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

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

船用柴油机活塞环磨损磁监测技术研究 杨建国 1，2，黄巧莺 1，余永华 1，2 1. 武汉理工大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430063 2. 船舶动力工程技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 430063 要：本文以 RTA52U 型船舶柴油机为研究对象，建立了活塞-活塞环-气缸套-磁阻传感器的磁三维有限元计算模型，

摘

计算分析揭示了活塞环的磨损量与监测点磁场特征值的变化存在单一的对应规律；研制了活塞环磨损的磁阻传感器和标 定试验台，标定证实了传感器其可满足活塞环磨损范围宽、分辨率高的技术要求；实船试验验证了三维计算模型的准确 性及监测技术的可诊断性。 关键字：活塞环磨损; 磁阻传感器; 传感器标定

引言 活塞环是柴油机的主要运动部件之一，活塞环的过度磨损导致其密封性能下降，降低了柴油机工作性 能和可靠性。因此，在线监测柴油机活塞环的磨损状态，对于保障船舶柴油机的安全性具有十分重要的意 义[1] [2]。目前国内船用柴油机活塞环磨损在线监测采用磁性传感器技术，即彭章明等人提出的基于磁传感技 术的船用柴油机活塞环磨损监测方法[3]，实现了在线监测船用柴油机通用活塞环的磨损状态，而该方法在理 论计算中采用了二维磁有限元计算模型[4]，尚需进一步提高计算精度。由于实船柴油机的工作条件复杂，要 求活塞环磨损的监测设备灵敏度高、稳定性好，才能满足实船柴油机活塞环磨损实际技术要求。传感器作 为活塞环磨损监测系统中最关键的环节其性能特性直接关系监测结果的准确性。 本文以 RTA52U 型船舶柴油机为研究对象（主要技术参数见表 1），拟建立活塞-活塞环-气缸套-磁阻传 感器的磁三维有限元计算模型，计算分析活塞环的磨损量与监测点磁场特征值的对应关系；研制提高活塞 

基金项目：国家自然科学基金项目（50979085） -1www.ivypub.org/des

环磨损监测精度的传感器及其标定装置，对传感器进行标定；并结合实船试验研究，试验验证三维计算模 型的准确性及监测技术的可诊断性。 表 1 6RTA52U 型柴油机主要技术参数 机 型 活塞冲程(mm) 额定功率(KW) 转速(r/min)

6RTA52U 1800 9360 108~135

冲程数 气缸直径(mm) 耗油量(g/k.wh) 气缸数

二冲程 520 174 6

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）

磁阻传感器由 4 个铁磁合金带组成惠斯顿电桥，电源端通电后在电桥中有电流流过，当在磁敏感方向施 加磁场时，这会使得电桥电阻值变化，即将外加磁感应强度转换成差动输出的电压，该输出电压可用（2） 式表示:

Uout 

R Vb  S  H  Vb R

（2）

基于磁阻传感器监测活塞环磨损的机理是将活塞环磨损转化为磁场变化，通过检测该磁场变化监测活 塞环的磨损。

1.2

活塞-活塞环-气缸套-磁阻传感器的磁三维有限元计算分析 为得到活塞环的磨损量与磁阻传感器输出的对应关系，引入磁场三维有限元计算。文献[4] 中已经验证

船用柴油机转速及负载等，不影响传感器输出的结果，且在柴油机扫气口附近安装传感器监测活塞环磨损 时，活塞环在环槽内的运动（忽略活塞环在环槽内的转动，只考虑环的轴向运动及径向运动）对监测结果 的影响可以忽略。 在建立磁三维有限元计算中，本文仅计算同一转速且活塞环在环槽内无相对运动时传感器的输出。利 用 ANSOFT-MAXWELL 有限元软件，按照 6RTA52U 型船用柴油机及其部件的实际尺寸建立磁三维有限元 计算模型，如图 1 所示。传感器由永久磁铁、传感器芯片和外壳组成，由于传感器芯片监测某点磁场强度变 化，采用计算点（即监测点）的磁场强度作为磁阻传感器输出。基于磁阻传感器监测活塞环的磨损方法， 主要是利用永久磁铁磁化活塞环，从而使活塞环产生附加场。而在离活塞环足够远的位置，活塞环所产生 的附加场接近于零，在这些地方只存在由传感器内部永久磁铁产生的外加均匀磁场。因此确定边界时，利 用一个足够大的有限场域的边界来代替无限场域的边界。在边界条件确定以后通过仿真计算得到监测点的 磁场强度，即传感器的输出值。 为分析活塞环的磨损对传感器输出信号的影响。将不同磨损状态的活塞环（不同厚度）代入磁三维有 限元计算模型进行计算，利用三维静磁场中的参数化求解活塞环磨损量对输出信号的影响。将活塞环厚度 -2www.ivypub.org/des

作为变化参数，通过设置磨损量改变活塞环的厚度，在计算过程中保证活塞环外表面始终紧贴缸套内表 面。 缸套

传感器

活塞

活塞环

传感器输出电压值（V）

9.8

9.625

9.45

9.275

9.1 0

1

2

3

4

活塞环磨损量（mm）

图 1 有限元计算模型

图 2 活塞环磨损量与传感器输出电压关系

当活塞环磨损时，其监测点的磁场强度特征幅值与活塞环的磨损量存在一一对应关系，磁场强度幅值 随活塞环磨损量的增加呈下降趋势，由于磁阻传感器监测磁场强度，磁阻传感器输出的电压与监测点的磁 场强度呈线性关系，考虑传感器的灵敏度，将仿真结果转化成传感器输出电压与活塞环磨损量的对应关系 如图 2 所示，即活塞环的磨损量与传感器输出的电压幅值亦存在一一对应的关系，因此活塞环的磨损量可以 通过磁传感器监测。

