徐志強(qiáng)，劉 平，紀(jì)毓昭，王志勇，諶志新

(中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092)

目前中國(guó)遠(yuǎn)洋圍網(wǎng)漁船成套的自動(dòng)化控制捕撈設(shè)備以進(jìn)口為主，有關(guān)圍網(wǎng)作業(yè)成套設(shè)備集成的研究文獻(xiàn)比較少。圍網(wǎng)機(jī)械裝備配合圍網(wǎng)作業(yè)需求安裝于圍網(wǎng)漁船上，用來起、放圍網(wǎng)漁具和撈取漁獲物[1]。一套圍網(wǎng)機(jī)械少則幾臺(tái)，多則30臺(tái)以上，其選用及配置需由漁船大小、網(wǎng)具規(guī)格、作業(yè)對(duì)象、漁場(chǎng)條件以及用戶對(duì)作業(yè)機(jī)械化和自動(dòng)化要求的程度等因素來決定[2-4]。圍捕作業(yè)要求盡可能機(jī)械化和自動(dòng)化，以提高圍捕成功率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，保障作業(yè)安全。圍網(wǎng)機(jī)械的先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性、合理性是衡量漁船作業(yè)性能的重要標(biāo)志[5-6]，也是改善漁工勞動(dòng)條件，增強(qiáng)大風(fēng)浪海況作業(yè)安全性，提高漁船生產(chǎn)率的重要途徑，因此國(guó)內(nèi)外漁業(yè)界十分注重其發(fā)展[7-8]。

挪威、日本、秘魯、美國(guó)、俄羅斯、智利、丹麥、冰島等國(guó)的圍網(wǎng)漁業(yè)比較發(fā)達(dá)，在捕撈技術(shù)上以日本、美國(guó)、挪威較為先進(jìn)[9-11]。美國(guó)為了在太平洋、大西洋、印度洋等水域適應(yīng)捕撈鰹魚和金槍魚的圍網(wǎng)作業(yè)，安裝了先進(jìn)的漁撈設(shè)備，1 100 噸級(jí)船上備有各種漁撈機(jī)械16 種 21 臺(tái)， 均采用液壓傳動(dòng)和集中控制，整個(gè)漁撈過程只需6人[12]。日本 116噸級(jí)圍網(wǎng)船上有各種機(jī)械21～24臺(tái)，達(dá)到高度機(jī)械化。挪威20世紀(jì)70年代開始建造大船代替舊船和小船，大型網(wǎng)船達(dá)300多艘，船大且有加工設(shè)備，大部分漁船裝有橫向推進(jìn)器，先進(jìn)、安全、可靠的三滾筒式起網(wǎng)機(jī)，在7～8級(jí)風(fēng)浪時(shí)仍可作業(yè)，撈取 250 t漁獲物只需30 min左右[13]。盡管在過去的50多年間，中國(guó)的圍網(wǎng)漁業(yè)無論從捕撈設(shè)備還是從技術(shù)管理水平上均取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但與漁業(yè)先進(jìn)國(guó)家相比，圍網(wǎng)作業(yè)自動(dòng)化仍處于較低水平，漁場(chǎng)調(diào)查、魚群偵察、漁船性能和捕撈操作機(jī)械化水平都急需得到進(jìn)一步提升[14]。

本文基于市場(chǎng)推廣項(xiàng)目，針對(duì)沙丁魚等中上層魚種開展成套圍網(wǎng)裝備研制，重點(diǎn)研究成套裝備系統(tǒng)集成與自動(dòng)化控制，開展液壓動(dòng)力配置、自動(dòng)化多路閥控制設(shè)計(jì)、多設(shè)備集成協(xié)作等技術(shù)研究，為相關(guān)成套圍網(wǎng)裝備系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)提供成套解決方案。

1 圍網(wǎng)漁船布局及關(guān)鍵裝備技術(shù)參數(shù)

1.1 技術(shù)簡(jiǎn)介與需求分析

圍網(wǎng)作業(yè)是根據(jù)捕撈對(duì)象集群的特性，利用長(zhǎng)帶形或一囊兩翼的網(wǎng)具，采用圍捕或結(jié)合圍張、圍拖等方式，迫使魚群集中于取魚部或網(wǎng)囊，完成魚群圍捕的一種作業(yè)方式[15-17]。圖1為圍網(wǎng)作業(yè)示意圖。利用圍網(wǎng)漁船良好的快速性和回轉(zhuǎn)性，以適時(shí)速度追捕魚群，同時(shí)在圍捕過程中要求多個(gè)機(jī)械裝備協(xié)調(diào)操作，在短時(shí)間內(nèi)利用有限長(zhǎng)度和高度的網(wǎng)具把運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的魚群包圍。因此，提升圍網(wǎng)漁船的機(jī)械化和自動(dòng)化水平是提高圍捕效率、降低空網(wǎng)率和逃魚率的必要保障，同時(shí)也是保障作業(yè)安全、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度的重要手段。

