Шиногиб: гидравлика или сервопривод

Спросите поставщика станков, что вам брать — гидравлику или сервопривод, — и в ответ получите описание того, что он выпускает. Пользы в этом никому нет.

Мы выпускаем и то и другое. EMAC-BB-H12 — гибридная гидравлическая головка, EMAC-BB-S12 — полностью сервоприводная. Паспортные данные у них одинаковые: 400 kN, точность гибки ±0,1°, диапазон 200 × 16 mm, электронная компенсация пружинения, установленная мощность 6,25 kW. Один и тот же диапазон, один и тот же паспорт, разный привод. Поэтому выбор между ними — это выбор о том, как устроена работа вашего цеха, а не о том, какой станок лучше, и коммерческих причин делать вид, будто это не так, у нас нет.

Схем три, а не две

Сравнение обычно ставят как выбор из двух. Их три, и большая часть нынешней путаницы живёт в средней.

В обычной гидравлической головке нерегулируемый насос на асинхронном двигателе непрерывно работает на полных оборотах. Поток, который станку не нужен, уходит через предохранительный клапан и превращается в тепло в масле. Движением ползуна управляют распределительные и пропорциональные клапаны, а сама установка несёт гидроаккумулятор, немаленький бак и обычно охладитель.

В гибридной головке, она же головка с сервонасосом, насос приводит серводвигатель, и обороты насоса задаются по потребности. Положением ползуна управляют вращением насоса, а не дросселированием потока через клапан, поэтому канал сброса перестаёт быть основным управляющим элементом. Поскольку потери намного меньше, бак уменьшается, а охладитель часто исчезает. Гидравлически это по-прежнему гидравлический станок: цилиндр, масло, уплотнения, фильтр.

В полностью сервоприводной головке серводвигатель приводит шарико-винтовую передачу, роликовинтовую передачу или зубчатую рейку, и рабочей жидкости нет вовсе. Единственное масло в станке — смазка редуктора и направляющих.

Когда говорят «сервоприводный шиногиб», иногда имеют в виду вторую схему, а иногда третью, и по усилию и по обслуживанию они ведут себя совершенно по-разному. Уточняйте, какую из них описывает коммерческое предложение.

Усилие на полном ходу

Это принципиальное преимущество гидравлики, и обсуждают его недостаточно.

Гидравлический цилиндр создаёт усилие, равное давлению, умноженному на площадь поршня, и этой зависимости безразлично, где находится ползун. Полное паспортное усилие доступно в начале хода, в конце и в любой точке между ними. Оно доступно и статически: держать давление можно сколь угодно долго без теплового штрафа для привода.

Сервоприводная ось с винтовой передачей создаёт усилие из момента двигателя через шаг винта, и хотя номинально оно тоже не зависит от положения, практические пределы другие. Удержание высокого усилия при нулевой скорости прогоняет ток через обмотки двигателя, которым не помогает охлаждаться вращение, поэтому усилие в продолжительном режиме ниже пикового. Ресурс винта и гайки определяется интегралом нагрузки по пройденному пути, поэтому непрерывная работа вблизи максимального усилия расходует привод быстрее, чем работа на половине усилия. И весь тракт — винт, гайка, подшипники и станина — должен быть рассчитан на пик, поэтому сервоприводный станок при заданном паспортном усилии обычно оказывается дороже в изготовлении.

На тонкой гибке плашмя при 5-10 mm это ограничение срабатывает редко. На толстой работе на ребро у верхней границы возможностей станка, где шина идёт полным сечением, а инструмент долго остаётся в полном зацеплении, гидравлический цилиндр делает то, для чего он создан, а винт работает на пределе.

Энергия: разница живёт на холостом ходу

Под нагрузкой две схемы различаются не сильно. Гидравлическая система теряет на КПД насоса и клапанов и на трении жидкости, сервоприводный винт — на КПД двигателя и трении в винте, и ни одна из потерь не определяет картину.

Расходятся они на холостом ходу, а гибка шин — процесс с большой долей холостого хода. Оператор переставляет шину между гибами, проверяет размер, идёт к стеллажу за следующей заготовкой. На обычном гидравлическом станке насос всё это время крутится на полных оборотах, сбрасывая поток через предохранительный клапан и нагревая масло. У сервонасоса двигатель замедляется или останавливается. У полностью сервоприводной оси двигатель потребляет только ток удержания.

