垂直振動與智能壓實技術刨根問底（下）

垂直振動輪結構與原理

垂直振動技術既可以獨立應用，又可以作為IC技術中可調節振動力方向（實際調節的是振動型式，即垂直振動→斜向振動→水平振動）的鋼輪結構的基礎。

所謂垂直振動壓路機，就是兩組同步反向旋轉的偏心塊的振動力垂直方向的分力在鋼輪軸線上互相疊加，水平方向的分力互相抵消，由此使得鋼輪僅產生垂直方向的振動。

據了解，國際上除日本酒井公司在大力推廣應用獨立的垂直振動壓路機以外，只有德國寶馬格公司以智能壓實的方式在變相使用垂直振動技術，而其他制造廠商的智能壓實技術可能也大致如此（筆者猜測）。在國內，合肥綠地的垂直振動鋼輪結構經過了十余年的潛心研究及多輪改進優化，可靠性瓶頸已經突破；而徐工的垂直振動鋼輪的實現原理與之相似，只是具體結構有些差異；山推并沒有獨立開發垂直振動輪，只是從協作廠家處“借用”了合肥綠地的產品，屬于“抄近道”的后來者，或者說并沒有看透垂直振動壓路機的市場前景，存在“有棗無棗打一桿”的心態也未曾可知[1]。

從原理上講，實現垂直振動的必要條件是2組偏心塊同步反向旋轉，而振動軸是否為兩根平行的軸，2組偏心塊到底是2個、3個還是4個，則視不同的鋼輪結構而定。下文將按各種技術與產品出現的時間順序展開討論，并說明技術的最早出處（筆者無法保證相關信息絕對準確，僅供參考），以表示對技術原創者的尊重。

振動室雙軸式垂直振動輪

所謂振動室，是特別針對垂直振動鋼輪而言的，即一個包含振動機構的總成，安裝于鋼輪的2個幅板之間，可以相對于鋼輪旋轉。振動室處于水平或垂直位置屬于該結構的另一要素的“特殊”匹配。

所謂雙軸，即對稱平行于鋼輪中心線的兩根振動軸，安裝于振動室內，各自產生相同的激振力。

空心馬達直驅式

圖4為一種振動室雙軸式垂直振動輪，其中圖4（a）為傳動路線，圖4（b）為具體結構。

這種振動鋼輪結構的特點在于：振動馬達通過聯軸器將動力輸入至齒輪軸，進而通過雙聯齒輪和齒輪帶動2個振動軸作同步反向旋轉；由于2個振動軸的初始相位差為0°且位于水平平面內（依靠振動室驅動裝置的初始位置鎖定振動室保證），2個振動軸產生的激振力在垂直方向的分力相疊加，而水平方向的分力相抵消，形成垂直振動，如圖5（a）所示。當需要改變激振力方向時，輸入信號給振動室驅動裝置，通過連接軸帶動振動室總成旋轉一定角度，產生斜向振動，如圖5（b）所示。當旋轉角度達到90°時，2個振動軸產生的激振力在水平方向的分力相疊加，而垂直方向的分力相抵消，形成水平振動，如圖5（c）所示。

圖5的結構可以作為垂直振動鋼輪獨立應用（去掉圖中連接軸、振動室驅動裝置），而且將振動軸上長條狀的偏心塊設計成傳統的固定偏心塊加活動偏心塊的型式，則可以依靠振動馬達的正反轉實現高、低兩檔振幅。當結合壓實度在線檢測及反饋系統控制振動室驅動裝置時便可以實現智能壓實。由于這種結構最顯著的特點就是使用了空心行走馬達，振動室采用穿過空心馬達的驅動裝置直接驅動旋轉，所以本結構稱為“空心馬達直驅式”。

圖5的結構（去掉圖中連接軸、振動室驅動裝置，也不一定使用空心行走馬達）最早見于酒井公司的SD450雙鋼輪垂直振動壓路機，也是徐工早期YCC12雙鋼輪垂直振動壓路機鋼輪結構的原型[2]。

同步帶側驅式

圖6為一種振動室雙軸式垂直振動鋼輪，其中圖6（a）為傳動路線，圖6（b）為具體結構。

圖6與圖4的主要區別在于：鋼輪的行走驅動采用減速機和液壓馬達，兩個振動軸的傳動齒輪轉移至了另一側，而振動室的旋轉驅動則依靠側置的驅動裝置和同步帶連接實現，故稱為“同步帶側驅式”。圖6的結構最早見于寶馬格公司的“智多星”雙鋼輪壓路機，更接近其透明運動模型所展示的結構。如果將振動軸上長條狀的偏心塊設計成傳統的固定偏心塊加活動偏心塊的型式，則可以依靠振動馬達的正反轉實現高、低兩檔振幅。

圖4和圖6顯示的兩種結構中，如果2個振動軸上驅動齒輪的齒數不同，則將導致2個振動軸的振動頻率不同，即形成復合振動（因不同軸而不是混沌振動）；如果只是2個振動軸上偏心塊的大小不同，也可以形成復合振動；2種都是“垂直振動+振蕩+水平振動”的“三合奏”，但由于不是“特殊”匹配，因而不一定具有產品應用價值，在此贅述只是為了將事情分析透徹而已。

