유압 만능재료시험기: 전체 가이드

에이 유압 만능 시험기 (UTM)은 유압력 생성을 사용하여 제어된 인장, 압축, 굽힘, 전단 및 굽힘 하중을 테스트 표본에 적용하고 이러한 하중 하에서 기계적 특성을 측정하는 재료 테스트 장비입니다. 유압식 UTM은 일반적으로 100kN~3,000kN(10~300톤) 범위의 용량을 갖춘 고하중 테스트 애플리케이션을 위한 표준 선택입니다. , 철강 공장, 건축 자재 실험실, 항공 우주 부품 검증 및 중공업 품질 관리에 필수적인 장비로 만듭니다.

글로벌 재료 시험 장비 시장이 초과되었습니다 2023년에는 8억 달러 , 100kN 이상의 힘 용량에 대한 지배적인 기술을 대표하는 유압식 UTM을 사용합니다. 실험실 관리자, 품질 엔지니어, 조달 전문가 및 재료 과학자의 경우 유압 UTM의 작동 원리, 주요 사양, 테스트 기능 및 선택 기준을 이해하는 것은 건전한 장비 투자를 하고 신뢰할 수 있는 테스트 데이터를 생성하는 데 필수적입니다.

유압 만능재료 시험기의 작동 원리

에이 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.

유압 구동 시스템

유압 시스템은 폐쇄 회로에서 오일을 가압하는 모터 구동 펌프로 구성됩니다. 서보 밸브 또는 비례 제어 밸브는 메인 실린더로의 오일 흐름을 조절하여 크로스헤드 이동 방향(위 또는 아래)과 힘 적용 속도를 모두 제어합니다. 수압과 가해지는 힘 사이의 관계는 파스칼의 법칙에 직접 따릅니다. 힘 = 압력 × 피스톤 면적 . 300bar(30MPa) 시스템 압력에서 피스톤 면적이 100cm²인 실린더는 300,000N(300kN)의 힘을 전달합니다.

서보-유압 vs. 기존 유압 제어

최신 유압 UTM은 두 가지 제어 접근 방식 중 하나를 사용합니다.

• 기존 유압식(개방 루프): 에이 manually or semi-automatically adjusted proportional valve controls oil flow. Suitable for standard static testing where precise load ramp rates are not critical. Lower cost, simpler maintenance.
• 서보 유압식(폐쇄 루프): 에이 high-response servo valve receives real-time feedback from load cells, extensometers, or displacement transducers and continuously adjusts oil flow to maintain the programmed test condition (constant load rate, constant strain rate, or constant displacement rate). Required for standards-compliant testing under ISO 6892, ASTM E8, and EN 10002. Capable of 표시된 값의 ±0.5%의 부하 제어 정확도 .

프레임 구조 및 로드 경로

기계 프레임은 테스트 힘이 반응하는 구조적 루프를 제공합니다. 대부분의 유압 UTM은 2열 또는 4열 디자인 고정된 하부 테이블, 유압 실린더에 의해 구동되는 이동 크로스헤드, 고정된 상부 크로스헤드로 구성됩니다. 테스트 표본은 움직이는 크로스헤드와 고정된 크로스헤드 사이에 고정됩니다. 기둥은 최대 시험 하중 하에서 시편의 연신율보다 적게 휘어질 수 있을 만큼 견고해야 합니다. 프레임 강성은 일반적으로 최대 처짐으로 지정됩니다. 전체 정격 용량에서 1~3mm .

유압 UTM의 주요 기술 사양

유압식 UTM을 평가하려면 특정 기술 매개변수 세트를 이해해야 합니다. 각 사양은 특정 테스트 유형에 대한 기계의 적합성과 테스트 표준 준수에 직접적인 영향을 미칩니다.

전력 용량 선택

올바른 용량을 선택하는 것이 중요합니다. 기계의 크기는 다음과 같아야 합니다. 시편 파손 하중은 기계 전체 범위의 20~80% 이내입니다. - 이는 측정 정확도가 로드 셀의 교정된 작동 범위 내에 있음을 보장합니다. 1,000kN 기계에서 전체 규모의 5%로 50kN 시편을 테스트하면 신뢰할 수 없는 데이터가 생성됩니다. 대부분의 유압 UTM은 전용 로드 셀 또는 전환 가능한 증폭기 범위를 갖춘 여러 부하 범위를 통해 이 문제를 해결합니다.

