ES2322367T3 - Metodo y sistema para controlar el consumo de energia durante un proceso de taladro de roca y por tanto un aparato de taladro de roca. - Google Patents
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Abstract
Un método para controlar el consumo de energía durante un proceso de taladrado de roca con un aparato de taladrado de roca, en el que el aparato de taladrado de roca incluye medios de suministro de corriente de alimentación para suministrar energía para el proceso de taladrado de rocas, que incluye como mínimo los subprocesos de percusión y/o rotación y evacuación, caracterizado porque el método comprende los pasos de: - ajustar la potencia de evacuación como mínimo parcialmente como función de la profundidad del orificio, y - controlar como mínimo la potencia de percusión y/o la potencia rotacional y la potencia de evacuación tal que el consumo total de potencia de cada subproceso esté controlado.
Description
Método y sistema para controlar el consumo de
energía durante un proceso de taladro de roca y por tanto un aparato
de taladro de roca.
La invención se refiere a un método para
controlar el consumo de energía durante un proceso de taladrado de
roca del tipo definido en el preámbulo de la reivindicación 1.
La invención se refiere además a un sistema y a
un aparato de taladrado de roca del tipo definido en el preámbulo
de las reivindicaciones 11 y 21, respectivamente.
Se pueden usar aparatos de taladrado de roca en
un número de campos. Por ejemplo, se pueden usar aparatos para
taladrar roca en perforación de túneles, extracción en el fondo de
las minas, reforzamiento de rocas, formación de orificios,
perforación de chimeneas, y para taladrar con orificios explosivos,
orificios para evacuación y orificios para instalar pernos de
anclaje.
El taladrado de rocas es realizado a menudo por
taladrado de rocas por percusión, en la cual una herramienta
taladro montada en un extremo de un barreno está alimentada con
impactos a pulsos por medio de un pistón martillo, dispuesto en el
lado opuesto del barreno, y dispuesto para ser accionado para
impactar repetidamente sobre el barreno. En el extremo más exterior
de la herramienta taladro hay brocas que penetran en la roca y la
rompen tras los impactos del pistón martillo.
La herramienta taladro también puede ser
presionada contra la roca para mantener contacto entre la
herramienta y la roca para asegurar que se transmita a la roca
tanta energía de impacto como sea posible por parte del pistón del
martillo. Para hacer el proceso de taladrado más eficiente la
herramienta taladro puede además ser rotada de alguna manera entre
los impactos para que las brocas golpeen una nueva posición en cada
impacto. Los recortes del taladro son expulsados desde el orificio
con un medio adecuado. Este medio usualmente es aire en aparatos de
taladrado de superficie, agua en aparatos para trabajar en el fondo
de las minas. Alternativamente, se puede usar niebla de agua con o
sin aditivos químicos en ambos tipos de aparatos.
El aparato para taladrar rota comprende además
el medio de suministro de energía de alimentación, tal como un
motor diésel que es usado para producir energía para funciones que
requieran energía del aparato de taladrado de rocas. Estas
funciones pueden incluir un compresor para producir presión/flujo de
evacuación, potencia de percusión, energía rotacional, energía de
alimentación, dosificación, bombas hidráulicas, ventiladores de
enfriamiento.
El taladrado de rocas puede ser además realizado
por aparatos que utilicen sólo rotación y presión aplicada para
romper la roca, o aparatos que sólo utilicen la rotación para romper
la roca.
El medio de suministro de alimentación de
energía está dimensionado de tal modo que todas las funciones pueden
ser usadas usando su mayor tasa de potencia de salida
simultáneamente todo el tiempo para asegurar el funcionamiento
adecuado.
Un problema con el equipamiento de taladrado de
rocas existente, sin embargo, es que consumen a menudo más potencia
de la necesaria durante un proceso de taladrado, lo que da como
resultado un exceso de consumo de fuel, y la generación de calor y
de ruido.
El documento US-B- 6637522
describe un método para controlar el consumo de energía durante un
proceso de taladrado de rocas con un aparato de taladrado de rocas,
en el que el aparato de taladrado de rocas incluye medios de
suministro de energía de alimentación para suministrar energía para
el proceso de taladrado de rocas, que incluye como mínimo los
subprocesos de percusión y/o rotación y evacuación. Si hay un
aumento de la presión de evacuación por encima de un umbral, por
ejemplo, debido a que el mecanismo de evacuación está a punto de
atascarse, la presión de alimentación, la presión de rotación y/o la
presión de percusión pueden reducirse para poder evitar el
embotamiento, con las consiguientes costosas paradas para
limpiarlo.
