船舶纜繩的彈射及作業(yè)安全分析

施杰華 楊崇高 張亮

摘 ?要：通過分析纜繩的形變情況、彈射類型、彈射區(qū)域，以及影響彈射的因素，旨在防范纜繩彈射造成人員傷亡事故，提高作業(yè)人員安全意識。

關(guān)鍵詞：纜繩彈射;反彈區(qū);纜繩作業(yè);船舶安全;拖帶作業(yè)

0 引 言

船舶在靠離泊、拖帶等工作中，系、解纜繩是一項高風險的甲板工作，纜繩彈射造成人員傷亡事故時有發(fā)生。本文分析纜繩彈射情況以及影響纜繩彈射的各種因素，為船舶系、解纜作業(yè)安全尋找防范措施，提供參考意見。

1 纜繩的形變

纜繩的內(nèi)部形變。纜繩是由多股單獨繩股編制而成的，每股繩股由多根單根繩線組成，每根繩線又由纖維絲或金屬絲制成。每個單獨股的中心軸線圍繞纜繩中心軸成螺旋形，每個單獨股之間都有一定的間隙。當纜繩受力拉伸時，不僅纜繩中的每個單獨股將被拉長變形，而且由于單獨股之間的間隙，纜繩內(nèi)部螺旋結(jié)構(gòu)在一定范圍內(nèi)可以像彈簧一樣拉升。因此，我們根據(jù)彈性形變原因的不同，定義為纜繩的材料彈性拉伸形變和結(jié)構(gòu)彈性拉伸形變。

纜繩的外部形變。纜繩可順著纜繩方向傳遞張力，但不抗壓。纜繩的狀態(tài)可從彎曲松弛成為拉直，或由拉直成為彎曲松弛，或由一種彎曲松弛變?yōu)榱硪环N彎曲松弛狀態(tài)。這種因纜繩各段之間的相對位移而導(dǎo)致纜繩以多種彎曲形狀呈現(xiàn)，不同彎曲形狀之間的轉(zhuǎn)換過程可以認為是纜繩的塑形過程。即使纜繩是剛性繩，即沒有彈性形變，這種塑形過程也是存在的，為了方便在工作中使用，定義為纜繩的塑形形變。

2 纜繩的彈射

當纜繩在不受外力且不存在拉伸形變，靜止放置時，纜繩是不會自己動起來的，更不會發(fā)生彈射傷人。纜繩只有在受到外力或內(nèi)部儲存的勢能得到釋放，纜繩獲得了動能，才會彈射傷人。

纜繩的彈性彈射。在纜繩受到較大拉伸力，纜繩發(fā)生拉伸形變，纜繩內(nèi)部儲存了一定的彈性勢能，且當纜繩破斷等情況發(fā)生時，使得纜繩儲存的彈性勢能釋放，并轉(zhuǎn)化為纜繩的動能，纜繩將順著拉伸力反方向運動。這種纜繩彈射所需的能量來自纜繩儲存的彈性勢能，為了方便在工作中使用，我們可以把這種纜繩運動定義為纜繩的彈性彈射。

纜繩的塑形彈射。還有一種情況，松弛的纜繩受到外力，外力將造成纜繩由松弛到拉直的塑形形變，纜繩各段將發(fā)生位移，當纜繩破斷時將抽掃過特定區(qū)域，最終回到松弛的狀態(tài)。或者在纜繩通過導(dǎo)向滾輪，纜繩變向，且受持續(xù)的外力作用時，導(dǎo)向滾輪失效或纜繩跳出導(dǎo)向滾輪，纜繩各段將發(fā)生位移，將抽掃過特定區(qū)域，最終被拉伸至新的拉直狀態(tài)。這些因纜繩塑形而造成的纜繩彈射，我們可以把它定義為纜繩的塑形彈射。

3纜繩的彈射區(qū)域分析

3.1 彈射區(qū)域分析

為了方便分析纜繩的彈射，我們可以把纜繩彈射的實際空間問題簡化為平面問題。在同一平面上纜繩一端固定，另一端拉伸使其內(nèi)部儲存一定彈性勢能，而纜繩另一端被釋放時，彈性勢能將轉(zhuǎn)化為纜繩的動能，纜繩運動的方向?qū)㈨樦|繩拉伸方向的反方向運動，即向固定點方向運動。

