Comportamento tribológico da superfície texturizada a laser sob diferentes condições de lubrificação para compressor rotativo

Mar 30, 2023

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 5378 (2023) Citar este artigo

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Os comportamentos tribológicos da superfície texturizada a laser com ondulações elípticas foram comparados experimentalmente com o da superfície lisa sob diferentes condições de lubrificação, incluindo óleo pobre, óleo rico e lubrificação seca. O regime de lubrificação foi analisado com o aumento da carga operacional por meio de ensaios tribológicos anel sobre anel. Por fim, investigou-se o impacto no desempenho do compressor rotativo de pistão rolante com texturas fabricadas nas superfícies de empuxo. Os resultados mostram que a melhoria tribológica depende fortemente da condição de lubrificação. Com o aumento das cargas aplicadas sob lubrificação de óleo rico e óleo pobre, o efeito de micro covinhas promove o regime de lubrificação de transformação de carga crítica e expande a gama de lubrificação hidrodinâmica, enquanto mantém um coeficiente de fricção mínimo semelhante ao da superfície lisa, mas aumenta a resistência ao desgaste. No entanto, é inverso para aumentar o coeficiente de atrito e o desgaste da superfície para as superfícies texturizadas sob lubrificação a seco. O desempenho do compressor pode ser melhorado significativamente pela texturização da superfície a laser com uma redução de 2% no consumo de energia de fricção e um aumento de 2,5% na taxa de eficiência energética.

Melhorar a eficiência é um tópico eterno para compressores usados ​​em condicionadores de ar, especialmente com o aumento da conscientização sobre o aquecimento global, e um compressor altamente eficiente é fortemente exigido para reduzir o consumo de energia. Com o uso de refrigerantes com baixo potencial de aquecimento global (GWP), o regime de lubrificação e as condições de operação nos compressores também serão agravados. A perda de atrito e a falha por desgaste das superfícies deslizantes tornam-se um obstáculo principal para melhorar o desempenho e prolongar a vida útil, especialmente para o compressor rotativo de pistão rolante com muitas peças deslizantes, como mancais deslizantes, mancais axiais, virabrequim rotativo e rolo, corrediça alternativa e assim por diante .

A texturização de superfície a laser (LST) fabricando o micropadrão regular nas superfícies foi confirmada teórica e praticamente para melhorar a maior capacidade de carga e o menor coeficiente de atrito e calor de superfície em rolamentos hidrodinâmicos, selos mecânicos, anéis cilíndricos ou anéis de pistão1 ,2,3,4. Isso fornece uma maneira substancial de melhorar os comportamentos tribológicos do par de atrito.

Comparado com o revestimento protetor da superfície5,6 e a otimização estrutural7 como os principais métodos atuais, o LST apenas estrutura artificialmente a topografia da superfície para controlar o regime de lubrificação, em vez de processamento complexo e projeto difícil. As microcovinhas como o padrão texturizado comum foi realizado pela primeira vez o estudo do mecanismo de benefícios tribológicos por modelagem teórica e observação experimental8,9. Conclui-se que as microondulações da superfície podem aumentar a pressão hidrodinâmica adicional do fluido viscoso convergente entre os componentes deslizantes relativos, expandindo assim a faixa de lubrificação hidrodinâmica. Como benefício, as micro reentrâncias, servidas como mancais micro-hidrodinâmicos, podem manter a separação da superfície e a operação sem contato em condições de óleo rico. Além disso, essas microcovinhas também podem atuar como microrecipientes de lubrificante para fornecer a fonte de óleo sob lubrificação mista ou pobre em óleo, ou microcapturas para detritos de desgaste para evitar desgaste abrasivo adicional sob contato deslizante seco10.

Atualmente, a popularidade significativa nos estudos de texturas micro-onduladas foi forçada na otimização geométrica (profundidade do sulco10, diâmetro do sulco11, densidade de área12,13), comparação de padrões (círculo14, elíptico15, triangular16, formato de diamante17 e plano18, esférico19,20, côncavo ou convexo inclinado21) e influência do arranjo (ângulo de inclinação17, relação esbelta22, localização de distribuição21) com o objetivo de melhor redução de atrito e resistência ao desgaste, especialmente sob lubrificação full-oil ou rich-oil. No geral, as covinhas elípticas ótimas mostram um efeito hidrodinâmico mais forte com um aumento de 26,3% na capacidade de carga do que o círculo18 devido ao efeito cumulativo do fluido na direção do comprimento da covinha, e seu coeficiente de atrito pode ser reduzido em 10–20% em comparação com outros padrões de covinhas23. Assim, as covinhas elípticas foram selecionadas e analisadas neste artigo.