垂直振动与智能压实技术刨根问底（下）

垂直振动轮结构与原理

垂直振动技术既可以独立应用，又可以作为IC技术中可调节振动力方向（实际调节的是振动型式，即垂直振动→斜向振动→水平振动）的钢轮结构的基础。

所谓垂直振动压路机，就是两组同步反向旋转的偏心块的振动力垂直方向的分力在钢轮轴线上互相叠加，水平方向的分力互相抵消，由此使得钢轮仅产生垂直方向的振动。

据了解，国际上除日本酒井公司在大力推广应用独立的垂直振动压路机以外，只有德国宝马格公司以智能压实的方式在变相使用垂直振动技术，而其他制造厂商的智能压实技术可能也大致如此（笔者猜测）。在国内，合肥绿地的垂直振动钢轮结构经过了十余年的潜心研究及多轮改进优化，可靠性瓶颈已经突破；而徐工的垂直振动钢轮的实现原理与之相似，只是具体结构有些差异；山推并没有独立开发垂直振动轮，只是从协作厂家处“借用”了合肥绿地的产品，属于“抄近道”的后来者，或者说并没有看透垂直振动压路机的市场前景，存在“有枣无枣打一杆”的心态也未曾可知[1]。

从原理上讲，实现垂直振动的必要条件是2组偏心块同步反向旋转，而振动轴是否为两根平行的轴，2组偏心块到底是2个、3个还是4个，则视不同的钢轮结构而定。下文将按各种技术与产品出現的时间顺序展开讨论，并说明技术的最早出处（笔者无法保证相关信息绝对准确，仅供参考），以表示对技术原创者的尊重。

振动室双轴式垂直振动轮

所谓振动室，是特别针对垂直振动钢轮而言的，即一个包含振动机构的总成，安装于钢轮的2个幅板之间，可以相对于钢轮旋转。振动室处于水平或垂直位置属于该结构的另一要素的“特殊”匹配。

所谓双轴，即对称平行于钢轮中心线的两根振动轴，安装于振动室内，各自产生相同的激振力。

空心马达直驱式

图4为一种振动室双轴式垂直振动轮，其中图4（a）为传动路线，图4（b）为具体结构。

这种振动钢轮结构的特点在于：振动马达通过联轴器将动力输入至齿轮轴，进而通过双联齿轮和齿轮带动2个振动轴作同步反向旋转；由于2个振动轴的初始相位差为0°且位于水平平面内（依靠振动室驱动装置的初始位置锁定振动室保证），2个振动轴产生的激振力在垂直方向的分力相叠加，而水平方向的分力相抵消，形成垂直振动，如图5（a）所示。当需要改变激振力方向时，输入信号给振动室驱动装置，通过连接轴带动振动室总成旋转一定角度，产生斜向振动，如图5（b）所示。当旋转角度达到90°时，2个振动轴产生的激振力在水平方向的分力相叠加，而垂直方向的分力相抵消，形成水平振动，如图5（c）所示。

图5的结构可以作为垂直振动钢轮独立应用（去掉图中连接轴、振动室驱动装置），而且将振动轴上长条状的偏心块设计成传统的固定偏心块加活动偏心块的型式，则可以依靠振动马达的正反转实现高、低两档振幅。当结合压实度在线检测及反馈系统控制振动室驱动装置时便可以实现智能压实。由于这种结构最显著的特点就是使用了空心行走马达，振动室采用穿过空心马达的驱动装置直接驱动旋转，所以本结构称为“空心马达直驱式”。

图5的结构（去掉图中连接轴、振动室驱动装置，也不一定使用空心行走马达）最早见于酒井公司的SD450双钢轮垂直振动压路机，也是徐工早期YCC12双钢轮垂直振动压路机钢轮结构的原型[2]。

同步带侧驱式

图6为一种振动室双轴式垂直振动钢轮，其中图6（a）为传动路线，图6（b）为具体结构。

图6与图4的主要区别在于：钢轮的行走驱动采用减速机和液压马达，两个振动轴的传动齿轮转移至了另一侧，而振动室的旋转驱动则依靠侧置的驱动装置和同步带连接实现，故称为“同步带侧驱式”。图6的结构最早见于宝马格公司的“智多星”双钢轮压路机，更接近其透明运动模型所展示的结构。如果将振动轴上长条状的偏心块设计成传统的固定偏心块加活动偏心块的型式，则可以依靠振动马达的正反转实现高、低两档振幅。

图4和图6显示的两种结构中，如果2个振动轴上驱动齿轮的齿数不同，则将导致2个振动轴的振动频率不同，即形成复合振动（因不同轴而不是混沌振动）；如果只是2个振动轴上偏心块的大小不同，也可以形成复合振动；2种都是“垂直振动+振荡+水平振动”的“三合奏”，但由于不是“特殊”匹配，因而不一定具有产品应用价值，在此赘述只是为了将事情分析透彻而已。

还有一点需要说明：图1与图4都是以空心马达（低速大扭矩液压马达）作为钢轮行走的驱动马达；2种结构的区别只是输出驱动板连接部位不同，但减振器都位于左支撑上，与右支撑基本对称，也就是说左边驱动马达的质量属于参振质量，与右边的框架轴承座等形成参振质量的基本对称，这对于保证钢轮振动的“四心合一”（即钢轮的形心、激振力的力心、参振质量的质心、分配车架质量的质心）具有十分积极的意义。但是，图6中的安装方式则不同，减速机及行走马达的质量不属于参振质量，而属于车架质量。这是笔者特意为之，只是想利用有限的篇幅和机会，传递尽量多的信息，并引起有心者的思考。

