專利名稱：用于已安裝工程材料攔阻系統(tǒng)的實(shí)地強(qiáng)度測試裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施例大體上涉及一種特別是在已安裝工程材料攔阻系統(tǒng)上的低強(qiáng)度材料的強(qiáng)度測試的便攜式測試設(shè)備和測試方法，該已安裝工程材料攔阻系統(tǒng)在下文中稱為 EMAS或者可壓縮車輛攔阻系統(tǒng)。除了其它之外，EMAS的一種實(shí)例被描述在題為Vechicle Arresting Bed Systems 的美國專利 No. 5，885，025 中。
背景技術(shù)：
EMAS系統(tǒng)或可壓縮車輛攔阻系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例包括安置在跑道端部的材料，在行經(jīng)離開跑道端部的飛機(jī)的重量下所述材料將可預(yù)見且可靠地壓碎(crush)(或以其它方式變形)。由低強(qiáng)度材料提供的抵抗力使飛機(jī)減速并使飛機(jī)在場端安全區(qū)(overrun area)邊界內(nèi)停住。EMAS的目的是以可預(yù)見的指定方式失效，由此在車輛使EMAS系統(tǒng)變形時(shí)提供受控的可預(yù)見的阻力。EMAS因而通常在受到適當(dāng)沖擊時(shí)是可壓縮、可變形、可壓碎或者在適當(dāng)?shù)臎_擊下能夠被壓縮或變形或壓碎。EMAS現(xiàn)在是美國機(jī)場設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的一部分并且被描述在2005年9月30日的美國聯(lián)邦航空局咨詢通告150/5220-22A的“Engineered Materials Arresting Systems (EMAS) for Aircraft Overruns”中。EMAS 和跑道安全區(qū)規(guī)劃是由美國聯(lián)邦航空局指令5200. 8和5200. 9指導(dǎo)?？商鎿Q地，EMAS材料或可壓縮(或可變形)車輛攔阻系統(tǒng)可以安置在道路或行人走道(或其它地方)之上或之中，例如用于使飛機(jī)以外的車輛或物體減速。EMAS的設(shè)計(jì)和制造必須滿足美國聯(lián)邦航空局咨詢通告150/5220-22A中所有的規(guī)定要求。某些強(qiáng)度的材料被選擇從而針對(duì)在特定跑道上工作的特定機(jī)隊(duì)組合最優(yōu)化EMAS 性能。根據(jù)美國聯(lián)邦航空局指令5200. 9的生命周期成本計(jì)算假設(shè)EMAS在某一時(shí)間會(huì)需要更換。為了確定已安裝EMAS系統(tǒng)維持所設(shè)計(jì)的車輛攔阻能力，需要開發(fā)實(shí)地強(qiáng)度測試裝置和測試方法，從而測量隨時(shí)間推移的已安裝EMAS的強(qiáng)度。美國專利No. 5，789，681描述了用于EMAS材料的測試設(shè)備和測試方法的一個(gè)實(shí)例。該專利還限定了壓縮梯度強(qiáng)度(CGQ標(biāo)準(zhǔn)，所述標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在屋內(nèi)(in-house)使用從而在生產(chǎn)時(shí)控制材料強(qiáng)度。然而，至少因?yàn)樵摐y試設(shè)備不是便攜式的原因，這個(gè)被授予專利的屋內(nèi)測試方法無法直接應(yīng)用于已安裝EMAS系統(tǒng)的實(shí)地強(qiáng)度測試。該系統(tǒng)測試被定位在軸承座上的攔阻材料測試段。負(fù)載接著以比較快的恒定速度應(yīng)用到測試段(利用一種液壓系統(tǒng)，該液壓系統(tǒng)控制具有測試探頭的軸)，當(dāng)測試探頭移動(dòng)穿過樣本時(shí)，連續(xù)地或者以小的增量位移進(jìn)行力測量。