熊慶輝，顧宏弢，李 娟，王 敏

(中國(guó)北方車輛研究所車輛傳動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100072)

坦克裝甲車輛綜合傳動(dòng)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(kāi)關(guān)電磁閥應(yīng)具有延遲時(shí)間短、電磁吸力大和高溫下工作可靠的特點(diǎn).

劉潛峰[1]等人基于DOE參數(shù)設(shè)計(jì)方法結(jié)合電磁場(chǎng)有限元分析軟件ANSYS，對(duì)直動(dòng)電磁閥的參數(shù)敏感性開(kāi)展了仿真分析，獲取了電流等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)直動(dòng)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(cè)試臺(tái)架，研究電磁閥動(dòng)態(tài)特性與鐵芯材料的關(guān)系;鄒開(kāi)鳳[3]等人通過(guò)試驗(yàn)研究了不同驅(qū)動(dòng)參數(shù)對(duì)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(duì)開(kāi)關(guān)電磁閥動(dòng)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(kāi)關(guān)電磁閥優(yōu)化設(shè)計(jì)，因此本研究采用模擬退火算法(MOSA)，結(jié)合換擋開(kāi)關(guān)電磁閥的AMESim機(jī)電液模型，使用多目標(biāo)優(yōu)化工具，建立了換擋開(kāi)關(guān)電磁閥多目標(biāo)優(yōu)化模型，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果表明開(kāi)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(kāi)關(guān)電磁閥工作原理[4]

通過(guò)控制綜合傳動(dòng)裝置換擋開(kāi)關(guān)電磁閥的開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)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(kāi)關(guān)電磁閥原理圖.

圖1 換檔開(kāi)關(guān)電磁閥原理圖

換擋開(kāi)關(guān)電磁閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和輸出電磁力是評(píng)價(jià)換擋開(kāi)關(guān)電磁閥的主要特性.

1.1 動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性

換擋開(kāi)關(guān)電磁閥工作時(shí)，其動(dòng)鐵芯的運(yùn)動(dòng)過(guò)程分為以下3個(gè)階段:

1)動(dòng)鐵芯與靜鐵芯吸動(dòng)過(guò)程.在換擋開(kāi)關(guān)電磁閥通電之前，動(dòng)鐵芯在彈簧的預(yù)緊力作用下，動(dòng)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(dòng)鐵芯受到電磁力的作用而克服彈簧預(yù)緊力，開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，直到達(dá)到限定位置，從而開(kāi)啟球閥，使其打開(kāi)預(yù)定開(kāi)度.

2)動(dòng)鐵芯與靜鐵芯保持吸動(dòng)過(guò)程.根據(jù)換擋控制邏輯，保持電磁閥驅(qū)動(dòng)電流在預(yù)定數(shù)值，使得動(dòng)鐵芯克服彈簧力與靜鐵芯保持吸動(dòng)狀態(tài)，此過(guò)程動(dòng)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(kāi)度.

3)動(dòng)鐵芯與靜鐵芯分離過(guò)程.根據(jù)換擋邏輯，電磁閥卸載驅(qū)動(dòng)電流，從而電磁力在較快的時(shí)間內(nèi)降低為零，動(dòng)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(gè)過(guò)程可知，換擋開(kāi)關(guān)電磁閥的響應(yīng)特性主要由其開(kāi)啟延遲時(shí)間和關(guān)閉延遲時(shí)間來(lái)表征，如圖2所示.

圖2 換擋開(kāi)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(kāi)關(guān)電磁閥的最大輸出電磁力是表征電磁閥驅(qū)動(dòng)能力的重要參數(shù)，主要定義為電磁閥在最大允許驅(qū)動(dòng)載荷內(nèi)，施加最大驅(qū)動(dòng)電流，且保持電流在一段時(shí)間穩(wěn)定后的情況下獲得的電磁力.

其計(jì)算公式(計(jì)算假設(shè)在文獻(xiàn)[1]中已有闡述)可簡(jiǎn)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(yùn)動(dòng)造成的氣隙δ有關(guān).

2 換擋開(kāi)關(guān)電磁閥多目標(biāo)優(yōu)化模型

換擋開(kāi)關(guān)電磁閥是綜合傳動(dòng)換擋執(zhí)行機(jī)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(dòng)態(tài)特性的主要因素為電磁線圈部件和動(dòng)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(dá)到換擋開(kāi)關(guān)電磁閥的開(kāi)啟延遲時(shí)間fds(x)最小、關(guān)閉延遲時(shí)間fdc(x)最小和電磁力F(x)最大的目的.優(yōu)化參數(shù)有 (見(jiàn)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(jì)參數(shù)變量.

圖3 電磁閥優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)示意圖

2.2 多目標(biāo)優(yōu)化模型

在換擋開(kāi)關(guān)電磁閥多目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算中，使用多學(xué)科軟件AMESim軟件對(duì)換擋開(kāi)關(guān)電磁閥電磁力和延遲時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，采用Design Exploration工具對(duì)換擋開(kāi)關(guān)電磁閥的多個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析.

