CN103781968A - 耙头及耙吸式挖掘船 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于挖掘来自水体的床体（3）的物料（2）并将该物料（2）运输至抽吸管（120）的耙头（100）。该耙头（100）布置成在床体（3）上沿牵引方向（D）受牵引。该耙头（100）包括抽吸区段（110），在该抽吸区段中可形成负压以通过抽吸开口（113）将来自床体（3）的物料（2）吸取到抽吸室（112）中。跟部区段（111）沿着床体（3）引导耙头（100）。抽吸区段（110）优选地可旋转地连接至跟部区段（111）。抽吸区段（110）还包括用于朝向抽吸管（120）运输物料（2）的出口（114）。

Description

耙头及耙吸式挖掘船

技术领域

本发明涉及一种用于挖掘目的的耙头（drag head）以及包括这种头的耙吸式挖掘船（trailing suction hopper dredger）。本发明进一步涉及挖掘方法。

背景技术

海上或在开阔水域中的挖掘可通过挖掘船只（诸如耙吸式挖掘船（TSHD））实施。挖掘船只包括抽吸管，其一端可下降至海床并用于吸取与水混合的诸如沙、污泥或沉积物等固体。抽吸管的该下端可设置有抽吸头。与水混合的固体物料通过抽吸管而泵入挖掘船只的储料器中。

一旦储料器充满，泵送可继续，从而造成溢流。溢流将主要由水形成，因为固体趋于沉降至储料器的底部。当继续泵送不再有效时可停止泵送，如为在溢流变得太密集时可能出现的情况。

通过抽吸管泵送的固体与水的混合物密度越高，进行挖掘就越有效。相对高密度的挖掘具有多个优点。首先，可以时间和成本更有效的方式执行挖掘。其次，可将更多的固体物料泵入储料器中。并且，溢流损失将减少或甚至消失，这从能量的观点来看是有利的。此外，减少溢流损失将降低混浊度。

可能限制最大密度的挖掘安装的一个因素是设置在抽吸管下端处的耙吸头（trailing suction head）。

DE214643C披露了一种抽吸管和耙吸头。抽吸管在靠近耙吸头处具有弯曲部，使得抽吸开口面向移动方向。在抽吸开口中设置有一个可调的滑块构件，以控制挖掘深度。并且，可在抽吸开口提供可调的板构件以控制进入抽吸开口的水量。通过抽吸管直接地对抽吸头施加牵引力。

已知其他的耙吸头，包括布置成待沿海床牵引的本体。该本体包括用于连接至抽吸管的连接装置，该连接装置还可用于在本体上赋予牵引力。具有切削边缘的遮板铰接地连接在本体的后侧处。遮板的切割刃的定向角和/或深度可通过液压活塞/缸设备相对于本体进行调节。在本体中设置有喷嘴，以通过打碎海床物料并且使其流体化以用于经由抽吸管去除而便于挖掘过程。为了将挖掘物料从切割刃朝向入口提升至抽吸管，需要大量的与水混合，从而导致混合物密度的减少。目前对于沙和淤泥的挖掘，可实现平均1350kg/m³的混合物密度。这种类型的耙头从EP1653009A1中已知。类似的耙头从EP1108819A1和AU2005200784A1中已知，通过引证将其内容以其整体结合于本文中。

期望的是，提供一种对以上讨论耙头的可替换方案，特别是这样的方案，即，能够以相对有效的方式吸取具有相对较高密度的水和物料的混合物从而使过量的水运输最少的方案。

发明内容

根据本发明，提供了一种用于挖掘来自水体底部的物料并将该物料运输到抽吸管的耙头，该耙头布置为在床体上由牵引构件沿牵引方向牵引，其中耙头包括可连接至牵引构件并具有布置为遵循床体的海床接合表面的跟部区段以及抽吸区段，抽吸区段包括抽吸开口；抽吸室；以及用于连接至抽吸管的出口，使得可在抽吸室中形成负压以通过抽吸开口将来自床体的物料吸取到抽吸室内，其中抽吸区段可调节地安装于跟部区段，使得抽吸开口的定向可相对于跟部区段调节。通过提供可独立于跟部区段调节的抽吸区段，抽吸开口的定向可以独立于正沿海床底部受牵引的跟部的位置的方式设置。这种布置被认为在优化抽吸开口的方向和/或高度方面具有大得多的通用性。由于出口还形成抽吸区段的一部分，其定向也可与抽吸开口一起调节。在本文中，在挖掘操作过程中，对物料的提及旨在地是指可能在抽吸挖掘（suction dredging）操作过程中通常遇到的固体或半固体物料，包括淤泥、沙、沉积物、泥土、砂砾和碎石。此外，尽管提及了海床，这同样旨在覆盖并包括河流、湖泊、河道、河口等的床体。

