王志勇 ,徐志強(qiáng) ,江 濤

（1.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；2.農(nóng)業(yè)部遠(yuǎn)洋漁船與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092）

拖網(wǎng)捕撈是我國(guó)遠(yuǎn)洋漁業(yè)最重要的作業(yè)方式之一，拖網(wǎng)絞車(chē)作為最主要的捕撈設(shè)備，主要用來(lái)起放網(wǎng)具、絞收曳綱。拖網(wǎng)過(guò)程中通過(guò)調(diào)節(jié)曳綱長(zhǎng)度、拖速來(lái)保持網(wǎng)具不同的水層位置，拖網(wǎng)絞車(chē)性能好壞直接影響拖網(wǎng)作業(yè)的效率[1]。

由于世界海洋捕撈技術(shù)的進(jìn)步及開(kāi)發(fā)保障能力的提升，在開(kāi)發(fā)程度最高的海區(qū)和世界漁業(yè)捕撈主要漁場(chǎng)，捕撈強(qiáng)度已經(jīng)接近極限，為了增加捕撈產(chǎn)量，全球海洋捕撈水域越來(lái)越廣，也越來(lái)越深。根據(jù)日本調(diào)查評(píng)估，在世界海洋200～2 000 m 水深內(nèi)，魚(yú)類(lèi)和非魚(yú)類(lèi)的捕撈量可望達(dá)到3 000×104t 左右，相當(dāng)于目前世界漁業(yè)總產(chǎn)量的1/4，深海捕撈的開(kāi)發(fā)潛力很大。目前國(guó)外漁業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家漁船裝備機(jī)械化、自動(dòng)化程度很高，拖網(wǎng)漁船能滿(mǎn)足500～2 000 m 以上水深作業(yè)。原蘇聯(lián)早在20 世紀(jì)50 年代初就開(kāi)始在大西洋800～1 100 m 水深開(kāi)展拖網(wǎng)捕撈，捕獲高附加值深海魚(yú)類(lèi)。挪威從2008-2014 年深海捕撈漁船數(shù)量從17 艘迅速增加到64 艘，國(guó)內(nèi)外學(xué)者先后開(kāi)展了很多相關(guān)研究，研究了大西洋深海漁業(yè)的分布和捕撈模式。中國(guó)在20 世紀(jì)60 年代末到70 年代初曾經(jīng)制造數(shù)臺(tái)13 700 m 繩長(zhǎng)底棲拖網(wǎng)絞車(chē)，但主要用于水文、地質(zhì)取樣，在深遠(yuǎn)海拖網(wǎng)捕撈作業(yè)方面應(yīng)用很少[2-5]。目前我國(guó)捕撈海洋深層漁類(lèi)的拖網(wǎng)漁船中，只有20 艘左右大型拖網(wǎng)加工船，能在世界主要海域從事大陸斜坡千米以?xún)?nèi)的深海捕撈，均為購(gòu)買(mǎi)國(guó)外二手舊船，這些漁船船齡較長(zhǎng)，總體性能差，能耗高，各類(lèi)設(shè)備陳舊落后。其余拖網(wǎng)漁船都是中小型漁船，主要集結(jié)在近海0～200 m 水深以?xún)?nèi)進(jìn)行捕撈作業(yè)，捕撈作業(yè)空間非常有限，發(fā)展?jié)摿κ艿较拗?。因此，開(kāi)展遠(yuǎn)洋深海捕撈相關(guān)技術(shù)研究，積極開(kāi)發(fā)新的遠(yuǎn)洋捕撈品種，是繼大洋性漁業(yè)之后又一重要的漁業(yè)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，其開(kāi)發(fā)得到廣泛重視[6]。