還有一點需要說明：圖1與圖4都是以空心馬達（低速大扭矩液壓馬達）作為鋼輪行走的驅動馬達；2種結構的區別只是輸出驅動板連接部位不同，但減振器都位于左支撐上，與右支撐基本對稱，也就是說左邊驅動馬達的質量屬于參振質量，與右邊的框架軸承座等形成參振質量的基本對稱，這對于保證鋼輪振動的“四心合一”（即鋼輪的形心、激振力的力心、參振質量的質心、分配車架質量的質心）具有十分積極的意義。但是，圖6中的安裝方式則不同，減速機及行走馬達的質量不屬于參振質量，而屬于車架質量。這是筆者特意為之，只是想利用有限的篇幅和機會，傳遞盡量多的信息，并引起有心者的思考。

同軸式垂直振動輪

如前所述，依靠同軸（即內、外套軸）無級調幅進行激振力大小的無級調節，是實現智能壓實的根本方法或原始要義，而依靠平行雙軸進行激振力方向的調節（即改變振動型式），是實現智能壓實的另一種途徑。與此道理相同，上一節中所述振動室雙軸式結構是實現垂直振動的一種途徑，而同軸式結構才是實現垂直振動的根本方法。

3齒輪副及3套軸系

如圖7（a）所示，為文獻[4]所述的一種“新型垂直激振機構”——這是一種典型的“同軸式”垂直激振機構，其原型為寶馬格公司早期的單鋼輪振動壓路機的智能壓實鋼輪（后文有述）；由于有3組傳動齒輪副及3個內外相套的振動軸（側輸入軸不考慮在內），故稱為“3齒輪副及3套軸系”結構。據了解，這也是合肥綠地最早的垂直振動鋼輪結構。

這種結構的不足是十分明顯的（文獻[4]中不僅給出了各齒輪的齒數匹配，而且特別說明各齒輪及4個偏心塊都采用獨立的軸承支承，這一點在具體結構上很難實現，筆者已經進行了大量簡化），看不出何處能體現一個“新”字（可能僅僅是相對于“振動室雙軸式”垂直激振機構而言吧），只看得到“將簡單問題復雜化”的痕跡。所以，合肥綠地從零起步進行垂直振動技術的摸索和創新中的艱難由此“可見一斑”，不可否認的是其為后來者避免進一步“試錯”所做出的貢獻。

圖7（a）的示結構最起碼可以優化成圖7（b）所示的“兩齒輪副及兩套軸系”結構，徐工及合肥綠地改進后的垂直振動鋼輪結構大致如此。

同步帶加齒輪副及2套軸系

圖8揭示了一種同軸式垂直振動鋼輪結構，其中圖8（a）為其傳動路線，圖8（b）為其鋼輪結構，圖8（c）為其實現垂直振動和水平振動的差異。

這種結構的特點在于：振動馬達的動力從右振動軸輸入，通過中心傳動軸帶動左振動軸同步旋轉；左振動軸通過同步帶、傳動軸及齒輪副帶動中間振動軸同步反向旋轉；由于左、右振動軸上固接有相同的小偏心塊，而中間振動軸上固接有偏心距為2個小偏心塊之和的大偏心塊，且小偏心塊與大偏心塊的初始相位差為0°，從而實現了垂直振動。

由于主要依靠同步帶和一組齒輪副進行傳動，且中間振動軸相對于左、右振動軸存在內外相套的關系，故稱為“同步帶加齒輪副及兩套軸系”結構。該結構最為簡單實用，是實現垂直振動的最佳方案之一。如果將大、小偏心塊設計成傳統的固定偏心塊加活動偏心塊的型式，則可以依靠振動馬達的正反轉實現高、低兩擋振幅。更進一步地，如果在同步帶和傳動軸之間加上離合器及旋轉驅動裝置，以改變套軸上大偏心塊與左、右振動軸上小偏心塊的相位差，則可以實現智能壓實；這與寶馬格公司早期單鋼輪振動壓路機實現智能壓實的鋼輪結構類似。

當大偏心塊的偏心距不等于2倍的小偏心塊時，或者齒輪副的齒數不相等時，將實現復合振動。當重新調整同步帶將小偏心塊與大偏心塊的初始相位差設定為180°時，則實現水平振動；如果將大偏心塊設計為活動偏心塊，并在套軸上焊接1個擋塊，利用振動馬達反轉來實現小偏心塊與大偏心塊的初始相位差為180°的設置，同樣可以實現水平振動。

振動室三軸式垂直振動輪

圖9為另一種同軸式垂直振動鋼輪結構，其中圖9（a）為其傳動路線，圖9（b）、（c）、（d）為其實現垂直振動→斜向振動→水平振動之間轉化的智能壓實原理。

從某種程度上講，這種結構為上述振動室雙軸式和同軸式垂直振動輪的組合體。其不同之處在于：平行的雙振動軸的旋向是相同的，但與左、右振動軸的旋向相反，由于4個偏心塊的偏心距相同，相當于各自“組團”（平行雙軸為一組，左、右振動軸為另一組）進行振動力的各種方式組合。其優勢在于：結構更加緊湊；由于偏心塊布置更加分散，因此可以選擇較小的振動軸承。在展會上留心的人會發現，這是寶馬格公司最新的智能壓實鋼輪結構，也曾在其展品鋼輪上以彩繪的方式展示過。

