Wyjaśniono uniwersalną maszynę testującą vs maszynę do testowania ściskania

A Uniwersalna maszyna testująca (UTM-a) wykonuje testy rozciągania, ściskania, zginania, ścinania i odrywania na jednej platformie — a maszyna do badania kompresji wykonuje tylko obciążenie ściskające. UTM jest instrumentem o większych możliwościach i droższym: jego dwukolumnowa lub czterokolumnowa rama, dwukierunkowy siłownik i system wymiennych uchwytów umożliwiają mu odwrócenie kierunku siły i dostosowanie się do praktycznie dowolnej geometrii testowej. Maszyna do badania ściskania została zaprojektowana wyłącznie do obciążenia ściskającego skierowanego w dół — nie ma mechanizmu przykładającego siłę rozciągającą, co czyni ją tańszą, prostszą w obsłudze i bardziej odpowiednią do specyficznych testów ściskania na dużą skalę, takich jak testowanie kostek betonowych, testowanie cegieł i ściskanie opakowań. Jeśli oprócz ściskania materiały w laboratorium badane są pod kątem rozciągania lub zginania, UTM będzie właściwym wyborem. Jeśli Twoja praca ma charakter wyłącznie ściskający — szczególnie w przypadku materiałów konstrukcyjnych o dużym obciążeniu, takich jak beton i mur — dedykowany tester ściskania zapewnia lepszą jakość i często większą siłę w przeliczeniu na dolara.

Podstawowe różnice konstrukcyjne: do czego została zbudowana każda maszyna

Architektura uniwersalnej maszyny testującej

UTM jest zbudowany wokół ramy konstrukcyjnej — zwykle dwóch lub czterech kolumn nośnych — która podtrzymuje stałą poprzeczkę u góry i ruchomą poprzeczkę napędzaną śrubami pociągowymi, cylindrami hydraulicznymi lub układem paska i koła pasowego. Siłownik jest dwukierunkowy: może przesuwać poprzeczkę zarówno w górę (napinanie), jak i w dół (ściskanie) z jednakową siłą. Czujnik tensometryczny jest zamontowany w linii pomiędzy siłownikiem a uchwytami i mierzy siłę w obu kierunkach. Ta symetryczna, dwukierunkowa konstrukcja sprawia, że ​​maszyna jest „uniwersalna”.

Przestrzeń testowa pomiędzy poprzeczkami jest dostępna z obu stron, co pozwala na osiowe obciążenie długich próbek. Górne i dolne uchwyty lub osprzęt są wymienne — ta sama maszyna może utrzymać drut o średnicy 6 mm w rozciągliwych uchwytach, ściskać blok piankowy pomiędzy płaskimi płytami lub zginać belkę w trzech punktach zaginania, po prostu zamieniając oprzyrządowanie. UTM wahają się od Agregaty stołowe 100 N do opakowań i folii do 2000 kN maszyny stojące do stali konstrukcyjnej i betonu .

Architektura maszyny do testowania kompresji

Maszyna do badania ściskania (CTM) — zwana także testerem ściskania betonu lub prasą do kostek — składa się ze sztywnej ramy podstawy, stałej płyty dolnej i płyty górnej napędzanej w dół za pomocą podnośnika hydraulicznego lub siłownika elektromechanicznego. Kierunek ładowania jest jednokierunkowy: górna płyta opada, a próbka zostaje zmiażdżona pomiędzy dwiema płytami. Nie ma mechanizmu umożliwiającego odwrócenie siłownika i przyłożenie siły rozciągającej skierowanej w górę.

CTM są zoptymalizowane pod kątem testów ściskania z dużą siłą na sztywnych próbkach. Ponieważ rama musi wytrzymać jedynie siły reakcji ściskania (a nie rozciąganie), można ją wykonać z krótszą, bardziej zwartą konstrukcją, która jest z natury sztywniejsza – co ma kluczowe znaczenie dla dokładnego pomiaru podczas badania kruchych materiałów, które pękają wybuchowo. Standardowe CTM do badania betonu obejmują m.in 1000 kN do 3000 kN , dojeżdżając specjalistycznymi maszynami 5000 kN (500 ton) do okazów skał i dużych kruszyw. Te poziomy siły są rzadko dostępne w UTM o tej samej cenie.