1 材料與方法

1.1 功能分析

在深海區(qū)拖網(wǎng)作業(yè)時(shí)，起放網(wǎng)的操作過(guò)程和在近海區(qū)的操作類(lèi)似。放網(wǎng)時(shí)，網(wǎng)具沉降速度取決于船速和曳綱松放速度，在放網(wǎng)過(guò)程保證船速和曳綱松放速度相適應(yīng)，并根據(jù)捕撈種類(lèi)隨時(shí)調(diào)整參數(shù)。深海拖網(wǎng)捕撈的一個(gè)重要特點(diǎn)是，放網(wǎng)的曳綱比近海作業(yè)長(zhǎng)很多，曳綱增長(zhǎng)使網(wǎng)具阻力大大增加，需要拖網(wǎng)絞車(chē)和漁船具有巨大的絞拉力和功率，并且拖網(wǎng)絞車(chē)的繩索滾筒有更大的容繩量，絞車(chē)關(guān)鍵部分同時(shí)要有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。另一個(gè)重要特點(diǎn)是，由于曳綱很長(zhǎng)，花費(fèi)在松放和絞收曳綱上的時(shí)間大為增加。在傳統(tǒng)漁場(chǎng)生產(chǎn)，松放和絞收曳綱的時(shí)間占用拖曳時(shí)間的一半以下，而深海拖網(wǎng)用于絞收和松放曳綱的時(shí)間，將會(huì)大大增加，這樣投網(wǎng)次數(shù)就會(huì)減少，導(dǎo)致深海拖網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益下降[7]。因此，必須合理設(shè)計(jì)絞車(chē)?yán)推鹁W(wǎng)速度，選擇合適水深，減少起放網(wǎng)時(shí)間，增加放網(wǎng)次數(shù)，才能達(dá)到合理捕撈效益。

1.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

深水拖網(wǎng)絞車(chē)由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置、滾筒容繩裝置、制動(dòng)裝置、液壓離合裝置和自動(dòng)排繩裝置以及集中操作控制臺(tái)組成，拖網(wǎng)絞車(chē)總體設(shè)計(jì)為分離式結(jié)構(gòu)，有左、右機(jī)之分，左、右機(jī)為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)?？傮w結(jié)構(gòu)采用分離式設(shè)計(jì)能將驅(qū)動(dòng)功率平分于2 臺(tái)絞車(chē)，減少了結(jié)構(gòu)件尺寸，集中控制臺(tái)設(shè)置在兩絞車(chē)中間，方便操作控制。傳動(dòng)流程是2 臺(tái)液壓馬達(dá)分兩組，分別從絞車(chē)一側(cè)通過(guò)齒輪減速器驅(qū)動(dòng)絞車(chē)主軸，再通過(guò)主軸與滾筒間的牙簽離合器驅(qū)動(dòng)滾筒工作，分別牽引左右曳綱拖曳網(wǎng)具。

圖1 深水拖網(wǎng)絞車(chē)總體設(shè)計(jì)Fig.1 Design of deep-water trawl winch

1.3 拖網(wǎng)絞車(chē)性能參數(shù)設(shè)計(jì)

額定拉力、起網(wǎng)速度是拖網(wǎng)絞車(chē)主要性能參數(shù)，絞車(chē)起網(wǎng)時(shí)的拉力值與漁船尺度、海浪情況、網(wǎng)具規(guī)格以及起網(wǎng)速度等許多因素有關(guān)，設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。絞車(chē)?yán)υO(shè)計(jì)過(guò)小，不能滿(mǎn)足捕撈作業(yè)需求；拉力設(shè)計(jì)過(guò)大，其效率不能合理使用，另外，設(shè)備初期投資高，設(shè)備體積大，增加漁業(yè)捕撈成本。因此對(duì)拖網(wǎng)絞車(chē)額定拉力和起網(wǎng)速度進(jìn)行分析研究，設(shè)計(jì)合理的性能參數(shù)至關(guān)重要。絞車(chē)參數(shù)設(shè)計(jì)流程一般是根據(jù)作業(yè)海域確定船的尺度，再按捕撈所需拖速及網(wǎng)具尺度確定漁船主機(jī)功率，最后根據(jù)一定的網(wǎng)具阻力和起網(wǎng)速度及漁船航速確定拖網(wǎng)絞車(chē)功率[8-10]。網(wǎng)具在拖曳過(guò)程中，絞車(chē)綱繩受力按照懸索理論計(jì)算，由圖2 中拖網(wǎng)絞車(chē)受力分析計(jì)算可得絞車(chē)?yán)綖?

