Objašnjenje univerzalnog ispitnog stroja u odnosu na stroj za testiranje kompresije

A Univerzalni stroj za testiranje (UTM) izvodi testove napetosti, kompresije, savijanja, smicanja i ljuštenja na jednoj platformi — stroj za ispitivanje kompresije vrši samo tlačno opterećenje. UTM je sposobniji i skuplji instrument: njegov okvir s dva stupa ili četiri stupa, dvosmjerni pokretač i izmjenjivi sustav zahvata omogućuju mu okretanje smjera sile i prilagođavanje gotovo bilo koje ispitne geometrije. Stroj za ispitivanje kompresije je namjenski izrađen samo za tlačno opterećenje prema dolje — nema mehanizam za primjenu vlačne sile, što ga čini nižim troškovima, jednostavnijim za rukovanje i prikladnijim za ispitivanje specifičnog kompresije velikog volumena, kao što je ispitivanje betonske kocke, ispitivanje cigle i kompresije pakiranja. Ako vaš laboratorij ispituje materijale na napetost ili savijanje uz kompresiju, UTM je pravi izbor. Ako je vaš rad isključivo na kompresiju - osobito na konstrukcijskim materijalima visokog opterećenja poput betona i zidova - namjenski ispitivač kompresije daje bolju vrijednost i često veći kapacitet sile po dolaru.

Temeljne razlike u dizajnu: za što je svaki stroj napravljen

Univerzalna arhitektura stroja za testiranje

UTM je izgrađen oko konstrukcijskog okvira - obično dva ili četiri nosiva stupa - koji podržava fiksnu križnu glavu na vrhu i pokretnu križnu glavu pokretanu vodećim vijcima, hidrauličnim cilindrima ili sustavom remena i remenice. Pokretač je dvosmjeran: može pomicati križnu glavu i prema gore (napetost) i prema dolje (kompresija) s jednakim kapacitetom sile. Ćelija za opterećenje postavljena je u liniji između pokretača i rukohvata, mjereći silu u oba smjera. Ovaj simetrični, dvosmjerni dizajn je ono što stroj čini "univerzalnim".

Ispitni prostor između križnih glava dostupan je s obje strane, što omogućuje aksijalno opterećenje dugih uzoraka. Gornji i donji držači ili učvršćenja su zamjenjivi — isti stroj može držati žicu od 6 mm u zateznim hvataljkama, stisnuti pjenasti blok između ravnih ploča ili saviti gredu preko učvršćenja za savijanje u tri točke, jednostavnom zamjenom alata. UTM-ovi se kreću od Stolne jedinice od 100 N za pakiranje i filmove do 2000 kN podni strojevi za konstrukcijski čelik i beton .

Arhitektura stroja za testiranje kompresije

Stroj za ispitivanje kompresije (CTM) — koji se naziva i ispitivač kompresije betona ili preša za kocke — sastoji se od krutog osnovnog okvira, fiksne donje ploče i gornje ploče koju pokreće hidraulična dizalica ili elektromehanički pokretač. Smjer opterećenja je jednosmjeran: gornja ploča se spušta i uzorak se gnječi između dvije ploče. Ne postoji mehanizam za okretanje aktuatora i primjenu vlačne sile prema gore.

CTM-ovi su optimizirani za tlačna ispitivanja velikom silom na krutim uzorcima. Budući da se okvir treba oduprijeti samo silama tlačne reakcije (ne i vlačnoj), može se izraditi s kraćom, kompaktnijom strukturom koja je sama po sebi čvršća — kritična za točna mjerenja pri testiranju krhkih materijala koji pucaju eksplozivno. Standardni CTM-ovi za ispitivanje betona kreću se od 1.000 kN do 3.000 kN , sa specijalističkim strojevima koji dosežu 5000 kN (500 tona) za uzorke stijena i krupnog agregata. Ove razine sile rijetko su dostupne u UTM-ovima ekvivalentne cijene.

