某型布缆船锚系设计

郝绍瑞 曹剑鸣

（1.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011；2.浙江省舟山警备区船运大队 舟山316000）

引 言

锚及其存放与操纵系统由锚、锚链、锚链筒、起锚机、掣链器、导链滚轮、弃锚器等组成。作为船舶的保船设备之一，在船舶设计过程中占据十分重要的地位。

某型布缆船首部系泊区域空间比较紧凑，系泊甲板的横向宽度相对较小，首部线型十分瘦削；干舷小，艏锚的收存位置离水面高度很小（仅约2.7 m）。为避免艏波对锚冲击而导致锚受损或脱落，避免增加船舶航行附加阻力，并尽量使外形美观，这种船型均采用暗式锚穴。这些要求均构成船舶锚系设计中的制约因素，给锚系设计带来不小的难度。

本文就某型布缆船锚系设计过程中的几个主要部件的设计与选型进行研究与探讨。

1 锚的配置

航行锚设备通常采用无杆锚，锚的数量和质量按IACS（国际船级社协会）提出、并为各国船级社采用的舾装数确定［1］。某型布缆船按CCS（中国船级社）《钢质海船入级规范》（2012）的有关规定和要求进行锚系设计，选用斯贝克锚［2］。斯贝克锚通常用作艏锚，这种锚对于各种泥、砂底质均有较好的适应能力，且收藏方便，锚爪最大张角为40°，其最大特点就是锚头重心略低于转轴（小轴），因此，锚吊起时，锚爪竖直与锚柄在同一垂直平面内；当锚爪尖触及船外板时，锚爪会向离开外板的一侧倾斜，不致擦伤船外板，能使锚柄顺利收入锚链筒内，锚爪与船外板的贴合性较好［3］。我国造船行业已制订斯贝克锚标准，便于选型。

2 存放与操纵系统

2.1 锚 链

普通锚链环分为无档链环和有档链环两种，在同样尺度下，有档链环的强度比无档链环约增加20%，且具有较大的刚性，长期使用也不致有过大变形，且不易发生扭结［3］；因此，船舶的锚链通常选用电焊有档锚链。值得注意的是军船规范［4］规定的锚链最小总长度系指中间链节总长度，锚端链节和末端链节长度不计入。一般在进行锚链设计选型时，都是按照船级社的要求，根据计算得到的舾装数对照表格来选取相应等级的锚与锚链，锚链分为AM1、AM2、AM3三个等级，对应相同舾装数选用锚链的级别越高，锚链的尺寸和质量越小。通过对锚链在锚泊状态下受力分析计算，无论是抛锚长度、最大可承受环境力还是最大抛锚深度，都呈现出了同样的结果，即在锚链长度相同时，链径越大的锚链锚泊能力越强［5］。但如果配置链径较大的锚链则需要相应配置更大的起锚机，也需要更大的锚链舱存储锚链，从而占用更多的船总体资源，且给总体带来重量重心方面更多的压力。考虑到该布缆船首部空间比较紧张，系泊甲板的横向宽度也相对较小，锚链舱舱容等因素，结合锚地条件及水域，所以在实际选型时，确定选用AM3锚链钢。

2.2 锚链筒及锚穴

锚链筒是斜穿过甲板与舷侧，在船舶起、抛锚时引导锚链通向舷外的导管，锚穴在船舶航行时用于收存锚。一般均设置在船首两侧，以供收藏主锚。

任何一个艏锚在收起时不应卡住首柱和船底，各船级社规范没有对船舶向任何一舷的倾斜角度作硬性规定，只有我国“军船规范”要求，应保证在舰船不利横倾3°时，锚爪不会钩住首柱、龙骨，碰撞球鼻首，并能使锚和锚链顺利进出锚链筒、锚穴，且不得损坏船、属具和设备等［4］。

如前所述，某型布缆船首部系泊区域空间比较紧张，首部线型十分瘦狭，且为保证锚链舱的容积，需要将锚机尽量往船中方向靠，同时还需考虑锚机的维修操作不受影响。为节省空间及甲板占用面积，采用1台双链轮电动起锚机，其典型的锚系布置图见图1。

这些参数对抛起锚性能的影响如下：

（1）β

β角太小，锚链在甲板凸缘处的摩擦阻力很大，可以通过在锚链筒上口的板上设置导链滚轮予以改善，锚链筒上口也就无须再设置铸钢凸缘；β角太大，会造成舷侧出口处的摩擦阻力很大，致使起锚时收卷锚链的力量减弱，且锚柄不易纳入锚链筒或纳入锚链筒之后不易自动脱出，通常β在35°～ 60°之间。

（2）α

α角越小，抛起锚时所受阻力越小，但它影响舷侧出口A1、B1的大小。控制舷侧链孔的位置，是为了保证起锚时，即使船体不利倾斜一定角度时，锚爪也不会卡住首柱或龙骨。α角通常在20°～ 30°之间。

（3）A2

A2的选取应与首部的线型相配合，使舷侧开口处有适当的线型，并与甲板上的设备布置相配合。

（4）B2

B2的选取应与锚机链轮相配合，以免锚链受到过分转折；

（5）A3

A3的选取受锚链舱的位置及甲板布置的限制。通常要求A3取4 872d（或12～18倍锚链环长度），A3太小，使锚链在锚机锚链轮处受到扭转，A3偏大的情况下，为了防止抛起锚时锚链跳动及重力下垂，可以在A3/2处设置导链槽及托架。

