Измерение коэффициента трения скольжения на трибометре по схеме пин-диск

Измерение коэффициента трения скольжения на трибометре по схеме пин-диск проводят при контролируемом контакте: неподвижный пин или шар прижимается к вращающемуся диску, а прибор регистрирует силу трения при заданной нормальной нагрузке. По результатам оценивают не только трение, но и износ образцов. Такой подход подходит для сравнительных испытаний материалов, смазок, наполнителей и покрытий, но сам по себе не воспроизводит все условия работы промышленного узла.

Статья полезна инженерам, техническим специалистам и закупщикам, которым нужно определить параметры испытания и корректно интерпретировать результаты. Ниже разобраны схема измерения, методика испытаний, расчет коэффициента трения, оценка износа и особенности проверки графитсодержащих материалов.

Как устроен трибометр пин-диск и что он измеряет

В испытании неподвижный пин или шар прижимают к диску, который вращается с заданной скоростью. 

Контакт проходит по круговой дорожке, а датчик регистрирует силу трения. Прибор может непрерывно рассчитывать и записывать коэффициент трения в ходе теста.

Коэффициент трения получают делением силы трения на нормальную силу, прижимающую образец к диску:

Коэффициент трения = сила трения / нормальная сила

Обе силы задаются или регистрируются в ньютонах. Коэффициент трения безразмерный. Для сопоставления материалов важно оценивать не только среднее значение, но и изменение коэффициента во времени: так можно увидеть выход на устойчивый режим и колебания в процессе испытания.

Пин-диск применяют для сравнительного изучения трения, износа и смазочного поведения материалов. Среди ориентиров для таких испытаний в источниках указаны ASTM G99, DIN 50324-07 и ISO 18535. В качестве типовой стандартной силы для схемы pin-on-disk приводится значение около 5 N, а длительность испытаний может составлять от 10 до 100 000 циклов. Эти значения не заменяют программу испытаний: нагрузку и число циклов выбирают с учетом цели исследования.

Методика триботехнических испытаний должна начинаться с формулировки задачи. Сравнение двух покрытий, подбор наполнителя и оценка смазки требуют разных критериев анализа. Одного измерения коэффициента трения недостаточно, если нужно понять, какой материал изнашивается меньше или устойчивее сохраняет свойства в ходе испытания.

Измерение коэффициента силы трения скольжения: параметры испытания

Результат зависит не только от материала образцов. 

На него влияют условия контакта, поэтому в протоколе фиксируют параметры, одинаковые для всех сравниваемых образцов. Иначе различия могут быть связаны с настройками испытания, а не с материалом.

Перед запуском согласуют:

• нормальную нагрузку;

• скорость скольжения;

• радиус дорожки на диске;

• материал контртела;

• среду испытания и температуру;

• число циклов или длительность теста;

• способ оценки и расчета износа.

Для сравнений важно сохранить одинаковыми не только нагрузку и скорость, но и геометрию контакта, материал контртела и условия окружающей среды. Это особенно важно, когда проверяют образцы с разной структурой или покрытием: сопоставимость обеспечивают заданные условия, а не одно только наличие стандарта.

Измерение коэффициента трения скольжения в лабораторной работе может включать регистрацию показаний в течение всего теста, а не только фиксацию итогового среднего значения. По временной кривой оценивают, насколько быстро устанавливается устойчивый режим и как сильно меняется трение. Для сравнения полезно указывать разброс значений и описывать состояние дорожки после испытания.

Если задача связана со смазочными материалами, ГОСТ 33252-2015 может служить дополнительным ориентиром: он регламентирует определение коэффициента трения, износоустойчивости и противозадирных характеристик на машине SRV. Это не стандарт пин-диск испытания, поэтому результаты SRV и пин-диск нельзя считать взаимозаменяемыми без оговорок о методе и условиях.

Как оценить интенсивность изнашивания после испытания

После теста оценивают геометрию следа износа. 

На диске измеряют дорожку, а на шарике или пине - диаметр пятна износа. По полученным данным рассчитывают объемный или удельный износ. Для оценки износа пина со сферическим концом может использоваться диаметр кругового следа.

В отчете полезно указывать не только итоговую оценку изнашивания, но и сам измеренный параметр: геометрию дорожки, диаметр пятна и использованный способ расчета. Это позволяет проверить, на чем основан вывод о стойкости материала. Также фиксируют коэффициент трения, условия испытания и температуру в зоне контакта, если прибор позволяет ее измерять.

Низкий коэффициент трения не обязательно означает низкий износ. Материалы с близкими значениями коэффициента могут отличаться по интенсивности изнашивания и механизму повреждения. Поэтому интерпретация только одного показателя может привести к неверному выбору материала.

Интенсивность изнашивания в испытании рассматривают вместе с поведением трения на протяжении заданного числа циклов. Если среднее значение выглядит благоприятно, но коэффициент заметно колеблется или быстро меняется, это стоит отразить в выводах. Для скрининга материалов также полезно описать морфологию следа: она помогает сопоставить численные показатели с характером повреждения поверхности.

