Измерение коэффициента трения и износа на трибометре по схеме пин-диск

Измерение коэффициента трения на трибометре с геометрией пин-диск позволяет оценить трение и износ пары материалов в заданных условиях. Неподвижный пин или шар прижимают к вращающемуся диску, измеряют тангенциальную силу, а коэффициент рассчитывают как отношение этой силы к нормальной нагрузке. Износ определяют отдельно: по профилю дорожки либо по потере материала.

Методика полезна инженерам и специалистам лабораторий, которые сравнивают материалы, покрытия и смазочные условия. Чтобы корректно прочитать результаты, важно фиксировать параметры испытания, отслеживать изменение трения во времени и не подменять оценку износа одним значением коэффициента. Ниже разобраны схема измерения, расчет, проведение испытания и оформление результатов.

Как устроен трибометр пин-диск и что он измеряет

В испытании пин-диск образец-пин остается неподвижным, а диск вращается. 

Между ними возникает контакт под заданной нормальной нагрузкой. При вращении система регистрирует тангенциальную силу, возникающую из-за сопротивления скольжению. По этим данным оценивают коэффициент трения, а после испытания исследуют след износа на поверхности.

Для расчета используют отношение тангенциальной силы к нормальной нагрузке. Если обозначить коэффициент трения буквой μ, тангенциальную силу буквой Fт, а нормальную нагрузку буквой Fн, формула выглядит так: μ = Fт / Fн. Например, при тангенциальной силе 1 Н и нагрузке 5 Н расчетное значение коэффициента составит 0,2. Это пример вычисления, а не заданный режим испытания.

Коэффициент трения не имеет единицы измерения: в числителе и знаменателе стоят силы, выраженные в одинаковых единицах, поэтому при делении они сокращаются. Силу указывают в ньютонах (Н), а коэффициент записывают как безразмерную величину. Поэтому формулировки «единица измерения коэффициента трения» и «единица измерения силы трения» относятся к разным параметрам: сила измеряется, а коэффициент рассчитывается.

В одном из описаний испытаний пин-диск приведен фиксированный режим с силой порядка 5 Н и непрерывной регистрацией трения по ходу теста. Это значение нельзя автоматически считать обязательным для любого прибора или материала. Нагрузку выбирают под задачу и указывают в протоколе вместе с другими условиями.

Методика подходит для сравнительной оценки пар трения, но результат относится именно к испытанному сочетанию материалов и условий. Значение, полученное для одной пары при конкретной нагрузке, скорости и среде, не описывает поведение материала во всех возможных применениях.

Методика измерения коэффициента трения скольжения

Перед испытанием задают параметры, которые определяют контакт и движение образцов. 

Для воспроизводимого сравнения важно сохранять одинаковыми нормальную нагрузку, скорость скольжения, длину пути, материал пина и диска, а также среду испытания. Если при сравнении материалов одновременно менять несколько условий, будет сложнее установить причину различий.

Порядок проведения

• Подготовить пин и диск, зафиксировать их материалы и состояние поверхностей.

• Установить образцы в трибометр и задать нормальную нагрузку.

• Указать скорость скольжения, длину пути и условия среды, включая влажность, если она значима для материала.

• Запустить испытание и регистрировать тангенциальную силу в течение теста.

• Рассчитать коэффициент трения по отношению тангенциальной силы к нормальной нагрузке.

• После завершения оценить дорожку износа или потерю материала.

Для интерпретации важна не только итоговая величина. В начале испытания может наблюдаться стадия приработки, затем трение может стабилизироваться или продолжать меняться. Поэтому полезно показывать временную зависимость коэффициента, а среднее значение приводить вместе с описанием выбранного участка кривой. Без такой информации одно число не раскрывает, как развивался контакт.

Если нужно сравнить несколько материалов, сначала проводят тесты в одинаковом режиме и изменяют только один фактор за раз. Например, сравнивают образцы при одних нагрузке, скорости, пути и среде. Такой подход помогает отделить влияние материала от влияния условий испытания.

Выражение «измерение коэффициента силы трения» не вполне точно описывает процедуру: прибор измеряет тангенциальную силу, а коэффициент получают расчетом. Так же устроено измерение коэффициента трения скольжения в лабораторной работе. Однако результаты испытания брусков нельзя напрямую переносить на пин-диск: различаются геометрия контакта и условия движения, поэтому для сопоставления необходимы одинаковые схемы и режимы.

