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振动压路机:无级调频只是一个并无多少技术含量的“噱头”?

筑路机械与施工机械化2018-01-12 17:49:18


从压实机械诞生之日起,尤其是振动压路机的出现,人们就一直将如何提高压实质量和作业效率这两项核心指标作为主要课题来研究,并且远没有到结题的时候。


振动压实过程是一遍一遍来回进行的,在整个过程中材料的物理和力学特性在逐步发生变化;为了适应这个变化(压实的不同阶段),需要不断调节压实力的大小或方向。需要说明的是,由于被压实材料及压路机激振系统的动力学特性具有非线性特点,导致压路机的压实力(铺层材料实际受到的力)与振动力是两个不同的概念,其数值也不是激振力与钢轮上分配质量的重力之和。为了简化问题,下面所有的讨论将仅仅涉及振动力(激振力)。


就振动压路机而言,振动频率、振幅、振动形式、参振质量和车架分配质量是与钢轮振动相关的五个要素,其中参振质量和车架分配质量原则上是不可改变的;通过调节振动频率或振幅可以调节振动力的大小,而改变振动形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,振动力的调节正是大致沿着“调节振动频率、调节振幅、调节振动力方向”这个模式演化的。


与振动频率相关的调节技术


由于液压技术所限,早期的振动压路机大多采用开式液压系统实现单频振动;后来使用了各种液压阀以及闭式液压系统,双频振动就变得稀松平常了。同样是为了提高压实质量和工作效率,以及使同一台机器适应不同的工况(既包含不同的工程工况,也包含同一工程、甚至同一施工点的不同压实阶段),压实速度监控系统和高频振动压路机便应运而生。


所谓压实速度监控系统,并不是什么“高大上”的东西,其实就是速频表的应用,即将压路机的压实速度与钢轮振动频率的比值用仪表显示出来。当仪表指针处于中间绿色区域时代表压实速度合适,而两端的黄色/红色区域则代表压实速度偏高或偏低,以此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(冲击次数太高易过压实而形成坑槽,太低则达不到密实度要求),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)。


所谓高频振动,即振动频率达到65 Hz以上。戴纳派克公司于1995年首次将高频振动理论应用于双钢轮振动压路机。这种双钢轮压路机一般设计有两种工作模式,一种为正常振动频率匹配大振幅以适应一般厚度沥青铺层的压实,另一种为高频匹配小振幅以适应薄沥青铺层的压实。其中高频振动压实模式,因激振力适中而不会引起骨料破碎,又因振动频率高可以加快压实速度(速频表的原理),因而可以大幅度提升作业效率,这对避免沥青低温压实也是很有好处的。


还有一个“高大上”的名词就是无级调频,很有必要在此“辟谣”一下。当压路机的振动系统为闭式液压系统时,柱塞泵的斜盘采用机械限位即可实现两挡频率;所谓“无级调频”是因为机械限位点是可以现场任意设定的,所以振动频率也是可以现场任意设定的。这种说法理论上并无大错,但存在的“必要性”和“可行性”不足,原因有二。


其一,各种基层(如土壤)和道路面层(如沥青混凝土,水泥混凝土也可以视为面层)几乎涵盖了绝大部分振动压实工况,而被压实材料的物理和力学特性决定了各自最适宜的压实设备,即振动频率为30 Hz左右的单钢轮振动压路机和50 Hz左右的双钢轮振动压路机,相当于大的工况已经区分开来;那么,小的工况差异就仅仅在于铺层厚度和压实阶段的不同,而这主要体现为需要不同的激振力,而且是依靠改变振幅或关闭振动来实现的(使用不同吨位的振动压路机则另当别论)。


其二,具体工况一旦确定,为了保证压实质量,要求施工工艺不能随意改变,在施工现场调节频率的可操作性并不强。总之,最经济而又能够自动实现的振动轴正反转双频率,同时对应双振幅,便可以轻松满足一般的施工需要,太多振动频率并无多少实际意义。


因此,无级调频只是一个并无多少技术含量的“噱头”——一种说法而已,大可不必当真,类似“有总比没有好”的锦上添花式的东西,反而要看所花的成本值不值。


最简单的就是最实用的,真理无处不在。


与振幅相关的调节技术


与振动频率的发展历程有些相似,振动压路机的振幅也经历了由单振幅向双振幅、多振幅、无级调幅方向演化的过程;当然,这个过程并不是简单的直线发展,也不代表前期技术就已经完全淘汰,更不代表后期技术就是当然的主流。


