Berechnung des Ventilschaftschubs Bestimmt die lineare Kraft, die erforderlich ist, um ein Ventil mit steigender Spindel unter den angegebenen Betriebsbedingungen zu öffnen, zu bewegen und zu schließen. Es ist für motorbetriebene Absperrschieber, betätigte Durchgangsventile und viele Steuerventile mit Schieberschaft unerlässlich. Die Auswahl eines Stellantriebs allein aufgrund der Ventilgröße oder der Motorleistung kann dazu führen, dass sich der Antrieb nicht löst, die Abschaltkraft unzureichend ist, die Spindeln überlastet sind, die Sitze beschädigt sind oder die Einstellungen des Drehmomentschalters falsch sind.

In diesem technischen Arbeitsblatt wird erklärt, wie die Last zusammengebaut wird, warum Absperr- und Kugelventile unterschiedlich behandelt werden müssen und wie der Schub mit dem Drehmoment der Spindelmutter in Zusammenhang stehen kann. Es ergänzt unser Leitfaden zur Drehmomentdimensionierung des Ventilantriebs, das sich hauptsächlich auf Kugel- und Absperrklappen mit Vierteldrehung konzentriert.

Beginnen Sie mit der richtigen Ausgabe: Drehmoment oder Schub?

Ein elektrischer Antrieb mit mehreren Drehungen erzeugt eine Drehleistung, während eine Spindelmutter mit Gewinde oder eine lineare Schubeinheit diese Drehung in eine axiale Bewegung umwandelt. Daher muss der Ventillieferant sowohl den erforderlichen Spindelschub als auch das Drehmoment kennen, das der Antrieb oder das Getriebe über die ausgewählte Antriebsanordnung liefern muss.

Das Stammschublast-Ledger

Ein nützliches First-Pass-Modell ist:

F_erforderlich = F_Druck + F_Sitz/Keil + F_Verpackung + F_{Vorbau/Führung} ± F_Gewicht ± F_Frühling

Die Zeichen und der Zeitpunkt sind wichtig. Nicht jede Kraft erreicht bei derselben Ventilstellung ihr Maximum. Berechnen Sie zumindest die kritischen Eröffnungs- und Schlussfälle separat, anstatt jedes Maximum zu einer unrealistischen Zahl zu addieren.

Schieberschub: Öffnen und Schließen separat berechnen

Ein Keilschieberventil unter Differenzdruck wird nicht korrekt durch eine universelle Formel dargestellt. Der Druck drückt den Schieber gegen den stromabwärtigen Sitz, wodurch beim anfänglichen Öffnen Gleitreibung entsteht. Keilwinkel, Sitzgeometrie, Oberflächenbeschaffenheit, Führungsreibung, Packungslast und thermische Effekte können den erforderlichen Schub erheblich verändern.

Kritische Schieberpositionen

1. Lösen aus vollständig geschlossenem Zustand: üblicherweise die höchste Öffnungslast, da das Tor verkeilt und gegen einen Sitz gedrückt werden kann.
2. Durchlaufen der Reise: Die Last kann herunterfallen, nachdem sich die Klappe vom Sitz gelöst hat, aber die Dichtungs- und Führungsreibung bleibt bestehen.
3. Nähert sich der vollständigen Öffnung: Überprüfen Sie den Rücksitzkontakt nur, wenn das Ventil für die Verwendung ausgelegt und spezifiziert ist.
4. Schlussschluss und Sitzordnung: Zum Absperren ist ausreichend Schub erforderlich, aber übermäßiger Schub kann den Keil, die Sitze, die Spindel oder den Stellantrieb beschädigen.

Für eine vorläufige Prüfung kann der Differenzdruck multipliziert mit einer effektiven projizierten Fläche dabei helfen, das Ausmaß der hydraulischen Belastung zu bestimmen:

F_{hydraulisch, Sieb} = ΔP × A_wirksam

Allerdings A_wirksam ist nicht automatisch die volle Nennbohrungsflächeund die resultierende Kraft ist nicht automatisch der erforderliche Spindelschub. Eine Absperrschieberberechnung muss die hydraulische Seitenlast unter Verwendung der tatsächlichen Keil- und Sitzgeometrie in Sitzreibung und axiale Schaftlast umwandeln. Besorgen Sie sich nach Möglichkeit die Öffnungs-, Lauf- und Schließkraftwerte des Ventilherstellers.

