Tribologisches Verhalten einer lasertexturierten Oberfläche unter verschiedenen Schmierbedingungen für Rotationskompressoren

Jan 18, 2024

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 5378 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Das tribologische Verhalten einer lasertexturierten Oberfläche mit elliptischen Grübchen wurde experimentell mit dem der glatten Oberfläche unter verschiedenen Schmierungsbedingungen verglichen, einschließlich ölarmer, ölreicher und trockener Schmierung. Das Schmiersystem wurde mit zunehmender Betriebslast durch tribologische Ring-an-Ring-Tests analysiert. Schließlich wurde der Leistungseinfluss von Rollkolben-Rotationskompressoren mit auf den Druckflächen hergestellten Texturen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die tribologische Verbesserung stark vom Schmierzustand abhängt. Mit der Zunahme der aufgebrachten Lasten bei Schmierung mit fettem und schlechtem Öl fördert der Effekt der Mikrovertiefung den kritischen Lastumwandlungsschmiermodus und erweitert den Bereich der hydrodynamischen Schmierung, wobei gleichzeitig ein ähnlich minimaler Reibungskoeffizient wie bei der glatten Oberfläche aufrechterhalten wird erhöht die Verschleißfestigkeit. Bei den strukturierten Oberflächen bei Trockenschmierung ist es jedoch umgekehrt, dass sich der Reibungskoeffizient und der Oberflächenverschleiß erhöhen. Die Kompressorleistung kann durch Laser-Oberflächentexturierung erheblich verbessert werden, wobei der Reibungsstromverbrauch um 2 % reduziert und die Energieeffizienz um 2,5 % verbessert wird.

Die Verbesserung der Effizienz ist ein ewiges Thema für Kompressoren, die in Klimaanlagen verwendet werden, insbesondere angesichts des zunehmenden Bewusstseins für die globale Erwärmung, und ein hocheffizienter Kompressor wird dringend benötigt, um den Stromverbrauch zu senken. Durch die Verwendung von Kältemitteln mit niedrigem Treibhauspotenzial (GWP) werden sich auch das Schmiersystem und die Betriebsbedingungen in Kompressoren weiter verschlechtern. Der Reibungsverlust und Verschleißfehler von Gleitflächen stellen ein Haupthindernis für die Verbesserung der Leistung und die Verlängerung der Lebensdauer dar, insbesondere für Rollkolben-Rotationskompressoren mit vielen Gleitteilen wie Gleitlagern, Drucklagern, rotierender Kurbelwelle und Rolle, Hubkolbenschlitten usw .

Es wurde theoretisch und praktisch bestätigt, dass die Laseroberflächentexturierung (LST) durch die Herstellung regelmäßiger Mikromuster auf Oberflächen die höhere Lasttragekapazität und den niedrigeren Reibungskoeffizienten und die Oberflächenwärme in hydrodynamischen Lagern, mechanischen Dichtungen, zylindrischen Gleitringen oder Kolbenringen verbessert1 ,2,3,4. Dies bietet eine wesentliche Möglichkeit, das tribologische Verhalten von Reibungspaaren zu verbessern.

Verglichen mit der schützenden Oberflächenbeschichtung5,6 und der Strukturoptimierung7 als derzeitigen Hauptmethoden strukturiert die LST lediglich die Oberflächentopographie künstlich, um das Schmiersystem zu steuern, statt eine komplexe Verarbeitung und ein schwieriges Design zu erfordern. Die Mikrogrübchen als gemeinsames Strukturmuster wurden zunächst in der Mechanismusstudie der tribologischen Vorteile durch theoretische Modellierung und experimentelle Beobachtung durchgeführt8,9. Daraus wird geschlossen, dass Oberflächenmikrovertiefungen den zusätzlichen hydrodynamischen Druck der konvergenten viskosen Flüssigkeit zwischen den relativen Gleitkomponenten erhöhen und so den Bereich der hydrodynamischen Schmierung erweitern können. Ein Vorteil besteht darin, dass die Mikrovertiefungen, die als mikrohydrodynamische Lager dienen, die Oberflächentrennung und den berührungslosen Betrieb unter fettreichen Bedingungen aufrechterhalten können. Darüber hinaus können diese Mikrovertiefungen auch als Mikrobehälter für Schmiermittel dienen, um bei gemischter oder schlechter Ölschmierung eine Ölquelle bereitzustellen, oder als Mikrofallen für Verschleißrückstände, um weiteren abrasiven Verschleiß bei trockenem Gleitkontakt zu verhindern10.

