錨爪

錨爪一般使用金屬材質，焊接、絲接、膨脹螺栓等方式與基層固定。

基本介紹

• 中文名：錨爪
• 外文名：Anchor
• 描述：焊接、膨脹螺栓等方式與基層固定
• 套用：船舶起錨
• 學科：船舶工程

概念

1、錨爪一般使用金屬材質，焊接、絲接、膨脹螺栓等方式與基層固定。可以在錨爪間增加網片，使膠泥更加牢固附著。在建築、防腐等工業領域，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合力量，保證膠泥層穩固、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。

大型船用錨爪的鑄造工藝研究

霍爾錨是我國中大型船舶中最常用的首錨。現役霍爾錨具有以下特點：錨乾為鍛鋼，錨爪為鑄鋼，且錨體無橫桿，錨爪和錨冠可以繞穿過錨乾下端孔的銷軸轉動，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。

霍爾錨錨爪前後體積變化較大，現有鑄造難以順序凝固，容易在錨爪頂端產生縮孔現象、在錨爪爪端產生縮松現象，鑄件成品質量不高。現有鑄造主要依賴生產經驗和現場試驗來解決鑄造缺陷問題，生產效率不高，導致霍爾錨錨爪的大量報廢，給企業和船舶帶來重大損失。而霍爾錨錨爪質量過關和不產生缺陷的關鍵在於其澆注系統的設計。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，進行現有鑄造工藝系統的再現，並使用MAGMA軟體對其鑄造過程進行數值模擬，對鑄件充型過程中的流場、縮孔等進行模擬分析，並設計和改進工藝，以提高鑄件的內部質量和生產效率。

現有霍爾錨鑄造工藝

（1）工件模型及參數

由於霍爾錨規格眾多，本文參考GB/T546-1997《霍爾錨》標準，同時為了方便模擬計算，選擇規格為100 kg、錨高為500 mm的霍爾錨。利用pro/e軟體建立起霍爾錨錨爪的三維模型，如圖1所示。霍爾錨錨爪質量小於5 t，為中等鑄件，採用鋼液作為澆注材料，澆注溫度控制在1420~1460℃。在現有工藝中，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。由於錨爪內部設計為中空，需要在內壁保留5 mm的加工餘量，且鑄件距端面處有坡度，也保留5 mm加工餘量。

圖1 霍爾錨錨爪三維模型

（2）現有澆注系統

澆注系統設計的合理與否，直接影響著鑄件的質量、廢品率和工藝出品率。設計的澆注系統若存在不合理，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充填整個型腔，防止液態金屬氧化、吸氣和鑄件產生冷隔等缺陷，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(複雜程度、結構、尺寸及壁厚等)和所用澆注系統的類型等也是選擇上升速度和澆注時間的關鍵因素。由於現有工藝中已將上述影響因素規範化，因此在數值模型中將整個鑄件的最佳澆注時間設定為15 s，鋼液的上升速度設定為20 mm/s，流速則為4 kg/s。確定澆注系統各組元的斷面尺寸和澆道比。本文以現有工藝為基礎，選擇直徑為30 mm、面積為7 cm²的注孔，同時採用開放式的澆注系統，直澆道橫截面積為14 cm²，橫澆道橫截面積為16.8 cm²，內澆道橫截面積為21 cm²。現有霍爾錨錨爪的澆注系統如圖2所示。

圖2 現有霍爾錨錨爪鑄造系統

霍爾錨錨爪鑄造模型

在MAGMA軟體的前處理中導入鑄件以及現有的澆注系統模型和設定追蹤粒子。其中設定追蹤粒子的目的是分析液態金屬液充填結束後雜質和氧化物的運動情況，預測這些雜質是否在金屬液凝固之前能夠上浮到鑄件主體以外，即鑄件內部是否會出現夾雜等缺陷。

圖3 現有工藝下的粒子追蹤示意圖

由於霍爾錨錨爪鑄件的複雜程度不高，故選擇MAGMA中的自動劃分格線選項進行分析，就可得到理想的格線劃分結果。軟體劃分格線數量為8823152。劃分好格線之後對霍爾錨錨爪的材料、澆注過程的工藝參數等進行設定。本次設計採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。

