邊緣切割作用對尼龍夾芯繩強度影響的實驗研究

張禹海講師 程泉裕

(1.中國人民警察大學 救援指揮學院，河北 廊坊 065000；2.安徽省消防救援總隊馬鞍山支隊，安徽 馬鞍山 230000)

0 引言

隨著國家應急管理模式改革，消防救援隊伍將建設成為一支能力全面、面向全災種、能夠處置多災型的應急救援隊伍。在任務繁重的救援行動中，繩索救援由于其高效、靈活、適用范圍廣等優(yōu)點，在全國消防救援隊伍范圍內(nèi)被廣泛使用。繩索更是作為消防員的“第二生命”被各級消防機構重視，在確保消防員自身安全的同時也為救助被困人員提供有力保障[1]。然而在實際救援及訓練過程中，繩索難免會受到混凝土、金屬等物體的摩擦而導致繩索磨損，如何正確評判繩索受到磨損后的情況，判斷繩套、繩芯與棱角邊緣切割一定次數(shù)后繩索的狀態(tài)，對消防救援隊伍在繩索救援技術的理論創(chuàng)新、實踐應用以及裝備維護保養(yǎng)等方面具有重要的指導意義。

由于我國的繩索救援技術起步較晚，相關科學技術大多來源于歐洲、日本以及北美等較為發(fā)達的國家和地區(qū)。近年來，消防隊伍、院校、科研院所陸續(xù)組織開展關于繩索使用技術和保養(yǎng)維護方面的教學、培訓、實戰(zhàn)應用等活動，但繩索救援技術的科學研究仍處于探索階段，如中國人民警察大學繩索救助技術研究中心在該領域深耕多年，對繩索救助系統(tǒng)、典型繩結剩余強度、滑輪系統(tǒng)、錨點系統(tǒng)等關鍵技術進行深入研究，且為消防救援隊伍培養(yǎng)大批優(yōu)秀的指揮員[2-8]。國外針對繩索切割的研究主要是探究切割實驗對不同材質(zhì)繩索的影響，分析哪種繩索更適合于救援行動，但并沒有討論不同類型的鋒利邊緣對同種繩子的切割，如Mike Forbes[9]開展多組鋒利邊緣切割繩索的實驗，分析比較尼龍繩、滌綸繩、合成纖維繩、聚烯烴繩等性能。

上述研究為繩索救援技術研究提供有益的借鑒和參考，但消防救援中常見的鋒利邊緣對繩索切割作用的研究仍處于空白階段。因此，本文將通過實驗的方法，分析和研究不同種類鋒利邊緣的切割作用對尼龍夾芯繩強度的影響，模擬真實環(huán)境影響救援繩索安全的因素，證明在繩索救援中鋒利邊緣對繩索造成的不可逆的損傷，明確要盡量避免繩索直接與尖銳物品的接觸，探究使用繩索保護墊布等保護器具的必要性。

1 繩索救援中的邊緣切割因素

在繩索救援行動中，繩索與各類堅硬棱角的物體直接摩擦，將導致繩索繩套受損，進一步摩擦后則將暴露出繩索中的主要承重物——繩芯。在消防救援行動中，主要存在2種易對繩索產(chǎn)生嚴重磨損的鋒利邊緣：混凝土邊緣和金屬邊緣。

1.1 混凝土邊緣

混凝土是指用水泥作為膠凝材料，砂、石等做集料，與水按一定比例混合攪拌而得的水泥混凝土，是一種強度很高的人工石材?，F(xiàn)如今城市建筑、橋梁等大多采用鋼筋混凝土結構，日常生活極為常見。在消防救援現(xiàn)場，尤其是高層建筑和一般住宅的救援中，常常需要構建繩索提升和下放系統(tǒng)對被困人員進行救助，同時對救援人員進行保護。大多數(shù)時候救援繩索需要越過混凝土邊緣，與其直角邊緣直接接觸發(fā)生擠壓切割，會造成繩索受到一定程度的磨損[10-12]。

