Серво хидраулично наспрам конвенционалног хидрауличног бризгања: Поређење трошкова за 5 година

Зашто јефтинија машина може коштати више

Руководилац постројења за калуповање у Донггуану је управо заменио стару конвенционалну хидрауличну пресу од 250 тона потпуно новом, истих спецификација. Заменска преса коштала је мање од половине цене еквивалентне серво-хидрауличне машине. Осамнаест месеци касније, рачун за струју у постројењу за калуповање био је 6% већи него годину дана раније — конвенционална преса је трошила приметно више енергије од старије коју је заменила. До краја треће године, кумулативни трошкови струје конвенционалне пресе премашили су премију цене еквивалентне серво машине, пре него што су се урачунали бука, потреба за хлађењем и интервал замене уља. Постројење је на крају накнадно уградило серво систем у постојећу пресу уместо да је замени — и потрошња енергије је пала за половину у првом пуном месецу.

Избор између серво-хидрауличног и конвенционалног хидрауличног бризгања није једноставна одлука по принципу „новије је боље“. То је прорачун укупних трошкова власништва за 5 година који зависи од тонаже машине, профила циклуса, радних сати и локалних трошкова електричне енергије. Овај чланак детаљно објашњава тај прорачун — како заправо изгледа енергетски јаз, како изгледа јаз у одржавању, где конвенционална машина и даље зарађује своју премију и како саставити бројке за одређену инсталацију.

Како конвенционална хидраулична преса користи снагу

Конвенционална машина за бризгање хидрауличне пумпе са фиксном пумпом покреће електромотор константном брзином, обично директно повезан на мрежу без погона са променљивом фреквенцијом. Мотор покреће хидрауличну пумпу фиксног померања - обично крилну пумпу или аксијалну клипну пумпу - која обезбеђује константан проток хидрауличне течности под притиском пропорционалним оптерећењу. Смерни вентили машине, пропорционални вентили и серво вентили модулирају проток и притисак како би се ускладили са фазама затварања калупа, убризгавања, задржавања, пластификације и отварања калупа у циклусу.

Мотор ради пуном брзином током целог циклуса, чак и када је хидраулична потражња ниска. Током фазе задржавања — када делу треба само делић вршног протока да би одржао притисак у шупљини — вишак протока се бајпасује кроз сигурносни вентил назад у резервоар, расипајући енергију као топлоту. Током фазе хлађења — када хидраулични проток уопште није потребан осим мале количине стезне снаге — пумпа се и даље окреће пуном брзином, и даље црпи пуну снагу, а бајпас вентил и даље испушта вишак протока. Ово је структурна неефикасност система са фиксном пумпом: мотор и пумпа раде у једној радној тачки, а свака неусклађеност између те тачке и стварне хидрауличке потражње губи се као топлота.

Сама топлота није бесплатна. Хидраулично уље мора се хладити да би се одржао вискозитет и спречила оксидација, што значи да посебан хладњак уља (хлађен водом или ваздухом) ради континуирано, црпећи додатну енергију. Потражња за хлађењем конвенционалне пресе од 250 тона на температури од 30 °C је значајна — обично у распону од 15–25% електричне снаге машине при раду у три смене.

Како серво-хидраулични систем користи снагу

Серво-хидраулични систем замењује мотор константне брзине серво мотором променљиве брзине — обично синхроним мотором са перманентним магнетом (PMSM) — који покреће погон са променљивом фреквенцијом (VFD). Серво погон контролише брзину мотора како би се ускладила са хидрауличним захтевима у реалном времену. Када је циклус у фази високог протока (затварање калупа, убризгавање, пластификација), мотор се повећава на велику брзину. Када је циклус у фази ниског протока (задржавање, хлађење), мотор се смањује на малу брзину која једва задовољава стварне хидрауличке захтеве. Када је циклус у мировању (без кретања), мотор се може потпуно зауставити или радити брзином близу нуле.

