Giải thích về Máy kiểm tra đa năng và Máy kiểm tra nén

A Máy kiểm tra đa năng (UTM) thực hiện các thử nghiệm kéo, nén, uốn, cắt và bóc trên một nền tảng duy nhất - một máy thử nén chỉ thực hiện tải nén. UTM là thiết bị có nhiều tính năng hơn và đắt tiền hơn: khung hai cột hoặc bốn cột, bộ truyền động hai chiều và hệ thống kẹp có thể hoán đổi cho phép nó đảo ngược hướng lực và phù hợp với hầu hết mọi hình dạng thử nghiệm. Máy thử nén được thiết kế nhằm mục đích chỉ dành cho tải nén hướng xuống - nó không có cơ chế tác dụng lực kéo, giúp chi phí thấp hơn, vận hành đơn giản hơn và phù hợp hơn cho thử nghiệm nén cụ thể với khối lượng lớn như thử nghiệm khối bê tông, thử nghiệm gạch và nén bao bì. Nếu phòng thí nghiệm của bạn kiểm tra vật liệu chịu kéo hoặc uốn ngoài nén thì UTM là lựa chọn chính xác. Nếu công việc của bạn chỉ là nén - đặc biệt là các vật liệu kết cấu chịu tải cao như bê tông và gạch xây - máy thử nén chuyên dụng sẽ mang lại giá trị tốt hơn và thường có khả năng chịu lực cao hơn trên mỗi đô la.

Sự khác biệt về thiết kế cốt lõi: Mỗi chiếc máy được chế tạo để làm gì

Kiến trúc máy thử nghiệm đa năng

UTM được chế tạo xung quanh một khung cấu trúc - thường là hai hoặc bốn cột chịu lực - hỗ trợ một đầu chữ thập cố định ở phía trên và một đầu chữ thập có thể di chuyển được dẫn động bằng vít me, xi lanh thủy lực hoặc hệ thống đai và ròng rọc. Bộ truyền động là hai chiều: nó có thể di chuyển con trượt lên trên (căng thẳng) và xuống dưới (nén) với công suất lực bằng nhau. Cảm biến tải trọng được gắn thẳng hàng giữa bộ truyền động và tay nắm, đo lực theo cả hai hướng. Thiết kế đối xứng, hai chiều này là điều khiến chiếc máy trở nên "phổ quát".

Không gian thử nghiệm giữa các đầu chữ thập có thể tiếp cận được từ cả hai phía, cho phép tải các mẫu dài theo chiều trục. Các kẹp hoặc đồ gá trên và dưới có thể hoán đổi cho nhau — cùng một máy có thể giữ dây 6 mm ở các kẹp kéo, nén khối xốp giữa các tấm phẳng hoặc uốn dầm qua các đồ gá uốn ba điểm, chỉ bằng cách hoán đổi dụng cụ. UTM có phạm vi từ Bộ phận để bàn 100 N dùng để đóng gói và màng lên đến 2.000 kN máy đứng trên sàn dùng cho kết cấu thép và bê tông .

Kiến trúc máy thử nén

Máy thử nén (CTM) - còn được gọi là máy thử nén bê tông hoặc máy ép khối - bao gồm khung đế cứng, trục lăn cố định phía dưới và trục lăn phía trên được dẫn động xuống dưới bằng kích thủy lực hoặc bộ truyền động cơ điện. Hướng tải là một chiều: tấm ép phía trên hạ xuống và mẫu thử bị ép giữa hai tấm ép. Không có cơ chế đảo ngược bộ truyền động và tác dụng lực kéo hướng lên trên.

