边缘切割作用对尼龙夹芯绳强度影响的实验研究

张禹海讲师 程泉裕

(1.中国人民警察大学 救援指挥学院，河北 廊坊 065000；2.安徽省消防救援总队马鞍山支队，安徽 马鞍山 230000)

0 引言

随着国家应急管理模式改革，消防救援队伍将建设成为一支能力全面、面向全灾种、能够处置多灾型的应急救援队伍。在任务繁重的救援行动中，绳索救援由于其高效、灵活、适用范围广等优点，在全国消防救援队伍范围内被广泛使用。绳索更是作为消防员的“第二生命”被各级消防机构重视，在确保消防员自身安全的同时也为救助被困人员提供有力保障[1]。然而在实际救援及训练过程中，绳索难免会受到混凝土、金属等物体的摩擦而导致绳索磨损，如何正确评判绳索受到磨损后的情况，判断绳套、绳芯与棱角边缘切割一定次数后绳索的状态，对消防救援队伍在绳索救援技术的理论创新、实践应用以及装备维护保养等方面具有重要的指导意义。

由于我国的绳索救援技术起步较晚，相关科学技术大多来源于欧洲、日本以及北美等较为发达的国家和地区。近年来，消防队伍、院校、科研院所陆续组织开展关于绳索使用技术和保养维护方面的教学、培训、实战应用等活动，但绳索救援技术的科学研究仍处于探索阶段，如中国人民警察大学绳索救助技术研究中心在该领域深耕多年，对绳索救助系统、典型绳结剩余强度、滑轮系统、锚点系统等关键技术进行深入研究，且为消防救援队伍培养大批优秀的指挥员[2-8]。国外针对绳索切割的研究主要是探究切割实验对不同材质绳索的影响，分析哪种绳索更适合于救援行动，但并没有讨论不同类型的锋利边缘对同种绳子的切割，如Mike Forbes[9]开展多组锋利边缘切割绳索的实验，分析比较尼龙绳、涤纶绳、合成纤维绳、聚烯烃绳等性能。

上述研究为绳索救援技术研究提供有益的借鉴和参考，但消防救援中常见的锋利边缘对绳索切割作用的研究仍处于空白阶段。因此，本文将通过实验的方法，分析和研究不同种类锋利边缘的切割作用对尼龙夹芯绳强度的影响，模拟真实环境影响救援绳索安全的因素，证明在绳索救援中锋利边缘对绳索造成的不可逆的损伤，明确要尽量避免绳索直接与尖锐物品的接触，探究使用绳索保护垫布等保护器具的必要性。

1 绳索救援中的边缘切割因素

在绳索救援行动中，绳索与各类坚硬棱角的物体直接摩擦，将导致绳索绳套受损，进一步摩擦后则将暴露出绳索中的主要承重物——绳芯。在消防救援行动中，主要存在2种易对绳索产生严重磨损的锋利边缘：混凝土边缘和金属边缘。

1.1 混凝土边缘

混凝土是指用水泥作为胶凝材料，砂、石等做集料，与水按一定比例混合搅拌而得的水泥混凝土，是一种强度很高的人工石材。现如今城市建筑、桥梁等大多采用钢筋混凝土结构，日常生活极为常见。在消防救援现场，尤其是高层建筑和一般住宅的救援中，常常需要构建绳索提升和下放系统对被困人员进行救助，同时对救援人员进行保护。大多数时候救援绳索需要越过混凝土边缘，与其直角边缘直接接触发生挤压切割，会造成绳索受到一定程度的磨损[10-12]。

1.2 金属边缘

金属材料广泛应用于生产生活中，主要有不锈钢、铁、铝等材质金属。消防救援中常常会接触金属材料制作的产品，如高层建筑或者一般住宅建筑发生火灾时，解救被困室内人员，必要时需要建立绳索下降系统从屋顶通过窗户进入房间，这就会越过金属制作的窗户边缘，绳索在窗檐的切割下磨损。另外，在抢险救援过程中，绳索跨过一般的金属建(构)筑物都会发生一定程度的切割[10-12]。

2 绳索边缘切割实验

2.1 实验原理

本实验通过模拟真实救援环境，实验过程中控制测试绳长度、切割部位、摆动角度和承重物保持不变，保证每次切割边缘的长度一定、切割程度相同，改变绳索的切割次数，再利用卧式拉力测试机测量绳索切割之后的剩余强度，并与最大抗拉强度进行对比，从而对绳索切割后的损伤进行量化。

