ES2312662T3 - Metodo y aparato para supervisar el funcionamiento de un dispositivo de percusion. - Google Patents
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Abstract
Un aparato para supervisar la operación de un dispositivo de percusión, incluyendo el dispositivo de percusión (1) un pistón de percusión (3) y un canal de presión (5) para suministrar medio de presión al dispositivo de percusión (1) para mover el pistón de percusión (3), e incluyendo el aparato un sensor (8), dispuesto en conexión con el canal de presión (5), que está adaptado para medir pulsación de presión del medio de presión que actúa en el canal de presión (5) y que presenta dicha presión como una curva de presión (10), caracterizado porque el aparato incluye además un dispositivo analizador (9), que está dispuesto para determinar parámetros que ilustran el estado operativo del dispositivo de percusión (1) de la pulsación de presión y para determinar el estado operativo del dispositivo de percusión (1) en base a dichos parámetros, y porque el estado operativo del dispositivo de percusión (1) se ilustra en base a al menos una de las variables siguientes: la posición del pistón de percusión (3) en el dispositivo de percusión (1), la longitud de carrera del pistón de percusión (3), la velocidad de impacto del pistón de percusión (3) y la velocidad de rebote del pistón de percusión (3).
Description
Método y aparato para supervisar el
funcionamiento de un dispositivo de percusión.
La invención se refiere a un aparato para
supervisar la operación de un dispositivo de percusión que tiene
las características del preámbulo de la reivindicación 1. Tal
aparato se conoce, por ejemplo, por
JP-A-11.333.757.
La invención también se refiere a un método para
supervisar la operación de un dispositivo de percusión que tiene las
características del preámbulo de la reivindicación 6.
Cuando se perforan agujeros en una roca con una
máquina de perforar roca, las condiciones de perforación varían de
formas diferentes. Las capas de la masa de roca pueden variar en
dureza, y por lo tanto las características que afectan a la
operación de taladrar deberá ser ajustadas según la resistencia a la
perforación. En la perforación, hay simultáneamente cuatro
funciones diferentes en uso: girar el taladro en un agujero a
perforar, romper la roca chocando un portabrocas con el pistón de
percusión así como alimentación y limpieza del taladro, por la que
los residuos de taladrar se sacan del agujero perforado. Cuando se
rompe roca chocando el portabrocas con el pistón de percusión, se
transmite energía de impacto del pistón de percusión por medio de
vástagos de taladro, que sirven convencionalmente como extensiones
del portabrocas, a una broca de taladro que golpea en la roca
haciendo que se rompa. La correcta operación del dispositivo de
percusión contribuye así considerablemente al buen resultado de la
perforación. Los martillos percutores, en los que una herramienta
movida por el dispositivo de percusión está dispuesta para romper
la superficie a romper, no emplean rotación de la herramienta ni
limpieza. Es principalmente la operación del dispositivo de
percusión la que afecta al resultado de la rotura, si el efecto de
las características de la herramienta no se toman en cuenta. Las
variables esenciales para romper la roca incluyen la longitud de un
pulso de impacto, la amplitud del pulso de impacto, la frecuencia de
impactos y un contacto adecuado broca/roca. En la práctica, de
estas variables, todas menos la longitud del pulso de impacto son
ajustables.
Sin embargo, es muy difícil controlar la
operación del dispositivo de percusión de tal manera que se logre
el mejor resultado de la perforación o rotura posible, porque no ha
habido ninguna solución fiable para supervisar la operación del
dispositivo de percusión. Es difícil supervisar la operación del
dispositivo de percusión mientras que el taladro o el martillo de
percusión están funcionando. Se ha intentado medir la posición del
pistón de percusión con soluciones de sensor operador por láser u o
inductivo dispuestas en el dispositivo de percusión. La Patente de
Estados Unidos 4.699.223 describe el uso de un sensor inductivo para
medir la posición de un pistón de percusión. Un problema de las
soluciones basadas en sensores dispuestos en un dispositivo de
percusión es la pobre durabilidad de los sensores en las condiciones
exigentes, en las que se usan los taladros y los martillos
percutores.
