Трибометры, работающие по схеме «палец-диск»

       Известно множество приборов, реализующих схему трения «палец-диск», к одним из которых относится трибометр ПД-2, разработанный в ИММС НАН Беларуси. Трибометр ПД-2 позволяет с большой точностью определять износостойкость и коэффициент трения блочных материалов и тонких (менее 1 мкм.) покрытий в зависимости от скорости скольжения, нагрузки, типа смазочного материала.

    Технические параметры трибометра позволяют проводить исследования по стандартам ASTM G 99 (США) и DIN 50324 (Германия), а также. по уникальным методикам. Управление ходом эксперимента производится с помощью ПЭВМ (программное обеспечение работает в среде Windows XX). Внешний вид трибометра показан на рис. 1.15.

Рис. 1.15. Внешний вид трибометра ПД-2.

Таблица 1.2

Основные технические характеристики прибора ПД-2

Размеры образцов, мм -палец (диаметр) -диск (диаметр)	3...6 20...80
Скорость вращения диска, об/мин	150...1000
Нагрузка, Н	0.5...50
Радиус трения, мм	0...50
Измеряемые характеристики: -сила трения, Н -температура фрикционного разогрева, °С -линейный износ (профилометрирования, мкм	0.05...50 20...400 до 0,05
Габаритные размеры, мм	450х350х550

 

Универсальные машины трения

Универсальные машины трения обеспечивают при триботехнических испытаниях реализацию двух и более схем трения. Универсальное оборудование позволяет использовать один привод для воссоздания различных схем испытаний. При этом существенно экономится пространство в испытательной лаборатории. Широкие функциональные возможности универсальных машин трения достигаются ценой их значительного усложнения и удорожания (на рынке их цена не спускается ниже 1 млн. рублей).

Одной из ставших классическими универсальных машин трения является машина трения Амслера (рис.1.16) – МИ-1М — лабораторная испытательная установка для исследования фрикционных и антифрикционных мате­риалов на трение и изнашивание в условиях качения или скольжения (рис. 1.17).

 

Рис. 1.16. Схема машины трения МИ-1М.

 

Рис. 1.17. Основные схемы испытаний на машине трения МИ-1:

а - трение качения (V1=V2); б - трение скольжения (V1=0).

 

При испытании в условиях качения в контакте находятся ролики 3 и 5, вращающиеся с постоянной скоростью. В условиях скольжения верхний ролик за­меняется неподвижным вкладышем. Ролики приводятся во вращение электродвигателем 1, нагрузка за­дается пружиной 4. Момент трения регистри­руется маятниковым устройством 2 и запи­сывается на барабане 6. Температура определяет­ся термопарой, износ образцов — микрометрированием.

Верхняя каретка может совер­шать колебательные движения с амплитудой 8 мм. Нагрузка на образцы может периоди­чески изменяться с помощью эксцентрика.

Технические характеристики машины трения МИ-1М:

диаметр ролика, мм                 40;

ширина ролика, мм                 10;

длина вкладыша по хорде, мм        20;

скорость вращения, об/мин            200;

осевая нагрузка, кгс                      26—200;

мощность двигателя, кВт              0,8.

Методика испытаний содержит следующие операции.

Откинуть каретку 7 до упора вверх и закрепить гайками на нижнем и верхнем валах образцы 3, 5. 

 После установки образцов плавно опустить каретку 7 до соприкосновения образцов и проверить их радиальное биение, которое не должно превышать 0,05 мм при проворачивании валов от руки.

Установить требуемую скорость вращения валов при помощи сменных колес и шестерен.

Проверить тарировку показаний маятникового устройства 2 для оценки момента трения (  [Н×м], где m – масса навески, кг; D - отклонение стрелки, см).

Разместить на станине под нижним образцом 3 ванночку с испытываемым смазочным материалом так, чтобы нижняя часть образца была погружена в смазочную жидкость, и, проворачивая вал вокруг оси, смочить рабочую поверхность образца.

Надеть нагрузочную скобу на кронштейн и, вращая винт нагружения, привести его в соприкосновение с опорной пятой кронштейна.

