霍尔锚是我国中大型船舶中最常用的首锚。现役霍尔锚具有以下特点：锚干为锻钢，锚爪为铸钢，且锚体无横杆，锚爪和锚冠可以绕穿过锚干下端孔的销轴转动，锚爪折角约为45°，两爪同时入土，抓重比为2.5~4.0，最大不超过8。

霍尔锚锚爪前后体积变化较大，现有铸造难以顺序凝固，容易在锚爪顶端产生缩孔现象、在锚爪爪端产生缩松现象，铸件成品质量不高。现有铸造主要依赖生产经验和现场试验来解决铸造缺陷问题，生产效率不高，导致霍尔锚锚爪的大量报废，给企业和船舶带来重大损失。而霍尔锚锚爪质量过关和不产生缺陷的关键在于其浇注系统的设计。因此，以典型大型船用霍尔锚为对象，特别是霍尔锚的锚爪为研究对象，进行现有铸造工艺系统的再现，并使用MAGMA软件对其铸造过程进行数值模拟，对铸件充型过程中的流场、缩孔等进行模拟分析，并设计和改进工艺，以提高铸件的内部质量和生产效率。

锚爪现有霍尔锚铸造工艺

（1）工件模型及参数

由于霍尔锚规格众多，本文参考GB/T546-1997《霍尔锚》标准，同时为了方便模拟计算，选择规格为100 kg、锚高为500 mm的霍尔锚。利用pro/e软件建立起霍尔锚锚爪的三维模型，如图1所示。霍尔锚锚爪质量小于5 t，为中等铸件，采用钢液作为浇注材料，浇注温度控制在1420~1460℃。在现有工艺中，霍尔锚锚爪底部的孔体积较小，为方便铸造成型，需要填满再加工。由于锚爪内部设计为中空，需要在内壁保留5 mm的加工余量，且铸件距端面处有坡度，也保留5 mm加工余量。

（2）现有浇注系统

浇注系统设计的合理与否，直接影响着铸件的质量、废品率和工艺出品率。设计的浇注系统若存在不合理，就有可能造成许多铸造缺陷，如砂眼、夹渣、气孔、冷豆、浇不足和冷隔等。为了保证金属液平稳充填整个型腔，防止液态金属氧化、吸气和铸件产生冷隔等缺陷，因此必须确保金属液在型腔中上升的速度是合理的。同时浇注时间与上升速度也对铸件有重要影响，金属液合金的种类、铸件的特性(复杂程度、结构、尺寸及壁厚等)和所用浇注系统的类型等也是选择上升速度和浇注时间的关键因素。由于现有工艺中已将上述影响因素规范化，因此在数值模型中将整个铸件的最佳浇注时间设置为15 s，钢液的上升速度设置为20 mm/s，流速则为4 kg/s。确定浇注系统各组元的断面尺寸和浇道比。本文以现有工艺为基础，选择直径为30 mm、面积为7 cm²的注孔，同时采用开放式的浇注系统，直浇道横截面积为14 cm²，横浇道横截面积为16.8 cm²，内浇道横截面积为21 cm²。现有霍尔锚锚爪的浇注系统如图2所示。

锚爪霍尔锚锚爪铸造模型

在MAGMA软件的前处理中导入铸件以及现有的浇注系统模型和设置追踪粒子。其中设置追踪粒子的目的是分析液态金属液充填结束后杂质和氧化物的运动情况，预测这些杂质是否在金属液凝固之前能够上浮到铸件主体以外，即铸件内部是否会出现夹杂等缺陷。

由于霍尔锚锚爪铸件的复杂程度不高，故选择MAGMA中的自动划分网格选项进行分析，就可得到理想的网格划分结果。软件划分网格数量为8823152。划分好网格之后对霍尔锚锚爪的材料、浇注过程的工艺参数等进行设置。本次设计采用的模具类型是砂模。铸件材料为GS20Mn5，型砂材料选择Cr-sand（石英砂）；金属液初始温度为1560℃，型砂初始温度为20℃；铸件和型砂间的热传递类型选择Steel-Sand；整个浇注时间为15 s。

