Машины трения

Машина трения – это устройство для воспроизведения трибологического процесса в контролируемых условиях, обеспечивающее контроль входных и выходных параметров. Трибологический процесс осуществляется между образцами из исследуемых материалов заданной формы.

Машина трения состоит из привода, осуществляющего относительное перемещение контактирующих образцов, устройств для установки испытательных образцов, устройства для нагружения узла трения, устройства для контроля выходных параметров и ряда дополнительных устройств (для подачи смазочного материала на фрикционный контакт, нагрева узла трения или создания в нем криогенных температур, для обеспечения проведения испытания в контролируемой атмосфере и т.д.).

Машины трения могут быть специализированными, т.е. позволяющими исследовать трибологические свойства материалов в строго заданных условиях, или же универсальными, позволяющими испытывать трибологические свойства материалов при варьировании характера относительного движения.

Современные машины трения обеспечивают широкий диапазон изменения условий испытаний трибологических свойств материалов. Так, могут быть воспроизведены и квазистатическое, и кинетическое трение (по кинетике процесса), может быть воспроизведено скольжение в контакте трущихся тел, качение, качение со скольжением, верчение (по кинематике трибологического процесса). По характеру относительного движения трущихся тел движение может быть непрерывным или прерывистым. По характеру относительного перемещения воспроизводят либо поступательное, либо возвратно-поступательное движение. Возможны другие комбинации различных видов движения, например трение вращающегося вала по осциллирующей колодке или возвратно-вращательное движение. Может быть воспроизведено трение при ударе, трение в различных средах, трение в широком интервале температур – от криогенных до сотен градусов Цельсия.

Эти режимы трибологического процесса реализуются на машинах трения с различными схемами контакта трущихся образцов. По геометрии контакта различаются следующие разновидности номинального фрикционного контакта (рис. 1).

Рисунок 1. Распространенные схемы трения, реализуемые на современных лабораторных установках для трибологических испытаний (по В.В. Грибу): N – нагрузка на узел трения; ω – угловая скорость; V – линейная скорость; n – частота осциляций

I.       Контакт поверхностей трения по номинальной площади (схемы 1-5) реализуется в следующих схемах трения.

Торцовый контакт вращающейся и неподвижной втулок (схема 1). Широко используется при реализации метода оценки фрикционной теплостойкости (ГОСТ 23.210-80), заключающегося в том, что неподвижную и вращающиеся втулки прижимают друг к другу торцами заданным осевым усилием и ступенчато повышают температуру фрикционного разогрева путем увеличения частоты вращения подвижного образца. При каждой из температур разогрева оценивают коэффициент трения сопряжения и измеряют износ трущихся тел. Воспроизводится на универсальной машине трения УМТ-1.

Контакт торца неподвижного цилиндрического образца и вращающегося диска (схема 2). Применяется также в машине трения УМТ-1. В другом варианте этой схемы с вращающимся диском контактирует поступательно перемещающийся цилиндрический образец, так что траектория представляет собой спираль Архимеда. Такая схема используется в машинах для испытаний на изнашивание о закрепленный абразив. Наиболее известна машина Х4-Б, позволяющая оценивать относительную износостойкость твердых тел при трении по шлифовальной шкурке (ГОСТ 17367-71). Параллельно испытывают два образца при одинаковых условиях. Один из образцов – эталонный, второй – исследуемый, и об износостойкости материалов при абразивном изнашивании судят по соотношению их износов. Такое представление результатов эксперимента позволяет исключить влияние качества шлифовальной шкурки.

Контакт плоских образцов, один из которых совершает возвратно-поступательное перемещение (схема 3). Осуществляется в машине трения 77МТ и в машине трения Кишиневского политехнического института. Одна из схем трения, реализуемых в вибротрибометре 8КУ фирмы Оптимоль (ФРГ). В последнем случае осциллирует верхний образец, а нижняя пластина неподвижна. Еще одно отличие вибротрибометра от других машин трения, осуществляющих возвратно-поступательное движение, состоит в том, что в этих машинах длина хода подвижного образца – десятки миллиметров, а в вибротрибометре – десятые и сотые доли миллиметра. Такая разница в длине хода обусловлена необходимостью воспроизвести в первом случае трибологический процесс при относительно большой длине хода, а во втором – при достаточно малой (например, при воспроизведении процесса фреттинг-коррозии).

