一种应急救援索系统的开发应用研究

陈玉玺，韩鹏彪

(1.巨力索具股份有限公司，河北保定 072550；2.河北科技大学材料科学与工程学院，河北石家庄 050018)

一种应急救援索系统的开发应用研究

陈玉玺1，韩鹏彪2

(1.巨力索具股份有限公司，河北保定 072550；2.河北科技大学材料科学与工程学院，河北石家庄 050018)

在地形、地势复杂的地区输送应急救援人员或物资面临着道路中断等情况。为了解决这类问题，依据国标规范和实地工况，提出了小型救援系统的基本设计要求和工作原理，设计了结构参数。针对该救援系统的承载索部件，阐述了其设计方法和力学计算过程，并建议采用超高分子量纤维绳替代钢丝绳的设计，以降低系统成本，提高工效，然后对该救援索系统的牵引驱动模块进行了设计计算。在湖北省某地，采用机械提升倒装法对该救援索系统进行了现场组装、调制和试验，证实了在复杂的地理条件下利用临时组装架空索道实现小型物资应急输送的可行性，为实现经济物资的远距离、快速架设索道应急输送技术开发提供了数据支持及设计试验方法，具有一定的推广应用意义。

悬索与张拉结构；应急；救援；索具；聚乙烯纤维绳；承载索

灾害是指自然或人为事件造成严重的财产破坏和人员伤亡，或是人员被困，或是设备受损，影响受灾群众的正常生活和生产。这种损害超出了一个地区维持正常运转的能力范围，需要寻求外界的救助。此时往往造成建筑损毁、道路中断、信息不通，因此，紧急构建一条运输通道，运送伤员、救援物资及中小型救援设备器材等，就等于构建了一条生命通道[1-3]。目前，国内外业界非常重视对各种灾难事故应急救援预警、管理、处置系统和设备的研究和应用，研究开发应急救援系统具有非常重要的意义。

本文介绍了一种轻型应急救援索系统，对系统的结构、承载索及牵引系统等进行了计算和设计。该应急救援索系统在湖北省某地实地进行了现场安装和试验，并投入了使用。

1 设计要求及应用条件

应急救援索系统的设计要求：该装备适用于陡坡上下端或沟壑两侧，进行仪器设备的快速输送，陡坡高差15～150 m，仪器自重1 t以下；或者应用于高差小于15 m、有沟壑障碍(如河流，山涧)的仪器设备输送。为了安装方便快捷，运输工具只需抵达陡坡一端或沟壑的一侧，或自下向上、或自上向下实现设备输送，陡坡两端之间或沟壑两侧，有能容许人畜攀爬通过的基本通道，另一端(侧)不提供电源，具体设计要求满足《GB 50127—2007架空索道工程技术规范》和《GB 12141—2008货运架空索道安全规范》。主要技术指标为1)最大货物载重量：1 t；2)最大货物高度、宽度尺寸：3.0 m×3.0 m的管状物；3)有效输送距离：30～150 m；4)最大线路高差：15～150 m；5)最大线路坡度：45°；6)安装调试综合时间不大于4 h。

