Трибологическое поведение текстурированной лазером поверхности при различных условиях смазки ротационного компрессора

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 5378 (2023) Цитировать эту статью

507 доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Экспериментально проведено сравнение трибологического поведения текстурированной лазером поверхности с эллиптическими ямками и гладкой поверхности при различных условиях смазки, в том числе при плохом, богатом масле и сухой смазке. Анализ режима смазки при возрастающей эксплуатационной нагрузке проводился трибологическими испытаниями «кольцо на кольцо». Наконец, было исследовано влияние на производительность роторного компрессора с подвижным поршнем и текстурами, нанесенными на упорные поверхности. Результаты показывают, что улучшение трибологии сильно зависит от состояния смазки. С увеличением приложенных нагрузок при смазке с богатым и плохим маслом эффект микроямочек способствует режиму смазки, преобразующему критическую нагрузку, и расширяет диапазон гидродинамической смазки, при этом сохраняя такой же минимум коэффициента трения, как и гладкая поверхность, но повышает износостойкость. Однако для текстурированных поверхностей при сухой смазке происходит обратное: коэффициент трения и поверхностный износ текстурированных поверхностей увеличиваются. Производительность компрессора можно значительно улучшить за счет лазерного текстурирования поверхности, что позволит снизить энергопотребление на трение на 2% и повысить коэффициент энергоэффективности на 2,5%.

Повышение эффективности — вечная тема для компрессоров, используемых в кондиционерах, особенно с учетом растущей осведомленности о глобальном потеплении, и для снижения энергопотребления настоятельно требуется высокоэффективный компрессор. При использовании хладагентов с низким потенциалом глобального потепления (ПГП) режим смазки и условия эксплуатации компрессоров также будут ухудшаться. Потери на трение и износ поверхностей скольжения становятся основным препятствием для улучшения производительности и продления срока службы, особенно для ротационных компрессоров с подвижным поршнем и множеством частей скольжения, таких как подшипники скольжения, упорные подшипники, вращающийся коленчатый вал и ролики, поршневые салазки и т. д. .

Теоретически и практически подтверждено, что лазерное текстурирование поверхности (LST) путем создания регулярного микрорисунка на поверхностях повышает несущую способность, снижает коэффициент трения и нагрев поверхности в гидродинамических подшипниках, механических уплотнениях, цилиндрических торцевых кольцах или поршневых кольцах1. ,2,3,4. Это обеспечивает существенный способ улучшить трибологические характеристики пары трения.

По сравнению с защитным покрытием поверхности5,6 и структурной оптимизацией7 в качестве основных методов, LST просто искусственно структурирует топографию поверхности для управления режимом смазки вместо сложной обработки и сложного проектирования. Микроямочки как общий текстурированный рисунок были впервые использованы для изучения механизма трибологических преимуществ путем теоретического моделирования и экспериментального наблюдения8,9. Сделан вывод, что поверхностные микроямочки могут усиливать дополнительное гидродинамическое давление сходящейся вязкой жидкости между относительными скользящими компонентами, тем самым расширяя диапазон гидродинамической смазки. Преимуществом является то, что микровыемки, служащие микрогидродинамическими подшипниками, могут поддерживать разделение поверхностей и бесконтактную работу в условиях богатого масла. Кроме того, эти микроямочки также могут действовать как микроконтейнеры для смазки для подачи источника масла при смазке смешанным или некачественным маслом, или как микроловушки для остатков износа для предотвращения дальнейшего абразивного износа при сухом скользящем контакте10.

В настоящее время значительная популярность исследований текстур с микроямочками обусловлена ​​геометрической оптимизацией (глубина лунки10, диаметр лунки11, плотность площади12,13), сравнением рисунков (круг14, эллиптический15, треугольный16, ромбовидный17 и плоский18, сферический19,20, наклонная, вогнутая или выпуклая21) и влияние расположения (угол наклона17, тонкое передаточное число22, расположение распределения21) с целью наилучшего снижения трения и повышения износостойкости, особенно при полностью масляной или обильной смазке. В целом оптимальные эллиптические лунки демонстрируют более сильный гидродинамический эффект с увеличением несущей способности на 26,3%, чем круглые18 за счет кумулятивного эффекта жидкости в направлении длины лунок, а их коэффициент трения может быть снижен на 10–20% по сравнению с круглыми лунками. другие узоры с ямочками23. Поэтому в данной статье были выбраны и проанализированы эллиптические ямки.