Servo hidravlično v primerjavi s konvencionalnim hidravličnim brizganjem: 5-letna primerjava stroškov

Zakaj lahko cenejši stroj stane več

Vodja brizgalne naprave v Dongguanu je pravkar zamenjal staro 250-tonsko konvencionalno hidravlično stiskalnico s povsem novo enakih specifikacij. Nadomestna stiskalnica je stala manj kot polovico cene enakovrednega servohidravličnega stroja. Osemnajst mesecev pozneje je bil račun za elektriko v brizgalni napravi za 6 % višji kot leto prej – konvencionalna stiskalnica je porabila opazno več energije kot starejša, ki jo je zamenjala. Do konca tretjega leta so skupni stroški električne energije konvencionalne stiskalnice presegli cenovno premijo enakovrednega servo stroja, še preden so upoštevali hrup, potrebo po hlajenju in interval menjave olja. Tovarna je sčasoma namesto zamenjave obstoječe stiskalnice vgradila servo sistem – in poraba energije se je v prvem celem mesecu prepolovila.

Izbira med servohidravličnim in konvencionalnim hidravličnim brizganjem ni preprosta odločitev na podlagi načela »novejši je boljši«. Gre za 5-letni izračun skupnih stroškov lastništva, ki je odvisen od tonaže stroja, profila cikla, obratovalnih ur in lokalnih stroškov električne energije. Ta članek podrobno predstavlja ta izračun – kako dejansko izgleda energijska vrzel, kako izgleda vrzel pri vzdrževanju, kje konvencionalni stroj še vedno zasluži svojo premijo in kako sestaviti številke za določeno namestitev.

Kako konvencionalna hidravlična stiskalnica uporablja moč

Konvencionalni hidravlični brizgalni stroj s fiksno črpalko poganja elektromotor s konstantno hitrostjo, ki je običajno priključen neposredno na električno omrežje brez frekvenčnega pogona. Motor poganja hidravlično črpalko s fiksnim pretokom – običajno krilno črpalko ali aksialno batno črpalko –, ki zagotavlja konstanten pretok hidravlične tekočine pri tlaku, sorazmernem z obremenitvijo. Razsmerni regulacijski ventili, proporcionalni ventili in servo ventili stroja modulirajo pretok in tlak, da se ujemata s fazami zapiranja kalupa, brizganja, zadrževanja, plastificiranja in odpiranja kalupa v ciklu.

Motor deluje s polno hitrostjo skozi ves cikel, tudi ko je hidravlična zahteva nizka. Med fazo zadrževanja – ko del potrebuje le delček vršnega pretoka za vzdrževanje tlaka v votlini – se presežni pretok skozi varnostni ventil preusmeri nazaj v rezervoar, pri čemer se energija razprši kot toplota. Med fazo hlajenja – ko hidravlični pretok sploh ni potreben, razen majhne količine vpenjalne tonaže – se črpalka še vedno vrti s polno hitrostjo, še vedno porablja polno moč, obvodni ventil pa še vedno odvaja presežni pretok. To je strukturna neučinkovitost sistema s fiksno črpalko: motor in črpalka delujeta v eni delovni točki, vsako neskladje med to točko in dejansko hidravlično zahtevo pa se izgubi kot toplota.

Sama toplota ni zastonj. Hidravlično olje je treba ohladiti, da se ohrani viskoznost in prepreči oksidacija, kar pomeni, da ločen hladilnik olja (vodno ali zračno hlajen) deluje neprekinjeno in porablja dodatno energijo. Potreba po hlajenju 250-tonske konvencionalne stiskalnice pri temperaturi 30 °C je precejšnja – običajno v območju od 15 do 25 % električne porabe stroja pri triizmenskem delovanju.

Kako servohidravlični sistem uporablja moč

Servohidravlični sistem nadomešča motor s konstantno hitrostjo s servo motorjem s spremenljivo hitrostjo – običajno sinhronskim motorjem s permanentnim magnetom (PMSM) – ki ga poganja frekvenčno pretvornik (VFD). Servo pogon krmili hitrost motorja, da se v realnem času ujema s hidravličnimi zahtevami. Ko je cikel v fazi visokega pretoka (zapiranje kalupa, brizganje, plastifikacija), se motor po rampi poveča na visoko hitrost. Ko je cikel v fazi nizkega pretoka (zadrževanje, hlajenje), se motor po rampi zmanjša na nizko hitrost, ki ravno ustreza dejanskim hidravličnim zahtevam. Ko je cikel v mirovanju (brez gibanja), se lahko motor popolnoma ustavi ali deluje s skoraj ničelno hitrostjo.

