专利名称：用于已安装工程材料拦阻系统的实地强度测试装置和方法
技术领域：
本发明的实施例大体上涉及一种特别是在已安装工程材料拦阻系统上的低强度材料的强度测试的便携式测试设备和测试方法，该已安装工程材料拦阻系统在下文中称为 EMAS或者可压缩车辆拦阻系统。除了其它之外，EMAS的一种实例被描述在题为Vechicle Arresting Bed Systems 的美国专利 No. 5，885，025 中。
背景技术：
EMAS系统或可压缩车辆拦阻系统的一个实例包括安置在跑道端部的材料，在行经离开跑道端部的飞机的重量下所述材料将可预见且可靠地压碎(crush)(或以其它方式变形)。由低强度材料提供的抵抗力使飞机减速并使飞机在场端安全区(overrun area)边界内停住。EMAS的目的是以可预见的指定方式失效，由此在车辆使EMAS系统变形时提供受控的可预见的阻力。EMAS因而通常在受到适当冲击时是可压缩、可变形、可压碎或者在适当的冲击下能够被压缩或变形或压碎。EMAS现在是美国机场设计标准的一部分并且被描述在2005年9月30日的美国联邦航空局咨询通告150/5220-22A的“Engineered Materials Arresting Systems (EMAS) for Aircraft Overruns”中。EMAS 和跑道安全区规划是由美国联邦航空局指令5200. 8和5200. 9指导。可替换地，EMAS材料或可压缩(或可变形)车辆拦阻系统可以安置在道路或行人走道(或其它地方)之上或之中，例如用于使飞机以外的车辆或物体减速。EMAS的设计和制造必须满足美国联邦航空局咨询通告150/5220-22A中所有的规定要求。某些强度的材料被选择从而针对在特定跑道上工作的特定机队组合最优化EMAS 性能。根据美国联邦航空局指令5200. 9的生命周期成本计算假设EMAS在某一时间会需要更换。为了确定已安装EMAS系统维持所设计的车辆拦阻能力，需要开发实地强度测试装置和测试方法，从而测量随时间推移的已安装EMAS的强度。美国专利No. 5，789，681描述了用于EMAS材料的测试设备和测试方法的一个实例。该专利还限定了压缩梯度强度(CGQ标准，所述标准已经在屋内(in-house)使用从而在生产时控制材料强度。然而，至少因为该测试设备不是便携式的原因，这个被授予专利的屋内测试方法无法直接应用于已安装EMAS系统的实地强度测试。该系统测试被定位在轴承座上的拦阻材料测试段。负载接着以比较快的恒定速度应用到测试段(利用一种液压系统，该液压系统控制具有测试探头的轴)，当测试探头移动穿过样本时，连续地或者以小的增量位移进行力测量。然而，如果希望测试已安装EMAS系统，从系统移除该材料的一个或多个部分并且将这些部分运送回到实验室供测试是不现实且不可靠的。潜在问题的实例为在移除测试件期间材料可能破裂，或者整个系统会由于移除测试件而被连累，这二者都引发测试过程的问题。可以想得到，在某些情形下测试件的移除会要求整个EMAS底座置为停止运行，潜在地排除了使用关联的跑道一个延长的时间段。此处描述的本发明实施例因此提供一种可以在已有和当前已安装EMAS上(即原位地)容易地实地实施的强度测试装置和方法。期望的便携式测试设备应取得阻力负载和穿透深度的读数。所测量的阻力负载可以转换为CGS。材料中的穿透深度可以使用不同类型的距离测量装置来测量。尽管某些现成的土壤穿透计能够进行阻力负载和距离测量二者，但是它们不能以其当前设计而直接应用于EMAS材料的实地强度测试。这些穿透计大多数是针对土壤密实度研究设计。例如，美国农业工程师协会(ASAE)和美国测试和材料协会(ASTM)要求使用锥形的冲头，所述冲头是针对土壤测试而特别设计的，但是由于EMAS材料的独特属性的原因，它们不能用于EMAS测试。因此，本发明的实施例提供了用于测试当前已安装EMAS系统的各种特征的便携式系统和测试方法。
发明内容
强烈地需要对已安装EMAS系统的实地强度测试。然而，所述被授予专利的屋内 EMAS测试设备以及用于土壤测试的穿透计都不能满足EMAS实地测试的特殊需求。因此，本发明的实施例提供了一种实地强度测试装置和方法，其包括硬件设计、样本大小确定、随机采样以及强度数据解释。所描述的强度测试装置和方法不仅可以应用于已有EMAS系统，而且可以应用于新世代EMAS，所述新世代EMAS可以使用具有类似拦阻能力的其它低强度材料。每种类型的材料将具有与所选择冲头大小关联的独特容差带。这些容差带可能将由监管机构或由EMAS系统制造者预设置，并且在安装时设置。然而，应使用此处描述的装置和方法对已安装系统的容差带在安装之后以各种间隔恰当地测试，从而确认随时间推移该材料维持所期望和所要求的强度。
