Comportamientos tribológicos de superficies texturizadas con láser bajo diferentes condiciones de lubricación para compresores rotativos.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 5378 (2023) Citar este artículo

463 Accesos

1 altmétrica

Detalles de métricas

Los comportamientos tribológicos de la superficie texturizada con láser con hoyuelos elípticos se compararon experimentalmente con el de la superficie lisa en diferentes condiciones de lubricación, incluida la lubricación con aceite pobre, aceite rico y lubricación seca. El régimen de lubricación se analizó con la carga operativa creciente mediante pruebas tribológicas de anillo sobre anillo. Finalmente, se investigó el impacto en el rendimiento del compresor rotativo de pistón rodante con texturas fabricadas en las superficies de empuje. Los resultados muestran que la mejora tribológica depende en gran medida de la condición de lubricación. Con el aumento de las cargas aplicadas bajo lubricación con aceite rico y con aceite pobre, el efecto del micro hoyuelo promueve el régimen de lubricación transformadora de carga crítica y amplía el rango de lubricación hidrodinámica, mientras tanto mantiene un coeficiente de fricción mínimo similar al de la superficie lisa pero mejora la resistencia al desgaste. Sin embargo, es inverso aumentar el coeficiente de fricción y el desgaste superficial de las superficies texturizadas bajo lubricación seca. El rendimiento del compresor se puede mejorar significativamente mediante el texturizado de la superficie con láser, con una reducción del 2 % en el consumo de energía por fricción y una mejora del 2,5 % en el índice de eficiencia energética.

La mejora de la eficiencia es un tema eterno para los compresores utilizados en los acondicionadores de aire, especialmente con la creciente concienciación sobre el calentamiento global, y se exige encarecidamente un compresor altamente eficiente para reducir el consumo de energía. Con el uso de refrigerantes con bajo potencial de calentamiento global (GWP), el régimen de lubricación y las condiciones de funcionamiento de los compresores también empeorarán aún más. La pérdida por fricción y el desgaste de las superficies deslizantes se convierten en el principal obstáculo para mejorar el rendimiento y prolongar la vida útil, especialmente para el compresor rotativo de pistón rodante con muchas piezas deslizantes, como cojinetes deslizantes, cojinetes de empuje, cigüeñal y rodillo giratorios, corredera alternativa, etc. .

Se ha confirmado teórica y prácticamente que el texturizado de superficies por láser (LST) mediante la fabricación del micropatrón regular en las superficies mejora la mayor capacidad de carga y el menor coeficiente de fricción y calor superficial en cojinetes hidrodinámicos, sellos mecánicos, anillos de cara cilíndrica o anillos de pistón1 ,2,3,4. Esto proporciona una manera sustancial de mejorar los comportamientos tribológicos del par de fricción.

En comparación con el recubrimiento protector de la superficie5,6 y la optimización estructural7 como métodos principales actuales, el LST simplemente estructura artificialmente la topografía de la superficie para controlar el régimen de lubricación en lugar de un procesamiento complejo y un diseño difícil. Los micro hoyuelos como patrón texturizado común se llevaron a cabo por primera vez en el estudio del mecanismo de los beneficios tribológicos mediante modelado teórico y observación experimental8,9. Se concluye que los microhoyos superficiales pueden aumentar la presión hidrodinámica adicional del fluido viscoso convergente entre los componentes deslizantes relativos, ampliando así el rango de lubricación hidrodinámica. Como beneficio, los micro hoyuelos, que actúan como cojinetes microhidrodinámicos, pueden mantener la separación de superficies y el funcionamiento sin contacto en condiciones de aceite rico. Además, estos micro hoyuelos también pueden actuar como microcontenedores de lubricante para suministrar una fuente de aceite en caso de lubricación mixta o con aceite deficiente, o como microtrampas para residuos de desgaste para evitar un mayor desgaste abrasivo en caso de contacto deslizante seco10.

Actualmente, la importante popularidad de los estudios de texturas con micro hoyuelos se debe a la optimización geométrica (profundidad de los hoyuelos10, diámetro de los hoyuelos11, densidad de área12,13), comparación de patrones (círculo14, elíptico15, triangular16, forma de diamante17 y plano18, esférico19,20, cóncavo o convexo inclinado21) y la influencia de la disposición (ángulo de inclinación17, relación delgada22, ubicación de distribución21) con el propósito de lograr la mejor reducción de la fricción y resistencia al desgaste, especialmente bajo lubricación con aceite completo o con aceite rico. En general, los hoyuelos elípticos óptimos muestran un efecto hidrodinámico más fuerte con un aumento del 26,3 % en la capacidad de carga que el círculo18 debido al efecto acumulativo de fluido en la dirección longitudinal de los hoyuelos, y su coeficiente de fricción se puede reducir entre un 10 y un 20 % en comparación con otros patrones de hoyuelos23. Por eso, en este artículo se seleccionaron y analizaron los hoyuelos elípticos.

