机场跑道除胶车的发展现状及研发方向

2022-09-27张晓玮

内燃机与配件 2022年15期

0 引言

随着中国航空业的高速发展，民用机场航班起降频率越来越高，跑道摩擦系数维护频率也随之提高，根据CCAR-140-R1《运输机场运行安全管理规定》第八十条规定，表面摩擦系数低于维护规划值时，机场管理机构应当立即采取措施改善道面摩阻特性。近年来各民用运输机场对除胶的需求越来越高，本文旨在研究机场跑道除胶车的前沿技术，并剖析国内机场除胶作业特点，探讨适合中国机场的除胶产品的研发方向。

1 定义及分类

飞机降落时，在轮胎接地之后由于制动系统启动，轮胎与地面会剧烈摩擦，导致轮胎橡胶融化、剥离并附着在跑道上，随着橡胶的积累，跑道摩擦系数会逐渐降低，飞机制动能力下降。机场跑道除胶车是用于清除机场跑道上附着的轮胎胶印，改善道面摩阻特性，提高摩擦系数的重要维护设备。根据原理的不同，机场跑道除胶车主要分为以下几种类型：机械打磨式、化学溶剂喷洒式、高压水射流式。

机械打磨式是通过机械方式打磨胶层，使其与路面分离，这种方法效率高，但是问题也很突出，极易损伤跑道，常见的抛丸法还容易损伤航空器。

化学溶剂喷洒式是通过喷洒化学溶剂使橡胶融化、脱落，从而清除胶层。这种方法的优点是对水泥跑道几乎没有损伤，但是效率极低，同时污染环境，从环保及效率方面考虑，目前几乎已经淘汰。

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高压水射流式是一种采用高压/超高压水射流冲击路面胶质，使其与路面剥离，从而达到清除胶质、油漆、油污等目的。作业效率高，介质清洁，无化学试剂污染，无砂粒等损伤地面及航空器，通过对压力及车速等的精确控制，可以最大限度降低跑道的机械损伤，装备回收系统还可以回收废水、废渣，防止二次污染。

近年来各民用机场及除胶施工单位对于除胶车操作便捷性、作业效率、作业安全、跑道保护、跑道清洗、环境保护等方面要求也越来越高，高压水射流除胶技术在以上方面具有绝对的优势，已经成为机场除胶的主流技术。

2 国内外发展现状

真空回收与涡扇回收本质上是一样的，都是通过负压产生气流将废水与废渣带走。但设计原理是不同的，真空回收方式是通过鼓风机的进气端形成的负压进行回收，一般采用罗茨风机或离心风机；涡扇回收方式是通过将喷杆设计成扇叶形状，喷杆高速旋转时即作为风扇产生气流，这种设计不必装备鼓风机，可以简化系统，但缺点是空气流量及风压较小，回收效果不及鼓风机。目前绝大多数厂商采用真空回收系统，仅有美国Cyclone采用涡扇回收的方式。

受制于超高压系统的技术壁垒，完全国产化的除胶车主要是采用高压水射流技术，压力较低，除净率、效率均不理想，近年来各机场招标的除胶车均要求采用超高压水射流技术，以进口整车为主，价格较高，由于需求的增长，国内除胶车厂家也纷纷开始研发超高压水射流除胶车，有望打破国外厂商的垄断地位。

2.1 技术路线

目前，国内采用超高压水射流技术的除胶车制造厂商主要有威海广泰、烟台杰瑞、南通威而多，江苏路鑫达等，国外制造厂商主要包括美国HOG、英国Jetting System、美国Cyclone、德国Traffic lines等，各厂商的技术路线各有差异，但大体上分为以下几类：(1)从工作方式上分为前推式和横向往复式；(2)从结构上分为车载式和拖挂式；(3)从行走传动方式上分为机械传动和静液压传动；(4)从回收原理上分为真空回收和涡扇回收。