根据本发明，跟部区段布置成连接至牵引构件。牵引构件可为牵引杆、杆条、管、缆绳、链等或者与船只连接以在海床上牵引耙头的抽吸管自身。在本上下文中，对跟部区段连接至牵引构件这一事实的提及应当理解为意味着直接或间接地与之连接。随后经由跟部区段对抽吸区段施加牵引力。优选地，除了经由跟部区段以外，抽吸区段不连接至牵引构件。

抽吸区段可通过使用适当的机械装置以多种方式进行调节，如本领域技术人员已知的。根据本发明的优选实施例，抽吸区段可相对于跟部区段围绕在使用时为大致水平的且垂直于牵引方向的旋转轴线旋转。最优选地，该轴线相对于耙头的运动方向而言通常位于跟部区段的后方和抽吸区段的前方。还优选的是，该轴线相对于海床接合表面相对低地定位，以使抽吸区段的向下作用的质量最大。

根据本发明的另一方面，抽吸区段可包括下边缘，例如形成抽吸开口后边缘的切割刃，其中，下边缘或切割刃在使用中低于跟部区段的海床接合表面，以探入形成海床的物料。下边缘或切割刃优选地为大致水平的并相对于牵引方向大致垂直，并且至少部分地指向牵引方向。通过提供位于跟部区段的海床接合表面以下的下边缘或切割刃，抽吸开口将在牵引方向上受引导。通过使跟部区段相对于抽吸区段旋转，可调节下边缘或切割刃相对于跟部区段的海床接合表面的相对深度，由此调节由耙头挖掘的通道的深度。

切割刃可包括一排切割构件，所述切割构件可形成为放置在对应的齿保持件中的（可更换的）齿。通常，切割刃的横向于牵引方向的宽度可根据所执行的操作而为任何适当的宽度。然而，切割刃的宽度通常不会大于跟部区段的海床接合表面的宽度。在最优选的实施例中，这两个区段可具有类似宽度。还应当理解的是，尽管跟部区段在移动方向上通常位于抽吸区段的前方，但是该位置并非必要的。跟部区段在某些结构中可位于抽吸区段的一侧或两侧处或周围。

根据本发明的一个实施例，抽吸区段的宽度最优选地以渐进方式从抽吸开口朝向出口减少。该平稳过渡有助于挖掘物料朝向出口的运输并且帮助避免重大的能量损失。优选地，抽吸室可具有渐缩的或近似喇叭的形状，以在相对大的抽吸开口与较小出口之间提供朝向抽吸管的平稳过渡。术语宽度在此用于表示大致垂直于牵引方向以及在使用中大致水平的尺寸。作为额外或可替换的措施，抽吸区段可具有在从下边缘或切割刃朝向出口的向上方向至少部分地倾斜的底板。底板确保被吸取的物料的平稳流动路径，由此减少了阻力。底板可为直的或弯曲的。

根据实施例，抽吸区段可经由柔性连接件连接至抽吸管。提供柔性连接件具有这样的优点，即，可使抽吸区段相对于跟部区段和抽吸管移动。抽吸管可设置在跟部区段上并与其一起移动，或可独立于跟部区段。柔性连接件可由柔性加强管或可伸缩区段提供。可替换地，其可由刚性管的伸缩区段来实现。优选地，柔性区段为低损耗设计，以进一步减少挖掘混合物的流阻，即可实现更高混合物密度的运输。在其他可替换方案中，抽吸管自身可为柔性的。

在一个实施例中，抽吸开口至少部分地由跟部区段限定。在这种构造中，抽吸区段和跟部区段可接合在一起以形成抽吸室。这两个区段之间的接合应当足够紧，使得抽吸损失和这两个区段之间的水流入可为最小。在特定的优选实施例中，跟部区段和抽吸区段包括接合或插入在一起以形成抽吸室的两个半壳。跟部区段提供了床体接合表面，而抽吸区段承载下边缘或切割刃并形成抽吸出口。

耙头可设置有形成所挖掘物料的期望的混合物密度的装置，该装置被优化以实现传输至具有最少液体含量的表面。本领域技术人员应当意识到可使用涡流叶片、切割刀片等来实现该目的的各种方式。根据优选的实施例，耙头可包括具有出口开口或喷嘴的多个管道，出口开口或喷嘴用于在出口处或附近将水射流运送到抽吸室中。这些喷嘴可优选地位于抽吸区段上并且最优选地位于出口的周围。可提供这种水射流以使物料流体化从而使物料更易于运输。

