繩索救援中普魯士抓結(jié)安全性研究

赫中全，劉立文，李劍鋒，張禹海，劉 峰

中國人民警察大學(xué) 救援指揮學(xué)院，河北 廊坊 065000

近幾年來，繩索救援技術(shù)以其實(shí)用性、安全性在山岳、水域、受限空間等應(yīng)急救援領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［1-3］，獲得各級各類救援隊(duì)伍的一致青睞。歐洲、北美等典型流派的繩索救援技術(shù)在全國范圍內(nèi)得到了迅速推廣，掀起了學(xué)習(xí)、訓(xùn)練繩索救援技術(shù)熱潮，繩索救援技術(shù)培訓(xùn)成為當(dāng)前消防救援隊(duì)伍專業(yè)化建設(shè)的一個(gè)重要抓手［4-5］。但是，在這種熱潮的背后，也存在一些不容忽視的問題。例如：單純?nèi)P接受國外成套技術(shù)，缺乏與中國常見救援環(huán)境需求磨合與適應(yīng)［6］；只注重技術(shù)實(shí)操訓(xùn)練，忽視相關(guān)理論研究等［7-8］。這些問題造成一部分繩索救援操作人員對于手中的器材了解不深、對技術(shù)原理領(lǐng)悟不透、對不規(guī)范操作所隱藏的安全風(fēng)險(xiǎn)警惕性不足［9］。鑒于這種現(xiàn)狀，亟須加強(qiáng)繩索救援技術(shù)相關(guān)理論研究。

國內(nèi)外許多專家學(xué)者針對普魯士抓結(jié)在繩索救援技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了廣泛而深入的研究。胡曄［10］對普魯士抓結(jié)在主繩系統(tǒng)和確保繩系統(tǒng)中的具體應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的闡述；朱國營［11］對普魯士抓結(jié)在省力系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹；張禹海［12］對普魯士抓結(jié)進(jìn)行實(shí)際受力測試、得出了定量研究結(jié)果；蘇煜等［13］對繩索救援中提升系統(tǒng)的實(shí)際增益效果以及救援實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用進(jìn)行了深入的分析和探討；James［14］從繩索救援系統(tǒng)建立、系統(tǒng)轉(zhuǎn)換及下降保護(hù)等方面對普魯士抓結(jié)的應(yīng)用進(jìn)行了分析；Ken［15］以消防員繩索救援的專業(yè)視角，從錨點(diǎn)制作、下降接近、傷員縛著、提升轉(zhuǎn)移等多個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)分析了普魯士抓結(jié)的運(yùn)用技巧。

1 普魯士抓結(jié)簡介

普魯士抓結(jié)（prusik hitch）是一種典型的摩擦類繩結(jié)，依靠輔繩與主繩之間的摩擦力而發(fā)揮作用［16］。當(dāng)普魯士抓結(jié)受力時(shí)，輔繩與主繩之間的摩擦力隨之加大，起到握持主繩的效果；當(dāng)抓結(jié)不受力時(shí)，操作人員可以用手撥動抓結(jié)調(diào)節(jié)其在主繩上的位置［17］。這種特性在繩索救援技術(shù)中得到了充分的應(yīng)用，特別是在以美國CMC 為代表的北美繩索救援體系中，普魯士抓結(jié)在提升系統(tǒng)、擔(dān)架運(yùn)送、輔助攀登、安全保護(hù)等技術(shù)環(huán)節(jié)都有普遍的應(yīng)用［18］，如圖1所示。

圖1 普魯士抓結(jié)及應(yīng)用

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)思路

普魯士抓結(jié)是依靠繩索之間的摩擦力來產(chǎn)生握持力的，這種握持力的大小與繩索直徑差值、纏繞圈數(shù)等因素有著密切的關(guān)系［19］。本文旨在通過系統(tǒng)性的試驗(yàn)，對普魯士抓結(jié)握持力進(jìn)行極限拉力測試，發(fā)現(xiàn)抓結(jié)失效時(shí)的常見現(xiàn)象并分析產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因，同時(shí)，測量抓結(jié)失效時(shí)的拉力值，為普魯士抓結(jié)的實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用提供借鑒和參考。

2.2 試驗(yàn)器材

2.2.1 拉力試驗(yàn)機(jī)

試驗(yàn)采用LAW-100 臥式拉力試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)由框架、電機(jī)、控制器、拉力傳感器、移動端、固定端、限位裝置等主要部件組成，能對金屬及非金屬材料進(jìn)行拉伸、壓縮、彎曲等應(yīng)力試驗(yàn)，如圖2所示。

