Comportements tribologiques de surfaces texturées au laser dans différentes conditions de lubrification pour compresseur rotatif

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 comparés expérimentalement 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 la charge de fonctionnement croissante par des tests tribologiques anneau sur anneau. Enfin, l’impact sur les performances d’un 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 lubrification riche et pauvre en huile, l'effet des micro-fossettes favorise le régime de lubrification transformant la charge critique et élargit la plage de lubrification hydrodynamique, tout en maintenant un minimum similaire de coefficient de frottement à celui de la surface lisse, mais améliore la résistance à l’usure. Cependant, c'est l'inverse qui augmente le coefficient de frottement et l'usure des surfaces texturées sous lubrification sèche. Les performances du compresseur peuvent être considérablement améliorées 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 croissante du réchauffement climatique, et un compresseur très efficace est fortement demandé pour réduire la consommation d'énergie. Avec l’utilisation de réfrigérants à faible potentiel de réchauffement climatique (PRG), le régime de lubrification et les conditions de fonctionnement des compresseurs seront également encore détériorés. La perte par friction et l'usure des surfaces coulissantes deviennent un obstacle principal à l'amélioration des performances et à la prolongation de la durée de vie, en particulier pour le compresseur rotatif à piston roulant comportant de nombreuses pièces coulissantes telles que les paliers lisses, le palier de butée, le vilebrequin et le rouleau rotatifs, le coulisseau alternatif, etc. .

Il a été confirmé théoriquement et pratiquement que la texturation de surface au laser (LST) par la fabrication de micro-motifs réguliers sur les surfaces améliore la capacité de charge plus élevée et le coefficient de frottement et la chaleur de surface inférieurs dans les roulements hydrodynamiques, les garnitures mécaniques, les bagues cylindriques ou les segments de piston1. ,2,3,4. Cela constitue un moyen substantiel d’améliorer les comportements tribologiques du couple de friction.

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

Actuellement, la popularité significative des études de textures à micro-alvéoles a été due à l'optimisation géométrique (profondeur des fossettes10, diamètre des fossettes11, densité de surface12,13), à la comparaison de motifs (cercle14, elliptique15, triangulaire16, forme de diamant17 et plat18, sphérique19,20, incliné concave ou convexe21) et l'influence de la disposition (angle d'inclinaison17, rapport élancé22, emplacement de distribution21) dans le but d'une meilleure réduction du frottement et d'une meilleure résistance à l'usure, en particulier dans le cadre d'une lubrification à l'huile complète ou à l'huile riche. Dans l’ensemble, les alvéoles elliptiques optimales présentent 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 l’alvéole, et son coefficient de frottement peut être réduit de 10 à 20 % par rapport à d'autres motifs de fossettes23. Les fossettes elliptiques ont donc été sélectionnées et analysées dans cet article.