動力錨的創(chuàng)新研究與應用拓展

肖欽民，宋 瑞

（上海百川通海洋工程有限公司，上海 200041）

動力錨的創(chuàng)新研究與應用拓展

肖欽民，宋 瑞

（上海百川通海洋工程有限公司，上海 200041）

在錨固產(chǎn)品研究領(lǐng)域，錨體植入動力的概念起步較晚，上世紀80年代，某軍區(qū)工科所發(fā)明了火箭錨，在錨體內(nèi)部植入火藥或者燃氣。根據(jù)這一背景，受火箭錨的啟發(fā)，借鑒振沖原理，設計研究出了一款新型的錨固產(chǎn)品——動力錨，實現(xiàn)了錨體智能控制，快速、高效投起錨作業(yè)。

錨；動力錨；機械動力；振沖；智能控制

0 引言

在錨固產(chǎn)品研究領(lǐng)域，錨體植入動力的概念起步較晚，上世紀80年代，某軍區(qū)工科所發(fā)明了火箭錨，在錨體內(nèi)部植入火藥或者燃氣，經(jīng)過燃燒產(chǎn)生壓力，使錨體潛入河床或海床。在美國、挪威、丹麥和中國亦有人利用壓力差發(fā)明了吸力錨，為一段封閉開小孔的空心管狀結(jié)構(gòu)，材質(zhì)一般為鋼。該產(chǎn)品必須根據(jù)拉力大小定制相對應大小的錨體。該產(chǎn)品很好的利用了環(huán)境壓力，首次實現(xiàn)了錨體深度可控的目的，且能產(chǎn)生巨大的壓力。至今，國內(nèi)外錨固產(chǎn)品發(fā)展緩慢，主要依靠自身重力下沉到河床或海床，通過拖拽產(chǎn)生錨固力。至于錨體植入動力和智能控制，更無人發(fā)展。

上海百川通海洋工程有限公司最新的研發(fā)產(chǎn)品——動力錨系統(tǒng)，打破了這一僵局，首創(chuàng)將機械動力植入錨體內(nèi)部，內(nèi)置智能模塊，解決了傳統(tǒng)犁錨使用過程“走錨脫錨和錨固力無監(jiān)控”等問題，實現(xiàn)了錨體智能控制，達到快速、高效投起錨作業(yè)，在一定程度上填補了國內(nèi)外含機械動力的智能化錨固產(chǎn)品的市場空白，成為新經(jīng)濟下高端海工裝備領(lǐng)域中一項重要的技術(shù)革新，具有一定的領(lǐng)先地位。

1 動力錨結(jié)構(gòu)和工作原理

動力錨系統(tǒng)主要由振沖子系統(tǒng)、監(jiān)控子系統(tǒng)、定位子系統(tǒng)、投起錨子系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成，如圖1、2所示。產(chǎn)品采用創(chuàng)新的土壤高頻振動液化技術(shù)，在錨體內(nèi)安裝電機和振沖錘，利用中低速長波震動、擊振力強的振沖原理，由電動機帶動曲軸和偏心塊旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生強大的沖擊振動力，錨體可迅速松化周圍的泥沙和砂石，將錨體周圍的土壤與水摻混，使原來的土壤變成流性好的液態(tài)泥漿，錨利用自重和垂直向下振動的沖擊力，迅速潛入被液化的床面淤泥內(nèi)。動力錨系統(tǒng)的工藝流程如圖3所示。

圖1 動力錨系統(tǒng)組成

圖2 動力錨錨體結(jié)構(gòu)

圖3 工作流程圖

2 技術(shù)特點及技術(shù)參數(shù)

2.1 四大關(guān)鍵技術(shù)

2.1.1 錨體核心動力部分技術(shù)

錨體核心動力部分依靠潛水電動機通過彈性聯(lián)軸器，帶動振動體內(nèi)安裝偏心塊的傳動軸旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生水平方向激振力，錨體周圍的泥沙或土層在激振力的作用下，向四周擴散并迅速松化，錨體依靠自身重力迅速下潛。該工作原理即為振沖施工法，該工法安全可靠，地質(zhì)適應廣泛，除了整塊巖石地質(zhì)外，基本都可適應，所以應用面比較廣闊。在錨體下潛到預定位置后，關(guān)閉錨體內(nèi)的電機，停止下潛。錨體將在水壓、水流、泥沙、土壤的回填作用下，迅速夯實錨體，從而完成布錨。起錨原理亦同投錨原理，土壤、泥沙地質(zhì)在開啟了電機后形成的激振力作用下，被迅速液化，通過船上的電動絞車提起即可完成。

