Методы испытаний материалов пар трения

В настоящее время триботехника использует более 150 различных методов для испытания материалов, пар трения и целых узлов. Большинство из них регламентировано стандартами: ГОСТ, ASTM, SAE, ISO, DIN и др.

В этих стандартах оговорена конкретная программа испытаний, тип и размеры образцов, их подготовка, температурно-скоростные параметры и способ нагружения, метод математической обработки и интерпретации результатов. Общей конечной целью всех триботехнических испытаний является прогнозирование поведения испытуемого объекта в реальных эксплуатационных условиях, т.е. любые испытания являются частной феноменологической моделью технической действительности.

Стандартизированные триботехнические испытания входят как неотъемлемая часть в трибологические исследования. Последние включают гораздо меньше прикладной конкретики, но характеризуются значительно большей глубиной и степенью обобщения.

Трибологические испытания – это определение известных параметров трибосистем по стандартным методикам и на стандартизованном или типовом оборудовании.

Особенностью транспортных машин являются весьма значительные габариты, препятствующие испытаниям пар трения их агрегатов в реальном масштабе 1:1. Выход находится в испытаниях уменьшенных моделей этих трибосистем с последующим переносом полученных закономерностей на пары трения реальных габаритов.

Расчет размерных, прочностных, температурных, динамических и других параметров экспериментальных образцов осуществляется на основе теории подобия и моделирования. В результате определяют масштабные коэффициенты перехода от модели к натуре по всем моделируемым характеристикам. Без использования теории моделирования корректное проведение модельных испытаний невозможно. При моделировании стараются учитывать реальные условия эксплуатации и возможности контролировать как переменные факторы, так и выходные параметры. Все их можно разделить на четыре группы.

1. Конструкционные параметры:

– габариты, конфигурация и масса сопряженных деталей;

– коэффициент взаимного перекрытия;

– исходные (монтажные) и предельно допустимые зазоры;

– тип смазывания и способ подачи смазки;

– способ и величина теплоотдачи в окружающую среду;

– демпфирующая способность узла.

2. Параметры контактной зоны:

– исходная и равновесная шероховатость поверхностей;

– физико-механические свойства контактирующих поверхностей;

– наличие и характер промежуточных модифицированных слоев.

3. Эксплуатационные параметры:

– спектр нагружения и его характеристики (эффективное значение, дисперсия, динамическая составляющая и скорость нарастания нагрузки, продолжительность нагружения);

– вид движения, скорость, ускорение, количество пусков и остановов;

– температура окружающей среды;

– вид и воздействие окружающей среды.

4. Выходные параметры;

– сила (коэффициент) трения;

– интенсивность изнашивания и топография изношенной поверхности;

– средняя температура номинальной поверхности и объемная температура трибосистемы;

– акустическое излучение (уровень шума);

– характеристики приработки.

Следует иметь в виду, что установленные в результате триботехнических испытаний нормативные границы применимости трибосопряжения должны быть откорректированы по определяющему (лимитирующему) параметру с учетом допустимых вариаций свойств используемых материалов и вероятностного разброса термосилового нагружения при эксплуатации.

Общая структура триботехнических исследований сможет быть разделена на два типа задач: оптимизационные и интерполяционные. В результате решения первых находится оптимум состава или структуры материала, протекания процесса (трения, изнашивания и т. п.); можно минимизировать затраты на эксплуатацию трибосистем или добиться максимального ресурса пары.

Решение задач второго типа позволяет получить в исследованном диапазоне параметров модели трибосистем, компактирующие информацию и необходимые для расчетов на уровне конструирования, изготовления и эксплуатации узлов трения.

Независимо от типа решаемых задач общая схема исследований включает:

– анализ априорной информации;

– постановку многофакторных экспериментов;

– интерпретацию и анализ полученных результатов.

Существенный эффект дает объединение результатов моделирования в виде обобщающих критериев и симплексов и использования их как переменных факторов для последующей реализации многофакторных экспериментов. Нелинейные монотонные зависимости можно линеаризовать.

Основой современных экспериментальных исследований с целью определения качества трибосопряжений является трибомониторинг – система диагностики и прогнозирования работоспособности трибосистем.

Трибомониторинг охватывает всю совокупность методов и средств испытаний, непрерывного отслеживания и регулирования параметров подвижных сопряжений.

В трибомониторинге можно выделить два направления: трибометрия и трибодиагностика.

Трибометрия включает методы и средства измерения основных параметров фрикционного контакта в исходном состоянии, в процессе трения и после фрикционного взаимодействия.

Трибодиагностика – это обеспечения непрерывного текущего оценивания состояния подвижных соединений в процессе работы машины. Например, в результате анализа продуктов износа, акустической эмиссии, емкостных характеристик зазоров и т. п.

Итогом мониторинга является трибопрогнозирование – вероятностная оценка параметров сопряжения (несущей способности, ресурса) при временной экстраполяции.

Проблемы диагностики и прогнозирования неразрывно связаны: диагностика учитывает текущую информацию, прогнозирование опирается на априорную.

Следует отметить, что поскольку в настоящее время отсутствует строгая обобщающая научная теория, позволяющая априорно рассчитать требуемые параметры трибросистем чисто теоретически, настоящий раздел освещает, в основном, вопросы экспериментальных исследований и испытаний.

