Wie man das Drehmoment für Ventilaktuatoren berechnet

Die Auswahl des richtigen Aktuators für ein Industrieventil ist nicht einfach nur eine Frage der Anpassung der Aktuatorgröße an die Ventilgröße. Bei Vierteldrehventilen wie Kugelhähnen und Absperrklappen ist das Drehmoment einer der Schlüsselfaktoren, die bestimmen, ob ein Aktuator das Ventil zuverlässig betreiben kann.

Wenn das Drehmoment des Aktuators zu gering ist, kann das Ventil möglicherweise nicht geöffnet, geschlossen oder die erforderliche Position erreicht werden. Wenn der Aktuator erheblich überdimensioniert ist, können die Kosten für die Ausrüstung höher sein als nötig und unnötige mechanische Belastungen verursachen.

Diese Anleitung erklärt die wichtigsten Faktoren zur Berechnung des Drehmoments von Ventilaktuatoren und wie man einen geeigneten Aktuator für ein Industrieventil auswählt.

1. Was ist Ventilaktuator-Drehmoment?

Drehmoment ist die Rotationskraft, die benötigt wird, um ein Ventil von einer Position in eine andere zu drehen.

Bei Vierteldrehventilen dreht der Aktuator normalerweise den Ventilschaft um etwa 90 Grad.

Das erforderliche Drehmoment kann während des Ventilbetriebszyklus variieren. Beispielsweise kann ein Absperrklappenventil beim Öffnungsbeginn, während der Drehung und nahe der vollständig geschlossenen Position ein unterschiedliches Drehmoment erfordern.

Aus diesem Grund sollte die Aktuatorauswahl nicht nur auf einem Drehmomentwert basieren.

Die Hauptfaktoren umfassen:

• Ventiltyp
• Ventilgröße
• Betriebsdruck
• Flüssigkeitseigenschaften
• Dichtungsdesign
• Spindelreibung
• Betriebstemperatur
• Erforderliche Sicherheitsmarge

2. Grundlegende Drehmomentberechnung für Ventile

Ein vereinfachter Zusammenhang kann wie folgt ausgedrückt werden:

Erforderliches Aktuator-Drehmoment = Ventilbetriebsdrehmoment × Sicherheitsfaktor

Wenn beispielsweise ein Ventil ein Betriebsdrehmoment von 100 Nm erfordert und der gewählte Sicherheitsfaktor 1,25 beträgt:

100 Nm × 1,25 = 125 Nm

Der Aktuator sollte daher unter den erforderlichen Betriebsbedingungen mindestens 125 Nm liefern.

Dies ist jedoch nur eine vereinfachte Berechnung. Für die tatsächliche Aktuatorbemessung sollten die Drehmomentdaten des Herstellers und das vom Ventilhersteller empfohlene Betriebsdrehmoment verwendet werden.

3. Identifizieren Sie den Ventiltyp

Der erste Schritt ist die Identifizierung des zu betätigenden Ventiltyps.

Unterschiedliche Ventilkonstruktionen haben unterschiedliche Drehmomentanforderungen.

Kugelhähne

Kugelhähne benötigen im Allgemeinen Drehmoment, um zu überwinden:

• Dichtungsreibung
• Spindelreibung
• Differenzdruck
• Packungsreibung

Das Dichtungsdesign kann einen erheblichen Einfluss auf das erforderliche Drehmoment haben.

Absperrklappen

Das Drehmoment von Absperrklappen kann abhängen von:

• Scheibenposition
• Dichtungsmaterial
• Differenzdruck
• Flüssigkeitsgeschwindigkeit
• Wellen- und Lagerreibung

Die Drehmomentanforderungen können sich während des Ventilhubes erheblich ändern.

Schieberventile

Schieberventile können aufgrund der Reibung zwischen Schieber und Ventilkörper relativ hohe Drehmomente erfordern.

Der Ventilhersteller sollte normalerweise Drehmomentdaten für die Aktuatorauswahl bereitstellen.

4. Überprüfen Sie den Betriebsdruck

Der Differenzdruck ist ein weiterer wichtiger Faktor.

Wenn Druck über das Ventil wirkt, kann dies die Kraft erhöhen, die der Ventilbewegung entgegenwirkt.

Bei einigen Ventilkonstruktionen kann der Einfluss des Differenzdrucks auf das Drehmoment erheblich sein, insbesondere bei höheren Drücken.