Резултат је да серво-хидраулична машина црпи само снагу која јој је потребна за сваку фазу циклуса. Мотор не ради константном брзином, пумпа не заобилази вишак протока, а расипање топлоте бајпас вентила које дефинише неефикасност конвенционалне пресе је у великој мери елиминисано.Бош Рексрот, Јукен, и други произвођачи хидрауличних система објављују напомене о примени са измереним поређењима потрошње енергије серво мотора и фиксних пумпи; типичан распон објављених података је смањење енергије од 40–80% на деловима са значајним фазама задржавања и хлађења и смањење од 20–40% на деловима са краћим фазама задржавања и хлађења.

Уштеде нису једнолике током целог циклуса. Највеће уштеде су у фази хлађења (најдужа фаза са ниском потражњом у већини циклуса), друга највећа у фази задржавања, а најмања у фази убризгавања (где је потребан вршни проток и серво систем такође ради на врхунцу). Код типичног пресовања дела од 200 г АБС пластике од 250 тона са циклусом од 25 секунди, фаза хлађења је отприлике 50% циклуса, фаза задржавања 15%, фазе убризгавања и пластификације 25%, а фазе отварања/затварања 10%. Фаза хлађења је место где серво машина остварује највеће уштеде.

Серво Премијум: Капитални трошкови наспрам оперативних трошкова

Серво-хидраулична машина за бризгање пластике обично кошта 30–60% више од еквивалентне конвенционалне машине исте тонаже и величине сачме. Тачна премија зависи од произвођача машине, добављача серво система и спецификације машине. За репрезентативну пресу од 250 тона, премија за серво систем на тренутном тржишту је петоцифрено повећање — значајно, али не и трансформативно за менаџера погона који процењује куповину.

Премија се надокнађује кроз уштеду енергије. Да би се израчунала исплативост, потребна су три улазна податка: уштеда енергије по циклусу, број циклуса по смени и трошкови електричне енергије. Викслинија производа за серво системеје конфигурисан за серво системе засноване на лопатским пумпама на апликацијама за бризгање, са уштедама енергије на нивоу система у објављеном распону. За машину од 250 тона са циклусом од 25 секунди која ради 6.000 сати годишње (отприлике две смене непрекидно), годишње уштеде електричне енергије спадају у значајан распон - довољно велике да отплате премију серво система у првих 18–36 месеци рада, у зависности од локалне тарифе за електричну енергију.

Вести о пластикуиТехнологија пластикеобјавили су вишегодишње податке истраживања који показују да серво-хидрауличне машине сада доминирају продајом нових преса у распону од 50 до 800 тона широм Северне Америке, Европе и Источне Азије, док су конвенционалне пресе све више ограничене на специфичне велике тонаже и специјализоване примене. Промена тржишта је сама по себи показатељ математике поврата инвестиције: да се премија серво машина није повратила у року од 3 године, тржиште се не би променило.

Одржавање: Где се два система разликују

Профил одржавања серво-хидрауличног система разликује се од конвенционалне пресе у три области.

Прво, сам серво мотор захтева мање одржавања од индукционог мотора еквивалентне снаге — нема четкица, нема клизних прстенова, а ротор са перманентним магнетом не захтева струју побуде. VFD има свој профил одржавања (вентилатори за хлађење, електролитички кондензатори са веком трајања од 8–12 година), али су активне компоненте самог мотора пројектоване за дуг век трајања без планираног одржавања.

Друго, хидраулична пумпа у серво систему ради променљивом брзином и обично са нижим просечним бројем обртаја у минути него фиксна пумпа на конвенционалној преси. Нижи просечни број обртаја у минути значи мање хабање лежајева, мање термичке циклусе и дужи век трајања заптивача. Подаци са терена објављени од странеТехнологија израде калупаи разни добављачи хидрауличних пумпи доследно показују да крилне пумпе у режиму променљиве брзине имају знатно дужи век трајања од исте крилне пумпе у режиму фиксне брзине на упоредивој преси.

