一種新型欄桿式防海盜攀援裝置

劉和煒

（中國水產(chǎn)科學研究院 漁業(yè)機械儀器研究所 上海200092）

引 言

當航行的漁船遭遇海盜追擊時，除少數(shù)金槍魚圍網(wǎng)漁船因航速能達到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”船舶安保報警系統(tǒng)等［3］，水炮、鈦雷、遠程聲波定向發(fā)射器等主動防御系統(tǒng)［3-5］，以及舷外鐵絲網(wǎng)、安全艙［5-7］等被動防御系統(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［9］；“虎之門”只能用于報警［3］；水炮、鈦雷、遠程聲波定向發(fā)射器等不僅夜間效果較差，需在發(fā)現(xiàn)海盜并予以瞄準后方能使用，且水炮也難以應(yīng)對群狼戰(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 海盜攀援上船的運動分析

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)通過防腳蹬、防手撐等措施，阻止海盜通過攀援登船。

欄桿式防海盜報警系統(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。立柱及支撐桿的長度可以超過常規(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)軸器具有滾動軸承的功能。旋轉(zhuǎn)橫桿通過法蘭與聯(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，使海盜無法握住中部及上部固定橫桿。中國成年人胸厚為177～254 mm［11］，考慮到存在未成年人員充當海盜的可能性，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)橫桿間距可適當加寬?？紤]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?，故難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)，故手與橫桿之間無相對位移［12-14］。由于聯(lián)軸器對橫桿的摩擦力遠遠小于人員體重［12］，故摩擦產(chǎn)生的彎矩無法抵消人員重力產(chǎn)生的彎矩，橫桿會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。

3.2 旋轉(zhuǎn)橫桿組對攀援方式的影響

若旋轉(zhuǎn)橫桿固定，則翻越橫桿的動作即為單杠運動中的上杠動作，故可通過分析單杠運動中的上杠動作了解旋轉(zhuǎn)橫桿組對攀援的影響。單杠運動有以下幾種上杠方式：懸垂擺動穿腿上杠、懸垂擺動雙膝掛上杠、懸垂擺動騎撐上杠、懸垂擺動屈伸上杠、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（參見下頁圖2 -圖8），逐一細加分析。

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

由下頁圖2可知，人員處于雙臂懸垂狀態(tài)時，重力臂為零。當人員開始拉杠抬身時，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，使人員重新回到動作1的狀態(tài)，而無法上杠。

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 懸垂擺動穿腿上杠

當人員面對外板時，從圖5中動作4至動作6的過程中，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。此時人員需壓杠、翻腕，以抵抗身體回擺的趨勢，但由于橫桿已在重力矩作用下回擺，帶動人員從右上擺頂點處回落，使人員無法在右上擺的頂點處進行壓杠、翻腕。同時，旋轉(zhuǎn)的橫桿使翻腕缺乏穩(wěn)定的基礎(chǔ)，無法實現(xiàn)翻腕效果，從而無法完成動作6至動作7的過渡，最終形成雙臂握杠懸垂的狀態(tài)。

當人員背對外板時，除前述效應(yīng)外，由于坐姿頸椎點高度為596～718 mm［11］，遠遠大于旋轉(zhuǎn)橫桿最大間距，因此旋轉(zhuǎn)橫桿也將阻止人員完成動作6至動作7的過渡。

圖5 懸垂擺動穿腿上杠

3.2.3 其他上杠動作

當人員面對外板時，從圖6可知，懸垂擺動雙膝掛上杠的動作5至動作7與圖5中的動作4至動作6類似；從圖7可知，懸垂擺動騎撐上杠的動作4至動作6與圖5中的動作4至動作6類似；從圖8可知，懸垂擺動屈伸上杠的動作4至動作6與圖5中的動作4至動作6類似。故在此三類動作中，人員最終處于雙臂握杠懸垂的狀態(tài)。

圖6 懸垂擺動雙膝掛上杠

圖8 懸垂擺動屈伸上杠

當人員背對外板時，由于旋轉(zhuǎn)橫桿的旋轉(zhuǎn)特性與阻礙作用，故此三類動作也無法使人員翻越旋轉(zhuǎn)橫桿上船。

3.3 報警信號發(fā)生機構(gòu)

報警裝置由旋轉(zhuǎn)橫桿、缺口法蘭、紅外信號發(fā)生器、觸碰信號發(fā)生器、觸碰頭、燈光報警器等構(gòu)成，上述信號發(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，法蘭缺口始終向上。紅外信號發(fā)生器的發(fā)射端安裝在支撐桿上。紅外信號發(fā)生器的接收端安裝于缺口法蘭正底部，與紅外信號發(fā)射端相向設(shè)置。觸碰頭則安裝于紅外信號接收端處，與觸碰報警信號發(fā)生器開關(guān)錯位相對。旋轉(zhuǎn)橫桿帶動缺口法蘭旋轉(zhuǎn)，此時紅外信號接收端接收不到來自紅外發(fā)射端的信號，產(chǎn)生紅外切斷信號。若橫桿進一步旋轉(zhuǎn)，觸碰頭便啟動觸碰報警信號發(fā)生器開關(guān)，產(chǎn)生觸碰信號。一旦兩組信號產(chǎn)生，則發(fā)出無線信號，觸發(fā)燈光報警器報警。由此可見，采用雙信號輸入報警，可有效避免因單信號輸入而引發(fā)的誤報。

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，則無論橫桿如何旋轉(zhuǎn)，掛于其上的掛梯仍處于懸垂狀態(tài)。有鑒于此，L2區(qū)域的3根橫桿宜采用扁鋼。此時，在掛梯及人員的作用力下，掛鉤擠壓扁鋼上端，使扁鋼順時針旋轉(zhuǎn)；同時，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

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：

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

（2）本裝置采用低壓電源，不會對船員產(chǎn)生誤傷，同時也避免了因高壓電擊傷而刺激海盜采取進一步過激行為。

（3）收納時，刀片由立柱凹槽遮蔽，不會對船員產(chǎn)生誤傷。

（4）本裝置由海盜動作激發(fā)，無需預(yù)判海盜進攻方向，在夜間也能發(fā)揮作用。

（5）本裝置在船廠安裝后即可使用，無需頻繁拆裝、入庫，降低船員工作強度，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，更新方便，已獲得發(fā)明專利授權(quán)。