Un objeto de la presente invención es
proporcionar una nueva solución para supervisar la operación de un
dispositivo de percusión.
El aparato de la invención se caracteriza por
las características de la reivindicación 1.
La idea básica de la invención es que para
supervisar la operación del dispositivo de percusión, que incluye
un pistón de percusión y un canal de presión para suministrar medio
de presión al dispositivo de percusión para mover el pistón de
percusión, se mide la pulsación de presión del medio de presión que
actúa en el canal de presión, pulsación de presión que se ilustra
como una curva de presión, y los parámetros que ilustran el estado
operativo del dispositivo de percusión se determinan a partir de la
curva de presión, y el estado operativo del dispositivo de
percusión se determina en base a dichos parámetros. En este
documento la curva de presión se refiere a la pulsación de presión
que se mide a una frecuencia de muestreo que es sustancialmente más
alta que la frecuencia de funcionamiento del dispositivo de
percusión, por lo que se puede registrar variaciones de presión muy
rápidas. La pulsación de presión es generada principalmente por un
movimiento alternativo del pistón de percusión, un impacto del
pistón de percusión, un rebote del pistón de percusión y control
hidráulico proporcionado por una válvula de control del dispositivo
de percusión. Según una primera realización de la invención, el
estado operativo del dispositivo de percusión se ilustra en base a
al menos uno de los parámetros siguientes: una posición del pistón
de percusión en el dispositivo de percusión, una carrera del pistón
del pistón de percusión, la velocidad de impacto del pistón de
percusión y la velocidad de rebote del pistón de percusión. Según
una segunda realización de la invención, el estado operativo del
dispositivo de percusión se controla en base a los parámetros que
ilustran el estado operativo del dispositivo de percusión. Según
una tercera realización de la invención, el dispositivo de percusión
está dispuesto para uso en una máquina de perforar roca y un estado
operativo del dispositivo de percusión se determina en base a los
parámetros que ilustran el estado operativo de la máquina de
perforar roca.
La invención tiene la ventaja de que la
operación del dispositivo de percusión puede ser supervisada
exactamente y en tiempo real, lo que también permite el ajuste de
la operación del dispositivo de percusión en base a información
obtenida en uno o más impactos anteriores. La curva de presión del
dispositivo de percusión puede ser medida de forma simple y la
medición se puede llevar a cabo cerca del dispositivo de percusión,
o en otro lugar, en una pluma o base de soporte del dispositivo de
percusión, por lo que no será necesario disponer sensores propensos
a fallos en el dispositivo de percusión. Además, la medición e
interpretación de la curva de presión hacen posible supervisar la
tendencia del estado del dispositivo de percusión y usarlo para
supervisar la condición del dispositivo de
percusión.
percusión.
La invención se describirá a continuación con
más detalle en conexión con los dibujos adjuntos, donde
La figura 1 es una vista esquemática lateral de
un dispositivo de percusión, parcialmente cortada, al que se aplica
la solución de la invención.
La figura 2 es una vista esquemática de una
curva de presión de medio de presión que actúa en un canal de
presión.
presión.
La figura 3 es una primera curva de presión de
un dispositivo de percusión medida en una máquina de perforar
roca.
La figura 4 es una segunda curva de presión de
un dispositivo de percusión medida en una máquina de perforar
roca.
La figura 5 es una tercera curva de presión de
un dispositivo de percusión medida en una máquina de perforar
roca.
roca.
La figura 6 representa la interdependencia del
esfuerzo de tracción máximo de una onda de esfuerzo reflejada de la
roca a perforar, la fuerza de alimentación y una variable que
representa la calidad de alimentación.
Y la figura 7 representa la interdependencia del
esfuerzo de tracción máximo de una onda de esfuerzo reflejada de la
roca a perforar, la fuerza de alimentación y una segunda variable
que representa la calidad de alimentación.
