Сопоставимые результаты триботехнических испытаний получают, если выбирать образцы для испытаний и режимы с учетом реального узла трения: его материалов, геометрии контакта, смазки, нагрузки, скорости и температуры. Одной универсальной схемы для всех узлов нет. Для металлических подшипников скольжения применяют ISO 7148-1, для полимерных - ISO 7148-2.
Статья полезна инженерам и техническим специалистам, которые планируют испытания узлов трения, а также закупщикам, участвующим в выборе материалов и организации работ. Разберем, как связать условия эксплуатации со схемой испытания, подготовить образцы для проведения испытаний и зафиксировать параметры, от которых зависит сопоставимость результатов.
Как выбрать схему триботехнических испытаний
Подбор режимов испытаний начинают с описания узла, который предстоит оценить.
Для подшипника скольжения нужно определить материал подшипника и контртела, условия смазки и предполагаемый режим контакта. После этого выбирают стандарт и схему испытания. Если взять установку и режим без связи с механизмом износа, измеренные значения могут не отражать поведение материала в рабочем узле.
Для металлических материалов подшипников скольжения применяют ISO 7148-1. Стандарт предусматривает схемы pin-on-disc, block-on-ring и rotation under thrust load. Выбор между ними зависит от того, какой контакт и характер движения требуется воспроизвести. ISO 7148-1 предназначен для сравнения трения и износа сочетаний «материал - контртело - смазка», в том числе в условиях граничной смазки и низких скоростей.
Для полимерных материалов подшипников скольжения используют ISO 7148-2:2012. Испытания проводят при заданных нагрузке, скорости скольжения и температуре, со смазкой или без нее. Такая схема позволяет получать воспроизводимые значения трения и износа при условиях, соответствующих сухому контакту или граничной смазке.
При выборе методики полезно ответить на три вопроса:
- Какой материал оценивают: металлический или полимерный?
- Как устроен контакт в реальном узле и какое движение нужно воспроизвести?
- Требуется сравнить трение и износ при заданном режиме или определить предельно допустимые нагрузку и скорость?
ГОСТ 23.223-85 рассматривает определение предельно допустимых нагрузок и скоростей скольжения для материалов, взаимодействующих с волокнистой массой. Испытания проводят при ряде заданных значений давления прижима и скорости. Это пример того, почему стандарт выбирают под конкретную задачу, а не только по названию материала. Для образцов для испытаний важно заранее определить, какие результаты нужны: коэффициент трения, износ или граница работоспособности.
Образцы для испытаний: геометрия и подготовка поверхности
Форма и размеры образца должны соответствовать выбранной схеме и требованиям применяемой методики.
Для ISO 7148-1:2012 приведены типовые размеры: диск диаметром 40-110 мм и шириной 8-12 мм, кольцо с наружным диаметром 40-80 мм, штифт диаметром 3-10 мм, блок с сечением 5-10 мм. Эти значения относятся к образцам для соответствующих испытательных схем и не заменяют проверку требований конкретной методики.
Перед испытанием нужно согласовать геометрию образца и контртела, а также начальное состояние поверхностей. ISO 7148-1 предусматривает контроль начальной шероховатости поверхности. Для сопоставимости результатов также фиксируют способ очистки и условия смазки. Если эти параметры меняются от серии к серии, различия результатов могут быть связаны не только с материалом или режимом.
Для подготовки протокола отбора образцов для испытаний укажите:
- материал образца и контртела;
- геометрию и размеры обеих деталей;
- состояние и начальную шероховатость поверхностей;
- способ очистки перед испытанием;
- условия смазки: смазка присутствует или контакт сухой;
- количество образцов и порядок их испытания, если это задано программой работ.
Само обозначение «образец для испытаний по ГОСТ» недостаточно, чтобы определить подходящую форму или подготовку. Сначала нужно установить, какой стандарт и какая схема применяются. Например, ISO 7148-1 и ISO 7148-2 относятся к разным группам подшипниковых материалов. Не следует переносить геометрию металлического образца на полимерный материал без проверки требований соответствующей части стандарта.