유압 UTM에서 수행되는 테스트 유형

만능재료시험기의 "유니버설"은 그립, 고정구 및 하중 적용 형상을 재구성하여 다양한 시험 유형을 수행할 수 있는 기계의 능력을 의미합니다. 유압식 UTM은 금속, 폴리머, 복합재, 콘크리트, 목재 및 지질 공학 재료에 대한 전체 기계적 테스트를 처리합니다.

인장 시험

인장 시험은 유압 UTM의 가장 일반적인 응용 분야입니다. 일반적으로 금속 및 플라스틱의 경우 도그본 또는 직사각형 평면 프로파일, 건축 자재의 경우 전체 섹션 쿠폰인 시편의 양쪽 끝을 잡고 제어된 크로스헤드 속도로 잡아당깁니다. 테스트 측정:

• 극한 인장 강도(UTS): 재료가 파손되기 전에 견디는 최대 응력입니다.
• 항복 강도(0.2% 내력): 영구 소성 변형이 시작되는 응력은 일반적으로 구조용 금속의 설계에 가장 중요한 특성입니다.
• 영률(탄성률): 시편에 직접 부착된 신율계를 사용하여 측정한 응력-변형 곡선의 선형 탄성 부분의 기울기입니다.
• 파단 신율(연성): 파손 시 게이지 길이의 백분율 증가 - 성형 작업에 중요한 재료 연성의 척도입니다.
• 면적 감소: 파손 지점에서 단면적의 감소율입니다.

압축 테스트

압축 테스트는 평평한 플래튼을 사용하여 시편에 압축 하중을 가합니다. 가장 일반적으로 사용되는 콘크리트 실린더(EN 12390-3 및 ASTM C39에 따라 150mm × 300mm 또는 100mm × 200mm), 석조 블록, 목재 샘플 또는 금속 시편입니다. 건설 현장의 콘크리트 품질 관리를 위해 압축 시험은 전 세계적으로 가장 자주 수행되는 구조 재료 시험입니다. 표준 콘크리트 큐브 분쇄 테스트에는 다음 용량의 기계가 필요합니다. 2,000~3,000kN(200~300톤) .

굽힘(굽힘) 테스트

3점 및 4점 굽힘 테스트는 롤러 지지대를 통해 하중을 가하여 굽힘 강도, 굽힘 계수 및 변형 동작을 평가합니다. 일반적인 응용 분야에는 콘크리트 빔 굴곡 강도(ASTM C78, ​​EN 12390-5), 철근 굽힘 테스트, 목재 바닥 장선 용량 평가 및 복합 패널 강성 평가가 포함됩니다. 구조 부재 테스트에는 넓은 플래튼과 긴 테스트 기간을 갖춘 대형 유압 UTM이 필요합니다.

철근 및 와이어 로프 테스트

ISO 15630, ASTM A615 또는 BS 4449 표준에 따른 철근(철근) 테스트는 건설 품질 관리에서 가장 일반적인 유압식 UTM 애플리케이션 중 하나입니다. 철근 크기: 직경 6mm ~ 50mm 20kN에서 2,000kN 이상의 인장 시험력이 필요합니다. 이 범위는 여러 기계 용량에 걸쳐 있습니다. 웨지 액션 그립은 철근 인장 시험을 위한 표준 고정 장치로, 적용된 인장 하중에 비례하여 자체 조임 그립 액션을 제공합니다.

전단 및 박리 테스트

특수 고정구를 사용하면 접착 본드, 용접 및 리벳 조인트의 전단 랩 테스트는 물론 라미네이트 및 코팅의 박리 테스트도 가능합니다. 이러한 테스트는 자동차 패널 접합 인증, 항공기 구조 인증 및 고급 복합재 제조 품질 관리에 필수적입니다.

유압식 UTM과 전자기계식 UTM: 각각을 선택해야 하는 시기

유압 및 전기 기계(EM) UTM은 힘 범위와 테스트 유형 스펙트럼의 다양한 부분을 다룹니다. 상대적인 강점을 이해하면 EM으로 충분할 수 있는 유압 기술에 대한 과도한 투자를 방지하고 유압력 생성이 실제로 필요할 때 과소 지정하는 것을 방지할 수 있습니다.

