DE2856156A1

DE2856156A1 - Saugkopf fuer einen saugbagger

Info

Publication number: DE2856156A1
Application number: DE19782856156
Authority: DE
Inventors: Arie Goedvolk
Original assignee: KONINKLIJKE ADRIAAN VOLKER GROEP BV
Current assignee: KONINKLIJKE ADRIAAN VOLKER GROEP BV
Priority date: 1977-12-27
Filing date: 1978-12-27
Publication date: 1979-06-28
Also published as: FR2413504A1; NL7714438A; NL166514C; NL166514B; GB2012337A; AU4294078A; FR2413504B3; GB2012337B; US4265035A; BE873088A

Description

Die Erfindung betrifft einen Saugkopf für einen Saugbagger mit um eine querverlaufende Achse schwenkbarer Haube, die von einer nahe der Schwenkachse angeordneten Bodenplatte des Saugkopfes nach rückwärts verlaufende Seitenkanten aufweist und mit ihrer Rückkante den Saugschlitz begrenzt, sowie mit einem an der Haube nahe der Rückkante angeordneten, schräg nach unten und vorne vorstehenden Messer, dessen Oberkante zusammen mit der Innenwand der Haube eine breite i£inlaßöffnung bildet. Ein ähnlicher Saugkopf ist bekannt. Bei dem bekannten Saugkopf ergeben sich Probleme, insbesondere wenn in größeren Tiefen gearbeitet wird und eine höhere Saug- und Schleppkraft zur Verfügung steht.

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Aufgrund des begrenzten Kräftegleichgewichtes am Saugkopf hat es sich gezeigt, daß die höhere Schleppkraft nicht wirksam für das Schneiden ausgenutzt werden konnte. Ferner tritt bei dem bekannten Saugkopf ein Vakuumverlust über den Saugkopf in einem solchen Ausmaße auf, daß die verbleibende Saugkraft nicht mehr ausreicht, um in größeren Tiefen losgeschnittenes Bodenmaterial hochzufördern. Diese Beschränkungen des Kräftegleichgewichtes und der Saugkraft scheinen sich auch gegenseitig in ungünstiger Weise zu beeinflussen.

Es kann deshalb bei ziemlich festen Bodenarten und grösseren Saugtiefen vorkommen, daß der Saugkopf ins Schweben kommt, und dies kann nur durch Verringerung der Vortriebskraft der Schiffschrauben verhindert werden, wodurch sich eine unerwünschte Verminderung der Baggerleistung ergibt.

Bei geringeren Saugtiefen und damit vergleichsweise hohen Reibungsverlusten am Ort des Saugkopfes erhält man ebenfalls eine Verringerung der Produktionsrate.

Bei relativ festen Bodenarten und normalen Saugtiefen ergibt sich das Problem, daß die Haube vom Boden wegschwenkt, während bei weicheren Bodenarten die Haube in der entgegengesetzten Richtung schwenkt mit dem Ergebnis, daß das Messer zu weit in den Boden eindringt und der Saugkopf blokkiert.

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Bei tonhaltigen Bodentypen ergibt sich das Problem, daß ein beträchtlicher Teil der Schleppkraft in unökonomischer Weise dazu verwendet werden muß, die hohe Haftreibung unter der großen Boden- oder Stützplatte zu überwinden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Saugkopf zu schaffen, der die genannten Nachteile nicht aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Bodenplatte oder Kufe des Saugkopfes so weit wie möglieh vor der Schwenkachse angeordnet ist und daß eine zusätzliche Abstützung so weit wie möglich hinter der Schwenkachse gebildet wird mittels Gleitblöcken, die auf dem ursprünglichen Boden neben der Baggerfurche aufsitzen. Auf diese Weise wird eine Abstützung erreicht, die bereits bei einer kleinen normalen Kraft zwischen dem Saugkopf --.nd dem Boden ein hohes Stabilisierungsmoment erzeugt, um ein Schwenken oder Kippen des Saugkopfes in jeder Richtung zu verhindern. Ferner kann das durch die Schneidkraft erzeugte Kippmoment auf ein Minimum verringert werden dadurch, daß der Schwenkpunkt der Haube so nahe wie möglich an deren Unterkante angeordnet ist