Por consiguiente, se necesita un método de
taladrado de rocas mejorado que resuelva el problema antes
mencionado.
Un objeto de la invención es proporcionar un
método para controlar el consumo de energía durante un proceso de
taladrado de roca que resuelva el problema antes mencionado. Este
objeto se logra mediante un método para controlar el consumo de
energía durante un proceso de taladrado de roca de acuerdo con la
parte de caracterización de la reivindicación 1.
Otro objeto de la presente invención es
proporcionar un sistema para controlar el consumo de energía
durante un proceso de taladrado de roca que resuelva el problema
antes mencionado. Este objeto se logra mediante un sistema tal
como se ha definido en la parte de caracterización de la
reivindicación 11.
Otro objeto más de la presente invención es
proporcionar un aparato de taladrado de roca que resuelva el
problema antes mencionado. Este objeto se logra mediante un aparato
de taladrado de roca de acuerdo con la reivindicación 21.
El método para controlar el consumo energía
durante un proceso de taladrado de roca con un aparato de taladrado
de roca, incluye ajustar la potencia de evacuación como mínimo
parcialmente en función de la profundidad del orificio, y
controlar como mínimo la potencia de percusión y/o la potencia
rotacional y la potencia de evacuación de tal modo que el consumo
total de potencia cada subproceso sea controlado de tal modo que la
salida de potencia desde el medio de suministro de potencia de
alimentación sea mantenido a o por debajo de un nivel
predeterminado.
Esto tiene la ventaja de que se usa para
evacuación sólo la cantidad de potencia requerida a una cierta
profundidad del orificio, y que la potencia restante puede ser
usada para otras funciones y para ahorrar energía, dando como
resultado por ejemplo menos consumo de fuel, menos ruido y menos
calor.
La potencia de evacuación puede ser ajustada más
al menos parcialmente como función del diámetro del orificio y/o
del diámetro del barreno.
El flujo del medio de evacuación puede ser
mantenido sustancialmente constante a lo largo del proceso de
taladrado, es decir, la potencia de evacuación aumenta con el
aumento de la profundidad del orificio. La profundidad del
orificio puede además ser medida en continuo. Esto tiene la ventaja
de que el flujo puede ser mantenido a precisamente el nivel de
flujo necesario para gestionar la evacuación del orificio de
barrenado, y por tanto la potencia de evacuación puede ser
mantenida en su mínimo valor posible a lo largo del proceso de
taladrado, en todo momento.
El flujo del medio de evacuación puede ser
aumentado como mínimo ligeramente según aumenta la profundidad del
orificio. Esto tiene la ventaja de que cuando la profundidad del
orificio aumenta, el flujo puede ser aumentado de algún modo para
compensar más la profundidad del orificio y/o las juntas de la
varilla del barreno y/o los recortes de la perforación que tienden
a quedarse pegados en la pared del orificio del taladro.
La potencia de evacuación requerida puede ser
determinada por medios de ordenador. Los medios de ordenador pueden
estar conectados a una memoria en la cual es almacenada una tabla
que comprende una o más de las listas de tipos de barrenos y/o
tipos de varillas de barreno, y preferentemente parámetros de
cálculo a ser usados con una combinación seleccionada. La potencia
de evacuación puede ser determinada basándose en los datos
almacenados concernientes al tipo de barreno y/o al tipo de varilla
de barreno y/o la profundidad del orificio. Esto tiene la ventaja
de que el flujo del medio de evacuación puede ser mantenido a un
valor deseado independientemente de por ejemplo qué diámetro de
herramienta de barreno y/o diámetro de la varilla de barreno que
está siendo usada.
La invención puede ser usada en aparatos de
taladrado de rocas convencionales, por ejemplo en aparatos que
utilizan la percusión o la rotación o una combinación de éstas.
La Fig. 1 muestra un ejemplo de realización de
un aparato de taladrado de roca de acuerdo con la presente
invención.
La Fig. 2 muestra un diagrama de bloques que
describe un ejemplo de realización de la presente invención.
