Vysvetlenie univerzálneho testovacieho stroja vs kompresného testovacieho stroja

A Univerzálny testovací stroj (UTM) vykonáva skúšky ťahom, tlakom, ohybom, šmykom a odlupovaním na jednej platforme — a stroj na testovanie kompresie vykonáva iba tlakové zaťaženie. UTM je schopnejší a drahší nástroj: jeho dvojstĺpový alebo štvorstĺpový rám, obojsmerný pohon a vymeniteľný uchopovací systém mu umožňujú zmeniť smer sily a prispôsobiť sa prakticky akejkoľvek skúšobnej geometrii. Stroj na testovanie kompresie je určený len na tlakové zaťaženie smerom nadol – nemá žiadny mechanizmus na aplikáciu ťahovej sily, vďaka čomu je lacnejší, jednoduchší na obsluhu a vhodnejší na testovanie špecifického tlaku vo veľkom objeme, ako je testovanie betónových kociek, testovanie tehál a kompresia obalov. Ak vaše laboratórium testuje materiály v ťahu alebo ohybe okrem kompresie, UTM je správna voľba. Ak je vaša práca výlučne tlaková – najmä konštrukčné materiály s vysokým zaťažením, ako je betón a murivo – špeciálny tester tlaku poskytuje lepšiu hodnotu a často vyššiu silu na dolár.

Rozdiely v dizajne jadra: Na čo je každý stroj skonštruovaný

Univerzálna architektúra testovacieho stroja

UTM je postavený okolo konštrukčného rámu – zvyčajne dvoch alebo štyroch nosných stĺpov – ktorý nesie pevnú krížovú hlavu v hornej časti a pohyblivú krížovú hlavu poháňanú vodiacimi skrutkami, hydraulickými valcami alebo systémom remeňa a kladky. Pohon je obojsmerný: môže pohybovať krížovou hlavou nahor (napätie) aj nadol (stlačenie) s rovnakou silou. Silomer je namontovaný inline medzi ovládačom a rukoväťami a meria silu v oboch smeroch. Tento symetrický obojsmerný dizajn robí stroj „univerzálnym“.

Skúšobný priestor medzi krížovými hlavami je prístupný z oboch strán, čo umožňuje axiálne zaťaženie dlhých vzoriek. Horné a spodné úchyty alebo upínadlá sú zameniteľné – ten istý stroj môže držať 6 mm drôt v ťahových úchytoch, stláčať penový blok medzi plochými doskami alebo ohýbať lúč cez trojbodové ohýbacie prípravky jednoduchou výmenou nástrojov. UTM sa pohybujú od 100 N stolové jednotky na balenie a fólie do 2 000 kN stojace stroje na konštrukčnú oceľ a betón .

Architektúra stroja na testovanie kompresie

Stroj na testovanie kompresie (CTM) – tiež nazývaný tester betónu alebo lis na kocky – pozostáva z pevného základného rámu, pevnej spodnej dosky a hornej dosky poháňanej smerom dole hydraulickým zdvihákom alebo elektromechanickým ovládačom. Smer zaťaženia je jednosmerný: horná doska klesá a vzorka je rozdrvená medzi dve platne. Neexistuje žiadny mechanizmus na otočenie ovládača a použitie ťahovej sily smerom nahor.

CTM sú optimalizované pre tlakové skúšky s vysokou silou na tuhých vzorkách. Pretože rám musí odolávať iba silám tlakovej reakcie (nie ťahu), môže byť vyrobený s kratšou, kompaktnejšou štruktúrou, ktorá je vo svojej podstate tuhšia – kritická pre presné meranie pri testovaní krehkých materiálov, ktoré sa explozívne lámu. Štandardné CTM pre testovanie betónu sa pohybujú od 1 000 kN až 3 000 kN so špecializovanými strojmi 5 000 kN (500 ton) pre skaly a veľké vzorky kameniva. Tieto úrovne sily sú zriedkavo dostupné v UTM za rovnakú cenu.

