一种备锚自行更换的可行性方法

奚凌云，张鹏飞，李 斌

（1. 中船第九设计院工程有限公司，上海 200063；2. 上海外高桥造船有限公司，上海 200137）

一种备锚自行更换的可行性方法

奚凌云1，张鹏飞2，李 斌2

（1. 中船第九设计院工程有限公司，上海 200063；2. 上海外高桥造船有限公司，上海 200137）

船舶营运中各种振动或者不可抗因素会引发丢失锚的现象，而根据规范与港口的要求，船舶在缺锚的情况下是不允许进入航道航行或靠港等的。因此锚的自行更换非常重要。主要对船舶在营运过程中自行更换备用锚进行可行性研究，论述备锚基座的优化设计和安全性、稳定性核算，验证无论在存放状态还是更换过程中备锚、系泊绞车、缆绳以及系泊附件的安全性。此外还介绍了利用母船的锚泊系泊机械设备实现自行更换备锚的操作方法。

备锚基座；优化设计；自行更换；安全性

0　引言

船舶在锚地、港内或遮蔽水域内等待泊位或合适潮位时，需要通过抛锚进行临时停泊或者实现紧急情况下的船舶制动。但是大型船舶由于营运中的各种振动导致锚卸扣松动脱落，或者因其他一些不可抗因素，会引发丢失锚的现象。目前很多港口、码头不允许缺锚的船舶停靠，按SOLAS［1］规范，也不允许缺锚的船舶航行。如需更换锚，则要求助于工程船或者把船停靠于有岸吊的码头，代价昂贵，并且会耽误时间，因此，船舶自行更换备锚将能为船舶营运大大节省费用及时间。本文主要以备用锚固定座（以下称为备锚基座）为基础，阐述备锚基座设计优化，对利用船舶自身设备更换备锚的可操作性、安全性进行论证。

1　现状

目前备锚基座是直接烧焊在靠近船首甲板上的（见图1）。此备锚基座分为7个部分，艏艉3个底座分别支撑封头及锚卸扣处，中间4个卡箍主要用来固定锚头和锚柄，整个基座下端沿着船舶梁拱方向延伸，上端保证水平，并用木质垫块支承在锚下面。从其形式来看，备锚存放在此基座上是十分安全稳固的；从其布置来看，存放在货舱区甲板靠近船舯处，虽然避免了航行中风浪冲击等因素，但是此类大型船舶的锚质量都＞10t，如此布置是无法解决在没有起重设备辅助的情况下将备锚自行安装到锚链末端的问题。

2　自换式备锚基座方案

依靠岸上起重设施装卸货物的大型散货船，甲板面上基本都未设置起重设备。很多船厂付出努力以解决船舶在没有起重设备辅助的情况下更换备锚的问题。以备锚基座为对象，在基本不改变其固定型式的基础上，对其布置位置及功能进行优化，描述备锚的更换过程并简略地核算其安全性（见图2）。

图2　优化后备锚基座的安装位置及详图

从图2可见，为了实现在船上自行更换备锚，可将其位置移动至舷边，并尽量靠近艏部；原来的艏艉3个底座下半部分用一整块带结构支撑的钢板取代，并将止推块拆分为两部分，靠近舷边的做成可拆式，用螺栓连接（共4个M48螺栓）。考虑到主甲板舷侧的舷顶边板的高度，需要将备锚整体抬高，并置于一块面板上，此整块板与水平线的夹角为5°；原来的4个卡箍形式不变，卡箍的角钢烧焊在基座板上，圆钢与角钢螺栓连接（共8个M30螺栓）。

与原来的形式相比，优化后的基座更靠近舷边，靠近舷边的挡块变成了可拆式并且朝舷边倾斜，如此优化使备锚可由此处入水。需要更换时，利用船上现有的设备将锚链末端与备锚连接，从而达到优化效果。

3　安全性校核

3.1 备锚基座的稳性计算

分析此基座在存放备锚时以及在船舶营运中的受力情况可知，基座立柱的抗弯和压杆稳定是必须考虑的两个方面。备锚随着船舶的纵摇和横摇运动存在着横向和纵向滑移的可能，其基座的可拆式部分在船体运动时能否承受相应的力则是需考虑的重点。以下对基座立柱进行简单核算，核算时，忽略基座本体材料内部相互的影响。

3.1.1 抗弯

分析立柱的受力［2］，可将其定义为一端固定在甲板上的悬臂梁，当垂直于立柱的最大横向外力作用于此梁端部时是最危险的状态（见3.1.3的分析）。以最长一根立柱（L=0.74m）为对象，进行受力分析并作剪力弯矩图（见图3）。

