淺析冷媒加注機及運維的常見問題

王愷，鄭大元，李金貴，劉福強

（北京奔馳汽車有限公司，北京 101300）

1 前言

隨著國內(nèi)汽車市場消費升級趨勢的到來，市場競爭愈演愈烈，消費者對汽車不僅僅滿足于其代步工具作用，更重視汽車舒適度等功能。汽車空調(diào)作為汽車舒適度的重要設(shè)備，其具有的加熱、制冷、除霧、除霜、過濾等功能已成為必備系統(tǒng)。空調(diào)的性能直接影響其能否為消費者營造舒適的駕駛環(huán)境?？照{(diào)系統(tǒng)正確加注量加注，既能保障空調(diào)系統(tǒng)的高效、可靠，同時也是減少空調(diào)耗能的重要因素。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，以及戴姆勒新一代工廠以數(shù)字、柔性、高效、可持續(xù)為特點的更高要求，北京奔馳某總裝車間對標(biāo)德國辛德芬根56工廠，采用戴姆勒第六代標(biāo)準(zhǔn)體系Integra6進行設(shè)備設(shè)計與制造。2019年，新標(biāo)準(zhǔn)下的加注設(shè)備應(yīng)運而生，冷媒加注設(shè)備通過高壓氮氣、真空泵對車輛系統(tǒng)進行正壓及負(fù)壓檢測，通過蓄能器將冷媒介質(zhì)以高壓形式存儲并進行高壓加注，通過加注槍實現(xiàn)正壓、負(fù)壓、穩(wěn)壓、保壓、加注等過程切換，利用傳感器數(shù)據(jù)獲取實時數(shù)據(jù)，經(jīng)CPU處理控制加注過程。生產(chǎn)控制系統(tǒng)PLUS，通過車輛信息反饋現(xiàn)場設(shè)備車型以及加注配方，以及在加注完成后獲得車輛加注數(shù)據(jù)并存檔。

2 國內(nèi)外現(xiàn)狀

空調(diào)冷媒加注在汽車行業(yè)使用廣泛，在整車廠內(nèi)一般使用真空加注技術(shù)，通過設(shè)備與冷媒高低壓管路同時連接，建立待檢測密閉系統(tǒng)，通過正壓以及負(fù)壓檢測系統(tǒng)氣密性，合格后進行介質(zhì)定量加注。

3 冷媒加注設(shè)備結(jié)構(gòu)

冷媒加注設(shè)備采用同步生產(chǎn)線的運行方案，如圖1為加注設(shè)備整體布局圖，可將其分為如下4大組成部分：補液單元、基本單元、移動單元以及高壓、低壓加注槍。

圖1 加注設(shè)備整體布局圖

補液單元：負(fù)責(zé)實現(xiàn)加注介質(zhì)的供應(yīng)以及系統(tǒng)所需高壓氣源供應(yīng)。圖2為補液單元控制柜，連接冷媒介質(zhì)R134a存儲罐，通過增壓缸以及蓄能器等元器件向設(shè)備供應(yīng)R134a；提供高壓氮氣接口，向系統(tǒng)提供正壓所需高壓氮氣。氮氣相對空氣更為干燥，更適合R134a加注，但相對成本較高。如果能夠保障空氣的干燥程度，同樣可以使用。

圖2 補液單元控制柜

基本單元：由電器控制柜以及介質(zhì)存儲過渡柜組成。介質(zhì)存儲過渡柜由蓄能器、減壓閥、兩組氣控閥組成。減壓閥用于設(shè)置蓄能器存儲壓力；蓄能器為減少過長的管路對介質(zhì)壓力的影響，向移動單元蓄能器中供給足量的高壓介質(zhì)；兩組氣控閥交替開關(guān)，配合壓力傳感器檢測管路或元器件是否有泄漏，保證高壓安全。

