Измерение коэффициента трения и износа на трибометре по схеме pin-on-disk

Для измерения коэффициента трения в схеме pin-on-disk неподвижный пин прижимают к вращающемуся диску под заданной нормальной нагрузкой, а прибор регистрирует силу трения. Коэффициент рассчитывают как отношение силы трения к нагрузке. Износ оценивают отдельно: по геометрии дорожки или следа на образце и, если измерен объем изношенного материала, по его отношению к пути скольжения.

Методика полезна инженерам и техническим специалистам, которым нужно сравнить материалы, покрытия или режимы смазки в одинаковых лабораторных условиях. В статье разобраны выбор параметров испытания, обработка результатов и ограничения метода. Это поможет подготовить программу испытаний и корректно интерпретировать данные, в том числе при оценке графитсодержащих антифрикционных материалов.

Как работает трибометр pin-on-disk

В испытании один образец служит диском, а второй - пином или шаром, который прижимают к поверхности диска. 

Диск вращается, и контактирующие поверхности скользят друг относительно друга. Трибометр поддерживает заданную нормальную нагрузку и регистрирует силу трения, благодаря чему можно проследить, как она меняется по мере испытания.

ASTM G99, или Standard Test Method for Wear Testing with a Pin-on-Disk Apparatus, описывает лабораторную процедуру оценки износа в этой схеме. Стандарт также допускает определение коэффициента трения. Сам факт проведения теста по схеме pin-on-disk, однако, не означает, что все параметры испытания будут одинаковыми: режим выбирают с учетом пары материалов и задачи исследования.

В одной из справочных интерпретаций параметров ASTM G99 для межлабораторных исследований приведены нагрузка 10 Н, скорость скольжения 0,1 м/с и продолжительность около 2,77 ч, соответствующая пути 1000 м. В лабораторной практике встречаются и другие диапазоны: нагрузка 1-10 Н, частота 0,5-5 Гц, продолжительность 10-100000 циклов. Эти значения описывают разные режимы и не заменяют обоснованный выбор условий под конкретную задачу.

Pin-on-disk подходит для сравнительных лабораторных испытаний пар материалов, в частности при номинально неабразивных условиях. Результат помогает сопоставить поведение образцов при заданных параметрах, но сам по себе не предсказывает ресурс узла в эксплуатации. Контакт в реальном механизме может отличаться геометрией, режимом движения, температурой и условиями смазки.

Выбирая установку, проверяют, позволяет ли она реализовать нужный режим и вести запись силы трения. Также сверяются с применимым стандартом: помимо ASTM G99, для выбора методики могут быть полезны ASTM G133, DIN 50324 и ISO 7148-1. Последний касается испытаний материалов подшипников скольжения в условиях граничной смазки.

Измерение коэффициента трения скольжения и силы трения

Коэффициент трения рассчитывают по формуле: коэффициент трения равен силе трения, деленной на нормальную нагрузку. 

Сила трения и нагрузка должны быть выражены в согласованных единицах, поэтому их отношение безразмерно. В статье о лабораторном измерении важно указать, как именно получено значение: из непрерывной записи прибора, усредненного участка кривой или отдельного результата в конце теста.

Одного итогового значения может быть недостаточно. По мере скольжения поверхности проходят приработку и могут выходить на более стабильный режим, поэтому коэффициент способен изменяться во времени. Непрерывная регистрация позволяет увидеть эти этапы и сопоставить результаты испытаний не только по одному числу, но и по характеру изменения силы трения.

Чтобы корректно измерить силу трения, необходимо одновременно контролировать нормальную нагрузку. При одной и той же силе трения изменение нагрузки меняет рассчитанный коэффициент. Поэтому в протокол включают не только итоговый коэффициент, но и параметры режима, при которых он получен.

При сравнении материалов задают и фиксируют как минимум:

• нормальную нагрузку;

• скорость скольжения или частоту движения;

• путь скольжения и продолжительность испытания;

• температуру и влажность;

• шероховатость поверхностей;

• материал и геометрию контртела;

• сухой или смазанный режим контакта;

• способ обработки записи силы трения.