Typy testów: co każda maszyna może, a czego nie może zrobić

Zakres siły i sztywność ramy: gdzie maszyny się różnią

Zakres siły jest w praktyce jedną z najbardziej wyraźnych różnic między obydwoma typami maszyn. UTM obsługujące laboratoria badania materiałów ogólnych są najczęściej określone w 5 kN do 600 kN zasięg. Urządzenie UTM o wytrzymałości 600 kN umożliwiające badanie stali konstrukcyjnej na rozciąganie kosztuje znacznie więcej niż tester ściskania o nacisku 3000 kN używany w laboratorium badawczym betonu — ponieważ dwukierunkowa rama UTM, precyzyjne sterowanie serwomechanizmem i interfejs tensometru zwiększają znaczne koszty, których hydrauliczny CTM nie jest potrzebny.

Sztywność ramy to kolejny krytyczny parametr. Kiedy krucha próbka, taka jak kostka betonowa, pęka gwałtownie, energia zmagazynowana w podatnej (o niskiej sztywności) ramie zostaje nagle uwolniona, powodując dalsze kruszenie próbki poza jej naturalny punkt pękania i powodując sztucznie zaniżone odczyty wytrzymałości. EN 12390-4 i ASTM C39 określają minimalne wymagania dotyczące sztywności ramy do badań ściskania betonu — zwykle wyrażany jako granica ugięcia pod maksymalnym obciążeniem. Dedykowane CTM zostały specjalnie zaprojektowane, aby spełnić te wymagania dotyczące sztywności. Wiele uniwersalnych pojazdów UTM, w szczególności modele elektromechaniczne z napędem śrubowym, ma niewystarczającą sztywność ramy, aby umożliwić dokładne badanie ściskania betonu przy dużych obciążeniach.

Systemy uruchamiające: elektromechaniczne a hydrauliczne

Zarówno UTM, jak i maszyny do badania ściskania są dostępne w wersjach elektromechanicznych (EM) i hydraulicznych, ale typowe konfiguracje różnią się w przypadku obu typów przyrządów.

Elektromechaniczne UTM

Większość laboratoryjnych UTM poniżej 600 kN jest elektromechaniczna: elektryczny serwomotor napędza śruby pociągowe lub kulowe w celu poruszania poprzeczką. To zapewnia precyzyjna kontrola przemieszczenia poprzeczki — dokładność pozycjonowania ±0,1 mm lub lepsza — i stała prędkość poprzeczki od 0,001 mm/min do 1000 mm/min w pełnym zakresie obciążenia. Napęd EM jest czystszy (nie zawiera oleju hydraulicznego), cichszy i wymaga mniej rutynowej konserwacji niż układy hydrauliczne. Ograniczeniem jest maksymalna siła: UTM napędzane śrubą pociągową powyżej 600 kN stają się bardzo duże, powolne i drogie.

Hydrauliczne UTM i testery kompresji

Powyżej 600 kN dominuje uruchamianie hydrauliczne zarówno w UTM, jak i CTM. Pompa hydrauliczna tłoczy olej pod ciśnieniem, aby poruszyć tłok/nurnik. Powoduje to wytwarzanie bardzo dużych sił w kompaktowym siłowniku — generowaniu siłownika hydraulicznego Siła 2000 kN mieści się w cylindrze o średnicy około 250 mm . Układy hydrauliczne zapewniają doskonałą kontrolę siły w testach kontrolowanych obciążeniem (standard w badaniach betonu, gdzie określa się współczynnik obciążenia w kN/s, a nie prędkość przemieszczenia). Wadą jest to, że kontrola położenia jest mniej precyzyjna niż elektromechaniczna, olej wymaga okresowej wymiany i usuwania wycieków, a pompa generuje ciepło i hałas.

Serwohydrauliczne UTM — stosowane w testach zmęczeniowych i dynamicznych — łączą wydajność siły hydraulicznej ze sterowaniem serwo w pętli zamkniętej zarówno w przypadku siły, jak i przemieszczenia. Są to specjalistyczne, drogie instrumenty, które zwykle można znaleźć w środowiskach badawczych i testowych w przemyśle lotniczym, a nie w rutynowych laboratoriach kontroli jakości.

