绳索救援中普鲁士抓结安全性研究

赫中全，刘立文，李剑锋，张禹海，刘 峰

中国人民警察大学 救援指挥学院，河北 廊坊 065000

近几年来，绳索救援技术以其实用性、安全性在山岳、水域、受限空间等应急救援领域得到广泛应用［1-3］，获得各级各类救援队伍的一致青睐。欧洲、北美等典型流派的绳索救援技术在全国范围内得到了迅速推广，掀起了学习、训练绳索救援技术热潮，绳索救援技术培训成为当前消防救援队伍专业化建设的一个重要抓手［4-5］。但是，在这种热潮的背后，也存在一些不容忽视的问题。例如：单纯全盘接受国外成套技术，缺乏与中国常见救援环境需求磨合与适应［6］；只注重技术实操训练，忽视相关理论研究等［7-8］。这些问题造成一部分绳索救援操作人员对于手中的器材了解不深、对技术原理领悟不透、对不规范操作所隐藏的安全风险警惕性不足［9］。鉴于这种现状，亟须加强绳索救援技术相关理论研究。

国内外许多专家学者针对普鲁士抓结在绳索救援技术应用进行了广泛而深入的研究。胡晔［10］对普鲁士抓结在主绳系统和确保绳系统中的具体应用进行了详细的阐述；朱国营［11］对普鲁士抓结在省力系统中的应用进行了系统的介绍；张禹海［12］对普鲁士抓结进行实际受力测试、得出了定量研究结果；苏煜等［13］对绳索救援中提升系统的实际增益效果以及救援实战应用进行了深入的分析和探讨；James［14］从绳索救援系统建立、系统转换及下降保护等方面对普鲁士抓结的应用进行了分析；Ken［15］以消防员绳索救援的专业视角，从锚点制作、下降接近、伤员缚着、提升转移等多个技术环节分析了普鲁士抓结的运用技巧。

1 普鲁士抓结简介

普鲁士抓结（prusik hitch）是一种典型的摩擦类绳结，依靠辅绳与主绳之间的摩擦力而发挥作用［16］。当普鲁士抓结受力时，辅绳与主绳之间的摩擦力随之加大，起到握持主绳的效果；当抓结不受力时，操作人员可以用手拨动抓结调节其在主绳上的位置［17］。这种特性在绳索救援技术中得到了充分的应用，特别是在以美国CMC 为代表的北美绳索救援体系中，普鲁士抓结在提升系统、担架运送、辅助攀登、安全保护等技术环节都有普遍的应用［18］，如图1所示。

图1 普鲁士抓结及应用

2 试验概况

2.1 试验思路

普鲁士抓结是依靠绳索之间的摩擦力来产生握持力的，这种握持力的大小与绳索直径差值、缠绕圈数等因素有着密切的关系［19］。本文旨在通过系统性的试验，对普鲁士抓结握持力进行极限拉力测试，发现抓结失效时的常见现象并分析产生这些现象的原因，同时，测量抓结失效时的拉力值，为普鲁士抓结的实战应用提供借鉴和参考。

2.2 试验器材

2.2.1 拉力试验机

试验采用LAW-100 卧式拉力试验机，该试验机由框架、电机、控制器、拉力传感器、移动端、固定端、限位装置等主要部件组成，能对金属及非金属材料进行拉伸、压缩、弯曲等应力试验，如图2所示。

图2 卧式拉力实验机

LAW-100 卧式拉力试验机采用计算机控制，内置传感器测力系统，具有图像化的界面、灵活的数据处理，支持MS-ACCESS 数据库支持功能，具有数字处理准确、操作简单、使用维护方便的优点，量程范围最大达到100 kN，测量精度为示值的±0.5%以内，其主要性能技术指标如表1所示：

2.2.2 救援主绳与辅绳

本试验使用直径10.5 mm 和12.5 mm 的两种低延展性绳作为救援主绳，10.5 mm 主绳是欧洲绳索救援体系下救援主绳的典型尺寸，12.5 mm 主绳是北美绳索救援体系下救援主绳的典型尺寸，都具有一定的代表性。试验中使用的救援辅绳主要有6 mm、7 mm、8 mm 三种，也是绳索救援行动中用来制作普鲁士抓结的常见类型。救援主绳与辅绳的具体参数如表2所示。

表2 救援主绳与辅绳的基本参数

2.3 试验方案

试验以3种直径辅绳与2种直径主绳搭配，每种搭配又分为辅绳缠绕主绳4圈和6圈两种组合，共设置了12 个试验项目，利用拉力试验机对每个项目进行5次试验，具体情况如表3所示。

