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，其核心先導部件——換擋開關電磁閥應具有延遲時間短、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)設計方法結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系.

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

1 換擋開關電磁閥工作原理[4]

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

圖1 換檔開關電磁閥原理圖

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

1.1 動態(tài)響應特性

換擋開關電磁閥工作時，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.在換擋開關電磁閥通電之前，動鐵芯在彈簧的預緊力作用下，動鐵芯壓住球閥，使其處于關閉狀態(tài).當電磁閥通電后，動鐵芯受到電磁力的作用而克服彈簧預緊力，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狀態(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，球閥關閉.

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

圖2 換擋開關電磁閥響應特性示意圖

1.2 輸出電磁力特性

換擋開關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(計算假設在文獻[1]中已有闡述)可簡化為

當電磁閥的線圈匝數(shù)N，靜鐵芯截面積A，空氣的真空磁導率μ0等主要結構參數(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.

2 換擋開關電磁閥多目標優(yōu)化模型

換擋開關電磁閥是綜合傳動換擋執(zhí)行機構的關鍵先導元件，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構參數(shù).

2.1 優(yōu)化目標和優(yōu)化參數(shù)

優(yōu)化目標是達到換擋開關電磁閥的開啟延遲時間fds(x)最小、關閉延遲時間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 為設計參數(shù)變量.

圖3 電磁閥優(yōu)化參數(shù)設計示意圖

2.2 多目標優(yōu)化模型

在換擋開關電磁閥多目標優(yōu)化計算中，使用多學科軟件AMESim軟件對換擋開關電磁閥電磁力和延遲時間進行計算，采用Design Exploration工具對換擋開關電磁閥的多個關鍵結構參數(shù)進行優(yōu)化分析.

換擋開關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

換擋開關電磁閥球閥部件模型，是根據(jù)其結構特點和工作原理利用AMESim軟件建立的.其結構特點是具有能夠?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電磁閥的多目標優(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電磁閥的動態(tài)特性.

3 換擋開關電磁閥多目標優(yōu)化仿真

3.1 多目標模擬退火算法MOSA

多目標模擬退火算法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為多目標模擬退火算法與優(yōu)化問題概念對應關系.

表1 優(yōu)化問題與模擬退火概念對比

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

圖5 換擋電磁閥MOSA優(yōu)化示意圖

3.2 多目標優(yōu)化仿真及結果分析

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

圖6 換擋電磁閥多目標優(yōu)化Pareto前沿

優(yōu)化目標有3個:換擋開關電磁閥的輸出電磁力最大，開啟延遲時間最小和關閉延遲時間最小.從圖6可以得出A點作為優(yōu)化前換擋開關電磁閥參數(shù)點，B點為優(yōu)化后換擋開關電磁閥參數(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，但關閉延遲時間有較大程度的降低.表2為多目標優(yōu)化結果.

表2 換擋開關電磁閥多目標優(yōu)化設計后結果

優(yōu)化仿真結果表明:當換擋開關電磁閥驅(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，而且渦流效應增加，會影響電磁力增大;提高換擋開關電磁閥的溫度，需要折中考慮;換擋開關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閉延遲有較大影響，減小工作氣隙可以顯著提高換擋開關電磁閥動態(tài)響應特性.

4 結論

依據(jù)多目標模擬退火優(yōu)化算法，利用機電液多學科仿真軟件工具，對綜合傳動裝置換擋開關電磁閥的響應特性和電磁力特性進行了優(yōu)化設計，優(yōu)化結果表明:開啟延遲時間由2 ms降低到1.7 ms，關閉延遲時間由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)化模塊進行多目標優(yōu)化設計，優(yōu)化設計結果還有待試驗證明.

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