Vrste testova: Što svaki stroj može, a što ne može

Raspon sile i krutost okvira: gdje se strojevi razilaze

Raspon sile jedna je od najoštrijih razlika između dva tipa strojeva u praksi. UTM-ovi koji služe općim laboratorijima za ispitivanje materijala najčešće su navedeni u 5 kN do 600 kN domet. UTM od 600 kN koji je sposoban za vlačno ispitivanje konstrukcijskog čelika košta znatno više od ispitivača kompresije od 3000 kN koji služi laboratoriju za ispitivanje betona — jer UTM-ov dvosmjerni okvir, precizna servo kontrola i sučelje ekstenzometra dodaju značajne troškove koje hidraulički CTM ne treba.

Čvrstoća okvira je još jedan kritični parametar. Kada se krhki uzorak kao što je betonska kocka eksplozivno slomi, energija pohranjena u popustljivom okviru (male krutosti) iznenada se oslobađa, nastavljajući drobiti uzorak iznad njegove prirodne točke loma i stvarajući umjetno niska očitanja čvrstoće. EN 12390-4 i ASTM C39 navode minimalne zahtjeve za krutost okvira za ispitivanje betona na pritisak — obično se izražava kao granica otklona pod najvećim opterećenjem. Namjenski CTM-ovi su posebno dizajnirani da zadovolje ove zahtjeve krutosti. Mnogi UTM-ovi opće namjene, posebno elektromehanički modeli s vijčanim pogonom, nemaju dovoljnu krutost okvira za točno ispitivanje betona na pritisak pri velikim opterećenjima.

Sustavi pokretanja: elektromehanički naspram hidrauličkog

I UTM-ovi i strojevi za ispitivanje kompresije dostupni su u elektromehaničkim (EM) i hidrauličkim varijantama, ali tipične konfiguracije razlikuju se između dvije vrste instrumenata.

Elektromehanički UTM

Većina laboratorijskih UTM-ova ispod 600 kN su elektromehanički: električni servo motor pokreće vodeće vijke ili kuglične vijke za pomicanje križne glave. Ovo osigurava precizna kontrola pomaka križne glave — točnost položaja od ±0,1 mm ili bolja — i konstantna brzina križne glave od 0,001 mm/min do 1000 mm/min u cijelom rasponu opterećenja. EM pogon je čišći (bez hidrauličkog ulja), tiši i zahtijeva manje rutinskog održavanja od hidrauličkih sustava. Ograničenje je maksimalna sila: UTM-ovi s vodećim vijcima iznad 600 kN postaju vrlo veliki, spori i skupi.

Hidraulički UTM i ispitivači kompresije

Iznad 600 kN, hidraulički pogon dominira i na UTM-u i na CTM-u. Hidraulička pumpa tlači ulje kako bi pokrenula klip/cipku. Ovo proizvodi vrlo velike sile u kompaktnom aktuatoru — hidrauličnom generatoru 2000 kN stane u cilindar promjera otprilike 250 mm . Hidraulički sustavi pružaju izvrsnu kontrolu sile za ispitivanja kontrolirana opterećenjem (standard u ispitivanju betona, gdje je određena brzina opterećenja u kN/s, a ne brzina pomaka). Nedostatak je taj što je kontrola položaja manje precizna od elektromehaničke, ulje zahtijeva periodičnu zamjenu i upravljanje curenjem, a pumpa stvara toplinu i buku.

Servo-hidraulički UTM-ovi — koji se koriste u ispitivanju zamora i dinamičkom ispitivanju — kombiniraju kapacitet hidrauličke sile sa servo kontrolom zatvorene petlje i za silu i za pomak. Ovo su specijalizirani skupi instrumenti koji se obično nalaze u istraživačkim i svemirskim ispitnim okruženjima, a ne u rutinskim laboratorijima za kontrolu kvalitete.