2 工作原理及结构参数设计

依据设计要求及应用条件，参照相关技术标准、规范，该装备选用单索往复式结构方案，全程采用遥控电动驱动操作，应急救援索系统工作原理侧型图如图1所示。

图1 应急救援索系统侧型图Fig.1 Side diagram of emergency rescue cable system

1) 结构型式：单索往复式架空索道。

2) 运行速度：运行最大速度为6.0 m/min；放绳速度为0～6.0 m/min。

3) 承载索：Φ24 mm超高分子质量的聚乙烯纤维绳[4]，安全系数取3，使用专用在线张紧装置安装固定。

4) 支架：高强度铝合金桁架结构支架，现场组装；支架高度共5节，总高8.4 m，最大占地面积5.0 m×5.0 m，陡坡两端各安装1组。

5) 牵引索：Φ8 mm超高分子质量的聚乙烯纤维绳(专用)，安全系数>4.5。

6) 驱动装置：专用驱动装置1套(额定驱动力为12 kN，电机功率为2.2 kW)。

3 承载索设计

3.1 钢丝绳承载索的设计计算

3.1.1 挠度选择及被吊物尺寸

承载索是一个柔性构件，只承受拉应力，其材料服从胡克定律。分析其受力时，支架上承载索铰点的变形可忽略不计，由此可按抛物线理论对承载索受力进行分析计算，求解承载索的张力、垂度、切线倾角、曲率半径及曲线长度，以解决缆机设计中的结构强度和承载索的安装长度问题，以及起重小车的运行阻力及相关的牵引功率问题[5-7]。

在计算承载索参数之前，需要确定承载索的挠度[8]。架空索道承载索的工作垂度ε(跨中最大挠度与水平跨度的比值)一般为0.05～0.07，理想垂度为0.04～0.06[9]，按承载索最大跨距L=150 m计算，即跨中挠度最小f=ε×L=0.04×150=6 m。本装备支架为临时安装，承载索的挠度越大，在通过相同被吊物高度前提下，支架安装高度就越高，安装难度也越大。综合考虑索道的安装效率，实际选择承载索挠度为4 m，支架高度为8.4 m。

假设吊钩长度为0.4 m，被吊物捆绑索受力后伸长0.5 m，预留障碍点与被吊物底端安全间距为0.5 m，当地形斜坡陡面与索道玄平行时，计算通过最大被吊物高度为

H=8.4-0.4-0.5-0.5-4.0=3.0 m。

即，本救援索系统理论被吊运输物最大高度不得大于3.0 m。本支架采用门式结构，允许尺寸不大于3.0 m×3.0 m的管状物通过。

3.1.2 承载索最大张力计算

从理论上讲，影响承载索张力的主要因素有承载索的挠度、倾角、跨距、集中载荷位置等。当挠度、跨距为定值时，经计算比较得知，牵引索正常运行状态下，在承载索倾角为45°、集中载荷在中点时，承载索产生的张力最大。图2为承载索受力分析[10-12]。

根据力的平衡原则，当载荷集中在中点时，承载索可以完全看成是柔性承载，忽略承载索自重均载等影响因素，则当被吊物质量为1 t时，重力的水平分力：

(T+t)sinα-Tsinβ=0，

重力的垂直分力：

(T+t)cosα-Tcosβ-1=0。

其中：T为承载索张力；t为牵引力；α为载荷点处承载索上段与竖直线的夹角；β为载荷点处承载索下段与竖直线的夹角。

计算可得T=128.9 kN，t=7.1 kN。

图2 承载索受力分析Fig.2 Bearing cable force analysis

如果集中载荷在中点驻留，牵引索将被完全放开，被吊物与承载索卡死，完全依靠摩擦力停留，此时承载索上半段承受的实际张力为T+t=128.9+7.1=136 kN。

3.1.3 钢丝绳直径及自重的确定

安全系数取3.0，计算得钢丝绳最小破断拉力T0=3.0×136=408 kN。

选用强度级别为1870级填充式钢丝绳，钢丝绳最小直径约为24 mm。直径为24 mm的钢丝绳质量比约为230 kg/100 m，如果按最小长度220 m(45°斜边长度为212 m，预留8 m作为张紧使用)计算，得出钢丝绳的最小质量为506 kg。

通过以上计算证明，在不考虑切线倾角、曲率半径等其他不利因素情况下，自重506 kg的钢丝绳承载索无法满足人工架设的需要，因此，承载索必须选用一种高强、轻质、柔软的材料替代。