图1示出实地测试装置的一个实施例的侧视平面图。图2示出图1的实地测试装置的一个端部的特写视图。图3示出图1的实地测试装置的冲头的一个实施例的仰视平面图。图4示出在根据本发明各种实施例改进之前现有技术土壤穿透计的实例。图5示出根据一个测试方法实施例的测试步骤的示意图。
具体实施例方式如图1所示，便携式实地测试装置10的一个实施例包含轴12、冲头20和测量系统 30。为了增加便携性，轴12可以(但不必)划分为两个或多个段并且现场组装。在图1中示出的特定实例中，轴12以两个部分来提供，即上轴14和下轴16，这两个部分可以快速实地组装但是实现了运送便利。然而，应理解，可以提供单个轴或任意数目的轴段。图1的特定实施例中还示出，上轴部和下轴部14、16可以经由螺纹连接18来连接。同样应理解，任意数目的适当连接可被使用且被认为落在本发明的范围之内，所述连接比如为扣合连接、锁/ 翼片(j lock/tab)连接、榫连接、渐缩连接等等。
在特定实施例中，冲轴12长至少约25英寸从而涵盖期望的最大穿透深度。取决于待测试的材料的类型，轴12通常应长至少约5英寸，但是可以为5-36英寸之间的任意长度，并且甚至更长(如果这便于使用的话)。通常，应针对便于操作从而维持恒定穿透速度来最优化该长度。装置10还包含位于其下部的冲头20。一种类型的冲头20具有平坦下表面22以及大体上圆形直径对，如图3所示。在一个实施例中，实地测试装置10可以基于这样的设计，该设计具有对阻力负载和穿透深度进行测量的能力。在其它实施例中，实地测试装置10 可以基于具有改进冲头和轴的已有土壤穿透计来构建。土壤穿透计70的一个实例示于图4。尽管存在这种装置的各种选项，土壤穿透计通常具有设计成穿透土壤的锥形或尖冲头72从而测量各种参数。土壤穿透计通常具有 30°或60°锥形(如ASAE和ASTM标准所规定)的用于土壤测试的冲头。这使得土壤穿透计的尖头端可以容易地穿透土壤。显然，这种装置对于测试EMAS的压缩梯度强度将是无法使用的。这种测试的目的不一定是穿透EMAS，而是确定在某一限定区域上在某一应用负载时其失效。因此，用于测试已有EMAS系统的实地测试装置10设计为具有冲头20，该冲头优选地具有平坦下表面22。 冲头20也是以大体上圆形或环形形状被提供。平坦环形形状被选择，使得冲头20克服主要来自材料的CGS强度的阻力。冲头20的厚度观设计成使来自冲头20的摩擦阻力最小化。与之对比，土壤穿透计的锥形头将直接穿透EMAS而根本不测试适当的阻力。冲头的材料应选择为耐受由于EMAS材料的磨蚀造成的磨损。非限制性实例包含任何适当类型的金属、聚合物或陶瓷、或者其任意组合或合金。应理解，冲头20可具有不同的有效表面且不需要是理想平坦和圆形的。可以选择合适的头大小用于测试某一强度材料。可能的冲头直径的非限制性实例是在约0. 5至约2. 0英寸的范围，不过应理解取决于材料和测试环境，冲头直径可以更大或更小。冲轴12在图1中示为具有直径沈，该直径沈小于冲头20的直径24。这种设计帮助消除来自轴12的摩擦负载。冲轴12还可能与冲头20的直径M大小大约相同或相等。 轴12也应足够坚固以避免由于阻力负载而翘曲。轴的材料应选择为耐受高强度使用的磨损，该材料的实例可以与上文针对冲头20提供的那些材料相同。装置10还包含位于其上部的柄13或某些其它类型的抓持或稳定元件。如图1所示，柄13可以支持用于测量实地正在测试的期望参数的测量系统30(然而应理解，测量系统30可以根据需要而置于沿着轴12的任何位置)。在一个实施例中，冲头20的穿透深度可以利用各种距离或穿透深度传感器32测量，比如利用超声和激光传感器测量。距离传感器32的选择将取决于所要求的精度和环境凹凸不平度。由于材料强度对变形率敏感，重要的是控制穿透速度，该穿透速度将显著地影响阻力负载测量。可以从穿透深度测量计算穿透速度。速度指示器34可以用于辅助控制冲头速度。也可以提供阻力负载传感器(未示出，但是与在柄上指示的其它传感器相似)。确定样本大小也是重要的，因为过大的样本浪费时间和资源，而太小的样本大小在统计学上会是无意义的并造成不准确的测试结果。