Якоря для судов технического флота
Якоря для судов технического флота
Судами технического флота обычно называют дноуглубительные снаряды — землесосы, черпаковые, штанговые и грейферные земснаряды, скалодробильные снаряды, плавучие краны, буровые плавучие установки, золотодобывающие драги, снаряды по добыче строительных нерудных материалов и прочие плавучие сооружения, выполняющие определенные работы на дне акваторий или на береговой полосе. Все эти суда, как правило, снабжены обычными втяжными становыми якорями соответствующей массы. Однако для выполнения своих задач им приходится пользоваться специальными якорями, которые называются рабочими якорями. Иногда таким судам приходится становиться на якорь при минимальном отрезке вытравленной цепи при условиях, когда направление тяги якорь- цепи беспрестанно меняется. В таких случаях нужны так называемые быстрозахватывающие якоря. Из десятков запатентованных якорей этого типа покажем три их конструкции, которые находят наибольшее применение.
Удачное решение конструкции быстрозахватывающего якоря нашел в 1911 г. шотландский инженер Штахельбергер (рис. 235). Три лапы, насаженные на один соединительный болт, вращаются независимо одна от другой. Их разворот ограничивается тем, что основание захватов на каждой из трех лап упирается в нижнюю часть рамы веретена. При работе на разнородных грунтах и грунтах, засоренных камнями, у этого якоря неоспоримое преимущество перед двулапыми якорями. Он хорошо держит и на гальке.
На рис. 236 показан якорь, запатентованный в 1933 г. шведским инженером Лундином, он быстро забирает грунт, но конструкция якоря очень сложна.
Более удачен быстрозахватывающий якорь, изображенный на рис. 237. Его запатентовал советский инженер Н. Васильянов в 1928 г. Веретено якоря — овальной формы, с вырезами для двух пар поворотных рогов, насаженных на шток.
Для облегчения подъема на якоре сделан рым для буйрепа.
На судах технического флота широкое применение находит однорогий адмиралтейский якорь (рис. 238). Им пользуются при лесосплавных работах на реках для крепления концов запани. Особенно широко он используется как рабочий якорь на дноуглубительных снарядах. Когда земснаряд прорывает траншею, он передвигается с помощью своих лебедок и двух завезенных в разные стороны однорогих якорей, которые иногда называют папильонажными. Это название происходит от французского слова papillon — бабочка. Когда земснаряд, прорывая траншеи, передвигается влево и вправо, то говорят, что он работает папильонажным способом, т. е. его движение похоже на полет бабочки.
235. Якорь Штахельбергера
236. Якорь Лундина
По мере передвижения земснаряда вперед якоря все время приходится перекладывать на новое место. Это делают с помощью самоходных судов-завозней. Иногда приходится рабочие якоря переносить вручную: мотозавозня из-за мелководья не может их доставить на нужное место или якоря необходимо заложить на сухих песках. Поэтому к папильонажным якорям предъявляют два немаловажных требования: легкость и высокая удельная держащая сила на сыпучих грунтах. Особенно это важно, когда земснаряду приходится работать на тяжелых грунтах или при большом слое срезки. В таких случаях держащую силу однородного «инвалида» пытаются увеличить за счет увеличения площади его лапы. Но те, кто переделывает якорь, иногда забывают, что величина площади лапы связана строгой зависимостью с углом атаки, углом отгиба рога и его длиной.
Нередко случалось, что наварят большую пластину и якорь вообще перестает держать — при увеличении усилия папильонажного троса вырывается из грунта. Насколько указанная зависимость важна и требует внимания, видно из истории с якорем Гошева.
Лабораторные сравнительные испытания, проведенные в 1958–1962 гг. Горьковским институтом инженеров водного транспорта, позволили отобрать четыре различных однорогих якоря, давших наилучшие результаты по величине держащей силы. Лучшим из них оказался якорь конструкции командира-наставника Северного бассейнового управления пути МРФ В. Гошева (рис. 239).
