单钢轮振动压路机技术经济性终极对决（上）

文 | 万汉驰

导语：

长期以来，业内关于机械式与全液压式压路机的讨论从未停歇，孰优孰劣至今未形成放之业内皆认可的公论。虽然两类压路机支持者的观点并不统一，但并未妨碍它们在整个市场上长期此起彼伏、亦可圈可点的表现。

本期我们刊出万汉驰先生对于机械式与全液压式压路机更全面剖析与论述的文章，与大家共同品读。

01 前言

关于单钢轮振动压路机中全液压和机械式2种机型优劣的讨论文章，已经多达十余篇（文后参考文献中特意按发表时间顺序列出，受篇幅所限无法穷尽），旧话重提不仅没有任何新意，甚至可能会引起一些人的反感。然而，近期发生了2件事情，促使笔者下笔。

其一，据路面与压实机械分会行业报表数据显示，三一路机2017年1~9月压路机销量达到1 025台，同比增长96%，其中全液压单驱型单钢轮振动压路机占据了绝大部分份额，而这种压路机正是笔者一直极力鼓吹和推动的产品，也是文后其他参考文献的作者们集体不看好的产品，不知应喜还是当忧。

其二，笔者最近看到了尹继瑶《机械式与全液压单钢轮能耗及技术经济性比较》（参考文献［9］），觉得这篇旧文中得出的一连串让人不可思议的结论值得商榷，如“设若压路机的年工作时间为2 000 h，以21 t机械传动机型替代18 t全液压机型，每年能够节省成品油5.64亿L，约合47.9万t”，以及“按折旧期10 000 h计算，每使用1台21 t机械式的替代全液压的，投资费用减少43.31万元，使用费用减少63.2万元。10年间为用户节省了固定投资329.77亿元，总运营费用（含使用费用）节省了811亿元”。而笔者认为，这些数据过于异乎寻常。

本文也以文献［9］的论述模式展开分析。2017年压路机行业将出现同比40%左右的增长，其中全液压（含双驱动和单驱动2种机型）和机械式单钢轮振动压路机2种产品销售得都很好，并没有出现因机械式存在所谓的十分巨大的经济指标优势而将全液压压路机“一举打趴下”的情况。这是否也从反面说明参考文献［9］中的一些结论是值得怀疑的呢？

笔者还是要感谢师长尹继瑶先生提供了很好的范本及相关计算公式，下面就按照参考文献［9］的条目展开本文的对比分析，有些合适的内容就直接引用过来。本文中的数据与参考文献［9］中不一致的地方并非“纠正”，只是个人不同的看法。

这是笔者最后一次对这个话题进行讨论，视为“终极对决”。

［9］围绕“能耗及技术经济性对比”进行了论证，本文主要关注与之密切相关的“用户效益”（经济性）和“社会效益”（节能减排）、以及产品本身的“技术性指标”（技术性）3个方面，这也是表1设置★号项目作为关注焦点的原因。

“用户效益”包括压路机的压实力和性价比，其中“压实力”类似于“雇一个有多大能力的人干活”，但它从属于“性价比” ；“性价比”包括采购性价比和使用性价比，可以综合为投资总性价比，类似于“每出一份活需要付出多少工资和饭钱”。“技术性指标”按表2进行“打包”作为一项处理，类似于这个雇员的“工作质量（压实质量）、服从安排（操作舒适性）、对其他人员工作的帮助（企业税利）等”。“社会效益”包括单位压实力重量和单位压实力油耗，类似于“每出一份活消耗了多少社会资源”，即是否是“集约型”、“高密度型”、“节能环保型”产品之类；考虑到“社会效益”具有一定的“柔性”特点，此两项合为一项，也是一种“打包”方式。这样就形成了“三局”——投资总性价比、技术性指标和社会效益，可以“三局两胜制”判出二者优劣。

02 技术性对比分析

由于本文文题为“技术经济性终极对决”，所以不能只谈经济性、不谈技术性。参考文献［9］文题虽为“能耗及技术经济性比较”，但好像并没有谈及技术性——产品技术性能方面的优劣对比。