Vorzugsweise ist die Haube hinter der Einlaßöffnung mit einer Platte versehen, die zwischen mit den Seitenkanten

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fluchtenden Trennwänden angeordnet und nahe ihrer Vorderkante um eine querverlaufende Achse verstellbar ist, wobei diese Kante ein strömungsgünstig gekrümmtes Profil mit abgerundeter Einlaßkante aufweist, um sich der Stroll mung anpassen zu können.

Mittels der nach hinten gerichteten Platte wird erreicht, daß die unter ihr strömende Strömung auf die Haube eine nach unten gerichtete Kraft ausübt, wobei die Höhe des Einlaßschlitzes durch die Verstellbarkeit der Platte reguliert werden kann. Hierdurch und auch aufgrund des Vorhandenseins der Gleitblöcke kann die durch den Schlitz einströmende Strömung und damit die nach unten drückende Kraft gesteuert werden. Da die Platte ein strömungsgünstig gekrümmtes Profil aufweist, werden die Vakuumverluste während des Einströmens verringert. Die Platte nimmt daher eine stabile Position ein und verringert den Widerstand gegenüber der eintretenden Wasserströmung.

Statt durch die vorstehend beschriebenen Maßnahmen kann die Stabilität der Haube auch dadurch bewirkt werden, daß die Haube am Saugrohr unbeweglich festgelegt wird, falls gewünscht auch verstellbar. Dies hat jedoch gegenüber einer freibeweglichen Haube den Nachteil, daß der Saugkopf den Unebenheiten des Bodens schwieriger zu folgen vermag.

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Bei dem bekannten Saugkopf hat die Haube ein Strömungsprofil, das vom schmalen Einlaßschlitz über einen großen Zwischenquerschnitt in den kleineren kreisförmigen Querschnitt des Saugrohres übergeht, wobei der Zwischenquerschnitt ebenso der des Einlaßschlitzes rechteckig ist. Die Ungleichheit dieser Querschnitte bewirkt eine starke Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit, was ungünstig ist. Erfindungsgemäß wird die Haube derart ausgebildet, daß die Strömungsquerschnitte vom Einlaßschlitz unter der Platte über die weite Einlaßöffnung bis in den Einlaß des Saugrohres im wesentlichen gleich bleiben. Hierdurch bleibt auch die Strömungsgeschwindigkeit im wesentlichen gleich.

Vorzugsweise ist die Eindringtiefe des Messers einstellbar, so daß eine optimale Schleppgeschwindigkeit erhalten werden kann.

Sowohl die Bodenplatte oder Kufe als auch die seitlichen Gleitblöcke sind vorzugsweise kreisbogenförmig profiliert. Auf diese Weise erhält man eine möglichst kleine Reiboberfläche und damit möglichst kleine Reibungs- und Haftkräf-"te, auch für alle Arten von tonhaltigen Böden.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.

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Fig. 1 zeigt schematisch einen Saugkopf bekannter Art, wobei die darin auftretenden Kräfte, Strömungen und Querschnitte angedeutet sind.

Fig. 2 zeigt in ähnlicher Darstellung einen erfindungsgemäßen Saugkopf.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 umfaßt den eigentlichen Saugkopf 1, der am unteren Ende des Saugrohres 2 befestigt ist. Der Saugkopf hat ein Scharnier 3, an dem die ähnlich einem Helmvisier ausgebildete Haube 4 schwenkbar gelagert ist, die bezüglich des Saugkopfes 1 mittels eines zylindrischen Teils 5 abgedichtet ist und einen bogenförmig ausgebildeten Oberteil aufweist, der sich in das entsprechend bogenförmig ausgebildete untere Ende des Saugkopfes 1 hinein erstreckt. Unter dem zylindrischen Teil 5 ist die Boden- oder Gleitplatte 6 angeordnet, mit der der Saugkopf auf dem Boden aufsitzt.

