Расчет усилия штока клапана определяет линейную силу, необходимую для открытия, перемещения и закрытия клапана с выдвижным штоком в заданных условиях эксплуатации. Это важно для задвижек с электроприводом, проходных клапанов с приводом и многих регулирующих клапанов с выдвижным штоком. Выбор привода только по размеру клапана или мощности двигателя может привести к невозможности его открытия, недостаточному усилию закрытия, перегрузке штоков, повреждению седел или неправильным настройкам моментного выключателя.

В этой инженерной таблице объясняется, как собирается нагрузка, почему задвижки и проходные клапаны требуют разного обращения и как осевое усилие может быть связано с крутящим моментом штока и гайки. Он дополняет нашу Руководство по выбору крутящего момента привода клапана, которая специализируется в основном на четвертьоборотных шаровых и поворотных клапанах.

Начните с правильного вывода: крутящего момента или тяги?

Многооборотный электрический привод создает вращательное усилие, а резьбовая гайка штока или линейный упор преобразует это вращение в осевое перемещение. Поэтому поставщик арматуры должен знать как требуемое усилие штока, так и крутящий момент, который привод или редуктор должен передавать через выбранное приводное устройство.

Книга учета осевой нагрузки на штоке

Полезная модель первого прохода:

F_{требуется} = Ф_{давление} + Ф_{сиденье/клин} + Ф_{упаковка} + Ф_{шток/направляющая} ± Ф_вес ± Ф_весна

Признаки и время важны. Не каждая сила достигает максимума в одном и том же положении клапана. Рассчитайте хотя бы критические случаи открытия и закрытия отдельно, а не складывайте каждый максимум в одно нереальное число.

Упор задвижки: расчет открытия и закрытия отдельно

Клиновая задвижка под перепадом давления не может быть правильно представлена одной универсальной формулой. Давление прижимает затвор к седлу, расположенному ниже по потоку, создавая трение скольжения во время первоначального открытия. Угол клина, геометрия седла, состояние поверхности, трение направляющей, нагрузка уплотнения и тепловые воздействия могут существенно изменить требуемое усилие.

Критические положения задвижки

1. Снятие с полностью закрытого положения: обычно самая высокая нагрузка при открытии, поскольку ворота могут заклинивать и оказывать давление на седло.
2. Пробегая путешествие: Груз может упасть после отделения ворот от седла, но трение уплотнения и направляющей останется.
3. Приближаемся к полному открытию: проверяйте контакт заднего седла только в том случае, если клапан спроектирован и предназначен для его использования.
4. Окончательное закрытие и размещение: Для отключения требуется достаточная тяга, но чрезмерная тяга может повредить клин, седла, шток или привод привода.

Для предварительного отбора перепад давления, умноженный на эффективную проекционную площадь, может помочь определить масштаб гидравлической нагрузки:

F_{гидравлический, сит} = ΔP × А_{эффективный}

Однако, A_{эффективный} не является автоматически полной номинальной площадью отверстия, и результирующая сила не является автоматически требуемым усилием штока. При расчете задвижки необходимо преобразовать гидравлическую боковую нагрузку в трение седла и осевую нагрузку на шток с использованием фактической геометрии клина и седла. По возможности получите данные производителя клапана о значениях осевого усилия открытия, срабатывания и закрытия.

Данные о задвижке, которые должны поступать от производителя

• Максимально необходимое усилие открытия или выталкивания при расчетном перепаде давления
• Максимальная рабочая тяга в обоих направлениях
• Требуемое усилие закрытия или посадки
• Максимально допустимое усилие штока при растяжении и сжатии
• Максимально допустимый крутящий момент привода или штока-гайки
• Диаметр штока, форма резьбы, шаг или шаг и количество заходов.
• Полный ход, общее количество оборотов и необходимое время работы

Упор шарового клапана: используйте эффективную неуравновешенную площадь

Для несбалансированного плунжера седельного клапана основная гидравлическая сила равна:

F_{разбалансировать} = ΔP × А_{несбалансированный}

Для простой круглой несбалансированной области:

А = πd²/4

Направление силы зависит от направления потока и от типа конструкции: «поток открывает» или «поток закрывает». Сбалансированные заглушки уменьшают эффективную несимметричную площадь, но не сводят ее к нулю; Трение уплотнения и площадь остаточного давления все равно необходимо учитывать. Для регулирующего клапана рассчитайте усилие привода во всем диапазоне хода, поскольку перепад давления, площадь затвора, усилие пружины и трение уплотнения могут меняться в зависимости от положения.

Иллюстративный расчет экранирования шарового клапана

Предположим следующие предварительные данные для несбалансированного клапана:

• Эффективный диаметр дисбаланса: 80 мм.
• Максимальный перепад давления: 1,6 МПа
• Расчетное трение уплотнения и направляющей: 2,5 кН.
• Требуемая нагрузка на седло, заявленная производителем клапана: 6,0 кН.