根据其他实施例，耙头可设置有用于在下边缘或切割刃处或前方打碎海床物料或使其松散的装置。同样在这种情况下，所提供措施的选择将依据被挖掘的特定物料而变化，并且本领域技术人员应当意识到可使用的可替换方案。在优选的实施例中，可提供具有出口开口的多个管道，出口开口用于在跟部的床体接合表面以下形成水射流。不仅这种水射流更易于从底部移除物料，而且它们也有助于将物料流体化至进一步运输所需的程度。

根据实施例，抽吸室的出口至少部分地指向与牵引方向相对的方向。通过使来自抽吸区段的出口以这种方式定向，物料最初在至少部分地与牵引方向相对的方向上受到抽吸。这有助于提供物料的自然和稳定流动路径，允许能量有效的抽吸操作。

根据本发明的又一方面，耙头可设置有用于使抽吸区段相对于跟部区段移位的致动器结构。该驱动器可为液压的、气动的或机械的致动器并且可自动地操作成设定抽吸区段或切割刃的所需定向或深度。

在可替换布置中，通过使用抽吸区段的自然质量而可无需致动器的情况下实现所需的定向。可使抽吸区段相对于跟部区段负重（weight）或偏压以实现所需的定向。在一个实施例中，铰接件的位置可为可调的以实现所需的负重。以这样的方式，可依据例如牵引速度、海床浓度和其他相关因素来调节下边缘或切割刃的深度。

根据本发明的另一方面，跟部区段可设置有泵，以经由抽吸管对抽吸室提供抽吸。优选地该泵为用于在高混合物密度下操作的高性能水下挖掘泵，诸如离心泵。该泵可直接地承载在跟部区段上并且可承载抽吸管。可替换地，泵和/或抽吸管可设置在较远位置处或可安装于牵引构件。优选地，泵位于海床以上的合适距离处，以避免损坏并且在大多数情况下将位于大约一半水深处，以便最有效地协助混合物的运输。

本发明同样涉及一种船只，诸如耙吸式挖掘船，包括大体在上文中描述的耙头。在其工作构造中，跟部区段附接至位于船只之后的牵引构件，由此耙头可沿海床受到牵引或拖曳。

本发明海涉及一种使用包括跟部区段和抽吸区段的耙头从水体的床体抽吸挖掘固体与水的混合物的方法，该方法包括在床体上沿第一方向牵引跟部区段，以相对于跟部区段所需的深度和角度对抽吸区段进行定位使得抽吸区段至少部分地接合并进入床体，对抽吸区段施加抽吸使得床体物料在至少部分地与第一方向相对的方向上被吸取并且与水混合，以及将混合物运输至表面。

最优选地，对于具有的密度大于1650kg/m³的包括沙和水的混合物执行该方法。由于理想的耙头构造而使得可对这种密度进行有效的挖掘。

附图说明

现在将参照所附示意性附图仅仅以实例的方式来描述实施例，附图中对应的参考标记指代对应部件，并且附图中：

图1示意性示出了本发明第一实施例的侧视图；

图2示意性示出了本发明第二实施例的侧视图；

图3示意性示出了图2实施例的顶视图；以及

图4示意性示出了沿图3中的线4-4截取的截面图。

这些图仅用于说明的目的，并且不用作对由权利要求所限定的范围或保护构成限制。

具体实施方式

现在将参照附图更详细地描述实施例。

根据图1，示出了根据本发明第一实施例的耙头1的侧视图，该耙头用于从海床3中挖掘沙2或其他类似物料并将其运输至船只4。

耙头1包括在大体水平的铰接件8处铰接在一起的成滑动件的形式的跟部区段11以及成桶的形式的抽吸区段10。跟部区段11经由一对支架18（仅示出其中一个）连接至缆线16。缆线16延伸至船只4，其中该缆线由如现有技术中常规的合适的起重臂或吊杆19紧紧地保持。

跟部区段11在其下侧上具有床体接合表面22。床体接合表面22足够长，以确保跟部区段呈现基本稳定的牵引位置。在其上表面上，跟部区段11承载抽吸泵50，该抽吸部分具有连接至传输管54的泵出口52，该传输管通向表面并通入船只4上的储料器5中。

抽吸区段10具有位于其内部的抽吸室12，该抽吸室在其下边缘侧具有抽吸开口13。抽吸开口13的后边缘或下边缘形成切割刃15。切割刃15可设置有锯齿（未示出）。底板17从切割刃15向上通向设置在抽吸区段10的上后侧处的出口14。出口14将抽吸室12的内部连接至柔性抽吸管20。抽吸管20连接至泵50上的泵入口51。

