Die Wahl des richtigen Stellantriebs beginnt mit einem Schlüsselwert: dem Ventildrehmoment. Ein Viertelumdrehungsantrieb muss genügend Drehmoment aufbringen, um das Ventil unter realen Betriebsbedingungen zu öffnen, zu betätigen und zu schließen.

Ist der Stellantrieb zu klein, kann sich das Ventil möglicherweise nicht bewegen. Ist er viel größer als nötig, steigen die Systemkosten und die Ventilspindel sowie die Anbauteile werden unnötig belastet.

Für eine zuverlässige Auslegung von Vierteldrehstellantrieben sollten Ingenieure zunächst die Ventildrehmomentkurve verstehen, insbesondere das Ventil-Lösemoment.

Was ist das Ventildrehmoment?

Das Ventildrehmoment ist die Drehkraft, die erforderlich ist, um eine Ventilspindel zu drehen.

Verschiedene Ventile benötigen unterschiedliche Drehmomente. Kugelventile, Klappen und Kegelventile sind typische Vierteldreh-Anwendungen. Ihr Drehmoment kann sich zudem während des Öffnungs- und Schließzyklus ändern.

Mehrere Drehmomentwerte können berücksichtigt werden müssen:

• Losbrechmoment: Das Drehmoment, das erforderlich ist, um das Ventil aus seiner Sitzposition zu bewegen.

• Laufmoment: Das Drehmoment, das während der Bewegung des Ventils benötigt wird.

• Sitzmoment: Das Drehmoment, das erforderlich ist, um das Ventil in seine endgültige geschlossene oder geöffnete Position zu bewegen.

• Maximales Spindeldrehmoment: Das höchste Drehmoment, das die Ventilspindel sicher aushalten kann.

Der Stellantrieb muss an dem höchsten erforderlichen Betriebspunkt ausreichend Drehmoment liefern und gleichzeitig unter dem maximal zulässigen Spindeldrehmoment des Ventils bleiben.

Warum das Ventil-Lösemoment wichtig ist

Ventil-Lösemoment ist oft einer der wichtigsten Werte bei der Stellantriebswahl.

Ein Ventil kann zu Beginn der Bewegung mehr Drehmoment benötigen als während der normalen Drehung. Dies kann durch Sitzreibung, Druckdifferenzen, lange Stillstandszeiten oder anderen mechanischen Widerstand verursacht werden.

Beispiel: Angenommen, ein Ventil benötigt:

• Losbrechmoment: 80 Nm

• Laufmoment: 50 Nm

• Sitzmoment: 65 Nm

Der Stellantrieb kann nicht allein nach dem Laufmoment von 50 Nm ausgewählt werden. Er muss über genügend Leistung verfügen, um das Losbrechmoment von 80 Nm zu überwinden.

Deshalb sollten nach Möglichkeit die Drehmomentdaten des Ventilherstellers verwendet werden.

Berechnung des erforderlichen Stellantriebsmoments

Die Grundberechnung ist einfach:

Erforderliches Stellantriebsmoment = Maximales Ventildrehmoment × Sicherheitsfaktor

Beispiel: Wenn das maximal erforderliche Ventildrehmoment 80 Nm beträgt und ein Sicherheitsfaktor von 1,3 verwendet wird:

80 Nm × 1,3 = 104 Nm

Der gewählte Stellantrieb sollte daher unter den tatsächlichen Betriebsbedingungen mindestens 104 Nm liefern.

Sicherheitsfaktoren sind nicht universell. Der korrekte Wert hängt von der Ventilkonstruktion, den Einsatzbedingungen, der Betätigungshäufigkeit und den Herstellerempfehlungen ab. Gängige Auslegungspraktiken verwenden Faktoren wie 1,2 oder 1,3, aber die Daten der Ventil- und Stellantriebshersteller sollten Vorrang haben.

Schritt-für-Schritt-Auslegung von Vierteldrehstellantrieben

1. Ventildrehmomentdaten ermitteln

Beginnen Sie mit der Drehmomenttabelle oder den Testdaten des Ventilherstellers.

Prüfen Sie das erforderliche Drehmoment für:

• Erstöffnung

• Normalbetrieb

• Endschließung

• Aufsitzen oder Abheben

• Verschiedene Druckbedingungen

Schätzen Sie das Stellantriebsmoment nicht allein über die Nennweite des Ventils. Zwei Ventile gleicher Nennweite können unterschiedliche Drehmomente benötigen.

2. Höchstes erforderliches Drehmoment bestimmen

Vergleichen Sie alle Betriebspunkte.

Der höchste erforderliche Wert sollte normalerweise der Ausgangspunkt für die Auslegung sein. Bei vielen Ventilen kann dies das Losbrechmoment sein.

Beispiel:

Hier ist 80 Nm das höchste Betriebsdrehmoment.

3. Passenden Sicherheitsfaktor hinzufügen

Wenn der gewählte Sicherheitsfaktor 30 % beträgt:

80 Nm × 1,30 = 104 Nm

Der Stellantrieb sollte daher am erforderlichen Betriebspunkt mindestens 104 Nm liefern.

Vermeiden Sie es jedoch, übermäßige Reserven hinzuzufügen, ohne das maximale Spindeldrehmoment des Ventils zu prüfen. Ein Stellantrieb mit zu hoher Leistung kann das Ventil oder andere mechanische Komponenten beschädigen.

