Гидравлическая универсальная испытательная машина: полное руководство

А гидравлическая универсальная испытательная машина (UTM) — это прибор для испытания материалов, который использует генерацию гидравлической силы для приложения контролируемых растягивающих, сжимающих, изгибающих, сдвиговых и изгибающих нагрузок для испытания образцов — измерения их механических свойств под этими нагрузками. Гидравлические UTM являются стандартным выбором для испытаний с высокими нагрузками, их грузоподъемность обычно варьируется от 100 до 3000 кН (от 10 до 300 тонн). , что делает их незаменимым оборудованием на сталелитейных заводах, в лабораториях строительных материалов, при аттестации компонентов аэрокосмической отрасли и при контроле качества тяжелого производства.

Мировой рынок оборудования для испытаний материалов превысил 800 миллионов долларов в 2023 году , при этом гидравлические UTM представляют собой доминирующую технологию для силовых нагрузок выше 100 кН. Для руководителей лабораторий, инженеров по качеству, специалистов по закупкам и материаловедов понимание принципов работы, ключевых спецификаций, возможностей испытаний и критериев выбора гидравлических UTM имеет основополагающее значение для разумных инвестиций в оборудование и получения надежных данных испытаний.

Как работает гидравлическая универсальная испытательная машина

А hydraulic UTM generates force by pressurizing hydraulic fluid — typically mineral oil — and directing that pressure against a hydraulic cylinder piston. The resulting piston movement applies force to a crosshead, which in turn loads the test specimen through the appropriate grips or fixtures.

Гидравлическая система привода

Гидравлическая система состоит из насоса с приводом от двигателя, который создает давление масла в замкнутом контуре. Сервоклапан или пропорциональный регулирующий клапан регулирует поток масла в главный цилиндр, контролируя как направление движения крейцкопфа (вверх или вниз), так и скорость приложения силы. Связь между гидравлическим давлением и приложенной силой следует непосредственно из закона Паскаля: Сила = Давление × Площадь поршня . Цилиндр с площадью поршня 100 см² при давлении в системе 300 бар (30 МПа) обеспечивает усилие 300 000 Н (300 кН).

Сервогидравлическое и традиционное гидравлическое управление

Современные гидравлические UTM используют один из двух подходов управления:

• Обычная гидравлика (разомкнутый контур): А manually or semi-automatically adjusted proportional valve controls oil flow. Suitable for standard static testing where precise load ramp rates are not critical. Lower cost, simpler maintenance.
• Сервогидравлический (замкнутый контур): А high-response servo valve receives real-time feedback from load cells, extensometers, or displacement transducers and continuously adjusts oil flow to maintain the programmed test condition (constant load rate, constant strain rate, or constant displacement rate). Required for standards-compliant testing under ISO 6892, ASTM E8, and EN 10002. Capable of точность регулирования нагрузки ±0,5% от указанного значения .

Структура рамы и путь нагрузки

Рама машины представляет собой структурную петлю, через которую реагируют испытательные силы. Большинство гидравлических UTM используют двухколонная или четырехколонная конструкция с неподвижным нижним столом, подвижной траверсой с приводом от гидроцилиндра и неподвижной верхней траверсой. Испытуемый образец зажимается между подвижной и неподвижной траверсами. Колонны должны быть достаточно жесткими, чтобы прогибаться меньше, чем удлинение образца при максимальной испытательной нагрузке — жесткость рамы обычно определяется как максимальное прогибание 1–3 мм при полной номинальной мощности .

Основные технические характеристики гидравлических UTM

Оценка гидравлического UTM требует понимания определенного набора технических параметров. Каждая спецификация напрямую влияет на пригодность машины для определенных типов испытаний и соответствие стандартам испытаний.

Принудительный выбор мощности

Выбор правильной емкости имеет решающее значение. Машина должна быть такого размера, чтобы Нагрузки при разрушении образца находятся в пределах 20–80 % от полного диапазона шкалы машины. — это гарантирует, что точность измерения находится в пределах калиброванного рабочего диапазона весоизмерительного датчика. Испытание образца с усилием 50 кН на машине с усилием 1000 кН при 5% полной шкалы дает ненадежные данные. Большинство гидравлических UTM решают эту проблему за счет нескольких диапазонов нагрузки со специальными тензодатчиками или диапазонами переключаемых усилителей.

