垂直振動與智能壓實技術刨根問底（上）

導語：

“壓實機械技術的發展用‘日新月異來形容并不恰當，而用‘日積月累和‘從量變到質變似乎更為準確。”資深行業專家萬漢馳用這段話概括了近年來壓路機技術的發展歷程。目前，國內壓實機械行業最熱門的技術話題當屬垂直振動和智能壓實技術，讓我們對這兩項技術做一次“刨根問底”。

近幾年，國內壓實機械行業最熱門的話題當屬垂直振動和智能壓實技術，兩者看似毫無聯系，其實密切相關，前者既可獨立應用，又是后者的基礎之一，后者則是前者的高端應用。有關它們的研究文章早已鋪天蓋地，各種專利技術和產品也應運而生，著實是一件值得高興的事。垂直振動壓路機并不是什么新鮮事物，無論是技術研究，還是產品開發與應用，都遠遠談不上是國內首創，從時間和研究深度上而言反而是落后很多的。日本SAKAI（酒井）公司于20世紀80年代末最早開發了垂直振動壓路機，并實現了量產，主要用于RCC大壩施工。目前國際上只有酒井重工批量生產垂直振動壓路機，德國BOMAG（寶馬格）公司也在研究垂直振動技術。

國內垂直振動壓路機的研發較晚，徐工于1999年研發和試制過YCC12型雙鋼輪垂直振動壓路機，其振動輪結構基本參照了酒井公司的SD450壓路機，但由于成本、制造工藝、市場認知等多方面的原因，并沒有實現量產。2006年，國內首次引進了酒井公司的產品SD451用于RCC大壩施工。合肥綠地于2006年研制了單鋼輪垂直振動壓路機，并于2009年開始小批量推出，隨后研發了雙鋼輪垂直振動壓路機。合肥綠地也是目前國內惟一將垂直振動壓路機作為主導和特色產品的公司。最近幾年，隨著垂直振動技術熱度的增加，徐工、山推生產了幾種垂直振動壓路機產品并投放市場；關于垂直振動壓路機的技術與產品標準還在制定中，市場推廣仍步履維艱。

智能壓實概念的出現，是20余年前隨著壓實度的檢測研究發展起來的。1974年，瑞典的Heinz Thurner博士第一次將振動輪諧波與土壤壓實特性聯系在一起，用一臺裝有加速度計的DYNAPAC（戴納派克）單鋼輪振動壓路機，在粒狀土壤上進行壓實試驗，證明了一次諧波激振頻率下的振幅比、壓實效果與土石料剛度密切相關；之后與人合作成立了Geodynamik公司，繼續對ICMV（Intelligent Compaction Measurement Values，智能壓實測量值）進行研究。1976年，Geodynamik公司與戴納派克公司共同開發了壓實度儀Compactometer；隨后，寶馬格公司推出了開創性的研究成果——可以在工作期間檢測土壤壓實程度的測量系統Terrameter BTM01，使之成為全球壓實控制系統的創新領導者；AMMANN（安邁）公司在寶馬格公司研究成果的基礎上，將土石料的剛度參數作為評價指標，在碾壓過程中實現對土石料剛度的連續測定，這被視為土石壓實質量控制的重大突破；而智能壓實技術在美國的應用則要到1990年以后。目前，國際上至少有6家制造廠商（寶馬格、安邁、戴納派克、卡特彼勒、凱斯和酒井，其中凱斯使用了安邁的技術）在壓路機上使用了ICMV技術。

在國內，江蘇省寶應振動儀器儀表廠是較早開發密實度儀的廠家，但應用效果和范圍并不如意。徐工于1996年承擔了國家經貿委“九·五計劃施工機械一條龍項目”——YZC12A型雙鋼輪振動壓路機的研制，首次創新性地開發了剖分式振動輪、蟹行機構、十擋振幅、振動軸旋向自動控制、振動與灑水自動控制等新技術和新結構，為我國高端雙鋼輪振動壓路機的發展奠定了基礎。該機當時安裝了進口壓實度在線檢測及輸出系統，但因市場不成熟最后“無疾而終”，自然就談不上“更上一層樓”的智能壓實系統了；反倒是其各種“簡配版”機型成為了市場的主導產品。再后來，剛露出萌芽的高端市場需求幾乎全部被寶馬格的“智多星”產品所占據，這便是可以追溯到的智能壓實技術在國內最早的應用。目前，國內少部分產品根據用戶的需要可以“選配”進口或者國產的密實度在線檢測系統。

由此看來，對垂直振動和智能壓實技術的研究已然明了透徹，產品也似乎基本成熟，沒有再“置喙”的必要了。但事實果真如此嗎？垂直振動之于酒井，智能壓實之于寶馬格，或許的確如此。但對于國內的研究而言，準確地講應該處于起步階段，還遠未達到精進的地步：很多概念是模糊的，各種資料的表述存在很多不一致的地方，有些甚至是錯誤的；產品技術和質量還沒有過關，有些優勢被無意或有意夸大了，而市場還處在艱難的認識和試水階段。不可否認的是，研究的文章雖多，但大多僅僅是互相引用和重復著最簡單的原理和結構，存在人云亦云、以訛傳訛的現象。

