船用鋼板錨在細沙中的嚙土性能分析

李 栓，倪福生,2，袁婉清，徐立群,2，施舜鎧

（1. 河海大學機電工程學院，江蘇 常州 213001；2. 疏浚技術教育部工程研究中心，江蘇 常州 213001）

0 引 言

近些年國內外出現很多嚙土性能優良的拖曳錨，其中鋼板焊接錨占有較大的比例。鋼板焊接錨具有優良的嚙土性能和良好的發展前景，比較著名的有Flipper Delta錨（德爾泰錨）、Stevdig錨（史蒂夫狄格錨）和Stevpris錨（史蒂夫瑞斯錨）等[1-3]。已有的研究很少對這些鋼板錨的嚙土性能進行分析。CRUM[4]對德爾泰錨進行不同碎石層的拖曳試驗，說明德爾泰錨在碎石底質中能表現出較為優良的嚙入性能，但未對德爾泰錨進行細沙中的嚙土試驗。

考慮到起錨方便等因素，船用錨幾乎全都采用無橫桿的轉爪錨[1]，而德爾泰錨的錨爪下部較寬，為倒V形結構，易于加工制造。因此，選取德爾泰錨為原型[4]，設計一款縮尺比為1:5的簡易德爾泰錨模型，在實驗室透明水槽中對其進行試驗，考察船用鋼板錨在退潮海床上的抓力性能。

1 錨模型嚙土試驗

1.1 模型比例

參考CRUM[4]在碎石粒中對德爾泰錨進行的抓力試驗，對本文所用的德爾泰錨的部分尺寸進行測量，還原其原本的尺寸；同時，以該錨為原型，設計一款縮比尺為1:5的錨模型。與原型不同的是，該錨模型填補了錨爪上被切除的三角。錨模型及其主要尺寸見圖1。

圖1 錨模型及其主要尺寸

錨模型的質量m= 12kg ，總長l1= 0.50m ，寬d= 0.40m ，錨板長l2= 0.32m，錨桿長0.38m，錨桿寬0.04m，錨傾角c在25°～55°范圍內可調，選取30°、35°、40°和45°等4個傾角在細沙中對錨進行嚙土試驗。

1.2 試驗裝置和試驗原理

試驗所用的裝置包括錨模型、拉力傳感器（0～500kg）、鋼絲繩、卷揚機（300～600kg）、數顯儀、變頻器和貼地環扣。傳感器與錨之間的距離為1.5m，錨可拖曳的距離約為13m。試驗原理示意見圖2。

相對于文獻[4]中的試驗，該試驗增加一個貼地環扣，使錨鏈始終存在一定的拖地長度。因為在實際應用中拖曳錨的錨鏈很長，在錨嚙土過程中錨鏈始終存在一定的拖地長度，而該試驗無法提供足夠大的場地，導致錨鏈的長度在卷揚機轉動并收縮錨鏈的過程中會逐漸縮短，直至拖曳長度減為0（見圖3）。試驗裝置布置見圖4。

圖2 試驗原理示意

圖3 貼地環扣對錨鏈角度的影響

1.3 試驗過程

該試驗在河海大學疏浚技術教育部工程研究中心的疏浚絞刀挖掘水槽內進行，選用的土體為細沙。選擇30°、35°、40°和45°等4個傾角的德爾泰錨模型開展試驗，每個傾角進行3次拖曳錨試驗，通過改變變頻器的頻率來控制卷揚機的拖曳繩速為0.161m/s。錨在嚙土進程中的狀態見圖5。

圖4 試驗裝置布置

圖5 錨在嚙土進程中的狀態

卷揚機啟動之前，將錨模型放置在起始位置；卷揚機啟動之后，對錨模型施加一個拖曳力，使其相對于土質滑移一段距離。當錨尖開始嚙土之后，錨模型快速嚙土，直至完全嚙入土中，并在土中邊移動邊剪切土質。

