ES3010681T3 - Cutting apparatus - Google Patents

Abstract

Una cuchilla (127) para una unidad de corte (700) utilizada en un aparato de corte (100) apto para la creación de túneles o vías subterráneas. La cuchilla (127) incluye: un cuerpo de disco (711) con una cara inferior (732), una cara superior (730) dispuesta sustancialmente opuesta a la cara inferior (732) y una parte radialmente periférica (738); varios botones (710) para abrasión de roca, montados en la parte radialmente periférica (738) del cuerpo del disco y que sobresalen de este para penetrar en la roca durante una operación de socavación. Al menos algunos de los botones (710) tienen una parte de corte (710b) con una superficie de corte en forma de cúpula. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Aparato de corte

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un cortador para una unidad de corte utilizada en un aparato de corte de rocas adecuado para crear túneles o calzadas subterráneas. La presente invención también se refiere a una unidad de corte para un cabezal de corte utilizado en el aparato de corte, a un cabezal de corte para el aparato de corte y a un aparato de corte.

Antecedentes de la técnica

Se han desarrollado diferentes tipos de máquinas excavadoras para cortar galerías, túneles, calzadas subterráneas y similares, en los que un cabezal rotatorio se monta en un brazo que a su vez se monta de forma móvil en un bastidor principal para crear un perfil de sección transversal de túnel deseado. Los documentos WO2012 /156841, WO 2012/156842, WO 2010/050872, WO 2012/156884, WO2011 /093777, DE 202111 050 143 U1, todos ellos aparatos descritos para el corte de rocas y minerales en los que un cabezal de corte rotatorio se fuerza a entrar en contacto con la pared de roca mientras es sostenido por un brazo móvil. En particular, el documento WO 2012/156884 describe el extremo de corte de la máquina en el que los cabezales rotatorios pueden elevarse y bajarse verticalmente y desviarse en dirección lateral en un pequeño ángulo en un intento de tratar de mejorar la acción de corte.

El documento WO 2014/090589 describe una máquina para excavar túneles de calzadas y similares en la que múltiples cabezales de corte se pueden mover para excavar en la pared de roca a través de una ruta de corte arqueada pivotante. El documento US 2003/0230925 describe una excavadora de rocas que tiene un cabezal de corte que monta una pluralidad de cortadores de disco anulares adecuados para funcionar en un modo de socavado.

Sin embargo, las máquinas de corte convencionales no están optimizadas para cortar rocas duras que tienen una resistencia típicamente superior a 120 MPa mientras crean un túnel o una cavidad subterránea de manera segura y fiable con la configuración de sección transversal deseada. Los documentos WO2016/055087 y WO2016 /055382 describen ambos un tipo de máquina que aborda algunos de estos problemas, sin embargo, los inventores han determinado que los cortadores utilizados en esas máquinas no están tan bien optimizados para el aparato de corte como podrían estarlo.

El documento US2006 /061206 divulga un cortador en forma de disco que tiene botones en su periferia para la minería de material rocoso mediante socavado.

El documento US2014 /251696 divulga un cortador en forma de disco que tiene botones en su periferia. El cortador se destina a utilizarse con una máquina perforadora de túneles.

Otro problema con las máquinas de corte conocidas es que los cortadores experimentan grandes fuerzas durante una operación de corte. Normalmente, los cortadores de disco se montan sobre un vástago, y el vástago (y por lo tanto el disco) se soporta para su rotación por cojinetes. Los cojinetes son normalmente cojinetes de rodillos. Los cortadores de este tipo incluyen botones para desgastar la roca. Los botones sobresalen radialmente hacia fuera desde un borde del disco. Los inventores han determinado que la forma de los botones utilizados en los cortadores puede afectar significativamente la vida útil y el diseño de los cojinetes utilizados para facilitar la rotación del cortador. Por ejemplo, los inventores han determinado que los cortadores que tienen botones cónicos transmiten un componente de fuerza de corte (a menudo denominado "fuerza lateral") a los cojinetes que empuja y tira del cojinete de forma alternada durante una operación de corte. Es la frecuencia relativamente alta de cambio de dirección de la fuerza lateral transmitida a los cojinetes lo que acorta la vida útil de los cojinetes. En consecuencia, es deseable eliminar o minimizar la frecuencia con la que la fuerza lateral transmitida a los cojinetes cambia de dirección. En particular, es deseable eliminar o minimizar la fuerza lateral que se transmite en la dirección de tracción (negativa), es decir, la dirección de tracción del disco de cortador alejándolo de los cojinetes, ya que es la fuerza en esta dirección la que es más dañina para los cojinetes.

Los inventores también han determinado que otros aspectos geométricos del cortador también pueden afectar el rendimiento de corte del aparato de corte.

Compendio de la invención

La invención se expone en el conjunto de reivindicaciones adjunto.

Un objetivo de la presente invención es proporcionar un aparato de corte adecuado para formar túneles y calzadas subterráneas que se configura específicamente para cortar roca dura, digamos más allá de 120 MPa, de una manera controlada y fiable, es decir, un aparato capaz de realizar trabajos de desarrollo de minas. Un objetivo adicional es proporcionar un aparato de corte capaz de crear un túnel con un área de sección transversal variable dentro de un alcance de corte máximo y mínimo. Un objetivo adicional es proporcionar un aparato de corte (excavadora) que funcione en un modo de "socavado" según una acción de corte de dos etapas. Un objetivo adicional es proporcionar un cortador que tenga una geometría de corte optimizada para el aparato de corte. Un objetivo adicional es proporcionar un cortador que reduzca la aparición de fuerzas laterales de tracción. Un objeto adicional es proporcionar un cortador que tenga una geometría optimizada para equilibrar la resistencia del cortador y reducir el desgaste del cortador.

Al menos algunos de los objetivos se logran proporcionando un aparato de corte que tiene una pluralidad de conjuntos de corte, cada uno de los cuales incluye un cabezal de corte montado de forma rotatoria que se une a una estructura de soporte mediante un conjunto de montaje. Cada conjunto de montaje se dispone para permitir que su respectivo cabezal de corte pivote en una dirección hacia arriba y hacia abajo y en una dirección lateral de lado a lado, con respecto a la estructura de soporte. En particular, cada conjunto de montaje comprende un soporte montado de forma pivotante en la estructura de soporte y que lleva un brazo a través de un respectivo montaje de pivote adicional de manera que cada cabezal de corte es capaz de pivotar alrededor de dos ejes de pivote. El alcance de movimiento deseado de cada cabezal se proporciona ya que los ejes de pivote dobles se alinean transversalmente (incluso perpendicularmente) entre sí y se espacian en la dirección longitudinal del aparato entre un extremo delantero y trasero.

Ventajosamente, los cabezales de corte comprenden una pluralidad de cortadores de rodillos en forma de disco distribuidos circunferencialmente alrededor de un perímetro de cada cabezal de modo que se cree una ranura o canal en la pared de roca a medida que los cabezales se impulsan alrededor de sus respectivos ejes de rotación. Los cabezales pueden entonces elevarse verticalmente de modo que superen la resistencia a la tracción relativamente baja de la roca que sobresale para proporcionar rotura mediante una fuerza y energía que es apreciablemente inferior a una acción de corte de compresión más común proporcionada por picos de corte y similares. Ventajosamente, cada cortador incluye un cuerpo de disco y una disposición de botones duros para desgastar la roca. Los botones se disponen de una manera que optimiza la acción de corte para el aparato de corte.

Al menos algunos de los objetivos se consiguen al proporcionar un cortador de rodillos que incluye un cuerpo de disco y una disposición de botones para desgastar la roca, en donde al menos algunos de los botones incluyen cada uno una superficie de corte abovedada, y preferiblemente sustancialmente una superficie de corte hemisférica. Al menos algunos de los objetivos se consiguen al proporcionar un cabezal de corte para su uso en un aparato de corte adecuado para crear túneles o calzadas subterráneas, incluyendo dicho cabezal de corte una pluralidad de cortadores que incluyen cada uno un cuerpo de disco y una disposición de botones para desgastar la roca, en donde al menos algunos de los botones incluyen cada uno una superficie de corte abovedada, y preferiblemente sustancialmente una superficie de corte hemisférica. Al menos algunos de los objetivos se consiguen al proporcionar un aparato de corte adecuado para crear túneles o calzadas subterráneas, incluyendo dicho aparato de corte una pluralidad de cabezales de corte, incluyendo cada cabezal de corte una pluralidad de cortadores que incluyen cada uno un cuerpo de disco y una disposición de botones para desgastar la roca, en donde al menos algunos de los botones incluyen cada uno una superficie de corte abovedada, y preferiblemente sustancialmente una superficie de corte hemisférica.

