Машины для испытания на сжатие: полное руководство по гидравлическим и точным испытаниям

Бетонный цилиндр, который должен выдерживать давление 30 МПа, но рано разрушается, или пластиковый компонент, который проходит лабораторные испытания, а затем выходит из строя в полевых условиях, часто указывают на испытательное оборудование, а не на сам материал. Машины для испытаний на сжатие настолько надежны, насколько надежны их калибровка, выравнивание плит и соответствие между производительностью машины и прочностью образца — если вы ошибетесь в любой из этих ошибок, данные, выходящие из считывания, перестанут иметь то значение, которое они должны означать. Понимание того, что на самом деле отличает один тестер сжатия от другого и какая спецификация имеет значение для какого материала, является разницей между лабораторным результатом, который соответствует действительности, и тем, который не соответствует действительности.

Как на самом деле работают машины для испытания на сжатие

По своей сути машина для испытания на сжатие помещает образец между двумя параллельными плитами и прикладывает постоянно возрастающую силу до тех пор, пока материал не деформируется, не поддается или не разрушается. Машина непрерывно регистрирует силу и смещение на протяжении всего испытания, создавая кривую растяжения-деформации, которая показывает прочность на сжатие, предел текучести и модуль упругости. Что отличает надежную машину от ненадежной, так это то, насколько точно она может прикладывать эту нагрузку, удерживать ее устойчиво и измерять реакцию образца, не внося в данные собственную ошибку.

Основные системы, необходимые каждой машине

• Загрузочная рама — жесткая конструкция, которая противостоит силе реакции, не прогибаясь; жесткость рамы напрямую влияет на точность измерений
• Система привода — гидравлический поршень или винт с приводом от электродвигателя, отвечающий за создание и контроль сжимающей силы.
• Тензодатчик — измеряет приложенную силу, как правило, с классом точности 1,0 или выше согласно ISO 7500-1.
• Таблички — контактные поверхности, передающие нагрузку на образец; плоская закаленная сталь для большинства материалов, сферическая посадка для бетонных цилиндров
• Измерение смещения — энкодеры с крейцкопфами, компрессометры или LVDT, в зависимости от требуемой точности.

Гидравлический или электромеханический: выбор правильной системы привода

Самым важным решением при выборе прибора для испытания на сжатие является механизм привода, и он практически полностью зависит от требований и испытуемого материала. Ошибка связана не только с производительностью: выход электромеханической машины за пределы предполагаемого диапазона усилий может со временем повредить ее подшипники и шестерни, в то время как гидравлическая машина, используемая для тонкой и точной работы, жертвует точностью, которой не нужно жертвовать.

Практическое правило: если программа испытаний регулярно требует нагрузки выше 300 кН, гидравлические системы становятся более долговечными и экономически эффективными. Именно поэтому гидравлические машины являются стандартом для испытаний на сжатие стальной арматуры, высокопрочных крепежных изделий, бетонных цилиндров и крупных элементов конструкций — материалов, которые выделяют значительную энергию удара в момент разрушения. Лаборатория строительных материалов, оценивающая прочность бетонных цилиндров, нуждается в гидравлической машине, способной выдерживать большие нагрузки, в то время как производителю, испытывающему отлитый под давлением пластиковый компонент, лучше подойдет электромеханическая машина из-за ее точности и плавного управления усилием.

Когда сервоэлектрические машины имеют смысл

• Тестирование требует очень точного и повторяемого контроля скорости приложения силы.
• Образцы хрупкие или малопрочные (пенопласты, тонкие полимеры, упаковочные материалы)
• Энергоэффективность и снижение эксплуатационных расходов являются приоритетами
• Для проведения исследований и разработок необходимы точные данные о смещении для расчета модулей.