同轴式垂直振动轮

如前所述，依靠同轴（即内、外套轴）无级调幅进行激振力大小的无级调节，是实现智能压实的根本方法或原始要义，而依靠平行双轴进行激振力方向的调节（即改变振动型式），是实现智能压实的另一种途径。与此道理相同，上一节中所述振动室双轴式结构是实现垂直振动的一种途径，而同轴式结构才是实现垂直振动的根本方法。

3齿轮副及3套轴系

如图7（a）所示，为文献[4]所述的一种“新型垂直激振机构”——这是一种典型的“同轴式”垂直激振机构，其原型为宝马格公司早期的单钢轮振动压路机的智能压实钢轮（后文有述）；由于有3组传动齿轮副及3个内外相套的振动轴（侧输入轴不考虑在内），故称为“3齿轮副及3套轴系”结构。据了解，这也是合肥绿地最早的垂直振动钢轮结构。

这种结构的不足是十分明显的（文献[4]中不仅给出了各齿轮的齿数匹配，而且特别说明各齿轮及4个偏心块都采用独立的轴承支承，这一点在具体结构上很难实现，笔者已经进行了大量简化），看不出何处能体现一个“新”字（可能仅仅是相对于“振动室双轴式”垂直激振机构而言吧），只看得到“将简单问题复杂化”的痕迹。所以，合肥绿地从零起步进行垂直振动技术的摸索和创新中的艰难由此“可见一斑”，不可否认的是其为后来者避免进一步“试错”所做出的贡献。

图7（a）的示结构最起码可以优化成图7（b）所示的“两齿轮副及两套轴系”结构，徐工及合肥绿地改进后的垂直振动钢轮结构大致如此。

同步带加齿轮副及2套轴系

图8揭示了一种同轴式垂直振动钢轮结构，其中图8（a）为其传动路线，图8（b）为其钢轮结构，图8（c）为其实现垂直振动和水平振动的差异。

这种结构的特点在于：振动马达的动力从右振动轴输入，通过中心传动轴带动左振动轴同步旋转；左振动轴通过同步带、传动轴及齿轮副带动中间振动轴同步反向旋转；由于左、右振动轴上固接有相同的小偏心块，而中间振动轴上固接有偏心距为2个小偏心块之和的大偏心块，且小偏心块与大偏心块的初始相位差为0°，从而实现了垂直振动。

由于主要依靠同步带和一组齿轮副进行传动，且中间振动轴相对于左、右振动轴存在内外相套的关系，故称为“同步带加齿轮副及两套轴系”结构。该结构最为简单实用，是实现垂直振动的最佳方案之一。如果将大、小偏心块设计成传统的固定偏心块加活动偏心块的型式，则可以依靠振动马达的正反转实现高、低两挡振幅。更进一步地，如果在同步带和传动轴之间加上离合器及旋转驱动装置，以改变套轴上大偏心块与左、右振动轴上小偏心块的相位差，则可以实现智能压实；这与宝马格公司早期单钢轮振动压路机实现智能压实的钢轮结构类似。

当大偏心块的偏心距不等于2倍的小偏心块时，或者齿轮副的齿数不相等时，将实现复合振动。当重新调整同步带将小偏心块与大偏心块的初始相位差设定为180°时，则实现水平振动；如果将大偏心块设计为活动偏心块，并在套轴上焊接1个挡块，利用振动马达反转来实现小偏心块与大偏心块的初始相位差为180°的设置，同样可以实现水平振动。

振动室三轴式垂直振动轮

图9为另一种同轴式垂直振动钢轮结构，其中图9（a）为其传动路线，图9（b）、（c）、（d）为其实现垂直振动→斜向振动→水平振动之间转化的智能压实原理。

从某种程度上讲，这种结构为上述振动室双轴式和同轴式垂直振动轮的组合体。其不同之处在于：平行的双振动轴的旋向是相同的，但与左、右振动轴的旋向相反，由于4个偏心块的偏心距相同，相当于各自“组团”（平行双轴为一组，左、右振动轴为另一组）进行振动力的各种方式组合。其优势在于：结构更加紧凑；由于偏心块布置更加分散，因此可以选择较小的振动轴承。在展会上留心的人会发现，这是宝马格公司最新的智能压实钢轮结构，也曾在其展品钢轮上以彩绘的方式展示过。

