绳索救助中滑轮运用的力学分析

赫中全 杜吉生

摘要：滑轮是绳索救助中一种典型、常用的辅助器材，其主要作用有改变作用力方向、省力、改变绳索运行轨迹和运输被困者等，正确合理地运用滑轮是绳索救助行动高效运行的关键环节之一。滑轮的本质是一种特殊的杠杆，对这一本质的正确理解，有助于救援人员更加科学合理地运用滑轮。

关键词：绳索救助;滑轮;运用;力学分析

中图分类号：TU328       文献标识码：A       文章编号：2096-1227（2022）01-0005-04

绳索救助技术以其安全性、便捷性、实用性等显著优势在山岳、水域、高层建筑、狭小空间等消防救援领域得到了越来越多的应用，正在成为当前消防救援队伍学习、研究的热点技术之一。绳索救助技术作为一项专业化的救援技术，离不开专业化的器材装备作为支撑，纵观目前欧洲及北美等主流绳索救助技术体系，器材装备的不断推陈出新，成为绳索救助技术进步发展的重要动力。与此同时，新型器材装备所蕴含的科技含量也在不断增加，对于器材装备正确运用方法的研究，也是绳索救助技术学习的一项重要内容。滑轮作为一种既古老、又新奇，既传统、又创新的绳索救助器材，包含着丰富的知识，值得救援人员认真学习和研究。

1  滑轮的分类

滑轮按照功能用途主要分为机械效益滑轮、运输滑轮及整合功能滑轮三类。

1.1  机械效益滑轮

机械效益滑轮主要是指在利用滑轮制作提升省力系统时用到的滑轮，从作用形式上看主要有定滑轮和动滑轮，从外形特征上看主要有普通滑轮和普鲁士滑轮。

1.1.1  普通滑轮

普通滑轮是指一般意义上的滑轮，具备滑轮的最基本形态和结构，如图1（a）所示。

1.1.2  普鲁士滑轮

普鲁士滑轮通常和普鲁士抓结配合使用，滑轮侧板底部采用类似直角设计，在保证主绳顺利通过的同时，可以“推动”缠绕在主绳上的普鲁士抓结，使得滑轮具有单向制动的功能，在救援过程中主要用作定滑轮，如图1（b）所示。

1.2  运输滑轮

运输滑轮用于在绳索或钢缆上移动，用于转移重物或疏散人员，主要有双轴运输滑轮、过结滑轮、钢缆滑轮等几类。双轴运输滑轮配有固定侧板，同时两个左右对称的轮轴使其拥有良好的移动稳定性，如图2（a）所示;过结滑轮也是在绳索上使用的运输滑轮，由于它内部空间较大，当绳索上有绳结时也可以正常使用，如图2（b）所示;钢缆滑轮结构特殊，轮盘采用更轻更耐用的尼龙材质，主要用于缆车事故时使用，如图2（c）所示。

1.3  整合功能滑轮

随着绳索救助技术的不断发展，救助器材朝着结构紧凑、功能整合和轻量化的方向发展，这些器材的产生，减少了器材的使用数量，降低了绳索救助系统的操作难度，提高了救助行动的效率。例如CSR狭小空间专用救援滑轮，采用单轴双层设计，方便制作多倍力省力提升系统;滑轮顶部挂点可以360°旋转，方便调节救援状态，如图3（a）所示;再如MPD，是一种整合单向制停滑轮、负荷释放和下降器的功能，能够方便地完成提升系统和下放系统的相互转换，如图3（b、c）所示。

2  滑轮的用途

滑轮是绳索救助行动中的常用器材，其用途主要有制作高锚点、制作提升省力系统和索道运输三个方面：

2.1  制作高锚点

绳索救助行动中搭建高锚点，实质上是改变绳索的运行轨迹，为救助行动创造更大的操作空间，以便于救助行动的顺利开展，尤其是在跨越安全区域和危险区域的“边缘”位置，往往都需要制作高锚点。比较典型的使用场景有山岳救助场景、高层建筑救助场景、竖井救助场景，如图4所示。

