Comportements tribologiques d'une surface texturée au laser dans différentes conditions de lubrification pour compresseur rotatif

Aug 30, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 5378 (2023) Citer cet article

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Les comportements tribologiques de la surface texturée au laser avec des fossettes elliptiques ont été expérimentalement comparés à ceux de la surface lisse dans différentes conditions de lubrification, y compris la lubrification pauvre en huile, riche en huile et sèche. Le régime de lubrification a été analysé avec l'augmentation de la charge de fonctionnement par des tests tribologiques anneau sur anneau. Enfin, l'impact sur les performances du compresseur rotatif à piston roulant avec des textures fabriquées sur les surfaces de poussée a été étudié. Les résultats montrent que l'amélioration tribologique dépend fortement des conditions de lubrification. Avec l'augmentation des charges appliquées sous une lubrification à l'huile riche et à l'huile pauvre, l'effet de la micro-alvéole favorise le régime de lubrification transformant la charge critique et élargit la plage de lubrification hydrodynamique, tout en maintenant un coefficient de frottement minimal similaire à celui de la surface lisse mais améliore la résistance à l'usure. Cependant, il est inverse d'augmenter le coefficient de frottement et l'usure de surface pour les surfaces texturées sous lubrification sèche. Les performances du compresseur peuvent être améliorées de manière significative par la texturation de surface au laser avec une réduction de 2 % de la consommation d'énergie de friction et une amélioration de 2,5 % du taux d'efficacité énergétique.

L'amélioration de l'efficacité est un sujet éternel pour les compresseurs utilisés dans les climatiseurs, en particulier avec la prise de conscience accrue du réchauffement climatique, et un compresseur hautement efficace est fortement demandé pour réduire la consommation d'énergie. Avec l'utilisation de réfrigérants à faible potentiel de réchauffement global (GWP), le régime de lubrification et les conditions de fonctionnement des compresseurs seront également aggravés. La perte de friction et l'usure des surfaces de glissement deviennent un obstacle principal pour améliorer les performances et prolonger la durée de vie, en particulier pour le compresseur rotatif à piston roulant avec de nombreuses pièces coulissantes telles que les paliers lisses, le palier de butée, le vilebrequin et le rouleau rotatifs, le coulisseau alternatif, etc.

La texturation de surface au laser (LST) en fabriquant le micro-motif régulier sur les surfaces a été confirmée théoriquement et pratiquement pour améliorer la capacité de charge plus élevée et le coefficient de frottement et la chaleur de surface inférieurs dans les roulements hydrodynamiques, les joints mécaniques, les bagues à face cylindrique ou les segments de piston1,2,3,4. Ceci fournit un moyen substantiel d'améliorer les comportements tribologiques du couple de frottement.

Par rapport au revêtement de surface protecteur5,6 et à l'optimisation structurelle7 comme méthodes principales actuelles, le LST structure simplement artificiellement la topographie de surface pour contrôler le régime de lubrification au lieu d'un traitement complexe et d'une conception difficile. Les micro-alvéoles en tant que motif texturé commun ont d'abord réalisé l'étude du mécanisme des avantages tribologiques par modélisation théorique et observation expérimentale8,9. Il est conclu que les micro-alvéoles de surface peuvent augmenter la pression hydrodynamique supplémentaire du fluide visqueux convergent entre les composants de glissement relatif, élargissant ainsi la plage de lubrification hydrodynamique. Comme avantage, les micro-alvéoles, servant de paliers micro-hydrodynamiques, peuvent maintenir une séparation de surface et un fonctionnement sans contact dans des conditions d'huile riche. En outre, ces micro-alvéoles peuvent également servir de micro-conteneurs de lubrifiant pour fournir une source d'huile sous une lubrification mixte ou pauvre en huile, ou des micro-pièges pour les débris d'usure afin d'empêcher une usure abrasive supplémentaire sous un contact de glissement sec10.

