ES2295835T3 - Mejoras en aparato de perforacion. - Google Patents

Abstract

Un aparato de perforación (1) que incorpora una pluralidad de componentes articulados, que incluye: - una base (2), una pluralidad de brazos conectados a dicha base (2) y un medio de montaje (12) para una broca (203) que está conectada a dicha base (2) a través de dicha pluralidad de brazos, estando los componentes conectados entre sí por medio de unas juntas articuladas de pivote (8, 11, 14); caracterizado porque incluye además: - un medio de accionamiento (13) asociado con las juntas articuladas de pivote (8, 11) operables para hacer girar a unos componentes que están conectados entre sí en una proporción controlada para accionar el medio de montaje (12) para la broca (203) a lo largo de una trayectoria sustancialmente lineal durante la perforación.

Description

Mejoras en aparato de perforación.

Campo de la invención

Esta invención se refiere a unas mejoras en, o relacionadas con un aparato de perforación. Más específicamente, pero no de una manera exclusiva, la invención se refiere a unas mejoras en dicho aparato usado en los medios requeridos, tales como las industrias de perforación de sondeos para minería, tunelización y agua.

Antecedentes

Una de las áreas de aplicación significativa del aparato de perforación ya sea en las industrias de minería y tunelización, es la perforación de taladros para empernamiento de rocas. Se lleva a cabo el empernamiento de las rocas para evitar la caída y el derrumbamiento de las rocas y, por otra parte, para estabilizar el techo y las paredes del túnel o de la mina.

En las industrias de minería o de explotación de canteras se usan también los aparatos de perforación como una parte del proceso de excavación, por ejemplo, taladrando unos orificios para fijar explosivos para voladuras. Otros usos incluyen taladrar unos orificios de diámetro pequeño con unos fines, tales como, la explotación por gradas y la perforación de muestras.

El aparato de perforación de la técnica anterior para su uso en las situaciones antes mencionadas, incluye normalmente una pluma (brazo) a lo largo de la cual se desliza una broca de un martillo perforador por percusión. Típicamente, La pluma está montada longitudinalmente en un bastidor con la broca (barrena) montada, de manera que pueda deslizarse, sobre la pluma. Está provisto un mecanismo de alimentación separado, para desplazar individualmente la pluma y la broca. En dicho aparato la broca se mueve, típicamente, por medio de una cadena o cuerda, la cual da vueltas alrededor de las ruedas que están montadas en los extremos de la pluma y cuyos extremos están fijados a la broca. La cadena se mueve por el accionamiento de un cilindro hidráulico o similar. La pluma, a su vez, se mueve con respecto al bastidor por medio de un cilindro hidráulico que está montado entre la misma y el bastidor.

Un factor relevante para diseñar un equipo de perforación usado en la minería y tunelización subterráneas, es consecuencia del tamaño y de la maniobrabilidad en un espacio reducido.

En un aparato de la técnica anterior, si se requiere perforar un orificio de 6 m, entonces la pluma deberá ser también de 6 m de largo. Dicha configuración es apropiada para perforar orificios más pequeños, no obstante, cuando se requiere perforar un orificio más pequeño, una pluma de 6 m con una broca de acero de 2 m, tiene unos 4 m de pérdida de pluma por detrás de la broca.

Frecuentemente, se requieren unos equipos de perforación que van adosados a unos vehículos con ruedas para efectuar maniobras alrededor de unas esquinas muy ajustadas en los túneles subterráneos. Con frecuencia, la longitud del aparato de perforación impide su maniobrabilidad, siendo frecuentes las colisiones. El desmontaje a fin de mejorar la maniobrabilidad es, por lo general, impracticable.

Además de las consideraciones del espacio, el aparato de perforación usado en minería, tunelización y explotación de canteras deberá tener un diseño sólido y compacto para hacer frente a otros aspectos del medio ambiente riguroso en el que se desenvuelve.

Por desgracia, las disposiciones de deslizamiento del aparato de perforación de la técnica anterior no cumplen completamente con este requisito y tienen unas necesidades de mantenimiento elevadas. Normalmente, el mayor daño ocurre en las mangueras hidráulicas expuestas que suministran la fuerza de accionamiento a los cilindros hidráulicos que generan el movimiento hacia delante de la pluma y a la broca. Otra de las áreas problemáticas es la del carretel de la manguera hidráulica expuesta. Estos están en constante riesgo de sufrir daños debido a las rocas que caen, o de ser triturados, por cualquier número de las piezas móviles.