然而，如果希望測試已安裝EMAS系統(tǒng)，從系統(tǒng)移除該材料的一個(gè)或多個(gè)部分并且將這些部分運(yùn)送回到實(shí)驗(yàn)室供測試是不現(xiàn)實(shí)且不可靠的。潛在問題的實(shí)例為在移除測試件期間材料可能破裂，或者整個(gè)系統(tǒng)會(huì)由于移除測試件而被連累，這二者都引發(fā)測試過程的問題。可以想得到，在某些情形下測試件的移除會(huì)要求整個(gè)EMAS底座置為停止運(yùn)行，潛在地排除了使用關(guān)聯(lián)的跑道一個(gè)延長的時(shí)間段。此處描述的本發(fā)明實(shí)施例因此提供一種可以在已有和當(dāng)前已安裝EMAS上(即原位地)容易地實(shí)地實(shí)施的強(qiáng)度測試裝置和方法。期望的便攜式測試設(shè)備應(yīng)取得阻力負(fù)載和穿透深度的讀數(shù)。所測量的阻力負(fù)載可以轉(zhuǎn)換為CGS。材料中的穿透深度可以使用不同類型的距離測量裝置來測量。盡管某些現(xiàn)成的土壤穿透計(jì)能夠進(jìn)行阻力負(fù)載和距離測量二者，但是它們不能以其當(dāng)前設(shè)計(jì)而直接應(yīng)用于EMAS材料的實(shí)地強(qiáng)度測試。這些穿透計(jì)大多數(shù)是針對(duì)土壤密實(shí)度研究設(shè)計(jì)。例如，美國農(nóng)業(yè)工程師協(xié)會(huì)(ASAE)和美國測試和材料協(xié)會(huì)(ASTM)要求使用錐形的沖頭，所述沖頭是針對(duì)土壤測試而特別設(shè)計(jì)的，但是由于EMAS材料的獨(dú)特屬性的原因，它們不能用于EMAS測試。因此，本發(fā)明的實(shí)施例提供了用于測試當(dāng)前已安裝EMAS系統(tǒng)的各種特征的便攜式系統(tǒng)和測試方法。

發(fā)明內(nèi)容
強(qiáng)烈地需要對(duì)已安裝EMAS系統(tǒng)的實(shí)地強(qiáng)度測試。然而，所述被授予專利的屋內(nèi) EMAS測試設(shè)備以及用于土壤測試的穿透計(jì)都不能滿足EMAS實(shí)地測試的特殊需求。因此，本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種實(shí)地強(qiáng)度測試裝置和方法，其包括硬件設(shè)計(jì)、樣本大小確定、隨機(jī)采樣以及強(qiáng)度數(shù)據(jù)解釋。所描述的強(qiáng)度測試裝置和方法不僅可以應(yīng)用于已有EMAS系統(tǒng)，而且可以應(yīng)用于新世代EMAS，所述新世代EMAS可以使用具有類似攔阻能力的其它低強(qiáng)度材料。每種類型的材料將具有與所選擇沖頭大小關(guān)聯(lián)的獨(dú)特容差帶。這些容差帶可能將由監(jiān)管機(jī)構(gòu)或由EMAS系統(tǒng)制造者預(yù)設(shè)置，并且在安裝時(shí)設(shè)置。然而，應(yīng)使用此處描述的裝置和方法對(duì)已安裝系統(tǒng)的容差帶在安裝之后以各種間隔恰當(dāng)?shù)販y試，從而確認(rèn)隨時(shí)間推移該材料維持所期望和所要求的強(qiáng)度。


圖1示出實(shí)地測試裝置的一個(gè)實(shí)施例的側(cè)視平面圖。圖2示出圖1的實(shí)地測試裝置的一個(gè)端部的特寫視圖。圖3示出圖1的實(shí)地測試裝置的沖頭的一個(gè)實(shí)施例的仰視平面圖。圖4示出在根據(jù)本發(fā)明各種實(shí)施例改進(jìn)之前現(xiàn)有技術(shù)土壤穿透計(jì)的實(shí)例。圖5示出根據(jù)一個(gè)測試方法實(shí)施例的測試步驟的示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，便攜式實(shí)地測試裝置10的一個(gè)實(shí)施例包含軸12、沖頭20和測量系統(tǒng) 30。