Промышленная автоматизация
Небольшие литьевые заводы переходят на серводвигатели с прямым приводом для синхронного пластифицирования и рекуперации энергии открытия/закрытия пресс-формы.
Вкратце:
- Сервомотор с прямым приводомполностью исключить гидравлический силовой агрегат при литье под давлением малой тонны. (при усилии зажима менее 500 тонн), что снижает энергопотребление на 40-65% по сравнению с традиционными гидравлическими системами, поскольку сервопривод потребляет ток только во время фактического движения, а не в фазах холостого хода, удержания или охлаждения.
- Синхронная пластификация — процесс, при котором вращение шнека, впрыск и перемещение пресс-формы синхронизируются электронным, а не гидравлическим способом. — сокращает время цикла на 15-25% за счет перекрытия операций, которые гидравлические системы должны выполнять последовательно из-за задержек с перезарядкой аккумулятора.
- Рекуперация энергии во время открытия/закрытия пресс-формы позволяет улавливать кинетическую энергию движущейся плиты за счет рекуперативного торможения. — возвращая энергию обратно в шину постоянного тока, а не рассеивая её в виде тепла через гидравлический дроссельный клапан, — таким образом, восстанавливается 20-30% энергии, которую гидравлические системы теряют.
- Окупаемость инвестиций в модернизацию 200-тонной машины составляет 18-24 месяца. При текущих тарифах на электроэнергию для промышленного использования в Китае (0,65-0,85 юаней/кВт·ч), исходя из 6000 часов работы в год и 45% снижения энергопотребления, это эквивалентно примерно 12 000–18 000 долларов США ежегодной экономии на электроэнергии на одну машину.
Почему производители литьевых форм малой тоннажности отказываются от гидравлики
Обычный Гидравлическая машина для литья под давлением Это крайне неэффективное устройство.Электродвигатель непрерывно работает со скоростью 1500-1800 об/мин, приводя в движение... Гидравлический насос Это создает давление масла в 140-210 бар. Масло под давлением протекает через пропорциональные и направляющие клапаны — каждый из которых представляет собой контролируемую утечку, рассеивающую энергию в виде тепла — для приведения в действие цилиндров, которые зажимают пресс-форму, вращают шнек, впрыскивают расплав и выталкивают деталь. Даже когда машина ничего не делает — во время фазы охлаждения, которая составляет 40-60% от общего времени цикла — двигатель все еще работает, насос все еще циркулирует масло, и энергия все еще потребляется. Общая эффективность системы от электрического входного напряжения до механического выходного напряжения в зажиме составляет приблизительно 30-45% — остальное — это тепло, отводимое в гидравлическое масло, для отвода которого затем требуется чиллер.
Я более десяти лет работаю в компании Vicks Servo над модернизацией термопластавтоматов и измеряю энергопотребление гидравлических машин по сравнению с машинами, модернизированными с помощью сервоприводов с прямым приводом, на десятках установок. Данные однозначны: 200-тонный гидравлический термопластавтомат, потребляющий в среднем 18-22 кВт мощности за 45-секундный цикл, может быть модернизирован с помощью сервомоторы с прямым приводом которые потребляют в среднем 8-12 кВт — снижение на 45-55% — и время цикла сокращается с 45 секунд до 36-38 секунд, поскольку вращение винта с сервоприводом и движение зажима происходят быстрее и могут перекрываться таким образом, что гидравлическая последовательность предотвращает это.
Как работает архитектура сервопривода с прямым приводом в литье под давлением
А Сервопривод с прямым приводом Система для литья под давлением заменяет три гидравлические подсистемы тремя сервомоторами: (1) Сервомотор, напрямую соединенный с пластифицирующим шнеком через редуктор — исключает гидравлический двигатель, пропорциональный клапан и потери энергии в гидравлической цепи между насосом и приводом шнека. (2) Сервомотор, приводящий в движение шариковинтовой механизм для впрыска — заменяет гидравлический цилиндр впрыска прецизионным электромеханическим приводом, обеспечивающим контроль скорости впрыска с точностью до 0,1 мм/с и контроль давления удержания с точностью до 0,1 МПа. (3) Сервомотор, приводящий в движение механизм открытия/закрытия пресс-формы — обычно через рычажный или шариковинтовой механизм, обеспечивающий контроль усилия смыкания за счет крутящего момента двигателя, а не гидравлического давления, что позволяет обеспечить повторяемость усилия смыкания в пределах 0,5% на протяжении тысяч циклов.
