ES2874761T3 - Máquina perforadora para pilotes de cimentación con cabrestante recuperador de energía eléctrica - Google Patents

Máquina perforadora para pilotes de cimentación con cabrestante recuperador de energía eléctrica Download PDF

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Abstract

Máquina perforadora autopropulsada (1) para perforar agujeros para pilotes, máquina (1) que comprende: - una unidad de tracción (10) adecuada para desplazarse sobre el terreno (T), - una torre giratoria (12) montada de forma giratoria en la unidad de tracción, - un mástil (21) conectado a la torre giratoria (12), - una barra kelly (22) soportada de forma deslizante por el mástil (21), - una cabeza de rotación soportada por el mástil (21) y adecuada para acoplarse con la barra kelly (22) para hacer girar la barra kelly (22), - una herramienta de perforación (40) fijada a un primer extremo (221) de la barra kelly (22), - un cabrestante (23) asociado a la barra kelly (22) para mover la barra kelly (22) hacia arriba o hacia abajo, - medios de movimiento conectados al cabrestante (23) para hacer girar el cabrestante (23); los medios de movimiento comprenden una máquina rotativa eléctrica (50) conectada al cabrestante (23); la máquina rotativa eléctrica (50) está configurada para funcionar como un motor eléctrico adecuado para hacer girar el cabrestante (23) a fin de elevar la barra kelly (22), y como generador eléctrico durante el descenso de la barra kelly (22) que provoca la rotación del cabrestante (23); - una unidad de suministro de energía (60) operativamente conectada a la máquina rotativa eléctrica (50); la unidad de suministro de energía (60) está configurada para suministrar energía eléctrica a la máquina rotativa eléctrica (50) que funciona como motor eléctrico durante la elevación de la barra kelly (22) y para almacenar la energía eléctrica generada por la máquina rotativa eléctrica (50) que funciona como un generador eléctrico durante el descenso de la barra kelly (22), - medios de transmisión dispuestos entre la máquina rotativa eléctrica (50) y el cabrestante (23) para transmitir el movimiento de rotación desde la máquina rotativa eléctrica (50) al cabrestante (23) y viceversa; la máquina perforadora autopropulsada (1) está caracterizada por que los medios de transmisión comprenden un sistema de accionamiento hidráulico (80) que comprende: - una primera máquina rotativa hidráulica (81) conectada a la máquina rotativa eléctrica (50); - una segunda máquina rotativa hidráulica (82) conectada al cabrestante (23); y - un conducto (83) que conecta la primera máquina rotativa hidráulica (81) a la segunda máquina hidráulica rotativa (82), en el que las dos máquinas rotativas hidráulicas (81, 82) pueden funcionar como bomba y como motor hidráulico.

Description

DESCRIPCIÓN
Máquina perforadora para pilotes de cimentación con cabrestante recuperador de energía eléctrica
La presente invención hace referencia al sector de las máquinas perforadoras autopropulsadas y utilizadas para perforar agujeros en el suelo [terreno] para pilotes de cimentación.
Las máquinas perforadoras conocidas en el estado de la técnica se usan para perforar agujeros en el terreno [suelo] a fin de instalar pilotes como por ejemplo los pilotes de cimentación para edificios y/o infraestructuras, o para moldear los pilotes directamente en el agujero perforado con la máquina.
Las máquinas perforadoras comprenden una unidad de tracción, típicamente con orugas, y una torre giratoria [cabina o superestructura] provista de un brazo, que está asociado con un mástil que se dispone en dirección vertical durante su uso.
Una barra kelly, generalmente telescópica, está asociada de forma deslizante al mástil. Una cabeza de rotación [rotativo] está acoplada con el mástil y recibe la barra kelly de tal manera que la barra kelly se desliza a lo largo en la dirección de en la que se extiende el mástil.
La cabeza de rotación comprende accionadores que se pueden activar para acoplar y hacer girar la barra kelly alrededor de un eje longitudinal. Además, un cabrestante está asociado con la barra kelly de tal manera que la barra kelly se eleva a lo largo de la dirección del agujero perforado en el terreno cuando la barra kelly se desengancha de la cabeza de rotación.