在上述三种典型的救助场景下，需要将三脚架、消防梯等器材架设在悬崖边缘、楼层窗口上沿或者井口顶部，设置高位变向滑轮，抬高救助绳索运行轨迹，使得救援人员和被救者能够方便地从安全区域和危险区域之间进出。

2.2  制作提升系统

提升系统是指在绳索救助过程中，利用滑轮和救助主绳组合成的各种形式的滑轮组系统，通过对其的操作，可以实现提升负荷省力的目的。提升系统主要由定滑轮和动滑轮构成。定滑轮通常连接在承重救助锚点上，其作用主要是改变救助主绳的运动方向;动滑轮往往通过抓绳装置连接在救助主绳的适当位置;提升省力系统按照动滑轮运动方向、运动速度等方面与被提升负荷的异同，可以分为简单省力系统，如图5（a、b）所示，复合省力系统，如图5（c）所示，还有更为复杂的省力系统。

2.3  索道运输

除了制作高锚点改变绳索运行轨迹和制作滑轮提升省力系统以外，滑轮还可以沿绳索运动，将被救者沿着架设好的索道运送到安全地带，如图6所示。

3  滑轮的效率

3.1  典型滑轮的效率

滑轮的效率是指在滑轮的实际运用中，由于滑轮轮轴类型不同、轮盘直径大小差异以及绳索与滑轮之间的摩擦力等因素导致的滑轮实际省力效果小于理论省力效果的现象。以某品牌滑轮为例，滑轮因轮轴类型不同和轮盘直径大小差异而造成滑轮效率的不同，如表1所示。

以通过定滑轮向上提升重物为例，在保证重物重力作用线与拉力之间平行的前提下，当使用效率为95%的RESCUE滑轮时，提升100kg重物所需的拉力105kg，而使用效率為71%的FIXE滑轮时，则需要140kg的拉力。

3.2  滑轮效率产生的原因

滑轮作为一种特殊的杠杆，有两个因素决定了滑轮的效率：

3.2.1  滑轮轮盘尺寸

通常情况下，滑轮轮盘直径越大效率越高，相反地，滑轮轮盘直径越小，其效率也往往越低。

3.2.2  滑轮轴承类型

滑轮轴承主要有两种形式，分别是自润滑轴承和密封滚珠轴承。自润滑轴承的滑套通过其内壁上的孔隙储藏润滑油，并且孔隙的腔壁可在热胀冷缩效应下实现润滑油的挤出和吸回，从而保证轮轴和轴承之间良好的润滑效果，因而滑轮装置具有润滑效果好、节约润滑油的优点，但是自润滑轴承必须要定期进行保养，如图7（a）所示。

由于滚珠轮轴的滚珠能够提供更高的机械效率，所以大多数的绳索救助滑轮都安置了封闭式滚珠轴承结构，滚珠轴承是全封闭结构，不用经常维护，如图7（b）所示。

4  滑轮运用的力学分析

4.1  滑轮的本质——特殊的杠杆

杠杆是一种常用的简单机械，在日常生活中有着广泛的应用，分析杠杆离不开五个基本的要素，分别是支点、动力、阻力、动力臂和阻力臂。杠杆平衡的条件：

动力×动力臂=阻力×阻力臂

滑輪作为一种特殊的杠杆，研究分析绳索救助系统中滑轮的作用，同样应从五要素入手。滑轮的典型使用状态分别是定滑轮和动滑轮。定滑轮的实质是等臂杠杆，即动力臂=阻力臂。在理想使用状态下，定滑轮的支点在滑轮轮盘圆心位置，动力臂和阻力臂长度皆为轮盘的半径，为等臂杠杆，在这种情况下只能改变绳索运行的方向，但不能达到省力的目的，如图8（a）所示;动滑轮的支点位于靠近承重锚点一侧绳索与滑轮圆盘相切的位置，动力臂为轮盘的直径，而阻力臂为轮盘的半径，动力臂是阻力臂的两倍，为非等臂杠杆，在这种情况下，根据杠杆平衡条件，动力（拉力）为阻力（重力）的一半，可以达到最佳的省力目的，如图8（b）所示。

