船用钢板锚在细沙中的啮土性能分析

李 栓，倪福生,2，袁婉清，徐立群,2，施舜铠

（1. 河海大学机电工程学院，江苏 常州 213001；2. 疏浚技术教育部工程研究中心，江苏 常州 213001）

0 引 言

近些年国内外出现很多啮土性能优良的拖曳锚，其中钢板焊接锚占有较大的比例。钢板焊接锚具有优良的啮土性能和良好的发展前景，比较著名的有Flipper Delta锚（德尔泰锚）、Stevdig锚（史蒂夫狄格锚）和Stevpris锚（史蒂夫瑞斯锚）等[1-3]。已有的研究很少对这些钢板锚的啮土性能进行分析。CRUM[4]对德尔泰锚进行不同碎石层的拖曳试验，说明德尔泰锚在碎石底质中能表现出较为优良的啮入性能，但未对德尔泰锚进行细沙中的啮土试验。

考虑到起锚方便等因素，船用锚几乎全都采用无横杆的转爪锚[1]，而德尔泰锚的锚爪下部较宽，为倒V形结构，易于加工制造。因此，选取德尔泰锚为原型[4]，设计一款缩尺比为1:5的简易德尔泰锚模型，在实验室透明水槽中对其进行试验，考察船用钢板锚在退潮海床上的抓力性能。

1 锚模型啮土试验

1.1 模型比例

参考CRUM[4]在碎石粒中对德尔泰锚进行的抓力试验，对本文所用的德尔泰锚的部分尺寸进行测量，还原其原本的尺寸；同时，以该锚为原型，设计一款缩比尺为1:5的锚模型。与原型不同的是，该锚模型填补了锚爪上被切除的三角。锚模型及其主要尺寸见图1。

图1 锚模型及其主要尺寸

锚模型的质量m= 12kg ，总长l1= 0.50m ，宽d= 0.40m ，锚板长l2= 0.32m，锚杆长0.38m，锚杆宽0.04m，锚倾角c在25°～55°范围内可调，选取30°、35°、40°和45°等4个倾角在细沙中对锚进行啮土试验。

1.2 试验装置和试验原理

试验所用的装置包括锚模型、拉力传感器（0～500kg）、钢丝绳、卷扬机（300～600kg）、数显仪、变频器和贴地环扣。传感器与锚之间的距离为1.5m，锚可拖曳的距离约为13m。试验原理示意见图2。

相对于文献[4]中的试验，该试验增加一个贴地环扣，使锚链始终存在一定的拖地长度。因为在实际应用中拖曳锚的锚链很长，在锚啮土过程中锚链始终存在一定的拖地长度，而该试验无法提供足够大的场地，导致锚链的长度在卷扬机转动并收缩锚链的过程中会逐渐缩短，直至拖曳长度减为0（见图3）。试验装置布置见图4。

图2 试验原理示意

图3 贴地环扣对锚链角度的影响

1.3 试验过程

该试验在河海大学疏浚技术教育部工程研究中心的疏浚绞刀挖掘水槽内进行，选用的土体为细沙。选择30°、35°、40°和45°等4个倾角的德尔泰锚模型开展试验，每个倾角进行3次拖曳锚试验，通过改变变频器的频率来控制卷扬机的拖曳绳速为0.161m/s。锚在啮土进程中的状态见图5。

图4 试验装置布置

图5 锚在啮土进程中的状态

卷扬机启动之前，将锚模型放置在起始位置；卷扬机启动之后，对锚模型施加一个拖曳力，使其相对于土质滑移一段距离。当锚尖开始啮土之后，锚模型快速啮土，直至完全啮入土中，并在土中边移动边剪切土质。

1.4 试验结果和分析

将数据采集仪表的采集时间间隔设置为2s/次，对每个倾角重复多次试验，直至出现3条重复性较好的抓力（F）随时间（t）的变化曲线。在每个倾角的3条重复性较好的变化曲线中取一条，得到30°、35°、40°和45°倾角下锚模型的抓力（F）随时间（t）的变化曲线见图6。

图6 锚模型的抓力随时间的变化曲线

由图6可知，锚模型在不同倾角下啮土的规律是较为相似的，锚抓力的增长速度在起始啮土阶段很快，随后变得缓慢，最后逐渐平稳。

锚模型在倾角为30°、35°、40°和45°的最大抓力值分别为1167.6N、1527.0N、1220.7N和999.6N，其中倾角为35°的锚模型抓力最大。不同倾角锚模型的最大抓力值见表1。

表1 不同倾角锚模型的最大抓力值

在不同倾角下，锚的抓力系数η的计算式为

式(1)中：η为抓力系数；Fmax为同一倾角下锚的最大抓力值，N；m为锚质量，kg。由此可得出不同倾角锚的抓力系数η见图7。

图7 不同倾角锚模型的抓力系数

在细沙中，不同倾角锚模型的啮土深度在0.30～0.35m范围内变化，具体见图8。从图7和图8中可看出：啮土深度与抓力系数的变化曲线较为相似，在30°、35°和40°倾角下，锚模型的抓力系数与啮土深度随时间变化的曲线皆呈倒V形；当倾角为45°时，锚模型的抓力系数仍在下降，而啮土深度无明显下降，因为在锚模型啮土过程中，当啮土深度相近时，倾角大的锚模型未啮土部分较多，重心相对偏高，致使锚啮土的稳定性较差，时常会发生侧翻，具体见图9。

图8 不同倾角锚模型啮土深度

图9 锚侧翻状态

2 钢板锚和铸造锚的抓力性能对比

DA-1锚是一种新型大抓力铸造锚，稳定性较好[5]，有较大的抓力系数，被称为第三代船用锚。于洋等[5]在大连金石滩海岸的细沙上对DA-1锚模型进行啮土试验，该铸造锚的倾角为36°，质量为12.25kg，得出的抓力系数为6.5；本文采用的12kg德尔泰钢板锚模型的抓力系数（13.0）是DA-1铸造锚模型的抓力系数（6.5）的2倍，35°倾角的12kg德尔泰钢板焊接锚模型在细沙中的抓力系数优于12.25kg DA-1铸造锚模型；德尔泰钢板锚模型的拖曳距离大于DA-1铸造锚模型；相对于DA-1铸造锚模型的3倍锚爪长度的拖曳距离，德尔泰钢板锚模型的啮土距离（4m）约为其锚爪长度（0.32m）的 12倍，略显不足。但是，相较于铸造锚复杂的制造工序，钢板焊接锚更易加工和制造。德尔泰钢板锚模型和DA-1铸造锚模型的基本参数和性能参数见表2。

表2 德尔泰钢板锚模型和DA-1铸造锚模型的基本参数和性能参数

3 结 语

通过对德尔泰钢板锚模型进行拖曳试验，初步得到以下结论：

1) 在30°、35°和40°倾角下，德尔泰钢板锚模型可较好地啮入底质中，同时具有一定的啮土深度和拖曳距离。当锚模型的抓力系数增加时，啮土深度随之加深。倾角过大或过小都会使锚模型的啮土深度较浅，倾角过大甚至会引发脱锚问题，发生侧翻。锚倾角对船用钢板锚的啮土性能具有较大影响。

2) 35°倾角的德尔泰钢板锚模型在细沙中的最大抓力系数可达13左右。船用钢板锚在细沙中具有较好的啮土性能。