欧式围网起网理网机负载敏感液压系统设计及仿真.pdf
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1、第 51 卷第 2 期渔 业 现 代 化Vol.51 No.22024 年 4 月FISHERY MODERNIZATIONApr.2024DOI:10.3969/j.issn.1007-9580.2024.02.010收稿日期:2023-03-02基金项目:国家重点研发计划“远洋渔船节能技术及捕捞装备自动化控制系统集成示范(2020YFD0901201)”;中国水产科学研究院基本科研业务费(2023TD85)作者简介:石鑫(1994),男,硕士研究生,研究方向:渔船捕捞装备。E-mail:540768262 通信作者:谌志新(1969),男,研究员,研究方向:海洋设施渔业装备。E-mail:
2、chenzhixin 欧式围网起网理网机负载敏感液压系统设计及仿真石 鑫1,2,谌志新2,马凤爽2,徐志强2(1 上海海洋大学工程学院,上海 201306;2 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所,上海 200092)摘要:欧式围网是海洋捕捞中上层鱼类效率最高的围网渔法之一。研究了理网与起网传动控制协同性技术,以保障欧式围网高效连续起网作业。以某新型 40 m 欧式围网示范渔船上的起网与理网适配需求为基础,采用负载敏感控制技术设计起网理网机液压传动控制系统,构建“渔具负载-起网速度”阻力特性模型,基于液压负载敏感和电液恒功率控制的双闭环反馈控制系统,以协同控制围网起网理网机自适应工作负载,并通
3、过AMESim 软件对起网理网机负载敏感液压传动控制系统进行仿真。结果显示:起网理网机负载敏感液压传动控制系统可以自适应围网起网渔具负载变化,自动调节理网速度实现恒功率理网,实现连续起网作业。相比传统液压系统传动的起网理网机,在相同海况下,起网效率提高 32.78%。本研究涉及的液压负载敏感传动控制技术为欧式围网渔业高效捕捞提供了解决方案。关键词:欧式围网;起网理网机;负载敏感控制;电液恒功率中图分类号:S972.68 文献标志码:A 文章编号:1007-9580-(2024)02-0078-007 远洋围网按作业方式和捕捞鱼种不同可分为日式、美式和欧式围网1。欧式围网是海洋捕捞中上层鱼类效率
4、最高的围网渔法之一,为单船舷侧起网捕捞作业,其起网与理网分开作业,起网机从舷侧绞收渔具到船上,起网理网机辅助起网并整理渔具;相比一般围网,具有渔具不易在起网机上打滑、起网速度快、需要作业人员少、劳动强度低等优点;且欧式围网渔船在起捕过程中着力位置低,起网对渔船稳性影响小,78 级风浪时仍可作业2-5。中国前期研发的欧式围网渔船,其起网速度与理网速度的调节多由人工观测操作,起网理网液压传动系统无反馈控制,在恶劣海况及渔获量的影响下,起网与理网传动控制协同性差,会出现超载停车和起网渔具打滑状况6,严重影响了起网理网连续性和协同性。液压系统如何自适应工作负载变化是起网理网机协同起网机作业的关键技术,
5、负载敏感液压传动控制系统可以在恶劣海况变化引起渔具工作负载突变状况下,保障起网理网机液压传动控制系统自适应负载变化,做出快速平稳反应7。负载敏感液压技术解决同步控 制 的 问 题 在 工 程 机 械 中 有 成 熟 的 应用8,在围网渔船上还未有学者进行相关研究,仅在拖网渔船上有少量应用9-10。王志勇等11通过压力传感器间接测量拖网左右曳纲张力数据,控制先导溢流阀调整马达溢流压力,改变绞车输出扭矩,来保持左右曳纲张力动态平衡;胡少鹏12将电控负载敏感系统应用于双卷筒海洋拖曳绞车速度控制系统,通过仿真分析得出负载敏感系统具有很好的抗负载转矩干扰特性。针对欧式围网起网与理网作业的液压传动控制协同
6、性问题,分析了渔具负载与起网速度的数学模型,并以某新型 40 m 欧式围网示范渔船上的起网与理网适配需求为基础,设计了起网理网机液压负载敏感传动系统,构建了负载敏感控制和电液恒功率控制的双闭环反馈控制系统,对起网理网机动力马达的液压传动控制系统进行了建模与仿真试验。第 2 期石鑫等:欧式围网起网理网机负载敏感液压系统设计及仿真1 材料与方法1.1 欧式围网起网与理网作业系统欧式围网起理网作业流程示意图如图 1所示。图 1 欧式围网起理网系统作业流程示意图Fig.1 Schematic diagram of European hauling in and transport of the sei