Горьковский институт внес в конструкцию этого якоря некоторые изменения. В результате родился якорь, названный якорем Гошева-ГИИВТа, держащая сила которого в два раза больше соответствующего адмиралтейского якоря с одним рогом (рис. 240).
237. Якорь Васильянова
Если у обычных якорей, применявшихся на земснарядах, угол отгиба рога составлял 35–45°, а угол атаки- 55° и выше, то у якоря Гошева — ГИИВТа эти величины составили 11 и 37°. К тому же у него площадь лапы на 20–25 % больше соответствующей площади обычного якоря с одной лапой. Максимальное удельное усилие протаскивания нового якоря на песчаном грунте равнялось на испытаниях 12,3 кгс на 1 кгс веса якоря и на глинистом грунте — 10 кгс.
Изобретателя, видимо, не устраивали эти результаты, и он, продолжая свои опыты, изменил соотношения в геометрических размерах, форму рога и лапы своего якоря, которую усовершенствовал ГИИВТ.
Спроектированный ГИИВТом новый якорь Гошева массой 225 кг был изготовлен на заводе «Теплоход» (рис. 241) и испытан в июле 1965 г. на глинистом, песчаном и илистом грунтах Оки и Волги.
Устойчивое удельное усилие протаскивания нового якоря Гошева на глинистом грунте оказалось в 1,58, на песчаном в 2,01 и на илистом в 1,24 раза больше, чем у якоря Гошева-ГИИВТа массой 200 кг.
238. «Адмиралтейский инвалид»
240. Якорь Гсшева-ГИИВТа
239. Первый якорь Гошева
241. Третий якорь Гошева
По сравнению с обычным адмиралтейским однолапым якорем удельная держащая сила нового якоря Гошева увеличилась в 3,35 раза на глине, в 5,17 раза — на песке и в 1,21 раза — на илистом грунте.
По мнению специалистов, держащая сила якоря увеличилась за счет изменения соотношений размеров веретена и лапы, а главное, за счет изменения формы кривой образования лапы якоря.
Если у якоря Гошева-ГИИВТа угол атаки назначался только для носка лапы, то у нового якоря Гошева обеспечивалось вхождение в грунт всей лапы при одном и том же оптимальном угле атаки. При натяжении якорного троса выбранные углы способствуют лучшему и большему заглублению якоря в грунт до самого веретена без нарушения целостности грунта в месте входа якоря в него.
Большое внимание усовершенствованию однорогого адмиралтейского якоря уделяется и за рубежом. Англичане, например, бились над «однорогими инвалидами» не один год, тщетно-пытаясь повысить их держащую силу за счет простого увеличения площади лапы. После окончания второй мировой войны за это дело взялся известный в Англии адмирал X. Доув. В 1950 г. он прочитал на заседании Королевского Общества Кораблестроителей доклад «Исследования на моделях якорей». Говоря о принципах расчетов однорогих адмиралтейских якорей, он сделал четыре вывода:
242. Якорь AM-12
243. Якорь Брюса
1) держащая сила якоря во многом зависит от расстояния от внутренней кромки лапы до грани веретена;
2) сторона веретена, обращенная к лапе, должна быть утонченной для более легкого вхождения в грунт;
3) поперечное сечение лапы должно быть минимальным, насколько это позволяет прочность конструкции якоря;
4) угол наклона плоскости лапы должен быть оптимальным.
В результате дальнейших экспериментов, проведенных Британским Адмиралтейством, родились три одно^ рогих якоря АМ-7, АМ-11 и AM-12 (буква «А» обозначала слово «Адмиралтейство», а «М» — «mooring» мертвый). После сравнительных натурных испытаний тип якорей массой почти по 2 т AM-12 показал держащую силу на 25 % выше двух других. Этот якорь массой 2,13 т показал усилие, равное 25 тс, по мнению англичан, в семь раз больше, чем у обычного однорогого адмиралтейского якоря. С тех пор АМ-12 учрежден в Англии как государственный стандарт (рис. 242).
