黃添彪范細秋謝永和馬志軍彭雪芹

（1浙江海洋大學(xué)東海科學(xué)技術(shù)學(xué)院，浙江舟山316000；2舟山市海晨船務(wù)工程有限公司，浙江舟山，316000）

一種雙拖網(wǎng)漁船起網(wǎng)機安全防護裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

黃添彪1，范細秋1，謝永和1，馬志軍2，彭雪芹1

（1浙江海洋大學(xué)東?？茖W(xué)技術(shù)學(xué)院，浙江舟山316000；2舟山市海晨船務(wù)工程有限公司，浙江舟山，316000）

針對在海上惡劣作業(yè)環(huán)境下雙拖網(wǎng)漁船起網(wǎng)機作業(yè)存在嚴重安全隱患的問題，對雙拖網(wǎng)漁船的結(jié)構(gòu)布局、起網(wǎng)機工作情況和已有安全防護裝置進行了分析，設(shè)計了一套對原船體不做重大結(jié)構(gòu)調(diào)整的純機械結(jié)構(gòu)起網(wǎng)機安全防護裝置。利用數(shù)控車床的主軸功能，模擬4種不同起網(wǎng)線速（28、45、65和75 m／min）的漁船起網(wǎng)機作業(yè)狀態(tài)，對安全防護裝置進行了測試。結(jié)果顯示，模擬船員因作業(yè)時遇險而激發(fā)防護裝置，纏繞船員的網(wǎng)繩繼續(xù)向摩擦鼓輪移動的距離遠低于1.5 m；通過距離、速度、時間之間的換算關(guān)系，安全防護裝置關(guān)停起網(wǎng)機低于1s，可在更大程度上避免船員發(fā)生因起網(wǎng)機引起的作業(yè)安全事故。研究表明，該保護裝置可為拖網(wǎng)漁船起網(wǎng)機操作起到安全保護作用。

雙拖網(wǎng)漁船；起網(wǎng)機；機械；結(jié)構(gòu)；安全防護裝置

現(xiàn)代漁船主要捕撈機械設(shè)施設(shè)備有絞車、動力滑車、起網(wǎng)機、魚泵和網(wǎng)鼓輪等［1］?，F(xiàn)代漁船的生產(chǎn)效率取決于捕撈裝備的機械化和自動化水平。海洋捕撈漁業(yè)屬高危險性產(chǎn)業(yè)，世界上每年在捕撈作業(yè)中死亡的人數(shù)約為25 000人，捕撈作業(yè)人員的安全問題非常突出［2－3］。我國漁船及捕撈裝備的技術(shù)水平與漁業(yè)發(fā)達國家相比有很大差距，主要表現(xiàn)在漁船裝備研發(fā)嚴重落后、自動化程度低和產(chǎn)品故障率高等方面［4］。捕撈作業(yè)仍主要靠人工完成，作業(yè)環(huán)境較為惡劣，存在大量的工傷事故［5］。其中如雙拖網(wǎng)漁船，一般以雙甲板舷拖網(wǎng)形式為主，左右兩舷可輪流作業(yè)，拖網(wǎng)速度較快，起網(wǎng)摩擦鼓輪側(cè)向裸露在左右兩舷位置，缺少防護罩與安全防護裝置［6－9］。而起網(wǎng)機主要由起網(wǎng)手操控完成，一旦起網(wǎng)機發(fā)生意外，如起網(wǎng)手無法及時進行操控，導(dǎo)致漁民手腳被網(wǎng)繩纏住很難脫身而被牽引至起網(wǎng)機中，輕則手腳折斷，重則危及生命的安全生產(chǎn)事故［10－13］。

1 造成安全事故的主要原因

1.1 雙拖網(wǎng)漁船結(jié)構(gòu)布局擁擠

我國拖網(wǎng)漁船大多是20世紀50—70年代建造，近年來新建漁船雖然在船舶性能、動力配備、助漁導(dǎo)航儀器、甲板機械等方面應(yīng)用了部分新技術(shù)［14－15］，但起網(wǎng)機作為兩舷的主要捕撈設(shè)備，均設(shè)在兩舷寬度不足105 cm的位置。起網(wǎng)摩擦鼓輪側(cè)凸裸露60 cm左右，占據(jù)了兩舷的顯要位置，兩舷既要作為連接船頭與船尾的通道，又要承擔起放、收網(wǎng)的任務(wù)。在捕撈作業(yè)過程中，不僅顯得擁擠，而且對來往船員生命安全構(gòu)成威脅。