Derzeit ist die große Beliebtheit bei der Untersuchung von Mikro-Grübchen-Texturen auf die geometrische Optimierung (Grübchentiefe10, Grübchendurchmesser11, Flächendichte12,13), den Mustervergleich (Kreis14, elliptisch15, dreieckig16, Rautenform17 und flach18, sphärisch19,20) zurückzuführen. geneigt konkav oder konvex21) und Anordnungseinfluss (Neigungswinkel17, Schlankheitsverhältnis22, Verteilungsort21) mit dem Ziel der besten Reibungsreduzierung und Verschleißfestigkeit, insbesondere bei Vollöl- oder Fettölschmierung. Insgesamt zeigen die optimalen elliptischen Grübchen einen stärkeren hydrodynamischen Effekt mit einer um 26,3 % höheren Tragfähigkeit als die kreisförmigen Grübchen18 aufgrund der kumulativen Wirkung der Flüssigkeit in Richtung der Grübchenlänge, und ihr Reibungskoeffizient kann im Vergleich dazu um 10–20 % reduziert werden andere Grübchenmuster23. Deshalb wurden in diesem Artikel die elliptischen Grübchen ausgewählt und analysiert.

Allerdings hängen die optimalen Geometrien mit tribologischen Vorteilen stark von den Betriebsumgebungen24 und den Schmierbedingungen25,26 ab, was zu widersprüchlichen Schlussfolgerungen führen und eine industrielle Anwendung erschweren kann. Beispielsweise führte Podgornik25 anhand von Stift-auf-Scheiben-Tests unter Mischschmierungsbedingungen tribologische Untersuchungen zur Wirksamkeit von Oberflächentexturen durch und zeigte, dass die Texturen dem Gleiten widerstehen und in seinen Fällen die Reibung bei einer Gleitgeschwindigkeit von 0,015 bis 0,45 ms−1 erhöhen und Anpressdruck von 1 MPa. Liew27 zeigte jedoch, dass der Reibungskoeffizient der Oberfläche mit Noppen in seinen Fällen bei einer Gleitgeschwindigkeit von 0,5 bis 7,8 ms−1 und einem Kontaktdruck von 0,08 bis 0,3 MPa um 11–24 % niedriger ist als der der nichttexturierten Oberfläche, und Braun28 zeigte dies ebenfalls Für den optimalen Durchmesser kann bei einer Gleitgeschwindigkeit von 0,5 ms−1 und einem Anpressdruck von 3 MPa eine Reibungsreduzierung von bis zu 80 % erreicht werden. Obwohl die vielversprechenden Ergebnisse durch eine große Anzahl theoretischer und experimenteller Studien belegt wurden, basiert der überwiegende Teil auf den eigenen Betriebsbedingungen im Einzelschmiermodus. Aber für industrielle Anwendungen, insbesondere für Rollkolben-Rotationskompressoren in Klimaanlagen, ändern sich die Ölvorräte ständig, einschließlich schlechter Öl- und sogar Trockenschmierung und nicht nur fetter Ölzustände. Dies wirkt sich auch erheblich auf die Schmiersysteme der Reibflächen von hydrodynamischer bis hin zu Misch- oder Grenzschmierung aus. Es mangelt also an Vergleichbarkeit der Grübchenoptimierung und des Einflusses auf Reibungs- und Verschleißeigenschaften bei gleichen Betriebsparametern und unterschiedlichen Schmierbedingungen. Daher wurde in dieser Arbeit das tribologische Verhalten lasertexturierter Oberflächen experimentell unter verschiedenen Schmierbedingungen mit denselben Betriebsparametern verglichen.