Absperrventildaten, die vom Hersteller stammen sollten

• Maximal erforderlicher Öffnungs- oder Löseschub bei Auslegungsdifferenzdruck
• Maximaler Laufschub in beide Richtungen
• Erforderlicher Schließ- oder Sitzschub
• Maximal zulässiger Schaftschub bei Zug und Druck
• Maximal zulässiges Antriebs- oder Spindelmutter-Drehmoment
• Schaftdurchmesser, Gewindeform, Steigung oder Steigung und Anzahl der Gänge
• Voller Hub, Gesamtumdrehungen und erforderliche Betriebszeit

Hubventilschub: Effektive unausgeglichene Fläche nutzen

Bei einem unausgeglichenen Kugelventilkegel beträgt die hydraulische Grundkraft:

F_{Ungleichgewicht} = ΔP × A_{unausgeglichen}

Für einen einfachen kreisförmigen unausgeglichenen Bereich:

A = πd² / 4

Die Kraftrichtung hängt von der Strömungsrichtung ab und davon, ob es sich um eine „Flow-to-Open“- oder „Flow-to-Close“-Ausführung handelt. Symmetrische Stecker reduzieren den effektiven unsymmetrischen Bereich, machen ihn aber nicht auf Null; Dichtungsreibung und Restdruckfläche müssen weiterhin berücksichtigt werden. Berechnen Sie für ein Regelventil die Antriebskraft über den gesamten Hubbereich, da sich Differenzdruck, Kegelfläche, Federkraft und Packungsreibung mit der Position ändern können.

Illustrative Berechnung der Abschirmung von Kugelventilen

Gehen Sie von den folgenden vorläufigen Daten für ein nicht entlastetes Durchgangsventil aus:

• Effektiver Unwuchtdurchmesser: 80 mm
• Maximaler Differenzdruck: 1,6 MPa
• Geschätzte Packungs- und Führungsreibung: 2,5 kN
• Erforderliche Sitzlast laut Ventilhersteller: 6,0 kN

Schritt 1 – Durchmesser in Fläche umrechnen:

A = π × 0,08² / 4 = 0,005027 m²

Schritt 2 – Berechnen Sie die hydraulische Unwucht:

F_{Ungleichgewicht} = 1.600.000 × 0,005027 = 8.043 N ≈ 8,04 kN

Schritt 3 – Erstellen Sie separate Lastfälle:

Dieses Beispiel ist absichtlich vereinfacht. Bestätigen Sie vor der Auswahl eines Stellantriebs die Durchflussrichtung, ob der volle Druckabfall beim Abschalten vorhanden sein kann, die tatsächliche Kegelbalance, die Packungsdaten, die erforderliche Sitzbelastung, die Federkraft, die erforderliche Fehleraktion und die verfügbare Kraft des Stellantriebs bei minimalem Luftversorgungsdruck oder schlechtesten elektrischen Bedingungen.

Wandeln Sie den erforderlichen Schub in das Spindelmutter-Drehmoment um

Wenn ein Drehantrieb eine Spindelmutter dreht, ist eine nützliche effizienzbasierte Beziehung:

T = (F × L) / (2π × η)

Wo:

• T = Eingangsdrehmoment Spindelmutter, N·m
• F = axialer Spindelschub, N
• L = Spindelsteigung, Meter pro Umdrehung
• η = Gesamtwirkungsgrad des Schraubenantriebs

Voreilung ist der axiale Weg pro Umdrehung. Bei einem eingängigen Gewinde ist die Steigung gleich der Steigung. Bei einem mehrgängigen Gewinde entspricht die Steigung der Steigung multipliziert mit der Anzahl der Gänge. Die Effizienz hängt von der Gewindeform, dem mittleren Durchmesser, der Reibung, dem Muttermaterial, der Schmierung, den Lagern und der Lastrichtung ab. Gehen Sie nicht davon aus, dass eine neu geschmierte Baugruppe und ein alter, trockener Schaft die gleiche Effizienz aufweisen.

Illustrative Umrechnung des Schieberdrehmoments

Gehen Sie davon aus, dass der Ventilhersteller angibt, dass die maximal erforderliche Spindelkraft 85 kN beträgt. Die Spindelsteigung beträgt 8 mm pro Umdrehung und der nachgewiesene Antriebswirkungsgrad für die gewählte Spindel-Mutter-Anordnung beträgt 0,30.

T = (85.000 × 0,008) / (2π × 0,30) = 361 N·m

Wenn die vom Projekt genehmigte Dimensionierungsspanne für diese spezifische Berechnung 25 % beträgt:

T_Auswahl = 361 × 1,25 = 451 N·m

Das Ergebnis schon nicht Erlauben Sie die Auswahl eines Stellantriebs nur, indem Sie das nächste Modell über 451 N·m finden. Die ausgewählte Baugruppe muss außerdem den erforderlichen und zulässigen Schub, die Spindelaufnahme, den Montageflansch, die Abtriebsgeschwindigkeit, die Betriebsklasse, die Anzahl der Windungen, die Umgebungsbedingungen, die Stromversorgung und die Überlastungsgrenzen des Ventils erfüllen.

