繩索救援中滑輪拖拉系統(tǒng)的效率分析

蘭天其

摘要：從滑輪角度出發(fā)，闡述滑輪拖拉系統(tǒng)的構(gòu)成和類型，提出省力比在實際和理想情況下的區(qū)別，應(yīng)用數(shù)學(xué)方法，通過對比分析滑輪拖拉系統(tǒng)效率的影響因素，得出利用滑輪的效率、數(shù)量、順序、摩擦和拖拉角度等提高拖拉效率的結(jié)論，以此發(fā)揮滑輪拖拉系統(tǒng)的最大省力效能，為消防救援隊伍及其他專業(yè)救援力量在繩索救援或訓(xùn)練中優(yōu)化滑輪拖拉系統(tǒng)應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：消防；繩索救援；滑輪；效率

繩索技術(shù)作為消防救援隊伍重要的技術(shù)手段，被廣泛運用于搶險救援、社會救助等各方面。某些救援場景中，消防指戰(zhàn)員往往利用繩索，通過一定的拖拉方式，向上拖拉被救人員及救援人員。傳統(tǒng)的拖拉方式單一低效，存在一定的風(fēng)險，如多人直接抓握繩索拖拉。在繩索救援中如何優(yōu)化滑輪拖拉系統(tǒng)，提高拖拉效率，快速完成救援行動，成為當(dāng)前繩索救援界及消防領(lǐng)域研究的課題。

國內(nèi)的專家學(xué)者對于繩索救援中滑輪拖拉系統(tǒng)的效率問題進(jìn)行了相關(guān)研究分析：張錫璋從工程機(jī)械的角度分析了滑輪和滑輪組的效率，對跑繩拉力進(jìn)行了簡化計算[1]；楊汝彬介紹了簡易、常規(guī)、快速三種常用拉升系統(tǒng)，分析了工作原理和制作方法，提出了相關(guān)注意要點[2]；張禹海介紹了快速拉升救助系統(tǒng)，并劃分為簡單、組合和復(fù)雜三類，利用“T計算法”進(jìn)行了應(yīng)力分析，較大程度上借鑒了北美CMC繩索救援技術(shù)[3]。

以上的研究從機(jī)械計算、原理解釋和制作方法等方面研究滑輪組的拖拉問題，但是對繩索救援中滑輪拖拉系統(tǒng)的效率及應(yīng)用缺乏深入研究。因此，本文從滑輪和滑輪拖拉系統(tǒng)出發(fā)，對省力比進(jìn)行闡明，指出影響效率的因素，得出提高滑輪拖拉系統(tǒng)效率的結(jié)論，為消防救援隊伍及其他專業(yè)救援力量優(yōu)化繩索救援滑輪拖拉系統(tǒng)應(yīng)用提供參考。

1 滑輪

滑輪泛指可以繞著中心軸旋轉(zhuǎn)的圓輪。繩索救援用滑輪應(yīng)符合GA494—2004《消防用防墜落裝備》、BSEN12278—2007《登山運動器材－滑輪－安全要求和試驗方法》和ANSI/NFPA 1983—2011《應(yīng)急服務(wù)用安全繩和設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)》等標(biāo)準(zhǔn)要求，繩索救援用滑輪見圖1。

GA494—2004《消防用防墜落裝備》將滑輪歸類為輔助設(shè)備，解釋為與安全繩、安全吊帶、安全腰帶配套使用的承載部件[4]。BSEN12278—2007《登山運動器材－滑輪－安全要求和試驗方法》將滑輪定義為設(shè)有一個或多個滑槽的裝置，該裝置能連接繩索（動力繩和低延展夾心繩）或輔繩與安全鉤用于保護(hù)登山者，可以減少繩索或輔繩受力移動時的摩擦[5]。

1.1? 類型

在繩索救援中，目前常用于滑輪拖拉系統(tǒng)的滑輪根據(jù)軸承與輪槽接觸方式的不同，可分為軸芯式和滾珠式，見圖2。

軸芯式滑輪，軸承與輪槽的接觸部分直接利用潤滑油油封，機(jī)械摩擦較大。滾珠式滑輪，軸承與輪槽的接觸部分存在多個滾珠，再利用潤滑油油封，機(jī)械摩擦較小。

1.2? 效率

繩索救援用滑輪效率參照技術(shù)說明書，其中，軸芯式滑輪效率普遍較低，一般為70%左右；滾珠式滑輪效率普遍較高，可達(dá)90%或更高。然而繩索救援中，由于缺少維護(hù)保養(yǎng)、使用方式不當(dāng)、異物滲入等影響因素，滑輪實際效率通常比技術(shù)說明書低。