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。

图3

测量系统的结构简图

图4

传感器封装示意图

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

活塞环的磁化由传感器内部的永久磁铁实现，磁阻传感器芯片监测活塞环磁化后产生的磁场，以判断 活塞环的磨损程度。 在确定传感器内部结构时，主要考虑磁阻传感器芯片与永久铁的选择、永久磁铁到磁阻传感器芯片距 离的确定。考虑实际船用柴油机活塞环磨损量程范围宽，磨损分辨率高的特点，根据活塞环磨损的仿真计 算结果，按照量程及灵敏度的要求选择磁阻传感器芯片[7] [8]。永久磁铁的选择主要依据活塞环的磨损导致磁 场的在弱磁场范围变化，而选择弱磁铁。并结合仿真计算的结构确定磁阻传感器芯片到永久磁铁的距离， 并在实际测试中调整该距离使其得到最佳值，使得永久磁铁产生的磁场足以磁化活塞环且在磁阻传感器芯 片的量程范围内。而铝的磁化率与空气的磁化率相当，因此在永久磁铁与磁阻传感器芯片之间加圆柱形铝 盘的方法确定距离，当传感器芯片到永久磁铁的距离确定则可以确定传感器内部结构；再确定传感器内部 结构后按实际工作环境封装设计的传感器，传感器外壳的定位螺丝起到确定测试方向的作用[9]，其封装示意 图如图 4 所示。传感器内部的磁阻传感器芯片为电桥电路，传感器的外围电路如图 5 所示。传感器内部的磁 阻传感器芯片暴露于干扰磁场，磁阻传感器芯片会分成若干方向随机的磁区域，从而导致灵敏度衰减。通 过置位/复位电流带生成一个强磁场，此强磁场可以重新将磁畴对准统一到一个方向上 [10]。电路如图 6 所 示。 偏置电压消 除电路

磁阻传感器

放大

数据采集及 处理

滤波

确定活塞环 的磨损量

置位/复位脉 冲

图5

传感器外围电路 IRF7105

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

图 6 置位/复位电路

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）

其中 R 为线圈的半径， N 为线圈的匝数， 0 为真空磁导率， I 为可调电流大小。 使用亥姆霍兹线圈标定传感器的灵敏度，其装置示意图如图 7 所示，将传感器的感应面与亥姆霍兹线圈 -4www.ivypub.org/des

的中轴面对齐。在标定之前传感器需要调零。将亥姆霍兹线圈中轴线位置处的磁场作为已知值，记录传感 器的输出值。 记录的结果通过线拟合得到传感器输出电压与磁场大小的关系，如图 8 所示，该直线的斜率即为传感器 的灵敏度。由图可知传感器的灵敏度为 6.402Gs/mV，线性范围为（-62Gs-62Gs），表明传感器的灵敏度度 高，线性量程范围宽，满足船用柴油机活塞环磨范围宽、分辨率高的技术要求。 传感器 安装位置 亥姆霍 兹线圈

输出信号

双极性直流电源

集线盒

显示器

传感器输出电压（V）

2.7

均匀区

2.6 2.5 2.4 2.3 2.2 2.1 2 1.9 1.8 -65

信号调理盒

-32.5

0

32.5

65

磁场大小（Gs）

图 7 标定实验台架总体结构示意图

图 8 输出电压与磁场关系图

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

缸压传感器 .

. . . 轴

. . . . . . . 柴油机

上止点 转速

螺旋桨

气缸

气缸压力

磨 损 信 号

支座 光电编码器

采集卡

磨损测量 PC

图9

实船试验系统

图 10

传感器实际安装图

由于受到实船试验条件的限制，没有更换不同磨损状态的活塞环，仅在柴油机活塞环处正常状态下进 行了测量分析。试验选择在某油轮上进行试验，在 6RTA52U 型柴油机缸套上专用孔处固定安装磁阻传感 器。传感器安装孔位于柴油机扫气口附近，此处气体压力较小和温度相对较低，对传感器和燃烧室密封的 影响小，安装时保证传感器端面与气缸套内表面之间有一定的距离，防止活塞环刮擦传感器。活塞环往复 运动经过传感器产生的磨损信号经过预处理、采集后由计算机处理。

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

仿真结果可以转换成电压值变化。将仿真结果与实测波形进行对比分析。传感器输出电压变化曲线如图 11A 所示，图中曲线表示四道活塞环运动经过传感器的输出电压变化；图 11B 为实测测量的分析结果。对 比图 11A 和图 11B，发现其输出的信号波形基本一致，即理论分析计算与实验测试规律相同，验证了仿真 计算模型的正确性。两者波形中电压数值的大小不完全一致主要是由于实际测试时所调的电压放大倍数与 标定实验中电压放大倍数有所差别。且在实际测试中柴油机活塞环后部有磨环，而有限元计算在建模过程 中为减少计算量，只建立了活塞环的头部模型。

传感器输出电压（V）

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

曲柄转角（度）

A

B

图 11 传感器输出仿真结果与测试波形

实船试验表明：建立模型符合实际情况，验证了仿真计算模型、方法及结论的正确性，利用该模型可 以计算活塞环磨损与输出电压信号的相互关系可以通过理论模型代替实际的试验，由仿真得到不同船用柴 油机活塞环的磨损与传感器输出电压的关系，从而减少了活塞环磨损的大量试验。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。

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

杨建国（1959-），男，汉，硕士，教授，柴油机监测、诊断与电子控制技术。1982 年本科毕业于武汉

水运工程学院船舶内燃机专业，1987 年硕士毕业于武汉水运工程学院船舶内燃机专业，1998 年晋升为 教授。Email: jgyang@whut.edu.cn

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