Comportamenti tribologici della superficie strutturata al laser in diverse condizioni di lubrificazione per un compressore rotativo

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 5378 (2023) Citare questo articolo

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I comportamenti tribologici della superficie strutturata al laser con fossette ellittiche sono stati confrontati sperimentalmente con quello di quella liscia in diverse condizioni di lubrificazione, inclusa la lubrificazione con olio povero, olio ricco e secca. Il regime di lubrificazione è stato analizzato con l'aumento del carico operativo mediante test tribologici anello su anello. Infine, è stato studiato l'impatto sulle prestazioni del compressore rotativo a pistoni rotanti con texture fabbricate sulle superfici di spinta. I risultati mostrano che il miglioramento tribologico dipende fortemente dalle condizioni di lubrificazione. Con l'aumento dei carichi applicati in condizioni di lubrificazione con olio ricco e olio povero, l'effetto della micro fossetta promuove il regime di lubrificazione che trasforma il carico critico ed espande la gamma di lubrificazione idrodinamica, nel frattempo mantiene un coefficiente di attrito minimo simile a quello della superficie liscia ma migliora la resistenza all'usura. Tuttavia, aumentare il coefficiente di attrito e l'usura superficiale per le superfici strutturate con lubrificazione a secco è inverso. Le prestazioni del compressore possono essere migliorate in modo significativo mediante la testurizzazione superficiale al laser con una riduzione del 2% del consumo di energia per attrito e un miglioramento del 2,5% del rapporto di efficienza energetica.

Migliorare l’efficienza è un tema eterno per i compressori utilizzati nei condizionatori d’aria, soprattutto con la crescente consapevolezza del riscaldamento globale, e un compressore altamente efficiente è fortemente richiesto per ridurre il consumo energetico. Con l’uso di refrigeranti a basso potenziale di riscaldamento globale (GWP), anche il regime di lubrificazione e le condizioni operative nei compressori peggioreranno ulteriormente. La perdita di attrito e il cedimento dovuto all'usura delle superfici scorrevoli diventano un ostacolo principale per migliorare le prestazioni e prolungare la durata, in particolare per il compressore rotativo a pistoni rotanti con molte parti scorrevoli come cuscinetti scorrevoli, cuscinetto reggispinta, albero motore e rullo rotanti, slitta alternativa e così via .

È stato confermato, teoricamente e praticamente, che la testurizzazione superficiale laser (LST) mediante la fabbricazione del micro-modello regolare sulle superfici migliora la maggiore capacità di carico e il minore coefficiente di attrito e calore superficiale nei cuscinetti idrodinamici, nelle tenute meccaniche, negli anelli frontali cilindrici o nelle fasce elastiche1 ,2,3,4. Ciò fornisce un modo sostanziale per migliorare i comportamenti tribologici della coppia di attrito.

Rispetto al rivestimento protettivo della superficie5,6 e all’ottimizzazione strutturale7 come gli attuali metodi principali, l’LST struttura semplicemente artificialmente la topografia superficiale per controllare il regime di lubrificazione invece di lavorazioni complesse e progettazione difficile. Le micro fossette come modello strutturato comune sono state inizialmente effettuate per studiare il meccanismo dei benefici tribologici mediante modelli teorici e osservazioni sperimentali8,9. Si conclude che le micro-fossette superficiali possono aumentare la pressione idrodinamica aggiuntiva del fluido viscoso convergente tra i relativi componenti di scorrimento, ampliando così la gamma di lubrificazione idrodinamica. Come vantaggio, le micro fossette, utilizzate come cuscinetti microidrodinamici, possono mantenere la separazione superficiale e il funzionamento senza contatto in condizioni di olio ricco. Inoltre, queste micro fossette possono anche fungere da micro-contenitori di lubrificante per fornire una fonte di olio in caso di lubrificazione mista o con olio povero, o da micro-trappole per detriti di usura per prevenire ulteriore usura abrasiva in caso di contatto strisciante secco10.

Attualmente, la popolarità significativa negli studi sulle texture micro-fosse è stata forzata sull'ottimizzazione geometrica (profondità della fossetta10, diametro della fossetta11, densità dell'area12,13), confronto dei modelli (cerchio14, ellittico15, triangolare16, a forma di diamante17 e piatto18, sferico19,20, concavo o convesso inclinato21) e l'influenza della disposizione (angolo di inclinazione17, rapporto snello22, posizione di distribuzione21) con lo scopo di ottenere la migliore riduzione dell'attrito e resistenza all'usura, soprattutto in caso di lubrificazione con olio pieno o ricco di olio. Nel complesso, le fossette ellittiche ottimali mostrano un effetto idrodinamico più forte con un aumento del 26,3% della capacità di carico rispetto a quella circolare18 a causa dell'effetto cumulativo del fluido nella direzione della lunghezza delle fossette, e il suo coefficiente di attrito può essere ridotto del 10–20% rispetto a altri modelli di fossette23. Quindi le fossette ellittiche sono state selezionate e analizzate in questo articolo.