3.2 超高分子质量纤维绳承载索

超高分子质量聚乙烯具有其他工程塑料无可比拟的耐磨损、耐冲击、耐化学药品腐蚀、自润滑等性能[13]，且其相对密度也是常规工程塑料中最低的(0.94)，超高分子质量聚乙烯纤维绳的质量为同直径钢丝绳的15%，即名义直径为24 mm的超高分子质量聚乙烯纤维绳索质量约为W=506×15%=75.9 kg。名义直径为24 mm的超高分子质量聚乙烯纤维破断拉力为520 kN，经插编成索后，其带环眼绳索破断拉力为470 kN。以该成品索作为样机承载索，其成品索安全系数N=3.526。

因此，使用相同直径的超高分子质量纤维绳制作承载索[14]，其理论破断强度稍高于钢丝绳，安全系数大于标准要求的3.0，满足需要。

4 牵引系统设计

牵引系统包括牵引索、驱动装置(见图3)、货车和电器控制4个部分。

图3 驱动装置Fig.3 Drive device

4.1 牵引索设计

牵引索选用与承载索相同的材料，即超高分子质量聚乙烯纤维绳，名义直径为8 mm，破断拉力为65.5 kN，理论质量比为4 kg/100 m。按牵引索实际需求的最大拉应力10 kN计算安全系数和质量。

安全系数：n=65.5/10=6.55。根据《GB 12141—2008货运架空索道安全规范》要求，牵引索安全系数 6.55>4.5，满足要求。

牵引索是双向的，实际长度相当于承载索的2倍，即220×2=440 m。考虑到缠绕在牵引轮的部分，实际取长为500 m，牵引索质量W=20 kg，满足要求。

4.2 驱动装置设计

根据牵引索牵引力，计算驱动装置功率和牵引速度。

P=KFV/60η，

其中：P为电机功率，kW；F=9.8 kN；V=0～6 m/min；η=0.5～0.8，为综合传动效率系数，本文选0.5；K为设计余量，为1.25。

计算得P=2.04 kW。

经圆整，选择牵引电机功率为2.2 kW，输出速度为6 m/min。

5 安装与试验

5.1 选址原则

第一，使用该装备前，应熟悉安装现场，并对架设位置进行现场实地调查，确定具备安装条件；

第二，被输送货物的两端点设有预埋基础(或天然固定点)，支架安装后，两端点连接玄线，距离障碍点的距离最小不低于8 m，被运载设备高度不得大于3.0 m；

第三，场地两侧应有能够允许人/畜通过的通道，允许搬卸基本物品和铺设承载索、牵引索；

第四，承载索、牵引索一同铺设，尽可能避开树木等影响索体张紧升空的部位，如必须通过树林等，可对局部树木进行砍伐清理。

5.2 支架安装

通常地锚(预埋基础)与支架顶端的连线与地面之间的夹角不小于20°，按支架高度为8.5 m计算，地锚与支架距离不小于23.5 m。当架设支架在极限高度，即承载索倾角为45°时，支架承受的总压力为F=146 kN。支架受力分析如图4所示。

图4 支架受力分析图Fig.4 Force analysis of support frame

本支架共5层，每层1.6 m，采用桁架式组装结构，组装的层数可根据现场地形需要决定，以能够通过障碍物为准。支架材料全部选用7075高强度铝合金，为了提高安装效率和搬运方便，每一个组装部件自重最大不超过25 kg。

支架的安装采用“提升倒装法”，即先安装最顶层，然后利用起升机构将支架的4个角同步水平升高至1.8 m，安装第2层，然后将一、二层同时升高，安装第3层，下面安装依此类推[15-17]。

5.3 承载索安装

在一般小型索道中，承载索的安装和调试都是靠手拉葫芦完成的。安装前,首先精确测量两端的安装距离，计算好包含垂度、伸长在内的实际长度尺寸，在钢丝绳上做好标记，安装时，张紧到标记位置固定，控制设计垂度。

图5 动态调节机构Fig.5 Dynamic adjusting machine

本承载索的安装，不需要考虑实际安装距离、倾斜角度和张力，因为承载索一端直接与地锚连接，而另一端缠绕在动态调节机构(见图5)上面，利用动态调节机构的收线功能,将多余的承载索逐步收紧、固定，前后用时不超过15 min。在使用中，如果发现张紧力不够(挠度太大，物料过不去)，再启动“动态调节机构”进行液压张紧。在动态张紧器上，动态显示承载索当前的张力状态和拉力。

