회전식 압축기의 다양한 윤활 조건에서 레이저 텍스처 표면의 마찰학적 거동

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 5378(2023) 이 기사 인용

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타원형 딤플이 있는 레이저 텍스처 표면의 마찰학적 거동을 저유, ​​풍부 오일 및 건식 윤활을 포함한 다양한 윤활 조건에서 매끄러운 표면의 마찰학적 거동과 실험적으로 비교했습니다. 링 온 링 마찰 시험을 통해 작동 하중이 증가함에 따라 윤활 체제를 분석했습니다. 마지막으로, 추력 표면에 제작된 텍스처를 사용하여 롤링 피스톤 로터리 압축기의 성능 영향을 조사했습니다. 결과는 마찰공학적 개선이 윤활 상태에 크게 좌우된다는 것을 보여줍니다. 리치 오일 및 오일 부족 윤활 하에서 적용 하중이 증가함에 따라 마이크로 딤플의 효과는 임계 하중 변환 윤활 체계를 촉진하고 유체역학적 윤활 범위를 확장하는 동시에 매끄러운 표면과 유사한 최소 마찰 계수를 유지하지만 내마모성을 향상시킵니다. 그러나 건식 윤활 상태에서 질감이 있는 표면의 마찰 계수와 표면 마모를 증가시키는 것은 반대입니다. 압축기 성능은 레이저 표면 텍스처링을 통해 마찰 전력 소비를 2% 감소시키고 에너지 효율을 2.5% 향상시켜 크게 향상시킬 수 있습니다.

특히 지구 온난화에 대한 인식이 높아짐에 따라 에어컨에 사용되는 압축기의 효율 향상은 영원한 화두가 되었으며, 전력 소비를 줄이기 위해서는 고효율 압축기가 강하게 요구되고 있습니다. 지구 온난화 지수(GWP)가 낮은 냉매를 사용하면 압축기의 윤활 방식과 작동 조건도 더욱 악화됩니다. 슬라이딩 표면의 마찰 손실 및 마모 실패는 특히 슬라이딩 베어링, 스러스트 베어링, 회전 크랭크 샤프트 및 롤러, 왕복 슬라이드 등과 같은 슬라이딩 부품이 많은 롤링 피스톤 로터리 압축기의 경우 성능을 향상하고 수명을 연장하는 데 주요 장애물이 됩니다. .

표면에 규칙적인 마이크로 패턴을 제작하는 레이저 표면 텍스처링(LST)은 유체 역학 베어링, 메카니컬 씰, 원통형 페이스 링 또는 피스톤 링에서 더 높은 하중 전달 능력, 더 낮은 마찰 계수 및 표면 열을 개선하기 위해 이론적으로나 실제적으로 확인되었습니다1 ,2,3,4. 이는 마찰 커플의 마찰학적 거동을 개선하는 실질적인 방법을 제공합니다.

현재 주요 방법인 보호 표면 코팅5,6 및 구조 최적화7과 비교하여 LST는 복잡한 가공 및 어려운 설계 대신 윤활 방식을 제어하기 위해 표면 지형을 인위적으로 구조화합니다. 일반적인 질감 패턴인 마이크로 딤플은 이론적 모델링과 실험적 관찰을 통해 마찰공학적 이점에 대한 메커니즘 연구를 먼저 수행했습니다8,9. 표면 미세 딤플은 상대 슬라이딩 구성요소 사이의 수렴 점성 유체의 추가적인 유체역학적 압력을 증가시켜 유체역학적 윤활 범위를 확장할 수 있다고 결론지었습니다. 장점으로 마이크로 유체 역학 베어링 역할을 하는 마이크로 딤플은 오일이 풍부한 조건에서도 표면 분리 및 비접촉 작동을 유지할 수 있습니다. 게다가, 이러한 마이크로 딤플은 혼합 윤활 또는 오일 윤활이 부족한 상태에서 오일 소스를 공급하는 윤활 마이크로 컨테이너 또는 건식 슬라이딩 접촉에서 추가 마모를 방지하기 위한 마모 잔해를 위한 마이크로 트랩 역할을 할 수도 있습니다10.

현재 마이크로 딤플 텍스처 연구에 대한 상당한 인기는 기하학적 최적화(딤플 깊이10, 딤플 직경11, 면적 밀도12,13), 패턴 비교(원형14, 타원형15, 삼각형16, 다이아몬드 모양17 및 평면18, 구형19,20)에 강요되었습니다. 경사진 오목 또는 볼록21) 및 배열 영향(경사각17, 가는 비율22, 분포 위치21)은 특히 완전 오일 또는 풍부 오일 윤활 하에서 최고의 마찰 감소 및 내마모성을 목적으로 합니다. 전체적으로 최적의 타원형 딤플은 딤플 길이 방향의 유체 누적 효과로 인해 원형 딤플에 비해 하중 지지력이 26.3% 증가하여 더 강한 유체역학적 효과를 나타내며, 마찰 계수는 딤플에 비해 10~20% 감소할 수 있습니다. 기타 딤플 패턴23. 그래서 본 논문에서는 타원형 딤플을 선택하여 분석하였다.