锚爪铸造模拟结果与分析

（1）粒子追踪分析

粒子追踪是模拟金属液在型腔内的充型过程，利用MAGMA软件自动生成的霍尔锚锚爪铸造的粒子追踪过程如图3所示。图右边色标的不同颜色对应粒子进入型腔的时间长短，图中不同颜色的粒子在型腔内杂乱无章的排列，同时粒子间有交错现象产生，即金属液进入型腔的过程中流动不平稳，有飞溅、漩涡、裹气等现象，整个系统的流动性能较为一般，容易产生充填不足等情况，影响铸件内部的质量，降低铸件合格率。

（2）缩孔分析

分析缩孔模型即分析铸件冷却后某些部位产生缩孔的概率大小。如图4所示，现有锚爪的铸造工艺系统模拟中，出现了较大(15%)的缩孔区域，因此实际生产中该区域产生缩孔的可能性很大。

锚爪锚爪铸造工艺改进

由以上模拟分析可以看出，现有霍尔锚锚爪的铸造系统存在一定的缺陷，主要在粒子追踪模拟过程中，即金属液在整个充型的过程中的流动不平稳，有飞溅、漩涡现象，整个系统的流动性能较为一般，如果采用现有设计的浇注系统进行浇注，极有可能发生卷气现象，从而直接影响铸件的质量；同时在缩孔模型中出现了较大的缩孔区域，实际铸造过程中产生缩孔可能性很大，因此需要对现有铸造工艺系统进行改进，提高粒子流动性，降低缩孔现象。

锚爪研究背景

锚爪反向问题指船舶起锚，当锚干进入锚链孔时锚爪出现爪尖朝下现象，锚收不回位，存在安全隐患。处理该问题，惯用措施是将锚松出、绞动，以调整锚爪的朝向，成功率和失败率各半。当失败时，船员可能选择另外2种方法：①当即在锚地里进行再抛锚和再起锚操作，简称“再抛锚法”；②待航行中将锚松到水里，利用水流的作用力翻转锚爪，改变锚爪朝向，从而将锚收妥，简称“水流法”。这2种解决锚爪反向问题的方法各有局限性：“再抛锚法”会延误船舶进出港时间；“水流法”需要在较高航速下产生较强的水流作用力才有效。经实践摸索，笔者总结1种解决锚爪反向问题的实用方法，简称“兜绳法”。

锚爪具体操作

（1）收绞锚，使锚爪横向分布

锚的U形连接卸扣与第一个链环的扣接，以及单元O形链环之间环接的特征为：在受力状态下，连接卸扣插销的轴线平行于锚冠体纵向线，连接卸扣面与其连接链环环面垂直，各环接链环环面也互相垂直。因此，操作起锚直至第一个链环接触到锚链孔口的加强环铁，且当其环面平压环铁时，连接卸扣U形侧边触压于环铁边沿，连接卸扣的插销轴线平行于船体横向线。同样，锚冠体纵向线也与船体横向线平行，锚的双爪沿锚冠体纵向框构，双爪尖点连线也平行于船体的横向线，处于横向分布状态。刹住锚机，保持锚爪横向分布，外侧的锚爪臂与锚干在突出位置形成1个“大挂钩”。

（2）使绳子落在“大挂钩”内

拉开绳子：大副握绳子中段，站在锚上方甲板位置，水手长和木匠各执绳子的前端、后端，分别顺着护栏往前和往后拉开（水手长在前、木匠在后），直至绳子的前端兜过艏柱拉到另一舷，绳子的后端拉到No.1舱舷侧。