Además de los daños debidos a la caída de las rocas, se genera un desgaste y desgarramiento excesivos debido al medio de trabajo riguroso. El sistema de deslizamiento que se usa para hacer avanzar la broca de acero hacia el interior de las rocas, se ajusta pobremente a una situación en la que unas lascas finas de piedra del agua de descarga son arrastradas constantemente entre las superficies de desgaste. Cuando se emplee una broca por percusión, esta situación está compuesta por la acción del martillo que genera una vibración significativa del componente ocasionando la aceleración del desgaste entre las partes móviles. Estos sistemas de la técnica anterior tienen también otras partes de desgaste significativas, distintas, que están relacionadas con la acción de mover la broca hacia delante, las cuales están sometidas a unos patrones de desgaste similares.

La configuración de deslizamiento del aparato de la técnica anterior dificulta también otras actividades relacionadas comúnmente como parte del proceso de tunelización o de minería, tal como, por ejemplo, la aplicación de hormigón pulverizado. El hormigón pulverizado es un material extremadamente abrasivo, que contiene unas fibras de acero suspendidas en el hormigón. Este se pulveriza sobre la parte interior del túnel con el fin de estabilizar el techo. Si se pulveriza hormigón accidentalmente sobre las superficies deslizantes del aparato de la técnica anterior, se acelera entonces el desgaste de las mismas y aumentan los costos de reparación.

Otra de las áreas de aplicación de la invención, reconocidas en la técnica, en primer lugar debido a la naturaleza compacta del aparato construido de acuerdo con la invención, se usa conjuntamente con los carros perforadores de sondeo los cuales pueden necesitar ser transportados desde un sitio hasta otro por carreteras y autovías públicas.

Las configuraciones existentes emplean, típicamente, un diseño en forma de torre para perforar de una manera sustancial, verticalmente hacia abajo. En las patentes EP-A-0 223 575, EP-A-0 805 257. FR-A-2 351 217, US-A-4 890 680, se pueden observar unos ejemplos de dichas herramientas de la técnica anterior. Dichas disposiciones son molestas y, frecuentemente, pueden requerir un tiempo de ajuste considerable después de que hayan sido transportadas hasta el sitio de perforación. Además, debido a la configuración general de dicho equipo, el transporte en sí es una solución. Aun cuando estén desmontadas parcialmente, el movimiento de dicho equipo por carreteras públicas significa que se requieren unos vehículos de transporte de gran tonelaje, la operación de transporte es muy dilatada y costosa. Frecuentemente, también la inconveniencia de ser pública se vuelve una consecuencia.

Un objeto de la invención es el de proporcionar un aparato de perforación que solucione, al menos, algunos de los problemas identificados anteriormente con el aparato de la técnica anterior, o que, al menos, proporcione al público una opción útil.

Resumen de la invención

La invención proporciona en su aspecto más amplio un aparato de perforación de acuerdo con la reivindicación 1, que tiene una base a la cual está conectado, de manera que pueda girar, un brazo de montaje de la broca, dicho brazo de montaje de la broca comprende un brazo interno y un brazo externo, teniendo dicho brazo interno un primer extremo y un segundo extremo y dicho brazo externo tiene un extremo junta articulada de pivote y un extremo libre, dicho primer extremo del brazo interno está conectado pivotalmente, a través de una primera junta articulada de pivote, a la base y dicho segundo extremo está conectado pivotalmente, a través de una segunda junta articulada de pivote, al extremo junta articulada de pivote del brazo externo, un medio de montaje que está adaptado para, en funcionamiento, montar una broca que está provista en el extremo libre del brazo externo, el aparato incluye además un medio de accionamiento que está adaptado para accionar el medio de montaje en el extremo libre del brazo externo a lo largo de una trayectoria sustancialmente lineal, durante la perforación.

Preferiblemente, el brazo interno está desalineado con respecto al brazo externo para permitir que el brazo externo gire hasta pasar el brazo interno sin interferencias. De una manera óptima, el brazo externo puede girar, al menos, unos 320 grados con respecto al brazo interno.

Preferiblemente, el brazo interno puede girar unos 180 grados con respecto a la base.

Preferiblemente, el brazo interno y el brazo externo tienen sustancialmente la misma longitud y la base está configurada y dispuesta de manera que pueda evitar las interferencias con el extremo libre del brazo externo.

Convenientemente, el medio de montaje está montado pivotalmente a través de una tercera junta articulada de pivote al extremo libre del brazo externo.

Preferiblemente, el medio de accionamiento comprende uno o más cilindros hidráulicos. Uno o más cilindros hidráulicos accionan pivotalmente, de manera óptima, la primera, segunda y tercera juntas articuladas de pivote.

Preferiblemente, la segunda junta articulada de pivote incluye un brazo desalineado que está situado en el mismo eje que el brazo externo, no obstante, está desalineado unos 90 grados con respecto al brazo externo, lográndose el accionamiento de la segunda junta articulada de pivote a través de un par de dichos cilindros hidráulicos que están montados de tal manera que cuando el primero de dichos cilindros hidráulicos esté completamente extendido o retraído y, por lo tanto, no sea capaz de hacer girar el brazo externo, entonces el segundo de dichos cilindros hidráulicos estará situado en la mitad de su carrera.