Ключевая архитектурная особенность: каждый сервомотор потребляет ток только во время определённой фазы движения. В фазе охлаждения (40-60% времени цикла) все три сервопривода неподвижны и потребляют нулевой ток, за исключением потребления электроники привода в режиме ожидания, составляющего 20-50 Вт. В гидравлической машине насосный двигатель работает непрерывно на протяжении всей фазы охлаждения, потребляя 5-8 кВт электроэнергии в режиме ожидания, которая не используется ни для чего, кроме нагрева гидравлического масла. За более чем 6000 часов работы в год только это потребление в режиме ожидания составляет 30 000-48 000 кВт·ч потерянной электроэнергии — примерно 3000-5000 долларов на машину в год по текущим китайским промышленным тарифам.
Рекуперация энергии: как рекуперативное торможение превращает цикл открытия-закрытия пресс-формы в источник энергии.
Цикл открытия-закрытия пресс-формы в 200-тонной машине включает в себя разгон движущейся плиты массой 800-1200 кг от нуля до приблизительно 800 мм/с за 0,3-0,5 секунды, а затем ее обратное замедление до нуля в конце хода. Кинетическая энергия этой движущейся массы — приблизительно 250-380 джоулей при максимальной скорости — рассеивается в виде тепла через гидравлический дроссельный клапан в обычной машине. Более 800 000 циклов в год — это 200-300 мегаджоулей (55-83 кВт·ч) восстанавливаемой энергии на одну машину — скромная, но значимая величина, если умножить ее на завод с 20-30 машинами.
Система сервопривода с прямым приводом рекуперирует эту энергию за счет рекуперативного торможения — когда серводвигатель замедляет плиту, он работает как генератор, преобразуя кинетическую энергию плиты обратно в электрическую энергию, которая подается на шину постоянного тока. Затем рекуперированная энергия может быть: (1) немедленно использована другой осью сервопривода, которая ускоряется одновременно (синхронное пластифицирование перекрывается с закрытием пресс-формы), или (2) сохранена в конденсаторной батарее привода для использования в следующей фазе ускорения. Эффективность рекуперации составляет приблизительно 70-85% — это означает, что 70-85% кинетической энергии плиты рекуперируется и используется повторно в том же цикле или в следующем цикле, а не рассеивается в виде тепла.
Благодаря рекуперации энергии, машины с сервоприводом прямого действия могут достигать общего энергопотребления ниже 0,30 кВт·ч/кг перерабатываемого материала — по сравнению с 0,55-0,75 кВт·ч/кг для гидравлических машин и 0,40-0,55 кВт·ч/кг для гибридных (сервонасос + гидравлика) машин. Разница в 0,25-0,45 кВт·ч/кг при производительности 500 тонн материала в год означает экономию электроэнергии в размере 125 000-225 000 кВт·ч в год — примерно 10 000-18 000 долларов США на одну машину.
Синхронная пластификация: сокращение времени цикла, удваивающее окупаемость инвестиций.
В обычной гидравлической литьевой машине последовательность циклов строго последовательная: закрытие формы → впрыск → выдержка под давлением → пластификация (вращение шнека) → охлаждение → открытие формы → извлечение. Фаза пластификации — когда шнек вращается, чтобы расплавить и подать следующую порцию материала — не может начаться до завершения фазы выдержки под давлением, поскольку обе функции обеспечивает один и тот же гидравлический насос. В системе с прямым приводом сервопривода серводвигатель пластификации и серводвигатель впрыска независимы — они могут работать одновременно. Это позволяет синхронная пластификацияШнек начинает вращаться для пластификации следующей порции, пока деталь еще остывает в пресс-форме и пока сервопривод впрыска завершает фазу выдержки под давлением.
Сокращение времени цикла за счет синхронной пластификации зависит от геометрии и материала детали: для тонкостенной упаковки (полипропилен, толщина стенки 0,5-1,0 мм, время охлаждения 6-8 секунд) фаза пластификации полностью совпадает с фазой охлаждения, что сокращает время цикла на 15-20%. Для технических деталей (полиамид, При толщине стенки 2-3 мм и времени охлаждения 15-25 секунд перекрытие частичное, но все же сокращает время цикла на 8-12%. В типичном наборе малотоннажных применений среднее сокращение времени цикла составляет 12-18%, что для машины, производящей 500 000 циклов в год, означает 60 000-90 000 дополнительных циклов производственной мощности без добавления одной машины.
Точное сравнение: как сервопривод с прямым приводом повышает качество деталей и технологическую эффективность.
Переход от гидравлического к сервоприводу с прямым приводом часто преподносится как экономия энергии — и экономия энергии реальна, — но повышение точности, пожалуй, более ценно для производителей высокоточных деталей. Гидравлический цилиндр впрыска управляет скоростью впрыска через пропорциональный клапан, который реагирует на электрический сигнал с задержкой в 20-50 миллисекунд. В течение этой задержки шнек впрыска продолжает движение — и для тонкостенной упаковочной конструкции со временем заполнения 0,3 секунды задержка в 30 мс представляет собой 10%-ное изменение в управлении скоростью заполнения. Серводвигатель с прямым приводом, соединенный непосредственно со шнеком впрыска через шариковый винт, реагирует на обновление команды положения в течение 1-2 миллисекунд — устраняя гидравлическую задержку и обеспечивая управление скоростью заполнения с точностью до 0,5% от заданного значения на протяжении всего хода впрыска.