Según un aspecto de la invención, se proporciona un cortador para una unidad de corte utilizada en un aparato de corte adecuado para crear túneles o calzadas subterráneas, dicho cortador comprende: un cuerpo de disco que tiene un lado inferior, un lado superior dispuesto sustancialmente opuesto al lado inferior y una parte radialmente periférica; una pluralidad de botones para desgastar la roca, dichos botones se montan en la parte radialmente periférica del cuerpo de disco y sobresalen hacia fuera del mismo para enganchar la roca durante una operación de socavado, en donde al menos algunos, y preferiblemente cada uno, de los botones tienen una parte de corte que comprende una superficie de corte en forma de cúpula.

La parte de corte consiste en una superficie de corte en forma de cúpula y, por lo tanto, es completamente convexa. Por lo tanto, la superficie de corte en forma de cúpula no incluye los lados en disminución de un botón cónico. La superficie de corte en forma de cúpula reduce significativamente la frecuencia de las fuerzas laterales de tracción (negativas), lo que extiende la expectativa de vida de los cojinetes de la unidad de corte. La invención es particularmente aplicable a cortadores utilizados para cortar rocas muy duras, como el granito.

Según la invención, la superficie de corte en forma de cúpula comprende una superficie de corte sustancialmente hemisférica. Los inventores han determinado que una superficie de corte sustancialmente hemisférica reduce la frecuencia de las fuerzas laterales negativas (de tracción) de forma más significativa. La superficie de corte sustancialmente hemisférica también proporciona una superficie de corte bien equilibrada al considerar todos los componentes de la fuerza de corte que actúa sobre los botones. Los botones hemisféricos también son más robustos que los botones cónicos. Los botones cónicos son propensos a romperse, en particular los botones cónicos de tamaño más pequeño.

En realizaciones preferidas el radio de la superficie de corte es mayor o igual a 8 mm.

En realizaciones preferidas, el radio de la superficie de corte es menor o igual a 11 mm. El uso de piezas de corte dentro de estas variedades proporciona un buen equilibrio entre las fuerzas de corte experimentadas por los botones y la cantidad de ciclos de corte necesarios para desgastar una pared de roca.

En realizaciones preferidas, el cuerpo del disco incluye una pluralidad de rebajes de botón formados en una superficie periférica radial, y cada botón incluye una pieza de montaje ubicada en un rebaje de botón respectivo. Esto proporciona un cortador robusto. Normalmente, el cortador incluye de 30 a 50 rebajes de botón y botones.

Según la invención, el cuerpo del disco tiene un eje central dispuesto sustancialmente perpendicular a un plano del disco.

En realizaciones preferidas, la superficie periférica radial comprende una superficie anular inclinada. En realizaciones preferidas, la superficie anular inclinada se inclina hacia dentro y hacia abajo en dirección al eje central del disco. Preferentemente, la superficie anular inclinada es una superficie inferior.

En realizaciones preferidas, la pieza de montaje es sustancialmente cilíndrica y tiene un radio que define el cilindro, la superficie de corte sustancialmente hemisférica tiene un radio que define la superficie de corte, en donde el radio del cilindro coincide sustancialmente con el radio hemisférico. Esta es una disposición eficiente.

En realizaciones preferidas, la pieza de montaje se hace de un material diferente al de la pieza de corte, y la pieza de corte se fija a la pieza de montaje. Esto permite utilizar un material duro más caro para la pieza de corte y un material menos caro para la pieza de montaje. Por ejemplo, la pieza de montaje puede incluir acero. La pieza de corte puede incluir carburo de tungsteno, por ejemplo, carburo de tungsteno cementado.

Según la invención, cada uno de los botones tiene un eje longitudinal central que subtiende un ángulo a con respecto a un eje de referencia, que se extiende perpendicularmente hacia fuera desde el eje longitudinal central del vástago.

Según la invención, el ángulo a es mayor o igual a 20° y menor o igual a 34°. Los inventores han determinado mediante una experimentación detallada que los botones alineados de esta manera proporcionan la mejor eficiencia de corte para aparatos de corte de este tipo, que tienen movimientos de corte laterales y de arriba a abajo.

En realizaciones preferidas, el ángulo a es menor o igual a 32°, preferiblemente menor o igual a 31°, más preferiblemente menor o igual a 30° y más preferiblemente aún menor o igual a 29°. En realizaciones preferidas, el ángulo a es mayor o igual a 21 °, preferiblemente mayor o igual a 22°, más preferiblemente mayor o igual a 23° y más preferiblemente aún mayor o igual a 24. Los inventores han determinado que un intervalo particularmente ventajoso para el ángulo a es de 24° a 28°. Los inventores han determinado que estos son ángulos de corte particularmente efectivos, particularmente cuando el ángulo a es de alrededor de 28°.

En realizaciones preferidas, el cuerpo del disco tiene un lado inferior rebajado para reducir el enganche por fricción entre el disco y una pared de roca durante una operación de corte. Reducir el enganche por fricción entre el lado inferior del disco y la pared de roca reduce el desgaste del cortador. El lado inferior se dispone sustancialmente opuesta a la parte superior del disco. El lado inferior se encara hacia la pared de roca durante una operación de corte.

En realizaciones preferidas, el lado inferior del disco incluye una superficie anular inclinada que se inclina hacia dentro del cuerpo del disco desde una parte periférica radial del disco hacia el eje central. Cuando el disco está en una orientación sustancialmente horizontal, con el lado inferior encarada hacia abajo, la superficie anular inclinada se inclina hacia arriba y hacia dentro desde la parte periférica del disco, y preferiblemente desde un borde inferior del disco. En realizaciones preferidas, el diámetro máximo de la superficie anular inclinada se encuentra en la parte periférica del disco y/o en una parte inferior del disco.

En realizaciones preferidas, la superficie anular inclinada subtiende un ángulo y con respecto a un eje de referencia. El eje de referencia se extiende perpendicularmente hacia fuera desde el eje longitudinal central del vástago. El ángulo y es mayor o igual a 2°, preferiblemente mayor o igual a 4°, más preferiblemente mayor o igual a 6°, y más preferiblemente aún mayor o igual a 8°. Típicamente, el ángulo y es menor o igual a aproximadamente 20°. Es deseable tener un ángulo de pendiente relativamente bajo para maximizar la cantidad de material adyacente a los botones, para proporcionar un disco de corte fuerte. Los inventores han determinado que una pendiente de aproximadamente 6° a 10°, y preferiblemente de aproximadamente 8°, es un buen equilibrio entre la reducción de la fricción por un lado y la resistencia del disco por el otro.

En realizaciones preferidas, la parte radialmente periférica del disco incluye una superficie anular inclinada, dicha superficie anular inclinada se inclina hacia dentro y hacia arriba hacia el eje central del disco. En realizaciones preferidas, la superficie anular inclinada subtiende un ángulo p con un eje de referencia que se dispone paralelo al eje central del disco, en donde el ángulo p es mayor que 0°, preferiblemente es mayor que o igual a 5°, y más preferiblemente es mayor que o igual a 10°, y más preferiblemente aún es mayor que o igual a 15°. La superficie anular inclinada reduce la fricción entre el disco y la pared de roca durante una operación de corte. Preferiblemente, la superficie exterior inclinada se inclina hacia dentro y hacia arriba desde un borde circunferencial del disco. En realizaciones preferidas, el borde circunferencial del disco es el diámetro máximo del disco. Sin embargo, los botones se extienden hacia fuera más allá del diámetro máximo del cuerpo del disco. La superficie anular inclinada se encuentra por encima de la primera superficie anular inclinada, cuando el cuerpo del disco se orienta horizontalmente con el lado inferior encarada hacia abajo. La primera superficie anular inclinada es una superficie inferior, con respecto a esta superficie anular inclinada. En realizaciones preferidas, las superficies anulares inclinadas convergen hacia un borde periférico del disco. En realizaciones preferidas, el borde periférico define el radio máximo del cuerpo de disco. Se apreciará que los botones se extienden radialmente hacia fuera más allá del borde periférico del disco. En realizaciones preferidas, la superficie anular inclinada formada en el lado inferior del cuerpo del disco y esta superficie anular inclinada formada en la parte periférica radial del cuerpo del disco convergen hacia un borde más bajo del cuerpo del disco.

Es deseable tener un ángulo p relativamente pequeño para maximizar la cantidad de material adyacente a los botones, para proporcionar un disco de corte fuerte. Sin embargo, cuanto menor sea el ángulo p, mayor será la cantidad de fricción entre el disco y la pared de roca durante una operación de corte. En realizaciones preferidas, el ángulo p es menor o igual a 65°, preferiblemente es menor o igual a 60°, y más preferiblemente es menor o igual a 55°, y más preferiblemente aún menor o igual a 50°. Los inventores han determinado que una pendiente de alrededor de 35° a 45°, y particularmente alrededor de 40°, es un buen equilibrio entre la reducción de la fricción por un lado y la resistencia del disco por el otro.

En realizaciones preferidas el cuerpo del disco es anular.

Según otro aspecto de la invención se proporciona una unidad de corte para un cabezal de corte utilizado en aparatos de corte adecuados para crear túneles o calzadas subterráneas y similares, como se establece en la reivindicación 11.