分析至此，有必要将上述各种结构实现垂直振动和智能压实的区别进行总结，如表4所示。

各种振动型式延伸分析

文献[5]中有这样的描述：智能振动是德国宝马格公司首创的振动机构。它采用双轮振动，后轮与普通振动压路机的振动轮相同，采用圆周振动；前轮则用智能振动，宝马格公司称之为“智多星”。它由电子技术控制，可以产生垂直振动、斜向振动或扭转（水平）振动。在智能振动的振动轮内有一对平行的振动轴，由一对同步齿轮传动，两轴作相反方向的转动，转速完全相同。其特别之处是两个振动轴上偏心块的相对位置可调，可根据压实作业的需要自动调节其中一个振动轴偏心块的旋转角度。调节的方法是通过一个液压油缸推动一个螺杆前进或后退，螺杆与一个振动轴上的偏心块的螺纹连接，偏心块因螺杆的前进或后退产生转动。这时同步齿轮不旋转，因而另一个振动轴的偏心块不会转动，2个偏心块就产生相位差。同步齿轮和可调节偏心块的振动轴由离合器连接，保证振动驱动时两个振动轴同步反向旋转。2个偏心块的相位差可从0°到180°作连续调节。起始时，2个偏心块的相位差为0°，它们的水平分力相互抵消，产生垂直振动，适合于压实低刚度材料。如起始时2个偏心块的相位差为90°，则振动轮将产生和水平面成45°方向的斜向振动，适合于压实刚度较高的材料。这种振动方式也有利于提高振动压路机的爬坡性能。如果2个偏心块相位差为180°，则垂直分力相互抵消，产生水平振动，也就是扭转振动，适用于压实高刚度材料。对于单钢轮轮胎驱动的振动压路机，应用智能振动的振动轮不是用两根偏心振动轴，而是用一根偏心轴，但在同一根轴上装有3个偏心块，中间一个偏心块相对于外侧的2个偏心块，转动方向相反，转速相同。中间的偏心块和两侧的2个偏心块其相对位置也像“智多星”的双钢轮振动压路机一样，可以从0°到180°连续调节，从而可产生垂直振动、斜向振动和水平振动。由于它可以根据压实材料刚度的不同自动调节振动方式，从而用较少的压实时间得到较好的压实效果，因此称为智能振动。

上文完整地引用了一大段内容，目的在于避免“断章取义”的嫌疑。同时，原文中还配有说明上述垂直振动、斜向振动、水平振动3个独立的示意图。

不可否认的是，文献[5]发表于2002年，就笔者目力所及，应该是国内最早介绍“智能压实”的资料之一，对业内人士具有难得的借鉴意义。然而，筆者认为文中存在3个问题（后段关于单钢轮轮胎驱动的振动压路机的描述是准确的）。其一是将振荡与水平振动混为一谈，这是很多资料的共性。其二是3个独立的示意图中，将斜向振动和水平振动两种状态下2根振动轴也布置成与垂直振动一样（水平面内），2个偏心块的相位差也并没有改变，与上述引用内容中如何依靠调节相位角来调整振动方式的文字描述不相符，而正确的布置方式见图5和图9。其三是，按上述引用内容中“依靠调节相位角来调整振动方式”是不可能产生（纯）斜向振动和水平振动的，而是“复合振动”（下文有述）；要在这种振动轮结构（有振动室，位于振动室内的2根振动轴对称布置在振动轮的轴线两边）上依次实现垂直振动→斜向振动→水平振动调整，必须且只能（充要条件）依靠调整振动室的方位来实现。第一点可以当作是误解，而第二、第三点就是很严重的错误了，同时也有可能是后来很多资料“以讹传讹”的源头。

为此，仅对“双轴、振动室水平、旋向相反”结构在两振动轴相位差为0°、90°、180°三种情形下进行分析，并且为了准确反映真实情况，特意将1 Hz的振动过程按45°阶梯分解，如图10所示。

假设每一个振动轴的激振力为F，则图中：M=F×L，F =F，M =M/2。

从图10中不难得出这样的结论：两振动轴相位差为0°时实现垂直振动，两振动轴相位差为90°时实现“斜向振动+振荡”型式的复合振动，两振动轴相位差为180°时实现“水平振动+振荡”型式的复合振动。由此看来，上述引文中出现的错误，在于忽略了斜向振动（相位差为90°时）以及水平振动（相位差为180°时）中振荡成分的存在；这也许并不是引文原作者的问题，可以理解为只是未加辨别地介绍而已，问题的根源可能出在宝马格公司当初也没有搞懂到底是怎么回事（纯属臆断，或者认为振荡成分并不重要可以忽略），后续改进产品的结构就消除了振荡成分的存在，这也从侧面说明了这一点。“挑毛病”绝对不是一个“好活”，也不是人人都敢挑、都能够挑出来的，此乃题外话，不可深究，就此打住。

基于本文所述的各种结构的振动钢轮，关于频率、旋向、相位差三要素“特殊”匹配和“平常”匹配产生的振动方式如表5所示，其中振动频率相同是前提（频率不同则为混沌振动或者复合振动，本文不做讨论）。

需要说明的是，凡是涉及振动轴上偏心块的相位差时，首先必须设定一个基准，这个基准就是“以其中任意一个偏心块自然垂直向下为0°”来确定另一个偏心块相对于它的相位差，顺时针或逆时针均可，否则就会出现“混乱”状况——2个振动轴的旋向相同时无所谓，而相反时则相位差在随时发生着变化，也无法区分0°和180°的情况。

以上相位差基准对振动室旋转90°而言并不适用，因为振动室由水平状态转变为垂直状态（或者反之），是由振动室驱动装置驱动旋转而来，2个振动轴上偏心块的相位角因为齿轮传动机构的锁定并没有改变，即应该沿用振动室旋转之前的相位差，或者按180°处理。