Среди конструкций адмиралтейских однорогих якорей, пожалуй, самой оригинальной является конструкция якоря шотландской фирмы «Брюс энкор лтд.» (рис. 243). Форма лапы этого бесштокового якоря повышенной держащей силы обеспечивает зарывание его в грунт даже в случае, если якорь упадет на дно боком.
Эксплуатируемые в настоящее время в нашей стране дноуглубительные несамоходные снаряды оборудованы тяжелыми однорогими якорями. Хотя проведенные Горьковским институтом инженеров водного транспорта исследования привели к появлению более совершенных якорей, экипажам земснарядов все равно приходится работать с тяжелыми якорями.
Как уже говорилось, на малых реках и каналах папильонажные якоря нередко приходится переносить на руках. Иногда их необходимо закладывать на сухих песках на берегу или в тех местах, где гарантийная глубина меньше метра и мотозавозня пройти не может.
244. Разборный однолапый якорь Белова
245. Якорь Горбунова для малых судов (масса 5 кг)
В таких случаях «адмиралтейского инвалида» в 250–300 кг переносят вручную, шагая по колено в воде.
Это и заставило командира земснаряда Северного бассейнового управления пути МРФ Г. Белова заняться разработкой разборного однорогого рабочего якоря. В 1974 г. он предложил сварную конструкцию якоря, который легко разбирается на три части, что значительно облегчает труд в случае необходимости его переноски к месту закладки вручную (рис. 244).
Как показали испытания, прочность якоря Белова не уменьшилась по сравнению с якорем Гошева.
Та же причина побудила в начале 1961 г. Д. Горбунова, в то время командира-наставника технического флота Управления канала имени Москвы, заняться разработкой легкоразборного рабочего якоря для земснаряда. Упорный, кропотливый труд этого инженера, бесчисленное множество опытов на моделях привели к успеху. В сентябре 1961 г. Д. Горбунов подал заявку на разработанную им конструкцию однолапого сварного якоря (рис. 245).
Якорь Горбунова состоит из плоской лапы с двумя вертикальными щеками по бокам, которые в широкой части соединены двумя пластинками. Придавая жесткость всей конструкции, эти пластинки служат захватами. Вертикальные щеки способствуют стабилизации лапы в горизонтальной плоскости на грунте. Роль веретена выполняет рама. Лапа соединена с рамой штоком, одновременно играющим роль монтажного стержня. С внешней стороны вертикальных щек приварены четыре упора, ограничивающие угол поворота лапы. Чтобы сделать якорь разборным (лапа, рама и шток), изобретатель пропустил шток через соединительную трубу, вваренную между щеками, и закрепил его болтом с гайкой. К рыму на этом болте можно крепить буйреп. Отданный с мотозавозни, якорь падает на грунт одной из сторон: шток не дает ему упасть на щеку. При натяжении троса нижний захват начинает забирать грунт, разворачивая — лапу якоря вниз. Якорь немного протаскивается, и острый носок врезается в грунт. Лапа разворачивается до тех пор, пока веретено-рама не упрется в верхние ограничители, образовав угол с осью лапы в 21°.
Какова же была держащая сила якоря Горбунова?
Автору книги довелось быть в составе комиссии по испытанию нового якоря массой 5 кг. Испытания проводились осенью 1962 г. на Гребневских Песках на реке Оке в Горьком. Якорь Горбунова сравнивался с однорогим якорем Гошева — ГИИВТа в 6,15 кг.
Пятикилограммовый якорь Горбунова выдержал нагрузку в 874 кгс. Во время очередного протаскивания, когда стрелка динамометра дошла до отметки 117 кгс, якорь Гошева — ГИИВТа переломился в роге.