使绳子顺船壳滑落：首先，大副将绳子挪出舷外，使绳子靠贴锚上方的船壳防浪板，水手长和木匠同时收拉绳子，使绳子保持拉紧状态；随后，大副松手，让绳子（在重力和拉紧力的共同作用下）顺艏船壳滑下，落在锚干与锚爪臂之间的“大挂钩”上；最后，水手长和木匠同步放松绳子，使沿锚爪臂的绳子前后部分各自下垂，防止绳子滑脱锚爪臂。

（3）使绳子绕兜住锚爪臂

由于锚悬挂于锚链孔口下，锚爪横向分布，锚爪臂架上绳子，需要根据锚爪朝向的不同情况选择相应操作。

若锚爪朝向船舶前方，则木匠将绳端系固于甲板地铃上，水手长握住绳端向后，使锚爪臂前的绳子绕兜过锚爪臂，将锚爪臂兜住。水手长再向后，拉绳端至艏楼后侧导缆孔（或者导缆滚轮）处，穿过该导缆孔拉至缆机绞盘上。

若锚爪朝向船舶后方，则水手长将绳端系固于船首地铃或缆桩上，木匠握住绳端向前，使锚爪臂后的绳子绕兜过锚爪臂，将锚爪臂兜住。木匠再向前，拉绳端绕过艏柱至艏楼另侧导缆孔（或者导缆滚轮）处，穿过该导缆孔拉至缆机绞盘上。

（4）收紧绳，绞进锚，改变锚爪朝向

水手长和木匠利用缆机将绳子缓缓绞紧，当感觉绳子非常吃力而又恰好没有滑脱锚爪臂时停止绞，再将绳子绕缆机绞盘多圈，留一人照管缆机及绳子，另一人合上锚机离合器，松开锚机刹车，缓缓将锚绞进，同时操作缆机，保持绳子受拉力。当锚的连接卸扣被绞进锚链孔时，卸扣与锚链孔口加强环铁的触压状态由原来的侧面转变为平面，卸扣翻转90°，使整个锚体也翻转90°。该翻转运动使锚爪臂产生与绳子受拉绞方向相反的力，迫使锚爪改变朝向，锚收回到位，锚爪反向问题得到解决。

锚爪实用性比较

船舶发生锚爪反向问题，主要原因是锚冠与锚干的连接销轴不活络。若程度轻微，锚臂有明显活动，则可直接操作锚机，晃绞锚链，能够解决锚爪反向问题；若程度严重，晃绞锚链不起作用，则需要采取其他方法，而“再抛锚法”和“水流法”都有局限，“兜绳法”却非常实用。

1、锚爪一般使用金属材质，焊接、丝接、膨胀螺栓等方式与基层固定。可以在锚爪间增加网片，使胶泥更加牢固附着。在建筑、防腐等工业领域，为了使胶泥能够很好地附着在设备设施上，首先在基层上固定锚爪，利用锚爪增加胶泥与基层的结合力量，保证胶泥层稳固、不脱落。

2、锚爪也泛指船舶等水上设施使用的、能够与河岸或河床锚固的一种器具。

固定锚锚的分类

锚可分成有杆锚和无杆锚两大类，大都已标准化。锚按照铺爪是否转动可分为固爪镀(带固定锚爪的锚)和转爪锚(带转动锚爪的锚)两种。

标准型的有杆锚包括：海军锚、马氏大抓力锚、两爪锚、单爪锚、快艇锚及犁锚。标准型的无杆镭包括：霍尔锚、斯贝克锚、四爪锚、无杆锚及强尔锚。 其中，属于固定锚的有两抓锚、单爪锚、犁锚。

固定锚常见固定锚

1）两爪锚 两爪锚是带有固定锚爪的有杆锚，其横杆位于锚柄的底部，锚爪啮土后，防止其晃动的效果较海军锚为佳。一般用于沿海作业的小型渔船。两爪锚的结构型式和规格尺寸如图2：两爪锚的结构型式和规格尺寸图所示。