Systemy uchwytów i mocowań: wszechstronność kontra prostota

Wszechstronność UTM wynika w dużej mierze z ekosystemu osprzętu. Poprzeczki maszyny są wyposażone w gwintowane punkty mocowania lub mocowania typu Clevis, które umożliwiają wymienne uchwyty i mocowania:

• Uchwyty rozciągliwe o działaniu klinowym — szczęki samozaciskowe, które chwytają próbki płaskie lub okrągłe; dostępne w wersji ze szczęką gładką (do materiałów miękkich) lub szczęką ząbkowaną (do materiałów twardych); najpopularniejsze akcesorium UTM
• Płyty dociskowe — płaskie płyty ze stali hartowanej do ściskania bloków, cylindrów i próbek; przekształcają one UTM w tester ściskania do zastosowań innych niż beton
• Okucia do zginania trzypunktowego i czteropunktowego — podpory rolkowe i noski obciążające do prób zginania; odległości przęseł można regulować, aby dopasować je do wymiarów próbki określonych w normach testowych
• Obierz armaturę — obrotowe ramię lub uchwyty typu T-peel do testów odrywania kleju i folii pod określonym kątem (90°, 180°, T-peel)
• Tensometry — urządzenia zatrzaskowe lub bezkontaktowe, które mierzą wydłużenie próbki niezależnie od przemieszczenia poprzeczki, zapewniając dokładny pomiar odkształcenia w celu określenia modułu Younga i granicy plastyczności

Z kolei maszyna do badania ściskania ma zazwyczaj tylko jedną konfigurację mocowania: górną i dolną płytę dociskową. Betonowe CTM zgodnie z EN 12390-4 określają a sferycznie osadzona górna płyta który samopoziomuje się, aby uwzględnić niewielką nierównoległość próbki — kluczową cechę dokładności w testowaniu kostek betonowych. Niektóre CTM akceptują opcjonalne urządzenia do testowania wiązki, ale zakres urządzeń stanowi ułamek tego, co obsługuje UTM.

Pomiary i kontrola: ogniwa obciążnikowe, tensometry i oprogramowanie

Dokładność i zasięg ogniwa obciążnikowego

W urządzeniach UTM zazwyczaj stosuje się wymienne czujniki wagowe — laboratorium może mieć ogniwo 1 kN do badania folii i kleju oraz ogniwo 100 kN do badania metalu, każde z własną kalibracją. Dokładność ogniwa obciążnikowego ma kluczowe znaczenie: ASTM E4 i ISO 7500-1 określają, że dokładność siły maszyny testującej musi mieścić się w granicach ±1% wskazanej siły w zakresie od 2% do 100% pojemności ogniwa obciążnikowego. Osiąga to większość nowoczesnych czujników wagowych UTM ±0,5% lub lepiej dokładność w całym zakresie znamionowym.

Maszyny do badania ściskania betonu wykorzystują czujniki wagowe lub przetworniki ciśnienia skalibrowane zgodnie z normą EN 12390-4, która wymaga dokładności w granicach ±2% przyłożonej siły w zakresie od 20% do 100% maksymalnej wydajności. Szersza tolerancja odzwierciedla nieodłączną zmienność geometrii próbki betonu i przygotowania powierzchni, gdzie dokładność pomiaru przekraczająca 2% nie ma praktycznego znaczenia.

Możliwości oprogramowania

Oprogramowanie UTM jest z konieczności bardziej złożone niż oprogramowanie CTM, ponieważ musi obsługiwać wiele typów testów, obliczać odkształcenia na podstawie danych tensometrycznych i wyprowadzać właściwości materiału (moduł Younga, granica plastyczności, ostateczna wytrzymałość na rozciąganie, wydłużenie przy zerwaniu, odporność na pękanie). Wiodące platformy oprogramowania UTM firm Instron (Bluehill), Zwick/Roell (testXpert) i MTS (TestSuite) zapewniają programowalne metody testowe, automatyczne obliczanie właściwości materiału, raportowanie statystyczne dla partii próbek oraz integrację z LIMS (systemy zarządzania informacjami laboratoryjnymi).

Oprogramowanie CTM do betonu jest prostsze z założenia: operator wprowadza wymiary przekroju próbki, maszyna przykłada obciążenie z określoną szybkością (zwykle 0,5 ± 0,25 MPa/s zgodnie z EN 12390-3 ), rejestruje szczytową siłę przy zerwaniu i oblicza wytrzymałość na ściskanie jako siłę podzieloną przez pole przekroju poprzecznego. Wynikiem jest pojedyncza liczba w MPa lub psi — bez analizy naprężenia i odkształcenia, bez obliczania modułu.