Sustavi držanja i učvršćenja: Svestranost nasuprot jednostavnosti

Svestranost UTM-a uglavnom dolazi od njegovog ekosustava uređaja. Križne glave stroja imaju navojne ili spojne točke u stilu klinova koje prihvaćaju izmjenjive ručke i učvršćenja:

• Zatezne hvataljke s klinastim djelovanjem — samozatezne čeljusti koje hvataju ravne ili okrugle uzorke; dostupan u glatkim čeljustima (za meke materijale) ili nazubljenim čeljustima (za tvrde materijale); najčešći UTM dodatak
• Kompresijske ploče — ravne ploče od kaljenog čelika za sabijanje blokova, cilindara i uzoraka; oni pretvaraju UTM u ispitivač kompresije za nebetonske primjene
• Savijanje u tri i četiri točke — oslonci na valjcima i nosovi za opterećenje za ispitivanja savijanjem; udaljenosti raspona su podesive kako bi odgovarale dimenzijama uzorka navedenim u standardima ispitivanja
• Peel uređaji — rotirajuća ruka ili T-peel učvršćenja za testove odljepljivanja ljepila i filma pod definiranim kutovima (90°, 180°, T-peel)
• Ekstenzometri — uređaji koji se pričvršćuju ili beskontaktni uređaji koji mjere produljenje uzorka neovisno o pomaku križne glave, omogućujući točno mjerenje naprezanja za Youngov modul i određivanje granice razvlačenja

Za razliku od toga, stroj za ispitivanje kompresije obično ima samo jednu konfiguraciju učvršćenja: gornju i donju ploču. Betonski CTM-ovi prema EN 12390-4 navode a sferno postavljena gornja ploča koji se samonivelira kako bi se prilagodio manjoj neparalelnosti uzorka — kritična značajka točnosti za ispitivanje betonske kocke. Neki CTM-ovi prihvaćaju izborne uređaje za testiranje snopa, ali raspon uređaja je djelić onoga što UTM podržava.

Mjerenje i kontrola: mjerne ćelije, ekstenzometri i softver

Točnost i raspon mjerne ćelije

UTM obično koriste izmjenjive mjerne ćelije — laboratorij može imati ćeliju od 1 kN za ispitivanje filma i ljepila i ćeliju od 100 kN za ispitivanje metala, svaka s vlastitom kalibracijom. Preciznost mjerne ćelije je kritična: ASTM E4 i ISO 7500-1 određuju da točnost sile stroja za ispitivanje mora biti unutar ±1% naznačene sile u rasponu od 2% do 100% kapaciteta mjerne ćelije. Većina modernih UTM mjernih ćelija postiže ±0,5% ili bolje točnost u njihovom nazivnom rasponu.

Strojevi za ispitivanje kompresije za beton koriste mjerne ćelije ili pretvarače tlaka kalibrirane prema EN 12390-4, što zahtijeva točnost unutar ±2% primijenjene sile u rasponu od 20% do 100% maksimalnog kapaciteta. Šira tolerancija odražava inherentnu varijabilnost u geometriji betonskog uzorka i pripremi površine, gdje preciznost mjerenja iznad 2% nema praktički smisla.

Mogućnosti softvera

Softver UTM nužno je složeniji od softvera CTM jer mora upravljati s više vrsta ispitivanja, izračunom deformacije iz podataka ekstenzometra i izvođenjem svojstava materijala (Youngov modul, granica tečenja, krajnja vlačna čvrstoća, istezanje pri prekidu, žilavost loma). Vodeće UTM softverske platforme iz Instrona (Bluehill), Zwick/Roell (testXpert) i MTS (TestSuite) pružaju programabilne ispitne metode, automatski izračun svojstava materijala, statističko izvješćivanje o serijama uzoraka i integraciju s LIMS-om (Laboratory Information Management Systems).

CTM softver za beton je jednostavniji po dizajnu: operater unosi dimenzije poprečnog presjeka uzorka, stroj primjenjuje opterećenje određenom brzinom (obično 0,5 ± 0,25 MPa/s prema EN 12390-3 ), bilježi vršnu silu pri lomu i izračunava tlačnu čvrstoću kao silu podijeljenu površinom poprečnog presjeka. Rezultat je jedan broj u MPa ili psi — bez analize naprezanja i deformacije, bez izračuna modula.