Actuellement, la grande popularité des études sur les textures micro-alvéolées a été imposée par l'optimisation géométrique (profondeur d'alvéole10, diamètre d'alvéole11, densité de surface12,13), la comparaison de motifs (cercle14, elliptique15, triangulaire16, forme de diamant17 et plat18, sphérique19,20, concave incliné ou convexe21) et l'influence de la disposition (angle d'inclinaison17, rapport d'élancement22, emplacement de distribution21) dans le but de meilleure réduction du frottement et résistance à l'usure, en particulier sous lubrification à l'huile complète ou à l'huile riche. Dans l'ensemble, les fossettes elliptiques optimales montrent un effet hydrodynamique plus fort avec une augmentation de 26,3 % de la capacité de charge que celle du cercle18 en raison de l'effet cumulatif du fluide dans le sens de la longueur de la fossette, et son coefficient de frottement peut être réduit de 10 à 20 % par rapport aux autres modèles de fossettes23. Ainsi, les fossettes elliptiques ont été sélectionnées et analysées dans cet article.

Cependant, les géométries optimales avec des avantages tribologiques dépendent fortement des environnements de fonctionnement24 et des conditions de lubrification25,26, ce qui peut conduire à des conclusions contradictoires et rendre une application industrielle difficile. Par exemple, par des tests pin-on-disc dans des conditions de lubrification mixte, Podgornik25 a mené l'enquête tribologique sur l'efficacité des textures de surface pour montrer que les textures résistent au glissement et augmentent le frottement dans ses cas avec une vitesse de glissement de 0,015 à 0,45 ms−1 et une pression de contact de 1 MPa. Mais, Liew27 a montré que le coefficient de frottement d'une surface alvéolée est de 11 à 24 % inférieur à celui d'une surface non texturée dans ses cas avec une vitesse de glissement de 0,5 à 7,8 ms−1 et une pression de contact de 0,08 à 0,3 MPa, et Braun28 a également montré qu'une réduction de frottement allant jusqu'à 80 % peut être obtenue pour le diamètre optimal à une vitesse de glissement de 0,5 ms−1 et une pression de contact de 3 MPa. Bien que les résultats prometteurs aient été prouvés par un grand nombre d'études théoriques et expérimentales, la grande majorité est basée sur les propres conditions de fonctionnement en mode de lubrification unique. Mais pour les applications industrielles, en particulier pour le compresseur rotatif à piston roulant dans les climatiseurs, les approvisionnements en huile changent constamment, y compris la lubrification en huile pauvre et même sèche, et pas seulement en condition d'huile riche. Cela affecte également de manière significative les régimes de lubrification des faces de friction, de la lubrification hydrodynamique à la lubrification mixte ou limite. Il s'agit donc d'un manque de comparabilité de l'optimisation alvéolée et de l'influence sur les propriétés de frottement et d'usure sous les mêmes paramètres de fonctionnement avec différentes conditions de lubrification. Ainsi, dans cet article, les comportements tribologiques de la surface texturée au laser ont été comparés expérimentalement dans différentes conditions de lubrification avec les mêmes paramètres de fonctionnement.

Dans les applications de compresseurs, les surfaces texturées ont également fait l'objet d'une plus grande attention en raison de leurs avantages de réduction du frottement et d'amélioration anti-usure, mais les recherches publiées restent encore insuffisantes. Nagata29 a comparé trois motifs texturés sur les surfaces de poussée de compresseurs alternatifs pour montrer que le coefficient de performance est supérieur de 1,4 % et que la perte par frottement est inférieure de 20 à 60 %. Mishra30 a étudié les comportements tribologiques du LST sous une mauvaise lubrification à l'huile pour un compresseur scroll dans une ambiance de réfrigération, ce qui montre que la texturation de surface présente des améliorations tribologiques significatives et largement indépendantes du type de lubrifiant ou de réfrigérant. Grâce à l'influence des structures alvéolées a été étudiée dans le compresseur à piston ou à spirale, son applicabilité et son avantage sur les propriétés tribologiques du compresseur rotatif ne sont pas clairs.

Ainsi, les comportements tribologiques de la surface texturée au laser avec des fossettes elliptiques ont été analysés expérimentalement dans différentes conditions de lubrification, y compris la lubrification pauvre en huile, riche en huile et sèche. Les coefficients de frottement et les topographies d'usure ont été comparés à ceux lisses avec l'augmentation de la charge de fonctionnement. Le régime de lubrification et le mécanisme d'usure ont également été analysés. Enfin, l'impact sur les performances du compresseur rotatif à piston roulant avec des textures fabriquées sur les surfaces de poussée a été étudié.