為了增加便攜性，軸12可以(但不必)劃分為兩個(gè)或多個(gè)段并且現(xiàn)場組裝。在圖1中示出的特定實(shí)例中，軸12以兩個(gè)部分來提供，即上軸14和下軸16，這兩個(gè)部分可以快速實(shí)地組裝但是實(shí)現(xiàn)了運(yùn)送便利。然而，應(yīng)理解，可以提供單個(gè)軸或任意數(shù)目的軸段。圖1的特定實(shí)施例中還示出，上軸部和下軸部14、16可以經(jīng)由螺紋連接18來連接。同樣應(yīng)理解，任意數(shù)目的適當(dāng)連接可被使用且被認(rèn)為落在本發(fā)明的范圍之內(nèi)，所述連接比如為扣合連接、鎖/ 翼片(j lock/tab)連接、榫連接、漸縮連接等等。
在特定實(shí)施例中，沖軸12長至少約25英寸從而涵蓋期望的最大穿透深度。取決于待測試的材料的類型，軸12通常應(yīng)長至少約5英寸，但是可以為5-36英寸之間的任意長度，并且甚至更長(如果這便于使用的話)。通常，應(yīng)針對(duì)便于操作從而維持恒定穿透速度來最優(yōu)化該長度。裝置10還包含位于其下部的沖頭20。一種類型的沖頭20具有平坦下表面22以及大體上圓形直徑對(duì)，如圖3所示。在一個(gè)實(shí)施例中，實(shí)地測試裝置10可以基于這樣的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)具有對(duì)阻力負(fù)載和穿透深度進(jìn)行測量的能力。在其它實(shí)施例中，實(shí)地測試裝置10 可以基于具有改進(jìn)沖頭和軸的已有土壤穿透計(jì)來構(gòu)建。土壤穿透計(jì)70的一個(gè)實(shí)例示于圖4。盡管存在這種裝置的各種選項(xiàng)，土壤穿透計(jì)通常具有設(shè)計(jì)成穿透土壤的錐形或尖沖頭72從而測量各種參數(shù)。土壤穿透計(jì)通常具有 30°或60°錐形(如ASAE和ASTM標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定)的用于土壤測試的沖頭。這使得土壤穿透計(jì)的尖頭端可以容易地穿透土壤。顯然，這種裝置對(duì)于測試EMAS的壓縮梯度強(qiáng)度將是無法使用的。這種測試的目的不一定是穿透EMAS，而是確定在某一限定區(qū)域上在某一應(yīng)用負(fù)載時(shí)其失效。因此，用于測試已有EMAS系統(tǒng)的實(shí)地測試裝置10設(shè)計(jì)為具有沖頭20，該沖頭優(yōu)選地具有平坦下表面22。 沖頭20也是以大體上圓形或環(huán)形形狀被提供。平坦環(huán)形形狀被選擇，使得沖頭20克服主要來自材料的CGS強(qiáng)度的阻力。沖頭20的厚度觀設(shè)計(jì)成使來自沖頭20的摩擦阻力最小化。與之對(duì)比，土壤穿透計(jì)的錐形頭將直接穿透EMAS而根本不測試適當(dāng)?shù)淖枇?。沖頭的材料應(yīng)選擇為耐受由于EMAS材料的磨蝕造成的磨損。非限制性實(shí)例包含任何適當(dāng)類型的金屬、聚合物或陶瓷、或者其任意組合或合金。應(yīng)理解，沖頭20可具有不同的有效表面且不需要是理想平坦和圓形的?？梢赃x擇合適的頭大小用于測試某一強(qiáng)度材料?？赡艿臎_頭直徑的非限制性實(shí)例是在約0. 5至約2. 0英寸的范圍，不過應(yīng)理解取決于材料和測試環(huán)境，沖頭直徑可以更大或更小。沖軸12在圖1中示為具有直徑沈，該直徑沈小于沖頭20的直徑24。這種設(shè)計(jì)幫助消除來自軸12的摩擦負(fù)載。沖軸12還可能與沖頭20的直徑M大小大約相同或相等。 軸12也應(yīng)足夠堅(jiān)固以避免由于阻力負(fù)載而翹曲。