绳索救援中滑轮拖拉系统的效率分析

兰天其

摘要：从滑轮角度出发，阐述滑轮拖拉系统的构成和类型，提出省力比在实际和理想情况下的区别，应用数学方法，通过对比分析滑轮拖拉系统效率的影响因素，得出利用滑轮的效率、数量、顺序、摩擦和拖拉角度等提高拖拉效率的结论，以此发挥滑轮拖拉系统的最大省力效能，为消防救援队伍及其他专业救援力量在绳索救援或训练中优化滑轮拖拉系统应用提供参考。

关键词：消防；绳索救援；滑轮；效率

绳索技术作为消防救援队伍重要的技术手段，被广泛运用于抢险救援、社会救助等各方面。某些救援场景中，消防指战员往往利用绳索，通过一定的拖拉方式，向上拖拉被救人员及救援人员。传统的拖拉方式单一低效，存在一定的风险，如多人直接抓握绳索拖拉。在绳索救援中如何优化滑轮拖拉系统，提高拖拉效率，快速完成救援行动，成为当前绳索救援界及消防领域研究的课题。

国内的专家学者对于绳索救援中滑轮拖拉系统的效率问题进行了相关研究分析：张锡璋从工程机械的角度分析了滑轮和滑轮组的效率，对跑绳拉力进行了简化计算[1]；杨汝彬介绍了简易、常规、快速三种常用拉升系统，分析了工作原理和制作方法，提出了相关注意要点[2]；张禹海介绍了快速拉升救助系统，并划分为简单、组合和复杂三类，利用“T计算法”进行了应力分析，较大程度上借鉴了北美CMC绳索救援技术[3]。

以上的研究从机械计算、原理解释和制作方法等方面研究滑轮组的拖拉问题，但是对绳索救援中滑轮拖拉系统的效率及应用缺乏深入研究。因此，本文从滑轮和滑轮拖拉系统出发，对省力比进行阐明，指出影响效率的因素，得出提高滑轮拖拉系统效率的结论，为消防救援队伍及其他专业救援力量优化绳索救援滑轮拖拉系统应用提供参考。

1 滑轮

滑轮泛指可以绕着中心轴旋转的圆轮。绳索救援用滑轮应符合GA494—2004《消防用防坠落装备》、BSEN12278—2007《登山运动器材－滑轮－安全要求和试验方法》和ANSI/NFPA 1983—2011《应急服务用安全绳和设备标准》等标准要求，绳索救援用滑轮见图1。

GA494—2004《消防用防坠落装备》将滑轮归类为辅助设备，解释为与安全绳、安全吊带、安全腰带配套使用的承载部件[4]。BSEN12278—2007《登山运动器材－滑轮－安全要求和试验方法》将滑轮定义为设有一个或多个滑槽的装置，该装置能连接绳索（动力绳和低延展夹心绳）或辅绳与安全钩用于保护登山者，可以减少绳索或辅绳受力移动时的摩擦[5]。

1.1  类型

在绳索救援中，目前常用于滑轮拖拉系统的滑轮根据轴承与轮槽接触方式的不同，可分为轴芯式和滚珠式，见图2。

轴芯式滑轮，轴承与轮槽的接触部分直接利用润滑油油封，机械摩擦较大。滚珠式滑轮，轴承与轮槽的接触部分存在多个滚珠，再利用润滑油油封，机械摩擦较小。

1.2  效率

绳索救援用滑轮效率参照技术说明书，其中，轴芯式滑轮效率普遍较低，一般为70%左右；滚珠式滑轮效率普遍较高，可达90%或更高。然而绳索救援中，由于缺少维护保养、使用方式不当、异物渗入等影响因素，滑轮实际效率通常比技术说明书低。

2 滑轮拖拉系统

滑轮拖拉系统通常由滑轮、抓绳器、绳索等器材制作，可实现省力拖拉的功能。绳索救援中，除了自制滑轮拖拉系统，还有成型的滑轮拖拉套装被广泛应用于绝大多数场景。

2.1  滑轮拖拉系统构成

绳索救援中，滑轮拖拉系统主要由A-Block、B-Block和Re-Direction构成（见图3），某些情况下还包括为完成一定省力比的定滑轮。下文均以A-Block固定进行示例研究。

A-Block，即A模块，要求具有滑轮和自动制停的功能，任何时候松手停止拖拉，应自动锁止，防止绳索脱离，避免拖拉物体发生坠落。正是由于A-Block的防墜落作用，通常位于滑轮拖拉系统最前方，保证后方绳索随时可松弛调整，一般利用MAESTRO、CLUTCH、MPD、ID、SPARROW等器材，或是由滑轮和抓结、抓绳器组成。