圖2 臥式拉力實(shí)驗(yàn)機(jī)

LAW-100 臥式拉力試驗(yàn)機(jī)采用計(jì)算機(jī)控制，內(nèi)置傳感器測力系統(tǒng)，具有圖像化的界面、靈活的數(shù)據(jù)處理，支持MS-ACCESS 數(shù)據(jù)庫支持功能，具有數(shù)字處理準(zhǔn)確、操作簡單、使用維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)，量程范圍最大達(dá)到100 kN，測量精度為示值的±0.5%以內(nèi)，其主要性能技術(shù)指標(biāo)如表1所示：

2.2.2 救援主繩與輔繩

本試驗(yàn)使用直徑10.5 mm 和12.5 mm 的兩種低延展性繩作為救援主繩，10.5 mm 主繩是歐洲繩索救援體系下救援主繩的典型尺寸，12.5 mm 主繩是北美繩索救援體系下救援主繩的典型尺寸，都具有一定的代表性。試驗(yàn)中使用的救援輔繩主要有6 mm、7 mm、8 mm 三種，也是繩索救援行動中用來制作普魯士抓結(jié)的常見類型。救援主繩與輔繩的具體參數(shù)如表2所示。

表2 救援主繩與輔繩的基本參數(shù)

2.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)以3種直徑輔繩與2種直徑主繩搭配，每種搭配又分為輔繩纏繞主繩4圈和6圈兩種組合，共設(shè)置了12 個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目，利用拉力試驗(yàn)機(jī)對每個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行5次試驗(yàn)，具體情況如表3所示。

表3 普魯士抓結(jié)極限受力失效試驗(yàn)方案

3 試驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果

通過對試驗(yàn)現(xiàn)象的總結(jié)歸納，發(fā)現(xiàn)普魯式抓結(jié)靜拉極限受力時(shí)會有4 種典型的失效現(xiàn)象，試驗(yàn)結(jié)果總體情況如表4所示。

表4 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象與數(shù)據(jù)

如前所述，本試驗(yàn)出現(xiàn)了抓結(jié)短距滑移后輔繩圈斷裂等4 種典型現(xiàn)象，每種典型現(xiàn)象都反映了抓結(jié)在極限受力情況下的握持效果，各種現(xiàn)象出現(xiàn)的情況如表5所示。

表5 抓結(jié)失效典型現(xiàn)象

3.1.1 短距滑移后繩圈斷裂

抓結(jié)短距滑移后輔繩圈斷裂是普魯士抓結(jié)靜拉試驗(yàn)的一種典型現(xiàn)象，本試驗(yàn)中占比達(dá)到26.7%。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是抓結(jié)受到拉力機(jī)持續(xù)施加拉力，在滑移過程中抓結(jié)持續(xù)收緊，對主繩的握持力進(jìn)一步增大，由于輔繩破斷強(qiáng)度相對較小導(dǎo)致輔繩圈發(fā)生斷裂。從試驗(yàn)情況來看，這種現(xiàn)象主要出現(xiàn)在纏繞圈數(shù)為6圈的抓結(jié)中，抓結(jié)受力如圖3所示。

圖3 抓結(jié)短距滑移后輔繩圈斷裂過程受力示意圖

3.1.2 多次短距滑移后輔繩圈斷裂

抓結(jié)多次短距滑移后輔繩圈斷裂的現(xiàn)象與前一種現(xiàn)象出現(xiàn)次數(shù)相同，本試驗(yàn)中占比為26.7%。相比而言，這種情況下抓結(jié)的握持力度相對較小，滑移距離更大，在拉力機(jī)的持續(xù)牽拉下，經(jīng)過多次短距滑移后，最后發(fā)生繩圈斷裂。從本試驗(yàn)情況來看，這種現(xiàn)象主要出現(xiàn)在12.5 mm 主繩搭配4 圈抓結(jié)的搭配中，試驗(yàn)過程抓結(jié)受力如圖4所示。

3.1.3 短距滑移后主繩繩皮斷裂

抓結(jié)短距滑移后主繩繩皮斷裂現(xiàn)象出現(xiàn)的概率達(dá)到13.3%，這種現(xiàn)象主要出現(xiàn)在兩種直徑主繩與8 mm 輔繩、纏繞6 圈的情況之中，主要原因是8 mm輔繩的斷裂負(fù)荷相對較大，加之纏繞圈數(shù)為6，抓結(jié)的握持效果好，牽拉過程出現(xiàn)主繩繩皮斷裂的現(xiàn)象。相比來講，這種現(xiàn)象是繩索救援過程中較為理想的一種現(xiàn)象，總共出現(xiàn)8 次，平均斷裂力值為17.584 kN，試驗(yàn)過程抓結(jié)受力如圖5所示。

