DE1634724C3 - Vorrichtung zum Ausheben von Erdmaterial vom Grund eines Gewässers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausheben von Erdmaterial vom Grund eines Gewässers mit einem sich bis zum Gewässergrund erstreckenden Baggerrohr, gegen den Gewässergrund gerichteten Abstrahlflächen nahe dem unteren Ende des Baggerrohres für Schwingungsenergie hoher Frequenzen und einem mit den Abstrahlflächen gekoppelten Schwingungsgenerator.

Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (CH-PS 12 928) wird Ultraschallenergie verwendet, die von einem nahe dem unteren Ende des Baggerrohres sitzenden Ultraschallgenerator gegen den Boden abgestrahlt wird. Dort wird die am Schwingungsgenerator austretende Energie über den Saugkopf an den Boden weitergegeben ohne daß die Eigenschwingungen des Saugkopfes auf das gesamte Schwingungssystem abgestimmt sind. Dabei wird angestrebt, das Baggerrohr möglichst von Schwingungsbewegungen fern zu halten, indem es schwingungsdämpfend mit dem Saugkopf verbunden ist.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den hohen Energieinhalt eines Resonanzschwingungssystems zum Auflockern und Aufbrechen des Gewässerbodens einzusetzen, um auch festen Gewässeruntergrund wirtschaftlich abtragen zu können.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß das Baggerrohr die Kopplung zwischen dem Schwingungsgenerator und den Abstrahlflächen bildet und mit dem Schwingungsgenerator und den Abstrahlflächen fest verbunden ist und daß das Baggerrohr zu elastischen Resbnanzeigenschwingungen mit einem Schwingungsbauch an die Abstrahlflächen aufweisenden Ende angeregt ist. Diese Eigenschwingungen erbringen eine erhöhte Energieübertragung auf den zu lösenden und aufzubrechenden Boden, wobei die energiereichen Eigenschwingungen des Baggerrohrs genutzt sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Baggerrohr zu einer stehenden Resonanzlängsschwingung angeregt werden. Es ist für besondere Anwendungsfälle zweckmäßig, eine Halteeinrichtung am Baggerrohr vorzusehen, mittels der es gegen den Grund drückbar ist. Diese Halteeinrichtung kann als ein senkrecht wirkendes Federelement, insbesondere als Luftfeder, ausgebildet sein, wodurch ein Teil der Last aus Baggerrohr und Abstrahlkopf aufgenommen werden kann, andererseits jedoch auch eine Isolierung des Resonanzschwingungssystems gegenüber einem tragenden Schwimmkörper herbeigeführt wird.

Zweckmäßig weist das Baggerrohr ein drehbares Hüllrohr auf, an dem die Abstrahlflächen angeordnet sind.

Für gewisse Anwendungsfälle empfiehlt es sich, eine Abstützvorrichtung vorzusehen, durch die das untere Ende des Baggerrohres mit bestimmtem Abstand über dem Boden geführt ist. Dies ist dann wünschenswert, wenn kein zu hartes Angreifen am Untergrund beabsichtigt ist.

In der folgenden Beschreibung werden Ausführungsbeispiele einer Vorrichtung nach der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Seitenansicht, teils im Schnitt, einer Saugbaggervorrichtung,

F i g. 2 die Seitenansicht einer abgewandelten Ausführungsform der Saugbaggervorrichtung und
F i g. 3 die Draufsicht auf die linke Seite der in F i g. 2 dargestellten Vorrichtung.

Ein Schwimmkörper 10, der auf dem Wasser 11 schwimmt, dient als Träger für eine Saugbaggervorrichtung. Auf der linken Seite des Wassers 11 befindet sich in F i g. 1 eine Böschung 12, die über die Wasseroberfläehe hinausragt, und rechts vom Bagger ist eine Böschung 13 unter der Wasseroberfläche dargestellt.

Auf dem Schwimmkörper 10 erhebt sich eine Rahmenkonstruktion 16 über einem Grundrahmen 17, der mit einem Kragarm 18 über den Seitenrand des Schwimmkörpers 10 hinausragt und durch den in einer Durchtrittsöffnung 19 ein senkrecht verlaufendes Baggerrohr 20 hindurchtritt. Das Baggerrohr 20 besteht aus einem steifelastischen Material, im allgemeinen aus Stahl. An seinem oberen Ende ist eine Befestigungsplatte oder ein Flansch 21 angebracht, auf dem ein Schwingungsgenerator 22 steht. Über eine Antriebswelle 24 wird der Schwingungsgenerator 22 mit zwei gegenläufigen Unwuchtläufern von einem Verbrennungsmotor 25 angetrieben, der auf der Rahmenkonstruktion 16 steht.

