UDK 6392 Рыбное хозяйство. Рыболовство. Рыбоводство
UDK 639.2/.3 Рыбное хозяйство
GRNTI 69.33 Техническая эксплуатация флота рыбной промышленности
BBK 472 Рыбное хозяйство
TBK 5633 Рыбное хозяйство. Рыболовство
The paper deals with issues related to improving the efficiency of the trawl fishing of the Far Eastern sardine-ivasi by optimizing trawl systems. A trawl fishing system with a flexible spacer is considered. A method of controlling a trawl system with flexible spacers and the most effective method of equipping a trawl system is proposed, which allows you to bring the trawl into the upper layers of water and hold it to produce differentiated trawling.
: Trawl fishing, extraction technology, GRU, Far Eastern sardine-ivasi, trawl systems, differentiated fishing
Введение
В связи с возобновлением промысла дальневосточной сардины иваси, после 25-летнего перерыва, рыболовным компаниям пришлось заново осваивать технологии промышленного лова этого объекта. Вновь наметившаяся, начиная с 2010 г., тенденция ежегодной положительной динамики численности дальневосточной сардины-иваси, позволила спрогнозировать увеличение ее объемов в 2020 г. до уровня в 2,12 млн т., при доле нерестового запаса 891 тыс. т [1]. По результатам учетной съемки сентября 2021 г., оценка биомассы сардины в пределах ИЭЗ России в тихоокеанских водах Курильских островов составляет 3,46 млн тонн, что является максимальной величиной, оцененной биомассы, в период текущего подъема численности этой рыбы (начиная с 2010 г.) и значительно превосходит оценку прошлого года. Все это создает потенциальный базис и реальную перспективную возможность использования данного вида промыслового ресурса в промышленных масштабах именно с использованием траловых систем.
Как показала практика промысла за период 2016-2021 гг., у многих рыбодобывающих компаний возникли проблемы освоения нового промыслового объекта, которые являются следствием отсутствия или утраты навыков промысла дальневосточной сардины иваси, и сейчас идет процесс его получения и накопления. На современном этапе возобновления промысла сардины-иваси наилучшие результаты показывают крупнотоннажные суда, обеспечивающие вылов и переработку сардины-иваси с помощью технологий тралового лова. При этом кошельковый лов позволяет сохранить товарный вид сардины, а при траловом лове, на который приходиться наибольший объем вылова, практически сразу около половины улова превращается в сырье для технической продукции. Соотношение использования технологий лова, на современном этапе возобновления промысла, показало исключительное преобладание технологий промысла с помощью разноглубинных тралов [2] (рис. 1). Полученные результаты промысла за период 2016-2020 гг. позволяют говорить о необходимости совершенствования технологий тралового промысла для обеспечения сохранности уловов и увеличения эффективности промысла.
Рисунок 1. Объемы добычи сардины-иваси относительно применяемых технологий и орудий рыболовства
Figure 1. Sardine-ivasi production volumes relative to the applied technologies and fishing tools
Вопросами совершенствования современных траловых систем занимались М.М. Розенштейн, В.И. Габрюк, А.Н. Бойцов, А.И. Шевченко, а также ряд компаний Фишинг Сервис (Россия), Хампиджан (Исландия). В основном эти исследования были направлены на совершенствование непосредственно тралов, траловых досок и систем их настройки. Однако практика показывает, что используемые на промысле траловые доски по своим конструктивным и функциональным особенностям в траловой системе не позволяют во многих случаях эффективно выводить траловые системы для облова поверхностных скоплений, а также прицельно облавливать косяки дальневосточной сардины-иваси, чередующиеся на очень близком расстоянии (до 200 м) с косяками скумбрии или других видов рыб. Поэтому решение задачи управления траловой системы, с учетом природных факторов, возможно при использовании вместо траловых досок гибких распорных устройств. Исследованием гибких распорных устройств занимались М.М. Розенштейн, В.И. Габрюк, А.Н. Бойцов, А.И. Шевченко, В.А. Татарников, О.А. Висягин. Работы А.Н. Бойцова и О.А. Висягина носили экспериментальный и практический характер, в ходе которых были получены решения по гибким распорным устройствам, однако методы расчета для масштабирования на разные траловые системы не были, по разным объективным причинам, разработаны.