Схема трения вал – подшипник (схема 4) реализуется в серийных машинах трения Ивановского АО «Точприбор»: 2168 УМТ и ИИ 5080 СМТ, а также в ряде других установок. В различных вариантах может осуществляться вращательное либо возвратно-вращательное движение. Применяется при подборе совместимых конструкционных и смазочных материалов для подшипниковой пары.

Схема трения вал – частичный вкладыш (схема 5). Применяется в машине СМТ-1, в ряде более ранних моделей такой машины СМЦ-2, МИ-1, в машине трения фирмы «Амслер». Применяется, в частности, при лабораторных испытаниях для оценки относительной прирабатываемости и стойкости к заеданию антифрикционных материалов и покрытий на металлической основе при трении в режиме смешанной смазки по ГОСТ 23.215-84.

II. Линейный контакт трущихся поверхностей (см. рис.1, схемы трения 6-10) реализуется в следующих схемах трения:

Вращающийся вал – прямоугольный брусок (схема 6). Одна из наиболее распространенных схем в трибологии. Используется в машине трения фирмы «Тимкен», а также в ряде методик, реализуемых на машинах трения, осуществляющих вращательное движение вала (машина Шкода-Савина, машина МИ-1М и т.д.).

На машине Тимкен при частоте вращения вала-ролика 800 мин^-1 (либо при 3600 мин^-1 по методике фирмы «Форд») методом ступенчатого нагружения оцениваются противозадирные свойства смазочных материалов (по А8ТМ Б 2509 – пластичных смазок, по А8ТМ Б 2782 – индустриальных и редукторных масел) либо в широком интервале изменения частоты вращения вала и нагрузок на узел трения исследуют противоизносные свойства масел. Эта же схема, согласно ГОСТ 23.204-78, применяется при экспериментальной оценке истирающей способности обработанных радиальных поверхностей цилиндрического образца, изнашивающего плоскую поверхность эталонного образца. Линейный контакт быстро превращается в контакт по плоскости.

Схема трения вал – два вкладыша (схема 7). Диаметр вала несколько меньше, чем диаметр отверстия во вкладышах, так что в подобной схеме осуществляется начальный линейный контакт. Эта схема применяется в известной маслоиспытательной машине Алмен-Виланд (диаметр вала 6,35 мм, диаметр отверстия на 0,178 мм больше). Испытания на этой машине проводят при ступенчатом повышении нагрузки на узел трения до реализации заедания.

Схема трения сфера-кольцо (схема 8). Вращающийся шар контактирует со сферическим пояском того же радиуса, выточенным или выдавленным на пересечении торца и внутреннего отверстия кольца. Ширина пояска очень мала (обычно 0,2 мм), и поэтому контакт в первом приближении может рассматриваться как линейный. Одна из схем, предусмотренных при испытании смазочных материалов температурным методом по ГОСТ 23.221-81 и реализуемых на машинах трения КТ-2 и МАСТ-1.

В схеме контакта 9 вращающийся валик обжимается с двух сторон торцами двух цилиндров большего диаметра с Ч-образным вырезом с углом 90°. Такая схема трения применена в маслоиспытательной машине трения фирмы «Фалекс». Валик имеет диаметр 6,35 мм, нагружение образцов осуществляется гидравлически.

