深水拖網捕撈絞車系統(tǒng)設計與試驗

王志勇 ,徐志強 ,江 濤

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

拖網捕撈是我國遠洋漁業(yè)最重要的作業(yè)方式之一，拖網絞車作為最主要的捕撈設備，主要用來起放網具、絞收曳綱。拖網過程中通過調節(jié)曳綱長度、拖速來保持網具不同的水層位置，拖網絞車性能好壞直接影響拖網作業(yè)的效率[1]。

由于世界海洋捕撈技術的進步及開發(fā)保障能力的提升，在開發(fā)程度最高的海區(qū)和世界漁業(yè)捕撈主要漁場，捕撈強度已經接近極限，為了增加捕撈產量，全球海洋捕撈水域越來越廣，也越來越深。根據(jù)日本調查評估，在世界海洋200～2 000 m 水深內，魚類和非魚類的捕撈量可望達到3 000×104t 左右，相當于目前世界漁業(yè)總產量的1/4，深海捕撈的開發(fā)潛力很大。目前國外漁業(yè)發(fā)達國家漁船裝備機械化、自動化程度很高，拖網漁船能滿足500～2 000 m 以上水深作業(yè)。原蘇聯(lián)早在20 世紀50 年代初就開始在大西洋800～1 100 m 水深開展拖網捕撈，捕獲高附加值深海魚類。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，國內外學者先后開展了很多相關研究，研究了大西洋深海漁業(yè)的分布和捕撈模式。中國在20 世紀60 年代末到70 年代初曾經制造數(shù)臺13 700 m 繩長底棲拖網絞車，但主要用于水文、地質取樣，在深遠海拖網捕撈作業(yè)方面應用很少[2-5]。目前我國捕撈海洋深層漁類的拖網漁船中，只有20 艘左右大型拖網加工船，能在世界主要海域從事大陸斜坡千米以內的深海捕撈，均為購買國外二手舊船，這些漁船船齡較長，總體性能差，能耗高，各類設備陳舊落后。其余拖網漁船都是中小型漁船，主要集結在近海0～200 m 水深以內進行捕撈作業(yè)，捕撈作業(yè)空間非常有限，發(fā)展?jié)摿κ艿较拗?。因此，開展遠洋深海捕撈相關技術研究，積極開發(fā)新的遠洋捕撈品種，是繼大洋性漁業(yè)之后又一重要的漁業(yè)開發(fā)領域，其開發(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)拖網作業(yè)時，起放網的操作過程和在近海區(qū)的操作類似。放網時，網具沉降速度取決于船速和曳綱松放速度，在放網過程保證船速和曳綱松放速度相適應，并根據(jù)捕撈種類隨時調整參數(shù)。深海拖網捕撈的一個重要特點是，放網的曳綱比近海作業(yè)長很多，曳綱增長使網具阻力大大增加，需要拖網絞車和漁船具有巨大的絞拉力和功率，并且拖網絞車的繩索滾筒有更大的容繩量，絞車關鍵部分同時要有足夠的結構強度。另一個重要特點是，由于曳綱很長，花費在松放和絞收曳綱上的時間大為增加。在傳統(tǒng)漁場生產，松放和絞收曳綱的時間占用拖曳時間的一半以下，而深海拖網用于絞收和松放曳綱的時間，將會大大增加，這樣投網次數(shù)就會減少，導致深海拖網經濟效益下降[7]。因此，必須合理設計絞車拉力和起網速度，選擇合適水深，減少起放網時間，增加放網次數(shù)，才能達到合理捕撈效益。

1.2 總體結構設計及工作原理

深水拖網絞車由動力驅動裝置、滾筒容繩裝置、制動裝置、液壓離合裝置和自動排繩裝置以及集中操作控制臺組成，拖網絞車總體設計為分離式結構，有左、右機之分，左、右機為對稱結構?？傮w結構采用分離式設計能將驅動功率平分于2 臺絞車，減少了結構件尺寸，集中控制臺設置在兩絞車中間，方便操作控制。傳動流程是2 臺液壓馬達分兩組，分別從絞車一側通過齒輪減速器驅動絞車主軸，再通過主軸與滾筒間的牙簽離合器驅動滾筒工作，分別牽引左右曳綱拖曳網具。

圖1 深水拖網絞車總體設計Fig.1 Design of deep-water trawl winch

1.3 拖網絞車性能參數(shù)設計

額定拉力、起網速度是拖網絞車主要性能參數(shù)，絞車起網時的拉力值與漁船尺度、海浪情況、網具規(guī)格以及起網速度等許多因素有關，設計比較復雜。絞車拉力設計過小，不能滿足捕撈作業(yè)需求；拉力設計過大，其效率不能合理使用，另外，設備初期投資高，設備體積大，增加漁業(yè)捕撈成本。因此對拖網絞車額定拉力和起網速度進行分析研究，設計合理的性能參數(shù)至關重要。絞車參數(shù)設計流程一般是根據(jù)作業(yè)海域確定船的尺度，再按捕撈所需拖速及網具尺度確定漁船主機功率，最后根據(jù)一定的網具阻力和起網速度及漁船航速確定拖網絞車功率[8-10]。網具在拖曳過程中，絞車綱繩受力按照懸索理論計算，由圖2 中拖網絞車受力分析計算可得絞車拉力公式為:

