施杰华 杨崇高 张亮
摘 要：通过分析缆绳的形变情况、弹射类型、弹射区域，以及影响弹射的因素，旨在防范缆绳弹射造成人员伤亡事故，提高作业人员安全意识。
关键词：缆绳弹射;反弹区;缆绳作业;船舶安全;拖带作业
0 引 言
船舶在靠离泊、拖带等工作中，系、解缆绳是一项高风险的甲板工作，缆绳弹射造成人员伤亡事故时有发生。本文分析缆绳弹射情况以及影响缆绳弹射的各种因素，为船舶系、解缆作业安全寻找防范措施，提供参考意见。
1 缆绳的形变
缆绳的内部形变。缆绳是由多股单独绳股编制而成的，每股绳股由多根单根绳线组成，每根绳线又由纤维丝或金属丝制成。每个单独股的中心轴线围绕缆绳中心轴成螺旋形，每个单独股之间都有一定的间隙。当缆绳受力拉伸时，不仅缆绳中的每个单独股将被拉长变形，而且由于单独股之间的间隙，缆绳内部螺旋结构在一定范围内可以像弹簧一样拉升。因此，我們根据弹性形变原因的不同，定义为缆绳的材料弹性拉伸形变和结构弹性拉伸形变。
缆绳的外部形变。缆绳可顺着缆绳方向传递张力，但不抗压。缆绳的状态可从弯曲松弛成为拉直，或由拉直成为弯曲松弛，或由一种弯曲松弛变为另一种弯曲松弛状态。这种因缆绳各段之间的相对位移而导致缆绳以多种弯曲形状呈现，不同弯曲形状之间的转换过程可以认为是缆绳的塑形过程。即使缆绳是刚性绳，即没有弹性形变，这种塑形过程也是存在的，为了方便在工作中使用，定义为缆绳的塑形形变。
2 缆绳的弹射
当缆绳在不受外力且不存在拉伸形变，静止放置时，缆绳是不会自己动起来的，更不会发生弹射伤人。缆绳只有在受到外力或内部储存的势能得到释放，缆绳获得了动能，才会弹射伤人。
缆绳的弹性弹射。在缆绳受到较大拉伸力，缆绳发生拉伸形变，缆绳内部储存了一定的弹性势能，且当缆绳破断等情况发生时，使得缆绳储存的弹性势能释放，并转化为缆绳的动能，缆绳将顺着拉伸力反方向运动。这种缆绳弹射所需的能量来自缆绳储存的弹性势能，为了方便在工作中使用，我们可以把这种缆绳运动定义为缆绳的弹性弹射。
缆绳的塑形弹射。还有一种情况，松弛的缆绳受到外力，外力将造成缆绳由松弛到拉直的塑形形变，缆绳各段将发生位移，当缆绳破断时将抽扫过特定区域，最终回到松弛的状态。或者在缆绳通过导向滚轮，缆绳变向，且受持续的外力作用时，导向滚轮失效或缆绳跳出导向滚轮，缆绳各段将发生位移，将抽扫过特定区域，最终被拉伸至新的拉直状态。这些因缆绳塑形而造成的缆绳弹射，我们可以把它定义为缆绳的塑形弹射。
3缆绳的弹射区域分析
3.1 弹射区域分析
为了方便分析缆绳的弹射，我们可以把缆绳弹射的实际空间问题简化为平面问题。在同一平面上缆绳一端固定，另一端拉伸使其内部储存一定弹性势能，而缆绳另一端被释放时，弹性势能将转化为缆绳的动能，缆绳运动的方向将顺着缆绳拉伸方向的反方向运动，即向固定点方向运动。
