真空泵单向阀处密封失效分析及解决方案

真空泵单向阀处密封失效分析及解决方案

查文军

(南京威孚金宁有限公司  南京210000)

摘 要: 我公司供江淮GM010真空泵出现单向阀外壳与泵体结合面处漏气现象，对产品的质量、项目进度造成了一定的影响，结合DFMEA，通过相关原因的逐一排查于分析，制定了各项验证措施，最终锁定了解决方案，并如期完成了项目开发。

关键词: 真空泵；泵体；单向阀外壳；密封圈；漏气

0 概述

我司供江淮GM010真空泵为一款凸轮式旋片真空泵，密封性是其主要性能指标之一，密封失效亦属于产品主要失效模式之一。该泵在开发阶段出现单向阀壳体与泵体结合面处漏气现象，属于密封失效。该项目开发周期短、时间紧，该问题的解决迫在眉睫。

1 密封失效故障确认

接江淮反馈，在装配线进行样泵装配前采用“皂泡法”【1】检测真空泵的气密性时，发现单向阀外壳与泵体结合面处有肥皂泡产生，即该密封面存在泄漏现象。经查，该样泵在我司进行气密及性能测试时，均满足设计要求，并未出现异常。基于此，我司将客户处返回的故障件再次进行气密测试时，发现单向阀外壳与泵体密封面处出现气泡存在漏气现象，说明产线的拦截无效，密封失效故障得以确认。

2 密封失效原因确认

2．1密封失效潜在因素分析

单向阀外壳与泵体之间采用O型圈径向静密封，密封结构示意图参见图1。潜在失效原因可以从设计、内部工艺及外部工艺三个方面进行分析【2】。

图1 密封结构示意图

设计考虑不周会导致密封失效。主要有以下几个方面：

密封圈、单向阀壳体上密封圈安装沟槽、泵体上安装孔的相关尺寸及其公差设计不合理，使得密封圈压缩率、拉伸率过大或过小，从而产生挤入间隙、破坏性损坏等；

泵体安装孔及其孔口倒角结构及粗糙度设计不合理，导致间隙泄露或密封圈破损；

密封圈材料选择时，对其工作介质、温度、受力等考虑不周，导致选材不合理，密封圈产生永久性变形失效等；

密封圈硬度设计不合理，安装时受损。

内部装配工艺过程管理或操控不当会导致密封失效。主要有以下几个方面：

将密封圈压入安装槽时步骤、手法不对，造成其局部异常变形、扭曲、偏心；

密封圈安装时被泵体安装孔及其孔口毛刺等异物划伤；

密封圈安装时，带入异物，造成其划伤；

外部工艺过程管理或操作不当会导致密封失效。主要表现为采购件单向阀外壳及密封圈尺寸、公差等不合格，运输、储存不当从而导致密封失效。

2．2密封失效件拆解分析，初步锁定原因

经拆除故障再现泵，发现故障件密封圈处存在明显的受挤压剪切现象，通过挤压痕迹初步判定可能由于安装时发生挤压剪切导致失效。

由于该样泵并未长时间运行，仅进行了气密和性能测试，挤压剪切的发生很可能是由于装配不当或配合件尺寸异常所致。经查，同批次密封圈、泵体体安装孔、单向阀外壳相关尺寸、公差等全覆盖检测均合格，并进行了安装工艺符合性确认，均无异常。

为进一步排查原因，对该批次的其他十几台样泵进行了拆除检查，均发现了密封圈存在不同程度的剪切，且气密及性能测试均合格。经分析，该小批样泵失效故障在气密测试时未能有效识别的原因是密封圈受挤压后，局部损坏均向孔口外侧翻出，气密测试为泵腔加压时，密封圈受到的压力方向亦是朝向安装孔孔口外侧，即导致在30S的气密测试时无法发现其故障。性能测试时，此处的微量泄露不足以导致其性能不合格。

根据经验分析，此处失效故障可能由于安装孔孔口倒角角度及导向长度不够优，与孔壁可能存在锐边，导致密封失效，但鉴于该倒角结构已应用在五十铃凸轮式真空泵并量产已久，且未出现此类漏气故障，因此，同步重启了对相关设计的确认，经计算发现密封圈的最大压缩率37.5%，偏大；无预拉伸率，最大填充率106.7%，偏大；即密封圈的主要参数需要改进设计。

综上，此次密封失效原因为安装孔孔口倒角不够优；密封圈参数不够优。

3 密封失效解决方案的设计

为保证项目的如期开展，确保此次密封失效故障的彻底根除，须同步进行以下两个方面的设计优化：

1）改进泵体安装孔孔口倒角结构；

2）优化密封圈参数；

3．1泵体安装孔孔口倒角优化设计

参考VE泵泵头安装孔孔口倒角结构优化单向阀安装孔孔口倒角的导向角度及长度，并在倒角与孔壁过渡处增加圆角，以避免锐边的产生以防剪切。泵体安装孔孔口倒角优化前后对比，参见表1。

表1 泵体安装孔孔口倒角优化前后对比

3．2密封圈参数优化设计

根据经验及相关文献【3】【4】的报道，对密封圈参数进行重新设计计算，并遵循以下原则：径向静密封，密封圈的预拉伸率为0%～6%；压缩率为15%～35%；填充率为65%～95%。经计算，最终确认密封圈的规格为φ15.4±0.1X1.8（0，+0.15）。优化后密封圈设计参数计算结果，参见下图2。

图2 优化后密封圈设计参数计算结果

4 密封失效解决方案的验证

将优化后的泵体与原密封圈进行样件试装，仍然存在密封圈受挤压剪切现象；将优化后的泵体与优化后的密封圈进行样件试装，并未发现密封圈受挤压剪切现象。为

确保问题的根除，针对此问题的解决固化了此两项优化措施。并在该项目的过程验证阶段及小批量供货阶段进行了持续跟踪验证，该密封失效故障未曾出现，至此，密封失效故障得以最终的解决。

5 结论

（1）设计径向静密封密封圈时，需有一定的预拉伸量，参考范围0%～6%。

（2）设计径向静密封密封圈时，需有一定的压缩率，参考范围为15%～35%。

（3）设计径向静密封密封圈时，需有一定的填充率，参考范围为65%～95%。

（4）设计径向静密封密封圈的安装孔时，应关注孔口倒角角度及导向长度，并可考虑在倒角与孔壁连接处增加圆角过渡，以防止锐边发生剪切风险。

参考文献:

[1]顾伯勤 陈晔 李新华.密封材料与元件的检测与测试. 第1版.北京：机械工业出版社, 2008.5.

[2]王占彬，范金娟，肖淑华，等. 橡胶密封圈失效分析与方法探讨. 2015,

[3]阿弗鲁辛科，橡胶密封，机械工业出版社

[4]GB/T 3452.3-2005,液压气动用O形橡胶密封圈 沟槽尺寸