山地风电场道路竖曲线最小半径和长度研究*

杨永红 侯煌 陈星光 周向阳

(1．华南理工大学 土木与交通学院， 广东 广州 510640； 2. 广东省交通规划设计研究院股份有限公司， 广东 广州 510507；3. 中国能源建设集团 广东省电力设计研究院有限公司， 广东 广州 510663)



山地风电场道路竖曲线最小半径和长度研究*

杨永红1侯煌1陈星光2周向阳3

(1．华南理工大学 土木与交通学院， 广东 广州 510640； 2. 广东省交通规划设计研究院股份有限公司， 广东 广州 510507；3. 中国能源建设集团 广东省电力设计研究院有限公司， 广东 广州 510663)

风电机组设备重量大、叶片尺寸长，对运输道路有特殊要求，属于特种设备运输. 文中针对目前国内大型山地风电场道路设计无规范可依的现状，系统调查了影响道路纵断面设计的叶片运输车辆相关指标.从满足车辆在竖曲线上缓和冲击、行驶时间不过短、叶片甩尾悬空部分不刮蹭地面和半挂车俯仰角限制4个方面，研究了竖曲线最小半径和长度指标，得出了不同约束条件下的凹形竖曲线和凸形竖曲线最小半径、长度计算模型. 最后通过计算分析，给出不同设计速度和坡差范围下竖曲线最小半径和长度技术指标的推荐值. 研究成果可供风机道路设计及建设参考，也可用于风机运输道路相关标准、规范的制定.

风力发电；道路设计；竖曲线最小半径；竖曲线长度；山地风电场

风能资源是清洁的可再生能源，风力发电是新能源技术中具有广阔发展前景的发电方式之一[1- 2].风力发电场常设在风力较大的海边与丘陵山区，丘陵地区地形复杂，高差起伏较大，道路建设困难，加之风机运输道路建设经费有限，需统筹考虑设备运输的安全性和工程经济性[3]，而大型山地风电场道路相关标准规范的匮缺[4- 5]，给风电场道路设计带来困难.

道路纵坡的变坡处，为了行车安全、舒适以及视距的需要，需要一段竖曲线缓和.风机运输道路项目因运输车辆超长，且风电机组大型部件重量较重，在纵断面设计时，应对竖曲线最小半径和最小长度等指标进行着重考虑.若竖曲线设置不合理，常会引起拖挂车车底板托底和叶片刮擦地面等危险，从而影响风电机组的正常运输、行车安全和工程造价[6- 7].在较为严重的情况下，甚至会造成风电机组部件损坏以及人员伤亡.因此，需要合理设置竖曲线半径和长度.

目前国内外研究主要以常用车型作为代表车型，对超长、超重的特种设备运输道路的线形设计指标研究很少.目前国内大型山地风电场道路相关标准规范匮乏，给风电场道路设计带来了困难，鉴于此，文中研究风机道路运输车辆竖曲线设置影响因素及道路行驶要求，提出了道路竖曲线最小半径和长度技术指标，以期为大型设备运输道路设计与建设提供依据.

1 叶片运输代表车型和风机主要设备

风机运输车辆主要采用牵引车与半挂车的组合形式[8]，最大总质量重达40～120 t.一般为半挂车，主要运送主机、轮毂、叶片、变频器和塔底控制柜等大件运输.运送机舱主机车辆，采用多轴线液压板拖车和大型凹形板拖车.机舱轮毂车板一般采用后3 轴低板车，可承载80～120 t的重量，机舱车辆车板一般选用尺寸为13.5 m×3 m.轮毂车平台长 17 m，车板高 1.1～1.3 m、车板宽 3 m，每车装运2台轮毂及其他附件[9].

叶片车辆需要根据叶片支点长度安排不同长度的运输车辆，车辆一般采用272 kW以上，如较长的110型叶片支点最短为30 m，可使用30 m加长板运输车，或加长底梁的叶片专用车.如果叶片较长，一般建议要用长轴距液压后转向的车板装载.其他附件运输可按普通货物运输标准选择运输车辆，可使用集卡挂车或其他集装箱专用运输车.运输风机主要设备尺寸如表1所示.