分析至此，有必要將上述各種結構實現垂直振動和智能壓實的區別進行總結，如表4所示。

各種振動型式延伸分析

文獻[5]中有這樣的描述：智能振動是德國寶馬格公司首創的振動機構。它采用雙輪振動，后輪與普通振動壓路機的振動輪相同，采用圓周振動；前輪則用智能振動，寶馬格公司稱之為“智多星”。它由電子技術控制，可以產生垂直振動、斜向振動或扭轉（水平）振動。在智能振動的振動輪內有一對平行的振動軸，由一對同步齒輪傳動，兩軸作相反方向的轉動，轉速完全相同。其特別之處是兩個振動軸上偏心塊的相對位置可調，可根據壓實作業的需要自動調節其中一個振動軸偏心塊的旋轉角度。調節的方法是通過一個液壓油缸推動一個螺桿前進或后退，螺桿與一個振動軸上的偏心塊的螺紋連接，偏心塊因螺桿的前進或后退產生轉動。這時同步齒輪不旋轉，因而另一個振動軸的偏心塊不會轉動，2個偏心塊就產生相位差。同步齒輪和可調節偏心塊的振動軸由離合器連接，保證振動驅動時兩個振動軸同步反向旋轉。2個偏心塊的相位差可從0°到180°作連續調節。起始時，2個偏心塊的相位差為0°，它們的水平分力相互抵消，產生垂直振動，適合于壓實低剛度材料。如起始時2個偏心塊的相位差為90°，則振動輪將產生和水平面成45°方向的斜向振動，適合于壓實剛度較高的材料。這種振動方式也有利于提高振動壓路機的爬坡性能。如果2個偏心塊相位差為180°，則垂直分力相互抵消，產生水平振動，也就是扭轉振動，適用于壓實高剛度材料。對于單鋼輪輪胎驅動的振動壓路機，應用智能振動的振動輪不是用兩根偏心振動軸，而是用一根偏心軸，但在同一根軸上裝有3個偏心塊，中間一個偏心塊相對于外側的2個偏心塊，轉動方向相反，轉速相同。中間的偏心塊和兩側的2個偏心塊其相對位置也像“智多星”的雙鋼輪振動壓路機一樣，可以從0°到180°連續調節，從而可產生垂直振動、斜向振動和水平振動。由于它可以根據壓實材料剛度的不同自動調節振動方式，從而用較少的壓實時間得到較好的壓實效果，因此稱為智能振動。

上文完整地引用了一大段內容，目的在于避免“斷章取義”的嫌疑。同時，原文中還配有說明上述垂直振動、斜向振動、水平振動3個獨立的示意圖。

不可否認的是，文獻[5]發表于2002年，就筆者目力所及，應該是國內最早介紹“智能壓實”的資料之一，對業內人士具有難得的借鑒意義。然而，筆者認為文中存在3個問題（后段關于單鋼輪輪胎驅動的振動壓路機的描述是準確的）。其一是將振蕩與水平振動混為一談，這是很多資料的共性。其二是3個獨立的示意圖中，將斜向振動和水平振動兩種狀態下2根振動軸也布置成與垂直振動一樣（水平面內），2個偏心塊的相位差也并沒有改變，與上述引用內容中如何依靠調節相位角來調整振動方式的文字描述不相符，而正確的布置方式見圖5和圖9。其三是，按上述引用內容中“依靠調節相位角來調整振動方式”是不可能產生（純）斜向振動和水平振動的，而是“復合振動”（下文有述）；要在這種振動輪結構（有振動室，位于振動室內的2根振動軸對稱布置在振動輪的軸線兩邊）上依次實現垂直振動→斜向振動→水平振動調整，必須且只能（充要條件）依靠調整振動室的方位來實現。第一點可以當作是誤解，而第二、第三點就是很嚴重的錯誤了，同時也有可能是后來很多資料“以訛傳訛”的源頭。

為此，僅對“雙軸、振動室水平、旋向相反”結構在兩振動軸相位差為0°、90°、180°三種情形下進行分析，并且為了準確反映真實情況，特意將1 Hz的振動過程按45°階梯分解，如圖10所示。

假設每一個振動軸的激振力為F，則圖中：M=F×L，F =F，M =M/2。

從圖10中不難得出這樣的結論：兩振動軸相位差為0°時實現垂直振動，兩振動軸相位差為90°時實現“斜向振動+振蕩”型式的復合振動，兩振動軸相位差為180°時實現“水平振動+振蕩”型式的復合振動。由此看來，上述引文中出現的錯誤，在于忽略了斜向振動（相位差為90°時）以及水平振動（相位差為180°時）中振蕩成分的存在；這也許并不是引文原作者的問題，可以理解為只是未加辨別地介紹而已，問題的根源可能出在寶馬格公司當初也沒有搞懂到底是怎么回事（純屬臆斷，或者認為振蕩成分并不重要可以忽略），后續改進產品的結構就消除了振蕩成分的存在，這也從側面說明了這一點。“挑毛病”絕對不是一個“好活”，也不是人人都敢挑、都能夠挑出來的，此乃題外話，不可深究，就此打住。

基于本文所述的各種結構的振動鋼輪，關于頻率、旋向、相位差三要素“特殊”匹配和“平常”匹配產生的振動方式如表5所示，其中振動頻率相同是前提（頻率不同則為混沌振動或者復合振動，本文不做討論）。

需要說明的是，凡是涉及振動軸上偏心塊的相位差時，首先必須設定一個基準，這個基準就是“以其中任意一個偏心塊自然垂直向下為0°”來確定另一個偏心塊相對于它的相位差，順時針或逆時針均可，否則就會出現“混亂”狀況——2個振動軸的旋向相同時無所謂，而相反時則相位差在隨時發生著變化，也無法區分0°和180°的情況。

以上相位差基準對振動室旋轉90°而言并不適用，因為振動室由水平狀態轉變為垂直狀態（或者反之），是由振動室驅動裝置驅動旋轉而來，2個振動軸上偏心塊的相位角因為齒輪傳動機構的鎖定并沒有改變，即應該沿用振動室旋轉之前的相位差，或者按180°處理。

