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您当前的位置： 一种山区风电场进场道路弯道加宽改造设计方法与流程
2021-01-18 15:01:38|
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本发明涉及一种山区风电场进场道路弯道加宽改造设计方法，属于超长设备运输道路改造技术领域。
背景技术：
近年来风电作为新能源发展的主力部分正逐渐从东部沿海及北方风资源丰富省带向内陆省份发展，风电场海拔也逐渐攀升，内陆地区风资源条件良好，适宜建设风电场的场址基本位于河谷、高山地带。随着西南地区高海拔山区风电场核准建设的推进，道路运输条件成为山区风电场发展的制约因素，山区地形崎岖不平，坡陡弯急，风机大件运输是山区风电场建设中的一个瓶颈难题。
车辆转弯时前、后车轮的运动轨迹不重合，存在内轮差，为确保曲线上行车的顺适与安全，需对道路内侧进行加宽，风电场风机大件(塔筒、叶片)由于尺寸较大，通常选用转向灵活，轴距较大的半挂车进行运输，一些后托式运载叶片的半挂车甚至长达30多米，挂车越长，牵引车与挂车后轮内轮差越大，就需要更大的弯道内侧加宽值。进场路通常需要借用现有的一些道路进行改造，山区既有道路通常是四级以及更低标准的道路，弯道半径较小、转弯宽度远远不满足大件运输半挂车的运输要求，需要对弯道进行加宽改造，由于山区地形较陡，改造工程量较大，风电场进场道路在山区风电场的建设中是重要的制约因素，相比沿海及平原地区占据总投资的比例较大。
国内道路设计行业路线设计主要参照《公路路线设计规范jtg-2017》，该规范对于特殊的铰接列车仅考虑了铰接车辆的前后轴距为3.3m+11m及半径大于50m的加宽指标，风机大件属于超长设备，风电场进场道路属于特殊道路范畴，目前国内没有直接可以参照的规范，没有具体的弯道设计指标可供参考。
一些风机生产厂家提供了地方运输手册，而由于风电开发最早在平原地区进行，运输手册中一些指标较高，如华锐风电科技有限公司《sl1500风机部件运输手册》中规定道路最小转弯半径不小于50米，这样的指标适用于平原地区，不适用于山区运输的实际情况。
因没有可直接参照的规范，目前山区风电场的进程道路弯道通过性及加宽改造设计带有半经验性，半经验的设计避免不了通过性判别不准确、改造不彻底的情况，出现在风机运输过程中局部弯道不满足运输要求需要进行二次改造的情况，影响运输效率。部分学者对半挂车转向进行分析，计算出了半挂车转向进入稳态转向时的最大通道宽度，采用该指标指导弯道加宽设计有两点弊端：第一对于转向角不大的弯道，半挂车转向并未进入稳态阶段，采用统一的稳态指标会导致加宽值过大，出现设计富余量过大，增加改造投资；第二对于进入稳态转向的弯道，该方法无法解决从现有路宽到最大加宽值应该如何过渡的问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于，提供一种山区风电场进场道路弯道加宽改造设计方法。根据半挂车弯道转向轨迹直观判断弯道通过性以及进行加宽改造，指导山区风电场进场道路的改造设计，提高设计效率，保障风机大件运输的顺畅，保证大件运输环节的工期，降低工程造价，节省项目投资。
本发明的技术方案：一种山区风电场进场道路弯道加宽改造设计方法，包括下述步骤，
a、测量作为研究对象的风电场进场道路的弯道工点地形图；
b、基于实测的弯道工点平面图，以弯道转向圆心作为坐标原点o、以大件运输车辆进场方向(1)为y轴正方向，以直圆点(2)位于x轴上为原则建立直角坐标系；
c、根据实测弯道工点平面图确定直线段道路宽度b(3)，弯道外半径r外(4)，弯道宽度b1(5)以及弯道转向角参数α0(6)，圆直点(7)；
d、根据风机大件尺寸确定运输半挂车的宽度b1，后轴轴距l，牵引车转弯半径r1；假设大件外轮廓线与道路外边线重合，确定牵引车转向半径为：r1＝r外-b1/2；
e、建立平面坐标系内大件运输半挂车运动轨迹的函数迭代关系；