Графит: антифрикционные характеристики и влияние среды

Графит используют как твердый смазочный материал: его базисные плоскости легко сдвигаются относительно друг друга. 

Однако результат испытания зависит от условий среды и влажности. По данным обзора, графит смазывает при наличии влаги, а в вакууме его смазывающий эффект резко ухудшается.

Для графита приводится коэффициент трения около 0,1 при температуре ниже 100 °C. В обзоре также отмечена возможность его работы как смазочного материала до 700 °C. Эти значения описывают условия, указанные в конкретном обзоре, и не должны автоматически переноситься на любой графитовый материал или промышленный узел.

В исследовании композитов на основе эпоксидной смолы добавка графита выше 10 мас.% сопровождалась снижением коэффициента трения примерно на 40-50% по сравнению с ненаполненной смолой. В другой работе для импрегнированного графита сообщалось о снижении коэффициента трения на 30% при 20 °C и до 68% при 160 °C относительно неимпрегнированного графита; глубина износа уменьшалась на 75%. Такие результаты относятся к указанным материалам и условиям исследования, а не ко всем графитсодержащим составам.

При сравнении графитовых систем фиксируют влажность и среду, а также проверяют концентрацию наполнителя. Заметный эффект в источниках наблюдался при содержании графита от 10 мас.%, однако оптимальное значение зависит от матрицы и условий испытания. Кроме среднего коэффициента, полезно сопоставить стабильность трения и геометрию следа износа.

Как провести сопоставимое испытание и интерпретировать результат

Сравнительная программа начинается с выбора цели: оценить материал, смазку, наполнитель, покрытие или партию. 

Затем фиксируют условия контакта и критерии анализа. Для всех образцов сохраняют одинаковые нагрузку, скорость, радиус дорожки, контртело, среду, температуру, число циклов и способ расчета износа.

В протоколе указывают исходные настройки, кривую коэффициента трения, выбранное итоговое значение и данные об износе. Если прибор измеряет температуру в зоне контакта, ее также включают в отчет. При интерпретации отделяют результаты конкретного лабораторного теста от прогноза поведения детали: пин-диск не воспроизводит автоматически ударные нагрузки, загрязнения и сложную кинематику реального узла.

Совет инженера

• Сценарий: нужно сравнить поведение материала без покрытия и с антифрикционным твердым смазочным покрытием в условиях граничного трения.

• Что сравнивают: образцы с покрытием MODENGY 1001 и без него при одинаковых параметрах пин-диск испытания; оценивают коэффициент трения и износ.

• Итог: такое испытание позволяет проверить эффект покрытия на выбранной паре материалов. Применение MODENGY 1001, как и других антифрикционных твердых смазочных покрытий, позволяет значительно снизить коэффициент трения и интенсивность изнашивания в узлах, работающих в условиях граничного трения.

Полученные лабораторные данные используют для сравнения вариантов, но не как универсальную характеристику материала вне заданных условий. Перед переносом результата на узел проверяют, насколько лабораторная схема соответствует его материалам, режиму контакта и среде эксплуатации.

Часто задаваемые вопросы

Как измеряют коэффициент трения скольжения на трибометре?

Трибометр регистрирует силу трения между неподвижным пином или шаром и вращающимся диском. Коэффициент получают как отношение силы трения к нормальной силе. Во время теста прибор может записывать изменение показателя, чтобы оценить выход на устойчивый режим и его стабильность.

Как измерение коэффициентов трения скольжения брусков связано со схемой пин-диск?

Это разные схемы контакта. В пин-диск неподвижный пин или шар скользит по вращающемуся диску, а геометрия контакта и контртело влияют на результат. Показатели испытаний брусков нельзя напрямую сопоставлять с пин-диск данными без согласования геометрии, нагрузки, материала и метода оценки износа.

Достаточно ли измерить только коэффициент трения?

Нет, одного коэффициента недостаточно для полной оценки трибологических свойств. Материалы с близким коэффициентом могут отличаться по интенсивности изнашивания и механизму повреждения. Поэтому вместе с трением анализируют геометрию дорожки или пятна износа, а также стабильность показаний в ходе испытания.

Можно ли считать пин-диск испытание точной копией работы промышленного узла?

Нет. Пин-диск подходит для лабораторного сравнения материалов при контролируемом скольжении, но не воспроизводит автоматически сложную кинематику, загрязнения и ударные нагрузки промышленного узла. Результаты используют как сравнительные данные, учитывая условия конкретного испытания и отличия от эксплуатации.

Заключение

Измерение коэффициента трения скольжения по схеме пин-диск дает сравнительную оценку поведения материалов при заданной нагрузке и контролируемом скольжении. Для содержательного вывода вместе с коэффициентом анализируют износ, параметры теста и стабильность трения. При испытании графита отдельно учитывают влажность, температуру и среду.

Следующий шаг - составить протокол с неизменными условиями для сравниваемых образцов: задать нагрузку, скорость, радиус дорожки, контртело, среду, температуру и число циклов. Затем сопоставить коэффициент трения с геометрией следа и расчетом износа, а лабораторный результат трактовать в пределах условий проведенного теста.