风机叶片运输举升工装平衡角的选择及对运输安全的影响

文/魏荣华 邓继明

一、概况

叶片是风力发电机中最基础也是最关键的部件。目前，我国南方风电场分布非常广泛，风场位置多在山区，相对海拔较高，进场道路都是临时修建且等级较低，常规公路运输大都无法一车直达机位。目前叶片通常的运输方式是：在风电场附近设置堆场，叶片在生产基地用伸缩半挂车装车，通过高速公路运至风电场附近的堆场，叶片卸车后，再换装至叶片举升工装车上，途径风电场进场公路运至各机位。由于风电场进场道路是临时修建，道路的纵坡、横坡较大，空障也多，要求通过举升工装的回转、举升，改变叶片的空间位置以躲避沿途各类障碍，满足叶片运输车辆通过路况复杂的进场道路。但在叶片通过举升工装改变空间位置的时候其重心的位置随之发生变化，控制重心位置变化的空间轨迹能有效地满足叶片运输车辆的运行安全。山地风机叶片运输发生翻车事故时有发生，为减少该类翻车事故发生，下面我们从叶片运输举升工装原理、操作使用方面结合其配置的车辆对运输安全的影响进行分析。

二、结构原理及举升工装仰角和平衡角的定义

1.叶片举升工装车结构原理

叶片举升工装车由牵引车、动力鹅颈、连接平台、4轴液压轴线车、液压动力系统及举升工装组成，举升工装车可随牵引车转向或手动转向，减少车辆转弯半径，且能调整（升降）车板高度，补偿道路纵坡、横坡对整车的稳定性，实现车板面基本处于水平状态。举升工装车结构见图1、图2。

图1 举升工装和液压轴线车结构

图2 举升工装车实景图

2.举升工装水平时各部件重心、叶片重心、施加配重后的位置

以某公司121型叶片进行配置计算。叶片水平时（即举升0°时）举升工装各部件重心、叶片重心及施加配重后的重心位置见图3。

图3 叶片水平时举升工装各部件、叶片及配重重心位置

3.叶片仰角

举升工装仰角是指叶片装上举升工装后通过液压油缸作用，叶片可在0°～50°范围内举升变化的角度，随着道路空障高度及位置的不同，通过举升工装仰角的变化来避开空障。

4.叶片平衡角

叶片、配重装上举升工装且叶片举升到某个角度后，举升工装、叶片及配重系统的合成重心（质心）位于水平回转的轴心上。车辆在水平状态下，以此角度工装连同叶片在360度范围内旋转，其合成质心始终位于回转中心上，即车辆的中心线上，车辆载质量居中不偏载，车货处于平衡稳定状态。此时叶片的举升角度称之为平衡角。

三、叶片平衡角的选择原则，偏离平衡角利弊分析

对道路两侧的障碍物如山体、山体上树木的高度进行现场勘测，根据项目的实际情况，确定项目常用举升角度（比如25°），但不能太大、也不能太小，一般取中值，便于围绕平衡角进行仰俯角度的调整，最大限度地避开沿途处于不同空间位置的障碍物。

叶片举升角度的大小直接影响叶片举升车运行的安全。叶片举升角度过大，整车重心较高，运行至较大横坡时稳定性不好，容易发生车辆侧倾，所以需要控制在一个合适的举升角度范围内。以举升工装举升角度范围的一半作为平衡角，也就是以这个平衡角为基准角对工装进行配重及操作工装上下举升或回转。叶片外形尺寸、重量、重心及举升工装不变时，平衡角是随工装的配重质量大小而变化的。为了叶片运输安全，对举升平衡角和在工装上配重质量的关系进行论述，以及非平衡状态时如何操作，避免车辆侧倾。

