Сервогідравлічне та звичайне гідравлічне лиття під тиском: порівняння вартості за 5 років

Чому дешевша машина може коштувати дорожче

Менеджер формувального заводу в Дунгуані щойно замінив застарілий 250-тонний звичайний гідравлічний прес на абсолютно новий з такими ж характеристиками. Замінний прес коштував менше половини вартості еквівалентного сервогідравлічного преса. Вісімнадцять місяців по тому рахунок заводу за електроенергію на формувальному цеху був на 6% вищим, ніж роком раніше — звичайний прес споживав помітно більше енергії, ніж старий, який він замінив. До кінця третього року сукупна вартість електроенергії звичайного преса перевищила цінову премію еквівалентного сервопреса, не враховуючи шум, потребу в охолодженні та інтервал заміни масла. Зрештою, завод модернізував сервосистему на існуючому пресі, а не замінив його, і протягом першого повного місяця споживання енергії знизилося вдвічі.

Вибір між сервогідравлічним та звичайним гідравлічним литтям під тиском не є простим рішенням за принципом «новіше – краще». Це розрахунок загальної вартості володіння за 5 років, який залежить від тоннажу машини, профілю циклу, робочих годин та місцевої вартості електроенергії. У цій статті детально розглядається цей розрахунок — як насправді виглядає розрив в енергоспоживання, як виглядає розрив в технічному обслуговуванні, де звичайна машина все ще отримує свою премію та як скласти цифри для конкретної установки.

Як звичайний гідравлічний прес використовує енергію

Звичайна гідравлічна ливарна машина з фіксованим насосом працює від електродвигуна з постійною швидкістю, зазвичай підключеного безпосередньо до мережі без частотного приводу. Двигун приводить у дію гідравлічний насос з фіксованим об'ємом — зазвичай лопатевий насос або аксіально-поршневий насос — який забезпечує постійний потік гідравлічної рідини під тиском, пропорційним навантаженню. Розподільні клапани, пропорційні клапани та сервоклапани машини модулюють потік і тиск відповідно до фаз циклу: закриття форми, впорскування, витримки, пластифікації та відкриття форми.

Двигун працює на повній швидкості протягом усього циклу, навіть коли гідравлічне навантаження низьке. Під час фази утримання — коли деталі потрібна лише частина пікового потоку для підтримки тиску в порожнині — надлишковий потік перепускається через запобіжний клапан назад у резервуар, розсіюючи енергію у вигляді тепла. Під час фази охолодження — коли гідравлічний потік взагалі не потрібен, окрім невеликої кількості затискного тоннажу — насос все ще обертається на повній швидкості, все ще споживаючи повну потужність, а байпасний клапан все ще скидає надлишковий потік. Це структурна неефективність системи з фіксованим насосом: двигун і насос працюють в одній робочій точці, і будь-яка невідповідність між цією точкою та фактичним гідравлічним навантаженням втрачається у вигляді тепла.

Саме тепло не є безкоштовним. Гідравлічну оливу необхідно охолоджувати, щоб підтримувати в'язкість і запобігати окисленню, а це означає, що окремий масляний охолоджувач (з водяним або повітряним охолодженням) працює безперервно, споживаючи додаткову потужність. Потреба в охолодженні для 250-тонного звичайного преса при температурі навколишнього середовища 30 °C є значною — зазвичай вона становить 15–25 % від споживаної електроенергії машини при тризмінній роботі.

Як сервогідравлічна система використовує енергію

Сервогідравлічна система замінює двигун постійної швидкості серводвигуном зі змінною швидкістю — зазвичай синхронним двигуном з постійними магнітами (PMSM) — що приводиться в дію частотно-регульованим приводом (VFD). Сервопривід контролює швидкість двигуна відповідно до гідравлічного навантаження в режимі реального часу. Коли цикл знаходиться у фазі високої витрати (закриття форми, впорскування, пластифікація), двигун розганяється до високої швидкості. Коли цикл знаходиться у фазі низької витрати (витримка, охолодження), двигун знижується до низької швидкості, яка якраз відповідає фактичному гідравлічному навантаженню. Коли цикл знаходиться в стані спокою (без руху), двигун може повністю зупинитися або працювати майже з нульовою швидкістю.