Согласование несущей способности с испытуемым материалом

Недостаточная мощность машины может привести к повреждению рамы или тензодатчика; превышение размера приводит к потерям бюджета и может снизить разрешающую способность измерений при меньших силах. Правильный подход состоит в том, чтобы рассчитать ожидаемую разрушающую нагрузку на основе известной или ожидаемой прочности и поперечного сечения образца, а затем выбрать машину с достаточным запасом прочности, превышающим это значение.

Этот проработанный пример является полезным шаблоном для любого материала: рассчитайте максимальную ожидаемую силу, затем выберите оборудование со значительным запасом высоты над ней, а не оборудование, рассчитанное точно на ожидаемую нагрузку при отказе. Пространство для испытаний также требует такого же тщательного расчета — требуемая высота равна максимальной высоте образца плюс верхняя плита, нижняя плита и примерно 50 мм рабочего зазора. Например, для бетонного цилиндра диаметром 300 мм требуется минимальное испытательное пространство около 400 мм для размещения всей сборки.

Выбор стола и почему это влияет на точность испытаний

Таблички не являются второстепенным аксессуаром — они представляют собой интерфейс, через который каждая единица силы достигает образца, а неправильный тип плиты приводит к ошибке, которую не может исправить никакая точность тензодатчиков. Две конструкции плит подходят для большинства применений, и выбор между ними полностью зависит от геометрии образца.

Калибровка и обслуживание, обеспечивающие целостность данных

Точность машины для испытания на сжатие снижается постепенно и часто незаметно — дрейф датчика, износ валика и несоответствие гидравлического давления накапливаются в течение месяцев использования, не вызывая явного отказа. Это делает плановую калибровку и техническое обслуживание проблемой целостности данных, а не только долговечностью оборудования.

Рекомендуемая частота технического обслуживания

• Ежедневно — очистите поверхности валов, проверьте функцию аварийного останова, проверьте уровень гидравлической жидкости и найдите утечки в уплотнениях привода.
• Еженедельно — смазать ШВП и направляющие в электромеханических системах, очистить корпус тензодатчика от пыли и влаги, проверить параллельность плит с помощью прецизионного уровня.
• Ежемесячно — проверить сферические опорные подшипники на предмет свободного вращения, проверить соединения гидравлических шлангов на предмет износа, убедиться в плавности хода траверсы на всем протяжении хода.
• Ежегодно — полная калибровка тензодатчиков по сертифицированному эталонному стандарту, отслеживаемому по национальным стандартам измерений

Формальная калибровка включает в себя размещение эталонного тензодатчика или проверочного кольца внутри рамы и приложение дополнительных нагрузок — обычно на уровне 20 %, 40 %, 60 %, 80 % и 100 % от номинальной мощности — а затем сравнение показаний машины с известными эталонными значениями. Любое отклонение, выходящее за пределы ±1,0% для точности класса 1, требует коррекции перед возвратом машины в эксплуатацию. Большинство органов по аккредитации лабораторий ожидают, что эта калибровка будет проводиться сертифицированным органом не реже одного раза в год с ведением полной документации в соответствии с ISO/IEC 17025.

Выбор машины для вашего применения

Вместо того, чтобы начинать с бренда или цены, самый надежный процесс закупок начинается со стандарта материала и испытаний, а затем возвращается к спецификации машины, которая удовлетворяет обоим требованиям.

Практический контрольный список перед покупкой

• Подтвердите требуемую несущую способность с запасом выше максимальной ожидаемой прочности образца, не равной ей.
• Проверьте соответствие конкретному стандарту испытаний, регулирующему ваш материал (ASTM C39, D695, E9 или эквивалентный).
• Подберите тип плиты в соответствии с геометрией образца — сферическая посадка для бетона, плоская закаленная сталь для большинства других материалов.
• Подтвердите, что поставщик предоставляет отслеживаемую сертификацию калибровки в соответствии с ISO 7500-1.
• Рассчитайте необходимое пространство для испытаний на основе максимальной высоты образца плюс плиты и припуска на зазор.
• Учитывайте текущие затраты на калибровку и техническое обслуживание в общую стоимость владения, а не только в цену покупки