Измерение коэффициента трения на трибометре с pin-on-disk схемой позволяет сравнить поведение материалов или смазочных материалов в заданных условиях контакта. В ходе испытания неподвижный образец прижимают к вращающемуся диску, регистрируют силу трения и рассчитывают коэффициент трения. После теста оценивают износ по следу на поверхности и убыли материала.
Методика полезна инженерам и техническим специалистам, которым нужно сопоставить варианты материалов, покрытий или смазки, а также снабженцам, участвующим в выборе решений для узлов трения. Результат имеет смысл только вместе с условиями испытания: нагрузкой, скоростью, температурой, средой, состоянием поверхностей и наличием смазки. Ниже разобраны схема теста, порядок измерений, расчет показателей и требования к сопоставимости результатов.
Как устроен трибометр pin-on-disk и что он измеряет
В схеме pin-on-disk неподвижный образец типа pin или ball контактирует с диском, который вращается с заданной скоростью.
На образец действует нормальная нагрузка, а прибор регистрирует силу трения или рассчитываемый по ней коэффициент трения. После завершения теста изучают след износа и убыль материала. В типичную оценку также могут входить износ, объем износа и температура.
Коэффициент трения получают как отношение силы трения к нормальной нагрузке. Сам коэффициент безразмерный: единицей измерения служит не ньютон, а значение отношения двух сил. Сила трения, в отличие от коэффициента, измеряется в ньютонах. Поэтому при «измерении коэффициента силы трения» важно различать первично регистрируемую величину и расчетный показатель.
Для одной из базовых конфигураций трибометра в техническом описании приведена нормальная сила около 5 Н. Это пример настройки, а не универсальное требование: подходящую нагрузку выбирают с учетом материала, контактной пары и задачи испытания. Результат также зависит от скорости скольжения, температуры, среды, шероховатости поверхностей и наличия смазки.
Pin-on-disk применяют для сравнительной оценки материалов и смазочных материалов в сухом и смазанном режимах. Но одинаковое устройство не гарантирует одинаковый результат, если различаются условия контакта или подготовка образцов. Для испытаний, связанных с подшипниками скольжения, могут быть уместны отдельные стандарты: ISO 7148-1:2012 для металлических материалов и ISO 7148-2:2012 для полимерных.
Методика триботехнических испытаний: подготовка и проведение
До начала испытания определяют задачу: сравнить материалы, покрытие или смазочный режим либо оценить поведение конкретной пары трения.
Pin-on-disk дает контролируемые лабораторные условия, но не заменяет испытание детали в рабочей геометрии. Поэтому сначала фиксируют, какие параметры нужно сопоставить и насколько лабораторная схема соответствует реальному контакту.
Для корректного сравнения в протоколе заранее указывают условия, влияющие на результат:
- материал образца и контртела;
- нормальную нагрузку и скорость скольжения;
- температуру и окружающую среду;
- состояние и шероховатость поверхностей;
- наличие смазки и режим ее подачи;
- стандарт и способ оценки износа.
Затем образец устанавливают в держатель, создают заданную нагрузку и запускают движение диска. В ходе теста регистрируют силу трения или коэффициент трения. После остановки оценивают след износа и убыль материала выбранным способом. Важно сохранять одинаковые условия для всех сравниваемых образцов: иначе различия в результатах могут объясняться не свойствами материала, а изменением режима испытания.
Для pin-on-disk в материалах по методике упоминаются ASTM G99, DIN 50324-07 и ISO 18535. В российской нормативной базе ГОСТ 27640-88 описывает методы экспериментальной оценки коэффициента трения для конструкционных и смазочных материалов, а ГОСТ 27674-88 содержит терминологию по трению, изнашиванию и смазке. Для антифрикционных порошковых материалов триботехнические свойства определяют по ГОСТ 26614-85.
Выбор стандарта зависит от объекта испытания и требуемой оценки. Не следует смешивать общую схему пин-диск с методиками, разработанными для конкретных материалов или узлов. Если исследуют материалы подшипников скольжения, отдельно рассматривают область применения ISO 7148-1:2012 или ISO 7148-2:2012.
Измерение коэффициента трения скольжения и анализ результата
При скольжении датчик регистрирует силу трения, а коэффициент рассчитывают с учетом приложенной нормальной нагрузки.
Если прибор выводит коэффициент автоматически, в протоколе все равно фиксируют исходные условия измерения. Это помогает проверить, сопоставимы ли результаты и можно ли связать их с изменением материала или режима.
В отчете полезно показывать не только итоговое значение, но и ход испытания. Коэффициент трения может изменяться по мере прохождения диском заданного пути, поэтому одна итоговая цифра не всегда описывает поведение пары. Рядом указывают нагрузку, скорость, температуру, состояние поверхностей и наличие смазки. При сравнении результатов разных лабораторий должны совпадать схема, стандарт, условия и способ оценки износа.
Коэффициент трения не имеет единицы измерения, так как представляет отношение силы трения к нормальной нагрузке. Силу трения выражают в ньютонах. Это различие важно при чтении отчета и при поиске «единицы измерения коэффициента трения»: единица относится к измеряемой силе, но не к самому коэффициенту.
Для порошковых антифрикционных материалов ГОСТ 26614-85 предусматривает испытания при ограниченной подаче смазки, в том числе оценку зависимости силы трения и износа от нагрузки и скорости скольжения. Стандарт предписывает принимать за результат среднее арифметическое значений не менее чем по 3 образцам. Такой подход уменьшает зависимость вывода от результата одного теста и дает основу для сравнения серий.