Sveobuhvatna usporedna usporedba

Primjene u industriji: Tko koristi koji stroj

Industrije koje primarno koriste UTM

• Metali i proizvodnja — ispitivanje rastezanja čelika, aluminija, bakra i zavarenih spojeva prema normama ISO 6892 i ASTM E8 najčešća je primjena UTM-a na globalnoj razini; granica razvlačenja, vlačna čvrstoća i istezanje obvezni su parametri kvalitete za konstrukcijske materijale
• Plastika i polimeri — ispitivanja rastezanja, savijanja i kompresije na lijevanim dijelovima, filmovima i vlaknima prema ISO 527, ISO 178 i ASTM D638; farmaceutska industrija koristi UTM za tvrdoću tableta i čvrstoću zatvaranja kapsule
• Tekstil i geotekstil — vlačna čvrstoća i istezanje tkanina, pređe i geomembranskih obloga; otpornost na guljenje i šavove vezanih tekstila
• Zrakoplovstvo i automobilska industrija — ispitivanje strukturnih komponenti, vlačna i kompresija kompozitnog laminata, ispitivanje ljepljivih spojeva, izvlačenje spojnica; često zahtijevaju specijalizirane uređaje i komore za okoliš (povišene temperature, kriogene)
• Ambalaža — kompresija kartona i valovitog kartona, vlačnost i trganje filma, čvrstoća pečata na ljuštenje, drobljenje boce; UTM-ovi u laboratorijima za pakiranje često pokreću 50-100 testova dnevno na više vrsta testova

Industrije koje prvenstveno koriste strojeve za ispitivanje kompresije

• Laboratoriji za ispitivanje građevinskih materijala — ispitivanje tlaka betonske kocke i cilindra je najčešće ispitivanje kontrole kvalitete u građevinskoj industriji; tipični laboratorij na gradilištu može testirati 50–200 kocki betona dnevno , čineći CTM propusnost i jednostavnost ključnima
• Proizvodnja cementa — tlačna čvrstoća kockica cementnog morta prema EN 196-1 i ASTM C109 primarni je parametar kvalitete za proizvodnju cementa; namjenski CTM-ovi za ispitivanje žbuke kontinuirano se izvode u laboratorijima za kvalitetu tvornica cementa
• Zidarstvo i keramika — tlačna čvrstoća opeke, blokova, pločica i vatrostalne keramike prema EN 772-1, ASTM C67; ovi testovi zahtijevaju veliki kapacitet sile i čvrste okvire namjenskih CTM-ova
• Mehanika stijena i geotehničko inženjerstvo — ispitivanje jednoosne tlačne čvrstoće (UCS) uzoraka jezgre stijene prema ISRM i ASTM D7012; uzorci stijena pri visokim ograničavajućim pritiscima zahtijevaju CTM-ove sa silama do 5000 kN

Kada UTM može zamijeniti tester kompresije (a kada ne može)

UTM s kompresijskim pločama može izvesti mnoge iste testove kao namjenski kompresijski ispitivač za metale, plastiku, pjene i ambalažu. Pitanje je je li prikladan za ispitivanje betona i zidova, gdje se većina odluka o kupnji temelji.

UTM je prikladan za ispitivanje tlaka betona samo ako:

• Njegov kapacitet sile pokriva očekivano vršno opterećenje — standardna betonska kocka od 150 mm Projektirana čvrstoća od 30 MPa zahtijeva približno 675 kN vršne sile ; kocka od 200 mm zahtijeva 1.200 kN; većina UTM-ova ispod 1000 kN neadekvatna je za rutinsko ispitivanje betonske kocke
• Njegova krutost okvira zadovoljava zahtjeve važeće norme (EN 12390-4 ili ASTM C39); ovo se mora provjeriti kod proizvođača, a ne pretpostavljati
• Njegova gornja ploča ima sferni mehanizam za sjedenje prema standardnim zahtjevima
• Tijelo za kalibraciju posebno pokriva način kompresije — UTM kalibriran prema ISO 7500-1 za ispitivanje rastezanja nije automatski usklađen za ispitivanje betona tlačenjem prema EN 12390-4

Za male istraživačke primjene - povremeno ispitivanje betonskih uzoraka u sveučilišnom laboratoriju s nizom drugih potreba za ispitivanjem - UTM velikog kapaciteta s odgovarajućim kompresijskim učvršćenjima praktičan je izbor koji izbjegava kupnju dvaju strojeva. Za komercijalni laboratorij za ispitivanje betona koji svakodnevno radi velike količine, a namjenski CTM je isplativiji, brži za rad i namjenski kalibriran za upravo taj posao.

