Измерение коэффициента трения скольжения на трибометре по схеме пин-диск

Измерение коэффициента трения скольжения на трибометре по схеме пин-диск позволяет сравнить пары материалов в заданных условиях. Образец в форме пина прижимается к вращающемуся диску, а прибор регистрирует силу трения или рассчитывает коэффициент трения. Чтобы оценить не только поведение поверхностей при контакте, но и их износ, вместе с коэффициентом фиксируют объем потерянного материала или интенсивность изнашивания.

Методика полезна инженерам и техническим специалистам при сравнении покрытий, материалов и антифрикционных композиций, а также закупщикам, которым нужно сопоставить результаты испытаний. Ниже разобраны схема контакта, выбор режима, обработка измерений и ограничения метода. Отдельно рассмотрены особенности испытания материалов с графитом и параметры, которые необходимо указывать в протоколе.

Как устроен трибометр пин-диск и что он измеряет

В испытании пин прижимается к вращающемуся диску. 

В процессе движения измеряется сила трения, а по ней и приложенной нормальной нагрузке можно определить коэффициент трения. Аппаратура может регистрировать значение непрерывно, поэтому видны не только усредненные результаты, но и изменение трения во времени.

Схема применяется для сравнительной оценки трения и износа. В качестве образца используют пин или шар, а параметры контакта задают до начала испытания. В литературе для пина часто приводят геометрию диаметром 6 мм и высотой 34 мм. При этом конкретную геометрию следует сверять с выбранной методикой: она влияет на контакт и сопоставимость результатов.

Сила трения и коэффициент трения

Сила трения показывает абсолютное сопротивление движению в контакте. Коэффициент трения нормирует эту силу по нормальной нагрузке, поэтому удобен для сравнения испытаний с разной нагрузкой, если остальные условия согласованы.

Коэффициент рассчитывают по формуле:

Коэффициент трения = сила трения / нормальная нагрузка.

В этой формуле сила трения и нормальная нагрузка должны быть выражены в одинаковых единицах. Например, в описании типового испытания Fraunhofer указана нагрузка около 5 Н, а ход испытания предусматривает непрерывную регистрацию коэффициента трения.

Как интерпретировать запись прибора

Если система показывает силу трения, ее нельзя автоматически считать коэффициентом. Для расчета требуется знать нормальную нагрузку. Если прибор регистрирует коэффициент напрямую, в протоколе все равно важно указать исходные параметры испытания и способ получения результата.

Измерение коэффициента силы трения скольжения помогает оценить поведение конкретной пары материалов в выбранном режиме. Но одно это значение не описывает долговечность: для оценки износостойкости нужно отдельно измерить износ образца или дорожки.

Методика триботехнических испытаний: стандарты и режим

Перед запуском испытания выбирают методику и фиксируют условия контакта. 

Для пин-диск схемы применяют ASTM G99, DIN 50324 и ISO 18535. Для оценки трибологического поведения материалов подшипников скольжения также используют DIN ISO 7148-1 и DIN ISO 7148-2, включая процедуру A с пин-диск схемой.

Стандарт задает основу для организации испытания, но одного обозначения в протоколе недостаточно. Чтобы результаты можно было проверить и сравнить, указывают нагрузку, скорость, материал пина и диска, состояние поверхностей, среду и способ оценки износа. Изменение любого из этих факторов может изменить трение и износ.

Какие параметры задают до запуска

До начала серии испытаний необходимо определить:

• стандарт или внутреннюю методику, по которой проводят тест;

• материал, форму и размеры пина и диска;

• нормальную нагрузку и скорость вращения;

• среду испытания и состояние поверхности образцов;

• продолжительность испытания или путь скольжения;

• способ регистрации силы трения и метод расчета износа.

Для типового испытания Fraunhofer в источнике указана нагрузка около 5 Н. В описании другого трибометра приводятся диапазоны: нормальная нагрузка до 200 Н, сила трения до 200 Н и скорость диска 100-2000 об/мин. Эти значения характеризуют возможности конкретной установки, а не универсальный режим для всех тестов.

Почему нельзя сравнивать несогласованные результаты

Сравнение имеет смысл, если совпадают схема контакта, нагрузка, скорость, геометрия образцов и метод расчета износа. Например, результат при нагрузке около 5 Н нельзя напрямую сопоставлять с результатом при другой нагрузке, если не учтены остальные условия. Аналогично, данные для разных сред и состояния поверхности не образуют единую сравнительную серию.

Для внутреннего контроля полезно закрепить одну методику и применять ее при сравнении партий или материалов. Если задача требует сопоставимости с внешними данными, в протоколе указывают примененный стандарт и параметры режима, а не только название установки.

Измерение коэффициента трения скольжения: порядок расчета

Сначала задают нормальную нагрузку и запускают движение диска. 