CTM được tối ưu hóa cho các thử nghiệm nén lực cao trên mẫu cứng. Bởi vì khung chỉ cần chống lại lực phản ứng nén (không phải lực kéo), nên nó có thể được chế tạo với cấu trúc ngắn hơn, nhỏ gọn hơn và cứng hơn - rất quan trọng để đo chính xác khi kiểm tra các vật liệu giòn dễ gãy dễ nổ. CTM tiêu chuẩn để thử nghiệm bê tông có phạm vi từ 1.000 kN đến 3.000 kN , với các máy móc chuyên dụng đạt 5.000 kN (500 tấn) cho các mẫu đá và cốt liệu lớn. Các mức lực này hiếm khi có ở các UTM có mức giá tương đương.

Các loại thử nghiệm: Mỗi máy có thể và không thể làm gì

Phạm vi lực và độ cứng của khung: Nơi máy móc phân kỳ

Phạm vi lực là một trong những khác biệt rõ ràng nhất giữa hai loại máy trong thực tế. UTM phục vụ các phòng thí nghiệm thử nghiệm vật liệu nói chung được quy định phổ biến nhất trong 5 kN đến 600 kN phạm vi. Một UTM 600 kN có khả năng kiểm tra độ bền kết cấu thép có giá cao hơn đáng kể so với một máy thử nén 3.000 kN phục vụ phòng thí nghiệm kiểm tra bê tông - bởi vì khung hai chiều của UTM, điều khiển servo chính xác và giao diện máy đo độ giãn làm tăng thêm chi phí đáng kể mà CTM thủy lực không cần.

Độ cứng của khung là một thông số quan trọng khác. Khi một mẫu vật giòn như khối bê tông bị gãy một cách bùng nổ, năng lượng được lưu trữ trong khung tuân thủ (độ cứng thấp) sẽ được giải phóng đột ngột, tiếp tục nghiền nát mẫu vật vượt quá điểm gãy tự nhiên của nó và tạo ra chỉ số cường độ thấp giả tạo. EN 12390-4 và ASTM C39 quy định các yêu cầu về độ cứng tối thiểu của khung để thử nghiệm nén bê tông - thường được biểu thị bằng giới hạn độ võng dưới tải trọng lớn nhất. CTM chuyên dụng được thiết kế đặc biệt để đáp ứng các yêu cầu về độ cứng này. Nhiều UTM đa năng, đặc biệt là các mô hình truyền động bằng trục vít cơ điện, không đủ độ cứng khung để thử nghiệm nén bê tông chính xác ở tải trọng cao.

Hệ thống truyền động: Cơ điện và thủy lực

Cả UTM và máy thử nén đều có sẵn ở dạng cơ điện (EM) và biến thể thủy lực, nhưng cấu hình điển hình khác nhau giữa hai loại thiết bị.

UTM cơ điện

Hầu hết các UTM trong phòng thí nghiệm dưới 600 kN đều là cơ điện: một động cơ servo điện dẫn động vít me hoặc vít bi để di chuyển đầu chữ thập. Điều này cung cấp điều khiển dịch chuyển đầu chữ thập chính xác - độ chính xác vị trí là ±0,1 mm hoặc cao hơn - và tốc độ con trượt không đổi từ 0,001 mm/phút đến 1.000 mm/phút trên toàn phạm vi tải. Truyền động EM sạch hơn (không cần dầu thủy lực), êm hơn và ít cần bảo trì định kỳ hơn hệ thống thủy lực. Giới hạn là lực tối đa: UTM dẫn động bằng vít me trên 600 kN trở nên rất lớn, chậm và đắt tiền.

UTM thủy lực và máy thử nén

Trên 600 kN, dẫn động thủy lực chiếm ưu thế ở cả UTM và CTM. Một máy bơm thủy lực tạo áp lực cho dầu để di chuyển piston/ram. Điều này tạo ra lực rất cao trong một bộ truyền động nhỏ gọn - một bộ truyền động thủy lực tạo ra 2.000 kN vừa với một hình trụ có đường kính khoảng 250mm . Hệ thống thủy lực cung cấp khả năng kiểm soát lực tuyệt vời cho các thử nghiệm kiểm soát tải trọng (tiêu chuẩn trong thử nghiệm bê tông, trong đó tốc độ tải tính bằng kN/s được chỉ định thay vì tốc độ dịch chuyển). Nhược điểm là điều khiển vị trí kém chính xác hơn cơ điện, dầu yêu cầu thay thế định kỳ và quản lý rò rỉ, đồng thời máy bơm tạo ra nhiệt và tiếng ồn.