Как оценить интенсивность изнашивания в испытании

Коэффициент трения и износ связаны с поведением пары трения, но это разные результаты испытания. 

Низкое значение коэффициента само по себе не доказывает, что материал изнашивается мало. Поэтому износ измеряют отдельно и описывают количественно, а не только словами «меньше» или «больше».

В схеме пин-диск после испытания исследуют дорожку износа. Для оценки используют ее ширину и глубину, а также потерю материала образца. По этим данным определяют объемный износ или удельную скорость изнашивания. В профильных описаниях для удельной скорости указывают единицы mm³/N/m: объем износа нормируют на приложенную нагрузку и путь скольжения.

Расчет можно записать словами: удельная скорость изнашивания равна объему изношенного материала, деленному на произведение нормальной нагрузки и пути скольжения. Объем износа выражают в кубических миллиметрах, нагрузку - в ньютонах, путь - в метрах. При таком представлении можно сравнивать результаты, полученные при разных нагрузках и длинах пути, если корректно определен объем износа и указаны условия теста.

Результаты по дорожке и по потере материала не следует смешивать без пояснений: в отчете нужно обозначить, каким способом оценивали износ. Если измеряли профиль, укажите, что оценивалась геометрия дорожки. Если фиксировали потерю материала, приведите соответствующий результат и метод оценки. В доступных описаниях пин-диск испытаний встречаются оба подхода.

Для содержательного сравнения одной цифры удельного износа также недостаточно. В отчете указывают нагрузку, скорость, путь, материалы образцов и среду. Эти параметры помогают понять, к каким условиям относится результат, и не дают принять различие режимов за различие материалов.

Какие условия фиксировать в протоколе испытания

Методика триботехнических испытаний должна описывать не только устройство установки, но и режим, в котором получен результат. 

На коэффициент трения и износ влияют нагрузка, скорость, длина пути, геометрия контакта, материал контртела и среда. Поэтому протокол без этих сведений ограничивает возможность повторить тест или корректно сравнить данные разных лабораторий.

В качестве документов по пин-диск испытаниям в профильных материалах упоминаются ASTM G99-05, ISO 18535 и DIN 50324-07. ASTM G99 также приводится как базовый стандарт для испытаний на износ по схеме pin-on-disk. При этом ссылки на стандарт недостаточно, чтобы считать любые два результата сопоставимыми: необходимо сверить конкретные условия и параметры проведенных испытаний.

В протоколе целесообразно указывать:

• схему контакта и геометрию образцов;

• материал пина и диска;

• нормальную нагрузку, скорость скольжения и путь;

• среду испытания и температуру, если она задавалась;

• динамику тангенциальной силы или коэффициента во времени;

• среднее значение и способ его расчета;

• способ оценки износа и полученный объемный либо удельный показатель;

• использованный стандарт и любые отклонения от выбранного режима.

Стандарты задают основу процедуры, но при сравнении материалов важно следить, чтобы испытания отличались только тем фактором, который исследуют. Если требуется оценить влияние покрытия, остальные условия оставляют одинаковыми. Если изучают влияние влажности, фиксируют остальные параметры и отдельно описывают атмосферу испытания.

Для смазки или покрытия лабораторный режим должен соответствовать предполагаемой области применения. Если в эксплуатации ожидаются сухое трение, граничная смазка, повышенная температура или влажность, это учитывают при постановке теста. Иначе измерение будет корректным для лабораторного режима, но не обязательно показательным для конкретного узла.

Графит: антифрикционные характеристики и влияние среды

Графит используют как твердую смазку, однако его антифрикционные характеристики зависят от условий контакта. 

В обзорных материалах отмечено, что графит особенно эффективно работает при наличии влаги, а в вакууме его смазывающая способность заметно ухудшается. Поэтому при испытании графитсодержащего материала необходимо фиксировать влажность и атмосферу, а при сравнении образцов поддерживать одинаковые условия среды.

Для графита приводятся ориентировочные значения коэффициента трения около 0,1 при температуре ниже 100 °C. В диапазоне до 230 °C коэффициент может изменяться примерно от 0,1 до 0,4; в обзоре это связывают с десорбцией воды. Также указывается, что графит при подходящих условиях среды может работать как смазка примерно до 700 °C. Эти ориентиры нельзя переносить на любой графитовый материал без учета состава, контакта и атмосферы.