El lado superior del cuerpo del disco se encara en dirección opuesta a la pared de roca durante una operación de corte.

En realizaciones preferidas, el vástago incluye una pestaña. El lado superior se encara hacia la pestaña de vástago. Normalmente, el lado superior es sustancialmente plano o incluye una parte sustancialmente plana. En realizaciones preferidas, el lado superior topa en la pestaña de vástago.

Según otro aspecto de la invención se proporciona un cabezal de corte para un aparato de corte adecuado para crear túneles o calzadas subterráneas y similares, como se establece en la reivindicación 12.

En realizaciones preferidas, las unidades de corte se montan en una parte periférica radial del cuerpo de cabezal de corte. Normalmente, un cabezal de corte incluye entre 6 y 20 unidades de corte, y preferiblemente entre 8 y 16 unidades de corte.

En realizaciones preferidas, las unidades de corte se distribuyen alrededor de un círculo primitivo en el cuerpo de cabezal de corte.

Al menos algunos, y preferiblemente cada uno, de los discos de corte se disponen para rotar libremente. Es decir, al menos algunos, y preferiblemente cada uno, de los discos de corte no son impulsados de forma independiente y directa para rotar por una fuente de impulsión. En cambio, todos los discos de corte se montan en un cuerpo de cabezal de corte. El cuerpo de cabezal de corte es rotatorio, normalmente impulsado por un motor. Por lo tanto, los cuerpos de los discos de corte rotan con el cuerpo de cabezal de corte. Sin embargo, cada cuerpo de disco de corte se dispone para rotar libremente con respecto al cuerpo de cabezal de corte. Por lo tanto, los discos de corte rotan con respecto al cuerpo de cabezal de corte en respuesta al enganche por fricción con la pared de roca.

Según otro aspecto de la invención se proporciona un aparato de corte adecuado para crear túneles o calzadas subterráneas y similares, tal como se establece en la reivindicación 16.

En realizaciones preferidas, cada conjunto de montaje incluye: un soporte montado de manera pivotante con respecto a la estructura de soporte a través de un primer eje de pivote, que se alinea generalmente en posición vertical con respecto a las regiones encaradas hacia arriba y hacia abajo, de modo que cada soporte se configura para pivotar lateralmente en una dirección lateral con respecto a las regiones encaradas hacia los lados; al menos un accionador de soporte para accionar el movimiento independiente de cada uno de los soportes con respecto a la estructura de soporte; un conjunto de brazo montado de manera pivotante en el soporte a través del segundo eje de pivote alineado en una dirección que se extiende transversalmente, incluida la perpendicular a cada eje de pivote del soporte, para permitir que el brazo pivote de manera independiente con respecto al soporte en una dirección hacia arriba y hacia abajo con respecto a las regiones encaradas hacia arriba y hacia abajo; al menos un accionador de brazo para accionar el movimiento de pivote independiente del brazo con respecto al soporte; en donde cada cabezal de corte rotatorio se monta hacia un extremo libre de su respectivo brazo, y cada cabezal de corte puede rotar alrededor de un eje de cabezal orientado para extenderse sustancialmente transversalmente a cada eje de pivote del brazo, y las unidades de corte proporcionan un modo de funcionamiento socavando. Esto proporciona una acción de corte flexible que puede desarrollar nuevas minas.

Los conjuntos de corte primero y segundo pueden operarse independientemente uno del otro. Los cabezales de corte primero y segundo pueden moverse independientemente uno del otro. Las unidades de corte se distribuyen alrededor de un borde periférico de cada cabezal de corte. Normalmente, cada cabezal de corte incluye al menos 4 unidades de corte. Normalmente, cada cabezal de corte incluye menos o igual a 20 unidades de corte. Las unidades de corte se distribuyen preferiblemente alrededor de un círculo primitivo en el cabezal de corte.

En realizaciones preferidas, cada cabezal de corte rotatorio se monta hacia un extremo libre de su respectivo brazo, y cada cabezal de corte puede rotar alrededor de un eje de cabezal orientado para extenderse sustancialmente transversal a cada eje de pivote del brazo. Preferentemente, las unidades de corte proporcionan un modo de funcionamiento socavando.

La configuración de cada cabezal para proporcionar la acción de socavado es ventajosa para romper la roca con menos fuerza y, a su vez, proporcionar una operación de corte más eficiente que consume menos energía. Preferiblemente, el aparato comprende una pluralidad de cortadores montados de forma rotatoria independientemente en cada cabezal de corte rotatorio. Preferiblemente, los cortadores son cortadores generalmente anulares, cada uno de los cuales tiene un filo de corte generalmente anular o filos de corte en capas para proporcionar un modo de funcionamiento socavando. Más preferiblemente, los cortadores se montan en una región perimetral de cada cabezal de corte de manera que los cortadores rodean circunferencialmente cada cabezal de corte. Tal configuración es ventajosa para proporcionar la acción de socavado del aparato con los cortadores creando primero un canal o ranura que se extiende generalmente horizontalmente en la pared de roca. Los cortadores pueden luego moverse hacia arriba para romper la roca superando las fuerzas de tracción inmediatamente por encima del canal o ranura. Se proporciona una operación de corte más eficiente que requiere menos fuerza y consume menos energía. Preferiblemente, los cortadores se montan en cuerpos generalmente cilíndricos y comprenden filos de corte generalmente anulares distribuidos alrededor del perímetro del cabezal de corte. Cada filo de corte generalmente circular se posiciona, por tanto, uno al lado de otro alrededor de la circunferencia del cabezal de corte, representando cada filo de corte una parte extrema de cada brazo pivotante. Preferiblemente, la alineación de los ejes de rotación de los cortadores con respecto al eje de rotación del cabezal de corte respectivo es la misma, de modo que los filos de corte respectivos se orientan todos en la misma posición alrededor del cabezal de corte.

Las siguientes realizaciones no son relevantes para describir la invención reivindicada, sino que se presentan únicamente con fines ilustrativos. Será evidente para el experto en la técnica que se pueden realizar modificaciones siempre que dichas modificaciones se encuentren dentro del alcance de la invención tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.

En realizaciones preferidas, cada accionador de brazo comprende un conjunto de engranajes planetarios montado en la unión en la que cada brazo pivota con respecto a cada soporte. El aparato puede comprender una disposición de engranajes planetarios convencional, como un engranaje planetario de tipo Wolfram que tiene una alta relación de transmisión. El conjunto de engranajes planetarios se monta internamente con cada brazo de manera que el aparato de corte se diseña para ser lo más compacto posible.

En realizaciones preferidas, cada accionador de brazo incluye al menos un primer motor de impulsión para impulsar el movimiento de pivote del brazo con respecto al soporte. Preferiblemente, el aparato comprende dos motores de impulsión para impulsar cada uno de los brazos primeros y segundos alrededor de su eje de pivote a través de los respectivos engranajes planetarios. Preferiblemente, los respectivos motores de impulsión se montan en el interior de cada brazo y se acoplan a cada brazo a través del conjunto de engranajes planetarios y/o una transmisión de impulsión intermedia.

En realizaciones preferidas, cada conjunto de corte incluye al menos un segundo motor de impulsión para impulsar la rotación del cabezal de corte con respecto al brazo. En algunas realizaciones, cada cabezal comprende dos motores de impulsión montados en el lateral de cada brazo. Una disposición de este tipo es ventajosa para hacer pivotar cada motor de impulsión con cada cabezal de corte y proporcionar una impulsión directa con un engranaje intermedio mínimo.

En realizaciones preferidas, cada accionador de soporte comprende un accionador lineal hidráulico. Preferentemente, cada accionador de soporte comprende un cilindro hidráulico lineal posicionado en los lados laterales de la estructura de soporte y acoplado para extenderse entre el trineo y una pestaña de accionamiento que se extiende lateralmente hacia fuera desde cada soporte. Una disposición de este tipo es ventajosa para minimizar el ancho total del aparato al tiempo que proporciona un mecanismo eficiente para el giro lateral de cada soporte y, en consecuencia, de cada brazo.

En realizaciones preferidas, la estructura de soporte incluye un bastidor principal y un trineo motorizado montado de forma móvil en el bastidor principal para configurarse para deslizarse en una dirección de corte hacia delante del aparato con respecto al bastidor principal. El aparato puede comprender además una pluralidad de patines o rieles guía para minimizar el movimiento de deslizamiento por fricción del trineo sobre el bastidor principal. Preferiblemente, el aparato comprende al menos un accionador lineal motorizado para proporcionar el movimiento hacia delante y hacia atrás del trineo con respecto al bastidor principal. Como se apreciará, el trineo puede configurarse para moverse axialmente/longitudinalmente en la máquina a través de una pluralidad de mecanismos de accionamiento diferentes que incluyen disposiciones de piñón y cremallera, disposiciones de transmisión por correa, disposiciones de engranajes y similares. Preferiblemente, los soportes y los brazos se montan en el trineo y se configuran todos para moverse en la dirección hacia delante y hacia atrás colectivamente.

