Измерение коэффициента трения и износа на трибометре по схеме пин-диск

Измерение коэффициента трения на трибометре по схеме пин-диск проводят при заданных нагрузке, скорости скольжения и температуре: образец-пин прижимают к вращающемуся диску, а прибор регистрирует силу трения. Для оценки изнашивания отдельно фиксируют выбранный показатель: потерю массы, линейный или объемный износ либо размеры дорожки и пятна износа. Такой подход помогает сравнить пары материалов и покрытия при одинаковых условиях, но не дает универсальной характеристики материала вне заданного режима.

Методика полезна инженерам, которые проверяют подшипниковые материалы, полимеры и тонкие покрытия, а также специалистам, выбирающим материал для узла трения. Ниже разобраны подготовка опыта, обработка результатов и ограничения метода. Отдельно рассмотрено, почему коэффициент трения и интенсивность изнашивания нужно оценивать как разные показатели.

Как выбрать методику триботехнических испытаний

Начинать нужно с определения материала и задачи испытания. 

ISO 7148-1:2025 описывает испытания металлических подшипниковых материалов при граничной смазке. Стандарт предназначен для сравнения пары «материал/контртело/смазка» и оценки работы при низкоскоростном непрерывном скольжении. ISO 7148-2:2012 относится к полимерным материалам подшипников скольжения и также допускает метод A - pin-on-disc.

В схеме пин-диск один образец закрепляют как пин, другой используют в качестве диска. При приложенной нагрузке пин скользит по поверхности диска, а система регистрирует силу трения. Испытание можно проводить со смазкой или без нее, если выбранная методика и задача предусматривают такой режим. Для тонких покрытий в ISO 7148-1 предпочтителен метод A, поскольку он позволяет оценивать покрытие в контакте с контртелом.

До запуска испытания следует задать и внести в протокол основные условия:

• нормальную нагрузку и скорость скольжения;

• температуру и влажность;

• длительность испытания или число циклов;

• материал и геометрию пина и диска;

• наличие смазки и условия ее подачи;

• показатель, по которому будут оценивать износ.

В описании испытаний Fraunhofer в качестве типового ориентира приведена сила около 5 N. Продолжительность может варьироваться от 10 до 100 000 циклов в зависимости от задачи. Это не универсальные настройки для любого материала: режим выбирают с учетом цели исследования и фиксируют, чтобы другой специалист мог воспроизвести опыт.

Для сравнения результатов недостаточно указать только название материала. Параметры испытания влияют на измеренную силу трения и износ, поэтому результат относится к конкретной комбинации образцов и условий. Если методика триботехнических испытаний меняется, результаты нельзя напрямую считать сопоставимыми без приведения условий к общему основанию.

Измерение коэффициента трения скольжения

При измерении коэффициента трения скольжения трибометр регистрирует силу, возникающую в контакте. 

Коэффициент рассчитывают как отношение силы трения к нормальной нагрузке: коэффициент трения = сила трения / нормальная нагрузка. Обе величины должны относиться к одному и тому же режиму испытания. Сам коэффициент не имеет единицы измерения, поскольку в отношении сокращаются одинаковые единицы силы.

Трибометр может регистрировать трение непрерывно. Поэтому результатом становится не только одно число, но и изменение коэффициента во времени или по мере прохождения циклов. Для анализа полезно разделять начальный этап контакта и установившийся режим, если это соответствует цели исследования. В отчете нужно указывать, как именно получено итоговое значение: по всей записи, по выбранному интервалу или иным способом, заданным методикой.

Измерение коэффициента силы трения имеет смысл только вместе с параметрами режима. Один и тот же материал может показать разные результаты при изменении нагрузки, скорости скольжения, температуры, влажности, контртела или смазки. Поэтому некорректно представлять коэффициент как постоянную характеристику материала без указания условий. При сравнении образцов желательно сохранять одинаковые настройки прибора и геометрию контакта.

В протоколе стоит отразить:

• измеренную силу трения и приложенную нагрузку;

• рассчитанный коэффициент и способ его усреднения;

• скорость скольжения, температуру и влажность;

• материалы, геометрию и состояние поверхностей;

• длительность опыта или число циклов;

• наличие смазки и условия проведения испытания.

Такой набор сведений помогает интерпретировать измерение коэффициента трения лабораторная практика рассматривает не как изолированное число, а как результат конкретного эксперимента. При работе с несколькими образцами фиксируют одинаковые параметры для каждой пары. Если изменяют только один фактор, например материал покрытия, проще оценить его влияние на трение.

