油圧万能試験機 完全ガイド

あ 油圧万能試験機 (UTM) は、油圧力の生成を使用して、制御された引張、圧縮、曲げ、せん断、および曲げの荷重を試験片に加え、それらの荷重下での機械的特性を測定する材料試験装置です。 油圧 UTM は、通常 100 kN ～ 3,000 kN (10 ～ 300 トン) の範囲の容量を備えた、高力試験アプリケーションの標準的な選択肢です。 、製鉄所、建設資材研究所、航空宇宙部品の認定、重工業の品質管理において不可欠な機器となっています。

世界の材料試験装置市場が 2023年に8億ドル 、油圧 UTM は、100 kN を超える力容量の主要なテクノロジーを代表しています。研究所の管理者、品質エンジニア、調達スペシャリスト、および材料科学者にとって、油圧 UTM の動作原理、主要な仕様、テスト機能、および選択基準を理解することは、適切な設備投資を行い、信頼性の高いテスト データを生成するための基礎となります。

油圧万能試験機のしくみ

あ 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.

油圧駆動システム

油圧システムは、閉回路でオイルを加圧するモーター駆動のポンプで構成されています。サーボ バルブまたは比例制御バルブは、メイン シリンダーへのオイルの流れを調整し、クロスヘッドの動きの方向 (上または下) と力の適用率の両方を制御します。油圧と加えられる力の関係は、次のパスカルの法則に従います。 力 = 圧力 × ピストン面積 。ピストン面積 100cm² のシリンダーは、システム圧力 300 bar (30 MPa) で 300,000 N (300 kN) の力を発揮します。

サーボ油圧制御と従来の油圧制御

最新の油圧 UTM は、次の 2 つの制御アプローチのいずれかを使用します。

• 従来の油圧式 (オープンループ): あ 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.
• サーボ油圧 (閉ループ): あ 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 荷重制御精度 指示値の±0.5% .

フレーム構造と荷重経路

機械フレームは、試験力が反応する構造ループを提供します。ほとんどの油圧 UTM は 2 列または 4 列のデザイン 固定された下部テーブル、油圧シリンダーによって駆動される可動クロスヘッド、および固定された上部クロスヘッドを備えています。試験片は移動クロスヘッドと固定クロスヘッドの間に挟まれます。柱は、最大試験荷重下で試験片の伸びよりもたわみが少なくなるのに十分な剛性が必要です。フレームの剛性は通常、最大たわみとして指定されます。 全定格容量で 1 ～ 3 mm .

油圧 UTM の主な技術仕様

油圧 UTM を評価するには、特定の一連の技術パラメータを理解する必要があります。各仕様は、特定の種類のテストに対するマシンの適合性とテスト規格への準拠に直接影響します。

力の容量の選択

正しい容量を選択することが重要です。マシンは次のようなサイズにする必要があります。 試験片の破壊荷重は機械のフルスケール範囲の 20 ～ 80% 以内に収まります — これにより、測定精度がロードセルの校正された動作範囲内にあることが保証されます。 50 kN の試験片を 1,000 kN の機械でフルスケールの 5% でテストすると、信頼性の低いデータが生成されます。ほとんどの油圧 UTM は、専用のロードセルまたは切り替え可能なアンプ範囲を備えた複数の負荷範囲を通じてこの問題に対処します。

油圧 UTM で実行されるテストの種類

万能試験機の「万能」とは、グリップ、治具、荷重アプリケーションの形状を再構成することで複数の種類の試験を実行できる機械の能力を指します。油圧 UTM は、金属、ポリマー、複合材料、コンクリート、木材、地盤工学材料にわたるあらゆる機械試験を処理します。

引張試験

引張試験は、油圧 UTM の最も一般的なアプリケーションです。試験片 (通常、金属やプラスチックの場合はドッグボーンまたは長方形の平坦なプロファイル、または建設資材の全断面クーポン) の両端をつかみ、制御されたクロスヘッド速度で引き離します。テストでは次のことを測定します。

• 極限引張強さ (UTS): 材料が破壊するまでに耐える最大応力。
• 降伏強さ(0.2%耐力): 永久塑性変形が始まる応力。通常、構造用金属の設計で最も重要な特性です。
• ヤング率（弾性率）： 試験片に直接取り付けられた伸び計で測定された、応力-ひずみ曲線の線形弾性部分の傾き。
• 破断伸び(延性): 破断時の標点距離の増加率。これは成形作業に重要な材料の延性の尺度です。
• 面積の縮小: 破断点における断面積の減少率。

圧縮試験

圧縮試験では、平らなプラテンを使用して試験片に圧縮荷重を加えます。最も一般的なのは、コンクリート シリンダー (EN 12390-3 および ASTM C39 に従って 150mm × 300mm または 100mm × 200mm)、石材ブロック、木材サンプル、または金属試験片です。建設におけるコンクリートの品質管理において、圧縮試験は世界中で最も頻繁に実施されている構造材料試験です。標準的なコンクリート立方体の破砕試験には、次の能力を持つ機械が必要です。 2,000 ～ 3,000 kN (200 ～ 300 トン) .

