王志勇，徐志強(qiáng)，林禮群

(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)農(nóng)村部遠(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)海洋捕撈主要作業(yè)方式之一，目前隨著海洋自然資源的衰退，海洋漁業(yè)資源爭(zhēng)奪日益激烈，世界海洋捕撈業(yè)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移趨勢(shì)日趨明顯，海洋捕撈技術(shù)裝備要求越來(lái)越高[1]。拖網(wǎng)絞車是拖網(wǎng)漁業(yè)最重要的捕撈設(shè)備，捕撈過(guò)程中通過(guò)安裝在漁船甲板上的絞車拖曳囊袋形漁具，在行駛水域捕獲魚(yú)或蝦類。根據(jù)捕撈對(duì)象和作業(yè)工況，一個(gè)網(wǎng)次拖曳時(shí)間為2～3 h。漁船在水中拖曳行駛過(guò)程中，受到波浪的作用會(huì)產(chǎn)生升沉、縱橫搖等復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)隨海況的升高而加劇，同時(shí)，絞車拖曳的網(wǎng)具也會(huì)隨船舶的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生較明顯的上下起伏[2-3]。尤其是深水拖網(wǎng)，由于拖曳時(shí)網(wǎng)具曳綱較長(zhǎng)，如果絞車綱繩張力波動(dòng)過(guò)大，導(dǎo)致網(wǎng)具變形會(huì)影響網(wǎng)口形狀，減小網(wǎng)口掃海面積，降低捕撈量。另外，曳綱張力過(guò)大會(huì)造成設(shè)備損壞，給絞車、網(wǎng)具、船舶都會(huì)帶來(lái)一定的安全隱患。國(guó)外從20 世紀(jì)80 年代開(kāi)始起就對(duì)拖網(wǎng)曳綱張力自動(dòng)控制技術(shù)開(kāi)展了研究和應(yīng)用，用于補(bǔ)償拖網(wǎng)過(guò)程中由于波浪或水下障礙物引起曳綱張力變化，系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)設(shè)定值范圍調(diào)節(jié)絞車張力，實(shí)現(xiàn)拖網(wǎng)過(guò)程自動(dòng)化控制[4-6]。目前國(guó)內(nèi)在海洋起重機(jī)、起吊絞車升沉補(bǔ)償技術(shù)方面開(kāi)展了相關(guān)研究和設(shè)計(jì)，但在漁業(yè)拖網(wǎng)絞車方面，相關(guān)研究較少，主要以被動(dòng)式補(bǔ)償為主[7-10]。通過(guò)主動(dòng)式波浪補(bǔ)償技術(shù)提高拖網(wǎng)絞車的控制性能以及拖網(wǎng)漁船的安全作業(yè)，對(duì)拖網(wǎng)捕撈作業(yè)具有重要作用。

1 波浪補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工作原理

拖網(wǎng)絞車波浪補(bǔ)償系統(tǒng)可以分為被動(dòng)式波浪補(bǔ)償系統(tǒng)和主動(dòng)式波浪補(bǔ)償系統(tǒng)。被動(dòng)式波浪補(bǔ)償系統(tǒng)主要由線性液壓執(zhí)行器或油缸、蓄能器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，是一種隨動(dòng)和滯后的補(bǔ)償方式。被動(dòng)式波浪補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，其缺點(diǎn)為補(bǔ)償滯后性大、升沉位移補(bǔ)償量低、補(bǔ)償適應(yīng)性差和補(bǔ)償性能不穩(wěn)定等，尤其是在負(fù)載變化之后。主動(dòng)式波浪補(bǔ)償系統(tǒng)控制絞車或油缸來(lái)實(shí)現(xiàn)，其響應(yīng)速度快、補(bǔ)償精度高，對(duì)復(fù)雜多變的海況適應(yīng)性強(qiáng)[11]。

1.1 拖網(wǎng)絞車波浪補(bǔ)償方案設(shè)計(jì)

