CN111301610A - 折叠式锚柄的组合动力锚及其水中下落时垂直度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋工程技术领域，涉及一种折叠式锚柄的组合动力锚及其水中下落时垂直度控制方法。本发明的组合动力锚从下至上依次为折叠式锚柄的板形锚、配重轴、加长杆、尾翼和回收孔。折叠式锚柄的板形锚中可折叠锚柄的设计既有助于减小组合动力锚在水中自由下落和在海床土中沉贯时受到的阻力，又有助于提高组合动力锚的在水中方向稳定性。可回收配重轴及以上部分的设计既能显著增加组合动力锚在海床土中的沉贯深度，扩大了组合动力锚在不同性质海床土中的应用，又能显著降低组合动力锚的成本。本发明提出的提高动力锚在水中自由下落时垂直度的主动控制系统和控制方法能极大提高动力锚安装成功率，有助于节约安装时间和安装成本。

Description

折叠式锚柄的组合动力锚及其水中下落时垂直度控制方法

技术领域

本发明属于海洋工程技术领域，涉及一种折叠式锚柄的组合动力锚及其水中下落时垂直度控制方法。

背景技术

海洋油气开发、海洋能利用、海上浮桥等均需要一系列浮式结构及固定这些结构的锚固基础。目前用于海洋工程中的锚固基础主要包括桩基础、吸力式沉箱、拖曳安装锚和吸力式安装板锚。拖曳安装锚和吸力式安装板锚可看作板形锚，也称锚板，在海床中以法向受荷模式为主，具有较高的承载效率。上述锚固基础需借助打桩设备、抽水泵和拖船等进行安装，安装费用随水深增加而急剧增加。因此，人们总在寻找一种安装成本低且安装效率高的锚固基础。

近年来，海洋工程中出现了动力安装锚，简称动力锚。动力锚是一种自安装式锚固基础，从距离海床表面一定高度处释放，允许锚在水中自由下落并依靠自身重力势能贯入海床土中，利用周围土体锚固力提供抗拔承载力。因此，动力锚具有安装成本低、效率高的特点。

目前应用在实际工程中的动力锚主要为鱼雷锚(美国专利，专利号US7878137B2)和多向受荷锚(美国专利，专利号US7059263B1)。鱼雷锚由一个前端为半椭球形或锥形的圆柱形中轴和几片尾翼组成，中轴内部可填充金属废料或混凝土废料来增加锚的重量，使锚能在不借助于外力的情况下贯入海床土中，尾翼用来提高锚在水中下落时的方向稳定性。然而，由于锚眼位置位于锚中轴的最上端，锚的抗拔承载力主要由锚-土界面摩擦阻力来提供，因此锚的承载效率较低。多向受荷锚由三组互成120度的翼板组成，每组翼板由一片较大的后翼板和一块较小的前翼板组成，在前翼板和后翼板之间有一个可绕中轴旋转的加载臂，锚眼位于加载臂的最外侧。加载臂偏离锚的中轴会影响锚的对称性，这不利于锚在水中自由下落时的方向稳定性，连接在锚眼处的锚链会对锚产生向上的拉力，锚尖会朝着锚眼一侧偏转，这不利于锚在水中自由下落时的垂直度。此外，上述两种动力安装锚多用于软黏土海床，在砂土海床中的沉贯深度极为有限。

综上所述，海洋工程中需要新型锚固基础，该新型锚固基础需要结合动力锚自安装和锚板承载效率高的特点，并要确保该新型锚固基础在水中自由下落时具有良好的方向稳定性。另外，海洋工程中还需要同时适用于黏土、粉土、砂土及多层土等不同海床条件的锚固基础，确保该锚固基础能贯入海床中足够深度并提供足够的抗拔承载力。此外，人们非常关注动力锚在水中自由下落时的垂直度，在受锚链拖拉力、海底洋流、安装船晃动等外界因素作用时，动力锚的轴线可能偏离铅垂方向，导致锚不能垂直贯入海床土中甚至导致安装失败。因此，海洋工程中还需要确保动力锚在水中自由下落过程垂直度的控制装置及方法。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种新型折叠式锚柄的组合动力锚以及一种确保动力锚在水中自由下落时垂直度的控制方法。

本发明的技术方案如下：

1.折叠式锚柄的组合动力锚

为了使锚固基础具有安装快速、安装成功率高、承载能力高、适用于多种海洋土等特征，本发明提出了一种折叠式锚柄的组合动力锚(简称组合动力锚)，从下至上为折叠式锚柄的板形锚、配重轴、加长杆、尾翼(包括板形尾翼和弧形尾翼)和回收孔。折叠式锚柄的板形锚用来提供抗拔承载力，配重轴用来增加组合动力锚的总重量从而增加组合动力锚在海床中的沉贯深度，加长杆和尾翼用来确保组合动力锚在水中自由下落时的方向稳定性。

折叠式锚柄的板形锚主要由翼板、锚柄、支座和连接杆组成。

所述翼板为对称三角形板或盾形板，三角形板两个对称边的顶点或盾形板的盾尖为折叠式锚柄的板形锚的锚尖，锚尖的设计有助于减小组合动力锚在水中自由下落和在海床土中沉贯时所受的阻力，从而有助于增加组合动力锚在水中的下落速度及在海床中的沉贯深度。翼板厚度从中心线至边缘逐渐缩小，以减小折叠式锚柄的板形锚在垂直于锚中轴线平面内的投影面积，从而减小组合动力锚在水中自由下落和在海床土中沉贯时所受的阻力，从而增加组合动力锚在海床中的沉贯深度。翼板边缘进行圆弧化打磨处理，以减小组合动力锚在水中自由下落时所受的拖曳阻力，从而增加组合动力锚在水中的下落速度及在海床土中的沉贯深度。

