拖網(wǎng)絞車波浪補償系統(tǒng)設計

王志勇，徐志強，林禮群

(1.中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部遠洋漁船與裝備重點實驗室，上海 200092)

拖網(wǎng)捕撈是我國海洋捕撈主要作業(yè)方式之一，目前隨著海洋自然資源的衰退，海洋漁業(yè)資源爭奪日益激烈，世界海洋捕撈業(yè)產(chǎn)業(yè)轉移趨勢日趨明顯，海洋捕撈技術裝備要求越來越高[1]。拖網(wǎng)絞車是拖網(wǎng)漁業(yè)最重要的捕撈設備，捕撈過程中通過安裝在漁船甲板上的絞車拖曳囊袋形漁具，在行駛水域捕獲魚或蝦類。根據(jù)捕撈對象和作業(yè)工況，一個網(wǎng)次拖曳時間為2～3 h。漁船在水中拖曳行駛過程中，受到波浪的作用會產(chǎn)生升沉、縱橫搖等復雜的運動，這種運動隨海況的升高而加劇，同時，絞車拖曳的網(wǎng)具也會隨船舶的運動而產(chǎn)生較明顯的上下起伏[2-3]。尤其是深水拖網(wǎng)，由于拖曳時網(wǎng)具曳綱較長，如果絞車綱繩張力波動過大，導致網(wǎng)具變形會影響網(wǎng)口形狀，減小網(wǎng)口掃海面積，降低捕撈量。另外，曳綱張力過大會造成設備損壞，給絞車、網(wǎng)具、船舶都會帶來一定的安全隱患。國外從20 世紀80 年代開始起就對拖網(wǎng)曳綱張力自動控制技術開展了研究和應用，用于補償拖網(wǎng)過程中由于波浪或水下障礙物引起曳綱張力變化，系統(tǒng)自動根據(jù)設定值范圍調(diào)節(jié)絞車張力，實現(xiàn)拖網(wǎng)過程自動化控制[4-6]。目前國內(nèi)在海洋起重機、起吊絞車升沉補償技術方面開展了相關研究和設計，但在漁業(yè)拖網(wǎng)絞車方面，相關研究較少，主要以被動式補償為主[7-10]。通過主動式波浪補償技術提高拖網(wǎng)絞車的控制性能以及拖網(wǎng)漁船的安全作業(yè)，對拖網(wǎng)捕撈作業(yè)具有重要作用。

1 波浪補償系統(tǒng)設計及工作原理

拖網(wǎng)絞車波浪補償系統(tǒng)可以分為被動式波浪補償系統(tǒng)和主動式波浪補償系統(tǒng)。被動式波浪補償系統(tǒng)主要由線性液壓執(zhí)行器或油缸、蓄能器和執(zhí)行機構組成，是一種隨動和滯后的補償方式。被動式波浪補償系統(tǒng)結構簡單、操作方便，其缺點為補償滯后性大、升沉位移補償量低、補償適應性差和補償性能不穩(wěn)定等，尤其是在負載變化之后。主動式波浪補償系統(tǒng)控制絞車或油缸來實現(xiàn)，其響應速度快、補償精度高，對復雜多變的海況適應性強[11]。