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拖挂式分为两种，一种实际上是车载式的延伸，采用车载式加装拖车的的结构，拖车上装拓展水箱，主要目的是延长作业时间，这种拖挂式仍然具有自行能力，典型代表厂商是南通威而多、德国Traffic-lines。第二种是完全拖挂式，机组及水箱均装在拖挂车上，没有自行能力，需要拖车牵引，优点是成本低，典型代表厂商是美国HOG、英国Jetting System。但无论哪种拖挂式，都有共同的缺点，那就是机动性差，操作难度大，并且不适合快速调动及撤离。

超高压水射流系统主要由柴油机、超高压柱塞泵、旁通阀、泄压阀、安全阀、供水泵、过滤器、清水箱、清洗器等组成。供水泵为柱塞泵提供一定的进水压力，防止柱塞泵吸空产生气蚀导致损坏。超高压柱塞泵为系统增压，形成高压高速水射流，最大压力一般为40000psi。旁通阀是一种节流阀，通过控制阀芯开度调节旁通流量，从而调节进入喷嘴的水流量，达到调节射流压力的目的。泄压阀本质上是一个开关阀，打开后会立即释放系统压力，用于快速切换高压和低压状态。为防止系统超压，超高压柱塞泵应至少安装一个安全阀，通常采用爆破片式结构。清洗器是直接用于作业的机构，是除胶车的核心部件之一，由马达、喷杆、喷嘴、回收罩、脚轮等组成。马达用于驱动喷杆旋转，除胶作业时喷杆同时进行直线运动和旋转运动，通过车速和喷杆转速的合理配合，可以使射流轨迹完全覆盖清洗器经过的整个区域。喷杆通常采用“一”字形结构，装有多个喷嘴，喷嘴具有微孔结构，常用的雾化射流喷嘴直径一般从0.005英寸到0.015英寸，采用钨钢或蓝宝石材质。

《史记》中写道：飞将军李广喝酒喝到很晚，回去的路上走到霸陵亭，被霸陵尉拦下。李广虽然自报家门，霸陵尉却仍牛哄哄地说：“大将军尚且不允许夜行，何况你呢？”李广只好在亭子里挨了一宿。可见到了秦汉时期，夜禁制度已经颇为严格，就算是位高权重也不能逾矩。

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机械传动是通过在底盘传动系统中增加一个减速箱，通过控制发动机转速来实现超低速无级变速，优点是结构简单、可靠，传动效率高，缺点是如果液压系统也是底盘柴油机驱动的话，那么行走系统与液压系统不能同时工作。静液压传动是通过底盘变速箱取力驱动液压泵，液压马达通过分动箱驱动后桥，通过控制泵的排量从而实现超低速无级调速。优点是由于柴油机可以恒转速运转，行走系统与液压系统可以同时工作，缺点是结构复杂、传动效率低。绝大部分厂商采用静液压传动，仅有Jetting System标配机械传动。

欧美国家民用运输机场起步早、规模大、流量大，因此除胶技术也较成熟，在装备及相关配套的研发及应用方面处于领先的地位。尽管中国航空业近年来发展迅速，但与欧美国家相比规模仍有差距，除胶设备的市场较小，这成为阻碍除胶设备行业发展的主要因素。

综上，目前机场跑道除胶车的主流技术路线是前推式、车载式、真空回收、静液压传动。

2.2 配置及技术指标

回收罩用于聚集废水和废渣，也是回收系统的一部分。

3 基本设计要求

目前机场跑道除胶车没有相关国家标准或民航标准，仅有机械行业标准JB∕T 11366-2013 《机场跑道除胶设备》，但其主要针对高压水射流除胶设备，超高压水射流除胶设备可以参考，同时还应参考机场相关管理规定：CCAR-140-R1《运输机场运行安全管理规定》；CCAR-331SB-R1《民用机场航空器活动区道路交通安全管理规则》；AC-140-CA-2010-3《民用机场飞行区场地维护技术指南》；MH5001-2021《民用机场飞行区技术标准》。