Если рассмотренные выше схемы контакта предназначены для воспроизведения трения скольжения, то схема трения 10 – два вращающихся цилиндра – может осуществлять как скольжение, так и качение с проскальзыванием в зависимости от направления и величины угловых скоростей ω₁ и ω₂. Это одна из самых распространенных схем контакта, широко применяемая при моделировании трения в зубчатых передачах. Воспроизведена в различных машинах трения: в серийной машине СМТ-1, ранее выпускаемых машинах СМЦ-2, Амслер, МИ-1М и ряде специальных роликовых стендов. В отдельных случаях стенды дают возможность изменять скорости каждого ролика в отдельности, что позволяет получать различные соотношения скоростей скольжения и скоростей качения, получать чистое качение или чистое скольжение.

III.    Точечный контакт трущихся тел (см. рис. 1, схемы трения 11-14). Точечный контакт, по определению Ю.Я. Подольского, осуществляется для цилиндров, сфер, конусов и плоскостей.

Схема трения перекрещенные цилиндры (схема 11) – в настоящее время применяется относительно редко. Однако достаточно широко распространены схемы контакта, осуществленного для перекрещенных конуса и цилиндра, сферы и цилиндра, конуса и сферы. При этом может происходить вращение одного из элементов узла трения или обоих (как на рисунке). Если один из образцов будет при этом еще поступательно перемещаться, то испытание будет постоянно осуществляться по свежей поверхности. Использование точечного контакта трущихся тел при трибологических испытаниях во многих случаях весьма рационально. Во-первых, пары трения с точечным контактом позволяют реализовать высокие контактные давления, характерные для таких узлов трения, как зубчатые передачи, подшипники качения, сопряжения кулачок-толкатель и т.д. Во-вторых, такие пары трения не требуют приработки для обеспечения конформности контактирующих поверхностей. И, наконец, пятно износа легко контролировать. Разумеется, пары трения с точечным контактом (например, опоры качения) достаточно корректно воспроизводить на модели узла трения с точечным контактом. Но наиболее широко испытательные узлы трения с точечным контактом используют при сравнительных испытаниях смазочных материалов.

Трение сферы по плоскости (схема 12). Схема трения достаточно распространенная. Относительное перемещение элементов этой трущейся пары осуществляется либо по схеме 2 (т.е. сфера, контактирующая с вращающимся диском, как, например, в машине трения ДС-1), либо по схеме 3 (т.е. сфера, контактирующая с поступательно (как в известной машине Боудена-Лебена), либо с возвратно-поступательно движущейся пластиной, как в одной из схем трения, реализуемых в вибротрибометре 8КУ).

Четырехшариковая схема трения (схема 13) – вращающийся верхний шарик зажатый в шпинделе машины, контактирует с тремя нижними, установленными в специальной оправке в горизонтальной плоскости симметрично относительно оси шпинделя, в котором установлен верхний шарик. Такая схема трения использована в самой известной маслоиспытательной машине. В зависимости от конструкции узла трения четырехшариковая машина может воспроизводить трение скольжения или трение качения. Наиболее распространена четырехшариковая машина скольжения, в которой нижние шары диаметром 12,7 мм зажаты в оправке и остаются неподвижными, в то время как такой же верхний шарик, вращаясь с частотой 1500-1760 мин^-1 под нагрузкой, вытирает на них лунки, размеры которых характеризуют смазочные свойства исследуемых масел. Данная машина трения используется для оценки критической нагрузки Р_к, нагрузки сваривания Р_с, индекса задира и других характеристик смазочных материалов. Такие характеристики свойств смазочных материалов регламентируются в России ГОСТ 9490-75, в США для масел – ASTM D 2783, для пластичных смазок – ASTM D 2596. Аналогичные методы испытаний зафиксированы 1Р 239 (Великобритания) и DIN 51350 (ФРГ).

Зачастую выпускают более мощные четырехшариковые машины, которые позволяют оценивать противозадирные свойства (Four-Ball ЕР Test Machine), и более легкие машины для оценки противоизносных свойств масел (Four- Ball Wear Test Machine). Так, фирма «Фалекс» выпускает четырехшариковые машины марки «Роксана» обоих типов: первого, позволяющего варьировать осевую нагрузку от 60 до 10 000 Н, второго типа – до 500 Н или 1800 Н (ASTM D 2266).