Sin embargo, las geometrías óptimas con beneficios tribológicos dependen en gran medida de los entornos operativos24 y las condiciones de lubricación25,26, lo que puede llevar a conclusiones contradictorias y dificultar una aplicación industrial. Por ejemplo, mediante pruebas de pasador sobre disco en condiciones de lubricación mixta, Podgornik25 llevó a cabo la investigación tribológica sobre la efectividad de las texturas superficiales para señalar que las texturas resisten el deslizamiento y aumentan la fricción en sus casos con velocidades de deslizamiento de 0,015 a 0,45 ms-1. y presión de contacto de 1 MPa. Pero Liew27 demostró que el coeficiente de fricción de la superficie con hoyuelos es entre un 11% y un 24% menor que el de la superficie sin textura en sus casos con una velocidad de deslizamiento de 0,5 a 7,8 ms-1 y una presión de contacto de 0,08 a 0,3 MPa, y Braun28 también demostró Se puede obtener una reducción de la fricción de hasta el 80% para el diámetro óptimo a una velocidad de deslizamiento de 0,5 ms-1 y una presión de contacto de 3 MPa. Aunque los resultados prometedores han sido demostrados por una gran cantidad de estudios teóricos y experimentales, la gran mayoría se basa en las propias condiciones de funcionamiento en modo de lubricación única. Pero para las aplicaciones industriales, especialmente para el compresor rotativo de pistón rodante en los acondicionadores de aire, los suministros de aceite cambian constantemente, incluida la lubricación pobre e incluso seca, y no simplemente la condición de aceite rico. Esto también afecta significativamente a los regímenes de lubricación de las caras de fricción, desde la hidrodinámica hasta la lubricación mixta o límite. Por lo tanto, la falta de comparabilidad de la optimización con hoyuelos y la influencia sobre las propiedades de fricción y desgaste bajo los mismos parámetros de operación con diferentes condiciones de lubricación. En este artículo, se compararon experimentalmente los comportamientos tribológicos de la superficie texturizada con láser en diferentes condiciones de lubricación con los mismos parámetros operativos.

En aplicaciones de compresores, las superficies texturizadas también han ido prestándose más atención gradualmente debido a sus ventajas de reducción de la fricción y mejora del antidesgaste, pero las investigaciones publicadas siguen siendo insuficientes. Nagata29 comparó tres patrones texturizados en superficies de empuje de compresores alternativos para mostrar que el coeficiente de rendimiento es un 1,4% mayor y la pérdida por fricción es entre un 20% y un 60% menor. Mishra30 investigó los comportamientos tribológicos del LST bajo una lubricación deficiente con aceite para compresores scroll en un ambiente de refrigeración, lo que muestra que la textura de la superficie muestra mejoras tribológicas significativas y en gran medida independientes del tipo de lubricante o refrigerante. A través de la influencia de las estructuras con hoyuelos se ha investigado en compresores alternativos o de espiral, pero su aplicabilidad y ventaja en las propiedades tribológicas del compresor rotativo no está clara.

Por lo tanto, los comportamientos tribológicos de la superficie texturizada por láser con hoyuelos elípticos se analizaron experimentalmente en diferentes condiciones de lubricación, incluida la lubricación con aceite pobre, aceite rico y lubricación seca. Los coeficientes de fricción y las topografías de desgaste se compararon con las topografías suaves con el aumento de la carga operativa. También se analizó el régimen de lubricación y el mecanismo de desgaste. Finalmente, se investigó el impacto en el rendimiento del compresor rotativo de pistón rodante con texturas fabricadas en las superficies de empuje.

Las pruebas experimentales se llevaron a cabo en un par de fricción anillo sobre anillo como se muestra en la Fig. 1. El rotor, es decir, el superior con radio interno ri = 13,5 mm, radio externo ro = 20 mm y espesor de 24 mm, Estaba hecho de hierro fundido JIS FC300 proveniente del rodillo del compresor rotativo de pistón rodante. Los hoyuelos elípticos que se muestran en la Fig. 2 se procesaron mediante texturizado de superficie con láser (LST) con una cierta profundidad diseñada hd = 5 μm, y su eje principal era paralelo a la dirección de la velocidad de corte. Se definieron dos parámetros geométricos adicionales para describir la característica de distribución del hoyuelo elíptico, incluida la densidad del área del hoyuelo, Sp = nθnrab/(ro2 − ri2), que representa el porcentaje de la suma del área con hoyuelos al área de lubricación, y la relación esbelta, λ = a/b, que representa la relación entre el radio mayor y el radio menor. El significado detallado y la dimensión de cada variable se enumeran en la Tabla 1.