Оценить это количественно труднее, чем внушает реклама. Поставщики приводов насосов с регулируемой скоростью обычно заявляют снижение потребления энергии на 30-60 % против нерегулируемых установок, а некоторые — до 80 %, причём оговорка «в зависимости от режима работы» всегда несёт на себе очень большую нагрузку. Это цифры поставщиков, и независимо мы их здесь не проверяли.

Ближайшее к независимо измеренным данным приходит из смежного класса станков. Программа одной энергокомпании в США неделю вела наблюдение за гидравлическим и полностью электрическим термопластавтоматами бок о бок на сопоставимых деталях и сообщила о 0,278 kWh на фунт пластика у гидравлического против 0,073 kWh на фунт у полностью электрического. Это другой процесс с другим режимом работы, и переносить его на гибку шин как число не следует. Оно приведено только потому, что направление и грубый масштаб подтверждаются измерением, а не рекламой.

Для вашего случая посчитайте, а не доверяйте проценту. Установленная мощность двигателя у обеих наших головок — 6,25 kW. Возьмите длительность смены, вычтите время, когда ползун действительно движется под нагрузкой, и оцените остаток по вашему промышленному тарифу. В цехе с одной сменой и умеренной загрузкой годовая разница обычно достаточно мала, чтобы не решать вопрос покупки. На заводе шинопроводов с тремя сменами она достаточно велика, чтобы попасть в расчёт окупаемости, и приходит она со второй экономией, о которой забывают: энергия, не ушедшая в масло, — это энергия, которую вам потом не придётся оплачивать при отводе охладителем, и тепло, которое вы не добавите в цех летом.

Точность и повторяемость

У обеих головок заявлено ±0,1° с электронной компенсацией пружинения, и это не рекламное совпадение: на современном станке точность позиционирования задают измерительная система и контур управления, а не то, что толкает ползун.

Схемы различаются тем, с чем этому контуру приходится бороться.

У сервоприводного винта связь между положением двигателя и положением ползуна жёсткая и почти линейная, а основными погрешностями выступают люфт и закручивание винта, причём обе стабильны и поддаются компенсации. У гидравлического ползуна между насосом и нагрузкой стоит столб масла, а масло сжимаемо. Его жёсткость меняется с давлением, с температурой и с содержанием захваченного воздуха. Замкнутый контур по положению ползуна справляется с этим вполне, но работает он напряжённее, а динамический отклик мягче.

Практическая разница проявляется на коротких быстрых перемещениях, а не в итоговой точности. Сервоприводная ось быстрее успокаивается после малого заданного приращения, и это важно, когда программа вносит много мелких поправок по углу. На одиночном гибе 90° до упора вы не различите их транспортиром.

Компенсация пружинения — функция управления, и у обеих схем она живёт в ЧПУ. Работает она по сохранённой поправке для сочетания материала, состояния поставки и инструмента, а это задача материаловедческая, а не приводная, и разбирается она отдельно в материале «Компенсация пружинения при гибке шин».

Шум

Обычная гидростанция — самый шумный предмет в большинстве цехов обработки шин. В шуме преобладает насос, и шум этот непрерывный, а непрерывный шум утомляет сильнее прерывистого того же уровня.

И гидравлика с регулируемой скоростью, и полностью сервоприводное исполнение существенно это снижают, и по одной причине: насос либо сбрасывает обороты, либо отсутствует. Полностью сервоприводный станок на холостом ходу практически бесшумен, а его шум под нагрузкой — механический, от контакта инструмента с шиной, и он одинаков на любом станке.

Цифру в децибелах мы приводить не будем, потому что она зависит от кожуха, способа установки, бака, помещения и того, где вы стоите, и любое единичное значение было бы бессмысленным. Если шум для вас ограничение, требуйте от любого поставщика измерение на заданном расстоянии при заданном режиме работы, а отказ считайте ответом.

Масло и во что оно на самом деле обходится

Гидравлика приносит с собой поток работ по обслуживанию, никак не связанный с гибкой. Фильтры по графику. Анализ масла или как минимум замена масла по графику. Замена рукавов и уплотнений, которая по графику не идёт и потому всегда некстати. Бак, который надо доливать, держать чистым и в конце концов утилизировать как отход, обращение с которым регламентировано.

Есть и вопрос чистоты производства, специфичный именно для этой отрасли. Шину дальше изолируют, покрывают гальванически, красят порошком или заливают, а туман гидравлического масла на медной поверхности — это проблема сцепления покрытия. Цеха, у которых гидравлическая гибка стоит рядом с линией покрытия, это уже знают и держат операцию обезжиривания. Цеха, которые считают, что обойдётся, узнают об этом на первой партии шин с пузырями.

