繩索救助中滑輪運(yùn)用的力學(xué)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(yùn)行軌跡和運(yùn)輸被困者等，正確合理地運(yùn)用滑輪是繩索救助行動(dòng)高效運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。滑輪的本質(zhì)是一種特殊的杠桿，對(duì)這一本質(zhì)的正確理解，有助于救援人員更加科學(xué)合理地運(yùn)用滑輪。

關(guān)鍵詞：繩索救助;滑輪;運(yùn)用;力學(xué)分析

中圖分類號(hào)：TU328? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：2096-1227（2022）01-0005-04

繩索救助技術(shù)以其安全性、便捷性、實(shí)用性等顯著優(yōu)勢在山岳、水域、高層建筑、狹小空間等消防救援領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用，正在成為當(dāng)前消防救援隊(duì)伍學(xué)習(xí)、研究的熱點(diǎn)技術(shù)之一。繩索救助技術(shù)作為一項(xiàng)專業(yè)化的救援技術(shù)，離不開專業(yè)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(shù)體系，器材裝備的不斷推陳出新，成為繩索救助技術(shù)進(jìn)步發(fā)展的重要?jiǎng)恿?。與此同時(shí)，新型器材裝備所蘊(yùn)含的科技含量也在不斷增加，對(duì)于器材裝備正確運(yùn)用方法的研究，也是繩索救助技術(shù)學(xué)習(xí)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。滑輪作為一種既古老、又新奇，既傳統(tǒng)、又創(chuàng)新的繩索救助器材，包含著豐富的知識(shí)，值得救援人員認(rèn)真學(xué)習(xí)和研究。

1? 滑輪的分類

滑輪按照功能用途主要分為機(jī)械效益滑輪、運(yùn)輸滑輪及整合功能滑輪三類。

1.1? 機(jī)械效益滑輪

機(jī)械效益滑輪主要是指在利用滑輪制作提升省力系統(tǒng)時(shí)用到的滑輪，從作用形式上看主要有定滑輪和動(dòng)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(tài)和結(jié)構(gòu)，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(jié)配合使用，滑輪側(cè)板底部采用類似直角設(shè)計(jì)，在保證主繩順利通過的同時(shí)，可以“推動(dòng)”纏繞在主繩上的普魯士抓結(jié)，使得滑輪具有單向制動(dòng)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(yùn)輸滑輪

運(yùn)輸滑輪用于在繩索或鋼纜上移動(dòng)，用于轉(zhuǎn)移重物或疏散人員，主要有雙軸運(yùn)輸滑輪、過結(jié)滑輪、鋼纜滑輪等幾類。雙軸運(yùn)輸滑輪配有固定側(cè)板，同時(shí)兩個(gè)左右對(duì)稱的輪軸使其擁有良好的移動(dòng)穩(wěn)定性，如圖2（a）所示;過結(jié)滑輪也是在繩索上使用的運(yùn)輸滑輪，由于它內(nèi)部空間較大，當(dāng)繩索上有繩結(jié)時(shí)也可以正常使用，如圖2（b）所示;鋼纜滑輪結(jié)構(gòu)特殊，輪盤采用更輕更耐用的尼龍材質(zhì)，主要用于纜車事故時(shí)使用，如圖2（c）所示。

1.3? 整合功能滑輪

隨著繩索救助技術(shù)的不斷發(fā)展，救助器材朝著結(jié)構(gòu)緊湊、功能整合和輕量化的方向發(fā)展，這些器材的產(chǎn)生，減少了器材的使用數(shù)量，降低了繩索救助系統(tǒng)的操作難度，提高了救助行動(dòng)的效率。例如CSR狹小空間專用救援滑輪，采用單軸雙層設(shè)計(jì)，方便制作多倍力省力提升系統(tǒng);滑輪頂部掛點(diǎn)可以360°旋轉(zhuǎn)，方便調(diào)節(jié)救援狀態(tài)，如圖3（a）所示;再如MPD，是一種整合單向制停滑輪、負(fù)荷釋放和下降器的功能，能夠方便地完成提升系統(tǒng)和下放系統(tǒng)的相互轉(zhuǎn)換，如圖3（b、c）所示。

2? 滑輪的用途

滑輪是繩索救助行動(dòng)中的常用器材，其用途主要有制作高錨點(diǎn)、制作提升省力系統(tǒng)和索道運(yùn)輸三個(gè)方面：

2.1? 制作高錨點(diǎn)

繩索救助行動(dòng)中搭建高錨點(diǎn)，實(shí)質(zhì)上是改變繩索的運(yùn)行軌跡，為救助行動(dòng)創(chuàng)造更大的操作空間，以便于救助行動(dòng)的順利開展，尤其是在跨越安全區(qū)域和危險(xiǎn)區(qū)域的“邊緣”位置，往往都需要制作高錨點(diǎn)。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(shè)在懸崖邊緣、樓層窗口上沿或者井口頂部，設(shè)置高位變向滑輪，抬高救助繩索運(yùn)行軌跡，使得救援人員和被救者能夠方便地從安全區(qū)域和危險(xiǎn)區(qū)域之間進(jìn)出。

2.2? 制作提升系統(tǒng)

