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Perforación neumatica e hidraulica



UNIVERSIDAD DE LA SERENA FACULDAD DE INGENIERÍA.



PERFORACIÓN NEUMATICA E HIDRAULICA



INTRODUCCIÓN

La minería tanto subterranea como a cielo abierto es de gran importancia no sólo para nuestro país, sino que también a nivel mundial. En este mismo contexto es importante destacar la importancia de la perforación y tronadura en el arranque, ya que sin este proceso serían imposibles los siguientes (Carguío, transporte, chancado, molienda, etc.); y no se lograría el objetivo de explotación, obtención de recursos y generación de utilidades a partir de un respectivo yacimiento.
En ésta ocasión nos centraremos en lo que corresponde a un tipo de perforación mecanica conocida como perforación rotopercutiva y la cual es de granrelevancia tanto en minería subterranea como de cielo abierto, esto debido a que es un sistema que permite el mejor rendimiento de las perforaciones, mejores condiciones para la extracción del mineral y por ende un mejor negocio productivo. Ademas se mostraran en este informe ciertas perforadoras (neumaticas e hidraulicas), sus respectivas características y diferencias de una respecto a la otra.


El objetivo de un ingeniero es minimizar los costos de operación con la finalidad de obtener utilidades, por lo cual el conocimiento es esencial para poder lograrlo. Por ello es necesario reconocer el tipo de perforadora a requerir según las condiciones de trabajo para así mantener la seguridad primordialmente de los operadores como también de la misma mina.

DESARROLLO DEL TEMA
PERFORACIÓN ROTOPERCUTIVA

La perforación rotopercutiva es aquella cuyo principio de perforación se basa en el impacto de una pieza de acero (pistón) el cual golpea un útil que a su vez transmite la energía al fondo del barreno por medio de un elemento final (boca).
Según la posición del martillo la podemos clasificar en:
* Perforación rotopercutiva con martillo en cabeza: La rotación y percusión se producen fuera del barreno y cuyo martillo puede ser neumatico o hidraulico

* Perforación rotopercutiva con martillo en fondo: La percusión se realiza directamente sobre la boca de perforación, mientras que la rotación se efectúa en el exterior del barreno. El accionamiento del pistón se lleva a cabo neumaticamente, mientras quela rotación puede ser neumatica o hidraulica.



Las ventajas principales de la perforación mecanica por rotopercusión son:
-Se pueden aplicar a rocas tanto blandas como duras.
- Su precio de adquisición no es elevado.
-Mantenimiento facil y rapido.
-Solo basta con un solo hombre para su manejo.

Basicamente su uso se realiza en minería subterranea y de cielo abierto de tamaño medio y pequeño.
Así como la perforación por percusión y la perforación rotativa, la perforación rotopercutiva también se basa en ciertos fundamentos los cuales son de importancia para su funcionamiento
Percusión: Corresponde a los impactos producidos por golpeo del pistón lo cual origin ondas de choque.
Rotación: Movimiento realizado para hacer girar la boca con la finalidad que los impactos se produzcan en distintas posiciones
Empuje: Su objetivo es mantener en contacto el útil utilizado en la perforación con la roca.
Barrido: El fluido del barrido permite extraer el detrito del fondo del barreno. Esto se puede realizar usando agua, aire o espuma en algunos casos.

Fundamentos de la perforación rotopercutiva.-

Según los campos de perforación de estas perforadoras, ya sea en la ingeniería subterranea como en cielo abierto podemos mencionar la siguiente tabla que representa los diametros mas comúnmente utilizados

PERFORADORAS NEUMATICAS.
Las perforadoras neumaticas corresponden a un martillo el cual para su funcionamiento requiere de aire comprimido. En este informe nos referiremos a las perforadorasneumaticas con martillo en cabeza. Este consta de las siguientes partes:
-Sistema de barrido que permite el paso del aire.
-Valvula que regula aire comprimido entre parte anterior y posterior del pistón mediante un sistema de entrada y salida.
-Pistón que golpea culata y transmite directamente la onda producida a la varilla o barra que se esté utilizando.
-Cilindro cerrado con tapa delantera.
-Mecanismo que permite la rotación de la barra (varilla).
En este último punto podemos mencionar que la rotación de la varilla puede realizarse por dos formas. Una corresponde a el uso de una barra estriada o rueda de trinquetes, o por otro lado utilizar un motor independiente.
Perforadora neumatica en la cual se utiliza el método de motor independiente.

El campo de aplicación de las perforadoras neumaticas con martillo en cabeza corresponde a barrenos cortos, por lo general de longitudes entre 3- 15 m. Basicamente se utilizan en tipo de roca dura y en terrenos de difícil acceso. (Debido a su tamaño es mas accesible trabajar con éste tipo de perforadoras en aquellos lugares donde no es rentable utilizar una perforadora con mayores costos).
Perforadora con mecanismo de ruedas de trinquetes.


