الف دستگاه تست جهانی هیدرولیک (UTM) یک ابزار تست مواد است که از تولید نیروی هیدرولیکی برای اعمال بارهای کششی، فشاری، خمشی، برشی و خمشی کنترل شده برای آزمایش نمونهها استفاده میکند - برای اندازهگیری خواص مکانیکی آنها تحت این بارها. UTM های هیدرولیک انتخاب استانداردی برای کاربردهای آزمایش با نیروی بالا هستند، با ظرفیت هایی که معمولاً از 100 کیلو نیوتن تا 3000 کیلو نیوتن (10 تا 300 تن) متغیر است. ، آنها را به تجهیزات ضروری در کارخانه های فولاد، آزمایشگاه های مصالح ساختمانی، صلاحیت قطعات هوافضا و کنترل کیفیت ساخت سنگین تبدیل می کند.
بازار جهانی تجهیزات تست مواد فراتر رفت 800 میلیون دلار در سال 2023 ، با UTM های هیدرولیک نشان دهنده فناوری غالب برای ظرفیت های نیروی بیش از 100 کیلونیوتن است. برای مدیران آزمایشگاه، مهندسین کیفیت، متخصصان تدارکات و دانشمندان مواد، درک اصول عملیاتی، مشخصات کلیدی، قابلیتهای آزمایش و معیارهای انتخاب UTMهای هیدرولیک برای سرمایهگذاری در تجهیزات صوتی و تولید دادههای تست قابل اعتماد ضروری است.
الف 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.
سیستم هیدرولیک از یک پمپ موتوری تشکیل شده است که روغن را در مدار بسته تحت فشار قرار می دهد. یک سوپاپ سروو یا شیر کنترل تناسبی جریان روغن را به سیلندر اصلی تنظیم می کند - هم جهت حرکت ضربدری (بالا یا پایین) و هم میزان اعمال نیرو را کنترل می کند. رابطه بین فشار هیدرولیک و نیروی اعمالی به طور مستقیم از قانون پاسکال پیروی می کند: نیرو = فشار × ناحیه پیستون . یک سیلندر با مساحت پیستون 100 سانتی متر مربع در فشار سیستم 300 بار (30 مگاپاسکال) نیروی 300000 نیوتن (300 کیلونیوتن) ایجاد می کند.
UTM های هیدرولیک مدرن از یکی از دو روش کنترل استفاده می کنند:
قاب ماشین حلقه ساختاری را فراهم می کند که از طریق آن نیروهای آزمایش واکنش نشان می دهند. اکثر UTM های هیدرولیک از a طرح دو ستونی یا چهار ستونی با یک میز پایین ثابت، یک ضربدر متحرک که توسط سیلندر هیدرولیک هدایت می شود، و یک ضربدر بالایی ثابت. نمونه آزمایشی بین چهار سر متحرک و ثابت گرفته می شود. ستون ها باید به اندازه ای صلب باشند که کمتر از طول نمونه تحت حداکثر بار آزمایشی منحرف شوند - سفتی قاب معمولاً به عنوان حداکثر انحراف مشخص می شود. 1-3 میلی متر در ظرفیت نامی کامل .
ارزیابی یک UTM هیدرولیک مستلزم درک مجموعه خاصی از پارامترهای فنی است. هر یک از مشخصات به طور مستقیم بر مناسب بودن دستگاه برای انواع آزمایش خاص و انطباق با استانداردهای آزمایش تأثیر می گذارد.