4 基本系统组成

超高压水射流机场跑道除胶车主要包括行走系统、超高压水射流系统、回收系统、液压系统、气动系统、电气系统六部分。

4.1 行走系统

液压系统主要用于清洗器的展开和撤收、废水箱的举升、驱动喷杆马达、行走马达以及供水泵、鼓风机等。主要包括液压泵、阀组、液压油箱、冷却器等，通过底盘取力器驱动一个或几个液压泵。静液传动行走系统为闭式系统，其他辅助执行元件一般采用开式系统。

4.2 超高压水射流系统

前推式和横向往复式各有优缺点，前推式结构简单，成本低，可靠性高，作业时清洗器随车辆推进，前进速度快，但是方向不易控制，易出现重叠率过大或者遗漏的情况，对操作人员的操作技能要求较高。如果清洗器宽度较小，还需要多次调头，降低效率。横向往复式结构及控制都比较复杂，成本高，可靠性低。清洗器随车辆前进的同时还需要横向往复运动，由于可以靠程序精确控制清洗器的运动轨迹，重叠率可以精确控制。但是这种原理决定了车辆前进的速度很慢，对超低速行走的稳定性要求很高，优点是车辆前进的方向更容易控制，且除胶宽度较大。从效率的角度看，相同功率的情况下，二者效率差别并不大，但是从用户的角度，更低的成本和更高的可靠性更具有吸引力，因此，国内市场上很少有采用横向往复式的作业方式。国内外生产横向往复式除胶车的厂家不多，国内只有江苏路鑫达，国外只有Jetting System。车载式除胶车采用二类底盘改装，自带超高压泵机组及水箱，具备自行能力，机动灵活，适用于机场内快速撤离及机场之间的调动。

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除胶车的关键技术指标主要包括除胶效率和连续作业时间，与之相关的配置即为核心配置，各主要厂商相关技术指标及核心配置见表1：

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脚轮用于支撑清洗器，使清洗器能够随车推进并使喷嘴保持固定的离地间隙。

对于横向往复式清洗器，还包括一套轨迹控制系统，通过复杂的算法使喷杆保持稳定的往复轨迹，并精确控制重叠率。

4.3 回收系统

回收系统用于回收除胶作业过程中产生的废水和废渣。常见的方式是真空回收，也有采用涡扇回收，真空回收系统一般包括鼓风机、空气过滤器、负压软管、废水箱和回收罩。

ZHANG Min-min, LI Zi-fu, LI Qiang, CHEN Lei, ZHU Xuan, JIANG Yi, WU Tao, ZHANG Yong-wei, YANG Peng-fei, LIU Jian-min,DENG Ben-qiang

鼓风机为系统提供负压，通常采用机械传动或者液压传动。空气过滤器用于过滤废水和废渣，一般位于废水箱与鼓风机之间，以保护鼓风机；负压软管应具备一定的耐负压能力，避免吸瘪；

除胶作业时，废水和废渣聚集在回收罩中，通过控制回收罩的离地间隙以获得高速的气流，将废水和废渣收集到废水箱。

废水箱应具有排水和排渣功能，通常采用手动或气动碟阀排水，液压举升排渣。

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4.4 液压系统

采用静液压传动系统时，底盘变速箱需提供取力接口，同时需要断开传动轴，加装分动箱，用于切换底盘传动系统和静液压传动系统。采用机械传动时，底盘也需要断开传动轴，加装减速箱，但减速箱除了提供大速比用于超低速行走之外，还需要提供1:1的速比，用于高速行驶。

