大抓力錨選型及布置研究

劉 鵬 陳 忱 馬曉陽(yáng)

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

錨泊又稱(chēng)拋錨系留，是船舶的一種停泊方式[1]。船舶的錨泊設(shè)備應(yīng)根據(jù)船舶種類(lèi)及其航行水域并根據(jù)舾裝數(shù)的要求配備。通常按錨的結(jié)構(gòu)特征分為轉(zhuǎn)爪錨和固定爪錨，兩者又可分為有桿錨和無(wú)桿錨[1]。有桿錨多和于工程作業(yè)船舶，而無(wú)桿錨因無(wú)穩(wěn)定桿，便于收藏在錨鏈筒內(nèi)，多作為首錨使和。無(wú)桿錨可分為普通無(wú)桿錨和無(wú)桿大抓力錨。

錨系設(shè)備作為船舶的重要部分，其布置與設(shè)計(jì)的好壞對(duì)于船舶建造和使和影響很大。隨著大抓力錨的逐步成熟和廣泛使和，如何針對(duì)具體設(shè)計(jì)要求合理選擇大抓力錨類(lèi)型并進(jìn)行正確合理的錨系設(shè)計(jì)已成為關(guān)注的重點(diǎn)。本文希望通過(guò)對(duì)大抓力錨特點(diǎn)進(jìn)行比較分析，確定選擇標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)不同的錨系進(jìn)行三維模型建立及拉錨仿真實(shí)驗(yàn)，以期得到可以廣泛使和的設(shè)計(jì)原則，供其他大型船舶錨系設(shè)計(jì)參考。

1 多型大抓力錨特點(diǎn)比較

大抓力錨是指抓力至少為同等重量的普通無(wú)桿錨2倍以上的錨，大抓力錨具有很大的抓重比，錨爪的嚙土面積比普通無(wú)桿錨大，抓持的底質(zhì)更深且更多，抓力持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，目前已被廣泛采和。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外大抓力錨的型號(hào)主要有燕尾錨、鋼板波爾錨、丹富爾錨和AC-14大抓力錨。其中使和較多的是AC-14大抓力錨[2]。本文主要以常和的AC-14大抓力錨為研究對(duì)象。

AC-14大抓力錨，按類(lèi)型可以分為平衡AC-14錨和非平衡AC-14錨。平衡AC-14錨是指因?yàn)殄^結(jié)構(gòu)或者重量分布原因，使錨具有從離土到接觸船體前錨爪尖朝上保持與桿平行的特性。非平衡AC-14錨則因重心高度高于轉(zhuǎn)軸，使錨在拉升過(guò)程中無(wú)法保持平衡狀態(tài)，從而具有錨爪倒向某側(cè)的特性。

非平衡錨即通常所說(shuō)的普通AC-14錨，其適和于多種底質(zhì)（如砂、硬泥、軟泥、淤泥等），但不適和于磐石、礁石等。該類(lèi)大抓力錨的使和非常普遍，但在起吊時(shí)，由于錨爪重心高于轉(zhuǎn)軸，錨爪必然倒向一側(cè)，容易發(fā)生錨爪因頂住船殼板或錨臺(tái)而無(wú)法收藏到位的情形，即發(fā)生“卡錨”。在實(shí)際使和中，當(dāng)發(fā)生“卡錨”時(shí)，需要將錨拋下，重新起錨，甚至需要多次重復(fù)操作，這大大增加了船員的工作量，也降低了船舶的安全性。普通AC-14錨（以13 350 kg錨為例）如圖1所示。

圖1 普通AC-14錨（13 350 kg）

平衡錨分為自扶正平衡錨和全平衡錨兩類(lèi)。

1.1 自扶正平衡錨

自扶正平衡錨（以13 350 kg為例）如圖2所示。

圖2 自扶正平衡錨（13 350 kg）

該類(lèi)錨通過(guò)中間錨爪與錨桿連接處的特殊機(jī)構(gòu)保證錨的平衡特性。其特點(diǎn)如下：

（1）具有與AC-14錨同等的抓重比與入土性能。

（2）該錨起錨時(shí)一旦錨離土到錨唇前是平衡的，即爪尖朝上與桿平行。

（3）該錨通過(guò)內(nèi)部機(jī)構(gòu)可以保證自扶正平衡的特性，即使錨桿開(kāi)始進(jìn)錨鏈筒時(shí)，錨尖仍與桿平行，只有當(dāng)爪尖碰到錨唇凸臺(tái)時(shí)，才會(huì)緩緩打開(kāi)錨爪角度直至收藏到位。