（6）C2

一般为保证锚的收存，C2的取值约为1.53C1。

（7）锚链筒的位置应使其轴线尽可能垂直于通过其舷侧出口处的水线，即θ角为90°［1］。这样可以简化锚链筒特别是锚穴的设计。

综上所述，锚链筒的布置和设计、以上各参数的选择是否适当，将直接影响抛起锚的优劣。但各项性能对锚链筒的参数要求可能是矛盾的。由此可见，锚链筒及锚穴位置的选定是一个较为复杂的问题，在设计时可先按这些参数的常用数值，参考母型船以及设计经验，初步选定参数值，然后进行初步的作图［6］，在综合考虑后，再对这些参数作适当的优化修改。并专门制作一定比例的木质模型，来检查抛起锚情况及锚贴合情况是否良好。

由于本船采用的是暗式锚穴形式，为保证锚链筒长度，保证锚链收放顺利平稳，不发生跳链，又因锚链轮中心与锚链筒中心不能在一条直线上而不得不采用倾斜一定角度的导链滚轮，为尽量减少大角度倾斜式导链滚轮对锚链的磨损，打破常规，采取锚链筒轴线不垂直于舷侧出口水线的作法，经多次剖面作图，确定了相对合适的锚链筒开口位置和锚链筒中心线与船中线的夹角（见图2）。由于受线型影响，确定的锚链筒长度仍然偏小，所以最终采用了短杆锚的型式来解决这个问题，这样在锚抓力方面会有所损失。实船锚系拍摄的照片见下页图3。

图2 某型布缆船锚系布置

2.3 导链滚轮

导链滚轮设置在锚链筒甲板出口处，用于锚链筒上出口处导向，在抛起锚时使锚链与甲板上的筒口之间不发生摩擦，并能有效防止锚链的翻滚。

如前所述，由于受各方面条件限制，某型布缆船锚系设计采用双链轮卧式锚机，使得两个锚链筒的角度不易调整，必须把导链滚轮调整到一个合适的角度，即导链滚轮的位置与倾斜角度应装成与锚链筒倾斜相一致［7］，见图2中B向视图所示。

图3 实船拍摄照片

2.4 掣链器

掣链器是船舶在航行或抛锚时夹住锚链的装置。CCS、GL、LR及DNV等船级社的规范要求，掣链器及其支撑结构应能承受所通过锚链的最小破断负荷的80%，在此情况下，其受力构件不产生永久变形。

常用的掣链器有：铸钢闸刀掣链器、停泊掣链器和螺旋掣链器等。

某型布缆船锚系采用铸钢闸刀掣链器（可按标准进行选取），根据其基座及支撑结构应能承受锚链的最小破断负荷的80%的设计载荷要求。

2.5 起锚机

起锚机是放出或收进锚链及锚的甲板机械。起锚机按主轴的方向分为卧式起锚机和立式起锚绞盘两大类。卧式起锚机安装简单，使用、维修、保养方便，只是整套设备安装在甲板面上，占用空间较大。某型布缆船选用双链轮卧式锚机，优点是布置较紧凑，在首部线型瘦狭的前提下，保证锚链舱舱容。缺点是两个锚链筒的角度不易调整，且导链滚轮必须调整到合适的角度，给设计和施工带来一定的难度，起锚机的布置见图2。

根据CCS、GL、LR及DNV等船级社的规范要求，如设有掣链器，起锚机及其支撑结构应能承受所通过锚链的最小破断负荷的45%；如不设掣链器，起锚机及其支撑结构应能承受破断负荷的80%。

借助通用有限元软件FeMap、NX.Nastran，对各种工况下，起锚机、掣链器及其基座、导链滚轮、及船体支撑结构进行有限元分析和强度校核。具体计算工况为：工况1锚机左侧链轮承受45%的锚链破断负荷；工况2锚机右侧链轮承受45%的锚链破断负荷；工况3锚机两侧链轮同时各承受45%的锚链破断负荷；工况4掣链器承受80%的锚链破断负荷。

2.5.1 有限元模型示意图

见图4和图5。

图4 有限元模型单元示意图

图5 有限元模型板厚示意图

2.5.2 有限元计算结果

各工况下的船体支撑结构强度计算结果与许用应力的比较见下页表1，详细应力分布见附录。由表1可知，在工况1-工况4的情况下，锚机和掣链器支撑结构强度均小于规范许用值，锚机和掣链器的船体支撑结构强度满足CCS规范要求。

表1 有限元计算结果与许用应力的比较

3 结 论

船舶锚系设计是船舶舾装设计中的一大重点和难点，在设计时，可以先根据母型船以及设计经验，初步确定参数，然后通过放样作图，在图上逐步分析检查各项要求是否满足，作综合考虑后，对各参数作适当优化修改，然后制造实样木锚、锚链筒及锚穴模型进行拉锚试验，检查抛起锚是否顺利，并检查锚与锚穴应紧贴良好，最后确定锚链筒的位置和锚穴尺寸。本文通过某型布缆船锚系设计，总结了部分设计心得与经验，供同行业舾装设计人员设计时参考。

［1］ 中国船舶工业总公司.船舶设计实用手册(舾装分册)［M］.国防工业出版社，2013.

［2］ 中国船级社.钢质海船入级规范［M］.人民交通出版社，2012.

［3］ 葛云卿，朱国英，吴洪保.船舶设备［M］.哈尔滨船舶工程学院出版社，1987.

［4］ 中华人民共和国国家军用标准.GJB4000-2000.舰船通用规范［S］.

［5］ 胡晓芳，丁德勇.锚链直径对船舶锚泊能力的影响［J］.中国舰船研究，2014（4）.

［6］ 陈金发.船舶锚链筒的设计和放样［M］.国防工业出版社，1980.

［7］ 蒋寿恺.船舶舾装［M］.上海科学技术出版社，1979.