1.1 拖網(wǎng)絞車波浪補償方案設計

拖網(wǎng)漁船捕撈作業(yè)示意如圖1 所示，漁船通過拖網(wǎng)絞車拖曳網(wǎng)具航行，拖網(wǎng)作業(yè)時針對目標魚群需要不斷調(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)實際工況，系統(tǒng)采用主動式波浪補償方式。漁船拖曳網(wǎng)具航行時，曳綱張力主要受網(wǎng)具和網(wǎng)板水阻力，漁船拖速不變時，網(wǎng)具水阻力保持穩(wěn)定。當漁船隨波浪向上運動時，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。當系統(tǒng)處于波浪補償工況時，泵站全流量供油，絞車處于收綱微動平衡狀態(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)絞車波浪補償系統(tǒng)方案設計包括液壓系統(tǒng)回路和控制系統(tǒng)回路，由動力泵組、液壓馬達、閥件、測試傳感器以及系統(tǒng)控制器組成。通過實時監(jiān)測拖網(wǎng)曳綱張力和位移，作為系統(tǒng)控制反饋信號，經(jīng)過系統(tǒng)邏輯運算，集中控制器通過調(diào)整先導溢流閥的溢流壓力控制馬達高壓端壓力。油泵一直開啟供油從而溢流閥長期處于開啟狀態(tài)，保證馬達高壓端油壓，控制拖網(wǎng)絞車工作，及時收、放綱繩使絞車曳綱處于張力平衡狀態(tài)，從而實現(xiàn)拖網(wǎng)絞車恒張力控制，改變溢流壓力即可改變張力值，實現(xiàn)漁船實時升沉補償[15-17]。系統(tǒng)控制邏輯如圖2 所示。

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

1.2 主動式波浪補償工作原理

拖網(wǎng)捕撈作業(yè)過程中，拖網(wǎng)絞車大部分時間處于拖曳工況，起網(wǎng)和放網(wǎng)的時間較短，拖網(wǎng)絞車波浪補償系統(tǒng)原理如圖3 所示。起網(wǎng)時，電磁換向閥左位工作，高壓油液經(jīng)過電磁換向閥進入液壓馬達的油腔A 口，梭閥的高壓端控制液壓馬達制動器打開。拖網(wǎng)絞車正轉起網(wǎng)，網(wǎng)具負載增加時，則液壓系統(tǒng)的壓力升高，絞車的拉力增大，當液壓馬達的進口壓力過大時，第一直動式溢流閥打開，對液壓馬達起保護作用。在放網(wǎng)時，電磁換向閥右位工作，高壓油液經(jīng)過電磁換向閥、平衡閥進入液壓馬達的油腔B 口，驅動拖網(wǎng)絞車放出曳綱，由于網(wǎng)具阻力，系統(tǒng)處于負負載的工況，平衡閥能進行速度控制，保證拖網(wǎng)絞車在放網(wǎng)過程中速度可控，第二直動式溢流閥對放網(wǎng)過程中起安全保護作用。電磁換向閥處于中位時，該電磁換向閥不動作處于零位，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)絞車波浪補償系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic diagram of wave compensation system of trawl winch

在拖曳過程中，拖網(wǎng)絞車處于制動狀態(tài)，拖網(wǎng)絞車的收綱拉力與網(wǎng)具受力平衡，動力泵組一直開啟供油，從而第一先導比例溢流閥長期處于開啟狀態(tài)，以保證動力泵組的高壓端油壓。第一先導比例溢流閥的設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?shù)谝幌葘П壤缌鏖y的溢流過大時，可減小動力泵組的排量以減少節(jié)流損失。

在拖曳過程中，曳綱張力在設定值范圍內(nèi)時，拖網(wǎng)絞車保持恒張力，當曳綱張力超過設定值時，高壓油液從第一直動式溢流閥回流到油箱，拖網(wǎng)絞車在鋼絲繩張力的反拖下，被動放松鋼絲繩使張力恢復恒定。當曳綱處于松弛狀態(tài)或曳綱張力過小時，根據(jù)油壓傳感器的信號反饋，通過控制器控制電磁換向閥工作于左位，動力泵組的高壓油液經(jīng)過電磁換向閥進入液壓馬達的高壓口(油腔A 口)，驅動拖網(wǎng)絞車正轉，使曳綱收緊，使曳綱張力增大至第一先導比例溢流閥的設定值，之后，電磁換向閥回到中位，拖網(wǎng)絞車恢復至正常拖曳工況。

1.3 液壓系統(tǒng)設計及計算

拖網(wǎng)曳綱張力與馬達油壓傳感器測量值換算公式為：

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

拖網(wǎng)絞車設計額定拉力為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)，考慮馬達的泄漏，確定馬達的工作流量。馬達排量：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)流量計算公式為：