Fotografías y dimensiones de las muestras de prueba: (a) muestra rotacional sin texturas; (b) muestra rotacional con texturas; (c) muestra estacionaria.

Geometría de superficie texturizada con hoyuelos elípticos.

Antes del procesamiento láser, la superficie original del rotor se pulió con una rugosidad de aproximadamente Ra <0,2 μm, luego se limpió en un limpiador ultrasónico con acetona y alcohol y se secó en un horno. Las texturas con micro hoyuelos se fabricaron mediante láser de fibra óptica de HGTECH LSF20 con una longitud de onda de 1064 nm. Los parámetros de procesamiento contenían una potencia del láser de 7 W, una velocidad de escaneo de 800 mm s-1, una frecuencia de 80 kHz y 3 sobreescaneos. Después de la fabricación con láser de fibra óptica, se repitió el proceso de pulido para eliminar las crestas o protuberancias alrededor de los hoyuelos debidos a la fusión del metal por difusión térmica. La rugosidad en la superficie no texturizada se controló en Ra <0,2. Las topografías se midieron con un perfilómetro 3D que interfiere con luz blanca soportado por BRUKER Contour GT-K que se muestra en la Fig. 3. La profundidad medida fue de 4,61 μm en lugar del valor diseñado de 5 μm.

Topografías de la superficie elíptica con hoyuelos.

El estator, es decir, el inferior con un radio interno de 10 mm, un radio externo de 27 mm y un espesor de 7 mm, estaba hecho de hierro fundido HT250, un material de cojinete común en los compresores rotativos de pistón rodante. La superficie del estator también se pulió con una rugosidad de aproximadamente Ra <0,2 μm.

Se compararon los comportamientos tribológicos de las muestras texturizadas con láser con las lisas bajo diferentes condiciones de lubricación y cargas operativas mediante un tribómetro MMW-1A. El banco de pruebas se muestra en la Fig. 4 con los pares de anillo sobre anillo bajo presión ambiental. El rotor texturizado superior fue impulsado por un motor giratorio con una cierta velocidad de rotación de 1500 r min-1. El estator liso inferior se sujetó en el soporte fijo y sostuvo la carga vertical aplicada. La Tabla 2 enumera las condiciones de funcionamiento. Cada prueba grupal se realizó durante 60 minutos y se repitió al menos tres veces. Se midieron el par de fricción y el coeficiente de fricción. Mientras se completaban las pruebas, las topografías de desgaste en las superficies de fricción se presentaron mediante análisis SEM (FEI Quanta 250).

Esquema del banco de pruebas.

Se compararon las influencias de diferentes condiciones de lubricación en el rendimiento tribológico, incluida la lubricación con aceite pobre, aceite rico y seco. Para la lubricación con aceite rico, durante todo el funcionamiento, el rotor y el estator estuvieron sumergidos en el lubricante (FV50S) con un volumen determinado de 100 mL. En el caso del aceite pobre, el lubricante se aplicó uniformemente a la interfaz de fricción antes del arranque, pero no se suministró lubricante posteriormente. Para la lubricación seca no se proporcionó ningún lubricante.

En el último artículo del autor23 se analizan los comportamientos tribológicos en condiciones de petróleo rico. La Figura 5 compara los coeficientes de fricción de la superficie texturizada con la lisa en condiciones de lubricación con aceite rico y con aceite pobre con el aumento del tiempo y las cargas. Cabe señalar que cada condición de carga representa una prueba separada y luego estos resultados obtenidos se combinan en una sola figura. Cada prueba con probetas nuevas y lubricante se realiza de 0 a 60 min.

Coeficientes de fricción de superficie lisa y superficie elíptica con hoyuelos con el aumento del tiempo y las cargas en condiciones de lubricación rica y pobre.

En términos generales, en cualquier caso con cierta carga aplicada, a medida que aumenta el tiempo de funcionamiento, el coeficiente de fricción primero aumenta rápidamente durante las fases de arranque y aceleración desde ω = 0 a 1500 r min-1, luego disminuye lentamente al entrar en la fase de aceleración. Etapa de desgaste estable, finalmente se mantiene estable aproximadamente. Sin embargo, esto tiene varias condiciones de operación especiales, como F = 700 N para la superficie lisa con lubricación con aceite rico y 600–700 N para la superficie texturizada con lubricación con aceite pobre. El coeficiente de fricción f aumenta bruscamente antes de entrar en la etapa de desgaste estable. En este caso, la interfaz de fricción sufre un desgaste grave. Además, para F = 600–700 N para la superficie lisa bajo lubricación deficiente con aceite, f rompe el valor estable y aumenta bruscamente junto con una vibración significativa, lo que indica falla por desgaste de la superficie. Como resultado, la prueba se ve obligada a finalizar sin ejecutarse durante 60 min.