提升系統(tǒng)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(tǒng)，通過對(duì)其的操作，可以實(shí)現(xiàn)提升負(fù)荷省力的目的。提升系統(tǒng)主要由定滑輪和動(dòng)滑輪構(gòu)成。定滑輪通常連接在承重救助錨點(diǎn)上，其作用主要是改變救助主繩的運(yùn)動(dòng)方向;動(dòng)滑輪往往通過抓繩裝置連接在救助主繩的適當(dāng)位置;提升省力系統(tǒng)按照動(dòng)滑輪運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)速度等方面與被提升負(fù)荷的異同，可以分為簡單省力系統(tǒng)，如圖5（a、b）所示，復(fù)合省力系統(tǒng)，如圖5（c）所示，還有更為復(fù)雜的省力系統(tǒng)。

2.3? 索道運(yùn)輸

除了制作高錨點(diǎn)改變繩索運(yùn)行軌跡和制作滑輪提升省力系統(tǒng)以外，滑輪還可以沿繩索運(yùn)動(dòng)，將被救者沿著架設(shè)好的索道運(yùn)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(shí)際運(yùn)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(dǎo)致的滑輪實(shí)際省力效果小于理論省力效果的現(xiàn)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(dāng)使用效率為95%的RESCUE滑輪時(shí)，提升100kg重物所需的拉力105kg，而使用效率為71%的FIXE滑輪時(shí)，則需要140kg的拉力。

3.2? 滑輪效率產(chǎn)生的原因

滑輪作為一種特殊的杠桿，有兩個(gè)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(nèi)壁上的孔隙儲(chǔ)藏潤滑油，并且孔隙的腔壁可在熱脹冷縮效應(yīng)下實(shí)現(xiàn)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(jié)約潤滑油的優(yōu)點(diǎn)，但是自潤滑軸承必須要定期進(jìn)行保養(yǎng)，如圖7（a）所示。

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

4? 滑輪運(yùn)用的力學(xué)分析

4.1? 滑輪的本質(zhì)——特殊的杠桿

杠桿是一種常用的簡單機(jī)械，在日常生活中有著廣泛的應(yīng)用，分析杠桿離不開五個(gè)基本的要素，分別是支點(diǎn)、動(dòng)力、阻力、動(dòng)力臂和阻力臂。杠桿平衡的條件：

動(dòng)力×動(dòng)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(tǒng)中滑輪的作用，同樣應(yīng)從五要素入手?；喌牡湫褪褂脿顟B(tài)分別是定滑輪和動(dòng)滑輪。定滑輪的實(shí)質(zhì)是等臂杠桿，即動(dòng)力臂=阻力臂。在理想使用狀態(tài)下，定滑輪的支點(diǎn)在滑輪輪盤圓心位置，動(dòng)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(yùn)行的方向，但不能達(dá)到省力的目的，如圖8（a）所示;動(dòng)滑輪的支點(diǎn)位于靠近承重錨點(diǎn)一側(cè)繩索與滑輪圓盤相切的位置，動(dòng)力臂為輪盤的直徑，而阻力臂為輪盤的半徑，動(dòng)力臂是阻力臂的兩倍，為非等臂杠桿，在這種情況下，根據(jù)杠桿平衡條件，動(dòng)力（拉力）為阻力（重力）的一半，可以達(dá)到最佳的省力目的，如圖8（b）所示。

4.2? 動(dòng)滑輪運(yùn)行過程中的力學(xué)分析

在繩索救助具體實(shí)施時(shí)，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(dòng)滑輪的理想狀態(tài)進(jìn)行，出現(xiàn)角度變大的現(xiàn)象，導(dǎo)致動(dòng)滑輪省力效能減弱的情況，如圖9所示。

如圖所示，此時(shí)拖拉方向由豎直向上改為斜向上，支點(diǎn)位置、動(dòng)力臂、阻力臂等都在發(fā)生變化，省力情況也因此發(fā)生變化。設(shè)動(dòng)滑輪兩側(cè)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(jù)三角函數(shù)關(guān)系得出：

動(dòng)力臂OA=OC·sin（180°-α）=OC·sin2β=

2OC·sinβcosβ

阻力臂OB=OC·sinβ

根據(jù)杠桿平衡原理可以得出：

可以推導(dǎo)出：

（1）當(dāng)α=0°時(shí)，是動(dòng)滑輪的理想使用狀態(tài)，，即省一半力;

（2）當(dāng)α=120°時(shí)，，此時(shí)動(dòng)滑輪為等臂杠桿，既不省力，也不費(fèi)力;

（3）當(dāng)0°≤α<120°時(shí)，，動(dòng)滑輪為省力杠桿;

（4）當(dāng)120°<α<180°時(shí)，動(dòng)滑輪為費(fèi)力杠桿。

5? 結(jié)語

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

（2）當(dāng)動(dòng)滑輪兩側(cè)繩索夾角在0°～120°時(shí)，動(dòng)滑輪為省力杠桿;當(dāng)夾角在120°～180°時(shí)，動(dòng)滑輪為費(fèi)力杠桿;

（3）繩索救助行動(dòng)中設(shè)置滑輪組的初衷是為了達(dá)到省力的目的，但實(shí)際過程中往往出現(xiàn)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(yīng)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