شرح آلة الاختبار العالمية مقابل آلة اختبار الضغط

أ آلة الاختبار العالمية (يو تي إم) بإجراء اختبارات الشد والضغط والثني والقص والتقشير على منصة واحدة - أ آلة اختبار الضغط ينفذ التحميل المضغوط فقط. يعد UTM أداة أكثر قدرة وأكثر تكلفة: إطاره ثنائي العمود أو أربعة أعمدة، والمحرك ثنائي الاتجاه، ونظام القبضة القابل للتبديل يسمح له بعكس اتجاه القوة واستيعاب أي هندسة اختبار تقريبًا. تم تصميم آلة اختبار الضغط خصيصًا لحمل الضغط الهبوطي فقط - فهي لا تحتوي على آلية لتطبيق قوة الشد، مما يجعلها أقل تكلفة، وأسهل في التشغيل، وأكثر ملاءمة للاختبارات الخاصة بالضغط كبير الحجم مثل اختبار المكعب الخرساني، واختبار الطوب، وضغط التغليف. إذا كان مختبرك يختبر المواد في حالة الشد أو الانحناء بالإضافة إلى الضغط، فإن UTM هو الاختيار الصحيح. إذا كان عملك مضغوطًا بشكل حصري - خاصة المواد الهيكلية عالية التحميل مثل الخرسانة والبناء - فإن جهاز اختبار الضغط المخصص يوفر قيمة أفضل وقدرة قوة أعلى في كثير من الأحيان لكل دولار.

اختلافات التصميم الأساسية: ما تم تصميم كل آلة للقيام به

هندسة آلة الاختبار العالمية

يتم بناء UTM حول إطار هيكلي - عادة عمودين أو أربعة أعمدة حاملة - يدعم رأسًا متقاطعًا ثابتًا في الأعلى ورأسًا متقاطعًا متحركًا مدفوعًا بمسامير الرصاص أو الأسطوانات الهيدروليكية أو نظام الحزام والبكرة. المحرك ثنائي الاتجاه: يمكنه تحريك الرأس المتقاطع للأعلى (الشد) والأسفل (الضغط) بقدرة قوة متساوية. يتم تركيب خلية الحمل بين المشغل والمقابض، لقياس القوة في كلا الاتجاهين. هذا التصميم المتماثل ثنائي الاتجاه هو ما يجعل الآلة "عالمية".

يمكن الوصول إلى مساحة الاختبار بين الرؤوس المتقاطعة من كلا الجانبين، مما يسمح بتحميل العينات الطويلة محوريًا. المقابض أو التركيبات العلوية والسفلية قابلة للتبديل - يمكن للآلة نفسها حمل سلك 6 مم في قبضات الشد، أو ضغط كتلة رغوية بين الألواح المسطحة، أو ثني شعاع عبر تركيبات ثني ثلاثية النقاط، وذلك ببساطة عن طريق تبديل الأدوات. تتراوح UTMs من وحدات منضدية 100 N للتغليف والأفلام حتى 2000 كيلو نيوتن من الآلات الأرضية للصلب الإنشائي والخرسانة .

هندسة آلة اختبار الضغط

تتكون آلة اختبار الضغط (CTM) - والتي تسمى أيضًا جهاز اختبار ضغط الخرسانة أو مكبس المكعب - من إطار قاعدة صلب، وصفيحة سفلية ثابتة، وصفيحة علوية مدفوعة للأسفل بواسطة رافعة هيدروليكية أو مشغل كهروميكانيكي. يكون اتجاه التحميل أحادي الاتجاه: ينزل اللوح العلوي ويتم سحق العينة بين اللوحتين. لا توجد آلية لعكس المحرك وتطبيق قوة الشد للأعلى.