關于垂直振動壓路機是否真像“傳說”的那么好以及到底有多大應用前景的問題，我們先不匆忙下結論，“不拒絕、不夸大、不貶低、不輕信、不盲從”才是應有的、科學的態度；但無論是否制造或是使用垂直振動壓路機，徹底地搞清楚其原理和結構，還是十分必要和緊迫的。智能壓實技術亦然。

壓實機械技術的發展用“日新月異”來形容并不恰當，而用“日積月累”和“從量變到質變”似乎更為準確，十年的時間不算短，但對于一個如壓實機械這樣的行業來說，要想做到全面、深入地了解還遠遠不夠。原諒筆者一句“不自量力”的玩笑話：“你知道的，我們都知道；我們知道的，你不一定知道?！弊C明這一點，是寫作本文的動機之一，而寫作本文反過來又成為驗證這句話的一個佐證。

本文試圖在輕松的文字氛圍中，從廣度和深度兩個方面，系統地闡述清楚垂直振動和智能壓實技術到底是怎么回事，總結和挖掘其來龍去脈、實現的各種原理和結構，最大程度地還原事物的本來面目。當然，文中必然會大量地引用相關資料的內容，由于無從知曉很多相關資料準確的析出時間和原始出處，因而只能掛一漏萬，但力求做到去偽存真，并適當地加入一些筆者的理解和思考，不僅要知其然還要知其所以然；在此基礎上，重點表達筆者的一些舊想法和新思路，如此才不負“刨根問底”之名。

以上，只是筆者愿望；以下，僅為個人管見，更多、更重要的是希望引起爭鳴和共鳴。

廣義振動分類

曾幾何時，在我的印象中，振動壓路機就是指振動壓路機，沒有什么廣義、狹義之別，也沒有定向、非定向之分。但最近十余年，圓周振動、垂直振動、混沌振動、復合振動等新名詞層出不窮，令人眼花繚亂，莫衷一是；盡管目前大部分名詞已趨于認同，但仍然沒有一個相對統一的說法，而筆者又是這些名詞較早和主要“杜撰”者之一，因此有必要、有責任作一個系統的總結性分類，如表1所示。

從表1可知，只有最“特殊”的情況才最具有產品應用價值，這種“特殊”主要表現為鋼輪中振動軸的相位差、頻率、旋向三要素的匹配情況。對相位差而言，0°和180°就是特殊，其他角度就是平常；對頻率而言，相同就是特殊，不同就是平常；對旋向而言，只有相同和相反兩種，但都屬于特殊。簡而言之，“特殊”匹配產生垂直振動、水平振動和振蕩，而“平?！逼ヅ鋭t產生斜向振動、軸向振動、混沌振動或各種復合振動，這一點在后文各節中都有相應描述。而對于狹義的振動壓路機而言（指圓周振動，僅在表1中體現，以下全部省略，其他同），可以認為3個要素都是“特殊”——固定偏心塊與活動偏心塊的相位差為0°或180°、頻率相同、旋向相同，而且偏心塊位于同一振動軸上。因此其鋼輪結構可以最為簡單（意味著成本低和可靠性高），這才是振動壓路機之所以“領銜”所有振動型式，且應用量最大的最主要原因。

在此，還需要解讀一下混沌振動和復合振動的概念，也姑且算作是不成文的定義吧。

所謂混沌振動，就是由兩種或兩種以上不同頻率的同軸（同在一根軸上，同向但并不同心——同軸、同向就是混沌振動的兩個“特殊”要求）慣性激振器所產生的圓周振動，其振動特征表現為頻帶和幅帶，即由兩種或兩種以上不同的頻率（可以是變化的）形成頻帶，振幅（瞬時值）在最大和最小之間任意變化（但并不是一般振動壓路機高、低振幅的概念）形成幅帶。表1中將其作為一種純頻率復合列入復合振動名下，其實歸入非定向之徑向振動下與圓周振動并列也未嘗不可，甚至更為準確一些，因為究其根本，混沌振動也是一種圓周振動，只是因為具有多頻和變幅特性導致振動有些“混沌”而已?；煦缯駝拥木唧w結構可以是：在振動軸的偏心圓柱上套1個偏心環，偏心環依靠摩擦力隨偏心振動軸同向、非等頻旋轉，形成雙頻混沌振動；如果再套上1個偏心環，就形成三頻混沌振動，以此類推，用“轉呼啦圈”來形容還是很貼切的。

