Un cucharón de arrastre que incluye una pared inferior, un par de paredes laterales y una pared posterior que en forma colectiva conforman una cavidad.

Cada una de las paredes laterales tiene una conicidad descendente grande de por lo menos 7 grados por lo menos en su área delantera. En una materialización física alternativa, cada una de las paredes laterales tiene una conicidad ascendente en su área posterior que evita la necesidad de una barra esparcidora. El cucharón de arrastre recolecta material de tierra con una disrupción mínima del material.

Cucharón, equipo de perforación y sistema de arrastre.

Antecedentes de la invención

Los sistemas de excavación de arrastre han sido usados por mucho tiempo en operaciones de minería y movimiento de tierra. A diferencia de otras máquinas de excavación, los cucharones de arrastre son controlados y soportados únicamente por cables y cadenas. En gran parte, la estabilidad y rendimiento del cucharón en operación debe provenir de la construcción del cucharón.

En cucharones más pequeños, las fuerzas encontradas en una operación de arrastre no son grandes y las cargas útiles son pequeñas. Con estos cucharones, las fuerzas y cargas útiles son fáciles de compensar sin inhibir la operación. Incluso si un pequeño cucharón posee un diseño ineficiente, la diferencia en tiempos de relleno no es grande debido a que las capacidades del cucharón son pequeñas. Sin embargo, con el aumento de tamaño de las máquinas, minas y el deseo de una mayor producción, las operaciones de arrastre han crecido considerablemente en tamaño a través del tiempo. En las minas actuales, grandes cucharones de arrastre en el orden de 30 yardas cúbicas y más grandes son comunes, y se usan cucharones de hasta 175 yardas cúbicas. En cucharones grandes, el paradigma de diseño cambia debido a que las fuerzas de corte del material a ser excavado (por ejemplo, el suelo), que impactan sustancialmente en el diseño de cucharones más pequeños, se vuelven menos importantes en comparación con las grandes cargas impuestas en cucharones grandes. La extensión y masividad de estos cucharones, el gran tamaño de las cargas útiles, y las fuerzas muy altas aplicadas por las cadenas de arrastre durante un ciclo de excavación requieren diferentes consideraciones. Sin embargo, muchos diseños de cucharones todavía siguen reglas antiguas e imperfectas que no cumplen con optimizar el rendimiento de excavación del cucharón. Como resultado, todavía existen muchos problemas en los cucharones de arrastre actuales.

Debido a que no existe una varilla o cilindro hidráulico para accionar el cucharón dentro del suelo, es importante que el cucharón sea capaz de excavar dentro del suelo y penetrar en el mismo cuando los cables de arrastre arrastran el cucharón hacia el motor primario. A fin de maximizar la producción, es conveniente que el cucharón penetre en el suelo tan rápido como sea posible. Muchos cucharones antiguos fueron construidos con un extremo frontal pesado para resistir los rigores de minería. Dicha disposición colocó el centro de gravedad en una porción relativamente alta y hacia delante, lo cual provocaba que el cucharón se inclinara hacia delante sobre los dientes cuando se arrastraba hacia delante. El operador necesitaba ejercer gran cuidado con estos cucharones para evitar inclinar el cucharón demasiado hacia delante y sobre su extremo frontal. Incluso si el cucharón se mantiene en una posición de excavación, todavía tiende a permanecer inclinado demasiado hacia delante de modo que el material se somete a una disrupción sustancial durante la carga. Además, debido principalmente a las pilas de rollos, se requiere gran fuerza para arrastrar dicho cucharón inclinado a través del suelo. Por otro lado, los cucharones con el centro de gravedad cambiado más hacia la pared posterior tienden a penetrar más gradualmente y con más dificultad, lo cual provoca tiempos de relleno más prolongados y productividad disminuida. La Patente de los Estados Unidos No. 4,791,738 otorgada a Briscoe divulga un concepto de aumento de arrastre para inclinación que alivia el riesgo de voltear el cucharón mientras que todavía facilita una penetración mejor y más segura dentro del suelo. Mientras que este concepto de diseño mejora la operación con cable de arrastre, los cucharones aún experimentan una penetración relativamente gradual y poco profunda que requiere aumento de traslación del cucharón para llenado. La Figura 7 ilustra un perfil de penetración generalizado (P₁) del suelo (G) para un ejemplo de un cucharón convencional.