In seinem oberen Abschnitt ist das Baggerrohr 20 mit einer Ausflußöffnung versehen, an die ein Entleerungsschlauch 26 angeschlossen ist, der zu einer von einem

weiteren Verbrennungsmotor 28 angetriebenen Radialpumpe 27 führt. Über eine Rohrleitung 29 und daran anschließende Schläuche 30 entleert die Radialpumpe 27 auf das Land hinter der Böschung 12. Die Radialpumpe 27 mit ihrem Verbrennungsmotor 28 stehen auf einem Teilstück 32 der Rahmenkonstruktion 16 (F ig. 1).

Über Parallelführhebel 33 ist das Baggerrohr 20 an einen senkrechten Träger 34 der Rahmenkonstruktion 16 angelenkt, so daß es stets in senkrechter Richtung gehalten wird. Am Baggerrohr 20 ist der Kolben 36 eines Luftzylinders befestigt, der eine Luftfeder 37 darstellt. Der zugehörige Druckluftzylinder 38 ist auf dem Kragarm 18 befestigt. Die untere Zylinderdeckfläche 38a weist eine Öffnung auf, durch die das Baggerrohr 20 hindurchtritt und mit Hilfe von Dichtungselementen 40 abgedichtet ist. Der Kolben 36 ist mit einer Dichtung 41 gegenüber dem Druckluftzylinder 38 abgedichtet. Über eine Druckluftleitung 37a wird die Zylinderkammer mit Druckluft versorgt, so daß das gesamte Gewicht oder nur ein Teil des Gewichtes des Baggerrohres 20 und der daran befestigten Teile abgefangen wird. Mit Hilfe der Luftfeder 37 wird das Baggerrohr 20 schwingungsmäßig gegenüber dem Schwimmkörper 10 isoliert.

Das Baggerrohr 20 trägt an seinem unteren Ende einen nach außen abstehenden Flansch 47, der von zwei Innenflanschen 48 und 49 eines Hüllrohres 44 umschlossen wird. Nahe seinem oberen Ende ist das Hüllrohr 44 mit einem weiteren Innenflansch 50 ausgestattet, der das Baggerrohr 20 lose umgibt und das Hüllrohr 44 zu diesem konzentrisch hält. Ein Flansch 51 am oberen Rand des Hüllrohres 44 umschließt das Baggerrohr 20 dicht.

Das Baggerrohr 20 wird von einem langen Venturi-Rohr 52 durchzogen, dessen untere Öffnung dicht oberhalb des Fußes 46 des Baggerrohres 20 liegt und im Innenflansch 49 angeschweißt ist. Das obere Ende des Venturi-Rohres 52 ist erheblich weiter oben im Baggerrohr 20 an einer Stelle 52a am Baggerrohr 20 angeschweißt.

Der Schwingungsgenerator 22 wird von seinem Antrieb mit derartiger Drehzahl angetrieben, daß die Frequenz der Längsschwingung im Baggerrohr 20 eine stehende Welle der elastischen Schwingungen erzeugt. Der Schwingungsgenerator 22 erzeugt im Baggerrohr 20 eine stehende Halbwellen-Schwingung, wenn die Generatorfrequenz gleich SI2L gewählt wird, wobei 5 die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Zug- und Druckwellen im Rohrleitungsmaterial und L die Wellenlänge ist. Das Arbeiten mit einer Halbwellen-Schwingung ist die übliche Anwendungsform, wenngleich es auch möglich ist, Oberwellen dieser Grundwelle zu verwenden. Bei einer derartigen Halbwellen-Schwingung zieht sich das Baggerrohr 20 elastisch zusammen und streckt sich wieder. Der Mittelabschnitt des Rohres steht dabei nahezu still, so daß hier ein Schwingungsknoten besteht. Das obere und das untere Ende des Baggerrohres 20 schwingen mit erheblichem Hub hin und her, da an diesen Stellen Schwingungsbäuche auftreten. Das Gehäuse des Schwingungsgenerators 22 schwingt in senkrechter Richtung im oberen Geschwindigkeitsbauch.