1.2 金屬邊緣

金屬材料廣泛應用于生產(chǎn)生活中，主要有不銹鋼、鐵、鋁等材質(zhì)金屬。消防救援中常常會接觸金屬材料制作的產(chǎn)品，如高層建筑或者一般住宅建筑發(fā)生火災時，解救被困室內(nèi)人員，必要時需要建立繩索下降系統(tǒng)從屋頂通過窗戶進入房間，這就會越過金屬制作的窗戶邊緣，繩索在窗檐的切割下磨損。另外，在搶險救援過程中，繩索跨過一般的金屬建(構)筑物都會發(fā)生一定程度的切割[10-12]。

2 繩索邊緣切割實驗

2.1 實驗原理

本實驗通過模擬真實救援環(huán)境，實驗過程中控制測試繩長度、切割部位、擺動角度和承重物保持不變，保證每次切割邊緣的長度一定、切割程度相同，改變繩索的切割次數(shù)，再利用臥式拉力測試機測量繩索切割之后的剩余強度，并與最大抗拉強度進行對比，從而對繩索切割后的損傷進行量化。

2.2 混凝土邊緣切割繩索實驗

實驗過程：首先利用輔助繩索制作的3∶1滑輪提升系統(tǒng)將假人從地面提升至混凝土鋒利邊緣附近，然后將5m長、11mm直徑的全新Beal品牌尼龍夾芯繩(最大抗拉強度34kN，繩芯數(shù)量16根)一端固定在選好的錨點上，另一端與假人連接，使繩子中間部分經(jīng)過混凝土邊緣(誤差不超過5cm)，之后將承重力由輔助繩索轉移至測量繩索，再對繩索進行橫向水平切割。切割共需4人操作，左右各2人，將牽引繩索每次以相同速率拉動，對繩子進行5次相同程度切割，混凝土邊緣長45cm，切割完成后，更換實驗用繩索，重復依次進行10、15、20、25、30次切割。實驗過程及樣本，如圖1、2。

圖1 混凝土邊緣切割繩索實驗

從圖2實驗樣本可以較為明顯地看出：5次切割后，繩套只受到輕微磨損，繩芯并未受到影響；10次切割后，繩套磨損比較嚴重，繩芯并未受到影響；15次切割后，繩套一大半已經(jīng)磨斷，繩芯暴露；20次切割后，繩套一大半已經(jīng)磨斷，繩芯暴露；25次切割后，繩套已經(jīng)完全斷裂，繩芯有輕微磨損，但并未斷裂；30次切割后，繩套已經(jīng)完全斷裂，繩芯有輕微磨損，但并未斷裂。使用游標卡尺測量切割處繩索的寬度，其中已知尼龍夾芯繩原始寬度為11mm。

圖2 混凝土邊緣切割繩索實驗樣本

切割完成后，再將6根實驗樣本繩索用臥式拉力測試機進行拉伸，在2邊柱上各打上無張力繩結，控制機器逐漸增大拉力，觀察繩索由延展到斷裂的過程，如圖3。對應拉伸實驗數(shù)據(jù)，見表1。

圖3 混凝土切割樣本拉伸實驗

表1 11mm尼龍夾芯繩混凝土邊緣切割實驗數(shù)據(jù)表

由表1可以看出，隨著切割次數(shù)的增加，繩索的繩套磨損程度加大，甚至完全損壞，繩芯的暴露程度增大，切割部位寬度明顯變大。同時，通過觸摸發(fā)現(xiàn)，切割部位繩索硬度減小。此外隨著切割次數(shù)的增加，繩索所能承受的剩余強度明顯減小，最大力變形和最大伸長率逐漸減小，說明繩索混凝土邊緣切割次數(shù)增加，繩索承重力等指標顯著降低。繩索的繩套主要對繩索起到摩擦保護的作用，繩芯主要是承重作用，但前4組實驗繩索的繩套沒有完全被切割斷裂，繩索在拉伸變形過程中均是繩套先斷裂，然后繩芯到達承重極限再斷裂，因此證明繩套對于繩索而言同時亦起到承重保護作用。在拉伸實驗中，第5組和第6組樣本的繩套都已在切割實驗中全部斷裂，剩下的繩芯部分雖然沒有斷裂，但也受到切割作用，因此其拉伸時主要是對繩芯進行拉伸，通過2次實驗可以發(fā)現(xiàn)11mm尼龍夾芯繩中繩芯的承重基本在11.9kN左右。

