助航灯干粉清洗设备最优清洗参数的试验研究

王 幸，葛晓宏，伊明扬，徐燕辉

(厦门理工学院机械与汽车工程学院，福建 厦门 361024)

民航运输过程中，飞机的频繁起降增加了飞机轮胎与跑道间的摩擦次数，给跑道和嵌入式灯具带来轮胎胶体粘结问题[1]。附着在助航灯上的污染物严重影响透镜的透光率，会影响飞行员的道面视线和着陆点判断，致使飞机不能准确地降落在跑道上而造成事故[2]。因而，快速高效的助航灯清洗技术逐渐成为清洗领域的研究主题。目前，国内清洗机场跑道助航灯常用的除污方法有高压水喷法[3]、化学方法、机械方法[4]、干冰清洗方法[5]和干式喷粉清洗方法。干式喷粉清洗作为机场跑道助航灯的新型清洗方法存在很多问题，如缺乏深入的清洗效率分析和喷嘴结构优化，工艺参数选取主要凭经验，缺乏理论指导和试验优化，磨料流量和气体流量混合不合理等。为有效提高嵌入式助航灯干式喷粉清洗设备的清洗效率，本文通过试验方法研究干式喷粉清洗设备的最优清洗参数。

1 试验设备

1.1 清洗设备

清洗设备主要有发动机、空压机、冷凝器、供料机构、水泵、管路、喷嘴等[6]。发动机带动空压机产生高压空气经过管道进入供料机构，磨料阀开启后，高速的压缩空气推动磨料在管路中输送，在喷嘴处水会喷注在管道内，在管道内雾化形成气固液混合物经喷嘴喷射到清洗物表面，对清洗物加以清洗。清洗设备如图1所示。

1.2 喷嘴的选择

1.2.1 不同喷嘴的结构及清洁度检测

喷嘴一般采用扁平喷嘴和圆锥形喷嘴[7]，两种喷嘴的进口直径为16mm，扁平喷嘴的出口尺寸为22 mm×4 mm，圆锥形喷嘴出口的直径为8 mm。不同喷嘴的几何模型如图2～3所示。

图1 清洗装置Fig.1 Cleaning device

图2 扁平喷嘴结构图(单位：mm)Fig. 2 Flat nozzle(unit：mm)

图3 圆锥形喷嘴结构图(单位：mm)Fig.3 Conical nozzle (unit: mm)

2种喷嘴的清洗效果如图4所示。清洗后的实验效果只通过肉眼观察、评定无法进行量化评价，因此,需要一个可以量化的方法来加以评价[8-10]。

图4 清洗前后对比Fig. 4 Before and after cleaning

采用VG-726视觉检测系统检验透光镜表面的清洁度。该设备结构主要由工控电脑主机、工业相机、工业镜头、继电器报警器、台面安装支架、环形光源六大模块构成。工控电脑主机操作系统内嵌专业视觉分析软件，配置辅助的LED机器视觉光源以及专业的安装支架。

VG-726视觉检测系统工作原理为：将标准跑道助航灯透光镜置于高清工业面阵相机之下，相机拍照读取透光镜的清洁度，以此清洁度作为标准，随后将清洗后的跑道助航灯透光镜放在同样的位置读取其清洁度，显示“OK”的被清洗跑道助航灯表示清洗效果良好，显示“NG”的被清洗跑道助航灯表示清洗效果没有达到要求。检测结果如图5所示。

图5 检测结果显示Fig.5 Test result display

1.2.2 不同喷嘴清洗效率的对比试验

试验分为2组：一组使用扁平喷嘴，一组使用圆锥形喷嘴。试验条件：喷射压力0.7 MPa，磨料流量6 g·s-1，同一喷射角度。记录2组试验过程中透光镜表面清洁度随清洗时间的变化关系，可知两种喷嘴清洗设备的清洗效率如表1所示。

表1 两种喷嘴结构的清洗效率Table 1 Cleaning efficiency of two nozzle structures

由表1可知，使用扁平喷嘴、圆锥形喷嘴清洗跑道助航灯时，跑道助航灯表面的清洁度都是随着清洗时间的增长而提高，清洁度的变化速率都是先大后小。清洁时间为10 s时，扁平喷嘴的清洁度达到94%，清洁度的增长速度开始变缓；14 s时，清洁度达到标准要求。清洁时间为14 s时，圆锥形喷嘴的清洁度达到96%，清洁度的增长速度开始变缓；18 s时，清洁度达到标准要求。刚开始清洗时，透光镜表面的污垢较多，所以清洗掉污垢的速度较快，清洁度的增长速度较快；随着清洗时间的增长，表面的污垢逐渐减少，单位时间内清洗的污垢量减少，清洁度的增长速度开始变慢。由表1中可以看出，在相同的清洗时间下，使用扁平喷嘴时的清洁度要大于使用圆锥形喷嘴时的清洁度，这是由于扁平喷嘴的有效清洗面大于圆锥形喷嘴的有效清洗面。因此，本文选择扁平喷嘴清洗设备进行正交试验。

2 最优清洗参数的正交试验及结果分析

对扁平喷嘴清洗设备采用正交试验，主要研究的影响因素有3个，分别是喷射压力、清洗角度和磨料流量，其参数设置如表2所示。

表2 影响因素的参数设置表Table 2 Influencing factors

采用3因素4水平正交试验，忽略各因素间存在的交互作用，选择L16(43)安排试验，试验指标为达到清洗要求时所需的清洗时间，A表示喷射压力，B表示喷射角度，C表示磨料流量，T表示各因素的极差。正交试验组合方案及试验结果如表3所示。

表3 正交试验及结果分析Table 3 Orthogonal test and result analysis

由表3可知，当T值越大时，该因素对清洗效率的影响就越大。由T值大小分析可知，对清洗效率的影响程度由大到小的因素依次是：喷射压力,喷射角度,磨料流量。其中，最优的清洗参数为A3B2C2，即喷射压力为0.7 MPa，喷射角度为45°，磨料流量为6 g·s-1。通过因素水平趋势图(图6)可以更直观地反映各因素对清洗效率的影响。

图6 因素水平趋势图Fig.6 Factor level trend graph

3 结语

在对比分析两种不同喷嘴结构清洗效率的基础上，选用清洗效率较大的扁平喷嘴，采用正交试验研究发现，干式喷粉清洗设备的最优清洗参数为：喷射压力0.7 MPa、喷射角度45°、磨料流量6 g·s-1。使用最优的清洗参数时，只需12～13 s的清洗时间便可达到标准清洁度，从而有效减少了清洗时间，提高了清洗效率。