0 引言

随着近年来国家对绿色能源的重视程度不断加大^[1]，在政策的鼓励下，风电新增装机容量不断增多，掀起了一股风电抢装热潮。风力发电作为风能的主要利用方式^[2]，而叶片又是风力发电机的关键部件^[3-4]，因此叶片运输尤其重要。山地风电场建设逐年增加，风力资源好的山地风电场也越来越少。如果要用较少的风产生理想的功率，就必须使用较大的叶片，这就对叶片输送过程的稳定性提出了更高的要求。由于叶片运输的特殊性，在运输过程中容易发生失稳现象。因此，研究通过改变工装状态(举升、自转)和配重位置等方面补偿车组稳定性的问题。对山地风电叶片安全运输具有重要意义。

目前学者对山地风电叶片运输的研究主要集中在两方面，一方面从运输成本角度考虑，2015年，和豪涛等^[5]将待选方案与理想方案间灰色关联度作为选优依据进行方案决策，基于AHP-灰色关联度相结合的算法对公路大件运输方案进行了优选。2017年，罗金库^[6]结合了贵州某具体的山地风电工程，对索道运输、直升机运输和道路运输3种方案的经济性进行比较，最后发现道路运输仍是最经济的运输方式。另一方面则主要从运输稳定性角度考虑。2014年，江西省电力设计院^[7]公开了一种风电叶片垂直运输固定装置，该装置所需的运输车长小，可以让风电叶片山地运输时有良好的通过性，并且不易接触到山地周围的障碍物。2023年，杨克超^[8]研发了一种四轴线风电叶片山地运输车，该车左右两侧均能单独升降，能有效避免运行中侧倾的危险，运输长度大于65 m的叶片，且举升力大、配重少、有较好地稳定性。顾海东^[9]谈到德国索埃勒为完成山地风电叶片运输推出了一种风电叶片适配器。安装在一辆六轴线的自走式液压平板车上，该适配器不仅可令叶片俯仰，还能自行伸缩和自转来躲避障碍物，并且其上安装有传感器，可感知风速、叶片位置、基座旋转角度等信息。赵晓晋等^[10]针对传统方法以有限元计算进行大件运输通安全评估效率较低的问题，提出了以作用长度和荷载集度作为主要变量的大件运输模拟计算方法。这些研究主要从运输工装角度进行分析，尚未考虑通过改变工装状态(举升、自转)和配重位置等方面补偿车组稳定性的研究。

因此，本研究拟综合考虑山地风电叶片运输稳定性补偿问题，通过采用公式拟合的方法对横、纵坡下的工装举升自转进行补偿研究，拟合出其具体补偿角度公式，且对有可变配重的工装，拟合出具体配重位置补偿公式。以更好地为山地风电叶片安全运输提供理论支撑及实践经验。

1 山地风电叶片运输稳定性理论 1.1 公路大件运输安全评价标准

公路大件运输应遵守中华人民共和国交通运输第62号部令和《公路大件运输安全通行评价技术规范》(JTG/T 2213—2023)。为确保大件货物在运输过程中的安全性，各省市根据这些文件资料制定了相应的标准和规范。该技术规范重点规范了路线、平面交叉、立体交叉、桥梁、隧道等空间通过性，以及桥梁、路基路面等结构通过性。然而，对于车货稳定性尚未制定具体的标准规范。同时，考虑到研究对象具有结构的特殊性，其是所有大件运输对象中受到风、路况等自然环境影响最大的设备，在运输过程中重心极不稳定。因此，稳定性对于本研究对象至关重要。因此，我们将重点针对运输工具的稳定性进行深入研究。

1.2 刚体稳定性

如图 1所示，假设将一长方体刚体放置于刚性平台上，将平台缓慢沿刚体的横向倾斜, 则当刚体的重力作用线与平台的交点超出了刚体最外侧支点E后, 刚体将会沿E点所在的底边线发生倾倒而失稳。我们把该平台平面U称为稳定面, 把平台水平位置时刚体重力作用线GM与刚体失稳临界位置时重力作用线GE的夹角φ称为稳定角，把ME线段称为稳定线。不难得出, 稳定角φ等于失稳临界位置平台的倾斜角α。由于稳定角φ的大小反映了刚体在不同倾斜角下保持平衡的能力，因此φ是衡量刚体在陆地上稳定性的重要指标^[11]。