Существует вариант четырехшариковой машины с весьма медленным вращением шпинделя для минимизации фрикционного нагрева контактирующих поверхностей и разделяющего их слоя смазочного материала (испытания на таких машинах проводятся в соответствии с ГОСТ 23.221-84 при объемном нагреве узла трения от внешнего источника тепла, так что температура в контакте практически не отличается от объемной). Смазочную способность масел характеризуют переходные температуры, свидетельствующие об образовании и разрушении граничных смазочных слоев.

В другом варианте четырехшариковой машины с частотой вращения 1500-1700 мм^-1 нижние шары не зажаты в оправке, а катятся (с некоторым проскальзыванием) по внутренней поверхности оправки, в качестве которой применяют наружное кольцо шарикоподшипника либо изготовляют специально. Такие машины применяют для оценки противопиттинговых свойств смазочных материалов. Согласно стандарту Великобритании 1Р 300, испытания проводятся под нагрузкой 6000 Н до наступления питгинга. Такая же нагрузка применяется при испытании по методу, разработанному в ГАНГ им. И.М. Губкина.

Пятишариковая схема трения (схема 14) применяется для воспроизведения трения качения, в качестве испытательных образцов используются стандартные стальные шарикоподшипниковые шары, отличающихся однородностью структуры и состава и высоким качеством обработки поверхности, что обеспечивает хорошую воспроизводимость результатов эксперимента. Рабочий узел такой машины – пирамида из пяти шаров диаметром 9,52 мм. Верхний и нижний шары закреплены на концах валов, каждый из которых может вращаться самостоятельно. Если удержать от вращения чашку, то при вращении валов с нагруженными вертикальными шарами горизонтальные шары обкатываются по наружному кольцу чашки и узел трения имитирует работу подшипника качения. Если же нижний шар не нагружен, то имитируется работа радиально-упорного подшипника.

---

При выборе схемы испытаний следует оценивать возможность воспроизведения на модельном узле трения нагруженного состояния, которое имеет место в натурном узле трения, тип движения: поступательное, возвратно-поступательное, вращательное (качение, качение с проскальзыванием, скольжение), а также температурного режима. Температурный режим во многом определяется коэффициентом взаимного перекрытия (т.е. отношением номинальных площадей, по которым на контактирующих образцах осуществляется процесс трения), определяющим распределение тепловых потоков.

При использовании метода физического моделирования значительное число этих требований учитывается автоматически.

Большое значение имеет качество рабочих поверхностей трущихся тел. При сравнительных испытаниях необходимо обеспечить одинаковое качество поверхностей испытательных образцов. Так, при сравнительных испытаниях смазочных материалов широко применяют четырехшариковую машину, образцы в которой обладают высокой однородностью. При воспроизведении на модели определенного узла трения во многих случаях следует воспроизвести качество рабочих поверхностей трущихся тел, но зачастую модельные образцы изготавливают с более высоким качеством поверхности, чем у натурных деталей.

В том же случае, когда исследователь стремится исключить возможное влияние изменения шероховатости трущейся поверхности в процессе изнашивания, используют метод восстановления шероховатости, например путем установки резца перед изнашивающим образцом. Этот резец снимает тонкий слой металла на изнашиваемом образце и тем самым восстанавливает первоначальную шероховатость.

Методы нагружения узла трения должны обеспечивать плавное приложение и стабильность режима нагружения независимо от изменения в процессе испытания размеров образцов, их биения, от возникающих моментов трения и их изменения. Эти методы обычно достаточно просты. Если по условиям испытаний каждое измерение проводится при постоянной нагрузке, то нагружение узла трения производится либо грузами (иногда через рычаг), либо тарированной пружиной, либо гидравлическими или пневматическими устройствами. Так, грузами нагружают узел трения стандартной четырехшариковой машины, узел трения вибротрибометра SRV, а также известных установок Шкода-Савина, Тимкен и др. Однако при наличии биения вращающихся валов или большой частоты возвратно-поступательного движения образцов в определенные моменты возникают условия, когда нагрузка полностью не передается во фрикционный контакт, а в другие моменты возникают ударные нагрузки.