表3 普鲁士抓结极限受力失效试验方案

3 试验现象与结果

通过对试验现象的总结归纳，发现普鲁式抓结静拉极限受力时会有4 种典型的失效现象，试验结果总体情况如表4所示。

表4 试验结果与数据

3.1 试验现象与数据

如前所述，本试验出现了抓结短距滑移后辅绳圈断裂等4 种典型现象，每种典型现象都反映了抓结在极限受力情况下的握持效果，各种现象出现的情况如表5所示。

表5 抓结失效典型现象

3.1.1 短距滑移后绳圈断裂

抓结短距滑移后辅绳圈断裂是普鲁士抓结静拉试验的一种典型现象，本试验中占比达到26.7%。出现这种现象的原因是抓结受到拉力机持续施加拉力，在滑移过程中抓结持续收紧，对主绳的握持力进一步增大，由于辅绳破断强度相对较小导致辅绳圈发生断裂。从试验情况来看，这种现象主要出现在缠绕圈数为6圈的抓结中，抓结受力如图3所示。

图3 抓结短距滑移后辅绳圈断裂过程受力示意图

3.1.2 多次短距滑移后辅绳圈断裂

抓结多次短距滑移后辅绳圈断裂的现象与前一种现象出现次数相同，本试验中占比为26.7%。相比而言，这种情况下抓结的握持力度相对较小，滑移距离更大，在拉力机的持续牵拉下，经过多次短距滑移后，最后发生绳圈断裂。从本试验情况来看，这种现象主要出现在12.5 mm 主绳搭配4 圈抓结的搭配中，试验过程抓结受力如图4所示。

3.1.3 短距滑移后主绳绳皮断裂

抓结短距滑移后主绳绳皮断裂现象出现的概率达到13.3%，这种现象主要出现在两种直径主绳与8 mm 辅绳、缠绕6 圈的情况之中，主要原因是8 mm辅绳的断裂负荷相对较大，加之缠绕圈数为6，抓结的握持效果好，牵拉过程出现主绳绳皮断裂的现象。相比来讲，这种现象是绳索救援过程中较为理想的一种现象，总共出现8 次，平均断裂力值为17.584 kN，试验过程抓结受力如图5所示。

图5 抓结短距滑移后主绳绳皮断裂过程示意图

3.1.4 持续滑移

抓结持续滑移现象说明抓结握持力不足，没有起到抓结应有的作用，出现的比例33.3%。出现这种现象的主要原因是抓结辅绳圈数少，例如与10.5 mm 主绳搭配的所有4 圈抓结普遍出现了这种现象。次要原因是主绳与辅绳直径差小，例如8 mm 辅绳绳圈与两种直径主绳的4 圈抓结搭配也普遍出现这种现象，试验过程如图6所示。

图6 抓结持续滑移过程受力示意图

3.2 试验结果分析

根据绳索救援的实操经验，普鲁士抓结握持性能主要取决于主绳与辅绳之间的直径差和抓结缠绕圈数等因素，而衡量抓结握持能力强弱主要看滑移距离和失效（断裂）力值两个方面。从绳索救援安全性的角度判断，应该是滑移距离越短越好，失效力值越大越好。所以这4 种典型抓结失效现象的安全性排序为：短距滑移后主绳绳皮断裂最佳，短距滑移后绳圈断裂良好，多次短距滑移后绳圈断裂较差，持续滑移最差。

3.2.1 主绳直径对抓结握持性能的影响

从试验数据中可以看出，10.5 mm 主绳对应的6个试验项目、共计30次试验中有15次抓结都发生了安全性最差的持续滑移现象，且都是出现在抓结辅绳圈数为4 圈的情况下，占比达到50%；而12.5 mm主绳对应的30次试验中只有5次抓结出现持续滑移现象，也是出现在4圈辅绳的情况下，占比为16.7%。这说明主绳相对较细时，抓结的握持效果相对较差。12.5 mm 主绳除了5次持续滑移以外，其余都是安全性较好的试验现象，说明主绳直径越大，抓结的握持性能更佳。

3.2.2 辅绳直径对抓结握持性能的影响

在辅绳直径对抓结握持性能影响的研究中，编号1、3、5 试验项目中普鲁士抓结均发生了持续滑移，对比拉力值发现，拉力值随着辅绳直径的增加而减小，说明辅绳直径越小，抓结握持性能越好。