理論上講，振動室由水平狀態轉變為垂直狀態，由于2組偏心塊在任何位置的總勢能都是一樣的，在液壓馬達、潤滑油、軸承等的阻力作用下，2組偏心塊會像“失重”一樣處于任何“隨遇而安”的位置，即振動室水平狀態下2組偏心塊初始位置為垂直向下，當振動室轉變為垂直狀態時2組偏心塊初始位置為水平向側。而實際上往往會因為制造誤差等原因造成偏心塊不在原位，只是看似改變了相位差。

另外，還有一些值得關注的細節，如：為了使得傳動緊湊、平穩以及提高傳動能力，可以考慮采用斜齒輪；對于振動室雙軸式垂直振動輪，可以考慮“壓力潤滑”或增加“潤滑齒輪”的方式解決軸承及齒輪潤滑困難的問題，還可大幅減少潤滑油用量；對于雙鋼輪智能壓實鋼輪，應保證斜向振動時前、后輪的受力成鏡像對稱狀態（即旋向相反），這樣可以使得傳遞至車架上的水平力抵消，有利于提高壓實質量。

垂直振動與圓周振動對比分析

與傳統的圓周振動相比，垂直振動壓路機的優勢不言而喻：由于只有垂直方向上的振動力，因而壓實能量更加集中，損失小；最直接的效果就是作業效率更高，有效壓實深度更大，鋼輪振動對周圍材料的擾動更強烈（深度）但范圍（半徑）較小，輪體磨損小；其延伸優點是具有一定的節能與環保意義，以及更加適合大厚度鋪層的艱難壓實工況，可以形象地稱其為壓路機中“專啃硬骨頭”的“勞動模范”。

除此之外，對于垂直振動壓路機其他任何過多、過分的美譽之詞，筆者都不敢茍同。所以，非常需要詳細展開加以辨析。

垂直振動優勢辨析

搜索“垂直振動壓路機”相關文獻發現，部分資料對垂直振動的壓實機理展開了研究，也有部分資料對實現垂直振動的鋼輪結構及原理進行了分析，而更多的是關于垂直振動壓路機優點、施工案例以及兩者相結合的闡述。其實，垂直振動的壓實機理和實現原理并不復雜，相對而言“不簡單”的倒是其鋼輪的具體結構，其設計優化和工藝保證等方面還是值得探究一番的。

關于垂直振動壓路機優點的總結，可以見于不同期刊雜志上的文章，但核心內容都大差不差，這種“狂轟濫炸”式的產品宣傳，到底能起多大的作用十分值得懷疑；很多事情能否實現，付出努力只是一個方面，更多的是要講究“順理成章”和“水到渠成”，何況并不是所有的時候“假話說上一萬遍就會變成真理”——對應的生活道理也很簡單：如果一個人就同一件并不復雜的事情，在不同場合反復絮叨，反而讓人對一些本來真實的信息也產生不信任、甚至反感。

下文將特別針對有關文獻總結的垂直振動壓實技術的優點進行一一剖析和求證。

優點一：垂直振動能量損失最小，壓實效果最佳——筆者十分認同前者，即前文“壓實能量更加集中、損失小”的表述；但后者表達意思含糊：壓實效果是指壓實度、表面質量、作業效率，還是其他？亦或綜合效果？故不便于評價。

優點二：垂直振動能夠快速提高壓實度，達到更好的壓實效果——筆者十分認同前者，即“作業效率更高”的表述；后者同樣存在表達意思含糊的問題。

優點三：垂直振動的壓實輪體無磨損——筆者基本認同這一點，但前文所述“磨損小”更為準確。其原因在于：正常工作情況下，垂直振動壓實輪體與材料之間無相對滑轉或滑移（行走除外），而其他型式的振動都不同程度存在，并按照水平振動（滑移）、振蕩（滑轉）、圓周振動（很小）方向遞減，其幅度約為幅值。但任何事物都有兩面性，其固有的負面影響就是壓實過程絲毫沒有“揉搓”效果，而這恰好就是振蕩壓路機的根本所在——壓實表面平整度高、鋪層水封性能好，而且已經得到大量工程施工應用的證明。由于壓實機理相似，可以預測水平振動也應該存在振蕩壓路機類似的壓實效果。

優點四：垂直振動適用于各種壓實材料及工況——筆者不認同這一點，原因在于垂直振動最顯著的特點之一就是有效壓實深度更大，它明顯不適合瀝青面層及其他材料薄鋪層的壓實，就如同振蕩壓路機不適合壓實厚鋪層一樣，何況世上哪有十全十美的事物，垂直振動更是如此。假如硬要評價對工況的適應性，筆者認為如果圓周振動壓路機自稱第二，就沒有“機”敢說第一了。

優點五：垂直振動壓實時無擁土，壓實表層無松散層、無裂紋，壓實平整度高，無需靜碾復壓——筆者不認同這一點，原因在于壓實過程中有無擁土現象主要取決于鋼輪是否為從動輪，表面裂紋也主要是從動輪及機械傳動系統換擋起步沖擊造成的，松散層的產生與鋪層材料狀態、激振力偏大以及“過壓實”等有關；而靜碾復壓就是為了消除表面松散、裂紋、輪胎壓痕等而設計的施工工藝，一般振動壓路機自身即可完成，無需另外配置大噸位靜碾光輪壓路機。無論從哪個角度考慮，垂直振動理應更易造成表層松散、平整度不高，因而更需要靜碾復壓。

