錨爪概念

1、錨爪一般使用金屬材質(zhì)，焊接、絲接、膨脹螺栓等方式與基層固定?？梢栽阱^爪間增加網(wǎng)片，使膠泥更加牢固附著。在建筑、防腐等工業(yè)領域，為了使膠泥能夠很好地附著在設備設施上，首先在基層上固定錨爪，利用錨爪增加膠泥與基層的結(jié)合力量，保證膠泥層穩(wěn)固、不脫落。

2、錨爪也泛指船舶等水上設施使用的、能夠與河岸或河床錨固的一種器具。

霍爾錨是我國中大型船舶中最常用的首錨。現(xiàn)役霍爾錨具有以下特點：錨干為鍛鋼，錨爪為鑄鋼，且錨體無橫桿，錨爪和錨冠可以繞穿過錨干下端孔的銷軸轉(zhuǎn)動，錨爪折角約為45°，兩爪同時入土，抓重比為2.5~4.0，最大不超過8。

霍爾錨錨爪前后體積變化較大，現(xiàn)有鑄造難以順序凝固，容易在錨爪頂端產(chǎn)生縮孔現(xiàn)象、在錨爪爪端產(chǎn)生縮松現(xiàn)象，鑄件成品質(zhì)量不高?，F(xiàn)有鑄造主要依賴生產(chǎn)經(jīng)驗和現(xiàn)場試驗來解決鑄造缺陷問題，生產(chǎn)效率不高，導致霍爾錨錨爪的大量報廢，給企業(yè)和船舶帶來重大損失。而霍爾錨錨爪質(zhì)量過關和不產(chǎn)生缺陷的關鍵在于其澆注系統(tǒng)的設計。因此，以典型大型船用霍爾錨為對象，特別是霍爾錨的錨爪為研究對象，進行現(xiàn)有鑄造工藝系統(tǒng)的再現(xiàn)，并使用MAGMA軟件對其鑄造過程進行數(shù)值模擬，對鑄件充型過程中的流場、縮孔等進行模擬分析，并設計和改進工藝，以提高鑄件的內(nèi)部質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

錨爪現(xiàn)有霍爾錨鑄造工藝

（1）工件模型及參數(shù)

由于霍爾錨規(guī)格眾多，本文參考GB/T546-1997《霍爾錨》標準，同時為了方便模擬計算，選擇規(guī)格為100 kg、錨高為500 mm的霍爾錨。利用pro/e軟件建立起霍爾錨錨爪的三維模型，如圖1所示?；魻栧^錨爪質(zhì)量小于5 t，為中等鑄件，采用鋼液作為澆注材料，澆注溫度控制在1420~1460℃。在現(xiàn)有工藝中，霍爾錨錨爪底部的孔體積較小，為方便鑄造成型，需要填滿再加工。由于錨爪內(nèi)部設計為中空，需要在內(nèi)壁保留5 mm的加工余量，且鑄件距端面處有坡度，也保留5 mm加工余量。

（2）現(xiàn)有澆注系統(tǒng)

澆注系統(tǒng)設計的合理與否，直接影響著鑄件的質(zhì)量、廢品率和工藝出品率。設計的澆注系統(tǒng)若存在不合理，就有可能造成許多鑄造缺陷，如砂眼、夾渣、氣孔、冷豆、澆不足和冷隔等。為了保證金屬液平穩(wěn)充填整個型腔，防止液態(tài)金屬氧化、吸氣和鑄件產(chǎn)生冷隔等缺陷，因此必須確保金屬液在型腔中上升的速度是合理的。同時澆注時間與上升速度也對鑄件有重要影響，金屬液合金的種類、鑄件的特性(復雜程度、結(jié)構(gòu)、尺寸及壁厚等)和所用澆注系統(tǒng)的類型等也是選擇上升速度和澆注時間的關鍵因素。由于現(xiàn)有工藝中已將上述影響因素規(guī)范化，因此在數(shù)值模型中將整個鑄件的最佳澆注時間設置為15 s，鋼液的上升速度設置為20 mm/s，流速則為4 kg/s。確定澆注系統(tǒng)各組元的斷面尺寸和澆道比。本文以現(xiàn)有工藝為基礎，選擇直徑為30 mm、面積為7 cm²的注孔，同時采用開放式的澆注系統(tǒng)，直澆道橫截面積為14 cm²，橫澆道橫截面積為16.8 cm²，內(nèi)澆道橫截面積為21 cm²?，F(xiàn)有霍爾錨錨爪的澆注系統(tǒng)如圖2所示。