En una forma más preferente de la invención, la tercera junta articulada de pivote sirve como una junta articulada de corrección angular de la perforación de manera que, en funcionamiento, mantenga la broca de acero sobre el plano correcto durante el proceso de perforación.

Preferiblemente, el aparato incluye además un brazo de soporte de la broca de acero para, en funcionamiento, soportar la broca de acero en la posición correcta durante la perforación.

Preferiblemente, dicho brazo de soporte es retráctil, siendo el retraimiento o avance del brazo de soporte paralelo al eje de perforación.

Convenientemente, todas las mangueras hidráulicas asociadas con el medio de accionamiento están alojadas dentro de los brazos interno y externo. A fin de permitir que el fluido hidráulico, el agua y el aire alcancen, de manera óptima, los diversos equipos hidráulicos, una broca que, en funcionamiento, está montada sobre los cierres rotativos del medio de montaje y unos pasadores portátiles, se emplean en las juntas articuladas y están configurados y dispuestos de tal manera que permitan una rotación de 360 grados sin que se tuerzan las mangueras.

Preferiblemente, el medio de montaje incluye una boquilla pulverizadora de hormigón y el aparato incluye unas tuberías de alimentación de hormigón pulverizado para permitir que, en funcionamiento, el hormigón pulverizado pueda ser pulverizado usando el aparato de perforación.

El aparato incluye además, de manera óptima, unos controles computerizados, para que los diversos controles hidráulicos y cilindros de posicionamiento se accionen de acuerdo con un modelo controlado por un software de ordenador.

Preferiblemente, los controles computerizados incluyen unos sensores para establecer las posiciones de las diversas piezas componentes del aparato y dichos controles computerizados incluyen unas características de autodiágnostico, de tal manera que cuando los brazos interno y externo estén situados en una cierta posición física se compruebe entonces la precisión de los sensores.

Se proporciona, de una manera conveniente, un sensor en el circuito de alimentación de fluido hidráulico para detectar si la broca de acero está comenzando a atascarse.

Preferiblemente, el aparato incluye un sensor en el circuito de alimentación de fluido hidráulico que proporciona la rotación a la broca de acero, estando dicho sensor adaptado para detectar la frecuencia del accionamiento del martillo para determinar los ajustes óptimos de la velocidad/presión de alimentación.

Preferiblemente, la invención incluye además un medio electrónico de almacenamiento y exhibición de datos para los datos registrados a partir de diversos sensores situados en los circuitos de alimentación hidráulica y neumática para establecer el consumo y rendimiento de la herramienta y de la broca de acero, la dureza de las rocas y la geología y el número de pernos que hayan sido instalados durante un período de uso proporcionado.

Las ventajas de la presente invención consisten en que proporciona un dispositivo de alimentación para perforar las rocas, en el cual la estructura que lleva a cabo los movimientos de desplazamiento es tan sencilla como sea posible y utiliza un mecanismo no deslizante ni mangueras expuestas.

Una ventaja adicional consiste en que el aparato de acuerdo con la invención sea capaz de realizar varias tareas y que sea capaz también de usarse en unas aplicaciones tales como el pulverizado de hormigón, así como el empernamiento de rocas y las perforaciones de sondeo.

Incluso, otra ventaja adicional consiste en que el aparato de acuerdo con la invención pueda utilizar una serie de brocas de acero de longitudes distintas en la misma configuración, sin desperdiciar el espacio.

Una ventaja todavía más adicional consiste en que el aparato de la invención se puede plegar fácilmente en una forma compacta, con el fin de facilitar su transporte.

Breve descripción de los dibujos

Dos formas preferentes de la invención se describirán ahora, a modo de ejemplo solamente, y sin limitaciones, como el ámbito propuesto de la invención según se ha reivindicado. Las realizaciones preferentes tienen una aplicación particular en la perforación de rocas y se describen a continuación haciendo referencia a los dibujos adjuntos. Los dibujos comprenden las figuras 1 a 19, de la manera siguiente:

La Figura 1: es una vista lateral en alzado de un aparato de perforación de acuerdo con la presente invención:

La Figura 2: es una vista en planta del aparato mostrado en la Figura 1;

La Figura 3: es una vista posterior del aparato mostrado en la Figura 1;

La Figura 4: es una vista frontal del aparato mostrado en la Figura 1;

La Figura 5: es una vista lateral en alzado, esquemática, del aparato mostrado en las Figuras 1 a 4, en funcionamiento, que muestra los diversos cilindros hidráulicos y los acoplamientos por pasador de las juntas articuladas;

La Figura 6: es una vista lateral en alzado, esquemática, de una versión alternativa del accionamiento sustancialmente mecánico de un aparato de acuerdo con la invención;

