Образцы для испытаний узлов трения: как подобрать режимы и нагрузки

Режимы и нагрузки для лабораторных испытаний узлов трения подбирают под цель исследования и условия работы машины. Образцы для испытаний должны представлять реальные материалы и геометрию контакта, а нагрузка, скорость скольжения, температура и среда - соответствовать эксплуатационному режиму или обоснованному сценарию его форсирования. Универсального набора параметров для всех пар трения нет.

Статья поможет инженерам, техническим специалистам и закупщикам разобраться, как выбрать схему контакта, подготовить образцы и организовать измерения. Рассмотрим требования РД 24.201-01-90 и ГОСТ 23.221-84, а также объясним, почему максимальная нагрузка и испытание на одном образце не всегда дают полезный результат.

Как подобрать режим испытаний узла трения

Начинают с формулировки задачи. 

При сравнении материалов важны одинаковые условия контакта и сопоставимые образцы. При поиске склонности к заеданию нужно определить, при каком сочетании нагрузки, скорости, среды и коэффициента взаимного перекрытия возникает нежелательное взаимодействие. Для измерения коэффициента трения и скорости изнашивания требуется установившийся режим. Проверка работоспособности узла, в свою очередь, должна учитывать его конструкцию и назначение.

РД 24.201-01-90 предписывает проводить лабораторные и стендовые испытания в условиях, имитирующих эксплуатационные. Это означает, что заданные нагрузка и скорость должны иметь отношение к режиму работы реального узла, а не выбираться только потому, что оборудование способно создать более высокие значения. Если испытание моделирует работу машины, учитывают также среду и коэффициент взаимного перекрытия поверхностей.

До выбора параметров фиксируют, что именно будет результатом испытания. Это может быть коэффициент трения, скорость изнашивания, наличие или отсутствие заедания, а для натурных испытаний узла в машине - износ элементов пары или наработка узла на отказ. От результата зависит методика: испытание на заедание нельзя автоматически подменять измерением трения, а данные переходного участка запуска нельзя считать характеристикой установившейся работы.

Почему максимальная нагрузка не всегда лучше

Повышенная нагрузка сама по себе не делает испытание информативнее. Если она не соответствует цели и условиям эксплуатации, результаты могут не описывать поведение узла в работе. При поиске заедания режим выдерживают не менее 30 минут, соблюдая условия по давлению, скорости скольжения, коэффициенту взаимного перекрытия и среде. Для других задач применяют соответствующую им методику и регистрируют нужные параметры.

Для ускоренных ресурсных испытаний ГОСТ 23.205-79 предусматривает периодическое форсирование режима. Такой подход не означает произвольного увеличения нагрузки: форсируемый режим связывают с базовым, принятым за нормальный. Поэтому в программе испытаний нужно указать, какие параметры изменяют и как это соотносится с обычной работой узла.

Отбор образцов для испытаний и требования ГОСТ

Отбор образцов для испытаний начинают с проверки материала, технологии изготовления и геометрии рабочих поверхностей. 

Для сопоставимости важно, чтобы образцы соответствовали выбранной схеме контакта, а их размеры и шероховатость находились в пределах допусков. ГОСТ 23.224-86 допускает к испытаниям партии, изготовленные по единой технологии, с размерами и шероховатостью в пределах установленных допусков.

Для лабораторных и стендовых испытаний по РД 24.201-01-90 нужно не менее трех одинаковых образцов. Это требование помогает оценить повторяемость результата, а не опираться на единичное измерение. Если в серии различаются материал, технология изготовления или рабочая поверхность, такие различия следует учитывать при интерпретации данных.

ГОСТ 23.221-84 показывает, насколько конкретными могут быть требования к образцам. В одной из схем используют шарики 3-й степени точности группы Н диаметром 8 мм из стали ШХ15. В схеме с нижними образцами применяют три цилиндрических образца из испытуемого материала с рабочими поверхностями диаметром (8 ± 0,1) мм. Эти параметры относятся к указанным схемам и не переносятся автоматически на любую пару трения.

Что проверить перед испытанием

• Соответствуют ли материал, технология изготовления и геометрия образцов выбранной методике.

• Входят ли размеры и шероховатость рабочих поверхностей в допуски.