\vskip1.000000\baselineskip
La figura 1 es una vista esquemática lateral de
un dispositivo de percusión 1, parcialmente cortada. El dispositivo
de percusión 1 incluye un bastidor 2 y un pistón de percusión 3. El
dispositivo de percusión 1 puede ser el empleado en un taladro o un
martillo de percusión. El dispositivo de percusión 1 es accionado
hidráulicamente, y se puede usar aceite hidráulico,
bio-aceite o agua como fluido hidráulico o de
presión. La figura 1 representa además una bomba 4 necesaria para
mover el dispositivo de percusión 1, bomba 4 que bombea fluido a
presión a través de un canal de presión 5, en la dirección de la
flecha A, al dispositivo de percusión 1 con el fin de mover el
pistón de percusión 3 a la derecha en la figura 1, es decir para
realizar una carrera. Durante una carrera inversa del pistón de
percusión 3 el fluido a presión vuelve a un depósito 7 a través de
un canal de retorno 6 en la dirección de la flecha B. La figura 1
también representa una válvula de control 19 usada para controlar
la operación del dispositivo de percusión 1. La estructura general y
el principio operativo del dispositivo de percusión en la máquina
de perforar roca o el martillo de percusión son conocidos por los
expertos en la técnica, de modo que no se tienen que describir con
más detalle aquí, y por razones de claridad la estructura del
dispositivo de percusión 1 solamente se representa esquemáticamente
en la figura 1.
La figura 1 representa además esquemáticamente
un sensor de presión 8, que mide la presión del fluido a presión
que actúa en el canal de presión 5 y que está dispuesto en conexión
con el canal de presión 5 del dispositivo de percusión 1. El
resultado de la medición obtenido es la curva de presión 10
representada esquemáticamente en la figura 2 y que representa la
pulsación de presión de impacto o el pulso de presión del medio de
presión que actúa en el canal de presión 5. El eje horizontal de la
figura 2 representa el tiempo y el eje vertical representa la
presión. Una señal de medición, que es ventajosamente una señal de
voltaje, por ejemplo, del sensor de presión 8, correspondiente a la
curva de presión 10, es transmitida a través de un cable 11 a un
dispositivo analizador 9, donde las variables que describen el
estado operativo del dispositivo de percusión 1 son determinadas a
partir de la señal de medición correspondiente a la curva de presión
10. Los parámetros que ilustran el estado operativo del dispositivo
de percusión 1 o correlacionados con el estado operativo de un
dispositivo de percusión incluyen los parámetros siguientes, por
ejemplo:
- t_{11}
- Un momento de impacto, es decir, un momento cuando el pistón de percusión 3 golpea el portabrocas del taladro de roca o la herramienta del dispositivo rompedor,
- t_{12}
- Retro-temporización de la válvula de control 19 del dispositivo de percusión 1, cuando el movimiento inverso del pistón de percusión 3 empieza a decelerar,
- t_{13}
- Un centro muerto posterior del pistón de percusión 3, cuando el pistón de percusión 3 cambia su dirección de movimiento,
- t_{21}
- Un impacto siguiente,
- p_{1}
- La presión mínima de un ciclo de impacto, es decir, la presión en el canal de presión 5 en el momento de impacto,
- p_{2}
- Un valor de presión de impacto en el instante de tiempo t_{12},
- p_{3}
- La presión máxima de un ciclo de impacto, es decir, la presión en el centro muerto posterior.
Por ejemplo, los parámetros auxiliares
siguientes que ilustran el estado operativo del dispositivo de
percusión 1 pueden ser determinados a partir de los parámetros
anteriores:
- dt_{1}= t_{12}-t_{11}
- Una variable que es proporcional a la velocidad inversa del pistón de percusión 3 y a la distancia que el pistón de percusión ha recorrido desde el punto de impacto. Es posible utilizar la variable indirectamente para determinar el punto de impacto, es decir, la posición del pistón de percusión 3 en el momento de impacto y también para identificar el tipo de roca.