В 1962–1966 гг. автор конструкции разработал рабочие чертежи своего якоря в весовых категориях 50 и 100 кг. Конструкция якоря заинтересовала не только владельцев малых судов, но и строительные организации, в частности Всесоюзный научно-исследовательский институт землеройного машиностроения, который в это время работал над проектом крупного землесоса для строительства Каракумского канала. Проект предусматривал оснащение землесоса стрелами для перекладки папильонажных якорей. Применение таких стрел позволяет в стесненных условиях канала обходиться без мотозавозни и не затаскивать якоря вручную на откосы канала. Вот тут-то проектировщики и поняли преимущество якоря Горбунова. Ведь прочность и масса проектируемых стрел целиком зависят от массы применяемых якорей, и если оснастить землесос традиционными однолапыми якорями, то грузоподъемность стрел необходимо увеличить в 3–4 раза. Изготовили якорь Горбунова массой 220 кг. На рыхлом песке его держащая сила составила 8,5 тс, а на суглинке — более 10 тс. При изменении угла тяги в горизонтальной плоскости на 30° якорь, не выходя из грунта, поворачивался в сторону тяги, сохраняя устойчивую держащую силу.
Изобретатель не остановился на достигнутых успехах: он усовершенствовал конструкцию своего якоря, создав его модификацию в 640 кг (рис. 246). Принцип конструкции остался тот же, в ней были добавлены по два ребра жесткости с каждой стороны лапы и по два захвата в виде зубцов на соединительных планках. В 1976 г. новый якорь был испытан на Волге под Ярославлем в сравнении с однорогими адмиралтейскими якорями, якорем Дэнфорта и Матросова. Испытания показали, что держащая сила якоря Горбунова массой 640 кг на песке средней плотности составила 15,6 кгс на 1 кгс веса.
Бурное развитие и совершенствование за последние годы средств дноуглубления, добычи со дна моря и рек строительных нерудных материалов, подводного бурения скважин для добычи нефти и газа в открытом море — все это повлекло за собой требование обеспечить тяговые усилия для закрепления на воде технических средств в 100–300 тс. Чтобы обеспечить новым сверхмощным судам технического флота надежный упор на плаву при таких усилиях тяги, потребовались и соответствующие якоря. По таким техническим причинам, как влияние масштабного эффекта, недопустимое увеличение массы и прочность конструкции, известные, применявшиеся ранее якоря не могли быть использованы в соответствующих весовых модификациях: нужны были принципиально новые конструкции рабочих якорей. Лучшие из них созданы в Нидерландах — в стране, благосостояние населения которой во многом зависит от успехов гидротехники и совершенства технического флота, бедь не зря голландцы в шутку говорят: «Бог создал землю для всех стран, кроме Голландии, которая до сих пор отвоевывает ее у моря».
Расскажем о самых последних достижениях специалистов этой страны в области создания новых конструкций якорей с повышенной держащей силой.
В конце 60-х гг. в Нидерландах появилась оригинальная конструкция якоря, запатентованная Нидерландским технологическим институтом минералогии под названием «якорь-стол» (рис. 247). Он рассчитан для использования в качестве рабочего якоря на мощных землесосах с разрыхлительным устройством, оснащенных стрелами для перекладки папильонажных якорей. Якорь-стол представляет собой стальную плиту, имеющую форму равностороннего треугольника, опирающегося на две «ноги» с клинообразными острыми «башмаками». В остром углу плиты, с ее нижней стороны сделан обух, к которому прикреплена скоба якоря. По верху плиты проходит V-образная наделка, концы которой, загибаясь вниз под прямым углом, образуют «ноги» якоря-стола. На этой наделке сделано три уха для крепления троса, которым якорь выдергивается из грунта.
246. Якорь Горбунова для земснарядов
247. Якорь-стол
Стрела земснаряда опускает якорь-стол на грунт, где он опирается на обух скобы и два башмака. При тяге якорного каната острые башмаки забирают грунт, «ноги» якоря заглубляются в него до упора нижней стороны плиты. Опыты, проведенные на модели, показали, что такой якорь массой 1,34 кг на плотном песке имеет держащую силу 25 кгс. Усилие, приложенное в трех точках на верхней стороне плиты для выламывания якоря из грунта, составило 0,11 кгс на 1 кгс веса. Однако несмотря на хорошие показатели, широкого практического применения якорь-стол не получил.