錨爪霍爾錨錨爪鑄造模型

在MAGMA軟件的前處理中導入鑄件以及現(xiàn)有的澆注系統(tǒng)模型和設置追蹤粒子。其中設置追蹤粒子的目的是分析液態(tài)金屬液充填結(jié)束后雜質(zhì)和氧化物的運動情況，預測這些雜質(zhì)是否在金屬液凝固之前能夠上浮到鑄件主體以外，即鑄件內(nèi)部是否會出現(xiàn)夾雜等缺陷。

由于霍爾錨錨爪鑄件的復雜程度不高，故選擇MAGMA中的自動劃分網(wǎng)格選項進行分析，就可得到理想的網(wǎng)格劃分結(jié)果。軟件劃分網(wǎng)格數(shù)量為8823152。劃分好網(wǎng)格之后對霍爾錨錨爪的材料、澆注過程的工藝參數(shù)等進行設置。本次設計采用的模具類型是砂模。鑄件材料為GS20Mn5，型砂材料選擇Cr-sand（石英砂）；金屬液初始溫度為1560℃，型砂初始溫度為20℃；鑄件和型砂間的熱傳遞類型選擇Steel-Sand；整個澆注時間為15 s。

錨爪鑄造模擬結(jié)果與分析

（1）粒子追蹤分析

粒子追蹤是模擬金屬液在型腔內(nèi)的充型過程，利用MAGMA軟件自動生成的霍爾錨錨爪鑄造的粒子追蹤過程如圖3所示。圖右邊色標的不同顏色對應粒子進入型腔的時間長短，圖中不同顏色的粒子在型腔內(nèi)雜亂無章的排列，同時粒子間有交錯現(xiàn)象產(chǎn)生，即金屬液進入型腔的過程中流動不平穩(wěn)，有飛濺、漩渦、裹氣等現(xiàn)象，整個系統(tǒng)的流動性能較為一般，容易產(chǎn)生充填不足等情況，影響鑄件內(nèi)部的質(zhì)量，降低鑄件合格率。

（2）縮孔分析

分析縮孔模型即分析鑄件冷卻后某些部位產(chǎn)生縮孔的概率大小。如圖4所示，現(xiàn)有錨爪的鑄造工藝系統(tǒng)模擬中，出現(xiàn)了較大(15%)的縮孔區(qū)域，因此實際生產(chǎn)中該區(qū)域產(chǎn)生縮孔的可能性很大。

錨爪錨爪鑄造工藝改進

由以上模擬分析可以看出，現(xiàn)有霍爾錨錨爪的鑄造系統(tǒng)存在一定的缺陷，主要在粒子追蹤模擬過程中，即金屬液在整個充型的過程中的流動不平穩(wěn)，有飛濺、漩渦現(xiàn)象，整個系統(tǒng)的流動性能較為一般，如果采用現(xiàn)有設計的澆注系統(tǒng)進行澆注，極有可能發(fā)生卷氣現(xiàn)象，從而直接影響鑄件的質(zhì)量；同時在縮孔模型中出現(xiàn)了較大的縮孔區(qū)域，實際鑄造過程中產(chǎn)生縮孔可能性很大，因此需要對現(xiàn)有鑄造工藝系統(tǒng)進行改進，提高粒子流動性，降低縮孔現(xiàn)象。

錨爪研究背景

錨爪反向問題指船舶起錨，當錨干進入錨鏈孔時錨爪出現(xiàn)爪尖朝下現(xiàn)象，錨收不回位，存在安全隱患。處理該問題，慣用措施是將錨松出、絞動，以調(diào)整錨爪的朝向，成功率和失敗率各半。當失敗時，船員可能選擇另外2種方法：①當即在錨地里進行再拋錨和再起錨操作，簡稱“再拋錨法”；②待航行中將錨松到水里，利用水流的作用力翻轉(zhuǎn)錨爪，改變錨爪朝向，從而將錨收妥，簡稱“水流法”。這2種解決錨爪反向問題的方法各有局限性：“再拋錨法”會延誤船舶進出港時間；“水流法”需要在較高航速下產(chǎn)生較強的水流作用力才有效。經(jīng)實踐摸索，筆者總結(jié)1種解決錨爪反向問題的實用方法，簡稱“兜繩法”。

錨爪具體操作

（1）收絞錨，使錨爪橫向分布

錨的U形連接卸扣與第一個鏈環(huán)的扣接，以及單元O形鏈環(huán)之間環(huán)接的特征為：在受力狀態(tài)下，連接卸扣插銷的軸線平行于錨冠體縱向線，連接卸扣面與其連接鏈環(huán)環(huán)面垂直，各環(huán)接鏈環(huán)環(huán)面也互相垂直。因此，操作起錨直至第一個鏈環(huán)接觸到錨鏈孔口的加強環(huán)鐵，且當其環(huán)面平壓環(huán)鐵時，連接卸扣U形側(cè)邊觸壓于環(huán)鐵邊沿，連接卸扣的插銷軸線平行于船體橫向線。同樣，錨冠體縱向線也與船體橫向線平行，錨的雙爪沿錨冠體縱向框構(gòu)，雙爪尖點連線也平行于船體的橫向線，處于橫向分布狀態(tài)。剎住錨機，保持錨爪橫向分布，外側(cè)的錨爪臂與錨干在突出位置形成1個“大掛鉤”。