插一句題外話：“以此類推”不能反方向理解，即將一般的圓周振動說成是一頻混沌振動；就像中國兩層建筑叫二層樓、一層建筑不叫一層樓而叫平房一樣，但西方叫第一層為ground-floor（地面層），第二層才叫一樓，這樣似乎更為準確一些。以上皆因文化不同導致——西方所有建筑的層數叫法都一樣，“標準化”的概念無處不在。

所謂復合振動，就是由兩種或兩種以上不同的振動型式作用在同一個鋼輪上，產生不確定的振動，它與“最有產品應用價值”的振動型式恰好相反，也就是振動軸的相位差、頻率、旋向三要素 “非特殊”匹配的結果。它的實現方式可以多種多樣，其中又有“相對特殊”的情況可以形成振動與振蕩復合、振蕩與垂直振動復合等，也只有這些復合振動型式才可能具有一定的產品應用價值。如果用“民族打擊樂”來比喻就更加形象：混沌振動就好比是兩個人用不同的節奏敲打同一只鼓，叫二重奏，三個人就叫三重奏；復合振動就好比是一個人打鼓（如振動）、一個人敲鑼（如振蕩），同節奏、同時敲打叫合奏，同節奏、此起彼伏地敲打叫協奏。各種混沌振動、復合振動具體如何實現，在后文各節中均有相應描述。

振動力調節技術

從壓實機械誕生之日起，尤其是振動壓路機的出現，人們就一直將如何提高壓實質量和作業效率這兩項核心指標作為主要課題來研究，并且遠沒有到結題的時候。

振動壓實過程是一遍一遍來回進行的，在整個過程中材料的物理和力學特性在逐步發生變化；為了適應這個變化（壓實的不同階段），需要不斷調節壓實力的大小或方向。需要說明的是，由于被壓實材料及壓路機激振系統的動力學特性具有非線性特點，導致壓路機的壓實力（鋪層材料實際受到的力）與振動力是兩個不同的概念，其數值也不是激振力與鋼輪上分配質量的重力之和。為了簡化問題，下面所有的討論將僅僅涉及振動力（激振力）。

就振動壓路機而言，振動頻率、振幅、振動型式、參振質量和車架分配質量是與鋼輪振動相關的五個要素，其中參振質量和車架分配質量原則上是不可改變的；通過調節振動頻率或振幅可以調節振動力的大小，而改變振動型式就是調節振動力的方向。數十年來，振動壓實技術和產品的發展證明，振動力的調節正是大致沿著“調節振動頻率、調節振幅、調節振動力方向”這個模式演化的。

與振動頻率相關的調節技術

由于液壓技術所限，早期的振動壓路機大多采用開式液壓系統實現單頻振動；后來使用了各種液壓閥以及閉式液壓系統，雙頻振動就變得稀松平常了。同樣是為了提高壓實質量和工作效率，以及使同一臺機器適應不同的工況（既包含不同的工程工況，也包含同一工程、甚至同一施工點的不同壓實階段），壓實速度監控系統和高頻振動壓路機便應運而生。

所謂壓實速度監控系統，并不是什么“高大上”的東西，其實就是速頻表的應用，即將壓路機的壓實速度與鋼輪振動頻率的比值用儀表顯示出來。當儀表指針處于中間綠色區域時代表壓實速度合適，而兩端的黃色/紅色區域則代表壓實速度偏高或偏低，以此提醒操作手控制壓實速度，保證單位長度鋪層材料上所受振動輪沖擊的次數基本不變（沖擊次數太高易過壓實而形成坑槽，太低則達不到密實度要求），從而保證壓實的均勻性（壓實度和均勻性是壓實質量的兩個關鍵指標）。

所謂高頻振動，即振動頻率達到65 Hz以上。戴納派克公司于1995年首次將高頻振動理論應用于雙鋼輪振動壓路機。這種雙鋼輪壓路機一般設計有兩種工作模式，一種為正常振動頻率匹配大振幅以適應一般厚度瀝青鋪層的壓實，另一種為高頻匹配小振幅以適應薄瀝青鋪層的壓實。其中高頻振動壓實模式，因激振力適中而不會引起骨料破碎，又因振動頻率高可以加快壓實速度（速頻表的原理），因而可以大幅度提升作業效率，這對避免瀝青低溫壓實也是很有好處的。