Der Sicherheitsspielraum ist keine Erlaubnis zur Überlastung des Ventils

Eine Dimensionierungsspanne berücksichtigt definierte Unsicherheiten wie Reibungsschwankungen, Verschleiß, Temperatur und Versorgungsschwankungen. Es muss für Armatur, Antrieb und Service vereinbart werden. Größer ist nicht automatisch sicherer.

Die endgültige Auswahl muss beide Ungleichungen erfüllen:

Verfügbarer Antriebsschub ≥ Erforderlicher Ventilschub mit genehmigtem Spielraum

Maximal übertragener Schub ≤ Zulässige Ventil-, Spindel-, Mutter-, Joch- und Montagelast

Ein übergroßer Antrieb kann einen Schaft verbiegen, eine Gewindemutter überlasten, ein Joch verformen, einen Sitz zerdrücken oder eine übermäßige Sitzspannung erzeugen. Drehmoment- und Endschalter des elektrischen Stellantriebs müssen gemäß den genehmigten Ventilanforderungen eingestellt werden. Die Kraft des pneumatischen Aktors muss bei minimalem verfügbaren Versorgungsdruck überprüft werden, während der maximale Versorgungsdruck anhand der Überlastgrenzen überprüft werden muss.

Vorbauknick- und Spannungsprüfungen

Ein langer aufsteigender Schaft unter Druckbelastung kann durch Knicken versagen, bevor das Material seine einfache Druckgrenze erreicht. Dies ist besonders wichtig bei großen Ventilen, langen Hüben, Spindelverlängerungen und nicht unterstützten Spindeln. Der Schaftlieferant sollte die effektive freitragende Länge, die Endbedingungen, den Kerndurchmesser, die Materialeigenschaften, die Gewindespannungskonzentration und den erforderlichen Designfaktor prüfen.

Durch Öffnen kann der Schaft unter Spannung gesetzt werden, während er durch Schließen unter Druck gesetzt wird, oder umgekehrt, je nach Ventil- und Antriebsanordnung. Notieren Sie die zulässige Belastung in beide Richtungen, anstatt eine vorzeichenlose Zahl zu verwenden.

Arbeitsblatt zur Aktuatordimensionierung

Endgültige Auswahlprüfungen, die über die Berechnung hinausgehen

• Ventilfunktion: Isolation, Drosselung, Notbetrieb oder modulierende Steuerung
• Reisen und Wenden: tatsächlicher Ventilhub geteilt durch Spindelsteigung
• Betriebszeit: Die Ausgangsgeschwindigkeit des Aktuators ist an die erforderliche Verfahrzeit angepasst
• Zollklassifizierung: Auf-Zu-, Tipp-, Positionierungs- oder Modulationsfrequenz
• Montageschnittstelle: Flansch, Antriebsform, Schaftdurchmesser, Schafthöhe und Schubaufnahmeanordnung
• Aktion fehlschlagen: Fail-Open-, Fail-Close-, Fail-in-Place- oder Speicherenergieanforderung
• Stromquelle: minimaler pneumatischer/hydraulischer Druck bzw. elektrische Spannung und Frequenz
• Umgebung: Gehäuse, Gefahrenbereich, Umgebungstemperatur, Korrosion und Schutzart
• Kontrollen: Drehmomentschalter, Endschalter, Stellungsregler, Wegrückmeldung und lokale Handnotbetätigung
• Überlastschutz: Einstellungen unterhalb der schwächsten zulässigen Ventiltriebgrenze

Für Drehantriebsbefestigungen befasst sich ISO 5210:2026 mit den Abmessungen von Flanschen und Antriebskomponenten und gibt Referenzwerte für Drehmoment und Schubkraft für die angegebenen Schnittstellen an. Sie ersetzt nicht die ventilspezifische Betriebslastberechnung. Die Anforderungen an elektrische Stellantriebe sollten auch anhand der Projektspezifikation und geltenden Normen wie ISO 22153 überprüft werden.