Интенсивность изнашивания: что измерять после испытания

Коэффициент трения и износ описывают разные стороны работы контакта. 

Снижение коэффициента не гарантирует уменьшения износа: стандартная методика рассматривает коэффициент, линейную и объемную интенсивность изнашивания, объем износа и параметры поверхности как отдельные характеристики. Поэтому интенсивность изнашивания в испытании оценивают самостоятельным измерением, выбранным до начала опыта.

В зависимости от образца и методики определяют потерю массы, линейный износ, объем износа, ширину дорожки или диаметр пятна износа. Для пина со сферическим наконечником объем износа можно оценить по диаметру пятна и геометрии следа. Если измеряют массу, фиксируют ее до и после испытания. Одного взвешивания после опыта недостаточно: без исходного значения нельзя определить изменение массы.

Выбранные показатели не следует смешивать при сравнении образцов. Например, ширина дорожки и потеря массы - разные измеряемые величины; переход от одной к другой требует обоснованного пересчета. Также важно описать, как именно измеряли след: по каким участкам и в каком состоянии находилась поверхность после испытания. Такой протокол позволяет отличить измеренный результат от приблизительной визуальной оценки.

Практический порядок работы может выглядеть так:

• до испытания зафиксировать массу или геометрические параметры образцов, если выбранный метод этого требует;

• провести испытание при заданных параметрах и сохранить запись силы трения;

• после опыта измерить выбранный показатель износа;

• указать способ измерения и единицы результата;

• сопоставлять образцы только при одинаковых условиях или после обоснованного пересчета.

ISO 7148-1:2025 предусматривает фиксацию линейных и объемных показателей износа, объемов износа, параметров поверхности и температуры. В NASA TM 87236 описан подход с оценкой износа пина по диаметру пятна на сферическом наконечнике и последующим расчетом объема. Выбор между такими подходами зависит от формы образца и задачи, а не от удобства представления результата.

Как учитывать графит и антифрикционные покрытия

Графит антифрикционный проявляет свои свойства с учетом окружающей среды. 

В обзоре отмечено, что графит работает как твердая смазка при наличии влаги, а в вакууме его эффективность снижается. Поэтому влажность нужно задавать и указывать в протоколе, особенно если сравниваются графитсодержащие материалы или покрытия. Без этого результаты разных испытаний могут отражать не только свойства состава, но и различия условий.

Температура также влияет на поведение графита. В источнике указано, что графит может работать до 700 °C, а ниже 100 °C его коэффициент трения приводится на уровне около 0,1. При 230 °C коэффициент меняется примерно в диапазоне 0,1-0,4; причиной называют десорбцию воды. Эти данные показывают, почему результат испытания нельзя переносить на другой температурный режим без проверки.

В обзоре бронзовых сплавов описана зависимость трения от содержания графита: для состава с 4 wt.% graphite коэффициент трения был на 68,5% ниже, чем у обычной меди; для хороших трибологических свойств приводится порог порядка 3 wt.%. Эти значения относятся к указанным в обзоре материалам и условиям. Их нельзя автоматически переносить на другую матрицу или трактовать как гарантию такого же снижения в конкретном узле.

Совет инженера

• Сценарий: нужно сравнить коэффициент трения и износ покрытия на металлическом образце.

• Что сделали: в испытательную серию включили образец с MODENGY 1001 - покрытием на основе дисульфида молибдена и графита - и контрольный образец без покрытия. Для обоих образцов задали одинаковые нагрузку, скорость, температуру и влажность.

• Итог: сравнение силы трения и выбранного показателя износа показывает результат покрытия в условиях именно этой серии. Его нельзя подменять выводом только по коэффициенту трения.

Типичные ошибки при оценке результатов пин-диск теста

Распространенная ошибка - считать коэффициент трения универсальной константой материала. 

На практике он относится к заданной паре поверхностей и определенному режиму. При изменении нагрузки, скорости, температуры, влажности, контртела или смазки результат может измениться. Поэтому при публикации данных указывают условия, а не только итоговое значение.

Еще одна ошибка - считать, что снижение коэффициента автоматически означает снижение износа. Эти показатели требуют отдельных измерений, и улучшение одного не доказывает улучшения другого. Для полноценного сравнения фиксируют и трение, и выбранный показатель износа. Если в одной серии измеряют потерю массы, а в другой - ширину дорожки, результаты нельзя сопоставлять напрямую без методически обоснованного пересчета.