還有一個“高大上”的名詞就是無級調頻，很有必要在此“辟謠”一下。當壓路機的振動系統為閉式液壓系統時，柱塞泵的斜盤采用機械限位即可實現兩擋頻率；所謂“無級調頻”是因為機械限位點是可以現場任意設定的，所以振動頻率也是可以現場任意設定的。這種說法理論上并無大錯，但存在的“必要性”和“可行性”不足，原因有二。其一，各種基層（如土壤）和道路面層（如瀝青混凝土，水泥混凝土也可以視為面層）幾乎涵蓋了絕大部分振動壓實工況，而被壓實材料的物理和力學特性決定了各自最適宜的壓實設備，即振動頻率為30 Hz左右的單鋼輪振動壓路機和50 Hz左右的雙鋼輪振動壓路機，相當于大的工況已經區分開來；那么，小的工況差異就僅僅在于鋪層厚度和壓實階段的不同，而這主要體現為需要不同的激振力，而且是依靠改變振幅或關閉振動來實現的（使用不同噸位的振動壓路機則另當別論）。其二，具體工況一旦確定，為了保證壓實質量，要求施工工藝不能隨意改變，在施工現場調節頻率的可操作性并不強?？傊?，最經濟而又能夠自動實現的振動軸正反轉雙頻率，同時對應雙振幅，便可以輕松滿足一般的施工需要，太多振動頻率并無多少實際意義。

因此，無級調頻只是一個并無多少技術含量的“噱頭”——一種說法而已，大可不必當真，類似“有總比沒有好”的錦上添花式的東西，反而要看所花的成本值不值。

最簡單的就是最實用的，真理無處不在。

與振幅相關的調節技術

與振動頻率的發展歷程有些相似，振動壓路機的振幅也經歷了由單振幅向雙振幅、多振幅、無級調幅方向演化的過程；當然，這個過程并不是簡單的直線發展，也不代表前期技術就已經完全淘汰，更不代表后期技術就是當然的主流。

多振幅技術的應用最早見于英格索蘭公司的DD系列雙鋼輪振動壓路機上，依靠人工調節可以實現8擋振幅，該產品曾經風靡一時。在此基礎上，徐工于1993年研制了5擋振幅的YZC10A型雙鋼輪振動壓路機，對調幅機構進行了結構優化，并取得了國家實用新型專利授權。

現有的多振幅技術存在兩方面不足：其一是調幅機構位于鋼輪幅板和行走驅動減速機之間，必須由人工調節，而且需要中斷壓實過程；其二是制造商并沒有給出在什么工況下適合使用哪一擋振幅，用戶又不掌握這方面的有效信息，因此導致絕大部分用戶從機器購買之日起就從未調節過，使得它變成了“擺設”。這就好比是人們的手機或電腦，首屏上的功能（相當于多振幅機型的出廠初始設置振幅）才是我們真正所需要的，而后臺下載的很多應用軟件（相當于通過人工調節后可以實現的其他振幅），一次都沒有用過也不是什么稀奇事。目前，多振幅的概念和產品已經逐步淡出了人們的視線。

有了多振幅的概念，無級調幅自然就應運而生。按照上述“多振幅無用”的說法，無級調幅似乎應該也是無用的，因為無級調幅比多振幅具有更多種振幅，因而更沒有意義；其實不然，而且恰恰相反，原因在于多振幅（不包含兩振幅）的缺點在于不方便調節和不知道如何應用，而這兩個缺點，兩振幅和無級調幅都很巧妙地避開了。兩振幅可以由液壓系統自動實現，無需為在什么工況適合使用哪一擋振幅而憂慮，因為降低了選擇難度；而無級調幅也是自動實現的，是與壓實度在線檢測系統“聯袂”主演，它還可以是某種智能壓實技術（只改變振動力大?。┑幕A。因此，無級調幅才是最需要的，也完全可以稱得上是一種“高大上”的技術。

與振動力方向相關的調節技術

如前所述，由于壓實是一遍一遍來回進行的，隨著壓實過程的推進（即壓實度的逐步提高），振動力需要逐步調弱（初壓采取靜壓方式，是為了防止鋪層材料過分推移，此點除外）；在實際壓實工藝中，一般采取先大振、后小振、終了靜壓的方式。為了實現壓實過程的更精細化控制，能夠自動調節振動型式（只改變振動力方向）的智能壓實系統便是一種很好的選擇。

回過頭來再從大的工況角度說明振動力方向的調節問題。壓實工況既有“粗獷”的塊石填方、超厚鋪層穩定土，也有一般的基層、次基層，更有“溫柔”的瀝青混凝土薄鋪層，它們都具有各自適合的振動頻率和振幅范圍；除此之外，不同的振動型式也是在各種特殊工況下實現高質量、高效率壓實的主要途徑。于是在振動壓路機的基礎上，發展出了適合壓實瀝青混凝土薄鋪層的振蕩壓路機、適合壓實超厚鋪層的垂直振動壓路機，它們成為不同振動型式的產品適應不同壓實工況的應用典范。

單純從用戶角度考慮，研究和推廣新技術、新結構的目的，不外乎提高壓實質量、提高作業效率、改善操作舒適性、節能環保、降低振動對環境的危害、擴大機器適用范圍等。表2以振動壓路機為參照對象，采取正面加分（+）、負面減分（-）的模式，對各種振動型式的產品進行了宏觀評估。