Con la carga aumentando de 100 a 700 N, a la superficie texturizada con hoyuelos elípticos, el coeficiente de fricción presenta una tendencia decreciente bajo lubricación con aceite rico. Es similar en condiciones de lubricación deficiente con aceite cuando F < 400 N, pero la diferencia es que surge un mínimo en F = 400–500 N, luego f aumenta con una amplitud mayor. Para la superficie lisa, las condiciones de lubricación generan un ligero impacto en la curva de f, basta con cambiar el valor en lugar de la tendencia. Tan similar a la superficie texturizada bajo una lubricación deficiente con aceite, sus mínimos se encuentran entre 300 y 400 N.

Los coeficientes de fricción de la fase estacionaria (en la Fig. 5) para las muestras texturizadas y lisas bajo diferentes cargas aplicadas y condiciones de lubricación se analizan para formar las curvas de Stribeck que se muestran en la Fig. 6. El parámetro adimensional ηω/p actúa como la abscisa, la El coeficiente de fricción f actúa como ordenada. A medida que ηω/p disminuye (visión de derecha a izquierda), es decir, la carga aplicada aumenta mientras η y ω se mantienen constantes, para la superficie lisa bajo dos condiciones de lubricación, los cambios de f son bastante cercanos. Los resultados muestran que f primero disminuye y alcanza un mínimo en F = 300 N, 0,025 para lubricación con aceite rico y 0,029 para lubricación con aceite pobre respectivamente, luego aumenta con una amplitud mayor. Este fenómeno ilustra el régimen de lubricación que se transforma de hidrodinámico a lubricación mixta cerca de F = 300 N. Cuando F < 300 N, la superficie lisa está en lubricación hidrodinámica en la que la condición de aceite pobre presenta un coeficiente de fricción menor que la de aceite rico. Por el contrario, cuando F > 300 N en régimen mixto, la condición de aceite rico muestra mejores ventajas de reducción de la fricción.

Coeficientes de fricción de superficies con hoyuelos lisas y elípticas con el aumento del parámetro adimensional en condiciones de lubricación rica23 y pobre (η es la viscosidad del lubricante, p, la carga por unidad de área y ω, la velocidad de rotación).

Mientras se completaron las pruebas, las topografías de desgaste en las superficies de fricción de las muestras inferiores se presentaron mediante análisis SEM en condiciones de lubricación con película de aceite, como se muestra en la Fig. 7. Para la superficie frente a la muestra superior lisa, se puede observar una tendencia de desarrollo similar de las topografías de desgaste. encontrado claramente. Las superficies distribuyen las cicatrices y grietas de mecanizado ampliamente originales en F = 100 N, y las ligeras cicatrices de desgaste en F = 200 N. Con la carga aumentando a 300 N, las cicatrices de arado inducidas por el desgaste abrasivo de dos cuerpos y las extrusiones plásticas inducidas por El desgaste abrasivo de tres cuerpos se forma gradualmente. Además, las partículas parciales de adhesivo y las picaduras también pueden existir en condiciones de aceite deficientes. Cuando la F supera los 500 N, la pérdida de material debida a las profundas cicatrices del arado y a la grave extrusión del plástico se convierte en el principal modo de desgaste. En general, cuando F < 300 N bajo lubricación hidrodinámica analizada en la Fig. 6, la condición de aceite pobre presenta una resistencia al desgaste similar a la de aceite rico, y el desgaste abrasivo es el mecanismo de desgaste dominante. Cuando F > 300 N en régimen mixto, la pérdida de material inducida por el roce mecánico entre el rotor y el estator es el mecanismo de desgaste dominante, y la condición de aceite rico presenta una mejor resistencia al desgaste.

Topografías de desgaste de las muestras inferiores versus las muestras superiores lisas: (a) en condiciones de lubricación rica en aceite; (b) en condiciones de mala lubricación por aceite.

Para resumir la superficie lisa, cuando la interfaz de fricción está en régimen de lubricación hidrodinámica, no es que cuanto más lubricante, mejor comportamiento de fricción. Solo necesita una cierta cantidad de lubricante para asegurar una película de aceite continua. Aquí, esto puede obtener un menor consumo de energía de fricción y, al mismo tiempo, mantener una resistencia al desgaste similar a la de la condición de aceite rico. Pero cuando se utiliza un régimen de lubricación mixta, cuanto más lubricante pueda garantizar, mejor se reducirá la fricción y la resistencia al desgaste.