優點六：垂直振動壓實后的土壤及其他混合料壓實度更均勻、質量更穩定、鋪層水封性能更高——筆者不認同這一點，原因見“優點三”中的分析。

優點七：垂直振動的振動能量僅垂直向下傳送，地表波傳遞很小且具環保意義——筆者基本認同這一點，但如前文所述“有效壓實深度更大，鋼輪振動對周圍材料的擾動更強烈（深度）但范圍（半徑）較小”似乎更加確切一些。

關于“由于垂直振動鋼輪與受壓材料保持恒定接觸而獲得更快的壓實”的描述，只是作為“性能”在文中提出，并未作為“優點”進行總結，但這個說法同樣得不到筆者的支持——這顯然與“鋼輪無磨損”存在一定的矛盾，而實際上在所有振動型式中，鋼輪與受壓材料“保持恒定接觸”的緊密程度的順序依次為：水平振動、振蕩、圓周振動、斜向振動、垂直振動。垂直振動之所以位居倒數第一，是因為在一個赫茲周期內，由于只有垂直方向的作用力，其鋼輪只有一次與受壓材料“正面垂直接觸”的機會；圓周振動也大致如此，但因為有水平分力的存在而“感覺”顯得略好一些；只有振蕩和水平振動時鋼輪與受壓材料才是真正“恒定接觸”的，因為振蕩力偶矩和水平振動力都沒有垂直方向的分力。當然，圓周振動和垂直振動都是“點接觸”，但作用時間是不一樣的，這一點在下一節中將有分析。

總之，從上述分析可以看出，相關文獻存在“將垂直振動壓路機的所有方面都設計成優點”的嫌疑，殊不知“物極必反”、“泰極否來”犯了“全盤肯定”的錯誤。正如前文所述，“不拒絕、不夸大、不貶低、不輕信、不盲從”才是我們對待垂直振動技術應有的、科學的態度；如同振蕩壓路機一樣，在以后相當長的時期內，它也必然是一種“邊緣”產品——不是“被邊緣化”，而是本來就不在“中央”，也從來沒在“中央”待過——也必然會由“跑龍套”逐步“熬啊熬”熬成“配角”，并努力成為某些場合下的“主角”；但這一切的轉變，還需要我們這些“導演”和“吃瓜群眾”共同努力啊。

垂直振動與圓周振動壓實試驗分析

以上都是定性分析，“感覺”的成分多一些，下面將展開一定的定量對比，希望增加一點說服力。

垂直振動壓路機相比圓周振動壓路機，最顯目、最令人震撼的對比數據當屬“綜合施工效率提高3倍”和“2臺完勝8臺”的2例報道。如果單從數字上看，一定能夠或者已經顛覆絕大部分人的固有觀念，但筆者應該屬于少數例外之一。

為了清晰地了解事情的真相，特將文獻[6]中的對比結果原文摘錄，如表6所示。

首先，讓我們來挑一下表6中的小毛病（有時候“小毛病”能夠反映或者導致“大問題”）。

既然“宣稱”是壓實對比試驗，想必一定是真實地進行了的，而且其各項數據也一定十分精準。其實不然，其一，3YZ18/21壓路機的型號不確實，似乎應該為3Y18/21或3YJ18/21，筆者傾向于是筆誤或是排版錯誤；其二，3YZ18/21靜壓速度為1～1.5 km·h-1存在不實，因為機械傳動的行走系統速度應該為某一定值（如2.5 km·h-1），且其最小行駛速度也不可能那么低；其三，20 t機械圓振動壓路機的壓實速度也不可能是2～3 km·h-1，應該為某一定值（如2.9 km·h-1）；如果簡單解釋為“為了保護商家利益”多少有些牽強，而不說明對比的產品具體屬于哪一家廠商則是可以理解的，也是必須的。

其次，表6的對比明顯犯了“雙重標準”的錯誤：憑什么說垂直振動可以自行靜壓（與上述“優點五”中的“無需靜碾復壓”也是矛盾的），而圓振動必須配備大噸位三輪壓路機輔助靜壓？更何況機械式的三輪壓路機靜壓質量能夠滿足要求嗎？2臺或3臺3YZ18/21型壓路機靜壓與一臺圓振動壓路機振動碾壓的工作效率匹配嗎？換一個角度講，即便確實需要三輪壓路機靜壓，1臺不就足夠了嗎？不規范的對比，必然造成“2臺完勝8臺”這樣不切實際的結論，自然不足以采信。

再次，同樣噸位（如20 t）的全液壓壓路機，無論是垂直振動還是圓振動，其行走和轉向系統所需功率應該幾乎一樣（認為不一樣的請給出不一樣的道理）；而在最大激振力相同（這是對比的另一個隱含的前提條件，但實際情況是垂直振動的激振力比圓周振動大10%左右）的情況下，垂直振動的軸承更多一些，還有齒輪傳動機構，而以同樣的頻率旋轉起來，意味著摩擦環節更多，因此消耗的能量也會更多一些——只是由于垂直振動的壓實效率確實高一些，間接帶來了節能效果。如果換一種說法：20 t垂直振動相當于22 t、24 t或26 t圓振動的壓實效率似乎更確切一些（到底相當于哪一噸級需要試驗驗證，就如同20 t機械式振動壓路機的壓實能力相當于16 t或18 t全液壓雙驅動振動壓路機一樣），也更有說服力。