Kompleksowe porównanie bezpośrednie

Zastosowania branżowe: kto używa jakiej maszyny

Branże korzystające głównie z UTM

• Metale i produkcja — próba rozciągania stali, aluminium, miedzi i spoin zgodnie z normami ISO 6892 i ASTM E8 jest najpowszechniejszym zastosowaniem UTM na świecie; granica plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie są obowiązkowymi parametrami jakościowymi materiałów konstrukcyjnych
• Tworzywa sztuczne i polimery — próby rozciągania, zginania i ściskania części formowanych, folii i włókien zgodnie z normami ISO 527, ISO 178 i ASTM D638; przemysł farmaceutyczny wykorzystuje UTM do pomiaru twardości tabletek i wytrzymałości uszczelnienia kapsułki
• Tekstylia i geowłókniny — wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie tkanin, przędzy i wykładzin geomembranowych; wytrzymałość na odrywanie i szwy łączonych tekstyliów
• Lotnictwo i motoryzacja — badanie elementów konstrukcyjnych, rozciąganie i ściskanie laminatu kompozytowego, badanie połączeń klejonych, wyrywanie elementów złącznych; często wymagają specjalistycznej armatury i komór środowiskowych (podwyższona temperatura, kriogeniczna)
• Opakowanie — ściskanie kartonu i tektury falistej, rozciąganie i rozdzieranie folii, wytrzymałość na odrywanie zgrzewu, zgniatanie butelek; Urządzenia UTM w laboratoriach zajmujących się pakowaniem często przeprowadzają 50–100 testów dziennie w ramach wielu typów testów

Branże wykorzystujące głównie maszyny do testowania ściskania

• Laboratoria badania materiałów budowlanych — badanie ściskania kostek i cylindrów betonowych jest najpowszechniejszym badaniem kontroli jakości w branży budowlanej; typowe laboratorium zakładowe może przeprowadzić badanie 50–200 kostek betonu dziennie , co sprawia, że przepustowość i prostota CTM mają kluczowe znaczenie
• Produkcja cementu — wytrzymałość na ściskanie kostek zaprawy cementowej zgodnie z EN 196-1 i ASTM C109 jest podstawowym parametrem jakościowym w produkcji cementu; dedykowane badania zapraw CTM pracują w sposób ciągły w laboratoriach jakości cementowni
• Murarstwo i ceramika — wytrzymałość na ściskanie cegieł, bloków, płytek i ceramiki ogniotrwałej zgodnie z EN 772-1, ASTM C67; testy te wymagają dużej wytrzymałości i sztywnych ram dedykowanych CTM
• Mechanika skał i inżynieria geotechniczna — badanie jednoosiowej wytrzymałości na ściskanie (UCS) próbek rdzeni skalnych zgodnie z ISRM i ASTM D7012; próbki skał pod wysokim ciśnieniem wymagają CTM o siłach do 5000 kN

Kiedy UTM może zastąpić tester kompresji (a kiedy nie może)

UTM z płytami dociskowymi może wykonywać wiele takich samych testów, jak dedykowany tester ściskania metali, tworzyw sztucznych, pianek i opakowań. Pytanie brzmi, czy nadaje się do badania betonu i murów, czyli w przypadku większości decyzji zakupowych.

UTM jest odpowiedni do badania ściskania betonu tylko wtedy, gdy:

• Jego siła pokrywa oczekiwane obciążenie szczytowe — standardowa kostka betonowa o grubości 150 mm Wytrzymałość projektowa 30 MPa wymaga siły szczytowej około 675 kN ; kostka o boku 200 mm wymaga siły 1200 kN; większość UTM poniżej 1000 kN nie nadaje się do rutynowych testów kostek betonowych
• Sztywność ramy odpowiada wymaganiom obowiązującej normy (EN 12390-4 lub ASTM C39); należy to sprawdzić u producenta, a nie zakładać
• Górna płyta posiada kulisty mechanizm gniazdowy zgodny ze standardowymi wymaganiami
• Organ kalibracyjny szczegółowo omawia tryb ściskania — UTM skalibrowany zgodnie z normą ISO 7500-1 do badania rozciągania nie jest automatycznie zgodny z badaniem ściskania betonu zgodnie z normą EN 12390-4

W przypadku zastosowań badawczych o małej objętości – sporadycznych testów próbek betonu w laboratorium uniwersyteckim z wieloma innymi potrzebami testowymi – praktycznym wyborem jest UTM o dużej wydajności z odpowiednimi uchwytami ściskającymi, który pozwala uniknąć zakupu dwóch maszyn. W przypadku komercyjnego laboratorium badawczego wykonującego codziennie duże ilości próbek: a dedykowany CTM jest bardziej opłacalny, szybszy w obsłudze i skalibrowany pod kątem celu właśnie za tę pracę.

