高海況漂浮物打撈網(wǎng)具的研究試驗

林禮群， 諶志新， 劉 平， 徐志強

(農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點實驗室，中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092)

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高海況漂浮物打撈網(wǎng)具的研究試驗

林禮群， 諶志新， 劉 平， 徐志強

(農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點實驗室，中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092)

為在高海況下安全打撈落水人員和重要的漂浮物，設(shè)計了一種打撈網(wǎng)具。為此研究了打撈過程中船舶行進速度、網(wǎng)口高度、打撈物體吃水深度等參數(shù)對打撈網(wǎng)性能影響；通過網(wǎng)具模型試驗，模擬網(wǎng)具打撈作業(yè)，測試網(wǎng)具在打撈體進網(wǎng)前后力的變化，分析了打撈物體吃水深度與進網(wǎng)匹配性、進網(wǎng)的拖網(wǎng)速度以及網(wǎng)具受到的最大撞擊力等。結(jié)果顯示，試驗用打撈體的進網(wǎng)條件受其吃水深度和網(wǎng)具拖速的影響較大。在打撈體吃水深度一定時，打撈體可在拖速≥2.5 kn時順利進入網(wǎng)內(nèi)；但當(dāng)拖速過大，網(wǎng)口垂直擴張系數(shù)越小，不利于進網(wǎng)。試驗范圍內(nèi)的最大撞擊力隨著拖速的提高而增大，最大值為27.84 kN。研究表明，網(wǎng)具最大撞擊力的參數(shù)值對網(wǎng)線材料的選擇與強度設(shè)計、網(wǎng)具支撐攔截臂架的結(jié)構(gòu)強度計算具有指導(dǎo)意義。

高海況；打撈網(wǎng)具；模型試驗；拖網(wǎng)速度；最大撞擊力

隨著水上運輸、海洋油氣工程及海洋捕撈業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)等日益發(fā)展，海上裝備、人員數(shù)量和密度不斷加大，救助打撈裝備為海上生命、財產(chǎn)、環(huán)境救助、沉船沉物打撈以及其他對海上運輸和海上資源開發(fā)等提供安全保障[1]。目前，對于海上漂浮物只能進行近距離打撈，或在低海況條件下通過輔助工作船進行打撈[2]。但在高海況(是指風(fēng)力作用下的海面外貌特征，用海況等級表標(biāo)志，即0～9級，等級越高，海況就越高，高海況一般要求大于4級以上)條件下，打撈工作相當(dāng)危險，甚至無法進行打撈作業(yè)。這對一些需要及時打撈上船的物體，比如落水人員、影響海洋環(huán)境的物體或?qū)ξ镏饔兄匾獌r值的物體，就會因延誤最佳打撈時機或遺失打撈物而造成重大損失。

在高海況條件下，使用打撈設(shè)備打撈落水人員或重要漂浮物品時，一般要求在打撈過程中被打撈物體嚴(yán)禁與打撈船船體發(fā)生硬性碰撞，以免破壞重要物品或威脅被救助人員的生命安全。本文研究的漂浮物打撈設(shè)備[2]，其原理是利用海洋漁業(yè)臂架式浮拖網(wǎng)技術(shù)方法，以專業(yè)救助船為母船，采用舷側(cè)拖曳柔性網(wǎng)對物體進行打撈[3-5]。其中的打撈網(wǎng)具作為船舶打撈救助過程中建立船舶與被打撈物體的一種柔性連接載體，其性能對打撈設(shè)備系統(tǒng)的安全可靠性具有重要意義。目前國內(nèi)外關(guān)于高海況打撈網(wǎng)具的研究很少，本文主要借鑒捕撈學(xué)中漁具的研究方法對打撈網(wǎng)具進行研究[6-12]。為研究打撈過程中船舶行進速度、網(wǎng)口高度、打撈物體吃水深度等參數(shù)對打撈網(wǎng)具性能的影響，通過網(wǎng)具模型試驗，分析被打撈物體吃水深度與進網(wǎng)匹配性、進網(wǎng)的拖網(wǎng)速度條件以及網(wǎng)具受到的最大撞擊力等，試驗結(jié)果可對打撈網(wǎng)具的設(shè)計和改進提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 網(wǎng)具及其模型