需要說明的是，作為壓實工作最核心的壓實質量、作業效率兩項要求，僅是對產品各自的適宜工況而言的，節能環保也是基于此。因此，盡管垂直振動壓路機、振蕩壓路機在這三個項目上都為“+”，但其市場表現卻仍然一直“甘拜下風”，并且可能會永遠沒有“出頭之日”，也就很容易理解了。

再者，排除在某一型式的產品上使用特殊的新技術（如屬于操作舒適性的減振新技術、發動機節能新技術等）而使其相關指標得到加分的情況，這些新技術也可以同樣使用在其他型式的產品上。換一句話說，不同型式的振動壓路機，其壓實原理本身就決定了各自的優缺點，這是天生的、不可改變的。

另一方面，從某種程度上講，振動壓路機就是一種“折中”型產品——壓實薄鋪層時不如振蕩和水平振動壓路機，壓實厚鋪層時不如垂直振動壓路機；當然反之也成立，即振動壓路機壓實薄鋪層時優于垂直振動壓路機，壓實厚鋪層時優于振蕩壓路機和水平振動壓路機。

總之，振動力的調節可以分為兩個方面、三個層次：兩個方面是指調節大小和方向，三個層次包括雙頻/雙幅調節振動力大小的第一層次、無級調幅調節振動力大小的第二層次、振動型式調節振動力方向的第三層次，后兩種調節方式可以實現智能壓實。

智能壓實技術

智能壓實（Intelligent Compaction，簡稱IC）指的是使用配備現場測量系統與反饋控制功能的振動壓路機，對土壤、骨料基層或者瀝青路面材料等進行的壓實。主要通過各種傳感器及基于GPS的繪圖系統以及自動記錄結果的軟件進行集成測量、文檔記錄和處理等，并反饋和控制壓路機的工作狀態，達到對壓實過程實時監測和糾正的目的。其中測量、顯示、記錄和輸出的內容包括：自然環境參數如日期時間、環境溫度、經緯度及海拔等，機器運行參數如位置、行駛方向（前進/后退）、速度、振動（開/關）及頻率、振幅等，鋪層材料參數如瀝青溫度、壓實遍數、材料剛度、壓實度等。其中反饋和控制壓路機的工作狀態包括：根據顯示屏提示操作手改變壓路機運行速度、補壓漏壓部位、終止低溫碾壓等，而不同壓實階段需要不同振動力的調節則由系統反饋控制壓實機構自動完成。

筆者認為，智能壓實系統可以分為兩大部分，即輔助壓實系統和振動力自動調節系統。前者主要是一些普通數據的測量和顯示，為操作手改變相關操作提供信息支持。后者則是核心，包括與壓實度密切相關的數據的測量，并經過分析處理后形成自動控制信號，也就是壓實度檢測、反饋與控制系統，這是關鍵；以及能夠實現調節振動力（既可以是振動力大小，也可以是振動力方向即振動型式）的壓路機振動鋼輪，也就是振動力自動調節系統，這是基礎。

上述十分簡明易懂的解讀還可以用一個人“說走就走的旅行”過程來加以通俗化的描述。旅行過程中，我們利用身體的各個感官如聽覺、觸覺、味覺等，感知即“測量”自然界的一些信息如聲音、溫度、濕度、風向等（相當于輔助壓實系統中“一些普通數據的測量和顯示”），人體因此作出各種反應如加減衣物、補充水分等（如同“操作手改變相關操作”）；而更加重要的是，我們會利用視覺來觀察道路狀況（相當于振動力自動調節系統中與壓實度密切相關數據的測量，傳感器就是“眼睛”），經過大腦判斷后自動反饋并控制雙腿協調地動作如時而大步慢走、時而小步快跑、時而跨越障礙以及躲避危險等（實現調節振動型式即振動力方向，“大腦”就相當于反饋和控制系統，“雙腿”就相當于實現調節振動力的壓路機振動輪）。即：

（一般感官→一般動作）+（眼睛→大腦→雙腿）=旅行過程

（一般檢測→一般動作）+（壓實度檢測→反饋處理器→可調節壓實力的振動輪）=智能壓實過程

智能壓實研究現狀

在此梳理一下壓實度檢測與反饋系統，因為這是各個廠商技術的差異所在，也是IC的前提。

基于不同工作原理的壓實度檢測儀器，包括落錘頻譜式路基壓實度快速測定儀、瑞雷波法壓實儀、核子密實度計、電渦流壓實度計等，其中以安裝在振動壓路機上的連續壓實度儀應用最廣，即所稱的車載密實度儀，它既可以作為IC的子系統，也可以獨立應用于普通振動壓路機上對壓實度進行檢測。

連續壓實控制（Continuous Compaction Control，簡稱CCC）是指在壓實過程中利用連續壓實儀檢測振動輪的動態響應信號，根據被壓材料與振動壓路機的互相作用，經過處理后得到能反映土體壓實狀況的控制指標。由于對振動輪相應信號的處理方式不同，故而形成了幾種連續壓實控制技術，包括以下代表。

