Объяснение универсальной испытательной машины и машины для испытаний на сжатие

А Универсальная испытательная машина (UTM) выполняет испытания на растяжение, сжатие, изгиб, сдвиг и отслаивание на одной платформе — машина для испытания на сжатие осуществляет только сжимающую нагрузку. UTM является более функциональным и более дорогим инструментом: его двухколонная или четырехколонная рама, двунаправленный привод и сменная система захвата позволяют ему менять направление силы и приспосабливаться практически к любой геометрии испытания. Машина для испытания на сжатие специально разработана только для сжимающей нагрузки вниз — она не имеет механизма приложения растягивающей силы, что делает ее более дешевой, простой в эксплуатации и более подходящей для крупномасштабных испытаний на сжатие, таких как испытания бетонных кубов, кирпичей и сжатие упаковки. Если ваша лаборатория тестирует материалы не только на сжатие, но и на растяжение или изгиб, UTM — правильный выбор. Если ваша работа связана исключительно со сжатием — особенно с конструкционными материалами, работающими с высокими нагрузками, такими как бетон и каменная кладка, — специальный тестер сжатия обеспечивает лучшую ценность и часто более высокую допустимую силу на доллар.

Основные различия в конструкции: для чего создана каждая машина

Архитектура универсальной испытательной машины

UTM построен вокруг структурной рамы — обычно двух или четырех несущих колонн — которая поддерживает фиксированную траверсу вверху и подвижную траверсу, приводимую в движение ходовыми винтами, гидравлическими цилиндрами или системой ремней и шкивов. Привод является двунаправленным: он может перемещать траверсу как вверх (растяжение), так и вниз (сжатие) с одинаковой силой действия. Тензодатчик устанавливается между приводом и захватами и измеряет силу в обоих направлениях. Эта симметричная двунаправленная конструкция делает машину «универсальной».

Пространство для испытаний между траверсами доступно с обеих сторон, что позволяет нагружать длинные образцы в осевом направлении. Верхние и нижние захваты или приспособления взаимозаменяемы: одна и та же машина может удерживать проволоку диаметром 6 мм в растягивающих захватах, сжимать пенопластовый блок между плоскими плитами или сгибать балку в приспособлениях для трехточечного изгиба, просто меняя инструменты. UTM варьируются от Настольные агрегаты 100 Н для упаковки и пленки Напольные машины с усилием до 2000 кН для конструкционной стали и бетона .

Архитектура машины для испытаний на сжатие

Машина для испытания на сжатие (CTM), также называемая прибором для испытания на сжатие бетона или кубическим прессом, состоит из жесткой опорной рамы, фиксированной нижней плиты и верхней плиты, приводимой вниз с помощью гидравлического домкрата или электромеханического привода. Направление нагрузки однонаправленное: верхняя плита опускается, и образец сдавливается между двумя плитами. Не существует механизма для реверса привода и приложения растягивающего усилия вверх.

СТМ оптимизированы для испытаний на сжатие жестких образцов с высокой силой. Поскольку рама должна противостоять только силам реакции сжатия (а не растяжения), ее можно изготовить с более короткой и компактной конструкцией, которая по своей сути является более жесткой, что критически важно для точных измерений при испытании хрупких материалов, которые разрушаются взрывом. Стандартные CTM для испытаний бетона варьируются от от 1000 кН до 3000 кН , а специальные машины достигают 5000 кН (500 тонн) для горных пород и крупных заполнителей. Эти уровни силы редко доступны в UTM эквивалентной цены.

Типы испытаний: что может и не может делать каждая машина

Диапазон усилий и жесткость рамы: где машины расходятся

Диапазон усилий — одно из самых резких различий между двумя типами машин на практике. UTM, обслуживающие лаборатории по испытанию материалов общего назначения, чаще всего указываются в от 5 кН до 600 кН диапазон. UTM с усилием 600 кН, способный проводить испытания на растяжение конструкционной стали, стоит значительно дороже, чем тестер на сжатие с усилием 3000 кН, обслуживающий лабораторию по испытанию бетона, поскольку двунаправленная рама UTM, прецизионное сервоуправление и интерфейс экстензометра добавляют существенные затраты, в которых не нуждается гидравлический CTM.

Жесткость рамы – еще один важный параметр. Когда хрупкий образец, такой как бетонный куб, разрушается взрывом, энергия, накопленная в податливом (низкой жесткости) каркасе, внезапно высвобождается, продолжая разрушать образец за пределами его естественной точки разрушения и создавая искусственно заниженные показатели прочности. ЭН 12390-4 и ASTM C39 определяют минимальные требования к жесткости рамы для испытаний бетона на сжатие. — обычно выражается как предел прогиба при максимальной нагрузке. Специальные CTM специально разработаны для удовлетворения этих требований к жесткости. Многие UTM общего назначения, особенно электромеханические модели с винтовым приводом, имеют недостаточную жесткость рамы для проведения точных испытаний бетона на сжатие при высоких нагрузках.

