Что такое электронная универсальная испытательная машина? Полное руководство по спецификациям и стандартам UTM

Ан электронная универсальная испытательная машина (UTM) — это система с сервоприводом, которая применяет контролируемую силу растяжения, сжатия, изгиба или сдвига к образцу материала, в то время как электронный тензодатчик и датчик смещения записывают данные для определения механических свойств, таких как прочность на растяжение, предел текучести и модуль упругости. В отличие от гидравлических испытательных машин, электронные UTM используют серводвигатель переменного тока и прецизионную шарико-винтовую передачу для перемещения траверсы, что обеспечивает более жесткий контроль скорости и более чистые измерения с низким усилием — именно поэтому они сегодня доминируют в лабораториях по тестированию металлов, пластмасс, текстиля и композитов.

В разделах ниже рассказывается о том, как на самом деле работают эти машины, что на практике означают ключевые характеристики, как правильно подобрать размер и выбрать их, а также какие стандарты регулируют их калибровку и использование.

Как работает электронная универсальная испытательная машина

Принцип работы прост, хотя компоненты точны. Серводвигатель переменного тока приводит в движение шариковый винт, который поднимает или опускает траверсу с контролируемой скоростью. Линейный энкодер отслеживает положение траверсы в режиме реального времени, передавая эти данные обратно в систему управления с обратной связью, чтобы машина могла поддерживать точную скорость, усилие или скорость деформации на протяжении всего испытания.

Когда образец растягивается, сжимается или сгибается, тензодатчик, установленный в силовой цепи, измеряет силу сопротивления электронным способом, а энкодер или присоединенный экстензометр измеряет деформацию. Оба сигнала регистрируются одновременно и отображаются в виде кривой растяжения-деформации. , на основе которого программное обеспечение автоматически рассчитывает такие свойства, как предел прочности на разрыв, предел текучести со смещением 0,2%, удлинение и модуль упругости.

Эта конструкция с замкнутым контуром позволяет электронным UTM переключаться между режимами управления в середине теста:

• Регулировка скорости траверсы — постоянная скорость смещения, наиболее распространенный режим для общих испытаний на растяжение и сжатие.
• Контроль скорости деформации — использует обратную связь экстензометра для поддержания точной скорости деформации, требуемой такими стандартами, как ASTM E8 для металлов.
• Контроль уровня нагрузки/напряжения — увеличивает силу с постоянной скоростью, что характерно для хрупких материалов и испытаний бетона.

Основные компоненты, определяющие качество тестирования

Каждый электронный UTM состоит из согласованного набора подсистем, и качество каждой из них напрямую влияет на достоверность получаемых данных.

Электронные и гидравлические универсальные испытательные машины

Две доминирующие архитектуры UTM удовлетворяют разные потребности, и выбор в основном сводится к диапазону усилий и требуемому типу точности управления.

Электронные (электромеханические) машины

Типичная несущая способность варьируется от 0,5 до 300 кН. , с диапазоном скорости от 0,001 до 1000 мм/мин и разрешением положения 0,001 мм или выше. Их главным преимуществом является точное, бесшумное и не требующее особого обслуживания управление скоростью, поэтому такие стандарты, как ASTM E8, требующие строгого соблюдения скорости деформации, легче всего удовлетворить на электромеханических рамах. Типичная точность составляет ±0,5% от емкости датчика веса (ISO 7500-1, класс 0,5).

Гидравлические (сервогидравлические) машины

Типичная грузоподъемность варьируется от 100 кН до 2000 кН, что делает их стандартным выбором для приложений с высокими нагрузками, таких как испытания конструкционной стали, большой арматуры или бетона. Они обеспечивают стабильный контроль силы при испытаниях на ползучесть и усталость, но требуют периодической замены уплотнений и технического обслуживания гидравлической жидкости и обычно работают с точностью класса 1.0 и более высоким уровнем шума (75–85 дБ).

Лаборатории, которым требуется как очень низкая чувствительность к силе для тонких пленок, так и очень высокая способность к силе для металлов, часто содержат две машины, а не одну, поскольку в одной раме слишком большого размера может не хватать чувствительности тензодатчика, необходимой для регистрации тонкого поведения деликатных образцов.

Как выбрать правильную грузоподъемность

Выбор мощности — это самое важное решение при выборе UTM, а также именно здесь покупатели чаще всего перерасходуют или недоплачивают.

Общее правило заключается в выборе UTM таким образом, чтобы ожидаемая пиковая испытательная сила составляла от 20% до 80% номинальной мощности весоизмерительного датчика. За пределами этого окна результаты становятся неточными на нижнем пределе, или тензодатчик рискует повредиться на верхнем пределе. Полезный рабочий пример: для испытаний бетонных цилиндров АСТМ С39 диаметром 150 мм и прочностью 50 МПа требуется усилие примерно 880 кН, что означает, что подходящим выбором будет датчик нагрузки 1000 кН, а не что-то меньшее.

1. Определите самый прочный материал и самое большое поперечное сечение образца, который вы собираетесь испытать.
2. Рассчитайте максимальную силу, которую образец может создать при своей предельной прочности.
3. Примените запас безопасности, обычно на 20–30 % выше этого максимума, вместо того, чтобы переходить к самому большому доступному кадру.
4. Перекрестная проверка на соответствие применимому стандарту испытаний, поскольку некоторые стандарты напрямую определяют требования к минимальной мощности или классу точности.