Para la superficie texturizada en condiciones deficientes de aceite en la Fig. 6, f presenta una tendencia similar a la de una superficie lisa. Los hoyuelos mejoran la carga crítica de 300 N para superficies lisas a 400-500 N, ampliando así el rango del régimen hidrodinámico, lo que contribuye a mejorar el rendimiento tribológico. Y el mínimo es de aproximadamente 0,030 cerrado al suave. Pero para la condición de aceite rico, f disminuye invariablemente con el aumento de la carga aplicada y no tiene flexión, lo que ilustra que la superficie texturizada siempre mantiene el régimen de lubricación hidrodinámica. La razón puede atribuirse a que un efecto hidrodinámico significativo inducido por hoyuelos elípticos mejora la capacidad de carga de la película de aceite para establecer una lubricación hidrodinámica estable. Otra es que los hoyuelos pueden servir como un microdepósito para suministrar lubricación sostenida bajo carga aplicada30,31,32,33.

La Figura 8 muestra las topografías de desgaste de las muestras inferiores versus las muestras superiores texturizadas. En condiciones de aceite rico, se presentan las únicas cicatrices leves de desgaste y las cicatrices o grietas originales del mecanizado. Sin embargo, en condiciones de aceite deficientes, las características de mecanizado originales desaparecen después de ejecutar la etapa de desgaste estable y, como resultado, las interfaces de fricción se vuelven mucho más suaves. Cuando F > 400 N en régimen mixto analizado en la Fig. 6, las ligeras cicatrices de arado y las extrusiones plásticas se forman gradualmente. En comparación con el liso, bajo el régimen hidrodinámico, el texturizado de la superficie con láser no genera influencias sobre la resistencia al desgaste, pero bajo el régimen mixto, se puede obtener una mejora significativa en la resistencia al desgaste. La razón de esto es que los hoyuelos servían como recipiente de lubricante para proporcionar condiciones de lubricación suficientes para las superficies de contacto. Mientras se aplica la carga, los micro hoyuelos pueden mantener la película de aceite estable. El efecto hidrodinámico mejora la capacidad de carga de la película de aceite, por lo tanto separa las superficies de contacto y mantiene el funcionamiento sin contacto34.

Topografías de desgaste de las muestras inferiores versus las muestras superiores texturizadas: (a) en condiciones de lubricación rica en aceite; (b) en condiciones de mala lubricación por aceite.

En conclusión, en comparación con la superficie lisa sin texturas bajo lubricación con película de aceite, las superficies texturizadas con hoyuelos elípticos pueden mejorar efectivamente el régimen de lubricación y mejorar la resistencia al desgaste, especialmente para condiciones de aceite rico y carga aplicada alta debido al efecto hidrodinámico más significativo de hoyuelos elípticos. En el presente caso, el coeficiente de fricción disminuye significativamente cuando la carga aplicada es superior a 500 N en condiciones de aceite rico.

La Figura 9 muestra las curvas del coeficiente de fricción de la superficie texturizada y la superficie lisa en condiciones de lubricación seca. Cuando la carga aplicada se controla entre 100 y 700 N, la interfaz de fricción falla bruscamente poco después del inicio de la prueba. Por tanto, en la presente lubricación seca se aplica una carga de 10 a 50 N. Se encuentra que el coeficiente de fricción f aumenta significativamente en comparación con la lubricación con película de aceite, y el máximo puede alcanzar aproximadamente 1,5. Además, la f de la superficie texturizada es mayor que la de la lisa, lo que muestra que las texturas con hoyuelos no tienen la ventaja de reducir la fricción y producen el efecto contrario. Por lo tanto, no se recomienda el texturizado de superficies con láser en condiciones de lubricación seca si tiene como objetivo mejorar el comportamiento tribológico.

Coeficientes de fricción de superficie lisa y superficie elíptica con hoyuelos con el aumento del tiempo y las cargas en condiciones de lubricación seca.

En las topografías de desgaste en condiciones de lubricación seca en la Fig. 10 se puede encontrar que la interfaz de fricción genera un desgaste por oxidación grave mediante el análisis EDS, y la severidad del desgaste es similar para las muestras texturizadas y lisas. Los óxidos son fáciles de desprender bajo la gran presión de contacto localizada debido a la extrusión del plástico mediante contacto mecánico mediante análisis SEM.

Use topografías en condiciones de lubricación seca.

Según el análisis anterior, las texturas de la superficie pueden disminuir efectivamente el coeficiente de fricción y mejorar la resistencia al desgaste, especialmente en condiciones de aceite rico y carga aplicada alta26. Por lo tanto, el texturizado de la superficie con láser es extremadamente adecuado para el cojinete de empuje, como se muestra en la Fig. 11, para reducir el consumo de energía de fricción y mejorar la relación de eficiencia energética.

Esquema del compresor de prueba.

La Figura 11 muestra el esquema del compresor rotativo de pistón rodante con dos cilindros utilizado para la prueba. La interfaz de contacto entre el cojinete inferior y el cigüeñal se conoce como superficie de empuje, como se muestra en la Fig. 12. En la superficie del cojinete inferior, las texturas con elipses se distribuyen con los mismos parámetros que en la Tabla 1. Se muestran las fotografías de las superficies texturizadas. en la Fig. 13. Con referencia a dos planos de prueba, el rango de distribución de texturas elípticas en el 'Plan 1' es de Φ18,007 a Φ33 mm, y en el 'Plan 2', de Φ18,007 a Φ27 mm. Las condiciones de prueba se enumeran en la Tabla 3.

