基于功能元的轉轍機系統方案設計

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（北京中鐵通電務技術開發有限公司，北京 100166）

方案設計是產品設計的關鍵環節之一，是在整個設計過程中最能體現設計師經驗與智慧、最富有創造性的優化設計過程，它在很大程度上決定著產品的市場潛力和效益。一個完整的方案設計要經過需求建模、功能分解、功能元求解等階段逐步生成產品結構，每一階段都蘊涵著可實現創新設計的大量機遇，其中的功能元求解更是富有創造性的內容[1]。國內的鄒慧君教授以機械運動系統為研究對象，用組合分類法對機構分類，建立相應的存儲和編碼規則，以二元邏輯推理和模糊綜合評價相結合的方法建立推理機制，得出可行的方案解[2]。文獻[3]應用數學方法，描述了機械產品概念設計過程模型（功能—行為—結構—環境約束）的各要素及其相互關系,提出了在產品任務書中析取功能信息的方法，建立了功能分解準則，利用迭代算法創建了行為關系樹與實現產品功能概念解得整個設計過程的形式化表達。

轉轍機是集中聯鎖車站轉換道岔的極其重要基礎設備，隨著客運專線、高速線路的發展，對道岔轉換系統提出更高的要求，長壽命、高可靠、免維護和無維修等特征成為新一代轉轍機必備的特性，因此對轉轍機的方案設計進行研究尤為重要。

1 機械產品方案設計過程模型

產品方案設計首先需要根據最初的設計任務和功能需求抽象出產品的總功能，而產品方案通常是比較復雜的，難以直接求得滿足總功能的方案解，因此需將總功能分解為一系列的功能元以及它們之間的信號、運動等物理關系，從而建立產品的功能結構圖。

建立功能結構后，需要為功能結構中的每個功能元尋找可以實現該功能元的功能載體，并按功能結構圖中邏輯物理關系組合出產品方案。由于功能元和功能載體間是多對多的關系，某功能元能有多個與之匹配的功能載體，因此就存在組合優化問題，以得到最優的方案組合來實現產品的功能要求。

根據產品的功能需求分析可以得知各功能元的性能要求，而性能要求有些是相互矛盾的，一個功能載體很難同時滿足這些需求，需根據實際情況以及最終產品需要，給出不同性能要求的性能權重，從而建立產品的性能評價約束，根據性能評價約束對產品方案進行性能評價。

最后根據機械產品方案優化設計數學模型[4]，定義兩個功能元載體間一個的輸出特性與另一個的輸入要求之間的距離為廣義距離，用字母D表示，并用D來表示功能載體間的評價值，值越小表示兩個功能載體越容易組合。通過計算各種組合方案的廣義距離得出最優的方案解。

機械產品方案設計過程模型如圖1所示。

2 轉轍機系統方案設計

2.1 轉轍機概述

轉轍機是道岔控制系統的執行機構。用于轉換鎖閉道岔尖軌或心軌，表示監督聯鎖區內道岔尖軌或心軌的位置和狀態。轉轍機的作用：1）轉換道岔的位置，根據需要轉換至定位或反位；2）道岔轉換到所需的位置并密貼后，實現鎖閉，防止外力轉換道岔；3）正確反映道岔的實際位置，道岔尖軌密貼于基本軌后，給出相應的表示；4）道岔被擠或因故處于“四開”位置時，及時給出報警和表示[5]。

2.2 轉轍機方案設計

1）轉轍機總功能

轉轍機用于轉換道岔的尖軌或心軌，主要實現機構的直線往復運動，同時在終端位時具有鎖閉功能，并能給出信號表示。

2）轉轍機功能元結構圖

根據轉轍機的基本功能分析，轉轍機系統總功能可分為動力系統、傳動系統、鎖閉系統、執行系統、表示系統等功能元，從而建立轉轍機的功能元結構圖，如圖2所示，它反映了各功能元之間的物理邏輯關系，各功能元之間通過相互作用，共同實現轉轍機的總功能。

