繩索救助中滑輪運用的力學分析

赫中全 杜吉生

摘要：滑輪是繩索救助中一種典型、常用的輔助器材，其主要作用有改變作用力方向、省力、改變繩索運行軌跡和運輸被困者等，正確合理地運用滑輪是繩索救助行動高效運行的關鍵環節之一。滑輪的本質是一種特殊的杠桿，對這一本質的正確理解，有助于救援人員更加科學合理地運用滑輪。

關鍵詞：繩索救助;滑輪;運用;力學分析

中圖分類號：TU328? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2022）01-0005-04

繩索救助技術以其安全性、便捷性、實用性等顯著優勢在山岳、水域、高層建筑、狹小空間等消防救援領域得到了越來越多的應用，正在成為當前消防救援隊伍學習、研究的熱點技術之一。繩索救助技術作為一項專業化的救援技術，離不開專業化的器材裝備作為支撐，縱觀目前歐洲及北美等主流繩索救助技術體系，器材裝備的不斷推陳出新，成為繩索救助技術進步發展的重要動力。與此同時，新型器材裝備所蘊含的科技含量也在不斷增加，對于器材裝備正確運用方法的研究，也是繩索救助技術學習的一項重要內容?；喿鳛橐环N既古老、又新奇，既傳統、又創新的繩索救助器材，包含著豐富的知識，值得救援人員認真學習和研究。

1? 滑輪的分類

滑輪按照功能用途主要分為機械效益滑輪、運輸滑輪及整合功能滑輪三類。

1.1? 機械效益滑輪

機械效益滑輪主要是指在利用滑輪制作提升省力系統時用到的滑輪，從作用形式上看主要有定滑輪和動滑輪，從外形特征上看主要有普通滑輪和普魯士滑輪。

1.1.1? 普通滑輪

普通滑輪是指一般意義上的滑輪，具備滑輪的最基本形態和結構，如圖1（a）所示。

1.1.2? 普魯士滑輪

普魯士滑輪通常和普魯士抓結配合使用，滑輪側板底部采用類似直角設計，在保證主繩順利通過的同時，可以“推動”纏繞在主繩上的普魯士抓結，使得滑輪具有單向制動的功能，在救援過程中主要用作定滑輪，如圖1（b）所示。

1.2? 運輸滑輪

運輸滑輪用于在繩索或鋼纜上移動，用于轉移重物或疏散人員，主要有雙軸運輸滑輪、過結滑輪、鋼纜滑輪等幾類。雙軸運輸滑輪配有固定側板，同時兩個左右對稱的輪軸使其擁有良好的移動穩定性，如圖2（a）所示;過結滑輪也是在繩索上使用的運輸滑輪，由于它內部空間較大，當繩索上有繩結時也可以正常使用，如圖2（b）所示;鋼纜滑輪結構特殊，輪盤采用更輕更耐用的尼龍材質，主要用于纜車事故時使用，如圖2（c）所示。

1.3? 整合功能滑輪

隨著繩索救助技術的不斷發展，救助器材朝著結構緊湊、功能整合和輕量化的方向發展，這些器材的產生，減少了器材的使用數量，降低了繩索救助系統的操作難度，提高了救助行動的效率。例如CSR狹小空間專用救援滑輪，采用單軸雙層設計，方便制作多倍力省力提升系統;滑輪頂部掛點可以360°旋轉，方便調節救援狀態，如圖3（a）所示;再如MPD，是一種整合單向制停滑輪、負荷釋放和下降器的功能，能夠方便地完成提升系統和下放系統的相互轉換，如圖3（b、c）所示。

2? 滑輪的用途

滑輪是繩索救助行動中的常用器材，其用途主要有制作高錨點、制作提升省力系統和索道運輸三個方面：

2.1? 制作高錨點

繩索救助行動中搭建高錨點，實質上是改變繩索的運行軌跡，為救助行動創造更大的操作空間，以便于救助行動的順利開展，尤其是在跨越安全區域和危險區域的“邊緣”位置，往往都需要制作高錨點。比較典型的使用場景有山岳救助場景、高層建筑救助場景、豎井救助場景，如圖4所示。

在上述三種典型的救助場景下，需要將三腳架、消防梯等器材架設在懸崖邊緣、樓層窗口上沿或者井口頂部，設置高位變向滑輪，抬高救助繩索運行軌跡，使得救援人員和被救者能夠方便地從安全區域和危險區域之間進出。

2.2? 制作提升系統

提升系統是指在繩索救助過程中，利用滑輪和救助主繩組合成的各種形式的滑輪組系統，通過對其的操作，可以實現提升負荷省力的目的。提升系統主要由定滑輪和動滑輪構成。定滑輪通常連接在承重救助錨點上，其作用主要是改變救助主繩的運動方向;動滑輪往往通過抓繩裝置連接在救助主繩的適當位置;提升省力系統按照動滑輪運動方向、運動速度等方面與被提升負荷的異同，可以分為簡單省力系統，如圖5（a、b）所示，復合省力系統，如圖5（c）所示，還有更為復雜的省力系統。