В результаті сервогідравлічна машина споживає лише ту потужність, яка їй необхідна для кожної фази циклу. Двигун не працює з постійною швидкістю, насос не обводить надлишковий потік, а тепловіддача байпасним клапаном, яка є причиною неефективності звичайного преса, значною мірою усувається.Бош Рексрот, Юкен, та інші виробники гідравлічних систем публікують інструкції із застосування з порівняннями виміряного споживання енергії сервоприводами та фіксованими насосами; типовий діапазон опублікованих даних становить 40–80% зниження енергії на деталях зі значними фазами витримки та охолодження, та 20–40% зниження на деталях з коротшими фазами витримки та охолодження.

Економія не є рівномірною протягом усього циклу. Найбільша економія спостерігається на фазі охолодження (найдовша фаза з низьким навантаженням у більшості циклів), друга за величиною – на фазі витримки, а найменша – на фазі впорскування (де потрібен піковий потік, і сервосистема також працює на піку). При типовому пресуванні деталі з АБС-пластику вагою 200 г під тиском 250 тонн з 25-секундним циклом фаза охолодження становить приблизно 50 % циклу, фаза витримки – 15 %, фази впорскування та пластифікації – 25 %, а фази відкриття/закриття – 10 %. Фаза охолодження – це той момент, коли сервомашина економить найбільше.

Серво Преміум: капітальні витрати проти експлуатаційних витрат

Сервогідравлічна ливарна машина зазвичай коштує на 30–60% дорожче, ніж еквівалентна звичайна машина того ж тоннажу та розміру порції. Точна премія залежить від виробника машини, постачальника сервосистеми та специфікації машини. Для репрезентативного 250-тонного преса премія за сервопривід на сучасному ринку становить п'ятизначне збільшення — значуще, але не трансформаційне для керівника заводу, який оцінює покупку.

Премія окупається за рахунок економії енергії. Щоб визначити окупність, потрібні три вхідні дані: економія енергії на цикл, кількість циклів за зміну та вартість електроенергії. Вікслінійка продуктів сервосистемналаштовано для сервосистем на основі лопатевого насоса для лиття під тиском, з економією енергії на рівні системи в опублікованому діапазоні. Для 250-тонної машини з 25-секундним циклом, що працює 6000 годин на рік (приблизно дві зміни безперервно), річна економія електроенергії знаходиться в значному діапазоні — достатньо великому, щоб окупити премію за сервопривод протягом перших 18–36 місяців експлуатації, залежно від місцевого тарифу на електроенергію.

Новини про пластмасиіТехнологія пластмасопублікували дані багаторічного опитування, які показують, що сервогідравлічні машини зараз домінують у продажах нових пресів у діапазоні від 50 до 800 тонн у Північній Америці, Європі та Східній Азії, тоді як звичайні преси все частіше обмежуються конкретними високотоннажними та спеціалізованими застосуваннями. Зміна ринку сама по собі є показником математики окупності: якби премія за сервоприводи не відшкодувалася протягом 3 років, ринок би не змінився.

Технічне обслуговування: де дві системи розходяться

Профіль технічного обслуговування сервогідравлічної системи відрізняється від звичайного преса у трьох аспектах.

По-перше, сам серводвигун потребує менше технічного обслуговування, ніж асинхронний двигун еквівалентної потужності — немає щіток, немає контактних кілець, а ротор з постійними магнітами не потребує струму збудження. Частотний перетворювач має власний профіль технічного обслуговування (вентилятори охолодження, електролітичні конденсатори з терміном служби 8–12 років), але активні компоненти самого двигуна розраховані на тривалий термін служби без планового технічного обслуговування.

По-друге, гідравлічний насос у сервосистемі працює зі змінною швидкістю та, як правило, з нижчою середньою швидкістю обертання, ніж фіксований насос на звичайному пресі. Нижча середня швидкість обертання означає менший знос підшипників, меншу термоциклічність та довший термін служби ущільнення. Польові дані, опублікованіТехнологія виготовлення прес-форма різні постачальники гідравлічних насосів послідовно показують, що термін служби лопатевих насосів із змінною швидкістю значно довший, ніж у таких самих лопатевих насосів із фіксованою швидкістю на порівнянному пресі.

