拖网绞车波浪补偿系统设计

王志勇，徐志强，林礼群

(1.中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092；2.农业农村部远洋渔船与装备重点实验室，上海 200092)

拖网捕捞是我国海洋捕捞主要作业方式之一，目前随着海洋自然资源的衰退，海洋渔业资源争夺日益激烈，世界海洋捕捞业产业转移趋势日趋明显，海洋捕捞技术装备要求越来越高[1]。拖网绞车是拖网渔业最重要的捕捞设备，捕捞过程中通过安装在渔船甲板上的绞车拖曳囊袋形渔具，在行驶水域捕获鱼或虾类。根据捕捞对象和作业工况，一个网次拖曳时间为2～3 h。渔船在水中拖曳行驶过程中，受到波浪的作用会产生升沉、纵横摇等复杂的运动，这种运动随海况的升高而加剧，同时，绞车拖曳的网具也会随船舶的运动而产生较明显的上下起伏[2-3]。尤其是深水拖网，由于拖曳时网具曳纲较长，如果绞车纲绳张力波动过大，导致网具变形会影响网口形状，减小网口扫海面积，降低捕捞量。另外，曳纲张力过大会造成设备损坏，给绞车、网具、船舶都会带来一定的安全隐患。国外从20 世纪80 年代开始起就对拖网曳纲张力自动控制技术开展了研究和应用，用于补偿拖网过程中由于波浪或水下障碍物引起曳纲张力变化，系统自动根据设定值范围调节绞车张力，实现拖网过程自动化控制[4-6]。目前国内在海洋起重机、起吊绞车升沉补偿技术方面开展了相关研究和设计，但在渔业拖网绞车方面，相关研究较少，主要以被动式补偿为主[7-10]。通过主动式波浪补偿技术提高拖网绞车的控制性能以及拖网渔船的安全作业，对拖网捕捞作业具有重要作用。

1 波浪补偿系统设计及工作原理

拖网绞车波浪补偿系统可以分为被动式波浪补偿系统和主动式波浪补偿系统。被动式波浪补偿系统主要由线性液压执行器或油缸、蓄能器和执行机构组成，是一种随动和滞后的补偿方式。被动式波浪补偿系统结构简单、操作方便，其缺点为补偿滞后性大、升沉位移补偿量低、补偿适应性差和补偿性能不稳定等，尤其是在负载变化之后。主动式波浪补偿系统控制绞车或油缸来实现，其响应速度快、补偿精度高，对复杂多变的海况适应性强[11]。

1.1 拖网绞车波浪补偿方案设计

拖网渔船捕捞作业示意如图1 所示，渔船通过拖网绞车拖曳网具航行，拖网作业时针对目标鱼群需要不断调整网具位置，另外，渔船由于受波浪影响导致拖网曳纲张力大小一直变化，因此，根据拖网作业实际工况，系统采用主动式波浪补偿方式。渔船拖曳网具航行时，曳纲张力主要受网具和网板水阻力，渔船拖速不变时，网具水阻力保持稳定。当渔船随波浪向上运动时，拖网曳纲张紧，由于网具水阻力F 保持不变，拖网绞车放出钢丝绳从而使拖网角度θ 变小，减小曳纲张力T 以平衡波浪升沉影响，反之绞收曳纲增大θ 值，增大曳纲张力，保持网具张紧，系统通过控制溢流压力保证绞车是否放纲、保持、收纲等[12-14]。如果需要放纲则降低溢流阀压力，网具将在水流作用下放出，反之收纲。当系统处于波浪补偿工况时，泵站全流量供油，绞车处于收纲微动平衡状态，收纲拉力与网具受力平衡。

图1 拖网渔船作业示意图Fig.1 Schematic diagram of trawler fishing

拖网绞车波浪补偿系统方案设计包括液压系统回路和控制系统回路，由动力泵组、液压马达、阀件、测试传感器以及系统控制器组成。通过实时监测拖网曳纲张力和位移，作为系统控制反馈信号，经过系统逻辑运算，集中控制器通过调整先导溢流阀的溢流压力控制马达高压端压力。油泵一直开启供油从而溢流阀长期处于开启状态，保证马达高压端油压，控制拖网绞车工作，及时收、放纲绳使绞车曳纲处于张力平衡状态，从而实现拖网绞车恒张力控制，改变溢流压力即可改变张力值，实现渔船实时升沉补偿[15-17]。系统控制逻辑如图2 所示。

图2 拖网绞车波浪补偿系统控制逻辑图Fig.2 Control logic diagram of winch wave compensation system

1.2 主动式波浪补偿工作原理

拖网捕捞作业过程中，拖网绞车大部分时间处于拖曳工况，起网和放网的时间较短，拖网绞车波浪补偿系统原理如图3 所示。起网时，电磁换向阀左位工作，高压油液经过电磁换向阀进入液压马达的油腔A 口，梭阀的高压端控制液压马达制动器打开。拖网绞车正转起网，网具负载增加时，则液压系统的压力升高，绞车的拉力增大，当液压马达的进口压力过大时，第一直动式溢流阀打开，对液压马达起保护作用。在放网时，电磁换向阀右位工作，高压油液经过电磁换向阀、平衡阀进入液压马达的油腔B 口，驱动拖网绞车放出曳纲，由于网具阻力，系统处于负负载的工况，平衡阀能进行速度控制，保证拖网绞车在放网过程中速度可控，第二直动式溢流阀对放网过程中起安全保护作用。电磁换向阀处于中位时，该电磁换向阀不动作处于零位，高压油液从电磁换向阀中位的回油口流出，经回油管回油箱。