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

根據(jù)設計參數(shù)計算結果，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)軟件設計

拖網(wǎng)絞車波浪補償系統(tǒng)軟件基于LabVIEW 設計，主要由參數(shù)設置、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控制和人工控制兩部分，系統(tǒng)軟件設計界面如圖4 所示。

圖4 波浪補償系統(tǒng)軟件設計Fig.4 Software design of wave compensation system

在曳綱張力系統(tǒng)波浪補償時，需要先輸入拖網(wǎng)絞車執(zhí)行機構的具體信息，包括絞車參數(shù)，曳綱長度、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，一種為自動控制模式，具體的控制量由程序自動控制，拖網(wǎng)時曳綱繩長根據(jù)作業(yè)海況及拖曳速度自動調(diào)節(jié)放纜與收攬長度，系統(tǒng)最小、最大拖曳壓力可隨時調(diào)整，最大拖曳壓力設定線性改變先導溢流閥的設定壓力。系統(tǒng)即可開始控制各動力機構，相關數(shù)據(jù)隨即保存進入歷史數(shù)據(jù)庫。

另一種為人工控制模式，對系統(tǒng)進行手動經(jīng)驗操作，結合現(xiàn)場實際作業(yè)工況，人工輸入各項參數(shù)與輸出參數(shù)，手動調(diào)整拖網(wǎng)絞車左右曳綱的最大繩長，設定左右綱繩長度最大差值報警，根據(jù)經(jīng)驗對系統(tǒng)進行控制與校正。

3 實驗及應用

根據(jù)海上試驗結果及應用情況[18]，拖網(wǎng)漁船主機功率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，當放綱長度和水深不變時，拖網(wǎng)曳綱處于平衡狀態(tài)，主要受到水動力、曳綱自重和水中漁具的阻力作用，拖網(wǎng)絞車大部分時間處于恒張力狀態(tài)，曳綱張力始終在一定范圍內(nèi)波動，絞車換向采用壓力補償設計，有效控制絞車起放網(wǎng)及轉向。拖網(wǎng)絞車起網(wǎng)時，隨網(wǎng)具相對水流速增加，拖網(wǎng)曳綱張力逐步增大，最大值為55 kN，此時漁船減速航行，拖速為1.5～2 kn，減小拖網(wǎng)曳綱張力，直至起網(wǎng)結束。

在受波浪作用下，絞車波浪補償控制系統(tǒng)可以根據(jù)曳綱張力變化實時控制絞車收放，減少負載沖擊，緩解船舶升沉起伏對絞車負載影響。曳綱張力值的大小主要通過油壓力傳感器反饋的油壓信號間接換算，集中控制器通過對油壓信號的監(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，油壓傳感器測量值一直動態(tài)變化，主控制器通過閉環(huán)反饋控制，減小控制誤差。對于深水拖網(wǎng)捕撈，由于其放網(wǎng)曳綱長度較長，曳綱張力變化較大，最好結合網(wǎng)位儀和測深儀操作，可以實時監(jiān)測網(wǎng)具網(wǎng)口形狀，操作漁船和拖網(wǎng)絞車快速響應，實現(xiàn)拖網(wǎng)捕撈高效作業(yè)。

4 結論

拖網(wǎng)絞車液壓控制系統(tǒng)設計為變量泵和定量馬達開式回路，液壓馬達的輸出轉矩與變量泵的調(diào)節(jié)參數(shù)無關，僅與液壓馬達進出口壓差有關，調(diào)節(jié)流量時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償采用溢流閥控制液壓馬達保持壓力恒定，通過馬達高壓端口壓力恒定來實現(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)絞車波浪補償系統(tǒng)控制性能好、補償范圍廣、適用工況多、方便實時控制，保障了拖網(wǎng)作業(yè)安全。