Typy testov: Čo každý stroj môže a nemôže robiť

Rozsah sily a tuhosť rámu: Kde sa stroje rozchádzajú

Rozsah sily je jedným z najostrejších rozdielov medzi týmito dvoma typmi strojov v praxi. UTM slúžiace všeobecným laboratóriám na testovanie materiálov sú najčastejšie špecifikované v 5 kN až 600 kN rozsah. 600 kN UTM schopný testovať konštrukčnú oceľ v ťahu stojí podstatne viac ako 3 000 kN tester tlaku slúžiaci laboratóriu na testovanie betónu – pretože obojsmerný rám UTM, presné servo riadenie a rozhranie extenzometra zvyšujú náklady, ktoré hydraulický CTM nepotrebuje.

Ďalším kritickým parametrom je tuhosť rámu. Keď sa krehká vzorka, ako je napríklad betónová kocka, explozívne zlomí, energia uložená v poddajnom (nízkopevnom) ráme sa náhle uvoľní, pričom pokračuje v drvení vzorky za jej prirodzený bod zlomu a vytvára umelo nízke hodnoty pevnosti. EN 12390-4 a ASTM C39 špecifikujú minimálne požiadavky na tuhosť rámu na skúšanie betónu tlakom — typicky vyjadrené ako medza deformácie pri maximálnom zaťažení. Vyhradené CTM sú špeciálne navrhnuté tak, aby spĺňali tieto požiadavky na tuhosť. Mnoho univerzálnych UTM, najmä elektromechanických modelov so skrutkovým pohonom, má nedostatočnú tuhosť rámu na presné testovanie tlaku betónu pri vysokých zaťaženiach.

Ovládacie systémy: Elektromechanické vs. Hydraulické

UTM aj kompresné testovacie stroje sú dostupné v elektromechanických (EM) a hydraulických variantoch, ale typické konfigurácie sa medzi týmito dvoma typmi nástrojov líšia.

Elektromechanické UTM

Väčšina laboratórnych UTM pod 600 kN je elektromechanická: elektrický servomotor poháňa vodiace skrutky alebo guľôčkové skrutky na pohyb krížovej hlavy. Toto poskytuje presné ovládanie posunu krížovej hlavy — presnosť polohy ±0,1 mm alebo lepšia — a konštantná rýchlosť krížovej hlavy od 0,001 mm/min do 1 000 mm/min v celom rozsahu zaťaženia. EM pohon je čistejší (bez hydraulického oleja), tichší a vyžaduje menej bežnej údržby ako hydraulické systémy. Obmedzením je maximálna sila: UTM nad 600 kN poháňané vodiacou skrutkou sú veľmi veľké, pomalé a drahé.

Hydraulické UTM a testery kompresie

Nad 600 kN dominuje hydraulické ovládanie tak UTM, ako aj CTM. Hydraulické čerpadlo stláča olej na pohyb piestu/piestu. To vytvára veľmi vysoké sily v kompaktnom pohone – generovanie hydraulického piesta 2 000 kN sa zmestí do valca s priemerom približne 250 mm . Hydraulické systémy poskytujú vynikajúcu kontrolu sily pri skúškach riadených zaťažením (štandard pri skúšaní betónu, kde je špecifikovaná skôr rýchlosť zaťaženia v kN/s než rýchlosť posunu). Nevýhodou je, že regulácia polohy je menej presná ako elektromechanická, olej vyžaduje pravidelnú výmenu a riadenie úniku a čerpadlo vytvára teplo a hluk.

Servohydraulické UTM – používané pri únavovom a dynamickom testovaní – kombinujú kapacitu hydraulickej sily so servoriadením v uzavretej slučke pre silu aj posun. Ide o špecializované vysokonákladové prístroje, ktoré sa zvyčajne nachádzajú vo výskumných a kozmických testovacích prostrediach, a nie v rutinných laboratóriách kontroly kvality.