图3 拖网绞车波浪补偿系统原理图Fig.3 Schematic diagram of wave compensation system of trawl winch

在拖曳过程中，拖网绞车处于制动状态，拖网绞车的收纲拉力与网具受力平衡，动力泵组一直开启供油，从而第一先导比例溢流阀长期处于开启状态，以保证动力泵组的高压端油压。第一先导比例溢流阀的设定压力值决定曳纲张力的大小，最高调定压力20 MPa；第二先导比例溢流阀调定在较高压力，最高调定压力30 MPa，起安全阀作用。当第一先导比例溢流阀的溢流过大时，可减小动力泵组的排量以减少节流损失。

在拖曳过程中，曳纲张力在设定值范围内时，拖网绞车保持恒张力，当曳纲张力超过设定值时，高压油液从第一直动式溢流阀回流到油箱，拖网绞车在钢丝绳张力的反拖下，被动放松钢丝绳使张力恢复恒定。当曳纲处于松弛状态或曳纲张力过小时，根据油压传感器的信号反馈，通过控制器控制电磁换向阀工作于左位，动力泵组的高压油液经过电磁换向阀进入液压马达的高压口(油腔A 口)，驱动拖网绞车正转，使曳纲收紧，使曳纲张力增大至第一先导比例溢流阀的设定值，之后，电磁换向阀回到中位，拖网绞车恢复至正常拖曳工况。

1.3 液压系统设计及计算

拖网曳纲张力与马达油压传感器测量值换算公式为：

式中：T 为拖网曳纲张力，N；P 为液压马达高压口压力，MPa；Q 为马达流量，L·min-1；D 为绞车滚筒直径，m；η 为机械效率，取值0.95。

拖网绞车设计额定拉力为60 kN，起网速度为100 m·min-1，绞车滚筒直径为φ400 mm，系统采用中高压系统(压力16～18 MPa 之间)，考虑马达的泄漏，确定马达的工作流量。马达排量：5.31 L·r-1；单位扭矩：79.4 N·m·bar-1；最大输出功率：140 kW。

绞车液压系统流量计算公式为：

式中：q 为马达理论排量，取5.31 L·r-1；n 为液压马达所需转速；ηv为系统容积效率，取0.83。

根据设计参数计算结果，液压系统工作压力：17.5 MPa，系统流量：530 L·min-1。

2 系统软件设计

拖网绞车波浪补偿系统软件基于LabVIEW 设计，主要由参数设置、信息管理、系统监控、历史数据查询等部分组成，系统的输出控制分为自动控制和人工控制两部分，系统软件设计界面如图4 所示。

图4 波浪补偿系统软件设计Fig.4 Software design of wave compensation system

在曳纲张力系统波浪补偿时，需要先输入拖网绞车执行机构的具体信息，包括绞车参数，曳纲长度、拖网深度等信息。根据具体需要可以选择两种控制模式，一种为自动控制模式，具体的控制量由程序自动控制，拖网时曳纲绳长根据作业海况及拖曳速度自动调节放缆与收揽长度，系统最小、最大拖曳压力可随时调整，最大拖曳压力设定线性改变先导溢流阀的设定压力。系统即可开始控制各动力机构，相关数据随即保存进入历史数据库。

另一种为人工控制模式，对系统进行手动经验操作，结合现场实际作业工况，人工输入各项参数与输出参数，手动调整拖网绞车左右曳纲的最大绳长，设定左右纲绳长度最大差值报警，根据经验对系统进行控制与校正。

3 实验及应用

根据海上试验结果及应用情况[18]，拖网渔船主机功率882 kW，拖网渔船平均拖速为3.2～3.5 kn，绞车工作压力为12.5～17 MPa，拖网曳纲张力大小为36～45 kN，当放纲长度和水深不变时，拖网曳纲处于平衡状态，主要受到水动力、曳纲自重和水中渔具的阻力作用，拖网绞车大部分时间处于恒张力状态，曳纲张力始终在一定范围内波动，绞车换向采用压力补偿设计，有效控制绞车起放网及转向。拖网绞车起网时，随网具相对水流速增加，拖网曳纲张力逐步增大，最大值为55 kN，此时渔船减速航行，拖速为1.5～2 kn，减小拖网曳纲张力，直至起网结束。

在受波浪作用下，绞车波浪补偿控制系统可以根据曳纲张力变化实时控制绞车收放，减少负载冲击，缓解船舶升沉起伏对绞车负载影响。曳纲张力值的大小主要通过油压力传感器反馈的油压信号间接换算，集中控制器通过对油压信号的监控作为拖网绞车张力控制的依据，由于液压控制特点，油压传感器测量值一直动态变化，主控制器通过闭环反馈控制，减小控制误差。对于深水拖网捕捞，由于其放网曳纲长度较长，曳纲张力变化较大，最好结合网位仪和测深仪操作，可以实时监测网具网口形状，操作渔船和拖网绞车快速响应，实现拖网捕捞高效作业。

4 结论

拖网绞车液压控制系统设计为变量泵和定量马达开式回路，液压马达的输出转矩与变量泵的调节参数无关，仅与液压马达进出口压差有关，调节流量时减小了变量泵的溢流损失，系统总效率高，绞车起网和拖曳状态下左、右曳纲张力差值小。

绞车曳纲张力波浪补偿采用溢流阀控制液压马达保持压力恒定，通过马达高压端口压力恒定来实现拖网曳纲张力平衡，改变溢流压力即可改变张力值，保证液压控制系统的恒定。该拖网绞车波浪补偿系统控制性能好、补偿范围广、适用工况多、方便实时控制，保障了拖网作业安全。