理论上讲，振动室由水平状态转变为垂直状态，由于2组偏心块在任何位置的总势能都是一样的，在液压马达、润滑油、轴承等的阻力作用下，2组偏心块会像“失重”一样处于任何“随遇而安”的位置，即振动室水平状态下2组偏心块初始位置为垂直向下，当振动室转变为垂直状态时2组偏心块初始位置为水平向侧。而实际上往往会因为制造误差等原因造成偏心块不在原位，只是看似改变了相位差。

另外，还有一些值得关注的细节，如：为了使得传动紧凑、平稳以及提高传动能力，可以考虑采用斜齿轮；对于振动室双轴式垂直振动轮，可以考虑“压力润滑”或增加“润滑齿轮”的方式解决轴承及齿轮润滑困难的问题，还可大幅减少润滑油用量；对于双钢轮智能压实钢轮，应保证斜向振动时前、后轮的受力成镜像对称状态（即旋向相反），这样可以使得传递至车架上的水平力抵消，有利于提高压实质量。

垂直振动与圆周振动对比分析

与传统的圆周振动相比，垂直振动压路机的优势不言而喻：由于只有垂直方向上的振动力，因而压实能量更加集中，损失小；最直接的效果就是作业效率更高，有效压实深度更大，钢轮振动对周围材料的扰动更强烈（深度）但范围（半径）较小，轮体磨损小；其延伸优点是具有一定的节能与环保意义，以及更加适合大厚度铺层的艰难压实工况，可以形象地称其为压路机中“专啃硬骨头”的“劳动模范”。

除此之外，对于垂直振动压路机其他任何过多、过分的美誉之词，笔者都不敢苟同。所以，非常需要详细展开加以辨析。

垂直振动优势辨析

搜索“垂直振动压路机”相关文献发现，部分资料对垂直振动的压实机理展开了研究，也有部分资料对实现垂直振动的钢轮结构及原理进行了分析，而更多的是关于垂直振动压路机优点、施工案例以及两者相结合的阐述。其实，垂直振动的压实机理和实现原理并不复杂，相对而言“不简单”的倒是其钢轮的具体结构，其设计优化和工艺保证等方面还是值得探究一番的。

关于垂直振动压路机优点的总结，可以见于不同期刊杂志上的文章，但核心内容都大差不差，这种“狂轰滥炸”式的产品宣传，到底能起多大的作用十分值得怀疑；很多事情能否实现，付出努力只是一个方面，更多的是要讲究“顺理成章”和“水到渠成”，何况并不是所有的时候“假话说上一万遍就会变成真理”——对应的生活道理也很简单：如果一个人就同一件并不复杂的事情，在不同场合反复絮叨，反而让人对一些本来真实的信息也产生不信任、甚至反感。

下文将特别针对有关文献总结的垂直振动压实技术的优点进行一一剖析和求證。

优点一：垂直振动能量损失最小，压实效果最佳——笔者十分认同前者，即前文“压实能量更加集中、损失小”的表述；但后者表达意思含糊：压实效果是指压实度、表面质量、作业效率，还是其他？亦或综合效果？故不便于评价。

优点二：垂直振动能够快速提高压实度，达到更好的压实效果——笔者十分认同前者，即“作业效率更高”的表述；后者同样存在表达意思含糊的问题。

优点三：垂直振动的压实轮体无磨损——笔者基本认同这一点，但前文所述“磨损小”更为准确。其原因在于：正常工作情况下，垂直振动压实轮体与材料之间无相对滑转或滑移（行走除外），而其他型式的振动都不同程度存在，并按照水平振动（滑移）、振荡（滑转）、圆周振动（很小）方向递减，其幅度约为幅值。但任何事物都有两面性，其固有的负面影响就是压实过程丝毫没有“揉搓”效果，而这恰好就是振荡压路机的根本所在——压实表面平整度高、铺层水封性能好，而且已经得到大量工程施工应用的证明。由于压实机理相似，可以预测水平振动也应该存在振荡压路机类似的压实效果。

优点四：垂直振动适用于各种压实材料及工况——笔者不认同这一点，原因在于垂直振动最显著的特点之一就是有效压实深度更大，它明显不适合沥青面层及其他材料薄铺层的压实，就如同振荡压路机不适合压实厚铺层一样，何况世上哪有十全十美的事物，垂直振动更是如此。假如硬要评价对工况的适应性，笔者认为如果圆周振动压路机自称第二，就没有“机”敢说第一了。

优点五：垂直振动压实时无拥土，压实表层无松散层、无裂纹，压实平整度高，无需静碾复压——笔者不認同这一点，原因在于压实过程中有无拥土现象主要取决于钢轮是否为从动轮，表面裂纹也主要是从动轮及机械传动系统换挡起步冲击造成的，松散层的产生与铺层材料状态、激振力偏大以及“过压实”等有关；而静碾复压就是为了消除表面松散、裂纹、轮胎压痕等而设计的施工工艺，一般振动压路机自身即可完成，无需另外配置大吨位静碾光轮压路机。无论从哪个角度考虑，垂直振动理应更易造成表层松散、平整度不高，因而更需要静碾复压。

优点六：垂直振动压实后的土壤及其他混合料压实度更均匀、质量更稳定、铺层水封性能更高——笔者不认同这一点，原因见“优点三”中的分析。

优点七：垂直振动的振动能量仅垂直向下传送，地表波传递很小且具环保意义——笔者基本认同这一点，但如前文所述“有效压实深度更大，钢轮振动对周围材料的扰动更强烈（深度）但范围（半径）较小”似乎更加确切一些。