При оценке покрытия также важно описать подготовку образца и состояние поверхности перед испытанием. Если сравнивают сухое трение и граничную смазку, эти режимы рассматривают как разные условия, а не смешивают результаты в одной группе. ISO 7148-1 отдельно указывает на значимость нормальной силы, шероховатости Ra, температуры смазки, скорости, пути скольжения и overlap ratio при испытаниях подшипниковых материалов в условиях граничной смазки.

Как оценить интенсивность изнашивания

Низкий коэффициент трения не доказывает, что образец изнашивается медленно. 

Это связанные, но разные показатели: первый описывает сопротивление скольжению, второй - потерю материала при контакте. Поэтому интенсивность изнашивания определяют отдельно от коэффициента трения.

Для оценки износа исследуют дорожку на диске или след на пине. В зависимости от образца используют ширину и геометрию дорожки, объем износа либо измерение диаметра следа на сферическом пине с последующим расчетом изношенного объема. Измерение только изменения массы не всегда дает достаточное описание: геометрия следа позволяет точнее оценить объем материала, удаленного при испытании.

Удельную скорость износа можно рассчитать как объем износа, деленный на путь скольжения. Здесь объем износа - количество удаленного материала, а путь скольжения - пройденное в контакте расстояние. Для корректного сравнения в протоколе указывают, как измеряли геометрию и каким способом получили объем.

Если результаты приводят через изменение массы, не следует подменять этим показателем объем или интенсивность изнашивания. Массовая потеря и объемная потеря - разные величины; переход между ними требует дополнительных данных о материале. В частности, для расчета объемной потери по массе нужна плотность, а в исходных условиях испытания ее необходимо указывать отдельно.

При интерпретации результата учитывают форму дорожки и состояние поверхности после теста. Одинаковая потеря массы может сопровождаться разной геометрией следа, а значение коэффициента трения не раскрывает механизм износа. Поэтому отчет обычно должен содержать и временную запись силы трения, и измерения следа или дорожки, и описание режима испытания.

Как выбрать режим испытания и обеспечить сопоставимость

Универсального режима для всех материалов и узлов нет. 

Нагрузку, скорость, длительность и схему движения выбирают с учетом исследуемой пары и того, какое поведение требуется оценить: сухое трение, граничную смазку, низкие скорости или малые нагрузки. Если условия теста не связаны с задачей, полученное значение остается характеристикой только конкретного лабораторного режима.

Для испытаний по схеме pin-on-disk в лабораторных описаниях встречаются нагрузка 1-10 Н, частота 0,5-5 Гц и длительность 10-100000 циклов. В другой справочной интерпретации параметров ASTM G99 приведены 10 Н, 0,1 м/с и путь 1000 м. Эти параметры нельзя механически объединять в одну универсальную методику: при планировании фиксируют выбранный режим и объясняют его связь с исследуемой задачей.

Воспроизводимость зависит не только от нагрузки и скорости. На результат влияют температура, влажность, шероховатость, материал контртела, путь скольжения и условия смазки. Для граничной смазки ISO 7148-1 выделяет, в частности, контроль шероховатости Ra, нормальной силы, температуры смазки, скорости и пути скольжения. При сравнении покрытий важно также сохранять одинаковыми подготовку поверхности и характеристики контртела.

Если задача связана с графитом, его антифрикционные характеристики оценивают не отвлеченно, а в конкретной системе контакта. На поведение графитсодержащих материалов влияют нагрузка, скорость, влажность и состояние поверхностей. Pin-on-disk позволяет сравнить коэффициент трения, этап приработки и износ при одинаковых условиях, но вывод относится именно к выбранной паре и режиму.