Posledica tega je, da servohidravlični stroj porabi le toliko moči, kot jo potrebuje za vsako fazo cikla. Motor ne deluje s konstantno hitrostjo, črpalka ne premosti presežnega pretoka, odvajanje toplote obvodnega ventila, ki je značilno za neučinkovitost običajne stiskalnice, pa je v veliki meri odpravljeno.Bosch Rexroth, Juken, in drugi proizvajalci hidravličnih sistemov objavljajo navodila za uporabo z izmerjenimi primerjavami porabe energije servo motorjev v primerjavi s fiksnimi črpalkami; tipičen razpon objavljenih podatkov je 40–80 % zmanjšanje porabe energije pri delih s precejšnjimi fazami zadrževanja in hlajenja ter 20–40 % zmanjšanje pri delih s krajšimi fazami zadrževanja in hlajenja.

Prihranki niso enakomerni po celotnem ciklu. Največji prihranki so v fazi hlajenja (najdaljša faza z nizko obremenitvijo v večini ciklov), drugi največji v fazi zadrževanja in najmanjši v fazi vbrizgavanja (kjer je potreben največji pretok in servo sistem deluje s konico). Pri tipičnem 250-tonskem stiskalnem brizganju 200-gramskega ABS dela s 25-sekundnim ciklom predstavlja faza hlajenja približno 50 % cikla, faza zadrževanja 15 %, fazi vbrizgavanja in plastifikacije 25 % ter fazi odpiranja/zapiranja 10 %. Faza hlajenja je tista, pri kateri servo stroj največ prihrani.

Servo Premium: kapitalski stroški v primerjavi z obratovalnimi stroški

Servohidravlični stroj za brizganje plastike običajno stane 30–60 % več kot enakovreden konvencionalni stroj enake tonaže in velikosti vbrizga. Natančna premija je odvisna od proizvajalca stroja, dobavitelja servo sistema in specifikacije stroja. Za reprezentativno 250-tonsko stiskalnico je servo premija na trenutnem trgu petmestno povečanje – kar je smiselno, vendar ne prelomno za vodjo obrata, ki ocenjuje nakup.

Premija se povrne s prihranki energije. Za številčno opredelitev povračila so potrebni trije vhodni podatki: prihranki energije na cikel, cikli na izmeno in stroški električne energije. Vickslinija izdelkov za servo sistemeje konfiguriran za servo sisteme na osnovi krilnih črpalk za aplikacije brizganja, s prihranki energije na ravni sistema v objavljenem območju. Za 250-tonski stroj s 25-sekundnim ciklom, ki deluje 6000 ur na leto (približno dvoizmensko neprekinjeno), so letni prihranki električne energije v smiselnem območju – dovolj veliki, da pokrijejo premijo servo v prvih 18–36 mesecih delovanja, odvisno od lokalne tarife električne energije.

Novice o plastikiinTehnologija plastikeso objavili večletne podatke anket, ki kažejo, da servohidravlični stroji zdaj prevladujejo pri prodaji novih stiskalnic v razponu od 50 do 800 ton v Severni Ameriki, Evropi in Vzhodni Aziji, medtem ko so konvencionalne stiskalnice vse bolj omejene na specifične aplikacije z veliko tonažo in specializirane aplikacije. Premik na trgu je sam po sebi pokazatelj matematike povračila: če se premija servo strojev ne bi povrnila v treh letih, se trg ne bi premaknil.

Vzdrževanje: Kjer se dva sistema razhajata

Profil vzdrževanja servohidravličnega sistema se od običajne stiskalnice razlikuje na treh področjih.

Prvič, servo motor sam potrebuje manj vzdrževanja kot indukcijski motor enake moči – nima ščetk, drsnih obročev, rotor s trajnim magnetom pa ne potrebuje vzbujevalnega toka. VFD ima svoj profil vzdrževanja (hladilni ventilatorji, elektrolitski kondenzatorji z življenjsko dobo 8–12 let), vendar so aktivne komponente samega motorja zasnovane za dolgo življenjsko dobo brez načrtovanega vzdrževanja.

Drugič, hidravlična črpalka v servo sistemu deluje s spremenljivo hitrostjo in običajno z nižjimi povprečnimi vrtljaji kot fiksna črpalka na običajni stiskalnici. Nižji povprečni vrtljaji pomenijo manjšo obrabo ležajev, manj toplotnih ciklov in daljšo življenjsko dobo tesnila. Terenski podatki, objavljeni s straniTehnologija izdelave kalupovin različni dobavitelji hidravličnih črpalk dosledno kažejo, da imajo krilne črpalke v delovanju s spremenljivo hitrostjo življenjsko dobo bistveno daljšo od enake krilne črpalke v delovanju s fiksno hitrostjo na primerljivi stiskalnici.