所述支座固定在翼板的中心线上，支座位置可沿翼板中心线调整。

所述锚柄，其一端通过连接轴安装在支座上并实现旋转，其另一端为自由端，锚柄的自由端设有锚眼，用于连接锚链。锚柄还通过剪切销a将锚柄进一步固定在支座上，当剪切销a完好时，锚柄处于折叠状态，锚柄与翼板中心线平行；当锚眼受到上拔荷载导致剪切销a被剪断后，锚柄绕连接轴旋转，且锚柄相对翼板中心线的最大旋转角度为90度。锚柄的旋转方向是单向的，即锚柄只能朝远离翼板方向旋转而不能朝翼板方向旋转。因此，锚柄和连接轴之间应设置制动装置。例如，锚柄和连接轴之间可安装单向轴承来确保锚柄只能朝远离翼板方向旋转。当折叠式锚柄的组合式动力安装锚在水中自由下落及在海床中沉贯时，锚柄处于折叠状态，折叠式锚柄的设计能减小组合动力锚受到的拖曳阻力和土体阻力，这有助于增加组合动力锚在海床土中的沉贯深度，并有助于提高组合动力锚在水中的方向稳定性。当组合动力锚在水中自由下落时，连接在锚眼处的锚链对组合动力锚产生一向上的拖拉力，可折叠锚柄的设计有助于减小锚眼至组合动力锚中轴线的距离，从而减小锚链拖拉力相对组合动力锚重心的外力矩，这有助于提高组合动力锚在水中自由下落时的垂直度。总之，折叠式锚柄的设计既能增加组合动力锚在海床土中的沉贯深度，又能提高组合动力锚的垂直度。当折叠式锚柄的板形锚埋于海床土中且锚眼受到上拔荷载导致剪切销a被剪断后，锚柄可绕连接轴旋转从而使锚柄处于打开状态，这个过程会增加折叠式锚柄的板形锚在垂直于锚眼处上拔荷载方向的投影面积，并使折叠式锚柄的板形锚的受荷模式逐渐转变为法向受荷模式，从而提高折叠式锚柄的板形锚的抗拔承载力。

所述连接杆固定在翼板尾端中心，连接杆中心线与翼板中心线重合。连接杆用来连接配重轴。

所述配重轴主要由半椭球形前端、圆柱形中部连接段和圆台形收缩尾端组成。配重轴用来增加组合动力锚的总重量，从而提高组合动力锚在水中的下落速度及在海床土中的沉贯深度。中部连接段两端设有外螺纹，半椭球形前端和收缩尾端上设有相匹配的内螺纹，半椭球形前端、中部连接段和收缩尾端三者通过螺纹顺次连接。配重轴中部连接段长度根据实际工程中土强度加长或缩短，以提高或降低组合动力锚的总重量，从而确保组合动力锚贯入海床土中足够深度。配重轴中部连接段内部为空心的，用来填充高密度材料(如铅)，以增加组合动力锚的总重量。配重轴的半椭球形前端开有轴向连接槽，用于安装折叠式锚柄的板形锚的连接杆。配重轴的半椭球形前端开有水平圆孔a，折叠式锚柄的板形锚的连接杆上开有水平圆孔b，将剪切销b穿过水平圆孔a和水平圆孔b，从而连接配重轴和折叠式锚柄的板形锚。

所述加长杆为圆柱形杆，其截面尺寸与配重轴的收缩尾端最小截面尺寸一致。加长杆前端连接在配重轴尾部，加长杆尾部设有回收孔，用于连接回收绳。加长杆由轻质金属材料或高强度塑料制成，且内部为中空的，以降低组合动力锚的重心位置。加长杆用来增加尾翼相对锚尖的距离，从而提高组合动力锚在水中自由下落时的方向稳定性。加长杆的长度可根据实际工程进行调整，例如，在软黏土海床中，应适当增加加长杆的长度，以避免尾翼随组合动力锚一起贯入海床土中而导致尾翼发生屈曲破坏。

所述尾翼安装在加长杆靠近尾端位置，位于回收孔下方。尾翼包括板形尾翼和弧形尾翼。板形尾翼为四边形板，其上边缘与加长杆中心线垂直，其高度从加长杆外侧至板形尾翼自由端逐渐减小。板形尾翼由轻质金属材料或高强度塑料制成，以降低组合动力锚的重心。板形尾翼的个数至少为3，也可以多于3片，几片板形尾翼绕加长杆环向等角度布置，用来提高组合动力锚在水中自由下落时的方向稳定性，并可通过加大板形尾翼宽度进一步提高组合动力锚在水中的方向稳定性。

所述弧形尾翼连接在相邻两个板形尾翼上，且弧形尾翼布置在与锚柄相反的方向，当组合动力锚在水中自由下落时，作用在弧形尾翼上的拖曳阻力相对组合动力锚重心的力矩可用来平衡锚链拖拉力相对组合动力锚重心的力矩，从而在一定程度上保证组合动力锚在水中自由下落时的垂直度。弧形尾翼的半径和弧度与锚链材质和直径、组合动力锚在水中的下落高度等因素有关，要根据实际情况选择弧形尾翼的尺寸。

所述折叠式锚柄的板形锚、配重轴、加长杆三者中轴线共线。组合动力锚在水中自由下落时所受阻力的作用点称为水动力中心，要确保组合动力锚的重心低于水动力中心位置，从而确保组合动力锚在水中自由下落时的方向稳定性。

相应地，一种折叠式锚柄的组合动力锚的安装方法，包含以下5个阶段：

第一阶段：用剪切销a将锚柄进一步固定在支座上，用剪切销b连接折叠式锚柄的板形锚和配重轴，将组合动力锚从安装船上释放至海水中直至锚尖距离海床表面预定高度处，然后将连接在锚眼位置的锚链释放至海床表面，静置，待组合动力锚在海水中的晃动幅度趋于稳定；

