Измерение коэффициента трения на трибометре по схеме пин-диск

Измерение коэффициента трения на трибометре с пин-диск схемой проводят, прижимая неподвижный пин или шарик к вращающемуся диску. При испытании регистрируют силу трения или коэффициент трения, а износ оценивают по следу на поверхности и потере материала. Чтобы корректно сравнить образцы, задают одинаковые нагрузку, скорость скольжения, длительность испытания, контртело и среду.

Методика триботехнических испытаний полезна инженерам и техническим специалистам, которым нужно сопоставить материалы, покрытия или смазочные режимы, а также закупщикам, оценивающим результаты лабораторных проверок. Ниже разобраны параметры испытания, обработка измерений и способы оценки изнашивания. Отдельно объяснено, почему низкий коэффициент трения сам по себе не подтверждает высокую износостойкость.

Как устроен трибометр пин-диск

В схеме пин-диск один образец закрепляют в держателе и прижимают к поверхности второго образца. 

Диск вращается, а пин или шарик движется по круговой траектории относительно его поверхности. Испытательная установка измеряет силу трения или рассчитывает коэффициент трения, а после испытания по следу контакта оценивают износ.

Метод применяют для сравнительной оценки материалов и покрытий. Он позволяет проверять поведение пары трения при заданной нагрузке, скорости и длительности контакта. Стандарт ASTM G99 описывает испытания на износ на установке pin-on-disk. В российской практике триботехнические испытания также используют для сравнения материалов и покрытий, контроля стабильности их свойств и получения исходных данных для расчетов.

Какие параметры задают перед испытанием

Результат зависит не только от исследуемого материала. В протоколе фиксируют условия, которые определяют контакт и режим движения:

• нормальную нагрузку;

• скорость скольжения или частоту вращения;

• длительность испытания или число циклов;

• материал и геометрию контртела;

• состояние контактных поверхностей;

• среду испытания: сухое трение или смазывание.

В обзоре Fraunhofer для испытаний pin-on-disk приведены типичные диапазоны нагрузки 1-10 N, длительности 10-100000 циклов и частоты 0,5-5 Hz. Там же указана стандартная сила около 5 N для описанной конфигурации. Эти значения характеризуют приведенные в обзоре диапазоны, а не универсальные режимы для любого материала и оборудования.

Схему выбирают под задачу: например, чтобы сопоставить два покрытия, исследовать пару материалов или оценить смазочный режим. Для достоверного сравнения образцы испытывают при одинаковых параметрах. Если одновременно меняются нагрузка, контртело и среда, определить причину изменения результата не удастся.

Измерение коэффициента трения скольжения: выбор режима

Измерение коэффициента трения скольжения начинается с формулировки цели. 

Для сравнения материалов задают одинаковую схему pin-on-disk и одинаковые условия контакта. Если оценивают смазочный материал или покрытие, в протоколе указывают режим: сухое трение, ограниченную подачу смазки или смазывание в ванне. Эти условия влияют на интерпретацию результатов, поэтому обозначения «испытано на трибометре» недостаточно.

До запуска испытания необходимо определить нагрузку, скорость, длительность или число циклов, материал контртела и геометрию контакта. Дополнительно фиксируют состояние образцов и способ подачи смазки, если она предусмотрена. При повторении теста следует сохранять эти параметры неизменными. Иначе различия между образцами могут быть связаны не с исследуемым материалом, а с изменением условий испытания.

Для выбора режима можно учитывать диапазоны, приведенные для pin-on-disk в обзоре Fraunhofer: нагрузка 1-10 N, частота 0,5-5 Hz и длительность от 10 до 100000 циклов. Это ориентиры из описания типичных испытаний, а не значения, которые следует автоматически переносить в любую лабораторную методику. Нагрузка около 5 N также упоминается для конкретной стандартной конфигурации; она не отменяет необходимости подбирать режим под задачу.

Стандарт и область применимости

ASTM G99 описывает стандартный метод испытаний на износ на установке pin-on-disk. ГОСТ 23.002-78 служит терминологической опорой для понятий, связанных с трением, изнашиванием и смазкой. ГОСТ 30858-2003 рассматривает триботехнические требования и показатели износостойкости изделий, в том числе износ и скорость изнашивания.

При выборе методики важно проверить, соответствует ли область действия стандарта исследуемому материалу и условиям. Например, ГОСТ 26614-85 относится к антифрикционным порошковым материалам и описывает испытания при ограниченной подаче смазки. ГОСТ 33252-2015 относится к испытаниям на машине SRV, а не к схеме пин-диск. Его можно рассматривать как пример нормирования триботехнических испытаний, но нельзя подменять им описание pin-on-disk.