圖4是繩索在混凝土邊緣切割30次樣本進行拉伸實驗的力值—變形圖，其受力曲線在上升較長距離后有2次比較明顯的下降，之后達到受力峰值，然后曲線呈下降趨勢，且在下降過程中有多次的曲線回升現(xiàn)象，這是由于隨著繩索的牽拉，繩芯承重逐漸增大，在達到受力極限之前，已經(jīng)受到切割磨損的繩芯會先行斷裂，斷裂后拉力機的測量值就會小幅回落，在達到受力峰值后，繩芯會逐個依次斷裂，每次繩芯斷裂后拉力機的測量值就會小幅回升，然后繩芯繼續(xù)斷裂，直至繩芯全部斷裂，最終受力曲線顯示拉力值為0。然而在實驗過程中，亦發(fā)現(xiàn)繩芯斷裂并不都是規(guī)律性的依次斷裂，有時會出現(xiàn)一次性全部斷裂的情況，即圖像直接到達橫軸的零點，這是由于各個繩芯受力比較均勻，因此會在達到受力峰值后一次性斷裂。

圖4 混凝土邊緣切割尼龍夾芯繩30次拉伸力值—變形圖

2.3 金屬邊緣切割繩索實驗

實驗過程：首先利用輔助繩索制作的3∶1滑輪提升系統(tǒng)將假人從地面提升至金屬鋒利邊緣附近，然后將5m長、10.5mm直徑的Beal品牌尼龍夾芯繩(最大抗拉強度27kN，繩芯數(shù)量10根)一端固定在選好的錨點上，另一端與假人連接，使繩子中間部分經(jīng)過金屬鋒利邊緣(誤差不超過5cm)，之后將承重力由輔助繩索轉移至測量繩索，再對繩索進行橫向水平切割。切割共需4人操作，左右各2人，將經(jīng)過安全鉤的繩索每次以相同速率拉動，對繩子進行5次相同程度切割，切割完成后，更換實驗繩索，再依次進行10、20、30、40次切割，其中，金屬邊緣長60cm。實驗過程及樣本，如圖5、6。

圖5 金屬邊緣切割繩索實驗

圖6可以較為明顯地看出：5次切割后，繩套只受到輕微磨損，繩芯完好；10次切割后，繩套磨損較為輕微，繩芯完好；20次切割后，繩套斷裂大半，繩芯部分磨損，沒有斷裂；30次切割后，繩套斷裂大半，繩芯有部分磨損，沒有斷裂；40次切割后，繩套全部斷裂，繩芯有3根處于即將斷裂的狀態(tài)，剩余7根繩芯也受到磨損。切割實驗后，使用游標卡尺測量切割處繩索的寬度，記錄數(shù)據(jù)，見表2。

圖6 金屬邊緣切割繩索實驗樣本

表2 10.5mm尼龍夾芯繩金屬邊緣切割實驗數(shù)據(jù)表

切割完成后，再將5根實驗樣本繩索用臥式拉力測試機進行拉伸，控制機器逐漸增大拉力，觀察繩索由伸展到斷裂的過程，室內(nèi)臥式拉力測試機拉伸實驗數(shù)據(jù)，見表2。

由表2可以看出，隨著切割次數(shù)的增加，繩索的繩套磨損程度加大，甚至完全損壞，繩芯暴露程度也增大，切割部位的寬度明顯變大。同時，通過觸摸發(fā)現(xiàn)，切割部位繩索硬度減小。隨著繩索金屬邊緣切割次數(shù)的增加，繩索的剩余強度等各項指標均呈顯著下降趨勢，與混凝土邊緣切割實驗結論是相同的。第3組和第4組的剩余強度占比相差3%左右，可以認為是比較接近的，這是由于切割20和30次的樣本狀態(tài)較為接近，都是繩套斷裂大半，繩芯有部分磨損，故而實驗數(shù)據(jù)較為接近，最大力變形和最大伸長率比較接近。第5組實驗的剩余強度、最大力變形、最大伸長率和剩余強度占比的數(shù)據(jù)都顯著低于前4組，原因是切割后的樣本繩套完全斷裂，并且繩芯也在切割作用下磨損較嚴重，故而其最大抗拉強度、最大力變形、最大伸長率和剩余強度都比較小。