表1 运输风机主要设备尺寸表

根据风机机组设备的重量、几何尺寸和运输频率，选用运输110型叶片的272 kW的叶片运输车辆做为代表车型，研究竖曲线最小半径和长度.110型叶片长度为53.8 m，运输车辆支点长度为30 m，后方部分为悬空，叶片装载重心离地高度约3 m，半挂车前端到后轴约24 m，故有29.8 m的叶片甩尾悬空部分.过长的叶片甩尾悬空部分是道路竖曲线设计时的最不利情况.车辆计算模型如图1所示.考虑汽车行驶时在相邻两坡度间运输叶片不发生刮擦地面的情况及地面障碍物的影响，应使叶片尾端始终高于地面一定距离以上.

图1 运输110型叶片车辆计算模型示意图

2 影响因素

因风电场运输车辆车速较低，道路仅以满足运输要求为主，故在竖曲线半径的设计取值时无需考虑车辆乘坐人员的舒适度，但考虑到叶片运输半挂车车身较长，竖曲线设计时应以保证叶片不刮蹭地面、车底板不托底为基本原则[10].根据110型叶片车辆计算模型，结合普通道路竖曲线设计时的竖曲线半径和长度因素[11- 13]，经分析，以缓和冲击、行驶时间不过短、叶片尾部不与地面发生刮擦和半挂车俯仰角限制做为主要考虑因素，以叶片运输车辆长度为控制依据，确定最小竖曲线半径和长度.另外，因风电机组设备运输频率少，交通组成简单，一般会选择天气晴朗、视距良好的白天，所以文中未考虑视距的影响.

2.1 “缓和冲击”因素的影响

汽车在竖曲线范围内行驶的过程中，会产生一定的离心力.对于凹形竖曲线来说，是增重；对于凸形竖曲线，则是减重.当这个力达到一定的大小时，会使司乘人员有一定的不适之感，并且对行车安全也有一定的不利影响.

各国采用的竖向加速度值均较小，取值在0.111～0.277 m/s2之间[14].有研究[15]表明，竖向加速度在0.315～0.63 m/s2时，人的心理感受稍有不适，驾驶员操作稍感紧张；小于0.315 m/s2时，驾驶员感觉是舒适和轻松的.因此文中确定竖曲线的半径大小时，根据风机设备运输频率少的特点，取竖向加速度为0.315 m/s2.由于对于不同的速度v，考虑缓和冲击时的最小竖曲线半径不同.计算出不同设计速度v对应的最小竖曲线半径Rmin，如表2所示.

(1)

式中：v为设计速度，km/h；a为竖向离心加速度，m/s；R为竖曲线中点处半径.

表2 考虑缓和冲击的最小竖曲线半径

2.2 “行驶时间不过短”因素的影响

汽车从直坡段行驶到竖曲线上，当相邻纵坡的代数差很小时，竖曲线长度很短.其长度过短，易使驾驶员产生变坡很急的错觉，旅客也会感到不舒适.因此，应限制汽车在竖曲线上的行程时间不过短.最短应满足3 s行程，即

(2)

计算得出不同速度v(km/h)对应的最小竖曲线长度Lmin，如表3所示.

表3 考虑行驶时间的最小竖曲线长度

2.3 “凹曲线叶片尾部不与地面发生刮擦”因素的影响

在车辆运载叶片通过凹形竖曲线或相邻直坡段时，若竖曲线设置不当，有可能会发生叶片尾部与地面刮蹭的情况，因此，可根据叶片运输的几何关系计算出竖曲线的半径范围，以保证行车安全.设计和计算时，竖曲线的线形可采用抛物线或圆曲线.文中在研究叶片尾部刮蹭影响时，因需考虑竖曲线竖距计算，竖曲线采用抛物线代替，半径指竖曲线中点处半径.

根据笔者已研究的风机运输道路车辆挂I档时实载80 t的最大爬坡能力，爬坡角度为8.3°，最大纵坡为14.6%[16]，文中取15%计算.设前直坡段水平，w为相邻两直坡段的坡度差，为后坡段坡度值.根据纵坡15%取值，相邻坡度差最大为 30%.对于每个初定的竖曲线半径R，取相邻坡度代数差范围为0%～30%，以2%为一个梯度计算叶片尾部与地面的垂直距离.在运输车整体刚好与前方直坡平行，即后排车轮刚刚驶离竖曲线时，叶片最可能与相邻坡面发生刮擦，为最不利情况.根据运输车叶片甩尾悬空部分的长度及不同坡差对应的竖曲线长度，将叶片甩尾悬空部分简化为一个高 3 m、长29.8 m的模型，简化的叶片尾部模型如图2所示.

