor chladiča alebo čerpadlo chladiacej vody sa cyklicky zapína a vypína na základe skutočnej teploty oleja, namiesto toho, aby bežali nepretržite. Kratšia doba chodu chladiča znamená nižšiu údržbu chladiča a nižšiu parazitnú spotrebu elektrickej energie z chladiaceho systému.

Konvenčný lis má naopak vyššie opotrebovanie ložísk motora a čerpadla, častejšiu výmenu tesnení a vyššie tepelné namáhanie oleja, čo urýchľuje oxidáciu oleja a skracuje interval výmeny oleja. Pri trojzmennom konvenčnom lise je interval výmeny oleja zvyčajne 4 000 hodín; pri servohydraulickom lise s rovnakým pracovným cyklom sa interval predlžuje na 6 000 – 8 000 hodín. Náklady na olej počas 5-ročného obdobia sú významné – 250-tonový lis pojme 400 – 600 litrov hydraulického oleja a olej plus náklady na likvidáciu pri každej výmene predstavujú na mnohých trhoch štvorcifernú položku.

Hluk a pracovné prostredie

Konvenčný lis beží motor a čerpadlo nepretržite na plné otáčky, čo vytvára stály akustický signál v rozsahu 78 – 85 dB(A) na stanovišti operátora. Servohydraulický lis znižuje otáčky motora a čerpadla počas fázy čakania a chladenia, čím výrazne znižuje príspevok hluku z hydraulického systému. Celkový hluk stroja klesá na rozsah 65 – 72 dB(A), čo je rozdiel medzi hladinou hluku, ktorá vyžaduje ochranu sluchu pri vystavení sa počas celej zmeny, a hladinou, ktorá je na prahu regulačného limitu.

Zníženie hluku nepredstavuje priamu úsporu nákladov, ale je skutočným prínosom na trhoch s prísnymi predpismi o hluku na pracovisku (smernica EÚ o bezpečnosti a ochrane zdravia pri práci 2003/10/ES, US OSHA 29 CFR 1910.95, China GBZ 2.2), kde konvenčný lis vyžaduje ochranu sluchu pre operátorov. Náklady na ochranu sluchu, audiometrické testovanie a infraštruktúru na kontrolu hluku v prevádzke sa zvyčajne nezohľadňujú vo výpočte návratnosti investícií len za energiu – ale v 5-ročnom horizonte ide o skutočné náklady.

Presnosť a opakovateľnosť

Servohydraulický systém má výhodu v presnosti, ktorá sa nie vždy prejaví vo výpočte návratnosti energie, ale prejaví sa v miere zmetkovitosti. Riadenie tlaku v uzavretej slučke pomocou tlakového senzora a čerpadla s premenlivou rýchlosťou udržiava tlak v dutine v užšom pásme ako systém s pevným čerpadlom a proporcionálnymi ventilmi. V prípade dielov s prísnymi toleranciami – optických, lekárskych, obalových – môže samotné zlepšenie miery zmetkovitosti pokryť prémiu servopohonu v horizonte 5 rokov, nezávisle od úspor energie.

Spoločnosť plastových inžinierovpublikuje technické články o presnosti servohydraulického vstrekovania plastov, vrátane údajov o variácii hmotnosti medzi jednotlivými vstrekmi a opakovateľnosti rozmerov. Publikovaná výhoda presnosti je malá pri dieloch s uvoľnenými toleranciami (zvyčajne 10 – 20 % zníženie variácie medzi jednotlivými vstrekmi) a významná pri dieloch s úzkymi toleranciami (30 – 50 % zníženie).

Kde stále víťazí konvenčná hydraulika

Konvenčný hydraulický lis s pevným čerpadlom nie je zastaraný. Tri kategórie použitia ho stále uprednostňujú.

• Stroje s veľmi vysokou tonážou (nad 1 500 ton).Prémia servosystému sa zhruba lineárne zvyšuje s výkonom motora; pri veľmi vysokej tonáži sa absolútna prémia servosystému stáva dostatočne veľkou, aby sa predĺžila doba návratnosti. Niektoré špeciálne aplikácie s vysokou tonážou tiež vyžadujú špecifické charakteristiky dynamickej odozvy, ktoré systém s premenlivou rýchlosťou neposkytuje tak čisto ako systém s pevným čerpadlom a veľkým akumulátorom.
• Dlhodobé, nepretržité aplikácie.Ak lis pracuje v 90-sekundovom cykle na hrubostennom diele s dlhou fázou výdrže a nepretržitou trojzmennou prevádzkou, servostroj stále šetrí energiu, ale úspory sa amortizujú pri menšom počte cyklov za rok. Doba návratnosti sa predlžuje a konvenčný stroj sa stáva konkurencieschopnejším.
• Inštalácie s obmedzeným kapitálom.Závod s obmedzeným kapitálovým rozpočtom a krátkym investičným horizontom si môže racionálne zvoliť konvenčný lis len na základe kapitálových nákladov, najmä ak sú miestne náklady na elektrinu nízke.

