压路机机载压实度检测仪技术发展趋势

公路工程压实施工土方工作量越来越大，传统压实度检测方法已经很难满足施工需求并及时指导施工作业。近年来国内外都在开发振动压路机机载压实度测定仪和冲击压路机压实控制系统。作者就国内外该类产品的技术作了论述，并提出了该技术的发展方向。
国外压实度仪：上世纪70年代，国外针对振动压路机记载压实度仪开展了研究，有些成果已应用于工程质量控制。日本曾用加速度法来检测压实度，即倒料前将加速度计预埋在碾压层下面，在碾压过程中，有携带在压路机上的检测装置来测量预埋传感器的加速度值，根据测得的加速度值来估算压实质量，但加速度计只能使用一次。上世纪80年代，瑞典Geodynamik公司开始研制了压实度计，并申请了专利就（国际专利申请号：WO94/25680，无指定申请国）。该仪器装在振动压路机上，整个系统由一台振动压路机、一台压实度仪、一台压实记录系统构成连续压实度控制系统（CCC）。其通过测量振动轮振动垂直加速度波形的畸变程度来评价被压材料的压实程度，利用振动波基波和二次谐波的比值来表示振动波形的畸变程度，通过常规试验对比，得到压实度值。在压实过程中，驾驶员可以从压实度计上随时了解压实质量，但其评价指标缺乏明确的物理意义，功能单一，检测值与实测值偏差较大。美国发明人也有不少类似的专利，例如专利US4734846、US4870601号的检测仪器等等，不过实际装机检测小效果并不明显。上世纪90年代，德国Bomag公司研制OVEGA压实度仪和TERRA表，其原理是利用一个加速度传感器来记录振动压路机压实轮的垂直加速度值，所测信号经微处理器计算后得出压实仪值（CMV），显示在仪表盘上。CMV随着压实土层的迷失度增加而增加，被压实土层的压实度越高，CMV值就越大。对于给定的路基土层和振动压路机，总存在一个最大的压实度值，当CMV值停止增大，压路机司机就知道了进一步压实不会再增加压实度，除非更换更大的吨位的振动压路机，这良种仪器不能应用在非振动压路机上。2001年秋天，北京工程机械展览会上，Bomag公司又推出了新的压实度检测系统。该系统称为智多星压实控制系统，其原理是根据被压实材料的密实变化自动选择适当的振幅，以优化激振力的输出。单钢轮振动压路机采用控制振幅的Variocontrol系统，其设有5个垂直振幅挡位，供驾驶员手动操作。双钢轮振动压路机采用控制振幅和激振力方向的Variomatic系统，可根据前、后钢轮对被压实材料不同的响应信号来自动调整相应的振幅和激振方向，以优化激振力的输出。英国土地压实技术公司已于1996年向中国专利局申请了"对土体压实度进行监测的方法和设备"。2002年获中国专利局授权，专利号ZL96193476·×。该专利主要结构是将一个加速度传感器装在冲击压路机上，根据冲击轮冲击土体表面时的减速度来推算出土体表面层的压实度。简单化的设备已经安装在国外的冲击压路机上，使用效果并没有见到相关报道。
国内压实度仪：自从瑞典开发了用于振动压路机的机载压实度计后，国内压实度连续检测研究成为热点。上个世纪80年代后国内在压实计方面开始研究。江苏宝应某仪器厂曾开发了机载压实度检测仪，福建省三明重机厂试装在YZ16H型振动压路机上，该仪器由于采用数码管显示，没有应用计算机智能控制技术，尽管成本低，但在实际应用中效果不明显，仪器显示值与实测压实度不能很好地对应，该仪器在技术上有待于进一步提高。河南洛阳某公司也开发出了"智能化压路机路面压实度检测仪"，仅在振动压路机上试装过少量。2001年，陕西省西安市铁道部20局工程机械厂率先在国内大吨位振动压路机上试装国内外产的压实度仪，该厂购买了Bomag公司的压实度仪（TERRA表），装在新开发的YZ20型振动压路机上。该装置售价达数千美元，由于装机数量仅几台，国内检测工艺不配套等原因，该产品尚需要进一步被市场接受。河北工业大学经过多年研制，开发出压实度连续检测系统，该系统一装在国内几家振动压路机厂的产品上进行了全面考核。现场试验结果表明，该系统可靠性高，使用方便，经济性好。其技术核心在于系统具有传感、分析压实轮与被压实材料相互作用动力学关系的功能。该系统应用数理统计理论，编写了具有一定置信度的预测系统软件，将实测加速度值与固化在仪器中的标准数据对比，形成了内置专家系统，通过运算、分析，可以得到压实度、振动频率、压路机运行速度等值。相关的压实数据可在驾驶室屏幕上显示出来，同时储存到软盘上或直接送入大容量数据存储器，这些储存和已记录的的数据可提供已完成压实工程的详细、准确的资料，并可用来解决承包商的施工监理之间可能产生的误解。仪器的基本工作原理是：在压实初期，基础的弹性刚度较小、阻尼较大，系统响应较小。随着压实遍数的增加，基础的弹性刚度变大、阻尼变小，系统的响应不断增大。振动轮的动力学参数的变化与基础的压实度变化密切相关，振动轮的垂直加速度与基础的压实度正相关。通过振动轮的动态响应来检测基础压实情况，能更好地反映路基下层的状况及承载力。与传统检测的压实度相比，其误差可控制在±3%以内，并可以通过经验数据和现场标定进行修正。该就"智能化道路机载压实检测仪"于2004年夏获中国发明专利授权，专利号：ZL01144533·5。
技术发展方向：1、单机智能作业：将振动压路机、压实度仪、专家系统等组成一体，构成压实智能控制系统。振动压路机的振动轮激振力的作用方向决定了传递给其基础压实能力的大小。在压实度检测系统中，振动轮的激振力变化由调节两根偏心轴上偏心块的位置来实现，检测系统发出的信号来控制带有行程传感器的油缸，有油缸在纵向和横向之间调整两根偏心轴上偏心块的相对位置，随着基础压实度的提高，使激振力由纵向变到横向，并适时调整振幅。这样能够消除跳振和骨料破碎，避免出现压实不足或过度压实的问题。2、定点控制：压实智能控制系统将全球卫星自动定位系统（GPS）引入检测系统，根据压实路段的土质土层力学性质的不同，实时定点执行相应的压实工艺进行作业。即不"欠压"又不"过压"，避免了现有工艺中不论土质烛台一律必须压实若干遍的情形。这样既可保证压实路基的施工质量，又可大大提高施工效率。3、机群智能化：采用无线数据传输技术，将压实度仪检测的数据实时传送到工程质量空子中心，为实现压路机、装载机、摊铺机等路面施工机械的优化作业提供相应信息，做到机群的智能控制。