第二阶段：松开系在回收孔的回收绳，使组合动力锚在水中自由下落并高速贯入海床土中；

第三阶段：待组合动力锚贯入海床土中后，张紧系在回收孔的回收绳，当作用在剪切销b上的剪力大于剪切销b容许剪力时，剪切销b被剪断从而使配重轴和折叠式锚柄的板形锚分开，继续张紧回收绳，将配重轴及其以上部分(加长杆、尾翼和回收孔)回收至安装船，只留折叠式锚柄的板形锚在海床土中；

第四阶段：张紧系在锚眼处的锚链，当作用在剪切销a上的剪力大于剪切销a容许剪力时，剪切销a被剪断，锚柄绕连接轴旋转；

第五阶段：继续张紧系在锚眼处的锚链，锚柄相对翼板的打开角度继续增加，翼板开始在海床土中旋转，直至上拔荷载达到设计荷载，完成组合动力锚的安装。

其中，剪切销b的容许剪力为折叠式锚柄的板形锚干重量的1.5–2.0倍，即在组合动力锚安装过程中，剪切销b应具有足够的抗剪强度，确保组合动力锚在水中释放及水中自由下落过程中，折叠式锚柄的板形锚和配重轴之间不发生分离；剪切销b还应容易被剪断，确保配重轴及以上部分在回收时不会将折叠式锚柄的板形锚一并拔出海床。回收后的配重轴及以上部分可重复使用，用于安装其他折叠式锚柄的板形锚。可回收配重轴及以上部分的设计既能确保折叠式锚柄的板形锚贯入海床中足够深度，还能降低生产成本，仅用一个配重轴就能完成一个锚固系统中所有锚的安装。

2.折叠式锚柄的组合动力锚在水中下落时垂直度控制方法

通过主动控制系统进行控制，所述主动控制系统包括设备舱、主动控制单元、电机、作动器和小平板。所述设备舱由一个圆柱形中轴和一个薄壁圆筒组成，薄壁圆筒固定在圆柱形中轴之外，且二者中心线重合。在薄壁圆筒的中间位置开有一圈环状缝隙。设备舱底部设有外螺纹，可连接在组合动力锚尾部；设备舱尾部设有回收孔n，用来连接锚链。

所述主动控制单元密封于设备舱圆柱形中轴内部，包括加速度传感器模块、陀螺仪模块、微处理器和驱动模块，加速度传感器模块和陀螺仪模块分别用于实时监测组合动力锚在水中自由下落时的加速度与角速度，微处理器根据加速度传感器模块和陀螺仪模块采集到的数据来实时计算组合动力锚中轴线相对铅垂方向的偏角并作出调节方案，然后将调节信息发送到驱动模块。

所述电机和主动控制单元连接，电机在驱动模块所发指令下带动作动器运动。

所述作动器包括轴向作动器、环向作动器和转动向作动器，环向作动器安装在设备舱圆柱形中轴上，轴向作动器一端固定在环向作动器上，且与设备舱中轴线垂直，转动向作动器安装在轴向作动器的另一端。

小平板固定在转动向作动器上，小平板的位置与薄壁圆筒上的环状缝隙齐平，电机在驱动模块所发指令下动作并通过连接的作动器调节小平板的位置和姿态。小平板的运动状态包括沿垂直于组合动力锚中轴线方向的平动、绕组合动力锚中轴线的转动、绕小平板自身中心线的转动。轴向作动器可使小平板沿垂直于组合动力锚中轴线方向运动(称为轴向运动)，环向作动器可使小平板绕组合动力锚中轴线转动(称为环向运动)，转动向作动器可使小平板绕自身中心线运动(称为自转)。当轴向作动器的加载位移为零时，小平板不会露在设备舱薄壁圆筒之外，组合动力锚在水中下落过程中小平板不会受到水的拖曳阻力。当轴向作动器启动使小平板轴向运动时，小平板会从设备舱薄壁圆筒中部的缝隙中伸出，组合动力锚在水中自由下落过程中小平板会受到水的拖曳阻力，从而调节动力锚的垂直度。

可以提高组合动力锚在水中自由下落时垂直度的控制方法，具体步骤如下：

(1)将主动控制系统通过螺纹连接在组合动力锚的尾部，当组合动力锚在水中自由下落时，加速度传感器模块和陀螺仪模块实时测量动力锚的加速度和角速度，微处理器根据加速度传感器模块和陀螺仪模块测量的加速度和角速度来实时计算动力锚中轴线相对铅垂方向的偏角；

(2)当动力锚中轴线相对铅垂方向的偏角超过预设值时，微处理器作出调节指令，并将调节指令发送给驱动模块，电机在驱动模块所发指令下动作并通过连接的作动器调节小平板的位置和姿态；

(3)小平板通过作动器加载而运动并受到水的拖曳阻力，该拖曳阻力相对组合动力锚重心产生一外力矩，在该外力矩作用下，组合动力锚的中轴线逐渐调整至铅垂方向；

(4)主动控制系统实时监测动力锚中轴线相对铅垂方向的偏角并实时驱动作动器带动小平板运动，以确保组合动力锚在水中自由下落时的垂直度。

本发明有益效果：

本发明提出的组合动力锚结合了动力锚自安装和锚板承载效率高的优点，折叠式锚柄的板形锚中可折叠锚柄的设计既有助于减小组合动力锚在水中自由下落和在海床土中沉贯时受到的阻力，又有助于提高组合动力锚的在水中方向稳定性。折叠式锚柄的板形锚中板形翼板和可折叠锚柄的设计使锚在海床中的受荷模式为法向受荷模式，这有助于提高锚的承载能力。可回收配重轴及以上部分的设计既能显著增加组合动力锚在海床土中的沉贯深度，扩大了组合动力锚在黏土、砂土及多层土等不同性质海床土中的应用，又能显著降低组合动力锚的成本。弧形尾翼的设计有助于提高组合动力锚在水中自由下落时的方向稳定和垂直度。本发明提出的提高动力锚在水中自由下落时垂直度的主动控制系统和控制方法能极大提高动力锚安装成功率，有助于节约安装时间和安装成本，可以应用于各种动力锚中，具有同样的控制下落时垂直度的效果。综上，本发明中涉及的组合动力锚以及主动控制系统和控制方法能降低目前动力锚的安装成本并提高动力锚的承载能力。