圖7是繩索在金屬邊緣切割10次的樣本進行拉伸實驗的力值—變形圖，其圖像呈指數(shù)曲線上升趨勢，到達最大受力極限值時，其受力曲線直接下降至零點位置，與在金屬邊緣切割5次樣本的拉伸圖形基本一致，這是由于在金屬邊緣切割5次、10次的樣本，繩套磨損較輕微，繩芯完好，在拉伸實驗中，繩索橫向受力較均勻，因此在達到極限受力值時沒有發(fā)生繩套斷裂后繩芯依次斷裂的情況。

圖7 金屬邊緣切割尼龍夾心繩10次拉伸力值—變形圖

通過上述2個實驗可以得知，在繩索救援行動和日常訓練中，切割作用確實會使繩索的強度降低，即使在日常生活中常見的混凝土和金屬邊緣上對繩索進行摩擦切割，單人承重下經(jīng)過5-10次作用，繩索的繩套即會出現(xiàn)磨損開裂的情況，這樣的繩索是絕對禁止在繩索救援中繼續(xù)使用的。因此，對經(jīng)過鋒利邊緣的繩索必須使用墊布等保護器具，而在消防日常繩索訓練過程中，一些繩索只要出現(xiàn)繩套磨損就會被放棄使用，這其實亦是一種資源浪費，這些繩套輕微磨損、繩芯未暴露的繩索仍可以用于一些訓練場景，如承擔輔繩保護作用，因為通過實驗發(fā)現(xiàn)，2種邊緣切割環(huán)境下經(jīng)過5次切割的繩索，其剩余強度仍為85%以上，但是由于人員操作的熟練程度和其斷裂的不確定性，絕對不能作為主救助繩索使用，而對于繩套磨損相對嚴重的繩索，可以通過在磨損部位打蝴蝶結的方法避開磨損部位的直接受力，雖然繩索打結后其剩余強度亦會降低，但其安全性會更高。另外，在救援行動和訓練中要注意堅決不能使用繩套斷裂、繩芯已經(jīng)受損的繩索，因為此時繩索斷裂的可能性是不確定的。

3 結論

(1)當切割邊緣材質(zhì)和實驗繩索相同的情況下，切割次數(shù)越多，繩套磨損程度越大，繩芯的暴露程度越大，繩索切割部位的寬度越大，硬度越低，被切割部位呈現(xiàn)絨絮散開蓬松狀態(tài)。在拉力測試機上拉伸時，繩索的剩余強度越低，剩余強度占比越低，其最大力變形距離和最大伸長率越低。

(2)繩索的最大抗拉強度很大程度上與繩芯有關。繩套固然有一定承重能力，但主要起切割磨損保護作用，在繩套斷裂之后，繩芯仍然能承受較大拉力，并且要大于繩套的承重，繩芯的數(shù)量也是繩索最大抗拉強度的影響因素，且數(shù)量越多，其最大抗拉強度越大。因此繩索的最大抗拉強度與繩芯的強度、數(shù)量有關，且成正比關系。

(3)繩芯在斷裂過程中，并不是規(guī)律性的一根根依次斷裂，有時會在拉力作用下一次性全部斷裂。這說明拉力作用下，繩索的延展作用會使其橫截面積減少，每一根所能承受的應力隨之減少，從而小于作用其上的拉力。隨著拉力增大，其一次性全部斷裂的可能性就越大，相應的最大力變形和最大伸長率就會越低。

(4)受限于實驗耗材成本等因素，本文的研究仍然有值得完善的地方，未來對繩索切割實驗和其最大抗拉強度的研究可以結合繩索單個繩芯、單個繩套強度等繩索特性的具體指標，以及切割邊緣角度變換、鋒利程度等指標進行更加深入的研究，當然這需要結合更專業(yè)的理論知識。