實物網(wǎng)為高海況漂浮物打撈網(wǎng)具(圖1)[2]。該網(wǎng)具在4～6級海況條件下沉重強度為3.3 t，其規(guī)格為30.4 m×31.3 m，網(wǎng)口目數(shù)76目，網(wǎng)口網(wǎng)目尺寸400 m，網(wǎng)衣為尼龍材料(PA)，上綱長度34.4 m，下綱長度31.8 m，網(wǎng)衣拉直長度31.3 m。模型換算采用田內(nèi)相似準(zhǔn)則[14]。模型網(wǎng)按相關(guān)方法[15-16]換算、制成。模型網(wǎng)的大尺度比λ=4，小尺度比λ′=3，網(wǎng)口目數(shù)56目，網(wǎng)口網(wǎng)目尺寸134 mm，網(wǎng)衣材料PA。

圖1 打撈網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The schematic of fishing net

1.2 儀器設(shè)備

試驗在中國水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所漁具模型試驗水池內(nèi)進行。靜水池主尺度為90 m(長) × 6 m(寬) × 3 m(深)。軌道拖車模擬打撈船體，其拖車速度精度為v≥2 m/s時，相對精度為P≤1%，可實現(xiàn)無級變速；測力傳感器：量程500 N，非線性誤差0.04%FSC；網(wǎng)高儀距離分辨率10 mm。試驗打撈模型外形為鐘形，主要尺寸：高0.6 m，最大直徑0.55 m，可通過改變打撈模型艙體配重調(diào)整其吃水深度。

1.3 試驗方法

試驗條件見表1，表中數(shù)據(jù)均為實物換算值。試驗共分成2組，試驗組A測試網(wǎng)具阻力和網(wǎng)口高度試驗；試驗組B模擬網(wǎng)具打撈作業(yè)試驗，測試網(wǎng)具進網(wǎng)前后力的變化。試驗?zāi)Ｐ途W(wǎng)具試驗組在0.5～4.5 kn，每隔0.5 kn取一檔，共分為9檔速度。每組試驗有效重復(fù)3次，并對拖曳實驗數(shù)據(jù)進行觀察分析和記錄，通過測定模型網(wǎng)的水動力性能，再換算為實物網(wǎng)在不同條件下的受力情況與網(wǎng)形變化。

表1 打撈網(wǎng)試驗條件Tab.1 Fishing nets experimental conditions

注：Ld—短袖端拖曳點距水面，m；Lz—短袖端曳綱長，m

1.4 實物與模型試驗數(shù)據(jù)的換算關(guān)系

實物網(wǎng)阻力Fs與模型網(wǎng)實驗阻力Fm的比例關(guān)系[15]：

Fs=1 000×Fmλ2λ′

(1)

式中：Fs—實物網(wǎng)在該拖速下的計算阻力，kN；Fm—模型網(wǎng)在該拖速下的計算阻力，N；λ—模型網(wǎng)大尺度比；λ′—模型網(wǎng)虛擬小尺度比。

通過公式計算出實物網(wǎng)具總阻力，根據(jù)模型網(wǎng)網(wǎng)口高度與拖速的回歸公式計算出實物網(wǎng)在不同拖速下的實際網(wǎng)口高度。實物網(wǎng)的垂直擴張系數(shù)計算公式[12,17-18]：

Ch= (Hs/Cs)×100%

(2)

式中：Ch—實物網(wǎng)在某設(shè)定拖速下的垂直擴張系數(shù)，%；Hs—實物網(wǎng)在該速度下的計算網(wǎng)口高度，m；Cs—實物網(wǎng)口拉緊周長，m。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同拖速下的網(wǎng)具阻力和網(wǎng)口高度變化

在試驗組A的試驗中，通過觀察，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)型展開良好，網(wǎng)身線形順暢，由于拖曳點較低，網(wǎng)袖無明顯離水現(xiàn)象。所測得模型網(wǎng)具阻力(Fm)、網(wǎng)口高度(Hm)，袖端水平擴張距離(Lw)與拖速(vm)關(guān)系數(shù)據(jù)見表2。經(jīng)公式(1)、(2)換算得到實物網(wǎng)具阻力(Fs)、網(wǎng)口高度(Hs)、袖端水平擴張距離(Ls)與垂直擴張系數(shù)(Ch)試驗數(shù)據(jù)見表3。網(wǎng)具的阻力(Fs)、網(wǎng)口高度(Hs)與速度(vs)回歸后關(guān)系如圖2所示。從圖2中可以看出，當(dāng)拖速增加，網(wǎng)具阻力指數(shù)增大，網(wǎng)口高度指數(shù)減小。袖端水平擴張距離(Lw)不變，同一個網(wǎng)具的垂直擴張系數(shù)隨著拖速變化情況與網(wǎng)口高度隨拖速變化情況相一致，當(dāng)拖速為 1.0 kn 時，實物網(wǎng)垂直擴張系數(shù)達(dá)到最大(19.01%)，網(wǎng)口高度隨著拖速增加而減小，當(dāng)拖速達(dá)到 5.5 kn時，實物網(wǎng)具的垂直擴張系數(shù)最小(5.53%)。