軸的材料應(yīng)選擇為耐受高強(qiáng)度使用的磨損，該材料的實(shí)例可以與上文針對(duì)沖頭20提供的那些材料相同。裝置10還包含位于其上部的柄13或某些其它類型的抓持或穩(wěn)定元件。如圖1所示，柄13可以支持用于測量實(shí)地正在測試的期望參數(shù)的測量系統(tǒng)30(然而應(yīng)理解，測量系統(tǒng)30可以根據(jù)需要而置于沿著軸12的任何位置)。在一個(gè)實(shí)施例中，沖頭20的穿透深度可以利用各種距離或穿透深度傳感器32測量，比如利用超聲和激光傳感器測量。距離傳感器32的選擇將取決于所要求的精度和環(huán)境凹凸不平度。由于材料強(qiáng)度對(duì)變形率敏感，重要的是控制穿透速度，該穿透速度將顯著地影響阻力負(fù)載測量?？梢詮拇┩干疃葴y量計(jì)算穿透速度。速度指示器34可以用于輔助控制沖頭速度。也可以提供阻力負(fù)載傳感器(未示出，但是與在柄上指示的其它傳感器相似)。確定樣本大小也是重要的，因?yàn)檫^大的樣本浪費(fèi)時(shí)間和資源，而太小的樣本大小在統(tǒng)計(jì)學(xué)上會(huì)是無意義的并造成不準(zhǔn)確的測試結(jié)果。樣本大小可以主要由期望的精度水平、置信水平以及材料強(qiáng)度變異程度確定。另外重要的是，利用隨機(jī)采樣從而可靠地確定在期望置信區(qū)間內(nèi)EMAS系統(tǒng)的平均強(qiáng)度?？梢岳肁STM D 3665在有效EMAS攔阻器區(qū)域上確定用于實(shí)地強(qiáng)度測試的樣本位置，該攔阻器區(qū)域可以根據(jù)EMAS設(shè)計(jì)和維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)限定?？捎糜趯?shí)地測試已安裝EMAS系統(tǒng)的強(qiáng)度的方法的一個(gè)實(shí)施例涉及提供恰當(dāng)?shù)膶?shí)地測試裝置，限定待采集的樣本大小，以及沿著已安裝EMAS識(shí)別采樣位置。采樣位置 (且特別地，隨機(jī)采樣位置)可以由計(jì)算機(jī)程序來識(shí)別從而防止操作員在位置判定方面的錯(cuò)誤。然而還可能的是，操作員沿著EMAS識(shí)別隨機(jī)位置，確保是在各種高度以及沿著EMAS 的距離進(jìn)行測試(例如，不是所有樣本應(yīng)置于EMAS底部，并且不是所有樣本應(yīng)在EMAS的一側(cè)采集或者所有樣本在另一側(cè)采集，而是應(yīng)沿著不同高度和距離進(jìn)行良好的采樣)。操作員接著應(yīng)沿著EMAS將實(shí)地測試裝置驅(qū)動(dòng)到每個(gè)采樣位置，在每個(gè)采樣位置記錄阻力負(fù)載、穿透深度、沖頭速度或任意組合。一旦獲得所有數(shù)據(jù)，從所獲得的數(shù)據(jù)計(jì)算材料的壓縮梯度強(qiáng)度(CGQ。該計(jì)算可以手動(dòng)完成或者通過接收和運(yùn)行該數(shù)據(jù)的恰當(dāng)計(jì)算機(jī)程序完成，并且提供結(jié)果的輸出概要。利用上述測試過程，在隨機(jī)地選擇位置處的阻力負(fù)載可以被記錄為穿透深度的函數(shù)，且隨后可以下載到計(jì)算機(jī)上供分析。材料強(qiáng)度、CGS可以基于所關(guān)聯(lián)的沖頭大小來計(jì)算。與用于屋內(nèi)測試的美國專利No. 5, 789,681中限定的容差帶等價(jià)或類似，應(yīng)針對(duì)某種強(qiáng)度的材料和關(guān)聯(lián)沖頭來發(fā)展實(shí)地測試容差帶。所計(jì)算的材料強(qiáng)度應(yīng)與特定實(shí)地測試容差帶比較。例如，一旦CGS被識(shí)別，可以將CGS與限定的CGS限制比較。結(jié)果的材料強(qiáng)度接著應(yīng)基于統(tǒng)計(jì)分析作為置信區(qū)間被呈現(xiàn)。