一种新型栏杆式防海盗攀援装置

刘和炜

（中国水产科学研究院 渔业机械仪器研究所 上海200092）

引 言

当航行的渔船遭遇海盗追击时，除少数金枪鱼围网渔船因航速能达到18 kn而侥幸逃脱外，其他渔船航速仅12～14 kn，故难逃海盗追击［1］。针对每年因海盗而造成的巨大损失［2］，海事界研发出不少防海盗装备，如：船用带电警戒网、“虎之门”船舶安保报警系统等［3］，水炮、钛雷、远程声波定向发射器等主动防御系统［3-5］，以及舷外铁丝网、安全舱［5-7］等被动防御系统。但船用带电警戒网不仅在使用中可能误伤船员［3，8］且需频繁拆装入库［9］；“虎之门”只能用于报警［3］；水炮、钛雷、远程声波定向发射器等不仅夜间效果较差，需在发现海盗并予以瞄准后方能使用，且水炮也难以应对群狼战术［10］；舷外铁丝网收纳困难；安全舱也存在被登船海盗攻破的可能。因此，有必要研发一款能报警、能防海盗上船，并且日夜效果俱佳，误伤船员概率很低，又易于收纳的防海盗装备，用以装备渔船。

1 海盗攀援上船的运动分析

海盗攀援上船一般采用两种方式：第一种是抛带索飞爪于船，然后援索而上至舷侧顶；第二种是挂梯于船，踏梯而上至舷侧顶。在舷侧顶处脚蹬外板，双手支撑，使身体重心高于舷墙顶板或栏杆，从而翻身上船。

2 防海盗攀援装置构成

鉴于前述分析，栏杆式防海盗系统应通过防脚蹬、防手撑等措施，阻止海盗通过攀援登船。

栏杆式防海盗报警系统单元如图1所示，具体构成为：栏杆立柱安装位置与施工工艺同常规船用固定栏杆一致。立柱横截面为凹字形，其凹槽用以容纳向舷内方向转回的支撑杆及其上的刀片，以免刀片误伤船员。立柱及支撑杆的长度可以超过常规船用固定栏杆的高度。栏杆立柱的背面按常规船用栏杆方式设置固定横杆，与立柱形成船用固定栏杆。

图1 栏杆式防海盗攀援装置

支撑杆置于立柱凹槽中，并用转轴与立柱连接，使之能绕轴倒向舷外。每根支撑杆上设有联轴器，该联轴器具有滚动轴承的功能。旋转横杆通过法兰与联轴器相连。

船舶规范中固定栏杆的高度一般为1000 mm，最下面一根固定横杆距离甲板高度为230 mm，则中间固定横杆距离甲板一般为615 mm左右。成年男子手臂及手的总长度为649～821 mm［11］，则由勾股定理知，L1为207～544 mm。因此，可将L1定于600 mm，使海盗无法握住中部及上部固定横杆。中国成年人胸厚为177～254 mm［11］，考虑到存在未成年人员充当海盗的可能性，在L1范围内，旋转横杆之间间隙、第一根旋转横杆与外板之间间隙以150 mm为宜。此间距可抑制海盗身体穿越其中而去抓握中部及上部固定横杆。

在L2范围内，由于海盗已无法触及中间及上部固定栏杆的横杆，因此此区间内的旋转横杆间距可适当加宽。考虑到成年男子肩宽为330～417 mm［11］，故此区间的间距可设为325 mm。在此区间，即使海盗握住底部固定横杆，但由于其与旋转横杆高度差极小（近乎水平），故难以提供向上且足以克服海盗体重的支持。

立柱下端的凹面与支撑杆下端顶面（即安装刀片的一面）对应铰孔，并配有相应的蝶形螺栓。

3 栏杆式防海盗装置工作原理

3.1 旋转横杆上的转矩

连轴器的本质是滚动轴承，其内圈两侧均有法兰，用以同旋转横杆两端的法兰连接。假设一名体重为75 kg的人员攀援横杆。由于联轴器摩擦系数小于手与旋转横杆之间的静摩擦系数，故手与横杆之间无相对位移［12-14］。由于联轴器对横杆的摩擦力远远小于人员体重［12］，故摩擦产生的弯矩无法抵消人员重力产生的弯矩，横杆会产生旋转。

3.2 旋转横杆组对攀援方式的影响

若旋转横杆固定，则翻越横杆的动作即为单杠运动中的上杠动作，故可通过分析单杠运动中的上杠动作了解旋转横杆组对攀援的影响。单杠运动有以下几种上杠方式：悬垂摆动穿腿上杠、悬垂摆动双膝挂上杠、悬垂摆动骑撑上杠、悬垂摆动屈伸上杠、单立肘上杠、双立肘上杠、慢穿腿上杠等［15］，下面将以图示的方式（参见下页图2 -图8），逐一细加分析。