圖2 拖網(wǎng)絞車(chē)受力分析圖Fig.2 Force analysis diagram of trawl winch

公式中T 為拖網(wǎng)絞車(chē)?yán)?，kN；F0為網(wǎng)具及漁獲物在起網(wǎng)時(shí)的水阻力，kN；F1為曳綱水阻力，kN；F2為手綱水阻力，kN；F3為網(wǎng)板正面阻力，kN；G1為曳綱在水中的重量，kN；G2為手綱在水中的重量，kN。

K1為水阻力系數(shù)；L1為艉拖網(wǎng)具曳綱長(zhǎng)度，m；d1為曳綱直徑，mm；V1為絞車(chē)起網(wǎng)速度，m·s-1；VC為起網(wǎng)時(shí)船速，m·s-1；

由公式（1）和（2）可知，在網(wǎng)具和網(wǎng)板確定情況下，拖網(wǎng)絞車(chē)曳綱張力主要和曳綱長(zhǎng)度有關(guān)，隨著放網(wǎng)深度增加，曳綱張力也會(huì)增加[11]。

該深水拖網(wǎng)絞車(chē)示范應(yīng)用漁船參數(shù)為：船長(zhǎng)33.8 m，主機(jī)功率882 kW，船寬8.5 m。配置網(wǎng)具參數(shù)為：網(wǎng)具總長(zhǎng)118 m，網(wǎng)口周長(zhǎng)280 m，上綱長(zhǎng)度61.92 m，下綱長(zhǎng)度80.25 m，網(wǎng)口網(wǎng)目數(shù)56 目，由模型網(wǎng)水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，該網(wǎng)具在水平擴(kuò)張L/S（袖端間距與下綱長(zhǎng)度的比）為0.45、拖速3.0～4.0 kn 時(shí)，網(wǎng)具阻力在40～50 kN 之間，對(duì)應(yīng)的漁具功率消耗分別為73.73 kW 和98.9 kW，占主機(jī)總功率的8.4%、11.2%。

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，一般漁具總阻力約占漁船總拖力的80%～85%，但是，在設(shè)計(jì)網(wǎng)具時(shí)，由于針對(duì)的捕撈品種、作業(yè)海底底質(zhì)、作業(yè)方式等差異，網(wǎng)具、網(wǎng)板、漁船三者占漁船總拖力的比例也各不相同。結(jié)合該示范漁船功率匹配要求，設(shè)計(jì)拖網(wǎng)絞車(chē)額定拉力為60 kN，鋼絲繩直徑為￠24 mm，捕撈作業(yè)最大水深為500 m。絞車(chē)滾筒容繩量一般為水深3～5 倍，設(shè)計(jì)滾筒容繩量為2 500 m。深水拖網(wǎng)起網(wǎng)時(shí)間由絞車(chē)平均起網(wǎng)速度決定，而起網(wǎng)速度影響拖網(wǎng)絞車(chē)傳動(dòng)功率和曳綱張力，為了減少起放網(wǎng)時(shí)間，增加放網(wǎng)次數(shù)，設(shè)計(jì)絞車(chē)平均起網(wǎng)速度為100 m·min-1。