Практические улучшения качества, которые я зафиксировал на модернизированных машинах: (1) Повторяемость веса детали улучшается со стандартного отклонения 0,3-0,5% от веса впрыска (гидравлическая система) до 0,08-0,15% (сервоприводная система) — улучшение в 3 раза, которое напрямую снижает брак деталей с избыточным и недостаточным весом. Для литьевой машины, производящей 10 миллионов деталей в год при стоимости материала 0,15 доллара за деталь, снижение веса впрыска на 0,3% за счет улучшения повторяемости экономит 4500 долларов в год только на стоимости материала. (2) Вариативность размеров — измеряемая как стандартное отклонение критического размера в исследовании производительности на основе 100 впрысков — обычно улучшается на 40-60%. Гидравлическая машина с коэффициентом Cp 1,2 по критическому размеру может достичь Cp 1,6-1,8 после модернизации сервоприводом — переходя от «приемлемой» к «отличной» производительности процесса. (3) Запускные браки — 5-15 порций, отбрасываемых в начале каждого производственного цикла, пока гидравлическое масло достигает рабочей температуры и вязкости, — практически исключены, поскольку сервосистема достигает полной точности в течение 2-3 циклов запуска, независимо от температуры окружающей среды.
Расчет экономии энергии довольно прост, но для расчета повышения точности необходимо понимать текущий процент брака и величину снижения на каждый процентный пункт. Формовочный цех, производящий 500 тонн материала в год с 3% брака, теряет 15 тонн материала — при средней стоимости материала 2,00 долл./кг это составляет 30 000 долл. США в год в виде брака. Снижение процента брака до 1,5% за счет повышения точности сервоприводов позволяет сэкономить 15 000 долл. США в год — что эквивалентно ежегодной экономии электроэнергии и сокращению вдвое срока окупаемости модернизации. Компания Vicks Servo предоставляет данные о производственных возможностях модернизированных машин для обоснования целесообразности повышения точности в дополнение к стандартному анализу энергосбережения.
Часто задаваемые вопросы
В1: Каков минимальный усилие зажима, при котором модернизация с использованием сервопривода с прямым приводом экономически целесообразна?
Экономически оптимальная точка перехода находится примерно на уровне усилия смыкания 80-120 тонн. При усилии смыкания менее 80 тонн абсолютная экономия энергии меньше (мощность гидравлического силового агрегата составляет 11-15 кВт вместо 22-30 кВт), а затраты на модернизацию (25 000-40 000 долларов США на серводвигатели, приводы и механическую модификацию) окупаются дольше — обычно за 30-36 месяцев вместо 18-24 месяцев. Для машин весом более 120 тонн экономия энергии и сокращение времени цикла окупаются в течение 18-24 месяцев при типичных объемах производства в Китае. Для завода с 20 машинами весом 150-300 тонн общая годовая экономия электроэнергии от полной программы модернизации с использованием сервоприводов обычно превышает 200 000 долларов США.
В2: Можно ли установить серводвигатели с прямым приводом на существующую гидравлическую литьевую машину, или мне потребуется новая машина?
Модернизация — это стандартный подход, значительно более дешевый, чем покупка новой полностью электрической машины. Модернизация включает замену гидравлического насоса, двигателя и пропорциональных клапанов на серводвигатели и приводы, при этом сохраняются существующие зажимной узел, инжекционный узел, цилиндр, шнек и рама машины. Механическая модернизация включает в себя: (1) демонтаж группы гидравлического двигателя и насоса, (2) установку серводвигателей с монтажными кронштейнами и муфтами на существующий винтовой привод и зажимной механизм, (3) установку сервоприводов в существующий шкаф управления, (4) переподключение системы управления для взаимодействия с сервоприводами. Во время модернизации машина простаивает в течение 3-5 дней. Компания Vicks Servo предоставляет комплексные пакеты модернизации «под ключ», включающие все механические и электрические компоненты, ввод в эксплуатацию и обучение операторов.
В3: Чем сервопривод с прямым приводом отличается от сервогидравлических (сервонасосных) систем?
