Development of Energy Science May 2013, Volume 1, Issue 1, PP.1-7

Research on Magnetism Monitoring Technology of Piston Ring Wear for Marine Diesel Engine Jianguo Yang 1,2#, Qiaoying Huang1,Yonghua Yu 1,2 1. School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan, 430063; 2. Key Lab of Marine Power Engineering &Technology under Ministry of Communications. P. R. China, Wuhan，430063 #Email: jgyang@whut.edu.cn

Abstract The three-dimensional finite element calculation model of a piston-piston ring-cylinder liner-magneto resistive sensor is developed on the actual structure characteristics of RTA52U marine diesel engine. The relation between piston ring wear and magnetic field changes on the monitoring point is single corresponding through simulation. In order to monitor the magnetic field change, a magneto-resistive sensor and the calibration platform has been developed. The calibration results had shown that the broad measuring range and high resolution of the magneto-resistive sensor designed is available to monitor the piston ring wears. Then, the accuracy of the three-dimensional finite element calculation model and the diagnosability of the monitoring method are testified on board. Keywords: Wear of Piston Ring; Magneto-Resistive Monitoring Method; Transducer Calibration

6RTA52U 1800 9360 108~135

1 磁阻传感器监测活塞环磨损原理 采用磁阻传感器监测活塞环磨损是通过监测磁场强度特征参数，根据活塞环磨损量与特征量参数的对 应关系将特征参数值换算为活塞环磨损量。为获得活塞环磨损量与监测点磁场强度的对应关系，需要进行 磁场计算。在分析磁阻传感器的监测机理的基础上，建立活塞-活塞环-气缸套-磁阻传感器的磁三维有限元 计算模型，计算分析揭示了活塞环磨损量与监测点磁场特征值的变化规律。

1.1 磁阻传感器监测机理 磁阻传感器由坡莫合金制成，坡莫合金具有磁各向异性，存在易磁化方向和难磁化方向。 如果存在外加磁场，磁化强度 M 与电流 I 方向的夹角  发生变化，坡莫合金薄膜的电阻率改变，这就 是磁阻现象[5] [6]。即

           cos2 

（1）

Uout 

R Vb  S  H  Vb R

（2）

1.2

9.8

9.625

9.45

9.275

9.1 0

1

2

3

4

2 活塞环磨损监测系统研制的关键问题 测量系统的总体结构简图如图 3 所示，监测系统由传感器、信号调理盒、及计算机组成。磁性传感器输 出的信号经过信号调理盒预处理后转换成电压信号，经采集与处理后由计算机处理。对于活塞环磨损监测 过程可以描述为 W  U  W ，其中 W 为活塞环磨损量， U 为电压信号。采用磁阻传感器将活塞环磨损量

W 转换为电压信号 U ，即 W  U 。通过后处理将电压信号转换成活塞环的磨损量 W 。其中 W  U 为活塞 环磨损传感器的测试过程。 前面从机理对船用柴油机活塞环磨损监测过程进行了研究，表明整个测试系统中最重要的部分为传感 器，即在船用柴油机活塞环磨损磁监测技术研究中的关键问题是解决如何将活塞环的磨损量转换为电压 量， W  U ，且传感器的灵敏度直接决定了监测结果的可靠性。因此有必要开发活塞环磨损监测传感器， 并对其进行标定，验证其可应用于船舶柴油机活塞环磨损状态的监测。

2.1 监测活塞环磨损传感器研制 基于磁阻传感器监测活塞环的磨损机理是活塞环磨损量与监测点的磁场强度特征参数存在对应关系， 根据特征参数值的变化可判断活塞环的磨损。在其它外界因素不变的条件下，活塞环磨损引起磁场强度特 征值变化源于活塞环的磁化[6]。 -3www.ivypub.org/des

V2 3

V1

4

25K

5,6 S/R-

S/R+

C3

4

0.1uF

7,8

R1

8 7

3

2

NE555 6

1

R2

2 5

C1

1

C2

2.2 监测活塞环磨损传感器标定及传感器的灵敏度 用磁阻传感器监测活塞环磨损的仿真计算确定活塞环磨损量与磁场大小的关系，而实际测量输出电 压。因此需要确定磁场的大小与传感器输出电压之间的对应关系，即需要对测量系统进行标定。 标定活塞环磨损监测系统，需要提供标准的磁场。本标定装置利用亥姆霍兹线圈中轴线位置处的磁场 作为标准磁场。将这一标准磁场作为传感器的输入量。亥姆霍兹线圈配有双极性可调直流电源，通过调节 电流的大小改变其中轴线位置处的磁场大小。亥姆霍兹线圈产生的标准磁场大小与线圈的参数及电流大小 有关，关系式如下所示：

Bo 

8 0  N  I 53 2 R

（3）

2.7

2.6 2.5 2.4 2.3 2.2 2.1 2 1.9 1.8 -65

-32.5

0

32.5

65

3 活塞环磨损监测的实船试验及验证 为了验证计算分析与试验结果的一致性，在设计的船用柴油机活塞环磨损监测传感器的基础上，从试 验角度对船用柴油机活塞环磨损磁监测技术进行研究。

3.1 测量系统与实船试验 实船试验选择在大庆 454 油轮上进行，大庆油轮主机为 6RTA52U 型柴油机。实船测试系统如图 9 所 示，光电编码器输出上止点信号和转速信号，缸压传感器监测气缸压力信号，磁传感器监测活塞环磨损。 图 10 为传感器实际安装图，传感器安装在缸套的孔上，通过螺栓固定。孔在扫气口上部，导线经过挡板的 螺丝口引出。 磁传感器

. . . 轴

. . . . . . . 柴油机

3.2 试验与计算结果对比分析 设置计算工况与试验工况相同，将监测点计算得到的磁场强度乘以标定得到的相应传感器的灵敏度， -5www.ivypub.org/des

13 10.4 7.8 5.2 2.6 0 -2.6 -5.2 -7.8 -10.4 -13 100

105

110

115

120

125

130

A

B

4 结论 本文以船舶柴油机为研究对象，通过磁场三维有限元计算、传感器的研发与标定，以及结合实船研 究。研究表明：1）活塞环的磨损量与监测点磁场强度的特征值存在单一的对应关系；2）研制的监测活塞 环磨损传感器经标定试验，其灵敏度高，满足了船舶柴油机活塞环磨损范围宽、分辨率高的技术要求；3） 验证了有限元计算模型、计算方法的正确性，表明理论计算可以代替不同机型的实船试验，减少了试验成 本；4）理论计算、硬件开发与实际测试结合研究，为实现船用柴油机活塞环磨损状态的在线监测工程运用 提供了技术支持。

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【作者简介】 1

-7www.ivypub.org/des

Research on magnetism monitoring technology of piston ring wear for marine diesel engine

Jianguo Yang, Qiaoying Huang, Yonghua Yu