유압 기술이 보다 실용적인 선택이 되는 교차점은 일반적으로 다음과 같습니다. 200~300kN(20~30톤) 이상 . 그 이하에서는 전기 기계식 UTM이 동일한 투자로 더 나은 변위 제어, 더 낮은 유지 관리 비용 및 더 넓은 속도 범위를 제공합니다. 300kN 이상의 유압 시스템은 고하중 EM 기계에 필요한 대형 볼스크류 어셈블리보다 훨씬 더 작고 비용 효율적입니다.

그립 및 고정 장치: 테스트 요구 사항에 맞는 액세서리 찾기

에이 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.

웨지 액션 그립

웨지 액션 그립은 유압식 UTM의 가장 일반적인 인장 그립 유형입니다. 인장 하중이 증가하면 웨지 메커니즘이 그립 면을 시편에 더 단단하게 고정하여 적용된 힘에 비례하여 자체적으로 조이는 클램핑을 제공합니다. 그들은 적합합니다 평평한 시편, 환봉, 철근, 와이어 및 케이블 테스트. 다양한 톱니 모양 패턴(강철은 거친 소재, 부드러운 소재는 부드러운 소재)을 갖춘 교체 가능한 조 인서트를 통해 활용도가 확장됩니다. 유압식 웨지 그립(공압식 또는 유압식으로 작동되는 시편 클램핑)은 일관되지 않은 수동 조임 현상을 없애고 대량 생산 테스트 라인의 표준입니다.

압축 플래튼

구형 안착(자동 정렬) 상단 압반이 있는 강화 강철 압축 압반은 콘크리트, 모르타르, 석조물 및 세라믹 압축 테스트를 위한 표준 고정 장치입니다. 구형 시트는 작은 시편의 비평행성을 보상하여 전체 시편 단면에 걸쳐 균일한 하중 분포 EN 12390-3 및 ASTM C39에서 요구하는 대로. 압반 압입이 결과에 영향을 미치지 않도록 압반 경도는 대부분의 표준에 따라 최소 Rockwell C 55를 충족해야 합니다.

굽힘 및 굴곡 고정 장치

3점 및 4점 굽힘 고정 장치는 조정 가능한 지지대에 장착된 강화 강철 롤러로 구성됩니다. 롤러 직경과 지지 범위는 해당 표준에 의해 지정됩니다. 예를 들어 EN ISO 7438은 재료 두께와 굽힘 각도의 함수로 금속 굽힘 테스트를 위한 특정 맨드릴 직경을 지정합니다. 잘못된 롤러 크기 또는 범위는 테스트를 무효화하고 비교할 수 없는 결과를 생성합니다.

신율계

기계의 위치 변환기에 의해 측정된 크로스헤드 변위에는 프레임, 그립 및 로드 트레인의 컴플라이언스가 포함되어 변형률 및 계수 계산에 심각한 오류가 발생합니다. 시편 측정의 표점 길이에 직접 부착된 클립형 신율계 기계 컴플라이언스와 관계없이 실제 시편 변형률 이는 ISO 6892-1 및 ASTM E8에 따라 정확한 영률 측정을 위해 필수입니다. 신장계 게이지 길이는 표준화되어 있으며(일반적으로 금속의 경우 50mm 또는 80mm) 테스트 표준에 지정된 시편 게이지 길이와 일치해야 합니다.

유압 UTM 관련 테스트 표준

품질 관리, 인증 테스트 및 연구에서 유압 UTM 작업은 표준 계층 구조, 즉 허용 가능한 기계 성능을 정의하는 기계 검증 표준과 각 테스트를 수행해야 하는 방법을 정확하게 지정하는 재료 테스트 방법 표준에 따라 관리됩니다.

기계 검증 표준

• ISO 7500-1: 금속용 정적 단축 시험기의 검증 및 교정. 클래스 0.5, 클래스 1 및 클래스 2 정확도 분류를 정의합니다(각 교정 범위에서 ±0.5%, ±1.0%, ±2.0% 힘 측정 오류). 대부분의 재료 인증 작업에는 클래스 1 최소 .
• 에이STM E4: 시험기의 힘 검증을 위한 표준 관행. ISO 7500-1과 동등한 미국 표준으로 작업 범위 전체에서 ±1%의 힘 정확도를 지정합니다.
• EN ISO 9513: 단축 테스트에 사용되는 신율계 교정 - 클래스 0.5, 1, 2 신율계 정확도 요구 사항을 정의합니다.