f、减小迭代步长试算，步上设置为上一次试算步长的一半，重复e步骤的计算结果，将计算的b点坐标连续导入cad生成b点轨迹多线段，当每两次计算生成的多线段最大间距小于0.1m时，认为上一次迭代步长计算的结果满足工程精度要求；
g、由步骤f生成的轨迹线通过cad的偏移命令得到半挂车上任一点的轨迹，通过半挂车轨迹线与进场路的平面边界判断半挂车的通过性，若半挂车外轮廓轨迹线位于弯道内侧边线以内，则判断通过；若半挂车外轮廓轨迹线位于弯道内侧边线以外，则判断通过性不满足要求，需要对弯道内侧进行加宽处理；
h、由步骤g判断通过性不满足要求的弯道，在弯道加宽净区域增加0.5～2.0m的宽度进行改造设计，然后重复步骤g进行通过性判断，直到满足通过性要求。
前述的山区风电场进场道路弯道加宽改造设计方法，所述步骤e步骤如下：e1半挂车从坐标系第三象限直线驶入第四象限进行圆周运动，牵引车在进入第四象限圆周运动的任意i时刻，牵引车铰接牵引点a坐标为
xai＝-r1cos(βi)(1)
yai＝-r1sin(βi)(2)
xbi＝xai-cos(αi)l(3)
ybi＝yai-sin(αi)l(4)
以牵引点绕圆心转动一个微小δβ角度作为i+1时刻，根据半挂车转弯过程的原理，在i+1时刻，牵引点a的坐标为(xai+1,yai+1)，半挂车后轴中心点bi+1坐标记为(xbi+1,ybi+1)，有以下关系：
ybi+1＝(xbi+1-xai)tan(αi)+yai(5)
(xai+1-xbi+1)2+(yai+1-ybi+1)2＝l2(6)
根据b点运动规律，有边界条件|xai|＜|xbi+1|＜|xbi|或|xbi|＜|xbi+1|＜|xai|
根据以上两式以及边界条件推导出：
将xbi+1代入式(5)得到ybi+1；
下一个步长
根据以上两个步长间的关系，赋予初始β值，根据进场路弯道外侧路边缘半径，牵引车外侧轮胎考虑0.5-1.0m的富余宽度，即可得到牵引点牵引半径r1，给定连续步长δβ依次迭代，即可得到半挂车最后一排后轮中点在牵引车进入圆曲线后的轨迹坐标；
r1为半挂车外侧车轮距离外侧路边线0.5～1.0m时，牵引车铰接点的牵引半径；
β为牵引点与圆心的连线与x轴的夹角；
α为半挂车简化刚性体ab与x轴的夹角；
l为半挂车牵引点至最后一排后轮中点的距离；
k为进场路弯道出口直线段在xoy坐标系中的斜率；
输入牵引销初始坐标
e2牵引点a驶出弯道后直线行驶阶段：在牵引车驶出圆曲线后，以弯道出口牵引点a轨迹由圆曲线转为直线处交点作为初始坐标
xai+1＝xai+δx(9)
yai+1＝yai+kδx(10)
在a点牵引下后轴中点b与a的相对关系仍满足式(5)、式(7)和式(8),给定迭代步长δx，得到b点在a点直线牵引下的轨迹坐标
本发明的有益效果：本发明通过基于实测的进场道路弯道工点平面图，建立坐标系，计算并绘制出大件运输半挂车在弯道转向过程的轨迹线，根据半挂车转向整个过程的行驶轨迹可直观对进场路弯道通过性进行判断，能为通过性不满足的弯道改造设计提供直观、准确的参考标准，避免以往设计中出现二次改造或者设计尺度过大的情况，提高了设计效率以及设计成果的准确性，同时也保障了风机大件的畅通运输，提高了运输效率，保证风机大件运输环节的工期，同时减少了山区进场路改造的工程量，降低了工程造价，节省了工程投资，具有较高的经济和社会效益。
本发明计算方法过程严谨且易于实现，设计方便，方法可靠，经济和环保效益显著，因各风电场大件尺寸及运输车辆情况各异，很难形成统一的行业规范，本发明能适应多变的风机的大件参数及运输车辆参数，具有普适性，可在山区风电场进场道路弯道通过性判断及设计改造技术领域广泛推广应用。
附图说明：
附图1为山区风电场进场道路弯道工点要素示意图；
附图2为标准直角坐标系与弯道工点要素对应图；
附图3为大件运输半挂车主要参数示意图；
附图4为标准坐标系主要参数示意图；
附图5大件运输半挂车牵引点a点圆周运动阶段b点运动轨迹图；
附图6大件运输半挂车牵引点a点直线运动阶段b点轨迹线示意图；
附图7大件运输半挂车转向过程内侧外轮廓线示意图；
附图8大件运输半挂车弯道工点净加宽区域示意图；
附图9大件运输半挂车弯道工点加宽平面设计图示意；