该船的单锚重量为 14100kg，由锚的重力产生的立柱的受力F、力矩AM 为：

图3　立柱受力分析及剪力弯矩

此梁横截面上的最大正应力为：

查手册可知，Q235钢的抗拉强度为375～500MPa，即此材料许用应力［］σ远远大于此时所受的最大正应力。故可认为此立柱在船舶营运中不会弯曲变形。

3.1.2 压杆稳定

分析立柱的受力，将其定义为两端固定的中心受压直杆，分析其压杆的稳定性。立柱所受到的轴向外力主要为备锚及基座上半部分的重力，即：

由临界力欧拉公式：

式中：E——Q235号钢的弹性模量，取200GPa；I——此立柱的惯性矩；l——立柱的长度，取最长的一根立柱，

从CRF与F外的数值比较中可以看到，此立柱失稳时的临界力CRF＞＞立柱所受的外力，也就是说，立柱不会失稳！由公式还可以得知，此临界力与立柱长度的平方成反比，上述计算中，选取了最长的一根支柱，所以可认定，所有的立柱均不会失稳。

3.1.3 备锚固定在基座上时的安全性分析

船舶在横摇过程中会使备锚产生向舷边运动的趋势（离心运动），当船舶由右倾回到平浮，并继续左倾的时候为最危险的状态。此时，船舶横倾的速度最大，备锚作横摇运动所需求的力F向需最大。

式中：m——锚的质量［3］，m=14100kg；ω——船舶刚刚回到平浮状态时的角速度r——备锚重心到船中的距离，取21.8m。

此时向心力F向供主要由备锚与基座之间的摩擦力F摩以及螺栓的剪切力SF提供。先计算此摩擦力和剪切力的最大值。

式中：f——备锚与基座之间的静摩擦系数，查手册［4］选取最小系数0.35；g取9.8m/s2；α——备锚与水平方向的夹角，取。由连接件的实用计算法可知，FS——剪切面的剪力，FS= μTAS，AS为剪切面的面积；查机械设计手册可知Q235材料的性能等级为3.6的螺栓，抗拉强度为300MPa，取抗剪系数为0.43，可得M48和M30的螺栓的许用切应力；μ为考虑到螺栓与基座开孔装配的间隙所增加的系数，取0.5。

所以

从F向供和F向需的数值比较中可知，备锚基座所能提供阻力的最大值远远大于备锚作圆周运动所需的向心力，因此备锚平时的存放是安全的。由于备锚基座艏艉的3个底座均焊接在上基座面板上，所以忽略船舶平时营运中的纵倾对基座的影响。

3.2 更换时锚绞机以及缆绳的受力分析［5］

分析更换备锚的过程可知，更换时系泊绞车能否承受锚链的拉力，缆绳及系泊附件是否会被破坏是需要重点关注的。

可将缆绳和锚链作为研究对象，选取XZ面以及YZ面分别进行受力分析（见图4）。

由图4可列方程组：

图4　缆绳与锚链的受力分析

在上述方程组中，n=66°，p=72.3°，角度m未知，仅有GF可以通过锚机放链的多少来调节，为了保证两台绞车受力均匀，可以假定；在保证锚链柔性的同时尽量减少放出锚链的长度，为此，以系泊布置图为基础，估算出放出锚链长度；查标准可知，三级电焊有档锚链重 250.73kg/m，可知

从建造的20.6万t散货船的设备资料中可知，系泊绞车可承受的拉力为200kN，φ80mm×220m缆绳的破断强度≥742kN，均＞51kN。故在更换时，系泊绞车、缆绳以及系泊附件都是安全的。

3.3 备锚入水的运动核算

由于备锚体积庞大，因此当备锚滑离基座时需要一个较大的速度，避免下落时撞击船体。因此当挡块拆除之后，需要继续释放锚链，一方面增加牵引力，加大备锚在基座上滑行的加速度；另一方面，当放出的锚链长度与水深相近，锚入水后到达水底时能够获得缓冲。以下计算备锚在基座上的运动，不涉及锚脱离船体以后的运动。

当通过人力撬动，给锚一个初始速度后，备锚在基座上所受的摩擦力转化为滑动摩擦力，故当备锚开始滑动之后，就是锚链的重力提供的拉力与锚重力的分力的合力克服滑动摩擦力。将备锚简化为刚体，进行受力分析（见图5）。

