Как проводятся лабораторные испытания антифрикционных свойств СОЖ на машине трения Рейхерта

Машина трения Рейхерта – один из основных инструментов для лабораторной оценки смазочно-охлаждающих жидкостей в условиях контролируемого трения и нагрузки. На этой установке определяют два ключевых показателя: линейный износ и интенсивность изнашивания пары трения, а дополнительно – коэффициент трения материалов. Для инженеров и закупщиков, которые выбирают СОЖ на основе лабораторных данных, важно понимать логику испытаний, параметры и то, как результаты переводятся в практические рекомендации. Эта статья разбирает методику, стандарты, численные примеры и типовые ошибки при интерпретации данных триботестирования.

Принцип работы машины трения Рейхерта и ее роль в оценке СОЖ

Машина Рейхерта применяется для определения противоизносных и противозадирных свойств смазочных материалов. Конструкция установки включает два ролика: один неподвижный, второй вращается с заданной частотой. Оси роликов расположены перпендикулярно друг другу. Образцы прижимаются с необходимым усилием, в зазор между роликами подается исследуемая смазочно-охлаждающая жидкость или проводится испытание в сухих условиях.

Процесс разделен на два этапа. Сначала испытывают пару трения без смазочной жидкости как контроль, затем с одной или несколькими СОЖ в идентичных условиях температуры, нагрузки и скорости. После завершения испытания измеряют линейный износ роликов, рассчитывают интенсивность изнашивания (износ, отнесенный к единице нагрузки и расстояния скольжения) и фиксируют момент предельного режима, где начинается схватывание пары.

Результаты сравнивают между контролем и образцами СОЖ. Если интенсивность изнашивания снижается в 2-3 раза, это указывает на хорошие противоизносные свойства жидкости. В модернизированных установках с плавным нагружением и силоизмерительными датчиками удается одновременно определять коэффициент трения, расширяя возможности метода.

Стандарты и методики испытания: ASTM G99, ASTM D2782 и схема Рейхерта

Для испытаний антифрикционных свойств применяют несколько дополняющих друг друга стандартов. ASTM G99 задает схему сфера-диск: фиксированная сфера прижимается к вращающемуся диску, и в зазор подается смазочная жидкость. Этот метод дает коэффициент трения покоя и коэффициент трения скольжения, которые отражают, насколько эффективно жидкость снижает сопротивление.

ASTM D2782–20 – стандарт, описывающий испытания смазочных материалов по методике Рейхерта с уточнением геометрических и режимных параметров. Внешний диаметр вращающегося диска составляет 65 мм, внутренний -16 мм. Объем СОЖ должен быть достаточен для погружения подвижного ролика не менее чем на 2 мм. Эти размеры критичны для воспроизводимости: малый объем жидкости может привести к ее нагреванию и окислению, что исказит результат.

В практике испытания СОЖ часто используют в виде водных растворов, например 5% концентрации. Концентрация влияет на результаты, поэтому ее всегда указывают в отчете. Так, в одной из лабораторных работ при испытании 5% раствора СОЖ на ASTM G99 получили коэффициент трения покоя 0,188 (контроль без смазки -0,950) и средний коэффициент трения скольжения 0,140 (против 0,667 в контроле). Это означает, что жидкость снизила трение скольжения в 4,76 раза.

Ключевые выходные параметры и как их интерпретировать

Каждое испытание на машине Рейхерта дает не одно число, а набор показателей. Линейный износ – расстояние (в миллиметрах), на которое углубилась полировка на поверхности ролика. Интенсивность изнашивания – это износ, нормализованный на прилагаемую нагрузку и путь скольжения; единица измерения обычно мг/(N·м) или мм³/(N·м). Чем ниже интенсивность, тем лучше защита от абразивного взаимодействия.

Нагрузка схватывания – это усилие, при котором пара переходит в режим граничного смазывания, появляется скрип и начинается микросхватывание. Признаки предельного режима – остановка электродвигателя, превышение допустимого тока или звуковой сигнал из пары трения. Чем выше нагрузка схватывания, тем лучше противозадирные свойства смазки.

На практике результаты Рейхерта и ASTM G99 дополняют друг друга. Рейхерт показывает устойчивость к износу при нарастающей нагрузке и предельную способность жидкости защитить от задира. ASTM G99 в режиме постоянной нагрузки показывает стабильность коэффициента трения во времени и его абсолютные значения. Вместе эти методы дают полную картину поведения СОЖ под нагрузкой.

