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平台化设计在商用空调冷水机组产品设计中的应用

2021-02-23陈宾宾 徐燕华

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文中旨在分析平台化设计在空调产品设计中的应用,从而减少设计或工艺开发周期,以降低产品设计、零部件采购、工艺设计、生产制造、物流成本,不仅可以实现产品通用化、平台化和模块化,更使得产品具有更低的开发成本和更短的开发周期。

0 引言

    平台化设计已普遍应用于汽车行业,就目前而言,汽车行业的平台化设计主要集中在发动机和电气技术的平台化,以及车架、底盘设计的结构平台化。即一个平台的车系中,是在同一个动力总成和电气技术平台、车架和底盘结构平台上进行设计的,同一平台的动力总成技术、电气技术、车架结构和底盘结构形式一般基本相同,通过造型、配置和简单的结构变化,同一平台上可以衍生出几种或十几种车型,以满足不同客户群体的需求。

    另外,汽车行业由于采用平台化设计,产品设计更多的是在原平台技术和结构基础上进行简单的修改(MODIFY)而不是重新设计(NEW),这使得产品设计和零部件开发的工作量减少,零部件的通用化率提高、采购成本降低。同样,对于工艺设计来说,工艺方法、流程和设备更通用化,降低制造成本。由此可见,在平台化下,产品的设计、生产、采购等更具通用性,以此降低成本和提升效率。目前商用空调普遍存在产品开发周期较长、产品平台较为单一的情况。那么商用空调是否也可以借鉴汽车行业的平台化设计,以此缩短开发周期、丰富产品系列呢?下面我们就来探讨其可行性。

1 商用空调冷水机组基础结构

    冷水机组的四大核心部件为压缩机、冷凝器、蒸发器和节流装置。四大部件细分后有多种类型,常用的种类如图1所示。

冷水机组基础结构

图1 冷水机组基础结构

2 传统产品开发流程

    传统设计流程如图2所示,先由产品经理根据客户或市场需求,总结归纳出需要开发的产品的具体性能目标、冷量范围、应用场合、成本需求等,并提交给项目团队。当上述需求确立后,四大核心部件类型已基本明确,项目团队便按照需求设计开发零部件和产品(如图3)。此种开发模式可以认为是定向开发、趋近于定制化的需求,不会过多考虑现有的产品、技术,通用性和标准化设计也只限定于本项目中的多个机组之间,这样就导致了零部件数量较多、开发周期较长的问题,按照此前的经验,新产品的开发周期通常会在2a以上,有的甚至达到5a之久。很显然,面对不断变化的市场和客户需求,这样的新产品开发周期会使得产品滞后于市场,以至于不能达到产品开发之初订立的商业目标。

新产品需求定义

图2 新产品需求定义

新产品选型设计

图3 新产品选型设计

    起初,为了让产品更快地投向市场,首先想到的是从项目管理角度出发,分阶段来开发产品、分阶段投放市场,并逐步完善产品选型配置,但归根结底,此方法并未从根本上解决整个产品的开发周期问题。于是,跨界思考给了我们新的启示,通过借鉴汽车行业的平台化设计,开始思考、总结,并形成新的适用于商用空调领域的平台化开发设计思路,下面我们就来探讨平台化设计与商用空调相结合的应用案例。

3 新平台化开发流程

    3.1 模块化设计

    为了满足平台化开发的需求,首先我们需要对现有的主要功能性零部件做模块化配置,可引入参数化设计概念,减少建模和图样等设计工作量。主要功能性零部件包括风机模块、盘管V形模块、蒸发器模块、压缩机模块等。

    1)风机模块。可以使用相同的Fan Deck和叶片设计,配合不同的电动机、风罩、控制逻辑,将现有的风冷机组的风扇模块标准化。

风机模块

图4 风机模块

    2)盘管V形模块。盘管作为风冷机组的核心部件,盘管的大小直接决定机组的换热量。传统的定制化产品设计时,通常根据机组的冷量需求,单独设计盘管尺寸,造成不同产品、不同冷量的盘管尺寸不同、型号多样,生产、采购、堆料等都耗费较大资源。现设计标准化的V形模块,然后通过V形模块拼接的方式,适配不同产品、不同冷量的机组。