• Представляет ли схема испытания реальный контакт в узле.

• Подготовлены ли одинаковые образцы для всей серии.

• Очищены и обезжирены ли поверхности перед сборкой.

Фраза «образцы для испытаний ГОСТ» не означает, что существует единый размер или форма для всех материалов и задач. В ГОСТ 23.221-84 приведены параметры конкретных схем, а ГОСТ 23.224-86 описывает испытания с непрерывно растущей нагрузкой. Поэтому инженер сверяется с методикой для выбранного испытания и проверяет, применима ли она к исследуемому узлу. Если стандарт не задает параметры, их обосновывают в программе испытаний.

Схема контакта, нагрузка и условия среды

Схему контакта выбирают по конструкции исследуемого узла. 

Для разных задач применяют торцевую схему кольцевых образцов, контакт «вал-втулка» или «вал-частичный вкладыш», а также схему, где вращающийся кольцевой образец трется о грань прямоугольного параллелепипеда с основанием 8×8 мм. Такие варианты приведены в Р 50-54-62-88. Для узлов с возвратно-поступательным движением, например поршень-цилиндр и плунжерной пары, используют соответствующую схему движения.

После выбора геометрии контакта задают нагрузку, скорость и среду. Параметры должны отражать условия, значимые для работы узла и цели испытаний. Если методика предусматривает нагрев, порядок его проведения также влияет на процедуру. В ГОСТ 23.221-84 узел нагревают в собранном состоянии без нагрузки; после достижения заданной температуры прикладывают нагрузку и включают регистрацию момента трения.

Отдельные методики устанавливают и способ изменения нагрузки. По ГОСТ 23.224-86 образцам прикладывают непрерывно растущую нагрузку, причем скорость роста расчетного давления должна составлять 0,3 МПа/с. Это параметр конкретной методики, а не универсальная скорость нагружения для любых триботехнических испытаний.

Как учитывать смазочную среду

Среда должна соответствовать задаче и выбранной процедуре. Например, в методике ГОСТ 23.221-84 смазочный материал заливают так, чтобы его уровень был выше верхнего края нижних образцов не менее чем на 1 мм. Если исследуется влияние смазки, ее тип и способ подачи включают в программу испытаний: иначе результаты разных серий могут оказаться несопоставимыми.

Для узлов, работающих с графитсодержащей смазкой, условия испытания также задают с учетом реальной задачи. EFELE MO-749 содержит графит и применяется для цепных передач и направляющих, работающих в пыльной среде при высоких нагрузках. В лабораторной программе такой продукт можно рассматривать, если испытание должно воспроизводить соответствующую смазочную среду, но режим и методику выбирают по цели исследования, а не по наличию графита в составе.

Как проводят триботехнические испытания

Триботехнические испытания по ГОСТ 30480-97 оценивают контактное взаимодействие в разных условиях внешнего воздействия и среды. 

В программу испытаний включают цель, тип и размеры образцов, подготовку поверхностей, температурно-скоростные параметры, способ нагружения и порядок обработки результатов. Без этого измерения сложнее сопоставить между собой и связать с работой реального узла.

Перед испытанием образцы тщательно очищают и обезжиривают. Загрязнения на рабочих поверхностях могут исказить оценку трения и износа, поэтому подготовка должна быть одинаковой для всей серии. Также важно заранее определить, в какой момент начинают регистрацию: для определения коэффициента трения и скорости изнашивания РД 24.201-01-90 требует установившегося режима, а не переходного участка запуска.

Для оценки склонности к заеданию и схватыванию продолжительность испытания должна составлять не менее 30 минут при соблюдении условий эксплуатации. Если задача состоит в измерении коэффициента трения, его регистрируют в течение 1 часа не менее трех раз через равные промежутки времени. Это требования, относящиеся к соответствующим задачам в рамках РД 24.201-01-90; их не следует переносить на другие методики без проверки.

Совет инженера

Сценарий: нужно оценить пару трения при условиях, близких к работе цепной передачи или направляющей в пыльной среде и при высокой нагрузке.

