CN105416510B - 一种仿生大抓力锚 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种仿生大抓力锚，包括锚杆、与锚杆一端轴接的吊扣和与锚杆另一端铰接的锚爪，所述锚爪的前端延伸有若干个等距离排列的爪头，锚爪两侧设有鱼鳍状流线型的平衡翼；所述爪头为包含一平面侧壁和两曲面侧壁的类三角锥形，所述平面侧壁为等腰三角形，两曲面侧壁为光滑曲面，两个光滑曲面关于平面侧壁的法平面对称。本发明的仿生大抓力锚，锚爪两侧设有平衡翼，在锚抛射入水过程中避免主体完全翻转并保证锚以正确工作角度达到土层；锚的纵向尺寸增大，显著提高锚在土层中抗翻转性能，减少走锚风险。

Description

一种仿生大抓力锚
技术领域
本发明涉及一种仿生大抓力锚，属于造船领域。
背景技术
船锚是一种用于停泊的专用器具，它具有特定的形状。使用时将锚抛入水中，入水后的锚能够啮入底土，并通过其顶端所系的锚链或缆绳提供抓力，将船舶或其他浮体系留在预定水域。船舶是一种移动的载体，特别是海洋运输业的大型船舶航程很远。因停靠的码头港口地理位置不同，其水下地质状况差异性很大。对于软质或中性地质的海底，深水大抓力锚只要锚爪嵌入就能满足船舶定位要求。而对于砂砾石质的海底因地质较硬，常规的深水大抓力锚入土能力较差，锚的抗翻转性能差，极易发生走锚危险。需要改善锚爪构造使其易于入土，提高锚的定位能力。
对于在硬质土层工作的大抓力锚，现有技术同样通过对爪头结构改进来改善锚的工作性能，诸如将锚爪爪头改为刀刃形、在锚爪下部增加凸齿、改进锚杆构造、改变锚杆与锚爪之间的角度等。然而这些改进对锚在硬质土层的抓地能力改善并不明显，锚对土层切削力提高的不明显，锚杆与锚爪之间角度固定不变使得船在收锚的过程中与大抓力锚发生碰撞导致船体破坏。
犁头鳐主要栖息在浅滩，属于食底泥动物，吻长面钝尖，侧缘稍凹，常钻入海底泥土和沙子底下依靠捕食，通过对其吻面仿生设计出大抓力锚的爪头可以具有较好的入土能力。犁头鳐两侧胸鳍扁平而光滑，这样的构造使其在游动中受到阻力小，并且能保持身体平衡。通过对其胸鳍仿生获得的平衡翼这一构造能保证大抓力锚具有较强的抗翻转性能。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种仿生大抓力锚，具有极高入土能力、抗翻转性能强。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种仿生大抓力锚，包括锚杆、与锚杆一端轴接的吊扣和与锚杆另一端铰接的锚爪，所述锚爪的前端延伸有若干个等距离排列的爪头，锚爪两侧设有鱼鳍状流线型的平衡翼；所述爪头为包含一平面侧壁和两曲面侧壁的类三角锥形，所述平面侧壁为等腰三角形，两曲面侧壁为光滑曲面，两个光滑曲面关于平面侧壁的法平面对称。
作为优选，所述爪头包含第一半爪和第二半爪，第一半爪和第二半爪关于平面侧壁的法平面对称，所述第一半爪的入土角22°<θ<40°，翻土角β呈非线性增大，在锚爪爪头末端达到最大值且25°<β<75°，第一半爪的推土角α不小于15°，其中，法平面与平面侧壁的交线为y轴，在法平面中垂直y轴的为z轴，平面侧壁的底边中点为零点O，根据右手法则，建立OXYZ坐标系，曲面侧壁与XOZ平面的交线的切线与OX轴的夹角为翻土角β，曲面侧壁与法平面的交线与OY轴的夹角为入土角θ，平面侧壁的顶角的二分之一为推土角α。
作为优选，所述第一半爪与XOZ平面的交线的方程为