样本大小可以主要由期望的精度水平、置信水平以及材料强度变异程度确定。另外重要的是，利用随机采样从而可靠地确定在期望置信区间内EMAS系统的平均强度。可以利用ASTM D 3665在有效EMAS拦阻器区域上确定用于实地强度测试的样本位置，该拦阻器区域可以根据EMAS设计和维护标准限定。可用于实地测试已安装EMAS系统的强度的方法的一个实施例涉及提供恰当的实地测试装置，限定待采集的样本大�。约把刈乓寻沧癊MAS识别采样位置。采样位置 (且特别地，随机采样位置)可以由计算机程序来识别从而防止操作员在位置判定方面的错误。然而还可能的是，操作员沿着EMAS识别随机位置，确保是在各种高度以及沿着EMAS 的距离进行测试(例如，不是所有样本应置于EMAS底部，并且不是所有样本应在EMAS的一侧采集或者所有样本在另一侧采集，而是应沿着不同高度和距离进行良好的采样)。操作员接着应沿着EMAS将实地测试装置驱动到每个采样位置，在每个采样位置记录阻力负载、穿透深度、冲头速度或任意组合。一旦获得所有数据，从所获得的数据计算材料的压缩梯度强度(CGQ。该计算可以手动完成或者通过接收和运行该数据的恰当计算机程序完成，并且提供结果的输出概要。利用上述测试过程，在随机地选择位置处的阻力负载可以被记录为穿透深度的函数，且随后可以下载到计算机上供分析。材料强度、CGS可以基于所关联的冲头大小来计算。与用于屋内测试的美国专利No. 5, 789,681中限定的容差带等价或类似，应针对某种强度的材料和关联冲头来发展实地测试容差带。所计算的材料强度应与特定实地测试容差带比较。例如，一旦CGS被识别，可以将CGS与限定的CGS限制比较。结果的材料强度接着应基于统计分析作为置信区间被呈现。实地强度测试应定期进行从而发现强度随时间推移的趋势并且确认所述已安装系统正维持其所要求的强度。与其它实地检查方法集成，本发明中描述的实地强度测试方法将帮助监测已安装EMAS系统的状况。可以对上文所述以及附图所示的结构和方法进行改变和调整、添加和删除，而不背离本发明和下述权利要求书的范围或精神。
权利要求
1.一种用于已安装可压缩车辆拦阻系统的实地强度测试的方法，该方法包含(a)提供实地测试装置；(b)沿着已安装系统识别采样位置；(c)沿着该系统将所述实地测试装置驱动到每个采样位置；以及(d)在每个采样位置记录阻力负载、穿透深度、冲头速度或其任意组合。
2.权利要求1的方法，还包含根据所获得的阻力负载、穿透深度、冲头速度或其任意组合计算压缩梯度强度(CGS)。
3.权利要求1的方法，还包含根据所获得的阻力负载、穿透深度、冲头速度或其任意组合计算压缩梯度强度(CGS)，并将该CGS与限定的CGS限制比较。
4.前述权利要求中任意一项的方法，其中所识别的采样位置是随机的。
5.前述权利要求中任意一项的方法，其中该实地测试装置为如权利要求6所述的装置。
6.一种用于已安装可压缩车辆拦阻系统的便携式实地测试装置，包含(a)具有长度和直径的轴；(b)在该轴的一个端部的具有平坦表面的冲头；以及(c)测量系统，其配置成测量阻力负载、冲头穿透已安装可压缩车辆拦阻系统、该冲头在已安装可压缩车辆拦阻系统中的速度或其任意组合。
7.权利要求6的便携式实地测试装置，其中该测量系统包含阻力负载传感器、穿透深度传感器、速度指示器或其任意组合。
8.权利要求6或7的便携式实地测试装置，其中为了便携性，该轴以多于一个段被提供，以及其中所述多于一个段在实地使用中可以彼此连接。
9.权利要求6-8中任意一项的便携式实地测试装置，其中该轴直径小于或等于冲头直径。
10.权利要求6-9中任意一项的便携式实地测试装置，其中该轴长度为约5至约36英
全文摘要
本发明的实施例提供了用于测试已安装车辆拦阻系统，比如安装在机场跑道上的已安装车辆拦阻系统的压缩梯度强度的实地测试装置和方法。当前的测试这种拦阻系统的方法是在屋内对样本材料进行的，并且当需要实地对当前已安装系统进行测试时，这些方法是无法应用或使用的。
文档编号G01N3/42GK102216753SQ200980146127
公开日2011年10月12日 申请日期2009年9月24日 优先权日2008年9月25日
发明者A·L·曼宁, G·K·小汤普森, 施毅坚, 邹弘 申请人:工程阻拦系统公司
专业数控铣床产品供应商
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