3）各功能元的功能載體庫

采用面向對象的方法建立轉轍機各功能元的功能載體數據庫，將轉轍機中的功能載體以對象表示。建立的數據庫應盡可能充分完備，易于擴展維護，且便于根據功能或性能要求進行檢索。功能載體數據庫中的內容來源于設計規范、設計手冊和技術參考資料等，其中應包括功能載體的輸入要求和輸出特性。

4）轉轍機的性能評價

根據轉轍機的工作性能、機構特性等方面建立各功能元的性能評價約束，如圖3所示。性能評價根據各性能目標的重要程度設置權重。權重是反映目標重要程度的量化系數，權重越大，意味著重要程度越高。為便于分析計算，取各性能權重gi＜1，且∑gi=1。按各評價目標的重要程度排序，用強制判定法求權重，它是將評價目標和比較目標分別列于判別表的縱橫坐標，根據評價目標的重要程度兩兩加以比較，并給分于相應表格中。兩目標同等重要各給2分；某項比另一項重要分別給3分和1分；某項比另一項重要的多，則分別給4分和0分，最后通過計算求出各權重gi，gi=ki / ∑ki。

5）轉轍機方案

根據前面建立的轉轍機功能元的功能關系圖，在功能載體數據庫中檢索出與各個功能元匹配的功能載體，每個功能元都能找到多個與之匹配的功能載體。

轉轍機的功能結構圖中各功能元各選一個功能載體就形成一種轉轍機方案，將各功能元的每一個功能載體做為一個節點，當用到兩節點間的距離時，把一節點（也就是功能載體）的輸出特性與要選擇的下一節點輸入要求進行相似比較，計算出相似度，進而求得兩節點間的廣義距離。在滿足各功能元性能評價目標的條件下，廣義距離最小的轉轍機方案為最優方案。

一種電動轉轍機的結構簡圖如圖4所示，實現了直線往復運動的輸出，轉轍機具有轉換力大、效率高等特點。其各功能元對應的功能載體如下。

動力系統：三相交流電動機。

傳動系統：齒輪傳動機構。

鎖閉系統：燕尾式鎖閉機構。

執行系統：滾珠絲杠執行機構。

表示系統：排弧式接點系統。

3 結論

本文利用一種機械產品方案設計過程模型，應用于轉轍機系統方案設計中，取得了較好的效果，同時在以下幾個方面比較有意義。

1）模塊化設計。通過對轉轍機系統進行功能分析，構建了轉轍機功能元結構圖，轉轍機通過各功能元之間的相互配合完成總功能。在方案設計過程中，由于各功能元的功能載體采用面向對象技術進行封裝，每一個功能載體可作為一個功能模塊，功能模塊選擇的不同，可實現各種類型轉轍機系統方案，如電動、電液、直流和交流等。在下一步的具體結構設計中，結合具體功能模塊的尺寸、結構等因素，則可實現模塊化設計。

2）參數化設計。通過產品方案設計過程模型，根據各功能元的具體性能評價目標，可以程序化方式進行設計方案求解，即可實現參數化方案設計。為具體的方案設計提供依據，拓展設計思路，更進一步可進行人機交互式方案設計。

[1] Kollerr.Erfiden technisher produkte and patentrecht aussichtder konstruktion swissens chaft [J].Konstruktion，1996，48（6）：121-132.

[2]鄒慧君，顧明敏.機械系統方案設計專家系統：初探（一）—知識庫管理系統的建立[J].機械設計，1996（5）：26-28.

[3]張國全，張衛國，鐘毅芳.機械產品概念設計過程模型的形式化表達[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2005，17（2）：327-333.

[4]許可證，趙勇.面向方案組合優化設計的混合遺傳螞蟻算法[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2006，18（10）：1587-1593.

[5]郭進，魏艷，劉利芳，等.鐵路信號基礎設備[M].成都：西南交通大學出版社，2008.