Позже в работах А.Н. Бойцова, В.В. Кудакаева были получены результаты гидродинамических характеристик гибких распорных устройств (ГРУ) и, на основе данных промысловых испытаний с выбором конструкции, разработана методика выбора соотношений размеров ГРУ, для обеспечения необходимой распорной силы, для горизонтального раскрытия траловой системы, однако выбор материала, расчет прочностных характеристик ГРУ, оптимизация оснастки не рассмотрены. Все это ограничивает возможности внедрения ГРУ на флоте и не показывает их преимущества перед траловыми досками.
Материалы и методы
Для повышения эффективности тралового лова дальневосточной сардины-иваси и совершенствования траловых систем с гибкими распорными устройствами разработаны несколько решений, позволяющих оптимизировать данный процесс:
- методика расчета оптимального параметра входного устья трала, для облова поверхностно распределённых косяков дальневосточной сардины-иваси;
- методика расчета прочностных характеристик гибких распорных устройств, оптимизацией их оснастки для современных тралов используемых на промысле;
- методика управления траловыми системами с гибкими распорными устройствами, с целью обеспечения дифференцированного траления дальневосточной сардины-иваси.
На сегодняшний день установлено существенное влияние на эффективность работы разноглубинных тралов площади устья, скорости траления и прицельности наведения трала [3]. В результате проведенных исследований получен ряд зависимостей, которые связывают отдельные параметры орудий лова и некоторые факторы окружающей среды.
Исходя из заявленной цели облова разноглубинным тралом стаи дальневосточной сардины-иваси, вертикальный размер устья трала выбирается из условия полного вертикального облова стаи, а горизонтальное раскрытие трала можно принимать исходя из буксировочных возможностей судна. Из практики промысла известно, что облов дальневосточной сардины-иваси судами осуществляется на скоростях траления 4,5÷5 узлов. Для вертикального облова стаи 
отсюда следует уравнение:
, (1)
, (2)
где
– дистанция реагирования рыб на верхнюю и нижнюю подборы трала. Поскольку:
, (3)
уравнение (2) примет вид:
(4)
где
– дистанция реагирования рыб на боковые подборы разноглубинного трала.
Уравнение для определения вертикального размера стаи в устье разноглубинного трала получим из формулы (4):
(5)
где
, 
– количество рыб в единице объема невозмущенной стаи и стаи в устье трала.
Если
, 
то уравнение (6) принимает вид:
(6)
Таким образом, высота стаи в устье разноглубинного трала рассчитывается по формуле (6), где параметры высоты стаи в естественном состоянии определяются по данным эхограмм, а дистанция реагирования, на основе экспериментальных данных, для каждого вида рыб в отдельности.
Например, для дальневосточной сардины (иваси) с учетом реакции [4]
, по формуле (1) определим вертикальный размер устья трала:
м.
Таким образом, определяется вертикальный размер входного устья разноглубинного трала, позволяющего полностью облавливать стаи сардины (иваси) в верхних слоях воды по вертикали – 50 метров.
Для определения нагрузок в оболочке ГРУ и выбора материала изготовления, необходимо рассмотреть нагрузку, воздействующую на оболочки ГРУ, которая и создает распорную силу. Для расчета нагрузок взяты максимальные значения коэффициентов сил сопротивления и распорной силы:
, 
[7]. Нагрузка, приходящаяся на элемент рабочей поверхности ГРУ, находится:
, 
, 
, 
, (7)
где 
– площадь рабочей поверхности ГРУ; 
– линейный размер ГРУ; 
– нагрузка на рабочую поверхность ГРУ, 
– гидродинамические силы, 
– скорость траления; 
– плотность воды.
Используя формулы (7) построим диаграмму изменения давления на рабочую поверхность ГРУ (рис. 2), в зависимости от скорости траления, и приведенную к разрывным характеристикам материалов, из которых изготавливаются тенты (Н/см).
Таким образом, если использовать современные тенты из ПВХ, которые имеют разрывную прочность 650-920 Н/см, то при максимальной скорости траления 6 узл. нагрузка на элемент рабочей поверхности составляет 0,205 Н/см2, распределённое усилие, при соединениях стрингеров и рабочей поверхности, для площади ГРУ 24 м составляет 16,7 Н/см, что в несколько раз меньше разрывной прочности тента из ПВХ. Это позволяет использовать тенты из ПВХ для пошива ГРУ, а диаграммы (рис. 2, 3) позволяют подобрать любой материал для пошива ГРУ, при учёте коэффициента запаса прочности, который для орудий рыболовства рекомендован
[8].