同理可将放置于某一平面的液压平板车简化为一刚体，其轮胎与车身在外载荷作用下均无形变，且在重力作用下以极低的速度匀速倾斜，则此时在液压平板车的纵向与横向可得到同样的稳定角α。通常来说，液压平板车的长宽之比较大，在编点正确的情况下不易发生纵向的倾倒，多数情况下都是侧翻，因此在验算横向稳定性时要保持更加谨慎的态度。

1.3 车货系统稳定性

如图 2所示，液压平板车上绑扎有工装，工装之上装载货物，在此将车-工装-货物称为车货系统。根据前面的分析，车货系统发生失稳时，则可能会有A，B，C这3个侧翻点；其中，G车组表示车货系统的重心位置，点A为液压平板车摆臂纵轴中心、点B为车货系统左下侧与地面的交点、点C为货物与工装系统左下侧相对于平板车载货面交点。同时有相对应的3个稳定角α₁，α₂，α₃。一方面，在运输前货物与工装会牢固地绑扎在平板车载货平面上，另一方面，稳定角α₁ < α₂ < α₃，α₃所对应的稳定性最好，因此可不考虑α₃的情况。而α₁ < α₂，因此可知，通常车货系统的侧翻是绕点A侧翻，则应把α₁作为车货系统的稳定角，其对应的平面为车货系统平衡面^[11]。

2 不同风速、风向的风载荷仿真试验

叶片运输车组在运输过程中，受到风荷载时容易发生侧翻等事故，而叶片与车组均为贵重件，价值极高，且运输过程涉及多方，因此实地试验不易实现。随着现代科技发展，仿真方法为科研人员提供了一种切实可行的办法。

2.1 模型处理

SolidWorks自带有流体分析插件flow simulation，可模拟在一定风速下运输车组的受力情况。flow simulation板块设定单位系统为国际单位，流场为外流场，介质为空气。由于在研究风载荷对结果影响时，轮胎花纹、悬架等装置对结果影响不大，但却会极大的增加计算机运算量，因此将车组简化为一整体^[12-16]。简化后模型如图 3所示。

2.2 风载荷作用下车组流体分析

如图 4所示，外部矩形方框为其流体计算域，箭头指向为流体流动方向。车组在风场中受到风载荷时，迎风面所受风载明显大于背风面。在叶片叶根部分车组，由于其形状不规则，当流体接触到其表面时便成分散状散开，且在经过车组之后的一段距离内仍呈发散状，而对于叶尖部分，流体在接触叶片表面的短暂时间内虽也呈发散状。但经过叶片之后的较短时间内便再次聚拢，这表明由于叶片的气动设计使其具有良好的流线型^[17-20]。

2.3 不同风速、风向的风载荷下车组受载分析 2.3.1 不同风速下车组受载分析

目前通常情况下山地运行的风力发电机额定风速均在10 m/s左右，而在运输过程中的车组高度比风力发电机低得多，一般达不到这个风速，但为充分研究风速变化下车组的受载影响，设置风速范围为1~14 m/s，设置全局目标为总压(标准状态下的环境对车组的压力)、风速及车组受力, 得到图 5所示数据。

如图 5(a)所示，车组受力随风速增大而增大，且其变化速度越来越快，在水平路面叶片水平放置的工况下，最大受力为9 701.9 N，最小受力则为51.1 N。如图 5(b)所示，在风速增加的过程中，总压变化与风速方向变化趋势基本相同，最大总压为101 652 Pa，最小总压则为101 326 Pa，说明在风速增加过程中，总压基本不会发生较大的变化。而速度的增加几乎呈一条直线，最大速度为22 m/s，大于设置的风速，这是由风电叶片的翼型结构所导致的，当流体流过叶片时，在其上表面会增大流速，减小压力，反之亦然。在压力差作用下则产生向上的升力。它与伯努利原理相契合，其公式如下：

(1)

