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Jul 12, 2023

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

Informes científicos volumen 13,

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

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Los comportamientos tribológicos de la superficie texturizada con láser con hoyuelos elípticos se compararon experimentalmente con los 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 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 aceite pobre, el efecto del micro hoyuelo promueve el régimen de lubricación de transformación 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 al revés aumentar el coeficiente de fricción y el desgaste de la superficie para 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 la relación de eficiencia energética.

Mejorar la eficiencia es un tema eterno para los compresores utilizados en acondicionadores de aire, especialmente con la creciente concienciación sobre el calentamiento global, y se exige mucho 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 la falla por desgaste de las superficies deslizantes se convierten en un obstáculo principal para mejorar el rendimiento y prolongar la vida útil, especialmente para el compresor rotativo de pistón rodante con muchas piezas deslizantes, como los cojinetes deslizantes, el cojinete de empuje, el cigüeñal y el rodillo giratorios, la corredera alternativa, etc. .

Se ha confirmado teórica y prácticamente que el texturizado superficial con 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 forma sustancial de mejorar los comportamientos tribológicos del par de fricción.

En comparación con el revestimiento de superficie protectora5,6 y la optimización estructural7 como métodos principales actuales, el LST solo 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 el patrón texturizado común primero se llevó a cabo el estudio del mecanismo de los beneficios tribológicos por modelado teórico y observación experimental8,9. Se concluye que los microhoyuelos 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 sirven como cojinetes microhidrodinámicos, pueden mantener la separación de la superficie y la operación sin contacto en condiciones ricas en aceite. Además, estos microhoyuelos también pueden actuar como microcontenedores de lubricante para suministrar una fuente de aceite en condiciones de lubricación mixta o con aceite deficiente, o microtrampas para residuos de desgaste para evitar un mayor desgaste abrasivo en contacto deslizante seco10.

Actualmente, la gran popularidad en los estudios de texturas con microhoyuelos se vio forzada en la optimización geométrica (profundidad de hoyuelo10, diámetro de hoyuelo11, densidad de área12,13), comparación de patrones (círculo14, elíptico15, triangular16, forma de diamante17 y plano18, esférico19,20, inclinado cóncavo o convexo21) y la influencia de la disposición (ángulo de inclinación17, relación de esbeltez22, ubicación de distribución21) con el fin de lograr la mejor reducción de la fricción y la resistencia al desgaste, especialmente bajo lubricación con aceite completo o 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 circular18 debido al efecto acumulativo del fluido en la dirección de la longitud del hoyuelo, y su coeficiente de fricción puede reducirse entre un 10 y un 20 % en comparación con otros patrones de hoyuelos23. Así que los hoyuelos elípticos fueron seleccionados y analizados en este artículo.

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 la aplicación industrial. Por ejemplo, mediante pruebas pin-on-disc 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 una velocidad de deslizamiento de 0,015 a 0,45 ms−1 y presión de contacto de 1 MPa. Pero, Liew27 mostró que el coeficiente de fricción de la superficie con hoyuelos es 11-24% más bajo 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 mostró se puede obtener una reducción de la fricción de hasta un 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 probados 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, incluido el aceite pobre e incluso la lubricación seca, y no solo la condición de aceite rico. Esto también afecta significativamente los regímenes de lubricación de las caras de fricción, desde la lubricación hidrodinámica hasta la mixta o límite. Por lo tanto, falta la comparabilidad de la optimización de hoyuelos y la influencia en las propiedades de fricción y desgaste bajo los mismos parámetros de operación con diferentes condiciones de lubricación. Entonces, en este documento, los comportamientos tribológicos de la superficie texturizada con láser se compararon experimentalmente en diferentes condiciones de lubricación con los mismos parámetros operativos.