Kalibracija, standardi i zahtjevi za akreditaciju

I UTM i CTM moraju povremeno kalibrirati ovlašteno tijelo za kalibraciju kako bi se potvrdila točnost sile. Primjenjivi standardi se razlikuju:

• ISO 7500-1 / ASTM E4 — međunarodne i američke norme za kalibraciju sustava za mjerenje sile ispitnih strojeva; definira klase točnosti (Klasa 0,5 = ±0,5%, Klasa 1 = ±1%, Klasa 2 = ±2%); odnosi se na UTM i bilo koji instrument za mjerenje sile
• EN 12390-4 — posebno se bavi strojevima za ispitivanje kompresije koji se koriste za beton; zahtijeva provjeru ravnosti i tvrdoće ploče, funkcije sfernog sjedišta i točnosti stope primjene opterećenja uz točnost sile; laboratoriji koji ispituju beton prema EN 12390-3 moraju posebno kalibrirati svoj CTM prema ovom standardu
• Učestalost kalibracije — ISO/IEC 17025-akreditirani laboratoriji obično kalibriraju godišnje; okruženja za ispitivanje s velikom upotrebom ili velikim posljedicama (nuklearna, zrakoplovna) mogu zahtijevati polugodišnju kalibraciju; kalibracija uvijek treba uslijediti nakon bilo kakvog značajnog popravka stroja, premještanja ili sumnje na preopterećenje

Za ISO/IEC 17025 akreditaciju laboratorija, opseg akreditacije navodi koja su ispitivanja i rasponi sila obuhvaćeni. Laboratorij akreditiran za ispitivanje vlačne čvrstoće metala s UTM-om nije automatski akreditiran za ispitivanje tlačnosti betona s istim strojem — ispitne metode, standardi i zahtjevi za kalibraciju ocjenjuju se neovisno.

Vodič za odlučivanje: Koji stroj kupiti

Koristite sljedeće kriterije kako biste odredili koji je instrument prikladan za vaše zahtjeve ispitivanja:

1. Trebate li ispitivanje zateznosti? Ako da — za metale, plastiku, tekstil, filmove ili ljepila — UTM je obavezan. Strojevi koji rade samo na kompresiju ne mogu provoditi vlačna ispitivanja u bilo kojoj konfiguraciji.
2. Je li vaš primarni posao beton, zidanje ili tlačenje stijena? Ako da, a vaša potrebna sila premašuje 600 kN, namjenski CTM pružit će veći kapacitet sile po nižoj cijeni i posebno je dizajniran i kalibriran za te materijale.
3. Koliki je vaš testni volumen? Ispitivanje betona velike količine (50 uzoraka dnevno) ima koristi od jednostavnijeg rada namjenskog CTM-a i kraćeg vremena ciklusa. Istraživanje ili testiranje male količine opravdava trošak UTM-a koji može poslužiti više vrsta testova.
4. Koliki je vaš proračun? Za ekvivalentni kapacitet tlačne sile, CTM obično košta 30–50% manje nego UTM. Ako je vaš testni opseg isključivo kompresivan, nije opravdano trošiti više za UTM mogućnosti koje se nikada neće koristiti.
5. Trebate li ekstenzometarske podatke ili krivulje naprezanje-deformacija? Ako je potrebna karakterizacija svojstava materijala (modul, granica tečenja, energija loma), neophodan je UTM s ekstenzometrom. CTM-ovi proizvode samo vršnu silu i tlačnu čvrstoću - ne kontinuirane podatke o sili-pomaku ili naprezanju-deformaciji.
6. Hoće li se opseg testa mijenjati s vremenom? Ako vaš laboratorij predviđa testiranje novih vrsta materijala ili ulazak na nova tržišta, svestranost UTM-a pruža zaštitu ulaganja. Kupnja CTM-a obvezuje se na kompresijsko ispitivanje tijekom njegova vijeka trajanja.