式中，p为静态压强；ρ为空气密度；v为翼型表面局部流速；C为常数，即在某一流域中，其静压与动压之和为一常数。

2.3.2 不同风向下车组受载分析

除风速的大小之外，来流的方向也是影响车组运输稳定性的一个重要因素，由于在实际的运输过程中，风速不可能始终水平作用于车组。因此本节在研究过程中，采用了风向从横向0~180°的变风向分别作用于车组，观察其受力情况，并对风向纵向做了同样研究。

(1)不同角度横向风下车组受载分析

在改变风向并进行多次分析之后，得出如图 6所示的整个总压及横向力随风向角度的变化图。

由图 6(a)可知，在横向风来流角度在0~180°变化过程中，其横向受力呈现出先增后减再增的趋势，在130°角度下达到最大值，其值为32 137.56 N，负号仅表示受力方向与风速方向相反，不表示大小情况。而对于总压来说，在水平角度来流时总压值最小，其值为101 638.52 Pa，在逐渐将角度增大至90°的过程中，其值表现为一波动上升的趋势，并在90°时达到最大值102 260.37 Pa，随后逐渐减小并呈波动向下的趋势，由于叶片翼型形状不规则，因此最后的值并不与初始值相重合。如图 6(b)可知，速度变化趋势与总压变化趋势基本一致，均在90°时达到最大值，最大值为33.29 m/s，同样，其首尾两端值不重合。

(2)不同角度纵向风下车组受载分析

同样，将风向改为对车组纵向作用，在0~180°纵向风角度下，可得出纵向风向作用下的受力情况变化。由图 7可知，在纵向风角度变化过程中，0~180°度区间，纵向受力先减小后增大，然后再减小。在50°时接近于0，其最大受力值位于120°时，其值为1 486 N。可见，纵向风变化下受力相对于横向风来说小得多，且用自走式液压平板车运输时的速度极小，因此在研究车组纵向稳定性时，通常不考虑纵向风力的影响。

3 牵引力补偿方案 3.1 常用牵引力方式

由于现有山区道路条件问题，在进行叶片倒运时，国内通常采用山地举升运输工装车；该车在进行上坡路段时，使用单个牵引车常会出现动力不足的情况，因此多会另加2个或者3个推土机或者其他车型当作牵引车进行牵引，这样将极大的增加整车的长度，具有很低的弯道通过性，为提高弯道通过性，只得把原有牵引杆换成柔性牵引钢绳，这就对多车的联动性提出了巨大的挑战，同一次运输过程中有4~5个驾驶员，驾驶员之间的配合默契度要极高才能保持安全运完全程，但这极其困难，实际上常会出现钢绳断裂，牵引车被损坏的情况，因此需要一种更加合理的牵引方式。

3.2 多动力单元运输方式设计

为解决以上问题，提出一种采用多动力单元叠加方式进行牵引，如图 8所示，与传统用多卡车牵引头牵引相比，叠加动力单元在原有单个动力单元基础上往上叠加了一个动力单元，且在其后使用两个相同的动力单元，总共4个动力单元。

通过收集几种常用的牵引车数据，对比以下各种方式牵引运输的参数见表 1。

通过表 1的参数，可以比较明显看出，采用动力单元叠加的方式仅会在车组纵向增加8.7 m的长度，而铲车或者牵引车本身长度就接近动力单元的两倍，叠加动力单元相对于3个铲车加1辆牵引车或4辆牵引车增加的纵向长度小得多，且4个牵引车为增加弯道通过性还采用了钢绳连接，更加使得车组纵向长度加大。同时需要4个驾驶员，增加了联动难度，一旦车组动力输出不一致，容易拉断钢绳损坏牵引车，因此，采用动力单元叠加的新方式能有效解决以上问题，除山地风电叶片运输外，该种牵引方式亦可推广到如桥式车组、变压器运输等多种设备运输上。