圖1 圍網(wǎng)作業(yè)整體示意圖

主要圍網(wǎng)裝備布置圖如圖2所示。理網(wǎng)機(jī)[18]安裝于船尾，用于待三滾筒起網(wǎng)機(jī)將網(wǎng)具絞收至船尾后配合3～4名漁民將網(wǎng)具整理整齊，因此理網(wǎng)機(jī)需要安裝在船尾高處，并配有變幅和轉(zhuǎn)向裝置；雙滾筒絞機(jī)是圍網(wǎng)船的關(guān)鍵設(shè)備之一，采用雙滾筒結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)滾筒用于快速起放沉子綱，另一個(gè)滾筒用于起放連接在浮子綱上的跑綱，配合完成整個(gè)圍網(wǎng)作業(yè)；輔助絞機(jī)與吊機(jī)配合完成起網(wǎng)過程中的網(wǎng)具拖曳工作；A架導(dǎo)向沉子綱與跑綱，配合雙滾筒絞機(jī)保證順利完成起放網(wǎng)工作；吸魚泵與分級(jí)機(jī)多為成套裝置，兩者以橡膠軟管連接，用于將集群于圍網(wǎng)中的漁獲物吸捕、分級(jí)至船艙中，采用吸魚泵取魚可提高捕撈效率13.5%左右，同時(shí)也大大減少船員人數(shù)，已成為現(xiàn)代圍網(wǎng)生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)。目前，主流吸魚泵分為離心式與真空式兩種[19]，典型的離心式吸魚泵以挪威進(jìn)口為主，揚(yáng)程可達(dá)15 m以上，要求魚水混合密度33%以上，12英寸口徑的吸水能力每小時(shí)可達(dá)600 t，對(duì)30～ 50 cm長(zhǎng)的魚類損傷率不超過3%；真空式吸魚泵國(guó)內(nèi)也有不少?gòu)S家生產(chǎn)，由于在管道中沒有葉片或其他轉(zhuǎn)動(dòng)部分與魚體接觸，所以不損傷魚體，但耗能大[20-21]?，F(xiàn)代圍網(wǎng)漁船不但配備傳統(tǒng)的探魚儀等助漁設(shè)備，還利用衛(wèi)星遙感技術(shù)判斷魚群的可能位置，甚至在金槍魚圍網(wǎng)中直升機(jī)觀察手段也已獲得較廣泛的應(yīng)用。盡管如此，圍網(wǎng)生產(chǎn)在探魚方面仍要花費(fèi)大量的時(shí)間，漁場(chǎng)調(diào)查、魚群偵察技術(shù)等問題還沒有根本解決。

圖2 主要圍捕裝備布置圖

1.2 主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)與協(xié)調(diào)作業(yè)

根據(jù)圍網(wǎng)作業(yè)流程，參照網(wǎng)具規(guī)格及作業(yè)需求，確定主要設(shè)備的技術(shù)參數(shù)(表1)。

雙滾筒絞機(jī)是圍網(wǎng)漁船的關(guān)鍵裝備之一，其結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)為前主滾筒與后高速滾筒，其中，主滾筒用于起放沉子綱，高速滾筒用于起放跑綱，其結(jié)構(gòu)形式詳見圖3所示。

表1 主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)

圖3 雙滾筒絞機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

雙滾筒絞機(jī)的長(zhǎng)寬高尺寸大致為3 500 mm×2 500 mm×2 300 mm，兩個(gè)滾筒獨(dú)立工作，放纜時(shí)脫開離合器，依靠水流力量快速放出纜繩，同時(shí)通過控制手動(dòng)剎車裝置的松緊力度來控制放纜速度。收攬前，先操作閉合離合器，依靠液壓馬達(dá)絞收纜繩。