| مشخصات | محدوده معمولی | چرا اهمیت دارد |
|---|---|---|
| ظرفیت نیرو (بار نامی) | 100 کیلونیوتن – 3000 کیلونیوتن | باید بیش از حداکثر بار مورد انتظار شکست نمونه با حاشیه ایمنی تجاوز کند |
| دقت اندازه گیری بار | ± 0.5٪ - 1.0 ± درصد از مقدار نشان داده شده است | مطابقت با ISO 7500-1 Class 1 یا Class 0.5 را تعیین می کند |
| محدوده سرعت کراس هد | 0.1 - 200 میلی متر در دقیقه | باید با نرخ کرنش مشخص شده استاندارد برای نوع ماده مطابقت داشته باشد |
| نور روز (فضای تست) | 500 - 1500 میلی متر | باید طولانی ترین نمونه به علاوه طول گرفتن را در خود جای دهد |
| ضربه پیستون | 200 - 800 میلی متر | حداکثر طول نمونه قابل اندازه گیری را محدود می کند |
| وضوح موقعیت | 0.001 - 0.01 میلی متر | الفffects displacement measurement accuracy for modulus calculation |
| فشار سیستم هیدرولیک | 200 - 350 بار | نیروی قابل دستیابی برای یک سوراخ سیلندر معین را تعیین می کند |
| محدوده اندازه گیری بار | معمولاً 4 محدوده (به عنوان مثال، 1/10/100/1000 kN) | محدوده های پایین تر دقت را برای نمونه های ضعیف تر در ماشین های با ظرفیت بالا بهبود می بخشد |
انتخاب ظرفیت صحیح بسیار مهم است. اندازه دستگاه باید به گونه ای باشد که بارهای شکست نمونه در 20 تا 80 درصد محدوده مقیاس کامل دستگاه قرار می گیرد - این تضمین می کند که دقت اندازه گیری در محدوده کاری کالیبره شده لودسل باشد. آزمایش یک نمونه 50 کیلونیوتن روی یک ماشین 1000 کیلونیوتن در 5% مقیاس کامل داده های غیر قابل اعتمادی را تولید می کند. اکثر UTM های هیدرولیک این موضوع را از طریق محدوده های بار متعدد با سلول های بار اختصاصی یا محدوده های تقویت کننده سوئیچ پذیر حل می کنند.
"جهانی" در دستگاه تست یونیورسال به توانایی دستگاه برای انجام انواع آزمایش با پیکربندی مجدد دستگیره ها، فیکسچرها و هندسه کاربرد بار اشاره دارد. UTM های هیدرولیک طیف کاملی از آزمایش های مکانیکی را در فلزات، پلیمرها، کامپوزیت ها، بتن، چوب و مواد ژئوتکنیکی انجام می دهند.
تست کشش رایج ترین کاربرد برای UTM های هیدرولیک است. یک نمونه - معمولاً یک پروفیل مسطح از جنس استخوان یا مستطیل شکل برای فلزات و پلاستیک، یا یک کوپن با بخش کامل برای مصالح ساختمانی - در هر دو انتها گرفته شده و با سرعت ضربدری کنترلشده از هم جدا میشود. آزمایش اندازه گیری می کند:
آزمایش تراکم از صفحات مسطح برای اعمال بار فشاری بر روی یک نمونه استفاده می کند - معمولاً سیلندرهای بتنی (150 میلی متر × 300 میلی متر یا 100 میلی متر × 200 میلی متر در EN 12390-3 و ASTM C39)، بلوک های بنایی، نمونه های چوبی یا نمونه های فلزی. برای کنترل کیفیت بتن در ساخت و ساز، آزمایش تراکم تنها آزمایش مصالح سازه ای است که اغلب در سراسر جهان انجام می شود. آزمایشهای استاندارد خرد کردن مکعب بتن به ماشینهایی با ظرفیت نیاز دارند 2000-3000 کیلونیوتن (200-300 تن) .
تست خمش سه نقطه و چهار نقطه بار را از طریق تکیه گاه های غلتکی برای ارزیابی استحکام خمشی، مدول خمشی و رفتار انحراف اعمال می کند. کاربردهای متداول شامل مقاومت خمشی تیر بتنی (ASTM C78، EN 12390-5)، آزمایشهای خمش میلههای تقویتکننده، ارزیابی ظرفیت تیرچه کف چوب، و ارزیابی سختی پانل مرکب است. UTM های هیدرولیک بزرگ با صفحات گسترده و دهانه های آزمایشی طولانی برای آزمایش اعضای ساختاری مورد نیاز است.