Виды испытаний, проводимых на гидравлических UTM

«Универсальность» в универсальной испытательной машине означает способность машины выполнять несколько типов испытаний путем изменения конфигурации захватов, приспособлений и геометрии приложения нагрузки. Гидравлические UTM выполняют полный спектр механических испытаний металлов, полимеров, композитов, бетона, древесины и геотехнических материалов.

Испытание на растяжение

Испытание на растяжение является наиболее распространенным применением гидравлических UTM. Образец — обычно изогнутый или прямоугольный плоский профиль для металлов и пластмасс или полноразмерный образец для строительных материалов — захватывается за оба конца и раздвигается с контролируемой скоростью траверсы. Тестовые меры:

• Предельная прочность на разрыв (UTS): Максимальное напряжение, которое материал выдерживает перед разрушением.
• Предел текучести (условное напряжение 0,2%): Напряжение, при котором начинается остаточная пластическая деформация, — обычно наиболее критичное для проектирования свойство конструкционных металлов.
• Модуль Юнга (модуль упругости): Наклон линейно-упругого участка кривой растяжения, измеренный экстензометром, прикрепленным непосредственно к образцу.
• Удлинение при разрыве (пластичность): Процентное увеличение расчетной длины при разрушении — показатель пластичности материала, критический для операций формовки.
• Уменьшение площади: Процентное уменьшение площади поперечного сечения в точке перелома.

Испытание на сжатие

При испытаниях на сжатие используются плоские плиты для приложения сжимающей нагрузки к образцу — чаще всего бетонные цилиндры (150 × 300 мм или 100 × 200 мм согласно EN 12390-3 и ASTM C39), каменные блоки, образцы древесины или металлические образцы. Для контроля качества бетона в строительстве испытание на сжатие является единственным наиболее часто проводимым испытанием конструкционных материалов во всем мире. Для стандартных испытаний на измельчение бетонных кубиков требуются машины мощностью 2000–3000 кН (200–300 тонн) .

Испытание на изгиб (изгиб)

Испытания на трехточечный и четырехточечный изгиб прикладывают нагрузку через роликовые опоры для оценки прочности на изгиб, модуля упругости при изгибе и поведения при прогибе. Общие области применения включают прочность на изгиб бетонной балки (ASTM C78, ​​EN 12390-5), испытания на изгиб арматурных стержней, оценку несущей способности балок деревянного пола и оценку жесткости композитных панелей. Для испытаний элементов конструкции требуются большие гидравлические UTM с широкими плитами и длинными испытательными интервалами.

Испытание арматуры и тросов

Испытание арматурной стали (арматуры) на соответствие стандартам ISO 15630, ASTM A615 или BS 4449 является одним из наиболее распространенных применений гидравлического UTM при контроле качества строительства. Арматура размером от Диаметр от 6 до 50 мм. требуется испытательное усилие от 20 кН до более 2000 кН — диапазон, охватывающий несколько мощностей машины. Клиновидные захваты являются стандартным приспособлением для испытаний арматуры на растяжение, обеспечивая самозатягивающееся действие захвата, пропорциональное приложенной растягивающей нагрузке.

Испытание на сдвиг и отслаивание

Специализированные приспособления позволяют проводить испытания на сдвиг клеевых соединений, сварных и заклепочных соединений, а также испытания на отслаивание ламинатов и покрытий. Эти испытания необходимы для квалификации склеивания автомобильных панелей, сертификации конструкций самолетов и расширенного контроля качества производства композитных материалов.

Гидравлический UTM против электромеханического UTM: когда выбирать каждый

Гидравлические и электромеханические (ЭМ) UTM предназначены для различных сегментов диапазона сил и спектра типов испытаний. Понимание их сравнительных преимуществ предотвращает чрезмерные инвестиции в гидравлические технологии, где ЭМ было бы достаточно, и позволяет избежать недостаточного определения того, когда действительно требуется создание гидравлической силы.