附图标记：1-大件运输车辆进场方向(y轴正方向)、2-直圆点、3-道路宽度b、4-弯道外半径r外、5-弯道宽度b1、6-弯道转向角α0、7-圆直点、a-半挂车牵引点、b-半挂车后轴中点、b1-半挂车控制宽度(运输大件宽度大于车身宽度时取运输大件宽度)、l-半挂车轴距、8-牵引点a圆周运动阶段轨迹线、9-牵引点a直线运动阶段轨迹线、10-牵引点a圆周运动阶段b点的轨迹线、11-牵引点a驶出弯道直线运动阶段b点的轨迹线、12-通过偏移生成大件运输半挂车转向过程内侧外轮廓线、13-弯道工点内侧道路边线、14-大件运输半挂车转向过程内侧外轮廓线超出弯道工点内侧道路边线的区域，即净加宽区、15-在大件运输半挂车转向过程内侧外轮廓线基础上偏移富余安全距离(0.5m～2.0m)后生成的轮廓线、16-大件运输半挂车转向过程内侧外轮廓线偏移安全距离后超出弯道工点内侧道路边线的区域，即为设计加宽区。
α-转向过程任意i时刻半挂车简化刚体ab与x轴夹角、β-转向过程任意i时刻半挂车牵引点与圆心连线与x轴负方向的夹角、r1-牵引点转向半径。a-半挂车牵引点、b半挂车后轴中点。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
本发明的实施例：一种山区风电场进场道路弯道加宽改造设计方法，包括下述步骤，
a、测量作为研究对象的风电场进场道路的弯道工点地形图；
b、基于实测的弯道工点平面图，以弯道转向圆心作为坐标原点o、以大件运输车辆进场方向(1)为y轴正方向，以直圆点(2)位于x轴上为原则建立直角坐标系；
c、根据实测弯道工点平面图确定直线段道路宽度b(3)，弯道外半径r外(4)，弯道宽度b1(5)以及弯道转向角参数α0(6)，圆直点(7)；
d、根据风机大件尺寸确定运输半挂车的宽度b1，后轴轴距l，牵引车转弯半径r1；假设大件外轮廓线与道路外边线重合，确定牵引车转向半径为：r1＝r外-b1/2；
e、建立平面坐标系内大件运输半挂车运动轨迹的函数迭代关系；
f、减小迭代步长试算，步上设置为上一次试算步长的一半，重复e步骤的计算结果，将计算的b点坐标连续导入cad生成b点轨迹多线段，当每两次计算生成的多线段最大间距小于0.1m时，认为上一次迭代步长计算的结果满足工程精度要求；
g、由步骤f生成的轨迹线通过cad的偏移命令得到半挂车上任一点的轨迹，通过半挂车轨迹线与进场路的平面边界判断半挂车的通过性，若半挂车外轮廓轨迹线位于弯道内侧边线以内，则判断通过；若半挂车外轮廓轨迹线位于弯道内侧边线以外，则判断通过性不满足要求，需要对弯道内侧进行加宽处理；
h、由步骤g判断通过性不满足要求的弯道，在弯道加宽净区域增加0.5～2.0m的宽度进行改造设计，然后重复步骤g进行通过性判断，直到满足通过性要求。
其中，所述步骤e步骤如下：e1半挂车从坐标系第三象限直线驶入第四象限进行圆周运动，牵引车在进入第四象限圆周运动的任意i时刻，牵引车铰接牵引点a坐标为
xai＝-r1cos(βi)(1)
yai＝-r1sin(βi)(2)
xbi＝xai-cos(αi)l(3)
ybi＝yai-sin(αi)l(4)
以牵引点绕圆心转动一个微小δβ角度作为i+1时刻，根据半挂车转弯过程的原理，在i+1时刻，牵引点a的坐标为(xai+1,yai+1)，半挂车后轴中心点bi+1坐标记为(xbi+1,ybi+1)，有以下关系：
ybi+1＝(xbi+1-xai)tan(αi)+yai(5)
(xai+1-xbi+1)2+(yai+1-ybi+1)2＝l2(6)
根据b点运动规律，有边界条件|xai|＜|xbi+1|＜|xbi|或|xbi|＜|xbi+1|＜|xai|
根据以上两式以及边界条件推导出：
将xbi+1代入式(5)得到ybi+1；
下一个步长
根据以上两个步长间的关系，赋予初始β值，根据进场路弯道外侧路边缘半径，牵引车外侧轮胎考虑0.5-1.0m的富余宽度，即可得到牵引点牵引半径r1，给定连续步长δβ依次迭代，即可得到半挂车最后一排后轮中点在牵引车进入圆曲线后的轨迹坐标；
r1为半挂车外侧车轮距离外侧路边线0.5～1.0m时，牵引车铰接点的牵引半径；
