综合传动装置换挡开关电磁阀多目标优化设计

熊庆辉，顾宏弢，李 娟，王 敏

(中国北方车辆研究所车辆传动重点实验室，北京 100072)

坦克装甲车辆综合传动装置的换挡策略由电液操纵装置执行完成，其核心先导部件——换挡开关电磁阀应具有延迟时间短、电磁吸力大和高温下工作可靠的特点.

刘潜峰[1]等人基于DOE参数设计方法结合电磁场有限元分析软件ANSYS，对直动电磁阀的参数敏感性开展了仿真分析，获取了电流等关键参数对直动电磁阀的性能敏感性影响水平;欧大生[2]等人搭建了电磁阀铁芯加速度测试台架，研究电磁阀动态特性与铁芯材料的关系;邹开凤[3]等人通过试验研究了不同驱动参数对电磁阀特性的影响，获得了不同铁芯回火温度与电磁阀铁芯加工后磁性能的关系.

但是以上研究多是针对开关电磁阀动态响应特性或电磁力的单目标分析和优化，不能满足换挡开关电磁阀优化设计，因此本研究采用模拟退火算法(MOSA)，结合换挡开关电磁阀的AMESim机电液模型，使用多目标优化工具，建立了换挡开关电磁阀多目标优化模型，优化设计结果表明开关电磁阀的响应性和电磁力数值均得到了提高.

1 换挡开关电磁阀工作原理[4]

通过控制综合传动装置换挡开关电磁阀的开关状态来判断相应油路的通断，从而决定不同油缸的结合顺序，得到预期的换挡规律，图1为换挡开关电磁阀原理图.

图1 换档开关电磁阀原理图

换挡开关电磁阀的动态响应特性和输出电磁力是评价换挡开关电磁阀的主要特性.

1.1 动态响应特性

换挡开关电磁阀工作时，其动铁芯的运动过程分为以下3个阶段:

1)动铁芯与静铁芯吸动过程.在换挡开关电磁阀通电之前，动铁芯在弹簧的预紧力作用下，动铁芯压住球阀，使其处于关闭状态.当电磁阀通电后，动铁芯受到电磁力的作用而克服弹簧预紧力，开始运动，直到达到限定位置，从而开启球阀，使其打开预定开度.

2)动铁芯与静铁芯保持吸动过程.根据换挡控制逻辑，保持电磁阀驱动电流在预定数值，使得动铁芯克服弹簧力与静铁芯保持吸动状态，此过程动铁芯理论上处于静止状态，处于受力平衡，球阀也保持最大开度.

3)动铁芯与静铁芯分离过程.根据换挡逻辑，电磁阀卸载驱动电流，从而电磁力在较快的时间内降低为零，动铁芯在弹簧力的作用下克服球阀液压力，与静铁芯分离，球阀关闭.

从电磁阀工作的3个过程可知，换挡开关电磁阀的响应特性主要由其开启延迟时间和关闭延迟时间来表征，如图2所示.

图2 换挡开关电磁阀响应特性示意图

1.2 输出电磁力特性

换挡开关电磁阀的最大输出电磁力是表征电磁阀驱动能力的重要参数，主要定义为电磁阀在最大允许驱动载荷内，施加最大驱动电流，且保持电流在一段时间稳定后的情况下获得的电磁力.

其计算公式(计算假设在文献[1]中已有阐述)可简化为

当电磁阀的线圈匝数N，静铁芯截面积A，空气的真空磁导率μ0等主要结构参数确定后，电磁力Fm只与线圈所加的电流i和衔铁运动造成的气隙δ有关.

2 换挡开关电磁阀多目标优化模型

换挡开关电磁阀是综合传动换挡执行机构的关键先导元件，主要由液压球阀、电磁阀线圈和多孔阀体组成.在诸多参数中，影响其动态特性的主要因素为电磁线圈部件和动铁芯的结构参数.

2.1 优化目标和优化参数

优化目标是达到换挡开关电磁阀的开启延迟时间fds(x)最小、关闭延迟时间fdc(x)最小和电磁力F(x)最大的目的.优化参数有 (见图3):静铁芯内径dtx1、线圈宽度hxq、静铁芯外径dtx2、工作气隙hqx、衔铁厚度hxt和线圈匝数N，等等，数学描述为:

Minimize fds(x);

Minimize fdc(x);

Maximize F(x).

约束条件:gi(x)≥0，hi(x)=0，(i=1，2，3，.......，n).

x=(B － H，dtx1，dtx2，hxq，hqx，N，hxt)T，x 为设计参数变量.

图3 电磁阀优化参数设计示意图

2.2 多目标优化模型

在换挡开关电磁阀多目标优化计算中，使用多学科软件AMESim软件对换挡开关电磁阀电磁力和延迟时间进行计算，采用Design Exploration工具对换挡开关电磁阀的多个关键结构参数进行优化分析.

换挡开关电磁阀机电液模型利用AMESim软件建立，如图4所示，其中换挡电磁部件属于机电转换部分.其电磁驱动部分的模型采用电路元件和机电元件来建立.机电元件输出特性采用电磁有限元仿真结果，包括工作气隙、磁势、电磁力和工作气隙、磁势、电流2个数据图谱，根据输入电压和工作气隙计算出不同的电磁力，此电磁力作为液压球阀的力输入.