Точкой перехода, когда гидравлическая технология становится более практичным выбором, обычно является выше 200–300 кН (20–30 тонн) . Кроме того, электромеханические UTM обеспечивают лучший контроль смещения, более низкие затраты на техническое обслуживание и более широкий диапазон скоростей при тех же инвестициях. Гидравлические системы с усилием свыше 300 кН значительно более компактны и экономичны, чем большие шарико-винтовые пары, необходимые для мощных ЭД-машин.

Захваты и приспособления: подбор аксессуаров в соответствии с требованиями испытаний

А hydraulic UTM without the correct grips and fixtures cannot perform valid tests. The grip must hold the specimen rigidly without slipping (which causes premature failure data), without over-stressing the grip zone (which causes grip-induced failures invalidating the test), and without introducing bending moments into what should be a purely axial load.

Клиновые захваты

Клиновидные захваты являются наиболее распространенным типом захватов для гидравлических UTM. По мере увеличения растягивающей нагрузки клиновой механизм сильнее прижимает поверхности захвата к образцу, обеспечивая самозатягивание зажима, пропорциональное приложенной силе. Они подходят для плоские образцы, круглый стержень, арматура, проволока и кабель тестирование. Сменные вставки губок с различным рисунком зубцов (грубые для стали, гладкие для мягких материалов) расширяют универсальность. Гидравлические клиновые захваты (зажим образца с пневматическим или гидравлическим приводом) исключают неравномерное ручное затягивание и являются стандартными для крупносерийных производственных испытательных линий.

Сжимающие плиты

Сжимающие плиты из закаленной стали со сферической опорной (самоцентрирующейся) верхней плитой являются стандартным приспособлением для испытаний на сжатие бетона, строительного раствора, каменной кладки и керамики. Сферическое гнездо компенсирует незначительную непараллельность образца, обеспечивая равномерное распределение нагрузки по всему сечению образца согласно требованиям EN 12390-3 и ASTM C39. Твердость стола должна соответствовать минимуму Rockwell C 55 по большинству стандартов, чтобы вмятины стола не влияли на результаты.

Приспособления для изгиба и изгиба

Крепления для трехточечного и четырехточечного изгиба состоят из роликов из закаленной стали, установленных на регулируемых опорах. Диаметр ролика и пролет опоры определяются действующим стандартом — например, EN ISO 7438 определяет конкретные диаметры оправки для испытаний на изгиб металла в зависимости от толщины материала и угла изгиба. Неправильный размер или диапазон роликов делает тест недействительным и приводит к несравнимым результатам.

Экстензометры

Смещение траверсы, измеренное датчиком положения машины, включает в себя податливость рамы, захватов и системы нагрузки, что вносит значительную ошибку в расчеты деформации и модуля упругости. Прикрепляемый экстензометр, прикрепленный непосредственно к измерительной длине образца, измеряет истинная деформация образца независимо от соответствия требованиям машины , что является обязательным для точного определения модуля Юнга согласно ISO 6892-1 и ASTM E8. Измерительная длина экстензометра стандартизирована — обычно 50 мм или 80 мм для металлов — и должна соответствовать базовой длине образца, указанной в стандарте испытаний.

Соответствующие стандарты испытаний гидравлических UTM

Гидравлические операции UTM в области контроля качества, сертификационных испытаний и исследований регулируются иерархией стандартов — стандартов проверки машин, которые определяют приемлемые характеристики машин, и стандартов методов испытаний материалов, которые точно определяют, как должно проводиться каждое испытание.

Стандарты проверки машин

• ИСО 7500-1: Поверка и калибровка статических одноосных испытательных машин металлов. Определяет классификацию точности класса 0,5, класса 1 и класса 2 (погрешность измерения силы ±0,5%, ±1,0%, ±2,0% в каждом калиброванном диапазоне). Для большинства работ по сертификации материалов требуется Минимум 1 класса .
• АSTM E4: Стандартные методы принудительной проверки испытательных машин. Американский эквивалент ISO 7500-1, определяющий точность усилия ±1% во всем рабочем диапазоне.
• ЕН ИСО 9513: Калибровка экстензометров, используемых при одноосных испытаниях, определяет требования к точности экстензометров классов 0,5, 1 и 2.