Шаг 1 — Преобразование диаметра в площадь:

А = π × 0,08²/4 = 0,005027 м²

Шаг 2 — Рассчитать гидравлический дисбаланс:

F_{разбалансировать} = 1600000 × 0,005027 = 8043 Н ≈ 8,04 кН

Шаг 3. Постройте отдельные варианты нагрузки:

Этот пример намеренно упрощен. Прежде чем выбирать привод, подтвердите направление потока, может ли полное падение давления существовать при закрытии, фактический баланс плунжера, данные упаковки, требования к нагрузке на седло, усилие пружины, требуемое действие при отказе и доступную силу привода при минимальном давлении подачи воздуха или наихудшем электрическом состоянии.

Преобразование требуемого усилия в крутящий момент штока и гайки

Когда многооборотный привод вращает гайку штока, полезное соотношение эффективности, основанное на следующем:

Т = (F × L)/(2π × η)

Где:

• T = входной крутящий момент шток-гайка, Н·м
• F = осевое усилие штока, Н
• L = ход штока, метры на оборот
• η = общий КПД винтового привода

Опережение — это осевое перемещение за оборот. Для однозаходной резьбы шаг равен шагу. Для многозаходной резьбы шаг равен шагу, умноженному на количество витков. Эффективность зависит от формы резьбы, среднего диаметра, трения, материала гайки, смазки, подшипников и направления нагрузки. Не предполагайте одинаковую эффективность нового смазанного узла и старого сухого штока.

Иллюстративное преобразование крутящего момента задвижки

Предположим, что производитель клапана заявляет, что максимально необходимое усилие штока составляет 85 кН. Ход штока составляет 8 мм на оборот, а проверенный КПД привода для выбранного расположения шток-гайка составляет 0,30.

Т = (85 000 × 0,008) / (2π × 0,30) = 361 Н·м

Если утвержденный проектом запас по размерам составляет 25 % для данного конкретного расчета:

T_выбор = 361 × 1,25 = 451 Н·м

Результат делает нет разрешить выбор привода только в случае обнаружения следующей модели с крутящим моментом выше 451 Н·м. Выбранный узел также должен удовлетворять требуемому и допустимому усилию, допускам штока, монтажному фланцу, выходной скорости, классу нагрузки, количеству оборотов, условиям окружающей среды, электропитанию и ограничениям по перегрузке клапана.

Запас прочности – это недопустимость перегрузки клапана

Запас по размеру учитывает определенную неопределенность, такую как изменение трения, износ, температура и колебания подачи. Необходимо согласовать клапан, привод и обслуживание. Большее не означает автоматически безопаснее.

Окончательный выбор должен удовлетворять обоим неравенствам:

Доступное усилие привода ≥ Требуемое усилие клапана с утвержденным запасом

Максимальное передаваемое усилие ≤ Допустимая нагрузка на клапан, шток, гайку, траверсу и монтажную нагрузку

Привод слишком большого размера может погнуть шток, перегрузить резьбовую гайку, деформировать траверсу, раздавить седло или создать чрезмерную нагрузку на посадку. Моментные и концевые выключатели электрического привода должны быть настроены в соответствии с утвержденными требованиями к клапану. Усилие пневматического привода необходимо проверять при минимально доступном давлении питания, а максимальное давление питания необходимо проверять на предмет соответствия пределам перегрузки.

Проверка устойчивости и натяжения штока

Длинный поднимающийся шток, нагруженный сжатием, может выйти из строя из-за коробления до того, как материал достигнет своего простого предела текучести при сжатии. Это особенно важно для клапанов большого размера, с длинным ходом, удлинителями штоков и штоками без опор. Поставщик штока должен проверить эффективную длину без опоры, состояние концов, диаметр хвостовика, свойства материала, концентрацию напряжений в резьбе и требуемый расчетный коэффициент.

Открытие может привести к растяжению штока, а закрытие может привести к сжатию, или наоборот, в зависимости от клапана и конструкции привода. Запишите допустимую нагрузку в обоих направлениях вместо использования одного беззнакового числа.