Как измеряют силу трения и коэффициент трения

Трибометр регистрирует силу трения в процессе движения контактной пары либо выдает рассчитанный коэффициент трения. 

Если обрабатывают данные измерения силы, коэффициент определяют как отношение силы трения к нормальной силе, прижимающей образцы друг к другу. Коэффициент трения безразмерный: единицы силы в числителе и знаменателе сокращаются. Силу трения и нагрузку при этом записывают в ньютонах (N).

Силу трения нельзя считать тем же показателем, что и коэффициент трения. Первую выражают в ньютонах, второй характеризует отношение сил и не имеет единицы измерения. Поэтому фразы «измерение коэффициента силы трения» и «измерение коэффициента трения» могут вести к разным операциям: прибор измеряет силу, а коэффициент получают из нее с учетом нормальной нагрузки.

Порядок обработки данных

Сначала задают программу испытания и проверяют, что нагрузка, скорость, длительность, контртело и среда соответствуют протоколу. Во время теста регистрируют силу трения или коэффициент трения по мере движения. Затем анализируют полученную запись, учитывая, что для оценки сравнивают показатели, полученные в одинаковых условиях. Если протокол предусматривает повторные испытания, отдельные результаты сохраняют, а итог рассчитывают по принятому в методике правилу.

Для антифрикционных порошковых материалов ГОСТ 26614-85 устанавливает определение коэффициента трения и интенсивности изнашивания как средних арифметических по результатам не менее трех образцов. Это требование относится к методу, описанному в данном стандарте; распространять его без проверки на любую лабораторную задачу не следует.

В протоколе полезно отдельно указывать измеренную силу, рассчитанный коэффициент, нагрузку и режим движения. Такая запись позволяет понять, за счет чего изменился результат, и не смешивать значение силы с безразмерным коэффициентом. При сопоставлении данных из разных лабораторий необходимо сверять не только итоговые числа, но и схему испытания, контртело, параметры режима и способ оценки износа.

Интенсивность изнашивания: как оценить результат

Интенсивность изнашивания и коэффициент трения характеризуют разные аспекты работы пары. 

Коэффициент отражает соотношение сил в контакте, тогда как износ показывает изменение материала после трения. Поэтому низкое значение коэффициента само по себе не доказывает, что материал изнашивается медленно. Оба показателя необходимо оценивать раздельно.

Износ можно определять разными способами. ГОСТ 30858-2003 связывает его оценку с изменением массы, размеров, количеством металла в масле или параметрами изделия. В подходе, описанном в NASA TM 87236, износ штифта оценивают по диаметру круглого следа и рассчитывают объем изношенного материала. Выбор способа зависит от методики и исследуемой пары; в протоколе следует обозначить, как именно получено значение.

ГОСТ 26614-85 задает критерии завершения испытаний для антифрикционных порошковых материалов. Среди них указаны суммарный линейный износ образца и контробразца более 30 мкм и сила трения более 50 N. Эти пороговые значения относятся к области применения и условиям указанного стандарта, а не являются универсальными ограничениями для всех тестов на трибометре.

Повторяемость и отчет

Для оценки материала по одному измерению вывод делать рискованно. ГОСТ 26614-85 предусматривает усреднение результатов не менее трех образцов. В отчете сохраняют индивидуальные результаты, итоговое среднее и условия испытания. Это помогает отделить устойчивое свойство материала от единичного отклонения в измерении.

Описание интенсивности изнашивания должно сопровождаться указанием метода оценки, а не только числом. Также важно привести продолжительность или число циклов, нагрузку, скорость, контртело и среду. Без этих сведений читатель не сможет установить, насколько результаты сопоставимы с другими испытаниями.

Графит и другие антифрикционные материалы: что показывает испытание

Антифрикционные характеристики графита нельзя свести к одному универсальному значению коэффициента трения. 

Результат зависит от пары материалов, нагрузки, скорости и режима смазывания. Поэтому утверждение, что графит всегда обеспечивает низкое трение, не подтверждается без конкретных испытаний. Трибометр пин-диск позволяет сравнить варианты в выбранных условиях, но полученное значение относится именно к заданной конфигурации.

Для корректного сравнения сначала определяют, какой параметр важен для задачи: сила трения, коэффициент трения, износ или их сочетание. Затем подбирают контртело, нагрузку, скорость и среду испытания. При сравнении покрытий и материалов режимы должны оставаться одинаковыми. Если проверяется влияние смазки, необходимо отдельно зафиксировать способ ее подачи и не объединять результаты сухого и смазанного контакта в один ряд.