图4 换挡电磁阀机电液模型

换挡开关电磁阀球阀部件模型，是根据其结构特点和工作原理利用AMESim软件建立的.其结构特点是具有能够实现两位三通功能的上下2个密封座面，及进油通道、出油通道和回油通道，并采用具有理想限位的质量块模型进行球阀的位置控制.

将电磁阀机电部分和球阀部分进行连接从而完成整个换挡开关电磁阀的多目标优化模型，并以某一换挡执行油缸作为电磁阀负载，可以较好地计算换挡开关电磁阀的动态特性.

3 换挡开关电磁阀多目标优化仿真

3.1 多目标模拟退火算法MOSA

多目标模拟退火算法MOSA(Multi-Objectives Simulated Anneal)是一种用以解决具有多峰和非光滑性的高难度非线性优化问题的高效快速的全局优化算法[4].其优点是产生的解是全局最优解而不是局部最优解、肯定收敛且收敛速度较快，其新解精度的有限性导致在到达最优解90% 的地方收敛速度较为减慢[5-7].表1为多目标模拟退火算法与优化问题概念对应关系.

表1 优化问题与模拟退火概念对比

换挡开关电磁阀优化目标多，被优化参数多，因此参数对目标优化影响水平差别较大;而且换挡开关电磁阀液压系统属于非线性、大迟滞系统，优化过程比较复杂，优化时约束也比较复杂，可能具有较多的局部最优解;另外对换挡开关电磁阀优化问题的部分设计空间不甚了解，比如高温下换挡开关电磁阀参数影响性能水平的程度.所以，换挡开关电磁阀的优化适合选用多目标模拟退火优化算法，图5为运用多目标模拟退火算法进行换挡开关电磁阀优化的示意图.

图5 换挡电磁阀MOSA优化示意图

3.2 多目标优化仿真及结果分析

结合三维气泡图对换挡开关电磁阀三目标多变量优化结果进行后处理，其中横坐标代表关闭延迟时间，纵坐标代表开启延迟时间，气泡直径代表电磁力最大值，图6为换挡开关电磁阀电磁力、开启延迟时间和关闭延迟时间3个目标函数的Pareto最优解集前沿.

图6 换挡电磁阀多目标优化Pareto前沿

优化目标有3个:换挡开关电磁阀的输出电磁力最大，开启延迟时间最小和关闭延迟时间最小.从图6可以得出A点作为优化前换挡开关电磁阀参数点，B点为优化后换挡开关电磁阀参数点.亦可从图6看出:电磁力最大值有一定增加，开启延迟时间有较小程度的降低，但关闭延迟时间有较大程度的降低.表2为多目标优化结果.

表2 换挡开关电磁阀多目标优化设计后结果

优化仿真结果表明:当换挡开关电磁阀驱动电流不变时，增加线圈匝数可以大大增加输出电磁力数值，因此需要增加静铁芯内径、线圈宽度和静铁芯外径;增加衔铁厚度，可以在较大程度上降低衔铁部分的磁阻，提高工作气隙的磁通量和磁势，使得输出电磁力数值增加，但是厚度过大，衔铁质量增加明显，而且涡流效应增加，会影响电磁力增大;提高换挡开关电磁阀的温度，需要折中考虑;换挡开关电磁阀动铁芯与静铁芯间工作气隙对电磁阀开启延迟和关闭延迟有较大影响，减小工作气隙可以显著提高换挡开关电磁阀动态响应特性.

4 结论

依据多目标模拟退火优化算法，利用机电液多学科仿真软件工具，对综合传动装置换挡开关电磁阀的响应特性和电磁力特性进行了优化设计，优化结果表明:开启延迟时间由2 ms降低到1.7 ms，关闭延迟时间由1.9 ms降低到1.56 ms，电磁力由28 N提高到36 N.该设计方法的创新点是利用仿真工具AMESim及其优化模块进行多目标优化设计，优化设计结果还有待试验证明.

[1]刘潜峰，薄涵亮，秦本科.直动电磁阀设计参数敏感性分析 [J].核动力工程，2009，30(5):97-100.

[2]欧大生，欧阳光耀，张剑平.共轨喷油器电磁阀材料及相应特性试验研究 [J].内燃机工程，2007，28(6):34-36.

[3]邹开凤，李育学.共轨喷油器换挡电磁阀的此案料选择研究[J].武汉理工大学学报:交通科学与工程版，2005，25(5):721-723.

[4]李铁栓，张幽彤，王定标，等.基于多目标模拟退火算法的高速电磁阀优化设计 [J].车用发动机，2010，189(4):6-10.

[5]李 琦.高压共轨柴油机喷油器驱动器特性研究[D].北京:北京理工大学，2009.

[6]曾庆生，杨 毅，王湘江.转子式机油泵多学科优化设计 [J].内燃机工程，2009，(10):74-76.

[7]刘 鹏，刘玉玲，余飞鸿.基于自适应模拟退火算法的薄膜特性参数计算方法研究 [J].光学仪器，2005，16(4):73-77.