Треће, хладњак уља на серво-хидрауличној преси ради мање континуирано јер је смањено одвођење топлоте бајпас вентила. Вентилатор хладњака или пумпа за хлађење воде се циклично укључују и искључују на основу стварне температуре уља, уместо да раде континуирано. Краће време рада хладњака значи мање одржавања хладњака и мању паразитску потрошњу електричне енергије из система за хлађење.

Конвенционална преса, насупрот томе, има веће хабање лежајева на мотору и пумпи, чешћу замену заптивки и веће термичко напрезање уља што убрзава оксидацију уља и скраћује интервал замене уља. На конвенционалној преси са три смене, интервал замене уља је обично 4.000 сати; на серво-хидрауличној преси са истим радним циклусом, интервал се продужава на 6.000–8.000 сати. Трошкови уља током петогодишњег периода су значајни – преса од 250 тона садржи 400–600 литара хидрауличног уља, а уље плус трошкови одлагања при свакој промени износе четвороцифрену ставку на многим тржиштима.

Бука и радно окружење

Конвенционална преса континуирано покреће мотор и пумпу пуном брзином, генеришући сталан акустични потпис у опсегу од 78–85 dB(A) на месту оператера. Серво-хидраулична преса смањује брзину мотора и пумпе током фаза задржавања и хлађења, значајно смањујући допринос буке из хидрауличног система. Укупна бука машине пада на опсег од 65–72 dB(A), што је разлика између нивоа буке који захтева заштиту слуха за излагање током целе смене и оног који је на прагу регулаторног ограничења.

Смањење буке није директна уштеда трошкова, али је стварна корист на тржиштима са строгим прописима о буци на раду (Директива ЕУ о заштити на раду 2003/10/ЕЗ, САД OSHA 29 CFR 1910.95, Кина GBZ 2.2) где конвенционална преса захтева заштиту слуха за оператере. Трошкови заштите слуха, аудиометријског тестирања и инфраструктуре за контролу буке у фабрици се обично не узимају у обзир у прорачуну поврата инвестиције само за енергију — али је то стварни трошак на петогодишњем хоризонту.

Прецизност и поновљивост

Серво-хидраулични систем има предност у прецизности која се не појављује увек у прорачуну поврата енергије, али се показује у стопи отпада. Контрола притиска у затвореној петљи са сензором притиска и пумпом променљиве брзине држи притисак у шупљини у ужем опсегу него систем са фиксном пумпом и пропорционалним вентилима. Код делова са уским толеранцијама – оптичких, медицинских, паковања – само побољшање стопе отпада може да покрије премију серво уређаја током петогодишњег периода, независно од уштеде енергије.

Друштво инжењера пластикеобјављује техничке радове о прецизности серво-хидрауличног бризгања, укључујући податке о варијацијама тежине од кугле до кугле и поновљивости димензија. Објављена предност у прецизности је мала код делова са опуштеним толеранцијама (обично смањење варијација од кугле до кугле) и значајна код делова са уским толеранцијама (смањење од 30–50%).

Где конвенционална хидраулика и даље побеђује

Конвенционална хидраулична преса са фиксном пумпом није застарела. Три категорије примене јој и даље иду у прилог.

• Машине веома велике тонаже (преко 1.500 тона).Премија серво система се скалира отприлике линеарно са снагом мотора; при веома великој тонажи, апсолутна премија серво система постаје довољно велика да се период поврата улагања продужава. Неке специјализоване примене са великом тонажом такође захтевају специфичне карактеристике динамичког одзива које систем са променљивом брзином не пружа тако чисто као систем са фиксном пумпом и великим акумулатором.
• Дугоцикличне, континуиране примене у раду.Ако преса ради циклус од 90 секунди на делу са дебелим зидовима са дугом фазом задржавања и континуираним радом у три смене, серво машина и даље штеди енергију, али се уштеде амортизују током мањег броја циклуса годишње. Период поврата инвестиције се продужава, а конвенционална машина постаје конкурентнија.
• Инсталације са ограниченим капиталом.Постројење са ограниченим капиталним буџетом и кратким инвестиционим хоризонтом може рационално изабрати конвенционалну пресу само на основу капиталних трошкова, посебно ако је локална цена електричне енергије ниска.