列方程组：

式中：GF——锚的重力在水平方向上的分力，可以假定锚链的重力由备锚处的拉力和锚机的拉力均分；1f——钢对钢的滑动摩擦系数，查表［6］取0.15；L链取三节锚链长度82.5m。

备锚以此瞬时速度滑离基座不会撞击船体。

图5　备锚受力分析

4　更换备锚操作方法

1） 如图6所示，通过人力，将M18号系泊绞车缆绳的牵引绳（长度≥80m）的末端穿过舷边滚轮导缆器17，然后从船上拉至艏楼观锚平台处，并从舷外放至锚链筒下口附近；

2） 通过人力，将M12号系泊绞车缆绳牵引绳的末端绕过艏楼上的羊角滚轮9，然后拉至备锚附近；

3） 启动 M10，让锚链的末端到达锚链筒附件，人员系好安全带，在保证安全的情况下，从锚链筒下去沿着锚链到达下口，利用工具将放下来的M18号系泊绞车缆绳与锚链栓接固定（栓接处下端仍然留有一定的链环），对于航速高的艏部线形瘦的船，需要借用救助艇在水面上辅助缆绳与锚链固定；

4） 启动锚机M10，缓慢释放锚链，同时启动M18号系泊绞车（注意调节两绞车的速度），开始慢慢回收缆绳，缓缓地将锚链末端拉至舷边滚轮导缆器17附近，刹紧锚机M10和绞车M18；

5） 将M12的缆绳与锚链固定栓牢。启动M12与M18，两者配合缓慢地将锚链拉至备锚的锚卸扣处；

6） 将锚链的末端卸扣与备用锚的锚卸扣连接固定，然后松开并回收两台绞车M12、M18的缆绳；

7） 松开备锚基座上的固定螺栓，启动锚机，继续释放锚链至合适长度（放出的锚链长度与停泊处水深相近），刹紧锚机；

8） 利用人力撬动，使锚开始滑动，更换好的锚开始通过重力及锚链的牵引力自行滑行至水中，待锚链张紧，在水中平静后收起锚链即可。

图6　备锚更换过程示意

5　结语

经过简单核算可知，在不增设甲板起重设备的前提下，将现有的备锚基座稍稍优化，就能够实现自行更换备锚。诚然，优化后的基座制作成本有所增加（基座所用钢材重量3.732t），但是此优化带来的效益却是巨大的。据了解，如果停留在锚地，求助于驳船来更换备锚，需在锚地至少等待2d时间，一次操作所需费用高达 30万美元，此基座优化的方法深受船东欢迎，为船舶的正常营运提供极大的方便，因此，笔者认为，此成果值得推广。

［1］ IMO. SOLAS Consolidated Edition 2009［S］.

［2］ 刘鸿文. 材料力学第5版［M］. 北京：高等教育出版社，2009.

［3］ 沈治平. 基于锚重量计算与分析［J］. 外高桥造船技术，2011 （1）: 16-19.

［4］ 王文斌. 机械设计手册：第3版［M］. 北京：机械工业出版社，2005.

［5］ 张鼎. 大型集装箱船码头系泊及抗台风计算分析［J］. 船舶与海洋工程，2014 （2）: 15-19.

［6］ 黄平涛，吴强. 船舶设计实用手册-舾装分册［M］. 北京：国防工业出版社，2013.

A Feasible Method for Spare Anchor Self Replacement

XI Ling-yun1，ZHANG Peng-fei2，LI Bin2
（1. China Shipbuilding NDRI Engineering Co.，Ltd.，Shanghai 200063；2. Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co.，Ltd.，Shanghai 200137）

Vibrations and unavoidable factors in ship operation will cause the loss of anchor. According to the regulations and port requirements，ships are not allowed to start voyage or enter port without anchor，so self replacement of anchor is very important. This paper mainly focuses on the feasibility of self replacement of spare anchor during ship operation，discusses the optimization of anchor seat design and the check of safety and stability，and verifies the security of winches，anchor cables and mooring attachment during anchor storage or replacement. Besides，it introduces the self replacement method of the spare anchor using mother ship mooring machinery.

spare anchor seat； design optimization； self replacement； security

U664.4

B

2095-4069 （2016） 03-0067-05

10.14056/j.cnki.naoe.2016.03.012

2015-11-16

奚凌云，男，工程师，1977年生。1998年毕业于华中理工大学船舶与海洋学院热力发动机专业，现从事工业建筑设计工作。