附图说明

图1是本发明的折叠式锚柄的组合动力锚示意图。

图2是折叠式锚柄的板形锚示意图(锚柄处于折叠状态)。

图3是折叠式锚柄的板形锚示意图(锚柄处于张开状态)。

图4是不同翼板形状的折叠式锚柄的板形锚。

图5是组合动力锚中配重轴示意图。

图6为折叠式锚柄的板形锚与配重轴连接细部图。

图7为加长杆和尾翼示意图。

图8a为组合动力锚安装第一阶段示意图。

图8b为组合动力锚安装第二阶段示意图。

图8c为组合动力锚安装第三阶段示意图。

图8d为组合动力锚安装第四阶段示意图。

图8e为组合动力锚安装第五阶段示意图。

图9为主动控制系统示意图(主视图)。

图10为主动控制系统示意图(俯视图)。

图11(a)为主动控制系统中小平板运动状态示意图。

图11(b)为主动控制系统中小平板轴向运动状态示意图。

图11(c)为主动控制系统中小平板环向运动状态示意图。

图11(d)为主动控制系统中小平板转动向运动状态示意图。

图12(a)为去掉回收孔的组合动力锚示意图。

图12(b)为安装主动控制系统的组合动力锚示意图。

图13(a)为去掉回收孔的鱼雷锚示意图。

图13(b)为安装主动控制系统的鱼雷锚示意图。

图中：1折叠式锚柄的板形锚；2配重轴；3剪切销b；4加长杆；5尾翼；5a板形尾翼；5b弧形尾翼；6回收孔；7锚链；8回收绳；9主动控制系统；11翼板；12锚柄；13支座；14连接轴；15剪切销a；16锚眼；17连接杆；18水平圆孔b；19锚柄旋转角度；21中部连接段；22半椭球形前端；23收缩尾端；24轴向连接槽；25水平圆孔a；91设备舱；91a设备舱圆柱形中轴；91b设备舱薄壁圆筒；92外螺纹；93主动控制单元；94电机；95作动器；95a轴向作动器；95b环向作动器；95c转动向作动器；96小平板；97回收孔n；100组合动力锚；101去掉回收孔的组合动力锚；102安装主动控制系统的组合动力锚；200鱼雷锚；201去掉锚眼的鱼雷锚；202安装主动控制系统的鱼雷锚；300安装船；M1轴向运动；M2环向运动；M3转动向运动。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

1.折叠式锚柄的组合动力锚

图1所示为组合动力锚100，从下至上为折叠式锚柄的板形锚1、配重轴2、加长杆4、尾翼5(包括板形尾翼5a和弧形尾翼5b)和回收孔6。

图2—图4所示为折叠式锚柄的板形锚1，主要由翼板11、锚柄12、支座13和连接杆17组成。

翼板11为对称三角形薄板(图2)或对称盾形薄板(图4)，三角形薄板两个对称边的顶点或盾形薄板的盾尖即为折叠式锚柄的板形锚1的锚尖。锚尖的设计有助于减小组合动力锚100在水中自由下落和在海床土中沉贯时所受的阻力，从而有助于增加组合动力锚100在海床土中的沉贯深度。翼板11从中心线至边缘逐渐变薄，这有助于减小折叠式锚柄的板形锚1在垂直于中轴线平面内的投影面积，从而减小组合动力锚100在水中自由下落时所受的拖曳阻力和在海床土中沉贯时所受的土体阻力。翼板11边缘进行圆弧化打磨处理，以减小组合动力锚100在水中自由下落时所受的拖曳阻力，从而增加组合动力锚100在水中的下落速度。

支座13通过螺钉、焊接等方式固定在翼板11的中心线上，根据实际需求可调节支座13在翼板11中心线上的位置。

锚柄12一端通过连接轴14连接在支座13上，另一端为自由端。靠近锚柄12自由端设有锚眼16，锚眼16用于连接锚链7。靠近连接轴14位置，锚柄12还通过剪切销a 15进一步固定在支座13上。当剪切销a 15完好时，锚柄12处于折叠状态，锚柄12与翼板11中心线平行；当锚眼16受到上拔荷载导致剪切销a 15被剪断后，锚柄12可绕连接轴14旋转。当组合动力锚100在水中自由下落及在海床土中沉贯时，锚柄12处于折叠状态(图2)，此时锚柄12在垂直于翼板11中心线平面内的投影面积最小，这有助于减小作用在锚柄12上的拖曳阻力及土体阻力，从而增加组合动力锚100在水中的下落速度及在海床土中的沉贯深度。可折叠锚柄12的设计还能减小锚眼16至组合动力锚100中轴线的距离，当组合动力锚100在水中自由下落时，锚链7由于受到水的拖曳阻力会对组合动力锚100产生一向上的拖拉力，当锚眼16至组合动力锚100中轴线的距离较小时，该拖拉力相对组合动力锚100重心所产生的外力矩较小，组合动力锚100在水中自由下落时不容易偏离铅垂方向。因此，可折叠锚柄12的设计还有助于提高组合动力锚100在水中自由下落时的方向稳定性和垂直度，进而提高安装成功率。

当折叠式锚柄的板形锚1贯入海床土中后，张紧连接在锚眼16处的锚链7，当剪切销a 15被剪断后，锚柄12可绕连接轴14旋转，锚柄12处于张开状态(图3)。锚柄12相对翼板11的张角称为锚柄旋转角度19，锚柄旋转角度19的最大值为90度，此时锚柄12和翼板11所在平面垂直，这有助于增加折叠式锚柄的板形锚1在垂直于锚眼16处上拔荷载方向的投影面积，使折叠式锚柄的板形锚1在海床土中的受荷模式以法向受荷为主，从而提高折叠式锚柄的板形锚1的承载能力。