Gelegentlich ist es günstig, wenn das Baggerrohr 20 etwas seitwärts schwingt. Das kann dadurch erreicht werden, daß einer der Unwuchtläufer schwerer ausgeführt wird als der andere oder ganz fortgelassen wird. Es ist aber auch möglich, die gegenseitige Phasenlage der Unwuchtläufer geringfügig zu ändern, um eine Seitenkraft zu erhalten. Die Schwingungen im Baggerrohr 20 haben dann zu der Längskomponente noch eine Biegekomponente. Es ist auch möglich, eine stehende Längswelle entweder für eine Längsschwingung oder für eine Biegeschwingung zu erzeugen. Mit Hilfe der Biegeschwingung werden starke Schwingungskräfte auf das Wasser übertragen.

Im Bereich des unteren Geschwindigkeitsbauches befindet sich am Baggerrohr 20 dessen Fuß 46. Im allgemeinen ist die Schwingungsart, die gewählt wird, die Längsschwingung, so daß sich der Fuß 46 in senkrechter Richtung auf- und ab bewegt. Die Schwingung kann durchgeführt werden, wenn der Fuß 46 auf dem Grund aufliegt, wie dies in F i g. 1 dargestellt ist, oder wenn er sich ein kurzes Stück über dem Boden befindet, obgleich es im allgemeinen so ist, daß der Fuß 46 am Boden aufgesetzt wird. Der Schwingung in senkrechter Richtung wird dem Fuß 46 zusätzlich eine langsame Drehschwingung um eine senkrechte Achse überlagert Dies geschieht mit Hilfe einer Schubstange 96, die an einem von der Seite des Hüllrohres 44 vorspringenden Zapfen 97 angreift und auf der anderen Seite von einem Exzenter von einem Antriebsmotor E angetrieben wird.

Der Fuß 46 ist an seiner Unterseite mit als Abstrahlflächen 46a dienenden Zähnen ausgestattet. Der Ausschlag des Exzenters wird wenigstens so groß gewählt wie der Abstand zwischen zwei Zähnen.

Der Fuß 46 wird von einem äußeren Balgen mit mehreren Rippen 46c und Rillen 46d gebildet. Diese Rillen 46c/ und Rippen 46c haben zweierlei Aufgaben; erstens sollen sie bei ihrer senkrechten Bewegung an der Böschung 13 entlangstreichen und Erdmaterial losbrechen, und zweitens bilden sie eine Kopplungsfläche zum umgebenden Wasser 11. Die seitlich vorstehenden Flächen des Balgens wirken als Abstrahlflächen, von denen Schwingungsenergie in das Wasser übertragen wird. Infolge der Schrägstellung dieser Flächen in bezug auf das senkrechte Baggerrohr 20 wird die Energie hauptsächlich schräg nach außen vom Fuß 46 abgestrahlt. Die nach außen vorstehenden Flächen und die unteren Flächen der Zähne des Fußes 46 stellen schwingungsmäßige Kopplungsflächen des Baggerrohres 20 mit dem umgebenden Wasser 11 dar, über die Schwingungsenergie abgestrahlt wird, ob sich nun der Fuß 46 in Berührung mit dem Grund 15 befindet oder nicht.

Beim Baggern selbst wird der Fuß 46 im allgemeinen fest gegen den Grund 15 gedruckt, was den Vorteil hat, daß wenigstens ein Teil des Gewichtes des Hüllrohres 44, des Baggerrohres 20 und des Schwingungsgenerators 22 vom Untergrund selbst getragen wird. Das ganze Gewicht oder ein Teil kann aber auch von der Luftfeder 37 aufgenommen werden, so daß das Baggerrohr 20 mit dem Fuß 46 einen Abstand vom Boden aufweist Mit Hilfe der Luftfeder 37 kann also auch eine Höhenverstellung des Baggerrohres 20 vorgenommen werden. Für größere Höhenverstellung ist es jedoch nötig, die Luftfeder 37 anzuheben oder abzusenken.