移動單元：如圖3所示，分為兩部分，一部分負(fù)責(zé)設(shè)備的前進后退，上升下降動作，并實現(xiàn)與生產(chǎn)線同步。另一部分負(fù)責(zé)加注系統(tǒng)的正壓、負(fù)壓檢漏以及定量加注。移動單元配備人機交互界面，提供加注過程以及結(jié)果的顯示，輔助加工人了解加注設(shè)備狀態(tài)。

圖3 移動單元

加注槍：如圖4所示，包含高壓及低壓加注槍；加注槍將設(shè)備與車身管路連接，實現(xiàn)加注過程的流體切換。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，集成夾緊、正壓、負(fù)壓、加注、壓力釋放等過程。它是最易影響加注結(jié)果的部件，需經(jīng)常維護保養(yǎng)。

圖4 冷媒加注槍

除上述主要組成部分外，另配有條碼掃碼器、標(biāo)定小車等，及維護所需維修平臺、維修通道等。

4 空調(diào)冷媒加注過程

4.1 總體方案

空調(diào)冷媒加注設(shè)備在設(shè)計過程中依據(jù)戴姆勒設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，其總體方案如圖5所示：PLC負(fù)責(zé)邏輯控制以及過程控制，PLUS負(fù)責(zé)車型信息以及結(jié)果保存，人機交互界面預(yù)設(shè)加注配方；掃碼器獲取車輛生產(chǎn)碼；正壓傳感器、真空傳感器、質(zhì)量傳感器等采集過程數(shù)據(jù)；PLC根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)處理結(jié)果發(fā)送執(zhí)行命令控制各執(zhí)行元器件動作，如真空泵、氣控閥、流量計、加注槍等；行走升降輸送模塊負(fù)責(zé)與生產(chǎn)線同步，由PLC及變頻器進行控制。

圖5 設(shè)備總體方案

4.2 設(shè)備加注過程

冷媒加注過程概述如下：選擇加注配方，正壓測試階段，負(fù)壓測試階段，冷媒定量加注，數(shù)據(jù)上傳存檔。其中第2～4步對加注質(zhì)量尤為重要，戴姆勒標(biāo)準(zhǔn)要求第2～4步過程中系統(tǒng)內(nèi)壓力應(yīng)符合如圖6所示曲線。

圖6 加注過程中壓力曲線圖

（1）選擇加注配方。加注配方指根據(jù)車型及配置，制定針對該車型該配置的專屬加注參數(shù)系列。配方作為設(shè)備柔性化重要內(nèi)容，可實現(xiàn)后續(xù)車型的不斷更新，系統(tǒng)支持拓展30種配方，BBAC作為客戶可在新車型導(dǎo)入階段自行配置。配方內(nèi)容依據(jù)研發(fā)產(chǎn)品要求及戴姆勒標(biāo)準(zhǔn)要求，由加注過程系列控制參數(shù)設(shè)置值組成，配方內(nèi)容框架包含各階段的壓力、時間、壓差、加注量等。

掃描器自動獲取當(dāng)前生產(chǎn)車輛生產(chǎn)號（PNR），經(jīng)過PLC生成AMDV形式報文發(fā)送PLUS系統(tǒng)，PLUS反饋EMDV結(jié)構(gòu)報文，PLC解析EMDV報文獲得車型及對應(yīng)的加注配方。

（2）正壓測試。在此階段，操作者將高壓加注槍及低壓加注槍夾緊車身后，啟動加注，首先，進行夾緊檢測，通過夾緊前后真空變化，判斷是否密封，再進入正壓測試，即曲線原點處。此階段分為四步：正壓：將高壓氮氣注入設(shè)備與車身，系統(tǒng)處于高壓填充狀態(tài)，監(jiān)控一定時間內(nèi)，正壓能否建立到指定壓力，一般需建立到15000mbar以上，如果壓力達不到或者聽到明顯漏氣聲，則存在較大泄露。正壓穩(wěn)壓：正壓結(jié)束瞬間，關(guān)閉閥門，讀取正壓數(shù)值，經(jīng)過幾秒后，再次讀取傳感器數(shù)據(jù)，對比壓力變化，一般要求變化值在500mbar以內(nèi)，此步用于消除壓力不平衡對泄露測試造成的影響。正壓保壓：穩(wěn)壓結(jié)束后，檢查一定時間內(nèi)，系統(tǒng)密閉狀態(tài)下壓力減小值，要求不允許超過30mbar，用于判斷系統(tǒng)是否存在泄漏。正壓釋放：為真空測試階段做準(zhǔn)備，釋放系統(tǒng)內(nèi)高壓，避免高壓損壞真空傳感器。