1.2 雙起網(wǎng)機工作情況復(fù)雜

漁船的作業(yè)環(huán)境相對惡劣，船上捕撈機械裝備采用半機械、半人力操作。許多作業(yè)程序仍須依靠人力完成［5］。起網(wǎng)作業(yè)中，如起網(wǎng)機轉(zhuǎn)速過低，起網(wǎng)時間就會延長，從而會降低捕撈量；轉(zhuǎn)速過高，又會使網(wǎng)綱與絞輪之間產(chǎn)生嚴重“打滑”，不僅造成起網(wǎng)絞輪磨損嚴重，也嚴重損害網(wǎng)具與相關(guān)動力配備的使用壽命。目前對起網(wǎng)機起網(wǎng)速度優(yōu)化的研究有了很大提升［16－17］，起網(wǎng)機起網(wǎng)速度可達65 m／min［18］，JY20／80型起網(wǎng)機起網(wǎng)線速度能達到75 m／min［19］。在拖網(wǎng)繩速如此高的環(huán)境下容易產(chǎn)生網(wǎng)繩糾纏現(xiàn)象，需要操作人員現(xiàn)場迅速給予清理，加上拖網(wǎng)拉力較大，如果沒有設(shè)置起網(wǎng)機的安全防護裝置，將威脅到漁民的生命安全。

1.3 已有的安全防護裝置問題較多

目前已有多種形式的外配起網(wǎng)機安全防護裝置，其中實用性較強的有2種：一種是腳踏式［20］，另一種是液壓式［21］。前者雖在原手動關(guān)停的功能上增加了腳踏急停功能，但缺少主動防護功能，雖能減少或降低事故率，但仍然存在安全隱患；后者的液壓安全保護裝置需要液壓管路和大量液壓油，其體積和重量都較大，維護成本較高［22－23］。目前，起網(wǎng)機安全防護裝置普遍存在占據(jù)空間大、配置復(fù)雜、成本較高、宜人性差和油污污染環(huán)境等問題，并在惡劣工況下可靠性差。

2 防護裝置的原理結(jié)構(gòu)、安裝與防護

2.1 原理結(jié)構(gòu)

根據(jù)造成事故的主要原因與已研發(fā)出的安全防護裝置推廣范圍較小的現(xiàn)狀，安全防護裝置的結(jié)構(gòu)最適合采用重力平衡原理（圖1）。結(jié)合初始重力平衡，裝置機構(gòu)主要由配重塊定位架、配重塊組件、定滑輪A、柔性件A、急停開關(guān)和柔性件B等構(gòu)件構(gòu)成。可拆分成2個相互作用的四連桿機構(gòu)，采用復(fù)數(shù)矢量法逐個分析。首先由定滑輪A和急停開關(guān)兩構(gòu)件的支點為中心的連線做固定桿，以定滑輪A、柔性件A和急停開關(guān)3個構(gòu)件構(gòu)成第1個四連桿結(jié)構(gòu)，然后由以急停開關(guān)和定滑輪B兩個構(gòu)件的支點為中心的連線做固定桿，以定滑輪B、柔性件B和急停開關(guān)3個構(gòu)件構(gòu)成第2個四連桿結(jié)構(gòu)，結(jié)合封閉矢量方程式的復(fù)數(shù)矢量形式與歐拉公式，可以確定各構(gòu)件間的關(guān)鍵尺寸與其他參數(shù)。

2.2 構(gòu)件構(gòu)成形式與安裝要求

參照相關(guān)規(guī)范確定各構(gòu)件的具體尺寸與尺寸精度、形位精度與制作材料［23－26］。起網(wǎng)機安全防護裝置詳細構(gòu)件物如圖2所示。