表1：各部件、配重对应的距离和重量

表2：121型叶片参数

表3：举升工装上部配重和钢架内配重关系

四、叶片平衡角的测定方法

以121型叶片进行配置计算，121型叶片参数见表2。根据障碍物和举升工装情况确定平衡角25°。叶片举升25°时举升工装各部件重心、叶片重心及施加配重后的位置见图4。配重箱内配重Wpz吨，自重0.4吨，共Wpz+0.4吨，框架工具箱配重Wgj吨（包括动力机组重量）。

图4 平衡角25°时举升工装各部件、叶片及配重重心位置

假设叶片纵重心线始终垂直叶根端面。

下面的计算都是假设举升工装纵重心线、叶片纵重心线与倒运轴线车纵重心线重合，且车辆在水平路面上。

1.配重计算

举升工装配重包括举升工装上部配重和两油缸之间钢架内的配重，下面计算平衡角25°时举升工装上部配重和两油缸之间钢架内的配重。计算用图见图4。

根据力矩平衡，有下面等式成立。

举升工装上部配重和两油缸之间钢架内配重关系见表3。

2.叶片、举升工装及配重系统重心高

叶片举升25°时，叶片、举升工装及配重系统达到平衡，计算平衡状态时的重心高。按图5计算。

图5 叶片举升25°时系统平衡状态的重心高

根据举升工装上部配重和两油缸之间钢架内配重关系表，取Wpz=3.5t（加自重共3.9t），Wgj=9.97t。

叶片举升25°时，举升工装配重取Wpz=3.5t（加自重共3.9t），Wgj=9.97t，叶片、举升工装及配重系统处于平衡状态，系统重心至车板面高3975.48mm。

根据以上计算得知，如果叶片举升25°作为平衡角，则需要在举升工装上部配重3.5t（加自重共3.9t）、在举升工装下部两油缸间钢架内配重9.97t，此时叶片、举升工装及配重系统才处于平衡状态，车板面上部合成重心至车板面高H=3975.48mm。

3.车货重心高

车辆总重（不包括牵引车重）=动力鹅颈+动力鹅颈上面配重+车板用动力机组+连接平台+平台内配重+4轴液压轴线车， W车=64t。

车辆重心离地高H车=700mm。

下面计算车货合成重心高。

叶片、举升工装及配重W工装=47.01t，它们至车板面重心高H=3975.48mm，车板行走高度h=1000mm，则叶片、举升工装及配重合成重心至地面高H工装=4975.48mm。

叶片举升25°，举升工装上部配重3.5t（加自重共3.9t）、举升工装下部两油缸间钢架内配重9.97t时，车货重心高H车货=2510.56mm。

根据以上计算可知，如果叶片举升25°作为平衡角，则需要在举升工装上部配重3.5t（加自重共3.9t）、在举升工装下部两油缸间钢架内配重9.97t，此时叶片、举升工装及配重系统才处于平衡状态，车货重心高为2510.56mm。车辆总重约64t（不包括牵引车重），车板自身重量较重且重心低，所以车货重心高2510.56mm，整车重心较低，运输时稳定性较好。

五、平衡角在实际运行中的运用

1.叶片、举升工装及配重在平衡角时系统处于平衡状态

在叶片堆场按平衡角时计算出需要的配重重量，在举升工装上放置配重，装好叶片，叶片、举升工装及配重在平衡角时系统处于平衡状态。此时，工装作360°（车辆前行方向为0°）回转，特别是回转到90°和270°时分别观察、测量车板两侧高度是否发生变化，再根据变化值大小调整工装配重，见图6、图7。

图6 举升工装回转至90°状态

图7 举升工装回转至270°状态

系统处于平衡状态时，举升工装360°回转，车货都处于平衡状态，车辆行驶时也处于稳定状态，因此，叶片举升车在平衡角运行时整车稳定性非常好。

2.非平衡角状态下举升工装回转对稳定性的影响

在运输过程中，平衡角只是个理论的角度，在实际举升运输过程中不可能长期保持平衡角运输，因此，举升转运的全过程车辆都是处于偏离系统稳定的状态，因此要求操作者需随时掌握举升工装重心转移的大致位置。

