劉和煒

（中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院 漁業(yè)機(jī)械儀器研究所 上海200092）

引 言

當(dāng)航行的漁船遭遇海盜追擊時(shí)，除少數(shù)金槍魚(yú)圍網(wǎng)漁船因航速能達(dá)到18 kn而僥幸逃脫外，其他漁船航速僅12～14 kn，故難逃海盜追擊［1］。針對(duì)每年因海盜而造成的巨大損失［2］，海事界研發(fā)出不少防海盜裝備，如：船用帶電警戒網(wǎng)、“虎之門(mén)”船舶安保報(bào)警系統(tǒng)等［3］，水炮、鈦雷、遠(yuǎn)程聲波定向發(fā)射器等主動(dòng)防御系統(tǒng)［3-5］，以及舷外鐵絲網(wǎng)、安全艙［5-7］等被動(dòng)防御系統(tǒng)。但船用帶電警戒網(wǎng)不僅在使用中可能誤傷船員［3，8］且需頻繁拆裝入庫(kù)［9］；“虎之門(mén)”只能用于報(bào)警［3］；水炮、鈦雷、遠(yuǎn)程聲波定向發(fā)射器等不僅夜間效果較差，需在發(fā)現(xiàn)海盜并予以瞄準(zhǔn)后方能使用，且水炮也難以應(yīng)對(duì)群狼戰(zhàn)術(shù)［10］；舷外鐵絲網(wǎng)收納困難；安全艙也存在被登船海盜攻破的可能。因此，有必要研發(fā)一款能報(bào)警、能防海盜上船，并且日夜效果俱佳，誤傷船員概率很低，又易于收納的防海盜裝備，用以裝備漁船。

1 海盜攀援上船的運(yùn)動(dòng)分析

海盜攀援上船一般采用兩種方式：第一種是拋帶索飛爪于船，然后援索而上至舷側(cè)頂；第二種是掛梯于船，踏梯而上至舷側(cè)頂。在舷側(cè)頂處腳蹬外板，雙手支撐，使身體重心高于舷墻頂板或欄桿，從而翻身上船。

2 防海盜攀援裝置構(gòu)成

鑒于前述分析，欄桿式防海盜系統(tǒng)應(yīng)通過(guò)防腳蹬、防手撐等措施，阻止海盜通過(guò)攀援登船。

欄桿式防海盜報(bào)警系統(tǒng)單元如圖1所示，具體構(gòu)成為：欄桿立柱安裝位置與施工工藝同常規(guī)船用固定欄桿一致。立柱橫截面為凹字形，其凹槽用以容納向舷內(nèi)方向轉(zhuǎn)回的支撐桿及其上的刀片，以免刀片誤傷船員。立柱及支撐桿的長(zhǎng)度可以超過(guò)常規(guī)船用固定欄桿的高度。欄桿立柱的背面按常規(guī)船用欄桿方式設(shè)置固定橫桿，與立柱形成船用固定欄桿。

圖1 欄桿式防海盜攀援裝置

支撐桿置于立柱凹槽中，并用轉(zhuǎn)軸與立柱連接，使之能繞軸倒向舷外。每根支撐桿上設(shè)有聯(lián)軸器，該聯(lián)軸器具有滾動(dòng)軸承的功能。旋轉(zhuǎn)橫桿通過(guò)法蘭與聯(lián)軸器相連。

船舶規(guī)范中固定欄桿的高度一般為1000 mm，最下面一根固定橫桿距離甲板高度為230 mm，則中間固定橫桿距離甲板一般為615 mm左右。成年男子手臂及手的總長(zhǎng)度為649～821 mm［11］，則由勾股定理知，L1為207～544 mm。因此，可將L1定于600 mm，使海盜無(wú)法握住中部及上部固定橫桿。中國(guó)成年人胸厚為177～254 mm［11］，考慮到存在未成年人員充當(dāng)海盜的可能性，在L1范圍內(nèi)，旋轉(zhuǎn)橫桿之間間隙、第一根旋轉(zhuǎn)橫桿與外板之間間隙以150 mm為宜。此間距可抑制海盜身體穿越其中而去抓握中部及上部固定橫桿。

在L2范圍內(nèi)，由于海盜已無(wú)法觸及中間及上部固定欄桿的橫桿，因此此區(qū)間內(nèi)的旋轉(zhuǎn)橫桿間距可適當(dāng)加寬。考慮到成年男子肩寬為330～417 mm［11］，故此區(qū)間的間距可設(shè)為325 mm。在此區(qū)間，即使海盜握住底部固定橫桿，但由于其與旋轉(zhuǎn)橫桿高度差極?。ń跛剑孰y以提供向上且足以克服海盜體重的支持。