Les essais expérimentaux ont été effectués sur un couple de frottement anneau sur anneau comme illustré à la Fig. 1. Le rotor, à savoir le rotor supérieur avec le rayon interne ri = 13,5 mm, le rayon externe ro = 20 mm et l'épaisseur de 24 mm, était en fonte JIS FC300 provenant du rouleau du compresseur rotatif à piston roulant. Les fossettes elliptiques illustrées à la Fig. 2 ont été traitées par texturation de surface au laser (LST) avec une certaine profondeur conçue hd = 5 μm, et son axe principal était parallèle à la direction de la vitesse de cisaillement. Deux paramètres géométriques supplémentaires ont été définis pour décrire la caractéristique de distribution de la fossette elliptique, y compris la densité de surface de fossette, Sp = nθnrab/(ro2 − ri2), représentant le pourcentage de la somme de la zone de fossette à la zone de lubrification, et le rapport d'élancement, λ = a/b, représentant le rapport entre le rayon principal et le rayon mineur. La signification détaillée et la dimension de chaque variable ont été répertoriées dans le tableau 1.

Photographies et dimensions des échantillons d'essai : (a) échantillon de rotation sans textures ; (b) échantillon de rotation avec textures ; (c) échantillon stationnaire.

Géométrie de la surface texturée avec fossettes elliptiques.

Avant le traitement au laser, la surface du rotor d'origine a été polie avec une rugosité d'environ Ra <0,2 μm, puis a été nettoyée dans un nettoyeur à ultrasons avec de l'acétone et de l'alcool, et séchée au four. Les textures micro-alvéolées ont été fabriquées par laser à fibre optique de HGTECH LSF20 avec une longueur d'onde de 1064 nm. Les paramètres de traitement contenaient une puissance laser de 7 W, une vitesse de balayage de 800 mm s-1, une fréquence de 80 kHz et 3 surbalayages. Après fabrication par laser à fibre optique, le processus de polissage a été répété pour éliminer les arêtes ou les renflements autour des alvéoles dus à la fusion du métal par diffusion thermique. La rugosité sur surface non texturée a été contrôlée en Ra < 0,2. Les topographies ont été mesurées par un profilemètre 3D interférant en lumière blanche pris en charge par BRUKER Contour GT-K illustré à la Fig. 3. La profondeur mesurée était de 4, 61 μm au lieu de la valeur de conception de 5 μm.

Topographies de la surface alvéolée elliptique.

Le stator, à savoir celui du bas avec un rayon interne de 10 mm, un rayon externe de 27 mm et une épaisseur de 7 mm, était en fonte HT250, un matériau de roulement courant dans les compresseurs rotatifs à piston roulant. La surface du stator a également été polie avec une rugosité d'environ Ra < 0,2 μm.

Les comportements tribologiques des échantillons texturés au laser ont été comparés à ceux lisses dans différentes conditions de lubrification et charges de fonctionnement par un tribomètre MMW-1A. Le banc d'essai a été illustré à la Fig. 4 avec les partenaires anneau sur anneau sous pression ambiante. Le rotor texturé supérieur était entraîné par un moteur tournant avec une certaine vitesse de rotation de 1500 r min-1. Le stator lisse inférieur était serré dans le support fixe et supportait la charge verticale appliquée. Le tableau 2 répertorie les conditions de fonctionnement. Chaque test de groupe a duré 60 minutes et a été répété au moins trois fois. Le couple de frottement et le coefficient de frottement ont été mesurés. Pendant que les essais étaient terminés, les topographies d'usure sur les surfaces de frottement ont été présentées par analyse SEM (FEI Quanta 250).

Schéma du banc d'essai.

Les influences de différentes conditions de lubrification sur les performances tribologiques ont été comparées, y compris la lubrification pauvre en huile, riche en huile et sèche. Pour la lubrification à l'huile riche, pendant tout le fonctionnement, le rotor et le stator ont été immergés dans le lubrifiant (FV50S) avec un certain volume de 100 mL. Pour celui à faible teneur en huile, le lubrifiant a été appliqué uniformément sur l'interface de friction avant le démarrage, mais il n'y a pas eu d'alimentation en lubrifiant par la suite. Pour la lubrification sèche, aucun lubrifiant n'a été fourni.