Bei Kompressoranwendungen wurde den strukturierten Oberflächen aufgrund ihrer Vorteile der Reibungsreduzierung und der Verbesserung des Verschleißschutzes nach und nach auch mehr Aufmerksamkeit geschenkt, die veröffentlichten Forschungsergebnisse sind jedoch immer noch unzureichend. Nagata29 verglich drei Texturmuster auf Druckflächen von Kolbenkompressoren und zeigte, dass der Leistungskoeffizient um 1,4 % höher und der Reibungsverlust um 20–60 % niedriger war. Mishra30 untersuchte das tribologische Verhalten von LST bei schlechter Ölschmierung für Scrollkompressoren in einer Kühlumgebung. Dabei zeigte sich, dass die Oberflächentexturierung erhebliche tribologische Verbesserungen zeigt und weitgehend unabhängig von der Art des Schmiermittels oder Kältemittels ist. Obwohl der Einfluss von Noppenstrukturen bei Kolben- oder Scrollkompressoren untersucht wurde, ist ihre Anwendbarkeit und ihr Vorteil auf die tribologischen Eigenschaften von Rotationskompressoren nicht klar.

Daher wurde das tribologische Verhalten einer lasertexturierten Oberfläche mit elliptischen Grübchen experimentell unter verschiedenen Schmierbedingungen analysiert, einschließlich der Schmierung mit schlechtem Ölgehalt, der Schmierung mit hohem Ölgehalt und der Trockenschmierung. Die Reibungskoeffizienten und Verschleißtopographien wurden mit der glatten mit zunehmender Betriebslast verglichen. Auch das Schmiersystem und der Verschleißmechanismus wurden analysiert. Schließlich wurde der Leistungseinfluss von Rollkolben-Rotationskompressoren mit auf den Druckflächen hergestellten Texturen untersucht.

Die experimentellen Tests wurden an einem Ring-auf-Ring-Reibpaar durchgeführt, wie in Abb. 1 dargestellt. Der Rotor, nämlich der obere mit dem Innenradius ri = 13,5 mm, dem Außenradius ro = 20 mm und einer Dicke von 24 mm, wurde aus JIS FC300-Gusseisen hergestellt, das von der Walze eines Rollkolben-Rotationskompressors stammt. Die in Abb. 2 gezeigten elliptischen Grübchen wurden durch Laseroberflächentexturierung (LST) mit einer bestimmten geplanten Tiefe hd = 5 μm bearbeitet und ihre Hauptachse verlief parallel zur Richtung der Schergeschwindigkeit. Zwei zusätzliche geometrische Parameter wurden definiert, um die Verteilungscharakteristik elliptischer Grübchen zu beschreiben, darunter die Grübchenflächendichte Sp = nθnrab/(ro2 − ri2), die den Prozentsatz der Summe der Grübchenfläche zur Schmierfläche darstellt, und das Schlankheitsverhältnis λ = a/b, was das Verhältnis zwischen dem Hauptradius und dem Nebenradius darstellt. Die detaillierte Bedeutung und Dimension jeder Variablen ist in Tabelle 1 aufgeführt.

Fotos und Abmessungen der Testproben: (a) Rotationsprobe ohne Texturen; (b) Rotationsprobe mit Texturen; (c) stationäre Probe.

Geometrie einer strukturierten Oberfläche mit elliptischen Grübchen.

Vor der Laserbearbeitung wurde die ursprüngliche Rotoroberfläche mit einer Rauheit von Ra < 0,2 μm poliert, dann in einem Ultraschallreiniger mit Aceton und Alkohol gereinigt und im Ofen getrocknet. Die Mikro-Grübchen-Texturen wurden mit einem faseroptischen Laser von HGTECH LSF20 mit einer Wellenlänge von 1064 nm hergestellt. Die Verarbeitungsparameter umfassten eine Laserleistung von 7 W, eine Scangeschwindigkeit von 800 mm s−1, eine Frequenz von 80 kHz und 3 Overscan. Nach der Herstellung mit einem faseroptischen Laser wurde der Poliervorgang wiederholt, um Grate oder Ausbuchtungen um die Vertiefungen herum zu entfernen, die auf das Schmelzen des Metalls durch thermische Diffusion zurückzuführen sind. Die Rauheit auf nicht strukturierten Oberflächen wurde auf Ra < 0,2 eingestellt. Die Topografien wurden mit einem Weißlicht-Interferenz-3D-Profilmessgerät gemessen, das von BRUKER Contour GT-K unterstützt wird (siehe Abb. 3). Die gemessene Tiefe betrug 4,61 μm anstelle des geplanten Wertes von 5 μm.

Topographien der elliptischen Grübchenoberfläche.