Las Figuras 7 y 8: muestran unas vistas esquemáticas tridimensionales del aparato mostrado en la Figura 6, en distintos estados de accionamiento;

Las Figuras 9 a 12: muestran una serie de vistas tridimensionales del aparato mostrado en las Figuras 1 a 4, en diferentes etapas de accionamiento, demostrando la gama de movimientos posibles;

Las Figuras 13 a 18: muestran una serie de vistas laterales en alzado del aparato mostrado en las Figuras 1 a 4, en diferentes etapas de accionamiento durante el proceso de perforación;

La Figura 19: es una vista en perspectiva del aparato mostrado en las Figuras 1 a 4, plegado para fines tales como el transporte;

La Figura 20: es una vista en perspectiva del aparato mostrado en las Figuras 1 a 4, según se observa desde el lado derecho posterior; y

La Figura 21: es una vista en perspectiva del aparato mostrado en la Figura 20, según se observa desde el lado izquierdo frontal.

Descripción de las realizaciones preferentes

Haciendo referencia a los dibujos, está provisto un aparato de perforación indicado generalmente con el número 1. El aparato 1 tiene una base 2 a partir de la cual un brazo de perforación 3 está montado pivotalmente. El brazo de perforación 3 tiene un brazo interno 4 y un brazo externo 5.

El brazo interno 4 tiene un primer extremo 6 y un segundo extremo 7. El primer extremo 6 está conectado pivotalmente, a través de una primera junta articulada de pivote 8, a la base 2. El brazo externo 5 tiene un primer extremo 9 y un segundo extremo 10. El segundo extremo 7 del brazo interno 4 está conectado pivotalmente, a través de una segunda junta articulada de pivote 11, al primer extremo 9 del brazo externo 5.

En el segundo extremo 10 del brazo externo 5 se encuentra un conjunto 12 de montaje de la broca.

El accionamiento de los brazos interno y externo 4 y 5, se lleva a cabo a través de un medio de accionamiento en forma de cilindros hidráulicos 13. Una operación correcta de los cilindros 13 hace que el segundo extremo 10 del brazo externo 5 siga una trayectoria sustancialmente lineal.

El brazo interno 4 está desalineado con respecto al brazo externo 5 para permitir que el brazo externo 5 pueda girar hasta pasar el brazo interno 4, sin interferencias. La desalineación es tal que el brazo externo 5 puede girar, al menos, unos 320 grados con respecto al brazo interno 4.

La función de la primera junta articulada de pivote 8 es la de mantener situado el brazo de la broca 3 en la posición angular correcta durante la operación de perforación. En la realización preferente ilustrada en las Figuras 1 a 5 y 9 a 22 (en lo que sigue "la primera realización preferente"), esto se logra usando dos cilindros hidráulicos 101 y 102 para su posicionamiento. Estos cilindros 101 y 102 están desalineados entre sí unos 75 grados. La razón para lo anterior, es la de mantener, al menos, uno de los cilindros 101 y 102 situado en una posición normal al eje de pivote de la junta articulada 8 de la base, en cualquier momento dado, permitiendo así que el brazo interno 4 pueda girar hasta unos 180 grados con respecto a la base 2.

En la primera realización preferente, los cilindros hidráulicos 103 y 104 manipulan los brazos 4 y 5, entre sí. La junta de pivote 11 utiliza una disposición que permita que el brazo externo 5 pueda girar más de 180 grados.

A ese respecto, se proporciona una palanca desalineada 105, que está situada sobre el mismo eje que el brazo externo 5, pero con la posición de accionamiento del cilindro hidráulico 103 desalineada unos 90 grados con respecto a la posición de accionamiento del cilindro hidráulico 104 del brazo externo 5. Esto significa que cuando uno de los cilindros 103/104 esté completamente extendido o retraído y, por lo tanto, no tenga capacidad para hacer girar el brazo, entonces el otro cilindro 104/103 estará situado en la mitad de su carrera. De esta manera, cuando el cilindro 103 del brazo, desalineado, esté completamente retraído y no pueda hacer girar a la palanca desalineada 105, entonces el cilindro 104 del brazo externo estará situado en la mitad de su carrera y en una posición normal con el eje.

El brazo interno 4 y el brazo externo 5 tienen, sustancialmente, la misma longitud y la disposición de las juntas 8 y 11 y de los brazos 4, 5, es tal que el proceso de perforación es capaz de comenzar desde detrás de la junta articulada 8 de la base y se refiere también a que las longitudes de los brazos 4, 5 solamente necesitan estar comprendidas en el orden del 28% de la longitud de la broca de acero. Por ejemplo, cuando se use una broca de acero de 4 m entonces cada uno de los brazos interno y externo 4, 5 solamente necesitarían tener una longitud de 1,2 m de largo. Por lo tanto, esta característica proporciona una flexibilidad máxima en cuanto a la cota de longitudes de las brocas de acero que se pueden utilizar.