為此，筆者也列出“某一種特定工況”下的4組土壤壓實對比數據。

20 t全液壓雙驅動垂直振動壓實4遍依次為：自行靜壓1遍、低頻高幅振壓2遍、自行靜壓1遍

20 t全液壓雙驅動圓周振動壓實5～6遍依次為：自行靜壓1遍、低頻高幅振壓3～4遍、自行靜壓1遍

20 t機械式單驅動圓周振動壓實 7～9遍依次為：自行靜壓1遍、低頻高幅振壓5～6遍、自行靜壓1～2遍

26 t機械式單驅動圓周振動壓實 5～7遍依次為：自行靜壓1遍、低頻高幅振壓3～4遍、自行靜壓1～2遍

需要說明的是：上述4組不是壓實對比試驗的結果，僅僅是筆者依據經驗的推測，但自信大抵差不到哪兒去，感興趣的同仁可以驗證一下。

要分辨到底哪種對比數據更為“靠譜”，需要搞清楚全方位對比的3個維度——壓實質量，包括壓實度（體現為低頻高幅振壓的次數）與表面平整度（體現為壓實終了時靜壓的次數），作業效率（所有壓實遍數所需的時間），用戶投入（產品購買價格和日常維護費用，其中尤以價格更具有可比性）。前兩者已在上述數據中列明，后者對應的比例為10 9 6 7（由于各制造廠商的成本控制和銷售策略的差異，不可能十分精確）。因此，綜合性指標（取中間值，越低越好）為40 50 48 42。

由此看來，20 t全液壓雙驅動垂直振動的壓實效率是同噸位全液壓雙驅動圓周振動的1.2～1.5倍，是同噸位機械式單驅動圓周振動的1.5～2.2倍；在考慮產品售價因素后，垂直振動壓路機的綜合壓實效率為1.2～1.3倍才是比較恰當的，這個數據已經相當可觀了。果真如此的話，感覺好像“高看一眼”機械式振動壓路機似的，也確實如此，因為沒有充分考慮“壓實質量”的權重——元芳，你怎么看？

如果按“同級別”進行對比的話，20 t機械式單驅動圓周振動壓路機應排除在外——換而言之，對于20 t機械式單驅動圓周振動適宜的工況，其他產品會因為能力超出而顯得“不經濟”；而對于20 t全液壓垂直振動適宜的工況而言，其他產品會因為能力不足而顯得“不適用”——“沒有金剛鉆、別攬瓷器活”——這才是垂直振動壓路機的優勢所在。

還有一點，作為終了輔助壓實的靜壓，按理來說都只需1遍即可，但考慮到機械式壓路機前鋼輪的分配質量小一些，靜壓2遍對保證最終的壓實表面質量更有好處；而那種采用三輪壓路機靜壓的方法是不可取的，起碼是不經濟的，復壓機型應該采用全輪驅動的全液壓雙鋼輪壓路機更合適。

由此看來，“垂直振動壓路機的綜合壓實效率較圓周振動提高3倍”（或者說是4倍？）的說法太過夸張，“2臺完勝8臺”更是純粹為“吸引眼球”而漫無邊際的吹噓。

關于對周圍環境產生的影響之說，“垂直振動約相當于圓振動的80%”（相當于減小20%，但不是指節能，也不能指節能）這一點并不“離譜”，因此不作過多評價。

各種振動型式壓實力對比

需要指出的是，文獻[6]中還以圖形的方式描述了圓周振動與垂直振動壓實系統激振器對比的情況，十分形象；但由于將所有偏心塊和代表激振力的箭頭繪制成同樣大小（它們在很大程度上代表著激振力的大小），那么垂直振動的激振力就是圓周振動的2倍，這極易通過視覺上的暗示引起認識上的誤解，是一種有意無意間的誤導。更完整、更準確的對比如圖11所示。

在圖11中，各種振動型式選取了4個特征點（時刻），并特意將圓周振動的偏心塊進行了放大處理，激振力也采用同樣大小的合力F表示（振蕩用力矩M表示）——這才是“同級別”產品的對比，即雙振動軸的所有振動型式的偏心塊大小為圓周振動的一半，加上振動頻率相同，因此最大激振力相同（振蕩時轉化為對應的激振力偶矩，保證蕩幅與其他振動型式的振幅基本一致）。

同時，圖11（e）中還特意將“振蕩”的偏心塊放置在了任意位置（實際上為了標注兩振動軸之間的距離L而放置在了水平位置），并且隨著偏心塊旋轉角度的變化，偏心塊所處的方位也隨著發生了變化（相當于偏心塊旋轉的同時鋼輪在滾動）；而其他兩軸結構的偏心塊方位該水平則水平、該傾斜則傾斜（選取了45°位置）、該垂直則垂直，是實際情況的真實反映（方位不隨鋼輪的滾動而變化）。

從圖11中可以看出，在偏心塊旋轉一周時間（1 Hz）內，各種振動型式的激振力（或力偶矩）依次完成了：最大、0、最大、0的循環，只是激振力（或力偶矩）的方向不同罷了。而圓周振動的激振力既完成了垂直方向從最大到0再到最大到0的循環，同時完成了水平方向從最大到0再到最大到0的循環，但我們并不能因此得出在壓實能力上“1臺圓周振動=1臺垂直振動+1臺水平振動”的結論；因為壓實能力不僅取決于激振力的大小，也與力的作用時間有關（此處暫不考慮其他因素）。