Оборудование

Все типовые трибосопряжения машин любого назначения, в том числе и транспортных, можно разделить на следующие основные группы:

– подшипники;

– тормоза и фрикционные муфты;

– направляющие;

– ходовые резьбы;

– зубчатые колеса и кулачковые пары.

Разная конструкция пар трения выдвигает различные требования к характеристикам сопрягаемых материалов, условиям и результатам работы пары. Однако, наряду с различиями, все, без исключения, трибосопряжения должны удовлетворять целому ряду общих требований. Это износостойкость и параметры надежности типа t или P.

Кроме того, для любой пары трения необходимо подобрать или разработать материалы с соответствующим набором свойств, что предполагает чисто материаловедческий подход: состав, структура – свойства.

Ниже, в таблице 1.3 сведены основные группы переменных факторов, варьируемых при триботехнических исследованиях, и результат – выход эксперимента.

Таблица 1.3 - Основные схемы трибоисследований

Факторы	Выход
Состав и структура материалов	Износостойкость и ресурс; Надежность (параметры типа t или P); Сила и коэффициент трения; Температура (поверхностная, объемная, вспышки); Параметры приработки (износ, время, температура); Потери на трение (КПД); Область рационального применения.
Тип движения и режимы нагружения
Окружающая и смазочная среды
Геометрические и физико-механические параметры поверхности
Тип контактирующих поверхностей и их соотношение
Демпфирующие свойства

Машины трения, на которых проводят триботехнические исследования, занимают важнейшее место среди серийно выпускаемого испытательного оборудования, как в России, так и за рубежом. В настоящее время общепринятая классификация машин трения отсутствует, а классификации, предложенные И.В. Крагельским или СКБ средств измерения масс и испытательной техники (ИМИТ), носят весьма частный характер.

Величина общего диапазона нагрузок (0,0002…50 кН) и скоростей (0,001…200 м/с) влияет на типоразмер машины. Компановка машины зависит от конструкции ее рабочих органов, обеспечивающих получение требуемой информации.

Независимо от конкретной задачи исследований, наиболее общая компоновка машины трения может быть представлена в виде блок -схемы на рисунке 1.29. В каждой конкретной конструкции могут отсутствовать отдельные блоки, но общая их компоновка сохраняется.

Рабочий орган машины – узел трения- в ряде конструкций помещен в специальную камеру (пунктирный контур на рисунке 1.29), в которой система обеспечения внешних условий поддерживает требуемую температуру, вакуум или заданную среду, подает жидкую или консистентную смазку. Узел трения получает движение от привода и нагрузку от соответствующего блока. Блок управления обеспечивает требуемую программу исследований. Измерительный блок включает систему датчиков, преобразователи и усилители сигналов. Фиксирование информации в зависимости от частоты сигнала может осуществляться на самопишущий потенциометр, шлейфовый осциллограф или другую аппаратуру.

Прямые связи на схеме обозначены двойными линиями, обратные – одинарными.

Рассмотрим компоновку рабочих узлов основных типов российский и зарубежных (США) машин трения (таблица 1.4). Условия контактирования рабочих узлов варьируется от одноточечных до конформных.

Диапазон нагрузок и скоростей достаточно широк и позволяет решать значительный набор триботехнических задач. Однако, по данным зарубежных исследователей полученные результаты для одних и тех же экспериментов варьируются не только при реализации опытов на одной и той же машине трения, но, в гораздо большей степени, на разных машинах трения. А наиболее серьезным обстоятельством является существенное отличие итогов лабораторных исследований от промышленных результатов.

Данные, полученные на отечественных машинах трения, также весьма сильно разняться между собой и отличаются от результатов, полученных в реальных промышленных условиях. В качестве примера рассмотрим графики на рисунке 1.30, на которых показана величина относительного износа стали Х12Ф1, в зависимости от температур термообработки на различных лабораторных установках и в реальных условиях. Это различие достигает ~ 140 %, что, безусловно, недопустимо.

Таблица 1.4 - Основные характеристики машин трения

№ п/п	Марка	Схема рабочего узла	Предельные режимы
Нагрузка, кН	Частота, мин-1 (скорость м/с)
	МАСТ-1		0,11	1,0
	ЧШМ	12,0	(0,55)
	Timken		1,0	(2,74)
	Falex		20,4	(0,1)
Окончание таблицы 1.4
	2
	Nishihara		2,5
	Amsler	0,25	400/120
	МИ-1м		0,2
		5,0
	JAT		2,6∙10-9
	Asmen-Wieland			(0,066)
	Kiwat-4		0,8
	Kiwat-1			(4)
	2168УМТ «Унитриб»		5,0
	UU-5018		5,0

В последнее время развитие конструкций машин трения привело к созданию более универсальных, более производительных (многоместных) и более точных машин.

Примером может служить триботехнический комплекс 2168 УМТ «УНИТРИБ» для исследования фрикционной теплостойкости, разработанный на базе машины МФТ.

Другим примером является триботехнический комплекс ИИ – 5018 и еще ряд других.

Несмотря на совершенствование конструкций машин трения, соответствие полученных на них результатов реальности до сих пор полностью не решено. Представляется, что существенный сдвиг в этом направлении может быть достигнут при изменении методики моделирования с учетом динамических свойств самой машины, трибоконтакта и их взаимовлияния. При этом оценка уровня влияния машины трения должна базироваться не столько на качестве самой машины, сколько на сопоставимости полученных на ней результатов с реальностью.