UTM thủy lực servo — được sử dụng trong thử nghiệm độ mỏi và động lực học — kết hợp khả năng chịu lực thủy lực với điều khiển servo vòng kín cho cả lực và chuyển vị. Đây là những thiết bị chuyên dụng có chi phí cao thường được tìm thấy trong môi trường nghiên cứu và thử nghiệm hàng không vũ trụ thay vì các phòng thí nghiệm kiểm soát chất lượng thông thường.

Hệ thống tay nắm và cố định: Tính linh hoạt và sự đơn giản

Tính linh hoạt của UTM phần lớn đến từ hệ sinh thái cố định của nó. Đầu chữ thập của máy có các điểm gắn ren hoặc kiểu móc chấp nhận các tay nắm và đồ gá có thể hoán đổi cho nhau:

• Tay nắm kéo dạng nêm - các hàm tự siết chặt để kẹp các mẫu phẳng hoặc tròn; có loại hàm trơn (đối với vật liệu mềm) hoặc hàm răng cưa (đối với vật liệu cứng); phụ kiện UTM phổ biến nhất
• Trục ép nén - các tấm thép phẳng, cứng để nén khối, hình trụ và mẫu thử; những thứ này chuyển đổi UTM thành máy thử nén cho các ứng dụng phi bê tông
• Thiết bị uốn cong ba điểm và bốn điểm - các giá đỡ và mũi tải dựa trên con lăn để thử uốn; khoảng cách nhịp được điều chỉnh để phù hợp với kích thước mẫu được chỉ định trong tiêu chuẩn thử nghiệm
• Bóc đồ đạc - cánh tay quay hoặc thiết bị cố định vỏ chữ T để kiểm tra độ bám dính và độ bong tróc màng ở các góc xác định (90°, 180°, vỏ chữ T)
• Máy đo độ giãn - các thiết bị kẹp hoặc không tiếp xúc để đo độ giãn dài của mẫu độc lập với sự dịch chuyển của đầu chữ thập, cung cấp phép đo biến dạng chính xác cho mô đun Young và xác định cường độ năng suất

Ngược lại, máy thử nén thường chỉ có một cấu hình cố định: tấm trên và tấm dưới. CTM bê tông theo EN 12390-4 chỉ định một trục lăn phía trên hình cầu tự cân bằng để phù hợp với tính không song song của mẫu nhỏ — một tính năng chính xác quan trọng đối với thử nghiệm khối bê tông. Một số CTM chấp nhận các thiết bị kiểm tra chùm tia tùy chọn, nhưng phạm vi của thiết bị cố định chỉ bằng một phần nhỏ so với những gì UTM hỗ trợ.

Đo lường và Điều khiển: Cảm biến tải trọng, Máy đo độ giãn và Phần mềm

Độ chính xác và phạm vi tải của ô

UTM thường sử dụng các cảm biến tải trọng có thể hoán đổi cho nhau - phòng thí nghiệm có thể có một cảm biến tải trọng 1 kN để kiểm tra màng và chất kết dính và một cảm biến tải trọng 100 kN để kiểm tra kim loại, mỗi cảm biến có hiệu chuẩn riêng. Độ chính xác của cảm biến tải trọng là rất quan trọng: ASTM E4 và ISO 7500-1 quy định rằng độ chính xác của lực máy kiểm tra phải nằm trong khoảng ±1% lực chỉ định trong phạm vi từ 2% đến 100% công suất của cảm biến tải trọng. Hầu hết các cảm biến tải trọng UTM hiện đại đều đạt được ±0,5% hoặc cao hơn độ chính xác trên phạm vi đánh giá của họ.