Der Stator, nämlich der untere mit einem Innenradius von 10 mm, einem Außenradius von 27 mm und einer Dicke von 7 mm, bestand aus HT250-Gusseisen, einem üblichen Lagermaterial in Rollkolben-Rotationskompressoren. Die Statoroberfläche wurde ebenfalls mit einer Rauheit von etwa Ra < 0,2 μm poliert.

Das tribologische Verhalten der lasertexturierten Proben wurde mit dem glatten unter verschiedenen Schmierbedingungen und Betriebslasten mit einem MMW-1A-Tribometer verglichen. Der Prüfstand ist in Abb. 4 dargestellt, wobei die Ring-auf-Ring-Verbindungen unter Umgebungsdruck standen. Der obere texturierte Rotor wurde von einem rotierenden Motor mit einer bestimmten Drehzahl von 1500 U/min angetrieben. Der untere glatte Stator wurde in die feste Halterung eingespannt und hielt der vertikal aufgebrachten Last stand. Tabelle 2 listet die Betriebsbedingungen auf. Jeder Gruppentest wurde 60 Minuten lang durchgeführt und mindestens dreimal wiederholt. Das Reibungsmoment und der Reibungskoeffizient wurden gemessen. Während die Tests abgeschlossen waren, wurden die Verschleißtopographien auf Reibungsoberflächen mittels REM-Analyse (FEI Quanta 250) dargestellt.

Schematische Darstellung des Prüfstandes.

Die Einflüsse verschiedener Schmierbedingungen auf die tribologischen Leistungen wurden verglichen, einschließlich der Schmierung mit schlechtem Öl, mit fettem Öl und der Trockenschmierung. Zur Fettölschmierung wurden Rotor und Stator während des gesamten Betriebs in das Schmiermittel (FV50S) mit einem bestimmten Volumen von 100 ml eingetaucht. Bei der ölarmen Version wurde das Schmiermittel vor dem Start gleichmäßig auf die Reibungsschnittstelle aufgetragen, es erfolgte jedoch keine anschließende Schmiermittelzufuhr. Für die Trockenschmierung war kein Schmiermittel vorgesehen.

Im letzten Artikel des Autors23 wurde das tribologische Verhalten unter fettreichen Bedingungen analysiert. Abbildung 5 vergleicht die Reibungskoeffizienten einer strukturierten Oberfläche mit einer glatten Oberfläche unter fettreichen und ölarmen Schmierbedingungen mit zunehmender Zeit und Belastung. Es ist zu beachten, dass jeder Belastungszustand einen separaten Test darstellt und diese erhaltenen Ergebnisse dann in einer Abbildung zusammengefasst werden. Jeder Test mit neuen Proben und Schmiermittel wird von 0 bis 60 Minuten durchgeführt.

Reibungskoeffizienten der glatten Oberfläche und der elliptischen Noppenoberfläche mit zunehmender Zeit und Belastung unter fetten und schlechten Schmierungsbedingungen.

Im Allgemeinen gilt, dass bei einer bestimmten Belastung der Reibungskoeffizient mit zunehmender Laufzeit zunächst während der Anlauf- und Beschleunigungsphase von ω = 0 auf 1500 r min−1 schnell ansteigt und dann beim Eintritt in die Phase langsam abnimmt Stabile Verschleißphase, bleibt schließlich ungefähr stabil. Es gibt jedoch mehrere besondere Betriebsbedingungen, wie z. B. F = 700 N für die glatte Oberfläche bei Fettölschmierung und 600–700 N für die strukturierte Oberfläche bei Mangelölschmierung. Der Reibungskoeffizient f steigt stark an, bevor er in die stabile Verschleißphase eintritt. Dabei kommt es an der Reibschnittstelle zu starkem Verschleiß. Außerdem durchbricht f bei F = 600–700 N für die glatte Oberfläche bei schlechter Ölschmierung den konstanten Wert und steigt zusammen mit erheblichen Vibrationen stark an, was auf einen Oberflächenverschleißfehler hindeutet. Dadurch wird der Test zwangsweise beendet, ohne dass er 60 Minuten lang ausgeführt wurde.