Superficie de confianza.

Fotografías de rodamiento inferior con texturas.

La prueba del compresor se realizó en Gree Electric Appliances, Inc. de Zhuhai (Guangdong Zhuhai, China) con el banco de pruebas de rendimiento del compresor respaldado por Shanghai Tianhan Air-handling Equipment Co., Ltd. Los parámetros de rendimiento incluyen la capacidad de enfriamiento, la potencia de entrada y el COP. (= capacidad de refrigeración/potencia de entrada) y corriente para el compresor con frecuencia fija.

Se probó una gran cantidad de muestras de compresores para obtener este valor de rendimiento promedio y debilitar la influencia del error de medición. Se probaron tres compresores idénticos para cada plano con texturas comparándolos con el plano original sin texturas. Los datos de la prueba se enumeraron en la Tabla 4. Durante el proceso de prueba, se garantizó la coherencia del entorno de prueba y la continuidad del tiempo de prueba. Los resultados de la Fig. 14 muestran que las texturas fabricadas en las superficies de empuje pueden disminuir significativamente la entrada de energía del compresor con una reducción del 1,8 % en el Plan 1 y del 2,2 % en el Plan 2. Mientras tanto, no tiene influencia en la capacidad de refrigeración, que rinde solo el 0,4 %. % y 0,2% de aumento. Como resultado, el coeficiente de desempeño (COP) puede mejorar un 2,5% y un 2,6% para el Plan 1 y el Plan 2, respectivamente. Además, los dos planos texturizados son eficaces para reducir el consumo de energía de fricción y mejorar el índice de eficiencia energética, y no tienen diferencias obvias entre ellos.

Comparaciones del rendimiento del compresor para diferentes planes.

Los beneficios tribológicos de las texturas láser se compararon experimentalmente en diferentes condiciones de lubricación mediante pruebas tribológicas y se verificaron mediante la superficie de empuje para compresores rotativos de pistón rodante. Se discutió el régimen de lubricación y el mecanismo de desgaste mediante coeficientes de fricción y topografías de desgaste. Se sacaron las siguientes conclusiones.

La mejora tribológica de las superficies texturizadas depende en gran medida del estado de lubricación. Con el aumento de las cargas aplicadas bajo lubricaciones con aceite rico y pobre, el efecto del micro hoyuelo promueve el régimen de lubricación transformadora de carga crítica y amplía el rango de lubricación hidrodinámica, mientras tanto mantiene un coeficiente de fricción mínimo similar al de la superficie lisa pero mejora la resistencia al desgaste. Sin embargo, es inverso aumentar el coeficiente de fricción para las superficies texturizadas bajo lubricación seca.

Las texturas de la superficie pueden disminuir eficazmente el coeficiente de fricción y mejorar la resistencia al desgaste, especialmente en condiciones de aceite rico y cargas aplicadas elevadas, debido al efecto hidrodinámico más significativo de los hoyuelos elípticos. Pero no se recomienda en condiciones de lubricación seca si tiene como objetivo mejorar el comportamiento tribológico. El desgaste abrasivo es el mecanismo de desgaste dominante bajo la lubricación con película de aceite, pero el desgaste por oxidación bajo la lubricación seca.

El rendimiento del compresor se puede mejorar significativamente mediante el texturizado de la superficie con láser, que es eficaz para reducir el consumo de energía por fricción y mejorar la relación de eficiencia energética, y no tiene influencias obvias en la capacidad de refrigeración. En los casos actuales, la potencia de entrada del compresor se puede reducir ~ 2% y el coeficiente de rendimiento (COP) puede aumentar ~ 2,5%.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

Wang, XL, Kato, K. y Adachi, K. Mapa de capacidad de carga para el diseño de textura superficial de cojinetes de empuje de SiC que se deslizan en el agua. Tríbol. En t. 36(3), 189–197 (2003).

Artículo CAS Google Scholar

Kovalchenko, A., Ajayi, O., Erdemir, A. y Fenske, G. Comportamiento de fricción y desgaste de una superficie texturizada con láser bajo un punto de contacto inicial lubricado. Use 271 (9–10), 1719–1725 (2011).

Artículo CAS Google Scholar

Meng, YG, Xu, J., Jin, ZM, Prakash, B. & Hu, YZ Una revisión de los avances recientes en tribología. Fricción 8, 221–300 (2020).

Artículo de Google Scholar

Ryk, G. & Etsion, I. Prueba de anillos de pistón con texturizado superficial parcial con láser para reducir la fricción. Use 261(7–8), 792–796 (2006).

