簡単な答え: バルブ ステム推力の計算は、1/4 回転バルブのトルク サイジングと同じではありません。上昇ステム ゲートまたはグローブ バルブの場合、差圧荷重、シートまたはウェッジ荷重、パッキンの摩擦、ステムとガイドの摩擦、関連するコンポーネントの重量、およびバネ力を考慮して、最大開閉推力を個別に計算します。ストローク、ステムリード、速度、取付面、バルブステムの許容荷重、アクチュエータの推力制限を確認します。バルブメーカーの認定推力データが入手可能な場合は、それを使用してください。簡略化された方程式はスクリーニング ツールであり、承認されたバルブとアクチュエータの計算に代わるものではありません。
バルブステム推力計算 指定された使用条件下でライジングステムバルブを開閉するのに必要な直線力を決定します。これは、電動ゲート バルブ、作動グローブ バルブ、および多くのスライド ステム コントロール バルブにとって不可欠です。バルブ サイズまたはモーター出力だけでアクチュエーターを選択すると、シートの脱着の失敗、遮断力の不足、ステムの過負荷、シートの損傷、またはトルク スイッチの設定の誤りが発生する可能性があります。
このエンジニアリング ワークシートでは、負荷がどのように組み立てられるか、ゲート バルブとグローブ バルブに異なる処理が必要な理由、推力とステム ナットのトルクがどのように関係するかについて説明します。それは私たちのものを補完します バルブアクチュエータのトルクサイジングガイド、主にクォーターターン ボール バルブとバタフライ バルブに焦点を当てています。
正しい出力から始めます: トルクまたは推力?
| バルブ / モーション | プライマリサイジング出力 | 追加のチェック |
|---|---|---|
| ボールバルブまたはバタフライバルブ | 回転トルク、通常 N・m | ブレーキ、ランニング、クローズおよび最大許容ステムトルク |
| ライジングステムゲートバルブ | ステムの直線推力、通常は N または kN | ステムナットのトルク、回転数、移動量、速度、座屈および最大許容推力 |
| グローブ開閉弁 | リニアステム推力 | 流れ方向、プラグアンバランス、シート荷重、パッキン摩擦、ストローク |
| スライドステムコントロールバルブ | 全信号および移動範囲にわたるアクチュエータ力 | 動的アンバランス、ばね力、パッキン、遮断クラス、利用可能な空気圧 |
マルチターン電動アクチュエータが回転出力を生成し、ねじ付きステムナットまたはリニアスラストユニットがその回転を軸方向の動きに変換します。したがって、バルブのサプライヤーは、必要なステム推力と、選択した駆動装置を通じてアクチュエーターまたはギアボックスが供給しなければならないトルクの両方を把握している必要があります。
ステムスラスト荷重台帳
有用な初回パス モデルは次のとおりです。
F必須 = F圧力 +Fシート/ウェッジ +F梱包 +Fステム/ガイド ±F重量 ±F春
サインとタイミングが重要です。すべての力が同じバルブ位置で最大値に達するわけではありません。すべての最大値を 1 つの非現実的な数値に加算するのではなく、少なくとも重要な開始ケースと終了ケースを個別に計算します。
| コンポーネントをロードする | 何がそれを生み出すのか | 必要なデータ |
|---|---|---|
| 差圧負荷 | 有効アンバランス領域に作用する圧力 | 最大差圧、流れ方向、有効断面積 |
| シートまたはウェッジ荷重 | 必要なシール応力、くさび動作、またはプラグとシートの接触 | バルブの設計、シートの形状、遮断要件、およびメーカーのデータ |
| パッキン摩擦 | 圧縮されたパッキンリングとステムの接触 | ステム径、パッキン材質、グランド荷重および状態 |
| ステム、ガイド、ベアリングの摩擦 | スレッド、ガイド、ベアリング、アライメントの損失 | ステムのネジ、潤滑、ナットの材質、ガイドのデザインとアライメント |
| コンポーネントの重量 | 垂直ステム、ゲート、プラグまたは接続部品の重量 | 方向と可動部品の質量 |
| ばね力 | アクチュエータリターンスプリングまたはバルブバランススプリング | バネレート、プリロード、トラベル、フェール方向 |
ゲートバルブ推力：開閉を別々に計算
差圧下のウェッジ ゲート バルブは、1 つの普遍的な公式では正しく表されません。圧力によりゲートが下流側シートに押し付けられ、最初に開くときに滑り摩擦が発生します。ウェッジの角度、シートの形状、表面の状態、ガイドの摩擦、パッキンの荷重、熱の影響により、必要な推力が大きく変化する可能性があります。
