Рассматриваются современные методы и оборудование для испытания и изучения цепных передач, включая специализированные стенды для велосипедных трансмиссий. Анализируются их преимущества, ограничения и перспективные направления развития, такие как применение датчиков нового поколения, автоматизация испытательных процессов. Особое внимание уделяется вопросам стандартизации испытаний и адаптации промышленных методик к специфике велоиндустрии, в научных исследованиях. Установлено, что в большинстве случаев промышленность обходится стандартными расчётными методами и универсальными испытательными машинами, что объясняет ограниченное распространение таких стендов и машин трения. Несмотря на крайне широкое распространение велосипедного транспорта опубликовано крайне незначительное количество литературы, посвящённой износу и эффективности цепей велосипедов.

Таким образом, статья может служить полезным источником информации для специалистов, занимающихся проектированием, испытанием и анализом свойств материалов приводных роликовых цепей в условиях трения и износа.

Цель работы — сравнение триботехнических характеристик промышленных рабочих роликов из стали ШХ15СГ (до и после эксплуатации) и из чугуна ИЧХ28Н2 (до эксплуатации) для выбора материала роликов и увеличения срока службы маятниковых мельниц.

Металлографические исследования выполнены на оптических микроскопах IM7000 с анализатором изображения Thixomet и микровизоре µVizo-MET. Измерения микротвердости проведены в автоматическом режиме по методу Виккерса при нагрузке 50 г по всему сечению промышленных роликов. Триботехнические испытания выполнены на машине трения СМЦ-2 по схеме «ролик — абразивный ролик» оценивая коэффициент трения, износ и шероховатость поверхности.

Установлено, что сталь ШХ15СГ в исходном состоянии имела однородную структуру низкоотпущенного мартенсита с карбидной неоднородностью из (Cr,Fe)₃C (HV 828) со средней твёрдостью HV 630. После 3-х месяцев эксплуатации под действием разупрочняющих процессов (температуры и пластической деформации) в подповерхностных слоях проходила трансформация мартенсита в троостит отпуска, образование полос с мартенситной и мартенситно-трооститной структурой со средней твёрдостью HV 443, что в 1,5 раза меньше, по сравнению с твёрдостью (HV 630) в исходном состоянии.

Чугун ИЧХ28Н2 имел структуру белого доэвтектического чугуна, состоящую из легированного аустенита (670—750 HV), карбидов цементитного типа (Cr,Fe)₃C (856 HV) и специальных карбидов (Cr,Fe)₇C₃ (1389 HV) и (Cr,Fe)₂₃C₆ (1750 HV). Средняя твёрдость чугуна HV 781, что в 1,2 раза выше твёрдости стали в исходном состоянии. Также чугун обладает, по сравнению со сталью, более низким коэффициентом трения (0,58 против 0,68—0,85), в 1,7 раза меньшим износом (214 мг против 358 мг) и способностью к приработке при трении (снижение шероховатости R_a в 3,7 раза). Таким образом, чугун ИЧХ28Н2 рекомендован в качестве материала для роликов маятниковых мельниц, работающих в условиях интенсивного абразивного износа.

В работе выполнена оценка эффективности мягкого газового азотирования легированных конструкционных сталей 38ХМЮА, 38ХН3МА и 38ХН3МФА, применяемых в высоконагруженных зубчатых передачах, а также установлены пределы применения тонких азотированных слоёв с точки зрения контактной усталости. Исследования проводились после азотирования при температуре 580 °С и продолжительности 7 ч с использованием методов микротвердометрии, послойного химического анализа методом высокотемпературного газового анализа, рентгеноструктурного анализа и контактно-усталостных испытаний роликов, моделирующих условия качения с проскальзыванием, характерные для косозубых зацеплений. Установлено, что мягкое азотирование обеспечивает формирование упрочнённого слоя толщиной 0,18—0,25 мм с микротвёрдостью 4,8—5,5 ГПа при сохранении вязкой сердцевины с твёрдостью 240—260 HB. Показано, что при повышенных контактных напряжениях разрушение азотированных образцов инициируется в подповерхностных слоях и развивается по механизму глубинной контактной усталости, сопровождающейся образованием глубинного выкрашивания и так называемой белой зоны. Полученные результаты свидетельствуют об ограниченной эффективности тонких азотированных слоёв в условиях высоких контактных нагрузок и указывают на целесообразность применения материалов с более толстыми упрочнёнными слоями (0,8—1,2 мм) либо конструктивно-технологических решений, направленных на снижение уровня контактных напряжений и повышение ресурса зубчатых передач.

