一种增加贯入深度和抗拔性能的动力锚的制作方法

本发明涉及一种动力锚，尤其是一种增加贯入深度和抗拔性能的动力锚，属于海洋工程的技术领域。

背景技术：

近年来，海洋漂浮式结构物被广泛应用于海洋工程领域，如远海漂浮式油气平台、新能源发电装置等。浮式结构物具有适应复杂的海洋地质条件、可在水深比较大的情况下使用、施工快捷简单等优点。漂浮式海上平台的建设涉及众多的方面，其中锚泊系统是固定漂浮式结构物、充分发挥其功能的关键所在。锚泊系统由锚固基础和锚链组成，常用的锚固基础有拖拉锚、平板锚、吸力锚和动力锚等。其中，动力锚具有安装工程简单高效，费用经济，锚泊性能较佳的优点，运用前景最为广泛。

现有技术中，动力锚所提供的承载力主要依赖于锚体自重和锚身与土体之间的摩擦力，而结合工程实践，海床的软硬程度以及动力锚下坠所获得的动能会影响其贯入深度、动力锚的外部构造特点会影响其抗拔承载性能，这些都会对动力锚的承载能力造成影响。

技术实现要素：

发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种增加贯入深度和抗拔性能的动力锚，可在贯入过程中，有效提升动力锚的下坠动能，并在上拔过程中，有效增大动力锚的受力面。

技术方案：一种增加贯入深度和抗拔性能的动力锚，包括锚身，所述锚身前端具有锥状锚头、尾部设置有平衡翼板，还包括位于所述锚头和平衡翼板之间的抗拔翼板，所述抗拔翼板前端通过铰接机构与所述锚身铰接、内侧通过张弛机构与所述锚身固定，所述抗拔翼板与锚身之间形成前窄后宽的扩口状间隙；

贯入过程中，所述抗拔翼板受其外侧土体压力，使所述张弛机构处于压缩状态，所述抗拔翼板收缩以减少受力面，增加贯入深度；上拔过程中，土体进入扩口状间隙内，所述抗拔翼板受内侧土体压力，使所述张弛机构处于扩张状态，所述抗拔翼板以所述铰接机构为圆心向外打开以增大受力面，提升抗拔性能。

本发明的原理是：抗拔翼板在动力锚贯入过程和上拔过程中分别呈收缩状态和打开状态，以在贯入时，减少土体受力面，增加贯入深度；在上拔时，增加受力面，提升抗拔性能。

进一步，所述张弛机构包括转动臂组件、弹簧，所述转动臂组件分别与所述锚身和抗拔翼板转动连接以使所述抗拔翼板在其限位下向内收缩或向外扩张，所述弹簧拉紧连接所述锚身和抗拔翼板。本结构中，转动臂组件用于限位抗拔翼板的收缩和扩张角度，弹簧用于保证抗拔翼板在贯入土体之前不会因为外界因素而误张，弹簧的刚度应适当选取，不要因为刚度过大使抗拔翼板在贯入土体后难以张开。

优选的，所述转动臂组件包括连接圆环、内转动臂、外转动臂、转轴，所述内转动臂与外转动臂之间通过所述转轴形成转动连接，所述内转动臂与所述锚身之间、所述外转动臂与所述抗拔翼板之间分别通过所述连接圆环形成转动连接，所述弹簧连接在两侧的所述连接圆环上。

进一步，所述抗拔翼板尾部设置有向内凸出的受力体，所述受力体的受力面a呈向内倾斜的坡状。本结构在上拔过程中，首先由受力体的受力面a与土体接触，并在坡状受力面a的作用下使土体压力偏离垂直方向，从而在土体压力的作用下使抗拔翼板迅速张开，增大抗拔翼板的受力面积，并增大抗拔翼板在上拔过程中所受到的内侧土压力，提升其抗拔性能。

优选的，所述受力体与所述抗拔翼板同宽设置，且所述受力体的受力面a采用凹陷的弧形面，以进一步增大抗拔翼板在上拔过程中所受到的内侧土体压力，提升其抗拔性能。

进一步，还包括限位板，所述限位板前端与所述锚身固定、底部向后延伸至所述抗拔翼板外侧，所述抗拔翼板打开后抵靠在所述限位板上以形成限位保护。本结构的限位板与抗拔翼板的打开角度相匹配，当抗拔翼板打开到期望角度时，限位板定点支撑抗拔翼板，阻止抗拔翼板在其内侧土体压力下继续张开而破坏张弛机构，并将抗拔翼板所承受的荷载传递到锚身上。