Если оценивают влияние графитового наполнителя на трибологические характеристики, состав образца тоже фиксируют в программе испытаний. EFELE Графитовая смазка подходит как образец для изучения поведения графита в составе пластичной смазки. Это отдельная задача по сравнению с оценкой материала подшипника: в протоколе нужно явно обозначить, какой именно материал или состав сравнивают и в каких условиях смазки проводят испытания.
Подбор режимов испытаний: нагрузка, скорость и температура
Рабочую программу удобно строить вокруг триады «нагрузка - скорость - температура».
Именно эти параметры определяют режим контакта и должны быть заданы для сопоставления результатов. В документации по триботехническим испытаниям также предусматривают регистрацию средней температуры поверхности трения, силы или момента трения, пути трения, а при соответствующем оборудовании - давления в вакуумной камере, состава газовой среды и технического ресурса.
Номинальную нагрузку рассчитывают по номинальной площади контакта образцов, исходя из расчетного номинального давления. В описанной методике отклонение номинальной нагрузки от заданной не должно превышать 3%. Поэтому в задании на испытания стоит отдельно указать допустимое отклонение и способ контроля нагрузки. Без этого нельзя уверенно сопоставить результаты двух серий.
Режим нагружения зависит от цели испытания. В ГОСТ 23.224-86 образцы приводят в контакт и прикладывают заданную нагрузку. Для одного из режимов стандарт задает непрерывное увеличение нагрузки со скоростью, при которой расчетное давление растет на 0,3 МПа/с. ГОСТ 23.223-85, в свою очередь, предусматривает испытания при ряде значений давления прижима и скорости скольжения. Такие подходы позволяют оценивать материал не в одной произвольно выбранной точке, а в диапазоне режимов.
Для антифрикционных порошковых материалов в источнике указан диапазон силы прижатия образца к контробразцу 100-1000 Н. При этом оценивают зависимость износа и силы трения от скорости скольжения и силы нагружения. Этот диапазон относится к конкретной методике и материалам; использовать его как универсальную настройку для других узлов нельзя.
В программу испытаний внесите исходные и изменяемые параметры:
- заданную и фактическую нагрузку;
- скорость скольжения;
- температуру испытания и смазки, если она применяется;
- путь трения;
- последовательность ступеней нагрузки и скорости;
- показатели, которые будут регистрировать на каждой ступени.
Такой подбор режимов помогает понять, где меняются сила трения и износ, и при каких условиях материал приближается к предельной нагрузке или скорости.
Какие показатели регистрировать и как сравнивать результаты
Измерение одного коэффициента трения не дает полного представления о работе материала.
При триботехнических испытаниях контролируют нагрузку, температуру, скорость скольжения, силу или момент трения, путь трения и технический ресурс. Для ряда испытаний также важны средняя температура поверхности трения, давление в вакуумной камере и состав газовой среды. Выбор показателей зависит от задачи и возможностей установки.
Для ISO 7148-1 существенны нормальная сила, температура смазки, путь и скорость скольжения, начальная шероховатость и коэффициент перекрытия. Условия следует записать до начала серии: одинаковое сочетание материала, контртела и смазки должно испытываться при заранее определенном режиме. Если меняется один параметр, например скорость, остальные условия должны оставаться зафиксированными, чтобы результат можно было интерпретировать.
Сравнивая серии, разделяйте измеряемые величины и выводы. Сила трения и износ - результаты наблюдений; предельно допустимые нагрузка и скорость - характеристики, которые требуют соответствующей методики. ГОСТ 23.223-85 направлен на определение предельно допустимых нагрузок и скоростей скольжения при взаимодействии с волокнистой массой. Поэтому нельзя считать единичное измерение коэффициента трения подтверждением работоспособности материала во всем диапазоне нагрузок.
Для протокола сравнения пригоден такой перечень:
- идентификация образца и контртела;
- стандарт и схема контакта;
- начальная шероховатость и подготовка поверхностей;
- нагрузка, скорость, температура и путь трения;
- наличие или отсутствие смазки;
- зарегистрированные сила или момент трения и износ;
- отклонения от заданных условий и наблюдения во время испытания.