Una junta articulada 14 de corrección angular de la broca está montada en el extremo libre 10 del brazo externo 5. La función de esta junta 14 consiste en mantener la broca situada en el plano correcto durante el proceso de perforación. El mecanismo usado se conoce en la técnica, consistiendo en un conjunto mecánico similar al que se usa para mover las dragas de las excavadoras hidráulicas. Este sistema incluye un bastidor 15 de la broca y un cilindro 106 de posicionamiento del bastidor de la broca, para mover el bastidor 15 de la broca hasta unos 180 grados.

La primera realización preferente de la invención incluye además un brazo 107 de posicionamiento de la broca de acero. Un bloque 108 guía de la broca de acero se encuentra adosado al extremo frontal de este brazo 107. El brazo 107 tiene tres funciones, es decir, que dirige el cabezal 201 de la broca de acero 202, mantiene la broca de acero 202 en su posición para acollarar el orificio y se mueve hasta la mitad de la broca de acero 202 como un soporte, cuando la perforadora 203 esté trabajando.

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El brazo 107 es retraíble, siendo la dirección de retracción o de avance, lineal o paralela, al eje de perforación. El brazo 107 está montado pivotalmente a la base 2, siendo accionada su rotación por medio de un cilindro hidráulico 109 que se extiende entre el brazo 107 y la base 2.

La estabilidad para la broca de acero 202 cuando no se proporciona el acollaramiento debido a la rigidez del brazo 107, pero por el contrario, a través del punto 204 situado en el extremo libre del brazo 107 que se impulsa hacia la roca. Esta fuerza se alcanza aplicando una fuerza de extensión al brazo 107, dando como resultado, preferentemente, la aplicación de una fuerza de hasta 8 toneladas.

La Figura 5 muestra esquemáticamente los puntos de operación y de accionamiento de los diversos cilindros hidráulicos, de los acoplamientos y de las juntas articuladas de pivote.

En la primera realización preferente todas las mangueras hidráulicas asociadas con los diversos equipos hidráulicos están alojadas dentro de los brazos interno y externo 4, 5 (no mostrados en la Figura 5). Esta es una ventaja significativa con respecto a los diseños de la técnica anterior.

A fin de permitir que el fluido hidráulico, el agua y el aire, alcancen los diversos equipos hidráulicos, unos cierres rotativos del martillo y de la broca 203 y unos pasadores portátiles se emplean en las juntas articuladas, estando configurados y dispuestos de manera que permitan una rotación de unos 360 grados sin que se tuerzan las mangueras.

En la primera realización preferente, el aparato 1 incluye además unos controles computerizados de manera que los cilindros hidráulicos de control y de posicionamiento sean accionados de acuerdo con un patrón controlado mediante software de ordenador.

El control computerizado permite también que se use una multitud de longitudes distintas de la broca de acero 202 con la misma unidad 1 calibrada. La longitud deseada de la broca de acero 202 puede seleccionarse simplemente a partir del menú del ordenador y entonces el ordenador vuelve a calcular el movimiento mecánico para adaptarlo a la longitud de la broca de acero 202.

En la primera realización preferente el movimiento lineal del brazo 3 (que se usa mientras se esté perforando o posicionando) se obtiene usando un control computerizado. Existe un número de elementos para esta estrategia de control. En primer lugar, se miden las posiciones del brazo 3 y de las juntas articuladas 8, 11, 14 con los sensores 301, 302, 303 y 304. Estos sensores son unos dispositivos compactos inmunes a las vibraciones y se usan para medir la posición y velocidad rotacionales.

Las coordenadas cartesianas del brazo 107 se calculan utilizando las posiciones medidas por los sensores.

Se calcula entonces la posición angular deseada de los brazos 4, 5 usando las coordenadas cartesianas del brazo 107. Se calculan también las velocidades angulares deseadas. Esto se realiza, diferenciando las posiciones angulares deseadas de los brazos 4, 5.

Las velocidades deseadas de las juntas articuladas 8, 11 del brazo y las posiciones de los brazos 4, 5, se usan para calcular las velocidades deseadas de los cilindros hidráulicos, lo cual se logra a través de unos controladores PID por medio de unos amplificadores de modulación de la anchura de los impulsos (PWM) que accionan unas válvulas hidráulicas proporcionales.

Las variables del proceso para los controladores PID son las posiciones de las juntas 8/11/14 de los brazos. La realimentación de las posiciones de las juntas de los brazos se mide con los sensores 301, 302 y 303.

El movimiento lineal de los brazos 4, 5 mientras se esté perforando es similar, en la mayoría de los aspectos, al posicionamiento. No obstante, los brazos 4, 5 y el bastidor 15 de la broca siguen una línea imaginaria a través del bloque 108 guía de la broca de acero, en el mismo ángulo de entrada que el del brazo 107 dentro de la roca.