裝置由配重組件定位架、配重組件、定滑輪A、定滑輪B、觸碰式防護桿、柔性件A、柔性件B、急停開關(guān)、復(fù)位拉簧、鎖止組件、鎖止舌和旋轉(zhuǎn)軸等構(gòu)成。其中，雙面保護觸碰裝置安裝在起網(wǎng)機起網(wǎng)摩擦鼓輪兩側(cè)。非作業(yè)狀態(tài)時，觸碰式防護桿與通道面垂直，且與側(cè)壁面平行定位。

圖1 安全防護裝置機構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the safety protection device

圖2 起網(wǎng)機安全防護裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the hauling machine safety device

2.3 裝置防護協(xié)同形式

在起網(wǎng)作業(yè)中，船員手腳意外被網(wǎng)繩纏繞，由于網(wǎng)速快，較難脫身，船員軀體自然會觸碰到觸碰式防護桿，該桿瞬間帶動旋轉(zhuǎn)軸上固定的鎖止舌旋轉(zhuǎn)，迫使與鎖止組件之間成90°，接觸面迅速分離失效，而瞬間造成由配重組件通過柔性件A、柔性件B和鎖止件組等構(gòu)成的靜力平衡功能失效，配重組件促使急停開關(guān)作相應(yīng)急速旋轉(zhuǎn)，關(guān)停起網(wǎng)牽引動力源—摩擦鼓輪，以達到被網(wǎng)繩纏繞的船員不致被摩擦鼓輪絞殘甚至被絞死的嚴重生產(chǎn)事故。

3 試驗分析

3.1 防護桿高度及裝置功能驗證

安全防護裝置制作調(diào)試達到設(shè)計要求后，唯有觸碰式防護桿參照人機功能學(xué)可供船員身高不同需要在650～950 mm高度范圍內(nèi)作相應(yīng)調(diào)整［27］。首次驗證功能時將防護桿高度（H）調(diào)至650 mm，由實驗人員手碰桿，發(fā)現(xiàn)開關(guān)功能正常；將防護桿調(diào)至950 mm，再次驗證開關(guān)功能是否正常后，多次重復(fù)觸碰式防護桿兩極限高度對起網(wǎng)機關(guān)停，并用秒表粗略驗證，觸碰式防護桿最低與最高兩種極限關(guān)停時間都在1 s之內(nèi)。

3.2 出海試驗驗證

考慮到實驗需在船上直接安裝樣機，在船體上打鉆裝置定位緊固孔會造成不必要的船體微損傷。因此，采用支架貼附船體側(cè)壁替代船體墻壁，在適當位置綁上一根長1 m左右木棍來模擬船員身體，保持木棍基本與通道垂直的擬人狀態(tài)，且不與其它物體接觸。重復(fù)首次驗證功能實驗時的操作步驟，將防護桿高度（H）分別調(diào)至最低650 mm和最高950 mm，重復(fù)木棍觸碰，發(fā)現(xiàn)開關(guān)功能均正常，但關(guān)停較為緩慢，從木棍觸碰防護桿到起網(wǎng)機完全關(guān)停，耗時長達3～5 s。起網(wǎng)機被關(guān)停后，木棍與起網(wǎng)機摩擦鼓輪雖然還保持有0.25 m左右的距離，但與設(shè)計初衷相去甚遠。

究其原因，由于采用緊固件固定連接，件與件裝配間隙較大，同時支架為了搬運輕便，剛度較低，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩滑輪軸心線之間的平行度誤差太大，形成較大的內(nèi)八字滯卡，從而使得關(guān)停時間延長。

3.3 仿常用起網(wǎng)4種線速度驗證

考慮到拖網(wǎng)漁船航行作業(yè)海況比模擬環(huán)境復(fù)雜等實際情況，在實驗的關(guān)停時間上再乘取安全系數(shù)2，結(jié)果見表2。

表2 起網(wǎng)機關(guān)停時間驗證Tab.2 Shutdown time verification for the hauling machine

關(guān)停起網(wǎng)機摩擦鼓輪所需時間的計算公式為t＝L／v（式中：t—關(guān)停時間，s；L—實測觸碰觸碰桿后網(wǎng)繩移動的距離，m；v—起網(wǎng)線速度，m／min）。