（3）負(fù)壓測試。負(fù)壓測試是整個系統(tǒng)氣密性檢查中最重要的環(huán)節(jié)，是最直接體現(xiàn)系統(tǒng)氣密性好壞的環(huán)節(jié)。此階段分為五步。其中后四步屬于關(guān)鍵步驟，屬于強制要求：粗真空：打開真空回路，利用真空泵抽系統(tǒng)真空，快速大幅降低系統(tǒng)壓力，以達到節(jié)省加注節(jié)拍的目的。精真空：在粗真空基礎(chǔ)上，再次進行抽真空，要求抽真空時間不低于標(biāo)準(zhǔn)要求時間，如節(jié)拍允許，盡可能長，真空達到5mbar以下。真空穩(wěn)壓：精真空結(jié)束瞬間，關(guān)閉閥門，讀取真空壓力值，經(jīng)過幾秒后，再次讀取傳感器壓力值，對比壓力變化值，一般要求變化值在25mbar以內(nèi)。真空保壓：穩(wěn)壓結(jié)束后，檢查一定時間內(nèi)，真空壓力變化，要求不允許超過2mbar，用于判斷系統(tǒng)是否存在小泄漏。后真空：此階段為真空補償，對系統(tǒng)再進行一次抽真空，提高真空度，使系統(tǒng)在加注前恢復(fù)到5mbar以下真空狀態(tài)，減少系統(tǒng)內(nèi)殘余氣體。

負(fù)壓測試不僅是對系統(tǒng)氣密性的檢查，同時，是去除系統(tǒng)內(nèi)雜質(zhì)的有效手段，獲得清潔的加注環(huán)境及更快的介質(zhì)加注。

正壓與負(fù)壓在氣密性檢測均包含三個環(huán)節(jié)，分別為壓力建立、穩(wěn)壓、泄漏檢測。其中穩(wěn)壓提高了設(shè)備的健壯設(shè)計，降低了誤差率，由于系統(tǒng)采集正壓與負(fù)壓的傳感器與車身系統(tǒng)內(nèi)壓力值物理位置差異，系統(tǒng)識別壓力來源于傳感器周圍壓力，其相對管路距離高壓氣源或者真空泵距離更近，易先達到壓力，并且穩(wěn)壓和泄漏檢查都屬于脫離高壓氣源或者真空泵過程，這兩個階段都會迎來壓力的波動。也有部分汽車制造企業(yè)，將穩(wěn)壓和泄漏檢測合并，但如此對系統(tǒng)內(nèi)由于壓力平衡產(chǎn)生的壓力波動無可避免計入泄漏檢測，并且泄漏檢測值設(shè)置勢必偏高，意味部分微小泄漏可能并不能被系統(tǒng)所識別。

（4）冷媒定量加注。冷媒加注量對空調(diào)性能至關(guān)重要，需要嚴(yán)格保證加注量的穩(wěn)定。區(qū)別于汽車制動液，冷卻液采用的定壓加注，空調(diào)冷媒系統(tǒng)采用定量加注，通過質(zhì)量流量計實現(xiàn)冷媒加注量的精確控制。

（5）數(shù)據(jù)上傳存檔。根據(jù)戴姆勒要求，車輛過程質(zhì)量數(shù)據(jù)(PQD)需要進行存檔。PLC與PLUS之間進行PQD數(shù)據(jù)通信協(xié)議，設(shè)備在完成加注后，會將過程質(zhì)量數(shù)據(jù)以MQDV報文形式發(fā)送至PLUS系統(tǒng)。MQDV是一種結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)集，其包含加注過程中正壓、負(fù)壓、介質(zhì)加注環(huán)節(jié)等，各項壓力值、加注量、過程時間等過程數(shù)據(jù)。