Durante la perforación, el brazo 107 se extiende hasta la mitad del ritmo de taladrado de la broca de acero 202.

Antes de comenzar la perforación, el brazo 107 dirige los brazos 4, 5 y al bastidor 15 de la broca. El operador ajusta el ángulo del brazo 107 y su extensión, hasta que se realice el contacto con la roca.

Según se ha ilustrado en las Figuras 9 a 18, el proceso de perforación comienza con el acollaramiento. Este es lo mismo que el proceso de perforación descrito anteriormente, excepto que la posición del brazo 107 permanece fija durante el proceso.

Al mismo tiempo que se esté perforando, se usa la presión hidráulica alimentación para ajustar la velocidad objetivo de la broca de acero 202. Se mide la presión de alimentación por medio de un sensor 305 de carga de perforación que está montado entre la broca 203 y el bastidor 15 de la broca.

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Una vez que se haya alcanzado la profundidad de perforación requerida, entonces la broca de acero 202 se retraerá automáticamente. La retracción es esencialmente similar a la perforación, excepto que en vez de que la broca de acero 202 siga la línea hacia la roca, sigue la línea en dirección opuesta y el brazo 107 permanece fijo a través de todo el proceso.

Una característica de autodiagnóstico forma parte del sistema de control computerizado. En ese sentido, las válvulas de control proporcional hidráulico requieren unos datos de calibración de tal manera que el ordenador sea capaz de controlar las velocidades de los cilindros, con precisión. El ordenador mueve cada una de las juntas 8, 11, 14 sobre una cota de Modulaciones de Amplitud de los Impulsos (PWM) al mismo tiempo que esté midiendo la velocidad para cada una de las juntas. A partir de esto, se calculan las velocidades de los cilindros. Estos datos de la velocidad de modulación/cilindro se almacenan y se usan para las operaciones de posicionamiento y de perforación.

Debido a la naturaleza mecánica y eléctrica de los sistemas de control de la primera realización preferente, sirven bien para almacenar y exhibir los datos tales como los del consumo y rendimiento de la herramienta y de la broca de acero, la dureza de la roca y geología y de simple información acerca del número de pernos que se instalaron en un turno. Los sistemas de empernamiento de rocas que están disponibles actualmente en el mercado son completamente mecánicos y no ofrecen medios para registrar la geología de las rocas ni otros datos de importancia.

De esta manera, la primera realización preferente puede incluir además un sistema de geo-detección para registrar la geología de las rocas a través del uso de unos sensores a presión sobre el martillo perforador. Preferiblemente, esta información se envía a un panel de control de una pantalla digital (TSCP) o similar y se transforma después en una imagen de 3D del túnel en la cual se pueden exhibir los orificios taladrados por la unidad perforadora. Esto permite que los geólogos del proyecto puedan visualizar las condiciones de la roca en tiempo real. Los orificios pueden estar codificados en colores para señalar las variaciones de la dureza de la roca.

Haciendo ahora una referencia específica a las Figuras 6 a 8, se muestra una versión completamente mecánica del aparato 1.

En esta segunda realización preferente, no existe un control computerizado. Es simplemente un diseño mecánico que incorpora los cilindros hidráulicos y los acoplamientos mecánicos. No obstante, los principios de operación son fundamentalmente los mismos que los de la primera realización preferente y los mismos componentes tienen la misma numeración.

Según se ilustra, existen dos brazos 3 yuxtapuestos (situados lado a lado), con los dos brazos internos 4 separados para permitir que la parte del brazo externo 5 pueda oscilar a través de los mismos.

Los acoplamientos 401 de los cilindros hacen girar los brazos internos 4 hacia la izquierda cuando los cilindros hidráulicos 13 se retraigan. Durante la primera mitad de la carrera, los brazos externos 5 son atraídos hacia delante por medio de los brazos de reacción 402 (los cuales están en tensión). Durante la segunda mitad de la carrera, los brazos externos 5 son impulsados hacia delante por los brazos de reacción 402 (los brazos de reacción están comprimidos), los cuales están conectados a los brazos palanca 403. Los brazos palanca 403 giran a través de los acoplamientos 401 de los cilindros, cuando los cilindros 13 son retraídos, haciendo así que los brazos externos 5 giren en una dirección hacia la derecha.

La posición de perforación de la roca se mantiene a través de dos brazos 404 de nivelación de la broca.

Mientras que los componentes hidráulicos de la primera realización preferente han sido descritos como controlados por ordenador, en un estudio alternativo se puede lograr el control utilizando unos divisores de flujo y unos cilindros de distinto tamaño para mantener una trayectoria lineal en el extremo del brazo 5. En dicha realización, la junta articulada 11 de conexión del brazo externo 5 con el brazo interno 4, viaja dos veces la distancia rotacional que la conexión de la junta articulada 8 del brazo interno. Para lograr esta proporción se emplea un divisor de flujo, de tal manera que el volumen de los cilindros usados para manipular el brazo externo 5 sea la mitad que el volumen de los cilindros usados para el brazo interno 4.