关于“由于垂直振动钢轮与受压材料保持恒定接触而获得更快的压实”的描述，只是作为“性能”在文中提出，并未作为“优点”进行总结，但这个说法同样得不到笔者的支持——这显然与“钢轮无磨损”存在一定的矛盾，而实际上在所有振动型式中，钢轮与受压材料“保持恒定接触”的紧密程度的顺序依次为：水平振动、振荡、圆周振动、斜向振动、垂直振动。垂直振动之所以位居倒数第一，是因为在一个赫兹周期内，由于只有垂直方向的作用力，其钢轮只有一次与受压材料“正面垂直接触”的机会；圆周振动也大致如此，但因为有水平分力的存在而“感觉”显得略好一些；只有振荡和水平振动时钢轮与受压材料才是真正“恒定接触”的，因为振荡力偶矩和水平振动力都没有垂直方向的分力。当然，圆周振动和垂直振动都是“点接触”，但作用时间是不一样的，这一点在下一节中将有分析。

总之，从上述分析可以看出，相关文献存在“将垂直振动压路机的所有方面都设计成优点”的嫌疑，殊不知“物极必反”、“泰极否来”犯了“全盘肯定”的错误。正如前文所述，“不拒绝、不夸大、不贬低、不轻信、不盲从”才是我们对待垂直振动技术应有的、科学的态度；如同振荡压路机一样，在以后相当长的时期内，它也必然是一种“边缘”产品——不是“被边缘化”，而是本来就不在“中央”，也从来没在“中央”待过——也必然会由“跑龙套”逐步“熬啊熬”熬成“配角”，并努力成为某些场合下的“主角”；但这一切的转变，还需要我们这些“导演”和“吃瓜群众”共同努力啊。

垂直振动与圆周振动压实试验分析

以上都是定性分析，“感觉”的成分多一些，下面将展开一定的定量对比，希望增加一点说服力。

垂直振动压路机相比圆周振动压路机，最显目、最令人震撼的对比数据当属“综合施工效率提高3倍”和“2台完胜8台”的2例报道。如果单从数字上看，一定能够或者已经颠覆绝大部分人的固有观念，但笔者应该属于少数例外之一。

为了清晰地了解事情的真相，特将文献[6]中的对比结果原文摘录，如表6所示。

首先，让我们来挑一下表6中的小毛病（有时候“小毛病”能够反映或者导致“大问题”）。

既然“宣称”是压实对比试验，想必一定是真实地进行了的，而且其各项数据也一定十分精准。其实不然，其一，3YZ18/21压路机的型号不确实，似乎应该为3Y18/21或3YJ18/21，笔者倾向于是笔误或是排版错误；其二，3YZ18/21静压速度为1～1.5 km·h-1存在不实，因为机械传动的行走系统速度应该为某一定值（如2.5 km·h-1），且其最小行驶速度也不可能那么低；其三，20 t机械圆振动压路机的压实速度也不可能是2～3 km·h-1，应该为某一定值（如2.9 km·h-1）；如果简单解释为“为了保护商家利益”多少有些牵强，而不说明对比的产品具体属于哪一家厂商则是可以理解的，也是必须的。

其次，表6的对比明显犯了“双重标准”的错误：凭什么说垂直振动可以自行静压（与上述“优点五”中的“无需静碾复压”也是矛盾的），而圆振动必须配备大吨位三轮压路机辅助静压？更何况机械式的三轮压路机静压质量能够满足要求吗？2台或3台3YZ18/21型压路机静压与一台圆振动压路机振动碾压的工作效率匹配吗？换一个角度讲，即便确实需要三轮压路机静压，1台不就足够了吗？不规范的对比，必然造成“2台完胜8台”这样不切实际的结论，自然不足以采信。

再次，同样吨位（如20 t）的全液压压路机，无论是垂直振动还是圆振动，其行走和转向系统所需功率应该几乎一样（认为不一样的请给出不一样的道理）；而在最大激振力相同（这是对比的另一个隐含的前提条件，但实际情况是垂直振动的激振力比圆周振动大10%左右）的情况下，垂直振动的轴承更多一些，还有齿轮传动机构，而以同样的频率旋转起来，意味着摩擦环节更多，因此消耗的能量也会更多一些——只是由于垂直振动的压实效率确实高一些，间接带来了节能效果。如果换一种说法：20 t垂直振动相当于22 t、24 t或26 t圆振动的压实效率似乎更确切一些（到底相当于哪一吨级需要试验验证，就如同20 t机械式振动压路机的压实能力相当于16 t或18 t全液压双驱动振动压路机一样），也更有说服力。