La Fig. 1 representa un ejemplo de aparato de
taladrado de rocas de acuerdo con la presente invención. En la
figura se muestra un aparato 1 de taladrado de rocas, en este
ejemplo un equipo de perforación superficial. El equipo de
perforación 1 es mostrado durante el uso taladrando un orificio 2,
empezando desde el nivel del suelo, habiendo alcanzado actualmente
una profundidad \alpha y destinado a producir un orificio de
profundidad \beta, por ejemplo 30 metros, siendo indicado el
orificio acabado por líneas discontinuas. (No se pretende que la
relación mostrada de la altura del equipo de perforación/profundidad
del orificio sea exacta. La altura total \gamma del taladro
podría ser por ejemplo 10 metros).
El equipo de perforación 1 está provisto de un
martillo 11 superior montado por medio de un cojinete de taladro de
rocas 13 en un alimentador 5. El alimentador 5 está unido a una
pluma 15 mediante un sujetador 12 de alimentación. El martillo de
cabeza 11 proporciona una acción de percusión a un barreno 3 con uno
o más taladros 4 mediante una varilla 6 de barreno soportada por un
soporte 14 de varilla. Al martillo de cabeza 11 se le suministra
energía desde una bomba 10 hidráulica, accionada por un motor diésel
9, a través de un conducto unido al alimentador 5 (la alimentación
hidráulica no es mostrada en la figura). Los recortes del taladro
son evacuados del orificio 2 por aire comprimido que es alimentado
a través de un tubo, preferentemente en el centro de la varilla 6
del barreno, y es descargado cerca de la herramienta 3 del taladro.
El aire comprimido evacua los recortes del taladro hacia arriba a
través del orificio 2 y hacia fuera de él, como se indica por las
flechas dirigidas hacia arriba de la fig. 1. En lugar de aire
comprimido, se puede usar otro medio de evacuación también, por
ejemplo niebla de agua con o sin un aditivo químico. El aire
comprimido es alimentado a la varilla 6 de barreno desde un
compresor 8 a través de un tubo 7. El compresor 8, a su vez es
accionado por el motor diésel 9.
En los actuales carros de barrenar el motor
diésel 9 tiene que ser suficientemente grande para ser capaz de
accionar tanto el compresor como la bomba hidráulica a plena carga
así como unos ventiladores de enfriamiento y otros aparatos. El
compresor es siempre accionado a o cerca de su máxima velocidad
durante el taladrado, y puesto que el compresor puede consumir por
ejemplo 120 H.P. de la salida total de un diésel de por ejemplo 300
H.P., el compresor consume una gran cantidad de combustible, lo que
da como resultado la generación de grandes cantidades de gases de
escape y de ruido y calor, lo que además da como resultado incluso
más ruido y consumo de combustible debido al hecho de que los
ventiladores enfriadores necesitan ser accionados con más
potencia.
De acuerdo con la presente invención, sin
embargo, estas desventajas pueden ser reducidas accionando el
compresor al nivel de potencia que sea requerido en el momento. Por
ejemplo, al principio del taladrado de un orificio, la potencia de
evacuación que es requerida para producir un flujo del medio de
evacuación que sea suficiente para evacuar los recortes del
taladrado es relativamente baja, y por tanto el compresor no
necesita entregar más de ésta potencia requerida. Esto significa
que el motor diésel puede a su vez ser accionado con una potencia
de salida reducida, dando como resultado un consumo de combustible
reducido, menos calor generado y menos ruido generado.
Alternativamente, la potencia así ahorrada accionando el compresor
con potencia de entrada reducida puede ser usada para permitir que
se asigne más potencia al martillo de cabeza de la que sería
posible de otro modo, lo que da como resultado un taladrado más
rápido en la primera y/o en la mayor parte del orificio.
La reducción de la potencia del compresor puede
ser lograda de diferentes maneras dependiendo del tipo de
compresor. En el caso de, por ejemplo, un compresor volumétrico, la
potencia puede ser reducida ya sea reduciendo las rpm o descargando
el compresor cerrando la entrada.
Se describirá ahora el control de la potencia
del compresor con referencia a la fig. 2, mostrando un diagrama de
bloques de un sistema de control. La figura muestra un equipo de
perforación 21 con un motor diésel 22. El motor diésel está directa
o indirectamente conectado a un compresor 23, una bomba hidráulica
29, ventilador(es) de enfriamiento 24, otro(s)
aparato(s) 25, un martillo de cabeza 26 y un controlador 27,
tales como un ordenador. El controlador está conectado además al
compresor 23 y/o la bomba hidráulica y/o a el/los
ventilador(es) 24 y/o de los aparatos 25.