Kalibracja, standardy i wymagania akredytacyjne

Zarówno UTM, jak i CTM muszą być okresowo kalibrowane przez akredytowaną jednostkę kalibrującą w celu sprawdzenia dokładności siły. Obowiązujące normy różnią się:

• ISO 7500-1 / ASTM E4 — międzynarodowe i amerykańskie normy dotyczące wzorcowania systemu pomiaru siły w maszynach wytrzymałościowych; określa klasy dokładności (klasa 0,5 = ±0,5%, klasa 1 = ±1%, klasa 2 = ±2%); dotyczy UTM i wszelkich przyrządów do pomiaru siły
• EN 12390-4 — w szczególności dotyczy maszyn do badania ściskania stosowanych do betonu; wymaga sprawdzenia płaskości i twardości płyty dociskowej, funkcji osadzenia sferycznego i dokładności dawki przykładania obciążenia oprócz dokładności siły; laboratoria testujące beton zgodnie z EN 12390-3 muszą skalibrować swoje CTM specjalnie pod kątem tej normy
• Częstotliwość kalibracji — laboratoria akredytowane zgodnie z normą ISO/IEC 17025 zazwyczaj dokonują kalibracji raz w roku; środowiska testowe o dużym obciążeniu lub poważnych konsekwencjach (jądrowe, lotnicze) mogą wymagać kalibracji przeprowadzanej co pół roku; kalibracja powinna zawsze następować po każdej znaczącej naprawie maszyny, jej przeniesieniu lub podejrzeniu przeciążenia

W przypadku akredytacji laboratorium ISO/IEC 17025 zakres akredytacji określa, które badania i zakresy sił są objęte. Laboratorium akredytowane do badań rozciągania metali za pomocą UTM nie jest automatycznie akredytowane do badania ściskania betonu za pomocą tej samej maszyny – metody badań, normy i wymagania kalibracyjne oceniane są niezależnie.

Przewodnik po decyzjach: którą maszynę kupić

Skorzystaj z poniższych kryteriów, aby określić, który przyrząd jest odpowiedni do Twoich wymagań testowych:

1. Czy potrzebujesz próby rozciągania? Jeśli tak – w przypadku metali, tworzyw sztucznych, tekstyliów, folii i klejów – UTM jest obowiązkowy. Maszyny przeznaczone wyłącznie do ściskania nie mogą wykonywać testów rozciągania w żadnej konfiguracji.
2. Czy Twoją podstawową pracą jest beton, mur lub ściskanie skał? Jeśli tak, a wymagana siła przekracza 600 kN, dedykowany CTM zapewni większą siłę przy niższych kosztach i jest specjalnie zaprojektowany i skalibrowany dla tych materiałów.
3. Jaka jest Twoja objętość testowa? Zaletą testowania betonu na dużą skalę (50 próbek dziennie) jest prostsza obsługa dedykowanego CTM i krótszy czas cyklu. Badania lub testy na małą skalę uzasadniają koszt UTM, który może obsługiwać wiele typów testów.
4. Jaki jest Twój budżet? W przypadku równoważnej siły ściskającej CTM zazwyczaj kosztuje 30–50% mniej niż UTM. Jeśli zakres testowy ma wyłącznie charakter kompresyjny, wydawanie większych środków na możliwości UTM, które nigdy nie zostaną wykorzystane, nie jest uzasadnione.
5. Czy potrzebujesz danych tensometrycznych lub krzywych naprężenia-odkształcenia? Jeśli wymagana jest charakterystyka właściwości materiału (moduł, granica plastyczności, energia pękania), niezbędny jest UTM z tensometrem. CTM wytwarzają jedynie siłę szczytową i wytrzymałość na ściskanie, a nie dane dotyczące ciągłego przemieszczenia siły lub naprężenia i odkształcenia.
6. Czy zakres testów będzie się zmieniał w czasie? Jeśli Twoje laboratorium przewiduje testowanie nowych typów materiałów lub wejście na nowe rynki, wszechstronność UTM zapewnia ochronę inwestycji. Zakup CTM oznacza zobowiązanie do poddania się testom ściskającym w celu sprawdzenia jego żywotności.