Dans le dernier article de l'auteur23, les comportements tribologiques sous condition d'huile riche ont été analysés. La figure 5 compare les coefficients de frottement d'une surface texturée avec une surface lisse dans des conditions de lubrification à l'huile riche et à l'huile pauvre avec l'augmentation du temps et des charges. Il convient de noter que chaque condition de charge représente un test distinct, puis ces résultats obtenus sont combinés en une seule figure. Chaque essai avec de nouvelles éprouvettes et du lubrifiant est effectué de 0 à 60 min.

Coefficients de frottement de la surface lisse et de la surface alvéolée elliptique avec l'augmentation du temps et des charges dans des conditions de lubrification riche et pauvre.

D'une manière générale, dans tous les cas avec la certaine charge appliquée, à mesure que le temps de fonctionnement augmente, le coefficient de frottement augmente d'abord rapidement pendant les phases de démarrage et d'accélération de ω = 0 à 1500 r min−1, puis diminue lentement en entrant dans la phase d'usure stable, enfin se maintient approximativement stable. Cependant, cela a plusieurs conditions de fonctionnement spéciales telles que F = 700 N pour la surface lisse sous lubrification à l'huile riche et 600–700 N pour la surface texturée sous lubrification à l'huile pauvre. Le coefficient de frottement f augmente fortement avant d'entrer dans la phase d'usure stable. Ici, l'interface de friction se produit une usure importante. En outre, à F = 600–700 N pour la surface lisse sous une mauvaise lubrification à l'huile, le f rompt la valeur constante et augmente fortement avec des vibrations importantes, indiquant une défaillance de l'usure de la surface. En conséquence, le test est forcé de se terminer sans s'exécuter pendant 60 min.

Avec l'augmentation de la charge de 100 à 700 N, jusqu'à la surface texturée à alvéoles elliptiques, le coefficient de frottement présente une tendance décroissante sous lubrification à l'huile riche. Il en va de même en cas de lubrification à l'huile médiocre lorsque F < 400 N, mais la différence est qu'un minimum apparaît à F = 400–500 N, puis f augmente avec une plus grande amplitude. Pour la surface lisse, les conditions de lubrification génèrent un léger impact sur la courbe de f, il suffit de changer la valeur au lieu de la tendance. Aussi similaires que la surface texturée sous une mauvaise lubrification à l'huile, leurs minimums sont d'environ 300 à 400 N.

Les coefficients de frottement de la phase stationnaire (sur la Fig. 5) pour les échantillons texturés et lisses sous différentes charges appliquées et conditions de lubrification sont analysés pour former les courbes de Stribeck illustrées sur la Fig. 6. Le paramètre sans dimension ηω/p agit comme l'abscisse, le coefficient de frottement f agit comme l'ordonnée. Lorsque ηω/p diminue (vue de droite à gauche), c'est-à-dire que la charge appliquée augmente tandis que η et ω restent constants, pour la surface lisse dans deux conditions de lubrification, les changements de f sont assez proches. Les résultats montrent que le f diminue d'abord et atteint un minimum à F = 300 N, 0,025 pour la lubrification à l'huile riche et 0,029 pour la lubrification à l'huile pauvre respectivement, puis augmente avec une plus grande amplitude. Ce phénomène illustre la transformation du régime de lubrification d'une lubrification hydrodynamique en lubrification mixte au voisinage de F = 300 N. Lorsque F < 300 N, la surface lisse est en lubrification hydrodynamique dans laquelle l'état d'huile pauvre présente un coefficient de frottement plus faible que celui d'huile riche. Inversement, lorsque F > 300 N en régime mixte, la condition d'huile riche présente les meilleurs avantages de réduction du frottement.

Coefficients de frottement des surfaces alvéolées lisses et elliptiques avec l'augmentation du paramètre sans dimension dans des conditions de lubrification riche23 et pauvre (η est la viscosité du lubrifiant, p, la charge par unité de surface et ω, la vitesse de rotation).