Systémy uchopenia a upevnenia: Všestrannosť vs. jednoduchosť

Všestrannosť UTM pochádza z veľkej časti z ekosystému jeho príslušenstva. Krížové hlavy stroja majú upevňovacie body so závitom alebo vidlicou, ktoré prijímajú vymeniteľné rukoväte a prípravky:

• Klinové ťahové rukoväte — samosťahovacie čeľuste, ktoré uchopia ploché alebo okrúhle vzorky; dostupné v hladkej čeľusti (pre mäkké materiály) alebo vrúbkovanej čeľusti (pre tvrdé materiály); najbežnejšie príslušenstvo UTM
• Kompresné dosky — ploché tvrdené oceľové dosky na stláčanie blokov, valcov a vzoriek; tieto konvertujú UTM na tester kompresie pre nebetónové aplikácie
• Trojbodové a štvorbodové ohýbacie prípravky — valčekové podpery a nosné časti pre skúšky ohybom; vzdialenosti rozpätia sú nastaviteľné tak, aby zodpovedali rozmerom vzorky špecifikovaným v skúšobných normách
• Peel prípravky — otočné rameno alebo T-odlupovacie prípravky na testy odlupovania lepidla a fólie v definovaných uhloch (90°, 180°, T-odlupovanie)
• Extenzometre — pripínacie alebo bezkontaktné zariadenia, ktoré merajú predĺženie vzorky nezávisle od posunutia krížovej hlavy, poskytujúce presné meranie deformácie pre Youngov modul a stanovenie medze klzu

Naproti tomu stroj na testovanie kompresie má zvyčajne iba jednu konfiguráciu upínacieho prostriedku: hornú a dolnú dosku. Betónové CTM podľa EN 12390-4 špecifikujú a sféricky uložená horná doska že sa samoniveluje, aby sa prispôsobila nerovnobežnosti menších vzoriek – kritická vlastnosť presnosti pre testovanie betónových kociek. Niektoré CTM akceptujú voliteľné svietidlá na testovanie lúčom, ale rozsah svietidiel je zlomkom toho, čo UTM podporuje.

Meranie a riadenie: snímače zaťaženia, extenzometre a softvér

Presnosť a rozsah snímača zaťaženia

UTM zvyčajne používajú vymeniteľné snímače zaťaženia – laboratórium môže mať 1 kN kyvetu na testovanie filmu a lepidla a 100 kN kyvetu na testovanie kovov, pričom každý má svoju vlastnú kalibráciu. Presnosť snímača zaťaženia je rozhodujúca: ASTM E4 a ISO 7500-1 špecifikujú, že presnosť testovania sily stroja musí byť v rámci ±1 % uvedenej sily v rozsahu od 2 % do 100 % kapacity snímača zaťaženia. Väčšina moderných snímačov zaťaženia UTM dosahuje ±0,5% alebo lepšie presnosť v celom ich menovitom rozsahu.

Stroje na testovanie tlaku na betón používajú snímače zaťaženia alebo prevodníky tlaku kalibrované podľa EN 12390-4, ktorá vyžaduje presnosť v rámci ±2 % aplikovanej sily v rozsahu od 20 % do 100 % maximálnej kapacity. Širšia tolerancia odráža inherentnú variabilitu v geometrii betónových vzoriek a príprave povrchu, kde presnosť merania nad 2 % nemá praktický význam.

Softvérové schopnosti

Softvér UTM je nevyhnutne zložitejší ako softvér CTM, pretože musí zvládnuť viacero typov testov, výpočet deformácie z údajov extenzometra a odvodenie vlastností materiálu (Youngov modul, medza klzu, medza pevnosti v ťahu, predĺženie pri pretrhnutí, lomová húževnatosť). Popredné softvérové ​​platformy UTM od Instron (Bluehill), Zwick/Roell (testXpert) a MTS (TestSuite) poskytujú programovateľné testovacie metódy, automatický výpočet vlastností materiálu, štatistické výkazy naprieč dávkami vzoriek a integráciu s LIMS (Laboratory Information Management Systems).

Softvér CTM pre betón je dizajnovo jednoduchší: operátor zadá rozmery prierezu vzorky, stroj aplikuje zaťaženie špecifikovanou rýchlosťou (zvyčajne 0,5 ± 0,25 MPa/s podľa EN 12390-3 ), zaznamenáva maximálnu silu pri zlome a vypočítava pevnosť v tlaku ako silu delenú plochou prierezu. Výsledkom je jediné číslo v MPa alebo psi – žiadna analýza napätia a deformácie, žiadny výpočet modulu.