Таблица определения размеров привода

Окончательные проверки выбора, выходящие за рамки расчетов

• Функция клапана: изоляция, дросселирование, аварийный режим или модулирующее управление
• Путешествие и повороты: фактический ход клапана, разделенный на шаг штока
• Время работы: выходная скорость привода соответствует требуемому времени перемещения
• Классификация обязанностей: частота открытия-закрытия, толчковая, позиционирующая или модулирующая
• Монтажный интерфейс: фланец, форма привода, диаметр штока, подъем штока и устройство приема тяги
• Неудачное действие: требования к открытию при отказе, закрытию при отказе, отказу на месте или сохранению энергии
• Источник питания: минимальное пневматическое/гидравлическое давление или электрическое напряжение и частота
• Окружающая среда: корпус, опасная зона, температура окружающей среды, защита от коррозии и проникновения
• Элементы управления: моментный выключатель, концевой выключатель, позиционер, обратная связь по ходу и местное ручное управление
• Защита от перегрузки: настройки ниже самого слабого допустимого предела клапанного механизма

Для креплений многооборотных приводов в стандарте ISO 5210:2026 указаны размеры фланцев и приводных компонентов, а также приведены справочные значения крутящего момента и осевого усилия для указанных интерфейсов. Он не заменяет расчет рабочей нагрузки для конкретного клапана. Требования к электроприводу также следует проверить на соответствие спецификациям проекта и применимым стандартам, таким как ISO 22153.

Информация для включения в запрос предложения

Для определения размера приводного затвора, проходного или регулирующего клапана отправьте вместе с запросом следующую информацию:

• Тип клапана, размер, класс давления, материал и торцевое соединение
• Среда, расчетное и рабочее давление, температура и перепад давления
• Максимальный перепад давления затвора и направление потока
• Требуемый класс утечки или затвора
• Диаметр штока, форма резьбы, шаг/ход, количество запусков и полный ход, если существующий клапан автоматизируется.
• Требуемое усилие открытия, срабатывания и закрытия или крутящий момент от производителя клапана.
• Максимально допустимое усилие и крутящий момент штока
• Требуемое время работы, рабочий цикл и количество пусков в час
• Источник питания или минимальное/максимальное давление воздуха в приборе
• Действия при отказе, сигнал управления, обратная связь, требования к опасной зоне и корпусу

Vcore Valve может рассмотреть клапан и привод как одну сборку. задвижки, шаровые клапаны и регулирующие клапаны. Для установки и выравнивания на четверть оборота ознакомьтесь также с нашей Руководство по монтажу приводного клапана ISO 5211. Чтобы запросить рассмотрение проекта, отправьте техническое описание клапана и требования к приводу в Vcore Valve.

Часто задаваемые вопросы о расчете усилия штока клапана

Что такое упор штока клапана?

Упор штока клапана представляет собой осевую силу, передаваемую через шток клапана для открытия, перемещения, закрытия или посадки запорного элемента клапана. Обычно оно выражается в ньютонах или килоньютонах.

Можно ли преобразовать крутящий момент привода непосредственно в усилие штока клапана?

Это может быть связано с ходом штока и эффективностью привода, но для надежного преобразования также необходимы форма резьбы, трение, смазка, конструкция гайки и подшипника. Одного опубликованного значения крутящего момента привода недостаточно.

Почему усилие открытия и закрытия задвижки должно рассчитываться отдельно?

Критические нагрузки возникают в разных положениях. Для отсоединения может потребоваться большое усилие из-за заклинивания и трения седла из-за перепада давления, тогда как для окончательного закрытия требуется контролируемое усилие посадки. Максимум в одном направлении может не совпадать с другим.

Является ли перепад давления, умноженный на площадь отверстия, конечным усилием привода?

Нет. Это всего лишь расчет экранирования гидравлических сил, если эффективная площадь и путь нагрузки не определены для фактической конструкции клапана. Также необходимо учитывать трение седла, геометрию клина, уплотнение, направляющие, резьбу штока и допустимые нагрузки.

Какой коэффициент запаса прочности следует использовать для тяги привода клапана?

Не существует универсального фактора для каждого клапана и услуги. Запас должен быть согласован на основе данных производителя клапана, спецификации проекта, суровости эксплуатации, неопределенности трения, условий питания и режима работы привода. Это не должно привести к тому, что максимальное передаваемое усилие превысит допустимую нагрузку клапана.

Какой стандарт охватывает крепление многооборотного привода к арматуре?

ISO 5210:2026 определяет требования к креплениям многооборотных приводов, включая размеры фланцев и приводных компонентов, а также номинальные значения крутящего момента и осевого усилия. Рабочее усилие для конкретного клапана все равно должно быть рассчитано или указано производителем клапана.

Технические ссылки

• ISO 5210:2026 — Арматура промышленная. Присоединения многооборотных приводов
• ISO 22153:2020 — Электрические приводы для промышленной арматуры. Общие требования
• AUMA — Многооборотные приводы и прямоходные агрегаты для автоматизации шиберных и шаровых кранов
• Emerson — Справочник по регулирующим клапанам
• Rotork — Данные о крутящем моменте и тяге многооборотного редуктора

Практический вывод: Сначала определите необходимое и допустимое усилие клапана, оцените открытие и закрытие как отдельные варианты нагрузки и только потом подбирайте привод, гайку штока, редуктор и настройки. Правильная сборка должна перемещать клапан в наихудших условиях, не превышая предельных значений клапанного механизма.