Если образец испытан только при одном режиме, выводы должны относиться именно к этой точке. Для оценки изменения свойств при нагрузке и скорости нужны серии измерений с заданными ступенями. В стандартах встречаются как постоянные, так и нарастающие режимы, поэтому программу выбирают исходя из цели: сравнить материалы при фиксированных условиях или определить границы допустимой работы.
Выбор образца и покрытия под задачу испытания
Подготовка испытаний начинается не с подбора максимальной нагрузки, а с формулировки вопроса, на который должен ответить эксперимент.
Для сравнения сочетаний «материал - контртело - смазка» выбирают условия, соответствующие работе узла. Для определения предельной работоспособности задают ряд нагрузок или скоростей и регистрируют, как меняются сила трения и износ.
Когда предмет исследования - антифрикционное покрытие, следует заранее определить, как его оценивают: отдельно как покрытие на образце или как часть контактной пары. Результат зависит от режима и условий контакта, поэтому материал основания, контртело и подготовку поверхности нужно фиксировать вместе с параметрами испытания.
Совет инженера
Сценарий: требуется сопоставить поведение образцов с антифрикционным покрытием при повышенных нагрузках и температурах. Подход: задают схему контакта, нагрузку, скорость и температурные условия, а затем регистрируют силу трения и износ. Для такого сценария в перечне рассматриваемых материалов есть MODENGY 1001: покрытие обеспечивает стабильное снижение трения в широком диапазоне температур. Итог: выводы относятся к испытанному сочетанию покрытия, контртела и режима, а не автоматически ко всем конструкциям узла.
При оценке графитовых наполнителей важно отделить влияние самого состава от влияния режима испытаний. Для этого образцы сравнивают при одинаковых нагрузке, скорости, температуре и условиях смазки. Образцы для проведения испытаний должны иметь идентичную подготовку, иначе отличия поверхности усложнят интерпретацию результата.
Когда выбирать
- Нужно оценить трение и износ металлического подшипникового материала: рассматривают ISO 7148-1.
- Испытывают полимерный материал подшипника: применяют ISO 7148-2:2012.
- Требуется исследовать поведение графита в пластичной смазке: EFELE Графитовая смазка может служить образцом такого состава.
- Нужно определить предельно допустимые нагрузку и скорость: выбирают методику, которая предусматривает оценку этих пределов, а не только измерение силы трения.
Часто задаваемые вопросы
Как выбрать образец для испытаний узла трения?
Сначала определяют материал подшипника и контртела, геометрию контакта, наличие смазки и характер движения. Затем выбирают соответствующий стандарт и схему испытания. Для металлических подшипниковых материалов применяют ISO 7148-1, для полимерных - ISO 7148-2. Размеры и подготовку образца сверяют с выбранной методикой.
Какие параметры важнее всего при подборе режимов испытаний?
Базовые параметры - нагрузка, скорость скольжения и температура. Для полной оценки также регистрируют силу или момент трения, путь трения и износ. В зависимости от оборудования и задачи учитывают среднюю температуру поверхности, температуру смазки, давление в вакуумной камере и состав газовой среды.
Можно ли использовать один режим для разных материалов?
Универсальный режим не гарантирует корректного сравнения. Стандарты разделяют металлические и полимерные материалы, а схемы контакта и условия смазки влияют на результат. Сначала выбирают методику под материал и работу узла, затем задают общие контролируемые параметры для сравниваемых образцов.
Что указывают при отборе образцов для испытаний?
Фиксируют материал образца и контртела, их геометрию и размеры, начальную шероховатость, способ очистки и условия смазки. Также указывают стандарт и схему контакта. Для сравнения серий важно сохранять одинаковую подготовку и записывать все отклонения от заданного режима.
Заключение
Образцы для испытаний узлов трения подбирают вместе со схемой и режимом контакта. Для этого связывают реальные условия работы узла с материалом подшипника, геометрией образца, нагрузкой, скоростью, температурой и условиями смазки. Соблюдение выбранной методики и фиксация состояния поверхностей помогают получить результаты, которые можно сопоставлять.
Следующий шаг - составить программу испытаний: указать стандарт, геометрию образцов, режимы и регистрируемые показатели. Затем сверить параметры с техническими требованиями выбранной методики и зафиксировать допустимое отклонение нагрузки; в рассмотренной методике оно не должно превышать 3%.