为此，本文首先将“技术性”进行分析，然后一心一意谈“经济性”。

（1）选择压路机的对比机型。这是首要问题。工程压实的施工工艺中首先确定的是土方铺层的厚度和压实度要求。因此，压实能力成为压路机用户选型的第一要素。

振动压路机的压实力与其振动轮的参振质量、振动频率、名义振幅及其质量分配有关。为了评价一台振动压路机的压实能力，从压实效果而论，采用一个“当量压实力”的概念。振动轮的当量压实力为其静压力与激振力之和并乘以一个考虑动作用的超加系数，同时它就是压路机的总压实力。

笔者不认为压路机的总压实力为振动轮的当量压实力与驱动轮胎的静压力之和，因为尽管驱动轮胎的柔性压力能够减轻铺筑材料表面的松散程度，但由于其对铺层材料的压强与振动钢轮相比太小（相差5倍之多，下文有详细计算），因而对提高压实度起不到实质性的作用。另外，与振动压实钢轮相比，轮胎的覆盖宽度不足一半，又不能只用轮胎来回碾压完成铺层表面的全覆盖；而且由于轮胎花纹的原因，会在振动钢轮压实过的表面留下痕迹（但这并不代表有效的压实效果），反而是一种破坏作用，这也是很多压实工艺中要求用“静压”进行终压光面的原因。

一般而言，只要有重量的物体就能产生相应的压实效果，这就是静作用压路机的压实原理；但如果重量不增加，在已经反复压实过的铺层上就不会继续起压实作用，这也是发展和使用更大吨位产品的原因，当然使用大吨位产品的实质是增加压强。在虚铺材料上，单钢轮振动压路机的驱动轮胎确实可以起到压实作用，但施工过程中第1遍碾压的肯定是振动钢轮，而不可能是轮胎；经过振动钢轮碾压后，轮胎就起不到压实作用了，但可以改善轮胎的驱动性能。

关于振动钢轮和轮胎对地面产生的压强计算如下。现有相关产品的振动钢轮尺寸为φ1 520 mm×2 130 mm，设定虚铺稳定土第1遍压实产生50 mm的下沉量，则振动钢轮与铺层接触的圆弧面积约为0.57 m2，按18 t机械传动机型的振动轮当量压实力545.8 kN（下文有具体计算）计算，那么振动钢轮产生的压强约为0.958 MPa。设定（也可检测）2个轮胎与地面的接触面积为2×500 mm×500 mm＝0.5 m2（轮胎的充气压力对接触面积有一定的影响），按18 t机械传动机型的后轮分配质量9 t计算，那么驱动轮胎产生的压强约为0.180 MPa。由此可见，单钢轮振动压路机的驱动轮胎是起不到压实作用的。

因此，按现有机型的技术参数计算，18 t全液压机型大振幅时的总压实力为632.9 kN，18 t机械传动机型的总压实力为545.8 kN。若要以等同压实能力的机械传动机型替代全液压机型，则应以632.9 kN的总压实力反求，得到的机械传动机型应是20.9 t，按现有产品对应圆整为22 t，工作重量比全液压18 t增加了22.2%。

这里有一个疑问，参考文献［9］中的表1所列21 t机械式压路机未说明生产厂家，应该是虚拟的吧？吨位虽为反求而得，但主要技术参数纯属杜撰。本文所列3种产品，真实存在，就是徐工的XS183、XS183J、XS223J压路机，技术参数在网络和产品宣传册上随处可查。

（2）对比纬度。确定了产品，接着就需要解决“对比纬度”问题。

对压路机而言，本文确定的“宏观”对比纬度为社会、用户、主机厂家、配套厂家4个方面，“微观”对比纬度则包含这4个方面各自对应关注的焦点问题，而这些问题又必然以不同的指标体现出来，关注指标见表1。为了简化问题，表1中用★号标注为本文将要讨论的重点。

（3）技术性对比分析。将表1中未标注★号项目统称为“技术性指标”，并进行定性对比分析，见表2。由此可见，从技术角度分析，与机械式单轮振动压路机相比，全液压机型的技术性能优势是非常明显的，毋庸置疑。