Máy thí nghiệm nén dùng cho cảm biến tải trọng hoặc cảm biến áp suất sử dụng bê tông được hiệu chuẩn theo EN 12390-4, yêu cầu độ chính xác trong phạm vi ±2% lực tác dụng trong khoảng từ 20% đến 100% công suất tối đa. Dung sai rộng hơn phản ánh sự thay đổi vốn có trong hình dạng mẫu bê tông và việc chuẩn bị bề mặt, trong đó độ chính xác của phép đo vượt quá 2% là không có ý nghĩa thực tế.

Khả năng phần mềm

Phần mềm UTM nhất thiết phải phức tạp hơn phần mềm CTM vì nó phải xử lý nhiều loại thử nghiệm, tính toán biến dạng từ dữ liệu máy đo độ giãn và rút ra các đặc tính vật liệu (mô đun Young, cường độ chảy, độ bền kéo cuối cùng, độ giãn dài khi đứt, độ bền khi đứt). Các nền tảng phần mềm UTM hàng đầu từ Instron (Bluehill), Zwick/Roell (testXpert) và MTS (TestSuite) cung cấp các phương pháp thử nghiệm có thể lập trình, tính toán đặc tính vật liệu tự động, báo cáo thống kê theo lô mẫu và tích hợp với LIMS (Hệ thống quản lý thông tin phòng thí nghiệm).

Phần mềm CTM cho bê tông được thiết kế đơn giản hơn: người vận hành nhập kích thước mặt cắt ngang của mẫu, máy tác dụng tải trọng theo tốc độ quy định (thường là 0,5 ± 0,25 MPa/giây theo EN 12390-3 ), ghi lại lực cực đại khi đứt và tính cường độ nén bằng lực chia cho diện tích mặt cắt ngang. Kết quả là một số duy nhất tính bằng MPa hoặc psi - không cần phân tích ứng suất-biến dạng, không tính toán mô đun.

So sánh song song toàn diện

Ứng dụng trong ngành: Ai sử dụng máy nào

Các ngành chủ yếu sử dụng UTM

• Kim loại và sản xuất - thử nghiệm độ bền kéo của thép, nhôm, đồng và mối hàn theo tiêu chuẩn ISO 6892 và ASTM E8 là ứng dụng UTM phổ biến nhất trên toàn cầu; cường độ năng suất, độ bền kéo và độ giãn dài là các thông số chất lượng bắt buộc đối với vật liệu kết cấu
• Nhựa và polyme - các thử nghiệm kéo, uốn và nén trên các bộ phận đúc, màng và sợi theo ISO 527, ISO 178 và ASTM D638; ngành công nghiệp dược phẩm sử dụng UTM để đo độ cứng của viên thuốc và độ bền của viên nang
• Dệt may và vải địa kỹ thuật - độ bền kéo và độ giãn dài của vải, sợi và lớp lót màng địa kỹ thuật; độ bền vỏ và đường may của hàng dệt ngoại quan
• Hàng không vũ trụ và ô tô - thử thành phần kết cấu, kéo và nén tấm composite, thử mối nối dính, kéo dây buộc; thường yêu cầu đồ đạc chuyên dụng và buồng môi trường (nhiệt độ cao, đông lạnh)
• Bao bì - nén thùng carton và các tông sóng, kéo và xé màng, độ bền của vỏ bịt kín, nghiền chai; UTM trong phòng thí nghiệm đóng gói thường chạy 50–100 bài kiểm tra mỗi ngày trên nhiều loại bài kiểm tra