圖5 抓結(jié)短距滑移后主繩繩皮斷裂過程示意圖

3.1.4 持續(xù)滑移

抓結(jié)持續(xù)滑移現(xiàn)象說明抓結(jié)握持力不足，沒有起到抓結(jié)應(yīng)有的作用，出現(xiàn)的比例33.3%。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是抓結(jié)輔繩圈數(shù)少，例如與10.5 mm 主繩搭配的所有4 圈抓結(jié)普遍出現(xiàn)了這種現(xiàn)象。次要原因是主繩與輔繩直徑差小，例如8 mm 輔繩繩圈與兩種直徑主繩的4 圈抓結(jié)搭配也普遍出現(xiàn)這種現(xiàn)象，試驗(yàn)過程如圖6所示。

圖6 抓結(jié)持續(xù)滑移過程受力示意圖

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)繩索救援的實(shí)操經(jīng)驗(yàn)，普魯士抓結(jié)握持性能主要取決于主繩與輔繩之間的直徑差和抓結(jié)纏繞圈數(shù)等因素，而衡量抓結(jié)握持能力強(qiáng)弱主要看滑移距離和失效（斷裂）力值兩個(gè)方面。從繩索救援安全性的角度判斷，應(yīng)該是滑移距離越短越好，失效力值越大越好。所以這4 種典型抓結(jié)失效現(xiàn)象的安全性排序?yàn)椋憾叹嗷坪笾骼K繩皮斷裂最佳，短距滑移后繩圈斷裂良好，多次短距滑移后繩圈斷裂較差，持續(xù)滑移最差。

3.2.1 主繩直徑對抓結(jié)握持性能的影響

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出，10.5 mm 主繩對應(yīng)的6個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目、共計(jì)30次試驗(yàn)中有15次抓結(jié)都發(fā)生了安全性最差的持續(xù)滑移現(xiàn)象，且都是出現(xiàn)在抓結(jié)輔繩圈數(shù)為4 圈的情況下，占比達(dá)到50%；而12.5 mm主繩對應(yīng)的30次試驗(yàn)中只有5次抓結(jié)出現(xiàn)持續(xù)滑移現(xiàn)象，也是出現(xiàn)在4圈輔繩的情況下，占比為16.7%。這說明主繩相對較細(xì)時(shí)，抓結(jié)的握持效果相對較差。12.5 mm 主繩除了5次持續(xù)滑移以外，其余都是安全性較好的試驗(yàn)現(xiàn)象，說明主繩直徑越大，抓結(jié)的握持性能更佳。

3.2.2 輔繩直徑對抓結(jié)握持性能的影響

在輔繩直徑對抓結(jié)握持性能影響的研究中，編號1、3、5 試驗(yàn)項(xiàng)目中普魯士抓結(jié)均發(fā)生了持續(xù)滑移，對比拉力值發(fā)現(xiàn)，拉力值隨著輔繩直徑的增加而減小，說明輔繩直徑越小，抓結(jié)握持性能越好。

3.2.3 輔繩纏繞圈數(shù)對抓結(jié)握持性能的影響

12個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目中，輔繩纏繞圈數(shù)為4和6的各占50%。在6 個(gè)輔繩纏繞圈數(shù)為4 的項(xiàng)目中，序號為1、3、5、11 的試驗(yàn)項(xiàng)目中全部為持續(xù)滑移的試驗(yàn)現(xiàn)象，出現(xiàn)的概率達(dá)到66.7%，其中主繩為10.5 mm 時(shí)，持續(xù)滑移出現(xiàn)率達(dá)到100%。主繩為12.5 mm 時(shí)，持續(xù)滑移出現(xiàn)率達(dá)到33.3%，說明輔繩圈數(shù)為4 時(shí)，抓結(jié)的握持力普遍不足，不能夠承受較大的靜拉力。另外，6 個(gè)輔繩纏繞圈數(shù)為6 的項(xiàng)目中，試驗(yàn)現(xiàn)象均為有實(shí)用價(jià)值的繩圈斷裂或者是主繩繩皮斷裂。