重要なゲートバルブの位置
- 全閉状態からの脱着: ゲートがシートに押し込まれて圧力荷重がかかる可能性があるため、通常は最大の開放荷重になります。
- 旅行中のランニング: ゲートがシートから離れた後、荷重は下がりますが、パッキンとガイドの摩擦は残ります。
- フルオープンに近づく: バルブが使用するように設計および指定されている場合にのみ、バックシートの接触を確認してください。
- 最終的なクロージングと座席: 遮断には十分な推力が必要ですが、過剰な推力はウェッジ、シート、ステム、またはアクチュエータドライブを損傷する可能性があります。
予備スクリーニングでは、差圧に有効投影面積を乗じた値が、油圧負荷のスケールを確立するのに役立ちます。
F油圧、スクリーン = ΔP × A効果的な
ただし、 A効果的な 自動的に公称ボア領域全体になるわけではありません、結果として生じる力は、自動的に必要なステム推力にはなりません。ゲート バルブの計算では、実際のウェッジとシートの形状を使用して、油圧側荷重をシート摩擦と軸方向ステム荷重に変換する必要があります。可能な限り、バルブメーカーの開、運転、閉の推力値を入手してください。
メーカーから提供されるべきゲート バルブ データ
- 設計差圧での必要な最大開度またはアンシート推力
- 両方向の最大ランニング推力
- 必要な閉鎖推力または着座推力
- 引張時および圧縮時の最大許容ステム推力
- アクチュエータまたはステムナットの最大許容トルク
- ステム径、ねじ形状、ピッチまたはリード、スタート数
- 全移動量、総回転数、および必要な動作時間
グローブバルブ推力: 有効アンバランス領域を使用
アンバランスなグローブバルブプラグの場合、基本的な油圧力は次のとおりです。
Fアンバランス = ΔP × Aアンバランスな
単純な円形の不均衡領域の場合:
A = πd² / 4
力の方向は、流れの方向と、設計が流れから開くか流れから閉じるかによって異なります。バランスプラグは実効アンバランス領域を減らしますが、ゼロにするわけではありません。シールの摩擦と残留圧力領域を依然として考慮する必要があります。制御バルブの場合、差圧、プラグ面積、ばね力、およびパッキンの摩擦が位置によって変化する可能性があるため、全移動範囲にわたってアクチュエータの力を計算します。
グローブバルブのスクリーニング計算の例
アンバランスなグローブ バルブに関する次の予備データを想定します。
- 有効アンバランス径：80mm
- 最大差圧：1.6MPa
- 推定パッキンおよびガイド摩擦: 2.5 kN
- バルブメーカーが提供する必要なシート荷重: 6.0 kN
ステップ 1 — 直径を面積に変換します。
A = π × 0.08² / 4 = 0.005027 m²
ステップ 2 — 油圧アンバランスを計算します。
Fアンバランス = 1,600,000 × 0.005027 = 8,043N ≈ 8.04kN
ステップ 3 — 個別の荷重ケースを構築します。
| 荷重ケース | 計算例 | マージン前の結果 |
|---|---|---|
| 逆圧に対する開口部 | 8.04 kN 油圧 + 2.50 kN 摩擦 | 10.54kN |
| 閉じて着座する（油圧力が閉じるのを妨げる場合） | 8.04 kN 油圧 + 2.50 kN 摩擦 + 6.00 kN 着座 | 16.54kN |
この例は意図的に簡略化されています。アクチュエータを選択する前に、流れの方向、遮断時に完全な圧力降下が存在できるかどうか、実際のプラグバランス、パッキングデータ、シート荷重要件、ばね力、必要なフェイルアクション、および最小空気供給圧力または最悪の電気的条件でのアクチュエータの利用可能な力を確認してください。
必要推力をステムナットトルクに換算
マルチターン アクチュエータがステム ナットを回転させる場合、有効な効率ベースの関係は次のとおりです。
T = (F × L) / (2π × η)
場所:
- T = ステムナット入力トルク、N・m
- F = 軸方向ステム推力、N
- L = ステムリード、1回転あたりのメートル
- η = 全体的なスクリュードライブ効率
リードは 1 回転あたりの軸方向の移動量です。一条ねじの場合、リードはピッチと等しくなります。多条ねじの場合、リードはピッチに条の数を乗じた値に等しくなります。効率はねじの形状、平均直径、摩擦、ナットの材質、潤滑、ベアリング、荷重の方向によって異なります。新しい潤滑されたアセンブリと古くなった乾燥したステムに対して同じ効率を想定しないでください。