3.2.1 单立肘上杠、双立肘上杠、慢穿腿上杠

图2 单立肘上杠

由下页图2可知，人员处于双臂悬垂状态时，重力臂为零。当人员开始拉杠抬身时，重力臂不为零，重力产生的弯矩大于摩擦力产生的弯矩，使人员重新回到动作1的状态，而无法上杠。

双立肘上杠、慢穿腿上杠也存在与立肘上杠一样的受力状态，见图3、图4。

图3 双立肘上杠

图4 慢穿腿上杠

3.2.2 悬垂摆动穿腿上杠

当人员面对外板时，从图5中动作4至动作6的过程中，惯性驱使身体往右上摆的效应在重力作用下趋于最低。此时人员需压杠、翻腕，以抵抗身体回摆的趋势，但由于横杆已在重力矩作用下回摆，带动人员从右上摆顶点处回落，使人员无法在右上摆的顶点处进行压杠、翻腕。同时，旋转的横杆使翻腕缺乏稳定的基础，无法实现翻腕效果，从而无法完成动作6至动作7的过渡，最终形成双臂握杠悬垂的状态。

当人员背对外板时，除前述效应外，由于坐姿颈椎点高度为596～718 mm［11］，远远大于旋转横杆最大间距，因此旋转横杆也将阻止人员完成动作6至动作7的过渡。

图5 悬垂摆动穿腿上杠

3.2.3 其他上杠动作

当人员面对外板时，从图6可知，悬垂摆动双膝挂上杠的动作5至动作7与图5中的动作4至动作6类似；从图7可知，悬垂摆动骑撑上杠的动作4至动作6与图5中的动作4至动作6类似；从图8可知，悬垂摆动屈伸上杠的动作4至动作6与图5中的动作4至动作6类似。故在此三类动作中，人员最终处于双臂握杠悬垂的状态。

图6 悬垂摆动双膝挂上杠

图8 悬垂摆动屈伸上杠

当人员背对外板时，由于旋转横杆的旋转特性与阻碍作用，故此三类动作也无法使人员翻越旋转横杆上船。

3.3 报警信号发生机构

报警装置由旋转横杆、缺口法兰、红外信号发生器、触碰信号发生器、触碰头、灯光报警器等构成，上述信号发生器均采用低压直流电源。缺口法兰与旋转横杆同轴。由于法兰缺口的存在，在旋转横杆静止时，法兰缺口始终向上。红外信号发生器的发射端安装在支撑杆上。红外信号发生器的接收端安装于缺口法兰正底部，与红外信号发射端相向设置。触碰头则安装于红外信号接收端处，与触碰报警信号发生器开关错位相对。旋转横杆带动缺口法兰旋转，此时红外信号接收端接收不到来自红外发射端的信号，产生红外切断信号。若横杆进一步旋转，触碰头便启动触碰报警信号发生器开关，产生触碰信号。一旦两组信号产生，则发出无线信号，触发灯光报警器报警。由此可见，采用双信号输入报警，可有效避免因单信号输入而引发的误报。

攀援挂梯上部的挂钩一般为半圆形。若旋转横杆横截面为圆形，则无论横杆如何旋转，挂于其上的挂梯仍处于悬垂状态。有鉴于此，L2区域的3根横杆宜采用扁钢。此时，在挂梯及人员的作用力下，挂钩挤压扁钢上端，使扁钢顺时针旋转；同时，扁钢下沿将抬升挂钩的自由端，使挂钩沿扁钢宽度不断外移，最终民致挂梯滑落。

4 结 语

由上述分析可知，本文所述新型栏杆式防海盗攀援装置具有以下特点：

（1）本装置由海盗攀援动作触发，在报警的同时阻止海盗翻越上船，从而实现报警和阻止功能一体化。

（2）本装置采用低压电源，不会对船员产生误伤，同时也避免了因高压电击伤而刺激海盗采取进一步过激行为。

（3）收纳时，刀片由立柱凹槽遮蔽，不会对船员产生误伤。

（4）本装置由海盗动作激发，无需预判海盗进攻方向，在夜间也能发挥作用。

（5）本装置在船厂安装后即可使用，无需频繁拆装、入库，降低船员工作强度，且可与常规栏杆融为一体，节省船舶空间。

（6）本系统为单元式设计，更新方便，已获得发明专利授权。