Artículo CAS Google Scholar

De Mello, JDB, Binder, R., Demas, NG & Polycarpou, AA Efecto del entorno real presente en compresores herméticos sobre el comportamiento tribológico de un recubrimiento DLC multifuncional rico en Si. Use 267, 907–915 (2009).

Artículo de Google Scholar

Solzak, TA & Polycarpou, AA Tribología de recubrimientos WC/C para uso en compresores de pistón sin aceite. Navegar. Abrigo. Tecnología. 201(7), 4260–4265 (2006).

Artículo CAS Google Scholar

Liu, YG, Hung, CH & Chang, YC Optimización del diseño del compresor scroll aplicado para la evaluación de pérdidas por fricción. En t. J. Refrigeración. 33(3), 615–624 (2010).

Artículo CAS Google Scholar

Etsion, I. & Burstein, L. Un modelo para sellos mecánicos con estructura de microsuperficie regular. Tríbol. Trans. 39(3), 677–683 (1996).

Artículo CAS Google Scholar

Etsion, I. & Halperin, G. Sellos mecánicos hidrostáticos texturizados con superficie láser. Tríbol. Trans. 45(3), 430–434 (2002).

Artículo CAS Google Scholar

Yu, HW, Huang, W. & Wang, XL Diseño de patrones de hoyuelos para diferentes circunstancias. Lubricante. Ciencia. 25(2), 67–78 (2013).

Artículo de Google Scholar

Bhaumik, S. y col. Análisis de las propiedades de fricción de la superficie con micro hoyuelos creada por una fresadora en condiciones lubricadas. Tríbol. En t. 146, 106260 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Koszela, W., Dzierwa, A. y Galda, L. Investigación experimental del efecto de las bolsas de aceite sobre la resistencia al desgaste abrasivo. Tríbol. En t. 46(1), 145-153 (2012).

CAS Google Académico

Galda, L., Pawlus, P. & Sep, J. Efecto de la forma y distribución de los hoyuelos sobre las características de la curva de Stribeck. Tríbol. En t. 42(10), 1505-1512 (2009).

Artículo CAS Google Scholar

Andersson, P. y col. Efecto de microlubricación mediante superficies de acero texturizadas con láser. Use 262(3–4), 369–379 (2007).

Artículo CAS Google Scholar

Bai, LQ & Bai, SX Rendimiento friccional de una superficie texturizada con hoyuelos elípticos: efectos geométricos y de distribución. Tríbol. Trans. 57(6), 1122–1128 (2014).

Artículo CAS Google Scholar

Lu, P., Wood, R., Gee, M., Wang, L. y Pfleging, W. Una nueva forma de textura de superficie para el control de la fricción direccional. Tríbol. Letón. 66(1), 51 (2018).

Artículo de Google Scholar

Meng, XK, Bai, SX y Peng, XD Control de flujo de película lubricante mediante hoyuelos orientados para sellos mecánicos lubricados con líquido. Tríbol. En t. 77, 132-141 (2014).

Artículo de Google Scholar

Yu, HW, Wang, XL y Zhou, F. Efectos de la forma geométrica de la textura de la superficie en la generación de presión hidrodinámica entre superficies de contacto conformes. Tríbol. Letón. 37(2), 123-130 (2010).

Artículo de Google Scholar

Hu, D., Guo, ZW, Xie, X. y Yuan, CQ Efecto de la textura de la superficie esférica-convexa sobre el rendimiento tribológico de rodamientos lubricados con agua. Tríbol. En t. 134, 341–351 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Yang, XP, Fu, YH, Ji, JH, Chen, TY & Pan, CY Estudio sobre las propiedades tribológicas de la microtextura superficial cóncava-convexa en el acero del molde. Ind. Lubr. Tríbol. 72 (10), 1167-1171 (2020).

Artículo de Google Scholar

Tala-Ighil, N., Fillon, M. y Maspeyrot, P. Efecto del área texturizada en el rendimiento de un cojinete hidrodinámico. Tríbol. En t. 44(3), 211–219 (2011).

Artículo de Google Scholar

Bai, SX, Peng, XD, Li, JY y Meng, XK Estudio experimental sobre el efecto hidrodinámico de las superficies microporosas de orientación. Ciencia. Tecnología de China. Ciencia. 54(3), 659–662 (2011).

Artículo MATEMÁTICAS Google Scholar

Ding, SP y cols. Influencia geométrica en la fricción y el rendimiento de desgaste del hierro fundido con una superficie con micro hoyuelos. Resultados Ing. 9, 100211 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Gropper, D., Wang, L. y Harvey, TJ Lubricación hidrodinámica de superficies texturizadas: una revisión de técnicas de modelado y hallazgos clave. Tríbol. En t. 94(1), 509–529 (2016).