Tretjič, hladilnik olja na servohidravlični stiskalnici deluje manj neprekinjeno, ker je odvajanje toplote obvodnega ventila zmanjšano. Ventilator hladilnika ali črpalka hladilne vode se vklaplja in izklaplja glede na dejansko temperaturo olja, namesto da deluje neprekinjeno. Krajši čas delovanja hladilnika pomeni manj vzdrževanja hladilnika in manjšo parazitsko porabo električne energije iz hladilnega sistema.

Konvencionalna stiskalnica pa ima večjo obrabo ležajev motorja in črpalke, pogostejšo menjavo tesnil in večjo toplotno obremenitev olja, kar pospeši oksidacijo olja in skrajša interval menjave olja. Pri triizmenski konvencionalni stiskalnici je interval menjave olja običajno 4000 ur; pri servohidravlični stiskalnici pri enakem delovnem ciklu se interval podaljša na 6000–8000 ur. Stroški olja v 5-letnem obdobju so pomembni – 250-tonska stiskalnica sprejme 400–600 litrov hidravličnega olja, olje in stroški odstranjevanja pri vsaki menjavi pa na mnogih trgih znašajo štirimestno postavko.

Hrup in delovno okolje

Konvencionalna stiskalnica neprekinjeno poganja motor in črpalko s polno hitrostjo, kar na upravljalni postaji ustvarja enakomeren akustični signal v območju 78–85 dB(A). Servohidravlična stiskalnica med fazama zadrževanja in hlajenja zniža hitrost motorja in črpalke, s čimer se znatno zmanjša prispevek hrupa hidravličnega sistema. Skupni hrup stroja se zmanjša na območje 65–72 dB(A), kar je razlika med ravnjo hrupa, ki zahteva zaščito sluha za izpostavljenost med celotno izmeno, in ravnjo, ki je na pragu predpisane omejitve.

Zmanjšanje hrupa ni neposreden prihranek stroškov, je pa resnična korist na trgih s strogimi predpisi o hrupu na delovnem mestu (Direktiva EU o varnosti in zdravju pri delu 2003/10/ES, ZDA OSHA 29 CFR 1910.95, Kitajska GBZ 2.2), kjer konvencionalna stiskalnica zahteva zaščito sluha za upravljavce. Stroški zaščite sluha, avdiometričnega testiranja in infrastrukture za nadzor hrupa v proizvodnem obratu običajno niso upoštevani pri izračunu povračila samo za energijo – vendar so to dejanski strošek v 5-letnem obdobju.

Natančnost in ponovljivost

Servohidravlični sistem ima prednost v natančnosti, ki se ne pokaže vedno v izračunu povračila energije, ampak se pokaže v stopnji odpadkov. Zaprtozančni nadzor tlaka s tlačnim senzorjem in črpalko s spremenljivo hitrostjo vzdržuje tlak v votlini v ožjem območju kot sistem s fiksno črpalko in proporcionalnimi ventili. Pri delih z ozkimi tolerancami – optičnih, medicinskih, embalažnih – lahko že samo izboljšanje stopnje odpadkov pokrije stroške servomotorja v petih letih, neodvisno od prihrankov energije.

Društvo inženirjev plastikeobjavlja tehnične članke o natančnosti servohidravličnega brizganja, vključno s podatki o spremembah teže med posameznimi odmerki in podatki o ponovljivosti dimenzij. Objavljena prednost natančnosti je majhna pri delih z ohlapnimi tolerancami (običajno 10–20-odstotno zmanjšanje sprememb med odmerki) in pomembna pri delih z ozkimi tolerancami (30–50-odstotno zmanjšanje).

Kjer konvencionalna hidravlika še vedno zmaga

Konvencionalna hidravlična stiskalnica s fiksno črpalko ni zastarela. Tri kategorije uporabe ji še vedno dajejo prednost.

• Stroji z zelo veliko tonažo (nad 1500 ton).Premija servo sistema se približno linearno povečuje z močjo motorja; pri zelo visoki tonaži postane absolutna premija servo sistema dovolj velika, da se doba vračila podaljša. Nekatere posebne aplikacije z veliko tonažo zahtevajo tudi specifične dinamične odzivne karakteristike, ki jih sistem s spremenljivo hitrostjo ne zagotavlja tako čisto kot sistem s fiksno črpalko in velikim akumulatorjem.
• Dolgotrajne, neprekinjene aplikacije.Če stiskalnica izvaja 90-sekundni cikel na debelostenskem delu z dolgo fazo zadrževanja in neprekinjenim delovanjem v treh izmenah, servo stroj še vedno prihrani energijo, vendar se prihranki amortizirajo v manjšem številu ciklov na leto. Doba vračila se podaljša in konvencionalni stroj postane bolj konkurenčen.
• Kapitalsko omejene inštalacije.Tovarna z omejenim kapitalskim proračunom in kratkim investicijskim obdobjem se lahko racionalno odloči za konvencionalno stiskalnico samo zaradi kapitalskih stroškov, zlasti če so lokalni stroški električne energije nizki.