En realizaciones preferidas, cada cabezal de corte se monta en el trineo a través de su respectivo brazo y soporte de modo que se configura para avanzar en la dirección de corte hacia delante. Opcionalmente, el trineo puede posicionarse para funcionar longitudinalmente entre los soportes y cada uno de los respectivos brazos. Es decir, cada brazo puede configurarse para deslizarse en la dirección axialmente hacia delante con respecto a cada soporte a través de uno o una pluralidad de accionadores. Opcionalmente, cada brazo se conecta a cada soporte a través de un respectivo accionador deslizante de modo que cada brazo se configura para deslizarse de forma independiente entre sí. Opcionalmente, cada brazo puede configurarse para deslizarse en una dirección hacia delante y hacia atrás con respecto a cada soporte a través de un mecanismo de deslizamiento paralelo coordinado.

En realizaciones preferidas, cada brazo se configura para pivotar en la dirección hacia arriba y hacia abajo hasta 180°; y cada soporte se configura para pivotar en la dirección lateral hasta 90°. Opcionalmente, cada brazo puede configurarse para pivotar en un intervalo hasta 155°. Opcionalmente, los soportes primero y segundo se configuran para pivotar en la dirección lateral hasta 90°. Opcionalmente, los soportes pueden configurarse para pivotar hasta 20° en la dirección lateral. Tal configuración proporciona control de la forma del perfil y evita cualquier corte o cresta que de otro modo permanecería en el techo y el piso del túnel recién formado.

En realizaciones preferidas, el aparato comprende orugas o ruedas montadas en el bastidor principal para permitir que el aparato se mueva en una dirección hacia delante y hacia atrás. Las orugas o ruedas permiten que el aparato avance hacia delante y hacia atrás dentro del túnel tanto cuando se maniobra hacia dentro como desde el frente de corte entre operaciones de corte y que avance hacia delante durante las operaciones de corte como parte del ciclo de corte de corte y avance que también utiliza el trineo deslizante.

Según otra realización preferida de la invención, se proporciona un aparato de corte adecuado para crear túneles o calzadas subterráneas y similares que comprende, el aparato de corte que incluye: un bastidor principal que tiene regiones encaradas generalmente hacia arriba, hacia abajo y hacia los lados; un trineo motorizado montado de forma móvil en el bastidor principal para configurarse para deslizarse en una dirección de corte hacia delante del aparato con respecto al bastidor principal; brazos primero y segundo montados de forma pivotante en el trineo mediante respectivos vástagos de brazo pivotante alineados en una dirección que se extiende transversalmente, incluida la perpendicular a un eje longitudinal del bastidor principal, para permitir que cada brazo pivote independientemente uno del otro en una dirección hacia arriba y hacia abajo con respecto a la región encarada hacia arriba y hacia abajo del bastidor principal; al menos un primer y segundo accionador de brazo para activar el movimiento pivotante independiente del primer y segundo brazos entre sí y con respecto al bastidor principal; cada uno de los primeros y segundos brazos que tiene un cabezal de corte rotatorio montado de manera que se configure para moverse en la dirección hacia arriba y hacia abajo y avanzar en la dirección de corte hacia delante, cada cabezal de corte puede rotar alrededor de un vástago de cabezal orientado para extenderse sustancialmente transversalmente a los respectivos vástagos de brazo pivotante; y en donde cada uno de los cabezales de corte incluye una pluralidad de unidades de corte, cada unidad de corte incluye un vástago rotatorio que tiene un eje longitudinal central y un cortador montado en el vástago, estando dispuesto dicho cortador en cualquier configuración descrita en esta memoria.

En realizaciones preferidas, cada uno de los brazos primeros y segundos se monta respectivamente en un primer y segundo soporte montados de manera deslizable con respecto al bastidor principal a través de un medio deslizable común o respectivo, de modo que cada primer y segundo soporte se configura para deslizarse lateralmente en una dirección lateral con respecto a las regiones encaradas hacia los lados.

En realizaciones preferidas, cada cabezal de corte rotatorio comprende un cortador de rodillos generalmente anular, cada uno de los cuales tiene un filo de corte generalmente anular o filos de corte en capas para proporcionar un modo de funcionamiento socavando.

En realizaciones preferidas, cada uno de los cortadores de rodillos rota de forma independiente con respecto a su respectivo cabezal de corte.

En realizaciones preferidas, los múltiples cortadores de rodillos son generalmente cortadores de rodillos anulares, cada uno de los cuales tiene un filo de corte generalmente anular o filos de corte en capas para proporcionar un modo de funcionamiento socavando.

En realizaciones preferidas, cada uno de los accionadores de brazo primero y segundo comprende un conjunto de engranajes planetarios montado en la unión en la que cada brazo pivota con respecto a cada soporte.

Breve descripción de los dibujos

A continuación se describirá una implementación específica de la presente invención, a modo de ejemplo únicamente, y con referencia a los dibujos adjuntos en los que:

la Figura 1 es una vista isométrica delantera de un aparato de corte móvil adecuado para crear túneles o calzadas subterráneas que tiene una unidad de corte montada hacia delante y una unidad de control hacia atrás según una implementación específica de la presente invención;

la Figura 2 es una vista isométrica trasera del aparato de corte de la Figura 1;

la Figura 3 es una vista en alzado lateral del aparato de la Figura 2;

la Figura 4 es una vista isométrica delantera ampliada de la unidad de corte del aparato de la Figura 3;

la Figura 5 es una vista en planta del aparato de corte de la Figura 4;

la Figura 6 es una vista en alzado lateral del aparato de corte de la Figura 5;

la Figura 7 es una vista extrema delantera del aparato de corte de la Figura 6;

la Figura 8 es una vista en sección transversal longitudinal de una unidad de corte;

la Figura 9 es una vista isométrica de un disco de corte incluido en la unidad de corte de la Figura 8, que muestra una superficie de enganche del vástago del disco de corte;

la Figura 10 es una vista isométrica de un disco de corte incluido en la unidad de corte de la Figura 8, que muestra el lado inferior del disco de corte;

la Figura 11 es una vista en sección transversal ampliada de parte del disco de corte de la Figura 9; y

la Figura 12 es un gráfico que muestra la probabilidad frente a la fuerza lateral y compara las fuerzas laterales experimentadas por los cortadores cónicos y hemisféricos durante una operación de corte.

Descripción detallada de la invención

Con referencia a las figuras 1 a 7, el aparato de corte 100 comprende una estructura de soporte 800 que monta una pluralidad de componentes de corte configurados para cortar una pared de roca o mineral 1000 para crear túneles o calzadas subterráneas. El aparato 100 se configura específicamente para funcionar en un modo de socavado en el que una pluralidad de cortadores de rodillos rotatorios 127 pueden introducirse a la fuerza en la roca para crear una ranura o canal y luego pivotar verticalmente hacia arriba para superar la fuerza de tracción reducida inmediatamente por encima de la ranura o canal y romper la roca. En consecuencia, el presente aparato de corte se optimiza para avanzar hacia delante en la roca o mineral utilizando menos fuerza y energía que la que se requiere típicamente para los cortadores de tipo compresión convencionales que utilizan brocas o picos de corte montados en cabezales rotatorios. Sin embargo, el presente aparato puede configurarse con diferentes tipos de cabezal de corte a los descritos en esta memoria, incluidos en particular cabezales de corte de tipo pico o broca en los que cada pico se orienta angularmente en el cabezal de corte para proporcionar un ángulo de ataque de corte predeterminado.

Con referencia a las figuras 1 a 3, la estructura de soporte 800 incluye un bastidor principal 102. El bastidor principal 102 comprende lados laterales 302 que se orientarán hacia la pared del túnel; una región encarada hacia arriba 300 que se orientará hacia un techo del túnel; una región encarada hacia abajo 301 orientada para encararse hacia el piso del túnel; un extremo encarado hacia delante 303 destinado a posicionarse encarado a la cara de corte y un extremo encarado hacia atrás 304 destinado a posicionarse encarado lejos de la cara de corte.

La estructura de soporte incluye un bastidor inferior 109. El bastidor inferior 109 se monta generalmente debajo del bastidor principal 102 y, a su vez, monta un par de orugas 103 impulsadas por un motor hidráulico (o eléctrico) para proporcionar un movimiento hacia delante y hacia atrás del aparato 100 sobre el suelo cuando está en un modo sin corte. Un par de patas elevadoras traseras 106 de enganche a suelo se montan en los lados de bastidor 302 hacia el extremo trasero 304 y se configuran para extenderse y retraerse linealmente con respecto al bastidor 102. El bastidor 102 comprende además un par delantero de patas elevadoras 115 también montadas en cada lado de bastidor 302 y hacia el extremo delantero 303 y que se configuran para extenderse y retraerse para enganchar el túnel de suelo. Mediante el accionamiento de las patas 106, 115, el bastidor principal 102 y, en particular, las orugas 103 pueden elevarse y bajarse en dirección ascendente y descendente para suspender las orugas 103 fuera del suelo para colocar el aparato 100 en un modo de corte. Un par de pinzas de enganche a techo 105 se proyectan hacia arriba desde el bastidor principal 102 en el extremo trasero del bastidor 304 y son extensibles y retráctiles linealmente en dirección ascendente y descendente a través de cilindros de control 116. Por lo tanto, las pinzas 105 se configuran para elevarse hasta entrar en contacto con el techo de túnel y, en combinación extensible con las patas elevadoras 106, 115, se configuran para calzar el aparato 100 en una posición estacionaria entre el suelo y el techo de túnel cuando está en el modo de corte.