ゲートバルブのトルク変換例
バルブのメーカーが、必要な最大ステム推力は 85 kN であると述べているとします。ステムリードは 1 回転あたり 8 mm で、選択したステムとナットの配置で検証された駆動効率は 0.30 です。
T = (85,000 × 0.008) / (2π × 0.30) = 361 N・m
この特定の計算では、プロジェクトで承認されたサイジング マージンが 25% である場合:
T選択 = 361 × 1.25 = 451N・m
結果はそうなります そうではない 451 N・m を超える次のモデルを見つけることによってのみ、アクチュエータの選択を許可します。選択したアセンブリは、要求および許容推力、ステム受け入れ、取り付けフランジ、出力速度、デューティクラス、巻数、周囲条件、電源およびバルブの過負荷制限も満たさなければなりません。
安全マージンはバルブに過負荷を与えることを許可するものではありません
サイジングマージンは、摩擦変動、摩耗、温度、供給変動などの定義された不確実性を考慮します。バルブ、アクチュエーター、サービスについて同意する必要があります。大きいほど自動的に安全になるわけではありません。
最終的な選択は、次の両方の不等式を満たす必要があります。
使用可能なアクチュエータ推力 ≧ 承認されたマージンを備えた必要なバルブ推力
最大伝達推力≦許容バルブ、ステム、ナット、ヨーク、取付荷重
アクチュエータが大きすぎると、ステムが曲がったり、ネジ付きナットに過負荷がかかったり、ヨークが変形したり、シートが潰れたり、過度のシート応力が生じたりする可能性があります。電動アクチュエータのトルクとリミット スイッチは、承認されたバルブ要件に従って設定する必要があります。空気圧アクチュエータの力は利用可能な最小供給圧力でチェックする必要があり、最大供給圧力は過負荷制限に対してチェックする必要があります。
ステムの座屈と張力のチェック
圧縮荷重がかかった長く上昇するステムは、材料が単純な圧縮降伏限界に達する前に座屈によって破損する可能性があります。これは、大型のバルブ、長いストローク、ステムの延長、サポートされていないステムの場合に特に重要です。ステムのサプライヤーは、有効非支持長さ、端部の状態、ルート直径、材料特性、ねじ山の応力集中、および必要な設計要素を確認する必要があります。
バルブとドライブの配置に応じて、開くとステムに張力がかかり、閉じると圧縮がかかるか、またはその逆になります。 1 つの符号なし数値を使用するのではなく、両方向の許容荷重を記録します。
アクチュエータのサイジングワークシート
| ワークシート項目 | ケースを開く | 結審 |
|---|---|---|
| 最大差圧 | ____バール/MPa | ____バール/MPa |
| 油圧・偏荷重 | ____ kN | ____ kN |
| シートまたはウェッジ荷重 | ____ kN | ____ kN |
| パッキン、ガイド、ステムの摩擦 | ____ kN | ____ kN |
| 重量とバネの影響 | ____ kN | ____ kN |
| マージン前の必要推力 | ____ kN | ____ kN |
| 承認されたサイズマージン | ____ % | ____ % |
| 必要推力の選定 | ____ kN | ____ kN |
| 最大許容バルブ推力 | ____ kN | ____ kN |
計算を超えた最終的な選択チェック
- バルブ機能: 絶縁、スロットル、緊急勤務または変調制御
- トラベルとターン: 実際のバルブストロークをステムリードで割ったもの
- 稼働時間: 必要な移動時間に合わせたアクチュエータの出力速度
- 職務分類: 開閉、インチング、位置決め、または周波数の調整
- 取り付けインターフェース: フランジ、ドライブフォーム、ステム径、ステム立ち上がり、推力伝達配置
- 失敗アクション: フェールオープン、フェールクローズ、フェールインプレース、または貯蔵エネルギー要件
- 電源: 最小空気圧/油圧または電圧および周波数
- 環境: エンクロージャ、危険区域、周囲温度、腐食および侵入に対する保護
- コントロール: トルクスイッチ、リミットスイッチ、ポジショナー、トラベルフィードバック、ローカルマニュアルオーバーライド
- 過負荷保護: 最も弱いバルブトレインの許容限界を下回る設定