表2 模型網(wǎng)具阻力和網(wǎng)口高度試驗數(shù)據(jù)Tab.2 The drag and net port height experimental data of the fishing net

表3 實物網(wǎng)具換算值Tab.3 Experimental data scaled value of the net prototype

圖2 阻力、網(wǎng)口高度與拖速變化關(guān)系曲線Fig.2 Relationship curve of resistance and net opening & speed

2.2 物體進網(wǎng)與速度關(guān)系

試驗組B開始試驗時，打撈體吃水較深(0.4 m)，模型網(wǎng)具試驗組在0.5～4.5 kn，每檔0.5 kn共分為9檔的拖速下，打撈體均卡在上綱上，沒有進網(wǎng)。經(jīng)調(diào)整打撈體吃水深度，為0.2 m，打撈體可在拖速≥2.5 kn時進入網(wǎng)內(nèi)，在試驗拖速范圍內(nèi)，沒有出現(xiàn)從上綱上面滑出的現(xiàn)象。各拖速下模型網(wǎng)具與打撈體模型接觸前后阻力的變化曲線如圖3所示。圖中共記錄了8組力值變化，每組速度增加0.5 kn，其橫坐標(biāo)為試驗記錄時間，每秒記錄點數(shù)為2 500個，縱坐標(biāo)為打撈體進網(wǎng)前后測得的阻力變化值。當(dāng)拖速<2.5 kn時，打撈體模型沒有入網(wǎng)，隨著上綱一起向前；當(dāng)拖速≥2.5 kn時，打撈體均順利入網(wǎng)。由圖可見，物體與模型網(wǎng)具撞擊時，力瞬間變大，產(chǎn)生峰值，且峰值隨著拖速的增大而逐漸增大。從圖3a～3c可看出，拖速1.0 kn時，模型網(wǎng)具短袖段和長袖段拉力值在進網(wǎng)前后幾乎相等，隨著拖速的增加，長袖端拉力明顯大于短袖段的拉力值。圖3d～3h顯示了打撈體進網(wǎng)前后力的變化，打撈體進網(wǎng)前，網(wǎng)具長袖端的拉力明顯大于短袖段的拉力，且其差值幾乎保持恒定，而當(dāng)打撈體進網(wǎng)后，長袖端與短袖段的拉力發(fā)生波動，但幅值變化小。

經(jīng)換算得到實物網(wǎng)具最大撞擊力試驗數(shù)據(jù)(表4)，表中：Fd,max—短袖端瞬間最大力，kN；Fc,max—長袖端瞬間最大力，kN。在試驗速度范圍內(nèi)，實物網(wǎng)具與打撈物體最大撞擊力為27.84 kN。實際打撈過程中，如果拖速過大，會造成網(wǎng)具慣性過大，導(dǎo)致其與打撈物體碰撞力過大，不僅容易造成網(wǎng)具(或打撈物體)損壞，而且船速過快不易控制打撈體進網(wǎng)，造成漏網(wǎng)，影響打撈效率。因此，選擇適當(dāng)?shù)乃俣确秶欣诖驌莆矬w，并且在該速度范圍內(nèi)，網(wǎng)具最大撞擊力對網(wǎng)線材料選擇與強度設(shè)計具有重要意義。