Значительным событием в истории создания якорей явилось изобретение голландского инженера Стэвина (рис. 248). Отличная держащая сила его якоря и возможность применения на разных грунтах привлекли к изобретению пристальное внимание специалистов всего мира. От прочих конструкций якорей специального назначения якорь Стэвина отличается большой площадью, одной, разрезанной почти пополам в середине пустотелой и гладкой лапы, план которой — почти равносторонний треугольник со срезанной вершиной. С каждого края лапы у нижнего конца предельно короткого веретена сделано по дополнительной пластине в виде шестигранника, поставленной под определенным углом к поверхности лапы. Они обеспечивают разворот лапы и вход ее в грунт. С каждого внешнего края лапы выступают штоки-стабилизаторы, которые под углом 5–7° наклонены вниз. Их назначение — не дать якорю завалиться на бок. Конструкция рассчитана так, что 25 % общей массы якоря приходится на конец лапы. Однако за счет удлинения штоков-стабилизаторов на концах лапы можно сосредоточить до 42 % массы якоря. Это рекомендуется делать при использовании якоря на твердых грунтах, когда центр тяжести якоря следует сдвинуть вперед (по ходу тяги) и разместить его перед геометрическим центром площади лап.
248. Якорь Стэвина
249. Якорь «Дельта-Би»
250. Якорь «Дельта» с двойным веретеном
Стэвин поставил перед собой задачу создать якорь, который бы мог с одинаковым успехом быть использован на песке, иле, глине, торфе и гравии. Судя по сообщениям зарубежной печати, это ему удалось. Первые серьезные испытания, которые предстояло пройти новому якорю, состоялись в начале 1973 г. Управление морских перевозок и водных путей Нидерландов совместно с четырьмя фирмами — производителями дноуглубительных и выправительных работ проводили испытания якоря Стэвина в сравнении с якорями Дэнфорта и якоря типа LWT. Эксперимент осуществили на мелкопесчаном грунте на приливо-отливной акватории на глубине 4 м при тяге троса под углом 4,5°. Каждый из трех якорей весил тонну. Длина протаскивания по грунту всех трех якорей до момента их заглубления составила 11 м. Якорь Дэнфорта показал держащую силу в 14,7, якорь LWT — 15,2, Стэвина — 33,4 тс.
Позже тот же образец однотонного якоря Стэвина испытывался на одном из притоков Шельды на очень мягком грунте. После первого протаскивания в 6 м якорь показал держащую силу 19 тс. Во второй раз он прошел 3,5 м, забрал и показал ту же величину. После этого якорь Стэвина вместе с другими испытывали на торфяном грунте. Ни один из обычных втяжных якорей с двумя рабочими лапами грунт не забрал, якорь Стэвина — тоже. После того как удлинили его штоки- стабилизаторы и этим самым переместили центр тяжести, якорь вошел в грунт и показал держащую силу в 14 тс. Из торфа его выломали сравнительно легко: краном при усилии в 2,5 тс.
Последующие испытания якорей Стэвина на Шельде, Эльбе и Роне показали, что они сравнительно быстро забирают и обладают отличной держащей силой на разных грунтах. Дальнейшее практическое использование этих якорей подтвердило, что на плотном песке они держат с усилием в 34, на иле — 19, на торфе — 13, на гравии — 21 и на глине — 25 кгс на 1 кгс веса якоря.
В 1973 г. якорь Стэвина был признан и рекомендован к широкому использованию Британским Регистром Ллойда, Бюро Веритас, Норвежским Бюро Веритас, Американским Бюро Судоходства, и другими классификационными обществами. Одна из модификаций якоря экспонировалась на международной выставке «Юропорт-74».
251. Конструкция якоря «Дельта» работает в грунте в двух плоскостях
252. Якорь типа «Флиппер-Дельта»
253. Этот якорь похож на сверхзвуковой лайнер типа «Кснкорд»
В настоящее время якоря Стэвина выпускаются многими фирмами в весовых категориях 1; 2; 3; 5; 7,5; 10; 15; 20 и 25 т. Размеры самого легкого и самого тяжелого якорей этой конструкции следующие: расстояние от нижней кромки лапы до оси болта веретена соответственно — 222 и 625 см; ширина лапы по нижней кромке — 199 и 542 см; расстояние между концами штоков-стабилизаторов — 283 и 771 см. Конечно, размеры 25-тонного якоря огромны, но они оправдываются величиной держащей силы, которую он обеспечивает.