艏、艉側(cè)推是起網(wǎng)過程中的主要裝備之一，用于克服起網(wǎng)過程中雙滾筒絞機(jī)、三滾筒起網(wǎng)機(jī)以及水流、風(fēng)流的作用力，將船舶從網(wǎng)具中推開[22]，因此，艏、艉側(cè)推產(chǎn)生的推力之和要大于絞收時(shí)絞機(jī)的拉力。通過航行試驗(yàn)證明，對(duì)于工作負(fù)荷50 kN的圍網(wǎng)船，艏、艉側(cè)推各25 kN的設(shè)計(jì)載荷完全能滿足起網(wǎng)需求，在實(shí)際使用過程中，可利用水流、風(fēng)流輔助起網(wǎng)。由于起網(wǎng)負(fù)載偏向船尾，因此在動(dòng)力分配設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)優(yōu)先將富余供給艉側(cè)推。側(cè)推的推力按照1 kW功率輸出0.11～0.12 kN核算[23-24]。根據(jù)不同工況下設(shè)備的工作周期(表2)，可以找到系統(tǒng)功率最大的工況是起網(wǎng)作業(yè)工況，此時(shí)艏側(cè)推、艉側(cè)推、高速滾筒、主滾筒、三滾筒起網(wǎng)機(jī)、理網(wǎng)機(jī)與輔助絞機(jī)同時(shí)工作，以此作為設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)功率的依據(jù)，不同時(shí)工作的設(shè)備共用油源，最大程度地降低系統(tǒng)總功率。

表2 主要設(shè)備工作周期

2 液壓系統(tǒng)工作原理

液壓系統(tǒng)包括有泵源組件、操作閥組件、執(zhí)行組件三大模塊(圖4)。泵源組件是動(dòng)力輸出模塊，是驅(qū)動(dòng)整條船起捕裝備的動(dòng)力來源；操作閥組件根據(jù)設(shè)備功率需求將泵源合理分配，通過操作閥可實(shí)現(xiàn)油量的分流和集流，同時(shí)分別控制各設(shè)備正向、反向、停止等動(dòng)作；執(zhí)行組件即集成在作業(yè)裝備上的馬達(dá)、油缸等液壓元器件。

泵源組件包括液壓泵、動(dòng)力輸出機(jī)構(gòu)、油源閥組、油箱等。動(dòng)力輸出機(jī)構(gòu)由柴油機(jī)動(dòng)力輸出機(jī)構(gòu)(PTO)的飛輪端外加55 kW電機(jī)組成，其與液壓泵的布置形式為：柴油機(jī)飛輪端—齒形塊聯(lián)軸器—離合增速分動(dòng)箱—液壓泵(圖5)。

此布置形式可綜合利用主機(jī)功率，合理分配主機(jī)動(dòng)力輸出，能提高設(shè)備操縱性、可靠性，也達(dá)到節(jié)能的目的。PTO驅(qū)動(dòng)多臺(tái)液壓泵，可做到互為備用，提高系統(tǒng)的冗余性。油源閥組用于油路的合并與分流，可根據(jù)工況需求靈活布置。

圖4 液壓系統(tǒng)圖

操作閥組件由5組多路閥組成，根據(jù)需要選擇每組閥的工作片，實(shí)現(xiàn)油路的集成與動(dòng)作控制。由于所有閥組均選用手動(dòng)、液動(dòng)一體驅(qū)動(dòng)方式，因此可將液動(dòng)控制油路集成到一個(gè)操作平臺(tái)上，在實(shí)現(xiàn)各設(shè)備集成控制的同時(shí)，也可保證各設(shè)備協(xié)調(diào)配合的安全性。由于工作片間選型有壓力補(bǔ)償單元與負(fù)載敏感控制組件[25-26]，因此能保證各設(shè)備既可單獨(dú)動(dòng)作，也可同時(shí)動(dòng)作，可極大提高工作效率。執(zhí)行組件包括艏、艉側(cè)推在內(nèi)的10臺(tái)設(shè)備，合計(jì)18個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過操作閥組件的手柄動(dòng)作，做到各設(shè)備協(xié)調(diào)動(dòng)作，相互配合完成圍網(wǎng)作業(yè)。

圖5 PTO動(dòng)力輸出連接形式

3 艏艉側(cè)推電氣系統(tǒng)

艏、艉側(cè)推是圍網(wǎng)作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，能顯著提高圍網(wǎng)漁船的機(jī)動(dòng)性能。艏艉側(cè)推控制器用于控制艏側(cè)推與艉側(cè)推的轉(zhuǎn)速及方向，電氣原理見圖6。

側(cè)推操作一用一備，既可在駕駛室里操作，也可在機(jī)側(cè)操作臺(tái)上操作，兩者通過使能按鈕進(jìn)行切換。操作人員操縱電控手柄，改變手柄偏向及角度發(fā)出正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)命令，手柄傾斜角度越大，轉(zhuǎn)速越快，船體側(cè)推動(dòng)作越明顯。CAN-IO14控制器接收電控手柄信號(hào)后，經(jīng)過比例放大模塊，驅(qū)動(dòng)操作閥組件的閥芯開啟方向與開啟程度，從而改變側(cè)推的方向與轉(zhuǎn)速。