Стандарты методов испытаний материалов

• ISO 6892-1/ASTM E8: Испытание металлических материалов на растяжение при температуре окружающей среды. Определяет геометрию образца, скорость траверсы, требования к экстензометру и отчетность по данным.
• EN 12390-3/ASTM C39: Испытание бетонных образцов на прочность на сжатие. Указывает скорость нагрузки (0,6 ± 0,2 МПа/с согласно EN 12390-3), требования к плитам и отчетность.
• ИСО 15630-1/АСТМ А615: Требования к испытаниям арматурной стали (арматуры) — требования к испытаниям на прочность на растяжение, предел текучести, удлинение и изгиб.
• ИСО 178/АСТМ Д790: Изгибные свойства пластмасс и композиционных материалов при испытании на трехточечный изгиб.
• EN 408/ASTM D143: Механические свойства строительной древесины и изделий из древесины.

Калибровка и проверка гидравлических UTM

Калибровка не является обязательной для гидравлических UTM, используемых в целях обеспечения качества, сертификации продукции или испытаний на соответствие требованиям — это требование закона и контракта. Последствия эксплуатации машины с нарушением калибровки включают выдачу недействительных сертификатов испытаний, неудачные проверки продукции и ответственность в случае выхода сертифицированных материалов из строя.

Частота калибровки

ISO 7500-1 рекомендует как минимум ежегодную калибровку — чаще, если машина подвергается интенсивному использованию, была перемещена, отремонтирована или показывает дрейф при повторных измерениях. Большинство аккредитованных испытательных лабораторий, проводящих испытания, сертифицированные по стандарту ISO/IEC 17025, калибруют свои UTM. не реже одного раза в год и после любого технического обслуживания, влияющего на грузовой поезд .

Метод калибровки

Калибровка выполняется путем приложения известных эталонных сил к машине с помощью:

• Машины для калибровки дедвейтом: Самый прослеживаемый метод — известные массы напрямую применяют силы гравитации. Используется для машин с усилием примерно до 5000 кН в национальных метрологических институтах.
• Эталонные тензодатчики (эталоны передачи): А NIST-traceable or UKAS-accredited reference load cell is mounted in the machine's load train and the UTM's indication is compared to the reference at multiple force levels. The most practical field calibration method for large machines. Reference load cells are typically calibrated to Точность 0,1% или выше , обеспечивая достаточный запас по сравнению со спецификацией машины класса 1 на 0,5%.

Проверка или калибровка

Калибровка регулирует показания силы машины в соответствии с эталонными стандартами. Проверка (согласно ISO 7500-1) подтверждает, что машина соответствует спецификации класса точности без необходимости ее регулировки. Оба процесса генерируют сертификат с документированными результатами. Сертификаты калибровки должны включать расширенную неопределенность измерений (обычно с уровнем достоверности 95%). соответствовать требованиям ISO/IEC 17025 для аккредитованных испытательных лабораторий.

Техническое обслуживание гидравлических UTM: критически важные практики

Гидравлические UTM требуют более активного обслуживания, чем электромеханические машины, из-за их системы привода на масляной основе. Структурированная программа технического обслуживания предотвращает непредвиденные простои, защищает статус калибровки и продлевает срок службы машины — машины, обслуживаемые по графику, регулярно работают в течение 20–30 лет и более .

Управление гидравлическим маслом

Гидравлическое масло разлагается в результате окисления, поглощения влаги и загрязнения частицами. Загрязненное масло вызывает ускоренный износ сервоклапанов, уплотнений цилиндров и компонентов насоса. Основные методы обслуживания масла:

• Аnnual oil analysis: Отправьте образцы масла в лабораторию для анализа вязкости, содержания воды и количества частиц. Цель ISO по чистоте ISO 4406, класс 16/14/11 или выше для сервогидравлических систем.
• Интервал замены масла и фильтров: Заменяйте гидравлическое масло каждые 2–4 года или согласно графику производителя; заменяйте возвратный и напорный фильтры при каждой замене масла и при срабатывании индикаторов перепада давления.
• Обслуживание дыхательного фильтра: Сапун резервуара предотвращает атмосферное загрязнение — заменяйте ежегодно или при визуальном загрязнении.