Otro procedimiento para lograr lo anterior, es el de usar unos cilindros auxiliares entre el brazo interno 4 y la base 2. Estos deben tener el doble del volumen que los cilindros usados para manipular el brazo externo 5.

Volviendo ahora al uso de la primera realización preferente en el contexto de una disposición de un equipo de sondeo, el aparato 1 se puede montar sobre la plataforma de un camión o de una unidad de transporte similar (no mostrada). Las piezas componentes del aparato 1 son sustancialmente iguales que las descritas anteriormente, no obstante, la broca 203 es sustituida por un cabezal de perforación apropiado de configuración conocida.

Haciendo referencia específicamente a la Figura 19, la base 2, por ejemplo, puede montarse pivotalmente a la plataforma del vehículo a través de los soportes de montaje 501, 502. En la orientación ilustrada, el aparato 1 está plegado en su forma más compacta e idealmente apropiada para su transporte. En funcionamiento, la base 2 puede girar a través de los cilindros hidráulicos conformando un ángulo de, por ejemplo, unos 90 grados de tal manera que el brazo 107 esté dirigido verticalmente con el propósito de comenzar la operación de perforación. Se pueden emplear unos estabilizadores para vehículos conocidos en la técnica para proporcionar una plataforma de perforación estable.

Por lo tanto, unas ventajas de la presente invención consisten en que el aparato de perforación de rocas que utiliza la tecnología de la invención, proporcione un brazo perforador que tenga unas pocas piezas de desgaste, unas mangueras hidráulicas no expuestas y, consecuentemente, un mantenimiento más reducido, dando como resultado un tiempo de parada de coste reducido e inconveniente. La configuración de su diseño permite además el uso del aparato en espacios restringidos, a diferencia de los dispositivos convencionales.

Podrá apreciarse que sin adaptarse a la invención, se puede modificar el aparato de la presente invención para pulverizar hormigón como un revestimiento del túnel. En dicha configuración, se podría usar el mismo diseño mecánico básico, no obstante, una boquilla de pulverización de hormigón podría trabajar conjuntamente con la broca para permitir que un taladro realice dos tareas. El control computerizado para el movimiento se podría modificar de tal manera que se ajuste a esta aplicación adicional.

Cuando en la descripción anterior se hace referencia a números enteros o a unos componentes que tienen unos equivalentes conocidos, entonces dichos equivalentes se incorporan aquí como si hubiesen sido descritos individualmente.

Aunque esta invención haya sido descrita a modo de ejemplo usando unas realizaciones posibles, podrá apreciarse que se pueden llevar a cabo unas mejoras y/o modificaciones a la misma sin tener que apartarnos del ámbito de la invención, según se ha reivindicado.

Claims (22)

1. Un aparato de perforación (1) que incorpora una pluralidad de componentes articulados, que incluye:

- una base (2), una pluralidad de brazos conectados a dicha base (2) y un medio de montaje (12) para una broca (203) que está conectada a dicha base (2) a través de dicha pluralidad de brazos, estando los componentes conectados entre sí por medio de unas juntas articuladas de pivote (8, 11, 14);

caracterizado porque incluye además:

- un medio de accionamiento (13) asociado con las juntas articuladas de pivote (8, 11) operables para hacer girar a unos componentes que están conectados entre sí en una proporción controlada para accionar el medio de montaje (12) para la broca (203) a lo largo de una trayectoria sustancialmente lineal durante la perforación.

2. Un aparato de perforación según se reivindica en la reivindicación 1, en el que la pluralidad de brazos comprende un brazo interno (4) y un brazo externo (5), teniendo dicho brazo interno (4) un primer extremo (6) y un segundo extremo (7) y dicho brazo externo (5) tiene un extremo (9) junta articulada de pivote y un extremo libre (10), estando dicho primer extremo (6) del brazo interno (4) conectado pivotalmente, a través de una primera junta articulada de pivote (8), a la base (2) y dicho segundo extremo (7) está conectado pivotalmente, a través de una segunda junta articulada de pivote (11), al extremo (9) junta articulada de pivote del brazo externo (5).

3. Un aparato según se reivindica en la reivindicación 2, en el que el brazo interno (4) está desalineado con respecto al brazo externo (5) para permitir que el brazo externo (5) gire hasta pasar el brazo interno (4), sin interferencias.

4. Un aparato según se reivindica en la reivindicación 3, en el que el brazo externo (5) puede girar al menos unos 320 grados con respecto al brazo interno (4).

5. Un aparato según se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, en el que el brazo interno (4) puede girar unos 180 grados con respecto a la base (2).