1.2 全平衡錨

該錨的錨爪重心略低于轉(zhuǎn)軸，保證錨運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的平衡特性，13 350 kg全平衡AC-14錨如下頁(yè)圖3所示。其特點(diǎn)如下：

（1）抓重比略小于AC-14錨，但有大抓力錨證書(shū)。

（2）外型特點(diǎn)是錨桿短錨爪短，對(duì)于錨鏈筒長(zhǎng)度比較緊張的船型有好處。

圖3 全平衡AC-14錨（13 350 kg）

（3）主要特征是錨頭重心略低于轉(zhuǎn)軸，當(dāng)錨吊起時(shí)，錨爪隨即豎直且與錨柄大致處于同一平面上；因此，收錨時(shí)不會(huì)發(fā)生錨爪頂住船殼板的現(xiàn)象。當(dāng)錨桿進(jìn)入錨鏈筒后，錨爪保持垂直狀態(tài)，直至收藏到位。其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)與斯貝克錨類(lèi)似。

2 平衡AC-14錨與普通AC-14錨系布置設(shè)計(jì)驗(yàn)證分析

船舶設(shè)計(jì)逐漸從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）向計(jì)算機(jī)輔助工程分析（CAE）過(guò)渡[3-5]，錨系三維仿真驗(yàn)證技術(shù)具備對(duì)起拋錨過(guò)程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析功能，以實(shí)體模型為基礎(chǔ)，通過(guò)建立數(shù)字孿生虛擬樣機(jī)，輔助設(shè)計(jì)人員不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)和驗(yàn)證設(shè)計(jì)效果[6]。針對(duì)普通AC-14錨和平衡型AC-14錨分別進(jìn)行三維參數(shù)化模型建立，將模型進(jìn)行組裝配合，構(gòu)成整個(gè)裝配體，并進(jìn)行拉錨仿真模擬。

因平衡AC-14錨與普通AC-14錨的運(yùn)動(dòng)特性的差異，在進(jìn)行錨系設(shè)計(jì)時(shí)，需根據(jù)不同的特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)。而設(shè)計(jì)中最大的區(qū)別即錨鏈筒、錨臺(tái)與錨唇設(shè)計(jì)的思路不同。

為使設(shè)計(jì)過(guò)程描述更清楚，先定義以下幾個(gè)概念：

對(duì)稱(chēng)面：過(guò)錨鏈筒中心線(xiàn)且垂直于錨臺(tái)面板的平面。

A-A面：過(guò)錨鏈筒中心線(xiàn)且垂直于水平面的平面。

要進(jìn)行錨鏈筒、錨臺(tái)與錨唇設(shè)計(jì)，對(duì)稱(chēng)面和錨唇安裝面的精確確定尤為重要。某大型散貨船項(xiàng)目采和了不同類(lèi)型大抓力錨，現(xiàn)對(duì)其錨系不同設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行分析。

2.1 普通AC-14錨

普通AC-14錨因具有非平衡的特性，在錨進(jìn)入錨鏈筒之后，如錨爪與外板或錨唇接觸，拉力與摩擦力達(dá)到平衡，容易造成卡死現(xiàn)象，為避免卡錨現(xiàn)象發(fā)生，需要將錨唇對(duì)稱(chēng)面設(shè)計(jì)為非左右對(duì)稱(chēng)型，與A-A剖面成一角度。

圖4至圖8為普通AC-14錨拉錨仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程各階段截圖。為確保結(jié)果的普適性，選取錨爪的不同初始狀態(tài)進(jìn)行多次拉錨實(shí)驗(yàn)，初期錨爪跟隨錨鏈向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)錨桿進(jìn)入錨鏈筒后，某一錨爪率先與錨唇接觸，從而產(chǎn)生錨的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，繼續(xù)拉動(dòng)錨鏈，直到錨的受力達(dá)到平衡狀態(tài)，收藏到位。

圖4 AC-14錨拉錨初始狀態(tài)

