Comportamentos tribológicos de superfícies texturizadas a laser sob diferentes condições de lubrificação para compressores rotativos

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 5378 (2023) Citar este artigo

507 Acessos

1 Altmétrico

Detalhes das métricas

O comportamento tribológico da superfície texturizada a laser com covinhas elípticas foi comparado experimentalmente com o da superfície lisa sob diferentes condições de lubrificação, incluindo lubrificação com óleo pobre, óleo rico e lubrificação seca. O regime de lubrificação foi analisado com o aumento da carga operacional por meio de testes tribológicos anel sobre anel. Finalmente, foi investigado o impacto no desempenho do compressor rotativo de pistão rolante com texturas fabricadas nas superfícies de impulso. Os resultados mostram que a melhoria tribológica depende fortemente da condição de lubrificação. Com o aumento das cargas aplicadas sob lubrificação com óleo rico e com óleo pobre, o efeito da micro-ondulação promove o regime de lubrificação transformadora de carga crítica e expande a faixa de lubrificação hidrodinâmica, enquanto mantém um coeficiente de atrito 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 superficial 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 tema eterno para compressores utilizados em aparelhos de ar condicionado, especialmente com a crescente consciência do 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 piorados. A perda por 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 rolamentos deslizantes, rolamento axial, virabrequim giratório e rolo, corrediça alternativa e assim por diante .

A texturização de superfície a laser (LST), por meio da fabricação de micropadrões regulares em superfícies, foi confirmada teórica e praticamente para melhorar a maior capacidade de suporte de carga e o menor coeficiente de atrito e calor superficial em rolamentos hidrodinâmicos, vedações mecânicas, anéis de face cilíndrica ou anéis de pistão1 ,2,3,4. Isto fornece uma maneira substancial de melhorar os comportamentos tribológicos do par de atrito.

Comparado com o revestimento protetor de 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 design difícil. As microondulações como padrão texturizado comum foram realizadas pela primeira vez no estudo do mecanismo dos benefícios tribológicos por modelagem teórica e observação experimental . Conclui-se que as micro-ondulações superficiais 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 microondulações, que servem como rolamentos microhidrodinâmicos, podem manter a separação da superfície e a operação sem contato sob condições de óleo rico. Além disso, essas microondulações também podem atuar como microrrecipientes de lubrificante para fornecer fonte de óleo sob lubrificação mista ou com óleo pobre, ou microarmadilhas 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 à otimização geométrica (profundidade da ondulação10, diâmetro da ondulação11, densidade de área12,13), comparação de padrões (círculo14, elíptico15, triangular16, formato de diamante17 e plano18, esférico19,20, inclinado, côncavo ou convexo21) e influência do arranjo (ângulo de inclinação17, relação delgada22, localização de distribuição21) com o objetivo de melhor redução de atrito e resistência ao desgaste, especialmente sob lubrificação com óleo completo ou óleo rico. No geral, as covinhas elípticas ideais mostram um efeito hidrodinâmico mais forte com um aumento de 26,3% na capacidade de suporte de carga do que o círculo18 devido ao efeito cumulativo do fluido na direção do comprimento da cova, 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.