Не менее важно не смешивать методики для разных классов материалов. ISO 7148-1:2025 относится к металлическим подшипниковым материалам, а ISO 7148-2:2012 - к полимерным. Схема pin-on-disc может применяться в обоих случаях, но это не означает, что настройки и интерпретация результатов совпадают. Метод выбирают по материалу и цели испытания.

Перед запуском серии проверьте, что в протоколе есть:

• стандарт и метод испытания;

• нагрузка, скорость скольжения и температура;

• влажность, длительность и число циклов;

• материалы и геометрия обоих образцов;

• способ измерения износа;

• правила обработки и усреднения данных.

Такая проверка снижает риск получить набор чисел, который нельзя корректно интерпретировать или повторить. Она также помогает закупщику и инженеру сравнивать результаты испытаний поставщиков на общей основе. Если условия тестов различаются, сначала выясняют, какие параметры повлияли на результат, и только затем делают вывод о пригодности материала.

Измерение коэффициента трения брусков и других образцов

Измерение коэффициентов трения скольжения брусков часто рассматривают как отдельную лабораторную задачу, но принцип анализа тот же: нужно знать силу трения и нагрузку, а затем соотнести результат с условиями контакта. 

При этом геометрия образцов и схема нагружения могут отличаться от пин-диск. Поэтому результат испытания брусков нельзя автоматически переносить на испытание пин-диск или на реальный узел.

Для сопоставления образцов фиксируют материал контртела, геометрию контакта и состояние поверхностей. Также указывают скорость, температуру, влажность, нагрузку и наличие смазки. Эти параметры существенны и для лабораторной работы по измерению коэффициента трения, и для инженерной оценки материала. Если меняют сразу несколько условий, становится сложно понять, что именно вызвало изменение результата.

Пин-диск удобен тем, что трение можно регистрировать непрерывно, а дорожку износа - оценивать после испытания. В описании метода встречается ориентир около 5 N и диапазон длительности от 10 до 100 000 циклов. Эти параметры не заменяют выбор режима под конкретную задачу. Для подшипниковых материалов ориентируются на ISO 7148-1:2025, для полимеров - на ISO 7148-2:2012.

При подготовке отчета полезно разделить три вида информации: условия испытания, измеренные данные и выводы. К первым относят нагрузку, скорость и температуру; ко вторым - силу трения и показатель износа; к третьим - интерпретацию результатов применительно к заданной паре материалов. Такой формат не смешивает факт измерения с оценкой поведения материала и облегчает повторение опыта.

Часто задаваемые вопросы

В чем измеряется коэффициент трения?

Коэффициент трения не имеет единицы измерения. Его рассчитывают как отношение силы трения к нормальной нагрузке, а обе величины измеряют в одинаковых единицах силы. При делении единицы сокращаются. В отчете указывают численное значение коэффициента и условия испытания, включая нагрузку, скорость и материалы контактирующих образцов.

Можно ли определить износ только по коэффициенту трения?

Нет. Коэффициент трения и износ - отдельные показатели. Низкое значение коэффициента не доказывает, что образец изнашивается меньше. Для оценки износа заранее выбирают метод: измеряют массу, линейный или объемный износ, ширину дорожки либо диаметр пятна. Способ измерения указывают в протоколе.

Как измеряют коэффициент трения скольжения на трибометре пин-диск?

Пин прижимают к диску с заданной нагрузкой, затем обеспечивают скольжение при установленной скорости. Трибометр регистрирует силу трения, которую соотносят с нормальной нагрузкой. Для интерпретации результата также фиксируют температуру, влажность, материалы образцов, наличие смазки и длительность испытания.

Как выбрать стандарт для испытания пин-диск?

Стандарт выбирают по классу материала. ISO 7148-1:2025 предназначен для металлических подшипниковых материалов при граничной смазке, а ISO 7148-2:2012 - для полимерных материалов подшипников скольжения. В обоих случаях метод pin-on-disc может применяться, но условия испытания задают с учетом материала и цели работы.

Заключение

Измерение коэффициента трения на трибометре пин-диск дает сопоставимый результат, если заранее задать режим, описать пару образцов и фиксировать силу трения вместе с нагрузкой. Интенсивность изнашивания оценивают отдельно выбранным методом. Для металлических подшипниковых материалов ориентируются на ISO 7148-1:2025, для полимерных - на ISO 7148-2:2012.

Перед испытанием подготовьте протокол с нагрузкой, скоростью, температурой, влажностью, длительностью, геометрией и материалами образцов, а также способом оценки износа. После теста сопоставляйте данные только при совпадающих условиях или с обоснованным пересчетом.