マルチターンアクチュエータアタッチメントの場合、ISO 5210:2026 はフランジと駆動コンポーネントの寸法を扱い、指定されたインターフェイスの基準トルクと推力値を提供します。これは、バルブ固有の動作負荷計算に代わるものではありません。電動アクチュエータの要件も、プロジェクト仕様および ISO 22153 などの該当する規格と照らし合わせて検討する必要があります。
RFQ に含める情報
作動ゲート、グローブ、または制御バルブのサイズを決定するには、お問い合わせとともに次の情報を送信してください。
- バルブのタイプ、サイズ、圧力クラス、材質、および端の接続
- 媒体、設計圧力、動作圧力、温度、差圧
- 最大遮断差圧と流れ方向
- 必要な漏れまたは遮断クラス
- 既存のバルブが自動化されている場合は、ステム直径、ねじ形状、ピッチ/リード、スタート数、およびフルトラベル
- バルブメーカーからの必要な開閉推力またはトルク
- 最大許容ステム推力とトルク
- 必要な動作時間、デューティ サイクル、および 1 時間あたりの起動数
- 電源または最小/最大計器空気圧
- フェイルアクション、制御信号、フィードバック、危険エリアおよびエンクロージャの要件
Vcore Valve は、バルブとアクチュエーターを 1 つのアセンブリとしてレビューできます。 ゲートバルブ, グローブバルブ そして コントロールバルブ。 1/4 回転の取り付けと位置合わせについては、当社の製品も確認してください。 ISO 5211 作動バルブ取り付けガイド。プロジェクトのレビューをリクエストするには、 バルブのデータシートとアクチュエーターの要件を Vcore Valve に送信します。.
バルブステム推力計算に関するよくある質問
バルブステム推力とは何ですか?
バルブステム推力は、バルブ閉鎖部材を開く、移動する、閉じる、または着座させるためにバルブステムを介して伝達される軸方向の力です。通常、ニュートンまたはキロニュートンで表されます。
アクチュエータのトルクを直接バルブステム推力に変換できますか?
これはステムのリードとドライブの効率によって関係しますが、信頼性の高い変換にはねじの形状、摩擦、潤滑、ナットとベアリングの設計も必要です。アクチュエータの公表トルク値だけでは十分ではありません。
なぜゲートバルブの開閉推力を別々に計算しなければならないのですか?
臨界荷重はさまざまな位置で発生します。着座を外すには、くさびとシートの摩擦差により大きな力が必要になる場合がありますが、最終的に閉じるには、制御された着座力が必要です。一方向の最大値がもう一方の方向と一致しない場合があります。
差圧とボア面積の積が最終的なアクチュエータ推力になりますか?
いいえ。実際のバルブ設計に対して有効面積と荷重経路が定義されていない限り、これは単なる油圧力スクリーニング計算にすぎません。シートの摩擦、ウェッジの形状、パッキン、ガイド、ステムのネジ山、許容荷重も考慮する必要があります。
バルブアクチュエータの推力にはどのような安全係数を使用する必要がありますか?
すべてのバルブやサービスに共通の要素はありません。マージンは、バルブメーカーのデータ、プロジェクト仕様、サービスの厳しさ、摩擦の不確実性、供給条件、およびアクチュエータのデューティに基づいて合意される必要があります。最大伝達推力がバルブの許容荷重を超えないようにしてください。
マルチターンアクチュエータのバルブへの取り付けをカバーする規格はどれですか?
ISO 5210:2026 では、フランジおよび駆動コンポーネントの寸法、基準トルクおよび推力値を含む、マルチターン アクチュエータのアタッチメントに関する要件を指定しています。バルブ固有の動作推力は、バルブ メーカーによって計算または提供される必要があります。
技術参考資料
- ISO 5210:2026 — 工業用バルブ — マルチターンアクチュエーターアタッチメント
- ISO 22153:2020 — 工業用バルブ用電動アクチュエーター — 一般要件
- AUMA — ゲートおよびグローブ バルブの自動化のためのマルチターン アクチュエーターとリニア スラスト ユニット
- エマソン — コントロールバルブハンドブック
- Rotork — マルチターンギアボックスのトルクと推力のアプリケーションデータ
実際のポイント: まずバルブの必要推力と許容推力を決定し、開閉を個別の荷重ケースとして評価してから、アクチュエーター、ステムナット、ギアボックス、設定を選択します。正しいアセンブリでは、バルブトレインの制限を超えることなく、最悪の状況でもバルブを動かす必要があります。