2.2 混凝土边缘切割绳索实验

实验过程：首先利用辅助绳索制作的3∶1滑轮提升系统将假人从地面提升至混凝土锋利边缘附近，然后将5m长、11mm直径的全新Beal品牌尼龙夹芯绳(最大抗拉强度34kN，绳芯数量16根)一端固定在选好的锚点上，另一端与假人连接，使绳子中间部分经过混凝土边缘(误差不超过5cm)，之后将承重力由辅助绳索转移至测量绳索，再对绳索进行横向水平切割。切割共需4人操作，左右各2人，将牵引绳索每次以相同速率拉动，对绳子进行5次相同程度切割，混凝土边缘长45cm，切割完成后，更换实验用绳索，重复依次进行10、15、20、25、30次切割。实验过程及样本，如图1、2。

图1 混凝土边缘切割绳索实验

从图2实验样本可以较为明显地看出：5次切割后，绳套只受到轻微磨损，绳芯并未受到影响；10次切割后，绳套磨损比较严重，绳芯并未受到影响；15次切割后，绳套一大半已经磨断，绳芯暴露；20次切割后，绳套一大半已经磨断，绳芯暴露；25次切割后，绳套已经完全断裂，绳芯有轻微磨损，但并未断裂；30次切割后，绳套已经完全断裂，绳芯有轻微磨损，但并未断裂。使用游标卡尺测量切割处绳索的宽度，其中已知尼龙夹芯绳原始宽度为11mm。

图2 混凝土边缘切割绳索实验样本

切割完成后，再将6根实验样本绳索用卧式拉力测试机进行拉伸，在2边柱上各打上无张力绳结，控制机器逐渐增大拉力，观察绳索由延展到断裂的过程，如图3。对应拉伸实验数据，见表1。

图3 混凝土切割样本拉伸实验

表1 11mm尼龙夹芯绳混凝土边缘切割实验数据表

由表1可以看出，随着切割次数的增加，绳索的绳套磨损程度加大，甚至完全损坏，绳芯的暴露程度增大，切割部位宽度明显变大。同时，通过触摸发现，切割部位绳索硬度减小。此外随着切割次数的增加，绳索所能承受的剩余强度明显减小，最大力变形和最大伸长率逐渐减小，说明绳索混凝土边缘切割次数增加，绳索承重力等指标显著降低。绳索的绳套主要对绳索起到摩擦保护的作用，绳芯主要是承重作用，但前4组实验绳索的绳套没有完全被切割断裂，绳索在拉伸变形过程中均是绳套先断裂，然后绳芯到达承重极限再断裂，因此证明绳套对于绳索而言同时亦起到承重保护作用。在拉伸实验中，第5组和第6组样本的绳套都已在切割实验中全部断裂，剩下的绳芯部分虽然没有断裂，但也受到切割作用，因此其拉伸时主要是对绳芯进行拉伸，通过2次实验可以发现11mm尼龙夹芯绳中绳芯的承重基本在11.9kN左右。

图4是绳索在混凝土边缘切割30次样本进行拉伸实验的力值—变形图，其受力曲线在上升较长距离后有2次比较明显的下降，之后达到受力峰值，然后曲线呈下降趋势，且在下降过程中有多次的曲线回升现象，这是由于随着绳索的牵拉，绳芯承重逐渐增大，在达到受力极限之前，已经受到切割磨损的绳芯会先行断裂，断裂后拉力机的测量值就会小幅回落，在达到受力峰值后，绳芯会逐个依次断裂，每次绳芯断裂后拉力机的测量值就会小幅回升，然后绳芯继续断裂，直至绳芯全部断裂，最终受力曲线显示拉力值为0。然而在实验过程中，亦发现绳芯断裂并不都是规律性的依次断裂，有时会出现一次性全部断裂的情况，即图像直接到达横轴的零点，这是由于各个绳芯受力比较均匀，因此会在达到受力峰值后一次性断裂。

图4 混凝土边缘切割尼龙夹芯绳30次拉伸力值—变形图

2.3 金属边缘切割绳索实验

实验过程：首先利用辅助绳索制作的3∶1滑轮提升系统将假人从地面提升至金属锋利边缘附近，然后将5m长、10.5mm直径的Beal品牌尼龙夹芯绳(最大抗拉强度27kN，绳芯数量10根)一端固定在选好的锚点上，另一端与假人连接，使绳子中间部分经过金属锋利边缘(误差不超过5cm)，之后将承重力由辅助绳索转移至测量绳索，再对绳索进行横向水平切割。切割共需4人操作，左右各2人，将经过安全钩的绳索每次以相同速率拉动，对绳子进行5次相同程度切割，切割完成后，更换实验绳索，再依次进行10、20、30、40次切割，其中，金属边缘长60cm。实验过程及样本，如图5、6。

图5 金属边缘切割绳索实验

图6可以较为明显地看出：5次切割后，绳套只受到轻微磨损，绳芯完好；10次切割后，绳套磨损较为轻微，绳芯完好；20次切割后，绳套断裂大半，绳芯部分磨损，没有断裂；30次切割后，绳套断裂大半，绳芯有部分磨损，没有断裂；40次切割后，绳套全部断裂，绳芯有3根处于即将断裂的状态，剩余7根绳芯也受到磨损。切割实验后，使用游标卡尺测量切割处绳索的宽度，记录数据，见表2。