03 经济性对比分析

若以“对于具有相同工程压实能力的全液压单轮振动压路机和机械传动单轮振动压路机2类产品，谁的综合效能更高？”为命题要解答就要有量化的判断依据和结论。

表1 压路机技术与经济性对比纬度设计

表2 压路机技术性指标对比结果

为求解命题，必须做出具体的分析计算。设定以某18 t全液压机型与相同规格及基本等同压实能力的机械传动机型作对比，计算其压实能力、工作效率、消耗功率、购置及运营费用等，并从产品性价比、钢材消耗和油料消耗等方面评价其综合效果。

（1）计算压路机的总压实力。如表3所示，列举了进行三方面（真正对比的是两方面）的基本参数情况对比。

如果按照参考文献［9］中压路机总压实力数据对比的话，即液压18 t为680.4 kN、机械18 t为544.5 kN、机械21t为636.0 kN，那么液压18 t将占7.4%的“便宜”，而“机械21 t”则有2.5%的“吃亏”。

表3中数据虽多，但归根结底是第7、8项起作用。对用户而言，不论哪种压路机，第7项的压实力越大越好。在这一点上，机械式22 t的高3.0%，主要是吨位圆整的结果，而机械式18 t的压实力差距悬殊（低于液压式13.8%）。如果将2种机械式压路机的压实力取平均值为598.9 kN，实为一项误差很大的假设。

表3 压路机的主要技术参数

对社会而言，第8项才是有意义的，且越低越好。在这一点上，2台机械式液压式18 t相比，均差距明显，低16.0%以上。

不仅如此，还需要关注3种产品的发动机配置及差价，正所谓一分价钱一分货。对工程机械而言，发动机是最重要的配套件，绝大部分用户愿意多花1、2万买1台进口品牌发动机的产品，这也是“无名感觉”其中的一项，如同戴只名表、背个名包一样很是受用的感觉。

参考文献［9］中说“此处未计发动机的排放标准，因为这与传动方式毫无关系（若用户需要，机械传动的同样可以配置高标准发动机）”，此话前一半对、后一半错，因为“配置高标准发动机”不可能是免费的，如表3中第9条（目前已全部推行国Ⅲ排放标准），这将直接影响压路机的售价即购置费。或者反过来讲，液压传动机型同样可以配置与机械式一样的发动机，因而可以降低售价；这不是假设，而是事实——徐工XS183就同时配置有与XS223J基本一样的上柴发动机。

同理，选择驱动桥、轮边减速器时，液压传动机型也不一定非得用进口品牌。

（2）计算压路机的消耗功率。为了保持本文的完整性，将参考文献［9］的相关内容照抄如下，但根据本文的思路调整了相关数字。

全液压振动压路机有振动、行走与转向3个工作机构，相应的有3个液压传动系统。液压系统的传动效率可以查对油泵与油马达的传动效率曲线图求得。每个液压系统的总传动效率为泵与马达的机械效率和容积效率的乘积。

振动系统传动效率

设定3个型号压路机的振动系统均使用闭式回路液压传动系统，则大振幅时振动泵的斜盘倾角为0.85（频率比28/33），振动马达的转速为1 680 r·min－1。对于最大工作压力为30 MPa的振动液压系统，应减去抗冲击压力、起振峰值压力和补油压力，实际的许用压力差仅为22~23 MPa。当振动泵的转速为2 000 r·min－1时，得振动液压系统的传动效率（包括泵与马达的机械效率和容积效率）为ηv＝0.832。

行走系统传动效率

全液压单轮振动压路机的行走驱动是液压与机械联合传动的。振动轮的轮边减速器的传动效率为0.85左右；驱动桥（斜齿轮副减速＋双曲线锥齿轮主减速＋轮边减速）的传动效率为0.97×0.90×0.97=0.847。当压路机的碾压速度最高为4.2 km·h－1时，可取大振幅碾压的行驶速度为2.85 km·h－1（取值原因后文有述），则驱动泵的斜盘倾角为0.68（速度比为2.85/4.2）。前后2个马达的转速同为700 r·min－1，选用2个相同排量的驱动马达，其前后轮的液压传动效率也相等。当驱动泵的转速为2 000 r·min－1和工作压力差为25 MPa时（尽管系统最高设定压力为35 MPa、甚至40 MPa以上，但那主要是为爬坡等极限工况储备的；一般压实工况即便是初压，行走系统的压力也就25 MPa左右），其液压传动的效率也按液压振动系统的0.832考虑。计算得行走传动系统（包括液压传动与机械传动）的综合传动效率应该在0.70左右。