进一步，还包括注浆机构，所述注浆机构包括止流塞、封闭塞以及设置于所述锚身内部的固结液容腔，所述固结液容腔的前后两端分别设置有连通至所述锚身外的固结液流出通道和固结液流入通道，所述封闭塞和止流塞分别堵塞所述固结液流入通道和固结液流出通道，且所述止流塞与所述抗拔翼板固定以在所述抗拔翼板打开时随其拔出以打开所述固结液流出通道。本结构的注浆机构使用前，收起抗拔翼板，以止流塞堵塞固结液流出通道，然后通过抗拔翼板与锚身之间的间隙以固结液灌入装置通过固结液流入通道将固结液灌入固结液容腔内，之后通过封闭塞堵塞固结液流入通道；使用时，抗拔翼板在上拔过程中打开，止流塞随其打开而拔出，固结液流出通道打开，固结液容腔内储存的固结液依靠自身重力，通过固结液流出通道流出，对周边土体进行固结，增强动力锚的抗拔性能。

进一步，所述封闭塞内设置有压缩气囊，所述压缩气囊的出口朝向所述固结液容腔内部，所述压缩气囊的释放引线与所述抗拔翼板连接以在所述抗拔翼板打开后拉动所述释放引线以打开所述压缩气囊。本结构的封闭塞在上拔过程中，通过抗拔翼板的打开拉动释放引线，向固结液容腔内释放高压气体，将固结液容腔内的固结液推出，提升固结效率。

进一步，还包括推进机构，所述推进机构包括助推螺旋桨、助推气囊，所述助推螺旋桨设置于所述锚身末端，且其中轴线与所述锚身的中轴线重叠，所述锚身尾部设置有空腔，所述助推气囊竖向设置在所述空腔内，所述助推气囊的出气口从所述锚身末端伸出并朝向所述助推螺旋桨，所述出气口上安装有空气阀门。本结构的推进机构使用时，通过空气阀门控制助推气囊充放气，向助推螺旋桨喷射压缩空气，带动其旋转，助推动力锚以增加其贯入速度和贯入深度。

进一步，还包括锚尾保护罩，所述锚尾保护罩盖设在所述锚身尾部并包裹保护所述助推螺旋桨，以防止土体卡死助推螺旋桨。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：通过收起抗拔翼板、设置推进机构等方式，在贯入过程中，有效提升动力锚的下坠动能，增加贯入深度；通过打开抗拔翼板、设置注浆机构等方式，在上拔过程中，有效增大动力锚的受力面并固结土体，提升抗拔性能。

附图说明

图1为本发明贯入过程的结构示意图；

图2为本发明上拔过程的结构示意图；

图3为图2的俯视图；

图4为铰接机构位置的放大示意图；

图5为张弛机构位置的放大示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

一种增加贯入深度和抗拔性能的动力锚，如附图1、2所示，包括锚身1、抗拔翼板2、铰接机构3、张弛机构4、受力体5、限位板6、注浆机构7、推进机构8、锚尾保护罩9。

锚身1前端具有锥状锚头11、尾部设置有平衡翼板12。本实施例中，锚身1采用空心圆柱结构，内部浇筑混凝土以增加自重；平衡翼板12采用类矩形结构，为竖向设置的四块，且沿周向均布焊接在锚身1上，以保证动力锚平稳下落，平衡翼板的长度优选为1/2锚身长度，宽度优选为1/4锚身长度。

抗拔翼板2位于锚头11和平衡翼板12之间，其前端通过铰接机构3与锚身1铰接、内侧通过张弛机构4与锚身1固定，抗拔翼板2与锚身1之间形成前窄后宽的扩口状间隙1-1；贯入过程中，抗拔翼板2受其外侧土体压力，使张弛机构4处于压缩状态，抗拔翼板2收缩以减少受力面，增加贯入深度；上拔过程中，土体进入扩口状间隙1-1内，抗拔翼板2受内侧土体压力，使张弛机构4处于扩张状态，抗拔翼板2以铰接机构3为圆心向外打开以增大受力面，提升抗拔性能。

如附图4所示，铰接机构3包括分别固定在锚身1和抗拔翼板2上的耳座31，以及连接两侧的耳座31的销轴32。

如附图2、5所示，张弛机构4包括转动臂组件41、弹簧42，转动臂组件41分别与锚身1和抗拔翼板2转动连接以使抗拔翼板2在其限位下向内收缩或向外扩张，弹簧42拉紧连接锚身1和抗拔翼板2。本实施例中，转动臂组件41具体包括连接圆环411、内转动臂412、外转动臂413、转轴414，内转动臂412与外转动臂413之间通过转轴414形成转动连接，内转动臂412与锚身1之间、外转动臂413与抗拔翼板2之间分别通过连接圆环411形成转动连接，弹簧42连接在两侧的连接圆环411上。

如附图2、3所示，受力体5设置于抗拔翼板2尾部并向内凸出，受力体5的受力面a呈向内倾斜的坡状，以在上拔过程中，使土体压力偏离垂直方向，从而增大抗拔翼板在上拔过程中所受到的内侧土体压力，提升其抗拔性能。本实施例中，受力体5优选与抗拔翼板2同宽设置，且其受力面a优选采用凹陷的弧形面。