تم تحسين أجهزة CTM لاختبارات الضغط عالية القوة على العينات الصلبة. نظرًا لأن الإطار يحتاج فقط إلى مقاومة قوى رد الفعل الانضغاطية (وليس الشد)، فيمكن تصنيعه ببنية أقصر وأكثر إحكاما وأكثر صلابة بطبيعتها - وهو أمر بالغ الأهمية لقياس دقيق عند اختبار المواد الهشة التي تنكسر بشكل انفجاري. تتراوح معايير CTM القياسية لاختبار الخرسانة من 1000 كيلو نيوتن إلى 3000 كيلو نيوتن ، مع وصول الآلات المتخصصة 5000 كيلو نيوتن (500 طن) للصخور والعينات الإجمالية الكبيرة. نادرًا ما تتوفر مستويات القوة هذه في UTMs ذات السعر المعادل.

أنواع الاختبارات: ما يمكن لكل آلة فعله وما لا يمكنها فعله

نطاق القوة وصلابة الإطار: حيث تتباعد الآلات

يعد نطاق القوة أحد الفروق الأكثر وضوحًا بين نوعي الماكينة في الممارسة العملية. يتم تحديد UTMs التي تخدم مختبرات اختبار المواد العامة بشكل شائع في 5 كيلو نيوتن إلى 600 كيلو نيوتن النطاق. تبلغ تكلفة جهاز UTM بقدرة 600 كيلو نيوتن القادر على اختبار الشد للصلب الهيكلي أكثر بكثير من جهاز اختبار الضغط بقدرة 3000 كيلو نيوتن الذي يخدم مختبر اختبار الخرسانة - لأن إطار UTM ثنائي الاتجاه، والتحكم المؤازر الدقيق، وواجهة مقياس التمدد تضيف تكلفة كبيرة لا يحتاجها CTM الهيدروليكي.

صلابة الإطار هي معلمة حاسمة أخرى. عندما تنكسر عينة هشة مثل المكعب الخرساني بشكل انفجاري، يتم إطلاق الطاقة المخزنة في إطار متوافق (منخفض الصلابة) فجأة، وتستمر في سحق العينة إلى ما هو أبعد من نقطة الكسر الطبيعية وتنتج قراءات منخفضة القوة بشكل مصطنع. يحدد المعياران إن 12390-4 وASTM C39 الحد الأدنى من متطلبات صلابة الإطار لاختبار ضغط الخرسانة — يتم التعبير عنها عادة بحد الانحراف تحت الحمل الأقصى. تم تصميم أجهزة CTM المخصصة خصيصًا لتلبية متطلبات الصلابة هذه. العديد من أجهزة UTM للأغراض العامة، وخاصة النماذج الكهروميكانيكية ذات البراغي اللولبية، لا تتمتع بصلابة إطار كافية لإجراء اختبار دقيق لضغط الخرسانة عند الأحمال العالية.

أنظمة التشغيل: الكهروميكانيكية مقابل الهيدروليكية

تتوفر كل من أجهزة UTM وآلات اختبار الضغط في الإصدارات الكهروميكانيكية (EM) والهيدروليكية، لكن التكوينات النموذجية تختلف بين نوعي الأجهزة.

UTMs الكهروميكانيكية

معظم أجهزة UTM المختبرية التي تقل عن 600 كيلو نيوتن هي كهروميكانيكية: يقوم محرك سيرفو كهربائي بتشغيل مسامير الرصاص أو البراغي الكروية لتحريك الرأس المتقاطع. هذا يوفر التحكم الدقيق في إزاحة التقاطع — دقة موضع تبلغ ±0.1 مم أو أفضل — وسرعة عرضية ثابتة من 0.001 مم/دقيقة إلى 1000 مم/دقيقة عبر نطاق التحميل الكامل. يعد محرك EM أنظف (بدون زيت هيدروليكي)، وأكثر هدوءًا، ويتطلب صيانة روتينية أقل من الأنظمة الهيدروليكية. القيد هو الحد الأقصى للقوة: تصبح أجهزة UTM ذات المسمار اللولبي التي تزيد عن 600 كيلو نيوتن كبيرة جدًا وبطيئة ومكلفة.