盘管V形模块

图5 盘管V形模块

    3)蒸发器模块。蒸发器也是商用空调机组的核心部件,其大小也直接取决于机组冷量。对于壳管式蒸发器,可以通过筒体直径和长度变化来改变换热量;对于板式换热器,选定几种常用的板式换热器型号,通过变换片数来满足换热量需求。

    4)涡旋压缩机模块。通用一款涡旋压缩机,选用了3个冷吨型号的涡旋压缩机,通过并联,可得到十几种冷吨配置,以满足不同大小机组的需求,且保证单压缩机零件采购批量大、通用性强。

    3.2 平台化产品系列

    通过零部件模块化,新的产品平台搭建可参考表1来进行部署。同一产品中不同选型和冷量的系列化机组,通用性高、结构一致性强。通过平台化设计,不同产品也具备一定的相似性,例如水冷磁悬浮,仅是在水冷螺杆B上通过变更压缩机、局部调整管路走向,便实现了高能效低GWP HFO类制冷剂的适配;再例如风冷涡旋A、B、C三款产品,通过冷凝器、蒸发器的变化,突破了产品应用场所的限制,对于一些水侧环境较恶劣的地区或客户,蒸发器可以不采用板式换热器,而是采用壳管式蒸发器的风冷涡旋产品C。同样,对于一些恶劣气候条件的区域,客户仍倾向传统的翅片盘管的产品,平台化的产品既可以满足不同客户的需求,又不会对生产、采购造成库存、工艺的负担。

表1 新平台化产品系列

新平台化产品系列

    从成本上看,基础平台搭建后,新零件的数量仅占30%,70%为沿用件或共用件,且核心零部件均为沿用件或共用件,大大降低了零部件的开发成本(测试费用)和生产成本(连续生产的费用是最低的)、改造成本(生产线只需局部改造,可共线生产)、管理成本(如库存和物流成本)、配件成本等。

    从时间上看,由于大部分核心零部件不需要重新开发,也不需要重新做零部件的验证工作,这样就使得测试验证的工作量明显变少,开发周期大大缩短,于是整个产品的设计、制造、验证、投产的周期也变短。而生产过程不需要大的变动,生产线的设计与验证时间也大大缩短。

    从质量上看,沿用成熟的通用件不仅可以减少新开发件的前期故障和质量风险,还可以通过增加产能来增加重复性,以此提高产品的质量稳定性。

    3.3 产品的升级与迭代

    在产品平台建立后,为了给客户提供更多的选择、满足客户个性化的需求,也可以借鉴产品迭代更新的理念,即在产品发布上市后,通过更新控制软件,增加一些功能性零部件,改造现有产品等方式,可实现客户端既有产品的升级,例如超静音改造、变频改造、新制冷剂适配改造、集成控制等。

4 新平台化设计与传统设计的开发周期对比

    为了更好地了解平台化设计对项目开发周期的影响,我们按照图6对项目进行了大、中、小的划分,并根据项目的实际运作情况,统计出表2所示的平均项目运作周期。

项目大小划分

图6 项目大小划分

表2 新平台化设计和传统设计的开发周期对比 a

新平台化设计和传统设计的开发周期对比

5 结语

    综上所述,对于商用空调产业而言,该平台化的设计突破了原来各厂家产品平台单一、种类不多的情况,随着平台化的进一步完善和推广,相信产品系列可以更加多样化,更具个性化。核心零部件的沿用与共用,也大大降低了故障率和质量风险,为生产企业带来更高的生产效率、更大的收益,也为客户带来更稳定的产品、更具特色的升级服务。 

责任编辑:程玥
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