如附图1、2所示，限位板6前端与锚身1固定、底部向后延伸至抗拔翼板2外侧，抗拔翼板2打开后抵靠在限位板6上以形成限位保护。本实施例中，限位板6优选采用钢制梯形竖板，当抗拔翼板打开到期望角度时，限位板定点支撑抗拔翼板，阻止抗拔翼板在其内侧土体压力下继续张开而破坏张弛机构，并将抗拔翼板所承受的荷载传递到锚身上。

如图2、5所示，注浆机构7包括止流塞71、封闭塞72以及设置于锚身1内部的固结液容腔73，固结液容腔73的前后两端分别设置有连通至锚身1外的固结液流出通道74和固结液流入通道75，封闭塞72和止流塞71分别堵塞固结液流入通道75和固结液流出通道74，且止流塞71与抗拔翼板2固定以在抗拔翼板2打开时随其拔出以打开固结液流出通道74。封闭塞72内设置有压缩气囊76，压缩气囊76的出口朝向固结液容腔73内部，压缩气囊76的释放引线77与连接圆环43连接以在抗拔翼板2打开后拉动释放引线77以打开压缩气囊76。本实施例中，止流塞71优选采用橡胶材质，其底面直径应稍大于固结液流出通道末端的直径，防止固结液容腔73中的固结液渗出。使用前，收起抗拔翼板，以止流塞堵塞固结液流出通道，然后通过抗拔翼板与锚身之间的扩口状间隙1-1以固结液灌入装置通过固结液流入通道将固结液灌入固结液容腔内，之后通过封闭塞堵塞固结液流入通道；使用时，抗拔翼板在上拔过程中打开，止流塞随其打开而拔出，固结液流出通道打开，固结液容腔内储存的固结液依靠自身重力，通过固结液流出通道流出，对周边土体进行固结，增强动力锚的抗拔性能。同时，通过抗拔翼板的打开拉动释放引线，向固结液容腔内释放高压气体，将固结液容腔内的固结液推出，提升固结效率。

如附图2所示，推进机构8包括助推螺旋桨81、助推气囊82，助推螺旋桨81设置于锚身1末端，且其中轴线与锚身1的中轴线重叠，锚身1尾部设置有空腔13，空腔13采用圆柱形结构，助推气囊82竖向设置于空腔13内，助推气囊82的出气口从锚身1末端伸出并朝向助推螺旋桨81，出气口上安装有空气阀门83。本实施例中，助推螺旋桨81通过轴承84安装在钢制矩形固定片85上，固定片85焊接在锚身1末端；助推气囊82的出气口优选位于锚身中轴线处。使用时，通过空气阀门控制助推气囊充放气，向助推螺旋桨喷射压缩空气，带动其旋转，助推动力锚以增加其贯入速度和贯入深度。

锚尾保护罩9盖设在锚身1尾部并包裹保护助推螺旋桨81，以防止土体卡死助推螺旋桨。锚尾保护罩9末端位于锚身中轴线处的位置上焊接有系缆圆环91、两边边缘处焊接有吊耳92，系缆圆环91用于连接系泊钢缆，吊耳92用于连接安装钢缆。

本实施例中，为增大上拔过程中的受力面，抗拔翼板2采用向内弯曲的弧型结构；同时，为获得较好的平衡效果，抗拔翼板2、铰接机构3、张弛机构4、受力体5、限位板6均为沿锚身1周向均布设置的四个。固结液流出通道74为四条，且分别对应于四个抗拔翼板2上的止流塞71，固结液流出通道74优选具有一定的向外坡度，以便于固结液向外流出。

制作本实施例的动力锚时，先预制动力锚锚身内的空腔、固结液容腔、固结液流入通道、固结液流出通道，并分别采用下支护钢筋14、上支护钢筋15将固结液容腔、空腔焊接固定在动力锚内部预定位置；之后由锚尾向动力锚锚身内部浇筑混凝土；再之后焊接固定片、助推螺旋桨、锚尾保护罩，并将助推气囊的出气口焊接于锚身；最后通过固结液流入通道向固结液容腔中灌入固结液，灌入完成后通过封闭塞堵塞固结液流入通道，完成动力锚的制作过程。

本实施例的动力锚使用时，先通过吊耳将动力锚运输到指定位置；再用系泊钢缆将动力锚吊离水面一定位置，保证动力锚垂直于水面；之后打开助推气囊的空气阀门，使助推螺旋桨进入工作状态，以增大动力锚的下坠动能，增加其贯入深度。当动力锚到达期望贯入深度后，张紧系泊钢缆，上拔过程中抗拔翼板在土体压力的作用下张开，止流塞与固结液流出通道分离，固结液流出，固结周边土体，以增大动力锚的受力，提升抗拔性能。