1976年，Geodynamik公司與戴納派克公司共同開發的壓實度儀Compactometer。其工作原理是使用安裝在振動壓路機上的加速度傳感器檢取系統在振動激勵下的相應信號，通過濾波器和信號的傅里葉變換得到振動信號的基波和二次諧波分量，然后用二次諧波與基波的比值來反映壓實程度，這就是CMV（Compaction Meter Value，壓實度值）測量方法。

1983年，寶馬格公司開發了土壤壓實檢測系統——Terrameter BTM01。它借助加速度的數據，檢測系統中的Omega值，既反映了作用于材料的能量大小，也間接反映了材料的壓實狀況。2000年，寶馬格公司在第三代壓路機中引入了Terrameter BTM-E和Vario Control兩項新技術。BTM-E第一次為土體壓實狀態提供了一個物理值，即土壤動態剛度模量EVIB（單位為MPa）。與Omega值不同，EVIB與振動壓路機的參數無關，因而振動參數的改變對測量結果無任何影響（即壓實度檢測系統）。Vario Control系統能夠產生可變換方向的振動，使振動方向根據物料的密實度在垂直和水平方向無級調節，由于振動方向決定傳遞給土壤的壓實能量的大小，因此該系統可以使壓實能量與土壤狀態相匹配（即實現智能壓實的自動控制系統和鋼輪）。

20世紀90年代末期，安邁公司提出的使用壓路機集成的剛度測量值KS作為評價指標。KS為使用測定的振動輪位移、估算的作用力和一個反映壓路機與土壤的交互作用的彈簧-緩沖器模型提供了準靜態剛度度量。

2004年，酒井公司提出類似于CMV的無量綱參數——CCV（Compaction Control Value，壓實控制值）。與CMV不同的是，CCV同時考慮了基頻和次諧波頻率。

MDP（Machine Drive Power，機器驅動動力）是卡特彼勒的一項創新型土壤壓實測量技術。該技術有助于操作者確認所碾壓土壤的承載強度是否符合要求，進而得知是否可以轉移至下一個作業區域。傳統系統在地面被壓實時測量其振動反應，而MDP測量的是抵消碾壓阻力所需的能量。隨著材料被進一步壓實，其碾壓阻力會降低，據此計算土壤剛度或承載強度。

表3顯示了當前國際上各主要壓路機制造廠商所開發的ICMV的特點及其應用情況。

從以上公開的信息可以看出，各廠商主要專注于安裝在振動壓路機上的ICMV的研究，而幾乎未涉及振動壓路機為適應智能壓實要求而做出的任何結構改變（主要是鋼輪結構）。筆者“以小人之心”猜度一下：或許因為各廠家的IC壓路機鋼輪結構大同小異，認為不值得“炫耀”？亦或因為屬于核心技術不便于公開？而從實際產品應用看，真正的智能壓實系統應用也還并不普遍，沒有自動反饋控制系統及可調節振動力的振動輪的IC，最多只能算是一個輔助壓實系統，相當于給了操作手一副夜視鏡、放大鏡，或者就是汽車的倒車雷達，而遠不是自動駕駛系統。

關于壓實度檢測系統以及實現智能壓實自動控制系統的開發，不僅需要堅實的土壤力學和振動壓實理論作為基礎，更需要進行大量的試驗工作。目前，國內只有一些生產振動儀器的專業廠家對壓實度檢測系統進行過較深入的研究，并與主機廠家開展了“以試用代試驗”的驗證考核，但還遠未涉及自動反饋與控制方面的內容；而主機廠商也未進行系統性的研究，主要專注于實現垂直振動的鋼輪結構的實現；盡管它與智能壓實所要求的振動力自動調節的鋼輪結構僅一步之遙，但這一步很大、很難跨越。明白這個現實，表3中沒有一家國內壓路機廠商就一點也不意 外了。

當然，凡事皆有例外，那就是寶馬格公司。寶馬格公司的智能壓實產品已經推出很多年了，其鋼輪結構以前一直遮遮掩掩，如展會上禁止拍照、技術交流時諱莫如深，各種防范措施不一而足。然而，最近幾年卻又在各種展會上大張旗鼓地公開展示既有鋼輪上大幅彩繪的結構示意圖，也有經過轉化的透明運動模型（兩邊都是同步帶傳動）。其實，作為實現智能壓實的基礎（準確地講是其中之一），振動室雙軸式垂直振動鋼輪結構早已是公開的秘密（與酒井SD450產品的振動鋼輪結構并無本質區別），何況也并不是什么特別高精尖的技術；而且從根本上講，任何技術都是保不了密的，解密只是時間問題，或者說有能力解密的人需不需要馬上解密，不必依靠商品化的產品。這不是能不能的問題，而是想不想的問題。