锚柄12的旋转方向是单向的，即锚柄12只能朝远离翼板11方向运动而不能反向朝着翼板11方向运动。因此，在锚柄12和连接轴14之间应设置制动装置。例如，可以在锚柄12和连接轴14之间安装单向轴承以确保锚柄12只能朝远离翼板11方向运动。

除了支座13在翼板11中心线上的位置可根据实际情况进行调整之外，锚柄12的长度也可根据实际情况进行调整，当锚眼16低于翼板11形心时，在适当条件下折叠式锚柄的板形锚1在海床中具有下潜性质，即在锚链7作用下，折叠式锚柄的板形锚1能下潜至更深、强度更高的海床土中以提供更高的承载力。

连接杆17位于翼板11顶端中心处，且其中轴线与翼板11中轴线重合。连接杆17上设有水平圆孔b 18，用来连接配重轴2。

图5为配重轴2示意图，由半椭球形前端22、中部连接段21和收缩尾端23组成，三者依次通过螺纹连接。配重轴2用来增加组合动力锚100的总重量，从而确保折叠式锚柄的板形锚1贯入海床土中足够深度。中部连接段21长度可根据实际工程中土强度加长或缩短。例如，当海床土为砂土或高强度黏土时，可适当加长中部连接段21的长度，从而增加组合动力锚100的总重量，以确保组合动力锚100贯入海床土中足够深度。中部连接段21内部可以掏空并填充高密度材料(如铅)，以增加组合动力锚100的总重量。中部连接段21的横截面为圆柱形，以方便加工。半椭球前端22的设计有助于使水流平缓地从折叠式锚柄的板形锚1流经配重轴2，从而减小配重轴2所受的拖曳阻力。收缩尾端23为横截面逐渐收缩的圆台，以减小水流的紊流程度，从而减小组合动力锚100在水中自由下落时作用在配重轴2上的拖曳阻力，这有助于使配重轴2的重力势能充分转化为组合动力锚100的动能。

配重轴2的半椭球形前端22开有轴向连接槽24，用来容纳折叠式锚柄的板形锚1的连接杆17。图6为配重轴2与折叠式锚柄的板形锚1连接方式细部图。配重轴2的半椭球形前端22开有水平圆孔a 25，折叠式锚柄的板形锚1的连接杆17上也开有水平圆孔b 18，用剪切销b 3穿过配重轴2前端水平圆孔a 25和连接杆17上水平圆孔b 18，以连接配重轴2和折叠式锚柄的板形锚1。

图7为加长杆4和尾翼5示意图。加长杆4为一段圆柱形杆，前端通过螺纹连接在配重轴2的尾端，且加长杆4截面尺寸与配重轴2收缩尾端23的最小截面尺寸一致。加长杆4的尾部设有回收孔6，用来安装回收绳8。回收绳8用于安装组合动力锚100并用于回收配重轴2及以上部分。加长杆4由轻质金属材料或高强度塑料制成，且内部为中空的，以降低组合动力锚100的重心位置。加长杆4可加长尾翼5至折叠式锚柄的板形锚1锚尖的距离，这有助于提高组合动力锚100的水动力中心位置，确保组合动力锚100在水中下落时的方向稳定性。加长杆4的长度根据实际需求进行调整，例如，当海床土为软黏土时，应适当增加加长杆4的长度，以避免尾翼5随组合动力锚100贯入海床土中而导致的屈曲问题。

所述尾翼5连接在加长杆4靠近尾部位置，用来提高组合动力锚100在水中自由下落时的方向稳定性。尾翼5包括板形尾翼5a和弧形尾翼5b。板形尾翼5a为四边形薄板，其上边缘与加长杆4中心线垂直，其高度从加长杆4边缘至板形尾翼5a自由端逐渐减小，以减小组合动力锚100在水中自由下落时作用在板形尾翼5a上的拖曳阻力。板形尾翼5a至少有3片，也可以超过3片。几片板形尾翼5a沿加长杆4环向等角度布置。增加板形尾翼5a的宽度有助于提高组合动力锚100水动力中心位置，从而提高组合动力锚100在水中自由下落时的方向稳定性和垂直度。

所述弧形尾翼5b连接在板形尾翼5a上，弧形尾翼5b的两端分别于两个相邻的板形尾翼5a连接，且弧形尾翼5b布置在与锚柄12相反的方向，当组合动力锚100在水中自由下落时，作用在弧形尾翼5b上的拖曳阻力相对组合动力锚100重心的力矩可用来平衡锚链7拖拉力相对组合动力锚100重心的力矩，从而在一定程度上保证组合动力锚100在水中自由下落时的垂直度。弧形尾翼5b的半径和弧度与锚链7材质和直径、组合动力锚100在水中的下落高度等因素有关，要根据实际情况选择弧形尾翼5b的尺寸。

尾翼5由轻质金属材料或高强度塑料制成，以降低组合动力锚100的重心位置。

确保折叠式锚柄的板形锚1、配重轴2、加长杆4三者中心线共线，且要使组合动力锚100的重心低于水动力中心位置，以确保组合动力锚100在水中自由下落时的方向稳定性。增加加长杆4高度和增加板形尾翼5a的宽度可以提高组合动力锚100水动力中心的位置，增加配重轴中部连接段21的密度和减小加长杆4的密度可以降低组合动力锚100重心位置，上述措施均能提高组合动力锚100在水中自由下落时的方向稳定性。

2.组合动力锚的安装方法

图8a—图8e为组合动力锚100的安装步骤示意图，具体包含以下5个阶段。

图8a为组合动力锚100安装第一阶段：用剪切销a 15将锚柄12进一步固定在支座13上，用剪切销b 3连接折叠式锚柄的板形锚1和配重轴2，将组合动力锚100从安装船300上释放至海水中直至锚尖距离海床表面预定高度处，然后将连接在锚眼16位置的锚链7释放至海床表面，静置，待组合动力锚100在海水中的晃动幅度趋于稳定。