我們將纜繩分為無數(shù)等分，如圖1所示。離斷纜點最近為F1段，依次向固定點方向為F2，F(xiàn)3，F(xiàn)4……離固定點最近為FN段。當纜繩彈性勢能轉(zhuǎn)化為纜繩的動能，即纜繩無拉伸形變時，纜繩獲得最大動能，此時固定點最近的FN段是與固定點連接的，可認為FN段動能趨近于0，即速度趨近于0，即VFN→0。由于纜繩發(fā)生拉伸形變時，受力方向始終在纜繩延伸方向上，傳遞張力更為直接，且纜繩各段是連續(xù)的，可知在纜繩彈性勢能全部釋放時，F(xiàn)1段的速度VF1一定大于等于F2段的速度VF2。依次類推，VF1≥VF2≥VF3≥VF4……≥VFN→0。當存儲的彈性勢能轉(zhuǎn)化為動能時，受力方向?qū)⑹菑臄嗬|點指向固定點，造成纜繩受壓。但是壓力傳遞需要受力角度穩(wěn)定，在勢能和動能轉(zhuǎn)化過程中，沒有外力的限制作用，很難做到受力角度穩(wěn)定。當受力角度不在纜繩延伸線上時，纜繩會發(fā)生彎曲，纜繩的塑形形變將會使纜繩的各段在y軸方向上發(fā)生位移。隨著各段離斷纜點距離的增加，y軸方向上的位移也將增加。x軸和y軸上的共同運動，使得纜繩彈射區(qū)域呈扇形。由于彈射過程存在偶然性，該彈射區(qū)域僅是存在彈射到的可能性，并不是每次彈射都全部覆蓋該區(qū)域。該扇形區(qū)域不僅和纜繩長度有關(guān)，而且和纜繩的曲率、重量等均有關(guān)。

3.2 纜繩繞過單個導(dǎo)向滾輪的彈射區(qū)域

當纜繩一端固定，繞過導(dǎo)向滾輪，纜繩變向后延伸，并且纜繩受力內(nèi)部儲存有一定彈性勢能，延伸端斷裂時，纜繩將先向?qū)驖L輪方向彈射，因?qū)驖L輪對纜繩的導(dǎo)向性，限制纜繩向?qū)驖L輪內(nèi)側(cè)運動，當纜繩通過導(dǎo)向滾輪外側(cè)后彈射區(qū)域?qū)⒃龃?，彈射區(qū)域呈多邊形，如圖2所示。

3.3 纜繩繞過多個導(dǎo)向滾輪的彈射區(qū)域

纜繩固定點和導(dǎo)向滾輪的位置是固定的，而斷纜點可能是纜繩的任意一點，因纜繩斷纜點的不同，纜繩彈射區(qū)域也不同。當受力的纜繩經(jīng)過多個導(dǎo)向滾輪，發(fā)生斷纜彈射時，彈射區(qū)域?qū)⑤^為復(fù)雜。斷纜點的不同，纜繩彈射區(qū)域也不同。所謂安全三角區(qū)僅是相對安全，也有被纜繩彈到的危險，如圖3所示。

3.4 導(dǎo)向滾輪失效的彈射區(qū)域及其他情況

當纜繩一端固定，繞過導(dǎo)向滾輪，纜繩變向后延伸，并且纜繩受持續(xù)的外力，內(nèi)部儲存有一定彈性勢能，當導(dǎo)向滾輪失效或纜繩跳出導(dǎo)向滾輪時，纜繩各段在外力作用下發(fā)生位移，將向纜繩拉直方向彈射，彈射區(qū)域呈多邊形。或纜繩在甲板上盤置成的繩圈，當纜繩受力，纜繩各段發(fā)生位移，纜繩將被拉直，繩圈將縮小，繩圈內(nèi)部區(qū)域為彈射區(qū)域?；蛟沙跔顟B(tài)的纜繩，快速受力拉伸時，纜繩將向纜繩拉直方向塑形彈射，彈射區(qū)域呈多邊形，如圖4所示。

4 影響纜繩彈射的其他因素

實際上， 纜繩彈射區(qū)不僅和纜繩固定點、導(dǎo)向滾輪、 斷纜點、纜繩長度、纜繩曲率有關(guān)，而且和纜繩自身重量、纜繩的受力情況、纜繩與甲板摩擦力、纜繩自身內(nèi)部摩擦以及纜繩拉伸形變儲存的彈性勢能大小等都有關(guān)。

根據(jù)動能公式D=MV2/2，當相同的彈性勢能轉(zhuǎn)化動能時，自身重量大的纜繩獲取的速度要比自身重量小的纜繩速度小。且與甲板摩擦系數(shù)是一定時，自身重量大的纜繩受到摩擦力更大，因此自身重量大的纜繩將比輕的纜繩彈射的距離小。雖然彈射距離受影響，但斷纜點附近的彈射威力還是巨大的，需要特別警惕這種纜繩初期在斷纜點附近對工作人員的傷害。

不同材質(zhì)纜繩拉伸形變的儲存能量的能力是不一樣的，有些尼龍繩的材料拉伸形變大，容易儲存較大的彈性勢能，且尼龍繩密度相對小，單位體積內(nèi)重量輕。如漁網(wǎng)上的回收繩，可以儲存較大的彈性勢能，自身重量又很小，發(fā)生斷纜時，纜繩將獲得較大速度，很容易彈射到較遠的地方。

纜繩自身內(nèi)部摩擦將消耗一定能量。纜繩內(nèi)部有多個單獨股單元，每個單獨股有多纖維單元，這些單元之間相對運動引起摩擦。雖然這些單元之間的相對運動距離非常小，但發(fā)生相對位移的單元數(shù)量眾多，積累產(chǎn)生的摩擦力會很大，纜繩內(nèi)部摩擦將消耗纜繩的動能，減小纜繩彈射距離，減小纜繩彈射威力。