Включить машину в сеть и запустить двигатель 1, нажав на кнопку "Пуск", расположенную на панели управления машины.

Нагружая образцы медленным и плавным вращением винта нагружения и фиксируя изменения положения стрелки маятникового устройства, показывающего величину момента трения, построить график зависимости момента трения от величины приложенной нагрузки.

По окончании испытания нажать на кнопку "Стоп" и отключить машину от электросети.

Коэффициент трения при испытаниях можно оценить по формуле , где N – нормальная нагрузка, Н; d – диаметр ролика, м.

Более современным аналогом установки МИ-1М, заменившим также известные машины 2070 СМТ-1 и СМЦ-2, является машина трения ИИ 5116-01, предназначенная для испытания трение и износ металлов и сплавов, жестких конструкционных пластмасс и композитов. Машина предназначена для эксплуатации в помещениях лабораторного типа (рис.1.18). Технические характеристики машины трения ИИ 5116-01, приведенные на сайте завода-изготовителя [http://tm37.ru/mid/3/id/83/] приведены в таблице 1.3.

 

Рис.1.18. Машина трения ИИ 5116-01.

Таблица 1.3

 

Технические данные машины трения ИИ 5116-01

Максимальная частота вращения вала нижнего образца, мин-1	2000
Минимальная нормируемая частота вращения вала нижнего образца, мин-1	50
Диапазоны измерения частоты вращения вала нижнего образца:
диапазон А, мин-1	от 50 до 750
диапазон Б, мин-1	от 200 до 2000
Пределы допускаемой приведенной погрешности измерителя частоты вращения вала нижнего образца от верхнего предела измерения каждого диапазона,%	±3
Число разрядов счетчика суммарного количества оборотов вала нижнего образца	6
Максимальный допустимый момент трения, Н.м	20
Минимальный нормируемый момент трения, Н.м	0,5
Диапазоны измерения момента трения:
диапазон 1, Н.м			от 0,5 до 5
диапазон 2, Н.м		от 1 до 10
диапазон 3, Н.м		от 2 до 20
Предел допускаемой приведённой погрешности в режиме статического нагружения, %		1
Максимальное усилие прижима испытываемых образцов, Н		5000
Минимальное нормируемое усилие прижима испытываемых образцов, Н		100

 

 

Продолжение табл. 1.3

 

Диапазоны измерения усилия прижима испытываемых образцов:
диапазон 1, Н	от 100 до 2000
диапазон 2, Н	от 500 до 5000
Коэффициенты проскальзывания образцов "диск-диск" с одинаковыми параметрами, %	(0±2);(10±2); (15±2); (20±2);
Общая потребляемая мощность, не более, кВт	3
Габаритные размеры (ширина - длина - высота), мм:
установка испытательная	1400×700×1300
стойка приборная	600×650×1100
Масса, кг:
установка испытательная	550
стойка приборная	120

 

Наиболее широкими исследовательскими возможностями обладает машина для испытания материалов на трение 2168 УМТ, работающая в широком диапазоне нагрузок, скоростей и схем испытаний. Машина применяется для испытания различных фрикционных и смазочных материалов на трение и износ (рис. 1.19), ее технические характеристики, указанные на сайте завода-изготовителя [http://tm37.ru/mid/3/id/84/], приведены в таблице 1.4.

Последние две машины трения изготавливаются на заводе ООО «Точприбор». Несмотря на широкие возможности универсальной машины трения в настоящее время ее конструкция устарела (в плане системы сбора и обработки данных), а ее использование сдерживается высокой стоимостью[5] (порядка 2,5 млн. руб.). 