Mit zunehmender Belastung von 100 auf 700 N bis hin zur strukturierten Oberfläche mit elliptischen Noppen weist der Reibungskoeffizient bei Fettölschmierung eine abnehmende Tendenz auf. Bei schlechter Ölschmierung verhält es sich ähnlich, wenn F < 400 N, der Unterschied besteht jedoch darin, dass bei F = 400–500 N ein Minimum auftritt und f dann mit größerer Amplitude zunimmt. Bei glatten Oberflächen erzeugen die Schmierbedingungen einen leichten Einfluss auf die Kurve von f. Ändern Sie einfach den Wert anstelle der Tendenz. So ähnlich wie die strukturierte Oberfläche bei schlechter Ölschmierung, liegen ihre Minima bei etwa 300–400 N.

Die Reibungskoeffizienten der stationären Phase (in Abb. 5) für die strukturierten und glatten Proben unter verschiedenen aufgebrachten Lasten und Schmierbedingungen werden analysiert, um die in Abb. 6 gezeigten Stribeck-Kurven zu bilden. Der dimensionslose Parameter ηω/p fungiert als Abszisse Als Ordinate dient der Reibungskoeffizient f. Wenn ηω/p abnimmt (Betrachtung von rechts nach links), nämlich die aufgebrachte Last zunimmt, während η und ω konstant bleiben, sind die Änderungen von f für die glatte Oberfläche unter zwei Schmierbedingungen ziemlich ähnlich. Die Ergebnisse zeigen, dass f zunächst abnimmt und ein Minimum bei F = 300 N erreicht, 0,025 für Fettölschmierung bzw. 0,029 für Schlechteölschmierung, und dann mit größerer Amplitude zunimmt. Dieses Phänomen veranschaulicht, dass sich das Schmiersystem bei F = 300 N von der hydrodynamischen in die gemischte Schmierung umwandelt. Bei F < 300 N befindet sich die glatte Oberfläche in der hydrodynamischen Schmierung, bei der der Zustand mit wenig Öl einen kleineren Reibungskoeffizienten aufweist als der Zustand mit viel Öl. Wenn umgekehrt F > 300 N im gemischten Modus ist, weist der Zustand mit fettem Öl die besseren Vorteile bei der Reibungsreduzierung auf.

Reibungskoeffizienten von glatten und elliptischen Noppenoberflächen mit Zunahme des dimensionslosen Parameters unter fetten23 und schlechten Schmierbedingungen (η ist die Viskosität des Schmiermittels, p die Last pro Flächeneinheit und ω die Drehzahl).

Während die Tests abgeschlossen waren, wurden die Verschleißtopografien auf den Reibungsoberflächen der unteren Proben durch REM-Analyse unter Ölfilmschmierungsbedingungen dargestellt, wie in Abb. 7 dargestellt. Für die Oberfläche und die glatte obere Probe kann ein ähnlicher Entwicklungstrend der Verschleißtopografien gelten eindeutig gefunden. Die Oberflächen verteilen die weitestgehend ursprünglichen Bearbeitungsnarben und Risse bei F = 100 N und die leichten Verschleißnarben bei F = 200 N. Mit zunehmender Belastung auf 300 N werden die Pflugnarben, die durch Zweikörper-Abrasivverschleiß und durch Kunststoffextrusionen verursacht werden, sichtbar Nach und nach bilden sich Dreikörper-Abrasivverschleiß. Darüber hinaus können teilweise anhaftende Partikel und Grübchen auch bei schlechtem Ölzustand vorhanden sein. Wenn die F mehr als 500 N erreicht, wird der Materialverlust, der durch die tiefen Pflugnarben und die starke Kunststoffextrusion verursacht wird, zum Hauptverschleißmodus. Insgesamt gilt: Wenn F < 300 N unter hydrodynamischer Schmierung, analysiert in Abb. 6, weist der Zustand mit schlechtem Öl eine ähnliche Verschleißfestigkeit auf wie der Zustand mit reichem Öl, und der abrasive Verschleiß ist der vorherrschende Verschleißmechanismus. Wenn F > 300 N im Mischbetrieb ist, ist der durch mechanische Reibung zwischen Rotor und Stator verursachte Materialverlust der vorherrschende Verschleißmechanismus, und der Zustand mit fettem Öl bietet eine bessere Verschleißfestigkeit.

Verschleißtopografien der unteren Proben im Vergleich zu den glatten oberen Proben: (a) unter Bedingungen mit reichhaltiger Ölschmierung; (b) bei schlechter Ölschmierung.