Это препятствует проведению испытаний в строго контролируемых условиях. Поэтому в таких случаях используют нагружающие устройства, обладающие способностью демпфирования. Наиболее распространены устройства с тарированной пружиной. Цилиндрические пружины широко применяются в машинах трения с вращающимися валами (МИ-1М, СМЦ-2, СМТ-1, ИИ-5018 и т.д.). Гидравлическим устройством для передачи нагрузки на узел трения снабжена упомянутая выше машина трения Алмен-Виланд. Узел трения универсальной машины УМТ-1 нагружается с помощью мембранного пневмопривода. Существуют также установки, где нагружение осуществляется магнитной головкой.

Рассмотренные выше схемы нагружения используются для испытаний при постоянных нагрузках – во всяком случае, постоянных для конкретных ступеней нагружения. Однако существуют методы испытаний, предусматривающие изменение нагрузки на узел трения в процессе работы по определенному закону. Простейший случай изменения нагрузки в процессе испытаний предусмотрен методом оценки противозадирных свойств машиностроительных материалов (ГОСТ 23.213-83). Измерения производятся при схеме трения – перекрещенные цилиндры (рис. 1, схема 11), причем осуществляется поступательное движение одного цилиндра (или сочетание поступательного и вращательного) относительно неподвижного другого. Нагружение осуществляется плоскими пружинами, причем предусмотрено линейное увеличение нагрузки за счет поджатия пружины неподвижными клиньями, относительно которых перемещается образец и нагружающие его пружины. Простая схема непрерывного нагружения узла трения модернизированной машины трения типа МИ применена Л.Ю. Пружанским. Нагружающая пружина заменена рычагом, на котором подвешен бак, куда с постоянной скоростью подается вода. Большие возможности для нагружения узла трения по заданному закону дает применение узла трения с гидравлическим или пневматическим приводом. Более сложным является осуществление обратной связи нагрузки с каким-либо выходным параметром, например с износом для обеспечения постоянного давления во фрикционном контакте или с моментом трения. Самый простой случай последней обратной связи – отключение машины при достижении во фрикционном контакте предельного момента трения.

Привод машин трения

Первые машины трения приводились в действие весом падающего груза (машина Кулона). В современных лабораторных установках приводом служит главным образом электродвигатель и передаточный механизм, устройство которого определяется кинематикой фрикционного сопряжения. В простейшем случае (например, в стандартной четырехшариковой машине ЧМТ-1) шпиндель машины непосредственно соединен с валом электродвигателя. Варьирование частоты вращения электродвигателя в различных установках осуществляется ступенчато за счет сменных шестерен или бесступенчато за счет тиристорного привода. Осциллирующее движение образцов осуществляется электромагнитом (вибротрибометр SRV и др.). Для воспроизведения поступательного и возвратно-поступательного перемещения трущихся тел используется гидравлический привод (машина Боудена-Лебена), электрический привод с кривошипно-шатунным механизмом преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное (машина 77 МТ, приспособление к универсальной машине трения 2168 УМТ «Унитриб» и т.д.).

Литература

1. Доценко А.И., Буяновский И.А. / Основы триботехники. Учебник. - М.: Инфра-М, 2014.
2. Комбалов B.C. Методы и средства испытаний на трение и износ конструкционных и смазочных материалов. Справочник. – под ред. К.В. Фролова, Е.А. Марченко. – М.: Машиностроение, 2008.
3. Смазочные материалы. Антифрикционные и противоизносные свойства. Методы испытаний: Справочник / Р.М. Матвеевский, В.Л. Лашхи, И.А. Буяновский и др. – М.: Машиностроение, 1989.