1.4 液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及計(jì)算

1.4.1 液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)拖網(wǎng)作業(yè)工況深水絞車(chē)控制系統(tǒng)采用開(kāi)式液壓回路，液壓泵選用變量柱塞泵和葉片泵。液壓站采用船舶主機(jī)前端輸出驅(qū)動(dòng)，液壓系統(tǒng)主要由液壓泵、油箱、溢流閥等組成，液壓系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 液壓系統(tǒng)控制原理Fig.3 Control principle of hydraulic system

在起網(wǎng)和拖曳時(shí)，高壓油液經(jīng)過(guò)柱塞泵后由P 口進(jìn)入比例換向閥，比例換向閥工作在左位，經(jīng)過(guò)換向閥進(jìn)入絞車(chē)馬達(dá)口，驅(qū)動(dòng)拖網(wǎng)絞車(chē)正轉(zhuǎn)起網(wǎng)，在比例換向閥閥芯處于左位或者右位時(shí)，通過(guò)改變換向閥的流量，來(lái)穩(wěn)定比例換向閥進(jìn)出油口壓差，避免負(fù)載的變化對(duì)流量控制的影響，從而實(shí)現(xiàn)比例流量控制。在放網(wǎng)過(guò)程中，絞車(chē)處于負(fù)負(fù)載的工況，此時(shí)比例換向閥處于右位，為保證系統(tǒng)能在負(fù)負(fù)載的工況下能進(jìn)行速度控制，在絞車(chē)馬達(dá)上設(shè)置了1 個(gè)平衡閥，可有效保證絞車(chē)在網(wǎng)具阻力作用下速度可控，絞車(chē)不失速。在負(fù)負(fù)載工況放網(wǎng)時(shí)，平衡閥在回路中起到正向負(fù)載作用，以保證系統(tǒng)在負(fù)負(fù)載工況下能進(jìn)行拖網(wǎng)絞車(chē)的速度控制。

1.4.2 拖網(wǎng)絞車(chē)恒張力控制

深水拖網(wǎng)作業(yè)海況復(fù)雜，由于波浪起伏造成船體升沉搖擺，絞車(chē)在拖曳過(guò)程中曳綱張力不斷變化，甚至曳綱承受的拉力超過(guò)綱繩最大負(fù)荷而發(fā)生斷裂，對(duì)拖網(wǎng)絞車(chē)的安全和壽命產(chǎn)生很大的影響。另外，深水拖網(wǎng)捕撈由于綱繩較長(zhǎng)，拖網(wǎng)作業(yè)響應(yīng)緩慢且動(dòng)態(tài)難以預(yù)測(cè)。漁船在進(jìn)行捕撈作業(yè)時(shí)，需要不停的調(diào)整航速以及曳綱長(zhǎng)度來(lái)瞄準(zhǔn)目標(biāo)魚(yú)群進(jìn)行捕撈，導(dǎo)致網(wǎng)具上的水阻力不斷發(fā)生變化，也會(huì)對(duì)絞車(chē)曳綱張力有很大的影響。因此，深水捕撈時(shí)拖網(wǎng)絞車(chē)要求具有恒張力功能，正反轉(zhuǎn)的速度范圍要大，并能無(wú)級(jí)變速；起網(wǎng)速度減小時(shí)，力矩要增大；在超載時(shí)，能夠自動(dòng)停止起網(wǎng)或松出曳綱[12-17]。