表4 實物撞擊瞬間最大力Tab.4 The maximum force of the prototype object crash

3 討論

在網(wǎng)具的性能研究中，網(wǎng)口高度是評價拖網(wǎng)性能的重要指標(biāo)之一[19-20]。但是，對于不同吃水深度的同一個打撈對象，則有不同的要求。本研究中，在漂浮物吃水較深時，打撈網(wǎng)具無法打撈到漂浮物體，通過調(diào)整漂浮物的吃水深度到一定范圍，才順利打撈到模型漂浮物。而在實際打撈救助過程中，漂浮物的吃水深度不是由試驗決定的，需要調(diào)節(jié)打撈網(wǎng)口高度、網(wǎng)具曳綱長度、吃水深度與入水角度等來確定。受時間和工藝等因素限制，目前只完成了1頂打撈網(wǎng)的水動力試驗，模型試驗的系統(tǒng)性有待進一步完善，如增加蓋網(wǎng)、增加網(wǎng)具有效打撈寬度和網(wǎng)口高度等，可進一步提高進網(wǎng)概率。

圖3 打撈體模型碰撞網(wǎng)具前后阻力的變化Fig.3 The force change caused by the salvage object model colliding with the fishing net

此外，由于水池試驗條件的限制，無法模擬真實海況作用下海浪對打撈網(wǎng)具以及打撈體的作用，試驗測試的數(shù)據(jù)和結(jié)果會產(chǎn)生一些偏差。今后將通過改變網(wǎng)具結(jié)構(gòu)和大小以及網(wǎng)身寬度、長度、浮力調(diào)整等，模擬實際海浪條件進行全方位的模型試驗，以設(shè)計出切實適合海上實際狀況的漂浮物打撈網(wǎng)裝備。

4 結(jié)論

以打撈重要的海上漂浮物為研究目標(biāo)，圍繞打撈體的形狀與吃水深度，根據(jù)相似準(zhǔn)則制作相應(yīng)模型——打撈網(wǎng)具與模型漂浮物，通過進行打撈網(wǎng)具水池模型試驗，模擬網(wǎng)具打撈漂浮物試驗，測試網(wǎng)具進網(wǎng)前后力的變化，分析打撈物體吃水深度與進網(wǎng)匹配性、進網(wǎng)的速度條件以及網(wǎng)具受到的最大撞擊力等。結(jié)果表明，打撈體的進網(wǎng)條件受其吃水深度和網(wǎng)具速度的影響較大；在打撈體吃水深度一定時，打撈體可在拖速≥2.5 kn時順利進入網(wǎng)內(nèi)；試驗范圍內(nèi)的最大撞擊力隨拖速提高而增大。網(wǎng)具最大撞擊力的參數(shù)值對網(wǎng)線材料選擇與強度設(shè)計、網(wǎng)具支撐攔截臂架的結(jié)構(gòu)強度計算具有指導(dǎo)意義。

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LIN Liqun,CHEN Zhixin,LIU Ping,XU Zhiqiang

(KeyLaboratoryofFisheryEquipmentandEngineering,MinistryofAgriculture,FisheryMachineryandInstrumentRestitute,ChineseAcademyofFisherySciences,Shanghai200092,China)

A kind of fishing net was designed for safe salvaging drowning person and important floats in high sea state.The influence of factors such as the ship speed,fishing net opening and the draft depth of the salvage object on the performance of the fishing net was studied.Model test and simulating salvage operation were conducted to test the change of net force before and after the floating salvage object getting into the net,analyze the salvage object draft depth and the match conditions of the salvage objects into the net,the trawl speed for the floating object getting into the net,and the maximum impact force on the fishing net.Results show that the condition of the salvage object getting into the net is largely affected by the salvage object draft depth and the trawl speed of the ship.At a certain draft depth,when the trawl speed is greater than or equal to 2.5Kn,the salvage object can successfully enter into the net.However,when the drag speed is too fast,the vertical expansion coefficient would become smaller and is not conducive to net entering.The maximum impact force increases with the increasing of the trawl speed within the range of the test speed,and the maximum value is 27.84kN.The study shows that,the value of maximum impact force plays a guiding role in material selection,strength design of the fishing net,and calculating the structural strength of the net crane boom.

high sea state; fishing net; model test; speed of the net; maximum impact force

10.3969/j.issn.1007-9580.2016.05.011

2016-08-01

2016-09-27

國家科技支撐計劃課題(2013BAD13B02)

林禮群(1988—)女，碩士，研究實習(xí)員，研究方向：海洋漁業(yè)裝備。E-mail：linliqun@fimir.ac.cn

諶志新(1969—)，男，研究員，研究方向：海洋漁業(yè)裝備，E-mail：chenzhixin@fmiri.ac.cn

S972.21

A

1007-9580(2016)05-057-05