推動(dòng)電控手柄，相應(yīng)的動(dòng)作指示燈通電，燈亮，側(cè)推動(dòng)作，手柄恢復(fù)中位，駕駛臺(tái)動(dòng)作指示燈斷電，燈滅。同時(shí)也可將報(bào)警動(dòng)作集成在控制器中，此時(shí)動(dòng)作指示燈兼作故障指示燈，監(jiān)控電控閥接線，如果有錯(cuò)誤及短路、斷路、電流超負(fù)荷等，指示燈閃亮。控制器首次通電或者斷電再次通電時(shí)，如果駕駛臺(tái)及液壓操作臺(tái)某一電控手柄不在中位，控制器保護(hù)，所有手柄操作失效，需要先將所有手柄恢復(fù)中位后再進(jìn)行操作才有效，所以要求艏艉側(cè)推控制手柄操作完成后及時(shí)恢復(fù)中位，以免影響下次操作。CAN-IO14控制器正常工作電壓為(24±4)V，電壓波動(dòng)引起電壓超過此范圍，將導(dǎo)致液控閥不驅(qū)動(dòng)或驅(qū)動(dòng)不到位。

圖6 艏艉側(cè)推電氣系統(tǒng)圖

4 實(shí)船驗(yàn)證

2015年12月—2016年2月期間，交付完成的8條遠(yuǎn)洋圍網(wǎng)漁船先后于山東榮成附近海域開展船舶航行和設(shè)備試驗(yàn)，累計(jì)試驗(yàn)次數(shù)12次。通過在集中控制臺(tái)上操縱比例減壓閥的控制手柄，控制絞綱機(jī)實(shí)現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)及停車，當(dāng)絞綱負(fù)載較小或處于底徑，需要滾筒較大轉(zhuǎn)速時(shí)，可操縱集控臺(tái)手柄實(shí)現(xiàn)絞綱機(jī)無級(jí)變速。整個(gè)試驗(yàn)過程中，所有設(shè)備運(yùn)行動(dòng)作平穩(wěn)、準(zhǔn)確，無異常振動(dòng)和怪聲，雙滾筒絞機(jī)、輔助絞機(jī)等起網(wǎng)設(shè)備剎車制動(dòng)可靠，限位裝置動(dòng)作準(zhǔn)確、無誤，設(shè)備各部件在試驗(yàn)過程中均無變形、無裂縫，液壓系統(tǒng)無異常發(fā)熱現(xiàn)象，船、機(jī)、網(wǎng)匹配效果良好，網(wǎng)具起放流暢，網(wǎng)具打開充分，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。整個(gè)起放網(wǎng)作業(yè)時(shí)間不超過30 min，整個(gè)漁撈作業(yè)過程由原先10～14人縮減為6人，機(jī)械化程度顯著提高，驗(yàn)證了整套系統(tǒng)的可靠性與高效性。目前8條遠(yuǎn)洋圍網(wǎng)漁船在毛里塔尼亞、安哥拉等地進(jìn)行漁業(yè)捕撈生產(chǎn)，從事沙丁魚等小型中上層魚種的捕撈作業(yè)，網(wǎng)次產(chǎn)量可達(dá)10萬t。

5 結(jié)論

通過機(jī)械化裝備研制與自動(dòng)化系統(tǒng)集成，圍網(wǎng)捕撈裝備實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，試驗(yàn)與實(shí)際生產(chǎn)均驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)備工作穩(wěn)定、操作靈活、工況適應(yīng)型強(qiáng)，能夠滿足漁業(yè)生產(chǎn)要求。捕撈裝備包括雙滾筒絞機(jī)、三滾筒起網(wǎng)機(jī)、理網(wǎng)機(jī)、吸魚泵、回轉(zhuǎn)折臂吊、魚水分離器等10臺(tái)套設(shè)備，多臺(tái)設(shè)備協(xié)調(diào)作業(yè)、集成操作，高效傳動(dòng)與自動(dòng)化技術(shù)顯著提高了遠(yuǎn)洋圍網(wǎng)漁船的捕撈效率。圍網(wǎng)作業(yè)的聚而圍之、吸捕轉(zhuǎn)運(yùn)等技術(shù)裝備研發(fā)將對(duì)深遠(yuǎn)海平臺(tái)養(yǎng)殖模式的開發(fā)提供重要的技術(shù)與裝備支撐。

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