液壓系統(tǒng)通過(guò)張力值調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)起網(wǎng)工況系統(tǒng)壓力。在正常起放網(wǎng)時(shí)，先導(dǎo)溢流閥關(guān)閉，對(duì)絞車(chē)的操作不起任何影響，液壓泵給液壓絞車(chē)上的液壓馬達(dá)提供動(dòng)力。拖曳作業(yè)時(shí)，通過(guò)導(dǎo)壓級(jí)閥設(shè)定值，控制先導(dǎo)溢流閥壓力，保證絞車(chē)油路兩端恒定油壓差值，從而保證絞車(chē)恒張力。由于拖網(wǎng)絞車(chē)慣性大，拖網(wǎng)絞車(chē)難以迅速反應(yīng)，曳綱張力采用閉環(huán)控制設(shè)計(jì)，可補(bǔ)償外干擾對(duì)拖網(wǎng)系統(tǒng)的影響[18-21]。在絞車(chē)拖曳過(guò)程中，要求綱繩長(zhǎng)度保持在設(shè)定范圍內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)具穩(wěn)定在目標(biāo)水層，因而對(duì)曳綱長(zhǎng)度進(jìn)行閉環(huán)控制。通過(guò)預(yù)先設(shè)定的拖網(wǎng)曳綱長(zhǎng)度及張力控制范圍，即可確保拖網(wǎng)作業(yè)順利進(jìn)行，拖網(wǎng)絞車(chē)系統(tǒng)恒張力控制如圖4 所示。

圖4 拖網(wǎng)絞車(chē)恒張力控制方框圖Fig.4 Constant tension control block diagram of trawl winch

1.4.3 液壓系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算

絞車(chē)額定拉力T=60 kN，絞車(chē)起網(wǎng)速度V=100 m·min-1，絞車(chē)起網(wǎng)功率P=TV=100 kW。

根據(jù)絞車(chē)輸出的扭矩和速度，對(duì)液壓馬達(dá)進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，系統(tǒng)采用中高壓系統(tǒng)（壓力16～18 MPa 之間）。絞車(chē)所需的輸出速度100 m·min-1，考慮馬達(dá)的泄漏，確定馬達(dá)的工作流量，選用HMB-325 型軸向柱塞大扭矩馬達(dá)，保證絞車(chē)可靠性。

馬達(dá)參數(shù)為排量5.31 L·r-1，最高轉(zhuǎn)速100 r·min-1，單位扭矩79.4 N·m·bar-1，最大輸出功率140 kW。

基于馬達(dá)參數(shù)、齒輪箱減速比以及絞車(chē)卷筒規(guī)格等以上數(shù)據(jù)計(jì)算液壓系統(tǒng)的參數(shù)為：液壓系統(tǒng)工作壓力17.5 MPa，系統(tǒng)流量：530 L·min-1。

為滿(mǎn)足系統(tǒng)流量要求，液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用雙泵，總流量為600 L·min-1，其中一個(gè)泵為變量泵，可根據(jù)系統(tǒng)的要求改變系統(tǒng)總流量，另一個(gè)泵為齒輪泵，同時(shí)作為控制油源與離合油缸的油源。由于控制油和離合油缸油壓不一致，在油壓回路設(shè)置定值減壓閥，輸出不同壓力以滿(mǎn)足控制油要求。另外，齒輪泵受到船舶發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，出油壓力不穩(wěn)定，液壓系統(tǒng)在泵出油口串入囊式蓄能器，用來(lái)緩沖壓力波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

深水拖網(wǎng)絞車(chē)于2017 年5 月安裝在加納“遠(yuǎn)漁904 號(hào)”拖網(wǎng)漁船上，試驗(yàn)應(yīng)用如圖5 所示。海上試驗(yàn)5 月27 日-6 月5 日進(jìn)行，試驗(yàn)地點(diǎn)為西非加納海域，試驗(yàn)海域水深200～510 m。在漁船到達(dá)試驗(yàn)海域后開(kāi)始放網(wǎng)，漁船減速航行，船上操作人員將網(wǎng)囊從艉滑道拋入海中，依靠水的阻力將網(wǎng)具、手綱和網(wǎng)板拖入水中。操作人員手動(dòng)操縱拖網(wǎng)絞車(chē)松放曳綱，放網(wǎng)時(shí)保持曳綱處于張緊受力狀態(tài)，因?yàn)樗煞乓肪V速度過(guò)快，就會(huì)使網(wǎng)具扭轉(zhuǎn)。放網(wǎng)接近預(yù)定深度時(shí)，船速減到2 kn 左右，使網(wǎng)具快速沉降到海底，然后開(kāi)始拖曳。