Рисунок 2. Изменение давления на рабочую поверхность ГРУ от скорости траления
Figure 2. Change in pressure on the working surface of the GRU from the speed of trawling
Рисунок 3. Распределенное усилие при соединениях стрингеров и рабочей поверхности ГРУ
Figure 3. Distributed force at the joints of stringers and the working surface of the GRU
При изготовлении ГРУ рабочая поверхность, для сохранения формы, садится на сетную пластину с рассчитанным шагом ячеи. Основные параметры сетной пластины: 
– шаг ячеи; 
– диаметр нитки. Для равномерной нагрузки стрингера на сетное полотно, шаг ячеи выбирается из параметрического ряда, изготавливаемых на фабриках, сетных полотен при условии равенства
, (8)
где 
– количество ячей квадратной ячеи; 
– длина основания стрингера (рис. 4).
Наибольшая нагрузка на сетное полотно приходится между крайними стрингерами, верхней и нижней подборой. Примем, что эта нагрузка – равномерная, тогда максимальное натяжение на каждую нить ячеи 
будет выражено следующим образом
. (9)
Рисунок 4. Соотношения линейных размеров ГРУ для его производства
Figure 4. Ratios of linear dimensions of GRU for its production
Из формулы видно, что уменьшая шаг ячеи
, увеличивается количество ячей 
соответственно снижается нагрузка на каждую нить ячеи. Максимальное натяжение на нить ячеи возникает в процессе раскрытия ГРУ при закрытии и раскрытии траловой системы, поэтому значения рассчитывается при максимальных значениях коэффициентов гидродинамических сил [6]. Однако на практике, при изготовлении ГРУ, необходимо рассчитывать количество ячей, тогда из условия (9) найдем
, (10)
где 
– разрывное натяжение сетного полотна.
Ограничения на размеры ГРУ накладывает их компактное размещение на кабельно-сетном барабане, который имеют ограниченные размеры по длине и высоте, и на судах типа МРС длина составляет до 1,5 м, на среднетоннажных – до 4 м, а на крупнотоннажных судах они могут быть длиной до 8 метров. Для решения задачи повышения прочности ГРУ и удобства их использования разработана система нескольких ГРУ меньшей площади, расположенных в пакете (рис. 5), что позволяет, при наматывании на барабан, складывать их пополам и таким образом избегать повреждения от стягивающего усилия кабелей.
Рисунок 5. Пакет ГРУ, соединенных по верхней и нижней подборе
Figure 5. Package of GRU connected by upper and lower selection
По полученным данным расчет площадей ГРУ (м2), с учетом раскрытия тралов и распорных сил траловых досок, имеет параметрический ряд: 15,21; 12,96; 10,89; 9; 7,29; 6,76; 4,41; 3,24; 2,89. Данный ряд можно разбить на две группы [9]: для маломерных судов это площади до 4,41 м2 и группа средних и крупных судов – это более 4,41 м2.
Задача управления траловой системой заключается в ее наведении на выбранное скопление гидробионтов (одного вида) и выведение траловой системы из области облова других скоплений гидробионтов. Такая задача управления возникает на Дальнем Востоке при облове скоплений сардины-иваси, которые могут чередоваться со скоплениями скумбрии, по движению курса судна находясь друг от друга на расстояниях 80-100 м и более. При этом практика рыболовства показывает, что в случаях, когда траловая оболочка закрыта и проходит через скопления гидробионтов, эти гидробионты не попадают в трал.
Закрытие и раскрытие траловой системы можно осуществлять с помощью устройств горизонтального раскрытия, на практике для этого в основном используются траловые доски, управление которыми во время траления затруднено. Для решения задачи управления предлагается оснащение трала ГРУ, которые за счет гибкости конструкции принимают устойчивое положение при набегающем потоке воды, после принудительного или случайного вывода их из равновесного состояния. Основной задачей управления раскрытия и закрытия оболочки трала является перевод ГРУ в неустойчивое состояние для закрытия оболочки, а при снятии этого управляющего воздействия ГРУ возвращается в равновесное состояние и раскрывает оболочку трала [5].