为此，笔者也列出“某一种特定工况”下的4组土壤压实对比数据。

20 t全液压双驱动垂直振动压实4遍依次为：自行静压1遍、低频高幅振压2遍、自行静压1遍

20 t全液压双驱动圆周振动压实5～6遍依次为：自行静压1遍、低频高幅振压3～4遍、自行静压1遍

20 t机械式单驱动圆周振动压实 7～9遍依次为：自行静压1遍、低频高幅振压5～6遍、自行静压1～2遍

26 t机械式单驱动圆周振动压实 5～7遍依次为：自行静压1遍、低频高幅振压3～4遍、自行静压1～2遍

需要说明的是：上述4组不是压实对比试验的结果，仅仅是笔者依据经验的推测，但自信大抵差不到哪儿去，感兴趣的同仁可以验证一下。

要分辨到底哪种对比数据更为“靠谱”，需要搞清楚全方位对比的3个维度——压实质量，包括压实度（体现为低频高幅振压的次数）与表面平整度（体现为压实终了时静压的次数），作业效率（所有压实遍数所需的时间），用户投入（产品购买价格和日常维护费用，其中尤以价格更具有可比性）。前两者已在上述数据中列明，后者对应的比例为10 9 6 7（由于各制造厂商的成本控制和销售策略的差异，不可能十分精确）。因此，综合性指标（取中间值，越低越好）为40 50 48 42。

由此看来，20 t全液压双驱动垂直振动的压实效率是同吨位全液压双驱动圆周振动的1.2～1.5倍，是同吨位机械式单驱动圆周振动的1.5～2.2倍；在考虑产品售价因素后，垂直振动压路机的综合压实效率为1.2～1.3倍才是比较恰当的，这个数据已经相当可观了。果真如此的话，感觉好像“高看一眼”机械式振动压路机似的，也确实如此，因为没有充分考虑“压实质量”的权重——元芳，你怎么看？

如果按“同级别”进行对比的话，20 t机械式单驱动圆周振动压路机应排除在外——换而言之，对于20 t机械式单驱动圆周振动适宜的工况，其他产品会因为能力超出而显得“不经济”；而对于20 t全液压垂直振动适宜的工况而言，其他产品会因为能力不足而显得“不适用”——“没有金刚钻、别揽瓷器活”——这才是垂直振动压路机的优势所在。

还有一点，作为终了辅助压实的静压，按理来说都只需1遍即可，但考虑到机械式压路机前钢轮的分配质量小一些，静压2遍对保证最终的压实表面质量更有好处；而那种采用三轮压路机静压的方法是不可取的，起码是不经济的，复压机型应该采用全轮驱动的全液压双钢轮压路机更合适。

由此看来，“垂直振动压路机的综合压实效率较圆周振动提高3倍”（或者说是4倍？）的说法太过夸张，“2台完胜8台”更是纯粹为“吸引眼球”而漫无边际的吹嘘。

关于对周围环境产生的影响之说，“垂直振动约相当于圆振动的80%”（相当于减小20%，但不是指节能，也不能指节能）这一点并不“离谱”，因此不作过多评价。

各种振动型式压实力对比

需要指出的是，文献[6]中还以图形的方式描述了圆周振动与垂直振动压实系统激振器对比的情况，十分形象；但由于将所有偏心块和代表激振力的箭头绘制成同样大小（它们在很大程度上代表着激振力的大小），那么垂直振动的激振力就是圆周振动的2倍，这极易通过视觉上的暗示引起认识上的误解，是一种有意无意间的误导。更完整、更准确的对比如图11所示。

在图11中，各种振动型式选取了4个特征点（时刻），并特意将圆周振动的偏心块进行了放大处理，激振力也采用同样大小的合力F表示（振荡用力矩M表示）——这才是“同级别”产品的对比，即双振动轴的所有振动型式的偏心块大小为圆周振动的一半，加上振动频率相同，因此最大激振力相同（振荡时转化为对应的激振力偶矩，保证荡幅与其他振动型式的振幅基本一致）。

同时，图11（e）中还特意将“振荡”的偏心块放置在了任意位置（实际上为了标注两振动轴之间的距离L而放置在了水平位置），并且随着偏心块旋转角度的变化，偏心块所处的方位也随着发生了变化（相当于偏心块旋转的同时钢轮在滚动）；而其他两轴结构的偏心块方位该水平则水平、该倾斜则倾斜（选取了45°位置）、该垂直则垂直，是实际情况的真实反映（方位不随钢轮的滚动而变化）。

从图11中可以看出，在偏心块旋转一周时间（1 Hz）内，各种振动型式的激振力（或力偶矩）依次完成了：最大、0、最大、0的循环，只是激振力（或力偶矩）的方向不同罢了。而圆周振动的激振力既完成了垂直方向从最大到0再到最大到0的循环，同时完成了水平方向從最大到0再到最大到0的循环，但我们并不能因此得出在压实能力上“1台圆周振动=1台垂直振动+1台水平振动”的结论；因为压实能力不仅取决于激振力的大小，也与力的作用时间有关（此处暂不考虑其他因素）。

关于作业时间问题，结合图11在此仅仅分析垂直振动和圆周振动2种工况。对于垂直振动，激振力向下（方向始终不变）在钢轮理想接地点O处作用的时间为0.5 Hz，其中0.25 Hz由O到最大，另0.25 Hz由最大到O，相当于全部为“正面接触”时间；激振力向上时同样如此，依次循环。对于圆周振动，激振力向下（大小始终不变）作用的时间也为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断改变的，使得在钢轮理想接地点O处“正面接触”的作用时间大幅缩短（仅为瞬时），更多时间是“侧面接触”，因而在O处的压实能量不足且影响深度不够——套用一句电视剧台词就是“雨露均沾”或“爱不专一”所带来的不良后果。