An der visierartigen Haube 4 ist ein querverlaufendes Messer 7 befestigt, welches unter den Seitenkanten 8 und der Rückkante 9 der Haube vorsteht.

°ie verschiedenen Querschnitte der Haube, des Saugkopfes und des Saugrohres sind in der Zeichnung mit A, B_f C und D angegeben und rechts in ihrer ungefähren gegenseitigen Re lation eingezeichnet. Ferner sind in der Zeichnung der Nei-

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gungswinkel β und die verschiedenen im Betrieb wirkenden Kräfte angegeben, nämlich:

V_Q = das Nettogewicht des Saugrohres abzüglich der Kraft, die vom Hubkabel des Saugkopfes ausgeübt wird, d. h. von dem Kabel, mit dem das Saugrohr am Schiff aufgehängt ist;

V = die resultierende Vertikalkraft am Scharnier 3»

H = die horizontale Zugkraft, die von den Propellern des Schiffs erzeugt wird;

N = die normale Auflagekraft der Haube auf dem Boden;

W= die Reibungskraft zwischen der Haube und dem Boden; diese Kraft ist überwiegend proportional zu der normalen Auflagekraft N, entsprechend W = f . N;

Hm = die für den Boden erforderliche Schneidkraft;

G = die Resultierende aus dem Gewicht G₁ der Haube und der Saugkraft, die zwischen Haube und Boden aufgrund der Strömung wirkt (G = G₁ + G₂);

Ferner sind in der Zeichnung die Strömungsgeschwindigkeiten in den verschiedenen Strömungsquerschnitten A, B, C und D angedeutet und mit V_A, V_ß» ^_c bzw. V_ß bezeichnet.

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Schließlich sind in der Zeichnung auch die Hebelarme oder Drehmomente der verschiedenen Kräfte bezüglich des Scharniers 3 eingezeichnet.

Es ist klar, daß V = V_Q - H . tg ß (1.1)

Somit ist die resultierende Vertikalkraft V am Scharnier oder Schwenkpunkt der Haube abhängig von dem Neigungswinkel β und nimmt ab, wenn der Winkel zunimmt.

Für eine gut ausbalancierte Haube sollten die folgenden Bedinguigen erfüllt sein;

a) Vertikalgleichgewicht: N= V+ G= V_Q +G-H. tg ρ yO (1.2)

b) Horizontalgleichgewicht: H - V y H_m (1.3)

c) Momentengleichgewicht am Scharnier 3-

G . e_G + N . e_N (^ + W) . e (1.4)

Aus Gleichung (1.2) folgt, daß wenn N^-O, der Saugkopf ins Schweben kommt und das Messer den Kontakt mit dem Boden verliert.

Aus Gleichung (1.3) folgt, daß wenn H-W^. H , das Mes-. ser die Kohäsion des Bodens nicht aufbrechen kann.

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Aus Gleichung (1.4) folgt, daß wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist, zwar die Bodenplatte 6 weiterhin auf dem Boden aufsitzt, jedoch die Haube in Fig. 1 nach rechts schwenkt, wodurch das Messer 7 den Kontakt mit dem Boden verliert.

Zum besseren Verständnis der Erfindung werden die bereits angedeuteten Probleme bei einem Saugkopf dieser Art im folgenden noch näher erläutert.

Bei verhältnismäßig festen Bodentypen erfährt das Messer einen hohen Widerstand, so daß H groß ist und infolgedessen auch die von den Schiffspropellern erzeugte Zugkraft H groß sein muß. Nun ist im Falle einer großen Arbeitstiefe auch der Winkel β groß, und wenn die Gleichung (1.2) erfüllt sein soll, so wird deutlich, daß die senkrechte Kraft N der Haube auf den Boden gleich 0 oder kleiner als 0 wird, mit dem Ergebnis, daß der Saugkopf schwebt. Dies kann verhindert werden durch Verringerung der Zugkräfte des Schiffes, d. h. durch Verringerung von H; dies geht jedoch zu Lasten der Produktionsrate. Wenn die Auflagekraft vergrößert wird durch Verwendung eines schwereren Saugkopfes, so wird die Reibkraft bei kleinen Arbeitstiefen beträchtlich vergrößert und hierdurch Energie verschwendet. Auch müßten dann die Winden und Krane des Saugbaggers wesentlich stärker ausgebildet werden.