Um die glatte Oberfläche zusammenzufassen: Wenn sich die Reibungsschnittstelle im hydrodynamischen Schmierbereich befindet, gilt nicht, dass das Reibungsverhalten umso besser ist, je mehr Schmiermittel vorhanden ist. Es benötigt lediglich eine gewisse Menge Schmiermittel, um den kontinuierlichen Ölfilm zu gewährleisten. Hierdurch kann ein geringerer Reibungsleistungsverbrauch erzielt und gleichzeitig eine ähnliche Verschleißfestigkeit wie im Zustand mit fettem Öl aufrechterhalten werden. Bei gemischter Schmierung kann jedoch eine bessere Reibungsreduzierung und Verschleißfestigkeit gewährleistet werden, je mehr Schmiermittel vorhanden ist.

Für die strukturierte Oberfläche unter schlechten Ölbedingungen in Abb. 6 zeigt f eine ähnliche Tendenz wie die glatte Oberfläche. Die Vertiefungen verbessern die kritische Belastung von 300 N für glatte Oberflächen auf 400–500 N und erweitern so den Bereich des hydrodynamischen Regimes, was zur Verbesserung der tribologischen Leistung beiträgt. Und das Minimum liegt bei etwa 0,030 nahe am glatten Wert. Aber im Zustand mit fettem Öl nimmt f mit zunehmender aufgebrachter Last unveränderlich ab und weist keine Krümmung auf, was zeigt, dass die strukturierte Oberfläche immer das hydrodynamische Schmiersystem aufrechterhält. Dies kann darauf zurückgeführt werden, dass ein erheblicher hydrodynamischer Effekt, der durch elliptische Grübchen hervorgerufen wird, die Lasttragfähigkeit des Ölfilms erhöht, um eine gleichmäßige hydrodynamische Schmierung zu gewährleisten. Ein weiterer Grund besteht darin, dass die Vertiefungen als Mikroreservoir dienen können, um bei angelegter Last für eine anhaltende Schmierung zu sorgen30,31,32,33.

Abbildung 8 zeigt die Verschleißtopografien der unteren Proben im Vergleich zu den strukturierten oberen Proben. Unter fettreichen Bedingungen sind nur leichte Verschleißnarben und die ursprünglichen Bearbeitungsnarben oder Risse zu sehen. Unter schlechten Ölbedingungen verschwinden jedoch die ursprünglichen Bearbeitungsmerkmale nach Durchlaufen der stabilen Verschleißphase, wodurch die Reibungsschnittstellen viel glatter werden. Wenn F > 400 N unter gemischtem Regime, analysiert in Abb. 6, bilden sich nach und nach leichte Pflugnarben und plastische Extrusionen. Im Vergleich zur glatten Oberfläche hat die Laseroberflächentexturierung im hydrodynamischen Bereich keinen Einfluss auf die Verschleißfestigkeit, im gemischten Bereich kann jedoch eine deutliche Verbesserung der Verschleißfestigkeit erzielt werden. Der Grund dafür ist, dass die Vertiefungen als Schmierstoffbehälter dienten, um einen ausreichenden Schmierzustand für die Passflächen zu gewährleisten. Während der Belastung können die Mikro-Grübchen den stabilen Ölfilm aufrechterhalten. Der hydrodynamische Effekt erhöht die Lasttragekapazität des Ölfilms, trennt so die Passflächen und sorgt für einen berührungslosen Lauf34.

Verschleißtopografien der unteren Proben im Vergleich zu den strukturierten oberen Proben: (a) unter Bedingungen mit reichhaltiger Ölschmierung; (b) bei schlechter Ölschmierung.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die strukturierten Oberflächen mit elliptischen Grübchen im Vergleich zur glatten Oberfläche ohne Texturen bei Ölfilmschmierung das Schmiersystem effektiv verbessern und die Verschleißfestigkeit erhöhen können, insbesondere bei fettem Ölzustand und hoher Belastung aufgrund der stärkeren hydrodynamischen Wirkung elliptische Grübchen. Im vorliegenden Fall nimmt der Reibungskoeffizient erheblich ab, wenn die aufgebrachte Last bei fettem Öl mehr als 500 N beträgt.

