来源：Valve World 杂志 2025 年 8 月号（网络版 2025-09-25 发布）。作者：Kemal Comakli 博士、Omer Yildiz（Starvalve Process Valves and Actuator Technology）。本文为中文编译版，原文链接：https://valve-world.net/torque-on-valves/。题图为站内示意图，非原文配图。
阀门电动执行机构（站内资料图）
在工业流体控制系统中，阀门通过调节流量和压力来保障运行效率与安全。开启或关闭阀门所需的旋转力——即阀门转矩——是直接影响执行机构选型和整个系统能源效率的关键参数（ISA，2020）。
计算阀门转矩，是为了正确确定执行机构的规格，并确保阀门部件能承受流体和压力产生的内力。估算转矩必须先了解压力损失特性；系统设计人员也用这些数据计算泵的扬程需求、评估阀门压降带来的能耗成本。还要分析气蚀，以避免噪声和振动，防止阀门及相邻管道损坏。
阀门制造商公布其产品的转矩值，供用户正确选择执行机构和安装支架。但要注意：公布的转矩值通常只代表公称压力下阀门的阀座转矩或开启转矩，未考虑实际安装和运行特性。要确定阀门的实际操作转矩，必须了解所在管道系统的参数——安装方向、流动方向、介质流速等都会影响阀门的实际操作转矩。
转矩是使物体绕轴旋转的力的作用效果，工程上也称"力矩"，在旋转系统中尤其重要。转矩指力的转动效应，定义如下：
τ = r · F · sin(θ)
式中：τ——转矩（Nm）；r——旋转轴到力作用点的距离（m）；F——力的大小（N）；θ——力向量与位置向量的夹角。转矩是矢量，既有大小又有方向，方向用右手定则判断；当力垂直于位置向量时（θ=90°，sin90°=1）转矩最大；若力通过旋转轴或与位置向量平行，则转矩为零。
阀门转矩的计算，就是确定开关阀门所需的旋转力。这个计算对正确选择执行机构至关重要——尤其是用于自动控制阀门的执行机构。
影响阀门开关转矩的因素很多，主要包括：阀门口径（口径越大，与流体接触面积越大，转矩需求越大）；流体压力（阀内压力升高，作用在阀瓣或球体上的力增大）；流体粘度（粘稠介质如油类对运动部件的阻力更大）；阀门类型（球阀、蝶阀、闸阀、截止阀等工作原理和内部结构不同，转矩特性各异）；密封材料（密封的材质与设计决定摩擦系数，高摩擦密封需要更大转矩）；摩擦（轴承、密封等运动部件间的摩擦直接影响转矩——脏污、腐蚀、润滑不良都会增大摩擦）；温度（高温会改变某些材料特性，影响转矩需求）；以及使用工况（启闭频率、振动、冲击等环境因素也会间接影响转矩计算）。
阀门转矩不是固定值，一般分为三个基本组成部分：
| 表 1 阀门转矩的三个分量 | ||
|---|---|---|
| 转矩分量 | 含义 | 影响因素 |
| 起动转矩（Starting Torque） | 使阀门从静止开始动作所需的转矩 | 密封压缩力、摩擦力 |
| 工作（流动）转矩（Working Torque） | 阀门在流动状态下运动时产生的转矩 | 流体压力、流速和流体力 |
| 关紧（密封）转矩（Seating Torque） | 使阀门保持全关或全开所需的转矩 | 流体压力、密封力 |
装配前（空载/干态测试）只测机械摩擦；一旦装配投用、介质流动，流体力和水动力效应会使转矩需求增大（ISA，2020）。
阀门的转矩计算通常使用复杂的工程公式和实验数据。阀门制造商会针对每种阀型和口径提供具体的转矩值——这些值是在特定工况下对阀门进行测试得到的。一般而言，阀门的开关转矩由两大分量构成：静态转矩和动态转矩。