Bei kleiner Saugtiefe ist auch der Winkel ß klein. Gemäß Gleichung (1.2) hat dies eine Vergrößerung der senkrechten Kraft N und damit auch eine Vergrößerung des Reibungsverlustes W = fN zur Folge. Gemäß Gleichung (1.3) hat dies eine Abnahme von H-V zur Folge, so daß nur wenig für die Schneidekraft H_m übrig bleibt. Auch dieses geht offensichtlich zu Lasten der Produktionsrate.

Falls in relativ festen Bodentypen bei normalen Arbeitstiefen gearbeitet wird, so hat die Haube die Neigung, nach rechts in Fig. 1 zu schwenken, d. h. vom Boden wegzuschwenken, und zwar auch bei einer ausreichend hohen senkrechten Auflagekraft, und zwar unter dem Einfluß des Drehmoments, welches von der Schneidkraft H_m im Abstand e vom Scharnier 3 der Haube ausgeübt wird.

Dem kann begegnet werden durch Verringerung der Zugkraft H und damit auch der Schneidkraft, aber auch dies geht zu Lasten der Produktionsrate.

Man könnte dem auch begegnen durch Festlegen der Haube relativ zum Saugkopf 1. Man erhält Jedoch dann eine schlechte Anpassung an unregelmäßiges Bodenprofil, was wiederum zu Lasten der Produktionsrate geht.

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Handelt es sich um weiche Bodentypen, wie z. B. Ton od. dgl., dann schwenkt die Haube in der entgegengesetzten Richtung, und zwar unter dem Einfluß des Gewichtes G^ der Haube und der Saugkraft Gp, die auf die Haube wirken und ein Drehmoment erzeugen, welches dem von der dann schwachen Schneidekraft H erzeugten Drehmoment entgegengerichtet ist. Wenn Jedoch der Saugkopf zu weit in den Boden eindringt, so werden zu viele Feststoffe mit zu wenig Wasser gefördert, was zu Unterbrechungen des Arbeitsprozesses und zu schweren Vakuumstößen in dem System führen kann.

Zur Erklärung der Vakuumverluste kann in erster Linie darauf hingewiesen werden,, daß die Durchlaßquerschnitte in den Schnittebenen A, B, C und D eines üblichen Saugkopfes die in der Fig. 1 rechts angezeigten Formen und Größen haben. Offensichtlich entspricht diesen Querschnitten eine Strömungsgeschwindigkeit, die in den Querschnitten A und B hoch ist, von A nach B geringfügig zunimmt und dann von B nach C stark abnimmt, worauf von C nach D wieder eine Beschleunigung eintritt. Aufgrund·der Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit entstehen Vakuumverluste, die als Bremsverluste entsprechend der Formel

Verzögerung = ^X · <^VA " ^VC⁾²

definiert werden können. Der Faktor X ist für die vorliegenden Betrachtungen unerheblich.

909826/1012 OWGJNAL INSPECTED

Ferner treten beim Eintritt der Wasserströmung durch den Einlaßschlitz an der Rückkante der Haube -(Querschnitt A) Eintrittsverluste auf. Hier muß die Wasserströmung vom Stillstand auf die Strömungsgeschwindigkeit V. bzw. V_R beschleunigt werden. Dies führt zu Vakuumverlusten aufgrund der Einschnürung und Turbulenz der Strömung an der scharfen Kante 9. Diese EintrittsVerluste können ausgedrückt werden durch die Formel

^Eintritt = ^Y · ^VA²

Y ist ein Faktor, der die Form der Einlaßöffnung berücksichtigt.

