Gięcie szyn prądowych — hydraulika czy serwonapęd

Zapytaj dostawcę maszyn, czy kupić hydraulikę, czy serwonapęd, a dostaniesz opis tego rozwiązania, które akurat buduje. Nikomu się to nie przydaje.

My budujemy oba. EMAC-BB-H12 to głowica hybrydowo-hydrauliczna, a EMAC-BB-S12 to głowica z czystym serwonapędem. Mają identyczne parametry: 400 kN, dokładność gięcia ±0,1°, zakres 200 × 16 mm, elektroniczną kompensację sprężynowania powrotnego, 6,25 kW mocy zainstalowanej. Ten sam zakres, ta sama karta katalogowa, inny napęd. Wybór między nimi jest więc wyborem dotyczącym tego, jak prowadzisz zakład, a nie tego, która maszyna jest lepsza — i nie mamy handlowego powodu, żeby udawać inaczej.

Trzy rozwiązania, a nie dwa

Porównanie stawia się zwykle jako dwie opcje. Są trzy, a to środkowe jest miejscem, w którym mieszka dziś większość zamieszania.

W klasycznej głowicy hydraulicznej pompa o stałej wydajności na silniku indukcyjnym pracuje ciągle na pełnych obrotach. Przepływ, którego maszyna nie potrzebuje, przechodzi przez zawór przelewowy i zamienia się w ciepło w oleju. Ruchem suwaka sterują zawory rozdzielające i proporcjonalne, a agregat ma akumulator, spory zbiornik i zwykle chłodnicę.

W głowicy hybrydowej, czyli z pompą serwo, pompę napędza silnik serwo, a jej prędkość jest zadawana zgodnie z zapotrzebowaniem. Położeniem suwaka steruje się obrotami pompy, a nie dławieniem przepływu na zaworze, więc droga przelewowa przestaje być podstawowym elementem sterującym. Ponieważ straty są znacznie mniejsze, zbiornik się kurczy, a chłodnica często znika. Hydraulicznie to nadal maszyna hydrauliczna: siłownik, olej, uszczelnienia, filtr.

W głowicy z czystym serwonapędem silnik serwo napędza śrubę kulową, rolkową albo zębatkę i nie ma tam żadnego czynnika roboczego. Jedynym olejem w maszynie jest środek smarny przekładni i prowadnic.

Gdy ludzie mówią „giętarka serwo", mają czasem na myśli drugie rozwiązanie, a czasem trzecie, a te dwa zachowują się bardzo różnie pod względem siły i utrzymania ruchu. Pytaj, które z nich opisuje oferta.

Siła na całym skoku

To jest konstrukcyjna przewaga hydrauliki i mówi się o niej za mało.

Siłownik hydrauliczny wytwarza siłę równą ciśnieniu pomnożonemu przez pole tłoka, a tej zależności nie obchodzi, gdzie jest suwak. Pełna siła znamionowa jest dostępna na początku skoku, na końcu i wszędzie pomiędzy. Jest też dostępna statycznie: możesz trzymać ciśnienie dowolnie długo, bez konsekwencji cieplnych w napędzie.

Oś serwo napędzana śrubą wytwarza siłę z momentu silnika przez skok śruby i choć nominalnie też jest ona stała względem położenia, praktyczne granice są inne. Utrzymywanie dużej siły przy zerowej prędkości przepuszcza prąd przez uzwojenia silnika bez obrotu, który pomagałby je chłodzić, więc siła w pracy ciągłej jest niższa niż siła szczytowa. Trwałość śruby i nakrętki rządzi się całką obciążenia po drodze, więc praca stale blisko siły maksymalnej zużywa napęd szybciej niż praca przy połowie siły. A cały układ — śruba, nakrętka, łożyska i korpus — musi być dobrany pod szczyt, i dlatego maszyna serwo o danej sile znamionowej jest zwykle droższa w budowie.

Przy cienkich zagięciach na płask w zakresie 5 do 10 mm rzadko to ogranicza. Przy grubych zagięciach na sztorc na górnej granicy możliwości maszyny, gdzie szyna ma pełny przekrój, a narzędzie pełne zaangażowanie przez długie przetrzymanie, siłownik hydrauliczny robi to, do czego go zaprojektowano, a śruba pracuje ciężko.

