Измерение коэффициента трения скольжения на трибометре по схеме «пин-диск»

Измерение коэффициента трения скольжения на трибометре с пин-диск схемой проводят, прижимая штифт или шарик к вращающемуся диску и регистрируя силу трения во время движения по круговой дорожке. Чтобы оценить износ, отдельно исследуют след на диске и изношенную часть контртела: измеряют, например, размеры дорожки, потерю массы или объем материала. Результат имеет смысл сравнивать только при одинаковых материалах, подготовке образцов и режимах испытания.

Методика полезна инженерам и специалистам лабораторий, которые сравнивают материалы, покрытия или антифрикционные составы, а также закупщикам, оценивающим данные испытаний. Ниже разобраны выбор стандарта, фиксация условий, расчет коэффициента трения и способы контроля износа. Отдельно рассмотрено, почему низкий коэффициент трения сам по себе не доказывает высокую износостойкость.

Как устроено измерение коэффициента трения скольжения

При испытании один образец закрепляют в держателе, а второй устанавливают на вращающийся диск. 

Контактное тело, или «пин», прижимают к диску с заданной нагрузкой. По мере вращения оно проходит по круговой траектории, а трибометр регистрирует силу трения или рассчитывает коэффициент трения на ее основе. Полученная запись позволяет видеть изменение показателя по ходу испытания, а не только одно усредненное значение.

Для pin-on-disk в качестве типичного условия приводится нормальная нагрузка около 5 Н. Это ориентир, а не универсальное требование: фактическую нагрузку выбирают по методике и задаче. В опубликованном описании конструкции трибометра в числе параметров соответствия требованиям ASTM G99 указаны стабильность скорости вращения и допуск угла между пином и диском ±1°. Эти значения нельзя автоматически переносить на любое оборудование или испытание.

Что фиксировать до запуска

Чтобы измерение коэффициента трения было интерпретируемым, в протоколе указывают как минимум:

• материалы пина и диска, а также их геометрию;

• нормальную нагрузку и скорость скольжения;

• радиус дорожки и длительность испытания;

• температуру, влажность и состав среды;

• состояние и способ подготовки контактных поверхностей;

• сухое или смазанное состояние контакта;

• способ обработки записи силы трения и критерий оценки износа.

Коэффициент трения не следует рассматривать отдельно от режима. Например, значение, полученное при одной нагрузке и скорости, не становится универсальной характеристикой материала. Если сравнивают партии или составы, важно сохранять одинаковыми геометрию и подготовку образцов: иначе различия в результатах могут объясняться не самим материалом.

Методика триботехнических испытаний и выбор стандарта

Стандарт выбирают по объекту и цели исследования. 

ASTM G99 служит базовым ориентиром для испытаний pin-on-disk. В перечне методик для этой схемы также указаны DIN 50324-07 и ISO 18535. Они помогают задать подход к испытанию материалов и покрытий, но в протоколе все равно необходимо описать конкретные режимы и параметры оборудования.

ISO 20808:2016 предназначен для определения коэффициента трения и удельной скорости износа монолитной керамики в сухих неабразивных условиях по схеме «шарик-диск». В описанном в стандарте принципе шарик прижимают к вращающемуся диску при постоянной нагрузке. Поэтому применять этот стандарт как универсальную инструкцию для любых материалов, покрытий или смазанных контактов некорректно.

Сопоставимость результатов

Перед сравнением двух протоколов проверьте, совпадают ли:

• стандарт или рабочая методика;

• схема контакта и материалы пары;

• нагрузка, скорость скольжения и радиус дорожки;

• температура, влажность и окружающая среда;

• подготовка поверхностей и критерий завершения испытания;

• способ определения износа.

Это особенно важно, если данные получены в разных лабораториях или на оборудовании с отличающейся конструкцией. Даже при одинаковом названии метода различия в режиме способны повлиять на зарегистрированную силу трения и состояние дорожки.

Pin-on-disk подходит для сравнительной оценки материалов и покрытий, но не заменяет ресурсное испытание конкретного узла. Чтобы перенести лабораторные результаты на деталь или механизм, требуется учитывать реальные нагрузки, среду и условия контакта. В техническом задании полезно заранее определить, какой показатель износа нужен: потеря массы, объем материала, размеры следа или линейный износ.

Как измерить силу трения и рассчитать коэффициент

Датчик трибометра регистрирует силу трения в процессе скольжения. 

Для измерения коэффициента трения используют отношение силы трения к нормальной нагрузке. Поэтому важно различать измеряемую силу и рассчитываемый по ней коэффициент: это связанные показатели, но не одно и то же. Когда говорят об измерении коэффициента силы трения, на практике имеют в виду регистрацию силы и последующий расчет коэффициента.

Запись силы по времени или числу оборотов позволяет оценить, как контакт ведет себя на разных этапах испытания. Не ограничивайтесь одним средним значением: изучите стабильность сигнала, начальный участок и изменения в ходе движения. Для антифрикционного материала важны не только итоговый коэффициент, но и его устойчивость, а также признаки переноса материала и формирования трибопленки.

Лабораторная работа по измерению коэффициента трения скольжения

Для лабораторной работы заранее задают пару материалов, условия контакта и способ обработки результатов. После установки образцов проверяют их положение и параметры режима, затем запускают испытание и сохраняют непрерывную запись силы трения. В отчет включают исходные условия, полученные данные и способ вычисления коэффициента.