Al menos uno entre el mástil y la cabeza de rotación se puede mover, acercándose o alejándose del terreno a perforar, mediante una unidad de empuje.
Normalmente, un motor de combustión interna de la máquina está conectado a la bomba de un sistema de accionamiento hidráulico que comprende pistones, motores y bombas, que están conectados a la unidad de empuje, a la cabeza de rotación y al cabrestante para accionarlos.
Cuando se usa, la barra kelly telescópica se coloca donde se perforará el agujero en el terreno; la barra kelly desciende debido a su peso, desenganchándose del cabrestante; luego, la cabeza de rotación engancha la barra kelly para girarla y la unidad de empuje mueve el mástil, o la cabeza de rotación hacia el terreno de tal manera que la herramienta fijada a la barra kelly puede perforar el terreno hasta alcanzar una primera profundidad.
A continuación, el mástil, o la cabeza de rotación, se aleja del terreno mediante la unidad de empuje; la cabeza de rotación desengancha la barra kelly y el cabrestante elevar la barra kelly hasta que se extrae la herramienta.La torre giratoria se puede accionar para girar, alejando la herramienta del agujero perforado en el terreno y la herramienta se acciona, por ejemplo, mediante la cabeza de rotación que vuelve a acoplar la barra kelly para hacerla girar, y retirar la tierra o material recolectado durante la perforación.
Este procedimiento se repite hasta que se alcanza la profundidad deseada del agujero.
El solicitante de la presente invención, ha encontrado que la rotación del cabrestante provocada por el descenso de la barra kelly bajo el efecto de la fuerza del peso determina una transferencia de energía mecánica (potencial y cinética) desde el cabrestante al motor de combustión interna a través del sistema de accionamiento hidráulico. En particular, el motor de combustión interna actúa como freno para el recorrido descendente de la barra kelly, reduciendo la velocidad de descenso y disipando la energía en forma de calor.
El documento DE3721526 da a conocer una máquina perforadora rotativa para la perforación de agujeros, en la que la herramienta de perforación se fija a una barra kelly por medio de un dispositivo de cambio rápido provisto de conexiones hidráulicas.
El documento EP2514706 describe un dispositivo de recuperación de energía para convertir la energía cinética producida durante el movimiento de una herramienta en energía eléctrica. El dispositivo cuenta con un generador que está acoplado mecánicamente a un cabrestante de cable que soporta un cable de tal manera que la energía rotacional producida por el cable es convertida en energía eléctrica mediante el generador.
El documento DE102016116322 da a conocer un dispositivo de frenado para frenar un cabrestante de cable eléctrico de una máquina de construcción adecuado para regenerar energía durante el frenado.
El propósito de la presente invención es dar a conocer una máquina perforadora autopropulsada para pilotes de cimentación capaz de recuperar la energía mecánica (potencial / cinética) asociada con la rotación del cabrestante durante el recorrido descendente de la barra kelly en el agujero perforado en el terreno.
Este y otros fines se consiguen según la invención con las características de la reivindicación independiente 1. Las realizaciones ventajosas de la invención aparecerán a partir de las reivindicaciones dependientes.
Las características adicionales de la invención aparecerán más claras a partir de la siguiente descripción detallada, que se refiere a realizaciones meramente ilustrativas, no limitantes, que se muestran en los dibujos adjuntos, en los que:
La figura 1 es una vista lateral esquemática de una máquina perforadora.
La figura 2A es una vista esquemática de un conjunto de accionamiento del cabrestante de la máquina perforadora de la figura 1, durante una fase de recuperación de energía (recorrido descendente del conjunto de barra / herramienta kelly).
La figura 2B es la misma vista esquemática que la figura 2A, durante una etapa de accionamiento del cabrestante (elevación del conjunto de barra / herramienta kelly);
La figura 3 es una vista esquemática de un conjunto de accionamiento de un cabrestante de una máquina perforadora según una realización de la presente invención.
La figura 4 es una vista esquemática de fuentes de electricidad que se pueden asociar con una unidad de potencia de una máquina perforadora según la invención.
