綜合傳動裝置換擋開關(guān)電磁閥多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計

熊慶輝，顧宏弢，李 娟，王 敏

(中國北方車輛研究所車輛傳動重點實驗室，北京 100072)

坦克裝甲車輛綜合傳動裝置的換擋策略由電液操縱裝置執(zhí)行完成，其核心先導(dǎo)部件——換擋開關(guān)電磁閥應(yīng)具有延遲時間短、電磁吸力大和高溫下工作可靠的特點.

劉潛峰[1]等人基于DOE參數(shù)設(shè)計方法結(jié)合電磁場有限元分析軟件ANSYS，對直動電磁閥的參數(shù)敏感性開展了仿真分析，獲取了電流等關(guān)鍵參數(shù)對直動電磁閥的性能敏感性影響水平;歐大生[2]等人搭建了電磁閥鐵芯加速度測試臺架，研究電磁閥動態(tài)特性與鐵芯材料的關(guān)系;鄒開鳳[3]等人通過試驗研究了不同驅(qū)動參數(shù)對電磁閥特性的影響，獲得了不同鐵芯回火溫度與電磁閥鐵芯加工后磁性能的關(guān)系.

但是以上研究多是針對開關(guān)電磁閥動態(tài)響應(yīng)特性或電磁力的單目標(biāo)分析和優(yōu)化，不能滿足換擋開關(guān)電磁閥優(yōu)化設(shè)計，因此本研究采用模擬退火算法(MOSA)，結(jié)合換擋開關(guān)電磁閥的AMESim機電液模型，使用多目標(biāo)優(yōu)化工具，建立了換擋開關(guān)電磁閥多目標(biāo)優(yōu)化模型，優(yōu)化設(shè)計結(jié)果表明開關(guān)電磁閥的響應(yīng)性和電磁力數(shù)值均得到了提高.

1 換擋開關(guān)電磁閥工作原理[4]

通過控制綜合傳動裝置換擋開關(guān)電磁閥的開關(guān)狀態(tài)來判斷相應(yīng)油路的通斷，從而決定不同油缸的結(jié)合順序，得到預(yù)期的換擋規(guī)律，圖1為換擋開關(guān)電磁閥原理圖.

圖1 換檔開關(guān)電磁閥原理圖

換擋開關(guān)電磁閥的動態(tài)響應(yīng)特性和輸出電磁力是評價換擋開關(guān)電磁閥的主要特性.

1.1 動態(tài)響應(yīng)特性

換擋開關(guān)電磁閥工作時，其動鐵芯的運動過程分為以下3個階段:

1)動鐵芯與靜鐵芯吸動過程.在換擋開關(guān)電磁閥通電之前，動鐵芯在彈簧的預(yù)緊力作用下，動鐵芯壓住球閥，使其處于關(guān)閉狀態(tài).當(dāng)電磁閥通電后，動鐵芯受到電磁力的作用而克服彈簧預(yù)緊力，開始運動，直到達到限定位置，從而開啟球閥，使其打開預(yù)定開度.

2)動鐵芯與靜鐵芯保持吸動過程.根據(jù)換擋控制邏輯，保持電磁閥驅(qū)動電流在預(yù)定數(shù)值，使得動鐵芯克服彈簧力與靜鐵芯保持吸動狀態(tài)，此過程動鐵芯理論上處于靜止?fàn)顟B(tài)，處于受力平衡，球閥也保持最大開度.

3)動鐵芯與靜鐵芯分離過程.根據(jù)換擋邏輯，電磁閥卸載驅(qū)動電流，從而電磁力在較快的時間內(nèi)降低為零，動鐵芯在彈簧力的作用下克服球閥液壓力，與靜鐵芯分離，球閥關(guān)閉.

從電磁閥工作的3個過程可知，換擋開關(guān)電磁閥的響應(yīng)特性主要由其開啟延遲時間和關(guān)閉延遲時間來表征，如圖2所示.

圖2 換擋開關(guān)電磁閥響應(yīng)特性示意圖

1.2 輸出電磁力特性

換擋開關(guān)電磁閥的最大輸出電磁力是表征電磁閥驅(qū)動能力的重要參數(shù)，主要定義為電磁閥在最大允許驅(qū)動載荷內(nèi)，施加最大驅(qū)動電流，且保持電流在一段時間穩(wěn)定后的情況下獲得的電磁力.