2 滑輪拖拉系統(tǒng)

滑輪拖拉系統(tǒng)通常由滑輪、抓繩器、繩索等器材制作，可實現(xiàn)省力拖拉的功能。繩索救援中，除了自制滑輪拖拉系統(tǒng)，還有成型的滑輪拖拉套裝被廣泛應(yīng)用于絕大多數(shù)場景。

2.1? 滑輪拖拉系統(tǒng)構(gòu)成

繩索救援中，滑輪拖拉系統(tǒng)主要由A-Block、B-Block和Re-Direction構(gòu)成（見圖3），某些情況下還包括為完成一定省力比的定滑輪。下文均以A-Block固定進(jìn)行示例研究。

A-Block，即A模塊，要求具有滑輪和自動制停的功能，任何時候松手停止拖拉，應(yīng)自動鎖止，防止繩索脫離，避免拖拉物體發(fā)生墜落。正是由于A-Block的防墜落作用，通常位于滑輪拖拉系統(tǒng)最前方，保證后方繩索隨時可松弛調(diào)整，一般利用MAESTRO、CLUTCH、MPD、ID、SPARROW等器材，或是由滑輪和抓結(jié)、抓繩器組成。

B-Block，即B模塊，是具有復(fù)位功能的動滑輪，可反復(fù)拖拉。B-Block通常位于A-Block后方，一般利用滑輪、安全鉤、抓繩器或抓結(jié)組成。

Re-Direction，即轉(zhuǎn)向模塊，是根據(jù)需要設(shè)置的定滑輪，主要用于改變拖拉方向，一般利用滑輪和安全鉤組成。

2.2 滑輪拖拉系統(tǒng)類型

滑輪拖拉系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置方式的不同主要分為簡單型（Sm，Simple）、復(fù)合型（Cm，Compound）和混合型（Cx，Complex）三類：

滑輪拖拉系統(tǒng)可按照縮寫、省力比和是否轉(zhuǎn)向簡化表示，如簡單型滑輪拖拉系統(tǒng)省力比為3：1，且改變拖拉方向，則表示為Sm3：1+Re，見圖4a；復(fù)合型滑輪拖拉系統(tǒng)省力比為9：1，且不改變拖拉方向，則表示為Cm9：1，見圖4b；混合型滑輪拖拉系統(tǒng)省力比為5：1，且不改變拖拉方向，則表示為Cx5：1，見圖4c。

3 省力比

省力比，常用于表示滑輪拖拉系統(tǒng)的省力效果。滑輪拖拉系統(tǒng)在繩索救援中被視為重要的省力手段，應(yīng)明確省力比在理想和實際情況下的區(qū)別，利用一定的計算方法，得出相應(yīng)省力比值，才能理解滑輪拖拉系統(tǒng)省力的原因和具體效果。

3.1? IMA（Ideal Mechanical Advantage）和RMA（Real

Mechanical Advantage）

IMA和RMA用于表征滑輪拖拉系統(tǒng)的省力效率，分析滑輪拖拉系統(tǒng)的省力比。

IMA，即理想機(jī)械效益，是指理想情況下，滑輪拖拉系統(tǒng)輸出力量與輸入力量的比值。通常所說的滑輪拖拉系統(tǒng)省力比是指IMA，在數(shù)值上相互等同，如IMASm5：1，表示其理想機(jī)械效益為5，輸入1kN的力，理想情況下輸出5kN的力用以拖拉。

RMA，即實際機(jī)械效益，是指在考慮器材效率、機(jī)械摩擦等影響因素的實際情況下，滑輪拖拉系統(tǒng)輸出力量與輸入力量的比值。通常繩索救援中應(yīng)更關(guān)注RMA，如RMASm5：1需在具體條件下測出，其實際機(jī)械效益必然低于5，輸入1kN的力，實際情況下輸出低于5kN的力用以拖拉。