B-Block，即B模块，是具有复位功能的动滑轮，可反复拖拉。B-Block通常位于A-Block后方，一般利用滑轮、安全钩、抓绳器或抓结组成。

Re-Direction，即转向模块，是根据需要设置的定滑轮，主要用于改变拖拉方向，一般利用滑轮和安全钩组成。

2.2 滑轮拖拉系统类型

滑轮拖拉系统根据设置方式的不同主要分为简单型（Sm，Simple）、复合型（Cm，Compound）和混合型（Cx，Complex）三类：

滑轮拖拉系统可按照缩写、省力比和是否转向简化表示，如简单型滑轮拖拉系统省力比为3：1，且改变拖拉方向，则表示为Sm3：1+Re，见图4a；复合型滑轮拖拉系统省力比为9：1，且不改变拖拉方向，则表示为Cm9：1，见图4b；混合型滑轮拖拉系统省力比为5：1，且不改变拖拉方向，则表示为Cx5：1，见图4c。

3 省力比

省力比，常用于表示滑轮拖拉系统的省力效果。滑轮拖拉系统在绳索救援中被视为重要的省力手段，应明确省力比在理想和实际情况下的区别，利用一定的计算方法，得出相应省力比值，才能理解滑轮拖拉系统省力的原因和具体效果。

3.1  IMA（Ideal Mechanical Advantage）和RMA（Real

Mechanical Advantage）

IMA和RMA用于表征滑轮拖拉系统的省力效率，分析滑轮拖拉系统的省力比。

IMA，即理想机械效益，是指理想情况下，滑轮拖拉系统输出力量与输入力量的比值。通常所说的滑轮拖拉系统省力比是指IMA，在数值上相互等同，如IMASm5：1，表示其理想机械效益为5，输入1kN的力，理想情况下输出5kN的力用以拖拉。

RMA，即实际机械效益，是指在考虑器材效率、机械摩擦等影响因素的实际情况下，滑轮拖拉系统输出力量与输入力量的比值。通常绳索救援中应更关注RMA，如RMASm5：1需在具体条件下测出，其实际机械效益必然低于5，输入1kN的力，实际情况下输出低于5kN的力用以拖拉。

3.2 张力计算法

张力计算法，是分析滑轮拖拉系统效率的重要数学方法，用于解释省力比，理解IMA和RMA。在受力紧绷的滑轮拖拉系统中，根据定滑轮和动滑轮的省力特性，结合滑轮的效率，逐一计算通过滑轮的绳索受力，得出输出力量与输入力量的比值。

张力计算法的基本计算步骤：

①在滑轮拖拉系统的力量输入端施加一定的力；

②向力量输出端逐一计算滑轮、抓绳器或抓绳两端绳索受力，滑轮力量输出值等于力量输入值乘以滑轮或A-Block的效率；直到计算并标注出滑轮拖拉系统力量输出端的力为止；

③计算输出力量与输入力量的比值。

其中，计算IMA时，滑轮两端绳索受力一致；计算RMA时，以仅考虑滑轮效率为宜，其他摩擦等影响因素较难确定，通过滑轮的绳索受力数值等于未通过滑轮的绳索受力乘以滑轮效率。

按照此法分别计算Sm5：1、Cx5：1的IMA和RMA，计算IMA时，所有器材效率均为100%，假设输入力量为1kN，则Sm5：1和Cx5：1的输出力量均为5kN，即IMA Sm5：1=IMA Cx5：1=5，见图5。

计算RMA时，仅考虑滑轮或具备滑轮功能的器材效率，假设A-Block使用效率为30%的ID，滑轮使用效率均为70%的轴芯式滑轮，输入力量为1kN，则Sm5：1和Cx5：1的输出力量分別为2.6359kN、1.847kN，即RMA Sm5：1=2.6359，RMA Cx5：1=1.847，见图6。

通过计算可知，省力比和器材效率相同情况下，滑轮拖拉系统的IMA虽然一致，但RMA却不同，简单型实际省力效能更高。

4 影响因素分析

绳索救援中，影响滑轮拖拉系统效率的因素较多，在此主要分析滑轮效率、滑轮数量、滑轮顺序、机械摩擦和拖拉角度的影响。

4.1  滑轮效率

滑轮效率，是指滑轮自身的机械效率，直接影响滑轮拖拉系统的效率。通常为便于计算RMA，轴芯式滑轮取70%，滚珠式滑轮取90%。

仅考虑器材效率影响，分别计算均使用轴芯式滑轮和滚珠式滑轮的RMASm5：1，假设A-Block均使用效率为30%的ID，输入力量为1kN，其值分别为2.6359和3.6577，见图7。

通过计算可知，相同条件下，滑轮效率越高，滑轮拖拉系统的RMA越高，实际省力效能越高。

4.2  滑轮数量

滑轮数量，是指一定省力比下设置滑轮的多少，直接影响滑轮拖拉系统的类型，从而影响效率。

仅考虑滑轮数量影响，在均使用低效率器材情况下，分别计算RMASm5：1和RMACx5：1，假设A-Block使用效率为30%的ID，滑轮均使用轴芯式滑轮，输入力量为1kN，则RMA Sm5：1=2.6359，RMACx5：1=1.847，见图6；在均使用高效率器材情况下，分别计算RMASm5：1和RMACx5：1，假设A-Block使用效率为90%的MPD，滑轮均使用滚珠式滑轮，输入力量为1kN，则RMASm5：1=4.0951，RMACx5：1=4.149，见图8。