Таблица 1.4

 

Технические характеристики машины трения 2168 УМТ

Тип силоизмерителя	пневматический
Предел измерения нагрузки	5000 Н
Диапазоны измерения силы:
диапазон I	от 200 до 1000 Н
диапазон II	от 1000 до 5000 Н
Тип измерителя момента трения	электромеханический
Диапазоны измерения момента трения:
в диапазонах частоты вращения I и III	от 4 до 40 Н.м.
в диапазонах частоты вращения II и IV	от 2 до 20 Н.м.
Привод машины	электромеханический с плавным регулированием частоты вращения
Восемь схем испытания:
вращение:	«Диск-палец» «Кольцо-кольцо» «Вал-втулка» «Диск-колодка»
качание:	«Вал-втулка» «Диск-колодка» «Вал-трубка»
возвратно-поступательное	«Стержень-палец»
Процессы испытания и обработки результатов автоматизированы
Диапазоны измерения частоты вращения:
шпинделя	кривошипа

 

 

Продолжение табл. 1.4

диапазон I – от 15 до 150 мин -1	от 6 до 60 мин -1
диапазон II – от 30 до 300 мин -1
диапазон III – от 150 до 1500 мин -1
диапазон IV – от 300 до 3000 мин -1
Радиусы установки образцов в схеме «палец-диск»: (60±0,2), (90±0,23), (120±0,26), (150±0,26) мм.
Габаритные размеры (длина×ширина×высота), мм:
установки испытательной	760×1750×1900
пульта управления	650×850×1700
пульта с силовым оборудованием	600×750×900

Рис. 1.19. Универсальная машина трения

 

Одной из последних разработок в области создания универсальных машин трения является предлагаемая на рынке установка МТУ-1 концерна «Наноиндустрия» (рис. 1.20). Машина предназначена для проведения испытаний на трение и изнашивание металлических и неметаллических материалов в условиях применения различных смазочных материалов (масла и пластичные смазки)[6].

С помощью машины трения МТУ-01 можно производить оценку триботехнических характеристик различных материалов и смазочных составов, при проведении научно-исследовательских работ для определения оптимальных сочетаний материалов и смазочных составов с целью повышения износостойкости различных узлов машин и механизмов, а также в учебных целях при проведении лабораторных и исследовательских работ по триботехнике.

 

Рис. 1.20. Общий вид машины трения МТУ-1

 

Метод испытаний основан на взаимном перемещении прижатых друг к другу с заданным усилием испытываемых образцов в среде смазочных материалов или без них. В процессе испытания регистрируется момент трения с графическим отображением его изменения, а также температура испытуемых образцов. Схема контакта: торец вращающегося ролика и неподвижный диск[7].
Момент трения регистрируется тензодатчиком, температура - термопарой. Регистрируемые параметры записываются и обрабатываются с использованием компьютера. Нагрузка на узел трения фиксируется при испытании динамометром образцовым механическим 3 разряда, ДС-0,2.

В качестве привода используется настольный сверлильный или сверлильно-фрезерный станок.

    Машина трения МТУ-1 имеет следующие технические характеристики:

Номинальное напряжение 220 В;

Частота тока 50 Гц;
Род тока питающей сети: переменный, однофазный;
Потребляемая мощность: не более 0,6 КВт;
Скорость вращения образца без нагрузки: не более 3000 об/мин;
Усилие прижима испытываемых образцов: в пределах 50-800 Н;
Масса: не более 50 кг.

Схожая по техническим характеристикам универсальная машина трения серии «Универсал» будет подробно описана в следующем разделе. 

Среди отечественных универсальных машин трения можно отметить еще ряд моделей. УТУ1, УТУ2 и УТУ3.

Универсальная триботехническая установка поступательного типа УТУ 1 позволяет определять силы трения при вдавливании разных типов инденторов в поверхность тела и константы трения; исследовать фрикционные автоколебания и процесс качения колеса; оценивать температурную стойкость смазочных материалов при граничном трении; выявлять зоны предварительного смещения и получать зависимость предельной силы трения покоя от времени неподвижного контакта. Используется блок управления и набор сменных приспособлений, закрепляемых разными способами в пространстве между подвижным столиком и нагружающим устройством. Основные характеристики установки приведены в таблице 1.5.[8]

 

Таблица 1.5

 

Технические характеристики устройства УТУ1

 