Các ngành chủ yếu sử dụng máy thí nghiệm nén

• Phòng thí nghiệm vật liệu xây dựng — thử nghiệm nén khối bê tông và xi lanh là thử nghiệm kiểm soát chất lượng phổ biến nhất trong ngành xây dựng; một phòng thí nghiệm tại chỗ điển hình có thể kiểm tra 50–200 khối bê tông mỗi ngày , làm cho thông lượng CTM và tính đơn giản trở nên quan trọng
• Sản xuất xi măng — cường độ nén của khối vữa xi măng theo EN 196-1 và ASTM C109 là thông số chất lượng chính cho sản xuất xi măng; CTM thử nghiệm vữa chuyên dụng chạy liên tục trong phòng thí nghiệm chất lượng nhà máy xi măng
• Gạch và gốm sứ — cường độ nén của gạch, khối, ngói và gốm chịu lửa theo EN 772-1, ASTM C67; các thử nghiệm này yêu cầu khả năng chịu lực cao và khung cứng của CTM chuyên dụng
• Cơ học đá và địa kỹ thuật - thử nghiệm cường độ nén một trục (UCS) của mẫu lõi đá theo ISRM và ASTM D7012; mẫu đá ở áp suất giới hạn cao yêu cầu CTM có lực lên tới 5.000 kN

Khi nào UTM có thể thay thế Bộ kiểm tra nén (và khi nào không thể)

UTM với tấm nén có thể thực hiện nhiều thử nghiệm tương tự như máy thử nén chuyên dụng cho kim loại, nhựa, bọt và bao bì. Câu hỏi đặt ra là liệu nó có phù hợp để thử nghiệm bê tông và khối xây hay không, đây là lúc mà hầu hết các quyết định mua hàng đều xoay quanh.

UTM chỉ phù hợp để thử nghiệm nén bê tông nếu:

• Khả năng chịu lực của nó chịu được tải trọng tối đa dự kiến - một khối bê tông tiêu chuẩn 150mm với Cường độ thiết kế 30 MPa yêu cầu lực cực đại khoảng 675 kN ; một khối lập phương 200mm cần 1.200 kN; hầu hết các UTM dưới 1.000 kN đều không đủ để thử nghiệm khối bê tông thông thường
• Độ cứng khung của nó đáp ứng các yêu cầu của tiêu chuẩn hiện hành (EN 12390-4 hoặc ASTM C39); điều này phải được xác nhận với nhà sản xuất chứ không phải giả định
• Trục lăn phía trên của nó có cơ cấu ngồi hình cầu theo yêu cầu tiêu chuẩn
• Cơ quan hiệu chuẩn bao gồm cụ thể chế độ nén - UTM được hiệu chuẩn theo ISO 7500-1 để kiểm tra độ bền kéo không tự động tuân thủ đối với thử nghiệm nén bê tông theo EN 12390-4

Đối với các ứng dụng nghiên cứu khối lượng thấp - thỉnh thoảng thử nghiệm mẫu bê tông trong phòng thí nghiệm của trường đại học với nhiều nhu cầu thử nghiệm khác - UTM công suất cao với thiết bị nén thích hợp là một lựa chọn thiết thực giúp tránh phải mua hai máy. Đối với một phòng thí nghiệm thử nghiệm bê tông thương mại hoạt động với khối lượng lớn hàng ngày, CTM chuyên dụng tiết kiệm chi phí hơn, vận hành nhanh hơn và hiệu chỉnh theo mục đích cho chính xác công việc đó.

Yêu cầu hiệu chuẩn, tiêu chuẩn và chứng nhận

Cả UTM và CTM phải được hiệu chuẩn định kỳ bởi cơ quan hiệu chuẩn được công nhận để xác minh độ chính xác của lực. Các tiêu chuẩn áp dụng khác nhau:

• ISO 7500-1 / ASTM E4 - các tiêu chuẩn quốc tế và Hoa Kỳ về hiệu chuẩn hệ thống đo lực của máy thử; xác định các lớp chính xác (Lớp 0,5 = ± 0,5%, Lớp 1 = ± 1%, Lớp 2 = ± 2%); áp dụng cho UTM và bất kỳ dụng cụ đo lực nào
• EN 12390-4 - đề cập cụ thể đến các máy thử nén dùng cho bê tông; yêu cầu xác minh độ phẳng và độ cứng của trục lăn, chức năng tựa hình cầu và độ chính xác của tốc độ ứng dụng tải bên cạnh độ chính xác của lực; các phòng thí nghiệm thử nghiệm bê tông theo EN 12390-3 phải hiệu chỉnh CTM của họ theo tiêu chuẩn này một cách cụ thể
• Tần số hiệu chuẩn — Các phòng thí nghiệm được công nhận ISO/IEC 17025 thường hiệu chuẩn hàng năm; môi trường thử nghiệm có mức độ sử dụng cao hoặc có hậu quả cao (hạt nhân, hàng không vũ trụ) có thể yêu cầu hiệu chuẩn nửa năm một lần; Việc hiệu chuẩn phải luôn tuân theo bất kỳ hoạt động sửa chữa máy, di dời hoặc nghi ngờ quá tải nào đáng kể

Đối với việc công nhận phòng thí nghiệm ISO/IEC 17025, phạm vi công nhận chỉ rõ những thử nghiệm và phạm vi lực nào được áp dụng. Phòng thí nghiệm được công nhận để thử nghiệm độ bền kéo của kim loại bằng UTM không tự động được công nhận để thử nghiệm nén bê tông bằng cùng một máy - các phương pháp thử nghiệm, tiêu chuẩn và yêu cầu hiệu chuẩn được đánh giá độc lập.

Hướng dẫn Quyết định: Nên Mua Máy nào

Sử dụng các tiêu chí sau để xác định công cụ nào phù hợp với yêu cầu thử nghiệm của bạn:

1. Bạn có cần kiểm tra độ bền kéo? Nếu có - đối với kim loại, nhựa, dệt may, màng hoặc chất kết dính - UTM là bắt buộc. Máy chỉ nén không thể thực hiện kiểm tra độ bền kéo dưới bất kỳ cấu hình nào.
2. Công việc chính của bạn là bê tông, xây nề hay nén đá? Nếu có và lực yêu cầu của bạn vượt quá 600 kN, CTM chuyên dụng sẽ cung cấp khả năng chịu lực cao hơn với chi phí thấp hơn và được thiết kế và hiệu chỉnh riêng cho các vật liệu này.
3. Khối lượng thử nghiệm của bạn là bao nhiêu? Thử nghiệm bê tông khối lượng lớn (50 mẫu mỗi ngày) được hưởng lợi từ hoạt động đơn giản hơn và thời gian chu kỳ nhanh hơn của CTM chuyên dụng. Nghiên cứu hoặc thử nghiệm khối lượng thấp chứng minh chi phí của một UTM có thể phục vụ nhiều loại thử nghiệm.
4. Ngân sách của bạn là bao nhiêu? Để có khả năng chịu lực nén tương đương, CTM thường có giá Giảm 30–50% hơn UTM. Nếu phạm vi thử nghiệm của bạn chỉ mang tính nén, việc chi nhiều hơn cho khả năng UTM sẽ không bao giờ được sử dụng là không hợp lý.
5. Bạn có cần dữ liệu máy đo độ giãn hoặc đường cong ứng suất-biến dạng không? Nếu cần mô tả đặc tính vật liệu (mô đun, điểm chảy dẻo, năng lượng đứt gãy), thì cần phải có UTM với máy đo độ giãn. CTM chỉ tạo ra lực cực đại và cường độ nén - không phải dữ liệu chuyển vị lực hoặc biến dạng ứng suất liên tục.
6. Phạm vi kiểm thử có thay đổi theo thời gian không? Nếu phòng thí nghiệm của bạn dự định thử nghiệm các loại vật liệu mới hoặc thâm nhập các thị trường mới, thì tính linh hoạt của UTM sẽ mang lại sự bảo vệ đầu tư. Việc mua CTM là cam kết kiểm tra độ nén trong suốt thời gian sử dụng của nó.