Energia: różnica mieszka na biegu jałowym

Pod obciążeniem oba rozwiązania nie różnią się bardzo. Układ hydrauliczny traci coś na sprawności pompy i zaworów oraz na tarciu cieczy, śruba serwo traci coś na sprawności silnika i tarciu śruby, i żadna z tych strat nie dominuje obrazu.

Rozchodzą się na biegu jałowym, a gięcie szyn prądowych jest procesem o dużym udziale biegu jałowego. Operator przekłada szynę między zagięciami, sprawdza wymiar, idzie do regału po następną długość. W klasycznej maszynie hydraulicznej pompa przez cały ten czas kręci się na pełnych obrotach, przelewając olej przez zawór i go grzejąc. Przy pompie serwo silnik zwalnia albo się zatrzymuje. Przy czystej osi serwo silnik pobiera jedynie prąd podtrzymania.

Ujęcie tego liczbowo jest trudniejsze, niż sugerują materiały handlowe. Dostawcy napędów pomp o zmiennej prędkości podają zwykle 30 do 60% redukcji energii wobec jednostek o stałej prędkości, a niektórzy podają nawet 80%, przy czym zastrzeżenie „zależnie od cyklu pracy" wykonuje tam sporo pracy. To wartości od dostawców i nie zostały tu niezależnie zweryfikowane.

Najbliższe niezależnie zmierzonym danym pochodzi z sąsiedniej klasy maszyn. Program amerykańskiego przedsiębiorstwa energetycznego monitorował przez tydzień obok siebie wtryskarkę hydrauliczną i całkowicie elektryczną, na porównywalnych detalach, i podał 0,278 kWh na funt tworzywa dla maszyny hydraulicznej wobec 0,073 kWh na funt dla całkowicie elektrycznej. To inny proces o innym cyklu pracy i nie należy przenosić tej liczby na gięcie szyn prądowych. Jest tu tylko dlatego, że kierunek i przybliżona skala bronią się pod pomiarem, a nie pod marketingiem.

Dla własnego przypadku wykonaj rachunek, zamiast ufać procentom. Moc zainstalowana silnika w obu naszych głowicach wynosi 6,25 kW. Weź długość zmiany, odejmij czas, przez który suwak faktycznie porusza się pod obciążeniem, i wyceń resztę według swojej taryfy przemysłowej. W zakładzie jednozmianowym o umiarkowanym wykorzystaniu roczna różnica jest zwykle na tyle mała, że nie rozstrzygnie zakupu. W trójzmianowym zakładzie produkującym szynoprzewody jest na tyle duża, że pojawi się w rachunku zwrotu — a przychodzi z drugą oszczędnością, o której się zapomina: energia, która nie idzie w olej, jest energią, za której odebranie nie płacisz potem chłodnicy, i ciepłem, którego nie dokładasz latem do hali.

Dokładność i powtarzalność

Obie głowice mają specyfikację ±0,1° z elektroniczną kompensacją sprężynowania powrotnego i nie jest to marketingowy zbieg okoliczności: we współczesnej maszynie o dokładności położenia decydują układ pomiarowy i pętla sterowania, a nie to, co popycha suwak.

Rozwiązania różnią się tym, z czym ta pętla musi walczyć.

Śruba serwo ma sztywną, niemal liniową zależność między położeniem silnika a położeniem suwaka, a głównymi błędami są luz i skręcenie śruby — oba stabilne i możliwe do skompensowania. Suwak hydrauliczny ma między pompą a obciążeniem słup oleju, a olej jest ściśliwy. Jego sztywność zmienia się z ciśnieniem, z temperaturą i z zawartością powietrza. Pętla zamknięta na położeniu suwaka radzi sobie z tym całkiem dobrze, ale pracuje ciężej, a odpowiedź dynamiczna jest bardziej miękka.