在使用中，耙头1在运动的方向D上由缆线16沿海床3牵引。跟部区段11遵循海床3，并且床体接合表面22上的叶片24切入沙2中并使其松散。抽吸区段10由于其质量而围绕铰接8枢转，并且使得切割刃15探入海床3中。松散的沙2由切割刃铲起并且朝向出口14向上跨过底板17。对泵50进行操作以在抽吸管20中产生抽吸，从而使得水也被向上抽吸通过抽吸开口113。随着水和切入的沙接近出口14，抽吸室13的窄化导致它们的速度增加，由此沙2变得与水夹带在一起。所产生的混合物经由泵50和运输管54而泵送至表面并进入储料器5。由于抽吸开口13的有利定向以及底板17朝向出口14的向上斜面，可带走具有相对较少夹带水和相对高的混合物密度的切入沙。

根据本发明第二实施例的耙头100在图2中示出，该图中相似的元件提供类似的附图标记，在之前加上100。

图2示出了在铰接件108处铰接在一起的跟部区段111和抽吸区段110，在其间形成有抽吸室112。抽吸区段110比跟部区段111略微更窄，由此这两部分均可通过围绕铰接件108的旋转而部分地伸入彼此中。抽吸区段110的最下或后边缘设置有切割刃115。跟部区段111具有最下的床体接合表面122。在切割刃115与床体接合表面122的后边缘之间形成有提供接近抽吸室112的通道的抽吸开口113。

在图2的实施例中，跟部区段111进一步包括刚性地附接至其前表面的管状本体140。管状本体140则连接至牵引构件141，该牵引构件从船只4被拖曳，如在图1中所示。牵引构件141和管状本体140形成延伸至表面的相对刚性的臂（尽管如此，应当理解的是，可预见动力接头），这确保跟部区段111相对于海床的角度保持基本恒定（对于给定的水深）。

在管状本体140的上表面设置有带有活塞臂132的一对致动器130（其中一个在该视图中示出），该活塞臂在安装件134处附接至抽吸区段110的上部110。通过操作致动器130，可使得抽吸开口110相对于跟部区段111旋转以使得切割刃更深入地探入海床中。

如在第一实施例中的一样，抽吸区段具有底板117，该底板在抽吸区段的上后部分处向上通向出口114。不同于第一实施例的是，出口114连接至柔性连接件121，该柔性连接件则连接至抽吸管120。在这种情况下，泵150由牵引构件141承载，并且具有连接至抽吸管120的泵入口151和连接至运输管154的泵出口152。

图3示出了图2的实施例的平面图，示出了彼此接合的跟部区段111和抽吸区段110，其中致动器130确定这两个区段围绕铰接件108的旋转程度。根据图3，可看出的是，跟部区段111和抽吸区段110在切割刃的位置处具有最大宽度W1。从该位置，抽吸区段110的宽度减少至出口114处的宽度W2。

图4为沿图3的线4-4截取的截面图，示出了抽吸室112的内部。在该视图中，可看到的是，喷嘴160位于出口114周围。喷嘴160连接至合适的压力源（未示出），并且操作为在出口114内产生朝向柔性连接件121被引导的加压水射流。图4中也可看到的是，在跟部区段111的床体接合表面122中设置有其他喷嘴162。其他喷嘴162与跟部区段111内的压力歧管164连通，加压水可从上述的压力源供应至该压力歧管。

在使用中，耙头100与接合海床3的跟部区段111一起由挖掘船只在前进方向D上牵引。将加压水提供给歧管164，这使得形成来自位于床体接合表面122之下的其他喷嘴162的水射流。水射流使沙或淤泥2松散并部分地打碎。松散的沙2由切割刃115切入和提高并且通过抽吸开口113进入抽吸室112。抽吸室112和底板117的减少的宽度使沙2向上朝向出口114漏过。在该阶段中，由于其他喷嘴162而使得沙包括一定量的夹带水。然而，密度对其来说太高而不易于运输。随着沙和水的混合物进入出口114，额外的水射流通过喷嘴160喷射。这些射流进一步使沙2松散并使其流体化至大约1650kg/m³的所需最终密度，以用于经由泵150和运输管154运输至表面。由于增加的密度，船只4可充满而不出现溢流或者进一步流回到水中，这对其中在挖掘过程中的这样的排放被禁止的敏感环境是非常有利的。

因此，已参考上述的特定实施例描述了本发明。应当认识到的是，可对这些实施例做出各种修改并且可替换形式对于本领域技术人员而言是已知的。特别地，图2的柔性连接件的布置可由伸缩式布置来替换。此外，实际设计可不同于示意图所示的设计。