أجهزة UTM الهيدروليكية وأجهزة اختبار الضغط

فوق 600 كيلو نيوتن، يهيمن التشغيل الهيدروليكي على كل من UTMs وCTMs. تقوم المضخة الهيدروليكية بضغط الزيت لتحريك المكبس/الكبش. وينتج عن ذلك قوى عالية جدًا في مشغل مدمج — وهو مولد هيدروليكي يتم وضع 2000 كيلو نيوتن في أسطوانة يبلغ قطرها حوالي 250 مم . توفر الأنظمة الهيدروليكية تحكمًا ممتازًا في القوة لاختبارات التحكم في الحمل (قياسية في اختبار الخرسانة، حيث يتم تحديد معدل الحمل بـ kN/s بدلاً من معدل الإزاحة). العيب هو أن التحكم في الموضع أقل دقة من التحكم الكهروميكانيكي، ويتطلب الزيت استبدالًا دوريًا وإدارة التسرب، وتولد المضخة حرارة وضوضاء.

تجمع أجهزة UTM المؤازرة الهيدروليكية - المستخدمة في التعب والاختبار الديناميكي - بين سعة القوة الهيدروليكية والتحكم المؤازر ذو الحلقة المغلقة لكل من القوة والإزاحة. هذه أدوات متخصصة عالية التكلفة توجد عادةً في بيئات اختبار الأبحاث والفضاء بدلاً من مختبرات مراقبة الجودة الروتينية.

أنظمة القبضة والتركيبات: التنوع مقابل البساطة

يأتي تعدد استخدامات UTM إلى حد كبير من النظام البيئي الثابت الخاص به. تحتوي الرؤوس المتقاطعة الخاصة بالجهاز على نقاط ربط ملولبة أو على شكل شقوق تقبل المقابض والتركيبات القابلة للتبديل:

• قبضة الشد إسفين العمل — فكوك ذاتية الشد يمكنها الإمساك بالعينات المسطحة أو المستديرة؛ متوفر بفك ناعم (للمواد الناعمة) أو بفك مسنن (للمواد الصلبة)؛ ملحق UTM الأكثر شيوعًا
• ألواح الضغط — ألواح فولاذية مسطحة ومقواة لضغط الكتل والأسطوانات والعينات؛ تعمل هذه على تحويل UTM إلى اختبار ضغط للتطبيقات غير الملموسة
• تركيبات الانحناء ثلاثية النقاط وأربع نقاط — الدعامات ذات الأساس الأسطواني وأنوف التحميل لاختبارات الانحناء؛ يمكن تعديل مسافات الامتداد لتتناسب مع أبعاد العينة المحددة في معايير الاختبار
• قشر التركيبات — ذراع دوار أو تركيبات تقشير على شكل حرف T لاختبارات تقشير المواد اللاصقة والأغشية بزوايا محددة (90 درجة، 180 درجة، تقشير على شكل حرف T)
• مقاييس الامتداد — أجهزة مثبتة أو غير متصلة تقيس استطالة العينة بشكل مستقل عن إزاحة الرأس المتقاطع، مما يوفر قياسًا دقيقًا للإجهاد لمعامل يونج وتحديد قوة الخضوع

على النقيض من ذلك، تحتوي آلة اختبار الضغط عادةً على تكوين تثبيت واحد فقط: الألواح العلوية والسفلية. تحدد CTMs الخرسانية وفقًا للمعيار EN 12390-4 أ الصفيحة العلوية المثبتة بشكل كروي تلك المستويات الذاتية لاستيعاب عدم توازي العينات البسيطة - وهي ميزة دقة بالغة الأهمية لاختبار المكعب الخرساني. تقبل بعض أجهزة CTM تركيبات اختبار الشعاع الاختيارية، ولكن نطاق التركيب يمثل جزءًا صغيرًا مما يدعمه UTM.

القياس والتحكم: خلايا الحمل ومقاييس التمدد والبرمجيات

تحميل دقة الخلية والمدى

تستخدم أجهزة UTM عادةً خلايا حمل قابلة للتبديل - قد يحتوي المختبر على خلية بقوة 1 كيلو نيوتن لاختبار الأفلام والمواد اللاصقة وخلية بقوة 100 كيلو نيوتن لاختبار المعادن، ولكل منها معايرتها الخاصة. تعد دقة خلية التحميل أمرًا بالغ الأهمية: تحدد ASTM E4 وISO 7500-1 أن دقة قوة آلة الاختبار يجب أن تكون في حدود ±1% من القوة المشار إليها عبر النطاق من 2% إلى 100% من سعة خلية التحميل. يتم تحقيق معظم خلايا التحميل UTM الحديثة ±0.5% أو أفضل الدقة عبر نطاقها المقدر.