Praktyczna różnica ujawnia się w krótkich, szybkich ruchach, a nie w dokładności końcowej. Oś serwo szybciej ustala się po małym zadanym przyroście, co ma znaczenie, gdy program wykonuje wiele drobnych korekt kąta. Na pojedynczym zagięciu 90° do zderzaka nie odróżnisz ich kątomierzem.

Kompensacja sprężynowania powrotnego jest funkcją sterowania i w obu maszynach mieszka w CNC. Działa na zapisanej poprawce na kombinację materiału, stanu umocnienia i narzędzia, co jest zagadnieniem materiałowym, a nie napędowym, i omawia je osobno artykuł o kompensacji sprężynowania powrotnego przy gięciu szyn prądowych.

Hałas

Klasyczny agregat hydrauliczny jest najgłośniejszym obiektem w większości zakładów obrabiających szyny prądowe. Hałas pochodzi głównie z pompy i jest ciągły, co męczy bardziej niż hałas przerywany o tym samym poziomie.

I hydraulika o zmiennej prędkości, i czysty serwonapęd znacząco to obniżają, z tego samego powodu: pompa albo zwalnia, albo nie istnieje. Maszyna z czystym serwonapędem na biegu jałowym jest praktycznie cicha, a jej hałas pod obciążeniem jest mechaniczny, od kontaktu narzędzia z szyną, co wygląda tak samo na każdej maszynie.

Nie podamy tu wartości w decybelach, bo liczba zależy od obudowy, posadowienia, zbiornika, pomieszczenia i miejsca, w którym stoisz, a pojedyncza wartość byłaby bez znaczenia. Jeśli hałas jest dla Ciebie ograniczeniem, poproś dowolnego dostawcę o pomiar w podanej odległości przy podanym cyklu pracy, a odmowę potraktuj jako odpowiedź.

Olej i ile naprawdę kosztuje

Hydraulika przynosi strumień prac utrzymaniowych, który nie ma nic wspólnego z gięciem. Filtry według harmonogramu. Analiza oleju albo przynajmniej wymiany oleju według harmonogramu. Wymiana węży i uszczelnień, która nie jest planowa i dlatego zawsze wypada nie w porę. Zbiornik, który trzeba uzupełniać, utrzymywać w czystości i w końcu zutylizować jako odpad podlegający kontroli.

Jest też kwestia porządkowa specyficzna dla tej branży. Szyna prądowa trafia potem do izolowania, powlekania galwanicznego, malowania proszkowego albo zalewania, a mgła oleju hydraulicznego na powierzchni miedzi jest problemem przyczepności powłoki. Zakłady prowadzące gięcie hydrauliczne obok linii powlekania już to wiedzą i mają etap odtłuszczania. Zakłady zakładające, że będzie dobrze, dowiadują się przy pierwszej partii szyn z pęcherzami.

Rozwiązanie hybrydowe to ogranicza, ale nie usuwa. Mniej ciepła w oleju oznacza dłuższą żywotność cieczy i mniejszy zbiornik do wymiany, ale uszczelnienia, węże i filtr nadal tam są.

Maszyna z czystym serwonapędem wymienia to na inną, krótszą listę: smarowanie śruby i prowadnic, okresowe sprawdzanie luzu oraz napęd, którego ewentualny remont jest większym pojedynczym zdarzeniem niż jakikolwiek serwis hydrauliki, ale zdarza się znacznie rzadziej.

Zimny start

Niedoceniana różnica w nieogrzewanych halach.

Lepkość oleju hydraulicznego silnie zależy od temperatury. Zimny olej płynie wolno, a maszyna uruchomiona przy 5 °C w zimowy poranek zachowuje się inaczej niż ta sama maszyna w temperaturze ustalonej: czasy cyklu są dłuższe, a dopóki słup oleju i korpus nie dojdą do równowagi, pierwsze detale zmiany potrafią odpływać na kącie. Zwykłą odpowiedzią jest cykl rozgrzewania, który kosztuje czas zmiany i energię, i jest to jeden z powodów, dla których zakład z hydrauliką zostawia maszyny pracujące przez przerwy.