Artículo de Google Scholar

Podgornik, B., Vilhena, LM, Sedlacek, M., Rek, Z. & Zun, I. Eficacia y diseño del texturizado de superficies para diferentes regímenes de lubricación. Meccanica 47(7), 1613-1622 (2012).

Artículo MATEMÁTICAS Google Scholar

Kovalchenko, A., Ajayi, O., Erdemir, A., Fenske, G. y Etsion, I. El efecto del texturizado de superficies con láser en las transiciones en los regímenes de lubricación durante el contacto deslizante unidireccional. Tríbol. En t. 38(3), 219–225 (2005).

Artículo CAS Google Scholar

Liew, KW, Kok, CK y Ervina, MN Efecto de la geometría de hoyuelos de electroerosión en la reducción de la fricción bajo lubricación límite y mixta. Tríbol. En t. 101, 1–9 (2016).

Artículo CAS Google Scholar

Braun, D., Greiner, C., Schneider, J. y Gumbsch, P. Eficiencia del texturizado de superficies con láser en la reducción de la fricción bajo lubricación mixta. Tríbol. En t. 77, 142-147 (2014).

Artículo CAS Google Scholar

Nagata, S., Kohsokabe, H. y Sekiyama, N. Un cojinete de empuje de baja fricción para compresores alternativos. En la Conferencia Internacional de Ingeniería de Compresores en Purdue (2012).

Mishra, SP y Polycarpou, AA Estudios tribológicos de texturas de superficies láser sin pulir en condiciones de falta de lubricación para uso en compresores de aire acondicionado y refrigeración. Tríbol. En t. 44(12), 1890-1901 (2011).

Artículo CAS Google Scholar

Ji, JH, Guan, CW y Fu, YH Efecto de los micro hoyuelos en la lubricación hidrodinámica de superficies texturizadas con rugosidad sinusoidal. Mentón. J. Mech. Ing. 31(4), 160–167 (2018).

Google Académico

Ge, DL y col. Efecto de las microtexturas en la lubricación con fluidos de corte de herramientas de carburo cementado. En t. J. Adv. Fabricante. Tecnología. 103, 3887–3899 (2019).

Artículo de Google Scholar

Ge, DL y col. Efecto de la humectabilidad de la superficie sobre las propiedades tribológicas de la cerámica Al2O3/TiC bajo lubricación húmeda. Cerámica. En t. 45(18), 24554–24563 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Hu, S., Zheng, L., Guo, QG y Ren, LQ Influencia de la forma de la textura con ranuras transversales en el rendimiento tribológico bajo lubricación mixta. Recubrimientos 12(3), 305 (2022).

Artículo CAS Google Scholar

Descargar referencias

La investigación contó con el apoyo financiero de la Fundación de Investigación Básica y Aplicada de Guangdong (No. 2020A1515011386).

Laboratorio estatal clave de conservación de energía de sistemas y equipos de aire acondicionado, Zhuhai, 519070, Guangdong, China

Shaopeng Ding, Huijun Wei, Ouxiang Yang y Liying Deng

Gree Electric Appliances, Inc. de Zhuhai, Zhuhai, 519070, Guangdong, China

Shaopeng Ding, Huijun Wei, Ouxiang Yang, Liying Deng y Di Mu

Laboratorio clave de equipos de refrigeración y tecnología de conservación de energía de Guangdong, Zhuhai, 519070, Guangdong, China

Huijun Wei y Ouxiang Yang

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

Todos los autores contribuyeron a la concepción y diseño del estudio. SD, HW, DM y LD realizaron la preparación del material, las pruebas experimentales y el análisis de datos. El primer borrador del manuscrito fue escrito por SDOY y HW revisó y editó el manuscrito. SD fue responsable de la adquisición de financiación. Todos los autores leyeron y aprobaron el manuscrito final.

Correspondencia a Huijun Wei.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Springer Nature se mantiene neutral con respecto a reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Acceso Abierto Este artículo está bajo una Licencia Internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, compartir, adaptación, distribución y reproducción en cualquier medio o formato, siempre y cuando se dé el crédito apropiado al autor(es) original(es) y a la fuente. proporcione un enlace a la licencia Creative Commons e indique si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la normativa legal o excede el uso permitido, deberá obtener permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Ding, S., Wei, H., Yang, O. et al. Comportamiento tribológico de superficies texturizadas con láser bajo diferentes condiciones de lubricación para compresores rotativos. Representante científico 13, 5378 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32490-y

Descargar cita

Recibido: 15 de febrero de 2023

Aceptado: 28 de marzo de 2023

Publicado: 03 de abril de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32490-y

Cualquier persona con la que compartas el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, actualmente no hay un enlace para compartir disponible para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenidos Springer Nature SharedIt

Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.