4. Abtriebsdrehmoment des Stellantriebs prüfen

Vergleichen Sie als Nächstes die berechnete Anforderung mit dem Nennabtrieb des Stellantriebs.

Beispiel:

• Berechnete Anforderung: 104 Nm

• Abtrieb Stellantrieb: 120 Nm

• Maximales Spindeldrehmoment Ventil: 150 Nm

Der Stellantrieb liefert ausreichend Drehmoment, während sein Abtrieb unter dem maximal zulässigen Drehmoment der Ventilspindel bleibt.

OMKEE bietet elektrische Vierteldrehstellantriebe in verschiedenen Drehmomentbereichen an. Beispielsweise liefert das OMK-10G ein Standarddrehmoment von 100 Nm, während größere OMK-Modelle für Anwendungen mit höherem Drehmoment erhältlich sind.

5. Betriebsbedingungen prüfen

Drehmoment ist nur ein Aspekt der Stellantriebsauswahl.

Prüfen Sie außerdem:

• Stromversorgung

• Öffnungs- und Schließzeit

• Betriebswinkel

• Einschaltdauer

• Umgebungstemperatur

• Schutzart

• Einbauart

• Steuersignal

• Erforderliche Rückmeldung

• Anforderungen für explosionsgefährdete Bereiche, falls zutreffend

Beispielsweise unterstützt das OMK-10G von OMKEE den Betrieb mit DC24V und bietet einstellbare Drehwinkel, während andere OMKEE-Modelle unterschiedliche Steuerungs- und Rückmeldungsoptionen bieten.

Ein einfaches Beispiel zur Stellantriebsauslegung

Angenommen, eine Klappe hat ein maximales Betriebsdrehmoment von 120 Nm.

Das Projekt erfordert eine Sicherheitsreserve von 25 %.

Die Berechnung lautet:

120 Nm × 1,25 = 150 Nm

Daher sollte der Stellantrieb unter den vorgegebenen Betriebsbedingungen mindestens 150 Nm liefern.

Prüfen Sie vor der endgültigen Auswahl außerdem, ob:

1. Der Abtrieb des Stellantriebs hoch genug ist.

2. Der Abtrieb das maximale Spindeldrehmoment des Ventils nicht überschreitet.

3. Der Stellantrieb den erforderlichen Betriebszyklus abschließen kann.

4. Die Anschlussarmatur zum Ventil passt.

5. Die Strom- und Steuerungsanforderungen geeignet sind.

Diese einfache Prüfung kann viele häufige Auslegungsprobleme vermeiden.

Häufige Fehler bei der Auslegung von Vierteldrehstellantrieben

Nur nach Nennweite auswählen

Ein DN100-Ventil erfordert nicht automatisch eine bestimmte Stellantriebsgröße. Das Ventildrehmoment hängt von der Ventilkonstruktion, dem Druck, der Sitzart, dem Medium und den Betriebsbedingungen ab.

Nur das Laufmoment verwenden

Das Laufmoment kann niedriger als das Losbrechmoment sein. Das Ignorieren des Anfahrmoments kann dazu führen, dass ein Stellantrieb das Ventil nicht öffnen kann.

Zu große Sicherheitsreserve hinzufügen

Mehr Drehmoment ist nicht immer besser. Übermäßiges Stellantriebsdrehmoment kann die Ventilspindel, die Kupplung oder den Montagebracket überlasten.

Betriebsbedingungen ignorieren

Temperatur, Druck, Korrosion, Betätigungshäufigkeit und lange Stillstandzeiten können den Ventilwiderstand beeinflussen.

Nur das Nenndrehmoment prüfen

Prüfen Sie immer den tatsächlichen Abtrieb des Stellantriebs unter der angegebenen Stromversorgung und den Betriebsbedingungen. Der gewählte Wert muss zur vollständigen Anwendung passen, nicht nur zu einer allgemeinen Katalogangabe.

Finale Checkliste für die Auslegung von Vierteldrehstellantrieben

Bestätigen Sie vor der Bestellung eines Stellantriebs diese Werte:

• Ventiltyp und Nennweite

• Ventil-Lösemoment

• Laufmoment

• Sitzmoment

• Maximales Spindeldrehmoment

• Erforderlicher Sicherheitsfaktor

• Erforderliches Abtriebsdrehmoment des Stellantriebs

• Stromversorgung

• Betriebszeit

• Einschaltdauer

• Drehwinkel

• Einbaunorm

• Steuerungs- und Rückmeldeanforderungen

• Umgebungsbedingungen

Die korrekte Auslegung von Vierteldrehstellantrieben beginnt mit genauen Ventildrehmomentdaten. Insbesondere sollte das Ventil-Lösemoment nicht übersehen werden. Sobald das erforderliche Drehmoment berechnet ist, vergleichen Sie es mit dem verfügbaren Abtrieb des Stellantriebs und bestätigen Sie, dass der Stellantrieb innerhalb des zulässigen Spindeldrehmoments des Ventils bleibt.

Für industrielle Ventilautomatisierungsprojekte bietet OMKEE elektrische Vierteldrehstellantriebe für unterschiedliche Drehmoment-, Stromversorgungs-, Steuerungs- und Rückmeldeanforderungen.