Oś serwo nie ma odpowiednika. Lepkość smaru zmienia się nieznacznie, a korpus nadal pracuje cieplnie jak każda obrabiarka, ale nie ma czynnika roboczego, którego moduł ściśliwości i lepkość byłyby w pętli sterowania. Pierwszy detal schodzi bliżej poprawnego.

Rozwiązanie hybrydowe leży pomiędzy i w tej kwestii bliżej klasycznej hydrauliki, bo nadal ma olej, choć w mniejszej objętości, która spędza mniej czasu w wysokiej temperaturze.

Koszt

Nie będziemy publikować cen, a każdy artykuł podający Ci stosunek cen zgaduje co do Twojej specyfikacji, Twojego kraju i Twojego roku. Możemy podać kształt kosztu.

Cena zakupu dla danej siły znamionowej układa się zwykle tak: czysty serwonapęd powyżej hybrydy hydraulicznej, a ta powyżej klasycznej hydrauliki, bo układ śrubowy dobrany na pełną siłę to drogi metal.

Koszt energii układa się odwrotnie i skaluje się z wykorzystaniem oraz z Twoją taryfą. Przy niskim wykorzystaniu jest szumem w księgach; przy pracy trójzmianowej i europejskich albo japońskich cenach energii już nie.

Koszt utrzymania to planowa, mała, powtarzalna kwota przy hydraulice wobec nieplanowej, większej i rzadszej przy serwonapędzie. To, którą wolisz, jest po części pytaniem finansowym, a po części pytaniem o to, czy masz dział utrzymania ruchu.

Zwykle najwięcej pieniędzy jest w przestojach, a te nie faworyzują konsekwentnie żadnego rozwiązania. Maszyna hydrauliczna ma więcej rzeczy, które psują się stopniowo i dają się wychwycić. Maszyna serwo ma mniej mechanizmów uszkodzenia, ale dłuższy czas dostawy części, gdy padnie napęd albo śruba.

Reguła decyzyjna

Kup głowicę z czystym serwonapędem, jeśli którekolwiek z tych zdań Cię opisuje: pracujesz z dużym wykorzystaniem na dwie albo trzy zmiany; Twój asortyment zdominowany jest przez powtarzalne małe i średnie zagięcia, gdzie liczą się czas cyklu i czas ustalania; działasz w środowisku czystym albo sąsiadującym z powlekaniem, gdzie olej przeszkadza; hałas jest ograniczeniem; albo pracujesz przy cienkim końcu zakresu i nigdy nie zbliżysz maszyny do jej granicy siły.

Kup głowicę hybrydowo-hydrauliczną, jeśli: regularnie pracujesz na górnej granicy zakresu, zwłaszcza przy grubych zagięciach na sztorc i długich przetrzymaniach; Twój cykl pracy jest zrywowy, z okresami ciężkiej pracy przedzielonymi biegiem jałowym, czyli dokładnie tym, do czego zaprojektowano pompę serwo; masz zespół utrzymania ruchu już biegły w hydraulice; albo chcesz hydraulicznej charakterystyki siły bez stałego rachunku za energię klasycznego agregatu.

Kup klasyczną hydraulikę, jeśli maszyna będzie używana lekko, budżet inwestycyjny jest ograniczeniem wiążącym, a nic z powyższego nie ma zastosowania.

Najczęściej widywanym błędem nie jest zły wybór rozwiązania napędowego. Jest nim wybór wyłącznie po sile znamionowej i odkrycie, że rozrzut materiałowy był szerszy niż zakładano, więc maszyna czująca się swobodnie na miedzi wyżarzonej jest na granicy przy stanie twardym. EN 13601 umieszcza miedź twardą przy 290 do 360 N/mm² wytrzymałości na rozciąganie wobec 220 do 260 dla miękkiej wyżarzonej, co jest istotną zmianą siły wymaganej przy zagięciu. Policz, czego będzie wymagał najtwardszy materiał i najgrubszy przekrój, jaki faktycznie kupujesz, zanim zaczniesz porównywać napędy — używając kalkulatora siły gięcia i własnej szyny z najgorszego przypadku, a nie nominalnej.