β为牵引点与圆心的连线与x轴的夹角；
α为半挂车简化刚性体ab与x轴的夹角；
l为半挂车牵引点至最后一排后轮中点的距离；
k为进场路弯道出口直线段在xoy坐标系中的斜率；
输入牵引销初始坐标
e2牵引点a驶出弯道后直线行驶阶段：在牵引车驶出圆曲线后，以弯道出口牵引点a轨迹由圆曲线转为直线处交点作为初始坐标
xai+1＝xai+δx(9)
yai+1＝yai+kδx(10)
在a点牵引下后轴中点b与a的相对关系仍满足式(5)、式(7)和式(8),给定迭代步长δx，得到b点在a点直线牵引下的轨迹坐标
通过上述方法即可得到满足挂车通过的弯道设计。
实施例2。以某风电场山区进场路工程为例，本发明方法如下：
1、图1是实测的风电场山区进场路地形图，选取附图1弯道工点作为研究对象，通过弯道的平面线形可以获取以下要素：1-大件运输车辆进场方向(y轴正方向)、2-直圆点、3-道路宽度b，4-弯道外半径r外，5-弯道宽度b1，6-弯道转向角α0，7-圆直点。该工点3-道路宽度b为四级路标准宽度6.5m，弯道外半径r外为25m，弯道宽度b1为8.3m，转向角α0为120°。
2、附图2是根据实测的弯道工点平面图，以弯道转向圆心作为坐标原点o、以大件运输车辆进场方向(1)为y轴正方向，以直圆点(2)位于x轴上为原则建立的直角坐标系图。
3、附图3是风电场大件运输半挂车主要参数示意图，牵引点至后轴中点长度l为19.1m，控制宽度尺寸的为运输大件塔筒的尺寸b1为4.3m，由此可确定牵引点a转向半径r1＝r外-b1*1/2为22.85m。
4、附图4是坐标系内主要参数示意图，大件运输挂车在弯道的转向运动可以简化为在坐标系内的平面刚体运动，整个转向过程简化为两个阶段：第一阶段是半挂车后轴中点b在牵引点a驶入弯道进行圆周运动时刚体ab的运动；第二阶段是牵引点a驶出弯道直线行驶条件下刚体ab的运动。进而在标准坐标系内可简化为半挂车牵引点a从坐标系第三象限直线驶入第四象限进行圆周运动最后再直线驶出的过程。
在牵引点a进入弯道圆周运动阶段，牵引点a与半挂车后轴中点b的相对运动关系满足式(1)、式(2)、式(3)、式(4)、式(5)、式(6)、式(7)和式(8)。牵引点a驶出弯道后直线行驶阶段牵引点a与半挂车后轴中点b的相对运动关系满足式(5)、式(7)、式(8)、式(9)、式(10)。
对于该附图弯道工点，在牵引点a进入弯道圆周运动阶段，输入牵引销初始坐标
牵引点a驶出弯道后直线行驶阶段，以弯道出口牵引点a轨迹由圆曲线转为直线处交点作为初始坐标
5、附图5为重复试算以上第四部牵引点a进入弯道圆周运动阶段的计算步骤，迭代步长依次设置为δβ等于1°、0.5°、0.25°，然后将计算得出的b点坐标
6、附图6为重复试算第4步牵引点a驶出弯道进入直线运动阶段的计算步骤，迭代步长δx依次设置为等于1m、0.5m、0.25m，然后将计算得出的b点坐标
7、附图7为大件运输半挂车转向过程弯道内侧外轮廓线示意图，由于半挂车上任一点与b点相对位置不变，通过偏移可得到半挂车上的任一点的轨迹线，该工点以半挂车大件塔筒的外轮廓为控制因素，对以上第5、6步生成的轨迹线进行偏移，可生成大件运输半挂车内侧外轮廓线(12)。由该轮廓线位于道路内侧边线以外判定该弯道工点不满足大件运输通过性要求，需进行加宽设计。
8、附图8为大件运输半挂车弯道工点净加宽区示意图，大件运输半挂车转向过程内侧外轮廓线超出弯道工点内侧道路边线(13)的区域，即为净加宽区(14)。
9、附图9为大件运输半挂车弯道工点加宽平面设计图示意图。在步骤7的基础上，考虑内侧预留0.5m～2.0m作为富余安全宽度，对大件运输半挂车内侧外轮廓线进行偏移(15)偏移轨迹线超出道路内边线(13)的区域为设计加宽区域(16)。如图可见该加宽区为平滑渐变的加宽区，在预留1.0m作为富余宽度的条件下，设计加宽区域最大径向加宽宽度为4.5m，最大加宽宽度在靠出口侧。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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