6. Un aparato según se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, en el que el brazo interno (4) y el brazo externo (5) tienen sustancialmente la misma longitud, y la base (2) está configurada y dispuesta para evitar interferir con el extremo libre (10) del brazo externo (5).

7. Un aparato según se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6, en el que el medio de montaje (12) está montado pivotalmente, a través de una tercera junta articulada de pivote (14), al extremo libre (10) del brazo externo (5).

8. Un aparato según se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el medio de accionamiento (13) comprende unos accionadores hidráulicos que operan sobre las juntas articuladas de pivote (8, 11, 14), asociadas.

9. Un aparato según se reivindica en la reivindicación 8, en el que los accionadores hidráulicos comprenden unos cilindros hidráulicos (13, 101, 102, 103, 104, 106) en forma de unos conjuntos de pistón y cilindro.

10. Un aparato según se reivindica en la reivindicación 9 cuando depende de la reivindicación 7, en el que la segunda junta articulada de pivote (11) incluye un brazo (105) desalineado situado sobre el mismo eje que el brazo externo (5) pero desalineado unos 90 grados respecto del brazo externo (5), el accionamiento de la segunda junta articulada de pivote (11) se logra a través de un par de dichos cilindros hidráulicos (103, 104) que están montados de tal manera que cuando dicho primer cilindro hidráulico (103) esté completamente extendido o retraído, dicho segundo cilindro hidráulico (104) estará situado en la región media de su carrera.

11. Un aparato según se reivindica en la reivindicación 6, en el que la tercera junta articulada de pivote (14) sirve como una junta de corrección angular de la broca de manera que, en funcionamiento, mantenga una broca de acero (202) situada sobre el plano correcto durante el proceso de perforación.

12. Un aparato según se reivindica en la reivindicación 11, en el que el aparato incluye además un brazo de soporte (107) para la broca de acero, que se puede trabar entre la base (2) y la cara del material que se esté perforando, para facilitar el soporte de una broca de acero (202) en la posición correcta durante la perforación.

13. Un aparato según se reivindica en la reivindicación 12, en el que dicho brazo de soporte (107) es retraíble, siendo la retracción o el avance del brazo de soporte (107) sustancialmente paralelo al eje de perforación.

14. Un aparato según se reivindica en la reivindicación 8, en el que toda la manguera hidráulica asociada con el medio de accionamiento (13) está alojada dentro de los brazos (4, 5).

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15. Un aparato según se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que incluye además una broca (203) que está montada sobre el medio de montaje (12).

16. Un aparato según se reivindica en la reivindicación 14, en el que a fin de permitir que el fluido hidráulico, el agua y el aire alcancen los distintos equipos hidráulicos y la broca (203) que están montados sobre los cierres rotativos del medio de montaje (12), se emplean juntas rotativas y los pasadores portátiles se emplean en las juntas (8, 11, 14) y están configurados y dispuestos para permitir una rotación de unos 360 grados sin que se tuerzan las mangueras.

17. Un aparato según se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, que incluye una boquilla pulverizadora de hormigón que está montada sobre el medio de montaje (12), y el aparato incluye unas tuberías de alimentación de hormigón pulverizado para permitir que, en funcionamiento, el hormigón pulverizado pueda ser pulverizado usando el aparato de perforación (1).

18. Un aparato según se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el aparato incluye además unos controles computerizados de manera que los diversos medios de accionamiento (13) se accionen de acuerdo con un patrón controlado por el software de un ordenador.

19. Un aparato según se reivindica en la reivindicación 18, en el que los controles computerizados incluyen unos sensores (301, 302, 303, 304) para establecer las posiciones de las distintas piezas componentes del aparato (1), incluyendo dichos controles computerizados unas características de autodiagnóstico, de tal manera que cuando los distintos brazos estén situados en una cierta posición física se compruebe entonces la precisión de los sensores (301, 302, 303, 304).

20. Un aparato según se reivindica en la reivindicación 19, en el que se proporciona un sensor en el circuito de alimentación de fluido hidráulico para detectar si la broca de acero (202) está comenzando a atascarse.

21. Un aparato según se reivindica en la reivindicación 19 ó 20, en el que el aparato incluye un sensor situado sobre el alimentador de retorno del circuito de alimentación de fluido hidráulico que suministra la rotación a la broca de acero (202), estando dicho sensor adaptado para detectar la frecuencia de la acción del martillo para determinar los ajustes de velocidad/presión de la alimentación, óptimos.

22. Un aparato según se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 19 a 21, en el que el aparato incluye además unos medios electrónicos de almacenamiento y exhibición de datos, para los datos registrados desde varios sensores situados en los alimentadores hidráulicos y neumáticos y para establecer el consumo y rendimiento de la herramienta y de la broca de acero (202), la dureza de las rocas y geología y el número de pernos instalados en un período de funcionamiento dado.