آلات اختبار الضغط للخرسانة تستخدم خلايا الحمل أو محولات الضغط التي تمت معايرتها وفقًا للمعيار EN 12390-4، الأمر الذي يتطلب الدقة في حدود ±2% من القوة المطبقة عبر النطاق من 20% إلى 100% من السعة القصوى. يعكس التسامح الأوسع التباين المتأصل في هندسة العينات الخرسانية وإعداد السطح، حيث لا تكون دقة القياس التي تتجاوز 2٪ ذات معنى عملي.

قدرات البرمجيات

يعد برنامج UTM بالضرورة أكثر تعقيدًا من برنامج CTM لأنه يجب أن يتعامل مع أنواع اختبار متعددة، وحساب الإجهاد من بيانات مقياس التمدد، واشتقاق خصائص المواد (معامل يونج، قوة الخضوع، قوة الشد القصوى، الاستطالة عند الكسر، صلابة الكسر). توفر منصات برمجيات UTM الرائدة من Instron (Bluehill)، وZwick/Roell (testXpert)، وMTS (TestSuite) طرق اختبار قابلة للبرمجة، وحسابًا تلقائيًا لخصائص المواد، وإعداد تقارير إحصائية عبر دفعات العينات، والتكامل مع LIMS (أنظمة إدارة معلومات المختبر).

يعد برنامج CTM للخرسانة أبسط من حيث التصميم: يقوم المشغل بإدخال أبعاد المقطع العرضي للعينة، وتقوم الماكينة بتطبيق الحمل بالمعدل المحدد (عادةً 0.5 ± 0.25 ميجاباسكال/ثانية لكل EN 12390-3 )، يسجل القوة القصوى عند الكسر، ويحسب قوة الضغط كقوة مقسومة على مساحة المقطع العرضي. والنتيجة هي رقم واحد بالميجا باسكال أو رطل لكل بوصة مربعة - بدون تحليل الإجهاد والانفعال، ولا حساب للمعامل.

مقارنة شاملة جنبًا إلى جنب

تطبيقات الصناعة: من يستخدم أي آلة

الصناعات التي تستخدم UTMs في المقام الأول

• المعادن والتصنيع — يعد اختبار الشد للصلب والألومنيوم والنحاس واللحامات وفقًا للمعيار ISO 6892 وASTM E8 أكثر تطبيقات UTM شيوعًا على مستوى العالم؛ تعد قوة الخضوع وقوة الشد والاستطالة من معايير الجودة الإلزامية للمواد الإنشائية
• البلاستيك والبوليمرات — اختبارات الشد والانثناء والضغط على الأجزاء المقولبة والأفلام والألياف وفقًا للمواصفة ISO 527 وISO 178 وASTM D638؛ تستخدم صناعة الأدوية UTMs لصلابة الأقراص وقوة ختم الكبسولة
• المنسوجات والمنسوجات الأرضية — قوة الشد واستطالة الأقمشة والخيوط وبطانات الأغشية الأرضية؛ قوة التقشير والتماس للمنسوجات المستعبدة
• أerospace and automotive — اختبار المكونات الهيكلية، وشد وضغط الصفائح المركبة، واختبار المفاصل اللاصقة، وسحب المثبتات؛ غالبًا ما تتطلب تركيبات متخصصة وغرفًا بيئية (درجة حرارة مرتفعة ومبردة)
• التعبئة والتغليف — ضغط الكرتون والكرتون المموج، شد الفيلم وتمزيقه، قوة تقشير الختم، سحق الزجاجة؛ غالبًا ما تقوم أجهزة UTM في مختبرات التعبئة والتغليف بإجراء ما بين 50 إلى 100 اختبار يوميًا عبر أنواع اختبارات متعددة