La estructura de soporte 800 incluye un trineo 104. El trineo 104 se monta de manera deslizable sobre la parte superior del bastidor principal 102 a través de un mecanismo de deslizamiento 203. El trineo 104 se acopla a un cilindro hidráulico lineal 201 de manera que mediante la extensión y retracción recíprocas del cilindro 201, el trineo 104 se configura para deslizarse linealmente entre los extremos delantero y trasero del bastidor 303, 304.

Un par de unidades de empernado accionadas hidráulicamente 107 se montan en el bastidor principal 102 entre el trineo 104 y la unidad de agarre de techo 105, 116 en relación con una dirección longitudinal del aparato. Las unidades de empernado 107 se configuran para asegurar una estructura de malla (no mostrada) al techo del túnel a medida que el aparato 100 avanza en una dirección de corte hacia delante. El aparato 100 también comprende una estructura de soporte de malla (no mostrada) montada generalmente sobre el trineo 104 de modo de soportar posicionalmente la malla directamente debajo del techo antes de empernar en su posición.

El aparato de corte 100 incluye conjuntos de corte primero y segundo 900. El primer conjunto de corte 900 incluye un primer cabezal de corte 128 y un primer conjunto de montaje 902. El segundo conjunto de corte 902 incluye un segundo cabezal de corte 128 y un segundo conjunto de montaje 902. Cada uno de los conjuntos de montaje primero y segundo 902 incluye un soporte 120. Cada soporte 120 se monta de forma pivotante en el trineo 104, y sobresale hacia delante desde este, inmediatamente por encima del extremo delantero de bastidor 303. Los soportes 120 generalmente se espacian entre sí en una dirección lateral a lo ancho del aparato 100 y se configuran para pivotar independientemente lateralmente hacia fuera uno de otro con respecto al trineo 104 y al bastidor principal 102. Cada soporte 120 comprende un extremo delantero 503 y un extremo trasero 504 haciendo referencia a la figura 5. Una primera pestaña de montaje 118 se proporciona en el extremo trasero del soporte 504 que generalmente se encarada hacia atrás. Una segunda pestaña de montaje correspondiente 119 se proyecta lateralmente hacia fuera desde un lado del trineo 104 inmediatamente detrás de la primera pestaña 118. Un par de cilindros hidráulicos lineales 117 se montan para extenderse entre las pestañas 118, 119 de manera que mediante la extensión y retracción lineal, cada soporte 120 se configura para pivotar en el plano generalmente horizontal y en la dirección lateral hacia los lados con respecto a los lados de bastidor 302. Con referencia a la figura 4, cada soporte 120 se monta en el trineo 104 a través de una varilla de pivote 404 que se extiende generalmente verticalmente (cuando el aparato 100 se posiciona sobre un suelo horizontal) a través del trineo 104 y que se suspende generalmente por encima del extremo delantero del bastidor principal 303. Por lo tanto, cada soporte 120 se configura para pivotar o girar alrededor del eje de pivote 400. Con referencia a la figura 5, cada soporte 120 se acopla además a un respectivo cilindro hidráulico interior 500 montado en una región interna del trineo 104 para cooperar con cilindros montados lateralmente 117 para girar lateralmente cada soporte 120 alrededor del eje de pivote 400.

Con referencia a las figuras 4 y 5, como los respectivos ejes de pivote 400 se espacian en la dirección del ancho del aparato 100, los soportes 120 pueden girarse hacia dentro hasta una posición máxima hacia dentro 501 y girarse lateralmente hacia fuera hasta una posición máxima hacia fuera 502. Según la implementación específica, un ángulo entre las posiciones de giro interior y exterior 501,502 es de 20°.

Con referencia a las figuras 1 a 3, cada conjunto de montaje 902 incluye un brazo 121. Cada brazo se monta de manera pivotante generalmente en el extremo delantero 503 de cada soporte 120. Cada cabezal de corte 128 se monta de manera rotatoria en un extremo distal libre de cada brazo 121. Cada cabezal de corte 128 comprende una configuración similar a un disco (generalmente cilíndrica).

Cada cabezal de corte 128 incluye un cuerpo 131 y 12 unidades de corte 700. Los detalles de las unidades de corte 700 se ven mejor en las Figuras 8 a 11. Cada unidad de corte 700 incluye una carcasa 701, un vástago 703, un primer cojinete 705, un segundo cojinete 707, un tercer cojinete 709 y un cortador 127 que comprende un cuerpo de disco 711 y una disposición de botones 710. El vástago 703, y por lo tanto el disco, tiene un eje longitudinal central 704. El eje central 704 se dispone sustancialmente perpendicular al plano del disco. El vástago 703 se monta sobre cojinetes primero, segundo y tercero 705, 707, 709 y se dispone para rotar libremente en los cojinetes. Los cojinetes 705, 707, 709 son típicamente cojinetes de rodillos. El vástago 703 incluye una pestaña 713 hacia un extremo inferior 715 del vástago. El disco 711 se fija al extremo inferior 715 del vástago y rota con el vástago. El disco 711 se une al vástago mediante pernos 717. Los pernos 717 pasan a través de orificios 719 formados a través del plano del disco 711 y dentro de orificios roscados 721 en la pestaña 713. El disco 711 es anular. El disco 711 tiene un orificio pasante central 723. El disco 711 se monta sobre el vástago 703 de manera que el extremo inferior 715 del vástago sobresale a través del orificio pasante central 723. Un conjunto de collar 725 se asienta en un espacio anular entre una superficie exterior 727 del extremo inferior del vástago y una superficie interior 729 del disco anular.

El disco 711 incluye un lado superior 730, un lado inferior 732 y una parte periférica radial 738.

El lado superior 730 se encara generalmente hacia los brazos 121 y en dirección opuesta a la pared de roca 1000 durante una operación de socavado. El lado superior 730 incluye una superficie superior anular 731, que es sustancialmente plana. La superficie superior 731 topa contra la pestaña 713.

La parte radialmente periférica 738 es generalmente la parte del borde exterior del disco. La parte radialmente periférica 738 incluye una primera superficie en disminución anular (superior) 733, que es en disminución hacia arriba y hacia dentro en dirección a la superficie superior 731. La primera superficie en disminución 733 tiene un diámetro máximo en su borde inferior 734 y un diámetro mínimo en su borde superior 736. La parte radialmente periférica 738 incluye una segunda superficie en disminución anular (inferior) 735, que se estrecha hacia abajo y hacia dentro desde el borde inferior 734 de la primera superficie en disminución, hasta su propio borde inferior 737. Por lo tanto, la segunda superficie en disminución anular 735 tiene un diámetro máximo en el borde 734 y un diámetro mínimo en el borde 737. El borde 734 es el diámetro máximo del disco 711.

El lado inferior 732 se encara generalmente hacia la pared de roca 1000 durante una operación de socavado. El lado inferior 732 se rebaja para reducir la cantidad de fricción entre el disco 711 y la pared de roca 1000. Se apreciará que el lado inferior rebajado 732 puede adoptar muchas formas diferentes, por ejemplo, el lado inferior rebajado 732 puede tener una formación sustancialmente cóncava. Una disposición particularmente preferida es que el lado inferior 732 incluya una superficie en disminución anular 739 que se estrecha hacia dentro y hacia arriba desde el borde inferior 737 hasta el borde superior 741. Por lo tanto, la superficie en disminución anular 739 tiene un diámetro máximo en el borde inferior 737 y un diámetro mínimo en el borde superior 741.

Se perforan muchos orificios 743 en la superficie en disminución anular 735. El número de orificios se selecciona según la aplicación. Normalmente, se forman entre 30 y 50 orificios 743 en el disco 711. En cada uno de los orificios 743 se encuentra un botón 710. Los botones 710 se disponen de manera que desgastan la roca a medida que rota el cabezal de corte 128. Los cortadores 127 preferidos incluyen 39 o 45 botones 710.