Например, при сравнении базовой поверхности с твердосмазочным покрытием можно включить в программу испытаний MODENGY 1002. В ситуациях, где эксплуатационная задача связана с вымыванием, фреттингом или холодным пуском, лабораторный режим нужно отдельно обосновать и воспроизвести в рамках программы: одного измерения коэффициента трения недостаточно, чтобы подтвердить поведение покрытия во всех этих условиях. Результат сравнения будет содержательным только при одинаковых нагрузке, скорости, контртеле, состоянии поверхностей и режиме смазки.

Как оформить протокол и интерпретировать результат

Протокол должен позволять другому специалисту понять, при каких условиях получены значения и можно ли сопоставить их с другим испытанием. 

Помимо названия материала и результата, в нем указывают схему контакта, нагрузку, скорость или частоту движения, путь скольжения, продолжительность и условия смазки. Если фиксировались температура и влажность, их также включают в отчет.

Для коэффициента трения полезно приводить не только конечное число, но и временную кривую силы трения или коэффициента. Так видны приработка и стабилизация, которые теряются при публикации одного среднего значения. Отдельно указывают, какой участок записи использован для расчета итогового показателя.

Для износа фиксируют метод измерения: изменение массы, размеры дорожки или следа, расчетный объем. Если измеряли геометрию дорожки, приводят использованные параметры и способ оценки объема. При расчете интенсивности изнашивания указывают путь скольжения, на который отнесен объем.

Сравнительный вывод должен быть ограничен условиями теста. Если образцы испытывали при разных нагрузках, скоростях, температурах или с разными контртелами, различие результатов нельзя без оговорок приписать только материалу. То же относится к сопоставлению сухого и смазанного контакта: тип смазки и режим ее применения фиксируют отдельно.

Для подшипниковых материалов в условиях граничной смазки учитывают область применения ISO 7148-1, а для выбора режима pin-on-disk сверяются с ASTM G99 и другими подходящими стандартами, например DIN 50324 и ASTM G133. Стандарт задает методические ориентиры, но рабочие параметры все равно выбирают под исследовательскую задачу и описывают в протоколе.

Часто задаваемые вопросы

В каких единицах измеряется коэффициент трения?

Коэффициент трения не имеет единицы измерения: это отношение силы трения к нормальной нагрузке. Если обе силы выражены в одинаковых единицах, единицы сокращаются. В отчете указывают полученное значение коэффициента и обязательно описывают нагрузку, скорость и другие условия, при которых его рассчитали.

Как измеряют силу трения при скольжении?

В трибометре pin-on-disk неподвижный пин прижимают к вращающемуся диску, а прибор регистрирует силу, возникающую при скольжении поверхностей. Для оценки динамики измерение ведут непрерывно. Одновременно фиксируют нормальную нагрузку, поскольку коэффициент рассчитывают как отношение силы трения к этой нагрузке.

Достаточно ли измерить массу образца до и после испытания?

Не всегда. Изменение массы показывает потерю материала, но не описывает геометрию дорожки и само по себе не дает объем износа. Для более полной оценки измеряют форму и размеры следа или дорожки, а затем рассчитывают объем. В протоколе указывают использованный способ измерения и путь скольжения.

Подходит ли один режим испытания для всех материалов?

Нет. Нагрузку, скорость, продолжительность, температуру и условия смазки подбирают под исследуемую пару и задачу. Стандарты описывают методические принципы, но не превращают один набор параметров в универсальный для всех материалов. Сравнивать результаты корректно, когда условия испытаний сопоставимы и подробно зафиксированы.

Заключение

Измерение коэффициента трения на трибометре pin-on-disk проводят по силе трения и нормальной нагрузке, а износ оценивают отдельно по следу или дорожке и, при возможности, по объему потерянного материала. Для обоснованного сравнения нужны одинаковые условия контакта, непрерывная регистрация трения и документированный способ оценки износа.

Следующий шаг - составить протокол под конкретную пару материалов: задать нагрузку, скорость, путь скольжения, температуру, влажность, контртело и режим смазки, затем определить способы измерения коэффициента и износа. В итоговом отчете укажите стандарт или методические ориентиры и все параметры, необходимые для воспроизведения испытания.