2.3? 索道運輸

除了制作高錨點改變繩索運行軌跡和制作滑輪提升省力系統以外，滑輪還可以沿繩索運動，將被救者沿著架設好的索道運送到安全地帶，如圖6所示。

3? 滑輪的效率

3.1? 典型滑輪的效率

滑輪的效率是指在滑輪的實際運用中，由于滑輪輪軸類型不同、輪盤直徑大小差異以及繩索與滑輪之間的摩擦力等因素導致的滑輪實際省力效果小于理論省力效果的現象。以某品牌滑輪為例，滑輪因輪軸類型不同和輪盤直徑大小差異而造成滑輪效率的不同，如表1所示。

以通過定滑輪向上提升重物為例，在保證重物重力作用線與拉力之間平行的前提下，當使用效率為95%的RESCUE滑輪時，提升100kg重物所需的拉力105kg，而使用效率為71%的FIXE滑輪時，則需要140kg的拉力。

3.2? 滑輪效率產生的原因

滑輪作為一種特殊的杠桿，有兩個因素決定了滑輪的效率：

3.2.1? 滑輪輪盤尺寸

通常情況下，滑輪輪盤直徑越大效率越高，相反地，滑輪輪盤直徑越小，其效率也往往越低。

3.2.2? 滑輪軸承類型

滑輪軸承主要有兩種形式，分別是自潤滑軸承和密封滾珠軸承。自潤滑軸承的滑套通過其內壁上的孔隙儲藏潤滑油，并且孔隙的腔壁可在熱脹冷縮效應下實現潤滑油的擠出和吸回，從而保證輪軸和軸承之間良好的潤滑效果，因而滑輪裝置具有潤滑效果好、節約潤滑油的優點，但是自潤滑軸承必須要定期進行保養，如圖7（a）所示。

由于滾珠輪軸的滾珠能夠提供更高的機械效率，所以大多數的繩索救助滑輪都安置了封閉式滾珠軸承結構，滾珠軸承是全封閉結構，不用經常維護，如圖7（b）所示。

4? 滑輪運用的力學分析

4.1? 滑輪的本質——特殊的杠桿

杠桿是一種常用的簡單機械，在日常生活中有著廣泛的應用，分析杠桿離不開五個基本的要素，分別是支點、動力、阻力、動力臂和阻力臂。杠桿平衡的條件：

動力×動力臂=阻力×阻力臂

滑輪作為一種特殊的杠桿，研究分析繩索救助系統中滑輪的作用，同樣應從五要素入手。滑輪的典型使用狀態分別是定滑輪和動滑輪。定滑輪的實質是等臂杠桿，即動力臂=阻力臂。在理想使用狀態下，定滑輪的支點在滑輪輪盤圓心位置，動力臂和阻力臂長度皆為輪盤的半徑，為等臂杠桿，在這種情況下只能改變繩索運行的方向，但不能達到省力的目的，如圖8（a）所示;動滑輪的支點位于靠近承重錨點一側繩索與滑輪圓盤相切的位置，動力臂為輪盤的直徑，而阻力臂為輪盤的半徑，動力臂是阻力臂的兩倍，為非等臂杠桿，在這種情況下，根據杠桿平衡條件，動力（拉力）為阻力（重力）的一半，可以達到最佳的省力目的，如圖8（b）所示。

4.2? 動滑輪運行過程中的力學分析

在繩索救助具體實施時，由于受到地形地物等因素的制約，救援人員拖拉繩索很難按照動滑輪的理想狀態進行，出現角度變大的現象，導致動滑輪省力效能減弱的情況，如圖9所示。

如圖所示，此時拖拉方向由豎直向上改為斜向上，支點位置、動力臂、阻力臂等都在發生變化，省力情況也因此發生變化。設動滑輪兩側繩子之間的夾角為α，重物重力作用線與繩子之間的夾角為β，則β=α/2，根據三角函數關系得出：

動力臂OA=OC·sin（180°-α）=OC·sin2β=

2OC·sinβcosβ

阻力臂OB=OC·sinβ

根據杠桿平衡原理可以得出：

可以推導出：

（1）當α=0°時，是動滑輪的理想使用狀態，，即省一半力;

（2）當α=120°時，，此時動滑輪為等臂杠桿，既不省力，也不費力;

（3）當0°≤α<120°時，，動滑輪為省力杠桿;

（4）當120°<α<180°時，動滑輪為費力杠桿。

5? 結語

（1）理想狀態下定滑輪是等臂杠桿，只能改變繩索的運行方向，不能省力;動滑輪的動力臂是阻力臂的兩倍，可以省一半的力，但要耗費兩倍的距離;

（2）當動滑輪兩側繩索夾角在0°～120°時，動滑輪為省力杠桿;當夾角在120°～180°時，動滑輪為費力杠桿;

（3）繩索救助行動中設置滑輪組的初衷是為了達到省力的目的，但實際過程中往往出現省力效果不如理論分析的那樣高甚至不能夠省力，主要因素是：①滑輪自身的效率問題;②拖拉操作角度問題;③繩索直徑與滑輪要求之間的適應性問題。

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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