En aplicaciones de compresores, las superficies texturizadas también han recibido más atención gradualmente debido a sus ventajas de reducción de fricción y mejora antidesgaste, pero las investigaciones publicadas siguen siendo inadecuadas. Nagata29 comparó tres patrones texturizados en las superficies de empuje de los compresores alternativos para demostrar que el coeficiente de rendimiento es un 1,4 % más alto y la pérdida por fricción es un 20–60 % más baja. Mishra30 investigó los comportamientos tribológicos de LST bajo una lubricación pobre en aceite para compresores scroll dentro de 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 el compresor alternativo o scroll, su aplicabilidad y ventaja en las propiedades tribológicas del compresor rotativo no está clara.

Por lo tanto, los comportamientos tribológicos de la superficie texturizada con láser con hoyuelos elípticos se analizaron experimentalmente en diferentes condiciones de lubricación, incluida la lubricación pobre en aceite, rica en aceite y seca. Los coeficientes de fricción y las topografías de desgaste se compararon con el liso con la carga de operación creciente. 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 de 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, fue 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 texturización de superficie con láser (LST) con una cierta profundidad de diseño 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 de esbeltez, 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 con láser, la superficie original del rotor se pulió con una rugosidad de Ra < 0,2 μm, luego se limpió en un limpiador ultrasónico con acetona y alcohol y se secó en un horno. Las texturas con microhoyuelos se fabricaron con láser de fibra óptica de HGTECH LSF20 con una longitud de onda de 1064 nm. Los parámetros de procesamiento contenían la potencia del láser de 7 W, la velocidad de exploración de 800 mm s−1, la frecuencia de 80 kHz y 3 overscan. Después de fabricar con láser de fibra óptica, se repitió el proceso de pulido para eliminar las crestas o protuberancias alrededor de los hoyuelos debido a la fusión del metal por difusión térmica. La rugosidad de la superficie no texturizada se controló en Ra < 0,2. Las topografías se midieron con un perfilómetro 3D de interferencia de luz blanca compatible con 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, está hecho de hierro fundido HT250, un material de cojinete común en el compresor rotativo de pistón rodante. La superficie del estator también se pulió con una rugosidad de aproximadamente Ra < 0,2 μm.

Los comportamientos tribológicos de las probetas texturizadas con láser se compararon con las lisas bajo diferentes condiciones de lubricación y cargas operativas mediante un tribómetro MMW-1A. El equipo de prueba se mostró en la Fig. 4 con los compañeros de anillo sobre anillo bajo presión ambiental. El rotor texturizado superior fue accionado 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 de grupo se llevó a cabo durante 60 min y se repitió al menos tres veces. Se midieron el par de fricción y el coeficiente de fricción. Mientras se completaba la prueba, las topografías de desgaste en las superficies de fricción se presentaron mediante análisis SEM (FEI Quanta 250).

Esquema del equipo de prueba.

Se compararon las influencias de las 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 se sumergieron en el lubricante (FV50S) con un volumen determinado de 100 mL. En el de aceite pobre, el lubricante se aplicó uniformemente a la interfaz de fricción antes del arranque, pero no hubo suministro de lubricante posterior. A la lubricación en seco no se le proporcionó ningún tipo de lubricante.

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

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

En términos generales, para 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 de ω = 0 a 1500 r min−1, luego disminuye lentamente al entrar en el etapa de desgaste estable, finalmente se mantiene constante aproximadamente. Sin embargo, tiene varias condiciones de funcionamiento especiales, como F = 700 N para la superficie lisa bajo lubricación rica en aceite y 600–700 N para la texturada bajo lubricación pobre en aceite. El coeficiente de fricción f aumenta bruscamente antes de entrar en la etapa de desgaste estable. Aquí, la interfaz de fricción produce un desgaste importante. Además, a F = 600–700 N para la superficie lisa con poca lubricación de aceite, f rompe el valor constante y aumenta bruscamente junto con una vibración significativa, lo que indica una 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 rica en aceite. Es similar bajo una mala lubricación 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 leve impacto en la curva de f, basta cambiar el valor en lugar de la tendencia. Tan similares como la superficie texturizada bajo una lubricación de aceite deficiente, sus mínimos son de aproximadamente 300 a 400 N.