Гибридная схема это уменьшает, но не устраняет. Меньше тепла в масле — дольше срок службы жидкости и меньше бак под замену, но уплотнения, рукава и фильтр никуда не деваются.

Полностью сервоприводный станок меняет это на другой, более короткий список: смазка винта и направляющих, периодическая проверка люфта и привод, капитальный ремонт которого когда-нибудь окажется более крупным единичным событием, чем любое обслуживание гидравлики, но случается он существенно реже.

Холодный пуск

Недооценённое различие в неотапливаемых цехах.

Вязкость гидравлического масла сильно зависит от температуры. Холодное масло движется медленно, и станок, запущенный зимним утром при 5 °C, ведёт себя иначе, чем он же при установившейся температуре: время цикла больше, а пока столб масла и станина не придут в равновесие, первые детали смены могут уходить по углу. Обычный ответ — цикл прогрева, который стоит времени смены и энергии, и это одна из причин, по которым в цехе с гидравликой станки склонны оставлять работающими на время перерывов.

У сервоприводной оси аналога этому нет. Вязкость смазки меняется незначительно, и станина по-прежнему ведёт себя термически как у любого станка, но нет рабочей жидкости, чей модуль объёмной упругости и вязкость входили бы в контур управления. Первая сошедшая деталь ближе к правильной.

Гибрид располагается между ними и по этому пункту ближе к обычной гидравлике, потому что масло у него всё-таки есть, пусть и в меньшем объёме, который меньшую часть своей жизни проводит горячим.

Стоимость

Цены мы публиковать не будем, а любая статья, дающая вам соотношение цен, гадает о вашей спецификации, вашей стране и вашем годе. Что мы можем дать — это форму затрат.

Цена покупки при заданном паспортном усилии обычно выстраивается так: полностью сервоприводное исполнение дороже гибридного гидравлического, а то — дороже обычного гидравлического, потому что винтовой тракт, рассчитанный на полное усилие, — это дорогой металл.

Затраты на энергию идут в обратном порядке и масштабируются с загрузкой и вашим тарифом. При низкой загрузке это шум в отчётности; при трёхсменной загрузке и европейских или японских ценах на электроэнергию — уже нет.

Затраты на обслуживание — это плановая, небольшая, регулярно повторяющаяся сумма у гидравлики против внеплановой, более крупной и более редкой у сервопривода. Что из этого вам предпочтительнее, отчасти вопрос финансовый, отчасти вопрос о том, есть ли у вас ремонтная служба.

Деньги обычно лежат в простое, и он не отдаёт устойчивого предпочтения ни одной из схем. У гидравлического станка больше узлов, которые отказывают постепенно и которые можно поймать заранее. У сервоприводного меньше механизмов отказа, но дольше срок поставки запчастей, когда привод или винт всё-таки выходят из строя.

Правило выбора

Берите полностью сервоприводную головку, если к вам относится хотя бы одно из этого: у вас высокая загрузка в две или три смены; в вашей номенклатуре преобладают повторяющиеся мелкие и средние гибы, где важны время цикла и время успокоения; вы работаете в чистом цехе или рядом с линией покрытия, где масло мешает; шум является ограничением; либо вы находитесь в тонкой части диапазона и никогда не будете работать станком вблизи его предела по усилию.

Берите гибридную гидравлическую головку, если: вы регулярно работаете у верхней границы возможностей, особенно с толстыми гибами на ребро и долгими выдержками; ваш режим работы неравномерный, с периодами тяжёлой работы, разделёнными холостым временем, — а именно на это сервонасос и рассчитан; у вас уже есть ремонтная служба, уверенно работающая с гидравликой; либо вам нужно поведение гидравлики по усилию без постоянного счёта за энергию, который выставляет обычная гидростанция.

Берите обычную гидравлику, если станок будет загружен слабо, ограничивающим фактором является капитальный бюджет и ничего из перечисленного выше к вам не относится.

Чаще всего мы видим не ошибку в выборе схемы. Мы видим выбор по одному лишь паспортному усилию и последующее обнаружение, что разброс материала оказался шире ожидаемого, и станок, которому было комфортно на отожжённой меди, находится на пределе на твёрдом состоянии. EN 13601 даёт для твёрдой меди от 290 до 360 N/mm² при растяжении против от 220 до 260 для мягкой отожжённой, а это существенное изменение усилия, которого требует гиб. Посчитайте, чего потребуют самый твёрдый материал и самое толстое сечение, которые вы реально закупаете, до того, как будете сравнивать приводы, — с помощью калькулятора усилия гибки и вашей собственной худшей шины, а не номинальной.