2.1.2 電纜、信號線、鋼絲繩三線合一技術(shù)

電纜線、信號線、鋼絲繩三線合一技術(shù)的實現(xiàn)，旨在解決錨體施工時多條線纜互相纏繞帶來的易斷、難控、難收放等復雜問題。該技術(shù)利用電纜鋼絲鎧裝原理，使用鍍錫銅絲編織金屬網(wǎng)實現(xiàn)信號屏蔽，達到供電、信號傳輸、錨體提拉互不干擾的目的。保持了合一線體的強度，有效防止了合一線體斷裂、達到智能控制的目的。相關(guān)技術(shù)指標如表1所示。

表1 三線合一性能指標

2.1.3 高密封性能的快速防水接頭技術(shù)

高密封性能的快速防水接頭技術(shù)旨在解決錨體與復合錨纜的快速連接、分離問題，從而方便錨體的運輸安裝、入庫保養(yǎng)等問題。項目對該接頭無論是在防水還是在電氣性能方面均有較嚴格的要求。該防水接頭的技術(shù)的成功研發(fā),不但解決了復合錨纜和錨體的快速分離及連接問題，而且大大提高了工作人員的投起錨工作效率，對于故障維修、保養(yǎng)、更換等常規(guī)作業(yè)提供了便捷，如圖4所示。

圖4 高密封性能快速防水接頭實物圖

該部件采用不銹鋼材質(zhì)作為接頭外殼材質(zhì)，內(nèi)部接頭采用高質(zhì)量的黃銅材質(zhì)設計，加設橡膠密封絕緣結(jié)構(gòu)，從而達到接頭密封防水、抗壓、抗拉力的基本性能要求。另外部件采用螺母原理設計，通過螺絲旋轉(zhuǎn)加固的方法，實現(xiàn)線纜接頭快速鎖定加固的目的。相關(guān)技術(shù)參數(shù)如下所示：1）未注倒角0.5×45°；2）表面電解處理；3）其余表面光潔度3.2；4）電壓500V，電流48A；5）耐壓7MPa，水下400米內(nèi)。

2.1.4 錨體智能控制技術(shù)

為了便于海上施工的便捷、安全、可控。在錨體中增加了水深傳感器、拉力傳感器、電子羅盤、加速度傳感器等智能模塊，實現(xiàn)定點投錨，投起錨快捷，錨固監(jiān)控報警，有效提高作業(yè)效率。

2.2 技術(shù)參數(shù)

只要動力偏振電機有足夠的大，三合一纜繩有足夠的拉力，它的錨固力就能成正比的增加。相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表2所示。

3 應用試驗

為了檢驗“動力錨系統(tǒng)”各項技術(shù)使用性能，為產(chǎn)品鑒定和改進、推廣提供依據(jù)，動力錨系統(tǒng)在研制過程中，組織了多次試驗，分別就不同應用領(lǐng)域?qū)恿﹀^進行了試驗驗證，試驗記錄如表3、表4所示。

項目組2012年9月在江陰組織了原理樣機的驗證試驗表明，采取動力錨方案，可快速將錨打入河床內(nèi)，2分鐘內(nèi)可打入河床4米～5米，錨固力可達到21噸。

2013年8月下旬，進行了長江性能摸底試驗。試驗表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，入土速度快，錨固力大，監(jiān)控子系統(tǒng)在45米水深下運行可靠，各項性能指標達到了要求。

為了檢驗系統(tǒng)的綜合性能，2013年12月在常州太湖又進行了綜合性能試驗，驗證了電氣控制子系統(tǒng)、監(jiān)控子系統(tǒng)及振沖子系統(tǒng)的性能，并對系統(tǒng)的操作使用流程進行實裝完善。試驗表明，整套系統(tǒng)運行穩(wěn)定，電氣控制準確，綜合性能達到指標要求。

表3 試驗記錄表

表4 投起錨速度試驗記錄表

4 創(chuàng)新研究與應用拓展

4.1 艦船配套

動力錨系統(tǒng)在艦船上的應用，主要體現(xiàn)在：在開設臨時性浮游碼頭時，需要大錨固力的錨，動力錨完全適應此方面的要求。對于一些大型艦船應用，動力錨比傳統(tǒng)的錨更具優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在一是作業(yè)方式簡單，能減少應用時的操作人員，提高效能；二是對錨固力進行了有效監(jiān)控，為了解和掌握浮游碼頭或海洋艦船錨泊情況提供技術(shù)支持，為防止意外發(fā)生贏得了時間。