Системы привода: электромеханические и гидравлические

Как UTM, так и машины для испытаний на сжатие доступны в электромеханическом (EM) и гидравлическом вариантах, но типичные конфигурации этих двух типов приборов различаются.

Электромеханические УТМ

Большинство лабораторных UTM с усилием ниже 600 кН являются электромеханическими: электрический серводвигатель приводит в движение ходовые винты или шарико-винтовые пары для перемещения траверсы. Это обеспечивает точный контроль смещения траверсы — точность позиционирования ±0,1 мм или выше — и постоянная скорость траверсы от 0,001 мм/мин до 1000 мм/мин во всем диапазоне нагрузок. Привод EM чище (без гидравлического масла), тише и требует меньше регулярного обслуживания, чем гидравлические системы. Ограничением является максимальная сила: UTM с приводом от ходового винта с усилием более 600 кН становятся очень большими, медленными и дорогими.

Гидравлические UTM и тестеры сжатия

При нагрузке свыше 600 кН гидравлический привод доминирует как в UTM, так и в CTM. Гидравлический насос создает давление масла для перемещения поршня/плунжера. Это создает очень большие усилия в компактном приводе — гидравлическом плунжере, генерирующем 2000 кН помещается в цилиндр диаметром примерно 250 мм. . Гидравлические системы обеспечивают превосходный контроль силы при испытаниях с контролируемой нагрузкой (стандарт при испытаниях бетона, где указывается скорость нагрузки в кН/с, а не скорость смещения). Недостатком является то, что управление положением менее точное, чем электромеханическое, масло требует периодической замены и устранения утечек, а насос выделяет тепло и шум.

Сервогидравлические UTM, используемые при усталостных и динамических испытаниях, сочетают в себе гидравлическую силу с сервоуправлением с обратной связью как для силы, так и для смещения. Это специализированные дорогостоящие инструменты, которые обычно используются в исследовательских и аэрокосмических испытательных лабораториях, а не в обычных лабораториях контроля качества.

Системы захватов и креплений: универсальность или простота

Универсальность UTM во многом обусловлена его экосистемой приспособлений. Поперечины машины имеют точки крепления с резьбой или вилкой, на которые можно установить сменные захваты и приспособления:

• Растяжимые захваты клинового действия — самозатягивающиеся губки для захвата плоских или круглых образцов; Доступны гладкие губки (для мягких материалов) или зубчатые губки (для твердых материалов); самый распространенный аксессуар UTM
• Компрессионные плиты — пластины из закаленной стали плоские для сжатия блоков, цилиндров и образцов; они преобразуют UTM в тестер сжатия для неконкретных приложений.
• Крепления с трехточечным и четырехточечным изгибом. — роликовые опоры и нагрузочные носики для испытаний на изгиб; расстояния между интервалами регулируются в соответствии с размерами образца, указанными в стандартах испытаний.
• Пил приспособления - вращающийся рычаг или приспособления с Т-образным отслаиванием для испытаний на отслаивание клея и пленки под определенными углами (90°, 180°, Т-образное отслаивание)
• Экстензометры - прикрепляемые или бесконтактные устройства, которые измеряют удлинение образца независимо от смещения траверсы, обеспечивая точное измерение деформации для определения модуля Юнга и предела текучести.

Напротив, машина для испытаний на сжатие обычно имеет только одну конфигурацию приспособлений: верхнюю и нижнюю плиты. В бетонных СТМ согласно EN 12390-4 указываются сферически установленная верхняя плита который самовыравнивается, чтобы компенсировать незначительную непараллельность образца — критически важную функцию точности для испытаний бетонного куба. Некоторые CTM принимают дополнительные приспособления для тестирования луча, но диапазон приспособлений составляет лишь часть того, что поддерживает UTM.

Измерение и контроль: тензодатчики, экстензометры и программное обеспечение

Точность и диапазон тензодатчиков

В UTM обычно используются сменные тензодатчики — в лаборатории может быть датчик 1 кН для испытаний пленок и клеев и элемент 100 кН для испытаний металлов, каждый из которых имеет свою собственную калибровку. Точность весоизмерительного датчика имеет решающее значение: ASTM E4 и ISO 7500-1 определяют, что точность усилия испытательной машины должна находиться в пределах ±1% от указанной силы в диапазоне от 2% до 100% емкости тензодатчика. Большинство современных датчиков веса UTM достигают ±0,5% или лучше точность во всем номинальном диапазоне.