Zunaj teh treh kategorij je servohidravlični sistem prevladujoča izbira na podlagi 5-letnih skupnih stroškov lastništva. Tržni podatki to potrjujejo: delež servomotorjev pri novih inštalacijah stiskalnic je večinski v večini regij in večini tonažnih razredov, z izjemo zgoraj omenjenih specializiranih aplikacij za veliko tonažo.

Izdelava 5-letnega delovnega lista za skupne stroške lastništva (TCO)

Petletna primerjava skupnih stroškov lastništva med servohidravlično in konvencionalno stiskalnico ima štiri stroškovne komponente: kapital, energijo, vzdrževanje in izpad/čas izpada. Vsaka se izračuna drugače.

Kapitalski stroški so nakupna cena stroja plus stroški namestitve, prevoza, usposabljanja in zagona. Premija za servo motor je razlika med kapitalskimi stroški obeh strojev.

Stroški energije so kumulativna poraba energije v 5 letih, pomnožena z lokalno tarifo za elektriko. Prihranek energije servo stroja je razlika med energijo običajne stiskalnice in energijo servo stiskalnice v istem obdobju.

Stroški vzdrževanja so kumulativni stroški delov in dela v 5 letih. Servo stroj ima običajno manj vzdrževanja, povezanega s črpalko, manjšo pogostost menjave olja in manj vzdrževanja hladilnika. Konvencionalni stroj ima večjo obrabo ležajev motorja in črpalke ter večjo porabo olja.

Stroški izpada in zastojev so vrednost izpada delov in vrednost izgube proizvodnje med nenačrtovanimi zastoji. Servo stroj ima strožji nadzor tlaka in nižjo stopnjo izpada; konvencionalni stroj ima višjo stopnjo izpada pri delih z ozkimi tolerancami, vendar nima slabšega učinka pri delih z zmanjšanimi tolerancami.

5-letni neto prihranek servo stroja je vsota prihrankov energije plus prihrankov pri vzdrževanju plus prihrankov zaradi izpada/izpada, minus premija servo stroja. Če je rezultat pozitiven, zmaga servo stroj. Če je negativen, zmaga konvencionalni stroj v 5-letnem obdobju.

Okvir odločanja: Pet vprašanj, ki si jih je treba zastaviti pred specifikacijo

Za specifično namestitev se lahko odločitev o servo ali konvencionalnem motorju skrči na pet vprašanj.

1. Kakšen je profil cikla?Dolge faze zadrževanja in hlajenja dajejo prednost servo motorjem. Kratki cikli z visokim pretokom skozi celotno obdobje dajejo prednost konvencionalnim ali servo motorjem, pri čemer je razlika majhna.
2. Kakšen je urnik delovanja?Neprekinjeno triizmensko delovanje poveča prihranke energije. Enoizmensko delovanje z dolgimi obdobji mirovanja zmanjša prihranke, ker je stiskalnica večino dneva izklopljena.
3. Kakšna je lokalna cena elektrike?Trgi z visokimi tarifami (Evropa, Japonska, velik del vzhodne Azije) pospešijo odplačilo. Trgi z nizkimi tarifami (deli Bližnjega vzhoda, Severna Amerika z obilnimi zalogami zemeljskega plina) odplačilo upočasnijo.
4. Kakšna je toleranca dela?Deli z ozkimi tolerancami (medicinski, optični, določena embalaža) povečajo prednost servo motorja zaradi manjšega števila izmeta. Deli z zmanjšanimi tolerancami nevtralizirajo to komponento prihranka.
5. Kakšna je kapitalska omejitev?Če kapitalske premije ni mogoče financirati po razumni stopnji, je doba odplačevanja pomembna, tudi če je ekonomija na ravni projekta pozitivna.

Za tipično 250-tonsko stiskalnico s 25-sekundnim ciklom, ki deluje neprekinjeno v dveh izmenah na trgu z zmernimi tarifami, se vračilna doba nahaja v razponu od 18 do 36 mesecev. Za 100-tonsko stiskalnico z 12-sekundnim ciklom, ki deluje v eni izmeni na trgu z nizkimi tarifami, se lahko vračilna doba podaljša na 4 leta ali več. Vicksdelovni list za povračilo projektavključuje vseh pet spremenljivk in ustvari priporočilo, specifično za projekt.

Pogosta vprašanja: Servo v primerjavi s konvencionalnim hidravličnim brizganjem