2）单爪锚 单爪锚是带有固定锚爪的有杆锸，其横杆位子锚柄的上部，与海军锚相似，但只有一个锚爪，锚爪面积较海军锚有所增大。单爪锚具有比海军锚更大的抓力，常用于工程作业船、趸船、浮船坞及水上建筑等。单爪锚的结构型式和规格尺寸如图3：单爪锚的结构型式和规格尺寸图所示。

3）犁锚 犁锚是带有固定锚爪的有杆锚，单爪，其横杆位于锚柄的上部，较短。由钢管和钣焊接面成，用于内河小型驳船及其它一般船舶的岸边锚泊。犁锚的结构型式和规格尺寸如图4： 犁锚的结构型式和规格尺寸图所示。

有杆锚锚的重心位置

锚的重心位置它与锚的入土性能有关，如重心过分接近锚卸扣一端，则迫使锚爪入土的垂直分力减小；反之，若重心过分接近锚冠，尤其是遇到水底有斜坡时，则锚不稳定。故在选取重心位置时，应兼顾两方面的要求，通常取BG ≈ 0.42AB。其中BG为B点到重心G的距离。

有杆锚锚爪的袭角

锚爪的袭角是指过锚爪尖端处的切线同底平面的夹角，它是影响锚爪啮入泥土的角度(图1)。锚爪入土力R由锚链拉力T及锚重分力w₂合成，若袭角口能与啮入泥土的合力及方向一致，则锚最容易人土。但在实际的抛锚过程中，锚链的拉力是变化的，各种土质的阻力也不一致，因而袭角a的确定多凭借经验，通常在60°～80°之间。

有杆锚锚爪的折角

它是过锚爪尖端处的切线同锚干轴线的夹角(图1)。它与锚爪的袭角一样，也是影响锚爪啮入泥土的角度，通常在35°～45°之间。

有杆锚锚干的长度

锚干的长度影响锚杆的位置，锚干越长则锚杆离开锚冠越远，从而迫使锚爪入土及防止锚翻转的作用也越大。因此锚干较长者在使用上更为有效，而锚杆较短者则便于收藏。

有杆锚锚爪的面积

根据试验结果可知，几何形状相似的锚，其抓力不仅与锚爪面积成正比，而且与面积中心距泥土表面的深度有关，越深则抓力越大。因此，锚爪面积越大，在靠近爪尖处锚爪面积分布得越多，则抓力就会越大。

有杆锚设有有助于锚抓底和稳定锚位的横杆。有杆锚中有海军锚、层洛门锚、单爪锚等多种。

有杆锚海军锚

海军锚的构造和各部名称如图2所示，其锚干和锚爪为一浇铸整体，锚爪不能转动，因此它又属于固定爪锚。锚干上部有两个孔，其中上面的孔连接锚卸扣，下面的孔供横杆穿过。

在抛锚前，将横杆在横杆孔中转至与锚干垂直，并移动横杆至其档环顶住锚干为止，在锚干另一面的横杆上有垫圈和销孔，可插入楔子将横杆固定住，这时横杆与锚爪平面是相垂直的。

海军锚的优点是：构造简单，抓底稳定性好，抓重比大于普通无杆锚，国内一般认为其抓力系数为4~8。能得到这样大的抓力主要是因为横杆对锚位的稳定作用，不会像无杆锚那样因两爪抓底不一致而发生翻转，且抓底能力强。其缺点是：因有横杆，收放要靠船首端的吊锚杆吊入或吊出，抛、起锚作业和收藏均不方便；有一锚爪露出土外，可能绕缠锚链，或在浅水里损伤船底。可用于小型船舶和帆船，或作为尾锚和长期抛锚时使用，一般不用作商船的首锚。

有杆锚单爪锚

单爪锚如图3所示，其形状如同切去一只锚爪的海军锚，性能也同海军锚相似，锚体和横杆均为铸钢件。单爪锚抛锚时必须吊住锚头，使锚爪向下。缓慢地放到水底，然后收紧锚索使锚爪啮入底质。