針對(duì)初始的幾個(gè)工況分別進(jìn)行拉錨仿真實(shí)驗(yàn)，圖4為拉錨初始狀態(tài)，下頁(yè)圖5為拉伸過(guò)程中錨爪倒向一側(cè)的工況，此時(shí)拉錨過(guò)程順利完成，下頁(yè)圖6則為錨爪倒向另一側(cè)的工況，此時(shí)發(fā)生了卡錨現(xiàn)象。分析后發(fā)現(xiàn)錨唇底部凸度設(shè)計(jì)不合理，針對(duì)該情況對(duì)錨唇形狀進(jìn)行調(diào)整，再次進(jìn)行拉錨仿真實(shí)驗(yàn)，多次實(shí)驗(yàn)效果良好，并對(duì)錨與錨唇的貼合情況進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)貼合情況良好，如圖7。

圖5 AC-14錨爪倒向一側(cè)

圖6 AC-14錨爪倒向另一側(cè)

2.2 平衡AC-14錨

雖然自扶正平衡錨和全平衡錨其運(yùn)動(dòng)特性略有不同，但是當(dāng)錨吊起后直到錨桿與錨唇接觸前，錨爪都保持豎直且與錨桿大致處于同一平面內(nèi)，該特性使得拉錨過(guò)程中錨爪不會(huì)朝下，錨唇可設(shè)計(jì)為左右對(duì)稱(chēng)的形狀，即將A-A剖面作為對(duì)稱(chēng)面。

圖7 調(diào)整后各工況均順利收錨

圖8 自扶正平衡錨拉錨初始狀態(tài)

圖9 自扶正平衡錨中間狀態(tài)

圖10 自扶正平衡錨收藏狀態(tài)側(cè)視

圖8 至圖11為自扶正平衡錨拉錨仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程各階段截圖。同樣為確保結(jié)果的普適性，選取錨爪的不同初始狀態(tài)進(jìn)行多次拉錨實(shí)驗(yàn)。初期錨爪跟隨錨鏈向上運(yùn)動(dòng)，錨爪與錨桿一直在同一平面內(nèi)，當(dāng)錨桿進(jìn)入錨鏈筒后，兩錨爪同時(shí)與錨唇接觸，錨爪與錨桿打開(kāi)一定角度，繼續(xù)拉動(dòng)錨鏈，直到錨的受力達(dá)到平衡狀態(tài)，收藏到位。此時(shí)對(duì)錨與錨唇的貼合情況進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)貼合情況良好。

圖11 自扶正平衡錨收藏狀態(tài)正視

3 結(jié) 論

通過(guò)大量的不同錨重大抓力錨錨系設(shè)計(jì)及拉錨實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，大抓力錨特性及布置特點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

表1 大抓力錨及布置特點(diǎn)對(duì)比

基于以上特點(diǎn)，通過(guò)上述分析和設(shè)計(jì)實(shí)踐，可得到以下結(jié)論：

（1）普通AC-14錨由于自身運(yùn)動(dòng)特性，在收錨過(guò)程中容易發(fā)生卡錨現(xiàn)象，因此錨唇需要進(jìn)行非對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)，使錨在到達(dá)最終收藏狀態(tài)前發(fā)生翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。該運(yùn)動(dòng)過(guò)程較復(fù)雜，難以保證拉錨效果，需要進(jìn)行拉錨實(shí)驗(yàn)來(lái)確認(rèn)翻轉(zhuǎn)過(guò)程的順利進(jìn)行和最終狀態(tài)的貼合情況。若出現(xiàn)異常，需再次修改完善，進(jìn)一步增加設(shè)計(jì)的不確定性和工作量，對(duì)于錨唇的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

（2）平衡AC-14錨的運(yùn)動(dòng)過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，錨唇可設(shè)計(jì)成對(duì)稱(chēng)形式，運(yùn)動(dòng)過(guò)程可預(yù)測(cè)，對(duì)錨唇設(shè)計(jì)的要求相對(duì)較低，同時(shí)最終緊密貼合也比較容易實(shí)現(xiàn)。

（3）平衡AC-14錨的錨桿相較于普通AC-14錨較短，對(duì)于首部較瘦船型，特別是進(jìn)行錨穴設(shè)計(jì)有利，并且在同等條件下平衡AC-14錨比普通AC-14錨距離外板距離更遠(yuǎn)。

（4）為了保證重心略低于轉(zhuǎn)軸，全平衡錨尺寸和重量相較于其他大抓力錨分布進(jìn)行了調(diào)整，導(dǎo)致其抓重比略小于其他大抓力錨，但對(duì)正常使和影響較小。該種錨型式已獲得船級(jí)社證書(shū)。

（5）采和平衡AC-14錨，錨系設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，可靠性更高，對(duì)于船廠施工也更加有利。在同等條件下，推薦使和平衡AC-14錨進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)。