Alors que les tests étaient terminés, les topographies d'usure sur les surfaces de frottement des échantillons inférieurs ont été présentées par analyse SEM dans des conditions de lubrification de film d'huile, comme indiqué sur la Fig. 7. Pour la surface par rapport à l'échantillon supérieur lisse, une tendance de développement similaire des topographies d'usure peut être trouvée clairement. Les surfaces distribuent les cicatrices et les fissures d'usinage largement originales en F = 100 N, et les légères cicatrices d'usure en F = 200 N. Avec l'augmentation de la charge à 300 N, les cicatrices de labour induites par l'usure abrasive à deux corps et les extrusions plastiques induites par l'usure abrasive à trois corps se forment progressivement. En outre, les particules adhésives partielles et les piqûres peuvent également exister dans des conditions d'huile médiocre. Lorsque le F atteint au-delà de 500 N, la perte de matière due aux profondes cicatrices de labour et à l'extrusion sérieuse de plastique devient le principal mode d'usure. Dans l'ensemble, lorsque F < 300 N sous lubrification hydrodynamique analysée à la Fig. 6, la condition d'huile pauvre présente une résistance à l'usure similaire à celle de l'huile riche, et l'usure abrasive est le mécanisme d'usure dominant. Lorsque F > 300 N en régime mixte, la perte de matière induite par le frottement mécanique entre le rotor et le stator est le mécanisme d'usure dominant, et l'état riche en huile présente une meilleure résistance à l'usure.

Topographies d'usure des spécimens inférieurs par rapport aux spécimens supérieurs lisses : (a) dans des conditions de lubrification à l'huile riche ; (b) dans des conditions de mauvaise lubrification à l'huile.

Pour résumer la surface lisse, lorsque l'interface de frottement est en régime de lubrification hydrodynamique, ce n'est pas que plus il y a de lubrifiant, meilleur est le comportement au frottement. Il a juste besoin d'une certaine quantité de lubrifiant pour assurer le film d'huile continu. Ici, cela peut obtenir une consommation d'énergie de friction inférieure, tout en maintenant une résistance à l'usure similaire à celle de la condition d'huile riche. Mais en régime de lubrification mixte, plus de lubrifiant peut garantir une meilleure réduction des frottements et une meilleure résistance à l'usure.

Pour la surface texturée en mauvais état d'huile de la Fig. 6, le f présente une tendance similaire à celle d'une surface lisse. Les fossettes améliorent la charge critique de 300 N pour les surfaces lisses à 400–500 N, élargissant ainsi la plage de régime hydrodynamique, ce qui contribue à améliorer les performances tribologiques. Et le minimum est d'environ 0,030 près du lisse. Mais pour la condition d'huile riche, le f diminue invariablement avec l'augmentation de la charge appliquée et n'a pas d'inflexion, ce qui illustre que la surface texturée maintient toujours le régime de lubrification hydrodynamique. A cela, la raison peut être attribuée au fait qu'un effet hydrodynamique significatif induit par des fossettes elliptiques améliore la capacité de charge du film d'huile pour établir la lubrification hydrodynamique stable. Une autre est que les fossettes peuvent servir de micro-réservoir pour fournir une lubrification soutenue sous une charge appliquée30,31,32,33.

La figure 8 montre les topographies d'usure des spécimens inférieurs par rapport aux spécimens supérieurs texturés. Dans un état riche en huile, les seules légères cicatrices d'usure et les cicatrices ou fissures d'usinage d'origine sont présentées. Cependant, dans des conditions d'huile médiocre, les caractéristiques d'usinage d'origine disparaissent après l'exécution de l'étape d'usure stable, en conséquence, les interfaces de frottement deviennent beaucoup plus lisses. Lorsque F> 400 N sous régime mixte analysé à la Fig. 6, les légères cicatrices de labour et les extrusions plastiques se forment progressivement. Par rapport au lisse, sous le régime hydrodynamique, la texturation de surface au laser ne génère pas d'influences sur la résistance à l'usure, mais sous le régime mixte, la résistance à l'usure peut être obtenue une amélioration significative. La raison en est que les fossettes servaient de réservoir de lubrifiant pour fournir une condition de lubrification suffisante pour les surfaces de contact. Lors de l'application de la charge, les micro-alvéoles peuvent maintenir le film d'huile stable. L'effet hydrodynamique améliore la capacité de charge du film d'huile, sépare ainsi les surfaces de contact et maintient le fonctionnement sans contact34.