Con referencia a la figura 1, la referencia numérica (1) indica una máquina perforadora autopropulsada.
La máquina (1) comprende una unidad de tracción (10) adecuada para desplazarse sobre el suelo o terreno (T), una torre giratoria (12) montada en la unidad de tracción (10), un brazo (30) acoplado a la torre giratoria (12) y un conjunto de perforación (20).
La unidad de tracción (10) comprende medios de locomoción, preferiblemente orugas (11) impulsadas mediante un motor de combustión interna (13) que está alojado preferiblemente en la torre giratoria (12).
El motor de combustión interna (13) está conectado operativamente a las orugas (11), al brazo (30) y al conjunto de perforación (20) para la transmisión de la fuerza motriz.
Adicionalmente, la torre giratoria (12) puede comprender instrumentos de accionamiento (no mostrados), por ejemplo dispuestos en la cabina de un conductor (no mostrados) y/o adecuados para controlar la máquina (1) a distancia.
La pluma (30) comprende un sistema de accionamiento hidráulico (no mostrado), por ejemplo que comprende uno o más pistones o gatos hidráulicos que se pueden accionar para mover el conjunto de perforación (20) con respecto a la unidad de tracción (10) y al terreno (T) que se va a perforar.
Ventajosamente, el brazo (30) puede albergar uno o más elementos de conexión operativa, como por ejemplo conductos hidráulicos y/o cables eléctricos (no representados), que permitan un flujo de fluido o corriente eléctrica, respectivamente, entre elementos comprendidos en la torre giratoria (12) y elementos comprendidos en el conjunto de perforación (20) para el accionamiento del conjunto de perforación.
El conjunto de perforación (20) comprende un mástil (21) de forma alargada. En particular, el mástil (21) tiene un eje mayor (X). El mástil (21) está acoplado al brazo (30).
El mástil (21) está acoplado al brazo (30) con posibilidad de deslizamiento en dirección paralela al eje mayor (X) del mástil (21). Ventajosamente, una unidad de empuje (211) conectada a un sistema de accionamiento hidráulico (no mostrado) permite controlar el movimiento de deslizamiento del mástil (21) y en consecuencia la posición del mástil (21) con respecto al brazo (30) y a la tierra (T).
El mástil (21) soporta los demás elementos del conjunto de perforación (20) que se describen a continuación.
El conjunto de perforación (20) comprende una barra kelly normalmente telescópica (22) con eje (Y). La barra kelly (22) comprende un primer extremo (221) en el que se fija una herramienta de perforación (40) y un segundo extremo (223) que actúa como una restricción. Preferiblemente, la barra kelly (22) tiene forma cilíndrica.
La barra kelly (22) es telescópica y comprende dos o más tubos que se unen de forma deslizante. Un tuno interior comprende el primer extremo (221), mientras que un tubo exterior comprende el segundo extremo (223) que actúa como una restricción.
En el ejemplo, el segundo extremo (223) de la barra kelly se fija a un extremo de un cable o cadena (231) de un cabrestante (23) montado en el mástil (21). El cabrestante (23) se puede montar en la torre giratoria (12).
Preferiblemente, el segundo extremo (223) de la barra kelly (22) también está asociado con un elemento de guía (24), que a su vez está asociado con el mástil (21). Teniendo en cuenta lo anterior, la barra kelly puede deslizarse en el elemento de guía (24), en dirección paralela al eje mayor (X), con el fin de guiar el movimiento de la barra kelly (22) durante el funcionamiento de la máquina (1).
El conjunto de perforación (20) también comprende un cabeza de rotación (25) asociada al mástil (21) y adecuada para recibir la barra kelly (22). En consecuencia, la barra kelly (22) se acopla de manera deslizante con el mástil (21) de tal manera que se desliza a lo largo de una dirección paralela con respecto al eje mayor (X).
Como es sabido, la cabeza de rotación (25) comprende un orificio pasante apto para recibir de forma deslizante la barra kelly (22), y comprende elementos móviles adecuados para hacer girar la barra kelly (22) alrededor de su eje (Y). La cabeza de rotación (25) comprende un elemento motor (251) que hace girar la barra kelly y consecuentemente la herramienta montada en el primer extremo de la barra kelly.