Las longitudes de perforación con este mecanismo no suelen sobrepasar los 30 metros, esto debido a que se genera una gran pérdida de energía en la varilla y ademas se pueden producir desviaciones de los barrenos.
Imagen de una perforadora neumatica.-






Características medias de los martillos neumaticos:Algunas de las ventajas que podemos mencionar de este tipo de perforadoras son: La gran simplicidad, fiabilidad y bajo mantenimiento, facilidad para repararlas en caso de algún daño, ademas son de bajo precio, entre otras.
Perforadoras neumaticas y especificaciones técnicas

Impact power, max.  | 7.2 kW
Hole range | 48 - 89 mm |
Working pressure, max. | 6 bar |
Impact rate, max. | 35 Hz |
Weight | 69 kg |
Length | 780 mm |
Rotation speed | 0 - 180 rpm |


Adapter type | R32, R38, T3 |

BBC 120


Impact power, max.  | 11.2 kW
Hole range | 51 - 89 mm |
Working pressure, max.  | 6 bar |
Impact rate, max. | 39 Hz |
Weight | 179 kg |
Length | 700 mm
Rotation speed | 0 - 95 rpm |
Adapter type | R32, T38, T45 |

COP131EB.-




PERFORADORAS HIDRAULICAS
Para el caso de las perforadoras hidraulicas podemos decir que esta formada por casi las misma partes de una perforadora neumatica (nombradas anteriormente). No obstante la diferencia radica en que este tipo de perforación utiliza un sistema de un motor que actúa sobre un sistema de bombas el cual suministra un caudal de aceite que permite el funcionamiento de los componentes de rotación y movimiento alternativo del pistón. Inicialmente éste sistema se utilizaba sólo en la minería subterranea, pero con el avance tecnológico de hoy en día también es aplicada a la perforación en superficie.


Imagen de martillo hidraulico y respectivas componentes (Perteneciente a la empresa Atlas Copco).Dentro de las características específicas de los martillos hidraulicas podemos mencionar las siguientes según la denotación en la siguiente tabla

Imagen de perforadora hidraulica.-

Importante destacar que según la potencia del martillo hidraulico seleccionaremos el diametro de las varillas a utilizar. Esto lo podemos ver y seleccionar en la siguiente tabla:

Cabe decir que estos martillos hidraulicos son los que se utilizan en diferentes equipos de perforación con la finalidad de mejorar el rendimiento del sistema y poder lograr una perforación óptima para su posterior voladura.

Características y especificaciones técnicas

COP 1838 ME/HE.-
  | COP 1838ME | COP 1838HE |
Hole range, mm | 38–76 | 64–102 |
Impact power, kW, max.  | 18 | 19 |
Hydraulic pressure, bar, max. | 230 | 230 |
Flow rate, l/min | 75–92 | 71–90 |
Impact frequency, Hz, max. | 60 | 42–50 |
Impact energy, Nm | 330 | 360 |

COP 2238.-
Hole range, mm | 51–76 |
Impact power, kW, max.  | 22 |
Hydraulic pressure, bar, max. | 250 |
Flow rate, l/min | 83–93 |
Impact frequency, Hz, max. | 73 |
Impact energy, Nm | 300 |




Equipos de perforación en los cuales se utilizan




PERFORACIÓN HIDRAULICA V/S NEUMATICA

Razones por la cuales la perforación hidraulica supone una mejora tecnológica sobre la neumatica:
* Mayor facilidad para automatización: Todo lo que respecta al cambio de varillaje, mecanismos anti atranques, entre otros.

* Mayor elasticidad de la operación: Sepuede variar la frecuencia por percusión y energía por golpe.

* Mejores condiciones ambientales: Niveles de ruido mucho menores debido a ausencia de escape de aire. En la minería subterranea no se produce niebla de agua mejorando de esta forma la visibilidad del operario.

* Mayor capacidad de perforación: Debido a mejor transmisión de la energía la velocidad de penetración de perforadoras hidraulicas es entre 50 – 100 % mayor que en equipos neumaticos.

* Menores costos de accesorios de perforación: Debido a tamaño de pistón y ademas la tensión en la varilla es mas uniforme. La vida útil de las varillas se incrementa un 20 % en relación a neumaticas. No se produce fatiga en el varillaje en comparación a pistón neumatico.

* Menor consumo energético: Las perforadoras hidraulicas trabajan con fluidos a presiones muy superiores a las accionadas neumaticamente. Por ello, la utilización de la energía es mas eficiente, siendo sólo 1/3 de la energía que se consume con los equipos neumaticos necesaria para su funcionamiento.

Equipo e instrumento utilizado en laboratorio
En la experiencia realizada en laboratorio referente a perforación rotopercutiva utilizamos lo siguiente:
* Perforadora neumatica modelo 7655.

* Herramientas (llave) para desarmar la perforadora.