其計算公式(計算假設(shè)在文獻[1]中已有闡述)可簡化為

當(dāng)電磁閥的線圈匝數(shù)N，靜鐵芯截面積A，空氣的真空磁導(dǎo)率μ0等主要結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，電磁力Fm只與線圈所加的電流i和銜鐵運動造成的氣隙δ有關(guān).

2 換擋開關(guān)電磁閥多目標(biāo)優(yōu)化模型

換擋開關(guān)電磁閥是綜合傳動換擋執(zhí)行機構(gòu)的關(guān)鍵先導(dǎo)元件，主要由液壓球閥、電磁閥線圈和多孔閥體組成.在諸多參數(shù)中，影響其動態(tài)特性的主要因素為電磁線圈部件和動鐵芯的結(jié)構(gòu)參數(shù).

2.1 優(yōu)化目標(biāo)和優(yōu)化參數(shù)

優(yōu)化目標(biāo)是達到換擋開關(guān)電磁閥的開啟延遲時間fds(x)最小、關(guān)閉延遲時間fdc(x)最小和電磁力F(x)最大的目的.優(yōu)化參數(shù)有 (見圖3):靜鐵芯內(nèi)徑dtx1、線圈寬度hxq、靜鐵芯外徑dtx2、工作氣隙hqx、銜鐵厚度hxt和線圈匝數(shù)N，等等，數(shù)學(xué)描述為:

Minimize fds(x);

Minimize fdc(x);

Maximize F(x).

約束條件:gi(x)≥0，hi(x)=0，(i=1，2，3，.......，n).

x=(B － H，dtx1，dtx2，hxq，hqx，N，hxt)T，x 為設(shè)計參數(shù)變量.

圖3 電磁閥優(yōu)化參數(shù)設(shè)計示意圖

2.2 多目標(biāo)優(yōu)化模型

在換擋開關(guān)電磁閥多目標(biāo)優(yōu)化計算中，使用多學(xué)科軟件AMESim軟件對換擋開關(guān)電磁閥電磁力和延遲時間進行計算，采用Design Exploration工具對換擋開關(guān)電磁閥的多個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化分析.

換擋開關(guān)電磁閥機電液模型利用AMESim軟件建立，如圖4所示，其中換擋電磁部件屬于機電轉(zhuǎn)換部分.其電磁驅(qū)動部分的模型采用電路元件和機電元件來建立.機電元件輸出特性采用電磁有限元仿真結(jié)果，包括工作氣隙、磁勢、電磁力和工作氣隙、磁勢、電流2個數(shù)據(jù)圖譜，根據(jù)輸入電壓和工作氣隙計算出不同的電磁力，此電磁力作為液壓球閥的力輸入.

圖4 換擋電磁閥機電液模型

換擋開關(guān)電磁閥球閥部件模型，是根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點和工作原理利用AMESim軟件建立的.其結(jié)構(gòu)特點是具有能夠?qū)崿F(xiàn)兩位三通功能的上下2個密封座面，及進油通道、出油通道和回油通道，并采用具有理想限位的質(zhì)量塊模型進行球閥的位置控制.

將電磁閥機電部分和球閥部分進行連接從而完成整個換擋開關(guān)電磁閥的多目標(biāo)優(yōu)化模型，并以某一換擋執(zhí)行油缸作為電磁閥負載，可以較好地計算換擋開關(guān)電磁閥的動態(tài)特性.

3 換擋開關(guān)電磁閥多目標(biāo)優(yōu)化仿真

3.1 多目標(biāo)模擬退火算法MOSA

多目標(biāo)模擬退火算法MOSA(Multi-Objectives Simulated Anneal)是一種用以解決具有多峰和非光滑性的高難度非線性優(yōu)化問題的高效快速的全局優(yōu)化算法[4].其優(yōu)點是產(chǎn)生的解是全局最優(yōu)解而不是局部最優(yōu)解、肯定收斂且收斂速度較快，其新解精度的有限性導(dǎo)致在到達最優(yōu)解90% 的地方收斂速度較為減慢[5-7].表1為多目標(biāo)模擬退火算法與優(yōu)化問題概念對應(yīng)關(guān)系.