الصناعات التي تستخدم في المقام الأول آلات اختبار الضغط

• مختبرات فحص مواد البناء — اختبار ضغط المكعبات والأسطوانات الخرسانية هو اختبار مراقبة الجودة الأكثر شيوعًا في صناعة البناء والتشييد. قد يقوم مختبر الموقع النموذجي بإجراء الاختبار 50-200 مكعب خرساني في اليوم ، مما يجعل إنتاجية CTM والبساطة أمرًا بالغ الأهمية
• تصنيع الاسمنت — تعتبر قوة الضغط لمكعبات الملاط الأسمنتي وفقًا للمواصفة EN 196-1 وASTM C109 هي معلمة الجودة الأساسية لإنتاج الأسمنت؛ تعمل أجهزة CTM المخصصة لاختبار الملاط بشكل مستمر في مختبرات جودة مصانع الأسمنت
• البناء والسيراميك — قوة الضغط للطوب والكتل والبلاط والسيراميك المقاوم للحرارة وفقًا للمواصفة EN 772-1، ASTM C67؛ تتطلب هذه الاختبارات قدرة قوة عالية وإطارات صلبة لأجهزة CTM المخصصة
• ميكانيكا الصخور والهندسة الجيوتقنية - اختبار قوة الضغط أحادي المحور (UCS) لعينات الصخور الأساسية وفقًا لمعايير ISRM وASTM D7012؛ تتطلب العينات الصخرية عند ضغوط حصر عالية أجهزة CTM بقوة تصل إلى 5000 كيلو نيوتن

متى يمكن لـ UTM أن يحل محل اختبار الضغط (وعندما لا يستطيع ذلك)

يمكن لـ UTM المزود بألواح الضغط إجراء العديد من الاختبارات نفسها التي يقوم بها اختبار الضغط المخصص للمعادن والبلاستيك والرغاوي والتغليف. والسؤال هو ما إذا كان ذلك مناسبًا لاختبار الخرسانة والبناء، وهو المكان الذي تركز فيه معظم قرارات الشراء.

يعتبر UTM مناسبًا لاختبار ضغط الخرسانة فقط إذا:

• تغطي قدرتها القوة الحمل الأقصى المتوقع - مكعب خرساني قياسي بقطر 150 مم تتطلب قوة التصميم التي تبلغ 30 ميجا باسكال حوالي 675 كيلو نيوتن من القوة القصوى ; يتطلب المكعب 200 مم 1200 كيلو نيوتن؛ معظم أجهزة UTM التي تقل عن 1000 كيلو نيوتن غير كافية لاختبار المكعبات الخرسانية الروتينية
• تتوافق صلابة إطارها مع متطلبات المعيار المطبق (EN 12390-4 أو ASTM C39)؛ ويجب التحقق من ذلك مع الشركة المصنعة، وليس افتراضًا
• تحتوي اللوحة العلوية على آلية جلوس كروية وفقًا للمتطلبات القياسية
• تغطي سلطة المعايرة وضع الضغط على وجه التحديد - لا يتوافق UTM الذي تمت معايرته وفقًا لمعيار ISO 7500-1 لاختبار الشد تلقائيًا مع اختبار ضغط الخرسانة بموجب EN 12390-4

بالنسبة للتطبيقات البحثية ذات الحجم المنخفض - اختبار عينات الخرسانة من حين لآخر في مختبر جامعي مع مجموعة متنوعة من احتياجات الاختبار الأخرى - يعد UTM عالي السعة مع تركيبات الضغط المناسبة خيارًا عمليًا يتجنب شراء جهازين. بالنسبة لمختبر اختبار الخرسانة التجاري الذي يقوم بتشغيل كميات كبيرة يوميًا، أ يعد CTM المخصص أكثر فعالية من حيث التكلفة، وأسرع في التشغيل، ويتم معايرته حسب الغرض لهذا العمل بالضبط.