我们将缆绳分为无数等分，如图1所示。离断缆点最近为F1段，依次向固定点方向为F2，F3，F4……离固定点最近为FN段。当缆绳弹性势能转化为缆绳的动能，即缆绳无拉伸形变时，缆绳获得最大动能，此时固定点最近的FN段是与固定点连接的，可认为FN段动能趋近于0，即速度趋近于0，即VFN→0。由于缆绳发生拉伸形变时，受力方向始终在缆绳延伸方向上，传递张力更为直接，且缆绳各段是连续的，可知在缆绳弹性势能全部释放时，F1段的速度VF1一定大于等于F2段的速度VF2。依次类推，VF1≥VF2≥VF3≥VF4……≥VFN→0。当存储的弹性势能转化为动能时，受力方向将是从断缆点指向固定点，造成缆绳受压。但是压力传递需要受力角度稳定，在势能和动能转化过程中，没有外力的限制作用，很难做到受力角度稳定。当受力角度不在缆绳延伸线上时，缆绳会发生弯曲，缆绳的塑形形变将会使缆绳的各段在y轴方向上发生位移。随着各段离断缆点距离的增加，y轴方向上的位移也将增加。x轴和y轴上的共同运动，使得缆绳弹射区域呈扇形。由于弹射过程存在偶然性，该弹射区域仅是存在弹射到的可能性，并不是每次弹射都全部覆盖该区域。该扇形区域不仅和缆绳长度有关，而且和缆绳的曲率、重量等均有关。
3.2 缆绳绕过单个导向滚轮的弹射区域
当缆绳一端固定，绕过导向滚轮，缆绳变向后延伸，并且缆绳受力内部储存有一定弹性势能，延伸端断裂时，缆绳将先向导向滚轮方向弹射，因导向滚轮对缆绳的导向性，限制缆绳向导向滚轮内侧运动，当缆绳通过导向滚轮外侧后弹射区域将增大，弹射区域呈多边形，如图2所示。
3.3 缆绳绕过多个导向滚轮的弹射区域
缆绳固定点和导向滚轮的位置是固定的，而断缆点可能是缆绳的任意一点，因缆绳断缆点的不同，缆绳弹射区域也不同。当受力的缆绳经过多个导向滚轮，发生断缆弹射时，弹射区域将较为复杂。断缆点的不同，缆绳弹射区域也不同。所谓安全三角区仅是相对安全，也有被缆绳弹到的危险，如图3所示。
3.4 导向滚轮失效的弹射区域及其他情况
当缆绳一端固定，绕过导向滚轮，缆绳变向后延伸，并且缆绳受持续的外力，内部储存有一定弹性势能，当导向滚轮失效或缆绳跳出导向滚轮时，缆绳各段在外力作用下发生位移，将向缆绳拉直方向弹射，弹射区域呈多边形。或缆绳在甲板上盘置成的绳圈，当缆绳受力，缆绳各段发生位移，缆绳将被拉直，绳圈将缩小，绳圈内部区域为弹射区域。或原松弛状态的缆绳，快速受力拉伸时，缆绳将向缆绳拉直方向塑形弹射，弹射区域呈多边形，如图4所示。
4 影响缆绳弹射的其他因素
实际上， 缆绳弹射区不仅和缆绳固定点、导向滚轮、 断缆点、缆绳长度、缆绳曲率有关，而且和缆绳自身重量、缆绳的受力情况、缆绳与甲板摩擦力、缆绳自身内部摩擦以及缆绳拉伸形变储存的弹性势能大小等都有关。
根據动能公式D=MV2/2，当相同的弹性势能转化动能时，自身重量大的缆绳获取的速度要比自身重量小的缆绳速度小。且与甲板摩擦系数是一定时，自身重量大的缆绳受到摩擦力更大，因此自身重量大的缆绳将比轻的缆绳弹射的距离小。虽然弹射距离受影响，但断缆点附近的弹射威力还是巨大的，需要特别警惕这种缆绳初期在断缆点附近对工作人员的伤害。
不同材质缆绳拉伸形变的储存能量的能力是不一样的，有些尼龙绳的材料拉伸形变大，容易储存较大的弹性势能，且尼龙绳密度相对小，单位体积内重量轻。如渔网上的回收绳，可以储存较大的弹性势能，自身重量又很小，发生断缆时，缆绳将获得较大速度，很容易弹射到较远的地方。
缆绳自身内部摩擦将消耗一定能量。缆绳内部有多个单独股单元，每个单独股有多纤维单元，这些单元之间相对运动引起摩擦。虽然这些单元之间的相对运动距离非常小，但发生相对位移的单元数量众多，积累产生的摩擦力会很大，缆绳内部摩擦将消耗缆绳的动能，减小缆绳弹射距离，减小缆绳弹射威力。