选执行机构时，以转矩需求最大的静态转矩为基准，并加上安全系数——通常为阀门转矩值的 25% 或以上——以预留摩擦意外增大、介质粘度变化或腐蚀的余量。
阀门制造商通常在样本或技术数据表中给出特定口径和压力下的"开-关转矩"值（Nm），选执行机构时可直接使用。制造商会针对其具体阀门设计和所用材料进行详细测试来确定精确转矩值，通常以一组曲线或表格的形式给出，供执行机构选型使用。
为粗略表达影响阀门转矩的主要因素，可以参考下面的公式：
τ valve =（F pressure × R valve）+ τ fri + τ seal
各分量说明：τ valve——开关阀门所需的总转矩（Nm）；F pressure——流体作用在阀瓣或球体上的力（N），与阀内压力及阀瓣/球体的有效受压面积直接相关，一般可表示为 F pressure = P × A effective（P——阀内流体压力（Pa）；A effective——压力作用的有效面积（m²），随阀型不同而异，如蝶阀阀板面积、球阀球体截面面积等）；R valve——从压力力作用点到旋转轴的有效半径/力臂（m），随阀门设计而异；τ fri——阀门轴承、齿轮或其他运动部件间机械摩擦产生的转矩分量（Nm），取决于阀门口径、轴径、轴承材料和润滑状况；τ seal——密封元件对运动部件的摩擦力产生的转矩分量（Nm），取决于密封材料（PTFE、NBR、金属等）、密封设计与紧密程度。
上式给出了影响转矩的主要组成，但没有一个通用公式能对每种阀型和口径都给出精确计算，原因如下：阀门内部几何形状（尤其截止阀、蝶阀）非常多样，精确确定有效受压面积很复杂；机械摩擦和密封摩擦取决于大量变量（材料特性、表面粗糙度、温度、压力、润滑状态等）；流速、湍流等动态效应在高流速下也会影响转矩；阀门制造商按特定标准设计阀门并在自己的实验室进行大量测试，以获得最准确的转矩数据。
蝶阀：流动引起的转矩需求与阀门口径的立方成正比——作用在阀板上的动态压力和流体力随口径急剧增大：
T butterfly = C · D³ · ΔP （C=0.01~0.03）
球阀：转矩需求由密封摩擦和流体力共同决定，一般与口径的平方成正比：
τ ball = C · D² · ΔP （C=0.05~0.2）
式中：T/τ——转矩（Nm）；C——实验系数；D——阀门口径（m）；ΔP——压差（Pa）。公式可作为工程初步估算和执行机构预选的实用方法。截止阀：转矩需求主要取决于密封力和阀杆摩擦而非流体力，近似与口径平方成正比。闸阀：运动以直线为主，一般以力（F）表示；配旋转执行机构时转矩转换与口径平方相关。旋塞阀：与球阀类似，转矩近似随口径平方增大。隔膜/夹管阀：转矩需求一般与流体力无关，取决于密封件与弹性体之间的摩擦。
| 表 2 各阀型转矩关系一览（ISA，2020；Emerson，2020；Chen 等，2016） | ||
|---|---|---|
| 阀型 | 转矩关系 | 转矩增长趋势 |
| 蝶阀 | T ≈ C·D³·ΔP | 与口径的立方成正比 |
| 球阀 | T ≈ C·D²·ΔP | 与口径的平方成正比 |
| 截止阀 | T ≈ C·D²·ΔP | 与口径的平方成正比 |
| 闸阀 | T ≈ C·D²·ΔP | 与口径的平方成正比 |
高转矩需求意味着执行机构需要更大的电机和传动机构，运营成本和能耗随之增加（ISA，2020）。提高能源效率的办法：
阀门转矩不是固定值，随安装和流动条件而变化。蝶阀的转矩需求是口径的立方函数，截止阀及其他阀型一般与口径的平方成正比。在执行机构选型和系统能源效率设计中，必须把这些关系考虑进去。
参考文献：原文注明"References available on request"（可向原文索取）。