آزمایش فولاد تقویت کننده (میلگرد) مطابق با استانداردهای ISO 15630، ASTM A615 یا BS 4449 یکی از رایج ترین کاربردهای UTM هیدرولیک در کنترل کیفیت ساخت و ساز است. میلگرد در اندازه های از قطر 6 تا 50 میلی متر به نیروهای آزمایش کششی 20 کیلو نیوتن تا بیش از 2000 کیلو نیوتن نیاز دارد - محدوده ای که ظرفیت های ماشین چندگانه را در بر می گیرد. دستگیرههای گوهای وسیلهای استاندارد برای آزمایش کشش میلگرد هستند که عمل چسبندگی خود را متناسب با بار کششی اعمال شده ارائه میدهند.
فیکسچرهای تخصصی تست برشی باندهای چسب، جوش و اتصالات پرچ شده و همچنین تست لایه برداری لمینت ها و پوشش ها را امکان پذیر می کنند. این آزمایش ها در صلاحیت اتصال پانل خودرو، گواهی ساختار هواپیما و کنترل کیفیت ساخت کامپوزیت پیشرفته ضروری هستند.
UTM های هیدرولیک و الکترومکانیکی (EM) بخش های مختلف محدوده نیرو و طیف نوع آزمایش را نشان می دهند. درک نقاط قوت نسبی آنها از سرمایه گذاری بیش از حد در فناوری هیدرولیک در جایی که EM کافی است جلوگیری می کند - و از تعیین کمتر زمانی که تولید نیروی هیدرولیک واقعاً مورد نیاز است جلوگیری می کند.
| معیار | UTM هیدرولیک | UTM الکترومکانیکی |
|---|---|---|
| حداکثر ظرفیت نیرو | تا 3000 کیلونیوتن (عملاً بدون محدودیت بالا) | به طور معمول تا 600 کیلو نیوتن؛ برخی تا 2000 کیلو نیوتن |
| دقت کم نیروی | محدود - اثرات اصطکاک هیدرولیک و ویسکوزیته روغن | عالی - دقت پیچ/گلوله |
| محدوده سرعت کراس هد | 0.5 - 200 میلی متر در دقیقه معمولی | 0.0001 - 1000 میلی متر در دقیقه |
| الزامات نگهداری | بالاتر - تعویض روغن، آب بندی، سرویس پمپ | پایین - در درجه اول قطعات الکتریکی |
| مصرف انرژی | بالاتر (پمپ به طور مداوم کار می کند) | پایین تر (موتور فقط در حین حرکت ضربدری نیرو می گیرد) |
| هزینه اولیه | پایین تر در ظرفیت های بالا (> 200 کیلو نیوتن) | کمتر در ظرفیت های کم-متوسط (<200 کیلو نیوتن) |
| بهترین دامنه اپلیکیشن | فولاد، بتن، میلگرد، آزمایش سازه های سنگین | پلیمرها، فلزات نازک، تجهیزات پزشکی، آزمایش دقیق |
نقطه متقاطع که در آن فناوری هیدرولیک به گزینه عملی تر تبدیل می شود، به طور کلی است بالاتر از 200-300 کیلونیوتن (20-30 تن) . کمتر از آن، UTM های الکترومکانیکی کنترل جابجایی بهتر، هزینه های تعمیر و نگهداری کمتر و محدوده سرعت وسیع تری را برای همان سرمایه گذاری فراهم می کنند. بیش از 300 کیلو نیوتن، سیستم های هیدرولیک به طور قابل توجهی فشرده تر و مقرون به صرفه تر از مجموعه های بالاسکرو بزرگ مورد نیاز برای ماشین های EM با نیروی بالا هستند.
الف 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.