* Barra (varilla) de perforación

* Tricono (observación de su estructura).
La experiencia consistió en el desarme de la perforadora con la finalidad de conocer sus partes internas y sufuncionamiento. Esto nos permitió determinar el peso del pistón cuyo valor fue 1879 gr. Y ademas determinamos la carrera del pistón cuyo valor fue de 7,7 cm. Estos datos seran útiles para los posteriores calculos a realizar.

DESCRIPCIÓN ELEMENTOS DE LABORATORIO

PISTÓN: El pistón o émbolo es el mecanismo cinematica que transforma un movimiento rectilíneo en uno giratorio, tiene la función de deslizarse alternativamente dentro de su guía (que para este caso de perforadora neumatica corresponde a un cilindro). El mecanismo, denominado de biela-manivela, esta compuesto por pistón, biela y manivela, y encuentra su aplicación natural tanto en maquinas motrices (motores de combustión interna, motores de vapor) como en maquinas operadoras o de trabajo (bombas hidraulicas alternativas, compresores, etc.). Su movimiento no es armónico simple, pero se diferencia muy poco.
En todas las aplicaciones en que se emplea, el pistón recibe (o transmite) fuerzas en forma de presión de (a) un líquido o de (a) un gas. (Recordar que el sistema de movimiento de pistón es hacia adelante y atras, en esta ocasión aire comprimido).

ADAPTADOR DE CULATA: Los adaptadores de culata o también denominados espigas son aquellos elementos que se fijan a las perforadoras para transmitir la energía de impacto, la rotación del varillaje y el empuje.

BARRAS (DIFERENCIAS CON INTEGRADAS): Las barras son las que se utilizan cuando se perfora con martillo en cabeza y pueden tener sección hexagonal o redonda. Las varillas tienen roscasexternas macho y son acopladas por manguitos. Por otro lado las barras integradas son aquellas que permiten una manipulación mas sencilla, eliminan el uso de manguitos, la transmisión de energía es mejor, los barrenos son mas rectos y la operación mas segura.





Calculos relacionados al laboratorio

Datos:
mp= 1879 gr = 1,879 Kg(Peso del pistón)
Ip= 7,7 cm = 77 mm (Carrera del pistón)
D= 7,4 cm (Diametro del pistón)
Pm= 6 Bar= 6,12 kg/cm2 (Presión del aire que entra a la maquina)
Calculos a realizar:
Frecuencia por golpe:

1500 – 3400 (golpes/min). En este caso nos quedaremos con 1500 (golpes/min).

Energía por golpe: Ec= 12mp*vp² ó Ec= Pm*Ap*Ip

Usando 2da fórmula: Ec= 6 Kg/cm² * 43 cm² * 7,7 cm = 2026,33 (Kg*cm).

Velocidad del pistón: Podemos despejarla de Ec= 12mp*vp²

Vp= 22*2026 Kg*cm*1m1879 Kg*100 cm = 4,64 m/s

Potencia de la maquina: P= Ec *f

P= 2026.33 *1500 (Kg*cm*golpes)/min



CONCLUSIÓN:
El conocimiento y el continuo aprendizaje son primordiales para lograr llegar a hacer un profesional destacado. La tecnología hoy en día es un verdadero aporte, mas aún cuando nos permite simplificar las cosas. Por un lado el uso de instrumentos hidraulicos son destacables cuando se habla de la seguridad que presentan y el menor daño medioambiental si la comparamos a los instrumentos neumaticos, mas alla de la inversión que se requiere puesto que ademas permiten un mejor funcionamiento y desarrollo de la perforación que es el objetivo inicial.Ademas el negocio productivo se ve ampliamente beneficiado debido a que las perforadoras hidraulicas permiten el mejor rendimiento según la cantidad de horas perforadas y reducen los costos de perforación, entre muchas mas cualidades que fueron nombradas en el informe.
Pero en realidad lo mas importante a tener en consideración cuando vayamos a utilizar o requeriremos de una de éstas perforadoras es el tipo de trabajo a realizar (si sera en minería subterranea o en minería a cielo abierto), la seguridad necesaria ya sea si se va a realizar un trabajo de tipo manual o mediante algún equipo de perforación y obviamente el dinero para costear una u otra perforadora.
Finalmente como todos sabemos el recurso principal extraído en Chile es el cobre y cada día existen mas proyectos relacionados a este producto tan valioso lo cual obviamente como país hay que aprovecharlo pero siempre con una mentalidad a futuro, siendo importante el medio ambiente, el desarrollo sustentable y porque no la innovación tecnológica que cada día nos da a conocer que se puede mejorar.

BIBLIOGRAFÍA:

-https://es.wikipedia.org/wiki/Mina_subterr%C3%A1nea
-Manual de Perforación y Voladura de Rocas de Lopez Jimeno, Carlos y Lopez Jimeno, Emilio y García Bermudez, 1ra edición, Año de edición 2003, plaza de edición MADRID.

-https://www.mch.cl/revistas/index_neo.php?id=887
-https://www.directindustry.es/cat/maquinaria-y-equipos-construccion-obras-publicas-minas/equipos-para-minas-subterraneas-AR-890.html
- google imagenes.





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