Mimo týchto troch kategórií je servohydraulický systém dominantnou voľbou na základe 5-ročných celkových nákladov na vlastníctvo. Trhové údaje to potvrdzujú: podiel servopohonov na nových inštaláciách lisov je vo väčšine regiónov a vo väčšine tonážnych tried majoritný, s výnimkou vysokotonážnych špeciálnych aplikácií uvedených vyššie.

Vypracovanie 5-ročného pracovného listu TCO

Porovnanie celkových nákladov na vlastníctvo servohydraulického a konvenčného lisu za 5 rokov má štyri zložky nákladov: kapitál, energiu, údržbu a odpad/prestoje. Každá z nich sa počíta inak.

Kapitálové náklady predstavujú kúpnu cenu stroja plus inštaláciu, prepravu, zaškolenie a uvedenie do prevádzky. Prémia za servopohon predstavuje rozdiel medzi kapitálovými nákladmi týchto dvoch strojov.

Náklady na energiu predstavujú kumulatívnu spotrebu kWh za 5 rokov vynásobenú miestnou tarifou za elektrinu. Úspora energie servostroja predstavuje rozdiel medzi energiou konvenčného lisu a energiou servolisu za rovnaké obdobie.

Náklady na údržbu predstavujú kumulatívne náklady na diely a prácu za 5 rokov. Servopohon má zvyčajne nižšiu údržbu čerpadla, nižšiu frekvenciu výmeny oleja a nižšiu údržbu chladiča. Konvenčný stroj má vyššie opotrebovanie ložísk motora a čerpadla a vyššiu spotrebu oleja.

Náklady na odpad a prestoje predstavujú hodnotu zošrotovaných dielov a hodnotu stratenej produkcie počas neplánovaných prestojov. Servostroj má prísnejšiu reguláciu tlaku a nižšiu mieru odpadu; konvenčný stroj má vyššiu mieru odpadu pri dieloch s úzkou toleranciou, ale žiadnu nevýhodu pri dieloch s uvoľnenou toleranciou.

5-ročná čistá úspora servopohonu je súčtom úspor energie plus úspor na údržbe plus úspor na odpade/prestojoch mínus prémia za servopohon. Ak je výsledok kladný, servopohon vyhráva. Ak je výsledok záporný, v 5-ročnom horizonte vyhráva konvenčný stroj.

Rámec rozhodovania: Päť otázok, ktoré si treba položiť pred špecifikáciou

Pre konkrétnu inštaláciu možno rozhodnutie o servopohone verzus konvenčnom pohone zredukovať na päť otázok.

1. Aký je profil cyklu?Dlhé fázy udržiavania a chladenia sú v prospech servomotorov. Krátke cykly s vysokým prietokom sú v prospech konvenčných alebo servomotorov s malým rozdielom.
2. Aký je prevádzkový harmonogram?Nepretržitá trojzmenná prevádzka zvyšuje úspory energie. Jednozmenná prevádzka s dlhými prestojmi úspory znižuje, pretože lis je väčšinu dňa vypnutý.
3. Aká je miestna cena elektriny?Trhy s vysokými clami (Európa, Japonsko, veľká časť východnej Ázie) urýchľujú návratnosť. Trhy s nízkymi clami (časti Blízkeho východu, Severná Amerika s bohatými zásobami zemného plynu) návratnosť spomaľujú.
4. Aká je tolerancia súčiastky?Diely s prísnymi toleranciami (medicínske, optické, niektoré druhy obalov) zosilňujú výhodu servopohonov vďaka nižšiemu počtu odpadu. Diely s uvoľnenými toleranciami túto zložku úspor neutralizujú.
5. Aké je kapitálové obmedzenie?Ak kapitálovú prémiu nemožno financovať primeranou sadzbou, doba návratnosti je dôležitá, aj keď je ekonomika na úrovni projektu pozitívna.

Pre typický 250-tonový lis s 25-sekundovým cyklom, ktorý pracuje v dvoch zmenách nepretržite na trhu s miernymi tarifami, je návratnosť investícií v rozmedzí 18 – 36 mesiacov. Pre 100-tonový lis s 12-sekundovým cyklom, ktorý pracuje v jednej zmene na trhu s nízkymi tarifami, sa návratnosť investícií môže predĺžiť na 4 roky alebo viac. Vickspracovný list s návratnosťou projektuzahŕňa všetkých päť premenných a vytvára odporúčanie špecifické pre daný projekt.

Často kladené otázky: Servo vs. konvenčné hydraulické vstrekovanie plastov