Такой порядок помогает не смешивать результаты испытаний, проведенных в сухом и смазанном режимах: напрямую сравнивать их нельзя. Также нужно указывать, при какой нагрузке, скорости, температуре и влажности получены данные. Без этих сведений результат не дает достаточной основы для сравнения материалов.

Для графитсодержащих антифрикционных материалов оценивают не только среднее значение коэффициента. Важны его стабильность во времени, износ контактных поверхностей и поведение материала в конкретной среде. Графит антифрикционный характеристики демонстрирует в условиях определенной пары и режима, поэтому выводы по одному испытанию не следует переносить на все узлы.

Интенсивность изнашивания: испытание и контроль дорожки

Износ по ГОСТ 33252-2015 определяют как повреждение поверхности с потерей материала вследствие относительного перемещения. 

В испытании pin-on-disk его оценивают отдельно от силы трения. Для этого измеряют размеры следа, профиль дорожки или потерю массы и объема образца. В протоколе нужно указать выбранный критерий, иначе результаты разных испытаний окажутся несопоставимыми.

Состояние дорожки можно исследовать микроскопией и профилометрией. В рекомендациях по испытаниям в вакууме перечислены также микрометрия, толщиномер, искусственные базы и вырезание лунок. Указанный там температурный диапазон 300–600 К относится к этой методике и не должен автоматически использоваться как диапазон для любого pin-on-disk испытания.

Для других триботехнических методов измеряют, например, пятно износа на шарике с точностью до 0,01 мм и объем износа Wv в мм³. Эти параметры приводятся для SRV-испытаний, а не как обязательные показатели схемы «пин-диск». Их можно упоминать при сопоставлении методов, но нельзя подменять ими измерения следа, полученного на диске.

Как интерпретировать данные

Коэффициент трения и интенсивность изнашивания отвечают на разные вопросы. Первый характеризует сопротивление скольжению, второй показывает, сколько материала теряется или как изменяется поверхность в заданном режиме. Поэтому низкий коэффициент трения не гарантирует высокой износостойкости. Для оценки материала нужны оба результата и описание режима, в котором их получили.

Оценка покрытий и графитсодержащих материалов

Трибометр пин-диск используют для сравнительной оценки материалов и покрытий в заданных условиях контакта. 

При исследовании антифрикционного покрытия отдельно контролируют коэффициент трения, стабильность показателя во времени и износ. Если покрытие переносится на контртело или формирует трибопленку, это также учитывают при интерпретации поверхности после испытания.

Совет инженера

• Сценарий: нужно сравнить антифрикционное покрытие на основе дисульфида молибдена и графита с другим вариантом в одинаковой паре материалов.

• Что делают: MODENGY 1001 включают в программу испытаний как образец покрытия, задают одинаковые подготовку поверхностей и режим pin-on-disk, затем непрерывно регистрируют силу трения и отдельно оценивают след износа.

• Итог: получают сопоставимый набор данных по трению и износу в выбранных условиях. Он описывает именно проведенное испытание, а не автоматически подтверждает ресурс или пригодность покрытия для любого узла.

Такой план помогает избежать оценки только по одному числу. Для корректного сравнения нужно описать материал контртела, подготовку поверхности, режим контакта и критерий износа. Если задача связана со смазанным трением, его результаты нельзя напрямую сопоставлять с сухим контактом. При исследовании графита также важно оценить, сохраняются ли характеристики на протяжении испытания.

Часто задаваемые вопросы

В чем измеряется сила трения при испытании на трибометре?

Сила трения измеряется в ньютонах. Трибометр регистрирует ее при скольжении контактного тела по диску. Коэффициент трения не имеет единицы измерения: его рассчитывают как отношение силы трения к нормальной нагрузке. В отчете важно не смешивать показания датчика и полученный расчетом коэффициент.

Как измерить коэффициент трения скольжения лабораторно?

Подготовьте образцы и зафиксируйте нагрузку, скорость, радиус дорожки, температуру, влажность и среду. Затем проведите испытание pin-on-disk с непрерывной регистрацией силы трения и рассчитайте коэффициент по отношению к нормальной нагрузке. Для оценки износа дополнительно измерьте след или потерю материала выбранным методом.

Как проводят измерение коэффициентов трения скольжения брусков?

Измерение брусков проводят на трибометре с подходящим держателем и заданной геометрией контакта. Необходимо зафиксировать материал диска, нагрузку, скорость и подготовку поверхностей. Результат относится к конкретной паре и режиму, поэтому его нельзя без проверки переносить на другой материал или узел.

Достаточно ли коэффициента трения, чтобы оценить износостойкость?

Нет. Коэффициент трения характеризует сопротивление скольжению, а износ оценивают отдельно по потере массы или объема, размерам следа либо профилю дорожки. Материал с низким коэффициентом не обязательно изнашивается медленно. Для обоснованного сравнения нужны оба показателя, а также описание режима испытания.

Заключение

Измерение коэффициента трения скольжения по схеме «пин-диск» включает непрерывную регистрацию силы трения при движении штифта или шарика по вращающемуся диску и отдельный контроль износа. Для корректной интерпретации необходимо зафиксировать пару материалов, режим, среду, подготовку поверхностей и способ оценки следа. Стандарт выбирают с учетом объекта: ISO 20808:2016 относится к монолитной керамике в сухих неабразивных условиях, а результаты других материалов оценивают по соответствующей методике.

Следующий шаг для лаборатории или технического заказчика - составить протокол испытаний до запуска: указать параметры контакта, критерии измерения износа и формат отчетности. Тогда данные по трению и изнашиванию можно будет сопоставить с требованиями конкретной задачи, не распространяя выводы за пределы испытанных условий.