由图7b和图8a可知，A-Block器材不同，滑轮拖拉系统的RMA存在差异，A-Block器材的效率直接影响滑轮拖拉系统的RMA。通过对比图6a和图6b或图8a和图8b可知，A-Block器材对通过它的力量影响较大，Sm5：1主要力量作用于B-Block，受A-Block影响较小；Cm5：1主要力量作用于A-block，受A-Block影响较大。

通过对比计算可知，滑轮数量对滑轮拖拉系统效率的影响应综合系统类型、A-Block效率、滑轮效率因素考量，视具体情况分析。但可以肯定的是，滑轮数量越少，受力递减次数越少，忽略A-Block的影响或视A-Block高效条件下，滑轮拖拉系统的RMA越高，实际省力效能越高。

4.3 滑轮顺序

滑轮顺序，是指不同效率的滑轮在省力比中的配置顺序，一定程度上影响滑轮拖拉系统的效率。

仅考虑滑轮顺序影响，配置顺序以靠近A-Block在前为准，分别计算滑轮效率依次为70%、80%、90%和90%、80%、70%及90%、70%、80%的RMASm5：1，假设A-Block均使用效率为30%的ID，输入力量为1kN，其RMA Sm5：1分别为3.577 6、3.2176、3.3176，见图9。

通过计算可知，相同条件下，越高效率滑轮越远离A-Block，越靠近拖拉端，滑轮拖拉系统的RMA越高，实际省力效能越高。

4.4  滑轮摩擦

滑轮摩擦，泛指绳索与滑轮的轮槽、侧板摩擦，或绳索扭曲与滑轮摩擦等现象，会降低滑轮拖拉系统的效率。其中，绳索与轮槽的摩擦无法杜绝，但可正确使用滑轮避免与侧板摩擦，科学控制绳索避免扭曲等，尽可能提高滑轮拖拉系统的效率。

4.5  拖拉角度

拖拉角度，是指最靠近拖拉端的滑轮两端绳索形成的夹角。

拖拉角度对动滑轮的影响见图10。

拖拉角度为0°时，即滑轮两端绳索平行，拖拉力矩=拉力×滑轮直径，滑轮直径是最大长度，此时拖拉力矩最大，省力效能最大；拖拉角度大于0°时，即拖拉绳索向外侧呈一定夹角，拖拉力矩=拉力×实际作用长度，且实际作用长度明显小于滑轮直径，拖拉角度越大，实际作用长度越小，拖拉力矩越小，省力效能越低。

拖拉角度对定滑轮的影响，见图11。

拖拉角度为0°时，即滑轮两端绳索平行，绳索与轮槽接触面积最大，摩擦最大，省力效能最低；拖拉角度大于0°时，即拖拉绳索向外侧呈一定夹角，绳索与轮槽接触面积减小，拖拉角度越大，接触面积越小，摩擦越小，省力效能越高。

通过受力分析可知，动滑轮拖拉角度越小，形成的力矩越大，滑轮拖拉系统的RMA越高，实际省力效能越高；定滑轮拖拉角度越大，绳索与轮槽接触面积越小，摩擦越小，滑轮拖拉系统的RMA越高，实际省力效能越高。

5 结论

通过应用逐一计算，对比分析典型滑轮拖拉系统在不同条件下的效率，可得出如下结论：

①滑轮效率越高，RMA越高，实际省力效能越高；

②忽略A-Block的影响或视A-Block高效条件下，滑轮数量越少，RMA越高，实际省力效能越高；

③越高效率滑轮越远离A-Block，越靠近拖拉端，RMA越高，实际省力效能越高；

④避免绳索与滑轮侧板摩擦、绳索扭曲等，可提高实际省力效能；

⑤动滑轮拖拉角度越小，定滑轮拖拉角度越大，RMA越高，实际省力效能越高。

参考文献：

[1]张锡璋.滑轮和滑轮组效率及跑绳拉力的简化计算[J].起重运输机械，1994（12）：8-10.

[2]杨汝彬.快速拉升系统的原理与制作方法探索[J].产业与科技论坛，2012，11（14）：54-55.

[3]张禹海.快速拉升救助系统的工作原理及应用[J].消防技术与产品信息，2014（9）：62-64.

[4]GA 494—2004 消防用防坠落装备[S].

[5]BS EN 12278—2007 登山运动器材－滑轮－安全要求和试驗方法[S].

Efficiency Analysis on Pulley Hauling of Rope Rescue System

Lan Tianqi

（China Fire and Rescue Chongqing Motorized Professional Division， Chongqing 401133）

Abstract： This paper bases on the pulley， and illustrates the composition and type of the pulley hauling system， and puts forward the difference between the actual and ideal conditions of labor-saving ratio. Using mathematical methods， by comparing and analyzing the factors affecting the efficiency of the pulley hauling system， the efficiency of the pulley， The number， sequence， friction， and hauling angle have improved the efficiency of the hauling， so as to give full play to the effectiveness of the pulley hauling system， and provide reference for fire rescue teams and other professional rescue forces to optimize the application of the pulley hauling system in rope rescue.

Keywords： fire fighting; rope rescue; pulley; efficiency