（2）使繩子落在“大掛鉤”內(nèi)

拉開繩子：大副握繩子中段，站在錨上方甲板位置，水手長和木匠各執(zhí)繩子的前端、后端，分別順著護欄往前和往后拉開（水手長在前、木匠在后），直至繩子的前端兜過艏柱拉到另一舷，繩子的后端拉到No.1艙舷側(cè)。

使繩子順船殼滑落：首先，大副將繩子挪出舷外，使繩子靠貼錨上方的船殼防浪板，水手長和木匠同時收拉繩子，使繩子保持拉緊狀態(tài)；隨后，大副松手，讓繩子（在重力和拉緊力的共同作用下）順艏船殼滑下，落在錨干與錨爪臂之間的“大掛鉤”上；最后，水手長和木匠同步放松繩子，使沿錨爪臂的繩子前后部分各自下垂，防止繩子滑脫錨爪臂。

（3）使繩子繞兜住錨爪臂

由于錨懸掛于錨鏈孔口下，錨爪橫向分布，錨爪臂架上繩子，需要根據(jù)錨爪朝向的不同情況選擇相應操作。

若錨爪朝向船舶前方，則木匠將繩端系固于甲板地鈴上，水手長握住繩端向后，使錨爪臂前的繩子繞兜過錨爪臂，將錨爪臂兜住。水手長再向后，拉繩端至艏樓后側(cè)導纜孔（或者導纜滾輪）處，穿過該導纜孔拉至纜機絞盤上。

若錨爪朝向船舶后方，則水手長將繩端系固于船首地鈴或纜樁上，木匠握住繩端向前，使錨爪臂后的繩子繞兜過錨爪臂，將錨爪臂兜住。木匠再向前，拉繩端繞過艏柱至艏樓另側(cè)導纜孔（或者導纜滾輪）處，穿過該導纜孔拉至纜機絞盤上。

（4）收緊繩，絞進錨，改變錨爪朝向

水手長和木匠利用纜機將繩子緩緩絞緊，當感覺繩子非常吃力而又恰好沒有滑脫錨爪臂時停止絞，再將繩子繞纜機絞盤多圈，留一人照管纜機及繩子，另一人合上錨機離合器，松開錨機剎車，緩緩將錨絞進，同時操作纜機，保持繩子受拉力。當錨的連接卸扣被絞進錨鏈孔時，卸扣與錨鏈孔口加強環(huán)鐵的觸壓狀態(tài)由原來的側(cè)面轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫?，卸扣翻轉(zhuǎn)90°，使整個錨體也翻轉(zhuǎn)90°。該翻轉(zhuǎn)運動使錨爪臂產(chǎn)生與繩子受拉絞方向相反的力，迫使錨爪改變朝向，錨收回到位，錨爪反向問題得到解決。

錨爪實用性比較

船舶發(fā)生錨爪反向問題，主要原因是錨冠與錨干的連接銷軸不活絡。若程度輕微，錨臂有明顯活動，則可直接操作錨機，晃絞錨鏈，能夠解決錨爪反向問題；若程度嚴重，晃絞錨鏈不起作用，則需要采取其他方法，而“再拋錨法”和“水流法”都有局限，“兜繩法”卻非常實用。

固定錨錨的分類

錨可分成有桿錨和無桿錨兩大類，大都已標準化。錨按照鋪爪是否轉(zhuǎn)動可分為固爪鍍(帶固定錨爪的錨)和轉(zhuǎn)爪錨(帶轉(zhuǎn)動錨爪的錨)兩種。

標準型的有桿錨包括：海軍錨、馬氏大抓力錨、兩爪錨、單爪錨、快艇錨及犁錨。標準型的無桿鐳包括：霍爾錨、斯貝克錨、四爪錨、無桿錨及強爾錨。 其中，屬于固定錨的有兩抓錨、單爪錨、犁錨。

固定錨常見固定錨

1）兩爪錨 兩爪錨是帶有固定錨爪的有桿錨，其橫桿位于錨柄的底部，錨爪嚙土后，防止其晃動的效果較海軍錨為佳。一般用于沿海作業(yè)的小型漁船。兩爪錨的結(jié)構(gòu)型式和規(guī)格尺寸如圖2：兩爪錨的結(jié)構(gòu)型式和規(guī)格尺寸圖所示。