图6 金属边缘切割绳索实验样本

表2 10.5mm尼龙夹芯绳金属边缘切割实验数据表

切割完成后，再将5根实验样本绳索用卧式拉力测试机进行拉伸，控制机器逐渐增大拉力，观察绳索由伸展到断裂的过程，室内卧式拉力测试机拉伸实验数据，见表2。

由表2可以看出，随着切割次数的增加，绳索的绳套磨损程度加大，甚至完全损坏，绳芯暴露程度也增大，切割部位的宽度明显变大。同时，通过触摸发现，切割部位绳索硬度减小。随着绳索金属边缘切割次数的增加，绳索的剩余强度等各项指标均呈显著下降趋势，与混凝土边缘切割实验结论是相同的。第3组和第4组的剩余强度占比相差3%左右，可以认为是比较接近的，这是由于切割20和30次的样本状态较为接近，都是绳套断裂大半，绳芯有部分磨损，故而实验数据较为接近，最大力变形和最大伸长率比较接近。第5组实验的剩余强度、最大力变形、最大伸长率和剩余强度占比的数据都显著低于前4组，原因是切割后的样本绳套完全断裂，并且绳芯也在切割作用下磨损较严重，故而其最大抗拉强度、最大力变形、最大伸长率和剩余强度都比较小。

图7是绳索在金属边缘切割10次的样本进行拉伸实验的力值—变形图，其图像呈指数曲线上升趋势，到达最大受力极限值时，其受力曲线直接下降至零点位置，与在金属边缘切割5次样本的拉伸图形基本一致，这是由于在金属边缘切割5次、10次的样本，绳套磨损较轻微，绳芯完好，在拉伸实验中，绳索横向受力较均匀，因此在达到极限受力值时没有发生绳套断裂后绳芯依次断裂的情况。

图7 金属边缘切割尼龙夹心绳10次拉伸力值—变形图

通过上述2个实验可以得知，在绳索救援行动和日常训练中，切割作用确实会使绳索的强度降低，即使在日常生活中常见的混凝土和金属边缘上对绳索进行摩擦切割，单人承重下经过5-10次作用，绳索的绳套即会出现磨损开裂的情况，这样的绳索是绝对禁止在绳索救援中继续使用的。因此，对经过锋利边缘的绳索必须使用垫布等保护器具，而在消防日常绳索训练过程中，一些绳索只要出现绳套磨损就会被放弃使用，这其实亦是一种资源浪费，这些绳套轻微磨损、绳芯未暴露的绳索仍可以用于一些训练场景，如承担辅绳保护作用，因为通过实验发现，2种边缘切割环境下经过5次切割的绳索，其剩余强度仍为85%以上，但是由于人员操作的熟练程度和其断裂的不确定性，绝对不能作为主救助绳索使用，而对于绳套磨损相对严重的绳索，可以通过在磨损部位打蝴蝶结的方法避开磨损部位的直接受力，虽然绳索打结后其剩余强度亦会降低，但其安全性会更高。另外，在救援行动和训练中要注意坚决不能使用绳套断裂、绳芯已经受损的绳索，因为此时绳索断裂的可能性是不确定的。

3 结论

(1)当切割边缘材质和实验绳索相同的情况下，切割次数越多，绳套磨损程度越大，绳芯的暴露程度越大，绳索切割部位的宽度越大，硬度越低，被切割部位呈现绒絮散开蓬松状态。在拉力测试机上拉伸时，绳索的剩余强度越低，剩余强度占比越低，其最大力变形距离和最大伸长率越低。

(2)绳索的最大抗拉强度很大程度上与绳芯有关。绳套固然有一定承重能力，但主要起切割磨损保护作用，在绳套断裂之后，绳芯仍然能承受较大拉力，并且要大于绳套的承重，绳芯的数量也是绳索最大抗拉强度的影响因素，且数量越多，其最大抗拉强度越大。因此绳索的最大抗拉强度与绳芯的强度、数量有关，且成正比关系。

(3)绳芯在断裂过程中，并不是规律性的一根根依次断裂，有时会在拉力作用下一次性全部断裂。这说明拉力作用下，绳索的延展作用会使其横截面积减少，每一根所能承受的应力随之减少，从而小于作用其上的拉力。随着拉力增大，其一次性全部断裂的可能性就越大，相应的最大力变形和最大伸长率就会越低。

(4)受限于实验耗材成本等因素，本文的研究仍然有值得完善的地方，未来对绳索切割实验和其最大抗拉强度的研究可以结合绳索单个绳芯、单个绳套强度等绳索特性的具体指标，以及切割边缘角度变换、锋利程度等指标进行更加深入的研究，当然这需要结合更专业的理论知识。