鑄造模擬結果與分析

（1）粒子追蹤分析

粒子追蹤是模擬金屬液在型腔內的充型過程，利用MAGMA軟體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雜亂無章的排列，同時粒子間有交錯現象產生，即金屬液進入型腔的過程中流動不平穩，有飛濺、漩渦、裹氣等現象，整個系統的流動性能較為一般，容易產生充填不足等情況，影響鑄件內部的質量，降低鑄件合格率。

圖4 現有工藝下的縮孔示意圖

（2）縮孔分析

分析縮孔模型即分析鑄件冷卻後某些部位產生縮孔的機率大小。如圖4所示，現有錨爪的鑄造工藝系統模擬中，出現了較大(15%)的縮孔區域，因此實際生產中該區域產生縮孔的可能性很大。

錨爪鑄造工藝改進

由以上模擬分析可以看出，現有霍爾錨錨爪的鑄造系統存在一定的缺陷，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，有飛濺、漩渦現象，整個系統的流動性能較為一般，如果採用現有設計的澆注系統進行澆注，極有可能發生卷氣現象，從而直接影響鑄件的質量；同時在縮孔模型中出現了較大的縮孔區域，實際鑄造過程中產生縮孔可能性很大，因此需要對現有鑄造工藝系統進行改進，提高粒子流動性，降低縮孔現象。

解決錨爪反向問題的實用方法

研究背景

錨爪反向問題指船舶起錨，當錨乾進入錨鏈孔時錨爪出現爪尖朝下現象，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裡，利用水流的作用力翻轉錨爪，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生較強的水流作用力才有效。經實踐摸索，筆者總結1種解決錨爪反向問題的實用方法，簡稱“兜繩法”。

具體操作

（1）收絞錨，使錨爪橫向分布

錨的U形連線卸扣與第一個鏈環的扣接，以及單元O形鏈環之間環接的特徵為：在受力狀態下，連線卸扣插銷的軸線平行於錨冠體縱向線，連線卸扣面與其連線鏈環環面垂直，各環接鏈環環面也互相垂直。因此，操作起錨直至第一個鏈環接觸到錨鏈孔口的加強環鐵，且當其環面平壓環鐵時，連線卸扣U形側邊觸壓於環鐵邊沿，連線卸扣的插銷軸線平行於船體橫向線。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，雙爪尖點連線也平行於船體的橫向線，處於橫向分布狀態。剎住錨機，保持錨爪橫向分布，外側的錨爪臂與錨乾在突出位置形成1個“大掛鈎”。

（2）使繩子落在“大掛鈎”內

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

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；隨後，大副鬆手，讓繩子（在重力和拉緊力的共同作用下）順艏船殼滑下，落在錨乾與錨爪臂之間的“大掛鈎”上；最後，水手長和木匠同步放鬆繩子，使沿錨爪臂的繩子前後部分各自下垂，防止繩子滑脫錨爪臂。

（3）使繩子繞兜住錨爪臂

由於錨懸掛於錨鏈孔口下，錨爪橫向分布，錨爪臂架上繩子，需要根據錨爪朝向的不同情況選擇相應操作。

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

若錨爪朝向船舶後方，則水手長將繩端系固於船首地鈴或纜樁上，木匠握住繩端向前，使錨爪臂後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，鬆開錨機剎車，緩緩將錨絞進，同時操作纜機，保持繩子受拉力。當錨的連線卸扣被絞進錨鏈孔時，卸扣與錨鏈孔口加強環鐵的觸壓狀態由原來的側面轉變為平面，卸扣翻轉90°，使整個錨體也翻轉90°。該翻轉運動使錨爪臂產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。

實用性比較

船舶發生錨爪反向問題，主要原因是錨冠與錨乾的連線銷軸不活絡。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，則需要採取其他方法，而“再拋錨法”和“水流法”都有局限，“兜繩法”卻非常實用。