曲げ（曲げ）試験

3 点および 4 点曲げ試験では、ローラー サポートを通して荷重を加え、曲げ強度、曲げ弾性率、およびたわみ挙動を評価します。一般的な用途には、コンクリート梁の曲げ強度 (ASTM C78、EN 12390-5)、鉄筋の曲げ試験、木材床根太の耐力評価、複合パネルの剛性評価などがあります。構造部材の試験には、広いプラテンと長い試験スパンを備えた大型の油圧 UTM が必要です。

鉄筋とワイヤーロープの試験

ISO 15630、ASTM A615、または BS 4449 規格に準拠した鉄筋 (鉄筋) のテストは、建設品質管理における最も一般的な油圧 UTM アプリケーションの 1 つです。鉄筋のサイズは以下から 直径6mm～50mm 20 kN から 2,000 kN 以上の引張試験力が必要です。この範囲は複数の機械能力に及びます。ウェッジアクショングリップは鉄筋引張試験の標準治具であり、加えられた引張荷重に比例して自動的に締め付けられるグリップアクションを提供します。

せん断および剥離試験

特殊な治具を使用すると、接着結合、溶接、リベット接合部のせん断ラップ試験や、ラミネートやコーティングの剥離試験が可能になります。これらのテストは、自動車パネル接着認定、航空機構造認証、および高度な複合材製造の品質管理に不可欠です。

油圧 UTM と電気機械 UTM: それぞれを選択する場合

油圧および電気機械 (EM) UTM は、力の範囲と試験タイプのスペクトルのさまざまなセグメントに対応します。それらの比較上の強みを理解することで、EM で十分な油圧技術への過剰投資を防ぎ、油圧力の生成が本当に必要な場合に過小な仕様を避けることができます。

油圧技術がより実用的な選択肢となる分岐点は、一般に次のとおりです。 200 ～ 300 kN (20 ～ 30 トン) 以上 。その下では、電気機械式 UTM が、同じ投資でより優れた変位制御、より低いメンテナンスコスト、より広い速度範囲を提供します。 300 kN を超えると、油圧システムは、高力 EM 機械に必要な大型のボールねじアセンブリよりも大幅にコンパクトでコスト効率が高くなります。

グリップと固定具: テスト要件に適合するアクセサリ

あ 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.

ウェッジアクショングリップ

ウェッジアクショングリップは、油圧 UTM で最も一般的な引張グリップタイプです。引張荷重が増加すると、くさび機構がグリップ面を試験片にしっかりと押し付け、加えられた力に比例して自動的に締め付けられるクランプを実現します。に適しています。 平板試験片、丸棒、鉄筋、ワイヤー、ケーブル テスト中。異なる鋸歯状パターン（鋼には粗く、柔らかい材料には滑らか）を備えた交換可能なジョーインサートにより、汎用性が広がります。油圧ウェッジ グリップ (空気圧または油圧で作動する試験片クランプ) により、手動での締め付けが不均一になることがなくなり、大量生産試験ラインでは標準装備されています。

圧縮プラテン

球面座面 (自動調心) 上部プラテンを備えた硬化鋼製圧縮プラテンは、コンクリート、モルタル、石材、およびセラミックの圧縮試験用の標準治具です。球面座により、わずかな試験片の非平行度が補正され、安定した精度が保証されます。 試験片の断面全体にわたって均一な荷重分布 EN 12390-3 および ASTM C39 の要求に応じて。プラテンのへこみが結果に影響を与えるのを防ぐために、プラテンの硬度はほとんどの規格で最低ロックウェル C 55 を満たす必要があります。

曲げおよび曲げ治具

3 点および 4 点曲げ治具は、調整可能なサポートに取り付けられた硬化鋼ローラーで構成されています。ローラーの直径とサポート スパンは、該当する規格によって指定されます。たとえば、EN ISO 7438 では、金属曲げ試験の特定のマンドレル直径を材料の厚さと曲げ角度の関数として指定しています。ローラーのサイズまたはスパンが間違っていると、テストが無効になり、比較できない結果が得られます。