5 防范缆绳弹射伤害的安全措施
5.1 预见断缆点，选择合理站位
由前文3.3可知，断缆点的不同，缆绳弹射区域也不同，所谓安全三角区仅是相对安全，也存在被缆绳弹到的危险。所以在实际工作预测断缆点是非常重要的。
在日常保养工作中，应勤检查缆绳磨损断丝部位，这些磨损断丝处强度减小，缆绳受力时这些部位更容易断缆，可在这些部位作标志，为预测断缆合理站位提供帮助。
缆绳通过导向滚轮、导缆孔等地方，缆绳延伸方向发生变化，缆绳横截面上的内外径受力形变不同，且缆绳内径与导向滚轮、导缆孔摩擦发热，造成缆绳材料疲劳，所以在缆绳这些位置更容易断裂。
在系解缆作业中，应尽量减少导向滚轮的使用，因为导向滚轮会让缆绳在甲板上分布复杂，与缆绳接触处摩擦容易造成断缆，也有缆绳跳出导向滚轮的风险，发生断缆后，缆绳弹射区域复杂。简单的缆绳布置，缆绳断缆后弹射区域相对较小且简单，便于工作人员对缆绳弹射的情况进行预判。
5.2 规范缆绳作业安全程序
系解缆作业中，应避免缆绳过度受力。操作绞缆设备时禁止野蛮作业，要控制缆绳盘在滚筒上的圈数， 绞缆时要松弛有度，选择合适的速度且匀速地绞缆，让缆绳受力均匀。
合理安排缆绳的布置，根据船舶载态及潮汐、天气等情况，适时增加缆绳数量、调整缆绳长度角度等，以免部分缆绳过度受力造成断缆。
缆绳在套缆桩时，可能脱出缆桩，造成缆绳弹射事故。工作中应尽量将缆绳套在缆桩根部，充分利用缆桩上的挡檐、缆桩帽、横档等防止缆绳滑脱。
5.3 采取防范措施
当缆绳的拉伸形变大，而自身重量轻时，可通过增加缆绳的重量或增加缆绳摩擦等措施来减小弹射距离和破坏力。具体方法：可在缆绳上系绑填装沙土的缆旗或工作救生衣等，增加缆绳在甲板上及空气中的接触面积，产生较大阻力，可以减弱缆绳的弹射。另外，也可在缆绳多个地方系防止缆绳弹射的安全绳，用这些安全绳约束缆绳在弹射区域的运动，减弱缆绳的弹射伤害。
勤检查缆绳状况，出现断丝、发霉等缆绳强度减小的情况，应及时更换、调头、切除受损部位重新镶插琵琶头等方法，避免受损缆绳继续使用。应注重缆绳的保护，使用缆绳时，对缆绳与甲板设备、码头设施接触的部位进行包扎，避免过度摩擦损伤缆绳。
5.4 注意垂直方向上的弹射伤害
缆绳在实际弹射中，并不是单纯地在平面弹射的，实际弹射时在三维空间内发生，应特别重视缆绳弹射时垂直方向上的伤害。
6 结 语
缆绳弹射的相关知识熟悉掌握以及在实际工作的灵活运用，将帮助作业人员预防事故的发生。特别是对于经验较少的新船员，缆绳弹射的相关知识将帮助他们了解船舶缆绳作业中的风险，指导船员在缆绳作业中合理站位。本文中所有的缆绳弹射力、弹射方向及区域，是由工作实践中观察发现并加以总结和理论推导所得。由于缆绳的种类繁多，粗细新旧、使用场合各不相同，文中难免有分析疏漏、以点盖面的情况，恳请专家同行批评指正。
参考文献
[1] 谭春林，魏承.绳索动力学基础研究[M].北京：科学出版社，2018.
[2] 陈永洪.船艺[M].大连：大连海事大学出版社，2003.
[3] 王泉.水手工艺[M].大连：大连海事大学出版社，2001.
作者简介：
施杰华，船长，（E-mail）18422197@qq.com，13816057780
杨崇高，大副，18321988191
张 亮，二副，15388553326