拖網(wǎng)漁船捕撈作業(yè)示意如圖1 所示，漁船通過(guò)拖網(wǎng)絞車拖曳網(wǎng)具航行，拖網(wǎng)作業(yè)時(shí)針對(duì)目標(biāo)魚(yú)群需要不斷調(diào)整網(wǎng)具位置，另外，漁船由于受波浪影響導(dǎo)致拖網(wǎng)曳綱張力大小一直變化，因此，根據(jù)拖網(wǎng)作業(yè)實(shí)際工況，系統(tǒng)采用主動(dòng)式波浪補(bǔ)償方式。漁船拖曳網(wǎng)具航行時(shí)，曳綱張力主要受網(wǎng)具和網(wǎng)板水阻力，漁船拖速不變時(shí)，網(wǎng)具水阻力保持穩(wěn)定。當(dāng)漁船隨波浪向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，拖網(wǎng)曳綱張緊，由于網(wǎng)具水阻力F 保持不變，拖網(wǎng)絞車放出鋼絲繩從而使拖網(wǎng)角度θ 變小，減小曳綱張力T 以平衡波浪升沉影響，反之絞收曳綱增大θ 值，增大曳綱張力，保持網(wǎng)具張緊，系統(tǒng)通過(guò)控制溢流壓力保證絞車是否放綱、保持、收綱等[12-14]。如果需要放綱則降低溢流閥壓力，網(wǎng)具將在水流作用下放出，反之收綱。當(dāng)系統(tǒng)處于波浪補(bǔ)償工況時(shí)，泵站全流量供油，絞車處于收綱微動(dòng)平衡狀態(tài)，收綱拉力與網(wǎng)具受力平衡。

圖1 拖網(wǎng)漁船作業(yè)示意圖Fig.1 Schematic diagram of trawler fishing

拖網(wǎng)絞車波浪補(bǔ)償系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)包括液壓系統(tǒng)回路和控制系統(tǒng)回路，由動(dòng)力泵組、液壓馬達(dá)、閥件、測(cè)試傳感器以及系統(tǒng)控制器組成。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)拖網(wǎng)曳綱張力和位移，作為系統(tǒng)控制反饋信號(hào)，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)邏輯運(yùn)算，集中控制器通過(guò)調(diào)整先導(dǎo)溢流閥的溢流壓力控制馬達(dá)高壓端壓力。油泵一直開(kāi)啟供油從而溢流閥長(zhǎng)期處于開(kāi)啟狀態(tài)，保證馬達(dá)高壓端油壓，控制拖網(wǎng)絞車工作，及時(shí)收、放綱繩使絞車曳綱處于張力平衡狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)拖網(wǎng)絞車恒張力控制，改變溢流壓力即可改變張力值，實(shí)現(xiàn)漁船實(shí)時(shí)升沉補(bǔ)償[15-17]。系統(tǒng)控制邏輯如圖2 所示。

圖2 拖網(wǎng)絞車波浪補(bǔ)償系統(tǒng)控制邏輯圖Fig.2 Control logic diagram of winch wave compensation system

1.2 主動(dòng)式波浪補(bǔ)償工作原理

拖網(wǎng)捕撈作業(yè)過(guò)程中，拖網(wǎng)絞車大部分時(shí)間處于拖曳工況，起網(wǎng)和放網(wǎng)的時(shí)間較短，拖網(wǎng)絞車波浪補(bǔ)償系統(tǒng)原理如圖3 所示。起網(wǎng)時(shí)，電磁換向閥左位工作，高壓油液經(jīng)過(guò)電磁換向閥進(jìn)入液壓馬達(dá)的油腔A 口，梭閥的高壓端控制液壓馬達(dá)制動(dòng)器打開(kāi)。拖網(wǎng)絞車正轉(zhuǎn)起網(wǎng)，網(wǎng)具負(fù)載增加時(shí)，則液壓系統(tǒng)的壓力升高，絞車的拉力增大，當(dāng)液壓馬達(dá)的進(jìn)口壓力過(guò)大時(shí)，第一直動(dòng)式溢流閥打開(kāi)，對(duì)液壓馬達(dá)起保護(hù)作用。在放網(wǎng)時(shí)，電磁換向閥右位工作，高壓油液經(jīng)過(guò)電磁換向閥、平衡閥進(jìn)入液壓馬達(dá)的油腔B 口，驅(qū)動(dòng)拖網(wǎng)絞車放出曳綱，由于網(wǎng)具阻力，系統(tǒng)處于負(fù)負(fù)載的工況，平衡閥能進(jìn)行速度控制，保證拖網(wǎng)絞車在放網(wǎng)過(guò)程中速度可控，第二直動(dòng)式溢流閥對(duì)放網(wǎng)過(guò)程中起安全保護(hù)作用。電磁換向閥處于中位時(shí)，該電磁換向閥不動(dòng)作處于零位，高壓油液從電磁換向閥中位的回油口流出，經(jīng)回油管回油箱。