2）單爪錨 單爪錨是帶有固定錨爪的有桿鍤，其橫桿位子錨柄的上部，與海軍錨相似，但只有一個錨爪，錨爪面積較海軍錨有所增大。單爪錨具有比海軍錨更大的抓力，常用于工程作業(yè)船、躉船、浮船塢及水上建筑等。單爪錨的結(jié)構(gòu)型式和規(guī)格尺寸如圖3：單爪錨的結(jié)構(gòu)型式和規(guī)格尺寸圖所示。

3）犁錨 犁錨是帶有固定錨爪的有桿錨，單爪，其橫桿位于錨柄的上部，較短。由鋼管和鈑焊接面成，用于內(nèi)河小型駁船及其它一般船舶的岸邊錨泊。犁錨的結(jié)構(gòu)型式和規(guī)格尺寸如圖4： 犁錨的結(jié)構(gòu)型式和規(guī)格尺寸圖所示。

有桿錨錨的重心位置

錨的重心位置它與錨的入土性能有關，如重心過分接近錨卸扣一端，則迫使錨爪入土的垂直分力減?。环粗?，若重心過分接近錨冠，尤其是遇到水底有斜坡時，則錨不穩(wěn)定。故在選取重心位置時，應兼顧兩方面的要求，通常取BG ≈ 0.42AB。其中BG為B點到重心G的距離。

有桿錨錨爪的襲角

錨爪的襲角是指過錨爪尖端處的切線同底平面的夾角，它是影響錨爪嚙入泥土的角度(圖1)。錨爪入土力R由錨鏈拉力T及錨重分力w₂合成，若襲角口能與嚙入泥土的合力及方向一致，則錨最容易人土。但在實際的拋錨過程中，錨鏈的拉力是變化的，各種土質(zhì)的阻力也不一致，因而襲角a的確定多憑借經(jīng)驗，通常在60°～80°之間。

有桿錨錨爪的折角

它是過錨爪尖端處的切線同錨干軸線的夾角(圖1)。它與錨爪的襲角一樣，也是影響錨爪嚙入泥土的角度，通常在35°～45°之間。

有桿錨錨干的長度

錨干的長度影響錨桿的位置，錨干越長則錨桿離開錨冠越遠，從而迫使錨爪入土及防止錨翻轉(zhuǎn)的作用也越大。因此錨干較長者在使用上更為有效，而錨桿較短者則便于收藏。

有桿錨錨爪的面積

根據(jù)試驗結(jié)果可知，幾何形狀相似的錨，其抓力不僅與錨爪面積成正比，而且與面積中心距泥土表面的深度有關，越深則抓力越大。因此，錨爪面積越大，在靠近爪尖處錨爪面積分布得越多，則抓力就會越大。

有桿錨設有有助于錨抓底和穩(wěn)定錨位的橫桿。有桿錨中有海軍錨、層洛門錨、單爪錨等多種。

有桿錨海軍錨

海軍錨的構(gòu)造和各部名稱如圖2所示，其錨干和錨爪為一澆鑄整體，錨爪不能轉(zhuǎn)動，因此它又屬于固定爪錨。錨干上部有兩個孔，其中上面的孔連接錨卸扣，下面的孔供橫桿穿過。

在拋錨前，將橫桿在橫桿孔中轉(zhuǎn)至與錨干垂直，并移動橫桿至其檔環(huán)頂住錨干為止，在錨干另一面的橫桿上有墊圈和銷孔，可插入楔子將橫桿固定住，這時橫桿與錨爪平面是相垂直的。

海軍錨的優(yōu)點是：構(gòu)造簡單，抓底穩(wěn)定性好，抓重比大于普通無桿錨，國內(nèi)一般認為其抓力系數(shù)為4~8。能得到這樣大的抓力主要是因為橫桿對錨位的穩(wěn)定作用，不會像無桿錨那樣因兩爪抓底不一致而發(fā)生翻轉(zhuǎn)，且抓底能力強。其缺點是：因有橫桿，收放要靠船首端的吊錨桿吊入或吊出，拋、起錨作業(yè)和收藏均不方便；有一錨爪露出土外，可能繞纏錨鏈，或在淺水里損傷船底?？捎糜谛⌒痛昂头蜃鳛槲插^和長期拋錨時使用，一般不用作商船的首錨。

有桿錨單爪錨

單爪錨如圖3所示，其形狀如同切去一只錨爪的海軍錨，性能也同海軍錨相似，錨體和橫桿均為鑄鋼件。單爪錨拋錨時必須吊住錨頭，使錨爪向下。緩慢地放到水底，然后收緊錨索使錨爪嚙入底質(zhì)。