Los coeficientes de fricción de la fase estacionaria (en la Fig. 5) para los especímenes texturizados y lisos 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, el coeficiente de fricción f actúa como la ordenada. A medida que ηω/p disminuye (vista de derecha a izquierda), es decir, la carga aplicada aumenta mientras que η y ω se mantienen constantes, para la superficie lisa bajo dos condiciones de lubricación, los cambios de f son bastante parecidos. Los resultados muestran que f primero disminuye y alcanza un mínimo en F = 300 N, 0.025 para lubricación rica en aceite y 0.029 para lubricación pobre en aceite 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 las mejores ventajas de reducción de la fricción.

Coeficientes de fricción de superficies lisas y elípticas con hoyuelos con el aumento del parámetro adimensional en condiciones ricas23 y malas de lubricación (η es la viscosidad del lubricante, p, la carga por unidad de área y ω, la velocidad de rotación).

Mientras se completaban 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 de adhesivo parcial y las picaduras también pueden existir en condiciones de aceite deficiente. Cuando la F supera los 500 N, la pérdida de material debido a las profundas cicatrices de arado y la grave extrusión de 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 del 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 los especímenes inferiores frente a los especímenes superiores lisos: (a) en condiciones de lubricación ricas en aceite; (b) bajo malas condiciones de lubricación de aceite.

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

Para la superficie texturizada en condiciones de aceite pobre en la Fig. 6, la f presenta una tendencia similar a la de la lisa. Los hoyuelos mejoran la carga crítica de 300 N para superficies lisas a 400–500 N, por lo que amplían el rango del régimen hidrodinámico, lo que contribuye a mejorar el rendimiento tribológico. Y el mínimo es de unos 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 inflexión, lo que ilustra que la superficie texturizada siempre mantiene el régimen de lubricación hidrodinámica. A esto, 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 la lubricación hidrodinámica constante. Otra es que los hoyuelos pueden servir como un microdepósito para suministrar una lubricación sostenida bajo la carga aplicada30,31,32,33.

La figura 8 muestra las topografías de desgaste de los especímenes inferiores frente a los especímenes superiores texturizados. En condiciones ricas en aceite, solo se presentan leves cicatrices de desgaste y las cicatrices o grietas originales del mecanizado. Sin embargo, en condiciones de aceite deficiente, las características de mecanizado originales desaparecen después de ejecutar la etapa de desgaste estable, como resultado, las interfaces de fricción se vuelven mucho más suaves. Cuando F > 400 N bajo régimen mixto analizado en la Fig. 6, las leves cicatrices de arado y las extrusiones plásticas se forman gradualmente. En comparación con el liso, en régimen hidrodinámico, el texturizado superficial con láser no genera influencias en la resistencia al desgaste, pero en régimen mixto, se puede obtener una mejora significativa de la resistencia al desgaste. La razón de esto es que los hoyuelos sirvieron como contenedor de lubricante para proporcionar una condición de lubricación suficiente para las superficies de contacto. Mientras aplica 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 que hace que las superficies de contacto se separen y mantiene el funcionamiento sin contacto34.

Topografías de desgaste de los especímenes inferiores frente a los especímenes superiores texturizados: (a) en condiciones de lubricación ricas en aceite; (b) bajo malas condiciones de lubricación de aceite.

En conclusión, en comparación con la superficie lisa sin texturas bajo la lubricación con película de aceite, las superficies texturadas con hoyuelos elípticos pueden mejorar de manera efectiva el régimen de lubricación y mejorar la resistencia al desgaste, especialmente para condiciones ricas en aceite y alta carga aplicada debido al efecto hidrodinámico más significativo de hoyuelos elípticos. En el caso presente, 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 en 100–700 N, la interfaz de fricción falla bruscamente al poco tiempo con el arranque de prueba. Entonces, la carga de 10 a 50 N se aplica en la lubricación seca actual. Se encuentra que el coeficiente de fricción f aumenta significativamente en comparación con la lubricación con película de aceite, y el máximo puede alcanzar alrededor de 1,5. Además, la f de la superficie texturizada es mayor que la de la lisa, lo que demuestra que las texturas con hoyuelos no tienen la ventaja de reducir la fricción y producen el efecto contrario. Por lo tanto, el texturizado superficial con láser no se recomienda 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 de tiempo y cargas en condiciones de lubricación seca.

