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CN1766241B - 实施水下挖泥作业的方法和挖泥设备 - Google Patents

实施水下挖泥作业的方法和挖泥设备 Download PDF

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Abstract

在挖泥作业中，一个切割件施加一个切割力于一块底部材料上。因此，增加了底部材料颗粒间的相互距离，并导致在所述颗粒之间的水域孔隙中的孔隙压力的减少。通过将一喷水口导向所述的底部材料片，水流被引入所述的孔隙中，因此至少部分地消除了压力的降低并能够用减小了的切割力进行切割作业。

Description

实施水下挖泥作业的方法和挖泥设备
技术领域
本发明涉及一种通过耙头实施挖泥作业的方法，该耙头通过一抽吸管与一挖泥容器相连，并被该挖泥容器拖到底部。该耙头有许多用于切割底部材料的切割齿。一个供水系统以这样一种方式连接到耙头上：由一台泵将水供应到该耙头，帮助切割齿进行切割并将所述切掉的底部材料送到抽吸管中。该挖泥容器具有随车携带的储存装置，如一个用于收集已切割材料的漏斗。
背景技术
通过供水泵、挖泥泵和挖泥容器的推进设备，能量被提供给挖泥系统，因此得到一个比能耗(也就是输入能量与已切割材料数量之间的比值)。一般来说，期望以这样一种方式操作挖泥系统：以高比重和相对低的速度将相对大量的水和已切割的底部材料的混合物输供应到漏斗。因此，可以低廉的成本和较少的切割齿磨损在该漏斗中储存相对大量的已切割的底部材料。
在这一方面，消耗在切割过程中的能量起着重要的作用。由于抽吸管排列的几何特性，可通过挖泥容器的推进单元获得仅仅在有限的范围内有效的切割力，为此，该推进单元需要一种特定的比能耗。用来喷水和用来输送已切割材料与水的混合物的泵也需要消耗能量。在填充得相对比较硬的、非常细的和高粘度的水底情况下，所需要的能量总量大幅度增加。以下是这种高能量需求的原因。
因为从水底机械切割和清除材料，因此会使其中的颗粒结构以底部材料根据剪力面变形的方式而受到破坏。然而，这些剪力面仅仅在底部材料中的孔隙容量增加的同时才会产生。在这种关系中，在底部材料的颗粒之间的孔隙中存在的孔隙水起着重要的作用。
在饱和水土壤中，孔隙中通常充满着所述的孔隙水。倘若孔隙容量的增加是被迫的，则在孔隙中会产生对水的需求。这种需求导致水压的降低。孔隙容量增加和孔隙压力降低的现象被称为膨胀或扩容现象。
这种水需求能被满意的程度依靠于底部的渗透性、层厚和切割过程的延伸速度。底部材料的渗透性受到颗粒状底部材料的细微、填充特性的负面影响。万一由于不良的渗透性使水需求仅仅被部分满足，负压将快速增加到蒸发压力和几乎真空。如此大的负压引起相应大的正交力，该正交力导致在颗粒之间与底部材料和切割件之间均具有大的摩擦力。这些力的总合等于切割力。
发明内容
本发明的目的是提供一种挖泥作业，其以能减少切割力和从整体上能增加挖泥系统效率的方式来实现。所述目的是通过耙头在水体中执行挖泥作业的方式获得的，所述水体的底部包括成块的底部材料颗粒，颗粒包围着包围出充满孔隙水的孔隙，所述耙头包括至少一个用于切割底部材料的切割件、用至少一个喷水口处理底部材料的喷射装置、以及用于清除切割掉的底部材料的抽吸装置，所述方法包括下面步骤：
沿着底部牵引耙头；
用切割件向密实底部材料片施加一个切割力，所述的切割力引起该块底部材料片的至少部分所述颗粒之间的相互距离增加，因此引起所述颗粒之间充满水的孔隙中的孔隙压力降低；
将至少一个喷水口引向所述底部材料片，以便使水流入所述颗粒之间的所述孔隙，因此至少部分地消除了所述孔隙内由所述底部材料位移引起的压力下降，所述消除作用导致单位切割力的降低；
随后通过切割件切割所述底部材料片；
其中，水流产生于切割件上或其附近。
在本发明的方法中，通过直接将水流供给相关的孔隙中使负孔隙压力被阻止或减轻。因而对孔隙水的需求由引入孔隙中的水流来满足。所述水流有一个有限的量值就足够了，例如为已切割材料流量的15％。通过一个喷水口能获得一个有效地流量，该喷水口的输出压力高于静水压力2×105帕至5×105帕(2至5巴)。要注意的是这样的水缺少一个切割效应，相反，用于切割底部材料的喷水口具有一相当高的输出压力，如4×107帕(400巴)。