圖3 拖網(wǎng)絞車波浪補(bǔ)償系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic diagram of wave compensation system of trawl winch

在拖曳過(guò)程中，拖網(wǎng)絞車處于制動(dòng)狀態(tài)，拖網(wǎng)絞車的收綱拉力與網(wǎng)具受力平衡，動(dòng)力泵組一直開(kāi)啟供油，從而第一先導(dǎo)比例溢流閥長(zhǎng)期處于開(kāi)啟狀態(tài)，以保證動(dòng)力泵組的高壓端油壓。第一先導(dǎo)比例溢流閥的設(shè)定壓力值決定曳綱張力的大小，最高調(diào)定壓力20 MPa；第二先導(dǎo)比例溢流閥調(diào)定在較高壓力，最高調(diào)定壓力30 MPa，起安全閥作用。當(dāng)?shù)谝幌葘?dǎo)比例溢流閥的溢流過(guò)大時(shí)，可減小動(dòng)力泵組的排量以減少節(jié)流損失。

在拖曳過(guò)程中，曳綱張力在設(shè)定值范圍內(nèi)時(shí)，拖網(wǎng)絞車保持恒張力，當(dāng)曳綱張力超過(guò)設(shè)定值時(shí)，高壓油液從第一直動(dòng)式溢流閥回流到油箱，拖網(wǎng)絞車在鋼絲繩張力的反拖下，被動(dòng)放松鋼絲繩使張力恢復(fù)恒定。當(dāng)曳綱處于松弛狀態(tài)或曳綱張力過(guò)小時(shí)，根據(jù)油壓傳感器的信號(hào)反饋，通過(guò)控制器控制電磁換向閥工作于左位，動(dòng)力泵組的高壓油液經(jīng)過(guò)電磁換向閥進(jìn)入液壓馬達(dá)的高壓口(油腔A 口)，驅(qū)動(dòng)拖網(wǎng)絞車正轉(zhuǎn)，使曳綱收緊，使曳綱張力增大至第一先導(dǎo)比例溢流閥的設(shè)定值，之后，電磁換向閥回到中位，拖網(wǎng)絞車恢復(fù)至正常拖曳工況。

1.3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及計(jì)算

拖網(wǎng)曳綱張力與馬達(dá)油壓傳感器測(cè)量值換算公式為：

式中：T 為拖網(wǎng)曳綱張力，N；P 為液壓馬達(dá)高壓口壓力，MPa；Q 為馬達(dá)流量，L·min-1；D 為絞車滾筒直徑，m；η 為機(jī)械效率，取值0.95。

拖網(wǎng)絞車設(shè)計(jì)額定拉力為60 kN，起網(wǎng)速度為100 m·min-1，絞車滾筒直徑為φ400 mm，系統(tǒng)采用中高壓系統(tǒng)(壓力16～18 MPa 之間)，考慮馬達(dá)的泄漏，確定馬達(dá)的工作流量。馬達(dá)排量：5.31 L·r-1；單位扭矩：79.4 N·m·bar-1；最大輸出功率：140 kW。

絞車液壓系統(tǒng)流量計(jì)算公式為：

式中：q 為馬達(dá)理論排量，取5.31 L·r-1；n 為液壓馬達(dá)所需轉(zhuǎn)速；ηv為系統(tǒng)容積效率，取0.83。

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算結(jié)果，液壓系統(tǒng)工作壓力：17.5 MPa，系統(tǒng)流量：530 L·min-1。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

拖網(wǎng)絞車波浪補(bǔ)償系統(tǒng)軟件基于LabVIEW 設(shè)計(jì)，主要由參數(shù)設(shè)置、信息管理、系統(tǒng)監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)查詢等部分組成，系統(tǒng)的輸出控制分為自動(dòng)控制和人工控制兩部分，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)界面如圖4 所示。

圖4 波浪補(bǔ)償系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)Fig.4 Software design of wave compensation system