В работе проведён сравнительный анализ трибологических характеристик композиционных материалов на медной основе с различным содержанием (30 об. % и 50 об. %) МАХ-фаз Ti₃SiC₂ и Ti₃AlC₂, полученных методом экструзионного аддитивного производства.

Образцы изготавливали по многоэтапной технологии: смешение порошков, экструдирование, аддитивное формование, декомпозиция полимерного связующего и термообработка. Трибологические испытания проводили в условиях трения скольжения без смазочного материала по схеме «палец–диск» с контртелом из стали ШХ15. Поверхности износа исследовали методами лазерной конфокальной и растровой электронной микроскопии с элементным картированием.

Композиты с 30 об. % МАХ-фазы (Cu–30%Ti₃SiC₂, средний коэффициент трения (КТ) = 0,46; Cu–30%Ti₃AlC₂, КТ = 0,51) демонстрируют значительно более высокие значения КТ в трибосистеме композит—сталь (AISI 52100), по сравнению с образцами, содержащими 50 об. % МАХ-фазы (Cu–50%Ti₃SiC₂, КТ = 0,28; Cu–50%Ti₃AlC₂, КТ = 0,27). На поверхностях износа всех образцов выявлен оксидный слой, образованный оксидами компонентов композита. Механизм изнашивания определён как комбинированный окислительный и адгезионный, со сходной морфологией частиц износа для всех составов. Значения триботехнических характеристик композитов определяются как объёмной долей МАХ-фазы, так и её химическим составом. Повышенная склонность Ti₃SiC₂ к окислению оказывает значимое влияние на формирование трибоплёнки и, как следствие, на коэффициент трения и износостойкость материала.

Политетрафторэтилен (ПТФЭ) обладает низким коэффициентом трения и высокой химической инертностью, что делает его востребованным для изготовления триботехнических материалов. Однако его основным недостатком является низкая износостойкость. Для улучшения характеристик ПТФЭ используют наполнители, среди которых перспективными являются природные силикаты, в том числе и палыгорскит, благодаря их доступности, механической прочности и способности улучшать триботехнические характеристики. Таким образом, целью работы является разработка полимерных композиционных материалов на основе ПТФЭ и природного силиката палыгорскита с улучшенными триботехническими характеристиками.

В качестве исходных материалов использовались порошок ПТФЭ марки ПН-90 и природный палыгорскит Уральского происхождения. Структурный анализ образцов выполняли с помощью ИК-спектроскопии и сканирующей электронной микроскопии с энергодисперсионным анализом, твёрдость измеряли по методу Шора А. Результаты показали значительное улучшение триботехнических характеристик композитов с палыгорскитом по сравнению с исходным ПТФЭ. При добавлении 5 мас. % механоактивированного палыгорскита скорость изнашивания снижалась с 120 мг/ч до 0,36 мг/ч, износостойкость возросла в 330 раз. Коэффициент трения при этом немного повышается, но остаётся на достаточно низком уровне, что связано с изменениями микроструктуры поверхности трения. Результаты проведенных исследований поверхности трения образцов композитов подтверждают формирование прочного износостойкого поверхностного слоя (вторичной структуры).

Полученные композиты перспективны для применения в узлах трения техники и оборудования промышленности, где требуется высокая износостойкость при низком коэффициенте трения.

В статье показана необходимость объединения синергетики и фрактального анализа для изучения контактирующих элементов при трении и изнашивании в рамках самоорганизации в открытых системах диссипативных структур фрактального поведения. Концепция мультифрактального анализа вводит новые количественные параметры структур, характеризующихся спектром обобщённых фрактальных размерностей и отражающих степень хаотичности. В соответствии с многообразием разновидностей трибологического процесса представляются возможными различные сценарии эволюции системы. Наиболее адекватное описание этих сценариев достигается не в реальном физическом, а в гипотетическом пространстве с ультраметрической топологией. Анализируются различные уровни структур (микро-, меза- и макромасштаба) и описываются в рамках мультифрактального анализа. Приводится процедура расчёта мультифрактальной размерности этой структуры и результаты численных расчётов, которые подтверждают, что анализируемый фрикционный узел является неоднородным фракталом, то есть мультифракталом.

Представлены результаты исследования эффективности имплантации ионов меди в поверхность стали для одноименной пары трения без смазочного материала. Показано, что в установившемся режиме трения с имплантированными ионами при дозе облучения 10¹⁷ ион/см² и 5×10¹⁷ ион/см² износостойкость стали повышается в 2 и 1,5 раза. Рассмотрено влияние предварительной имплантации ионов железа дозой 10¹⁶ ион/см². Установлено, что применение предварительной имплантации приводит к повышению износостойкости в 2,5 раза. Поверхность трения образцов с предварительной имплантацией ионами железа имеет минимальные повреждения, и наиболее высокую износостойкость.