دستگیره های گوه ای رایج ترین نوع گیره کششی برای UTM های هیدرولیک هستند. همانطور که بار کششی افزایش مییابد، مکانیسم گوه، دستهها را محکمتر روی نمونه میکشد – که متناسب با نیروی اعمالی، گیرهای خود سفتشونده را ایجاد میکند. آنها مناسب هستند نمونه های تخت، میله گرد، میلگرد، سیم و کابل تست کردن درج های فک قابل تعویض با الگوهای دندانه های مختلف (درشت برای فولاد، صاف برای مواد نرم تر) تطبیق پذیری را افزایش می دهند. دستگیرههای گوهای هیدرولیک (گیرهگیری نمونه با اعمال پنوماتیک یا هیدرولیکی) سفت شدن دستی ناسازگار را حذف میکند و در خطوط آزمایش تولید با حجم بالا استاندارد است.
صفحات تراکمی فولادی سخت شده با صفحه رویه کروی (خود تراز شونده) پایه استاندارد برای آزمایش تراکم بتن، ملات، بنایی و سرامیک هستند. صندلی کروی غیرموازی بودن جزئی نمونه را جبران می کند و تضمین می کند توزیع بار یکنواخت در سطح مقطع کامل نمونه همانطور که توسط EN 12390-3 و ASTM C39 مورد نیاز است. سختی صفحه باید در اکثر استانداردها حداقل Rockwell C 55 را برآورده کند تا از فرورفتگی صفحه بر نتایج تأثیر نگذارد.
فیکسچرهای خم سه نقطه و چهار نقطه از غلتک های فولادی سخت شده تشکیل شده اند که بر روی تکیه گاه های قابل تنظیم نصب شده اند. قطر غلتک و دهانه تکیه گاه توسط استاندارد قابل اجرا مشخص شده است - به عنوان مثال، EN ISO 7438 قطرهای سنبه خاص را برای آزمایش های خم فلزی به عنوان تابعی از ضخامت ماده و زاویه خمش مشخص می کند. اندازه غلتک یا دهانه نادرست آزمایش را باطل می کند و نتایج غیر قابل مقایسه ایجاد می کند.
جابجایی سر متقاطع اندازه گیری شده توسط مبدل موقعیت ماشین شامل انطباق قاب، دستگیره ها و قطار بار است - که خطای قابل توجهی را در محاسبات کرنش و مدول ایجاد می کند. یک کشش سنج گیره ای که مستقیماً به طول گیج نمونه اندازه گیری می شود کرنش واقعی نمونه مستقل از انطباق دستگاه ، که برای تعیین دقیق مدول یانگ بر اساس ISO 6892-1 و ASTM E8 الزامی است. طول گیج اکستنسومتر استاندارد شده است - معمولاً 50 میلی متر یا 80 میلی متر برای فلزات - و باید با طول گیج نمونه مشخص شده در استاندارد آزمایش مطابقت داشته باشد.
عملیات UTM هیدرولیک در کنترل کیفیت، تست گواهینامه و تحقیقات توسط سلسله مراتبی از استانداردها کنترل می شود - استانداردهای تأیید ماشین که عملکرد قابل قبول ماشین را تعریف می کند و استانداردهای روش تست مواد که دقیقاً نحوه انجام هر آزمایش را مشخص می کند.
کالیبراسیون برای UTM های هیدرولیک مورد استفاده در تضمین کیفیت، صدور گواهینامه محصول یا آزمایش انطباق اختیاری نیست - این یک الزام قانونی و قراردادی است. عواقب کارکرد دستگاه کالیبراسیون خارج از حد شامل صدور گواهینامه های آزمایش نامعتبر، عدم موفقیت در ممیزی محصول و مواجهه با مسئولیت در صورت عدم موفقیت مواد گواهی شده در سرویس است.