图8b为组合动力锚100安装第二阶段：松开系在回收孔6的回收绳8，使组合动力锚100在水中自由下落并高速贯入海床土中。

图8c为组合动力锚100安装第三阶段：待组合动力锚100贯入海床土中后，张紧系在回收孔6的回收绳8，当作用在剪切销b 3上的剪力大于剪切销b 3容许剪力时，剪切销b 3被剪断从而使配重轴2和折叠式锚柄的板形锚1分开，继续张紧回收绳8，将配重轴2及以上部分回收至安装船300，只留折叠式锚柄的板形锚1在海床土中。

图8d为组合动力锚100安装第四阶段：张紧系在锚眼16处的锚链7，当作用在剪切销a15上的剪力大于剪切销a 15容许剪力时，剪切销a 15被剪断，锚柄12绕连接轴14旋转。

图8e为组合动力锚100安装第五阶段：继续张紧系在锚眼16处的锚链7，锚柄旋转角度19继续增加，翼板11开始在海床土中旋转，直至上拔荷载达到设计荷载。翼板11在海床中的旋转有助于增加折叠式锚柄的板形锚1在垂直于锚眼16处上拔荷载方向的投影面积，使折叠式锚柄的板形锚1的受荷模式逐渐转变为法向受荷模式，从而提高承载力。

折叠式锚柄的板形锚1和配重轴2之间用剪切销b 3连接，剪切销b 3的容许剪力为折叠式锚柄的板形锚1干重量的1.5–2.0倍，即组合动力锚100在水中释放及水中自由下落过程中，剪切销b 3应具有足够的抗剪强度，确保折叠式锚柄的板形锚1和配重轴2之间不发生分离；剪切销b 3还应容易被剪断，确保配重轴2及以上部分在回收时不会将折叠式锚柄的板形锚1一并拔出海床。回收后的配重轴2及其以上部分可重复使用，用于安装其他折叠式锚柄的板形锚1。可回收配重轴2及其以上部分的设计既能确保折叠式锚柄的板形锚1贯入海床中足够深度，还能降低生产成本，仅用一个配重轴2就能完成一个锚固系统中所有锚的安装。

3.提高组合动力锚在水中自由下落时垂直度的主动控制系统和控制方法

图9为主动控制系统9，用来控制组合动力锚在水中自由下落时的垂直度。主动控制系统9由设备舱91、主动控制单元93、电机94、作动器95(包含轴向作动器95a、环向作动器95b、转动向作动器95c)和小平板96组成。

设备舱91由一个圆柱体中轴91a和一个薄壁圆筒91b组成，薄壁圆筒91b固定在圆柱体中轴91a之外，且二者中心线重合。薄壁圆筒91b中间开有一圈缝隙，小平板96的安装位置与薄壁圆筒91b上的缝隙齐平。设备舱91底部设有外螺纹92，可连接在组合动力锚的尾部；设备舱91尾部设有回收孔n 97，用来连接回收绳。图10为图9所示主动控制系统9沿缝隙剖开的截面图。

主动控制单元93密封在设备舱圆柱体中轴91内部，包括加速度传感器模块、陀螺仪模块、微处理器和驱动模块，加速度传感器模块和陀螺仪模块分别用来实时监测组合动力锚在水中自由下落时的加速度与角速度，微处理器根据加速度传感器模块和陀螺仪模块采集到的数据计算组合动力锚中轴线相对铅垂方向的偏角并作出调节方案，然后将调节信息发送到驱动模块。

电机94和主动控制单元93连接，电机94在驱动模块所发指令下带动作动器95运动。

作动器95包括轴向作动器95a、环向作动器95b和转动向作动器95c。环向作动器95b安装在设备舱91圆柱体中轴上，轴向作动器95a一端固定在环向作动器95b上，且与设备舱91中轴线垂直，转动向作动器95c安装在轴向作动器95b的另一端。

小平板96固定在转动向作动器95c上，电机94在驱动模块所发指令下动作并通过连接的作动器95调节小平板96的位置和姿态。

图11(a)为小平板96的运动状态示意图，包括沿垂直于组合动力锚中轴线方向的平动、绕组合动力锚中轴线的转动、绕自身中心线的转动。如图11(b)所示，轴向作动器95a可使小平板96垂直于组合动力锚中轴线方向运动(简称轴向运动，M1)；如图11(c)所示，环向作动器95b可使小平板96绕组合动力锚中轴线转动(简称环向运动，M2)；如图11(d)所示，转动向作动器95c可使小平板96绕自身中轴线转动(简称自转，M3)。

当轴向作动器95a的加载位移为零时，小平板96不会露在设备舱薄壁圆筒91b之外，组合动力锚在水中自由下落过程中小平板96不会受到水的拖曳阻力；当轴向作动器95a启动并使小平板96轴向运动时，小平板96会从设备舱薄壁圆筒91b缝隙中伸出，组合动力锚在水中自由下落时会受到水的拖曳阻力，从而调节动力锚的垂直度。

相应地，一种提高组合动力锚在水中自由下落时垂直度的控制方法，包括如下步骤：

(1)将主动控制系统9连接在组合动力锚的尾部，当组合动力锚在水中自由下落时，主动控制单元93中的加速度传感器模块和陀螺仪模块实时测量组合动力锚的加速度和角速度，微处理器根据加速度传感器模块和陀螺仪模块测量的加速度和角速度来实时计算组合动力锚中轴线相对铅垂方向的偏角；

(2)当组合动力锚中轴线相对铅垂方向的偏角超过预设值时，微处理器作出调节指令，并将调节指令发送给驱动模块，电机94在驱动模块所发指令下动作并通过连接的作动器95调节小平板96的位置和姿态；