Topographies d'usure des spécimens inférieurs par rapport aux spécimens supérieurs texturés : (a) dans des conditions de lubrification à l'huile riche ; (b) dans des conditions de mauvaise lubrification à l'huile.

En conclusion, par rapport à la surface lisse sans textures sous lubrification par film d'huile, les surfaces texturées avec des fossettes elliptiques peuvent améliorer efficacement le régime de lubrification et améliorer la résistance à l'usure, en particulier pour les conditions d'huile riche et la charge appliquée élevée en raison de l'effet hydrodynamique plus important des fossettes elliptiques. Dans le cas présent, le coefficient de frottement diminue de manière significative lorsque la charge appliquée est supérieure à 500 N dans des conditions d'huile riche.

La figure 9 montre les courbes de coefficient de frottement d'une surface texturée et d'une surface lisse dans des conditions de lubrification sèche. Lorsque la charge appliquée est contrôlée entre 100 et 700 N, l'interface de frottement échoue rapidement avec le démarrage du test. Ainsi, la charge de 10 à 50 N est appliquée dans la lubrification sèche actuelle. On constate que le coefficient de frottement f augmente significativement par rapport à la lubrification par film d'huile, et le maximum peut atteindre environ 1,5. En outre, le f de la surface texturée est supérieur à celui de la surface lisse, ce qui montre que les textures alvéolées n'ont pas l'avantage de réduire le frottement et produisent l'effet inverse. Ainsi, la texturation de surface au laser n'est pas recommandée en condition de lubrification sèche si elle a pour but d'améliorer le comportement tribologique.

Coefficients de frottement de la surface lisse et de la surface alvéolée elliptique avec l'augmentation du temps et des charges dans des conditions de lubrification sèche.

Les topographies d'usure dans des conditions de lubrification sèche sur la figure 10 montrent que l'interface de frottement génère une usure par oxydation sérieuse par analyse EDS, et que la sévérité de l'usure est similaire pour les échantillons texturés et lisses. Les oxydes sont faciles à décoller sous la grande pression de contact localisée due à l'extrusion plastique par contact mécanique par analyse SEM.

Topographies d'usure dans des conditions de lubrification sèche.

Grâce à l'analyse ci-dessus, les textures de surface peuvent réduire efficacement le coefficient de frottement et améliorer la résistance à l'usure, en particulier pour les conditions d'huile riche et la charge appliquée élevée26. Ainsi, la texturation de surface au laser est extrêmement appropriée pour le palier de butée, comme illustré à la Fig. 11, afin de réduire la consommation d'énergie de friction et d'améliorer le taux d'efficacité énergétique.

Schéma du compresseur d'essai.

La figure 11 donne le schéma du compresseur rotatif à piston roulant à deux cylindres utilisé pour le test. L'interface de contact entre le palier inférieur et le vilebrequin est connue sous le nom de surface de poussée, comme illustré à la Fig. 12. Sur la surface du palier inférieur, les textures avec des ellipses sont réparties avec les mêmes paramètres que le tableau 1. Les photographies des surfaces texturées sont présentées à la Fig. .007 à Φ27 mm. Les conditions d'essai sont répertoriées dans le tableau 3.

Surface de confiance.

Photographies du palier inférieur avec textures.

Le test du compresseur a été effectué chez Gree Electric Appliances, Inc. de Zhuhai (Guangdong Zhuhai, Chine) avec le banc d'essai de performance du compresseur pris en charge par Shanghai Tianhan Air-handling Equipment Co., Ltd. Les paramètres de performance, y compris la capacité de refroidissement, la puissance d'entrée, le COP (= capacité de refroidissement/puissance d'entrée) et le courant pour le compresseur à fréquence fixe peuvent être obtenus.