المعايرة والمعايير ومتطلبات الاعتماد

يجب معايرة كل من UTMs وCTM بشكل دوري بواسطة هيئة معايرة معتمدة للتحقق من دقة القوة. تختلف المعايير المطبقة:

• ISO 7500-1 / ASTM E4 - المعايير الدولية والأمريكية لمعايرة نظام قياس القوة لآلات الاختبار؛ يحدد فئات الدقة (الفئة 0.5 = ±0.5%، الفئة 1 = ±1%، الفئة 2 = ±2%)؛ ينطبق على UTMs وأي أداة لقياس القوة
• EN 12390-4 - تتناول على وجه التحديد آلات اختبار الضغط المستخدمة للخرسانة؛ يتطلب التحقق من استواء الصفيحة وصلابتها، ووظيفة الجلوس الكروية، ودقة معدل تطبيق الحمل بالإضافة إلى دقة القوة؛ يجب على المعامل التي تختبر الخرسانة وفقًا للمعيار EN 12390-3 معايرة CTM الخاصة بها وفقًا لهذا المعيار على وجه التحديد
• تردد المعايرة — تقوم المختبرات المعتمدة وفقًا لمعايير ISO/IEC 17025 بالمعايرة سنويًا عادةً؛ قد تتطلب بيئات الاختبار عالية الاستخدام أو ذات العواقب العالية (النووية والفضاء الجوي) معايرة نصف سنوية؛ يجب أن تتبع المعايرة دائمًا أي إصلاح كبير للجهاز، أو نقله، أو حدث حمل زائد مشتبه به

بالنسبة لاعتماد المختبرات وفقًا للمعيار ISO/IEC 17025، يحدد نطاق الاعتماد الاختبارات ونطاقات القوة التي يتم تغطيتها. لا يتم اعتماد المختبر المعتمد لاختبار الشد للمعادن باستخدام UTM تلقائيًا لاختبار ضغط الخرسانة بنفس الجهاز - يتم تقييم طرق الاختبار والمعايير ومتطلبات المعايرة بشكل مستقل.

دليل القرار: أي آلة يجب شراؤها

استخدم المعايير التالية لتحديد الأداة المناسبة لمتطلبات الاختبار الخاصة بك:

1. هل تحتاج إلى اختبار الشد؟ إذا كانت الإجابة بنعم - بالنسبة للمعادن أو البلاستيك أو المنسوجات أو الأفلام أو المواد اللاصقة - فإن UTM إلزامي. لا تستطيع آلات الضغط فقط إجراء اختبارات الشد تحت أي تكوين.
2. هل عملك الأساسي هو الخرسانة أو البناء أو ضغط الصخور؟ إذا كانت الإجابة بنعم، وكانت القوة المطلوبة لديك تتجاوز 600 كيلو نيوتن، فإن جهاز CTM المخصص سيوفر قدرة قوة أعلى بتكلفة أقل، وهو مصمم ومعاير خصيصًا لهذه المواد.
3. ما هو حجم الاختبار الخاص بك؟ يستفيد اختبار الخرسانة بكميات كبيرة (50 عينة يوميًا) من التشغيل الأبسط لجهاز CTM المخصص ووقت الدورة الأسرع. يبرر البحث أو الاختبار ذو الحجم المنخفض تكلفة UTM التي يمكن أن تخدم أنواع اختبار متعددة.
4. ما هي ميزانيتك؟ للحصول على قدرة قوة ضغط مكافئة، عادةً ما تكون تكلفة CTM أقل بنسبة 30-50% من UTM. إذا كان نطاق الاختبار الخاص بك مضغوطًا بشكل حصري، فإن إنفاق المزيد على إمكانات UTM التي لن يتم استخدامها أبدًا ليس له ما يبرره.
5. هل تحتاج إلى بيانات مقياس التمدد أو منحنيات الإجهاد والانفعال؟ إذا كان توصيف خصائص المادة (المعامل، نقطة الخضوع، طاقة الكسر) مطلوبًا، فمن الضروري استخدام UTM مع مقياس التمدد. تنتج أجهزة CTM قوة الذروة وقوة الضغط فقط - وليس بيانات إزاحة القوة المستمرة أو الإجهاد والانفعال.
6. هل سيتغير نطاق الاختبار بمرور الوقت؟ إذا كان مختبرك يتوقع اختبار أنواع مواد جديدة أو دخول أسواق جديدة، فإن تعدد استخدامات UTM يوفر حماية للاستثمار. يعد شراء CTM بمثابة التزام باختبار الضغط لمدة خدمته.