4.2  动滑轮运行过程中的力学分析

在绳索救助具体实施时，由于受到地形地物等因素的制约，救援人员拖拉绳索很难按照动滑轮的理想状态进行，出现角度变大的现象，导致动滑轮省力效能减弱的情况，如图9所示。

如图所示，此时拖拉方向由竖直向上改为斜向上，支点位置、动力臂、阻力臂等都在发生变化，省力情况也因此发生变化。设动滑轮两侧绳子之间的夹角为α，重物重力作用线与绳子之间的夹角为β，则β=α/2，根据三角函数关系得出：

动力臂OA=OC·sin（180°-α）=OC·sin2β=

2OC·sinβcosβ

阻力臂OB=OC·sinβ

根据杠杆平衡原理可以得出：

可以推导出：

（1）当α=0°时，是动滑轮的理想使用状态，，即省一半力;

（2）当α=120°时，，此时动滑轮为等臂杠杆，既不省力，也不费力;

（3）当0°≤α<120°时，，动滑轮为省力杠杆;

（4）当120°<α<180°时，动滑轮为费力杠杆。

5  结语

（1）理想状态下定滑轮是等臂杠杆，只能改变绳索的运行方向，不能省力;动滑轮的动力臂是阻力臂的两倍，可以省一半的力，但要耗费两倍的距离;

（2）当动滑轮两侧绳索夹角在0°～120°时，动滑轮为省力杠杆;当夹角在120°～180°时，动滑轮为费力杠杆;

（3）绳索救助行动中设置滑轮组的初衷是为了达到省力的目的，但实际过程中往往出现省力效果不如理论分析的那样高甚至不能够省力，主要因素是：①滑轮自身的效率问题;②拖拉操作角度问题;③绳索直径与滑轮要求之间的适应性问题。

参考文献：

[1]Vines T，Hudson S.High Angle Rescue Techniques[M].

Mosby Inc，2003.

[2]James A. Frank，Jerrold B. Smith.CMC Rope Rescue Manual

[M].CMC Rescue，2010.

[3]Brennan K.Rope Rescue For Firefighting[M].1999.

[4]NFPA 1006-2017，Standard for Technical Rescue Personnel Professional Qualifications[S].2016.

[5]NFPA 1670-2014，Standard on Operations and Training

for Technical Search and Rescue Incidents[S].2013.

[6]NFPA 1983-2017，Standard on Life Safety Rope and

Equipment for Emergency Services [S].2016.

[7]中华人民共和国公安部.消防用防坠落装备XF494-2004[S].2004.

[8]陈建华.滑轮及滑轮组省力问题探究[J].物理教师，2005，26（12）：30-32.

[9]苏煜，刘立文.绳索救援中提升系统的实际增益及实战应用研究[J].消防科学与技术，2020，39（5）：700-703.

[10]胡晔.绳索救援技术基础[M].北京：中国建材工业出版社，2016.

[11]朱国营.绳索救援技术[M].广州：广东教育出版社，2018.

[12]李进超.登山和攀岩运动中滑轮组系统的应用[J].中学物理教学参考，2019，48（4）：58-59.

[13]卞先华，林静.通过建模技术解决入职消防员倍力拉升系统室内教学难题[J].今日消防，2020，5（2）：104-108.

Analysis on pulley applicated in rope-based rescue activity

He Zhongquan1，Du Jisheng2

（1.China People's Police University，Hebei Langfang  065000;

2.China Fire and Rescue Institute，Beijing  102200）

Abstract：Pulley， serves as a typical and common part in rescue tasks， plays heavy role in changing the applied forces in operation， and tranferring people in danger. Therefore， a proper application of pulley is extremely important to rescue tasks using rope. Parallelled the pulley system with lever， people may get the point of this stuff and use it in a proper way.

Keywords：rope-based rescue; pulley; application;mechanical analysis

2475501705351