z＝76.72-0.82x-0.198x1.5+0.034x2-0.00112x2.5。
作为优选，所述爪头有三个，三个爪头等间距排列。
作为优选，所述锚杆为人字形，相邻爪头之间设有轴孔，轴孔内安装有连接锚杆的铰轴，在锚爪上设有限制铰轴运动的销轴。
作为优选，所述锚爪的长宽高之比处在1.5～1.8内，其中，锚爪的长度为平衡翼端点到另一侧平衡翼端点的距离，宽度为爪头的顶点到锚爪一端的距离，高度为锚爪的厚度。
有益效果：本发明的仿生大抓力锚，具有以下优点：
1、锚爪为三爪仿生爪头结构，仿生犁形爪头对土层的切削力大，特定形状和角度的设计使得锚在工作过程中尤其在硬质土层中入土能力更强，三爪结构增大锚与土层接触面积，使锚获得更大抓力。
2、锚爪两侧设有仿生平衡翼，在锚抛射入水过程中避免主体完全翻转并保证锚以正确工作角度达到土层；锚的纵向尺寸增大，显著提高锚在土层中抗翻转性能，减少走锚风险。
3、锚杆为人字形杆，锚杆纵向宽度显著增加，在硬质土中与锚主体形成嵌入条件，锚的定位能力显著提高。
附图说明
图1为本发明的主视图。
图2为本发明的侧视图。
图3为图1中锚爪主视图。
图4为图3中B-B面剖视图。
图5为本发明的俯视图。
图6为锚杆与锚爪连接部位示意图。
图7为仿生导曲线图。
图8为锚爪三维视角示意图。
图9位锚爪结构示意图。
具体实施方式
如图1至图9所示，本发明的一种仿生大抓力锚，包括锚杆3、与锚杆3一端轴接的吊扣1和与锚杆3另一端铰接的锚爪4，吊扣1通过吊扣轴2与锚杆3轴接，所述锚爪4的前端延伸有若干个等距离排列的爪头5，优选选用三个，三个爪头5等间距排列，锚爪4两侧设有锚爪两侧设有鱼鳍状流线型的平衡翼6，锚杆3有两个，相邻爪头5之间设有轴孔，轴孔内安装有连接锚杆3的铰轴7，在锚爪4上设有限制铰轴7运动的销轴；所述爪头为包含一平面侧壁ABC和两曲面侧壁ABD、ACD的类三角锥形，所述平面侧壁ABC为等腰三角形，两曲面侧壁ABD、ACD为光滑曲面，两个光滑曲面ABD和ACD关于平面侧壁ABC的法平面AOD对称。爪头包含第一半爪ABOD和第二半爪ACOD，第一半爪ABOD和第二半爪ACOD关于法平面AOD对称，保证第一半爪ABOD的入土角θ∈(22°,40°)，翻土角β呈非线性增大，在锚爪爪头末端达到最大值且β∈(25°,75°)。在保证曲面ABD形状的条件下，第一半爪ABOD的推土角α不小于15°，其中，法平面AOD与平面侧壁ABC的交线为y轴，在法平面AOD中垂直y轴的为z轴，平面侧壁ABC的底边中点为零点O，根据右手法则，建立OXYZ坐标系，其中，曲面侧壁ABD(和/或ACD)与XOZ平面的交线的切线与OX轴的夹角为翻土角β，曲面侧壁ABD(和/或ACD)与法平面AOD的交线AD与OY轴的夹角为入土角θ，平面侧壁ABC的顶角的二分之一为入土角α。
本实施例中，锚爪3前端为三个纵向并列的仿生爪头5，爪头5截面如图4所示，爪头5三维造型如图8所示为对犁头鳐头部仿生造型所得，锚爪4两侧平衡翼6通过对犁头鳐两侧流线型胸鳍仿生得到，并在纵向上增加了锚的截面尺寸，使得锚受到的翻转力减少，锚的整体抗翻转性能提高，走锚风险大大减少。如图4所示锚爪4的上下两面为斜面构造，使得所述仿生大抓力锚在起锚过程中受到较小阻力。