Примерно в то же время, что и якорь Стэвина, широкое распространение в Нидерландах получил однолапый бесштоковый якорь типа «Дельта» (рис. 249). У него плоские веретено и треугольная лапа с концевыми стабилизаторами, приваренная под острым углом к скошенной кромке конца веретена. Опыты показали, что якорь «Дельта» быстро забирает грунт, глубоко зарывается, при увеличении тяги на тросе не имеет тенденции к выходу из грунта и на песке и глине его держащая сила превышает 20 весов. «Дельта» выпускается в весовых модификациях от 120 до 13 500 кг. По данным фирмы, выпускающей эти якоря, максимальная удерживающая способность «Дельты» массой 120 кг составляет 3–4 тс, 700 кг — 12–14 тс, 1000 кг — 18–20 тс, 4000 кг — 60–70 тс, 13 500 кг-150- 200 тс.
Позже инженеры фирмы «Дельта Анкорс» разработали модификацию этого якоря с двойным веретеном (рис. 250). Опыты показали, что держащая сила нового якоря превышает 30 весов на 1 кгс его веса. В отличие от первого якоря типа «Дельта-Би» в новой конструкции значительно увеличена площадь лапы и сделано два плоских веретена, которые при заглублении якоря работают в грунте в двух плоскостях, увеличивая его держащую силу более чем на 40 % (рис. 251). Лапа нового якоря приварена к двум концам обоих веретен под углом 32°, а у якорей, предназначенных для работы на очень мягких грунтах (жидкий ил), — под углом 48°.
254. Когда нет якоря…
Конструкция якорей типа «Дельта», выполненная из стальных листов, мало весит и довольно проста в технологическом отношении, что значительно снижает ее себестоимость.
Интересна конструкция якоря, изобретенного в 1975 г. голландским инженером Петером Клареном (рис. 252). Это так называемый «Флиппер-Дельта». Его держащая сила увеличена за счет двух дополнительных плоскостей, служащих одновременно для первоначального разворота основных лап. Сейчас такие якоря выпускаются в Нидерландах для нужд технического флота в весовых категориях от 75 до 27 250 кг. «Флиппер- Дельта» быстро забирает грунт, и его держащая сила, как показала практика, составляет на различных грунтах от 15 до 25 весов. Конструкция этого якоря оказалась столь удачной, что фирма, которая начала в Нидерландах его производство, в первый год продала таких якорей общей массой полмиллиона тонн. Гигантский по размерам «Флиппер-Дельта» был поставлен на самый большой в мире плавкран «Один» и несколько якорей по 13,5 т-на океанские буксиры-спасатели «Си Лайон», «Блю Вейл» и «Неддрил». Многие фирмы, занимающиеся бурением подводных нефтяных скважин и дноуглубительными работами, дали очень хорошие отзывы о новом якоре.
Одна из последних новинок голландских специалистов в области проектирования рабочих якорей для земснарядов, плавучих буровых установок и спасательных судов — якорь, показанный на рис. 253. Это якорь фирмы «Врихор анкере». Он может забирать только одной стороной. В отличие от якоря Стэвина, лапа его не разрезана. При тяге троса дополнительная лапа заставляет основную лапу войти в грунт. Фирма, выпускающая этот похожий на «летающее крыло» якорь массой от 3 до 60 т заявила, что его удерживающая способность в 50 раз больше его веса.
Выше мы упоминали, что при дноуглубительных работах для создания упора рабочие якоря земснаряда иногда приходится закладывать на берегу. Но как быть, если якорь невозможно переправить на берег или его держащей силы недостаточно? На рис. 254 показано пять способов, которые в таком случае можно применить. Эти рисунки взяты из учебника английского капитана X. Р. Купера «Практика дноуглубления».