재료 테스트 방법 표준

• ISO 6892-1 / ASTM E8: 주변 온도에서 금속 재료의 인장 시험. 시편 형상, 크로스헤드 속도, 신율계 요구 사항 및 데이터 보고를 지정합니다.
• EN 12390-3 / ASTM C39: 콘크리트 시편의 압축강도 시험. 로딩 속도(EN 12390-3에 따라 0.6 ± 0.2 MPa/s), 플래튼 요구 사항 및 보고를 지정합니다.
• ISO 15630-1 / ASTM A615: 철근(철근)에 대한 테스트 요구 사항 - 인장 강도, 항복 강도, 연신율 및 굽힘 테스트 요구 사항.
• ISO 178 / ASTM D790: 3점 굽힘 테스트를 통한 플라스틱 및 복합 재료의 굽힘 특성.
• EN 408 / ASTM D143: 구조용 목재 및 목재 기반 제품의 기계적 특성.

유압 UTM의 교정 및 검증

품질 보증, 제품 인증 또는 규정 준수 테스트에 사용되는 유압 UTM의 경우 교정은 선택 사항이 아니며 법적 및 계약상 요구 사항입니다. 교정되지 않은 기계를 작동하면 유효하지 않은 테스트 인증서 발급, 제품 감사 실패, 인증된 재료가 작동하지 않을 경우 책임 노출 등의 결과가 발생합니다.

교정 빈도

ISO 7500-1에서는 최소한 연간 교정을 권장합니다. 기계를 과도하게 사용하거나 재배치 또는 수리했거나 반복 측정에서 드리프트가 나타나는 경우에는 더 자주 교정해야 합니다. ISO/IEC 17025 인증 테스트를 수행하는 대부분의 공인 테스트 연구소에서는 UTM을 교정합니다. 적어도 매년 그리고 로드 트레인에 영향을 미치는 유지보수 후에 .

교정 방법

보정은 다음 중 하나를 사용하여 기계에 알려진 기준 힘을 적용하여 수행됩니다.

• 분동 교정 기계: 가장 추적 가능한 방법은 알려진 질량에 중력을 직접 적용하는 것입니다. 국립 계측 기관에서 최대 약 5,000kN의 기계에 사용됩니다.
• 기준 로드셀(전송 표준): 에이 NIST-traceable or UKAS-accredited reference load cell is mounted in the machine's load train and the UTM's indication is compared to the reference at multiple force levels. The most practical field calibration method for large machines. Reference load cells are typically calibrated to 0.1% 정확도 이상 , 0.5% Class 1 기계 사양에 비해 충분한 마진을 제공합니다.

검증과 교정

교정은 참조 표준과 일치하도록 기계의 힘 표시를 조정합니다. 검증(ISO 7500-1에 따라)은 기계를 조정할 필요 없이 정확도 등급 사양을 충족하는지 확인합니다. 두 프로세스 모두 결과가 문서화된 인증서를 생성합니다. 교정 인증서에는 확장된 측정 불확도가 포함되어야 합니다(일반적으로 95% 신뢰 수준). 공인 시험소에 대한 ISO/IEC 17025 요구 사항을 준수합니다.

유압 UTM 유지 관리: 중요 사례

유압 UTM은 오일 기반 구동 시스템으로 인해 전기 기계 기계보다 더 적극적인 유지 관리가 필요합니다. 구조화된 유지 관리 프로그램은 예상치 못한 가동 중지 시간을 방지하고 교정 상태를 보호하며 기계 서비스 수명을 연장합니다. 20~30년 이상 .

유압 오일 관리

유압 오일은 산화, 수분 흡수 및 입자 오염을 통해 성능이 저하됩니다. 오염된 오일은 서보 밸브, 실린더 씰 및 펌프 구성품의 마모를 가속화합니다. 주요 오일 유지 관리 방법:

• 에이nnual oil analysis: 점도, 수분 함량 및 입자 수 분석을 위해 오일 샘플을 실험실로 보냅니다. ISO 청정도 목표 ISO 4406 클래스 16/14/11 이상 서보 유압 시스템용.
• 오일 및 필터 교환 간격: 2~4년마다 또는 제조업체 일정에 따라 유압 오일을 교체하십시오. 오일을 교환할 때마다 그리고 차압 표시기가 작동할 때 리턴 필터와 압력 필터를 교체하십시오.
• 브리더 필터 유지 관리: 저장소 브리더는 대기 오염을 방지합니다. 매년 또는 시각적으로 오염되면 교체하십시오.