Перевод ГРУ в неустойчивое состояние осуществлялся за счет усилия кабеля лебедки 4 на выборку, который соединяется с замкнутым кабелем 5 в верхней части трала, проходящим через кольца, закрепленных в задней части, каждого ГРУ, до тех пор, пока угол атаки ГРУ не выходит за критические углы атаки, после чего оболочка трала закрывается. Раскрытие трала 1 осуществляется за счет выметки кабеля лебедки 4, при этом нагрузка с замкнутого кабеля 5 снимается и ГРУ 2 устойчиво возвращается к докритическим углам атаки и раскрывает трал 1.
Рисунок 6. Параметры траловой системы с управляемой ГРУ: 1 – траловая оболочка; 2 – ГРУ; 3 – скопление гидробионтов; 4 – кабель лебедки управляющего воздействия; 5 – замкнутый кабель для перевода ГРУ в неустойчивое состояние
Figure 6. Parameters of a trawl system with a controlled GRU: 1 - trawl shell; 2 - GRU; 3 - accumulation of hydrobionts; 4 - cable of the winch of the control action; 5 - closed cable for transferring the GRU to an unstable state
Эффективное управление траловой системой, на промысле сардины-иваси, связано с задачами закрытия траловой оболочки и ее раскрытием.
Параметры управляющего воздействия при закрытии трала находятся:
;
, (11)
где 
– длина каната, который необходимо выбрать; 
– расстояние между двумя ГРУ; 
– время, за которое траловая оболочка закроется; 
– скорость выборки лебедки при натяжение
.
За время траловая система пройдет расстояние
, (12)
где 
– скорость траловой системы.
Для расчета управляющего воздействия, при встрече с косяком, выбирается дистанция 
от ГРУ до соответствующего скопления, тогда должно выполнятся условие
. (13)
Изменяемые параметры в системе управления являются и
, поскольку изменение скорости траловой системы связано с затратами топлива при последующей наборе скорости, но сначала выполняем условие 
при выполнение условия (11), если это условие не выполняется, то производится уменьшение скорости до
. (14)
Расчет системы на раскрытие ГРУ производится по формулам (18-19)
;
, (15)
где 
– натяжение трала при воздействии 
;
– угол вектора .
В данном задается и находится расчетный критический угол атаки
по формуле:
. (16)
Значения подлежат изменению до выполнения условия
, при условии (11), что 
, поэтому управление, в случае раскрытия траловой оболочки, возможно только скоростью самой траловой системы [5]. При этом, выполнения условия (11) будет достаточно и при не полном достижении раскрытия траловой оболочки, в результате будет обловлена только часть косяка. Предложенная методика является элементом совершенствования тралового промысла, позволяющая осуществлять выборочный облов скоплений дальневосточной сардины-иваси, что в свою очередь позволяет минимизировать процессы сортировки улова на судне.
Результаты и обсуждение
Таким образом, используя методику проектирования системы управления ГРУ, можно определить тягово-скоростные характеристики лебедки управления. В настоящее время при работе с ГРУ требуется участие оператора при подключении/отключении грузов углубителей, что может быть решено при изменении конструкции траловой системы, поскольку судно ведёт траловый промысел на одних объектах, обитающих в заданном диапазоне глубин, для которых определяется одна масса грузов углубителей. Таким образом, в течение всего промысла масса грузов углубителей может быть постоянной. Следовательно, в процессе промысла функцию грузов углубителей можно включить в неотсоединяемую часть траловой системы в виде отрезков цепи, которые подсоединяются к краю ГРУ и к концу нижнего кабеля ГРУ.
Удобство представленных методик позволяет рассчитать и изготовить по ним, на фабрике орудий рыболовства, гибкие распорные устройства, а использование на промысле сардины-иваси предлагаемой оснастки трала с ГРУ позволит увеличить скорость траления на 1 узел, значительно снизить время выборки трала и, как следствие, увеличить уловы на 10-15%.