伸び計

機械の位置トランスデューサによって測定されるクロスヘッド変位には、フレーム、グリップ、荷重トレインのコンプライアンスが含まれており、ひずみと弾性率の計算に重大な誤差が生じます。試験片の標点距離に直接取り付けられたクリップ式伸び計で測定します。 機械のコンプライアンスに依存しない真の試験片ひずみ これは、ISO 6892-1 および ASTM E8 に基づく正確なヤング率の決定に必須です。伸び計のゲージ長は標準化されており (金属の場合は通常 50 mm または 80 mm)、試験規格で指定されている試験片のゲージ長と一致する必要があります。

油圧 UTM の関連試験基準

品質管理、認証試験、研究における油圧 UTM の運用は、許容される機械の性能を定義する機械検証基準と、各試験の実施方法を正確に規定する材料試験方法基準という階層的な基準によって管理されます。

機械検証基準

• ISO 7500-1: 金属用静的一軸試験機の検証および校正。クラス 0.5、クラス 1、およびクラス 2 の精度分類を定義します (各校正範囲での力測定誤差は ±0.5%、±1.0%、±2.0%)。ほとんどの材料認証作業では、 クラス 1 以上 .
• あSTM E4: 試験機の力検証の標準的な方法。米国では ISO 7500-1 に相当し、動作範囲全体で ±1% の力の精度を規定しています。
• EN ISO 9513: 一軸試験で使用される伸び計の校正 — クラス 0.5、1、および 2 の伸び計精度要件を定義します。

材料試験方法規格

• ISO 6892-1 / ASTM E8: 周囲温度での金属材料の引張試験。試験片の形状、クロスヘッド速度、伸び計の要件、およびデータレポートを指定します。
• EN 12390-3 / ASTM C39: コンクリート試験片の圧縮強度試験。荷重速度 (EN 12390-3 に従って 0.6 ± 0.2 MPa/秒)、プラテン要件、およびレポートを指定します。
• ISO 15630-1 / ASTM A615: 鉄筋（鉄筋）の試験要件 - 引張強さ、降伏強さ、伸び、曲げ試験要件。
• ISO 178 / ASTM D790: 3 点曲げ試験によるプラスチックおよび複合材料の曲げ特性。
• EN 408 / ASTM D143: 構造用木材および木質製品の機械的特性。

油圧 UTM の校正と検証

品質保証、製品認証、またはコンプライアンステストで使用される油圧 UTM の校正はオプションではなく、法的および契約上の要件です。校正範囲外の機械を操作すると、無効な試験証明書の発行、製品監査の不合格、認定された材料が使用できなくなった場合の責任の追及などの影響が生じます。

校正頻度

ISO 7500-1 では、少なくとも年に 1 回の校正を推奨しています。機械が頻繁に使用されている場合、移動、修理されている場合、または繰り返し測定でドリフトが見られる場合は、より頻繁に校正を行うことを推奨しています。 ISO/IEC 17025 認定試験を実施するほとんどの認定試験機関は、UTM を校正しています。 少なくとも年に一度、およびロードトレインに影響を与えるメンテナンス後に .

校正方法

キャリブレーションは、次のいずれかを使用して既知の基準力を機械に適用することによって実行されます。

• 重錘校正機: 最も追跡可能な方法 - 既知の質量が重力を直接適用します。国立計量研究所において最大約5,000 kNの機械に使用されます。
• 基準ロードセル（トランスファースタンダード）： あ 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%以上の精度 、クラス 1 マシン仕様の 0.5% を超える十分なマージンを提供します。

検証と校正

キャリブレーションにより、機械の力の表示が参照標準と一致するように調整されます。検証 (ISO 7500-1 による) により、機械が調整を必要とせずに精度クラス仕様を満たしていることが確認されます。どちらのプロセスも、結果が文書化された証明書を生成します。 校正証明書には、拡張された測定の不確かさ（通常は 95% の信頼水準）を含める必要があります 認定試験機関の ISO/IEC 17025 要件に準拠すること。

油圧 UTM のメンテナンス: 重要な実践

油圧 UTM は、オイルベースの駆動システムのため、電気機械式機械よりも積極的なメンテナンスが必要です。構造化されたメンテナンス プログラムにより、予期せぬダウンタイムが防止され、校正ステータスが保護され、機械の耐用年数が延長されます。機械はスケジュールに従って定期的に稼働します。 20～30年以上 .