Трибометр регистрирует силу трения или рассчитывает коэффициент по сигналу измерительного канала. При непрерывной записи оценивают, как показатель меняется по мере испытания: единичное значение не показывает динамику контакта.

Если прибор регистрирует силу, коэффициент рассчитывают как отношение силы трения к нормальной нагрузке. Например, при заданной нормальной нагрузке 5 Н измерительная система фиксирует силу трения, после чего получают коэффициент для соответствующего момента испытания. Само значение силы в ньютонах и коэффициент трения - разные величины, поэтому в таблице результатов их указывают раздельно.

Как обрабатывать результаты

Для анализа серии важно заранее выбрать способ представления данных: временная зависимость, усредненное значение или значения на заданных этапах испытания. Способ обработки должен быть одинаковым для сравниваемых образцов. В протоколе также фиксируют, регистрировала ли установка силу или коэффициент напрямую.

Измерения коэффициента трения скольжения в лабораторной работе часто сводят к расчету по показаниям силы и нагрузки. В промышленном испытании логика та же, но к ней добавляются требования к повторяемости образцов, режиму и регистрации износа. Без записи параметров испытания коэффициент нельзя корректно использовать для выбора материала или покрытия.

Что включить в протокол

• Идентификацию материалов пина и диска.

• Геометрию образцов и состояние их поверхностей.

• Стандарт или описание внутренней методики.

• Нормальную нагрузку, скорость и среду испытания.

• График или значения силы трения и коэффициента трения.

• Метод измерения износа и итоговые единицы измерения.

Такой протокол дает возможность понять, при каких условиях получен результат, и повторить испытание. Если в лаборатории сравнивают материалы с разной геометрией или режимами, это отмечают отдельно, а не объединяют показатели в одну серию.

Интенсивность изнашивания: испытание и расчет

Коэффициент трения не заменяет оценку износа. 

Поверхность может демонстрировать низкое трение, но при этом терять значительный объем материала. Поэтому в триботехническом испытании полезно анализировать оба показателя: трение характеризует сопротивление движению, а износ - потерю материала в контакте.

Для оценки используют измерение профиля дорожки износа и расчет объема потерянного материала. В качестве показателя интенсивности изнашивания в публикациях приводят объемный износ на единицу пути, выраженный в мм³/м. Для удельного износа также встречается единица мм³/Н·м.

Формулы и единицы

Если известен объем потерянного материала и путь скольжения, интенсивность изнашивания рассчитывают так:

Интенсивность изнашивания = объем потерянного материала / путь скольжения.

Объем указывают в мм³, путь - в метрах, результат - в мм³/м. Для удельного показателя, нормированного также по нагрузке, используют расчет:

Удельный износ = объем потерянного материала / (нормальная нагрузка x путь скольжения).

При объеме в мм³, нагрузке в ньютонах и пути в метрах результат выражают в мм³/Н·м. В опубликованном примере при контактном напряжении 330 МПа приведена интенсивность изнашивания 0,86×10⁻⁶ мм³/м. Этот пример показывает, почему важно указывать не только число, но и методику расчета и условия контакта.

Почему визуальной оценки недостаточно

Форма и ширина дорожки помогают обнаружить повреждение, но визуальное описание не заменяет количественную оценку. Профиль износа позволяет оценить геометрию дорожки и рассчитать потерянный объем. Массовый износ также применяют, однако для сравнения результатов необходимо указывать способ пересчета и итоговый показатель.

В протоколе фиксируют, какой именно показатель использован: объемный износ, интенсивность в мм³/м или удельный износ в мм³/Н·м. Иначе два значения с разными размерностями можно ошибочно принять за сопоставимые.

Графит: антифрикционные характеристики и условия испытания

Графит рассматривают как твердую смазку, но его поведение зависит от среды. 

В обзоре отмечено, что графит работает как смазка при наличии влаги, а в вакууме его смазочные свойства не проявляются. Поэтому при испытании графитсодержащего материала обязательно фиксируют влажность и другие условия контакта, если они входят в режим исследования.

Для графита приводят диапазон коэффициента трения 0,1-0,3 и температурный диапазон от −184 до 650 °C. В другом обзоре указано, что ниже 100 °C коэффициент трения графита составляет порядка 0,1; также описан температурный предел работы до 700 °C. Эти значения относятся к данным отдельных обзоров и не означают, что любой графитсодержащий материал покажет такие показатели в заданной паре трения.

Влияние состава и среды

Результат зависит от матрицы и концентрации добавки. В обзоре бронзовых сплавов для состава примерно с 3 мас.% графита приведены износ 12,7×10⁻⁴ мм³/Н·м и коэффициент трения около 0,3. В ряде рассмотренных систем увеличение доли графита сопровождалось снижением трения и интенсивности изнашивания, но это не универсальная зависимость для любых материалов.