3.2 張力計算法

張力計算法，是分析滑輪拖拉系統(tǒng)效率的重要數(shù)學(xué)方法，用于解釋省力比，理解IMA和RMA。在受力緊繃的滑輪拖拉系統(tǒng)中，根據(jù)定滑輪和動滑輪的省力特性，結(jié)合滑輪的效率，逐一計算通過滑輪的繩索受力，得出輸出力量與輸入力量的比值。

張力計算法的基本計算步驟：

①在滑輪拖拉系統(tǒng)的力量輸入端施加一定的力；

②向力量輸出端逐一計算滑輪、抓繩器或抓繩兩端繩索受力，滑輪力量輸出值等于力量輸入值乘以滑輪或A-Block的效率；直到計算并標(biāo)注出滑輪拖拉系統(tǒng)力量輸出端的力為止；

③計算輸出力量與輸入力量的比值。

其中，計算IMA時，滑輪兩端繩索受力一致；計算RMA時，以僅考慮滑輪效率為宜，其他摩擦等影響因素較難確定，通過滑輪的繩索受力數(shù)值等于未通過滑輪的繩索受力乘以滑輪效率。

按照此法分別計算Sm5：1、Cx5：1的IMA和RMA，計算IMA時，所有器材效率均為100%，假設(shè)輸入力量為1kN，則Sm5：1和Cx5：1的輸出力量均為5kN，即IMA Sm5：1=IMA Cx5：1=5，見圖5。

計算RMA時，僅考慮滑輪或具備滑輪功能的器材效率，假設(shè)A-Block使用效率為30%的ID，滑輪使用效率均為70%的軸芯式滑輪，輸入力量為1kN，則Sm5：1和Cx5：1的輸出力量分別為2.6359kN、1.847kN，即RMA Sm5：1=2.6359，RMA Cx5：1=1.847，見圖6。

通過計算可知，省力比和器材效率相同情況下，滑輪拖拉系統(tǒng)的IMA雖然一致，但RMA卻不同，簡單型實際省力效能更高。

4 影響因素分析

繩索救援中，影響滑輪拖拉系統(tǒng)效率的因素較多，在此主要分析滑輪效率、滑輪數(shù)量、滑輪順序、機(jī)械摩擦和拖拉角度的影響。

4.1? 滑輪效率

滑輪效率，是指滑輪自身的機(jī)械效率，直接影響滑輪拖拉系統(tǒng)的效率。通常為便于計算RMA，軸芯式滑輪取70%，滾珠式滑輪取90%。

僅考慮器材效率影響，分別計算均使用軸芯式滑輪和滾珠式滑輪的RMASm5：1，假設(shè)A-Block均使用效率為30%的ID，輸入力量為1kN，其值分別為2.6359和3.6577，見圖7。

通過計算可知，相同條件下，滑輪效率越高，滑輪拖拉系統(tǒng)的RMA越高，實際省力效能越高。

4.2? 滑輪數(shù)量

滑輪數(shù)量，是指一定省力比下設(shè)置滑輪的多少，直接影響滑輪拖拉系統(tǒng)的類型，從而影響效率。

僅考慮滑輪數(shù)量影響，在均使用低效率器材情況下，分別計算RMASm5：1和RMACx5：1，假設(shè)A-Block使用效率為30%的ID，滑輪均使用軸芯式滑輪，輸入力量為1kN，則RMA Sm5：1=2.6359，RMACx5：1=1.847，見圖6；在均使用高效率器材情況下，分別計算RMASm5：1和RMACx5：1，假設(shè)A-Block使用效率為90%的MPD，滑輪均使用滾珠式滑輪，輸入力量為1kN，則RMASm5：1=4.0951，RMACx5：1=4.149，見圖8。

由圖7b和圖8a可知，A-Block器材不同，滑輪拖拉系統(tǒng)的RMA存在差異，A-Block器材的效率直接影響滑輪拖拉系統(tǒng)的RMA。通過對比圖6a和圖6b或圖8a和圖8b可知，A-Block器材對通過它的力量影響較大，Sm5：1主要力量作用于B-Block，受A-Block影響較??；Cm5：1主要力量作用于A-block，受A-Block影響較大。