1.4 試驗結果和分析

將數據采集儀表的采集時間間隔設置為2s/次，對每個傾角重復多次試驗，直至出現3條重復性較好的抓力（F）隨時間（t）的變化曲線。在每個傾角的3條重復性較好的變化曲線中取一條，得到30°、35°、40°和45°傾角下錨模型的抓力（F）隨時間（t）的變化曲線見圖6。

圖6 錨模型的抓力隨時間的變化曲線

由圖6可知，錨模型在不同傾角下嚙土的規律是較為相似的，錨抓力的增長速度在起始嚙土階段很快，隨后變得緩慢，最后逐漸平穩。

錨模型在傾角為30°、35°、40°和45°的最大抓力值分別為1167.6N、1527.0N、1220.7N和999.6N，其中傾角為35°的錨模型抓力最大。不同傾角錨模型的最大抓力值見表1。

表1 不同傾角錨模型的最大抓力值

在不同傾角下，錨的抓力系數η的計算式為

式(1)中：η為抓力系數；Fmax為同一傾角下錨的最大抓力值，N；m為錨質量，kg。由此可得出不同傾角錨的抓力系數η見圖7。

圖7 不同傾角錨模型的抓力系數

在細沙中，不同傾角錨模型的嚙土深度在0.30～0.35m范圍內變化，具體見圖8。從圖7和圖8中可看出：嚙土深度與抓力系數的變化曲線較為相似，在30°、35°和40°傾角下，錨模型的抓力系數與嚙土深度隨時間變化的曲線皆呈倒V形；當傾角為45°時，錨模型的抓力系數仍在下降，而嚙土深度無明顯下降，因為在錨模型嚙土過程中，當嚙土深度相近時，傾角大的錨模型未嚙土部分較多，重心相對偏高，致使錨嚙土的穩定性較差，時常會發生側翻，具體見圖9。

圖8 不同傾角錨模型嚙土深度

圖9 錨側翻狀態

2 鋼板錨和鑄造錨的抓力性能對比

DA-1錨是一種新型大抓力鑄造錨，穩定性較好[5]，有較大的抓力系數，被稱為第三代船用錨。于洋等[5]在大連金石灘海岸的細沙上對DA-1錨模型進行嚙土試驗，該鑄造錨的傾角為36°，質量為12.25kg，得出的抓力系數為6.5；本文采用的12kg德爾泰鋼板錨模型的抓力系數（13.0）是DA-1鑄造錨模型的抓力系數（6.5）的2倍，35°傾角的12kg德爾泰鋼板焊接錨模型在細沙中的抓力系數優于12.25kg DA-1鑄造錨模型；德爾泰鋼板錨模型的拖曳距離大于DA-1鑄造錨模型；相對于DA-1鑄造錨模型的3倍錨爪長度的拖曳距離，德爾泰鋼板錨模型的嚙土距離（4m）約為其錨爪長度（0.32m）的 12倍，略顯不足。但是，相較于鑄造錨復雜的制造工序，鋼板焊接錨更易加工和制造。德爾泰鋼板錨模型和DA-1鑄造錨模型的基本參數和性能參數見表2。

表2 德爾泰鋼板錨模型和DA-1鑄造錨模型的基本參數和性能參數

3 結 語

通過對德爾泰鋼板錨模型進行拖曳試驗，初步得到以下結論：

1) 在30°、35°和40°傾角下，德爾泰鋼板錨模型可較好地嚙入底質中，同時具有一定的嚙土深度和拖曳距離。當錨模型的抓力系數增加時，嚙土深度隨之加深。傾角過大或過小都會使錨模型的嚙土深度較淺，傾角過大甚至會引發脫錨問題，發生側翻。錨傾角對船用鋼板錨的嚙土性能具有較大影響。

2) 35°傾角的德爾泰鋼板錨模型在細沙中的最大抓力系數可達13左右。船用鋼板錨在細沙中具有較好的嚙土性能。