誠然，技術公開確實可以讓后來者少走很多彎路，本文就不僅“解”了很多“密”，而且提出了一些新思路，但仍然只能說“僅供參考”而已。因為振蕩壓實技術還在推廣認可中，密實度在線檢測技術還是“選配”，垂直振動技術還在艱難試水，這些都需要我們的技術和市場花時間來消化；因此智能壓實技術在國內的應用，注定還有相當長的路要走，不可能、也不需要走得太快，正所謂欲速則不達。

智能壓實的優點

壓實度和均勻性是高質量壓實的兩項關鍵指標所在。在實際工程作業中，壓實質量的監控均需要采用核子密度儀、無核密度儀或芯樣測試等方法進行壓實度現場抽查，而且不僅僅局限于試驗段。這些傳統的壓實度檢測方法，不僅費工、費時和費錢，而且檢測結果并不能完全代表整個區域的情況，更加嚴重的弊端是由于不在施工過程中發現問題，導致很多工況（如瀝青和穩定土壓實）的質量問題無法得到及時彌補和糾正，多少有點“事后諸葛亮”的缺憾，最終結果要么是“放水”而留下早期損壞的隱患，要么是“返工”而造成工期拖延和巨大的材料、能源和人工浪費。

與一般的振動壓實配合傳統的壓實度檢測方法相比，智能壓實具有以下優點。

（1）一般只需在試驗段時按照傳統方法進行壓實度檢查，以“校準”IC產品的壓實度檢測系統，使之與實際工況相適應，并能夠準確地反映真實的壓實度情況，從而節約檢測時間和費用。

（2）利用GPS繪圖功能，能夠在壓實過程中而非壓實結束后監控壓實狀況，最大程度地保證壓實的均勻性，避免出現局部重壓或漏壓，使得壓實質量問題及時得到彌補和糾正。

（3）隨著壓實過程的推進，IC產品能夠根據鋪層材料的壓實度自動調節振動力以適應壓實的需要，從而保證壓實質量和提高作業效率，這也是智能壓實的根本意義所在。

（4）可以追蹤碾壓遍數和表面溫度，為在最佳溫度范圍內保持全面碾壓的一致性提供了必要手段。

（5）夜間作業時，無需辨認碾壓標線，利用車載彩色顯示儀即可實時掌握壓路機的作業位置和碾壓遍數，確保碾壓全區域覆蓋，從而保證壓實的均勻性。

（6）便于交接班管理，前期壓實過程一目了然，更換操縱手依然可以實現壓實過程的“無縫”銜接，防止遺留質量隱患。

（7）便于壓實工程的質量管理者查看壓實狀態的各種參數，執行質量監控和統計分析，而且相關數據可以輸出和存檔。

（8）智能壓實數據可以用來為某個特定項目的特定材料創建壓實曲線，以確定最佳壓實遍數，從而避免過壓與欠壓（因壓實力太大或太小造成壓實度不達標）。

任何事物都是一分為二的，再好的產品必然也有不足。由于IC產品的結構復雜性和獨特的技術特點，對操作手的相關技能提出了更高的要求，而且售價比一般產品高出很多，這在很大程度上制約了它的推廣應用。要破解困局，需要制造廠商和用戶雙方共同努力：一方面，制造廠商需要盡快將產品技術成熟起來，將成本降下來，以此促進市場拓展；另一方面，用戶需要將保證質量作為施工的前提，作業效率也是成本的重要方面之一，算好一本綜合帳，積極成為IC產品的實踐者、推廣者，最終必然成為受益者。只有這樣，IC產品才能盡快走出“叫好不叫座”的尷尬局面，畢竟技術和產品的成熟只是手段，而市場和工程的質量才是目的。

內外套軸無級調幅智能壓實技術

在很多人的印象中，智能壓實技術是建立在垂直振動技術之上的，就這樣被“一葉障目”了。正如前文所述，智能壓實的根本是根據壓實過程的需要自動調節振動力，而調節振動力分為改變大小和方向兩種方式；垂直振動向水平振動轉變只是振動型式的改變引起的振動力方向的改變，而無級調幅可以實現振動力大小的改變（這才是振動力改變的本質），兩者都可以實現智能壓實。這也是本文將智能壓實技術安排在垂直振動輪結構與原理之前闡述的原因所在。

離合器旋轉驅動式

圖1揭示了內外套軸式無級調幅以及實現智能壓實的壓路機振動鋼輪結構，圖2為其實現振動力調節的原理示意圖。

其結構特點在于：振動馬達的動力從內振動軸（設計成半扁軸，在保證一定偏心距時盡量減小偏心塊的外形尺寸，下同）的右端輸入，變幅驅動裝置的軸頭穿過空心行走馬達，通過離合器、外振動軸左座與內振動軸相聯接；其中最關鍵的部件為變幅驅動裝置和離合器。