利用先進制造技術(shù)中心實驗室中與起網(wǎng)機起網(wǎng)摩擦鼓輪同樣具有主軸功能的數(shù)控車床輸出主軸端卡盤，并借助其主軸上卡盤旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速方便可調(diào)的特性，在主軸卡盤中裝夾仿摩擦鼓輪的回旋體，再利用床身上尾部頂錐，輔助導(dǎo)正軸心線與水平面平行后夾緊，分別模擬起網(wǎng)線速度為28、45、65和75 m／min的轉(zhuǎn)速［16－17］，并把數(shù)控車床數(shù)控裝置上的紅色急停按壓開關(guān)換成仿起網(wǎng)機旋轉(zhuǎn)急停開關(guān)，進行多次實驗。

將觸碰式防護桿高度調(diào)至兩極限范圍內(nèi)（650～950 mm），模擬不同船員身高，漁船起網(wǎng)機安全防護裝置耗時0.34～1.3 s時間范圍內(nèi)就能關(guān)停起網(wǎng)機。推演當船員遇險情觸動防護桿時，參照當下最高起網(wǎng)機線速度75 m／min［19］，觸碰式防護桿在兩極限范圍內(nèi)，通過距離、速度和時間之間的換算關(guān)系，起網(wǎng)機帶動網(wǎng)繩繼續(xù)往起網(wǎng)摩擦鼓輪移動距離在0.42～0.60 m之間，遠低于拋錨地漁船起網(wǎng)開關(guān)至摩擦鼓輪之間1.5 m以上的實測距離，達到完全靜止狀態(tài)，避免了雙拖漁船作業(yè)中重大工傷事故的發(fā)生。

4 結(jié)論

該雙拖網(wǎng)起網(wǎng)機安全防護裝置的特點是利用重力平衡原理，帶動急停開關(guān)關(guān)停的純機械結(jié)構(gòu)，關(guān)停時間能在1.3 s內(nèi)完成。參照目前新裝最快速度起網(wǎng)機線速度75 m／min，采用先進裝備模擬實驗，能實現(xiàn)網(wǎng)線移動小于1 m范圍內(nèi)完全制動起網(wǎng)摩擦鼓輪的旋轉(zhuǎn)，使得網(wǎng)繩靜止，起到保護船員作業(yè)安全的目的。 □

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Design of a safety device for the hauling machine of double－trawler fishing vessels

HUANG Tianbiao1，F(xiàn)AN Xiqiu1，XIE Yonghe1，MA Zhijun2，PENG Xueqin1
（1Donghai Science and Technology College，Zhejiang Ocean University，Zhoushan 316000，China；2Zhoushan Caspian Morning Shipping Engineering Co.，Ltd.Zhoushan316000，Chian）

Aiming at the safety hazards existing in the net hauling operation of double－trawler fishing vessels under harsh marine environment，this paper analyzes the structure and layout of double－trawler fishing vessels，the operation of net haulers and the current safety devices，based on which，a set of pure mechanically structured hauler protection device that requires no significant adjustment of the vessel body has been designed.Using the spindle speed function of CNC machine tools，the operating states of four different hauling line speeds（28，45，65 and 75 m／min）of the net hauler were simulated to test the safety device.The results showed that，when the simulated crew triggered the safety device due to encountering dangers，the distance that the net rope winding the crew continued to move to the friction drum was less than 1.5 m.Through the conversion relationship of the distance，speed，and time，it was gained that the time span for the safety to shut down the hauling machine was less than 1s，which could avoid the occurrence of safety accidents caused by the net hauler to a greater extent.The research shows that this safety device can play a protecting role in the net hauling process of trawler vessels.

double trawler vessels；hauling machine；machinery；structure；safety device

U674.4＋1

A

1007－9580（2017）02－062－05

10.3969／j.issn.1007?9580.2017.02.011

2017－01－07

舟山市科技計劃項目“基于拖網(wǎng)漁船起網(wǎng)機安全保護裝置研制（2016C32021）”

黃添彪（1973—），男，副教授，研究方向：海洋漁業(yè)裝備、先進制造。E－mail：ahdhtb＠zjou.edu.cn