(3)小平板96通过作动器95加载而运动并受到水的拖曳阻力，该拖曳阻力相对组合动力锚重心产生一外力矩，在该外力矩作用下，组合动力锚的中轴线逐渐调整至铅垂方向；

(4)主动控制系统9实施监测动力安装锚中轴线相对铅垂方向的偏角并实施驱动作动器95带动小平板96运动，以确保组合动力锚在水中自由下落时的垂直度。

下面以本发明组合动力锚和已有发明鱼雷锚为例来体现主动控制系统9在动力锚上的应用。

图12(a)为去掉回收孔的组合动力锚101(即去掉回收孔)，在组合动力锚101加长杆4尾部设置与主动控制系统9中外螺纹92相匹配的内螺纹，以连接组合动力锚101和主动控制系统9。图12(b)为安装主动控制系统的组合动力锚102，主动控制系统9尾部的回收孔n97可用来连接回收绳8，安装主动控制系统的组合动力锚102的安装方式与组合动力锚100的安装方式一致。

图13(a)为鱼雷锚200示意图，图13(b)为去掉锚眼的鱼雷锚201。在去掉锚眼的鱼雷锚201尾部设置与主动控制系统9中外螺纹92相匹配的内螺纹，以连接去掉锚眼的鱼雷锚201和主动控制系统9。图13(b)为安装主动控制系统的鱼雷锚202，主动控制系统9尾部的回收孔n 97可用来连接锚链7。安装主动控制系统的鱼雷锚202的安装方式与之前已公布专利中的安装方式一致。

在上述两个实施例中，主动控制系统9中设备舱薄壁圆筒91b外径分别与组合动力锚101中加长杆4直径和鱼雷锚201中轴直径相等。

需要说明的是，本发明提出的主动控制系统9除了应用于上述实施例中所涉及的组合动力锚101和鱼雷锚201之外，还适用于其他类型的动力锚(如，多向受荷锚)。此外，该主动控制系统9还适用于控制海洋岩土工程中自由落体式贯入仪在水中下落时的垂直度。

以上所述具体实施方式仅作为本申请发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本申请发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的要求涵盖范围以内。

Claims (10)

1.一种折叠式锚柄的组合动力锚，其特征在于，所述的组合动力锚从下至上为折叠式锚柄的板形锚、配重轴、加长杆、尾翼和回收孔，所述折叠式锚柄的板形锚用来提供抗拔承载力，所述配重轴用来确保组合动力锚贯入海床土中足够深度，所述加长杆和尾翼用来提高组合动力锚在水中自由下落时的方向稳定性；

所述折叠式锚柄的板形锚主要由翼板、锚柄、支座和连接杆组成；

所述翼板为对称三角形板或盾形板，其厚度从中心线至边缘逐渐缩小，且其边缘进行圆弧化打磨处理，从而减小组合动力锚在水中下落时所受的拖曳阻力和在海床土中沉贯时所受的土体阻力；

所述支座固定在翼板中心线上；

所述锚柄的一端通过连接轴连接在支座内，另一端为自由端；

所述锚柄的自由端设有锚眼，用来连接锚链；

所述锚柄还通过剪切销a进一步固定在支座内，当剪切销a完好时，锚柄处于折叠状态，锚柄与翼板中心线平行，当锚眼受到上拔荷载导致剪切销a受力被剪断后，锚柄绕连接轴旋转；

所述锚柄和连接轴之间安装单向轴承，确保锚柄只能朝远离翼板方向旋转而不能朝翼板方向旋转；

所述连接杆固定在翼板尾部，其中心线与翼板中心线重合；

所述配重轴由半椭球形前端、圆柱形中部连接段和圆台形收缩尾端组成，三者依次通过螺纹连接；

所述配重轴的中部连接段能加长或缩短，以提高或降低组合动力锚的总重量，从而确保组合动力锚能贯入海床土中足够深度；

所述配重轴的半椭球形前端开有轴向连接槽，用来容纳折叠式锚柄的板形锚的连接杆；

所述配重轴的半椭球形前端开有水平圆孔a，所述连接杆上开有水平圆孔b，用剪切销b穿过水平圆孔a和水平圆孔b，以连接配重轴和折叠式锚柄的板形锚；

所述加长杆为圆柱形杆，用来增加尾翼至锚尖的距离，以提高组合动力锚在水中下落时的方向稳定性；加长杆前端连接在配重轴尾部，加长杆尾部设有回收孔，用来连接回收绳；

所述尾翼包括板形尾翼和弧形尾翼，连接在靠近加长杆尾端位置，位于回收孔下方，用来提高组合动力锚在水中自由下落时的方向稳定性；

所述加长杆和尾翼由轻质金属材料或高强度塑料制成，且加长杆内部为中空，从而降低组合动力锚重心位置；

所述折叠式锚柄的板形锚、配重轴和加长杆三者中心线共线；

所述组合动力锚的重心低于水动力中心位置，以确保其在水中自由下落时的方向稳定性。

2.根据权利要求1所述的一种折叠式锚柄的组合动力锚，其特征在于，当锚眼受到上拔荷载导致剪切销a被剪断后，锚柄可绕连接轴旋转，锚柄相对翼板中心线的最大旋转角度为90度，锚柄的旋转能提高折叠式锚柄的板形锚在海床土中的抗拔承载力。

3.根据权利要求1所述的一种折叠式锚柄的组合动力锚，其特征在于，所述剪切销b的容许剪力为折叠式锚柄的板形锚干重量的1.5–2.0倍。

4.根据权利要求1所述的一种折叠式锚柄的组合动力锚，其特征在于，所述板形尾翼个数至少为3，多片板形尾翼沿加长杆环向等间距布置，通过加大板形尾翼宽度来提高组合动力锚在水中的方向稳定性；所述板形尾翼为四边形薄板，其上边缘与加长杆中心线垂直，且其高度从加长杆外侧至板形尾翼自由端逐渐减小，以减小组合动力锚在水中自由下落时作用在板形尾翼上的拖曳阻力。

