Clase 4 Triconos

TRICONOS PARA PERFORACION ROTATIVA

Basado en el Manual de Perforación y Voladura de Rocas Instituto Tecnológico Geominero de España

8. TRICONOS Aunque la aparición de los triconos como herramientas de perforación se remonta al año 1910, puede decirse que hasta el desarrollo de los equipos rotativos en la década de los 60 no se logró un perfeccionamiento en el diseño y fabricación de este tipo de brocas que hiciera su utilización masiva en minería.

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TRICONOS (cont.) En un principio, solo eran aplicables en formaciones rocosas blandas o de poca resistencia, pero en la actualidad, estos útiles han permitido a la perforación rotativa competir con otros métodos empleados en rocas duras. duras. El trabajo de un tricono se basa en la combinación de dos acciones: •

•

Identación Corte 3

•

Identación: Los dientes o insertos del tricono penetran en la roca debido al empuje sobre la Broca. Este mecanismo equivale a la trituración de la roca.

•

Corte: Los fragmentos de roca se forman debido al movimiento lateral de desgaste de los conos al girar sobre el fondo del barreno.

La acción de corte sólo se produce, como tal, en rocas blandas, ya que es una compleja combinación de trituración y cizalladura debido al movimiento del tricono. 4

Esquema de tricono

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8.1.- ELEMENTOS CONSTITUTIVOS Y CRITERIOS DE DISEÑO Los elementos constitutivos de un tricono y, consecuentemente, de diseño son: •

Los conos

•

Los rodamientos

•

El cuerpo del tricono.

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8.1.1.- Conos Los parámetros de diseño de los conos son los que se exponen a continuación:

8.1.1.1

Angulo del eje del cono

Uno de los aspectos mas importantes que se tiene en cuenta en el diseño de un tricono, es el ángulo que forman los ejes de los conos con la horizontal. Este ángulo determina el diámetro del cono dentado de acuerdo con el diámetro del barreno. Si aumenta el ángulo el diámetro del cono debe disminuir y recíprocamente. 7

Angulo del eje del cono 8

En la figura se observan los parámetros geométricos que caracterizan la disposición de los conos dentados para dos tipos de roca diferentes.

Ángulos del eje del cono en dos tipos de roca.

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El avance del tricono en el fondo del barreno lo regula en gran parte el tamaño y la forma de los conos, es decir el perfil del tricono.

8.1.1.2 Descentramiento Otro factor a tener en cuenta en el diseño es el descentramiento u “offset”  de los ejes de rotación de los conos.

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Descentramiento 11

En el caso de rocas duras, este descentramiento es prácticamente nulo, con lo que el arranque de la roca se efectúa por trituración al sufrir los conos un movimiento de rodadura perfecta. En rocas blandas se tiende a que el descentramiento sea mayor, obteniéndose así la rotura de la roca por desgarre o ripado, ya que los conos experimentan un movimiento de deslizamiento junto con el de rotación. En rocas de tipo medio se combinan por igual ambos efectos de rotación y deslizamiento, obteniendo el arranque de la roca por trituración y desgarre. 12

8.1.1.3 Angulo del cono El ángulo del cono es inversamente proporcional al ángulo del eje del cono, de forma que cuando éste aumenta el ángulo del cono debe disminuir para evitar las interferencias entre los conos.

8.1.1.4 Longitud de los dientes En un tricono de dientes la longitud de éstos está definida por la profundidad de la fresa en el cono. Si el tricono es de insertos, la longitud vendrá dada por la pate visible de los botones de metal duro. 13

Angulo del cono, longitud de diente y espesor del cono.

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8.1.1.5 Espesor del cono Se debe disponer de un espesor mínimo para asegurar la resistencia estructural del cono. El espesor esta determinado por el tamaño de los cojinetes, por la profundidad de la fresa en los triconos de dientes y por la profundidad de encastramiento en los botones.

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8.1.2 Rodamientos Los tipos de rodamientos empleados en los triconos son los siguientes:

•

Bolas y rodillos

•

Rodamientos planos con lubricación

La pista de rodillos aguanta la mayor parte de la carga radial en el cono, mientras que los cojinetes lo hacen en una pequeña parte. 16

La superficie de empuje perpendicular al pasador guía y al botón de empuje está diseñada para soportar cargas hacia el exterior. Cuando otras partes del cojinete están desgastadas, la pista de bolas también soportará algunas cargas radiales y excéntricas. En los triconos de perforación de barrenos un porcentaje elevado de aire se desvía a través de los cojinetes con objeto de refrigerar y limpiar los elementos del mismo. La adición de aceite a la tubería de aire comprimido contribuye a mejorar la vida de los cojinetes y, por tanto, disminuye el coste de perforación. 17