圖2 拖網絞車受力分析圖Fig.2 Force analysis diagram of trawl winch

公式中T 為拖網絞車拉力，kN；F0為網具及漁獲物在起網時的水阻力，kN；F1為曳綱水阻力，kN；F2為手綱水阻力，kN；F3為網板正面阻力，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為艉拖網具曳綱長度，m；d1為曳綱直徑，mm；V1為絞車起網速度，m·s-1；VC為起網時船速，m·s-1；

由公式（1）和（2）可知，在網具和網板確定情況下，拖網絞車曳綱張力主要和曳綱長度有關，隨著放網深度增加，曳綱張力也會增加[11]。

該深水拖網絞車示范應用漁船參數(shù)為：船長33.8 m，主機功率882 kW，船寬8.5 m。配置網具參數(shù)為：網具總長118 m，網口周長280 m，上綱長度61.92 m，下綱長度80.25 m，網口網目數(shù)56 目，由模型網水動力實驗數(shù)據(jù)可知，該網具在水平擴張L/S（袖端間距與下綱長度的比）為0.45、拖速3.0～4.0 kn 時，網具阻力在40～50 kN 之間，對應的漁具功率消耗分別為73.73 kW 和98.9 kW，占主機總功率的8.4%、11.2%。

根據(jù)設計經驗，一般漁具總阻力約占漁船總拖力的80%～85%，但是，在設計網具時，由于針對的捕撈品種、作業(yè)海底底質、作業(yè)方式等差異，網具、網板、漁船三者占漁船總拖力的比例也各不相同。結合該示范漁船功率匹配要求，設計拖網絞車額定拉力為60 kN，鋼絲繩直徑為￠24 mm，捕撈作業(yè)最大水深為500 m。絞車滾筒容繩量一般為水深3～5 倍，設計滾筒容繩量為2 500 m。深水拖網起網時間由絞車平均起網速度決定，而起網速度影響拖網絞車傳動功率和曳綱張力，為了減少起放網時間，增加放網次數(shù)，設計絞車平均起網速度為100 m·min-1。

1.4 液壓控制系統(tǒng)設計及計算

1.4.1 液壓控制系統(tǒng)設計

根據(jù)拖網作業(yè)工況深水絞車控制系統(tǒng)采用開式液壓回路，液壓泵選用變量柱塞泵和葉片泵。液壓站采用船舶主機前端輸出驅動，液壓系統(tǒng)主要由液壓泵、油箱、溢流閥等組成，液壓系統(tǒng)原理設計如圖3 所示。

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

在起網和拖曳時，高壓油液經過柱塞泵后由P 口進入比例換向閥，比例換向閥工作在左位，經過換向閥進入絞車馬達口，驅動拖網絞車正轉起網，在比例換向閥閥芯處于左位或者右位時，通過改變換向閥的流量，來穩(wěn)定比例換向閥進出油口壓差，避免負載的變化對流量控制的影響，從而實現(xiàn)比例流量控制。在放網過程中，絞車處于負負載的工況，此時比例換向閥處于右位，為保證系統(tǒng)能在負負載的工況下能進行速度控制，在絞車馬達上設置了1 個平衡閥，可有效保證絞車在網具阻力作用下速度可控，絞車不失速。在負負載工況放網時，平衡閥在回路中起到正向負載作用，以保證系統(tǒng)在負負載工況下能進行拖網絞車的速度控制。

1.4.2 拖網絞車恒張力控制

深水拖網作業(yè)海況復雜，由于波浪起伏造成船體升沉搖擺，絞車在拖曳過程中曳綱張力不斷變化，甚至曳綱承受的拉力超過綱繩最大負荷而發(fā)生斷裂，對拖網絞車的安全和壽命產生很大的影響。另外，深水拖網捕撈由于綱繩較長，拖網作業(yè)響應緩慢且動態(tài)難以預測。漁船在進行捕撈作業(yè)時，需要不停的調整航速以及曳綱長度來瞄準目標魚群進行捕撈，導致網具上的水阻力不斷發(fā)生變化，也會對絞車曳綱張力有很大的影響。因此，深水捕撈時拖網絞車要求具有恒張力功能，正反轉的速度范圍要大，并能無級變速；起網速度減小時，力矩要增大；在超載時，能夠自動停止起網或松出曳綱[12-17]。

液壓系統(tǒng)通過張力值調節(jié)閥，調節(jié)起網工況系統(tǒng)壓力。在正常起放網時，先導溢流閥關閉，對絞車的操作不起任何影響，液壓泵給液壓絞車上的液壓馬達提供動力。拖曳作業(yè)時，通過導壓級閥設定值，控制先導溢流閥壓力，保證絞車油路兩端恒定油壓差值，從而保證絞車恒張力。由于拖網絞車慣性大，拖網絞車難以迅速反應，曳綱張力采用閉環(huán)控制設計，可補償外干擾對拖網系統(tǒng)的影響[18-21]。在絞車拖曳過程中，要求綱繩長度保持在設定范圍內，以實現(xiàn)網具穩(wěn)定在目標水層，因而對曳綱長度進行閉環(huán)控制。通過預先設定的拖網曳綱長度及張力控制范圍，即可確保拖網作業(yè)順利進行，拖網絞車系統(tǒng)恒張力控制如圖4 所示。