另一方面，通過短距滑移長度的對比，也說明抓結(jié)輔繩圈數(shù)越多，滑移距離越短，圈數(shù)多則抓結(jié)握持性能越好。例如，6 mm 輔繩搭配12.5 mm 主繩制作的抓結(jié)中，纏繞6 圈輔繩的滑移長度平均值是17.6 mm，而輔繩纏繞4圈的滑移長度平均值為27.2 mm。再如，7 mm 輔繩搭配12.5 mm 主繩制作的抓結(jié)中，纏繞6圈輔繩的滑移長度平均值是26.4 mm，而纏繞4圈輔繩的滑移長度平均值是84.4 mm。

3.2.4 主輔繩直徑差對抓結(jié)握持性能的影響

編號5的試驗(yàn)項(xiàng)目是10.5 mm主繩與8 mm輔繩的搭配組合，是所有項(xiàng)目中主繩與輔繩直徑差最小的，且纏繞圈數(shù)較少。從試驗(yàn)結(jié)果來看，該項(xiàng)目不僅全部是持續(xù)滑移的現(xiàn)象，而且最大力值也是所有項(xiàng)目中最低的，僅有2.543 kN，從試驗(yàn)現(xiàn)象和最大力值兩個(gè)方面都驗(yàn)證了直徑差是影響抓結(jié)握持性能的主要因素。

編號7、8的試驗(yàn)項(xiàng)目是12.5 mm主繩與6 mm輔繩的搭配組合，是所有項(xiàng)目中主繩與輔繩直徑差最大的。在這種情況下，不論纏繞圈數(shù)是4 還是6，抓結(jié)的握持性能都較好，以短距滑移后繩圈斷裂和多次短距滑移后繩圈斷裂兩種現(xiàn)象為主，占比分別為70%和30%，滑移距離平均值分別是27.2 mm 和17.67 mm，說明主輔繩直徑差越大，普魯士抓結(jié)的握持性能越好。

3.2.5 實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用分析

在繩索救援實(shí)戰(zhàn)中，失效力值往往更有意義。從這個(gè)角度分析，編號6 和編號12 的試驗(yàn)項(xiàng)目都具有較高的失效力值，兩者都是8 mm 輔繩纏繞6 圈的情況，當(dāng)主繩是10.5 mm 時(shí)，失效力值均值16.502 kN，當(dāng)主繩為12.5 mm 時(shí)，失效力值均值是20.557 kN，說明后者搭配組合抓結(jié)的總體性能更佳。

3.2.6 普魯士抓結(jié)對繩索強(qiáng)度的削弱作用

通過對比數(shù)據(jù)還發(fā)現(xiàn)一個(gè)十分重要的現(xiàn)象，那就是普魯士抓結(jié)對于繩索強(qiáng)度的削弱作用。編號6試驗(yàn)項(xiàng)目采用10.5 mm 主繩，其標(biāo)稱斷裂強(qiáng)度為27 kN，而該項(xiàng)目失效力值均值為16.502 kN，強(qiáng)度剩余率為61.11%。編號12試驗(yàn)項(xiàng)目采用12.5 mm主繩，其標(biāo)稱斷裂強(qiáng)度為38 kN，而該項(xiàng)目失效力值均值為20.557 kN，強(qiáng)度剩余率為54.09%。可見，普魯士抓結(jié)對繩索強(qiáng)度的削弱作用十分顯著。

4 結(jié)論

4.1 試驗(yàn)中，抓結(jié)失效最大拉力值為23.509 kN，發(fā)生在第12 個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目中，說明繩索救援行動中，第12個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目的繩索搭配組合應(yīng)用安全性最佳。

4.2 主繩直徑對抓結(jié)握持性能的影響是顯而易見的，主繩直徑越大，普魯士抓結(jié)的握持能力越強(qiáng)，其安全性能越好。在實(shí)際應(yīng)用中，消防救援人員應(yīng)選用直徑相對較大的繩索作為主繩。

4.3 輔繩纏繞圈數(shù)是影響普魯士抓結(jié)握持性能的另一個(gè)主要因素，輔繩纏繞6 圈時(shí)，抓結(jié)對主繩的握持性能普遍優(yōu)于4 圈。所以，在提升省力系統(tǒng)等使用負(fù)荷較大的情況下使用抓結(jié)時(shí)，最好使用纏繞6圈輔繩的方式。在單人安全保護(hù)等使用負(fù)荷相對較小的情況下，可以使用纏繞4圈輔繩的方式。

4.4 通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的全面比較，可以驗(yàn)證主繩與輔繩的直徑差值越大，普魯士抓結(jié)的握持性能越好，應(yīng)用安全性更高。

4.5 普魯士抓結(jié)對于主繩繩索強(qiáng)度有著較為顯著的削弱作用，失效時(shí)其強(qiáng)度剩余率僅為六成或者更低。