씰 및 실린더 검사

메인 실린더 피스톤 씰, 로드 씰, 서보 밸브 씰은 정기적인 검사와 교체가 필요합니다. 실린더 로드에서 흘러나오는 오일은 씰 마모의 초기 지표입니다. 즉, 힘 측정 정확도에 영향을 미치거나 미끄러짐 위험이 발생할 만큼 누출이 심각해지기 전에 해결해야 합니다. 일반적인 씰 서비스 간격은 다음과 같습니다. 주기 빈도 및 작동 압력에 따라 5~10년 .

로드 셀 및 변환기 관리

로드 셀은 충격 과부하를 받아서는 안 됩니다. 갑작스러운 시편 파손은 스트레인 게이지 요소를 영구적으로 손상시킬 수 있는 동적 충격력을 전달합니다. 항상 과부하 보호 기능이 설정된 기계를 사용하십시오. 정격 용량의 110~120% . 로드셀 케이블 연결을 정기적으로 검사하십시오. 부식되거나 간헐적인 연결로 인해 진단하기 어려운 불규칙한 힘 판독값이 발생합니다. 스트레인 게이지 회로에 습기가 유입되는 것을 방지하기 위해 예비 로드 셀을 건조한 환경에 보관하십시오.

올바른 유압 UTM을 선택하는 방법: 결정 기준

유압식 UTM 구입은 상당한 자본 투자입니다. 일반적으로 기계 비용은 $15,000 ~ $250,000 용량, 제어 정교함 및 포함된 고정 장치에 따라 다릅니다. 구조화된 선택 프로세스는 과도한 사양(절대로 사용되지 않을 기능에 대한 비용 지불)과 과소 사양(필요한 표준에 따라 필요한 테스트를 수행할 수 없는 기계 구입)을 모두 방지합니다.

1. 현재와 ​​가까운 미래에 필요한 테스트의 전체 범위를 정의합니다. 모든 재료 유형, 시편 형상, 힘 범위 및 적용 가능한 테스트 표준을 나열하십시오. 오늘 철근 테스트를 위해 선택된 기계는 내일 구조용 강철 용접물을 테스트해야 할 수도 있습니다. 적절한 용량과 일광 여유를 고려하여 구축하십시오.
2. 여유를 두고 필요한 최대 힘을 ​​결정합니다. 범위에서 가장 큰 단일 힘 테스트를 식별하고 25~40%의 안전 여유를 추가하고 해당 값 이상의 기계 용량을 선택합니다. 비용을 절약하려면 크기를 축소하지 마십시오. 필요한 힘에 도달할 수 없는 기계는 테스트 데이터를 전혀 제공하지 않습니다.
3. 필요한 정확도 등급을 지정합니다. 귀하의 작업이 제품 인증, 제3자 감사 또는 구조 설계에 사용되는 테스트 보고서와 관련된 경우 ISO 7500-1 클래스 1을 최소로 지정하십시오. 연구 신청은 클래스 2를 허용할 수 있습니다.
4. 필요한 제어 정교성을 평가합니다. 간단한 콘크리트 큐브 파쇄에는 기본적인 하중 제어 작업만 필요합니다. ISO 6892-1 방법 A에 따른 금속 인장 시험에는 서보 제어 변형률 기능이 필요합니다. 구매하기 전에 제어 시스템이 필요한 테스트 프로토콜을 실행할 수 있는지 확인하십시오.
5. 에이ssess software and data output requirements. 최신 UTM 소프트웨어는 관련 표준의 보고 요구 사항을 직접 준수하는 테스트 보고서를 생성하고 LIMS(실험실 정보 관리 시스템)로 내보내며 운영자 로그인, 표본 ID 및 타임스탬프 로깅을 통해 데이터 추적성을 지원해야 합니다.
6. 구매 가격뿐만 아니라 총 소유 비용을 평가하십시오. 오일 소비, 필터 비용, 교정 비용, 예상 씰 교체 간격, 10년 운영 기간 동안의 서비스 계약 비용을 고려하세요. 초기 비용은 낮지만 연간 유지 관리 비용이 높은 기계는 총 비용이 더 많이 들 수 있습니다.
7. 로컬 서비스 지원 가용성을 확인하십시오. 에이 hydraulic UTM that breaks down with no local service engineer available disrupts production testing operations. Confirm the supplier has certified service engineers within acceptable response time distance before committing.