В одной из лабораторных серий применение СОЖ по сравнению с контролем снизило интенсивность изнашивания в 1,91 раза и одновременно уменьшило коэффициент трения покоя в 5,05 раза. Это редкий случай одновременного улучшения обоих показателей, что указывает на высокий уровень смазывающей способности и чистоты рецептуры.

Подготовка образцов и условия испытания

Перед испытанием образцы роликов проходят подготовку: их очищают от заводского защитного слоя, а поверхность доводят до стандартной шероховатости. Материалы пары трения выбирают в соответствии с задачей: для общей оценки используют сталь 45 или аналогичную углеродистую сталь средней твердости. Если нужно оценить поведение СОЖ на антифрикционных сплавах (например, бронзе или латуни), используют соответствующие образцы; в этом случае результаты зависят от прочности покрытия и пластичности антифрикционного материала.

Объем жидкости в кассете выбирают так, чтобы ролики погружались в смазку на требуемую глубину (обычно 2-3 мм). Температура в кассете контролируется: если она поднимается выше установленного диапазона, СОЖ начинает окисляться и результаты теряют репрезентативность. Нагрузка задается с помощью грузов или гидравлического привода и должна оставаться постоянной в течение всего испытания.

Для СОЖ в виде водного раствора концентрацию задают явно (например, 5% или 10% по массе). Вязкость раствора изменяется в зависимости от концентрации и температуры, что влияет на толщину масляной пленки и, как следствие, на коэффициент трения и износ. Поэтому условия подбора концентрации всегда согласуют со спецификацией.

Этапы испытания и фиксация результатов

Испытание начинается с нулевой нагрузки. После включения установки ролик разгоняется до рабочей скорости. Затем нагрузка начинает плавно возрастать (в современных установках) либо подпрыгивает ступенчато (в классических версиях). Параллельно в систему подается смазочная жидкость либо проводится испытание в сухих условиях для контроля.

На протяжении испытания оператор фиксирует:
– текущее значение нагрузки;
– показания силоизмерительного датчика (если установлен);
– звуковые сигналы и вибрацию;
– момент, когда ролик перестает вращаться или срабатывает защита.

Предельное состояние определяется по одному из признаков: остановка электродвигателя из-за избытка трения, превышение допустимого рабочего тока, резкое возрастание температуры. В одной из лабораторных работ для смазочного материала И-20А нагрузка схватывания составила 720 Н, что сравнивали с результатами других образцов. Чем выше эта нагрузка, тем лучше антифрикционные свойства смазки.

После остановки установки образцы роликов извлекают, промывают в органическом растворителе и просушивают. Затем на профилометре измеряют глубину пятна износа (в миллиметрах), а микроскопически осматривают характер поверхности: есть ли задиры, микротрещины, заедания. По результатам расчитывают интенсивность изнашивания, которая служит основным критерием сравнения.

Практический пример: интерпретация данных по антифрикционным свойствам

Рассмотрим реальный случай испытания СОЖ. В одной лабораторной серии образец исследовали по двум методикам одновременно: на машине Рейхерта и по ASTM G99 с теми же материалами и условиями смазывания.

Результаты по ASTM G99 (сфера-диск, 5% раствор СОЖ):
– Коэффициент трения покоя: 0,188 (контроль 0,950, снижение в 5,05 раза)
– Средний коэффициент трения скольжения: 0,140 (контроль 0,667, снижение в 4,76 раза)

Результаты по Рейхерту:
– Интенсивность изнашивания: снизилась в 1,91 раза
– Нагрузка схватывания: возросла на 30% по сравнению с контролем

Такая комбинация (одновременное снижение трения и износа) указывает на высокое качество смазки и хорошую адгезию (прилипание) пленки к металлу. В контрольном опыте без смазки коэффициент трения остался близким к 0,95, что отражает граничный режим сухого трения.

В другой серии испытаний исследователи тестировали несколько образцов СОЖ по Рейхерту с нарастающей нагрузкой и получили интенсивность изнашивания в диапазоне от 1,8 до 58 раз ниже контроля в зависимости от состава. Это показывает, что даже в одном классе смазочных жидкостей есть значительный разброс эффективности, что оправдывает необходимость лабораторных испытаний перед выбором.