Чтобы сравнить графитсодержащие композиции, используют одинаковые нагрузку, скорость, геометрию образцов и среду. Если испытания проводят в вакууме или при иной влажности, это необходимо отметить: антифрикционный эффект графита может измениться. Одного коэффициента трения недостаточно, поэтому одновременно оценивают объемный или удельный износ.

Совет инженера

Сценарий: нужно сравнить покрытие и исходную поверхность по трению и износу. Что оценивают: образцы испытывают в одной схеме контакта и при одинаковом режиме, отдельно регистрируя коэффициент трения и состояние дорожки. В такой задаче MODENGY 1002 рассматривают как покрытие с низким коэффициентом трения и антикоррозионными свойствами; его показатели в конкретной паре материалов проверяют испытанием. Итог: решение принимают по совокупности коэффициента трения, износа и условий эксплуатации, а не по одному параметру.

Ограничения метода и выбор режима испытаний

Пин-диск тест удобен для раннего сравнения материалов, но не является полной копией реальной эксплуатации. 

В промышленном узле могут отличаться геометрия, распределение нагрузки, температура и среда. Поэтому результаты лабораторного испытания применяют для сравнения при заданных условиях, а при переносе вывода на узел учитывают расхождение режимов.

Описание одной из установок включает временной диапазон испытаний до 100 часов и перемещение при оценке износа ±2 мм. Это параметры конкретного оборудования, а не обязательная продолжительность или амплитуда для каждого теста. Режим выбирают исходя из задачи, материала и применяемой методики.

Как выбрать испытание для практической задачи

Если цель - сравнить покрытия, задают единую геометрию образцов, нагрузку, скорость и среду. Если оценивают подшипниковый материал, рассматривают применимость DIN ISO 7148-1 или DIN ISO 7148-2 и соответствующую процедуру. Для испытаний по общей пин-диск схеме указывают ASTM G99, DIN 50324 или ISO 18535, если они соответствуют поставленной задаче.

Измерение коэффициента трения скольжения брусков и лабораторная работа с брусками могут быть учебными или сравнительными задачами, но их результаты нельзя автоматически переносить на пин-диск испытание. Геометрия контакта в этих схемах различается. Чтобы сопоставить данные, нужно не только измерить силу, но и учесть нагрузку, контактную схему и способ оценки износа.

Для технического решения важно заранее определить, какой результат требуется: коэффициент трения, сила трения, объем износа или удельная интенсивность. Если требуется оценить долговечность, одного низкого коэффициента трения недостаточно. Следующий шаг - оформить программу испытаний с фиксированными параметрами и проверить повторяемость результатов на одинаковых образцах.

Часто задаваемые вопросы

В чем измеряется сила трения при испытании пин-диск?

Силу трения выражают в ньютонах, как и нормальную нагрузку. Коэффициент трения безразмерный: его рассчитывают как отношение силы трения к нормальной нагрузке. В протоколе эти параметры указывают отдельно, чтобы не смешивать абсолютную силу, зарегистрированную прибором, и нормированный показатель контакта.

Можно ли сравнивать результаты разных трибометров?

Можно, если согласованы схема контакта, нагрузка, скорость, геометрия образцов, среда испытания и метод расчета износа. Одного совпадения названия стандарта недостаточно, если режимы отличаются. Для проверки сопоставимости следует сверить параметры методики и то, как прибор регистрировал силу трения или коэффициент.

Что важнее: коэффициент трения или интенсивность изнашивания?

Для полной оценки нужны оба показателя. Коэффициент трения описывает сопротивление движению, а интенсивность изнашивания характеризует потерю материала на единицу пути или нагрузки и пути. Низкое трение не гарантирует малого износа, поэтому при оценке ресурса материала анализируют коэффициент и результаты измерения дорожки.

Как графит влияет на результат триботехнического испытания?

Графит может снижать трение, но эффект зависит от влажности, температуры, матрицы и концентрации. Он работает как смазка при наличии влаги, тогда как в вакууме его смазочные свойства снижаются. Поэтому для графитсодержащих материалов в протоколе фиксируют среду и оценивают не только коэффициент трения, но и износ.

Заключение

Измерение коэффициента трения скольжения на трибометре по схеме пин-диск дает сопоставимый результат только при зафиксированных нагрузке, скорости, геометрии, среде и методе расчета. Для оценки износостойкости коэффициент дополняют измерением объема потерянного материала или интенсивности изнашивания. Стандарт и условия испытания указывают в протоколе, чтобы результат можно было проверить и воспроизвести.

Следующий шаг - определить цель испытания, выбрать применимую методику и закрепить параметры серии до подготовки образцов. Если сравнивают покрытия или материалы с графитом, отдельно фиксируют среду и одновременно анализируют трение и износ.