Сервогидравлические системы заменяют асинхронный двигатель с фиксированной скоростью вращения сервоприводным гидравлическим насосом — скорость насоса изменяется в зависимости от потребности, что снижает энергопотребление в режиме холостого хода и частичной нагрузки. Это улучшение по сравнению с гидравликой с фиксированной скоростью, обычно обеспечивающее снижение энергопотребления на 25-40%. Однако сервогидравлика по-прежнему работает через гидравлическое масло, пропорциональные клапаны и гидравлические цилиндры — сохраняются основные недостатки гидравлической передачи энергии. Сервопривод с прямым приводом полностью исключает гидравлическую среду, обеспечивая снижение энергопотребления на 40-65% и значительно более высокую точность, поскольку отсутствует сжимаемость масла, гистерезис клапанов и температурно-зависимые изменения вязкости, которые необходимо компенсировать. Для применений, требующих высочайшей точности — оптические линзы, медицинские приборы, микролитье — прямой привод является предпочтительной технологией.
В4: Какие преимущества в плане технического обслуживания дает сервопривод с прямым приводом по сравнению с гидравлическим?
Исключение гидравлического масла является самым большим преимуществом в плане технического обслуживания. Гидравлический IMM содержит 200-400 литров гидравлического масла, которое необходимо отбирать и анализировать ежеквартально, постоянно фильтровать и заменять каждые 3000-5000 часов работы, при этом стоимость одной замены масла составляет 500-1200 долларов. Гидравлические шланги, уплотнения и уплотнительные кольца являются изнашивающимися деталями, которые требуют замены с интервалом в 1-2 года — протекающий шланг или вышедший из строя уплотнитель останавливают производство и создают проблему загрязнения окружающей среды. В сервоприводной машине с прямым приводом нет гидравлического масла, шлангов, уплотнений и пропорциональных клапанов — единственными смазываемыми компонентами являются редуктор с винтовым приводом (замена масла каждые 8000-10000 часов, 2-3 литра трансмиссионного масла) и линейные направляющие (смазка консистентной смазкой каждые 500 часов). Ежегодные затраты на техническое обслуживание сервоприводной машины обычно на 30-50% ниже, чем для аналогичной гидравлической машины.
В5: Каков типичный срок окупаемости инвестиций при полной модернизации сервоприводов?
Для 200-тонной машины, работающей 6000 часов в год при потреблении 0,75 юаней/кВт·ч: ежегодная экономия электроэнергии составляет 60 000–80 000 кВт·ч (45 000–60 000 юаней), плюс экономия времени цикла, позволяющая увеличить производственную мощность на 15%, а также экономия на гидравлическом масле и техническом обслуживании составляет 8 000–12 000 юаней в год. Общая ежегодная экономия: приблизительно 53 000–72 000 юаней (7 500–10 000 долларов США). Стоимость модернизации: 150 000–200 000 юаней (21 000–28 000 долларов США). Простой срок окупаемости: 2,1–3,3 года. При монетизации увеличения производственной мощности срок окупаемости снижается до 1,5–2,0 лет. В ряде китайских провинций (Чжэцзян, Гуандун, Цзянсу) государственные субсидии на повышение энергоэффективности могут покрывать 15-30% стоимости модернизации, что еще больше сокращает срок окупаемости.
В6: Влияет ли сервопривод с прямым приводом на качество или повторяемость деталей?
Да — и это вторичное преимущество, которое производители пресс-форм часто обнаруживают после экономии энергии. Сервопривод с прямым приводом обеспечивает контроль скорости впрыска с точностью до 0,1 мм/с (против 1-2 мм/с для гидравлического пропорционального клапана), контроль давления удержания с точностью до 0,1 МПа (против 0,5-1,0 МПа для гидравлического) и повторяемость положения шнека с точностью до 0,01 мм (против 0,05-0,10 мм для гидравлического). Практический результат: вариация веса детали (стандартный показатель стабильности формования) обычно снижается с 0,3-0,5% до 0,1-0,2% от веса впрыска — улучшение повторяемости в 2-3 раза. Для производителей медицинского оборудования и прецизионной электроники это улучшение качества само по себе может оправдать инвестиции в сервопривод, поскольку снижение брака на 2-5 процентных пунктов компенсирует затраты на модернизацию в течение 12-18 месяцев даже без учета экономии энергии.
В7: Какого снижения уровня шума я могу ожидать, если удалю гидравлический силовой агрегат?
Гидравлический силовой агрегат мощностью 22-30 кВт генерирует шум 75-85 дБА — в основном от электродвигателя, гидравлического насоса и вентилятора с масляным охлаждением. Сервоприводная система с прямым приводом генерирует шум 60-68 дБА — снижение на 10-20 дБА, которое субъективно воспринимается как примерно половина громкости. Для цехов литья под давлением в городских или многофункциональных районах, где шумовые нормы ограничивают работу дневным временем, одно только снижение уровня шума может позволить перевести производство на вторую или третью смену — увеличив загрузку оборудования с 8 часов до 16-24 часов в сутки и удвоив или утроив объем производства без увеличения производственных площадей.