實(shí)地強(qiáng)度測試應(yīng)定期進(jìn)行從而發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度隨時(shí)間推移的趨勢并且確認(rèn)所述已安裝系統(tǒng)正維持其所要求的強(qiáng)度。與其它實(shí)地檢查方法集成，本發(fā)明中描述的實(shí)地強(qiáng)度測試方法將幫助監(jiān)測已安裝EMAS系統(tǒng)的狀況?？梢詫?duì)上文所述以及附圖所示的結(jié)構(gòu)和方法進(jìn)行改變和調(diào)整、添加和刪除，而不背離本發(fā)明和下述權(quán)利要求書的范圍或精神。
權(quán)利要求
1.一種用于已安裝可壓縮車輛攔阻系統(tǒng)的實(shí)地強(qiáng)度測試的方法，該方法包含(a)提供實(shí)地測試裝置；(b)沿著已安裝系統(tǒng)識(shí)別采樣位置；(c)沿著該系統(tǒng)將所述實(shí)地測試裝置驅(qū)動(dòng)到每個(gè)采樣位置；以及(d)在每個(gè)采樣位置記錄阻力負(fù)載、穿透深度、沖頭速度或其任意組合。
2.權(quán)利要求1的方法，還包含根據(jù)所獲得的阻力負(fù)載、穿透深度、沖頭速度或其任意組合計(jì)算壓縮梯度強(qiáng)度(CGS)。
3.權(quán)利要求1的方法，還包含根據(jù)所獲得的阻力負(fù)載、穿透深度、沖頭速度或其任意組合計(jì)算壓縮梯度強(qiáng)度(CGS)，并將該CGS與限定的CGS限制比較。
4.前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)的方法，其中所識(shí)別的采樣位置是隨機(jī)的。
5.前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)的方法，其中該實(shí)地測試裝置為如權(quán)利要求6所述的裝置。
6.一種用于已安裝可壓縮車輛攔阻系統(tǒng)的便攜式實(shí)地測試裝置，包含(a)具有長度和直徑的軸；(b)在該軸的一個(gè)端部的具有平坦表面的沖頭；以及(c)測量系統(tǒng)，其配置成測量阻力負(fù)載、沖頭穿透已安裝可壓縮車輛攔阻系統(tǒng)、該沖頭在已安裝可壓縮車輛攔阻系統(tǒng)中的速度或其任意組合。
7.權(quán)利要求6的便攜式實(shí)地測試裝置，其中該測量系統(tǒng)包含阻力負(fù)載傳感器、穿透深度傳感器、速度指示器或其任意組合。
8.權(quán)利要求6或7的便攜式實(shí)地測試裝置，其中為了便攜性，該軸以多于一個(gè)段被提供，以及其中所述多于一個(gè)段在實(shí)地使用中可以彼此連接。
9.權(quán)利要求6-8中任意一項(xiàng)的便攜式實(shí)地測試裝置，其中該軸直徑小于或等于沖頭直徑。
10.權(quán)利要求6-9中任意一項(xiàng)的便攜式實(shí)地測試裝置，其中該軸長度為約5至約36英
全文摘要
本發(fā)明的實(shí)施例提供了用于測試已安裝車輛攔阻系統(tǒng)，比如安裝在機(jī)場跑道上的已安裝車輛攔阻系統(tǒng)的壓縮梯度強(qiáng)度的實(shí)地測試裝置和方法。當(dāng)前的測試這種攔阻系統(tǒng)的方法是在屋內(nèi)對(duì)樣本材料進(jìn)行的，并且當(dāng)需要實(shí)地對(duì)當(dāng)前已安裝系統(tǒng)進(jìn)行測試時(shí)，這些方法是無法應(yīng)用或使用的。
文檔編號(hào)G01N3/42GK102216753SQ200980146127
公開日2011年10月12日 申請(qǐng)日期2009年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月25日
發(fā)明者A·L·曼寧, G·K·小湯普森, 施毅堅(jiān), 鄒弘 申請(qǐng)人:工程阻攔系統(tǒng)公司