Типичные ошибки при проведении и интерпретации испытаний

Первая распространенная ошибка – игнорирование условий смазывания при сравнении. Если для одного образца СОЖ используют 5% раствор, а для другого -10%, результаты не сопоставимы. Вязкость раствора разная, толщина масляной пленки отличается, коэффициент трения будет варьироваться. Закупщики иногда сравнивают паспортные данные разных производителей, не заметив, что испытания проведены при разных концентрациях – такое сравнение приводит к неправильному выбору.

Вторая ошибка – неправильная интерпретация нагрузки схватывания как универсального показателя. Нагрузка схватывания отражает момент переходного режима, но на практике оборудование может работать как ниже, так и выше этого значения. Более важен график зависимости коэффициента трения от нагрузки в рабочем диапазоне, который показывает стабильность жидкости при реальных условиях.

Третья ошибка – прямой перенос лабораторных результатов в эксплуатацию. Машина Рейхерта создает ускоренный режим: две поверхности прижимаются с высокой нагрузкой в узкой контактной зоне. На реальном оборудовании контакт может быть иным (зубья шестерни, скольжение по направляющей, циркуляция в централизованной системе смазки). Результаты Рейхерта служат для ускоренного отбора и сравнения составов, но не заменяют натурные испытания.

Четвертая ошибка – пренебрежение состоянием образцов. Если ролики не очищены должным образом перед испытанием или на них остаются следы окисления, первое испытание даст искаженные результаты. Для корректной серии образцы нужно восстанавливать или хотя бы тщательно промывать между опытами.

Пятая ошибка – отсутствие контроля над температурой жидкости. При длительном испытании под нагрузкой СОЖ нагревается за счет фрикционного выделения тепла. Если температура поднялась на 15-20°C выше, вязкость жидкости упадет, адгезия может снизиться, и результаты потеряют репрезентативность по отношению к эксплуатационным условиям.

Антифрикционные свойства материалов и роль СОЖ в их проявлении

Антифрикционные свойства – это способность материала или пары трения снижать коэффициент трения под нагрузкой. Материалы с хорошими антифрикционными свойствами (медь, бронза, латунь, антифрикционные чугуны) сами по себе имеют коэффициент трения ниже, чем сталь-на-стали. Однако их преимущества раскрываются полностью только при правильно подобранной смазке.

На машине Рейхерта можно оценить, как смазочная жидкость влияет на антифрикционные сплавы. Если испытание проводят с образцами из бронзы или латуни, то в контроле (без смазки) коэффициент трения бронзы будет ниже, чем для стали. После добавления СОЖ этот коэффициент упадет дальше, но величина снижения скажет о качестве жидкости. Если снижение составляет только 20-30%, это означает, что жидкость слабо проникает в поры материала или пленка неустойчива. Хорошая СОЖ снизит трение на 50% и более.

Интенсивность изнашивания для антифрикционных материалов часто выше, чем для стали, потому что материал мягче и легче стирается. Но это не означает, что смазка плохая – просто для мягких антифрикционных материалов требуется более аккуратное нагружение и лучшая гидродинамическая разгрузка. EFELE CF-621 – полусинтетическая водорастворимая СОЖ, которая часто включается в лабораторные тесты на предмет совместимости с антифрикционными сплавами; ее тестируют как в стандартной схеме сталь-сталь, так и в паре с медью или бронзой для проверки избирательного действия.

Высокие антифрикционные свойства: что это означает в практике

Высокие антифрикционные свойства смазки означают, что она обеспечивает коэффициент трения не выше 0,15-0,20 в режиме граничного смазывания и стабильно держит эту величину при возрастании нагрузки. По ASTM G99 и на машине Рейхерта это соответствует одновременному снижению коэффициента трения в 4-5 раз и интенсивности изнашивания в 2-3 раза относительно контроля.

На практике высокие антифрикционные свойства проявляются так:
– Геометрия пары трения остается неизменной дольше; передача усилия – более стабильной
– Генерируется меньше тепла, что снижает тепловую деформацию и увеличивает ресурс
– На линиях обработки материалов заметно снижается вибрация и шум
– Общие энергопотребления оборудования могут снизиться на 5-15% за счет снижения сопротивления

Однако высокие антифрикционные свойства не достаточны сами по себе. Смазка должна также обладать хорошей противоизносностью, чтобы защитить от микросхватывания, и поддерживать свойства в диапазоне рабочих температур. Если коэффициент трения низкий, но интенсивность изнашивания высокая, это может указывать на слабую адгезию и быстрое выдавливание пленки под нагрузкой.