4.2 深海監(jiān)測

從開發(fā)海底資源的三個科學目的（礦物生長與發(fā)展；生物資源開發(fā)的特定地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)研究；大洋資源開發(fā)及后續(xù)環(huán)境變化監(jiān)測）出發(fā)，科學家需要將觀測儀器設備布放到海底去，并將設在海底和埋在鉆井中的監(jiān)測儀器聯(lián)網(wǎng)，進行長時間連續(xù)的自動化觀測。海底站的儀器設備包括：1）傳感器和儀器；2）由鈦盒封裝的電子系統(tǒng)和儲存數(shù)據(jù)的硬盤；3）通訊系統(tǒng)的水下部件；4）鋰電池電源。這些觀測儀器設備在海底的布局，就要通過固定裝置把它們固定網(wǎng)絡起來連成一片。動力錨可以作為這些儀器設備的固定裝置，將這些儀器設備在海底進行固定。

5 結(jié)束及展望

動力錨產(chǎn)品是國內(nèi)乃至世界首次將機械動力植入錨體內(nèi)部的新型產(chǎn)品，另外在錨體中又增加了傳感模塊和智能控制模塊，實現(xiàn)了錨體的可控和智能。截至目前，國內(nèi)尚無同類產(chǎn)品。傳統(tǒng)錨體產(chǎn)品競爭者有：霍爾錨、吸力錨、火箭錨等。通過對比，在同領(lǐng)域內(nèi)的無相關(guān)競爭或替代產(chǎn)品。具有競爭力小、適用范圍廣、造價成本低、施工安裝便捷、智能化可控性強等特性，具有其它產(chǎn)品不可比擬的發(fā)展優(yōu)勢。國內(nèi)外類似錨體技術(shù)對比如表5所示。

動力錨顛覆了錨固領(lǐng)域的傳統(tǒng)設計，強大的錨固力、穩(wěn)定的抗拉性和定位精確、深度可控及可反復利用等卓越性能使得產(chǎn)品市場廣闊，需求量大，除整塊巖石地質(zhì)外，適用于舟橋門橋錨固、海底檢測設備固定、防波提建設、海上浮動島建設、浮式碼頭建設、深海鉆進平臺固定等諸多領(lǐng)域，對航海、漁業(yè)等領(lǐng)域的發(fā)展亦有重大推動作用。

表5 國內(nèi)外類似錨體技術(shù)對比

動力錨在特定領(lǐng)域內(nèi)的錨固產(chǎn)品無任何替代品，在性能及特性上具有專用性和普遍性兩種特殊性能。無論在軍用還是民用領(lǐng)域，均具有不可替代的優(yōu)越性。低廉的價格、便捷的施工、強大的錨固力加上智能便捷的操控等特性是產(chǎn)品占領(lǐng)深海錨固領(lǐng)域的絕對優(yōu)勢。

[1] 李曉廣, 張叢麗, 喻國良. 水下粉細砂土體在超高頻機械振動荷載作用下液化特性的試驗研究[J].水利水電技術(shù), 2011(04): 85-88.

[2] 張華昌, 呂兆華, 隋華. 火箭錨侵徹軌跡研究[C].第十三屆中國海洋（岸）工程學術(shù)討論會論文集,2007.

[3] 劉俊濱, 李玉峰, 劉金鐸. 吸力錨技術(shù)的應用現(xiàn)狀及前景[J]. 水利工程建設與管理, 2007(22): 37-38.

Innovation Research and Application Development of Vibrating Anchor

XIAO Qin-min, SONG Rui
(Shanghai HRC Ocean Engineering Co., Ltd, Shanghai 200041,China)

In the field of anchoring product research, implanting mechanical power into anchor body started late. In the 1980's, a Military Area Command had invented the anchor, which was implanted with gunpowder or gas. According to this background, inspired by the rocket anchor's invention and based on the principle of vibration, a new anchoring product is designed which called vibrating anchor. This product aims to realize the intelligent control and improve the efficiency of weighing anchor.

anchor; vibrating anchor; mechanical power; vibratory flotation; intelligent control

TK174

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.06.017

肖欽民（1974-），男，工程師，碩士，主要從事高端海工裝備研制。