多振幅技术的应用最早见于英格索兰公司的DD系列双钢轮振动压路机上,依靠人工调节可以实现八挡振幅,该产品曾经风靡一时。在此基础上,徐工于1993年研制了五挡振幅的YZC10A型双钢轮振动压路机,对调幅机构进行了结构优化,并取得了国家实用新型专利授权。


现有的多振幅技术存在两方面不足:其一是调幅机构位于钢轮幅板和行走驱动减速机之间,必须由人工调节,而且需要中断压实过程;其二是制造商并没有给出在什么工况下适合使用哪一挡振幅,用户又不掌握这方面的有效信息,因此导致绝大部分用户从机器购买之日起就从未调节过,使得它变成了“摆设”。这就好比是人们的手机或电脑,首屏上的功能(相当于多振幅机型的出厂初始设置振幅)才是我们真正所需要的,而后台下载的很多应用软件(相当于通过人工调节后可以实现的其他振幅),一次都没有用过也不是什么稀奇事。目前,多振幅的概念和产品已经逐步淡出了人们的视线。


有了多振幅的概念,无级调幅自然就应运而生。按照上述“多振幅无用”的说法,无级调幅似乎应该也是无用的,因为无级调幅比多振幅具有更多种振幅,因而更没有意义;其实不然,而且恰恰相反,原因在于多振幅(不包含两振幅)的缺点在于不方便调节和不知道如何应用,而这两个缺点,两振幅和无级调幅都很巧妙地避开了。两振幅可以由液压系统自动实现,无需为在什么工况适合使用哪一挡振幅而忧虑,因为降低了选择难度;而无级调幅也是自动实现的,是与压实度在线检测系统“联袂主演”,它还可以是某种智能压实技术(只改变振动力大小)的基础。因此,无级调幅才是最需要的,也完全可以称得上是一种“高大上”的技术。


与振动力方向相关的调节技术


如前所述,由于压实是一遍一遍来回进行的,随着压实过程的推进(即压实度的逐步提高),振动力需要逐步调弱(初压采取静压方式,是为了防止铺层材料过分推移,此点除外);在实际压实工艺中,一般采取先大振、后小振、终了静压的方式。为了实现压实过程的更精细化控制,能够自动调节振动形式(只改变振动力方向)的智能压实系统便是一种很好的选择。


回过头来再从大的工况角度说明振动力方向的调节问题。压实工况既有“粗犷”的块石填方、超厚铺层稳定土,也有一般的基层、次基层,更有“温柔”的沥青混凝土薄铺层,它们都具有各自适合的振动频率和振幅范围;除此之外,不同的振动形式也是在各种特殊工况下实现高质量、高效率压实的主要途径。于是在振动压路机的基础上,发展出了适合压实沥青混凝土薄铺层的振荡压路机、适合压实超厚铺层的垂直振动压路机,它们成为不同振动形式的产品适应不同压实工况的应用典范。


单纯从用户角度考虑,研究和推广新技术、新结构的目的,不外乎提高压实质量、提高作业效率、改善操作舒适性、节能环保、降低振动对环境的危害、扩大机器适用范围等。表1以振动压路机为参照对象,采取正面加分(+)、负面减分(-)的模式,对各种振动形式的产品进行了宏观评估。


表1 各种形式振动压路机对外表现效果对比

需要说明的是,作为压实工作最核心的压实质量、作业效率两项要求,仅是对产品各自的适宜工况而言的,节能环保也是基于此。因此,尽管垂直振动压路机、振荡压路机在这三个项目上都为“+”,但其市场表现却仍然一直“甘拜下风”,并且可能会永远没有“出头之日”,也就很容易理解了。


再者,排除在某一形式的产品上使用特殊的新技术(如属于操作舒适性的减振新技术、发动机节能新技术等)而使其相关指标得到加分的情况,这些新技术也可以同样使用在其他形式的产品上。换一句话说,不同形式的振动压路机,其压实原理本身就决定了各自的优缺点,这是天生的、不可改变的。


另一方面,从某种程度上讲,振动压路机就是一种“折中”型产品——压实薄铺层时不如振荡和水平振动压路机,压实厚铺层时不如垂直振动压路机;当然反之也成立,即振动压路机压实薄铺层时优于垂直振动压路机,压实厚铺层时优于振荡压路机和水平振动压路机。


注:节选自《垂直振动与智能压实技术刨根问底》,作者为江苏骏马重工集团万汉驰,全文见《筑路机械与施工机械化》杂志2017年3期。




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