由此建立坐标系，将竖曲线起点处的切线方向作为X轴，单位为m；以风机运输车竖向为Y轴，单位为m；坐标原点为半挂车后轴中心，也作为竖曲线的起点.当后轮位于竖曲线起点时，叶片离地面距离最小，以此极限不利情况作为山地风电场道路凹形竖曲线技术指标计算的依据.根据叶片尾部在竖曲线的不同位置可将其划分为图2所示的两种情况，即叶片尾部在竖曲线上方(即竖曲线长于叶片尾部)和叶片尾部不在竖曲线上方.图中，L为竖曲线长度，w为相邻纵坡的代数差.

考虑凹曲线内叶片尾部不与地面发生刮擦的计算模型，叶片装载高度约3 m，由图中几何关系，得出叶片尾部与地面间的垂直距离D在两种情况下的计算模型：

1) 竖曲线设计长度小于叶片甩尾悬空部分长度，即L<29.8 m，叶片尾部在后方直坡段上，

图2 叶片尾部位置图

(3)

2)竖曲线长度大于等于叶片甩尾悬空部分长度，即L≥29.8m，叶片尾部在竖曲线的上方，

(4)

考虑路面障碍物高度，以叶片尾部距地面距离D超过1m做为安全性判断条件.

分析结果如表4所示，以车辆低速在凹曲线内行驶时叶片尾部不刮蹭地面为主要约束条件，适用于凹形竖曲线情况.可以看出，当半径小于250m时，凹形竖曲线最小半径与坡差有关.如取200m作为凹形竖曲线最小半径时，应限制坡差范围，竖曲线长度也应满足3s行程.当设计速度为10km/h时，竖曲线长度大于8.3m，故坡差范围应在6%～10%.

2.4 “半挂车俯仰角不影响整车正常运行”因素的影响

(1)凹形竖曲线

表4 竖曲线叶片尾部安全性判断

半挂车在竖曲线内行进的过程中会出现前俯和后仰.在凹形竖曲线内行进时挂车与牵引车之间的竖直夹角称为前俯角.在凸曲线内行进时挂车与车头间的竖直夹角称为后仰角，如图3所示，φ为前俯角，β为后仰角.根据文献[8]，在低等级道路上，半挂车在运行过程中其前俯角不得大于 7°～14°，否则会导致半挂车车前端最外点和牵引车车架相碰.文中为偏于安全，计算中取前俯角7°做为控制参数.

图3 前俯角和后仰角示意图

考虑前俯角限制因素时，竖曲线采用圆曲线代替.若前后轮同时在竖曲线(圆曲线代替)内，不管运输车在何位置，理论上其俯仰角不变.若前轮在竖曲线外，后轮在竖曲线内，可知在移动过程中，其俯仰角会不断变小，直至为0.故两轮都在曲线内为车辆行进过程中俯仰角最大的情况.

为了便于计算，取运输车前轮在竖曲线起点、后轮在竖曲线内，将这种临界状态作为计算的模型，此情况也是车辆行驶在某一竖曲线上俯仰角最不利的情况.当汽车在凹曲线内运行时，竖曲线全长对应的圆心角为 arctanw，半挂车对应的圆心角为2φ，其中φ为半挂车前端和中部与圆心之间的夹角，由几何关系得φ与前俯角相等,如图4所示.

图4 考虑半挂车前俯角的竖曲线半径计算示意图

令半挂车前端到后轴的距离d=24 m，竖曲线对应的圆弧长为l，其中d近似等于半挂车所对应的圆弧长，则竖曲线对应的弧长l为

(5)

且由几何关系得，各弧长之比等于所对应圆心角之比，即

(6)

由半挂车在运行过程中其前俯角不得大于7°～14°，将φ≥7°，代入上式得R≥98.22 m.

(2)凸形竖曲线

与凹曲线计算原理相似，半挂车在凸曲线内行进过程中会出现后仰角，在低等级道路上，半挂车在运行过程中其后仰角β不得大于8°～10°，取安全值 8°计算，计算方法与凹曲线类似，得

(7)

代入β≥8°，得R≥85.94 m.

3 竖曲线最小半径和长度推荐值

综合上述4个因素，计算不同设计速度下的竖曲线最小半径和长度.