Abbildung 9 zeigt die Kurven des Reibungskoeffizienten einer strukturierten Oberfläche und einer glatten Oberfläche unter Trockenschmierungsbedingungen. Wenn die aufgebrachte Last auf 100–700 N kontrolliert wird, versagt die Reibungsschnittstelle beim Teststart kurzzeitig stark. Daher wird bei der vorliegenden Trockenschmierung eine Belastung von 10–50 N aufgebracht. Es zeigt sich, dass der Reibungskoeffizient f im Vergleich zur Ölfilmschmierung deutlich ansteigt und maximal etwa 1,5 erreichen kann. Außerdem ist der f-Wert der strukturierten Oberfläche größer als der der glatten Oberfläche, was zeigt, dass die Noppentexturen nicht den Vorteil der Reibungsreduzierung haben, sondern den gegenteiligen Effekt haben. Daher wird die Laseroberflächentexturierung im Trockenschmierzustand nicht empfohlen, wenn sie das tribologische Verhalten verbessern soll.

Reibungskoeffizienten der glatten Oberfläche und der elliptischen Noppenoberfläche mit zunehmender Zeit und Belastung unter Trockenschmierungsbedingungen.

Die Verschleißtopografien unter Trockenschmierungsbedingungen in Abb. 10 lassen erkennen, dass die Reibungsschnittstelle laut EDS-Analyse den starken Oxidationsverschleiß erzeugt, und der Verschleißgrad ist für die strukturierten und glatten Proben ähnlich. Die Oxide lassen sich unter dem großen lokalen Kontaktdruck aufgrund der Kunststoffextrusion durch mechanischen Kontakt gemäß REM-Analyse leicht ablösen.

Verschleißtopografien unter Trockenschmierbedingungen.

Durch die obige Analyse können die Oberflächentexturen den Reibungskoeffizienten effektiv senken und die Verschleißfestigkeit verbessern, insbesondere bei fettem Ölzustand und hoher Belastung26. Daher eignet sich die Laseroberflächentexturierung hervorragend für das Axiallager, wie in Abb. 11 gezeigt, um den Reibungsleistungsverbrauch zu reduzieren und das Energieeffizienzverhältnis zu verbessern.

Schema eines Testkompressors.

Abbildung 11 zeigt das Schema des zum Test verwendeten Rollkolben-Rotationskompressors mit zwei Zylindern. Die Kontaktschnittstelle zwischen dem unteren Lager und der Kurbelwelle wird als Druckfläche bezeichnet, wie in Abb. 12 dargestellt. Auf der Oberfläche des unteren Lagers sind die Texturen mit Ellipsen mit den gleichen Parametern wie in Tabelle 1 verteilt. Die Fotos der strukturierten Oberflächen werden gezeigt in Abb. 13. Bezogen auf zwei Testpläne liegt der Verteilungsbereich der elliptischen Texturen in „Plan 1“ zwischen Φ18,007 und Φ33 mm und in „Plan 2“ zwischen Φ18,007 und Φ27 mm. Die Testbedingungen sind in Tabelle 3 aufgeführt.

Vertrauensoberfläche.

Fotografien des unteren Lagers mit Texturen.

Der Kompressortest wurde bei Gree Electric Appliances, Inc. aus Zhuhai (Guangdong Zhuhai, China) mit dem von Shanghai Tianhan Air-handling Equipment Co., Ltd. unterstützten Kompressorleistungsprüfstand durchgeführt. Zu den Leistungsparametern gehörten Kühlkapazität, Eingangsleistung und COP (= Kühlkapazität/Eingangsleistung) und der Strom für den Kompressor mit fester Frequenz können ermittelt werden.