Cada botón comprende una parte de montaje 710a y una parte de corte 710b. La parte de montaje 710a comprende un cuerpo cilíndrico de radio R<c>. La parte de corte 710b comprende un cuerpo que tiene una superficie de corte abovedada 712, y en particular la superficie de corte consiste en una superficie de corte hemisférica 712. La parte de corte 710b se monta en un extremo del cuerpo cilíndrico. Preferiblemente, la superficie hemisférica coincide con el tamaño del cuerpo cilíndrico. Es decir, el radio R<hs>de la superficie de corte hemisférica puede ser sustancialmente igual al radio R<c>del cuerpo cilíndrico. El radio R<hs>de la superficie de corte hemisférica está típicamente en el intervalo de 8 a 11 mm.

El cuerpo de la parte de corte 710b puede incluir un lado inferior sustancialmente plana para enganche con una cara extrema del cuerpo cilíndrico. Alternativamente, la parte de corte 710b y el extremo del cuerpo cilíndrico pueden disponerse para enganche. Por ejemplo, uno del lado inferior de la parte de corte y el extremo del cuerpo cilíndrico pueden incluir una protuberancia y el otro del lado inferior de la parte de corte y el extremo del cuerpo cilíndrico pueden incluir un rebaje para recibir la protuberancia. Esto es para ayudar a fijar la parte de corte 710b a la parte de montaje 710a.

Preferentemente, el cuerpo cilíndrico 710b se hace de acero. El cuerpo hemisférico se hace de un material duro como el carburo de tungsteno. Si bien los botones 710 se hacen preferentemente de dos partes separadas que se unen entre sí, se apreciará que el botón 710 puede comprender un cuerpo integral que incluye la parte de montaje 710a y la parte de corte 710b.

La parte de montaje 710a del botón 710 se inserta en su respectivo orificio 743. El orificio 743 tiene el tamaño adecuado para recibir la totalidad de la parte de montaje 710a. La parte de corte 710b sobresale de la superficie en disminución anular 735. Cada botón 710 sobresale hacia fuera del disco más allá del diámetro máximo 734 del disco. Por lo tanto, el diámetro circunscrito del cabezal de corte 128 se define por la medida en que los botones 710 sobresalen más allá del disco.

Durante una operación de corte, se generan fuerzas de corte en la superficie de corte 712 de cada botón 710. La fuerza de corte se puede desglosar en tres partes componentes ortogonales, en la región de punta 710c: "fuerza lateral" (véase la dirección X en las Figuras 10 y 11, en donde una fuerza positiva representa el disco que empuja sobre los cojinetes y una fuerza negativa representa el disco que tira sobre los cojinetes); "fuerza de rodadura" (véase la dirección Y en la Figura 10, la dirección Y es perpendicular al plano del papel en la Figura 11, en donde una fuerza positiva representa los botones que comprimen la roca y una fuerza negativa representa la roca que comprime los botones); y "fuerza normal" (véase la dirección X en las Figuras 10 y 11, en donde una fuerza positiva representa el disco que empuja sobre la roca y una fuerza negativa representa el disco que rebota desde la roca). Los inventores han determinado que al utilizar botones 710 que tienen una parte de corte hemisférica 710b, hay una reducción significativa en el grado en el que el componente de fuerza lateral cambia de dirección durante una operación de corte. Esto se ilustra en el gráfico de la Figura 12. El gráfico muestra la probabilidad (eje y) y la fuerza lateral (eje x) para un cortador que incluye botones hemisféricos y, a efectos de comparación, un cortador que incluye botones cónicos. Los datos se generaron uniendo una unidad de corte 700 a una celda de carga. Dado que se conoce la geometría de la unidad de corte 700 y la celda de carga, la salida de la celda de carga indica con precisión la magnitud de las fuerzas experimentadas durante la operación de corte. En el gráfico, los valores de fuerza lateral negativos representan fuerzas laterales de tracción, que empujan el disco 711 lejos de los cojinetes 705, 707, 709. Los valores de fuerza lateral positivos representan fuerzas laterales de empuje, que empujan el disco 711 hacia los cojinetes 705, 707, 709. Se puede ver en el gráfico de la Figura 12 que los botones cónicos producen una fuerza lateral negativa (de tracción) durante aproximadamente el 30 % de la operación de corte. El experto en la técnica comprenderá que existe una alternancia algo aleatoria de las fuerzas de empuje y tracción durante una operación de corte para los botones cónicos. El gráfico también muestra que los botones hemisféricos 710 producen una fuerza lateral negativa (de tracción) durante una proporción mucho menor de la operación de corte, casi hasta el punto de eliminación de la fuerza lateral en la dirección de tracción.

Los inventores han determinado que las fuerzas laterales de tracción causan la mayor parte del daño a los cojinetes 705, 707, 709. Por lo tanto, es deseable minimizar las fuerzas laterales de tracción. Las fuerzas laterales de empuje son menos dañinas debido a la disposición mecánica de las unidades de corte 700. La interacción de los miembros de carcasa superior e inferior 701a, 701b bloquea mecánicamente el efecto potencialmente dañino de las fuerzas de empuje sobre los cojinetes 705, 707, 709. En consecuencia, el uso de botones hemisféricos es ventajoso para el diseño y la expectativa de vida de los cojinetes 705, 707, 709. Este es particularmente el caso en el contexto del aparato de corte 100.

Cada botón 710 tiene un eje longitudinal central 745. El eje longitudinal central del botón 745 subtiende un ángulo a con un eje de referencia 746, que se proyecta perpendicularmente hacia fuera desde el eje longitudinal central del vástago 704 (véase la Figura 11). El eje de referencia 746 se alinea con el plano del cuerpo de disco. El ángulo a determina cómo se dividirá la fuerza de corte resultante que actúa sobre la herramienta a lo largo de la geometría del botón 710, y perpendicularmente a ella. Una disposición a = 0° estaría optimizada para un movimiento de corte ascendente puro, sin embargo, esta disposición no funcionaría en la fase de sumidero. Los inventores han determinado que a debe ser mayor que cero para que la máquina funcione. Para al menos algunos botones 710, y preferiblemente cada botón 710, en el disco 711 a se establece en el intervalo de 20° a 34°, preferiblemente entre 24° y 28°. Los inventores han determinado, después de realizar pruebas importantes, que estos intervalos proporcionan el mejor efecto de corte general para los cortadores 127 para este tipo de máquina perforadora. En particular, teniendo en cuenta el alcance de movimiento de los cabezales de corte 128 que realiza este tipo de aparato cortador de rocas.

Otros aspectos geométricos del disco 711 son importantes para los fines de resistencia y el efecto de la fricción causada por la roca durante una operación de corte. Se puede ver en la Figura 11 que la superficie 739 subtiende un ángulo<y>con respecto a un eje de referencia 747. El eje de referencia 747 es perpendicular al eje longitudinal central del vástago 704. El eje de referencia 747 se alinea con la superficie 739. El eje de referencia 747 se extiende radialmente hacia fuera desde el eje longitudinal central 704 en una posición sustancialmente en línea con el borde inferior 737. Los inventores han determinado que cuando y es sustancialmente igual a 0° la interacción entre la superficie 739 y la roca es demasiado grande y causa un desgaste significativo al disco. Sin embargo si y es demasiado grande, la cantidad de material que rodea a los botones 710 se reduce significativamente, degradando así la resistencia del cortador 127. Los inventores han determinado, mediante pruebas significativas, que<y>debe ser mayor que 0°, e idealmente debe estar en el intervalo de 3° a 13° para equilibrar la reducción de la fricción, manteniendo al mismo tiempo la resistencia del disco. Un intervalo particularmente preferido es de 6° a 10°, y un valor particularmente preferido es alrededor de 8°.

Otro aspecto geométrico del disco 711 que es importante para el propósito de determinar la fuerza de fricción que actúa sobre el disco 711 durante una operación de corte es la pendiente de la segunda superficie en disminución 733. Se puede ver en la Figura 11 que la segunda superficie en disminución 733 subtiende un ángulo p con un eje de referencia 749 que se dispone paralelo al eje longitudinal central 704. En la Figura 11, el eje de referencia 749 se extiende verticalmente hacia arriba desde la superficie 733, por ejemplo desde el borde inferior 734 de la superficie, cuando el disco 711 está en una orientación sustancialmente horizontal con el lado inferior 732 encarado hacia abajo hacia el suelo. Los inventores han determinado que cuando p es sustancialmente igual a 0° la interacción entre la superficie 733 y la roca genera grandes fuerzas de fricción, y hay un desgaste significativo en el disco 711. Los inventores han determinado, mediante pruebas significativas, que R debe ser mayor que 0°, e idealmente debe estar en el intervalo de 15° a 55° para reducir las fuerzas de fricción generadas, mientras se mantiene una resistencia suficiente en la proximidad de los botones 710.

El tamaño del disco de corte 711 se selecciona para la aplicación. El diámetro máximo preferido del disco es normalmente de alrededor de 17" (431,8 mm).