При интерпретации результатов важно не объявлять материал предпочтительным только из-за низкого коэффициента. Низкое трение само по себе не подтверждает малый износ: эти показатели описывают разные характеристики контакта. Поэтому измерение коэффициента трения скольжения рассматривают вместе с данными об износе.
Интенсивность изнашивания: что оценивать после испытания
По терминологии ГОСТ 27674-88 износ оценивают через изменение массы, размеров, содержание металла в масле или другие параметры, связанные с разрушением поверхности.
Скорость изнашивания описывает износ за время, а интенсивность изнашивания соотносит износ с путем трения или объемом выполненной работы. Это разные характеристики, поэтому в протоколе нужно указывать, какой именно показатель рассчитан и на основе каких измерений.
После теста на трибометре анализируют след износа и убыль материала. Для оценки могут использовать линейный, массовый или объемный показатель, если выбранный способ подходит материалу и методике. Важно не подменять одно значение другим: геометрия следа, потеря массы и объем материала характеризуют износ по-разному.
В ГОСТ 26614-85 приведены пороговые признаки завершения испытания: суммарный линейный износ образца и контробразца более 30 мкм и/или сила трения более 50 Н. Эти значения относятся к указанной методике определения свойств антифрикционных порошковых материалов, а не являются общим критерием окончания любого испытания pin-on-disk.
Для анализа износа сопоставляют образцы, испытанные при одинаковых условиях. Если нагрузка, скорость или смазочный режим различались, результат нельзя напрямую объяснять только свойствами материала. При исследовании антифрикционного покрытия, в том числе покрытия на основе графита, коэффициент трения рассматривают вместе с интенсивностью изнашивания: снижение трения не следует автоматически трактовать как повышение износостойкости.
При необходимости спрогнозировать поведение изделия по короткому ряду измерений ГОСТ 23.225-99 допускает применение метода экстраполяции для оценки износа, коэффициента трения, интенсивности изнашивания и температуры в зоне контакта. Такой прогноз опирается на данные испытаний и не превращает лабораторную схему в точную копию эксплуатации.
Как обеспечить сопоставимость результатов
Сопоставимость начинается с одинаковой постановки опыта.
В протоколе указывают стандарт, конфигурацию контакта, нагрузку, скорость, температуру, среду, состояние поверхностей и наличие смазки. Также фиксируют материал образца и контртела и способ расчета износа. Если один из этих параметров отличается, сравнение требует осторожности.
Для антифрикционных порошковых материалов ГОСТ 26614-85 требует усреднять значения не менее чем по 3 образцам. Это конкретное требование данной методики, а не универсальное правило для всех видов испытаний. В других случаях число повторов определяют применяемой методикой и задачей исследования. В любом отчете полезно отделять среднее значение от результатов отдельных образцов.
При специальных условиях нужны соответствующие режимы испытаний. В рекомендациях по триботехническим испытаниям материалов и покрытий в вакууме упоминается диапазон температур 300…600 К. Эти условия относятся к отдельной области исследований и не должны переноситься на обычный тест без обоснования.
Также учитывают область применения стандарта. ASTM G99, DIN 50324-07 и ISO 18535 относятся к испытаниям по pin-on-disk схеме, а ISO 7148-1:2012 и ISO 7148-2:2012 ориентированы на трибологическое поведение материалов подшипников скольжения. Выбор между ними зависит от объекта оценки и цели работы.
Лабораторное измерение коэффициента трения дает материал для сравнительного анализа, но не гарантирует полного совпадения с эксплуатацией. Если геометрия, нагрузка, движение или среда реального узла отличаются, результат нужно интерпретировать с учетом этих ограничений. Для проверки решения в конкретном механизме может потребоваться испытание в рабочей геометрии.
Часто задаваемые вопросы
Что измеряют на трибометре pin-on-disk?
Во время испытания регистрируют силу трения или коэффициент трения при заданной нормальной нагрузке. После теста оценивают след износа и убыль материала. В зависимости от методики также рассматривают объемный или линейный износ и температуру. Состав отчета определяют схема испытания, выбранный стандарт и задача исследования.
В чем измеряется коэффициент трения?
Коэффициент трения безразмерный, поскольку рассчитывается как отношение силы трения к нормальной нагрузке. Сами силы выражают в ньютонах. Поэтому в отчете важно не путать коэффициент с силой трения: первая величина не имеет единицы измерения, вторая измеряется в Н.
Сколько образцов нужно для оценки по ГОСТ 26614-85?
Для определения триботехнических свойств антифрикционных порошковых материалов ГОСТ 26614-85 предусматривает среднее арифметическое значений не менее чем по 3 образцам. Это требование относится к данной методике. Для другой схемы или материала число образцов следует определять по применяемому стандарту и программе испытаний.
Можно ли сравнивать результаты разных лабораторий напрямую?
Сравнение корректно, если совпадают применяемый стандарт, схема контакта, нагрузка, скорость, температура, материал пары трения и способ оценки износа. Если условия различаются, нельзя уверенно связывать разницу только со свойствами материала. Для интерпретации необходимо сопоставить протоколы испытаний.
Заключение
Измерение коэффициента трения на трибометре pin-on-disk строится на регистрации силы трения при заданной нагрузке и последующей оценке износа. Для содержательного результата недостаточно одного коэффициента: его рассматривают вместе с интенсивностью изнашивания и условиями испытания. Метод подходит для контролируемого сравнения, но не полностью заменяет проверку в рабочей геометрии узла.
Следующий шаг для лаборатории или инженерной службы - выбрать стандарт по материалу и задаче, затем зафиксировать параметры контакта и способ оценки износа до начала теста. В отчете следует привести условия испытания, результаты по образцам и среднее значение там, где это предусматривает методика.