變幅驅動裝置可以為電控馬達，根據需要產生旋轉運動，并通過離合器驅動外振動軸旋轉。

離合器為液壓雙離合器，依靠彈簧力壓緊摩擦片傳遞動力，接通壓力油時離合器脫開。初始狀態下，壓力油使變幅驅動裝置的軸頭與外振動軸左座之間的離合器脫開，而內振動軸與外振動軸左座之間的離合器因斷油而結合，從而保證外振動軸與內振動軸一起旋轉，因內振動軸和外振動軸的偏心塊都處于垂直向下位置，因而實現大振幅、大激振力振動，如圖2（a）所示。當需要改變內振動軸與外振動軸偏心塊之間的相位角時，壓力油使內振動軸與外振動軸左座之間的離合器脫開，而變幅驅動裝置軸頭與外振動軸左座之間的離合器因斷油結合，隨即變幅驅動裝置驅動外振動軸左座旋轉所需要的角度，然后先斷掉內振動軸與外振動軸左座之間的離合器的壓力油使之結合，再接通變幅驅動裝置與外振動軸左座之間的離合器的壓力油使之脫開，從而實現調整偏心距即振幅亦即激振力大小的目的，如圖2（b）所示。當變幅驅動裝置驅動外振動軸左座旋轉180°時，實現小振幅、小激振力振動，如圖2（c）所示。

對一臺特定的振動壓路機而言，F內、F外都是確定的，如果結合壓實度在線檢測系統，并建立壓實度與激振力F之間的函數關系，利用上述機構即可以將控制F轉變為控制θ，如圖2（d）所示，可以得到：

F=

控制邏輯依次為：壓實度檢測、處理反饋控制信號、變幅驅動裝置的軸頭旋轉、改變內外振動軸夾角θ、改變激振力F。這樣就可以通過自動控制θ來實現對F大小的調節，從而適應不同壓實階段對激振力F的要求，即實現智能壓實。

上述智能壓實的鋼輪結構十分簡單，但存在一點不足，那就是因為改變兩個振動軸之間的相位差是通過驅動其中一個振動軸旋轉實現的，所以不能在振動壓實過程中（兩個振動軸在同步高速旋轉）進行調節，而只能在前后換向行駛時（此時都是關閉振動的）進行調節。另外，由于內外套軸式結構及振動軸承選擇所限，更適合在雙鋼輪振動壓路機上應用。

我們可以“腦洞大開”地想象一下：如果去掉圖1（b）中的變幅驅動裝置，離合器變化成行星架和行星輪，內振動軸軸頭作為太陽輪，外振動軸左座作為齒圈，就可以形成一套行星傳動系，那么將實現內、外振動軸不同的振動頻率，同時視行星架固定方式的不同，當內、外振動軸旋轉方向相同時為混沌振動，相反時則為復合振動。

需要指出的是，多振幅可以調節振動力的大小，但因需要人工調節而不適合應用于智能壓實系統；而無級調幅因具有自動調節的特點（其實最終實現的還是有限的幾個控制點即多振幅，只是此時的多振幅幅值不是機器預設，而是根據實際壓實狀況自動生成），是實現智能壓實很好的方向，但是至今未見相關產品投入實用。

螺旋槽直線驅動式

為了避免圖1結構在振動壓實過程中調節振動力的不足，圖3顯示了另外一種針對內振動軸及其變幅機構進行改良后的結構，該結構疑為寶馬格公司首創，但也未見其相關產品投入市場的報道。

圖3所示結構的特點在于：振動馬達從外振動軸右座輸入動力，變幅油缸通過一個具有雙向推力軸承結構的旋轉聯軸器推動或拉動調幅軸（調幅軸的高速旋轉運動不會傳導至變幅油缸），調幅軸的一端通過花鍵套與外振動軸左座聯接（保證調幅軸相對于外振動軸左座只能軸向直線運動而不能轉動），另一端固定有銷軸并位于空心的內振動軸的雙螺旋槽內。這樣，調幅軸的直線運動就轉化成了內振動軸的旋轉運動，最大旋轉范圍為0～180，而內振動軸的兩端用平鍵固接著小偏心塊，與外振動軸上的大偏心塊形成相疊加至相抵消范圍內的各種偏心距組合，結合壓實度在線檢測及控制系統就實現了無級調幅型式的智能壓實。

關于實現振動壓路機無級調幅的技術路線還有很多，如液壓控制偏心塊轉動方案等，但基本原理都是一樣的，只是實現方法或者具體結構有所差異罷了。它們大多由于技術成熟度、制造工藝或成本等原因，并沒有受到過多關注，在此就不加分析。

由此可見，智能壓實技術完全可以在圓周振動壓路機上實現，另一種就是依托垂直振動壓路機的鋼輪，而且已成為智能壓實的主流結構，因此下面將以垂直振動為主線展開討論。

（未完待續……）