Содержание графита тоже не гарантирует линейного улучшения свойств. В обзоре по медно-графитовым композитам отмечена зона хороших трибологических свойств около 3 мас.% графита. Этот результат относится к рассмотренным медным композитам, а не ко всем материалам с графитовым наполнителем. При подборе состава нужно оценивать результаты конкретной пары трения, а не исходить из правила «чем больше графита, тем лучше».

Совет инженера

Сценарий: при сравнительном анализе графитсодержащих материалов нужно сопоставить не только коэффициент трения, но и износ в одинаковой среде. Что сделали: в перечень образцов для лабораторной оценки можно включить антифрикционное твердосмазочное покрытие MODENGY 1001, содержащее графит и дисульфид молибдена. Итог: его сравнивают с другими вариантами по динамике трения и показателям износа при одинаковых нагрузке, скорости, пути и влажности, не перенося на испытание свойства графита из других условий.

Как интерпретировать и представлять результаты

Сначала проверяют, что коэффициент рассчитан как отношение тангенциальной силы к нормальной нагрузке и обе силы выражены в одинаковых единицах. 

Сам коэффициент безразмерный. Затем оценивают форму зависимости от времени: видны ли приработка и стабилизация, меняется ли показатель в ходе теста. Среднее значение полезно, но без графика или описания динамики оно не показывает характер трения.

После этого рассматривают износ как отдельный результат. Для дорожки приводят использованный способ оценки, а для объемного износа или удельной скорости указывают единицы и параметры нормирования. Если коэффициент низкий, а износ высокий, эти результаты не противоречат друг другу: они описывают разные характеристики пары трения. Вывод о пригодности материала делают по совокупности показателей и с учетом условий применения.

При сравнении данных разных лабораторий проверяют совпадение схемы и ключевых параметров. Даже одинаковые материалы могут показать разные результаты при изменении нагрузки, скорости, пути, контртела или климата. Для сравнения графитсодержащих образцов дополнительно сверяют влажность и атмосферу, поскольку среда влияет на смазывающую способность графита.

Отчет должен позволять восстановить логику испытания: что испытывали, в каком режиме, как регистрировали силу и как определяли износ. Если использовали ASTM G99-05, ISO 18535 или DIN 50324-07, указывают конкретный документ и отмечают отклонения от процедуры, если они были. Так инженер может оценить применимость результата, а закупщик - сопоставить технические данные материалов без опоры на одну цифру.

Часто задаваемые вопросы

В чем измеряется коэффициент трения?

Коэффициент трения не имеет единицы измерения. Его рассчитывают как отношение тангенциальной силы к нормальной нагрузке, выраженным в одинаковых единицах, например в ньютонах. Сама сила трения измеряется в ньютонах, а полученный коэффициент записывают как безразмерное число.

Как выполняют измерение коэффициента трения скольжения на пин-диск трибометре?

Неподвижный пин или шар прижимают к вращающемуся диску с заданной нормальной нагрузкой. Прибор регистрирует тангенциальную силу по ходу испытания, затем ее делят на нормальную нагрузку. Для интерпретации фиксируют режим теста и рассматривают динамику коэффициента, а не только среднее значение.

Как определить интенсивность изнашивания?

После испытания оценивают профиль дорожки либо потерю материала образца. Для сравнения результатов используют объемный износ или удельную скорость изнашивания, нормированную на нагрузку и путь скольжения. В качестве единиц удельной скорости в профильных материалах приводятся mm³/N/m; способ оценки износа нужно указывать в отчете.

Можно ли сравнивать результаты пин-диск испытания с измерением трения брусков?

Напрямую переносить такие результаты нельзя: схемы контакта и условия движения различаются. Сравнение корректно, если совпадают метод и ключевые параметры испытания. Для интерпретации результатов измерения коэффициентов трения скольжения брусков отдельно указывают геометрию образцов и режим, не выдавая их за данные пин-диск теста.

Заключение

Измерение коэффициента трения на трибометре пин-диск строится на регистрации тангенциальной силы и ее отношении к нормальной нагрузке. Интенсивность изнашивания оценивают отдельно, по профилю дорожки или потере материала, а результаты сопоставляют только при известных условиях испытания. Для графитсодержащих материалов особенно важно фиксировать влажность и атмосферу.

Перед испытанием задайте нагрузку, скорость, путь, материалы образцов и среду, затем определите способ оценки износа и формат отчета. После теста представьте динамику коэффициента, среднее значение и количественные данные по износу. Такой протокол даст технической команде основу для воспроизводимого сравнения материалов и выбора режима, близкого к условиям эксплуатации.