原理解的组合与筛选方案优化

1.原理解的组合

分工能原理解法的组合是将分功能解合成为一个整体设计方案，以实现总功能的过程。进行组合的依据是系统功能结构图，按其规定的各个分功能排列顺序进行组合。

对于比较简单的产品系统，可凭设计师的经验进行组合，得到有限的方案。而对于比较复杂的系统一般采用下列所介绍的形态学矩阵法，见表5-12。

形态学矩阵法是在形态学矩阵的基础上进行系统的分解与组合，寻找最优解。它采用矩阵的形式，第一列A，B，C，…，n为产品的分功能；而对应于每个分工能的横行则为该项分功能的可能的解法，如A₁，A₂，A₃，…，A_i。组合时从每个分功能中挑选出一个解，便形成一个包括全部分功能的原理组合的整体方案。例如图示中的组合方案①、②。

表5-12 形态学矩阵

从理论上说，可以组成整体方案的数量等于各行解法个数的连乘积。但实际可行的仅为其中的少部分方案。采用系统组合法应特别注意以下几点：

1）分功能原理解法应具有相容性，否则不能组合。在功能结构中，其能量流、物料流和信号流之间，应互不干扰。各个分功能的解，在几何学和运功学上应协调一致，互不矛盾。对于那些存在干扰和矛盾的方案应予剔除。

2）原理解组合后，应具有先进性、合理性与经济性。为此，可先剔除那些不能满足设计要求和约束条件或不太令人满意的解法，如严重污染、不够安全、加工困难或成本偏高、效率偏低的解答。

3）应优先选用主要分功能较佳的解法，并由此项解法出发，选择与其相容的其他分功能解法。下面举例说明。

【案例5-18】露天矿开采挖掘机的功能分析与原理方案组合

解：1）用黑箱法表示挖掘机的总功能（图5-48）

2）总功能分解

①总功能分解的依据。以下“挖掘机技术流程”是进行总功能分解的基本依据。一般机器多由原动机、传动系统、工作机构、控制系统和支撑体等五部分组成。其技术过程一般是按照以下规律：“原动机→传动→控制→工作机构”，并可用技术流程图（图5-49）加以表示。

图5-48 挖掘机总功能黑箱示意图

图5-49 挖掘机技术流程图

②总功能分解。将总功能逐项分解，如图5-50所示。

3）建立功能结构图。第一步建立总功能与一级分功能的功能结构图，如图5-49挖掘机技术流程图所示。第二步建立二级功能结构图，如图5-51挖掘机的功能结构图所示。

图5-50 挖掘机总功能分解图

图5-51 挖掘机的功能结构图

4）寻找原理解法和原理解法的组合。首先依据功能结构图寻求各个分功能的原理解，然后利用形态学矩阵法进行原理解的组合，可得到多种解。理论上可能的组合方案数为

W=（3×3×2×3×1×4×4×3×4）种=10368种

根据设计要求明细表对功率的要求，在能量传递与分配分功能中，采用链传动和V带传动显然与设计要求不相容的，应去掉。故组合方案被减少一半，为5184个。

在此基础上，再进行定性筛选、评价，最后决策出最佳方案。如表5-13所示的组合方案①、②。其中①为履带机械式反铲挖掘机；②则为轮胎液压式反铲挖掘机。

表5-13 挖掘机原理解的组合

【案例5-19】汽车举升机的功能分析与原理方案组合

解：1）用黑箱法表示汽车举升机的总功能（图5-52）

2）总功能分解

①总功能分解的依据。依据图5-53汽车举升机的技术过程流程图。

②总功能分解。将总功能逐项分解，如图5-54所示。(www.xing528.com)

图5-52 汽车举升机的总功能

图5-53 汽车举升机的技术过程流程图

图5-54 汽车举升机的总功能分解图

3）寻找原理解法和原理解法的组合。根据前述方法，可建立汽车举升机的系统解的形态学矩阵，如表5-14所示的汽车举升机的原理解的组合。从表中可求出理论方案数为W=6×4×6×3×3×4×3×6=94197（种）。然后根据选择原理方案的三项原则，结合现有资料信息与工程设计经验，从中筛选出几种可行的方案提供评价决策，最后确定最佳方案，例如方案①与方案②。

表5-14 汽车举升机的原理解的组合

方案①为：（A3+B1+C2+D1+E3+F1+G2+H1）组合而成，为电动机械式双柱式汽车举升机。

方案②为：（A3+B1+C2+D1+E3+F1+G2+H5）组合而成，为移动式四柱电动汽车举升机。

2.组合原理解的筛选

组合原理解的筛选是指按已经确定的评价标准，从众多个不同优缺点的初选方案中，筛选出几个比较有希望的方案，供后续设计过程中进一步筛选。

下面提供一种比较有效的筛选表法（表5-15）。其具体作法是：首先制订一套评选标准，其次根据评价标准将明显不合适的方案淘汰掉，然后将参选的方案列于筛选表中，接着按评选标准判别选定几个比较有希望的方案来。

表5-15 组合方案筛选表

（1）表中所列的六项评选标准

1）与设计任务相符。

2）能够满足设计要求明细表上的要求。

3）从原则上（如作用效应原理、参数、总体布置等）看来，有实现的可能性。

4）预计的耗费在容许的范围之内。

5）能够符合直接安全技术和人体工程系要求。

6）销售在特定的范围内，就已知的或已经具备的技术、工艺、材料以及相关的专利等情况来看易于实现。因此，可以在适当的范围内优先考虑。此外，还可以视需要，再增减若干标准内容。

（2）方案判定结果的表示符号

1）“+”：表示肯定，解题继续进行。

2）“-”：表示否定，解题被淘汰。

3）“？”：表示资料不足，尚难判断，需要补充资料重新评价。

4）“！”：表示要求明细表中的某些要求不恰当，需要检查修改明细表。

当对各项标准都评定出结果并填在相应的格内后，便可对每个方案进行总评，且总评的结果也可以分为四级，仍然采用上述四种符号加以表示。

（3）总评的结果的表示符号

1）总评为“+”。如果一个方案的各项评判结果均为“+”，则总评结果也为“+”，表示肯定该方案，该方案应继续进行。

2）总评为“-”。只要在重要的标准项中，有一项评为“-”，则总评结果也为“-”，表示否定，即该项方案应被淘汰。

3）总评为“？”。表示资料不足，尚难判断，需要补充资料重新评价。

4）总评为“！”。表示要求明细表中的某些要求不恰当，需要检查修改明细表。