Para controlar la potencia del compresor, un
sensor 28, por ejemplo montado en la alimentación, proporciona al
controlador 27 información relativa a la profundidad del orificio
actual, y el controlador 27 transmite luego, por ejemplo vía un bus
CAN, señales de control al compresor 23 incluyendo información sobre
qué potencia/presión debería entregar para producir un flujo
deseado del medio de evacuación. El controlador puede enviar además
señales de control al motor diésel y/o al/a los
ventilador(es) de enfriamiento y/o a otros aparatos según se
necesite, por ejemplo los valores de potencia deseados. El
controlador 27 puede incluir dentro una memoria 30 conectada a él,
en la cual se almacenan los valores deseados para los ajustes del
compresor frente a las profundidades del orificio, para que el
compresor pueda ser correctamente ajustado. Alternativamente o
además, se pueden almacenar mas parámetros de cálculo a ser usados
con la profundidad del orificio para calcular una potencia de
compresor deseada. Estos parámetros de cálculo pueden ser
dependientes del tipo de herramienta de taladrado y/o del tipo de
varilla del barreno. Preferentemente los parámetros de cálculo son
almacenados para cada posible combinación de herramienta de
taladrado y/o barreno. En una realización alternativa hay listados
almacenados en la memoria, en los que cada listado incluye ajustes
del compresor frente a la profundidad para cada combinación. Por
ejemplo, puede haber valores almacenados para cada incremento en cm
o dm o m de la profundidad del orificio. También es posible
almacenar valores que dan como resultado un aumento de flujo cuando
la profundidad del orificio aumenta para compensar los factores
antes mencionados.
En otro ejemplo de realización (no mostrado), un
sensor que capta el fluyo real puede estar conectado al controlador,
lo que permite al controlador enviar continuamente señales de
control al compresor basándose en los valores de flujo. El flujo
puede, por ejemplo, ser calculado como litros por revolución del
compresor x revoluciones por
minuto x tiempo de trabajo/tiempo total.
minuto x tiempo de trabajo/tiempo total.
El flujo deseado puede ser ajustado por el
operador en una realización de ejemplo alternativa ajustando un
valor en un control o introduciendo un valor deseado al controlador
mediante una interfase hombre máquina tal como una pantalla y/o un
teclado.
La presente invención tiene por ejemplo la
ventaja de que cuando se taladran orificios de taladrado estrechos,
el compresor no necesita estar trabajando a plena potencia en
absoluto durante el proceso de taladrado, dando como resultado un
ahorro de combustible y/o potencia extra para el martillo de cabeza
a lo largo del proceso de taladrado.
En la descripción anterior, la invención ha sido
descrita en conexión con un equipo de perforación superficial con
un equipo de perforación de martillo de cabeza hidráulico. La
presente invención puede, sin embargo, ser bien usada igualmente
con cualquier otro tipo de aparato de taladrado con evacuación y
taladrado accionados por separado. Por ejemplo, la invención puede
ser usada con aparatos de taladrado de roca que utilizan tanto la
percusión como la rotación para realizar el taladrado de rocas. La
invención también puede ser usada en el taladrado de rocas cuando
se utiliza sólo rotación y una presión aplicada para romper la roca,
o cuando sólo se usa la rotación, lo que por ejemplo podría ser el
caso en taladrado de roca blanda, tal como en minas de carbón. En
los casos en los que se usa la rotación para romper la roca, la
potencia ahorrada por la evacuación reducida puede ser utilizada
para una rotación más rápida y por tanto un taladrado más
rápido.
Debería entenderse además que muchos otros
sensores, por ejemplo sensores de temperatura, pueden estar
conectados al controlador para proporcionarle información útil para
controlar la operación del aparato de taladrado de roca.
Claims (21)
1. Un método para controlar el consumo de
energía durante un proceso de taladrado de roca con un aparato de
taladrado de roca, en el que el aparato de taladrado de roca
incluye medios de suministro de corriente de alimentación para
suministrar energía para el proceso de taladrado de rocas, que
incluye como mínimo los subprocesos de percusión y/o rotación y
evacuación, caracterizado porque el método comprende los
pasos de:
- ajustar la potencia de evacuación como mínimo
parcialmente como función de la profundidad del orificio, y
- controlar como mínimo la potencia de percusión
y/o la potencia rotacional y la potencia de evacuación tal que el
consumo total de potencia de cada subproceso esté controlado.