(1)凹形竖曲线计算模型如下：

(8)

约束条件为

(9)

(2)凸形竖曲线计算模型如下：

(10)

约束条件为

R≥85.94 m

(11)

因风机运输车辆的特殊性，文中确定凹形竖曲线半径时，以凹曲线内叶片尾部不与地面发生刮擦的情况做为主要考虑因素，再验证满足在竖曲线上“行驶时间不过短”和其他约束条件.确定凸形竖曲线半径时，主要以缓和冲击和后仰角限制为确定条件.由上述分析，进一步得到不同设计速度下的最小竖曲线半径及最小竖曲线长度，为方便设计时查用，推荐值如表5所示.

应用表5时，根据不同的设计速度和坡差范围选用不同的竖曲线半径和最小长度.对于不在坡差范围的情况，设计时尽量取较高的指标，也可按文中得到的计算方法和模型，验证采用的竖曲线设计指标.

表5 风机运输道路竖曲线最小半径及最小长度推荐

4 结语

竖曲线半径和长度指标是道路线形中重要的设计指标.由于风电机组设备重量大、叶片尺寸长等特点，对运输道路线形指标有特殊要求.文中针对目前国内外大型山地风电场道路线形设计无规范可依的问题，分析了风电场叶片运输车型.

(1)选用370马力的叶片运输车辆做为代表车型，确定运输110型叶片甩尾悬空部分长度和相关几何参数，做为风机运输道路竖曲线设计时车辆计算模型.

(2)分析竖曲线设计影响因素，研究得出竖曲线最小半径和长度的计算模型.凹形竖曲线设计时，主要保证叶片甩尾悬空部分不与地面发生刮擦.凸形竖曲线设计时，主要满足半挂车后仰角限制要求和缓和冲击.竖曲线长度确定主要考虑行驶时间不过短，确定适用坡差范围.

(3)考虑工程经济性和风机设备运输频率，推荐出竖曲线最小半径及长度，以供相关设计单位参考选用.

文中对风电场风机运输道路线形设计指标进行研究，其他设计指标也在研究完善中.下一步将系统研究特殊设备运输道路的设计和运输方案.

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Investigation into Minimum Vertical Curve Radius and Length of Highway in Mountainous Wind Farm

YangYong-hong1HouHuang1ChenXing-guang2ZhouXiang-yang3

(1.School of Civil Engineering and Transportation,South China University of Technology,Guangzhou 510640,Guangdong,China;2.Guangdong Province Communications Plannning and Design Institute Co.,Ltd.,Guangzhou 510507,Guangdong,China;3.China Energy Construction Group Guangdong Electric Power Design Institute Co.,Ltd.,Guangzhou 510663,Guangdong,China)

As the wind power equipment is heavy and its blades are long,it requires a special highway to transport,which belongs to special equipment transportation.As there is no specification for the highway alignment design of large-scale wind farms in the mountainous areas in China,the relevant indexes of large blade transportation vehicles,which influence the highway profile design,are systematically investigated in this paper.From the four aspects of mitigating the impact in the vertical curve of vehicles,ensuring an adequately long travel time,keeping the blade tail from scraping the ground and restricting the pitch angle,the minimum radius and length of vertical curves are analyzed,and the models to calculate the minimum radii and lengths of concave and convex vertical curves are constructed under different constraint conditions.Finally,the minimum radii and lengths of vertical curves are recommended for the large aerogenerator transportation with various design speeds and scopes of algebraic difference in grades.The results can provide guidance for the highway design and construction of the aerogenerator transportation,and can also be used to formulate the standards relevant to the aerogenerator transportation highway.

wind power generation;highway design;minimum radius of vertical curve;minimum length of vertical curve;mountainous wind farm

2015- 04- 24

国家自然科学基金资助项目(51508204)；教育部留学回国人员科研启动基金资助项目(第49批);广东省交通运输厅科技项目(科技-2015- 02- 010，科技-2013- 02- 077) Foundation items: Supported by the National Natural Science Foundation of China(51508204) and the Scientific Research Staring Foundation for the Returned Overseas Chinese Scholars,Ministry of Education of China(49)

杨永红(1977-)，女，博士，讲师，主要从事道路设计和安全研究.E-mail: yangyh@scut.edu.cn

1000- 565X(2015)12- 0085- 06

U 412

10.3969/j.issn.1000-565X.2015.12.012