7、ne operation三滚筒起网机将渔具从舷侧绞收到甲板,通过送网滑槽输送给起网理网机,起网理网机将渔具整理好并转运到网舱中,再由下方船员有序摆放。当理网速度低于起网速度时,渔具易被传送到起网机的非工作部分;理网速度大于起网速度时,起网理网机输入端的工作负载过大会导致网衣在理网滚筒上打滑13。因此,需要渔具在起网理网作业系统中保持适度张紧,即起网速度 vq=理网速度 vl,在此条件下,起网理网机输入端的工作负载 F2可以根据柔性体与刚体摩擦的欧拉公式14求解,其关系式为:F2=F1/e+G2cos2(1)式中:F1为起网机输入端的渔具负载;F2为起网理网机输入端的工作负载;G2为滑槽中渔具质
8、量;2为滑槽中渔具与垂直方向的夹角;e 为自然对数的底(常数);为渔具和鼓轮表面的实际摩擦系数;为渔具和起网机鼓轮的接触角度之和。当理网速度 vl起网速度 vq,起网理网机带动起网机作业,起网理网机的工作负载 F2为:F2=F1/e+G2cos2+F1(2)式中:F1为起网理网机带动起网机中的渔具以加速度 d(vl-vq)/dt 运动的拉力。由此可见,理网速度根据工作负载 F2的变化实现自适应调节是起网与理网协同控制的关键因素。1.2 渔具负载与起网速度数学模型欧式围网渔船在远洋起理网作业过程中,海中剩余渔具与海流的相对速度变化会导致渔具阻力 R 的变化15-16,渔具负载 F1不仅与离开海面
9、的围网渔具质量 G1相关,还与渔具阻力 R 相关17-19。渔具在水中运动受到的水阻力与海流相对速度的平方成正比 20-21,网片的经典阻力公式为:R=CSv2/2(3)式中:S 为网片的面积;C 为阻力系数;v 为网片和海流相对速度;为海水的密度。在围网起网过程中,渔具纵向上各网片的运动速度不同,且网壁呈抛物线形状变化,网片与相对水流方向的夹角也是连续变化的22,起网滚筒的转速 vq与第 i 片网片和海流相对速度 vi为:vi=xiyivq/(4)式中:xi为渔具第 i 片网片运动速度的系数;yi为渔具第 i 片网片和海流夹角的系数。结合式(3)和式(4),得渔具阻力 Rw为:Rw=n1Si
10、Ci(xiyivq/)2/2(5)式中:n 为网片数量;Si为渔具第 i 片网片面积;Ci为渔具第 i 片网片阻力系数。由式(5)可知,起网机的渔具负载 F1与起网速度 vq的平方呈线性关系。起网理网协同连续作业时,理网速度 vl=起网速度 vq,工作负载 F2的变化受渔具负载 F1影响,与理网速度 vl的平方呈线性关系。1.3 起网理网机负载敏感液压系统设计起网理网机的工作负载和理网速度频繁变化,泵控系统会按负载需求供给流量,避免系统负载变化频率较大时,产生较大的溢流损失,有效节能并提高工作效率23。基于泵控系统的优越性能,起网理网机的液压传动系统由负载敏感变量泵作为动力元件与溢流阀、电机和
11、压力表等组成起网理网机液压系统的负载敏感动力系统,负载敏感式电比例多路换向阀作为控制元件,动力马达、变幅油缸和回转马达作为执行元件,原理图如97渔 业 现 代 化2024 年图 2 所示。图 2 起网理网机负载敏感液压系统原理图Fig.2 Schematic diagram of load-sensitive hydraulic system of transport-roller液压系统的控制部分由流量传感器、压力传感器和 PLC 控制柜组成,采用负载敏感控制技术和电液恒功率控制技术,负载敏感控制是一种通过感应系统的压力和流量,匹配系统的最大压力并提供系统所需流量的液压回路19;电液恒功率控
12、制利用传感器技术采集系统的压力和流量,通过控制器运算后控制电比例换向阀的开度,改变系统的需求流量24-25。构建“渔具负载-起网速度”和恒功率控制的双闭环反馈控制系统,如图 3所示。通过双闭环反馈控制系统,起网理网机在理网作业过程中保持设定功率值理网作业,并根据工作负载变化自动变速理网。1Q2227图 3 起网理网机液压系统的双闭环反馈控制系统Fig.3 Double closed loop feedback control system of hydraulic system of transport-roller起网理网机开始理网前,负载敏感动力系统启动,液压油从油箱经过负载敏感变量泵产生
13、高压,经过管路输送给负载敏感式电比例多路换向阀,通过远程操纵回转马达转动和变幅油缸伸缩调整理网滚筒理网地点,由液压锁保持住该位置姿态,完成起网理网机工作姿态的调整;开始理网时,负载敏感变量泵自适应图 2 中负载敏感式电比例多路换向阀的 LS口反馈回来的最大压力(动力马达的工作压力),差值保持负载敏感阀的弹簧力设定值,压力匹配的高压油经负载敏感式电比例多路换向阀仅供给动力马达,动力马达齿轮传动带动理网滚筒转动理网,传感器采集动力马达的压力流量数据,传输给 PLC 控制器分析处理,输出电信号控制换向阀上的电磁阀,调节换向阀的阀口开度,负载敏感变量泵按阀口开度供给流量给动力马达,实现理网速度的自动调