По-третє, масляний охолоджувач на сервогідравлічному пресі працює менш безперервно, оскільки зменшується тепловіддача байпасного клапана. Вентилятор охолоджувача або насос охолоджувальної води циклічно вмикаються та вимикаються залежно від фактичної температури оливи, а не працюють безперервно. Менший час роботи охолоджувача означає менше потреби в обслуговуванні охолоджувача та менше паразитне споживання електроенергії системою охолодження.

Звичайний прес, навпаки, має більший знос підшипників двигуна та насоса, частішу заміну ущільнень та вище термічне навантаження на оливу, що прискорює окислення оливи та скорочує інтервал заміни оливи. На тризмінному звичайному пресі інтервал заміни оливи зазвичай становить 4000 годин; на сервогідравлічному пресі з тим самим робочим циклом інтервал збільшується до 6000–8000 годин. Вартість оливи протягом 5-річного періоду є значною — 250-тонний прес вміщує 400–600 літрів гідравлічної оливи, а олива плюс вартість утилізації при кожній заміні становить чотиризначну суму на багатьох ринках.

Шум та робоче середовище

Звичайний прес безперервно працює на повній швидкості двигун і насос, створюючи стабільний акустичний сигнал у діапазоні 78–85 дБ(А) на робочому місці оператора. Сервогідравлічний прес знижує швидкість двигуна та насоса під час фаз витримки та охолодження, значно зменшуючи рівень шуму від гідравлічної системи. Загальний рівень шуму машини падає до діапазону 65–72 дБ(А), що є різницею між рівнем шуму, який вимагає захисту слуху для повноцінного впливу шуму, і рівнем, який знаходиться на порозі нормативного граничного значення.

Зниження шуму не є прямою економією коштів, але є реальною перевагою на ринках із суворими нормами щодо професійного шуму (Директива ЄС з охорони праці 2003/10/EC, OSHA 29 CFR 1910.95 США, GBZ 2.2 Китаю), де звичайний прес вимагає захисту слуху для операторів. Вартість захисту слуху, аудіометричного тестування та інфраструктури контролю шуму на заводському цеху зазвичай не враховується в розрахунку окупності лише за рахунок енергії, але це реальні витрати на 5-річному горизонті.

Точність та повторюваність

Сервогідравлічна система має перевагу в точності, яка не завжди відображається в розрахунку окупності енергії, але проявляється у коефіцієнті браку. Замкнутий цикл керування тиском за допомогою датчика тиску та насоса зі змінною швидкістю утримує тиск у порожнині в більш вузькому діапазоні, ніж система з фіксованим насосом та пропорційними клапанами. На деталях з жорсткими допусками — оптичних, медичних, пакувальних — саме покращення коефіцієнта браку може окупити премію сервоприводу протягом 5 років, незалежно від економії енергії.

Товариство інженерів-пластмасипублікує технічні статті з точності сервогідравлічного лиття під тиском, включаючи дані про зміну ваги від удару до удару та повторюваність розмірів. Опублікована перевага в точності невелика для деталей з пом'якшеними допусками (зазвичай зменшення варіації від удару до удару на 10–20%) та суттєва для деталей з жорсткими допусками (зменшення на 30–50%).

Де звичайна гідравліка все ще перемагає

Традиційний гідравлічний прес зі стаціонарним насосом не є застарілим. Три категорії застосування все ще дають йому перевагу.

• Дуже великотоннажні машини (понад 1500 тонн).Премія сервосистеми масштабується приблизно лінійно з потужністю двигуна; при дуже високому тоннажі абсолютна премія сервосистеми стає достатньо великою, щоб термін окупності подовжувався. Деякі спеціалізовані застосування з великим тоннажем також вимагають певних динамічних характеристик, які система зі змінною швидкістю не забезпечує так само чітко, як система з фіксованим насосом та великим гідроакумулятором.
• Тривале циклічне, безперервне використання.Якщо прес виконує 90-секундний цикл на товстостінній деталі з тривалою фазою витримки та безперервною роботою в три зміни, сервомашина все одно економить енергію, але економія амортизується за меншу кількість циклів на рік. Термін окупності збільшується, і звичайний верстат стає більш конкурентоспроможним.
• Установки з обмеженим капіталом.Завод з обмеженим капітальним бюджетом та коротким інвестиційним горизонтом може раціонально обрати традиційний прес, виходячи лише з капітальних витрат, особливо якщо місцева вартість електроенергії низька.