La máquina (1) comprende medios de accionamiento que comprenden una máquina rotativa eléctrica (50) que está operativamente conectada al cabrestante (23) con medios de transmisión para transmitir la rotación de la máquina rotativa eléctrica (50) al cabrestante y viceversa.
El término "máquina rotativa eléctrica" se refiere a una máquina eléctrica provista de un rotor y un estator, que puede funcionar como un motor eléctrico para hacer girar el rotor o como un generador eléctrico para generar energía eléctrica cuando el rotor gira.
En tal caso, el rotor de la máquina rotativa eléctrica (50) se puede conectar al cabrestante (23) con los medios de transmisión.
Además, la máquina (1) comprende una unidad de suministro de energía (60) (mostrada en las figuras 2A, 2B y 3). Por ejemplo, la unidad de suministro de energía (60) puede comprender una o más baterías, condensadores o cualquier otro dispositivo adecuado para almacenar la energía eléctrica.
La unidad de suministro de energía (60) está conectada a la máquina rotativa eléctrica (50) para suministrar la energía eléctrica necesaria para hacer funcionar la máquina rotativa eléctrica (50) como motor eléctrico para elevar la barra kelly provista con la herramienta de perforación, o para almacenar la energía eléctrica de la máquina rotativa eléctrica (50) que funciona como generador eléctrico durante el descenso de la barra kelly provista con la herramienta de perforación.
La conexión entre la unidad de suministro de energía (60) y la máquina rotativa eléctrica (50) está controlada mediante una unidad de control electrónico (70) dispuesta en posición intermedia.
La figura 2A ilustra la máquina rotativa eléctrica (50) acoplada directamente con el cabrestante (23) por medio de un sistema de transmisión mecánica (51).
Durante las etapas operativas de la máquina (1), el mástil (21) se dispone con el eje mayor (X) alineado en la dirección deseada para que el agujero sea perforado en el terreno [suelo]. Por ejemplo, el eje mayor (X) es paralelo a la dirección del vector de la fuerza de gravedad.
El cabrestante (23) se acciona para permitir que la herramienta (40) soportada por la barra kelly (22) descienda hacia el terreno (T), desde una posición en la que la herramienta está fuera del agujero, a una posición de trabajo en la que la herramienta está en contacto con el terreno (T).
La barra kelly (22) gira alrededor de su eje longitudinal (Y) mediante la cabeza de rotación (25), mientras que la unidad de empuje (211) baja el mástil (21) y/o la cabeza de rotación para empujar la herramienta (40) contra el terreno (T) de tal manera que perfora un agujero.
En particular, la barra kelly (22) se acerca al terreno (T) debido la fuerza de la gravedad, desenrollando así el cable (231) del cabrestante (23) y haciendo girar el cabrestante (23). La rotación del cabrestante (23) se transfiere mediante los medios de transmisión mecánica a la máquina rotativa eléctrica (50) que está configurada para funcionar como generador eléctrico, produciendo consecuentemente energía eléctrica, y para ejercer simultáneamente una fuerza de frenado sobre la rotación del cabrestante (23) para limitar la velocidad de descenso de la barra kelly provista en la herramienta de perforación.
En consecuencia, la máquina rotativa eléctrica (50) convierte la energía cinética potencial asociada con el recorrido descendente hacia el terreno (T) de la barra kelly provista en la herramienta, en energía eléctrica, que puede ser transferida y almacenada en la unidad de suministro de energía (60) para uso posterior.
Además, el efecto de freno motor provocado por el funcionamiento de la máquina rotativa eléctrica (50) como generador limita la velocidad de descenso de la barra kelly (22), garantizando así un funcionamiento seguro y fácilmente controlado por la unidad de control electrónico (70) del conjunto de perforación (20).
Cuando se alcanza una primera profundidad de perforación, la herramienta (40) se extrae del agujero para eliminar el terreno excavado. Durante esta etapa, la unidad de empuje (211) eleva mástil (21) y/o la cabeza de rotación (25). La cabeza de rotación (25) interrumpe la rotación y desengancha la barra kelly (22).
