由于旋轉接頭的動環和靜環(或浮動、游動環)所組成的摩擦副式旋轉接頭最重要的零件。密封的工作質量(泄漏指標)和壽命都與它有直接的關系。旋轉接頭中所有其他零件除了傳遞流體外部為摩擦副服務。并且它們的工作好壞也是以保證摩擦副工作達到最佳條件的程度為前提的。
旋轉接頭動環和靜環系在介質中作相對摩擦滑動,它們之間的摩擦產生摩擦熱,磨損及其他現象。
旋轉接頭摩擦副設計應使密封在特定的條件下,工作負荷最輕,密封效果最好,使用壽命最長。
旋轉接頭密封環的剛度是考慮的重要因素之一。必須有一個環剛度是很低的,這就能適應表面不平度和球面度的設計和工藝要求,不至于存在很大的縫隙或產生很高的機械壓力區。根據這一原則,摩擦副應用不同材料加以組合(常常一個環用硬材料,另一個環用軟材料),雖從動力相似角度來說,哪一個材料動環、靜環沒有差別,但實際上動、靜環材料選擇直接影響密封效果。因為通常動環形狀復雜,在受壓力波動的情況下容易產生角變形,而使密封無法保證。所以動環一般選用彈性模量大的硬材料,靜環使相對軟的材料組配。脆性材料一般不宜作動環。
(一) 摩擦副端面和球面在垂直軸線投影面上動直徑
摩擦副端面和球面在垂直于軸線投影面的直徑應盡量小,以降低摩擦副的滑動速度和摩擦溫升。
(二) 端面和球帶面寬度
端面和球帶面寬度(系指端面、球面接觸寬度)有很重要的意義,寬度太大會導致端面,球面摩擦增大,摩擦功率增加,潤滑、冷卻效果降低;寬度減小,環的內、外徑差值減小,端面平直度容易保證,球面曲率半徑誤差小,端面磨損均勻,摩擦生熱減少,從而改善了導熱條件,但是寬度過窄,強度不夠,會增加破損的危險,尤其是高壓時,這種現場更為突出。因此,端面、球帶面(球臺側面)寬度(球面時,即接觸球臺的弧長)應該根據空心軸徑,工作介質的性質及其壓力,滑動速度(即轉速),摩擦副材料及其允許泄漏量等進行綜合考慮。多數情況是通過試或實際用信息反饋找出的規律確定。
球面摩擦運動副工稱接觸面積,實際就是球臺側面積,即:
AQ=2πR2(cosa1-cosa2)
一般來說旋轉接頭的轉速越高,端面、球面滑動線速越大,摩擦生熱也大。為利導熱,寬度應選得較小。
對易揮發液體,端面寬度應取小一些。因為液體的揮發與端面間的溫升有密封關系。減少端面寬度,改善導熱情況,降低摩擦面溫升,對輸送易揮發液體少有利的。
對通氣旋轉接頭來說,環工作表面破損的可能性較小,且摩擦會產生更多的熱量,因此端面,球面寬度應適當減小。
當采用端面密封時,如果從強度或環的剛性角度考慮,在某些情況下不能用窄的寬度時,可采用球面以增加負荷接觸。
用硬材料制成的環要比軟材料制成環具有更大的徑向寬度,不然由硬材料制成的以棱角進入軟材料內,以引起剝落和摩擦副強烈的磨損,造成泄漏。