在曳綱張力系統(tǒng)波浪補(bǔ)償時(shí)，需要先輸入拖網(wǎng)絞車執(zhí)行機(jī)構(gòu)的具體信息，包括絞車參數(shù)，曳綱長(zhǎng)度、拖網(wǎng)深度等信息。根據(jù)具體需要可以選擇兩種控制模式，一種為自動(dòng)控制模式，具體的控制量由程序自動(dòng)控制，拖網(wǎng)時(shí)曳綱繩長(zhǎng)根據(jù)作業(yè)海況及拖曳速度自動(dòng)調(diào)節(jié)放纜與收攬長(zhǎng)度，系統(tǒng)最小、最大拖曳壓力可隨時(shí)調(diào)整，最大拖曳壓力設(shè)定線性改變先導(dǎo)溢流閥的設(shè)定壓力。系統(tǒng)即可開(kāi)始控制各動(dòng)力機(jī)構(gòu)，相關(guān)數(shù)據(jù)隨即保存進(jìn)入歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。

另一種為人工控制模式，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行手動(dòng)經(jīng)驗(yàn)操作，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際作業(yè)工況，人工輸入各項(xiàng)參數(shù)與輸出參數(shù)，手動(dòng)調(diào)整拖網(wǎng)絞車左右曳綱的最大繩長(zhǎng)，設(shè)定左右綱繩長(zhǎng)度最大差值報(bào)警，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制與校正。

3 實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用

根據(jù)海上試驗(yàn)結(jié)果及應(yīng)用情況[18]，拖網(wǎng)漁船主機(jī)功率882 kW，拖網(wǎng)漁船平均拖速為3.2～3.5 kn，絞車工作壓力為12.5～17 MPa，拖網(wǎng)曳綱張力大小為36～45 kN，當(dāng)放綱長(zhǎng)度和水深不變時(shí)，拖網(wǎng)曳綱處于平衡狀態(tài)，主要受到水動(dòng)力、曳綱自重和水中漁具的阻力作用，拖網(wǎng)絞車大部分時(shí)間處于恒張力狀態(tài)，曳綱張力始終在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，絞車換向采用壓力補(bǔ)償設(shè)計(jì)，有效控制絞車起放網(wǎng)及轉(zhuǎn)向。拖網(wǎng)絞車起網(wǎng)時(shí)，隨網(wǎng)具相對(duì)水流速增加，拖網(wǎng)曳綱張力逐步增大，最大值為55 kN，此時(shí)漁船減速航行，拖速為1.5～2 kn，減小拖網(wǎng)曳綱張力，直至起網(wǎng)結(jié)束。

在受波浪作用下，絞車波浪補(bǔ)償控制系統(tǒng)可以根據(jù)曳綱張力變化實(shí)時(shí)控制絞車收放，減少負(fù)載沖擊，緩解船舶升沉起伏對(duì)絞車負(fù)載影響。曳綱張力值的大小主要通過(guò)油壓力傳感器反饋的油壓信號(hào)間接換算，集中控制器通過(guò)對(duì)油壓信號(hào)的監(jiān)控作為拖網(wǎng)絞車張力控制的依據(jù)，由于液壓控制特點(diǎn)，油壓傳感器測(cè)量值一直動(dòng)態(tài)變化，主控制器通過(guò)閉環(huán)反饋控制，減小控制誤差。對(duì)于深水拖網(wǎng)捕撈，由于其放網(wǎng)曳綱長(zhǎng)度較長(zhǎng)，曳綱張力變化較大，最好結(jié)合網(wǎng)位儀和測(cè)深儀操作，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)具網(wǎng)口形狀，操作漁船和拖網(wǎng)絞車快速響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)拖網(wǎng)捕撈高效作業(yè)。

4 結(jié)論

拖網(wǎng)絞車液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為變量泵和定量馬達(dá)開(kāi)式回路，液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩與變量泵的調(diào)節(jié)參數(shù)無(wú)關(guān)，僅與液壓馬達(dá)進(jìn)出口壓差有關(guān)，調(diào)節(jié)流量時(shí)減小了變量泵的溢流損失，系統(tǒng)總效率高，絞車起網(wǎng)和拖曳狀態(tài)下左、右曳綱張力差值小。

絞車曳綱張力波浪補(bǔ)償采用溢流閥控制液壓馬達(dá)保持壓力恒定，通過(guò)馬達(dá)高壓端口壓力恒定來(lái)實(shí)現(xiàn)拖網(wǎng)曳綱張力平衡，改變溢流壓力即可改變張力值，保證液壓控制系統(tǒng)的恒定。該拖網(wǎng)絞車波浪補(bǔ)償系統(tǒng)控制性能好、補(bǔ)償范圍廣、適用工況多、方便實(shí)時(shí)控制，保障了拖網(wǎng)作業(yè)安全。