在不背离本发明的精神和范围的情况下，可对在本文中描述的结构和技术做出除了上述修改以外的多种修改。因此，尽管已描述了具体的实施例，然而这些仅仅是实施例而并不对本发明的范围构成限制。

Claims (21)

1.耙头，用于挖掘来自水体的床体的物料并将所述物料运输至抽吸管，所述耙头布置成在所述床体上由牵引构件沿牵引方向牵引，其中，所述耙头包括：

跟部区段，能连接至所述牵引构件并且具有布置成遵循所述床体的床体接合表面；以及

抽吸区段，包括：抽吸开口；抽吸室；以及用于连接至所述抽吸管的出口，使得能在所述抽吸室中产生负压，以通过所述抽吸开口和所述抽吸室将来自所述床体的物料吸取至所述出口，其中，所述抽吸区段能调节地安装于所述跟部区段，使得所述抽吸开口的定向能相对于所述跟部区段进行调节。

2.根据权利要求1所述的耙头，其中，所述抽吸区段能相对于所述跟部区段围绕一旋转轴线旋转，在使用时所述轴线是大致水平的并且垂直于牵引方向。

3.根据权利要求2所述的耙头，其中，相对于所述耙头的运动方向而言，所述轴线位于所述跟部区段的后方和所述抽吸区段的前方。

4.根据前述权利要求中任一项所述的耙头，其中，所述抽吸区段包括下边缘，所述下边缘形成所述抽吸开口的后边缘，其中，所述下边缘低于所述跟部区段的所述床体接合表面。

5.根据权利要求4所述的耙头，其中，所述下边缘为切割刃。

6.根据前述权利要求中任一项所述的耙头，其中，所述抽吸开口包括切割刃，所述切割刃形成所述抽吸开口的后边缘，其中，在使用中所述切割刃低于所述跟部区段的所述床体接合表面。

7.根据权利要求6所述的耙头，其中，所述跟部区段的所述床体接合表面的宽度大致对应于所述切割刃的宽度。

8.根据权利要求6或权利要求7所述的耙头，其中，所述抽吸区段具有底板，所述底板在从所述切割刃至所述出口的向上方向上至少部分地倾斜。

9.根据前述权利要求中任一项所述的耙头，其中，所述抽吸室的宽度从所述抽吸开口朝向所述出口减小。

10.根据前述权利要求中任一项所述的耙头，进一步包括介于所述出口与所述抽吸管之间的柔性连接件。

11.根据前述权利要求中任一项所述的耙头，其中，所述抽吸开口至少部分地由所述跟部区段限定。

12.根据权利要求11所述的耙头，其中，所述抽吸区段与所述跟部区段接合在一起以形成所述抽吸室。

13.根据前述权利要求中任一项所述的耙头，进一步包括具有出口开口的多个管道，所述出口开口用于在所述出口中或所述出口附近于所述抽吸室中形成水射流。

14.根据前述权利要求中任一项所述的耙头，进一步包括具有出口开口的多个管道，所述出口开口用于在所述跟部区段的所述床体接合表面之下形成水射流。

15.根据前述权利要求中任一项所述的耙头，其中，来自所述抽吸室的所述出口至少部分地指向与所述牵引方向相对的方向。

16.根据前述权利要求中任一项所述的耙头，进一步包括用于使所述抽吸区段相对于所述跟部区段移位的致动器布置。

17.根据前述权利要求中任一项所述的耙头，其中，使所述抽吸区段相对于所述跟部区段负重或偏压以实现所需的定向。

18.根据前述权利要求中任一项所述的耙头，进一步包括安装在所述跟部区段上或邻近于所述跟部区段安装的抽吸泵。

19.船只，诸如耙吸式挖掘船，所述船只包括牵引构件和根据前述权利要求中任一项所述的耙头，其中，所述跟部区段操作地连接成由所述牵引构件沿所述床体牵引。

20.一种使用包括跟部区段和抽吸区段的耙头从水体的床体抽吸挖掘水与固体的混合物的方法，所述方法包括：

在床体上沿第一方向牵引所述跟部区段；

以相对于所述跟部区段而言的期望深度和角度对所述抽吸区段进行定位，使得所述抽吸区段至少部分地接合并进入所述床体；

对所述抽吸区段施加抽吸，以在与所述第一方向至少部分地相对的方向上吸取床体物料并使所述床体物料与水混合；以及

将混合物运输至所述水体的表面。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述混合物包括具有的密度大于1650kg/m³的沙和水。

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