Машины для испытания на сжатие бетона используют тензодатчики или датчики давления, откалиброванные по стандарту EN 12390-4, что требует точности в пределах ±2% от приложенной силы в диапазоне от 20% до 100% максимальной мощности. Более широкий допуск отражает внутреннюю изменчивость геометрии бетонного образца и подготовки поверхности, где точность измерения более 2% практически не имеет смысла.

Возможности программного обеспечения

Программное обеспечение UTM обязательно более сложное, чем программное обеспечение CTM, поскольку оно должно обрабатывать несколько типов испытаний, расчет деформации на основе данных экстензометра и определение свойств материала (модуль Юнга, предел текучести, предел прочности при растяжении, удлинение при разрыве, вязкость разрушения). Ведущие программные платформы UTM от Instron (Bluehill), Zwick/Roell (testXpert) и MTS (TestSuite) обеспечивают программируемые методы испытаний, автоматический расчет свойств материалов, статистическую отчетность по партиям образцов и интеграцию с LIMS (системами управления лабораторной информацией).

Программное обеспечение CTM для бетона по своей конструкции проще: оператор вводит размеры поперечного сечения образца, машина прикладывает нагрузку с заданной скоростью (обычно 0,5 ± 0,25 МПа/с по EN 12390-3 ), записывает пиковую силу при разрушении и рассчитывает прочность на сжатие как силу, деленную на площадь поперечного сечения. Результатом является одно число в МПа или фунтах на квадратный дюйм — никакого анализа напряжения и деформации, никакого расчета модуля.

Комплексное параллельное сравнение

Применение в промышленности: кто какую машину использует

Отрасли, в основном использующие UTM

• Металлы и производство — испытание на растяжение стали, алюминия, меди и сварных швов в соответствии с ISO 6892 и ASTM E8 является наиболее распространенным применением UTM во всем мире; Предел текучести, предел прочности и относительное удлинение являются обязательными показателями качества конструкционных материалов.
• Пластмассы и полимеры — испытания формованных деталей, пленок и волокон на растяжение, изгиб и сжатие в соответствии с ISO 527, ISO 178 и ASTM D638; фармацевтическая промышленность использует UTM для определения твердости таблеток и прочности уплотнения капсул.
• Текстиль и геотекстиль — прочность на разрыв и удлинение тканей, нитей и геомембранных подкладок; прочность на отслаивание и прочность швов склеенных тканей
• Аerospace and automotive — испытание конструктивных элементов, испытание композитного ламината на растяжение и сжатие, испытание клеевых соединений, выдергивание крепежа; часто требуют специализированных приспособлений и климатических камер (повышенной температуры, криогенных)
• Упаковка — сжатие картона и гофрокартона, растяжение и разрыв пленки, прочность на отслаивание шва, раздавливание бутылок; UTM в упаковочных лабораториях часто проводят 50–100 тестов в день по нескольким типам тестов.

Отрасли промышленности, в основном использующие машины для испытаний на сжатие

• Лаборатории испытания строительных материалов — испытание на сжатие бетонных кубов и цилиндров — наиболее распространенное испытание качества в строительной отрасли; типичная лаборатория на объекте может протестировать 50–200 кубов бетона в день , что делает критически важными пропускную способность и простоту CTM
• Производство цемента — прочность на сжатие кубиков цементного раствора по EN 196-1 и ASTM C109 является основным показателем качества при производстве цемента; специальные испытания строительных растворов CTM непрерывно работают в лабораториях контроля качества цементных заводов
• Каменная кладка и керамика — прочность на сжатие кирпича, блоков, черепицы и огнеупорной керамики по EN 772-1, ASTM C67; эти испытания требуют высокой грузоподъемности и жесткости рамы специализированных CTM.
• Механика горных пород и геотехническая инженерия — испытание образцов керна горной породы на прочность на одноосное сжатие (UCS) в соответствии с ISRM и ASTM D7012; образцы горных пород при высоких давлениях требуют СТМ с усилием до 5000 кН

Когда UTM может заменить компрессометр (а когда нет)

UTM с компрессионными плитами может выполнять многие из тех же испытаний, что и специальный тестер для испытаний на сжатие металлов, пластмасс, пенопластов и упаковки. Вопрос в том, подходит ли он для испытаний бетона и каменной кладки, а именно от этого зависит большинство решений о покупке.