5 運維常見問題以及典型問題分析

在加注設(shè)備使用過程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)的問題種類總結(jié)如下。

5.1 車輛一次加注不成功，但第二次或第三次加注卻可以成功

這是真空加注技術(shù)應(yīng)用中最常見的故障之一。首先，我們需要了解真空效果的兩點重要影響因素：第一，管路長短以及拐點數(shù)量，管路越復(fù)雜，拐點越多，氣體流動越不易，越難抽真空，如圖7所示，某車型空調(diào)系統(tǒng)拐點較多；第二，抽真空時間，時間越長，真空效果越好。

圖7 某車型空調(diào)系統(tǒng)

在這兩點共識基礎(chǔ)上看待該問題，其原因可歸納為兩種：（1）管路中存在軟管或者拐點很細(xì)的部分，第一次抽真空，壺口真空值已達到要求，但系統(tǒng)末端存在殘余空氣未被及時抽出，導(dǎo)致穩(wěn)壓過程真空波動超過設(shè)定值。（2）車輛管路系統(tǒng)中存在水分，尤其是在管路接頭拐點處殘留，隨著系統(tǒng)內(nèi)壓力越來越低，液態(tài)水逐漸氣化，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)真空始終無法達到要求，或者在負(fù)壓穩(wěn)壓過程中，真空波動超過要求，導(dǎo)致加注不成功。然而，以上2種情況都是會隨著多次抽真空得到顯著改善。該情況往往要求對來件質(zhì)量進行檢查以及控制。對設(shè)備而言，需要檢查泵的能力，如有必要，進行新泵的更換。

5.2 夾緊測試以及真空穩(wěn)壓失敗

加注夾緊測試發(fā)生在加注槍與管路連接后，如圖8所示，但加注槍并未頂開管路接口單向閥前，設(shè)備未與管路連通，進行設(shè)備內(nèi)部氣密性檢查。夾緊測試與真空穩(wěn)壓這兩個階段的共同點在于均是對真空泄漏的檢測，因此多數(shù)情況為真空管路密封存在泄漏。主要方向如下：（1）加注槍密封損壞，對加注槍進行密封更換，或直接更換備用加注槍；（2）真空管路閥密封不嚴(yán)，檢查加注槍內(nèi)以及系統(tǒng)內(nèi)真空回路閥件，按需清潔或更換。

圖8 左：冷媒管路接口；右：加注槍頂部夾緊結(jié)構(gòu)

5.3 正壓壓力無法建立合格

此種情況一般表明系統(tǒng)存在較大泄漏。原因通常是系統(tǒng)管路連接問題，或管路有破損。正壓模擬介質(zhì)實際工作狀態(tài)，測試管路向外擠壓泄漏，其對管路破損檢查十分有效，如果有破損，負(fù)壓建立過程中破損處是向內(nèi)收縮狀態(tài)，很大的可能是不會發(fā)生被檢測出，因此，正壓檢測尤其必要性。通常這種情況車輛只有通過線下返修工序去檢查處理。

5.4 真空傳感器無響應(yīng)

絕大部分是因為正壓與負(fù)壓管路隔離失效，導(dǎo)致傳感器受到正壓沖擊而損壞。在更換新傳感器時，一定要進行傳感器的校準(zhǔn)，保障讀數(shù)正確有效。

5.5 冷媒加注量不夠

質(zhì)量流量計中進入氣體導(dǎo)致，基本上都發(fā)生于設(shè)備檢修階段，對補液單元后的閥件進行維修，打開后，冷媒介質(zhì)逸散，維修后并沒有排空此段空氣，導(dǎo)致氣體進入流量計。除此之外，如果只是單個車輛發(fā)生，可能是該車在裝配過程中某段管路堵塞引起。