Стандарты, регулирующие электронные UTM

Результаты испытаний можно защитить только в том случае, если машина и метод соответствуют признанному стандарту. Разные материалы и типы испытаний соответствуют разным стандартам, и лаборатории, обслуживающей несколько рынков, часто приходится удовлетворять требованиям нескольких рынков одновременно.

• АСТМ Е4/ИСО 7500-1 — принудительная калибровка и проверка самой испытательной машины, обычно требуется ежегодно
• АСТМ Е8/ИСО 6892-1 — испытания металлических материалов на растяжение, включая необходимый контроль скорости деформации.
• АСТМ Д638/ИСО 527 — растягивающие свойства жестких пластиков
• АСТМ Д882 — испытание на растяжение тонких пластиковых пленок
• АСТМ Е9/ИСО 604 — испытания на сжатие металлов и пластмасс соответственно
• ASTM C39 — прочность на сжатие бетонных цилиндров

Сама точность весоизмерительного датчика классифицируется в соответствии с ISO 7500-1 по классам 0,5, 1,0 или 2,0, что соответствует максимально допустимой погрешности 0,5%, 1,0% или 2,0% от указанной силы. Для большинства испытаний на растяжение металлов и пластмасс требуется класс 0,5 или выше. , в то время как испытания на сжатие с более высокой силой часто допускают класс 1.0.

Требования к калибровке и техническому обслуживанию

Электронный тензодатчик и энкодер электронного UTM смещаются со временем, поэтому текущая калибровка не является обязательной, если результаты используются для целей соответствия, сертификации или аккредитации.

Анnual calibration is the standard minimum interval , выполняемая в виде пятиточечной проверки при 20%, 40%, 60%, 80% и 100% номинальной мощности с использованием эталонного стандарта, прослеживаемого до национального метрологического института, такого как NIST, PTB или NIM. Крупные лаборатории часто проводят промежуточные проверки каждые три-шесть месяцев между полными калибровками. Любое событие перегрузки, превышающее примерно 110 % от мощности тензодатчика, должно вызывать повторную проверку, поскольку даже кратковременная перегрузка может изменить линейность тензодатчика настолько, что это повлияет на последующие результаты.

Регулярное техническое обслуживание механики имеет такое же значение, как и калибровка:

• Осматривайте и очищайте рукоятки после каждого использования, чтобы удалить мусор, который может повлиять на выравнивание.
• Проверьте калибровку нуля тензодатчика, если результаты отклоняются более чем на 1 %.
• Регулярно смазывайте шариковый винт и другие движущиеся части.
• Периодически проверяйте захват и выравнивание образца, поскольку чрезмерная деформация изгиба делает недействительными результаты растяжения.

При таком уровне ухода качественный электронный UTM обычно имеет срок службы от 15 до 25 лет, при этом механическая рама обычно превосходит срок службы электроники и управляющего программного обеспечения.

Распространенные приложения по отраслям

Поскольку один электронный UTM может переключаться между испытаниями на растяжение, сжатие, изгиб, отслаивание и сдвиг, просто меняя приспособления, он используется в широком спектре отраслей, а не ограничивается одним типом материала.

• Металлы и строительство — испытания на растяжение и текучесть стальных листов, арматуры и конструктивных элементов.
• Пластмассы и упаковка - растягивающие свойства пленок, жестких пластиков и прочность упаковочных материалов на сварку/отслаивание.
• Медицинские приборы — механические характеристики таких компонентов, как корпуса шприцев и биосовместимые пластмассы.
• Аэрокосмическая промышленность — проверка модуля упругости при изгибе и прочности высокопрочных композитов, таких как углеродное волокно.
• Текстиль и электроника — полосовые испытания тканей на растяжение и проверка прочности кабеля на разрыв

Часто задаваемые вопросы

В чем разница между мощностью тензодатчика и точностью, которую он обеспечивает?

Грузоподъемность — это максимальная сила, которую может измерить тензодатчик, а точность (выраженная как класс по ISO 7500-1) — это то, насколько близко показание к истинной силе, а точность обычно надежна только в пределах 20–80 % от номинальной мощности.

Нужен ли мне экстензометр для каждого испытания?

Не для каждого испытания, но оно требуется всякий раз, когда стандарт требует точного определения модуля упругости или точного определения предела текучести, поскольку само по себе смещение траверсы включает податливость машины и не является точной мерой деформации образца.

Может ли один электронный UTM действительно заменить несколько специализированных испытательных машин?

Да, в пределах диапазона усилий и скоростей — рама, датчик нагрузки и программное обеспечение остаются прежними, и только приспособления меняются при испытаниях на растяжение, сжатие и изгиб, что является основной привлекательностью «универсальной» конструкции.

Сколько времени занимает обучение оператора UTM?

Базовым операциям можно научиться за один-два дня, но для получения надежных, соответствующих стандартам результатов обычно требуется от одной до двух недель более глубокого обучения, а компетентность оператора должна быть документально подтверждена для аккредитованных лабораторий.