5.根据权利要求1所述的一种折叠式锚柄的组合动力锚，其特征在于，所述弧形尾翼连接在相邻两个板形尾翼上，且弧形尾翼的安装位置与锚柄方向相反，当组合动力锚在水中自由下落时，作用在弧形尾翼上的拖曳阻力相对组合动力锚重心的力矩用来平衡锚链拖拉力相对组合动力锚重心的力矩，从而确保组合动力锚在水中下落时的垂直度。

6.根据权利要求1所述的一种折叠式锚柄的组合动力锚，其特征在于，所述的组合动力锚的安装方法包含以下5个阶段：

第一阶段：将组合动力锚从安装船上释放至海水中直至锚尖距离海床表面预定高度处，然后将连接在锚眼位置的锚链释放至海床表面，静置，待组合动力锚在海水中的晃动幅度趋于稳定；

第二阶段：松开系在回收孔的回收绳，使组合动力锚在水中自由下落并高速贯入海床土中；

第三阶段：待组合动力锚贯入海床土中后，张紧系在回收孔的回收绳，当作用在剪切销b上的剪力大于其容许剪力时，剪切销b被剪断从而使配重轴和折叠式锚柄的板形锚分开，继续张紧回收绳，将配重轴及其以上部分回收至安装船，只留折叠式锚柄的板形锚在海床土中；

第四阶段：张紧系在锚眼处的锚链，当作用在剪切销a上的剪力大于其容许剪力时，剪切销a被剪断，锚柄绕连接轴旋转；

第五阶段：继续张紧系在锚眼处的锚链，锚柄相对翼板的打开角度继续增加，翼板开始在海床土中旋转，直至上拔荷载达到设计荷载。

7.根据权利要求6所述的一种折叠式锚柄的组合动力锚，其特征在于，回收后的配重轴及其以上部分可重复使用，用来安装其他折叠式锚柄的板形锚。

8.根据权利要求6所述的一种折叠式锚柄的组合动力锚，其特征在于，当组合动力锚在水中自由下落及在海床中沉贯时，锚柄处于折叠状态以减小作用在组合动力锚上的拖曳阻力和土体阻力，并提高组合锚在水中下落时的方向稳定性；当张紧连接在折叠式锚柄的板形锚上的锚链时，锚柄会逐渐打开以提高折叠式锚柄的板形锚的承载力。

9.权利要求1所述的一种折叠式锚柄的组合动力锚在水中下落时垂直度控制方法，其特征在于，折叠式锚柄的组合动力锚内装配有主动控制系统，主动控制系统包括设备舱、主动控制单元、电机、作动器和小平板；

所述设备舱由一个圆柱体中轴和一个薄壁圆筒组成，薄壁圆筒固定在圆柱体中轴之外，且二者中心线重合；所述薄壁圆筒中间开有一圈环状缝隙；

设备舱底部设有外螺纹，用来连接在组合动力锚尾部；

设备舱尾部设有回收孔n，用来连接回收绳；

所述主动控制单元密封于设备舱圆柱体中轴内部，包括加速度传感器模块、陀螺仪模块、微处理器和驱动模块，加速度传感器模块和陀螺仪模块分别用来实时测量组合动力锚在水中自由下落时的加速度与角速度，微处理器根据加速度传感器模块和陀螺仪模块采集到的数据实时计算组合动力锚中轴线相对铅垂方向的偏角并作出调节方案，然后将调节信息发送到驱动模块；

所述电机和主动控制单元连接，电机在驱动模块所发指令下带动作动器运动；

所述作动器包括轴向作动器、环形作动器和转动向作动器；环向作动器安装在设备舱圆柱形中轴上，轴向作动器一端固定在环向作动器上，且与设备舱中轴线垂直，转动向作动器安装在轴向作动器的另一端；

所述小平板固定在转动向作动器上，小平板的位置与薄壁圆筒上的环状缝隙齐平，电机在驱动模块所发指令下动作并通过连接的作动器调节小平板的位置和姿态；

所述小平板的运动状态包括沿垂直于动力锚中轴线方向的平动、绕动力锚中轴线的转动、绕小平板自身中心线的转动；轴向作动器可使小平板沿垂直于动力锚中轴线方向运动，环向作动器可使小平板绕动力锚中轴线转动，转动向作动器可使小平板绕自身中心线转动；

当轴向作动器的加载位移为零时，小平板不会露在设备舱薄壁圆筒之外，组合动力锚在水中自由下落过程中小平板不会受到水的拖曳阻力；

当轴向作动器启动使小平板轴向运动时，小平板会从设备舱薄壁圆筒中部的缝隙中伸出，组合动力锚在水中自由下落过程中小平板会受到水的拖曳阻力，从而调节动力锚的垂直度；

具体控制步骤如下：

(1)将主动控制系统通过螺纹连接在组合动力锚的尾部，当组合动力锚在水中自由下落时，加速度传感器模块和陀螺仪模块实时测量动力锚的加速度和角速度，微处理器根据加速度传感器模块和陀螺仪模块测量的加速度和角速度来实时计算动力锚中轴线相对铅垂方向的偏角；

(2)当组合动力锚中轴线相对铅垂方向的偏角超过预设值时，微处理器作出调节指令，并将调节指令发送给驱动模块，电机在驱动模块所发指令下动作并通过连接的作动器调节小平板的位置和姿态；

(3)小平板通过作动器加载而运动并受到水的拖曳阻力，拖曳阻力相对组合动力锚重心产生外力矩，在外力矩作用下，组合动力锚的中轴线逐渐调整至铅垂方向；

(4)主动控制系统实时监测动力锚中轴线相对铅垂方向的偏角并实时驱动作动器带动小平板运动，以确保组合动力锚在水中自由下落时的垂直度。

10.根据权利要求9所述的一种折叠式锚柄的组合动力锚在水中下落时垂直度控制方法，其特征在于，所述的主动控制系统可应用于其他类型的动力锚，还可应用于自由落体式贯入仪。

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