尤其是，该切割件能在该块底部材料中产生一切割面，至少在所述切割面和/或切割面的边界上的孔隙易受到由切割件引起的一孔隙压力降低和由喷水口引起的一孔隙压力的增加。
优选地，喷水口基本水平地指向切割件前面的底部材料，因此喷水口与竖直方向之间的夹角为45°至135°。为了在由于切割作用而需要额外孔隙水的底部材料附近处获得一水流，可以在切割件上或附近产生该水流。
优选地，该喷水口的水流率为切割材料流量的3％至40％。更优选地，该喷水口的水流率为切割材料流量的4％至35％。最优选地，该喷水口的水流率为切割材料流量的5％至25％。
在本发明的一个具体实施例中，本发明的方法由下面步骤组成：
在不同的高度水平上应用至少两个切割件；
在不同的高度水平上引导至少两个喷水口指向各个切割件前面的底部材料；
随后，切割位于各个切割件前面的低密实度底部材料。
根据本发明进一步改进的方法，设置至少一个辅助喷水口用来稀释底部材料使所述材料能够流向抽吸装置。
此外，本发明还涉及一用于执行上述方法的挖泥设备，它包括一个设有一端与该容器相连、另一端带有一耙头的抽吸管的挖泥容器，用于产生一通过该抽吸管从耙头流向容器的水流的泵，还有一个用来给耙头提供水流的管道，所述耙头包括用于切割水体底部的切割件和连接到该管道的喷水口部件，该管道使所述水体底部具有至少一个喷水口。根据本发明，该喷水口部件用来将水流引入底部材料的颗粒之间，因此至少部分消除了在所述孔隙中的压力降低，该压力的降低是由切割件的切割作用引起的，其中，所述喷射装置设置在所述切割件上。
此外，本发明涉及到一种用于上述挖泥设备并执行该挖泥作业的耙头。
附图说明
图1是耙头的透视图。
图2是耙头的前视图。
图3是耙头的侧视图。
图4是图2的Ⅳ-Ⅳ线的剖视图。
图5是装于耙头中的一个切割齿沿图2的V-V线的放大剖视图。
图6是与图4剖视图相似的正在工作的耙头的剖视图。
图7a、b是颗粒状底部材料的详图。
图8是切割动作的详图。
具体实施方式
图1-3所示的耙头包括主体1，其一端装有安装法兰2。通过安装法兰2，该耙头能与一抽吸管和一挖掘容器(图中未示出)连接起来。主体1的另一端通过铰链连接件4承载着一个所谓的遮护板3。遮护板3相对本体1的倾斜方向可以通过液压活塞/缸装置5调节。
遮护板3承载着由切割件8组成的两排切割件6、7，每个切割件8都带有一个喷嘴36(其他排数也可以)。这些切割件被放大示意在图5中。每个切割件8包括一个切割齿9和一个齿座10。齿座10具有一个安装部件11，安装部件11将齿座连接到每排6、7上的横杆12上。此外，每个齿9都有一个空腔14，安装部件11的尖头13紧密配合在空腔14内。通过插入齿座和齿的销钉(图中未示出)，可阻止轴向位移。
每个齿座10都有一个齿座通道15，其一端在敞开形成一个空腔16，另一端接纳一供水管17。供水管17通过一密封系统18紧密地安装在齿座通道15内。此外，齿9有一个齿通道19，该通道呈稍微弯曲的形状，而且供水管17的相应弯曲部分延伸进入该通道内。在供水管17的自由端，通过导向套筒20将供水管17相对齿通道19导向。
如图4所示，每个齿座10的齿座空腔16与横杆12中的供水口21相通。每一个横杆限定出一个蓄水腔22，蓄水腔22各自的供水管23、24供给其加压水。每个供水管23、24都连接到一个歧管25上，通过供水管26将加压水供给歧管。
此外，喷嘴28被连接到主体1上，喷嘴28又通过蓄水腔27与供水管26相通。
现在参考图6-8进一步解释切割水体底部的过程。图6示出根据本发明的耙头在切割操作期间相对于水体的底部29的大致方向。通过液压活塞/缸装置5调节遮护板3相对主体的方向。
为了清楚地解释，图7a、7b和图8示出底部材料和切割过程的详图。图7a示出常见的一块底部材料中的颗粒33。在正常压实的底部，所述颗粒33以自由的方式彼此紧密相接。如图8所示，在对底部材料进行切割时，底部材料被切割件8剪切成底部材料片34。一但将颗粒33被定向在剪切或滑动面35的方向上，就可以进行这种剪切。在这样的情况下，就能够使底部材料片34彼此相互移动。
应注意到，在图7b中颗粒33之间的相互距离已经被拉大。因此，图7b中的孔隙尺寸一般比图7a中的大。当由喷水口30将切割件8中的水流引到孔隙中时，就会将额外的水提供给容有水的孔隙，这使得剪切面35更容易变形。因此降低了切割件8的切割力。