- dt_{3} = t_{21}-t_{13}
- Un parámetro relativo a la velocidad de impacto,
- t_{tot} = t_{21}-t_{11}
- El tiempo de un período de impacto, es decir la inversa de frecuencia de funcionamiento f,
- x = (p_{2}-p_{1})/(p_{3}-p_{1})
- Una relación relativa a la longitud de la carrera del pistón, que puede ser usada para ajustar el punto de impacto, por ejemplo.
\vskip1.000000\baselineskip
En base a los parámetros que ilustran el estado
operativo del dispositivo de percusión 1 o los parámetros
auxiliares determinados a partir de ellos es posible determinar el
estado operativo del dispositivo de percusión 1. Por ejemplo, el
estado operativo del dispositivo de percusión 1 puede ser ilustrado
por una o más de las variables siguientes: posición del pistón de
percusión 3 en el dispositivo de percusión 1, longitud de la
carrera del pistón de percusión 3, velocidad de impacto, velocidad
de rebote, frecuencia de funcionamiento del dispositivo de
percusión 1, o parámetros estadísticos obtenibles a partir de
ellos.
Los parámetros que ilustran el estado operativo
del dispositivo de percusión 1 o los parámetros auxiliares
determinados a partir de ellos y por ello el estado operativo del
dispositivo de percusión 1 pueden ser usados para determinar las
condiciones de perforación. Las condiciones de perforación se
refieren a un estado de perforación, que es afectado por la roca a
perforar, el equipo de perforación usado y los parámetros de
perforación, tales como la potencia de impacto, la fuerza de
alimentación, el par de giro y la presión de limpieza, siendo las
variables mensurables directamente proporcionales a ellos la presión
de impacto, la presión de alimentación, la presión de giro y la
presión de limpieza.
Gracias a la solución, la operación del
dispositivo de percusión 1 puede ser supervisada exactamente y en
tiempo real. Esto también permite el control de la operación del
dispositivo de percusión 1 en tiempo real en base a los parámetros
que ilustran el estado operativo del dispositivo de percusión 1 y
obtenidos de uno o más impactos anteriores, y por ello en base al
estado operativo del dispositivo de percusión 1. La curva de
presión 10 del dispositivo de percusión 1 puede ser medida de forma
simple. No es necesario disponer sensores propensos a fallos en el
dispositivo de percusión 1, sino que la medición se puede llevar a
cabo cerca del dispositivo de percusión, o en otro lugar, en una
pluma o base de soporte del dispositivo de percusión. La medición e
interpretación de la curva de presión 10 hacen posible supervisar la
tendencia del estado del dispositivo de percusión y usarla para
supervisar la condición del dispositivo de percusión 1 y todo el
taladro de roca o martillo de percusión, por ejemplo, en
situaciones donde la curva de presión 10 cambia cuando cambia la
pre-carga del taladro de roca o el acumulador del
martillo de percusión o cuando el diafragma del acumulador se rompe
o en situaciones donde la curva de presión 10 cambia cuando se
desgasta la espiga del taladro de roca.
La figura 3 representa una curva de presión de
dispositivo de percusión 12 medida de un taladro de roca. La curva
de presión 12 se mide en una situación donde las condiciones de
perforación han permanecido sustancialmente constantes. La figura 3
también representa un punto que corresponde a la presión mínima del
ciclo de impacto, es decir, presión p_{1} en el canal de presión
5 en un momento de impacto, un punto correspondiente a un valor de
presión de impacto p_{2} en un instante de tiempo t_{12} y un
punto correspondiente a la presión máxima p_{3} del ciclo de
impacto, es decir, la presión en el centro muerto posterior. A su
vez, la figura 4 representa una curva de presión de dispositivo de
percusión 13 medida de un taladro de roca, cuando choca en vacío.
En la situación de la figura 4 el parámetro dt_{1} correspondiente
al momento lineal del pistón de percusión y el parámetro x
correspondiente a la longitud de la carrera del pistón han
aumentado, porque la resistencia de alimentación ha disminuido.