行文至此，笔者很有必要回过头来作一番表白或辩白。垂直振动作为一项新技术、新产品，认识和推广本就不易，按理不应该再来泼上这瓢“冷水”，尤其可能给人留下“尖酸刻薄”的印象，甚至被贴上技术“保守主义者”的标签，尽管事实恰恰相反。但是，话还是要说，理仍然得讲，笔者绝不认为垂直振动“一无是处”，也不存在要将其打入“十八层地狱”的故意——既无必要，也没有这个能量；而恰恰相反，垂直振动压路机对于特定压实工况的优势是十分明显的，而且它的任何局限，丝毫不影响笔者成为其坚定的拥趸者、研究者、完善者、宣传者、推广者——笔者极力推荐：稳定土超厚铺层、块石高填方水利大坝等艰难压实工况之于单钢轮垂直振动压路机，RCC之于双钢轮垂直振动压路机，都是当仁不让的首选。至于为什么垂直振动压路机诞生了将近30年，但并没有在世界范围内大面积应用，笔者认为只是由于国内外压实施工工艺对铺层厚度要求的差异，导致“此种工况哪都有，惟独中国特别多”而已。

结语

（1）在各种振动型式中，只有振动轴的相位差、频率、旋向三要素的“特殊”匹配，才具有产品应用价值；其中，0°和180°相位差就是特殊，频率相同就是特殊，而旋向相同和相反都属于特殊。对振动压路机而言，则可以认为是固定偏心块与活动偏心块相位差0°或180°、频率相同、旋向相同”这3个要素最“特殊”的情况，而且偏心块位于同一振动轴上；因此其钢轮结构最为简单，这才是振动压路机之所以“领衔”所有振动型式，并成为应用量最大的产品最重要也是最主要的原因。

（2）调节振动频率和振幅，就可以调节振动力的大小，而改变振动型式就是调节振动力的方向。数十年来，振动压实技术和产品的发展证明，振动力的调节也正是依次沿着“调节振动频率、调节振幅、调节振动力方向”这个模式演化的。

（3）速频表的应用可以提醒操作手控制压实速度，保证单位长度铺层材料上所受振动轮冲击的次数基本不变，从而保证压实的均匀性（压实度和均匀性是压实质量的两个关键指标）。而高频振动压路机正是应用了这一原理，可以以更快的压实速度来大幅度提升作业效率。

（4）振动压路机双频、双幅匹配十分经济实用，只是不能够实现智能压实；太多振动频率并无实际意义，无级调频更是一个并无多少技术含量的“噱头”，而且还会增加很多无谓的成本。

（5）多振幅的缺点在于不方便调节和不知道如何应用，其概念和产品已经逐步淡出了人们的视线。无级调幅由于可以自动实现，以及与压实度在线检测系统配合使用，可以发展成为以改变振动力大小为结果的智能压实技术；因此，无级调幅技术完全可以称得上是一种“高、大、上”的技术。

（6）适合沥青混凝土薄铺层压实的振荡压路机、适合超厚铺层压实的垂直振动压路机等，都是以振动压路机为基础，通过改变振动型式（即改变振动力方向）以适应不同压实工况的典范。为了实现压实过程的更精细化控制，能够自动调节振动型式的智能压实系统便是一种很好的选择。

（7）振动力的调节可以分为2个方面、3个层次：两个方面是指调节大小和方向，3个层次包括双频/双幅调节振动力大小的第一层次、无级调幅调节振动力大小的第二层次、振动型式调节振动力方向的第三层次，后2种调节方式可以实现智能压实。

（8）智能压实系统可以分为辅助压实系统和压实力自动调节系统。前者主要是一些普通数据的测量和显示，为操作手改变相关操作提供信息支持。后者则是核心，其中压实度在线检测、反馈与控制是关键，能够实现调节压实力的压路机振动钢轮是基础。

（9）从实际产品应用看，真正的智能压实系统目前应用并不普遍，而没有自动反馈控制系统及可调节压实力的振动轮的IC，最多只能算是一个辅助压实系统，相当于给了操作手一副夜视镜、放大镜等，或者就是汽车的倒车雷达，而远不是自动驾驶系统。相对而言，国内的智能压实还处于技术认识和积累阶段，目前主要专注的垂直振动钢轮，是IC技术的基础，看似一步之遥，但这一步很大、很难跨越。

（10）IC技术较传统压实方法在提高压实质量和作业效率方面具有无与伦比的优势，但因其结构复杂和技术含量高，导致对操纵手的要求高，售价也比一般产品昂贵，因而在很大程度上制约了它的推广应用。制造厂商需要尽快将产品技术成熟起来，将成本降下来；而用户需要重视施工质量和作业效率，积极成为IC产品的实践者、推广者和受益者。只有这样，IC产品才能尽快走出“叫好不叫座”的尴尬。

（11）智能压实的根本是根据压实过程的需要自动调节振动力，而调节振动力分为改变大小和方向2种方式；垂直振动向水平振动转变只是振动型式的改变引起的振动力方向的改变，而无级调幅可以实现振动力大小的改变，两者都可以实现智能压实。

（12）内外套轴式无级调幅振动轮分为离合器旋转驱动式和螺旋槽直线驱动式2种结构型式，前者实现智能压实最关键的部件为变幅驱动装置和离合器，后者为旋转联轴器和双螺旋槽结构的内振动轴。