Claims (14)

1.一种用耙头在水体中实施挖泥作业的方法，所述水体的底部(29)包括密实的底部材料颗粒(33)，这些颗粒包围着充满孔隙水的孔隙，所述耙头包括至少一个用于切割底部材料的切割件(8)、用于通过至少一个喷水口处理底部材料的喷射装置(36)、以及用于转移被切割下来的底部材料的抽吸装置，所述方法包括下述步骤：
沿着底部(29)牵引耙头；
用切割件(8)向密实底部材料片(34)施加一个切割力，所述的切割力引起该块底部材料片的至少部分所述颗粒(33)之间的相互距离增加，因此引起所述颗粒(33)之间充满水的孔隙中的孔隙压力降低；
将至少一个喷水口(30)引向所述底部材料片(34)，以便使水流入所述颗粒(33)之间的所述孔隙，因此至少部分地消除了所述孔隙内由所述底部材料位移引起的压力下降，所述消除作用导致单位切割力的降低；
随后通过切割件(8)切割所述底部材料片(34)；
其中，水流产生于切割件(8)上或其附近。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，喷水口(30)指向位于切割件(8)前面的底部材料，并与竖直方向之间的夹角为45°至135°。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，喷水口(30)基本上水平地指向位于切割件(8)前面的底部材料。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，喷水口的流率为切割材料流量的3％至40％。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，喷水口的流率为切割材料流量的4％至35％。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，喷水口的流率大约为切割材料流量的15％。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，水流率为每秒0.5至1.5立方米。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，还包括步骤：
在不同的高度水平上使用至少两个切割件(8)；
在不同的高度水平上将至少两个喷水口(30)导向位于各个切割件(8)前面的底部材料；
随后，切割位于各个切割件(8)前面的低密实度底部材料。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，切割件(8)在底部材料片(34)中产生一切割面，至少在所述的切割面上和/或在所述的切割面的边缘上的孔隙容易受到由切割件引起的孔隙压力降低和由喷水口(30)的水引起的孔隙压力增加的影响。
10.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，喷水口(30)的出口压力高于静水压力2×105帕至5×105帕。
11.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，形成有至少一个辅助喷水(28、31、32)，用来稀释底部材料使其能够流向抽吸装置。
12.用于实施前面任一权利要求所述方法的挖泥设备，它包括：配有抽吸管的挖泥容器，该抽吸管的一端与该挖泥容器相连，另一端带有耙头(1、2)；泵装置，其用于产生通过该抽吸管而从耙头(1、2)流向该挖泥容器的水流；以及管道，其用于将水流供应到耙头(1、2)；所述耙头(1、2)包括用于切割水体底部(29)的切割件(8)以及与该管道连接以使所述水体底部承受至少一个喷水口(30)作用的喷射装置(36)，其特征在于，该喷射装置用于将水流引入底部材料的颗粒(33)之间的孔隙中，并因此至少部分消除了因切割件(8)的切割作用而在所述孔隙中引起的压力降低，其中，所述喷射装置设置在所述切割件上。
13.根据权利要求12所述的挖泥设备，其特征在于，喷水口(30)的输出压力高于静水压力2×105帕至5×105帕。
14.一种用在根据权利要求12或13所述的挖泥设备中的耙头。
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