Es wird also zunächst das Baggerrohr 20 in die Nähe des Bodens gebracht; normalerweise wird es auf den Boden fest aufgestützt

Durch Antrieb des Schwingungsgenerator 22 wird dann in dem Baggerrohr 20 eine stehende Längswelle erzeugt durch welche der Fuß 46 gegen den Boden geschlagen wird. Das Lösen des Bodens geht wie folgt

vor sich. Zunächst werden vom Fuß 46 des Baggerrohres 20 auf den Boden Schwingungen übertragen, deren Schwingungsamplitude etwa denen des Baggerrohrendes gleich sind. Das Material des Untergrundes bricht infolge der Schwingungen schnell auseinander. Das Auseinanderbrechen wird durch die Anwesenheit von Wasser noch beschleunigt, da sich auch im Wasser selbst Druckwellen fortpflanzen und das Wasser dadurch in den Untergrund zwischen die einzelnen Bodenteilchen eindringt. Das Zerbrechen des Bodens infolge seiner Ermüdung geht schneller vonstatten, wenn der Fuß 46 fest gegen den Untergrund gedruckt wird. Außerdem wird infolge der schnellen Schwingungen das losgelöste Erdmaterial mit dem Wasser aufgeschlämmt, was natürlich auch für das bereits lose liegende, abgelagerte Material gilt, so daß der damit gebildete Schlamm leicht durch das Baggerrohr 20 abgesaugt werden kann. Das Abstrahlen von Schwingungsenergie erfolgt an abwärts geneigten und schrägliegenden Abstrahlflächen 46e am Fuß 46, wie etwa den abwärts und auswärts gerichteten Ringflächen der Balgenfläche oder der schrägen Zahnbegrenzungsflächen.

Die oben genannte Biegeschwingung des Baggerrohres 20 wird dann angewendet, wenn das Baggern parallel zum Boden des Gewässers erfolgt. Dadurch wird ein erheblicher Teil von Schwingungsenergie gegen die Böschung 13 abgestrahlt, so daß diese abgearbeitet und mit Wasser aufgeschlämmt wird, wenn der Schwimmkörper 10 voranschreitet.

Das Venturi-Rohr 52 dehnt und streckt sich zugleich mit dem Baggerrohr 20, an welches es oben und unten angeschweißt ist. Die Bewegung der Innenfläche des Venturi-Rohres 52 ist außerdem nützlich, da dadurch die Reibung des Schlammes an der Rohrinnenwand vermindert wird.

Gemäß Fig.2 ist die Vorrichtung mit einem verhältnismäßig kleinen Schwimmkörper 190 ausgestattet, der über dem Boden 192 auf dem Wasser 191 schwimmt. Der Boden 192 ist harter Felsgrund, der mit einer mehr oder weniger leicht zu durchdringenden Auflageschicht 193 bedeckt ist.

Das Baggerrohr 196 ist schräg geneigt angebracht, so daß es mit einem Ende über die Kante des Schwimmkörpers 190 hinwegragt und mit dem zweiten, mit einem Fuß 198 ausgestatteten Ende, auf dem Boden 192 aufliegt. Der Fuß 198 ist mit einer Stützrolle 198a ausgestattet, die am Boden 192 entlangrollt und ihn immer in geeignetem Abstand vom Boden hält. Das Baggerrohr 196 ist von einem Hüllrohr 199 umgeben, das kurz unterhalb des oberen Endes des Baggerrohres 196 beginnt und sich bis unter die Wasseroberfläche erstreckt. An den beiden Enden des Hüllrohres 199 befinden sich Abstandsringe 100 und 101, die es in entsprechendem Abstand vom Baggerrohr 196 halten.

Das Baggerrohr 196, ein darauf befestigter Schwingungsgenerator 109 und das Hüllrohr 199 sitzen auf einem hufeisenförmigen Federelement 104, daß auf einer Seite mit dem Abstandsring 100 und auf seiner anderen Seite mit der Unterfläche eines schräggeneigten Riffelbrettes 105 verbunden ist. Das Riffelbrett 105, das mit Rippen 105a versehen ist, ist auf dem Schwimmkörper 190 mit gebogenen Blattfedern 106 und 107 befestigt. Ein Teil der Schwingungsenergie geht auch auf das Riffelbrett 105 über, wodurch schwerere Erzbestandteile von dem leichten Sand und den Steinen getrennt werden. Das schwerere Material bleibt in Rillen 1056 des Riffelbrettes 105 zurück. Die beiden Blattfedern 106 und 107 isolieren dann das Riffelbrett 105 vom Schwimmerkörper 190, so daß dieser kaum noch in Schwingungen versetzt wird. Am Hüllrohr 199 sind Handgriffe 108 befestigt

Der Schwingungsgenerator 109 hat ein im wesentlichen rechteckiges Gehäuse 110, das auf einer Grundplatte 111 befestigt ist, die wiederum auf einem Abstandsstück 112 sitzt, das zwischen die Grundplatte 111 und die Oberseite des Baggerrohres 196 eingefügt ist. Das Baggerrohr 196 ist an seinem oberen Ende gebogen, so daß sich das gepumpte Material mit waagerechtem Austrittsstrom auf das Riffelbrett 105 ergießt. Mit Hilfe von Kopfschrauben 113 ist der Schwingungsgenerator 109 fest auf dem Baggerrohr 196 verschraubt.

