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。汽車空調作為汽車舒適度的重要設備，其具有的加熱、制冷、除霧、除霜、過濾等功能已成為必備系統。空調的性能直接影響其能否為消費者營造舒適的駕駛環境。空調系統正確加注量加注，既能保障空調系統的高效、可靠，同時也是減少空調耗能的重要因素。隨著科學技術的不斷進步，以及戴姆勒新一代工廠以數字、柔性、高效、可持續為特點的更高要求，北京奔馳某總裝車間對標德國辛德芬根56工廠，采用戴姆勒第六代標準體系Integra6進行設備設計與制造。2019年，新標準下的加注設備應運而生，冷媒加注設備通過高壓氮氣、真空泵對車輛系統進行正壓及負壓檢測，通過蓄能器將冷媒介質以高壓形式存儲并進行高壓加注，通過加注槍實現正壓、負壓、穩壓、保壓、加注等過程切換，利用傳感器數據獲取實時數據，經CPU處理控制加注過程。生產控制系統PLUS，通過車輛信息反饋現場設備車型以及加注配方，以及在加注完成后獲得車輛加注數據并存檔。

2 國內外現狀

空調冷媒加注在汽車行業使用廣泛，在整車廠內一般使用真空加注技術，通過設備與冷媒高低壓管路同時連接，建立待檢測密閉系統，通過正壓以及負壓檢測系統氣密性，合格后進行介質定量加注。

3 冷媒加注設備結構

冷媒加注設備采用同步生產線的運行方案，如圖1為加注設備整體布局圖，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 加注設備整體布局圖

補液單元：負責實現加注介質的供應以及系統所需高壓氣源供應。圖2為補液單元控制柜，連接冷媒介質R134a存儲罐，通過增壓缸以及蓄能器等元器件向設備供應R134a；提供高壓氮氣接口，向系統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存儲過渡柜組成。介質存儲過渡柜由蓄能器、減壓閥、兩組氣控閥組成。減壓閥用于設置蓄能器存儲壓力；蓄能器為減少過長的管路對介質壓力的影響，向移動單元蓄能器中供給足量的高壓介質；兩組氣控閥交替開關，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，一部分負責設備的前進后退，上升下降動作，并實現與生產線同步。另一部分負責加注系統的正壓、負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果的顯示，輔助加工人了解加注設備狀態。

圖3 移動單元

加注槍：如圖4所示，包含高壓及低壓加注槍；加注槍將設備與車身管路連接，實現加注過程的流體切換。其內部結構較為復雜，集成夾緊、正壓、負壓、加注、壓力釋放等過程。它是最易影響加注結果的部件，需經常維護保養。

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、標定小車等，及維護所需維修平臺、維修通道等。

4 空調冷媒加注過程

4.1 總體方案

空調冷媒加注設備在設計過程中依據戴姆勒設備標準，其總體方案如圖5所示：PLC負責邏輯控制以及過程控制，PLUS負責車型信息以及結果保存，人機交互界面預設加注配方；掃碼器獲取車輛生產碼；正壓傳感器、真空傳感器、質量傳感器等采集過程數據；PLC根據傳感器數據處理結果發送執行命令控制各執行元器件動作，如真空泵、氣控閥、流量計、加注槍等；行走升降輸送模塊負責與生產線同步，由PLC及變頻器進行控制。

圖5 設備總體方案

4.2 設備加注過程

冷媒加注過程概述如下：選擇加注配方，正壓測試階段，負壓測試階段，冷媒定量加注，數據上傳存檔。其中第2～4步對加注質量尤為重要，戴姆勒標準要求第2～4步過程中系統內壓力應符合如圖6所示曲線。

圖6 加注過程中壓力曲線圖

（1）選擇加注配方。加注配方指根據車型及配置，制定針對該車型該配置的專屬加注參數系列。配方作為設備柔性化重要內容，可實現后續車型的不斷更新，系統支持拓展30種配方，BBAC作為客戶可在新車型導入階段自行配置。配方內容依據研發產品要求及戴姆勒標準要求，由加注過程系列控制參數設置值組成，配方內容框架包含各階段的壓力、時間、壓差、加注量等。

掃描器自動獲取當前生產車輛生產號（PNR），經過PLC生成AMDV形式報文發送PLUS系統，PLUS反饋EMDV結構報文，PLC解析EMDV報文獲得車型及對應的加注配方。

（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：將高壓氮氣注入設備與車身，系統處于高壓填充狀態，監控一定時間內，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。正壓穩壓：正壓結束瞬間，關閉閥門，讀取正壓數值，經過幾秒后，再次讀取傳感器數據，對比壓力變化，一般要求變化值在500mbar以內，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：穩壓結束后，檢查一定時間內，系統密閉狀態下壓力減小值，要求不允許超過30mbar，用于判斷系統是否存在泄漏。正壓釋放：為真空測試階段做準備，釋放系統內高壓，避免高壓損壞真空傳感器。

（3）負壓測試。負壓測試是整個系統氣密性檢查中最重要的環節，是最直接體現系統氣密性好壞的環節。此階段分為五步。其中后四步屬于關鍵步驟，屬于強制要求：粗真空：打開真空回路，利用真空泵抽系統真空，快速大幅降低系統壓力，以達到節省加注節拍的目的。精真空：在粗真空基礎上，再次進行抽真空，要求抽真空時間不低于標準要求時間，如節拍允許，盡可能長，真空達到5mbar以下。真空穩壓：精真空結束瞬間，關閉閥門，讀取真空壓力值，經過幾秒后，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。真空保壓：穩壓結束后，檢查一定時間內，真空壓力變化，要求不允許超過2mbar，用于判斷系統是否存在小泄漏。后真空：此階段為真空補償，對系統再進行一次抽真空，提高真空度，使系統在加注前恢復到5mbar以下真空狀態，減少系統內殘余氣體。