UTM подходит для испытаний бетона на сжатие только в том случае, если:

• Его грузоподъемность покрывает ожидаемую пиковую нагрузку — стандартный бетонный куб диаметром 150 мм с Расчетная прочность 30 МПа требует пиковой силы примерно 675 кН. ; на куб 200 мм требуется 1200 кН; большинство UTM с усилием ниже 1000 кН не подходят для рутинных испытаний бетонных кубов.
• Жесткость рамы соответствует требованиям действующего стандарта (EN 12390-4 или ASTM C39); это должно быть проверено у производителя, не предполагается
• Его верхняя плита имеет сферический посадочный механизм в соответствии со стандартными требованиями.
• Орган по калибровке конкретно охватывает режим сжатия — UTM, откалиброванный по стандарту ISO 7500-1 для испытаний на растяжение, не автоматически соответствует требованиям для испытаний бетона на сжатие в соответствии с EN 12390-4.

Для небольших объемов исследований — периодических испытаний образцов бетона в университетской лаборатории, а также для множества других задач испытаний — UTM высокой производительности с соответствующими приспособлениями для сжатия является практичным выбором, позволяющим избежать покупки двух машин. Для коммерческой лаборатории по испытанию бетона, ежедневно работающей в больших объемах, специальный CTM более экономичен, быстрее в эксплуатации и калиброван для конкретной цели именно для этой работы.

Требования к калибровке, стандартам и аккредитации

И UTM, и CTM должны периодически калиброваться аккредитованным органом по калибровке для проверки точности силы. Применимые стандарты различаются:

• ИСО 7500-1/АСТМ Е4 — международные и американские стандарты калибровки силоизмерительной системы испытательных машин; определяет классы точности (Класс 0,5 = ±0,5%, Класс 1 = ±1%, Класс 2 = ±2%); применимо к UTM и любому прибору для измерения силы
• EN 12390-4 - конкретно относится к машинам для испытаний на сжатие, используемым для бетона; требуется проверка плоскостности и твердости плиты, функции сферического посадки и точности нормы приложения нагрузки в дополнение к точности усилия; лаборатории, испытывающие бетон по стандарту EN 12390-3, должны специально откалибровать свои CTM по этому стандарту.
• Частота калибровки — Лаборатории, аккредитованные по стандарту ISO/IEC 17025, обычно проводят калибровку ежегодно; испытательные среды с интенсивным использованием или серьезными последствиями (ядерная, аэрокосмическая) могут потребовать полугодовой калибровки; калибровка всегда должна следовать за любым значительным ремонтом машины, ее перемещением или подозрением на перегрузку.

Для аккредитации лаборатории ISO/IEC 17025 область аккредитации определяет, какие испытания и диапазоны усилий охватываются. Лаборатория, аккредитованная для испытаний металлов на растяжение с помощью UTM, не аккредитуется автоматически для испытаний бетона на сжатие на той же машине — методы испытаний, стандарты и требования к калибровке оцениваются независимо.

Руководство по принятию решения: какую машину купить

Используйте следующие критерии, чтобы определить, какой прибор соответствует вашим требованиям к испытаниям:

1. Вам нужны испытания на растяжение? Если да — для металлов, пластмасс, текстиля, пленок или клеев — UTM является обязательным. Машины, предназначенные только для сжатия, не могут выполнять испытания на растяжение ни при какой конфигурации.
2. Ваша основная работа — бетон, каменная кладка или сжатие горных пород? Если да, и требуемое усилие превышает 600 кН, специальный CTM обеспечит более высокую грузоподъемность при меньших затратах и ​​специально разработан и откалиброван для этих материалов.
3. Какой у вас объем теста? Испытания бетона в больших объемах (50 образцов в день) выигрывают от простоты работы специального CTM и сокращения времени цикла. Исследования или небольшие объемы тестирования оправдывают стоимость UTM, который может обслуживать несколько типов тестов.
4. Каков ваш бюджет? Для эквивалентной сжимающей силы CTM обычно стоит на 30–50% меньше чем UTM. Если ваша область тестирования исключительно сжимающая, тратить больше на возможности UTM, которые никогда не будут использоваться, не оправдано.
5. Вам нужны данные экстензометра или кривые растяжения-деформации? Если требуется характеристика свойств материала (модуль, предел текучести, энергия разрушения), необходим UTM с экстензометром. СТМ выдают только пиковую силу и прочность на сжатие, а не непрерывные данные о силе-перемещении или напряжении-деформации.
6. Изменится ли объем тестирования со временем? Если ваша лаборатория планирует тестировать новые типы материалов или выходить на новые рынки, универсальность UTM обеспечивает защиту инвестиций. Приобретение CTM означает обязательство пройти испытания на сжатие на весь срок службы.