Заключение
Разработанные методики, позволяющие на стадии проектирования и в процессе эксплуатации траловых систем определять их характеристики для выбора оптимальных режимов работы при вылове выбранных скоплений дальневосточной сардины-иваси, способствуют оптимизации процесса эксплуатации орудий рыболовства. Предложенные решения увеличивают эффективность лова, улучшают качество работы траловых систем (за счет удержания тралов в верхних слоях гидросферы; увеличения точности наведения тралов), уменьшают тяговые усилия добывающих судов в процессе траления и увеличивают скорость траления, снижают потребление топлива добывающими судами и себестоимость конечного продукта.
1. Lisienko S.V. Sovremennoe sostoyanie i perspektivy razvitiya dobychi dal'nevostochnoy sardiny (ivasi) i skumbrii / S.V. Lisienko, A.N. Boycov, V.E. Val'kov // Kompleksnye issledovaniya v rybohozyaystvennoy otrasli: Materialy V Mezhdunarodnoy nauchno-tehnicheskoy konferencii studentov, aspirantov i molodyh uchenyh. Vladivostok: Dal'rybvtuz. 2020. - s. 3-6.
2. Val'kov V.E. Primenenie tehnologiy tralovogo lova na sovremennom etape vozobnovleniya promysla dal'nevostochnoy sardiny (ivasi) / V.E. Val'kov, A.N. Boycov // Innovacionnoe razvitie rybnoy otrasli v kontekste obespecheniya prodovol'stvennoy bezopasnosti Rossiyskoy Federacii: Materialy IV Nacional'noy nauchno-tehnicheskoy konferencii. Vladivostok: Dal'rybvtuz, 2021. - s. 8-11.
3. Gabryuk V.I. Metodika opredeleniya gorizontal'nogo i vertikal'nogo raskrytiya raznoglubinnyh tralov / V.I. Gabryuk, A.N. Boycov, E.V. Osipov // Aktual'nye problemy osvoeniya biologicheskih resursov Mirovogo okeana: Materialy V Mezhdunarodnoy nauchno-tehnicheskoy konferencii. V 2-h chastyah. Vladivostok: Dal'rybvtuz, 2018. - s. 55-65.
4. Boycov A.N. Upravlenie tralovoy sistemoy s gibkimi raspornymi ustroystvami. / A.N. Boycov, E.V. Osipov, S.V. Lisienko, V.E. Val'kov i drugie // Rybnoe hozyaystvo. - 2019. - № 4. - s. 93-95.
5. Boycov A.N. Razrabotka modeli upravleniya tralovoy sistemoy s gibkimi raspornymi ustroystvami / A.N. Boycov, E.V. Osipov, S.V. Lisienko, V.E. Val'kov // Nauchno-prakticheskie voprosy regulirovaniya rybolovstv: Materialy Nacional'noy nauchno-tehnicheskoy konferencii - Vladivostok: Dal'rybvtuz, 2019. - s. 9-12.
6. Kudakaev V.V. Sovershenstvovanie gibkih raspornyh ustroystv gorizontal'nogo raskrytiya ust'ya trala. / V.V. Kudakaev, V.V. Chernecov, A.N. Boycov, O.A. Visyagin // Nauchnye trudy Dal'rybvtuza. - 2010 - Vyp. 22. - s. 27-36.
7. Boitsov A.N. Development of the trawl controlled system with flexible spreading devices / A.N. Boitsov, E.V. Osipov, A.I. Shevchenko, S.V. Lisienko, V.E. Valkov. - Tekst: elektronnyy // Journal of mechanics of continua and mathematical sciences, Special Issue, No. - 10, June (2020) 619-636. URL:https://www.journalimcms.org/special_issue/development-of-the-trawl-controlled-system-with-flexible-spreading-devices/ (data obrascheniya: 18.11.2021).
8. Gabryuk V.I. Osnovy modelirovaniya rybolovnyh sistem. / V.I. Gabryuk, V.V. Chernecov, A.N. Boycov - Vladivostok: Dal'rybvtuz, 2008. - 560 s.
9. Boycov A.N. Optimizaciya konstrukcii gibkih raspornyh ustroystv / A.N. Boycov, V.E. Val'kov, E.V. Osipov // Vodnye bioresursy: racional'noe osvoenie i iskusstvennoe vosproizvodstvo: Materialy Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferencii - Vladivostok: Dal'rybvtuz. 2021. - s. 19-23.