Sammeln Sie daher:

• Maximaler Differenzdruck
• Normaler Betriebsdruck
• Minimaler Betriebsdruck
• Vordruck
• Nachdruck

Dimensionieren Sie einen Aktuator nicht nur nach dem normalen Betriebsdruck, wenn das Ventil während des Betriebs einem höheren Differenzdruck ausgesetzt sein kann.

5. Berücksichtigen Sie die Reibung von Ventil und Packung

Reibung ist einer der Hauptbeiträge zum Ventilbetriebsdrehmoment.

Das Dichtungsmaterial und -design können die Drehmomentanforderung erheblich verändern.

Zum Beispiel können Ventile mit Weichdichtungen und Metall-Dichtungen unterschiedliche Betriebseigenschaften aufweisen.

Die Packungsreibung um den Ventilschaft kann ebenfalls zum gesamten erforderlichen Drehmoment beitragen.

Aus diesem Grund können zwei Ventile gleicher Größe und Druckklasse unterschiedliche Aktuator-Drehmomente erfordern.

6. Bestimmen Sie Anlauf-, Lauf- und Schließdrehmoment

Bei vielen Vierteldrehventilen ist es sinnvoll, verschiedene Drehmomentpunkte zu betrachten, anstatt eine einzige Zahl zu verwenden.

Anlaufdrehmoment

Dies ist das Drehmoment, das erforderlich ist, um das Ventil aus der vollständig geschlossenen oder vollständig geöffneten Position zu bewegen.

Das Anlaufdrehmoment kann aufgrund von statischer Reibung und Dichtungsbelastung relativ hoch sein.

Laufdrehmoment

Das Laufdrehmoment ist das Drehmoment, das erforderlich ist, während sich das Ventil durch seinen Betriebsbereich bewegt.

Schließdrehmoment

Das Schließdrehmoment ist das Drehmoment, das erforderlich ist, um das Ventil in die endgültige geschlossene Position zu bewegen und die erforderliche Abdichtung zu erreichen.

Für die Aktuatorbemessung sollte die höchste relevante Drehmomentanforderung berücksichtigt werden.

7. Fügen Sie einen geeigneten Sicherheitsfaktor hinzu

Ein Sicherheitsfaktor bietet zusätzliche Aktuatorkapazität über das berechnete oder spezifizierte Ventildrehmoment hinaus.

Zum Beispiel:

Ventildrehmoment = 200 Nm

Sicherheitsfaktor = 25%

Erforderliches Aktuator-Drehmoment = 200 × 1,25 = 250 Nm

Der tatsächliche Sicherheitsfaktor sollte nicht einfach willkürlich gewählt werden.

Er hängt ab von:

• Ventildesign
• Herstellerempfehlungen
• Betriebsbedingungen
• Aktuatortyp
• Kritikalität des Dienstes
• Verfügbare Aktuatorgrößen

Übermäßige Sicherheitsmargen können zu einer unnötigen Überdimensionierung des Aktuators führen, während eine unzureichende Marge zu einem unzuverlässigen Ventilbetrieb führen kann.

8. Pneumatischer vs. elektrischer Aktuator-Drehmoment

Die Methode zur Bewertung der Aktuatorkapazität hängt auch vom Aktuatortyp ab.

Pneumatischer Aktuator

Bei einem pneumatischen Aktuator wird das Ausgangsdrehmoment beeinflusst durch:

• Luftversorgungsdruck
• Aktuatorgröße
• Kolben- oder Membranausführung
• Federkonfiguration
• Reibung
• Betriebsposition

Bei einem federbelasteten Aktuator kann das verfügbare Drehmoment in Öffnungs- und Schließrichtung unterschiedlich sein.

Die Aktuator-Drehmomenttabelle sollte daher bei tatsächlichem Luftversorgungsdruck überprüft werden.

Elektrischer Aktuator

Bei einem elektrischen Aktuator sind wichtige Faktoren:

• Nenndrehmoment
• Anlaufdrehmoment
• Laufdrehmoment
• Schließdrehmoment
• Betriebsgeschwindigkeit
• Einschaltdauer
• Stromversorgung

Der Aktuator sollte während des gesamten erforderlichen Betriebzyklus ein ausreichendes Drehmoment liefern.

9. Beispiel einer einfachen Drehmomentberechnung

Angenommen, ein Vierteldrehventil hat ein vom Hersteller spezifiziertes maximales Betriebsdrehmoment von:

150 Nm

Angenommen, eine Bemessungsmarge von 20 % ist erforderlich.

