Измерение коэффициента трения скольжения на трибометре по схеме пин-диск

Измерение коэффициента трения скольжения на трибометре по схеме пин-диск проводят при заданной нормальной нагрузке: образец-пин прижимают к диску, который движется относительно него по круговой траектории. Прибор регистрирует силу трения, а коэффициент рассчитывают как отношение этой силы к нормальной нагрузке. Износ оценивают отдельно: по размерам дорожки, потере массы или объема материала.

Методика полезна инженерам и техническим специалистам, которые сравнивают материалы, покрытия или смазочные условия, а также закупщикам, оценивающим результаты лабораторных испытаний. В статье разобраны выбор режима, порядок измерений, расчет интенсивности изнашивания и правила, которые помогают корректно сопоставлять результаты. Отдельно рассмотрены применимость стандартов и ограничения метода.

Как устроено измерение коэффициента трения скольжения по схеме пин-диск

В испытании пин-диск образец в форме пина или шарика контактирует с диском и движется по его поверхности по окружности. 

На образец воздействует заданная нормальная нагрузка. Трибометр измеряет нормальную силу и силу трения, а результаты могут записываться на протяжении испытания. Такая запись позволяет увидеть изменение трения по мере движения, а не только получить одно среднее значение.

Коэффициент трения обозначают греческой буквой мю и определяют формулой: коэффициент трения = сила трения / нормальная нагрузка. Сила трения и нагрузка должны быть выражены в одинаковых единицах, например в ньютонах. Коэффициент безразмерный. Поэтому при измерении коэффициента силы трения важно различать измеряемую прибором силу и рассчитываемый по ней коэффициент.

Среднее значение удобно для краткого сравнения образцов, но оно не описывает полностью ход испытания. Коэффициент может меняться во времени, поэтому анализируют также кривую трения. Ее рассматривают вместе с данными об износе и характеристиками дорожки. Одной силы трения недостаточно, чтобы оценить износостойкость материала.

Геометрия пина, траектория на диске и способ крепления образцов относятся к условиям контактной схемы. Их фиксируют в протоколе наряду с нагрузкой и скоростью. Если требуется измерение коэффициентов трения скольжения брусков, это уже другая геометрия контакта; такие результаты нельзя автоматически считать сопоставимыми с испытанием пин-диск.

Методика триботехнических испытаний: параметры и подготовка

До запуска трибометра определяют цель испытания: сравнение материалов, покрытий, смазочных условий или оценка износостойкости. 

Затем выбирают подходящий стандарт или профильную методику. Например, ASTM G99-23 относится к испытаниям на износ с применением аппарата pin-on-disk, а EN 1071-13:2010 описывает испытания для керамических покрытий. ГОСТ 26614-85 применяют для определения триботехнических свойств антифрикционных порошковых материалов.

Для воспроизводимости заранее фиксируют контактную схему, нагрузку, скорость скольжения, материал контртела, температуру и среду. Эти условия влияют на режим трения и износа, поэтому их нельзя менять между сравниваемыми образцами без отдельного обоснования. В протоколе также указывают длительность или путь испытания и выбранный способ измерения износа. Универсального набора параметров для всех материалов нет.

В разных методиках встречаются разные нагрузки. В обзоре Fraunhofer указана типичная сила порядка 5 Н, тогда как в обзорных данных по ASTM G99 приводятся референсные условия 10 Н и 0,1 м/с. Это не взаимозаменяемые обязательные настройки: значения зависят от стандарта и задачи. Для керамических покрытий EN 1071-13:2010 рекомендует точность измерения трения ±1% или лучше от приложенной нагрузки.

Если испытывают порошковый антифрикционный материал по ГОСТ 26614-85, стандарт предусматривает ограниченную подачу смазки и исследование зависимости силы трения и износа от скорости скольжения и нагрузки. Эти требования относятся к указанной категории материалов, а не автоматически ко всем испытаниям пин-диск. В остальных случаях условия выбирают по применимому стандарту и задаче исследования.

Порядок испытания и регистрация результатов

После подготовки образцов устанавливают пин и диск, задают нагрузку и скорость, а затем запускают испытание. 

Трибометр регистрирует силу трения; по данным прибора рассчитывают коэффициент трения. Одновременно следят за тем, чтобы оборудование фиксировало заданные параметры режима. Если точность измерения нагрузки или силы трения недостаточна, сравнение образцов теряет надежность.

По завершении испытания износ определяют по выбранной заранее методике: измеряют ширину или глубину дорожки либо оценивают потерю массы или объема материала. Для покрытий и тонких слоев измерение дорожки особенно полезно: значение коэффициента трения не показывает само по себе, сколько материала износилось. В протоколе необходимо указывать, каким способом получен показатель износа, поскольку результаты разных способов могут описывать разные характеристики.

ГОСТ 30480-97 перечисляет среди триботехнических величин силу и коэффициент трения, величину и интенсивность износа, толщину слоя смазки, повышение температуры, акустическое излучение и работу сил трения. Не каждую величину измеряют в каждом испытании. Набор показателей выбирают с учетом задачи, но сила трения, коэффициент и износ часто рассматриваются совместно.

Для антифрикционных порошковых материалов ГОСТ 26614-85 предусматривает усреднение коэффициента трения и интенсивности изнашивания не менее чем по трем образцам. Это требование относится именно к описанной стандартом методике. В отчете указывают число испытанных образцов и способ обработки результатов, чтобы читатель мог оценить, на чем основано среднее значение.

Как рассчитывают интенсивность изнашивания и читают результаты

Коэффициент трения и интенсивность изнашивания характеризуют разные стороны контакта. 