Komplexné porovnanie vedľa seba

Priemyselné aplikácie: Kto používa ktorý stroj

Odvetvia využívajúce predovšetkým UTM

• Kovy a výroba — ťahové skúšky ocele, hliníka, medi a zvarov podľa ISO 6892 a ASTM E8 sú celosvetovo najbežnejšou aplikáciou UTM; medza klzu, pevnosť v ťahu a predĺženie sú povinné parametre kvality pre konštrukčné materiály
• Plasty a polyméry — skúšky ťahom, ohybom a tlakom na lisovaných dieloch, fóliách a vláknach podľa ISO 527, ISO 178 a ASTM D638; farmaceutický priemysel používa UTM pre tvrdosť tabliet a pevnosť utesnenia kapsúl
• Textílie a geotextílie — pevnosť v ťahu a predĺženie tkanín, priadzí a geomembránových vložiek; pevnosť odlupovania a švov lepených textílií
• Letectvo a automobilový priemysel — testovanie konštrukčných komponentov, ťah a tlak kompozitného laminátu, testovanie lepených spojov, vyťahovanie spojovacích prvkov; často vyžadujú špecializované zariadenia a komory prostredia (zvýšená teplota, kryogénne)
• Balenie — stlačenie kartónu a vlnitej lepenky, ťah a roztrhnutie fólie, pevnosť odtrhnutia tesnenia, stlačenie fľaše; UTM v baliacich laboratóriách často vykonávajú 50 až 100 testov denne v rámci viacerých typov testov

Odvetvia využívajúce predovšetkým kompresné testovacie stroje

• Laboratóriá na skúšanie stavebných materiálov — skúška kompresie betónovej kocky a valca je najbežnejšou skúškou kontroly kvality v stavebnom priemysle; môže testovať typické laboratórium na mieste 50 – 200 kociek betónu za deň , vďaka čomu je priepustnosť a jednoduchosť CTM kritická
• Výroba cementu — pevnosť v tlaku kociek cementovej malty podľa EN 196-1 a ASTM C109 je primárnym parametrom kvality pre výrobu cementu; CTM na testovanie mált prebieha nepretržite v laboratóriách kvality cementárne
• Murivo a keramika — pevnosť v tlaku tehál, blokov, obkladačiek a žiaruvzdornej keramiky podľa EN 772-1, ASTM C67; tieto testy vyžadujú vysokú silovú kapacitu a tuhé rámy vyhradených CTM
• Mechanika hornín a geotechnické inžinierstvo — testovanie jednoosovej pevnosti v tlaku (UCS) vzoriek horninového jadra podľa ISRM a ASTM D7012; vzorky hornín pri vysokých obmedzujúcich tlakoch vyžadujú CTM so silami do 5 000 kN

Kedy môže UTM nahradiť tester kompresie (a kedy nemôže)

UTM s kompresnými doskami môže vykonávať mnoho rovnakých testov ako špecializovaný kompresný tester pre kovy, plasty, peny a obaly. Otázkou je, či je to vhodné na testovanie betónu a muriva, čo je miesto, kde sa väčšina nákupných rozhodnutí otáča.

UTM je vhodný na testovanie betónu tlakom, iba ak:

• Jeho silová kapacita pokrýva očakávané špičkové zaťaženie – 150 mm štandardná betónová kocka s Konštrukčná pevnosť 30 MPa vyžaduje približne 675 kN špičkovú silu ; 200 mm kocka vyžaduje 1 200 kN; väčšina UTM pod 1 000 kN je nedostatočná na bežné testovanie betónových kociek
• Jeho tuhosť rámu spĺňa požiadavky platnej normy (EN 12390-4 alebo ASTM C39); toto je potrebné overiť u výrobcu, nie predpokladať
• Jeho horná doska má guľový dosadací mechanizmus podľa štandardných požiadaviek
• Kalibračný orgán sa vzťahuje konkrétne na režim stláčania – UTM kalibrovaný podľa ISO 7500-1 na skúšanie ťahom nie je automaticky v súlade s skúšaním betónu tlakom podľa EN 12390-4

Pre maloobjemové výskumné aplikácie – príležitostné testovanie betónových vzoriek v univerzitnom laboratóriu s rôznymi ďalšími testovacími potrebami – je vysokokapacitný UTM s vhodnými kompresnými upínadlami praktickou voľbou, ktorá sa vyhne nákupu dvoch strojov. Pre komerčné skúšobné laboratórium betónu, ktoré denne prevádzkuje veľké objemy, a špecializovaná CTM je nákladovo efektívnejšia, rýchlejšia na prevádzku a účelovo kalibrovaná presne za tú prácu.