（1）判断失稳时重心转移大致位置

当叶片举升角大于平衡角时，车辆上部举升工装重心将后移，转移至配重端，举得越高，重心越往工装配重侧转移。

当叶片举升角小于平衡角时，车辆上部举升工装重心将前移，转移至叶尖端，举得越低，重心越往叶片叶尖端转移。

（2）补偿失稳的操作方法

举升工装车辆处于失稳状态时，容易发生车辆安全事故或侧倾，可以通过改变操作方法克服或补偿产生的失稳因素，避免出现安全事故或车辆侧倾。

（3）横坡补偿

横坡是在倒运过程中最重要的风险源之一，叶片运输举升工装车的侧倾，大多是在有横坡或者急剧颠簸路面时候发生的，遇到横坡时按下面方法操作。

液压轴线板：在横坡路面情况下，调整液压板左右的支撑油缸，尽量使车辆板面基本水平，保持举升车辆在横坡路面始终处于水平状态。

普通车板：普通车板因不能调整板面的高度，在遇到横坡时，需调整举升工装合成重心位置来补偿因横坡导致的重心转移。

补偿原则：使举升工装合成重心向横坡高处一侧转移。见表4。

车辆侧倾案列：在实际运输过程中横坡是发生侧倾事故的重要原因。

车辆整体重心判断失误，叶片前置、低举（小于平衡角）且向右回转了一定角度，车辆重心和横坡方向一致，失稳叠加，导致车辆侧倾，见图8。

图8 叶片运输举升车辆整体重心偏移导致侧倾

（4）长上、下坡补偿

叶片前置举升运输过程中，如果遇到上坡路段，车辆会产生平行斜坡的分力（下滑力），坡度越大分力就越大，分力是阻止车辆上坡行驶的，同时牵引车的附着力也要减少，爬坡能力降低，所以上坡需降低举升角度，使叶片、配重及工装合成重心向叶尖方向转移，可以增大牵引车的附着力，提高车辆的爬坡能力，见图9。反之，叶片前置举升运输过程中，遇到下坡路段，需升高举升角度。

图9 叶片前置遇上坡路段降低举升角

表4：举升工装操作补偿原则

（5）前、后置转换

叶片举升角度在平衡角附近时，上部工装的重心位于车板上回转支撑的中心，在整个车身自重的影响下，车辆是能够保持一定程度稳定的，此时适合叶片作前、后置转换和大角度回转等操作。见图10。

图10 叶片前后置转换及大角度回转操作

（6）工装回转

工装举升太高或者太低（也就是偏离平衡角太大）时，车辆都将进入失稳的危险区域，此时应该控制上部工装的回转角度。操作中应以车辆纵轴线为基准，尽量减小上部工装重心和车辆纵轴线及延长线之间的角度。

大角度回转时需停车操作，运行时回转角度不能太大，根据躲避空障情况尽量要小。

六、结论

通过上述风力发电机叶片举升运输平衡角与举升工装配重关系的论述，使作业人员可以根据平衡角的大小来确定举升工装施加配重量的多少。在平衡角工况下工装可以在平坦场地或路面360°内任意回转，回转过程中车辆的稳定性较好且处于安全状态，车辆不会出现安全事故或侧倾。

在横坡路段，工装举升角度可以通过调节偏离平衡角或回转，对因横坡产生的车辆不平衡状态进行补偿，始终使车辆处于较好的平衡状态，避免侧翻事故的发生。

确立举升工装平衡角后，在车辆运行过程中叶片举升工装仰俯角的变化、工装回转时，回转机构上部质量（举升工装、配重及叶片）合成重心位置的变化有了参照对象，操作者可以根据重心变化对车辆稳定性的作用影响，随时改变自己的操作行为，始终保持操作结果向有利于车辆安全稳定方向进行。