5.4 牵引索与驱动装置安装

牵引索分别缠绕在2个储存轮上面，一根直接将牵引索从储存轮拉出，经支架、货车，到达另一端支架的转向滑车，折回与货车连接，另一根直接经支架连接到货车的滑车上。2个储存轮分别由2个独立的电机驱动，可以独立操作，也可以联动，实现上下料操作及物料输送。

5.5 试验

关于小型固定索道的安装，目前中国尚无标准规范的设计与施工图，图纸标准规范大多凭经验或参照小矿山进行，一般浇注地锚的施工和锚杆索的安装约需15天(主要是从混凝土的凝固考虑)，最后进行主承载索、支架、制动器及矿斗和牵引索的安装，整个工期约20天[9]。不仅安全性得不到保障，而且施工时间长，费用高。

本应急救援索系统试验主要针对固定位置、预设基础的应急抢修，基础制作采用快干水泥浇筑(或天然固定装置，如突出的岩石，大型树木等)，用时2天，安装仅需4 h。图6是在湖北某地进行的现场试验，场地两端长度约为80 m，坡度大于30°，根据场地情况，上端为了跨越低矮围墙，支架安装了5层，下端是冲积水沟，支架仅安装2层。安装后，起吊1 t重货物，运行2 h，顺利完成预定试验。

图6 试验现场Fig.6 Test site

6 结 语

1)该应急救援索系统，最大载重量达1 t，有效输送距离30～150 m，救援地高差15～150 m。

2)采用超高分子质量的纤维绳承载索替代钢丝绳，可有效降低系统质量，提高系统承载能力和安全系数，降低成本。

3)在湖北某地进行实地安装、调试及试验，验证了本系统在山区陡坡、沟壑、河流等复杂地理条件下，利用临时组装的架空索道实现小型物资应急输送的可行性。

4)本应急救援索系统的应用，为实现重型物资的远距离应急索道输送技术开发提供了数据支持及设计试验方法，具有广阔的应用前景。

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Development and application of an emergency rescue cable system

CHEN Yuxi1, HAN Pengbiao2

(1.Juli Sling Company Limited, Baoding， Hebei 072550, China;2.School of Materials Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China)

In the complex area, emergency rescue personnel and materials transport may face various conditions such as road break. To overcome this kind of problems, the basic design requirements and working principle of the rescue system are put forward and the structural parameters are designed based on national standard specification and working condition of field. The design method and the mechanics calculation process of the bearing cable part of the rescue system are expounded, and the design of replacing the wire rope with ultra-high molecular weight fiber rope is proposed, which can reduce the system cost and improve the efficiency. Then the traction drive module of the rescue cable system is designed and calculated. In a certain area of Hubei province, the field assembly, modulation and test of the rescue cable system are carried out with the mechanical lifting inversion method, which proves that the temporary assembling overhead cableway can realize the emergency transportation of small materials under the complicated geographical conditions. So the data support and design test method are provided for realizing the long-distance and rapid erection of the emergency transportation technology, which has a wide application prospect.

cable and tension structure; emergency; rescue; rigging; polyethylene fiber rope; carrying cable

1008-1534(2017)02-0130-05

2016-12-30;

2017-03-13；责任编辑：冯 民

陈玉玺(1966—)，男，河北保定人，工程师，主要从事索道、索具、链条等研发与技术管理方面的工作。

E-mail:3232577923qq.com

TB21

A

10.7535/hbgykj.2017yx02010

陈玉玺，韩鹏彪.一种应急救援索系统的开发应用研究[J].河北工业科技,2017,34(2):130-134. CHEN Yuxi, HAN Pengbiao.Development and application of an emergency rescue cable system[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2017,34(2):130-134.