独家丨冯忠绪:道路施工技术与装备领域的开拓者

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道路施工技术与装备领域的开拓者，长安大学教授冯忠绪

深化振动搅拌理论与设备研究   实现“振动搅拌，改变世界”

振动搅拌是国际公认的、提高混凝土搅拌质量和效率的最经济的方法之一。然而长期以来，全世界混凝土的制备大多使用静力搅拌的方法。这种方法最大的问题在于混凝土中固、液、气三相不能完全分布均匀，不仅浪费了水泥等材料，更降低了混凝土结构的服役性能。仅以生产水泥混凝土时水泥浪费这一指标来看，我国2016年的水泥产量为24亿t，按搅拌不均匀使10%的水泥浪费计算，就浪费水泥2.4亿t。水泥浪费不仅造成经济损失，而且其生产过程带来的资源浪费及环境污染同样惊人。因此，开展混凝土振动搅拌理论与设备的研究，具有重大的现实意义。

1989-1990年，冯忠绪教授在前苏联莫斯科汽车公路学院学习。期间他了解到，从20世纪30年代开始，前苏联、美国、德国、日本等国都进行了混凝土振动搅拌的试验研究，但缺乏系统性的研究，更没有与产品研发相结合研究的先例。因此回国后，冯忠绪教授便立即投入到振动搅拌技术的研究探索之中。

探索的道路从来不会一帆风顺。回国后的最初几年，冯忠绪教授与国内外前辈一样，采用普通振动机械的结构型式来设计振动搅拌机，将激振器外置研制了定向激振器外置的连续式振动搅拌机、激振器外置的旋振式振动搅拌机。1991年11月“混凝土的振动搅拌装置”获得了第一项授权专利。然而，试验结果除验证了混凝土与稳定土振动搅拌高效性外，整体效果并不理想。

几经挫折，冯忠绪教授静下心来思考振动搅拌的理论问题。首先是能否建立数学模型，寻求理论突破以及对试验的指导。搅拌机械的工作是通过工作机械与介质的相互作用完成的。工作机构与介质相互作用的动态过程的试验研究，是机器性能研究的首要任务，也是研究整机性能的基础。长期以来，，然而，这只是新拌混凝土性质的一种静态描述，不能描述混凝土搅拌的发展与变化过程。水泥混凝土搅拌时，砂、石、水泥、水和添加剂等多种材料进入搅拌室后，固体、液体和夹裹的气体等各成分间既存在物理作用，又存在化学作用，不论从微观上还是宏观上，物料的状态和结构既发生了量的变化，又发生了质的变化，形成了新拌混凝土这种新的结构材料。这种变化既可看成是随机的“生灭”过程，又可认为是确定的，有一定规律的。长期以来，国内外学者试图将这一过程定量化，但都未取得令人信服的应用结果。

从20世纪80年代末开始，冯忠绪教授带领其团队将机械工程、建筑材料、生产工艺以及实验科学有机结合起来，以节约资源降低能耗并提高混凝土质量为目标，将搅拌装置和与之相互作用的混凝土及其生产工艺作为研究对象，完成了大量的应用基础研究，以及从理论和实践及其结合上的原始性创新，不仅提出了混凝土搅拌理论，建立了搅拌过程的数学模型，得到了搅拌曲线及新的搅拌概念，以及搅拌功率的计算方法；而且根据新的搅拌概念，提出了搅拌装置参数优化法、振动搅拌法和双排搅拌叶片结构等消除搅拌低效区的方法；根据优化理论，提出了搅拌设备的优化目标及其方法，得到了搅拌装置主要参数的合理取值范围和匹配关系；基于振动作用下混凝土结构—流变特性的研究，提出了振动搅拌理论及机理，研制了双卧轴振动搅拌与立轴振动搅拌装置，发现振动作用下混凝土含气量增加、孔级配和孔分布以及界面微观结构明显改善；对二次搅拌工艺的宏观和微观搅拌机理以及对混凝土形成过程的影响机理进行了深入分析，并结合搅拌装置分析了工艺参数、设备参数与材料性能变化三者之间的内在规律性及其与搅拌效率和混凝土质量参数之间的数值关系，提出了实用的单速二次搅拌工艺；随着对搅拌过程的研究从宏观向细观和微观的发展，发现搅拌过程对混凝土强度、和易性、耐久性等诸多性能有重要影响，进而对完善搅拌设备的评价指标体系提出了建议。

科研成果只有转化为现实生产力，才能体现出价值。2011年，冯忠绪教授带领其团队在持续研究中迈开了创业的步伐，积极推动科研成果产业化应用。研究成果在20多个省市的使用结果证实，振动搅拌水泥混凝土、稳定土与沥青混合料，不仅能够节约水泥、沥青等材料，而且全面提高了工程的使用性能与寿命。2015年，冯忠绪教授向中国科学院院士闻邦椿、同济大学教授石来德等汇报了振动搅拌产业化进展情况。“振动搅拌，改变世界”，这一目标正在逐渐变为现实。