Los cucharones de arrastre se proporcionan con una pared inferior, un par de paredes laterales opuestas erguidas desde la pared inferior, y una pared posterior en el extremo de salida de las paredes laterales. Las paredes definen de manera colectiva un extremo frontal abierto y una cavidad de cucharón para recolectar el material de tierra. Un reborde con dientes excavadores y cubiertas se extiende a través del extremo frontal de la pared inferior para mejorar la penetración y excavación, y reducir el desgaste de la estructura del cucharón. Las paredes laterales en general disminuyen gradualmente de arriba hacia abajo y de adelante hacia atrás para facilitar y acelerar el volteo del material recolectado. El volteo incompleto en cucharones de arrastre provoca que el material sea llevado de regreso para el siguiente golpe de excavación. Este problema no sólo requiere que se transporte peso innecesario, sino que también disminuye la producción de cada golpe de excavación, es decir, menos material nuevo puede ser recolectado debido a que el material antiguo permanece en el cucharón.

En un cucharón convencional, la masa de material de tierra que es recolectado se fuerza generalmente hacia dentro y hacia arriba mediante las paredes cónicas a través de alrededor de la mitad a dos tercios de su trayectoria a través del cucharón hacia la pared posterior, donde de ahí en adelante tiende a caer hacia la pared inferior y posterior. Este apilamiento del material causa que se acumule en una pila hacia la parte frontal del cucharón. La formación de dicha pila dentro del cucharón requiere de fuerza incrementada en los cables de arrastre, llenado más lento, y una acumulación del material en la parte frontal del cucharón. Una vez que la pila alcanza cierta masa, esta empieza a actuar casi igual que una cuchilla niveladora surcando el material hacia delante en la parte frontal del cucharón. Dichas pilas también causan comúnmente que se formen pilas de rollos en la parte frontal de los cucharones (es decir, tierra que se amontona y avanza hacia delante en la parte frontal de los cucharones de arrastre). En algunas operaciones, las pilas de rollos necesitan ser suavizadas periódicamente por otro equipo (tal como por máquinas niveladoras) para evitar la obstrucción y desgaste de los cables de arrastre. En otras operaciones, se usan máquinas niveladoras u otros equipos para empujar las pilas de rollos lejos del motor primario a fin de proporcionar resistencia adecuada en una operación de excavación en una posición suficientemente lejos del motor primario para permitir que el cucharón se cargue completamente antes que llegue al final de su traslación en un golpe de excavación. Esto es, las pilas de rollos a veces se usan para cargar el cucharón durante pasos posteriores y a menudo son necesarias para llenar el cucharón.

Para proporcionar grandes cargas útiles y soportar la carga y esfuerzos extremos en operaciones de arrastre modernas, los propios cucharones son de manera ordinaria construcciones masivas. Para reducir el desgaste, los cucharones se proporcionan típicamente con una amplia variedad de piezas de desgaste que además aumentan el peso del cucharón. El equipo de perforación para acomodar y controlar dichos cucharones grandes también tiene masa y peso sustanciales. La pluma de la grúa y motor primario están diseñados para acomodar una carga máxima, la cual es una combinación del peso del cucharón de arrastre, las piezas de desgaste, el equipo de perforación, y el material de excavación dentro del cucharón. A mayor peso del equipo de perforación y el cucharón de arrastre, menor será la capacidad que permanece disponible para cargar material de tierra dentro del cucharón de arrastre. Aunque se han realizado algunos esfuerzos para reducir el peso del equipo de perforación, esto ha resultado en gran medida sólo en pequeñas reducciones incrementales o ha conducido a problemas no deseados.

Además, los componentes del cucharón y equipo de perforación están expuestos a un entorno altamente abrasivo donde la suciedad, rocas, y otros escombros erosionan el equipo de perforación y el cucharón de arrastre a medida que estos entran en contacto con el suelo. Las conexiones entre los elementos del equipo de perforación también experimentan desgaste en áreas donde estos se apoyan uno contra otro y se someten a diversas fuerzas. Después de un periodo de uso, por lo tanto, el sistema de excavación con cable de arrastre se debe someter a un mantenimiento periódico de modo que diversas piezas se puedan inspeccionar, reemplazar o reparar. En la mayoría de los sistemas modernos, existen muchas...