（13）振动室双轴式垂直振动轮分为空心馬达直驱式和同步带侧驱式2种结构型式，两者既可以独立应用，将偏心块设计成传统的固定偏心块加活动偏心块型式，可以依靠振动马达正反转实现高、低两档振幅；也可以结合压实度在线检测及反馈系统控制振动室驱动装置旋转实现智能压实。

（14）同轴式垂直振动轮是实现垂直振动的根本方法和最佳方案之一，其最简单的结构为同步带加齿轮副及两套轴系；如果将大、小偏心块设计成传统的固定偏心块加活动偏心块的型式，则可以依靠振动马达的正反转实现高、低两档振幅；更进一步地，如果在同步带和传动轴之间加上离合器及旋转驱动装置，以改变套轴上大偏心块与左、右振动轴上小偏心块的相位差，则可以实现智能压实。

（15）将振动室双轴式和同轴式垂直振动轮进行组合，可以得到一种振动室三轴式结构，为宝马格公司最新型智能压实钢轮，其优势在于结构更加紧凑，且因偏心块更加分散而可以选择较小的振动轴承。

（16）对于振动室双轴式垂直振动轮而言，任何改变其中一个振动轴上偏心块相位角的方式，都不可能产生斜向振动和水平振动，而只能得到“复合振动”，要实现垂直振动到斜向振动再到水平振动调整，必须且只能（充要条件）依靠调整振动室的方位来实现。

（17）涉及振动轴上偏心块的相位差时，必须以其中任意一个偏心块自然垂直向下为0°作为基准，以此来确定另一个偏心块相对于它的相位差，顺时针或逆时针均可，否则就会出现“混乱”状况——两个振动轴旋向相同时无所谓，而相反时则相位差在随时发生着变化，也无法区分0°和180°的情况。

（18）在本文所述的所有振动轮结构中，还有一些细节需要关注，如：为了使得传动紧凑、平稳并提高传动能力，可以考虑采用斜齿轮；对于振动室双轴式垂直振动轮结构，可以考虑“压力润滑”或增加“润滑齿轮”的方式，解决振动室内轴承及齿轮的润滑困难问题，并且可以大幅减少润滑油量；对于双钢轮智能压实钢轮，应保证斜向振动时前、后轮的受力成镜像对称状态（即旋向相反），这样可以使得传递至车架上的水平力抵消，有利于提高压实质量。

（19）与传统的圆周振动相比，垂直振动压路机的优势不言而喻：由于只有垂直方向上的振动力，因而压实能量更加集中，损失小；最直接的效果就是作业效率更高，有效压实深度更大，钢轮振动对周围材料的扰动更强烈（深度）但范围（半径）较小，轮体磨损小；其延伸优点是具有一定的节能与环保意义，以及更加适合大厚度铺层的艰难压实工况，可以誉为压路机中“专啃硬骨头”的“劳动模范”。除此之外，其他任何过多、过分的美誉都存在“欲加之功、何患无辞”的嫌疑。

（20）关于如何看待垂直振动压路机的优势及其应用前景的问题，“不拒绝、不夸大、不贬低、不轻信、不盲从”才是我们应有的、科学的态度，而先从实现原理和产品结构上彻底地搞清楚才是当务之急；智能压实技术也是如此。

（21）在进行产品对比时，一定要注意是“同级别”的产品才能进行对比，而且不能“以己之长”来“比人之短”，尤其不能犯“双重标准”的错误；正是由于相关资料中“不规范”的对比，才得出“垂直振动压路机的综合压实效率较圆周振动提高3倍”、“2台完胜8台”这样不切实际的结论。

（22）圆周振动压路机对压实工况的适应能力是最强的，在一个赫兹振动周期内，绝大部分时刻兼有垂直方向分力和水平方向分力，但由于作用时间短，其压实能量不足且影响深度不够，因而在压实厚铺层时不如垂直振动压路机，在压实薄铺层时不如振荡或水平振动压路机；但反过来讲也成立。

（23）与振荡压路机的发展历程一样，在以后相当长的时期内，垂直振动压路机也必然是一种“边缘”产品——还将继续在振动压路机的“夹缝”中艰难前行，大坝高填方、稳定土路基、RCC等超厚铺层才是其大展身手的地方——成为能够“揽瓷器活”的“金刚钻”才是垂直振动压路机的优势所在。

（24）垂直振动压路机诞生了将近30年，但并没有在世界范围内大面积应用，只是由于国内外压实施工工艺对铺层厚度要求的差异，导致最适合其压实的工况“此况哪都有，中国特别多”而已。

（25）智能压实技术绝对是下一步的发展方向，只是国内还处于技术认识和积累阶段，市场还需要一定时间培育，但是抢占技术制高点的冲锋号已经吹响。

参考文献：

[1] 万汉驰.振动压路机压实机构分析[J].建筑机械化，2007，28（3）：17-19.

[2] 万汉驰.复合振动压路机作用原理初探[J].建筑机械，2002，22（10）：45-50.

[3] 譚忠华.智能压实：需要的只是更多机会[J].筑路机械与施工机械化，2016，33（9）：19-29.

[4] 刘玉龙.垂直振动压路机振动压实技术的研究[D].合肥：合肥工业大学，2012.

[5] 徐慎初.振动压路机的振动机构[J].建筑机械， 2002，22（8）：24-26.

[6] 宋 浩.垂直振动压实技术及其应用[J].工程机械与维修，2010，17（1）：146-147.