Поза цими трьома категоріями, сервогідравлічна система є домінуючим вибором на основі 5-річної загальної вартості володіння. Ринкові дані підтверджують це: частка сервоприводів у нових пресах є більшою в більшості регіонів та більшості тоннажних класів, за винятком спеціалізованих застосувань для великотоннажних пресів, зазначених вище.

Складання 5-річного робочого аркуша TCO

Порівняння загальних витрат на володіння сервогідравлічним та звичайним пресом за 5 років має чотири складові витрат: капітальні витрати, енергія, технічне обслуговування та брак/простої. Кожен з них розраховується по-різному.

Капітальні витрати – це ціна придбання машини плюс вартість встановлення, перевезення, навчання та введення в експлуатацію. Премія за сервопривід – це різниця між капітальними витратами двох машин.

Вартість енергії – це сукупна кількість кВт⋅год за 5 років, помножена на місцевий тариф на електроенергію. Економія енергії сервопресом – це різниця між енергією звичайного преса та енергією сервопреса за той самий період.

Вартість технічного обслуговування – це сукупна вартість деталей та праці за 5 років. Сервомашина зазвичай потребує менше технічного обслуговування насоса, рідше замінює масло та менше потребує обслуговування охолоджувача. У традиційній машині підшипники двигуна та насоса зношуються вищим чином, а витрата масла вища.

Вартість браку та простоїв – це вартість бракованих деталей та вартість втраченої продукції під час незапланованих простоїв. Сервомашина має жорсткіший контроль тиску та нижчий рівень браку; звичайна машина має вищий рівень браку для деталей з жорсткими допусками, але не має недоліків для деталей з послабленими допусками.

5-річна чиста економія від сервомашини – це сума економії енергії плюс економія на технічному обслуговуванні плюс економія на браку/простої мінус премія за сервомашину. Якщо результат позитивний, виграє сервомашина. Якщо негативний, то виграє звичайна машина на 5-річному горизонті.

Структура прийняття рішень: п'ять питань, які слід поставити перед уточненням

Для конкретної установки рішення щодо сервоприводу чи звичайного двигуна можна звести до п'яти питань.

1. Який профіль циклу?Тривалі фази витримки та охолодження сприяють роботі сервоприводу. Короткі цикли з високим навантаженням протягом усього циклу сприяють роботі звичайного або сервоприводу з невеликою різницею.
2. Який графік роботи?Безперервна робота в три зміни збільшує економію енергії. Однозмінна робота з тривалими періодами простою знижує економію, оскільки верстат вимкнений більшу частину дня.
3. Яка вартість місцевої електроенергії?Ринки з високими тарифами (Європа, Японія, значна частина Східної Азії) прискорюють окупність. Ринки з низькими тарифами (частини Близького Сходу, Північна Америка з великими запасами природного газу) уповільнюють її.
4. Який допуск деталі?Деталі з жорсткими допусками (медичні, оптичні, деякі види упаковки) посилюють перевагу сервоприводів завдяки меншому відходам. Деталі з послабленими допусками нейтралізують цей компонент економії.
5. Що таке обмеження капіталу?Якщо капітальну премію неможливо профінансувати за розумною ставкою, термін окупності має значення, навіть якщо економічні показники на рівні проекту є позитивними.

Для типового 250-тонного преса з 25-секундним циклом, що працює в дві зміни безперервно на ринку з помірними тарифами, окупність становить від 18 до 36 місяців. Для 100-тонного преса з 12-секундним циклом, що працює в одну зміну на ринку з низькими тарифами, окупність може сягати 4 років або більше. Віксробочий аркуш окупності проектувраховує всі п'ять змінних та створює рекомендації для конкретного проекту.

Найчастіші запитання: Сервоприводи проти звичайного гідравлічного лиття під тиском