圖4 拖網絞車恒張力控制方框圖Fig.4 Constant tension control block diagram of trawl winch

1.4.3 液壓系統(tǒng)參數(shù)計算

絞車額定拉力T=60 kN，絞車起網速度V=100 m·min-1，絞車起網功率P=TV=100 kW。

根據(jù)絞車輸出的扭矩和速度，對液壓馬達進行選型設計，系統(tǒng)采用中高壓系統(tǒng)（壓力16～18 MPa 之間）。絞車所需的輸出速度100 m·min-1，考慮馬達的泄漏，確定馬達的工作流量，選用HMB-325 型軸向柱塞大扭矩馬達，保證絞車可靠性。

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

基于馬達參數(shù)、齒輪箱減速比以及絞車卷筒規(guī)格等以上數(shù)據(jù)計算液壓系統(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。

為滿足系統(tǒng)流量要求，液壓系統(tǒng)設計采用雙泵，總流量為600 L·min-1，其中一個泵為變量泵，可根據(jù)系統(tǒng)的要求改變系統(tǒng)總流量，另一個泵為齒輪泵，同時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，在油壓回路設置定值減壓閥，輸出不同壓力以滿足控制油要求。另外，齒輪泵受到船舶發(fā)動機的影響，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，用來緩沖壓力波動對系統(tǒng)的影響。

2 實驗與分析

深水拖網絞車于2017 年5 月安裝在加納“遠漁904 號”拖網漁船上，試驗應用如圖5 所示。海上試驗5 月27 日-6 月5 日進行，試驗地點為西非加納海域，試驗海域水深200～510 m。在漁船到達試驗海域后開始放網，漁船減速航行，船上操作人員將網囊從艉滑道拋入海中，依靠水的阻力將網具、手綱和網板拖入水中。操作人員手動操縱拖網絞車松放曳綱，放網時保持曳綱處于張緊受力狀態(tài)，因為松放曳綱速度過快，就會使網具扭轉。放網接近預定深度時，船速減到2 kn 左右，使網具快速沉降到海底，然后開始拖曳。

圖5 深水拖網絞車試驗及應用Fig.5 Test and application of deep-water winch

絞車空載試驗過程中排繩器、離合器運轉順暢，正車、倒車時拖網絞車工作正常，觀測操作臺壓力表正車壓力為8 MPa，倒車壓力為5 MPa。拖曳階段時間為2 h，漁船勻速拖曳，漁船平均拖速為3.2～3.5 kn，絞車工作壓力為12.5～17 MPa，漁船起網時船速為2.0～2.5 kn，整個起網用時30 min。當放綱長度和作業(yè)水深不變時，拖網曳綱基本處于平衡狀態(tài)，主要受水動力、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波動。拖網過程中可以通過調節(jié)拖曳速度大小和放綱長度來控制網具位置，由于提高拖速會造成網口高度下降、增加漁船功率消耗，一般通過改變曳綱放出長度來控制和調節(jié)拖網在水層中位置。

我國目前僅在東非莫桑比克從事深水拖網，捕撈深水蝦等品種，所用漁船和漁具均引進自西班牙。而西非漁業(yè)受漁船、捕撈網具等限制，尚未開展深水區(qū)域的捕撈作業(yè)。依托國家科技支撐計劃課題研制了該深水拖網絞車，海上試驗對該深水絞車主要功能要求：包括拉力、起網速度等設計參數(shù)以及機械和控制系統(tǒng)的操作性能都進行了驗證，根據(jù)海上試驗結果，該深水絞車系統(tǒng)能夠滿足深水拖網作業(yè)要求，為拓展過洋性漁業(yè)漁場提供了技術支撐。

3 結論

該深水拖網絞車液壓系統(tǒng)采用先導溢流閥恒張力控制，減少負載沖擊，緩解船舶升沉起伏對絞車負載影響。絞車換向采用壓力補償設計，有效控制絞車起放網及轉向，提高了控制系統(tǒng)的操作性能；液壓系統(tǒng)設計定值減壓閥模塊，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)動機的影響，出油壓力不穩(wěn)定的問題。

深海拖網捕撈對漁船及捕撈裝備技術水平要求很高，不僅漁船、拖網絞車要求有足夠大的功率和拖力，拖網作業(yè)也要配備性能良好的垂直探魚儀，以探測能達到作業(yè)要求的深度，拖網網具上還應裝置有網位儀，以隨時監(jiān)測網具作業(yè)性能和掌握魚群進網狀況，因此可靠的捕撈設備對保障深海捕撈可持續(xù)發(fā)展是十分重要的。