Что делают: в программе фиксируют назначение узла, материалы пары, схему контакта и параметры эксплуатации. Если задача предполагает проверку именно с графитсодержащей смазкой, отдельно задают ее использование и сохраняют одинаковые условия для всех образцов. EFELE MO-749 можно учитывать как применяемое в таких узлах масло для цепей с графитом, но его свойства не заменяют подбора режима испытаний.

Итог: лаборатория получает описанную процедуру, по которой можно оценить результат в рамках поставленной задачи. Само по себе совпадение смазочного материала с применяемым в узле еще не подтверждает работоспособность пары: ее проверяют испытанием по подходящей методике.

Как оценивать результаты и обеспечивать повторяемость

При анализе результатов отделяют данные установившегося режима от переходных участков. 

Коэффициент трения и скорость изнашивания оценивают в условиях, заданных методикой, а наблюдаемое заедание связывают с фактическими нагрузкой, скоростью, средой и коэффициентом взаимного перекрытия. Если в ходе испытания изменялись параметры, это отражают в отчете, чтобы не смешивать результаты разных режимов.

Повторяемость зависит не только от прибора, но и от подготовки серии. Используют не менее трех одинаковых образцов там, где это предписывает РД 24.201-01-90, проверяют единство технологии изготовления и соблюдение допусков по размерам и шероховатости. Перед каждым испытанием поверхности очищают и обезжиривают. Такой порядок снижает риск принять различия в образцах или загрязнение за эффект нагрузки или материала.

Для каждого теста полезно сохранять программу испытаний и условия ее выполнения: схему контакта, параметры движения, нагрузку, среду, температуру, продолжительность и порядок регистрации. В ГОСТ 23.221-84 для одной из методик продолжительность вращения шпинделя с верхним образцом составляет 60 с ± 1 с. Это еще один пример того, почему длительность нельзя назначать по аналогии с другим испытанием: она определяется выбранной процедурой.

Ускоренные ресурсные испытания требуют отдельного подхода к интерпретации. ГОСТ 23.205-79 описывает периодическое форсирование режима, при этом базовым нормальным режимом может быть любой режим, принятый за основу. Чтобы результаты оставались полезными для оценки узла, в программе указывают связь форсированных ступеней с этим базовым режимом. В противном случае ускорение становится просто более жестким испытанием, а не обоснованной оценкой ресурса.

Часто задаваемые вопросы

Сколько образцов нужно для испытания узла трения?

По РД 24.201-01-90 лабораторные и стендовые испытания проводят не менее чем на трех одинаковых образцах. Для сопоставимости они должны иметь одинаковую технологию изготовления, а размеры и шероховатость рабочих поверхностей должны укладываться в допуски выбранной методики.

Как выбрать нагрузку для испытания на трение?

Нагрузку выбирают с учетом цели испытания и условий работы узла. РД 24.201-01-90 ориентирует на имитацию эксплуатации, а не на максимальное значение нагрузки. При испытании на заедание одновременно соблюдают заданные условия по давлению, скорости скольжения, коэффициенту взаимного перекрытия и среде.

Можно ли измерять коэффициент трения во время разгона?

Для определения коэффициента трения и скорости изнашивания нужен установившийся режим. Переходный участок запуска не характеризует установившуюся работу пары. По РД 24.201-01-90 коэффициент трения измеряют в течение 1 часа не менее трех раз через равные промежутки времени.

Какие образцы для проведения испытаний выбрать для схемы «шарик-образец»?

Выбор зависит от конкретной методики. Например, ГОСТ 23.221-84 для одной из схем указывает шарики 3-й степени точности группы Н диаметром 8 мм из стали ШХ15. Эти параметры относятся к описанной схеме и не являются общим требованием для всех испытаний материалов и узлов.

Заключение

Образцы для испытаний и режимы трения подбирают совместно: сначала определяют цель и соответствующую методику, затем задают геометрию контакта, нагрузку, скорость, среду и порядок измерений. Для воспроизводимых результатов важны одинаковые образцы, подготовка поверхностей и соблюдение условий установившегося режима там, где этого требует методика.

Следующий шаг - описать эксплуатационные условия узла и измеряемый показатель, затем сверить схему и параметры с применимым стандартом или руководящим документом. После этого подготовьте программу испытаний, проверьте соответствие образцов и проведите серию на не менее чем трех образцах, если это предусмотрено выбранной методикой.