动力锚的创新研究与应用拓展

肖钦民，宋 瑞

（上海百川通海洋工程有限公司，上海 200041）

动力锚的创新研究与应用拓展

肖钦民，宋 瑞

（上海百川通海洋工程有限公司，上海 200041）

在锚固产品研究领域，锚体植入动力的概念起步较晚，上世纪80年代，某军区工科所发明了火箭锚，在锚体内部植入火药或者燃气。根据这一背景，受火箭锚的启发，借鉴振冲原理，设计研究出了一款新型的锚固产品——动力锚，实现了锚体智能控制，快速、高效投起锚作业。

锚；动力锚；机械动力；振冲；智能控制

0 引言

在锚固产品研究领域，锚体植入动力的概念起步较晚，上世纪80年代，某军区工科所发明了火箭锚，在锚体内部植入火药或者燃气，经过燃烧产生压力，使锚体潜入河床或海床。在美国、挪威、丹麦和中国亦有人利用压力差发明了吸力锚，为一段封闭开小孔的空心管状结构，材质一般为钢。该产品必须根据拉力大小定制相对应大小的锚体。该产品很好的利用了环境压力，首次实现了锚体深度可控的目的，且能产生巨大的压力。至今，国内外锚固产品发展缓慢，主要依靠自身重力下沉到河床或海床，通过拖拽产生锚固力。至于锚体植入动力和智能控制，更无人发展。

上海百川通海洋工程有限公司最新的研发产品——动力锚系统，打破了这一僵局，首创将机械动力植入锚体内部，内置智能模块，解决了传统犁锚使用过程“走锚脱锚和锚固力无监控”等问题，实现了锚体智能控制，达到快速、高效投起锚作业，在一定程度上填补了国内外含机械动力的智能化锚固产品的市场空白，成为新经济下高端海工装备领域中一项重要的技术革新，具有一定的领先地位。

1 动力锚结构和工作原理

动力锚系统主要由振冲子系统、监控子系统、定位子系统、投起锚子系统、电气控制系统等组成，如图1、2所示。产品采用创新的土壤高频振动液化技术，在锚体内安装电机和振冲锤，利用中低速长波震动、击振力强的振冲原理，由电动机带动曲轴和偏心块旋转产生强大的冲击振动力，锚体可迅速松化周围的泥沙和砂石，将锚体周围的土壤与水掺混，使原来的土壤变成流性好的液态泥浆，锚利用自重和垂直向下振动的冲击力，迅速潜入被液化的床面淤泥内。动力锚系统的工艺流程如图3所示。

图1 动力锚系统组成

图2 动力锚锚体结构

图3 工作流程图

2 技术特点及技术参数

2.1 四大关键技术

2.1.1 锚体核心动力部分技术

锚体核心动力部分依靠潜水电动机通过弹性联轴器，带动振动体内安装偏心块的传动轴旋转，产生水平方向激振力，锚体周围的泥沙或土层在激振力的作用下，向四周扩散并迅速松化，锚体依靠自身重力迅速下潜。该工作原理即为振冲施工法，该工法安全可靠，地质适应广泛，除了整块岩石地质外，基本都可适应，所以应用面比较广阔。在锚体下潜到预定位置后，关闭锚体内的电机，停止下潜。锚体将在水压、水流、泥沙、土壤的回填作用下，迅速夯实锚体，从而完成布锚。起锚原理亦同投锚原理，土壤、泥沙地质在开启了电机后形成的激振力作用下，被迅速液化，通过船上的电动绞车提起即可完成。

2.1.2 电缆、信号线、钢丝绳三线合一技术

电缆线、信号线、钢丝绳三线合一技术的实现，旨在解决锚体施工时多条线缆互相缠绕带来的易断、难控、难收放等复杂问题。该技术利用电缆钢丝铠装原理，使用镀锡铜丝编织金属网实现信号屏蔽，达到供电、信号传输、锚体提拉互不干扰的目的。保持了合一线体的强度，有效防止了合一线体断裂、达到智能控制的目的。相关技术指标如表1所示。

表1 三线合一性能指标

2.1.3 高密封性能的快速防水接头技术

高密封性能的快速防水接头技术旨在解决锚体与复合锚缆的快速连接、分离问题，从而方便锚体的运输安装、入库保养等问题。项目对该接头无论是在防水还是在电气性能方面均有较严格的要求。该防水接头的技术的成功研发,不但解决了复合锚缆和锚体的快速分离及连接问题，而且大大提高了工作人员的投起锚工作效率，对于故障维修、保养、更换等常规作业提供了便捷，如图4所示。

