ロータリーコンプレッサーのさまざまな潤滑条件下でのレーザーテクスチャード加工表面のトライボロジー挙動

Scientific Reports volume 13、記事番号: 5378 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

楕円形ディンプルを有するレーザーテクスチャ表面のトライボロジー挙動を、低油潤滑、リッチオイル潤滑および乾式潤滑などの異なる潤滑条件下での平滑表面のトライボロジー挙動と実験的に比較した。 リング・オン・リングのトライボロジー試験により、動作負荷の増加に伴う潤滑状況を分析しました。 最後に、スラスト面にテクスチャを加工したローリングピストンロータリーコンプレッサーの性能への影響を調査しました。 結果は、トライボロジーの改善が潤滑条件に強く依存することを示しています。 リッチオイル潤滑および貧オイル潤滑下での適用荷重の増加に伴い、マイクロディンプルの効果により臨界荷重変換潤滑領域が促進され、流体潤滑の範囲が拡大します。同時に、滑らかな表面と同様の最小限の摩擦係数を維持しますが、耐摩耗性を高めます。 ただし、乾式潤滑下では、摩擦係数が増加し、テクスチャード加工された表面の表面摩耗が増加します。 コンプレッサーの性能は、レーザー表面テクスチャリングによって大幅に改善され、摩擦電力消費量が 2% 削減され、エネルギー効率が 2.5% 向上します。

特に地球温暖化問題への意識の高まりから、エアコンに使用されるコンプレッサーの効率向上は永遠の課題となっており、消費電力削減のためにコンプレッサーの高効率化が強く求められています。 地球温暖化係数 (GWP) の低い冷媒を使用すると、コンプレッサーの潤滑体制と動作条件もさらに悪化します。 特に滑り軸受、スラスト軸受、回転クランクシャフトとローラー、往復スライドなどの多くの摺動部品を備えたローリングピストンロータリーコンプレッサーでは、摺動面の摩擦損失と摩耗故障が性能向上と寿命延長の主な障害となります。 。

表面に規則的な微細パターンを作製するレーザー表面テクスチャリング (LST) は、流体動圧軸受、メカニカル シール、円筒面リング、またはピストン リングの耐荷重能力を高め、摩擦係数と表面熱を低減することが理論的および実践的に確認されています1。 、2、3、4。 これは、摩擦対の摩擦学的挙動を改善する実質的な方法を提供します。

現在の主な方法である表面保護コーティング 5,6 や構造最適化 7 と比較すると、LST は複雑な加工や難しい設計ではなく、表面トポグラフィーを人工的に構造化して潤滑レジームを制御するだけです。 一般的なテクスチャーパターンとしてのマイクロディンプルは、理論的モデリングと実験的観察によってトライボロジー的利点のメカニズム研究が最初に実行されました8,9。 表面のマイクロディンプルは、相対的な滑りコンポーネント間の収束粘性流体の追加の流体力学的圧力を高めることができ、したがって流体力学的潤滑の範囲を拡大できると結論付けられています。 利点として、マイクロ流体力学ベアリングとして機能するマイクロディンプルは、リッチオイル条件下でも表面分離と非接触動作を維持できます。 さらに、これらのマイクロディンプルは、混合潤滑または低オイル潤滑下でオイル源を供給する潤滑剤マイクロコンテナとして機能したり、乾式滑り接触下でのさらなる摩耗を防ぐための摩耗粉用のマイクロトラップとして機能することもできます10。

現在、マイクロディンプルテクスチャーの研究では、幾何学的最適化 (ディンプルの深さ 10、ディンプルの直径 11、面密度 12、13)、パターンの比較 (円形 14、楕円形 15、三角形 16、ひし形の形状 17 と平面 18、球形 19、20、特にフルオイル潤滑またはリッチオイル潤滑下での最高の摩擦低減と耐摩耗性を目的として、傾斜した凹面または凸面 21) と配置の影響 (傾斜角 17、細長比 22、分布位置 21) を調整します。 全体として、最適な楕円ディンプルは、ディンプルの長さ方向の流体累積効果により、円形ディンプルよりも耐荷重能力が 26.3% 増加する強い流体力学的効果を示し、その摩擦係数は、ディンプル長さ方向と比較して 10 ～ 20% 低減できます。その他のディンプルパターン２３． そこで、この論文では楕円形のディンプルを選択して分析しました。