大抓力锚仿生犁形爪头5导曲线如图7所示，依照曲线方程(1)所得；如图3内曲线3-1满足曲线方程(1)，依照该曲线为导曲线构造如图8锚爪爪头5曲面结构，图9所示爪头5曲面为锚爪工作面，为水平直元法构造的曲面，包括入土角θ，翻土角β，推土角α。入土角θ随曲面高度的增长越快碎土性能越好，翻土角β呈非线性增大，在锚爪爪头末端达到最大值，其值越大，翻土性能越好。当锚爪工作时，锚爪4以入土角θ及推土角α进入到土壤中破土，土壤沿着主切削面向翻抛曲面翻滚，扭转直到覆盖前一行程。如图9所示，仿生获得的锚爪切削面，使得翻土角β非线性增长，并在爪头5末端获得极大值，保证切削曲面ABD形状的情况下，θ∈(22°,40°)，β∈(25°,75°)，同时锚爪有较大入土脚α不小于15°，这两个特性使得锚爪在土层中尤其是在硬质土层中具有良好的入土能力。三个爪头5为等间距排列、尺寸相同。并列的三个爪头相比于普通大抓力锚的两爪头具有更好的抗翻转性能。
z＝76.72-0.82x-0.198x1.5+0.034x2-0.00112x2.5 (1)
本实施例中，人字形锚杆3通过整体铸造获得，相比于普通的大抓力锚直杆形的锚杆，人字形锚杆3截面的纵向宽度增大，在所述人字形锚杆的参与下，形成主体嵌入条件，增加锚着力，提高锚定位能力。仿生结构锚爪5与所述人字形锚杆3通过铰接装配。如图6，铰连接通过铰轴7实现。如图6所示铰轴7与锚爪4内部轴孔8相配合，铰轴7通过图6所示销轴9固定，销轴9与轴孔8限制铰轴7的径向自由度，轴孔尺寸渐变来限制铰轴7的轴向自由度。在整体实现中首先将所述人字形锚杆3与锚爪4通过铰轴7铰接，并通过销轴9固定。所述人字形锚杆3前端连接处位于锚爪4中心上方，避免了锚在入水过程中发生翻转情况，保证锚以图2所示角度进行工作。一种仿犁形的三爪大抓力锚尺寸比例如下，标注如图3、4所示：锚爪长高比L:H＝5:1，锚爪的长宽比L:S＝3:2，仿生爪头比例D1:D2＝3:2。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种仿生大抓力锚，其特征在于：包括锚杆、与锚杆一端轴接的吊扣和与锚杆另一端铰接的锚爪，所述锚爪的前端延伸有若干个等距离排列的爪头，锚爪两侧设有鱼鳍状流线型的平衡翼；所述爪头为包含一平面侧壁和两曲面侧壁的类三角锥形，所述平面侧壁为等腰三角形，两曲面侧壁为光滑曲面，两个光滑曲面关于平面侧壁的法平面对称；
所述爪头包含第一半爪和第二半爪，第一半爪和第二半爪关于平面侧壁的法平面对称，所述第一半爪的入土角22°<θ<40°，翻土角β呈非线性增大，在锚爪爪头末端达到最大值且25°<β<75°，第一半爪的推土角α不小于15°，其中，法平面与平面侧壁的交线为y轴，在法平面中垂直y轴的为z轴，平面侧壁的底边中点为零点O，根据右手法则，建立OXYZ坐标系，曲面侧壁与XOZ平面的交线的切线与OX轴的夹角为翻土角β，曲面侧壁与法平面的交线与OY轴的夹角为入土角θ，平面侧壁的顶角的二分之一为推土角α。
2.根据权利要求1所述的仿生大抓力锚，其特征在于：所述第一半爪与XOZ平面的交线的方程为z＝76.72-0.82x-0.198x1.5+0.034x2-0.00112x2.5。
3.根据权利要求2所述的仿生大抓力锚，其特征在于：所述爪头有三个，三个爪头等间距排列。
4.根据权利要求3所述的仿生大抓力锚，其特征在于：所述锚杆为人字形，相邻爪头之间设有轴孔，轴孔内安装有连接锚杆的铰轴，在锚爪上设有限制铰轴运动的销轴。
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