Ван ове три категорије, серво-хидраулични систем је доминантан избор на основу укупних трошкова власништва у периоду од 5 година. Тржишни подаци то потврђују: удео серво погона у новим инсталацијама преса је већина у већини региона и већини класа тонаже, са изузетком специјализованих примена велике тонаже наведених горе.

Израда радног листа за петогодишњи TCO

Поређење укупних трошкова власништва за период од 5 година између сервохидрауличне и конвенционалне пресе има четири компоненте трошкова: капитал, енергију, одржавање и отпад/време застоја. Свака се израчунава другачије.

Капитални трошак је куповна цена машине плус инсталација, превоз, обука и пуштање у рад. Премија за серво мотор је разлика између капиталних трошкова две машине.

Трошкови енергије су кумулативни kWh током 5 година, помножени са локалном тарифом за струју. Уштеда енергије серво машине је разлика између енергије конвенционалне пресе и енергије серво пресе током истог периода.

Трошкови одржавања представљају кумулативни трошкови делова и рада током 5 година. Серво машина обично има мање потребе за одржавањем пумпе, ређу учесталост замене уља и мање потребе за одржавањем хладњака. Конвенционална машина има веће хабање лежајева на мотору и пумпи и већу потрошњу уља.

Трошкови отпада и застоја су вредност одбачених делова и вредност изгубљене производње током непланираног застоја. Серво машина има строжу контролу притиска и нижу стопу отпада; конвенционална машина има већу стопу отпада на деловима са уском толеранцијом, али нема недостатак на деловима са опуштеном толеранцијом.

Петогодишња нето уштеда серво машине је збир уштеде енергије плус уштеда на одржавању плус уштеда на отпаду/застоју, умањен за премију серво машине. Ако је резултат позитиван, серво машина побеђује. Ако је негативан, конвенционална машина побеђује на петогодишњем хоризонту.

Оквир за доношење одлука: Пет питања која треба поставити пре прецизирања

За специфичну инсталацију, одлука о серво мотору у односу на конвенционални може се свести на пет питања.

1. Шта је профил циклуса?Дуге фазе задржавања и хлађења фаворизују серво моторе. Кратки циклуси са великим протоком током целог циклуса фаворизују конвенционалне или серво моторе са малом разликом.
2. Какав је распоред рада?Непрекидни рад у три смене повећава уштеду енергије. Рад у једној смени са дугим периодима неактивности смањује уштеду јер је преса искључена већи део дана.
3. Колика је локална цена струје?Тржишта са високим царинама (Европа, Јапан, већи део Источне Азије) убрзавају отплату. Тржишта са ниским царинама (делови Блиског истока, Северна Америка са обилним залихама природног гаса) успоравају отплату.
4. Колика је толеранција дела?Делови са уском толеранцијом (медицински, оптички, одређена амбалажа) појачавају предност серво мотора кроз мањи отпад. Делови са опуштеном толеранцијом неутралишу ову компоненту уштеде.
5. Шта је ограничење капитала?Ако се премија капитала не може финансирати по разумној стопи, период поврата улагања је важан чак и ако је економија на нивоу пројекта позитивна.

За типичну пресу од 250 тона са циклусом од 25 секунди која ради у две смене континуирано на тржишту са умереним тарифама, период поврата улагања је у распону од 18 до 36 месеци. За пресу од 100 тона са циклусом од 12 секунди која ради у једној смени на тржишту са ниским тарифама, период поврата улагања може се продужити на 4 године или више. Виксрадни лист за исплату пројектаукључује свих пет варијабли и производи препоруку специфичну за пројекат.

Најчешћа питања: Серво у односу на конвенционално хидраулично бризгање