14、节。完成理网后,高压油经负载敏感式电比例多路换向阀,通过远程操纵回转马达和变幅油缸复位后关闭液压系统。1.4 液压系统的仿真建模 起网理网机负载敏感液压系统的仿真模型如图 4 所示。GYGYGYLGYZ1*%图 4 起网理网机负载敏感液压系统模型图Fig.4 Model diagram of load sensitive hydraulic system of transport-roller起网理网机理网时,执行元件中的变幅油缸08第 2 期石鑫等:欧式围网起网理网机负载敏感液压系统设计及仿真及回转马达不参与作业,因此仅验证动力马达在恒功率理网过程中,负载敏感液压系统能否适应负载变化,并根据
15、负载变化调节换向阀的开度,实现变速理网。采用数字仿真法26,在 AMESim 仿真软件中,依据图 2 中的动力马达恒功率液压系统部分,建立负载敏感变量泵27、负载敏感式电比例换向阀28、电控部分和动力马达的仿真模型。适配某新型 40 m 欧式围网示范船的 WYL-12/50 型的起网理网机,理网滚筒的额定拉力 12 kN,起网理网机额定速度 50 m/min。电机选型船用电机 Y200L-4-H,功率为 30 kW,频率 50 Hz,转速 1 476 r/min。负载敏感变量泵选用丹佛斯 K2型开式回路变量泵,转向右旋(顺时针),排量0.045 L,工作转速 2 900 r/min,额定转速时
16、流量130.5 L/min,压力切断设定值 20 MPa,负载敏感设定值 2 MPa。动力马达的排量 0.212 L/rev,工作转速 280 r/min,经传动比 4.5 的减速齿轮带动直径为 30 cm 的理网滚筒整理渔具。选用 HAWE的 PSV 型负载敏感式电比例换向阀,压力补偿阀的设定值为 1.4 MPa,换向阀阀芯行程设为 10 mm,电比例换向阀的电磁阀控制信号 020 mA对应阀芯行程从 010 mm,通过的阀口流量如图5 所示,在 04 mA 内,主阀芯处于死区范围,此时没有液压油通过阀芯;在 416 mA 内,主阀芯克服死区范围移动,液压油通过阀芯与阀体形成的节流口,流量线
17、性增加;在 16 mA 后阀芯位移达到极限值,通过节流口的液压油流量趋于稳定。N-NJ O 图 5 负载敏感电比例换向阀阀口的流量控制曲线Fig.5 Load sensitive proportional valve model slide valve flow control curve电控部分应用传感器采集动力马达进口的流量值和压力值求得动力马达实时功率,与设定功率值比较,差值输送给从 AMESim 软件中调用的PID 模块,通过设置控制器内比例、积分、微分的加权输出,使得系统能得到快速响应,并按设定值稳定运行的目的,使用参数整定方法中的经验法对控制模型测试。2 仿真结果为验证动力马达在理
18、网过程中,液压系统能否适应渔具负载导致的工作负载变化,并根据工作负载变化调节供给动力马达的流量,实现恒功率变速理网。恶劣海况和渔具质量引起的外界载变量导致渔具负载变化,工作负载在阶梯变化的渔具负载影响下,动力马达系统压力-流量和工作负载变化曲线如图 6 所示。T-N J O.1 BL/图 6 起网理网机动力马达系统压力-流量和工作负载变化曲线Fig.6 Curve of load and system pressure-flow rate of transport-roller motor在 010 s 无渔具负载变量影响,工作负载受动力马达进口流量变大的影响增大到 12.22 kN,变量泵出
19、口的压力自适应负载变化值增至 17.97 MPa 后保持稳定,3 s 后液压系统稳定运行后,根据工作负载和设定功率值,变量泵以调节后的换向阀阀口的开度供给动力马达流量51.76 L/min;1020 s 受到 2 kN 渔具负载变量影响,工作负载瞬时增大到 13.27 kN 后降低至 13.08 kN 后稳定,变量泵出口的压力自适应负载变化值增至18.73 MPa 后保持稳定,流量值瞬时降低至 46.55 L/min 后增至 48.05 L/min 后稳定;2030 s 受到5 kN 渔具负载变量影响,工作负载瞬时增大到18渔 业 现 代 化2024 年14.73 kN 后降低稳定在 14.5
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