2. Método de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado porque la potencia de evacuación es ajustada
como mínimo parcialmente como función del diámetro del orificio y/o
del diámetro del barreno.
3. Método de acuerdo con la reivindicación 1 ó
2, caracterizado porque el consumo total de potencia de cada
subproceso está controlado de tal modo que la salida de energía
desde el medio de corriente de alimentación es mantenido a o por
debajo de un nivel predeterminado.
4. Método de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1-3, caracterizado porque el
flujo del medio de evacuación es mantenido sustancialmente
constante a través del proceso de taladrado.
5. Método de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1-3, caracterizado porque el
flujo del medio de evacuación aumenta con el aumento de la
profundidad del orificio.
6. Método de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1-5, caracterizado porque se
mide continuamente la profundidad del orificio.
7. Método de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1-6, caracterizado porque el
flujo del medio de evacuación es medido de forma continua.
8. Método de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1-7, caracterizado porque la
potencia de evacuación requerida es determinada por medios de
ordenador.
9. Método de acuerdo con la reivindicación 8,
caracterizado porque el medio de ordenador está conectado a
una memoria en la cual se almacena una tabla que comprende una o
más listas incluyendo al menos parcialmente el tipo de herramienta
de taladrado y/o el tipo de barreno y/o la profundidad del orificio
y porque la potencia de evacuación es determinada basándose en los
valores almacenados.
10. Método de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1-9, caracterizado porque la
percusión es realizada por un martillo de cabecera hidráulico.
11. Sistema para controlar el consumo de
potencia durante un proceso de taladrado de roca con un aparato de
taladrado de roca, en el que el aparato de taladrado de roca
incluye un medio de suministro de corriente de alimentación para
suministrar potencia al proceso de taladrado de roca, que incluye
como mínimo los sub-procesos de percusión y/o
rotación y evacuación, caracterizado porque el sistema
comprende.
- medios para ajustar la potencia de evacuación
de cómo mínimo parcialmente una función de la profundidad del
orificio, y
- medios para controlar como mínimo la potencia
de percusión y/o potencia rotacional y la potencia de evacuación
tal que se controla el consumo total de potencia de cada
subproceso.
12. Sistema de acuerdo con la reivindicación 11,
caracterizado porque incluye además medios para ajustar la
potencia de evacuación como mínimo parcialmente como función del
diámetro del orificio y/o el diámetro del
barreno.
barreno.
13. Sistema de acuerdo con la reivindicación 11
ó 12, caracterizado porque el sistema está dispuesto para
controlar el consumo de potencia total de cada subproceso de tal
modo que la salida de potencia del medio de suministro de fuerza de
alimentación es mantenida a o por debajo de un nivel
predeterminado.
14. Sistema de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 11-13, caracterizado porque
el sistema está dispuesto para mantener el flujo del medio de
evacuación sustancialmente constante a través del proceso de
taladrado.
15. Sistema de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 11-13, caracterizado porque
el sistema está dispuesto para aumentar el flujo del medio de
evacuación con el aumento de la profundidad del orificio.
16. Sistema de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 11-15, caracterizado porque
el sistema está dispuesto para medir de forma continua la
profundidad del orificio.
17. Sistema de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 11-16, caracterizado porque
el sistema está dispuesto para medir de forma continua el flujo del
medio de evacuación.
18. Sistema de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 11-17, caracterizado porque
el sistema está dispuesto para determinar la potencia de evacuación
por los medios de ordenador.
19. Sistema de acuerdo con la reivindicación 18,
caracterizado porque el medio de ordenador está conectado a
una memoria dispuesta para almacenar una tabla que comprende uno o
más de los listado incluyendo al menos parcialmente el tipo de
herramienta de taladrado y/o tipo de barreno y o profundidad del
orificio, y porque la potencia de evacuación está dispuesta para
ser determinada en base a los valores almacenados.
20. Sistema de acuerdo con una cualquiera de las
reivindicaciones 11-19, caracterizado porque
la percusión está dispuesta para ser realizada por un martillo de
cabeza hidráulico.
21. Aparato de taladrado de rocas,
caracterizado porque está dispuesto para incluir un sistema
de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones
11-20.
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