5 防范纜繩彈射傷害的安全措施

5.1 預(yù)見斷纜點，選擇合理站位

由前文3.3可知，斷纜點的不同，纜繩彈射區(qū)域也不同，所謂安全三角區(qū)僅是相對安全，也存在被纜繩彈到的危險。所以在實際工作預(yù)測斷纜點是非常重要的。

在日常保養(yǎng)工作中，應(yīng)勤檢查纜繩磨損斷絲部位，這些磨損斷絲處強度減小，纜繩受力時這些部位更容易斷纜，可在這些部位作標志，為預(yù)測斷纜合理站位提供幫助。

纜繩通過導(dǎo)向滾輪、導(dǎo)纜孔等地方，纜繩延伸方向發(fā)生變化，纜繩橫截面上的內(nèi)外徑受力形變不同，且纜繩內(nèi)徑與導(dǎo)向滾輪、導(dǎo)纜孔摩擦發(fā)熱，造成纜繩材料疲勞，所以在纜繩這些位置更容易斷裂。

在系解纜作業(yè)中，應(yīng)盡量減少導(dǎo)向滾輪的使用，因為導(dǎo)向滾輪會讓纜繩在甲板上分布復(fù)雜，與纜繩接觸處摩擦容易造成斷纜，也有纜繩跳出導(dǎo)向滾輪的風險，發(fā)生斷纜后，纜繩彈射區(qū)域復(fù)雜。簡單的纜繩布置，纜繩斷纜后彈射區(qū)域相對較小且簡單，便于工作人員對纜繩彈射的情況進行預(yù)判。

5.2 規(guī)范纜繩作業(yè)安全程序

系解纜作業(yè)中，應(yīng)避免纜繩過度受力。操作絞纜設(shè)備時禁止野蠻作業(yè)，要控制纜繩盤在滾筒上的圈數(shù)， 絞纜時要松弛有度，選擇合適的速度且勻速地絞纜，讓纜繩受力均勻。

合理安排纜繩的布置，根據(jù)船舶載態(tài)及潮汐、天氣等情況，適時增加纜繩數(shù)量、調(diào)整纜繩長度角度等，以免部分纜繩過度受力造成斷纜。

纜繩在套纜樁時，可能脫出纜樁，造成纜繩彈射事故。工作中應(yīng)盡量將纜繩套在纜樁根部，充分利用纜樁上的擋檐、纜樁帽、橫檔等防止纜繩滑脫。

5.3 采取防范措施

當纜繩的拉伸形變大，而自身重量輕時，可通過增加纜繩的重量或增加纜繩摩擦等措施來減小彈射距離和破壞力。具體方法：可在纜繩上系綁填裝沙土的纜旗或工作救生衣等，增加纜繩在甲板上及空氣中的接觸面積，產(chǎn)生較大阻力，可以減弱纜繩的彈射。另外，也可在纜繩多個地方系防止纜繩彈射的安全繩，用這些安全繩約束纜繩在彈射區(qū)域的運動，減弱纜繩的彈射傷害。

勤檢查纜繩狀況，出現(xiàn)斷絲、發(fā)霉等纜繩強度減小的情況，應(yīng)及時更換、調(diào)頭、切除受損部位重新鑲插琵琶頭等方法，避免受損纜繩繼續(xù)使用。應(yīng)注重纜繩的保護，使用纜繩時，對纜繩與甲板設(shè)備、碼頭設(shè)施接觸的部位進行包扎，避免過度摩擦損傷纜繩。

5.4 注意垂直方向上的彈射傷害

纜繩在實際彈射中，并不是單純地在平面彈射的，實際彈射時在三維空間內(nèi)發(fā)生，應(yīng)特別重視纜繩彈射時垂直方向上的傷害。

6 結(jié) 語

纜繩彈射的相關(guān)知識熟悉掌握以及在實際工作的靈活運用，將幫助作業(yè)人員預(yù)防事故的發(fā)生。特別是對于經(jīng)驗較少的新船員，纜繩彈射的相關(guān)知識將幫助他們了解船舶纜繩作業(yè)中的風險，指導(dǎo)船員在纜繩作業(yè)中合理站位。本文中所有的纜繩彈射力、彈射方向及區(qū)域，是由工作實踐中觀察發(fā)現(xiàn)并加以總結(jié)和理論推導(dǎo)所得。由于纜繩的種類繁多，粗細新舊、使用場合各不相同，文中難免有分析疏漏、以點蓋面的情況，懇請專家同行批評指正。

參考文獻

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[2] 陳永洪.船藝[M].大連：大連海事大學出版社，2003.

[3] 王泉.水手工藝[M].大連：大連海事大學出版社，2001.

作者簡介：

施杰華，船長，（E-mail）18422197@qq.com，13816057780

楊崇高，大副，18321988191

張 ?亮，二副，15388553326