Las topografías de desgaste en condiciones de lubricación seca en la Fig. 10 muestran que la interfaz de fricción genera un desgaste por oxidación grave mediante análisis EDS, y la gravedad del desgaste es similar para las muestras texturadas y lisas. Los óxidos son fáciles de despegar bajo la gran presión de contacto localizada debido a la extrusión de plástico por contacto mecánico mediante análisis SEM.

Topografías de desgaste en condiciones de lubricación seca.

Según el análisis anterior, las texturas de la superficie pueden disminuir de manera efectiva el coeficiente de fricción y mejorar la resistencia al desgaste, especialmente en condiciones ricas en aceite y alta carga aplicada26. Por lo tanto, la textura de la superficie con láser es extremadamente adecuada para el cojinete de empuje, como se muestra en la Fig. 11, para reducir el consumo de energía por 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 que se usó 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 fotografías de superficies texturizadas. en la Fig. 13. Haciendo referencia a dos planes de prueba, el rango de distribución de texturas elípticas en el 'Plan 1' es de Φ18.007 a Φ33 mm, y el 'Plan 2', de Φ18.007 a Φ27 mm. Las condiciones de prueba se enumeran en la Tabla 3.

Superficie de confianza.

Fotografías de cojinete inferior con texturas.

La prueba del compresor se llevó a cabo 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. Parámetros de rendimiento que incluyen la capacidad de refrigeración, potencia de entrada, COP (= capacidad de refrigeración/potencia de entrada) y corriente para el compresor con frecuencia fija pueden obtenerse.

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 plan con texturas con una comparación del plan original sin texturas. Los datos de prueba se listaron en la Tabla 4. Durante el proceso de prueba, se aseguró la consistencia 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 potencia de entrada 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 realiza solo un 0,4 % % y 0,2% de aumento. Como resultado, el coeficiente de desempeño (COP) puede mejorar 2.5% y 2.6% para el Plan 1 y el Plan 2 respectivamente. Además, los dos planes texturizados son efectivos para reducir el consumo de energía por 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. El régimen de lubricación y el mecanismo de desgaste fueron discutidos por coeficientes de fricción y topografías de desgaste. Se extrajeron las siguientes conclusiones.

La mejora tribológica de las superficies texturizadas depende en gran medida de las condiciones de lubricación. Con el aumento de las cargas aplicadas bajo lubricaciones con aceite rico y aceite pobre, el efecto del micro hoyuelo promueve el régimen de lubricación de transformación 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 al revés aumentar el coeficiente de fricción para las superficies texturizadas bajo lubricación seca.

Las texturas de la superficie pueden disminuir efectivamente el coeficiente de fricción y mejorar la resistencia al desgaste, especialmente en condiciones ricas en aceite y alta carga aplicada debido al efecto hidrodinámico más significativo de los hoyuelos elípticos. Pero no se recomienda en condiciones de lubricación seca si con el fin de 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 efectivo para reducir el consumo de energía por fricción y mejorar la relación de eficiencia energética, y no tiene influencias obvias en la capacidad de enfriamiento. En los casos actuales, la potencia de entrada del compresor puede reducirse ~ 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.

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La investigación fue apoyada financieramente por la Fundación de Investigación Básica y Básica Aplicada de Guangdong (No. 2020A1515011386).

Laboratorio estatal clave de equipos de aire acondicionado y conservación de energía del sistema, 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

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Todos los autores contribuyeron a la concepción y el 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 fondos. Todos los autores leyeron y aprobaron el manuscrito final.

Correspondencia a Huijun Wei.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

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

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Recibido: 15 febrero 2023

Aceptado: 28 de marzo de 2023

Publicado: 03 abril 2023

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

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