Die Berechnung lautet:

150 Nm × 1,20 = 180 Nm

Der ausgewählte Aktuator sollte daher mindestens 180 Nm unter den relevanten Betriebsbedingungen liefern.

Wenn der Aktuator pneumatisch ist, muss dieser Wert mit dem tatsächlichen Ausgangsdrehmoment des Aktuators bei verfügbarem Luftdruck verglichen werden.

Wenn der Aktuator elektrisch ist, sollten das Nenndrehmoment und die Betriebseigenschaften mit der Ventilforderung verglichen werden.

Dieses Beispiel soll die Berechnungsmethode erläutern. Für die tatsächliche Aktuatorauswahl sollten die technischen Daten des Ventil- und Aktuatorherstellers verwendet werden.

10. Häufige Fehler bei der Aktuatorbemessung

Mehrere Fehler können zu einer falschen Aktuatorauswahl führen.

Nur die Ventilgröße verwenden

Ein größeres Ventil erfordert nicht automatisch einen proportional größeren Aktuator.

Das Drehmoment hängt vom Ventildesign, Druck, der Dichtungskonstruktion und den Betriebsbedingungen ab.

Maximalen Differenzdruck ignorieren

Die Bemessung nur nach Normaldruck kann bei hohen Druckbedingungen zu unzureichender Aktuatorkapazität führen.

Nur einen Drehmomentwert verwenden

Anlauf-, Lauf- und Schließdrehmoment können unterschiedlich sein.

Überdimensionierung des Aktuators

Ein überdimensionierter Aktuator kann die Kosten erhöhen und unnötige Belastungen auf die Ventilspindel und mechanische Komponenten ausüben.

Luftversorgungsdruck ignorieren

Bei pneumatischen Aktuatoren beeinflusst der verfügbare Luftdruck direkt die Aktuatorleistung.

Die Drehmomenttabelle des Herstellers nicht prüfen

Die Drehmomentdaten des Ventilherstellers sollten als wichtige Referenz für die Aktuatorauswahl behandelt werden.

11. Benötigte Informationen für die Aktuatorauswahl

Geben Sie bei der Anforderung eines Aktuatorangebots so viele der folgenden Informationen wie möglich an:

• Ventilhersteller
• Ventilmodell
• Ventiltyp
• Ventilgröße
• Druckstufe
• Betriebsdruck
• Maximaler Differenzdruck
• Betriebstemperatur
• Flüssigkeit / Medium
• Erforderliche Abdichtung
• Ventil-Drehmomentdaten
• Anforderung für Fail-Open oder Fail-Close
• Pneumatischer oder elektrischer Aktuator
• Luftversorgungsdruck
• Stromversorgung
• Steuersignal
• Betriebsgeschwindigkeit

Die Bereitstellung dieser Informationen ermöglicht es dem Lieferanten, die Aktuator-Ventil-Kombination zu prüfen, anstatt einen Aktuator nur nach der nominalen Ventilgröße auszuwählen.

12. Endgültige Auswahl

Die Berechnung des Drehmoments von Ventilaktuatoren beginnt mit der Bestimmung des tatsächlichen Drehmoments, das das Ventil unter seinen Betriebsbedingungen benötigt.

Der grundlegende Ansatz ist:

1. Identifizieren Sie den Ventiltyp

2. Beschaffen Sie die Drehmomentdaten des Herstellers

3. Prüfen Sie den maximalen Differenzdruck

4. Berücksichtigen Sie Anlauf-, Lauf- und Schließdrehmoment

5. Wenden Sie eine geeignete Sicherheitsmarge an

6. Vergleichen Sie die Anforderung mit dem Aktuator-Ausgangsdrehmoment

7. Überprüfen Sie die vollständige Ventil- und Aktuatorkonfiguration

Für industrielle Anwendungen sollte die Aktuatorauswahl die vollständigen Betriebsbedingungen berücksichtigen, anstatt sich auf eine einfache Tabelle zur Zuordnung von Ventilgröße zu Aktuatorgröße zu verlassen.

Wir können pneumatische und elektrische Aktuatoren für industrielle Steuerungs- und Prozessventile liefern, einschließlich Lösungen von Rotork, AUMA, Limitorque, SIPOS und anderen Herstellern.

Wenn Sie sich über die erforderliche Aktuatorgröße unsicher sind, geben Sie bitte das Ventilmodell, die Größe, den Druck, das Medium, die Betriebsbedingungen und die verfügbare Luft- oder Stromversorgung an. Wir können Ihnen helfen, das erforderliche Drehmoment und die Aktuatorkonfiguration zu prüfen.