Описаны структурные изменений в зоне поверхностной пластической деформации при трении скольжения стали с покрытием на основе меди. Показано, что повышение износостойкости связано с наличием «эффекта дальнодействия», способствующего увеличению износостойкости поверхностных слоёв. Обсуждается механизм «эффекта дальнодействия» в ионно-легированных металлических материалах в условиях контактной деформации.

С помощью метода конечных элементов исследовано влияние нагрузки на напряженно-деформированное состояние армированных металлофторопластовых подшипников скольжения при статическом и динамическом режимах нагружения. Металлофторопластовые подшипники рассматриваются как трёхслойные композиты и исследуются напряжения и деформации основных слоёв: антифрикционного и адгезионного, отвечающих за работоспособность под нагрузкой. Показано различие напряженно-деформированного состояния при статическом и динамическом нагружении подшипников. Установлено, что несущая способность подшипников при динамическом нагружении зависит от соотношения действующих напряжений и деформаций с прочностными характеристиками материала адгезионного слоя. Проведено сравнение полученных результатов расчёта с экспериментальными данными. Удовлетворительная корреляция расчётных и экспериментальных данных позволяет использовать полученную методику для определения динамической грузоподъёмности подшипников скольжения.

В статье рассматривается проблема повышения износостойкости материалов. Основная цель работы заключалась в экспериментальном обосновании эффективности применения пористых полимерных структур, полученных методом 3D-печати и пропитанных смазочным материалом, для улучшения триботехнических характеристик за счёт удержания смазки в порах без химического взаимодействия с материалом основы. Были изготовлены экспериментальные образцы из двух типов полимеров — полилактида (ПЛА) и акрилонитрилбутадиенстирола (АБС), имеющих плотность заполнения 90 %. Затем образцы были пропитаны индустриальным маслом марки И-20 и испытаны на установке трения СМТ-1 согласно стандартной методике. Параллельно изучалась макроскопическая структура образцов с помощью оптического микроскопа. Установлено, что пропитка образцов индустриальным маслом привела к улучшению триботехнических характеристик по сравнению с трением без смазки. Однако, у образцов из ПЛА пластика наблюдалось снижение коэффициента трения примерно на 12 %, тогда как для образцов из АБС сокращение составило порядка 60 %. Это связано с особенностями распределения смазочного материала в пористой структуре полимеров. Несмотря на то, что в образце из ПЛА пластика масса масла была на 38 % больше по сравнению с АБС пластиком, оно находилось в связанном состоянии, что препятствовало его выделению в области трения. Для трения образца из ПЛА пластика величина коэффициента трения была сопоставима с таковой при смазке из смазочной ванны.

Полученные результаты показывают, что внедрение пористых структур, создаваемых методами 3D-печати, с последующей пропиткой смазочным материалом представляет собой эффективный способ снижения износа и повышения эксплуатационных характеристик полимерных материалов.

Предложен многокритериальный подход к комплексному анализу триботехнических характеристик и физико-механических свойств растительных масел для их сравнения и выбора в качестве основы смазочных материалов. Исследовали пищевые масла — рапсовое рафинированное (РП), льняное нерафинированное (ЛП) и подсолнечное рафинированное (ПП), а также технические масла — рапсовое (РТ) и касторовое (КТ). Проведена оценка их жирнокислотного состава, индекса вязкости, температур вспышки и застывания, окислительной стабильности, коэффициента трения, показателя износа, критической нагрузки и нагрузки сваривания. Объекты анализа представляли в виде точек в многомерном пространстве их нормированных физико-механических свойств и триботехнических характеристик. Предложен интегральный критерий сравнения масел как меры расстояния до гипотетически худшего образца, что позволило ранжировать масла по степени пригодности в качестве основы смазочного материала как (от лучшего к худшему): РТ, ЛП, КТ, РП, ПП. Определено положение масел в пространстве главных компонент, установлены направления и величины векторов нагрузок на характеристики масел. Выявлена корреляция физико-механических свойств с триботехническими характеристиками, что позволило связать эти показатели с особенностями жирнокислотного состава масел. На основе анализа расположения образцов в пространстве главных компонент сделан вывод о перспективности создания композиции из масел РТ, КТ и ЛП, с возможным синергетическим эффектом улучшения несущей способности, окислительной стабильности и вязкостно-температурных свойств.

Полученные результаты могут быть использованы для разработки эффективных биоразлагаемых смазочных материалов из растительного сырья.