Проверка уплотнений и цилиндров

Уплотнения поршня главного цилиндра, уплотнения штока и уплотнения сервоклапана требуют периодической проверки и замены. Вытекание масла из штока цилиндра является ранним индикатором износа уплотнения. Устраните его до того, как утечка станет достаточно значительной, чтобы повлиять на точность измерения силы или создать опасность скольжения. Типичный интервал обслуживания уплотнений составляет 5–10 лет в зависимости от частоты циклов и рабочего давления .

Уход за тензодатчиком и датчиком

Тензодатчики никогда не должны подвергаться ударным перегрузкам — внезапное разрушение образца передает динамическую ударную силу, которая может необратимо повредить элементы тензодатчика. Всегда используйте машины с защитой от перегрузки, установленной на 110–120 % номинальной мощности . Регулярно проверяйте кабельные соединения тензодатчиков; корродированные или прерывистые соединения приводят к ошибочным показаниям силы, которые трудно диагностировать. Храните запасные тензодатчики в сухом помещении, чтобы предотвратить попадание влаги в цепь тензодатчика.

Как выбрать правильный гидравлический UTM: критерии принятия решения

Покупка гидравлического UTM требует значительных капиталовложений: машины обычно стоят От 15 000 до 250 000 долларов США в зависимости от мощности, сложности управления и включенных приспособлений. Структурированный процесс отбора предотвращает как завышение спецификаций (плата за возможности, которые никогда не будут использоваться), так и занижение спецификаций (покупка машины, которая не может выполнить необходимые испытания в соответствии с требуемым стандартом).

1. Определить полный объем испытаний, необходимых сейчас и в обозримом будущем. Перечислите каждый тип материала, геометрию образца, диапазон усилий и применимые стандарты испытаний. Машине, выбранной для испытаний арматуры сегодня, возможно, завтра потребуется испытать сварные конструкции из конструкционной стали — необходимо обеспечить соответствующую производительность и запас дневного света.
2. Определите максимальную силу, необходимую с запасом. Определите единственное испытание на максимальную силу в вашей области применения, добавьте запас прочности 25–40 % и выберите мощность машины, равную или превышающую это значение. Не занижайте размер в целях экономии — машина, которая не может достичь требуемого усилия, вообще не предоставляет никаких тестовых данных.
3. Укажите необходимый класс точности. Если ваша работа включает в себя сертификацию продукции, сторонние аудиты или отчеты об испытаниях, используемые при проектировании конструкций, укажите минимум ISO 7500-1, класс 1. Исследовательские приложения могут допускать класс 2.
4. Оцените необходимую сложность контроля. Простое дробление бетонных кубиков требует только базовой операции с регулированием нагрузки. Испытание металла на растяжение по стандарту ISO 6892-1, метод А, требует возможности сервоконтроля скорости деформации. Перед покупкой убедитесь, что система управления может выполнять необходимые протоколы испытаний.
5. Аssess software and data output requirements. Современное программное обеспечение UTM должно генерировать отчеты об испытаниях, непосредственно соответствующие требованиям отчетности соответствующего стандарта, экспортировать в LIMS (системы управления лабораторной информацией) и поддерживать отслеживание данных с помощью входа в систему оператора, идентификатора образца и регистрации временных меток.
6. Оцените общую стоимость владения, а не только цену покупки. Учитывайте расход масла, затраты на фильтры, плату за калибровку, ожидаемые интервалы замены уплотнений и стоимость контракта на обслуживание в течение 10-летнего периода эксплуатации. Машина с более низкой первоначальной стоимостью, но более высокими ежегодными расходами на техническое обслуживание может в целом стоить дороже.
7. Проверьте доступность местной сервисной поддержки. А hydraulic UTM that breaks down with no local service engineer available disrupts production testing operations. Confirm the supplier has certified service engineers within acceptable response time distance before committing.