1. Un cucharón de arrastre, caracterizado porque consta de una pared inferior, un par de paredes laterales y una pared posterior que conforman en su conjunto una cavidad para recolectar material de tierra, cada una de las paredes laterales con un área delantera, teniendo dichas paredes laterales por lo menos en el área delantera una conicidad descendente, donde cada pared lateral se encuentra en un ángulo de por lo menos siete grados para vertical.

2. El cucharón de arrastre de conformidad con la Reivindicación 1, caracterizado porque el área delantera de cada pared lateral está inclinada en un ángulo que se encuentra entre nueve grados y quince grados para vertical.

3. El cucharón de arrastre de conformidad con la Reivindicación 1, caracterizado porque cada una de las paredes laterales incluye un área posterior y las paredes laterales del área posterior tienen una conicidad ascendente.

4. El cucharón de arrastre de conformidad con la Reivindicación 3, caracterizado porque el área posterior de cada pared lateral se encuentra en un ángulo entre los quince grados y los veinte grados.

5. El cucharón de arrastre de conformidad con la Reivindicación 3, caracterizado porque cada pared lateral incluye un extremo inferior que se conecta con la pared inferior y un riel superior opuesto al extremo inferior, donde la conicidad ascendente del área posterior se extiende considerablemente desde el extremo inferior hasta el riel superior.

6. El cucharón de arrastre de conformidad con la Reivindicación 3, caracterizado porque la conicidad ascendente del área posterior de cada pared lateral es definida por una porción angular superior inclinada hacia dentro entre la pared lateral y la pared posterior.

7. El cucharón de arrastre de conformidad con la Reivindicación 1, caracterizado porque considerablemente cada una de las paredes laterales se encuentra formando un ángulo de por lo menos siete grados para vertical.

8. El cucharón de arrastre de conformidad con la Reivindicación 1, caracterizado porque tiene una altura;

donde el reborde está fijado a un extremo frontal de la pared inferior, la pared inferior incluye una superficie interna como parte de la cavidad y el reborde incluye un extremo de entrada,

donde cada pared lateral incluye un extremo inferior que se une con la pared inferior y un riel superior opuesto al extremo inferior y la altura es un promedio de una distancia vertical entre esta superficie interna de la pared inferior del extremo frontal y el riel superior que excluye cualquier recorte en la pared posterior y la extensión ascendente de un soporte de arco o soporte de línea de volteo,

donde cada pared lateral soporta un pasador de muesca para conectarse con una cadena de arrastre, y la altura de un pasador de muesca es la distancia vertical entre la superficie interna de la pared inferior del extremo frontal y un eje longitudinal del pasador de muesca; y

donde el ratio altura del pasador de muesca-altura del cucharón es de por lo menos unos 0,3.

9. El cucharón de arrastre de conformidad con la Reivindicación 8, caracterizado porque tiene una longitud, donde la longitud es una distancia horizontal entre una posición delantera promedio del extremo en entrada y una posición más posterior de la cavidad y donde el ratio altura-longitud se encuentra dentro del rango de 0,4 a 0,62.

10. El cucharón de arrastre de conformidad con la Reivindicación 9, caracterizado porque el ratio altura-longitud es cuando mínimo 0,58.

11. El cucharón de arrastre de conformidad con la Reivindicación 9, caracterizado porque las paredes laterales carecen de conicidad adelante hacia atrás.

12. El cucharón de arrastre de conformidad con la Reivindicación 9, caracterizado porque la cavidad tiene una capacidad de por lo menos 30 yardas cúbicas.

13. El cucharón de arrastre de conformidad con la Reivindicación 12 caracterizado porque el ratio altura del pasador de muesca-longitud del cucharón es de por lo menos 0,2.

14. El cucharón de arrastre de conformidad con la Reivindicación 9 caracterizado porque el ratio altura del pasador de muesca-longitud del cucharón es de por lo menos 0,2.

15. El cucharón de arrastre de conformidad con la Reivindicación 8 caracterizado porque el ratio altura del pasador de muesca-altura del cucharón es de por lo menos 0,5.