圖5 深水拖網(wǎng)絞車(chē)試驗(yàn)及應(yīng)用Fig.5 Test and application of deep-water winch

絞車(chē)空載試驗(yàn)過(guò)程中排繩器、離合器運(yùn)轉(zhuǎn)順暢，正車(chē)、倒車(chē)時(shí)拖網(wǎng)絞車(chē)工作正常，觀測(cè)操作臺(tái)壓力表正車(chē)壓力為8 MPa，倒車(chē)壓力為5 MPa。拖曳階段時(shí)間為2 h，漁船勻速拖曳，漁船平均拖速為3.2～3.5 kn，絞車(chē)工作壓力為12.5～17 MPa，漁船起網(wǎng)時(shí)船速為2.0～2.5 kn，整個(gè)起網(wǎng)用時(shí)30 min。當(dāng)放綱長(zhǎng)度和作業(yè)水深不變時(shí)，拖網(wǎng)曳綱基本處于平衡狀態(tài)，主要受水動(dòng)力、曳綱自重和水中漁具的阻力作用，曳綱張力始終在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。拖網(wǎng)過(guò)程中可以通過(guò)調(diào)節(jié)拖曳速度大小和放綱長(zhǎng)度來(lái)控制網(wǎng)具位置，由于提高拖速會(huì)造成網(wǎng)口高度下降、增加漁船功率消耗，一般通過(guò)改變曳綱放出長(zhǎng)度來(lái)控制和調(diào)節(jié)拖網(wǎng)在水層中位置。

我國(guó)目前僅在東非莫桑比克從事深水拖網(wǎng)，捕撈深水蝦等品種，所用漁船和漁具均引進(jìn)自西班牙。而西非漁業(yè)受漁船、捕撈網(wǎng)具等限制，尚未開(kāi)展深水區(qū)域的捕撈作業(yè)。依托國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題研制了該深水拖網(wǎng)絞車(chē)，海上試驗(yàn)對(duì)該深水絞車(chē)主要功能要求：包括拉力、起網(wǎng)速度等設(shè)計(jì)參數(shù)以及機(jī)械和控制系統(tǒng)的操作性能都進(jìn)行了驗(yàn)證，根據(jù)海上試驗(yàn)結(jié)果，該深水絞車(chē)系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足深水拖網(wǎng)作業(yè)要求，為拓展過(guò)洋性漁業(yè)漁場(chǎng)提供了技術(shù)支撐。

3 結(jié)論

該深水拖網(wǎng)絞車(chē)液壓系統(tǒng)采用先導(dǎo)溢流閥恒張力控制，減少負(fù)載沖擊，緩解船舶升沉起伏對(duì)絞車(chē)負(fù)載影響。絞車(chē)換向采用壓力補(bǔ)償設(shè)計(jì)，有效控制絞車(chē)起放網(wǎng)及轉(zhuǎn)向，提高了控制系統(tǒng)的操作性能；液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)定值減壓閥模塊，泵站出口加裝穩(wěn)壓蓄能模塊，解決了齒輪泵受到船舶發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，出油壓力不穩(wěn)定的問(wèn)題。

深海拖網(wǎng)捕撈對(duì)漁船及捕撈裝備技術(shù)水平要求很高，不僅漁船、拖網(wǎng)絞車(chē)要求有足夠大的功率和拖力，拖網(wǎng)作業(yè)也要配備性能良好的垂直探魚(yú)儀，以探測(cè)能達(dá)到作業(yè)要求的深度，拖網(wǎng)網(wǎng)具上還應(yīng)裝置有網(wǎng)位儀，以隨時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)具作業(yè)性能和掌握魚(yú)群進(jìn)網(wǎng)狀況，因此可靠的捕撈設(shè)備對(duì)保障深海捕撈可持續(xù)發(fā)展是十分重要的。