立柱下端的凹面與支撐桿下端頂面（即安裝刀片的一面）對(duì)應(yīng)鉸孔，并配有相應(yīng)的蝶形螺栓。

3 欄桿式防海盜裝置工作原理

3.1 旋轉(zhuǎn)橫桿上的轉(zhuǎn)矩

連軸器的本質(zhì)是滾動(dòng)軸承，其內(nèi)圈兩側(cè)均有法蘭，用以同旋轉(zhuǎn)橫桿兩端的法蘭連接。假設(shè)一名體重為75 kg的人員攀援橫桿。由于聯(lián)軸器摩擦系數(shù)小于手與旋轉(zhuǎn)橫桿之間的靜摩擦系數(shù)，故手與橫桿之間無(wú)相對(duì)位移［12-14］。由于聯(lián)軸器對(duì)橫桿的摩擦力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于人員體重［12］，故摩擦產(chǎn)生的彎矩?zé)o法抵消人員重力產(chǎn)生的彎矩，橫桿會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。

3.2 旋轉(zhuǎn)橫桿組對(duì)攀援方式的影響

若旋轉(zhuǎn)橫桿固定，則翻越橫桿的動(dòng)作即為單杠運(yùn)動(dòng)中的上杠動(dòng)作，故可通過(guò)分析單杠運(yùn)動(dòng)中的上杠動(dòng)作了解旋轉(zhuǎn)橫桿組對(duì)攀援的影響。單杠運(yùn)動(dòng)有以下幾種上杠方式：懸垂擺動(dòng)穿腿上杠、懸垂擺動(dòng)雙膝掛上杠、懸垂擺動(dòng)騎撐上杠、懸垂擺動(dòng)屈伸上杠、單立肘上杠、雙立肘上杠、慢穿腿上杠等［15］，下面將以圖示的方式（參見(jiàn)下頁(yè)圖2 -圖8），逐一細(xì)加分析。

3.2.1 單立肘上杠、雙立肘上杠、慢穿腿上杠

圖2 單立肘上杠

由下頁(yè)圖2可知，人員處于雙臂懸垂?fàn)顟B(tài)時(shí)，重力臂為零。當(dāng)人員開(kāi)始拉杠抬身時(shí)，重力臂不為零，重力產(chǎn)生的彎矩大于摩擦力產(chǎn)生的彎矩，使人員重新回到動(dòng)作1的狀態(tài)，而無(wú)法上杠。

雙立肘上杠、慢穿腿上杠也存在與立肘上杠一樣的受力狀態(tài)，見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 雙立肘上杠

圖4 慢穿腿上杠

3.2.2 懸垂擺動(dòng)穿腿上杠

當(dāng)人員面對(duì)外板時(shí)，從圖5中動(dòng)作4至動(dòng)作6的過(guò)程中，慣性驅(qū)使身體往右上擺的效應(yīng)在重力作用下趨于最低。此時(shí)人員需壓杠、翻腕，以抵抗身體回?cái)[的趨勢(shì)，但由于橫桿已在重力矩作用下回?cái)[，帶動(dòng)人員從右上擺頂點(diǎn)處回落，使人員無(wú)法在右上擺的頂點(diǎn)處進(jìn)行壓杠、翻腕。同時(shí)，旋轉(zhuǎn)的橫桿使翻腕缺乏穩(wěn)定的基礎(chǔ)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)翻腕效果，從而無(wú)法完成動(dòng)作6至動(dòng)作7的過(guò)渡，最終形成雙臂握杠懸垂的狀態(tài)。

當(dāng)人員背對(duì)外板時(shí)，除前述效應(yīng)外，由于坐姿頸椎點(diǎn)高度為596～718 mm［11］，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于旋轉(zhuǎn)橫桿最大間距，因此旋轉(zhuǎn)橫桿也將阻止人員完成動(dòng)作6至動(dòng)作7的過(guò)渡。