Максимальная сила вертикальной нагрузки, Н	5000
Диапазон регулирования хода столика, мм	от 20 до 200
Диапазон плавного регулирования скорости движения столика, м/с	от 0 до 0,05
Диапазон температуры нагрева зоны трения, °С	от 20 до 250
Диапазон температуры нагрева испытуемых масел, °С	от 20 до 400
Электропитание от трехфазной сети переменного тока:
напряжением, В	380
частотой. Гц	50
Потребляемая мощность, Вт	1500
Габаритные размеры, мм:
установки	900х800х1500
блока управления	850х380х580
Масса (общая), кг	270

 

Универсальная триботехническая установка ударного типа УТУ 2 позволяет определять диссипативные характеристики фрикционных материалов и исследовать процесс теплообразования при соударении шероховатых поверхностей[9]. В машине используется блок обработки сигналов и набор сменных приспособлений. Технические характеристики приведены в таблице 1.6.

 

Таблица 1.6

Технические характеристики установки УТУ 2:

Сила удара, кН	10
Диапазон температуры нагрева образца, ° С	от 20 до 200

 

Продолжение табл. 1.6

Электропитание от сети переменного тока:
напряжением, В	220
частотой, Гц	50
Потребляемая мощность, Вт	1000
Габаритные размеры, мм:
установки	700х300х500
блока обработки сигналов	300х200х140
Масса (общая), кг	30

Универсальная триботехническая установка вертикального типа УТУ 3 позволяет определять интенсивность изнашивания материалов при граничной смазке, в агрессивной среде и условиях ударного воздействия; оценивать антифрикционные и противоизносные свойства твердых смазочных покрытий. Технические характеристики установки приведены в таблице 1.7.

Таблица 1.7

Технические характеристики установки УТУ 3

Диапазон температуры нагрева трущихся поверхностей образцов, °С	от 15 до 450
Диапазон силы трения в зоне контакта образцов, Н	от 1 до 250
Электропитание от трехфазной сети переменного тока:
напряжением, В	380
частотой, Гц	50
Потребляемая мощность, В·А	1000
Габаритные размеры, мм:
установки	600х500х1350
блока обработки сигналов	300х200х140
Масса (общая), кг	205

 

Среди зарубежных универсальных машин трения можно привести установку МТ-393, разработанную фирмой Metrotex[10] (рис. 1.21).

Рис. 1.21. Машина трения MT-393.

 

Оборудование предназначено для испытания фрикционных, антифрикционных и смазочных материалов на трение и износ в широком диапазоне режимов. Большой набор сменных приспособлений позволяет реализовать различные схемы испытаний, моделирующих работу трибосопряжений в узлах трения (см. таблицу 1.8), в т.ч. реализовать испытания по стандартам ASTM D3702-94; ASTM G99-05.

Установка позволяет проводить испытания различных металлов и сплавов, пластмасс, покрытий, резины, керамики и т.д. при различных видах трения (качения, скольжения, качения с проскальзывание). Испытания могут проводиться в различных смазочных средах или без них (сухое трение).  

Таблица 1.8

Технические характеристики машины трения MT-393.

Диапазон нагрузки	10 ~ 1000 Н (бесступенчатое)
Относительная погрешность измерения нагрузки	± 1%
Диапазон измерения момента трения	до 2,5 Н×м
Относительная погрешность оценки момента трения	± 2%
Диапазон скоростей вращения шпинделя	1…2000 об/мин, линейная скорость до 4 м/с.
Испытательная среда	масло, вода, суспензии, абразивные жидкости и т.д.
Диапазон регулирования температуры	От комнатной температуры до 200°C
Время испытания	10 сек … 9999 мин
Обработка экспериментальных данных	Имеется программное обеспечение для автоматического выполнения следующих операций: управления машиной, ее тестирования, отображения различных параметров в режиме реального времени, записи величины момента трения во времени и кривой температура-время-трение.
Реализуемые пары трения (за счет комплекта приспособлений)	- "штифт-плоскость" малого и большого диаметра; -кольцевая пара трения "плоскость - плоскость" малого диаметра; -кольцевая пара трения "плоскость - плоскость" большого диаметра; - "шар- плоскость"; - четырехшариковая схема трения.