4 工装补偿仿真试验 4.1 模型坐标系建立

为便于观察车组在举升旋转操作过程中的重心变化规律，首先建立一个便于观察的坐标系。该车组为12轴线两纵列配置，该工况为叶片不举升、工装不自转、叶片旋转90°。此时的坐标系建立在y方向为第6轴线与第7轴线之间，x方向为两纵列之间，z方向为主纵梁底部。通过使用SolidWorks中的质量属性功能，计算得出在该种工况下的重心坐标位置为x=0.039 m，y=5.990 m，z=1.182 m。

4.2 工装自转下的横坡补偿

车组运输在横坡上时，会导致整车重心向一侧偏移，为避免因重心偏移导致车组侧翻，此时可进行工装相对于工装基座投影面顺时针(逆时针)转动一定角度来补偿车组重心的偏移量，使整车重心始终保持在平衡位置。因此通过更改工装自转车组装配体的配合状态得到不同的工况，然后采用质量属性功能进行计算，得到不同自转角度下的重心位置变化情况，如图 9所示。

由图 9(a)可知，x方向重心位置侧时逐渐增加，且其变化逐渐减慢，在90°变化区间中，其重心位置增加了3.406 m。由图 9(b)可知x方向的最大变化幅值为3.385 m，与工装基座投影面顺时针转动时相差0.021 m。

工装在自转过程中导致重心在x方向上的位置变化，因此可利用工装自转的这一特点来补偿车组运输在横坡上的重心位置偏移量，以保持整车运输重心位置始终保持在稳定位置。

4.2.1 工装自转过程对重心位置变化的公式拟合

当工装相对于工装基座投影面顺时针转动时，整车重心位置呈现递增趋势，但增长速度逐渐减慢。而当工装相对于工装基座投影面逆时针转动时，整车重心位置呈现递减趋势，但减少速度也逐渐减慢因此可分别拟合为一个二次多项式的形式，如图 10所示，即x方向重心位置与自转角度的关系可用式(2)~(3)表示。

由图 10知重心位置在x方向的变化量，可拟合出工装相对于工装基座投影面逆时针(顺时针)转动时重心的偏移量公式。

工装相对于工装基座投影面顺时针转动时重心变化量为：

(2)

工装相对于工装基座投影面逆时针转动时重心变化量为：

(3)

式中, x为工装相对于工装基座投影面逆时针(顺时针)转动的角度；y为重心位置。

4.2.2 工装自转角度下横坡补偿的公式推导

由于车组在侧翻时是以挂车的摆臂纵轴为支点，因此设水平路面时重心位置距摆臂纵轴中心的距离为X₁，当处于横坡上时的实际距离设为M，设a为横坡角度，由于中国公路的设计和建造必须符合《公路工程技术》的技术要求，因此，在正常情况下，根据《公路工程技术》规定横坡角度a范围在1%~6%之间。在特殊的山区道路，作业人员会对道路进行重构使横坡角度保持在这一安全范围。则当车组在横坡上运输时有：

(4)

则在横坡相对于水平面重力作用线该变量为：

(5)

分别联立式(5)与式(2)，式(3)即可得到在一定横坡上进行重心位置补偿需要工装自转的角度。

工装相对于工装基座投影面顺时针转动时有：

(6)

工装相对于工装基座投影面逆时针转动时有：

(7)

式中, X₁可求出，相当于常量，公式变为横坡角度为未知量的一多项式，可通过计算软件求得。实际上，设X₁值为1.5(实际上小于此值)，而cos a是一个小于1的数，因此可得式(6)、式(7)左边的值均小于1.5，将之代入式(2)，式(3)或者从图 13可看出，在y值小于1.5时，工装自转的角度均在30°以内。而从图 9知，在工装自转的过程中，z方向重心位置保持不变，当角度在30°以内时，y方向重心位置变化较为平缓，因此用工装自转的方式补偿车组在横坡上导致的重心位置偏移是合理的。

4.3 工装举升下的纵坡补偿

在进行工装举升时会提高车组重心位置，因此通过更改举升车组装配体的配合状态得到不同的工况，然后采用质量属性功能进行计算，得到不同举升角度下的重心位置变化情况，在举升过程中叶片处于90°放置状态且举升工装不自转，其结果如图 11所示。