作動油の管理

作動油は酸化、吸湿、粒子汚染により劣化します。汚染されたオイルは、サーボバルブ、シリンダーシール、ポンプコンポーネントの摩耗を加速させます。重要なオイルのメンテナンス方法:

• あnnual oil analysis: 粘度、水分含有量、粒子数の分析のために油サンプルを研究室に送ります。 ISO清浄度目標 ISO 4406 クラス 16/14/11 以上 サーボ油圧システム用。
• オイルとフィルターの交換間隔: 作動油は 2 ～ 4 年ごと、またはメーカーのスケジュールに従って交換してください。オイル交換のたび、および差圧インジケーターが作動したときに、リターンフィルターと圧力フィルターを交換してください。
• ブリーザーフィルターのメンテナンス: リザーバーブリーザーは大気汚染を防ぎます。毎年、または目視で汚染された場合に交換してください。

シールとシリンダーの検査

メインシリンダのピストンシール、ロッドシール、サーボバルブシールは定期的な点検・交換が必要です。シリンダーロッドからにじみ出るオイルはシールの摩耗の初期の兆候であり、力の測定精度に影響を与えたり、スリップの危険を引き起こすほど漏れが大きくなる前に対処します。一般的なシールのサービス間隔は次のとおりです。 サイクル頻度と動作圧力に応じて 5 ～ 10 年 .

ロードセルとトランスデューサーのケア

ロードセルは決して衝撃過負荷にさらされてはなりません。試験片の突然の破損は動的衝撃力を伝達し、ひずみゲージの要素に永久的な損傷を与える可能性があります。常に過負荷保護が設定されたマシンを使用してください。 定格容量の 110 ～ 120% 。ロードセルのケーブル接続を定期的に検査してください。接続が腐食したり断続的になったりすると、力の測定値が不安定になり、診断が困難になります。ひずみゲージ回路への湿気の侵入を防ぐため、予備のロードセルは乾燥した環境に保管してください。

適切な油圧 UTM を選択する方法: 決定基準

油圧 UTM の購入には多額の設備投資が必要です。通常、機械にはコストがかかります 15,000ドルから250,000ドル 容量、制御の高度さ、付属の備品に応じて異なります。構造化された選択プロセスにより、オーバースペック (決して使用されない機能にお金を払う) とアンダースペック (必要なテストを必要な基準で実行できないマシンの購入) の両方が防止されます。

1. 現在および予見可能な将来に必要なテストの全範囲を定義します。 すべての材料の種類、試験片の形状、力の範囲、および該当する試験規格をリストします。今日鉄筋試験用に選択された機械は、明日には構造用鋼の溶接部を試験する必要があるかもしれません。適切な能力と日照マージンを組み込んでください。
2. 必要な最大力は余裕を持って決定してください。 範囲内で最大の力テストを 1 つ特定し、25 ～ 40% の安全マージンを追加して、その値以上の機械能力を選択します。コストを節約するためにサイズを小さくしないでください。必要な力に到達できないマシンでは、テスト データがまったく提供されません。
3. 必要な精度クラスを指定します。 業務に製品認証、第三者監査、または構造設計で使用されるテストレポートが含まれる場合は、少なくとも ISO 7500-1 クラス 1 を指定してください。研究用途ではクラス 2 が許容される場合があります。
4. 必要な制御の高度さを評価します。 単純なコンクリート立方体破砕には、基本的な荷重制御操作のみが必要です。 ISO 6892-1 メソッド A に準拠した金属引張試験には、サーボ制御されたひずみ速度機能が必要です。購入する前に、制御システムが必要なテストプロトコルを実行できることを確認してください。
5. あssess software and data output requirements. 最新の UTM ソフトウェアは、関連する規格のレポート要件に直接準拠したテスト レポートを生成し、LIMS (実験室情報管理システム) にエクスポートし、オペレーターのログイン、検体 ID、およびタイムスタンプのロギングによるデータのトレーサビリティをサポートする必要があります。
6. 購入価格だけでなく、総所有コストを評価します。 オイル消費量、フィルターのコスト、校正料金、予想されるシール交換間隔、および 10 年間の運用期間にわたるサービス契約コストを考慮します。初期費用が安くても年間保守費用が高い機械の場合、トータルでは費用が高くなる可能性があります。
7. ローカル サービス サポートが利用可能かどうかを確認します。 あ 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.