Požiadavky na kalibráciu, štandardy a akreditáciu

UTM aj CTM musia byť pravidelne kalibrované akreditovaným kalibračným orgánom na overenie presnosti sily. Platné normy sa líšia:

• ISO 7500-1 / ASTM E4 — medzinárodné a americké normy na kalibráciu systému merania sily testovacích strojov; definuje triedy presnosti (Trieda 0,5 = ±0,5 %, Trieda 1 = ±1 %, Trieda 2 = ±2 %); platí pre UTM a akýkoľvek nástroj na meranie sily
• EN 12390-4 — špecificky sa zaoberá strojmi na skúšanie tlaku používanými na betón; vyžaduje okrem presnosti sily aj overenie rovinnosti a tvrdosti dosky, funkcie sférického dosadnutia a presnosti rýchlosti aplikácie zaťaženia; laboratóriá testujúce betón podľa EN 12390-3 musia svoje CTM špecificky kalibrovať podľa tejto normy
• Kalibračná frekvencia — Laboratóriá akreditované podľa ISO/IEC 17025 zvyčajne kalibrujú ročne; testovacie prostredia s vysokým využitím alebo s vysokými následkami (jadrové, letecké a kozmické) si môžu vyžadovať polročnú kalibráciu; kalibrácia by mala vždy nasledovať po každej významnej oprave stroja, premiestnení alebo podozrení z preťaženia

Pre akreditáciu laboratórií ISO/IEC 17025 rozsah akreditácie špecifikuje, ktoré skúšky a rozsahy síl sú zahrnuté. Laboratórium akreditované na skúšanie kovov v ťahu pomocou UTM nie je automaticky akreditované na skúšanie betónu tlakom na tom istom stroji – skúšobné metódy, normy a požiadavky na kalibráciu sa posudzujú nezávisle.

Sprievodca rozhodovaním: Ktorý stroj kúpiť

Na určenie, ktorý nástroj je vhodný pre vaše požiadavky na testovanie, použite nasledujúce kritériá:

1. Potrebujete skúšku ťahom? Ak áno – pre kovy, plasty, textílie, fólie alebo lepidlá – je UTM povinný. Stroje len s kompresiou nemôžu vykonávať ťahové skúšky v žiadnej konfigurácii.
2. Je vašou hlavnou prácou stlačenie betónu, muriva alebo horniny? Ak áno a vaša požadovaná sila presahuje 600 kN, špecializovaný CTM poskytne vyššiu silovú kapacitu pri nižších nákladoch a je špeciálne navrhnutý a kalibrovaný pre tieto materiály.
3. Aký je váš testovací objem? Veľkoobjemové testovanie betónu (50 vzoriek za deň) ťaží z jednoduchšej prevádzky a rýchlejšieho cyklu CTM. Výskum alebo maloobjemové testovanie odôvodňuje náklady na UTM, ktorý môže slúžiť viacerým typom testov.
4. Aký je váš rozpočet? Pre ekvivalentnú kapacitu tlakovej sily CTM zvyčajne stojí o 30-50% menej ako UTM. Ak je váš rozsah testovania výlučne kompresný, nie je opodstatnené míňať viac za schopnosť UTM, ktorá sa nikdy nepoužije.
5. Potrebujete údaje extenzometra alebo krivky napätia a deformácie? Ak sa vyžaduje charakterizácia materiálových vlastností (modul, medza klzu, lomová energia), je potrebný UTM s extenzometrom. CTM produkujú iba špičkovú silu a pevnosť v tlaku – nie údaje o spojitej sile-posune alebo napätie-napätie.
6. Zmení sa rozsah testu v priebehu času? Ak vaše laboratórium predpokladá testovanie nových typov materiálov alebo vstup na nové trhy, všestrannosť UTM poskytuje ochranu investícií. Nákup CTM je záväzkom vykonať kompresné testovanie počas životnosti.