对于机械传动单轮振动压路机的行走系统，机械变速箱的传动效率应为0.984~0.922，驱动桥（螺旋锥齿轮主减速＋轮边减速）的传动效率应为0.90×0.97＝0.873，总传动效率为ηk＝0.805。

由此可知，全液压机型行走系统的传动效率比机械传动机型低得多，其总传动效率只有机械传动机型的87%左右，势必将影响全液压机型的牵引功率和发动机的功率消耗。

单钢轮振动压路机用做工程基础压实，作牵引性能计算时一般取压路机行驶的滚动阻力系数为0.14，地面纵向坡道角最大为6.3°，压路机驱动轮的滑动率为5%。单轮振动压路机的质量折算系数为1.25，取碾压速度为ν＝2.85 km·h－1，起步加速度为0.20 m·s－2，但振动压实时不得加速。将上述参数代入尹继瑶的原创公式可求得压路机牵引力和牵引功率的简化计算式。计算表明，尽管全液压机型的牵引力较小，但因其传动效率较低，使发动机的牵引功率反而增加了。

转向系统传动效率

对于10~22 t的单轮振动压路机，全液压机型是驱动轮胎先转向，机械传动机型是振动轮先转向，其转向功率可近似地归结为一个系数乘以转向轮分配重量并除以传动效率。压路机计量马达转向系统的传动效率取ηr＝0.67。

牵引功率与振动功率及转向功率相加，再加上液压系统的背压损失功率，即为振动压路机所需的发动机输出功率。液压系统背压损失占总功率的比例为全液压机型取0.03，机械传动机型取0.015。

压路机相关传动部件的传动效率及来源见表4所列。

有两点必须说明。

关于压路机压实速度的选取。一般初压速度比较低（如2.5 km·h－1），中间过程及终压时速度应该逐步提高一些，甚至可以达到4 km·h－1，综合取值3 km·h－1较为合适。这对液压传动行走的压路机而言，不存在任何问题，因为其无级变速而可以“随心所欲”；但对于机械传动行走的压路机而言则做不到——不是不需要，也不是不想，只是无法做到！由于机械式的最低挡速度大都在2.75~2.95 km·h－1之间，因此取平均值2.85 km·h－1作为基准比较合适，而不加分析地取2.5 km·h－1是不合理的。

表4 压路机传动部件传动效率计算

另外，机械传动式压路机的传动效率计算中，并未包含换挡过程中离合器的功率损失。而这是真实存在的例如离合器发热消耗的能量，这里将其作为非关键环节省略。

此外，参考文献［9］中，为何将驱动桥一的螺旋锥齿轮主减速的传动效率设定为0.90，而将驱动桥二中的双曲线锥齿轮主减速的传动效率设定为0.85？又为何一定要“让”液压传动机型使用带“斜齿轮副减速”（即升/降轴箱）的进口品牌DANA公司的驱动桥呢？想必是主机就是如此配置的吧？徐工、精大、分宜等都可以提供不带升/降齿轮箱、同样适合于液压机型的驱动桥。再者，为何将驱动桥一（国产品牌）的轮边减速的传动效率设定为0.97，而将同为行星式的振动轮轮边减速器（进口品牌）的传动效率只设定为0.75？其原因现已无从知晓了。本文参考0.97但按0.95计算，应属保守计算。

还有两点需要特别说明。

其一，本文沿用了一些参考文献［9］中的数据（未提出异议部分），但作者并不能保证这些数据绝对准确；而本文提出的那些数据，也只能按“相对值”进行理解（相对值是准确的），因为其“绝对值”是建立在原参考数据基础之上的。