Bei größeren Saugtiefen wird verständlicherweise mehr Vakuum benötigt, um die Suspension vom Meeresgrund durch den Saugeffekt der Baggerpumpe nach oben zu fördern. Diese Baggerpumpe hat aber nur eine begrenzte Saugkraft. Wenn nun der gesamte Vakuumverlust im Saugkopf, d. h. die Verzögerungsverluste und die Eintrittsverluste zu groß sind, dann können sie bei zunehmender Saugtiefe die Leistungsfähigkeit der Baggerpumpe übersteigen, was zu Lasten der Produktionsleistung geht, zu Kavitatiorif uhren kann und auch ein vollständiges Aufschwimmen des Saugrohres zur Folge haben kann.

909826410.12 _0R,_G1NAL ,NSPECTED

Auch kann vorstehend beschriebenes Kräftegleichgewicht durch verschiedene Faktoren gestört werden, und ferner können sich die verschiedenen Vakuumverluste gegenseitig beeinflussen derart, daß die Eintrittsgeschwindigkeit V. eine Vakuumkraft Gp unter der Rückkante der Haube 4 erzeugen kann, und zwar über dem Bereich der Oberfläche F., wobei diese Saugkraft durch die Formel

Z .

ausgedrückt werden kann. Hierbei ist Z ein nicht erläuter- ter Faktor.

Über die Gleichungen (3.2) und (1.2) beeinflußt die Eintrittsströmung V. das Kräftegleichgewicht, während über die Gleichungen (2,1) und (2.2) diese Eintrittsströmungsgeschwindigkeit die Vakuumverluste im Saugkopf beeinflußt.

Somit ist das Kräftegleichgewicht auch von dem Vakuumverlust im Saugkopf abhängig.

In Fig. 2 ist ein Saugkopf gemäß der Erfindung in gleicher Weise wie in Fig. 1 dargestellt. Er besteht aus dem festen Kopf 1, der am Saugrohr 2 befestigt ist, einer Haube 4 mit Messer 7_t die um das Scharnier 3¹ schwenkbar ist, und eine Bodenplatte oder Abstützkufe 6¹.

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Wie man aus Fig. 2 erkennt, ist die Bodenplatte 6¹ relativ zum Scharnier 3¹ nach vorne verlegt über eine Strekke e derart, daß die senkrechte Auflagekraft N über den Hebelarm e wirkt und somit ein wesentlich größeres Drehmoment nach links erzeugt.

Ferner ist das Scharnier oder die Schwenkachse 3¹ an die tiefstmögliche Stelle verlegt worden, so daß die Schneidkraft H nur über einen geringstmöglichen Hebelarm e ein Gegendrehmoment nach rechts bezüglich des Scharniers 3' ausüben kann.

An der Rückkante der Haube 4¹ ist eine Platte 10 um eine waagrechte Querachse 11 schwenkbar gelagert und zwischen seitlichen Führungswänden 12 angeordnet, die mehr oder weniger mit den unteren Seitenkanten 8 der Haube fluchten. Diese Platte 10 ist, wie aus Fig. 2 ersichtlich, derart gekrümmt ausgebildet, daß ein dem Strömungsverlauf folgendes Eintrittsprofil 13 realisiert wird.

Die Platte 10 ist um die Achse 11 verstellbar, und damit ist der Eintrittsschlitz im Bereich der Querschnittsebene A einstellbar.

Die Haube 4» hat an beiden Seiten Gleitblöcke oder - kufen 14, die auf dem ursprünglichen Boden neben der Grab- oder Baggerfurche aufsitzen.

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Aufgrund der veränderten Anordnung der Bodenplatte 6¹, des Haubenscharniers 3' und der Gleitkufen 14 wird die Neigung der Haube, nach rechts oder nach links zu schwenken, verhindert.

Die Platte 10 bewirkt aufgrund ihres abgerundeten Profils, daß die Eintrittsverluste entsprechend Gleichung (2.2) kleiner werden. Diese Platte 10 hat eine größere Oberfläche F.', so daß entsprechend Gleichung (2.3) eine hohe Saugkraft G₉ realisiert wird. Diese Saugkraft Gp ist einstellbar aufgrund

^O der Verstellbarkeit der Platte 10, da diese Platte dann den Eintrittsquerschnitt bei A definiert und die Saugkraft direkt von der Eintrittsströmungsgeschwindigkeit V^ abhängig ist.