Un grand nombre d'échantillons de compresseurs ont été testés pour obtenir cette valeur de performance moyenne et affaiblir l'influence de l'erreur de mesure. Trois compresseurs identiques pour chaque plan avec textures ont été testés avec une comparaison du plan original sans textures. Les données de test ont été répertoriées dans le tableau 4. Au cours du processus de test, la cohérence de l'environnement de test et la continuité du temps de test ont été assurées. Les résultats de la Fig. 14 montrent que les textures fabriquées sur les surfaces de poussée peuvent réduire considérablement la puissance absorbée du compresseur avec une réduction de 1,8 % dans le plan 1 et de 2,2 % dans le plan 2. Pendant ce temps, cela n'a aucune influence sur la capacité de refroidissement, qui n'effectue qu'une augmentation de 0,4 % et 0,2 %. En conséquence, le coefficient de performance (COP) peut augmenter de 2,5 % et 2,6 % pour le Plan 1 et le Plan 2 respectivement. En outre, les deux plans texturés sont efficaces pour réduire la consommation d'énergie de friction et améliorer le taux d'efficacité énergétique, et n'ont pas de différences évidentes entre eux.

Comparaisons des performances des compresseurs pour différents plans.

Les avantages tribologiques des textures laser ont été comparés expérimentalement dans différentes conditions de lubrification par des tests tribologiques, et vérifiés par surface de poussée pour des compresseurs rotatifs à pistons roulants. Le régime de lubrification et le mécanisme d'usure ont été discutés par les coefficients de frottement et les topographies d'usure. Les conclusions suivantes ont été tirées.

L'amélioration tribologique par les surfaces texturées dépend fortement des conditions de lubrification. Avec l'augmentation des charges appliquées sous des lubrifications riches en huile et pauvres en huile, l'effet de la micro-alvéole favorise le régime de lubrification transformant la charge critique et élargit la plage de lubrification hydrodynamique, tout en maintenant un coefficient de frottement minimum similaire à celui de la surface lisse mais améliore la résistance à l'usure. Cependant, il est inverse d'augmenter le coefficient de frottement pour les surfaces texturées sous lubrification sèche.

Les textures de surface peuvent réduire efficacement le coefficient de frottement et améliorer la résistance à l'usure, en particulier pour les conditions d'huile riche et les charges appliquées élevées en raison de l'effet hydrodynamique plus important des fossettes elliptiques. Mais il n'est pas recommandé en condition de lubrification sèche si dans le but d'améliorer le comportement tribologique. L'usure par abrasion est le mécanisme d'usure dominant sous lubrification par film d'huile, mais l'usure par oxydation sous lubrification sèche.

Les performances du compresseur peuvent être améliorées de manière significative par la texturation de surface au laser, qui est efficace pour réduire la consommation d'énergie de friction et améliorer le rapport d'efficacité énergétique, et n'a aucune influence évidente sur la capacité de refroidissement. Dans les cas actuels, la puissance absorbée du compresseur peut être diminuée d'environ 2 % et le coefficient de performance (COP) peut être amélioré d'environ 2,5 %.

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié.

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La recherche a été soutenue financièrement par la Fondation de recherche fondamentale et appliquée du Guangdong (n° 2020A1515011386).

State Key Laboratory of Air-Conditioning Equipment and System Energy Conservation, Zhuhai, 519070, Guangdong, Chine

Shaopeng Ding, Huijun Wei, Ouxiang Yang et Liying Deng

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

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

Guangdong Key Laboratory of Refrigeration Equipment and Energy Conservation Technology, Zhuhai, 519070, Guangdong, Chine

Huijun Wei et Ouxiang Yang

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Tous les auteurs ont contribué à la conception et à la conception de l'étude. La préparation du matériel, les tests expérimentaux et l'analyse des données ont été effectués par SD, HW, DM et LD La première ébauche du manuscrit a été rédigée par SDOY et HW a révisé et édité le manuscrit. SD était responsable de l'acquisition des fonds. Tous les auteurs ont lu et approuvé le manuscrit final.

Correspondance à Huijun Wei.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Ding, S., Wei, H., Yang, O. et al. Comportements tribologiques d'une surface texturée au laser dans différentes conditions de lubrification pour compresseur rotatif. Sci Rep 13, 5378 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32490-y

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Reçu : 15 février 2023

Accepté : 28 mars 2023

Publié: 03 avril 2023

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

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