其二，严格来讲传动效率是不能依靠数学公式计算的（可以用于设计计算和验算），而应该进行试验得到，因为厂家与厂家的产品品质是不同的，即便是同一个厂家的产品，部件个体之间也会有少量的差异。精密机械产品的品质与制造工艺及零件制造精度密切相关，而驱动桥和行星减速机属于精密机械产品无疑。

关于传动部件国产品牌与进口品牌的问题，有必要啰嗦一句。进口品牌的驱动桥和行星减速机，尽管也是国内制造，但制造工艺更加成熟和先进，质量更有保障，顺理而推，其传动效率肯定不比国产品牌的低。其实笔者认为国产品牌的驱动桥和行星减速机已经基本过关，完全可以大胆放心地使用；而高压的液压系统元件还有一些差距，只能说是部分过关而已，还处在小批量使用和提升阶段，需要配套件生产厂家加大力度攻关，同时也需要主机厂家的大力支持。

为了数据更加明晰，特意将液压单驱机型也纳入行走系统传动效率计算表格中，见表5。

压路机的消耗功率计算

综合以上，计算得18 t全液压机型的总功率为107.29 kW，18 t机械传动机型的总功率为93.35 kW，22 t机械传动机型的总功率为115.36 kW，见表6。这一结果可以用历史产品数据进行侧面验证。

如今，来自23个国家的科学家正在通过“国际海洋发现计划”开展研究，该项目利用科学大洋钻探从海底沉积物和岩石中采集数据，并监测海底环境。通过采集岩芯，科学家获得了关于板块构造的新信息，如海洋地壳形成的复杂性和深海生命的多样性。

20世纪90年代，徐工生产过YZ18型全液压单钢轮振动压路机（20 t也使用相同的发动机），配套道依茨BF6L913风冷发动机，额定功率为118 kW（风冷发动机一般为净功率，与水冷发动机同口径对比需加上3 kW左右）；同时也生产YZ14J机械式单钢轮振动压路机，配套上柴4135AK-2水冷发动机，额定功率为73.5 kW。试验和使用表明，2种产品的发动机功率都基本使用到了极限。据此可以进行简单如下推算。

表5 压路机行走传动系统传动效率计算

表6 压路机消耗功率计算

液压式18 t压路机所需的总功率＝（118＋3）×18/20＝108.9 kW

机械式18 t压路机所需的总功率＝73.5×18/14＝94.5 kW

机械式22 t压路机所需的总功率＝73.5×22/14＝115.5 kW

推算结果与表6中数据十分接近，证明其是可信的。

分析参考文献［9］中的“总功率”数据，机械式21 t与22 t由于工作质量差异（工作速度差异是共同的），其本质并无差别；机械式18 t基本吻合；而液压式18 t相差较大，主要是因为以前产品的工作质量和振动参数设计较大，即压实力较大造成，其实质也无差异。因此，也是可信的。

同样的，表6中数据虽多，但归根结底是第8项起作用，无论是对用户、还是社会而言，都是越低越好。关于这一点，两者都在“一个数量级上”（相差5%以内）——但液压式是最低的。

有人可能会认为第7项才是用户所关心的，因为压路机总功率的大小，基本决定着油耗量的大小，这关乎使用成本。其实，那是“只见树木、不见森林”的短视，就如同雇佣一个身强体壮的人和一个身体瘦弱的人干活，不能只看他们吃了几个馒头，还要看他们干了多少活，评价他们谁“值不值”归根结底是要看“每一个馒头出了多少活”即所谓的性价比，谁的高谁就值。

当然，第8条也还只是一个“过渡”指标，社会和用户真正关心的是更加直接（单位压实力燃油消耗）和全面（单位压实力的其他油料消耗）的“能源消耗费用”。

04 量化压路机的能源消耗费用

在绝大部分情况下，压路机是在一定长度的铺层上来回往返进行压实工作的，其工作效率不仅取决于压路机的压实能力和压实效率（两者与压实力、钢轮宽度、压实速度等密切相关），还与有效压实时间成正比例关系。