3.2.3 辅绳缠绕圈数对抓结握持性能的影响

12个试验项目中，辅绳缠绕圈数为4和6的各占50%。在6 个辅绳缠绕圈数为4 的项目中，序号为1、3、5、11 的试验项目中全部为持续滑移的试验现象，出现的概率达到66.7%，其中主绳为10.5 mm 时，持续滑移出现率达到100%。主绳为12.5 mm 时，持续滑移出现率达到33.3%，说明辅绳圈数为4 时，抓结的握持力普遍不足，不能够承受较大的静拉力。另外，6 个辅绳缠绕圈数为6 的项目中，试验现象均为有实用价值的绳圈断裂或者是主绳绳皮断裂。

另一方面，通过短距滑移长度的对比，也说明抓结辅绳圈数越多，滑移距离越短，圈数多则抓结握持性能越好。例如，6 mm 辅绳搭配12.5 mm 主绳制作的抓结中，缠绕6 圈辅绳的滑移长度平均值是17.6 mm，而辅绳缠绕4圈的滑移长度平均值为27.2 mm。再如，7 mm 辅绳搭配12.5 mm 主绳制作的抓结中，缠绕6圈辅绳的滑移长度平均值是26.4 mm，而缠绕4圈辅绳的滑移长度平均值是84.4 mm。

3.2.4 主辅绳直径差对抓结握持性能的影响

编号5的试验项目是10.5 mm主绳与8 mm辅绳的搭配组合，是所有项目中主绳与辅绳直径差最小的，且缠绕圈数较少。从试验结果来看，该项目不仅全部是持续滑移的现象，而且最大力值也是所有项目中最低的，仅有2.543 kN，从试验现象和最大力值两个方面都验证了直径差是影响抓结握持性能的主要因素。

编号7、8的试验项目是12.5 mm主绳与6 mm辅绳的搭配组合，是所有项目中主绳与辅绳直径差最大的。在这种情况下，不论缠绕圈数是4 还是6，抓结的握持性能都较好，以短距滑移后绳圈断裂和多次短距滑移后绳圈断裂两种现象为主，占比分别为70%和30%，滑移距离平均值分别是27.2 mm 和17.67 mm，说明主辅绳直径差越大，普鲁士抓结的握持性能越好。

3.2.5 实战应用分析

在绳索救援实战中，失效力值往往更有意义。从这个角度分析，编号6 和编号12 的试验项目都具有较高的失效力值，两者都是8 mm 辅绳缠绕6 圈的情况，当主绳是10.5 mm 时，失效力值均值16.502 kN，当主绳为12.5 mm 时，失效力值均值是20.557 kN，说明后者搭配组合抓结的总体性能更佳。

3.2.6 普鲁士抓结对绳索强度的削弱作用

通过对比数据还发现一个十分重要的现象，那就是普鲁士抓结对于绳索强度的削弱作用。编号6试验项目采用10.5 mm 主绳，其标称断裂强度为27 kN，而该项目失效力值均值为16.502 kN，强度剩余率为61.11%。编号12试验项目采用12.5 mm主绳，其标称断裂强度为38 kN，而该项目失效力值均值为20.557 kN，强度剩余率为54.09%。可见，普鲁士抓结对绳索强度的削弱作用十分显著。

4 结论

4.1 试验中，抓结失效最大拉力值为23.509 kN，发生在第12 个试验项目中，说明绳索救援行动中，第12个试验项目的绳索搭配组合应用安全性最佳。

4.2 主绳直径对抓结握持性能的影响是显而易见的，主绳直径越大，普鲁士抓结的握持能力越强，其安全性能越好。在实际应用中，消防救援人员应选用直径相对较大的绳索作为主绳。

4.3 辅绳缠绕圈数是影响普鲁士抓结握持性能的另一个主要因素，辅绳缠绕6 圈时，抓结对主绳的握持性能普遍优于4 圈。所以，在提升省力系统等使用负荷较大的情况下使用抓结时，最好使用缠绕6圈辅绳的方式。在单人安全保护等使用负荷相对较小的情况下，可以使用缠绕4圈辅绳的方式。

4.4 通过试验数据的全面比较，可以验证主绳与辅绳的直径差值越大，普鲁士抓结的握持性能越好，应用安全性更高。

4.5 普鲁士抓结对于主绳绳索强度有着较为显著的削弱作用，失效时其强度剩余率仅为六成或者更低。