Лабораторная оценка и эксплуатация

Пин-диск относится к лабораторным сравнительным методам. Результат показывает, как выбранная пара ведет себя при заданном контакте и режиме, но не является прямой копией работы реального узла. В эксплуатации могут отличаться геометрия контакта, нагрузка, скорость, состояние поверхностей и подача смазки. Поэтому лабораторные данные используют для отбора и сравнения материалов, а применимость решения проверяют с учетом условий конкретного узла.

Это различие важно и для закупки. При сравнении коммерческих предложений недостаточно сопоставить одно число коэффициента трения. Инженеру и снабженцу нужно сверить режимы, показатели износа, материал контртела и методику испытания. Если параметры не совпадают, численные результаты не дают надежной основы для выбора.

Как оформить методику и избежать ошибок сравнения

Сопоставимость начинается с полного протокола. 

В нем указывают исследуемый материал, контртело, геометрию контакта, нагрузку, скорость, длительность или число циклов и среду испытания. Отдельно описывают, какой показатель измеряли непосредственно и какой рассчитывали. Такой формат помогает не смешивать измерение силы трения с расчетом коэффициента или оценкой износа.

Основные ошибки связаны с неполным описанием условий и неверной интерпретацией одного показателя. Например, изменение коэффициента не позволяет автоматически заключить, что износ уменьшился. Аналогично, нельзя считать результаты разных трибометров сопоставимыми только потому, что в обоих случаях использовали пин и диск. Значение имеют режим, контртело и способ измерения износа.

Для брусков применяют отдельные схемы и геометрию контакта. Поэтому измерение коэффициентов трения скольжения брусков не следует напрямую приравнивать к испытанию пин-диск. Оба подхода изучают трение скольжения, однако условия контакта и процедура оценки различаются. В отчете нужно точно называть схему, а при сравнении результатов проверять, совпадают ли метод и параметры.

Перед передачей результатов инженеру или закупщику полезно проверить:

• указаны ли нагрузка и скорость скольжения;

• приведены ли материал и геометрия контртела;

• обозначена ли среда испытания и способ подачи смазки;

• разделены ли сила трения, коэффициент трения и показатели износа;

• описан ли метод оценки износа и число повторов;

• приведены ли примененный стандарт и условия, которые не входят в его область действия.

Часто задаваемые вопросы

В каких единицах измеряют коэффициент трения?

Коэффициент трения безразмерный: его определяют как отношение силы трения к нормальной силе. Обе силы выражают в ньютонах, поэтому единицы сокращаются. Не следует путать коэффициент с силой трения: сила имеет единицу N, а коэффициент единицы измерения не имеет.

Чем измерение силы трения отличается от измерения коэффициента трения?

Сила трения показывает величину сопротивления движению и измеряется в ньютонах. Коэффициент получают, соотнося силу трения с нормальной нагрузкой. Поэтому при описании испытания нужно уточнять, что именно регистрирует прибор и как обработаны данные: напрямую измерена сила или приведен рассчитанный коэффициент.

Подходит ли пин-диск для испытания в смазанном режиме?

Да. Схему применяют при сухом трении и в смазанных условиях. В протоколе указывают режим, в том числе ограниченную подачу смазки или смазывание в ванне, если оно используется. Результаты разных режимов нельзя интерпретировать как прямое сравнение без учета способа смазывания и условий контакта.

Достаточно ли одного измерения для оценки материала?

Одного результата недостаточно для надежного вывода о материале. Для антифрикционных порошковых материалов ГОСТ 26614-85 предусматривает усреднение коэффициента трения и интенсивности изнашивания по результатам не менее трех образцов. Это требование относится к методу данного стандарта, поэтому для другой методики следует свериться с ее правилами.

Показывает ли низкий коэффициент трения высокую износостойкость?

Нет. Коэффициент трения и интенсивность изнашивания являются разными показателями. ГОСТ 30858-2003 рассматривает износ и скорость изнашивания как отдельные показатели износостойкости. Поэтому в испытании следует отдельно измерять или оценивать трение и износ, а вывод делать по совокупности результатов.

Заключение

Измерение коэффициента трения на трибометре по схеме пин-диск позволяет сравнивать материалы и покрытия при заданных условиях контакта. Для корректной оценки фиксируют нагрузку, скорость, длительность, контртело и среду испытания, а коэффициент трения рассматривают отдельно от силы трения и интенсивности изнашивания. Результаты pin-on-disk дают лабораторную сравнительную оценку, но сами по себе не подтверждают поведение материала в конкретном промышленном узле.

Следующий шаг для инженера - составить протокол под задачу: определить сравниваемые материалы, режим трения и способ оценки износа, затем провести повторные испытания и сохранить условия каждого опыта. Закупщику при сравнении результатов стоит сначала сверить эти параметры и примененный стандарт, а уже затем сопоставлять численные показатели.