關于作業時間問題，結合圖11在此僅僅分析垂直振動和圓周振動2種工況。對于垂直振動，激振力向下（方向始終不變）在鋼輪理想接地點O處作用的時間為0.5 Hz，其中0.25 Hz由O到最大，另0.25 Hz由最大到O，相當于全部為“正面接觸”時間；激振力向上時同樣如此，依次循環。對于圓周振動，激振力向下（大小始終不變）作用的時間也為0.5 Hz，其中0.25 Hz是由水平到垂直，另0.25 Hz是由垂直到水平；但由于激振力方向是不斷改變的，使得在鋼輪理想接地點O處“正面接觸”的作用時間大幅縮短（僅為瞬時），更多時間是“側面接觸”，因而在O處的壓實能量不足且影響深度不夠——套用一句電視劇臺詞就是“雨露均沾”或“愛不專一”所帶來的不良后果。

行文至此，筆者很有必要回過頭來作一番表白或辯白。垂直振動作為一項新技術、新產品，認識和推廣本就不易，按理不應該再來潑上這瓢“冷水”，尤其可能給人留下“尖酸刻薄”的印象，甚至被貼上技術“保守主義者”的標簽，盡管事實恰恰相反。但是，話還是要說，理仍然得講，筆者絕不認為垂直振動“一無是處”，也不存在要將其打入“十八層地獄”的故意——既無必要，也沒有這個能量；而恰恰相反，垂直振動壓路機對于特定壓實工況的優勢是十分明顯的，而且它的任何局限，絲毫不影響筆者成為其堅定的擁躉者、研究者、完善者、宣傳者、推廣者——筆者極力推薦：穩定土超厚鋪層、塊石高填方水利大壩等艱難壓實工況之于單鋼輪垂直振動壓路機，RCC之于雙鋼輪垂直振動壓路機，都是當仁不讓的首選。至于為什么垂直振動壓路機誕生了將近30年，但并沒有在世界范圍內大面積應用，筆者認為只是由于國內外壓實施工工藝對鋪層厚度要求的差異，導致“此種工況哪都有，惟獨中國特別多”而已。

結語

（1）在各種振動型式中，只有振動軸的相位差、頻率、旋向三要素的“特殊”匹配，才具有產品應用價值；其中，0°和180°相位差就是特殊，頻率相同就是特殊，而旋向相同和相反都屬于特殊。對振動壓路機而言，則可以認為是固定偏心塊與活動偏心塊相位差0°或180°、頻率相同、旋向相同”這3個要素最“特殊”的情況，而且偏心塊位于同一振動軸上；因此其鋼輪結構最為簡單，這才是振動壓路機之所以“領銜”所有振動型式，并成為應用量最大的產品最重要也是最主要的原因。

（2）調節振動頻率和振幅，就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，振動力的調節也正是依次沿著“調節振動頻率、調節振幅、調節振動力方向”這個模式演化的。

（3）速頻表的應用可以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，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）。而高頻振動壓路機正是應用了這一原理，可以以更快的壓實速度來大幅度提升作業效率。

（4）振動壓路機雙頻、雙幅匹配十分經濟實用，只是不能夠實現智能壓實；太多振動頻率并無實際意義，無級調頻更是一個并無多少技術含量的“噱頭”，而且還會增加很多無謂的成本。

（5）多振幅的缺點在于不方便調節和不知道如何應用，其概念和產品已經逐步淡出了人們的視線。無級調幅由于可以自動實現，以及與壓實度在線檢測系統配合使用，可以發展成為以改變振動力大小為結果的智能壓實技術；因此，無級調幅技術完全可以稱得上是一種“高、大、上”的技術。

（6）適合瀝青混凝土薄鋪層壓實的振蕩壓路機、適合超厚鋪層壓實的垂直振動壓路機等，都是以振動壓路機為基礎，通過改變振動型式（即改變振動力方向）以適應不同壓實工況的典范。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的智能壓實系統便是一種很好的選擇。

（7）振動力的調節可以分為2個方面、3個層次：兩個方面是指調節大小和方向，3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2種調節方式可以實現智能壓實。

（8）智能壓實系統可以分為輔助壓實系統和壓實力自動調節系統。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，其中壓實度在線檢測、反饋與控制是關鍵，能夠實現調節壓實力的壓路機振動鋼輪是基礎。

（9）從實際產品應用看，真正的智能壓實系統目前應用并不普遍，而沒有自動反饋控制系統及可調節壓實力的振動輪的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、放大鏡等，或者就是汽車的倒車雷達，而遠不是自動駕駛系統。相對而言，國內的智能壓實還處于技術認識和積累階段，目前主要專注的垂直振動鋼輪，是IC技術的基礎，看似一步之遙，但這一步很大、很難跨越。

（10）IC技術較傳統壓實方法在提高壓實質量和作業效率方面具有無與倫比的優勢，但因其結構復雜和技術含量高，導致對操縱手的要求高，售價也比一般產品昂貴，因而在很大程度上制約了它的推廣應用。制造廠商需要盡快將產品技術成熟起來，將成本降下來；而用戶需要重視施工質量和作業效率，積極成為IC產品的實踐者、推廣者和受益者。只有這樣，IC產品才能盡快走出“叫好不叫座”的尷尬。

（11）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2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，兩者都可以實現智能壓實。

（12）內外套軸式無級調幅振動輪分為離合器旋轉驅動式和螺旋槽直線驅動式2種結構型式，前者實現智能壓實最關鍵的部件為變幅驅動裝置和離合器，后者為旋轉聯軸器和雙螺旋槽結構的內振動軸。

（13）振動室雙軸式垂直振動輪分為空心馬達直驅式和同步帶側驅式2種結構型式，兩者既可以獨立應用，將偏心塊設計成傳統的固定偏心塊加活動偏心塊型式，可以依靠振動馬達正反轉實現高、低兩檔振幅；也可以結合壓實度在線檢測及反饋系統控制振動室驅動裝置旋轉實現智能壓實。