Der Schwingungsgenerator 109 wird mit Luft betrieben. Eine Luftzuführleitung 115 verbindet den Generator mit einem Kompressor 116, der von einem Verbrennungsmotor 117 angetrieben wird: Kompressor 116 und Verbrennungsmotor 117 stehen auf einer gemeinsamen Grundplatte 118, die auf Tragbögen 119 abgestützt ist. Die Luft, die aus dem Schwingungsgenerator 109 austritt, wird über eine Leitung 120 in das Hüllrohr 199 geleitet, in welchem sie nach unten strömt und durch Öffnungen 122 im Baggerrohr 196 nahe dem unteren Ende des Hüllrohres 199 in das Baggerrohr 196 eintritt. Die Luft vermischt sich mit dem Wasser, das sich innerhalb des Baggerrohres 196 befindet und vermindert somit dessen Dichte, so daß das Wasser und das darin aufgeschlämmte Bodenmaterial im Baggerrohr 196 nach oben treiben.

Der Fuß 198 kann Schneidkanten aufweisen und dann mit dem Boden 192 oder der Auflageschicht 193 in Berührung sein. Der am oberen Ende mit dem elastischen Baggerrohr 196 verbundene Schwingungsgenerator 109 überträgt auf das Baggerrohr eine Schwingung, deren eine Komponente in Längsrichtung des Rohres und deren andere quer zum Rohr orientiert ist. Der Schwingungsgenerator 109 wird so angetrieben, daß seine Frequenz gleich der Resonanzfrequenz einer stehenden Halbwellen-Längsschwingung im Baggerrohr 196 ist; es kann jedoch dazu auch eine Oberschwingung erzeugt werden (s. W in Fi g. 2). Die Komponente der Zentrifugalkraft des Unwuchtrotors, die im rechten Winkel zur Längsachse des Baggerrohres 196 steht, erzeugt in diesem eine Biegeschwingung. Da aber im allgemeinen die Resonanzfrequenz einer stehenden Längswelle und die einer Biegeschwingung erheblich voneinander abweichen, liegt die Biegeschwingung im allgemeinen beträchtlich von einem Resonanzwert entfernt. Das Baggerrohr 196 wird also normalerweise zu Längsschwingungen angeregt, obgleich auch Biegeschwingungen auftreten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche: -

1. Vorrichtung zum Ausheben von Erdmaterial vom Grund eines Gewässers mit einem sich bis zum Gewässergrund erstreckenden Baggerrohr, gegen den Gewässergrund gerichteten Abstrahlflächen nahe dem unteren Ende des Baggerrohres für Schwingungsenergie hoher Frequenzen und einem mit den Abstrahlflächen gekoppelten Schwingungsgenerator, dadurch gekennzeichnet, daß das Baggerrohr (20, 196) die Kopplung zwischen dem Schwingungsgenerator (22, 109) und den Abstrahlflächen (46a, 46e) bildet und mit dem Schwingungsgenerator (22, 109) und den Abstrahlflächen (46a, 46e) fest verbunden ist und daß das Baggerrohr (20,196) zu elastischen Resonanzeigenschwingungen mit einem Schwingungsbauch am die Abstrahlflächen (46a, 46e) aufweisenden Ende angeregt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Baggerrohr (20) zu einer stehenden Resonanzlängsschwingung angeregt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Halteeinrichtung am Baggerrohr (20; 196) vorgesehen ist, mittels der es gegen den Grund (15) drückbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteeinrichtung als senkrecht wirkendes Federelement, insbesondere als Luftfeder (37) ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Baggerrohr (20) ein drehbares Hüllrohr (44) aufweist, an dem die Abstrahlflächen (46a, 46e) angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 4 oder 5, gekennzeichnet durch eine Abstützvorrichtung, durch weiche das untere Ende des Baggerrohres (20) mit bestimmtem Abstand über dem Boden (192) geführt ist.