表1 優(yōu)化問題與模擬退火概念對比

換擋開關(guān)電磁閥優(yōu)化目標(biāo)多，被優(yōu)化參數(shù)多，因此參數(shù)對目標(biāo)優(yōu)化影響水平差別較大;而且換擋開關(guān)電磁閥液壓系統(tǒng)屬于非線性、大遲滯系統(tǒng)，優(yōu)化過程比較復(fù)雜，優(yōu)化時約束也比較復(fù)雜，可能具有較多的局部最優(yōu)解;另外對換擋開關(guān)電磁閥優(yōu)化問題的部分設(shè)計空間不甚了解，比如高溫下?lián)Q擋開關(guān)電磁閥參數(shù)影響性能水平的程度.所以，換擋開關(guān)電磁閥的優(yōu)化適合選用多目標(biāo)模擬退火優(yōu)化算法，圖5為運用多目標(biāo)模擬退火算法進行換擋開關(guān)電磁閥優(yōu)化的示意圖.

圖5 換擋電磁閥MOSA優(yōu)化示意圖

3.2 多目標(biāo)優(yōu)化仿真及結(jié)果分析

結(jié)合三維氣泡圖對換擋開關(guān)電磁閥三目標(biāo)多變量優(yōu)化結(jié)果進行后處理，其中橫坐標(biāo)代表關(guān)閉延遲時間，縱坐標(biāo)代表開啟延遲時間，氣泡直徑代表電磁力最大值，圖6為換擋開關(guān)電磁閥電磁力、開啟延遲時間和關(guān)閉延遲時間3個目標(biāo)函數(shù)的Pareto最優(yōu)解集前沿.

圖6 換擋電磁閥多目標(biāo)優(yōu)化Pareto前沿

優(yōu)化目標(biāo)有3個:換擋開關(guān)電磁閥的輸出電磁力最大，開啟延遲時間最小和關(guān)閉延遲時間最小.從圖6可以得出A點作為優(yōu)化前換擋開關(guān)電磁閥參數(shù)點，B點為優(yōu)化后換擋開關(guān)電磁閥參數(shù)點.亦可從圖6看出:電磁力最大值有一定增加，開啟延遲時間有較小程度的降低，但關(guān)閉延遲時間有較大程度的降低.表2為多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果.

表2 換擋開關(guān)電磁閥多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計后結(jié)果

優(yōu)化仿真結(jié)果表明:當(dāng)換擋開關(guān)電磁閥驅(qū)動電流不變時，增加線圈匝數(shù)可以大大增加輸出電磁力數(shù)值，因此需要增加靜鐵芯內(nèi)徑、線圈寬度和靜鐵芯外徑;增加銜鐵厚度，可以在較大程度上降低銜鐵部分的磁阻，提高工作氣隙的磁通量和磁勢，使得輸出電磁力數(shù)值增加，但是厚度過大，銜鐵質(zhì)量增加明顯，而且渦流效應(yīng)增加，會影響電磁力增大;提高換擋開關(guān)電磁閥的溫度，需要折中考慮;換擋開關(guān)電磁閥動鐵芯與靜鐵芯間工作氣隙對電磁閥開啟延遲和關(guān)閉延遲有較大影響，減小工作氣隙可以顯著提高換擋開關(guān)電磁閥動態(tài)響應(yīng)特性.

4 結(jié)論

依據(jù)多目標(biāo)模擬退火優(yōu)化算法，利用機電液多學(xué)科仿真軟件工具，對綜合傳動裝置換擋開關(guān)電磁閥的響應(yīng)特性和電磁力特性進行了優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化結(jié)果表明:開啟延遲時間由2 ms降低到1.7 ms，關(guān)閉延遲時間由1.9 ms降低到1.56 ms，電磁力由28 N提高到36 N.該設(shè)計方法的創(chuàng)新點是利用仿真工具AMESim及其優(yōu)化模塊進行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計結(jié)果還有待試驗證明.

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