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4.5 气动系统

气动系统一般用于离合器、分动箱、取力器、减速箱等传动部件的换档，采用电控换向阀控制，考虑应急状况，换向阀均应具有手动越权功能。

4.6 电气系统

电气系统用于除胶车各功能的控制，包括控制柜、控制台、传感器、照明灯等。采用PLC控制，结构紧凑、技术成熟；控制台为操作者提供操作界面，位于驾驶室内，采用开关控制或者触摸屏控制。当喷杆停转或车停止前进时，如果超高压射流仍在进行，则地面会立即损伤，为了避免这种情况，控制系统应具备车速、转速、射流联动逻辑保护功能。

5 国内机场跑道的除胶作业特点

与欧美发达国家机场相比，国内机场客流量及日均起降架次偏少，除胶作业有如下几个特点：

5.1 机场除胶以外包为主

国内绝大多数机场没有配备除胶车，仅有白云机场、浦东机场、虹桥机场、双流机场等日起降1000架次以上的机场配备了除胶车，可以自行除胶，其他机场均为外包作业。

5.2 除胶频率普遍偏低

除了少数自有除胶车的机场除胶频率较高，每月除胶3次左右，起降架次相对较多的部分省会级机场大约每年除胶2-3次，其他机场可能需要2-3年甚至更长的时间除胶1次，有些支线机场甚至从未除过胶。

5.3 胶层较厚且附着力强

大多数机场为了降低除胶费用，一般要等到胶层积累到足够厚度，摩擦系数低于维护值时才招标除胶，因此外包除胶的机场胶层普遍偏厚且附着力强。

黑水虻可以对家蝇的滋生产生抑制作用。Sheppard推测黑水虻幼虫可能会产生驱避家蝇的物质，研究发现，家蝇幼虫不适合在经黑水虻幼虫取食过的粪便中生长，黑水虻幼虫生活的粪便中也不利于家蝇成虫产卵，经黑水虻处理后鸡粪对家蝇具有100%的控制率，对小家蝇具有99.9%的控制率[11]。因此利用黑水虻处理畜禽粪便，有利于解决畜禽养殖过程中家蝇滋生的问题。

5.4 除胶作业没有统一的验收标准

尽管CCAR-140-R1《运输机场运行安全管理规定》中规定了跑道摩擦系数的维护值，但大多数机场对于除胶作业的要求高于这个标准，以主观判断为主，因此，工程验收没有统一标准，不确定性较强。

5.5 单日作业时间短

大多数机场的停航时间是凌晨1点到5点，大约4个小时的时间，除去进场、离场以及跑道FOD检查时间，每天实际除胶时间最多3.5小时。有些起降架次特别少的机场的停航时间也可能较长，但是这种机场除胶作业量一般也很小，实际作业时间也很短。

6 研发方向

针对国内机场除胶作业的特点，除胶车厂商在研发产品时不能简单的照搬国外除胶车的技术路线或者作业参数，而应因地制宜，避免出现利用率不高或者性能不足的情况，有以下几点建议:

6.1 研发适合城市穿梭的除胶车

机场跑道除胶车虽然是用于机场跑道除胶，但是由于绝大部分机场不配备除胶车，除胶施工单位通常会配备一辆或者几辆除胶车覆盖数个机场，这就需要除胶车可以合法上路，且具备高速行驶能力。

6.2 研发适合多种胶层状况的除胶车

国内现有的大多数除胶车均采用宽幅清洗器，在胶层较薄的区域这种配置有一定的优势，但是在胶层较厚区域，射流冲击力分散的缺点就会暴露出来，出现无法一次除净的问题，虽然可以通过减少作业喷杆的方式解决，但是更换喷嘴或者喷杆一般不允许在跑道上进行，实际作业只能通过反复多次除胶的方式进行，效率大大降低。窄幅清洗器应对厚胶有明显的优势，但是对于较薄的胶层，虽然可以通过提高车速来弥补宽度的不足，但需要多次调头，并且重叠率相对较高，效率也会有所下降。

因此，研发一种可以实时快速调整作业宽度或者喷嘴配置的除胶车更适合中国的国情。