Первый показывает сопротивление скольжению, вторая связывает величину износа с путем трения или выполненной работой. Поэтому низкий коэффициент не означает автоматически, что материал изнашивается медленно. При оценке пары материалов оба показателя рассматривают отдельно.

Если в принятой методике интенсивность определяют через путь, расчет записывают словами: интенсивность изнашивания = величина износа / путь трения. Величину износа указывают в тех единицах, которые предусмотрены выбранным способом измерения, а путь приводят в согласованных единицах. Если методика связывает износ с выполненной работой, используют соответствующее определение и указывают его в протоколе. Нельзя смешивать способы расчета при сравнении результатов.

Для порошковых антифрикционных материалов ГОСТ 26614-85 содержит критерии завершения испытания: суммарный линейный износ образца и контробразца более 30 мкм, сила трения более 50 Н или суммарный линейный износ менее 5 мкм на пути трения 20 км. Эти значения относятся к критериям указанного ГОСТ, а не являются общими порогами для всех материалов и трибометров.

График коэффициента трения помогает заметить изменение режима в ходе теста, а измерение дорожки или потери материала дополняет эту картину. При анализе антифрикционных характеристик графита также важно не подменять оценку износа одной величиной трения. Если смазочные условия входят в задачу испытания, их фиксируют так же, как нагрузку и скорость; иначе нельзя понять, чем обусловлено различие результатов.

Когда сравнивают графитовые образцы, изменения трения могут быть связаны не только с материалом, но и с условиями смазывания. Чтобы сопоставление имело смысл, режим подачи и тип смазки задают заранее и сохраняют одинаковыми для сравниваемых серий. В испытаниях, где рассматривают специализированную смазку с твердыми антифрикционными наполнителями, в эту задачу вписывается EFELE SG-316: ее применяют для снижения коэффициента трения и интенсивности изнашивания, в том числе при работе с графитовыми образцами. Полученные показатели при этом характеризуют конкретную комбинацию материалов и условий, а не смазку вне испытательной схемы.

Почему результаты разных испытаний нельзя сравнивать напрямую

Совпадения названия «пин-диск» недостаточно для прямого сравнения результатов. 

Нагрузка, скорость, геометрия пина, материал диска, температура и среда определяют условия контакта. Если хотя бы один важный параметр различается, расхождение в коэффициенте или износе может быть связано с режимом, а не с качеством материала.

Для публикации или технического задания указывают конкретный стандарт, если он применим: ASTM G99-23, DIN/ISO 50324-07, ISO 18535 или профильный отраслевой ГОСТ. EN 1071-13:2010 относится к керамическим покрытиям, а ГОСТ 26614-85 рассматривает антифрикционные порошковые материалы. Перед выбором документа сверяются с его областью применения и описанием метода.

Отдельно фиксируют способ обработки износа: измерение размеров дорожки, потерю массы или потерю объема. Нельзя сопоставлять значения, полученные разными способами, без пояснения методики. Аналогично среднее значение коэффициента не следует сравнивать с результатом, рассчитанным по другому участку записи или иначе обработанным.

В отчете должны быть как минимум описаны контактная схема, нагрузка, скорость, контртело, температура, среда, продолжительность или путь испытания и метод определения износа. При необходимости указывают число образцов и точность измерений. Для понимания результата приводят не только итоговую цифру, но и кривую трения, если она регистрировалась, а также параметры износной дорожки. Такой набор позволяет техническому специалисту оценить сопоставимость испытаний.

Часто задаваемые вопросы

Как рассчитывают коэффициент трения при испытании пин-диск?

Коэффициент трения рассчитывают как отношение силы трения к нормальной нагрузке. Обе силы выражают в одинаковых единицах, например в ньютонах, поэтому итоговый коэффициент безразмерный. Трибометр регистрирует силу трения во время скольжения, а расчет выполняют по показаниям прибора и заданной нагрузке.

Коэффициент трения и интенсивность изнашивания показывают одно и то же?

Нет. Коэффициент трения характеризует сопротивление скольжению, а интенсивность изнашивания связывает величину износа с путем трения или выполненной работой. Поэтому низкое значение коэффициента не доказывает, что материал изнашивается медленно. Для триботехнической оценки эти показатели определяют и анализируют отдельно.

Можно ли сравнить результаты разных трибометров пин-диск?

Сравнение корректно, если совпадают стандарт, контактная геометрия, нагрузка, скорость, материалы образцов, температура, среда и способ обработки износа. Одного совпадения схемы пин-диск недостаточно. В отчете также важно указать число образцов и то, как рассчитывали итоговые значения.

Сколько образцов нужно для оценки по ГОСТ 26614-85?

Для антифрикционных порошковых материалов ГОСТ 26614-85 предусматривает расчет среднего арифметического коэффициента трения и интенсивности изнашивания минимум по трем образцам. Это требование относится к методике данного стандарта. Для других материалов и испытаний число образцов определяют по применимому документу и программе испытаний.

Заключение

Измерение коэффициента трения скольжения по схеме пин-диск основано на регистрации силы трения при заданной нормальной нагрузке и расчете их отношения. Интенсивность изнашивания определяют отдельно, по выбранному показателю потери материала и пути трения либо выполненной работе. Для интерпретации результата нужны кривая трения, данные об износе и зафиксированные условия испытания.

Перед запуском испытаний составьте протокол с указанием применимого стандарта, геометрии контакта, нагрузки, скорости, контртела, температуры, среды и метода измерения износа. Затем проведите серию испытаний и сравнивайте результаты только при совпадающих условиях и способе обработки данных.