由图 11可知，在运输工装举升过程中，重心位置在y方向上则逐渐减小(从纵向看即为车组重心后移，这会增加车组纵向稳定性)，且随着举升角度的增加，其减小值的变化越来越快，最大值为5.99 m，最小值为3.139 m。

工装在进行举升过程中导致重心在y方向上的位置变化，因此可利用叶片举升工装的这一特点来补偿车组运输在纵坡上的重心位置偏移量，以保持整车运输重心始终保持在稳定位置。

4.3.1 工装举升过程对重心位置变化的公式拟合

在工装举升过程中，整车重心位置是一个减少的趋势，但其减少的速度为先慢后快，因此可将之拟合为一个二次多项式的形式，如图 12所示，即y方向重心位置与举升角度的关系可用式(8)表示：

(8)

4.3.2 工装举升角度下纵坡补偿的公式推导

设重心位置到纵向翻车支点(通常为有倾翻趋势方向的第一轴悬架竖轴中心)距离为Y₁，在纵坡上的实际距离为N，则有：

(9)

式中，β为纵坡角度，在正常情况下，根据《公路工程技术》规定纵坡角度β范围在2%~8%之间，在特殊的山区道路，作业人员会对道路进行重构使纵坡角度保持在这一安全范围。

因此可得实际距离的改变量为：

(10)

联立式(2)、式(4)得：

(11)

化简为：

(12)

式中，Y₁可实际测得；c为初始举升角度，式(12)右侧表示为初始举升角度对应的y值减去最终举升角度对应y值的绝对值，即实际距离变化量；所求得y为最终举升角度对应的y，因此纵坡对应的调整角度为|x-c|。

实际上，当以车头为前进正方向时，遇到上坡路段时，整车重心位置会后移，此时应将叶片举升角度调低以补偿这种变化，而当遇到下坡路段时，则需要将叶片举升角度调高来保持车组的重心平衡。

5 配重位置补偿仿真试验

配重位置在纵向变化时可使整车重心在纵向方向发生改变，因此可用来补偿在工装需要避障时的举升操作对重心位置的改变。

5.1 配重位置变化公式拟合

在平板车上有可供配重移动的滑块，可使配重在滑块上滑行以使整车重心变动，以平衡举升工装时整车重心位置的改变量。通过改变配重块在车组上的位置，得出以下重心位置随配重块位置变化的折线图，如图 13所示。

y方向的重心位置随配重位置变化近似一线性直线，因此可对其进行线性拟合，得到如下公式：

(13)

式中，y为重心位置，x为配重位置。

5.2 配重位置补偿公式推导

则由式(12)可得：

(14)

式中, 右边为举升过程带来的重心位置改变量，左侧β为需要配重移动补偿的重心位置改变量，联立式(13)，式(14)即可求得式(13)中的x，即所需配重位置。

6 结论

(1) 在风速与风向对车组受力影响的研究中，发现在风速逐渐增加过程中，总压与受力变化趋势均增大且变化趋势相同，由于叶片的翼型结构导致横向流速呈直线增加，且不等于设置的环境速度，而对风向研究中，发现横向风作用远大于纵向风作用，因此在实际运输中通常可以忽略纵向风作用。

(2) 针对现有条件的多车牵引缺点，设计了多动力单元叠加的牵引力补偿方案。

(3) 在工装补偿仿真试验中，可用工装的自转与举升来对运输中遇到的横纵坡进行补偿，通过拟合公式可得出在一定坡度下(1%≤a≤6%，2%≤β≤8%，在特殊的山区道路，作业人员会对道路进行重构使横纵坡角度保持这一安全范围)的具体补偿角度。

(4) 在配重位置仿真试验中，用可变配重的纵向移动来补偿工装举升过程中的重心位置改变量，通过拟合公式可得出在工装一定举升角度下的配重具体补偿位置。

(5) 目前实际应用操作场景都是根据驾驶员的经验完成，缺乏相关的理论依据。本研究通过采用公式拟合的方法得出工装在举升等操作过程中重心位置改变的公式，得出举升、自转等操作对横纵坡进行补偿的具体角度，并运用配重位置补偿工装举升等操作对重心位置的影响，更好地为山地风电叶片稳定运输提供理论指导。