Ferner kann bei veränderlicher Schneidtiefe h (aufgrund der verstellbaren Länge des Messers) die Vakuumkraft durch die Verstellbarkeit der Platte 10 auf dem optimalen Wert gehalten werden. Der^inlaßschlitz und die Schneidtiefe sind nun beide jeweils einstellbar, und infolgedessen erhält das von der Schneidkraft H ausgeübte Drehmoment ein Gegendrehmoment, nicht nur durch die Auflagekraft aufgrund der nach vorn verlegten Bodenplatte 6', sondern auch durch die Saugkraft G₂.

Eine Regulierung der Saugkraft G₂ bedeutet eine Regulierung von G, so daß entsprechend Gleichung (1.2) die senkrechte Kraft

Wi

N optimal eingestellt werden kann. Dies hat zur Folge, daß nicht länger die Gefahr besteht, daß der Saugkopf zum Schweben kommt oder daß die Reibungskräfte zu groß werden.

Mit anderen Worten ist es unmöglich, die Arbeitsweise des Saugkopfes in größerem Maße unabhängig vom Neigungswinkel ß zu machen.

Wie man ferner aus Fig. 2 erkennt, sind die Querschnitte C und D weitgehend gleich, während der Querschnitt 3 möglichst stark vergrößert wurde und der Querschnitt A einstellbar ist. Auf diese Weise erhält man minimale Verzögerungsverluste entsprechend Gleichung (2.1).

Infolgedessen werden mit dem Saugkopf gemäß der Erfindung die Verzögerungsverluste und die Eintrittsverluste, und damit die Saugverluste insgesamt auf ein Minimum reduziert, so daß weniger Probleme beim Arbeiten in größeren Tiefen auftreten.

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Claims

Patentansprüche

( 1 .J Saugkopf für einen Saugbagger, mit um eine querverlauf ende Achse schwenkbarer Haube, die von einer nahe der Schwenkachse angeordneten Bodenplatte des Saugkopf"3 nach rückwärts verlaufende Seitenkanten aufweist ur.u mit ihrer Rückkante den Saugschlitz begrenzt, und mit einem an der Haube nahe ihrer Rückkante angeordneten, schrpq; nach unten und vorne vorstehenden Messer, dessen Oberkante zusammen mit der Innenwand der Haube eine breite Einlaßöffnung bildet, dadurch gekennzeichnet , daß die Bodenplatte (6¹) so weit wie möglich vor der Schwenkachse (3¹) der Haube (4¹) angeordnet ist und daß eine zusätzliche Abstützung so weit wie möglich hinter der Schwenkachse (3¹) gebildet wird mittels Gleitblöcken oder Kufen, die auf dem unbearbeiteten Boden neben dem Saugkopf aufsitzen. ORIGINAL INSPECTED

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2. Saugkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Haube (4·) hinter der weiten Einlaßöffnung (B) eine breite, nach hinten gerichtete Platte (10) angeordnet ist, die zwischen mit den Seitenkanten (8) der Haube (4¹) fluchtenden Wänden (12) angeordnet und nahe ihrer Vorderkante um eine querverlaufende Achse (11) verstellbar ist, v/obei die Platte (10) ein strömungsgünstig gekrümmtes Profil mit abgerundeter Einlaßkante (13) zur Anpassung an die Strömung aufweist.
3. Saugkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß£ie Haube (4¹) ein solches Profil hat, daß die Strömungsquerschnitte vom Eintrittsschlitz unter der Platte (10) über die weite Einlaßöffnung (B) bis in den Einlaß des Saugrohrs (2) hinein im wesentlichen gleich bleiben.
4. Saugkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Eindringtiefe des Messers (7) einstellbar ist.
5. Saugkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Bodenplatte (6¹)
und die seitlichen Kufen (14) ein kreisbogenförmiges unteres Profil aufweisen.

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