Um diesen durchschnittlichen Leistungswert zu erhalten und den Einfluss des Messfehlers abzuschwächen, wurde eine große Anzahl von Kompressorproben getestet. Drei identische Kompressoren für jeden Plan mit Texturen wurden im Vergleich zum ursprünglichen Plan ohne Texturen getestet. Die Testdaten sind in Tabelle 4 aufgeführt. Während des Testprozesses wurden die Konsistenz der Testumgebung und die Kontinuität der Testzeit sichergestellt. Die Ergebnisse in Abb. 14 zeigen, dass auf den Druckflächen hergestellte Texturen die Leistungsaufnahme des Kompressors mit einer Reduzierung um 1,8 % in Plan 1 und 2,2 % in Plan 2 erheblich verringern können. Auf die Kühlleistung, die nur 0,4 beträgt, hat dies keinen Einfluss % und 0,2 % erhöhen. Infolgedessen kann sich der Leistungskoeffizient (COP) für Plan 1 und Plan 2 um 2,5 % bzw. 2,6 % erhöhen. Darüber hinaus reduzieren die beiden strukturierten Pläne effektiv den Reibungsleistungsverbrauch und verbessern das Energieeffizienzverhältnis und weisen keine offensichtlichen Unterschiede zwischen ihnen auf.

Vergleiche der Kompressorleistung für verschiedene Pläne.

Die tribologischen Vorteile von Lasertexturen wurden experimentell unter verschiedenen Schmierbedingungen durch tribologische Tests verglichen und anhand der Anlauffläche für Rollkolben-Rotationskompressoren verifiziert. Das Schmiersystem und der Verschleißmechanismus wurden anhand von Reibungskoeffizienten und Verschleißtopographien diskutiert. Die folgenden Schlussfolgerungen wurden gezogen.

Die tribologische Verbesserung durch strukturierte Oberflächen hängt stark vom Schmierzustand ab. Mit der Zunahme der aufgebrachten Lasten bei Schmierung mit fettem und schlechtem Öl fördert der Effekt der Mikrovertiefung den kritischen Lastumwandlungsschmiermodus und erweitert den Bereich der hydrodynamischen Schmierung, während gleichzeitig ein ähnlich minimaler Reibungskoeffizient wie bei der glatten Oberfläche aufrechterhalten wird erhöht die Verschleißfestigkeit. Es ist jedoch umgekehrt, den Reibungskoeffizienten für die strukturierten Oberflächen bei Trockenschmierung zu erhöhen.

Die Oberflächentexturen können den Reibungskoeffizienten effektiv senken und die Verschleißfestigkeit verbessern, insbesondere bei fettem Öl und hoher Belastung, da die elliptischen Vertiefungen einen größeren hydrodynamischen Effekt haben. Im Trockenschmierzustand wird dies jedoch nicht empfohlen, wenn das tribologische Verhalten verbessert werden soll. Bei Ölfilmschmierung ist abrasiver Verschleiß der vorherrschende Verschleißmechanismus, bei Trockenschmierung hingegen Oxidationsverschleiß.

Die Kompressorleistung kann durch Laser-Oberflächentexturierung erheblich verbessert werden, was zur Reduzierung des Reibungsstromverbrauchs und zur Verbesserung des Energieeffizienzverhältnisses führt und keinen offensichtlichen Einfluss auf die Kühlleistung hat. In den vorliegenden Fällen kann die Leistungsaufnahme des Kompressors um etwa 2 % gesenkt und die Leistungszahl (COP) um etwa 2,5 % erhöht werden.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

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Die Forschung wurde finanziell von der Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation (Nr. 2020A1515011386) unterstützt.

Staatliches Schlüssellabor für Klimaanlagen und Systemenergieeinsparung, Zhuhai, 519070, Guangdong, China

Shaopeng Ding, Huijun Wei, Ouxiang Yang und Liying Deng

Gree Electric Appliances, Inc. aus Zhuhai, Zhuhai, 519070, Guangdong, China

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

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

Huijun Wei & Ouxiang Yang

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Alle Autoren haben zur Konzeption und Gestaltung der Studie beigetragen. Materialvorbereitung, experimentelle Tests und Datenanalyse wurden von SD, HW, DM und LD durchgeführt. Der erste Entwurf des Manuskripts wurde von SDOY verfasst und HW überprüfte und redigierte das Manuskript. SD war für die Finanzierungseinwerbung verantwortlich. Alle Autoren haben das endgültige Manuskript gelesen und genehmigt.

Korrespondenz mit Huijun Wei.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Ding, S., Wei, H., Yang, O. et al. Tribologisches Verhalten einer lasertexturierten Oberfläche unter verschiedenen Schmierbedingungen für Rotationskompressoren. Sci Rep 13, 5378 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32490-y

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Eingegangen: 15. Februar 2023

Angenommen: 28. März 2023

Veröffentlicht: 3. April 2023

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

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