于是，另一个关键的、重量级“嘉宾”该出场了，它就是压路机的压实换挡效率。

（1）压实换挡效率计算。假设压路机一个来回碾压的长度为50 m（有时跟随摊铺机压实水稳土铺层时，甚至要求控制距离为30 m），压实速度为2.85 km·h－1，则单程需时63.2 s。机械式压路机换向时需要踩离合、摘挡、挂挡、松离合等一连串动作，耗时较液压传动多3 s左右。若设定液压传动式压路机的换挡效率系数为1，则机械传动式压路机的换挡效率系数为63.2/（63.2＋3）＝0.95。

由此可见，压实换挡效率是一个“总揽”压路机油耗的系数。

（2）压路机的油料消耗及费用计算。压路机使用的能源包括燃料油、液压油、润滑油和机油。在一般情况下，柴油机的正常油耗量为0.25 L·kWh－1。前述压路机的总功率是按大振幅重压实计算的，压路机还有小坡道压实、小振幅复压及行驶转移工况，因此取发动机的负载因素为0.80，则得其当量油耗量为0.20 L·kWh－1。2017年12月的柴油含税单价为6.4元/L（0#）。

全液压单轮振动压路机的液压油按初装100 L计，换油周期为2年，折合为0.025 L·h－1；润滑油按初装70 L计，换油周期为1年，折合为0.035 L·h－1；机油耗量为燃油的1.5%。机械传动单轮振动压路机的液压油按初装70 L计，换油周期为2年，折合为0.018 L·h－1；润滑油按初装90 L计，换油周期为1年，折合为0.045 L·h－1；机油耗量为燃油的1.5%。2017年这3种油料的含税单价分别为15元·L－1、14元·L－1、18元·L－1，见表7。

同样地，表7中数据虽多，但归根结底是第13、14项起作用，且越低越好。对比分析结果为：无论是对用户、还是对社会而言，机械式18 t（高约6%）和机械式22 t（高约10%）都被液压式18 t甩在了后面。这种结果的反转，主要是因为参考文献［9］中未考虑“换挡效率”这一重要因素。

当然，第13、14项只是产品“性价比”指标的一个方面，“性价比”指标还应该包括考虑产品的购置费和驾驶人员的费用。

（3）概算压路机的运营费用。压路机的运营费用以每小时费用（元）计算，并分为固定投资费用和运行费用2部分，运行费用又包括油料消耗费用、维修保养费用及操作人员工资福利，见表8。

参考文献［9］还列出了诸多项次，其实完全没有必要搞得太复杂，按售价、每年工作2 000 h、10 000 h折旧完毕3个数据计算即可。

同样地，表8中数据虽多，但归根结底第8~10项才是用户所关心的，且越高越好。

第8项表明：类似于“投资每万元钱买到了多少力气”，但这个“力气”并不代表能够“出活”的多少，既要看“出活”的效率，还要看付出了多少“工钱”和“饭钱”。从数据表面上看，液压机型最低，而且与机械式相比低24%~29%，说明液压式“买着很贵”；这是事实，但也是表象，明白的、精明的用户是不太、不会关注这个的——起码在阅读完本文之后。

表7 压路机的油料耗量及其费用

表8 压路机的运营费用计算

第9项表明：类似于“日常支出每元钱买到了多少活”，这对用户而言是实实在在有用的。从数据上看，三者相差不大，液压式稍高（2.8%），说明液压式“用着稍便宜”。

第10项表明：类似于“总投资（含购买机器投资和日常使用支出）每元钱买到了多少活”，这才是用户最终关注的焦点，也是惟一的焦点。从数据上看，机械式22 t最高，机械式18 t次之（低约1.2%），液压式18 t最差（低4.6%）——但相差都没有超过5%，属于大家可以接受的“相差不离”范围，这也与笔者的想象和直觉相吻合，想必很多人都有同感。

正如参考文献［9］中所说：此处的计算数据仅是一些近似结果，更精确的数据要用机器真实承担的费用来计算，例如实际的采购费用、油料消耗费用及维修费用等。

（未完待续）