ISO 7500-1 کالیبراسیون سالانه را به عنوان حداقل توصیه می کند - اگر ماشین در معرض استفاده زیاد باشد، جابجا شده باشد، تعمیر شده باشد، یا در اندازه گیری های تکراری دچار انحراف شود، بیشتر اوقات. اکثر آزمایشگاههای آزمایش معتبر که آزمایشهای دارای گواهی ISO/IEC 17025 را انجام میدهند UTMهای خود را کالیبره میکنند. حداقل سالانه و پس از هر گونه تعمیر و نگهداری که بر قطار باری تأثیر می گذارد .
کالیبراسیون با اعمال نیروهای مرجع شناخته شده به ماشین با استفاده از یکی از موارد زیر انجام می شود:
کالیبراسیون نشانگر نیروی دستگاه را برای مطابقت با استانداردهای مرجع تنظیم می کند. تأیید (بر اساس ISO 7500-1) تأیید می کند که دستگاه با مشخصات کلاس دقت خود بدون نیاز به تنظیم آن مطابقت دارد. هر دو فرآیند یک گواهی با نتایج مستند تولید می کنند. گواهی کالیبراسیون باید شامل عدم قطعیت اندازه گیری گسترده باشد (معمولاً در سطح اطمینان 95٪) مطابق با الزامات ISO/IEC 17025 برای آزمایشگاه های آزمایش معتبر.
UTM های هیدرولیک به دلیل سیستم محرک مبتنی بر روغن نیاز به تعمیر و نگهداری فعال تری نسبت به ماشین های الکترومکانیکی دارند. یک برنامه تعمیر و نگهداری ساختاریافته از خرابی غیرمنتظره جلوگیری میکند، از وضعیت کالیبراسیون محافظت میکند و عمر سرویس دستگاه را افزایش میدهد - ماشینهایی که برای زمانبندی کار معمول نگهداری میشوند. 20-30 سال یا بیشتر .
روغن هیدرولیک از طریق اکسیداسیون، جذب رطوبت و آلودگی ذرات تجزیه می شود. روغن آلوده باعث سایش سریع سوپاپ سروو، سیل سیلندر و اجزای پمپ می شود. روش های کلیدی نگهداری روغن:
مهر و موم پیستون سیلندر اصلی، مهر و موم میله، و مهر و موم دریچه سروو نیاز به بازرسی و تعویض دوره ای دارند. گریه روغن از میله سیلندر نشانگر اولیه سایش آب بندی است - آدرس قبل از اینکه نشتی به اندازه کافی مهم شود که بر دقت اندازه گیری نیرو تأثیر بگذارد یا خطر لغزش ایجاد کند. فاصله سرویس مهر و موم معمولی است 5 تا 10 سال بسته به فرکانس سیکل و فشار کاری .
لودسل ها هرگز نباید در معرض اضافه بارهای ضربه ای قرار گیرند - شکستگی ناگهانی نمونه یک نیروی ضربه پویا را منتقل می کند که می تواند به طور دائم به عناصر کرنش سنج آسیب برساند. همیشه از ماشین هایی استفاده کنید که محافظ اضافه بار روی آن تنظیم شده است 110-120 درصد ظرفیت نامی . اتصالات کابل لودسل را به طور منظم بازرسی کنید. اتصالات خورده یا متناوب باعث خوانش نیروهای نامنظم می شوند که تشخیص آن دشوار است. سلول های بار یدکی را در یک محیط خشک نگهداری کنید تا از ورود رطوبت به مدار کرنش سنج جلوگیری شود.
خرید یک UTM هیدرولیک یک سرمایه گذاری قابل توجه است - ماشین ها معمولاً هزینه دارند 15000 تا 250000 دلار بسته به ظرفیت، پیچیدگی کنترل، و تجهیزات شامل. یک فرآیند انتخاب ساختاریافته از تعیین بیش از حد (پرداخت برای قابلیتی که هرگز استفاده نخواهد شد) و کمتر از مشخصات (خرید ماشینی که نمی تواند تست های مورد نیاز را با استاندارد لازم انجام دهد) جلوگیری می کند.