Tal y como se muestra en la figura 2B, el cabrestante (23) se hace girar mediante la máquina rotativa eléctrica (50) que funciona como un motor eléctrico para elevar la barra kelly (22) y alejar la herramienta (40) del terreno (T), por ejemplo para llevar la barra kelly (22) a su posición inactiva, tal y como se ilustra en la figura 1.
Finalmente, la torre giratoria (12) de la máquina (1) se hace girar para alejar el conjunto de perforación del agujero y la herramienta (40) se mueve - por ejemplo mediante la cabeza de rotación (25) que engancha y vuelve a hace girar la barra kelly (22) - para eliminar el material [suelo] excavado.
En particular, la máquina rotativa eléctrica (50) funciona como un motor que absorbe la energía eléctrica almacenada por la unidad de suministro de energía (60) y transfiere la rotación sobre el cabrestante (23) que rebobina el cable (231), elevando la barra kelly provista con la herramienta de tal manera que aleja la herramienta del terreno (T). El solicitante de la presente invención, señaló que el uso de la máquina rotativa eléctrica (50) como motor eléctrico para accionar el cabrestante (23) permite la elevación uniforme y precisa de la barra kelly (22).
Además, el solicitante señaló que el uso de la máquina rotativa eléctrica (50) como motor eléctrico permite alcanzar una velocidad mayor durante la elevación de la barra kelly (22) en comparación con la velocidad que se obtiene con un motor de combustión interna según el estado de la técnica.
De hecho, el funcionamiento de la máquina rotativa eléctrica (50) como motor eléctrico permite alcanzar una potencia instantánea superior a la potencia de un motor de combustión interna.
La figura 3 ilustra una realización de la invención, en la que los medios de transmisión pueden comprender un sistema de accionamiento hidráulico (80) para transmitir la rotación desde la máquina rotativa eléctrica (50) al cabrestante (23) y viceversa.
El sistema de accionamiento hidráulico (80) comprende:
- una primera máquina rotativa hidráulica (81) conectada a la máquina rotativa eléctrica (50);
- una segunda máquina rotativa hidráulica (82) conectada al cabrestante (23); y
- un conducto (83) que conecta la primera máquina rotativa hidráulica (81) a la segunda máquina hidráulica giratoria (82).
Las dos máquinas rotativas hidráulicas (81, 82) pueden funcionar como bomba y como motor hidráulico.
Cuando la máquina rotativa eléctrica (50) funciona como un motor eléctrico, la primera máquina rotativa hidráulica (81) funciona como una bomba para bombear fluido hacia la segunda máquina rotativa hidráulica y la segunda máquina rotativa hidráulica (82) funciona como un motor hidráulico para girar el cabrestante (23).
Por el contrario, durante el recorrido descendente de la barra kelly provista de la herramienta (40), el cabrestante (23) gira, haciendo que la segunda máquina rotativa hidráulica (82) funcione como bomba para bombear fluido hacia la primera máquina rotativa hidráulica (81) que funciona como motor hidráulico, provocando la rotación de la máquina rotativa eléctrica (50) que funciona como un generador eléctrico.
Con referencia a la figura 4, la unidad de suministro de energía (60) se puede conectar operativamente una o más fuentes de energía eléctrica para restaurar el nivel de energía en la unidad de suministro de energía (60). De hecho, debido a una eficiencia <1, la energía que se consume durante el la elevación de la barra kelly proporcionada con la herramienta es mayor que la energía que se recupera durante el recorrido de descenso.
La energía se puede restaurar en la unidad de suministro de energía (60) de varias formas alternativas o de diversas formas asociadas. La máquina puede comprender uno o más de los siguientes componentes:
- un generador eléctrico (91) asociado al motor de combustión interna (13) de la máquina (1), que es adecuado para convertir la energía mecánica producida por el motor de combustión interna (13) en energía eléctrica;
- un conector utilizado para la conexión a un grupo electrógeno (92);
- una fuente de alimentación de red (93) utilizada para tomar energía de la red;
- un generador de electricidad compuesto por múltiples paneles fotovoltaicos (94) sensibles a la luz solar. La unidad de alimentación (60) y la unidad de control electrónico (70) se pueden integrar en la torre giratoria (12) o en la unidad de tracción (10). La unidad de control electrónico (70) se puede integrar en una CPU (por sus siglas en inglés de "central processing unit" o "unidad central de procesamiento ") de la máquina (1).