De este modo, la pluralidad de cortadores de rodillos 127 generalmente anulares o con forma de disco se montan en el perímetro circunferencial de cada cabezal 128 y comprenden un filo de corte anular afilado configurado específicamente para socavar la roca. Las unidades de corte 700 se montan en el cuerpo 131 alrededor de un círculo primitivo, y normalmente se distribuyen de manera uniforme alrededor del círculo primitivo. Los cortadores 127 se montan de manera rotatoria de manera independiente entre sí y con respecto al cabezal 128 y generalmente son libres de rotar alrededor de su propio eje. Cada cortador 127 se proyecta axialmente más allá de un borde anular más delantero del cabezal 128 de tal manera que cuando los brazos 121 se orientan para extenderse generalmente hacia abajo, los cortadores de rodillos 127 representan una parte más baja de todo el conjunto de cabezal 128 y brazo 121.

Se puede considerar que cada brazo 121 comprende una longitud tal que el brazo 121 se monta en cada soporte respectivo 120 en o hacia un extremo de brazo proximal y para montar cada cabezal 128 en un extremo de brazo distal. En particular, cada brazo 121 comprende un engranaje planetario montado internamente indicado en general con la referencia 122. Cada engranaje 122 es preferiblemente de tipo Wolfrom y se acopla a un motor de impulsión 130 a través de un tren de impulsión indicado en general con la referencia 123. Un par de motores de impulsión 125 se montan en los lados laterales de cada brazo 121 y se orientan para ser aproximadamente paralelos con el eje de rotación de cada cabezal de corte respectivo 128 como se muestra en la figura 7. Cada brazo 121 comprende además un conjunto de engranaje e impulsión interno 124 acoplado a una caja de engranajes 126 montada en un extremo de cada uno de los motores de impulsión 125. Cada cabezal de corte 128 se acopla de manera impulsable a los motores de impulsión 125 a través del respectivo conjunto de engranajes 124 para proporcionar la rotación del cabezal de corte 128 alrededor del eje 402.

Como se muestra en la figura 7, cada brazo 121 se acopla a un motor respectivo 130 montado en un extremo delantero del trineo 104. Cada engranaje planetario 122 se centra en una varilla pivotante 405 que tiene un eje de pivote 401 que hace referencia a la figura 4. Cada eje 401 se alinea para ser generalmente horizontal cuando el aparato 100 se posiciona sobre un suelo horizontal. En consecuencia, cada brazo 121 se configura para pivotar (en relación con cada soporte 120, trineo 104 y bastidor principal 102) en la dirección hacia arriba y hacia abajo (plano vertical) mediante el accionamiento de cada motor 130. Como tal, cada cabezal de corte 128 y, en particular, los cortadores 127 pueden elevarse y bajarse a lo largo de la ruta arqueada 602 que se refiere a la figura 6. En particular, cada brazo 121, cabezal 128 y cortadores 127 pueden pivotar entre una posición más baja 601 y una posición más alta elevada 600 con un ángulo entre las posiciones 600, 601 de aproximadamente 150°. Cuando está en la posición más baja 601, cada cortador de rodillo 127 y, en particular, cabezal 128 se suspende en una orientación declinada de modo que un cortador 127 más adelantado se posiciona más abajo que un cortador 127 más retrasado. Según la implementación específica, este ángulo de declinación es de 10°. Esto es ventajoso para enganchar los cortadores 127 en la pared de roca en el ángulo de ataque deseado para crear la ranura o canal inicial durante una primera etapa de la operación de socavado. Además, el amplio alcance de movimiento de los cabezales de corte 128 sobre la pared de roca es posible debido, en parte, a que el eje 401 se separa y posiciona hacia delante con respecto al eje 400 una distancia correspondiente a una longitud de cada soporte 120.

De este modo, el movimiento de corte del aparato 100 puede conceptualizarse como que comprende dos submovimientos principales. En primer lugar, hay una interacción superficial de los cortadores 127 con la pared de roca hacia el nivel del suelo de la mina (a menudo denominado "hundimiento"). Aquí la profundidad de corte aumenta de cero a unos pocos milímetros. En esta etapa, cada cuerpo de disco 711 está aproximadamente paralelo al suelo, con el lado inferior 732 encarado hacia el suelo.

Los brazos 128 mueven entonces el cabezal 128 hacia arriba a través de la pared de roca 1000. En esta etapa, los cuerpos de disco 711 se disponen sustancialmente perpendiculares al suelo, o moviéndose hacia esa orientación, con el lado inferior 732 encarado hacia la pared de roca 1000. En esta etapa, el grosor de corte alcanza su máximo. Esto se conoce típicamente como "corte ascendente". La fase de corte ascendente dura más en el ciclo de corte.

Con referencia a la figura 4, cada eje de pivote de soporte 400 se alinea generalmente perpendicular a cada eje de pivote de brazo 401. Además, un eje de rotación 402 de cada cabezal de corte 128 se orienta generalmente perpendicular a cada eje de pivote de brazo 401. Un eje de rotación correspondiente 704 de cada cortador 127 se dispone angularmente con respecto al eje de cabezal de corte 402 de modo que va en disminución hacia fuera en la dirección descendente. En particular, cada eje de cortador de rodillo 704 se orienta para alinearse más cerca de la orientación de cada eje de rotación de cabezal de corte 402 y del eje de pivote de soporte 400 con respecto al eje de rotación de brazo 401 generalmente perpendicular.

En consecuencia, cada soporte 120 se configura para girar lateralmente hacia fuera en un plano horizontal alrededor de cada eje de soporte 400 entre las posiciones extremas hacia dentro y hacia fuera 501,502. Además y con referencia a la figura 6, cada brazo respectivo 121 se configura para pivotar en dirección hacia arriba y hacia abajo alrededor del eje de pivote del brazo 401 para elevar y bajar los cortadores 127 entre las posiciones extremas 600, 601.

Un cabezal de recolección 129 se monta en el extremo delantero 303 del bastidor principal inmediatamente hacia atrás, detrás de cada cabezal de corte 128. El cabezal de recolección 129 comprende una forma y configuración convencionales que tiene faldones de carga laterales y una cara de contacto del material encarada hacia arriba generalmente inclinada para recibir y guiar el material cortado hacia atrás desde la cara de corte (y los cabezales de corte 128). El aparato 100 comprende además un primer transportador 202 que se extiende longitudinalmente desde el cabezal de recolección 129 para proyectarse hacia atrás desde el extremo trasero 304 del bastidor. En consecuencia, el material cortado de la cara es recolectado por el cabezal 129 y transportado hacia atrás a lo largo del aparato 100.

Con referencia a las figuras 1 a 3, una unidad de control desmontable 101 se monta en el extremo trasero 304 del bastidor a través de un acoplamiento de pivote 200. La unidad de control 111 comprende una cabina de personal 110 (para ser ocupada por un operador). La unidad 111 comprende además un grupo hidráulico y eléctrico 114 para controlar los diversos componentes hidráulicos y eléctricos del aparato 100 asociados con el movimiento de pivote de los soportes 120 y los brazos 121 además del movimiento deslizante del trineo 104 y el impulsor rotatorio de los cabezales de corte 128.

La unidad de control 101 comprende además un segundo transportador 112 que se extiende generalmente a lo largo de la unidad 101 y se acopla en su extremo más delantero al extremo más trasero del primer transportador 202. La unidad 101 comprende además un transportador de descarga 113 que se proyecta hacia atrás desde el extremo trasero del segundo transportador 112 en un ángulo inclinado hacia arriba. En consecuencia, el material cortado puede transportarse hacia atrás desde los cabezales de corte 128 a lo largo de los transportadores 202, 112 y 113 para ser recibido por un camión u otro vehículo de transporte.

En uso, el aparato 100 se calza entre el suelo de túnel y el techo mediante patas elevadoras 106, 115 y pinzas de techo 105. El trineo 104 puede entonces desplazarse en una dirección hacia delante con respecto al bastidor principal 102 para enganchar los cortadores 127 sobre la pared de roca. Los cabezales de corte 128 se hacen rotar mediante motores 125 que crean la ranura o canal inicial en la pared de roca en una posición más baja. Un primer brazo 121 se hace pivotar entonces sobre el eje 401 mediante el motor 130 para elevar los cortadores 127 a lo largo de la ruta 602 para lograr la operación de socavado de segunda etapa. El primer soporte 120 puede entonces rotarse en dirección lateral a través de un pivote alrededor del eje 400 y combinado con la rotación de elevación y descenso de los cortadores 127 crea una depresión o bolsillo dentro de la roca inmediatamente delante del primer brazo 121 y el soporte 120. El segundo brazo 121 y el cabezal asociado 128 y los cortadores 127 se accionan entonces según la operación del primer brazo 121 que implica un pivote tanto en el plano vertical como en el horizontal. Este movimiento de pivote doble secuencial del segundo brazo 121 es independiente del movimiento de pivote doble inicial del primer brazo 121. La fase y secuenciación del pivote de los brazos 121 alrededor de los ejes 401 y de los soportes 120 alrededor de los ejes 400 se controla a través de la unidad de control 111. Los cortadores 127 se optimizan para la acción de corte y equilibran el enganche de baja fricción de los cortadores 127 con la pared de roca 1000 y la resistencia de los cortadores 127.