8.1.3 Cuerpo del tricono El cuerpo del tricono se compone de tres partes idénticas que se denominan globalmente cabeza. Cada cabeza contiene un cojinete integral sobre el que se inserta el cono y también los conductos a través de los cuales circula el fluido de barrido para limpiar los detritus de perforación del fondo de los barrenos. Una de las tareas del cuerpo del tricono es la de dirigir el fluido del barrido hacia donde la limpieza sea mas efectiva. 18

Los triconos actuales son de chorro (jet) que impulsan el aire entre los conos directamente al fondo del barreno, debiendo suministrar los compresores el suficiente caudal y presión para limpiar tanto el fondo del barreno como los conos. Mediante soldadura controlada por ordenador se unen las tres cabezas en una unidad y después se mecaniza las roscas (hilos) donde se inserta la tubería. Los hilos transmiten al tricono los esfuerzos de torsión y los axiales producidos por la perforadora a través de las tuberías. 19

8.2 METALURGIA DE LOS MATERIALES DEL TRICONO Uno de los éxitos conseguidos en la fabricación de los triconos ha sido el empleo de aleaciones especiales diferentes para cada uno de los elementos que lo constituyen.

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ELEMENTOS DEL TRICONO

PROPIEDADES REQUERIDAS

TIPO DE ACERO

Cono

Resistencia al impacto y a la abrasión

Carbono, Manganeso, Níquel y Molibdeno

Cabezas

Resistencia a la fatiga. Alta resistencia al impacto. Soldable

Carbono, Manganeso, Cromo y Molibdeno

Cojinetes de rodillos y bolas

Alta resistencia al impacto

Carbono, Manganeso, Cromo y Molibdeno

Pasadores y buje guía

Resistencia al desgaste

Cromo, Carbono, Níquel, Manganeso y Silicio

Botón de empuje

Resistencia al desgaste

Carbono, Wolframio, Cromo, Molibdeno y Vanadio

Superficie de cojinetes

Resistencia al desgaste

Cobalto, Cromo, Carbono, Wolframio y Níquel

Dientes

Resistencia a la abrasión elevada

Wolframio, Carbono

Insertos

Resistencia a la abrasión elevada. Resistencia al impacto

Wolframio, Carbono y Cobalto 21

8.3 TIPOS DE TRICONOS Existen dos tipos de triconos:   De Dientes   De insertos

Los triconos de dientes tienen la ventaja de su bajo costo, pues valen la quinta parte que uno de insertos.

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Las ventajas de los de insertos son:  Mantienen

la velocidad de penetración de penetración durante la vida del tricono.

 Requieren menos empuje para conseguir una

velocidad de penetración.  Precisan

menos par, y así disminuyen las tensiones sobre los motores de rotación.

 Reducen las vibraciones, produciendo menos

fatigas en la perforadora y en el varillaje. 23

Las ventajas de los de insertos (cont.)  Disminuye el desgaste sobre el estabilizador y

la barra porque los insertos de carburo mantienen el diámetro del tricono mejor que los de dientes.  Producen menos pérdidas de tiempo por

cambio de brocas y menores daños a los hilos.

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8.4 SELECCIÓN DEL TIPO DE TRICONO En la selección del tipo de tricono influyen fundamentalmente la resistencia a compresión de la roca y su dureza. Normalmente, los usuarios envían muestras a las compañías fabricantes de triconos para que asesoren sobre el tipo de broca a utilizar, velocidades de penetración probables y duración en metros.

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8.4.1 Triconos de dientes Los triconos de dientes se clasifican en tres categorías, según el tipo de formación rocosa: blanda, media y dura.

A. Formaciones blandas Los triconos para formaciones blandas tienen rodamientos pequeños compatibles con los dientes largos y los pequeños empujes sobre la broca que son necesarios. Los dientes están separados y los conos tienen un descentramiento grande para producir un efecto de desgarre elevado. 26

Tricono de dientes para formación blanda

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B. Formaciones medias Los triconos para estas formaciones tienen cojinetes de tamaño medio, de acuerdo a los empujes necesarios y el tamaño de los dientes. La longitud de los dientes, espaciamiento y descentramiento son menores que en los triconos de formaciones blandas.

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Tricono de dientes para formación media

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C. Formaciones duras Los triconos para formaciones duras tienen cojinetes grandes, dientes cortos, resistentes y muy próximos unos de otros. Los conos tienen muy poco descentramiento para aumentar el avance por trituración, requiriéndose empujes muy importantes.

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Tricono para formaciones duras

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8.4.2 Triconos de insertos Existen cuatro tipos de triconos, que se diferencian en el diseño y tamaño de los insertos, en el espaciamiento de los mismos y en la acción de corte.

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Clases de insertos según los tipos de triconos 33