Cuando los parámetros dt_{1} y x suben a un nivel suficientemente
alto, indica que el taladro de roca ha chocado en vacío, como
sucedió en el caso de la figura 4. La figura 5 representa otra
curva de presión de dispositivo de percusión 14 medida de un taladro
de roca en una situación, donde la transferencia de subalimentación
a alimentación suficiente ha tenido lugar incrementando la
alimentación. La subalimentación se detectó en base al parámetro
x.
La figura 6 representa el esfuerzo de tracción
máximo 15 de una onda de esfuerzo reflejada de la roca a perforar,
la fuerza de alimentación 16 y un parámetro x indicado por la curva
17 medida de un taladro de roca. En base al parámetro x es posible
determinar si la energía de impacto es excesiva en relación a la
presión de alimentación. Cuando la alimentación es suficiente, los
esfuerzos de tracción no disminuyen sustancialmente y el valor del
parámetro x se estabiliza. El nivel del esfuerzo de tracción indica
la calidad real de la perforación. Dado que es muy difícil medir el
esfuerzo de tracción durante la perforación, se logrará el mismo
objetivo por medio del parámetro x.
La figura 7 representa el esfuerzo de tracción
máximo 15 de una onda de esfuerzo reflejada de la roca a perforar,
la fuerza de alimentación 16 y la desviación estándar móvil 18 de la
frecuencia de impacto determinada a partir de la curva de presión
del fluido a presión del dispositivo de percusión medido de un
taladro de roca. Aparece en las figuras 7 que cuando se incrementa
la fuerza de alimentación y cuando ha alcanzado un valor dado, se
logra una situación de perforación que corresponde a alimentación
suficiente y en la que los esfuerzos de tracción no disminuirán
sustancialmente. Esto también puede ser detectado por el hecho de
que el valor de la desviación estándar móvil 18 de la frecuencia se
estabiliza.
La figura 1 también representa una unidad de
control 20, que está dispuesta para controlar el estado operativo
del dispositivo de percusión 1 en base al estado operativo del
dispositivo de percusión determinado en el dispositivo analizador
9. El estado operativo del dispositivo de percusión 1 es
transportado del dispositivo analizador 9 a la unidad de control
20. En lugar de ser dos unidades separadas, el dispositivo
analizador 9 y la unidad de control 20 pueden estar integrados en
un dispositivo o unidad. En la figura 1, la unidad de control 20
está dispuesta para controlar la operación de la bomba 4, por
ejemplo, cambiando la velocidad de giro o volumen de ciclo de la
bomba 4. En lugar o además del control de la bomba 4, también es
posible controlar la operación del dispositivo de percusión 1 de
varias formas, por ejemplo, controlando la operación de la válvula
de control 19. También es posible controlar el estado operativo del
dispositivo de percusión 1, por ejemplo, controlando la fuerza de
alimentación como se describe en conexión con las figuras 6 y 7.
Los dibujos y la descripción relativa se han
previsto solamente para ilustrar la idea novedosa. Los detalles de
la invención pueden variar dentro del alcance de las
reivindicaciones. Por lo tanto, el dispositivo de percusión 1
también puede ser operado por aire comprimido, por lo que se usa
aire, y no líquido a presión, como medio de presión, y la bomba 4
puede ser sustituida por un compresor y el aire de retorno puede ser
descargado directamente al aire ambiente. Además, se deberá indicar
que la pulsación de curva de presión puede variar; por ejemplo, se
cambia debido a varias pérdidas de presión, como tubos
hidráulicos.