除了以上問題外，我們還遇到了一個非常典型的產(chǎn)品問題，導(dǎo)致管路內(nèi)部鋁屑造成加注槍以及真空閥的密封不嚴(yán)，如圖9所示。

圖9 加注槍閥芯以及真空閥發(fā)現(xiàn)的鋁屑

質(zhì)量部進行產(chǎn)品清潔度檢測（粒子＜1000um,纖維＜3000um），發(fā)現(xiàn)來件質(zhì)量的確存在問題，并且成分主要是鋁，如圖10所示。

圖10 管路清潔度檢測報告

由于管路內(nèi)這些粒子或者纖維雜質(zhì)不可避免，即使達到產(chǎn)品要求，仍會存在，日積月累依舊會對設(shè)備產(chǎn)生影響，為此我們將加注槍進行升級改造，在原基礎(chǔ)上增加燒結(jié)金屬過濾器，如圖11所示，起到過濾效果，延長加注槍使用壽命。

圖11 加注槍增加過濾

改造后，通過對比，鋁屑明顯減少，我們將臨時提高至每周的清潔頻次，逐漸恢復(fù)到每月清潔，設(shè)備表現(xiàn)良好，并沒有發(fā)生同樣問題的反彈。

6 預(yù)防性以及預(yù)測性維護方案

BBAC維修部門，根據(jù)設(shè)備資料以及過往經(jīng)驗，制定了包括每日點檢，周期性的預(yù)防性維護計劃等常規(guī)性維護內(nèi)容。

針對系統(tǒng)中關(guān)鍵的元器件加注槍、真空閥、壓力傳感器、真空傳感器、質(zhì)量流量計、真空泵、升降/行走Lenze電機等制定周期檢查與維護保養(yǎng)，其中包括：加注槍以及真空閥的清潔，每月檢查并清潔；定期加注槍維護保養(yǎng)，每月更換加注槍密封圈；定期對加注量的校準(zhǔn)，每周校準(zhǔn)并糾正偏差；年度對壓力/真空傳感器、質(zhì)量流量計進行第三方專業(yè)機構(gòu)標(biāo)定；每兩年對真空泵進行廠家專業(yè)維修保養(yǎng)，保障真空泵性能。

除以上所述，基于加注過程中會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，我們主動進行預(yù)測性維護方法探索，并取得了一定成效。通過使用tableau軟件，編寫預(yù)測性維護看板，基于過程數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)趨勢線，在到達某項閾值或者有突變情況下，主動向相關(guān)負(fù)責(zé)人員發(fā)送維護工單申請，進行相應(yīng)檢查工作。

目前，已完成項目如下：（1）真空泵真空能力預(yù)測性維護看板，用于跟蹤真空泵性能下降趨勢，在突破某設(shè)定閾值前（一段時間內(nèi)平均真空時間顯著變長），創(chuàng)建維護工單；（2）Lenze電機故障預(yù)測性維護看板，統(tǒng)計Lenze電機異常報警，并進行初步統(tǒng)計分析，如圖12所示，如果某些指定故障發(fā)生并超過次數(shù)設(shè)置值，觸發(fā)后創(chuàng)建維護工單。

圖12 Lenze電機故障預(yù)測性維護看板

目前，我們在繼續(xù)拓展預(yù)測性維護對象，不同于傳統(tǒng)振動監(jiān)測類預(yù)測性維護，我們的方向偏向于對設(shè)備的大數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析，做出趨勢或異常預(yù)測，具有較大發(fā)揮空間。比如，加注過程系統(tǒng)內(nèi)壓力曲線圖，某節(jié)點壓力或時間趨勢變化圖等。唯一難點在于數(shù)據(jù)模型的建立，尤其是報警閾值的設(shè)定，這也是目前我們正在研究的方向，通過大量實驗測試總結(jié)失效風(fēng)險點，完善模型，提高預(yù)測性維護的準(zhǔn)確率。