換擋開(kāi)關(guān)電磁閥機(jī)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(jī)電轉(zhuǎn)換部分.其電磁驅(qū)動(dòng)部分的模型采用電路元件和機(jī)電元件來(lái)建立.機(jī)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(shì)、電磁力和工作氣隙、磁勢(shì)、電流2個(gè)數(shù)據(jù)圖譜，根據(jù)輸入電壓和工作氣隙計(jì)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(jī)電液模型

換擋開(kāi)關(guān)電磁閥球閥部件模型，是根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理利用AMESim軟件建立的.其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是具有能夠?qū)崿F(xiàn)兩位三通功能的上下2個(gè)密封座面，及進(jìn)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(jìn)行球閥的位置控制.

將電磁閥機(jī)電部分和球閥部分進(jìn)行連接從而完成整個(gè)換擋開(kāi)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(fù)載，可以較好地計(jì)算換擋開(kāi)關(guān)電磁閥的動(dòng)態(tài)特性.

3 換擋開(kāi)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(wèn)題的高效快速的全局優(yōu)化算法[4].其優(yōu)點(diǎn)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(dá)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(wèn)題概念對(duì)應(yīng)關(guān)系.

表1 優(yōu)化問(wèn)題與模擬退火概念對(duì)比

換擋開(kāi)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(duì)目標(biāo)優(yōu)化影響水平差別較大;而且換擋開(kāi)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(guò)程比較復(fù)雜，優(yōu)化時(shí)約束也比較復(fù)雜，可能具有較多的局部最優(yōu)解;另外對(duì)換擋開(kāi)關(guān)電磁閥優(yōu)化問(wèn)題的部分設(shè)計(jì)空間不甚了解，比如高溫下?lián)Q擋開(kāi)關(guān)電磁閥參數(shù)影響性能水平的程度.所以，換擋開(kāi)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(yùn)用多目標(biāo)模擬退火算法進(jìn)行換擋開(kāi)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(duì)換擋開(kāi)關(guān)電磁閥三目標(biāo)多變量?jī)?yōu)化結(jié)果進(jìn)行后處理，其中橫坐標(biāo)代表關(guān)閉延遲時(shí)間，縱坐標(biāo)代表開(kāi)啟延遲時(shí)間，氣泡直徑代表電磁力最大值，圖6為換擋開(kāi)關(guān)電磁閥電磁力、開(kāi)啟延遲時(shí)間和關(guān)閉延遲時(shí)間3個(gè)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(gè):換擋開(kāi)關(guān)電磁閥的輸出電磁力最大，開(kāi)啟延遲時(shí)間最小和關(guān)閉延遲時(shí)間最小.從圖6可以得出A點(diǎn)作為優(yōu)化前換擋開(kāi)關(guān)電磁閥參數(shù)點(diǎn)，B點(diǎn)為優(yōu)化后換擋開(kāi)關(guān)電磁閥參數(shù)點(diǎn).亦可從圖6看出:電磁力最大值有一定增加，開(kāi)啟延遲時(shí)間有較小程度的降低，但關(guān)閉延遲時(shí)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(kāi)關(guān)電磁閥多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)后結(jié)果

優(yōu)化仿真結(jié)果表明:當(dāng)換擋開(kāi)關(guān)電磁閥驅(qū)動(dòng)電流不變時(shí)，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(shì)，使得輸出電磁力數(shù)值增加，但是厚度過(guò)大，銜鐵質(zhì)量增加明顯，而且渦流效應(yīng)增加，會(huì)影響電磁力增大;提高換擋開(kāi)關(guān)電磁閥的溫度，需要折中考慮;換擋開(kāi)關(guān)電磁閥動(dòng)鐵芯與靜鐵芯間工作氣隙對(duì)電磁閥開(kāi)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(kāi)關(guān)電磁閥動(dòng)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(jī)電液多學(xué)科仿真軟件工具，對(duì)綜合傳動(dòng)裝置換擋開(kāi)關(guān)電磁閥的響應(yīng)特性和電磁力特性進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化結(jié)果表明:開(kāi)啟延遲時(shí)間由2 ms降低到1.7 ms，關(guān)閉延遲時(shí)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(jì)方法的創(chuàng)新點(diǎn)是利用仿真工具AMESim及其優(yōu)化模塊進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果還有待試驗(yàn)證明.

[1]劉潛峰，薄涵亮，秦本科.直動(dòng)電磁閥設(shè)計(jì)參數(shù)敏感性分析 [J].核動(dòng)力工程，2009，30(5):97-100.

[2]歐大生，歐陽(yáng)光耀，張劍平.共軌噴油器電磁閥材料及相應(yīng)特性試驗(yàn)研究 [J].內(nèi)燃機(jī)工程，2007，28(6):34-36.

[3]鄒開(kāi)鳳，李育學(xué).共軌噴油器換擋電磁閥的此案料選擇研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):交通科學(xué)與工程版，2005，25(5):721-723.

[4]李鐵栓，張幽彤，王定標(biāo)，等.基于多目標(biāo)模擬退火算法的高速電磁閥優(yōu)化設(shè)計(jì) [J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2010，189(4):6-10.

[5]李 琦.高壓共軌柴油機(jī)噴油器驅(qū)動(dòng)器特性研究[D].北京:北京理工大學(xué)，2009.

[6]曾慶生，楊 毅，王湘江.轉(zhuǎn)子式機(jī)油泵多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì) [J].內(nèi)燃機(jī)工程，2009，(10):74-76.

[7]劉 鵬，劉玉玲，余飛鴻.基于自適應(yīng)模擬退火算法的薄膜特性參數(shù)計(jì)算方法研究 [J].光學(xué)儀器，2005，16(4):73-77.