圖5 懸垂擺動(dòng)穿腿上杠

3.2.3 其他上杠動(dòng)作

當(dāng)人員面對(duì)外板時(shí)，從圖6可知，懸垂擺動(dòng)雙膝掛上杠的動(dòng)作5至動(dòng)作7與圖5中的動(dòng)作4至動(dòng)作6類(lèi)似；從圖7可知，懸垂擺動(dòng)騎撐上杠的動(dòng)作4至動(dòng)作6與圖5中的動(dòng)作4至動(dòng)作6類(lèi)似；從圖8可知，懸垂擺動(dòng)屈伸上杠的動(dòng)作4至動(dòng)作6與圖5中的動(dòng)作4至動(dòng)作6類(lèi)似。故在此三類(lèi)動(dòng)作中，人員最終處于雙臂握杠懸垂的狀態(tài)。

圖6 懸垂擺動(dòng)雙膝掛上杠

圖8 懸垂擺動(dòng)屈伸上杠

當(dāng)人員背對(duì)外板時(shí)，由于旋轉(zhuǎn)橫桿的旋轉(zhuǎn)特性與阻礙作用，故此三類(lèi)動(dòng)作也無(wú)法使人員翻越旋轉(zhuǎn)橫桿上船。

3.3 報(bào)警信號(hào)發(fā)生機(jī)構(gòu)

報(bào)警裝置由旋轉(zhuǎn)橫桿、缺口法蘭、紅外信號(hào)發(fā)生器、觸碰信號(hào)發(fā)生器、觸碰頭、燈光報(bào)警器等構(gòu)成，上述信號(hào)發(fā)生器均采用低壓直流電源。缺口法蘭與旋轉(zhuǎn)橫桿同軸。由于法蘭缺口的存在，在旋轉(zhuǎn)橫桿靜止時(shí)，法蘭缺口始終向上。紅外信號(hào)發(fā)生器的發(fā)射端安裝在支撐桿上。紅外信號(hào)發(fā)生器的接收端安裝于缺口法蘭正底部，與紅外信號(hào)發(fā)射端相向設(shè)置。觸碰頭則安裝于紅外信號(hào)接收端處，與觸碰報(bào)警信號(hào)發(fā)生器開(kāi)關(guān)錯(cuò)位相對(duì)。旋轉(zhuǎn)橫桿帶動(dòng)缺口法蘭旋轉(zhuǎn)，此時(shí)紅外信號(hào)接收端接收不到來(lái)自紅外發(fā)射端的信號(hào)，產(chǎn)生紅外切斷信號(hào)。若橫桿進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)，觸碰頭便啟動(dòng)觸碰報(bào)警信號(hào)發(fā)生器開(kāi)關(guān)，產(chǎn)生觸碰信號(hào)。一旦兩組信號(hào)產(chǎn)生，則發(fā)出無(wú)線信號(hào)，觸發(fā)燈光報(bào)警器報(bào)警。由此可見(jiàn)，采用雙信號(hào)輸入報(bào)警，可有效避免因單信號(hào)輸入而引發(fā)的誤報(bào)。

攀援掛梯上部的掛鉤一般為半圓形。若旋轉(zhuǎn)橫桿橫截面為圓形，則無(wú)論橫桿如何旋轉(zhuǎn)，掛于其上的掛梯仍處于懸垂?fàn)顟B(tài)。有鑒于此，L2區(qū)域的3根橫桿宜采用扁鋼。此時(shí)，在掛梯及人員的作用力下，掛鉤擠壓扁鋼上端，使扁鋼順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；同時(shí)，扁鋼下沿將抬升掛鉤的自由端，使掛鉤沿扁鋼寬度不斷外移，最終民致掛梯滑落。

4 結(jié) 語(yǔ)

由上述分析可知，本文所述新型欄桿式防海盜攀援裝置具有以下特點(diǎn)：

（1）本裝置由海盜攀援動(dòng)作觸發(fā)，在報(bào)警的同時(shí)阻止海盜翻越上船，從而實(shí)現(xiàn)報(bào)警和阻止功能一體化。

（2）本裝置采用低壓電源，不會(huì)對(duì)船員產(chǎn)生誤傷，同時(shí)也避免了因高壓電擊傷而刺激海盜采取進(jìn)一步過(guò)激行為。

（3）收納時(shí)，刀片由立柱凹槽遮蔽，不會(huì)對(duì)船員產(chǎn)生誤傷。

（4）本裝置由海盜動(dòng)作激發(fā)，無(wú)需預(yù)判海盜進(jìn)攻方向，在夜間也能發(fā)揮作用。

（5）本裝置在船廠安裝后即可使用，無(wú)需頻繁拆裝、入庫(kù)，降低船員工作強(qiáng)度，且可與常規(guī)欄桿融為一體，節(jié)省船舶空間。

（6）本系統(tǒng)為單元式設(shè)計(jì)，更新方便，已獲得發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)。