Cuando se alcanza el recorrido máximo hacia delante del trineo 104, las patas elevadoras 106, 115 se retraen para enganchar las orugas 103 sobre el suelo. Las orugas 103 se orientan para estar generalmente declinadas (en un ángulo de aproximadamente 10° con respecto al suelo) de modo que cuando se hace contacto con el suelo, los cortadores de rodillos 127 se elevan verticalmente para despejar el suelo del túnel. El aparato 100 puede entonces avanzar hacia delante a través de las orugas 103. Las patas elevadoras 106, 115 pueden entonces ser accionadas nuevamente para elevar las orugas 103 fuera del suelo y las pinzas 105 se mueven hasta entrar en contacto con el techo de túnel para repetir el ciclo de corte. Una pinza de techo 108 más adelantada se monta sobre el trineo 104 para estabilizar el aparato 100 cuando el trineo 104 avanza en la dirección de avance a través del cilindro de accionamiento lineal 201.

Aunque la presente invención se ha descrito en relación con realizaciones preferidas específicas, debe entenderse que la invención tal como se reivindica no debe limitarse indebidamente a dichas realizaciones específicas. Además, será evidente para el experto en la técnica que se pueden realizar modificaciones siempre que estas se encuentren dentro del alcance de la invención tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Por ejemplo, el número de unidades de corte 700 incluidas en un cabezal de corte 128 puede ser diferente. Normalmente, un cabezal de corte 128 incluye entre 6 y 18 unidades de corte, y preferiblemente entre 8 y 16 unidades de corte.

Claims (17)

REIVINDICACIONES

1. Un cortador (127) para una unidad de corte (700) utilizado en un aparato de corte (100) adecuado para crear túneles o calzadas subterráneas, dicho cortador (127) comprende:

un cuerpo de disco (711) que tiene un lado inferior (732), un lado superior (730) dispuesto sustancialmente opuesto al lado inferior (732), y una parte periférica radial (738);

una pluralidad de botones (710) para desgastar roca, dichos botones (710) se montan en la parte periférica radial (738) del cuerpo del disco y sobresaliendo hacia fuera de la misma para engancharse en la roca durante una operación de socavado, en donde al menos algunos de los botones (710) tienen una parte de corte (710b) que comprende una superficie de corte hemisférica (712), caracterizado por que el disco tiene un eje central (704) dispuesto sustancialmente perpendicular a un plano del disco y cada botón (710) tiene un eje longitudinal central (745) que subtiende un ángulo a con respecto a un eje de referencia (746), que se extiende perpendicularmente hacia fuera desde el eje central (704) del disco, en donde el ángulo a es mayor o igual a 20° y menor o igual a 34°.

2. El cortador según la reivindicación 1, en donde el radio (R<hs>) de la superficie de corte es mayor o igual a 8 mm; y/o el radio (R<hs>) de la superficie de corte es menor o igual a 11 mm.

3. El cortador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el cuerpo de disco incluye una pluralidad de rebajes de botón (743) formados en una superficie periférica radial (735), y cada botón (710) incluye una parte de montaje (710a) ubicada en un respectivo rebaje de botón (743).

4. El cortador según la reivindicación 3, en donde la superficie periférica radial (735) comprende una superficie anular inclinada (735).

5. El cortador según cualquiera de las reivindicaciones 3 o 4, en donde la parte de montaje (710a) es sustancialmente cilíndrica y tiene un radio (R<c>) que define el cilindro, la superficie de corte hemisférica tiene un radio (R<hs>) que define la superficie de corte, en donde el radio del cilindro (R<c>) coincide sustancialmente con el radio hemisférico (R<hs>).

6. El cortador según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5, en donde la pieza de montaje se hace de un material diferente al de la pieza de corte, y la pieza de corte se fija a la pieza de montaje.

7. El cortador según la reivindicación 6, en donde la parte de montaje incluye acero y la parte de corte incluye carburo de tungsteno.

8. El cortador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el lado inferior (732) del disco se rebaja para reducir el enganche por fricción entre el cuerpo de disco (711) y una pared de roca durante una operación de socavado.

9. El cortador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la parte periférica radial (738) del disco incluye una superficie anular inclinada (733), inclinándose dicha superficie anular inclinada (733) hacia dentro y hacia arriba en dirección al eje central (704) del disco.

10. El cortador según la reivindicación 9, en donde la superficie anular inclinada (733) subtiende un ángulo con un eje de referencia (749) que se dispone paralelo al eje central (704) del disco, en donde el ángulo p es mayor que 0°, preferiblemente es mayor o igual a 5°, y más preferiblemente es mayor o igual a 10°, y más preferiblemente aún es mayor o igual a 15°.

11. Una unidad de corte (700) para un cabezal de corte (128) utilizado en un aparato de corte (100) adecuado para crear túneles o calzadas subterráneas y similares, dicha unidad de corte (700) tiene:

un vástago (703), al menos un cojinete (705, 707, 709) que soporta de forma rotatoria el vástago (703), y un cortador (127) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores montado en el vástago (703).

12. Un cabezal de corte (128) para un aparato de corte (100) adecuado para crear túneles o calzadas subterráneas y similares, dicho cabezal de corte (128) tiene:

un cuerpo de cabezal de corte rotatorio (131);

una pluralidad de unidades de corte (700) según la reivindicación 11 montadas en el cuerpo de cabezal de corte (131).

13. El cabezal de corte según la reivindicación 12, en donde las unidades de corte (700) se montan en una parte periférica radial (738) del cuerpo de cabezal de corte (131).

14. El cabezal de corte según la reivindicación 12 ó 13, en donde las unidades de corte (700) se distribuyen alrededor de un círculo primitivo en el cuerpo de cabezal de corte (131).

15. El cabezal de corte según cualquiera de las reivindicaciones 12 a 14, en donde al menos algunos de los cortadores (127) se disponen para rotar libremente.

16. Aparato de corte (100) adecuado para crear túneles o calzadas subterráneas y similares que comprende:

una estructura de soporte (800) que tiene regiones encaradas generalmente hacia arriba (300), hacia abajo (301), hacia delante (303) y hacia los lados (302);

conjuntos de corte primero y segundo (900), cada uno de los conjuntos de corte primero y segundo (900) que incluyen un cabezal de corte rotatorio (128) y un conjunto de montaje (902), el conjunto de montaje (902) que fija el cabezal de corte (128) a la estructura de soporte (800) de una manera que permite que el cabezal de corte (128) se mueva con respecto a la estructura de soporte (800), dicho conjunto de montaje (902) incluye un primer eje de pivote (400) en donde el cabezal de corte (128) es movible alrededor del primer eje de pivote (400) permitiendo de ese modo que el cabezal de corte (128) se mueva en una dirección generalmente lateral con respecto a la estructura de soporte (800), dicho conjunto de montaje (902) incluye un segundo eje de pivote (401) en donde el cabezal de corte (128) es movible alrededor del segundo eje de pivote (401) permitiendo de ese modo que el cabezal de corte (128) se mueva en una dirección generalmente hacia arriba-abajo con respecto a la estructura de soporte (800);

en donde cada uno de los cabezales de corte (128) incluye una pluralidad de unidades de corte (700), cada unidad de corte (700) incluye un vástago rotatorio (703) que tiene un eje longitudinal central (704), al menos un cojinete (705, 707, 709) que soporta de forma rotatoria el vástago (703) y un cortador (127) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 montado en el vástago (703).

17. El aparato según la reivindicación 16, en donde cada conjunto de montaje (902) incluye:

un soporte (120) montado de manera pivotante con respecto a la estructura de soporte (102) a través de un primer eje de pivote (400), que se alinea generalmente en posición vertical con respecto a las regiones encaradas hacia arriba (300) y hacia abajo (301) de manera que cada soporte (120) se configura para pivotar lateralmente en una dirección lateral con respecto a las regiones encaradas hacia los lados (302);

al menos un accionador de soporte (117) para accionar el movimiento independiente de cada uno de los soportes (120) con respecto a la estructura de soporte (102);

un conjunto de brazo (121) montado de manera pivotante en el soporte (120) a través del segundo eje de pivote (401) alineado en una dirección que se extiende transversalmente, incluida la perpendicular a cada eje de pivote del soporte (400) para permitir que el brazo (121) pivote independientemente con respecto al soporte (120) en una dirección hacia arriba y hacia abajo con respecto a las regiones encaradas hacia arriba (300) y hacia abajo (301);

al menos un accionador de brazo (122, 130) para accionar el movimiento de pivote independiente del brazo (121) con respecto al soporte (120);

en donde cada cabezal de corte rotatorio (128) se monta hacia un extremo libre de su respectivo brazo (121), y cada cabezal de corte (128) es rotatorio alrededor de un eje de cabezal (402) orientado para extenderse sustancialmente transversal a cada eje de pivote del brazo (401), y las unidades de corte (700) proporcionan un modo de funcionamiento socavando.