（14）同軸式垂直振動輪是實現垂直振動的根本方法和最佳方案之一，其最簡單的結構為同步帶加齒輪副及兩套軸系；如果將大、小偏心塊設計成傳統的固定偏心塊加活動偏心塊的型式，則可以依靠振動馬達的正反轉實現高、低兩檔振幅；更進一步地，如果在同步帶和傳動軸之間加上離合器及旋轉驅動裝置，以改變套軸上大偏心塊與左、右振動軸上小偏心塊的相位差，則可以實現智能壓實。

（15）將振動室雙軸式和同軸式垂直振動輪進行組合，可以得到一種振動室三軸式結構，為寶馬格公司最新型智能壓實鋼輪，其優勢在于結構更加緊湊，且因偏心塊更加分散而可以選擇較小的振動軸承。

（16）對于振動室雙軸式垂直振動輪而言，任何改變其中一個振動軸上偏心塊相位角的方式，都不可能產生斜向振動和水平振動，而只能得到“復合振動”，要實現垂直振動到斜向振動再到水平振動調整，必須且只能（充要條件）依靠調整振動室的方位來實現。

（17）涉及振動軸上偏心塊的相位差時，必須以其中任意一個偏心塊自然垂直向下為0°作為基準，以此來確定另一個偏心塊相對于它的相位差，順時針或逆時針均可，否則就會出現“混亂”狀況——兩個振動軸旋向相同時無所謂，而相反時則相位差在隨時發生著變化，也無法區分0°和180°的情況。

（18）在本文所述的所有振動輪結構中，還有一些細節需要關注，如：為了使得傳動緊湊、平穩并提高傳動能力，可以考慮采用斜齒輪；對于振動室雙軸式垂直振動輪結構，可以考慮“壓力潤滑”或增加“潤滑齒輪”的方式，解決振動室內軸承及齒輪的潤滑困難問題，并且可以大幅減少潤滑油量；對于雙鋼輪智能壓實鋼輪，應保證斜向振動時前、后輪的受力成鏡像對稱狀態（即旋向相反），這樣可以使得傳遞至車架上的水平力抵消，有利于提高壓實質量。

（19）與傳統的圓周振動相比，垂直振動壓路機的優勢不言而喻：由于只有垂直方向上的振動力，因而壓實能量更加集中，損失小；最直接的效果就是作業效率更高，有效壓實深度更大，鋼輪振動對周圍材料的擾動更強烈（深度）但范圍（半徑）較小，輪體磨損小；其延伸優點是具有一定的節能與環保意義，以及更加適合大厚度鋪層的艱難壓實工況，可以譽為壓路機中“專啃硬骨頭”的“勞動模范”。除此之外，其他任何過多、過分的美譽都存在“欲加之功、何患無辭”的嫌疑。

（20）關于如何看待垂直振動壓路機的優勢及其應用前景的問題，“不拒絕、不夸大、不貶低、不輕信、不盲從”才是我們應有的、科學的態度，而先從實現原理和產品結構上徹底地搞清楚才是當務之急；智能壓實技術也是如此。

（21）在進行產品對比時，一定要注意是“同級別”的產品才能進行對比，而且不能“以己之長”來“比人之短”，尤其不能犯“雙重標準”的錯誤；正是由于相關資料中“不規范”的對比，才得出“垂直振動壓路機的綜合壓實效率較圓周振動提高3倍”、“2臺完勝8臺”這樣不切實際的結論。

（22）圓周振動壓路機對壓實工況的適應能力是最強的，在一個赫茲振動周期內，絕大部分時刻兼有垂直方向分力和水平方向分力，但由于作用時間短，其壓實能量不足且影響深度不夠，因而在壓實厚鋪層時不如垂直振動壓路機，在壓實薄鋪層時不如振蕩或水平振動壓路機；但反過來講也成立。

（23）與振蕩壓路機的發展歷程一樣，在以后相當長的時期內，垂直振動壓路機也必然是一種“邊緣”產品——還將繼續在振動壓路機的“夾縫”中艱難前行，大壩高填方、穩定土路基、RCC等超厚鋪層才是其大展身手的地方——成為能夠“攬瓷器活”的“金剛鉆”才是垂直振動壓路機的優勢所在。

（24）垂直振動壓路機誕生了將近30年，但并沒有在世界范圍內大面積應用，只是由于國內外壓實施工工藝對鋪層厚度要求的差異，導致最適合其壓實的工況“此況哪都有，中國特別多”而已。

（25）智能壓實技術絕對是下一步的發展方向，只是國內還處于技術認識和積累階段，市場還需要一定時間培育，但是搶占技術制高點的沖鋒號已經吹響。

參考文獻：

[1] 萬漢馳.振動壓路機壓實機構分析[J].建筑機械化，2007，28（3）：17-19.

[2] 萬漢馳.復合振動壓路機作用原理初探[J].建筑機械，2002，22（10）：45-50.

[3] 譚忠華.智能壓實：需要的只是更多機會[J].筑路機械與施工機械化，2016，33（9）：19-29.

[4] 劉玉龍.垂直振動壓路機振動壓實技術的研究[D].合肥：合肥工業大學，2012.

[5] 徐慎初.振動壓路機的振動機構[J].建筑機械， 2002，22（8）：24-26.

[6] 宋 浩.垂直振動壓實技術及其應用[J].工程機械與維修，2010，17（1）：146-147.