通過對比計算可知，滑輪數(shù)量對滑輪拖拉系統(tǒng)效率的影響應(yīng)綜合系統(tǒng)類型、A-Block效率、滑輪效率因素考量，視具體情況分析。但可以肯定的是，滑輪數(shù)量越少，受力遞減次數(shù)越少，忽略A-Block的影響或視A-Block高效條件下，滑輪拖拉系統(tǒng)的RMA越高，實際省力效能越高。

4.3 滑輪順序

滑輪順序，是指不同效率的滑輪在省力比中的配置順序，一定程度上影響滑輪拖拉系統(tǒng)的效率。

僅考慮滑輪順序影響，配置順序以靠近A-Block在前為準(zhǔn)，分別計算滑輪效率依次為70%、80%、90%和90%、80%、70%及90%、70%、80%的RMASm5：1，假設(shè)A-Block均使用效率為30%的ID，輸入力量為1kN，其RMA Sm5：1分別為3.577 6、3.2176、3.3176，見圖9。

通過計算可知，相同條件下，越高效率滑輪越遠(yuǎn)離A-Block，越靠近拖拉端，滑輪拖拉系統(tǒng)的RMA越高，實際省力效能越高。

4.4? 滑輪摩擦

滑輪摩擦，泛指繩索與滑輪的輪槽、側(cè)板摩擦，或繩索扭曲與滑輪摩擦等現(xiàn)象，會降低滑輪拖拉系統(tǒng)的效率。其中，繩索與輪槽的摩擦無法杜絕，但可正確使用滑輪避免與側(cè)板摩擦，科學(xué)控制繩索避免扭曲等，盡可能提高滑輪拖拉系統(tǒng)的效率。

4.5? 拖拉角度

拖拉角度，是指最靠近拖拉端的滑輪兩端繩索形成的夾角。

拖拉角度對動滑輪的影響見圖10。

拖拉角度為0°時，即滑輪兩端繩索平行，拖拉力矩=拉力×滑輪直徑，滑輪直徑是最大長度，此時拖拉力矩最大，省力效能最大；拖拉角度大于0°時，即拖拉繩索向外側(cè)呈一定夾角，拖拉力矩=拉力×實際作用長度，且實際作用長度明顯小于滑輪直徑，拖拉角度越大，實際作用長度越小，拖拉力矩越小，省力效能越低。

拖拉角度對定滑輪的影響，見圖11。

拖拉角度為0°時，即滑輪兩端繩索平行，繩索與輪槽接觸面積最大，摩擦最大，省力效能最低；拖拉角度大于0°時，即拖拉繩索向外側(cè)呈一定夾角，繩索與輪槽接觸面積減小，拖拉角度越大，接觸面積越小，摩擦越小，省力效能越高。

通過受力分析可知，動滑輪拖拉角度越小，形成的力矩越大，滑輪拖拉系統(tǒng)的RMA越高，實際省力效能越高；定滑輪拖拉角度越大，繩索與輪槽接觸面積越小，摩擦越小，滑輪拖拉系統(tǒng)的RMA越高，實際省力效能越高。

5 結(jié)論

通過應(yīng)用逐一計算，對比分析典型滑輪拖拉系統(tǒng)在不同條件下的效率，可得出如下結(jié)論：

①滑輪效率越高，RMA越高，實際省力效能越高；

②忽略A-Block的影響或視A-Block高效條件下，滑輪數(shù)量越少，RMA越高，實際省力效能越高；

③越高效率滑輪越遠(yuǎn)離A-Block，越靠近拖拉端，RMA越高，實際省力效能越高；

④避免繩索與滑輪側(cè)板摩擦、繩索扭曲等，可提高實際省力效能；

⑤動滑輪拖拉角度越小，定滑輪拖拉角度越大，RMA越高，實際省力效能越高。

參考文獻(xiàn)：

[1]張錫璋.滑輪和滑輪組效率及跑繩拉力的簡化計算[J].起重運輸機(jī)械，1994（12）：8-10.

[2]楊汝彬.快速拉升系統(tǒng)的原理與制作方法探索[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2012，11（14）：54-55.

[3]張禹海.快速拉升救助系統(tǒng)的工作原理及應(yīng)用[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2014（9）：62-64.

[4]GA 494—2004 消防用防墜落裝備[S].

[5]BS EN 12278—2007 登山運動器材－滑輪－安全要求和試驗方法[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