图4 高密封性能快速防水接头实物图

该部件采用不锈钢材质作为接头外壳材质，内部接头采用高质量的黄铜材质设计，加设橡胶密封绝缘结构，从而达到接头密封防水、抗压、抗拉力的基本性能要求。另外部件采用螺母原理设计，通过螺丝旋转加固的方法，实现线缆接头快速锁定加固的目的。相关技术参数如下所示：1）未注倒角0.5×45°；2）表面电解处理；3）其余表面光洁度3.2；4）电压500V，电流48A；5）耐压7MPa，水下400米内。

2.1.4 锚体智能控制技术

为了便于海上施工的便捷、安全、可控。在锚体中增加了水深传感器、拉力传感器、电子罗盘、加速度传感器等智能模块，实现定点投锚，投起锚快捷，锚固监控报警，有效提高作业效率。

2.2 技术参数

只要动力偏振电机有足够的大，三合一缆绳有足够的拉力，它的锚固力就能成正比的增加。相关技术参数如表2所示。

3 应用试验

为了检验“动力锚系统”各项技术使用性能，为产品鉴定和改进、推广提供依据，动力锚系统在研制过程中，组织了多次试验，分别就不同应用领域对动力锚进行了试验验证，试验记录如表3、表4所示。

项目组2012年9月在江阴组织了原理样机的验证试验表明，采取动力锚方案，可快速将锚打入河床内，2分钟内可打入河床4米～5米，锚固力可达到21吨。

2013年8月下旬，进行了长江性能摸底试验。试验表明，系统运行稳定，入土速度快，锚固力大，监控子系统在45米水深下运行可靠，各项性能指标达到了要求。

为了检验系统的综合性能，2013年12月在常州太湖又进行了综合性能试验，验证了电气控制子系统、监控子系统及振冲子系统的性能，并对系统的操作使用流程进行实装完善。试验表明，整套系统运行稳定，电气控制准确，综合性能达到指标要求。

表3 试验记录表

表4 投起锚速度试验记录表

4 创新研究与应用拓展

4.1 舰船配套

动力锚系统在舰船上的应用，主要体现在：在开设临时性浮游码头时，需要大锚固力的锚，动力锚完全适应此方面的要求。对于一些大型舰船应用，动力锚比传统的锚更具优势，主要表现在一是作业方式简单，能减少应用时的操作人员，提高效能；二是对锚固力进行了有效监控，为了解和掌握浮游码头或海洋舰船锚泊情况提供技术支持，为防止意外发生赢得了时间。

4.2 深海监测

从开发海底资源的三个科学目的（矿物生长与发展；生物资源开发的特定地区生态系统研究；大洋资源开发及后续环境变化监测）出发，科学家需要将观测仪器设备布放到海底去，并将设在海底和埋在钻井中的监测仪器联网，进行长时间连续的自动化观测。海底站的仪器设备包括：1）传感器和仪器；2）由钛盒封装的电子系统和储存数据的硬盘；3）通讯系统的水下部件；4）锂电池电源。这些观测仪器设备在海底的布局，就要通过固定装置把它们固定网络起来连成一片。动力锚可以作为这些仪器设备的固定装置，将这些仪器设备在海底进行固定。

5 结束及展望

动力锚产品是国内乃至世界首次将机械动力植入锚体内部的新型产品，另外在锚体中又增加了传感模块和智能控制模块，实现了锚体的可控和智能。截至目前，国内尚无同类产品。传统锚体产品竞争者有：霍尔锚、吸力锚、火箭锚等。通过对比，在同领域内的无相关竞争或替代产品。具有竞争力小、适用范围广、造价成本低、施工安装便捷、智能化可控性强等特性，具有其它产品不可比拟的发展优势。国内外类似锚体技术对比如表5所示。

动力锚颠覆了锚固领域的传统设计，强大的锚固力、稳定的抗拉性和定位精确、深度可控及可反复利用等卓越性能使得产品市场广阔，需求量大，除整块岩石地质外，适用于舟桥门桥锚固、海底检测设备固定、防波提建设、海上浮动岛建设、浮式码头建设、深海钻进平台固定等诸多领域，对航海、渔业等领域的发展亦有重大推动作用。

表5 国内外类似锚体技术对比

动力锚在特定领域内的锚固产品无任何替代品，在性能及特性上具有专用性和普遍性两种特殊性能。无论在军用还是民用领域，均具有不可替代的优越性。低廉的价格、便捷的施工、强大的锚固力加上智能便捷的操控等特性是产品占领深海锚固领域的绝对优势。

[1] 李晓广, 张丛丽, 喻国良. 水下粉细砂土体在超高频机械振动荷载作用下液化特性的试验研究[J].水利水电技术, 2011(04): 85-88.

[2] 张华昌, 吕兆华, 隋华. 火箭锚侵彻轨迹研究[C].第十三届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集,2007.

[3] 刘俊滨, 李玉峰, 刘金铎. 吸力锚技术的应用现状及前景[J]. 水利工程建设与管理, 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

肖钦民（1974-），男，工程师，硕士，主要从事高端海工装备研制。