Современные подходы: модернизированные машины трения и расширенные возможности

Классическая машина Рейхерта измеряет в основном износ и нагрузку схватывания. Современные модернизированные установки на ее базе оборудуются силоизмерительными датчиками, системой плавного нагружения и регистрацией в реальном времени. Это позволяет одновременно получать коэффициент трения, его стабилизацию, динамику изменения усилия при переходе в режим граничного смазывания.

Такие установки дают возможность:
– Записывать график трения-нагрузки (F-f график), что помогает выявить нестабильность жидкости
– Определять точку перехода из режима жидкостного смазывания в граничный
– Оценивать адгезию пленки по форме кривой разрушения

В одной из работ по модернизации машины Рейхерта с плавным нагружением удалось выявить, что некоторые СОЖ проявляют нестабильность трения в диапазоне 100-300 Н, где коэффициент трения прыгал на ±0,05. Это означает, что смазка плохо держит пленку и велик риск микросхватывания. На классической машине это явление заметили бы только по повышенному износу, а не по поведению в процессе нагружения.

Часто задаваемые вопросы

Чем отличаются антифрикционные свойства смазки от противоизносных?

Антифрикционные свойства характеризуют способность смазки снижать коэффициент трения (измеряют по ASTM G99, значение 0,1-0,2). Противоизносные свойства показывают, насколько смазка защищает от механического износа пары (измеряют на Рейхерте, значение интенсивности изнашивания). Смазка может быть либо хорошей по трению, но слабой по защите от износа, либо наоборот. Оптимально, когда оба показателя высокие.

Почему результаты Рейхерта не совпадают с поведением на реальном оборудовании?

Машина Рейхерта работает в ускоренном режиме: две поверхности прижимаются с высокой нагрузкой в узкую контактную зону. На реальном оборудовании контакт распределен по площади (зубья, скольжение), температура ниже, режим может быть переходным. Рейхерт служит для сравнения и отбора, но натурные испытания необходимы для валидации.

Какую концентрацию СОЖ следует использовать при испытании на Рейхерте?

Концентрацию задают в соответствии со спецификацией или рекомендацией производителя. Часто это 5-10% водного раствора. Концентрация должна быть указана в отчете, так как она влияет на вязкость и результаты испытания. Разные концентрации дают разные коэффициенты трения, поэтому сравнивать образцы при разных концентрациях неправильно.

Что означает высокий коэффициент трения покоя по ASTM G99?

Высокий коэффициент трения покоя (выше 0,3-0,4) указывает на слабую адгезию смазочной пленки или на ее отсутствие. Это может означать, что смазка содержит мало поверхностно-активных веществ или что ее вязкость недостаточна для создания масляного клина. На практике это приводит к повышенному износу и риску микросхватывания при пусках и остановках.

Может ли одна СОЖ быть хорошей по ASTM G99, но плохой по Рейхерту?

Да. Смазка может обеспечить низкий коэффициент трения в режиме постоянной нагрузки (ASTM G99), но при нарастании нагрузки пленка выдавливается и интенсивность изнашивания становится высокой (Рейхерт). Это означает, что смазка содержит скользящие присадки, но не хватает граничных антифрикционных компонентов. Для надежной работы нужна комбинация обоих свойств.

Заключение

Лабораторные испытания антифрикционных свойств СОЖ на машине трения Рейхерта – это не формальность, а инструмент для ускоренного отбора и сравнения смазок перед их внедрением на производство. Методика основана на ASTM D2782 и дополняется ASTM G99 для полной оценки. Основные выходные параметры – линейный износ, интенсивность изнашивания, коэффициент трения и нагрузка схватывания – дают многомерное представление о поведении жидкости под нагрузкой.

Для практического использования результатов важно помнить, что Рейхерт и ASTM G99 показывают поведение в специфических условиях: узкий контакт, высокая нагрузка, кратковременное испытание. На реальном оборудовании картина может отличаться, поэтому лабораторные данные служат для сравнения и отбора кандидатов, но не заменяют полевые испытания. При выборе СОЖ сверяйтесь со спецификацией оборудования, учитывайте режимы работы (нагрузка, температура, скорость) и требуемые допуски, затем используйте лабораторные результаты как вспомогательный критерий для окончательного решения.