Claims (3)

REIVINDICACIONES
1. Máquina perforadora autopropulsada (1) para perforar agujeros para pilotes, máquina (1) que comprende:
- una unidad de tracción (10) adecuada para desplazarse sobre el terreno (T),
- una torre giratoria (12) montada de forma giratoria en la unidad de tracción,
- un mástil (21) conectado a la torre giratoria (12),
- una barra kelly (22) soportada de forma deslizante por el mástil (21),
- una cabeza de rotación soportada por el mástil (21) y adecuada para acoplarse con la barra kelly (22) para hacer girar la barra kelly (22),
- una herramienta de perforación (40) fijada a un primer extremo (221) de la barra kelly (22),
- un cabrestante (23) asociado a la barra kelly (22) para mover la barra kelly (22) hacia arriba o hacia abajo,
- medios de movimiento conectados al cabrestante (23) para hacer girar el cabrestante (23); los medios de movimiento comprenden una máquina rotativa eléctrica (50) conectada al cabrestante (23); la máquina rotativa eléctrica (50) está configurada para funcionar como un motor eléctrico adecuado para hacer girar el cabrestante (23) a fin de elevar la barra kelly (22), y como generador eléctrico durante el descenso de la barra kelly (22) que provoca la rotación del cabrestante (23);
- una unidad de suministro de energía (60) operativamente conectada a la máquina rotativa eléctrica (50);
la unidad de suministro de energía (60) está configurada para suministrar energía eléctrica a la máquina rotativa eléctrica (50) que funciona como motor eléctrico durante la elevación de la barra kelly (22) y para almacenar la energía eléctrica generada por la máquina rotativa eléctrica (50) que funciona como un generador eléctrico durante el descenso de la barra kelly (22),
- medios de transmisión dispuestos entre la máquina rotativa eléctrica (50) y el cabrestante (23) para transmitir el movimiento de rotación desde la máquina rotativa eléctrica (50) al cabrestante (23) y viceversa; la máquina perforadora autopropulsada (1) está caracterizada por que los medios de transmisión comprenden un sistema de accionamiento hidráulico (80) que comprende:
- una primera máquina rotativa hidráulica (81) conectada a la máquina rotativa eléctrica (50);
- una segunda máquina rotativa hidráulica (82) conectada al cabrestante (23); y
- un conducto (83) que conecta la primera máquina rotativa hidráulica (81) a la segunda máquina hidráulica rotativa (82),
en el que las dos máquinas rotativas hidráulicas (81, 82) pueden funcionar como bomba y como motor hidráulico.
2. La máquina perforadora autopropulsada (1) de la reivindicación 1, en la que:
la primera máquina rotativa hidráulica (81) está configurada para funcionar como una bomba para bombear fluido hacia la segunda máquina rotativa hidráulica, y la segunda máquina rotativa hidráulica (82) está configurada para funcionar como un motor hidráulico para hacer girar el cabrestante (23) cuando la máquina rotativa eléctrica (50) funciona como motor eléctrico;
la segunda máquina rotativa hidráulica (82) está configurada para funcionar como una bomba para bombear fluido hacia la primera máquina rotativa hidráulica (81) que funciona como un motor hidráulico que hace girar la máquina rotativa eléctrica (50) que funciona como un generador eléctrico durante el recorrido descendente de la barra kelly provista en la herramienta (40) que hace girar el cabrestante (23).
3. La máquina perforadora autopropulsada (1) de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la unidad de suministro de energía (60) se puede conectar operativamente para recibir energía eléctrica de al menos uno de:
- un generador de electricidad (91) asociado a un motor de combustión interna (13) de la máquina (1), - un grupo electrógeno (92),
- una fuente de suministro de energía de red (93) que se puede acoplar a la red, - un generador de electricidad que comprende paneles fotovoltaicos (94).
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