Informationen, die in eine Ausschreibung aufgenommen werden sollen

Um ein betätigtes Schieber-, Kugel- oder Regelventil zu dimensionieren, senden Sie mit der Anfrage die folgenden Informationen:

• Ventiltyp, Größe, Druckklasse, Material und Endanschluss
• Medium, Auslegungs- und Betriebsdruck, Temperatur und Differenzdruck
• Maximaler Absperrdifferenzdruck und Durchflussrichtung
• Erforderliche Leckage- oder Absperrklasse
• Schaftdurchmesser, Gewindeform, Steigung/Steigung, Anzahl der Anläufe und vollständiger Hub, wenn ein vorhandenes Ventil automatisiert wird
• Erforderlicher Öffnungs-, Lauf- und Schließschub bzw. Drehmoment vom Ventilhersteller
• Maximal zulässiger Schaftschub und Drehmoment
• Erforderliche Betriebszeit, Einschaltdauer und Starts pro Stunde
• Stromversorgung oder minimaler/maximaler Instrumentenluftdruck
• Fehlermaßnahmen, Steuersignale, Rückmeldungen, Gefahrenbereichs- und Gehäuseanforderungen

Vcore Valve kann das Ventil und den Antrieb als eine Baugruppe prüfen Absperrschieber, Kugelventile und Steuerventile. Informationen zur Montage und Ausrichtung mit Vierteldrehung finden Sie auch in unserem Montageanleitung für betätigte Ventile nach ISO 5211. Um eine Projektbewertung anzufordern, Senden Sie das Ventildatenblatt und die Stellantriebsanforderungen an Vcore Valve.

Häufig gestellte Fragen zur Berechnung des Ventilschaftschubs

Was ist der Ventilschaftschub?

Der Ventilschaftschub ist die axiale Kraft, die durch einen Ventilschaft übertragen wird, um das Ventilschließelement zu öffnen, zu bewegen, zu schließen oder in den Sitz zu setzen. Sie wird normalerweise in Newton oder Kilonewton ausgedrückt.

Kann das Antriebsdrehmoment direkt in den Ventilschaftschub umgewandelt werden?

Dies kann durch die Spindelsteigung und die Antriebseffizienz in Zusammenhang gebracht werden, eine zuverlässige Umwandlung erfordert jedoch auch die Gewindeform, Reibung, Schmierung, Muttern- und Lagerkonstruktion. Der veröffentlichte Drehmomentwert des Aktuators allein reicht nicht aus.

Warum müssen Öffnungs- und Schließkraft des Schiebers separat berechnet werden?

Die kritischen Belastungen treten an verschiedenen Stellen auf. Das Lösen erfordert möglicherweise aufgrund der Verkeilung und Differenzdrucksitzreibung eine hohe Kraft, während das endgültige Schließen eine kontrollierte Sitzkraft erfordert. Das Maximum in einer Richtung stimmt möglicherweise nicht mit dem anderen überein.

Ist der Differenzdruck multipliziert mit der Bohrungsfläche der endgültige Aktuatorschub?

Nein. Es handelt sich nur um eine hydraulische Kraft-Screening-Berechnung, es sei denn, die effektive Fläche und der Lastpfad sind für die tatsächliche Ventilkonstruktion definiert. Sitzreibung, Keilgeometrie, Packung, Führungen, Spindelgewinde und zulässige Belastungen müssen ebenfalls berücksichtigt werden.

Welcher Sicherheitsfaktor sollte für den Ventilantriebsschub verwendet werden?

Es gibt keinen universellen Faktor für jedes Ventil und jeden Service. Der Spielraum sollte auf der Grundlage der Daten des Ventilherstellers, der Projektspezifikation, der Schwere des Betriebs, der Reibungsunsicherheit, der Lieferbedingungen und der Antriebsleistung vereinbart werden. Es darf nicht dazu führen, dass der maximal übertragene Schub die zulässige Belastung des Ventils überschreitet.

Welche Norm deckt den Anbau von Drehantrieben an Ventile ab?

ISO 5210:2026 legt Anforderungen für Anbauteile für Drehantriebe fest, einschließlich der Abmessungen von Flanschen und Antriebskomponenten sowie Referenzwerten für Drehmoment und Schubkraft. Der ventilspezifische Betriebsschub muss noch vom Ventilhersteller berechnet bzw. angegeben werden.

Technische Referenzen

• ISO 5210:2026 – Industriearmaturen – Anbauteile für Drehantriebe
• ISO 22153:2020 – Elektrische Stellantriebe für Industriearmaturen – Allgemeine Anforderungen
• AUMA – Drehantriebe und Linearantriebe für die Automatisierung von Schiebern und Ventilen
• Emerson – Handbuch für Regelventile
• Rotork – Drehmoment- und Schubanwendungsdaten für Multiturn-Getriebe

Praktisches Mitnehmen: Bestimmen Sie zunächst den erforderlichen und zulässigen Schub des Ventils, bewerten Sie das Öffnen und Schließen als separate Lastfälle und wählen Sie erst dann den Antrieb, die Spindelmutter, das Getriebe und die Einstellungen aus. Die korrekte Montage muss das Ventil unter Worst-Case-Bedingungen bewegen, ohne dass Ventiltriebsgrenzen überschritten werden.