負壓測試不僅是對系統氣密性的檢查，同時，是去除系統內雜質的有效手段，獲得清潔的加注環境及更快的介質加注。

正壓與負壓在氣密性檢測均包含三個環節，分別為壓力建立、穩壓、泄漏檢測。其中穩壓提高了設備的健壯設計，降低了誤差率，由于系統采集正壓與負壓的傳感器與車身系統內壓力值物理位置差異，系統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，將穩壓和泄漏檢測合并，但如此對系統內由于壓力平衡產生的壓力波動無可避免計入泄漏檢測，并且泄漏檢測值設置勢必偏高，意味部分微小泄漏可能并不能被系統所識別。

（4）冷媒定量加注。冷媒加注量對空調性能至關重要，需要嚴格保證加注量的穩定。區別于汽車制動液，冷卻液采用的定壓加注，空調冷媒系統采用定量加注，通過質量流量計實現冷媒加注量的精確控制。

（5）數據上傳存檔。根據戴姆勒要求，車輛過程質量數據(PQD)需要進行存檔。PLC與PLUS之間進行PQD數據通信協議，設備在完成加注后，會將過程質量數據以MQDV報文形式發送至PLUS系統。MQDV是一種結構化的數據集，其包含加注過程中正壓、負壓、介質加注環節等，各項壓力值、加注量、過程時間等過程數據。

5 運維常見問題以及典型問題分析

在加注設備使用過程中，經常發現的問題種類總結如下。

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

這是真空加注技術應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量，管路越復雜，拐點越多，氣體流動越不易，越難抽真空，如圖7所示，某車型空調系統拐點較多；第二，抽真空時間，時間越長，真空效果越好。

圖7 某車型空調系統

在這兩點共識基礎上看待該問題，其原因可歸納為兩種：（1）管路中存在軟管或者拐點很細的部分，第一次抽真空，壺口真空值已達到要求，但系統末端存在殘余空氣未被及時抽出，導致穩壓過程真空波動超過設定值。（2）車輛管路系統中存在水分，尤其是在管路接頭拐點處殘留，隨著系統內壓力越來越低，液態水逐漸氣化，導致系統內真空始終無法達到要求，或者在負壓穩壓過程中，真空波動超過要求，導致加注不成功。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量進行檢查以及控制。對設備而言，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壓失敗

加注夾緊測試發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，設備未與管路連通，進行設備內部氣密性檢查。夾緊測試與真空穩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，檢查加注槍內以及系統內真空回路閥件，按需清潔或更換。

圖8 左：冷媒管路接口；右：加注槍頂部夾緊結構

5.3 正壓壓力無法建立合格

此種情況一般表明系統存在較大泄漏。原因通常是系統管路連接問題，或管路有破損。正壓模擬介質實際工作狀態，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，負壓建立過程中破損處是向內收縮狀態，很大的可能是不會發生被檢測出，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

絕大部分是因為正壓與負壓管路隔離失效，導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，保障讀數正確有效。

5.5 冷媒加注量不夠

質量流量計中進入氣體導致，基本上都發生于設備檢修階段，對補液單元后的閥件進行維修，打開后，冷媒介質逸散，維修后并沒有排空此段空氣，導致氣體進入流量計。除此之外，如果只是單個車輛發生，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品問題，導致管路內部鋁屑造成加注槍以及真空閥的密封不嚴，如圖9所示。

圖9 加注槍閥芯以及真空閥發現的鋁屑

質量部進行產品清潔度檢測（粒子＜1000um,纖維＜3000um），發現來件質量的確存在問題，并且成分主要是鋁，如圖10所示。

圖10 管路清潔度檢測報告

由于管路內這些粒子或者纖維雜質不可避免，即使達到產品要求，仍會存在，日積月累依舊會對設備產生影響，為此我們將加注槍進行升級改造，在原基礎上增加燒結金屬過濾器，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，逐漸恢復到每月清潔，設備表現良好，并沒有發生同樣問題的反彈。

6 預防性以及預測性維護方案

BBAC維修部門，根據設備資料以及過往經驗，制定了包括每日點檢，周期性的預防性維護計劃等常規性維護內容。

針對系統中關鍵的元器件加注槍、真空閥、壓力傳感器、真空傳感器、質量流量計、真空泵、升降/行走Lenze電機等制定周期檢查與維護保養，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，每月更換加注槍密封圈；定期對加注量的校準，每周校準并糾正偏差；年度對壓力/真空傳感器、質量流量計進行第三方專業機構標定；每兩年對真空泵進行廠家專業維修保養，保障真空泵性能。

除以上所述，基于加注過程中會產生大量數據，我們主動進行預測性維護方法探索，并取得了一定成效。通過使用tableau軟件，編寫預測性維護看板，基于過程數據，形成數據趨勢線，在到達某項閾值或者有突變情況下，主動向相關負責人員發送維護工單申請，進行相應檢查工作。

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

圖12 Lenze電機故障預測性維護看板

目前，我們在繼續拓展預測性維護對象，不同于傳統振動監測類預測性維護，我們的方向偏向于對設備的大數據進行數據分析，做出趨勢或異常預測，具有較大發揮空間。比如，加注過程系統內壓力曲線圖，某節點壓力或時間趨勢變化圖等。唯一難點在于數據模型的建立，尤其是報警閾值的設定，這也是目前我們正在研究的方向，通過大量實驗測試總結失效風險點，完善模型，提高預測性維護的準確率。