Claims (9)
1. Un aparato para supervisar la operación de un
dispositivo de percusión, incluyendo el dispositivo de percusión
(1) un pistón de percusión (3) y un canal de presión (5) para
suministrar medio de presión al dispositivo de percusión (1) para
mover el pistón de percusión (3), e incluyendo el aparato un sensor
(8), dispuesto en conexión con el canal de presión (5), que está
adaptado para medir pulsación de presión del medio de presión que
actúa en el canal de presión (5) y que presenta dicha presión como
una curva de presión (10), caracterizado porque el aparato
incluye además un dispositivo analizador (9), que está dispuesto
para determinar parámetros que ilustran el estado operativo del
dispositivo de percusión (1) de la pulsación de presión y para
determinar el estado operativo del dispositivo de percusión (1) en
base a dichos parámetros, y porque el estado operativo del
dispositivo de percusión (1) se ilustra en base a al menos una de
las variables siguientes: la posición del pistón de percusión (3)
en el dispositivo de percusión (1), la longitud de carrera del
pistón de percusión (3), la velocidad de impacto del pistón de
percusión (3) y la velocidad de rebote del pistón de percusión
(3).
2. Un aparato según la reivindicación 1,
caracterizado porque el dispositivo analizador (9) está
dispuesto para determinar parámetros auxiliares en base a los
parámetros que ilustran el estado operativo del dispositivo de
percusión (1) y además para determinar el estado operativo del
dispositivo de percusión (1) en base a los parámetros que ilustran
el estado operativo del dispositivo de percusión (1) y los
parámetros auxiliares calculados a partir de ellos.
3. Un aparato según la reivindicación 1 o 2,
caracterizado porque el estado operativo del dispositivo de
percusión (1) está dispuesto de manera que se pueda controlar según
el estado operativo del dispositivo de percusión (1) o los
parámetros que ilustran el estado operativo.
4. Un aparato según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el dispositivo
de percusión (1) está dispuesto para uso en un taladro de roca y
porque el estado operativo de la máquina de perforar roca está
dispuesto para ser determinado en base a los parámetros que ilustran
el estado operativo del dispositivo de percusión (1).
5. Un aparato según cualquiera de las
reivindicaciones 1-4 caracterizado porque el
aparato incluye una unidad de control (20) que está dispuesta para
controlar la operación del dispositivo de percusión (1) en base al
estado operativo del dispositivo de percusión (1).
6. Un método para supervisar la operación de un
dispositivo de percusión usando el aparato de la reivindicación 1,
dispositivo de percusión (1) que incluye un pistón de percusión (3)
y un canal de presión (5) para suministrar medio de presión al
dispositivo de percusión (1) para mover el pistón de percusión (3),
y método que mide la pulsación de presión del medio de presión que
actúa en el canal de presión (5), pulsación de presión que se
ilustra como una curva de presión (10), caracterizado por
determinar, a partir de la pulsación de presión, parámetros que
ilustran el estado operativo del dispositivo de percusión (1) y
determinar el estado operativo del dispositivo de percusión (1) en
base a dichos parámetros, donde el estado operativo del dispositivo
de percusión (1) se ilustra por al menos una de las variables
siguientes: la posición del pistón de percusión (3) en el
dispositivo de percusión (1), la longitud de carrera del pistón de
percusión (3), la velocidad de impacto del pistón de percusión (3)
y la velocidad de rebote del pistón de percusión (3).
7. Un método según la reivindicación 6,
caracterizado por determinar parámetros auxiliares en base a
los parámetros que ilustran el estado operativo del dispositivo de
percusión (1) y determinar el estado operativo del dispositivo de
percusión (1) en base a dichos parámetros y los parámetros
auxiliares determinados a partir de ellos.
8. Un método según la reivindicación 6 o 7,
caracterizado por controlar el estado operativo del
dispositivo de percusión (1) en base al estado operativo o los
parámetros que ilustran el estado operativo del dispositivo de
percusión (1).
9. Un método según alguna de las
reivindicaciones precedentes 6 a 8, caracterizado porque el
dispositivo de percusión (1) está dispuesto para uso en una máquina
de perforar roca y porque el estado operativo de la máquina de
perforar roca se determina en base a los parámetros que ilustran el
estado operativo del dispositivo de percusión (1).
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