进化道路压实理论与试验  提升国产压路机整体性能

除了在道路与建筑材料搅拌理论与装备的研究，冯忠绪在道路压实理论与装备、道路施工装备的动态性能与可靠性上也颇有造诣。

压实是建筑施工中一道基本的工序，压实结果对交通等设施使用寿命的影响至关重要。研究发现，目前广泛应用的振动压实方法，能量利用率较低，易造成环境污染。鉴于此，在自行式压实、高频压实、振荡压实、振动压实、冲击压实、多频振动压实、垂直振动压实等压实技术研究的基础上，冯忠绪教授提出了仿冲击振动压实的理论与装备。仿冲击振动压实是集碾压、冲击、振动等各自特点的一种复合压实技术。实验室样机试验与10t的工业试验样机的试验结果证明，仿冲击振动压实的冲击作用力强，压实影响深度大；瞬时有多种频率作用，压实效率高；碾轮为圆钢轮，振幅恒定，不随压实材料而变化，压实度均匀，表面平整；碾轮结构采用动平衡设计，振动轴受静力作用，结构简单，可靠性好，不需减震系统，没有额外的能量损失，效率高。

此外，基于CAD、CAE技术与压路机试验得到的数据库，冯忠绪教授及其团队建设了压路机参数化设计与分析的平台。该平台将压路机—土壤系统的动力学模型、分析软件和试验结果结合起来，构建压路机参数化设计与分析平台，可以实现压路机性能的虚拟试验与仿真分析，有效地提高产品设计的水平，缩短产品设计、分析与试验的周期。压路机机械与传动系统设计与分析软件的集成，可以实现机械与液压传动系统的联合仿真；土壤的模型与分析软件，以及压路机与土壤系统的动力学模型与分析软件的集成，可以实现整机工作过程的仿真；已经完成的国内外50余台压路机在试验土槽与现场试验所得到的数据，使得支撑压路机参数化设计与分析的数据库不断得到更新与补充。

特别的，为了提升我国压路机性能的整体水平，对标国外先进机型，以改善压实度、可靠性与舒适性为主要目标，冯忠绪教授及其团队在标准的试验土槽与施工现场对50余台压路机进行了多工况作业过程中动态性能与作业性能的全面测试，研制了压路机整机与工作装置的试验台架，通过理论分析与试验数据的对比分析，从压路机作业的质量、效率、能耗与参数匹配的合理性，以及参数化设计与数字化控制，载荷与工况变化与发动机、传动系统、行走系统的动态响应与工作可靠性，振动施工噪声与污染的防治和文明施工，对国产压路机提出了针对性的改进方案与性能的提升对策，为企业建立了试验流程与规范、产品设计规范与施工工艺指南，推出了一批性价比较高的新产品，取得了良好的经济与社会效益。

道路施工装备动态性能试验研究  助力国产装备更上层楼

研究在动态条件下的机器性能预测和试验方法，不仅有利于更为合理地确定机器的结构参数，充分发挥各个总成的工作能力和提高机器的整机性能，而且有助于解决如何在具体的使用条件下充分发挥机器的性能和效益，从而建立机器的合理使用规范和施工机械的最优化方法。

机器动态性能的研究首先要解决试验设施、试验平台与试验方法的问题。除现场标准化、规范化试验，以及在室内试验土槽试验外，冯忠绪教授及其团队在机器动态性能的研究中建设了发动机动态性能试验台、工程机械液压底盘模拟试验台、工程机械工作装置综合试验台、振动钢轮可靠性与寿命试验台、单钢轮振动压路机整机性能试验台，双钢轮振动压路机整机性能试验台、轮胎压路机整机性能试验台、摊铺机整机性能试验台、熨平板试验台、搅拌装置试验台等，对国内外百余台（套）压路机、摊铺机、搅拌设备、铣刨机、平地机、推土机等机械在现场、试验土槽与试验台上进行了多工况作业过程中动态性能与作业性能的试验研究，对沥青混合料的振动筛与搅拌器、摊铺机熨平板、压路机振动钢轮、铣刨机转鼓等关键部件进行了工作载荷与作业性能的测试与分析。通过理论计算结果与试验数据的对比分析，从机器实际作业的质量、效率、能耗与参数匹配的合理性，机器的载荷与工况变化与发动机、传动系统、行走系统的动态响应与工作可靠性，机器的振动噪声与排放的防治，提出了针对性的对策与解决方案。在实施验证的基础上编制了产品与关键部件的设计、试验规范与使用指南，明显提升了道路施工装备的作业性能与可靠性。

精益求精、勇于创新、埋头苦干的匠心之路，是冯忠绪教授及其团队不断追求卓越的科研精神的真实写照。而多年的勤勉不辍，终获累累硕果。30年来，冯忠绪教授带领其团队完成混凝土振动搅拌理论与设备的研究项目16项，设计与制造了搅拌样机9台（套），完成了大量理论研究与试验研究，包括多个道路施工机械使用性能的试验研究。同时，培养了一大批优秀人才，出版专著4部，获授权专利70余项，其中发明专利近30项。“一种搅拌装置” 获陕西省专利奖二等奖，“混凝土搅拌理论及其设备的研究”和“节约生产混凝土的关键技术及其装置的研究”均获陕西省科学技术二等奖。

冯忠绪教授与共和国同龄，是我国恢复高考后的第一届本科生和工程机械行业第一批研究生与出国留学生，、长安大学工程机械学院院长、。如今，已近七旬的他依然精神矍铄，在热爱的事业上耕耘不辍。钻研的人生，永无止境。期待冯忠绪教授及其团队在未来带给我们更多的惊喜。

[关键词] 道路施工；装备；技术