16. El cucharón de arrastre de conformidad con la Reivindicación 1, caracterizado porque tiene una longitud;

donde un reborde está fijado al extremo frontal de la pared inferior, la pared inferior incluye una superficie interna como parte de la cavidad y el reborde incluye un extremo de entrada,

donde cada pared lateral soporta un pasador de muesca para conectarse con una cadena de arrastre y la altura de un pasador de muesca es una distancia vertical entre la superficie interna de la pared inferior en el extremo frontal y el eje longitudinal del pasador de muesca,

donde la longitud es una distancia horizontal entre la posición delantera promedio del extremo de entrada y una posición más posterior de la cavidad, y

donde el ratio altura del pasador de muesca-longitud del cucharón es de por lo menos 0,2.

17. El cucharón de arrastre de conformidad con la Reivindicación 16 caracterizado porque el ratio altura del pasador de muesca-longitud del cucharón es por lo menos 0,3.

18. El cucharón de arrastre de conformidad con la Reivindicación 1, caracterizado porque tiene una altura y longitud,

donde cada pared lateral incluye un extremo inferior que se une con la pared inferior y un riel superior opuesto al extremo inferior, la altura es un promedio de la distancia vertical entre la superficie interna de la pared inferior del extremo frontal y el riel superior, excluyendo cualquier recorte en la pared posterior y extensión ascendente de un suporte de arco o soporte de línea de volteo,

donde un reborde está fijado a un extremo frontal de la pared inferior e incluye un extremo de entrada, y la longitud es una distancia horizontal entre una posición delantera promedio del extremo de entrada y una posición más posterior de la cavidad; y

donde el ratio altura del cucharón-longitud del cucharón se encuentra dentro del rango de 0,4 a 0,62.

19. El cucharón de arrastre de conformidad con la Reivindicación 1, caracterizado porque la cavidad tiene una capacidad de por lo menos 30 yardas cúbicas.

20. El cucharón de arrastre de conformidad con la Reivindicación 1 caracterizado porque dicha pared lateral incluye un primer conector para conectarse con una cadena de grúa frontal y un segundo conector para conectarse con una cadena de grúa posterior.

21. El cucharón de arrastre de conformidad con la Reivindicación 1, caracterizado porque incluye una altura,

donde hay una muesca en cada pared lateral y dicha muesca incluye por lo menos una estructura de muesca lateralmente agrandada que define un pasaje para recibir un pasador, y cada estructura de muesca tiene un punto más inferior,

donde un reborde está fijado al extremo frontal de la pared inferior y la pared inferior incluye una superficie interna como parte de la cavidad,

donde la altura de una muesca está definida como una distancia vertical entre el punto más inferior de la estructura de muesca y la superficie interna de la pared inferior del extremo frontal,

donde cada pared lateral incluye un extremo inferior que se conecta con la pared inferior y un riel superior opuesto al extremo inferior y la altura es un promedio de una distancia vertical entre la superficie interna de la superficie inferior del extremo frontal y el riel superior, excluyendo cualquier recorte de la pared posterior y la extensión ascendente de un soporte de arco o soporte de línea de volteo, y

donde el ratio altura de la muesca-altura del cucharón es de por lo menos 0,25.

22. El cucharón de arrastre de conformidad con la Reivindicación 21, caracterizado porque el ratio altura de la muesca-altura del cucharón es de por lo menos 0,3.

23. El cucharón de arrastre de conformidad con la Reivindicación 1 caracterizado porque las paredes laterales carecen de conicidad de adelante hacia atrás.

24. Un sistema de arrastre, caracterizado porque comprende

Un cucharón de arrastre que comprende una pared inferior, un par de paredes laterales, y una pared posterior que en forma colectiva conforman una cavidad para recolectar material de tierra, cada una de las paredes laterales incluye un área delantera y un área posterior, cada pared lateral tiene una superficie interna como parte de la cavidad y una superficie exterior opuesta, y las paredes laterales de la parte posterior tienen una conicidad ascendente, y

un equipo de perforación que incluye una cadena de arrastre conectada con el área delantera de cada pared lateral y una cadena de grúa conectada con la superficie exterior de cada pared lateral a lo largo del área posterior.

25. El sistema de arrastre de conformidad con la Reivindicación 24 caracterizado porque las cadenas de grúa están libres de una barra esparcidora que se extiende lateralmente fuera de las paredes laterales.

26. El sistema de arrastre de conformidad con la Reivindicación 24 caracterizado porque el área posterior de cada pared lateral se encuentra en un ángulo entre quince grados y veinte grados.

27. El sistema de arrastre de conformidad con la Reivindicación 24, caracterizado porque cada pared lateral incluye un extremo inferior que se conecta con la pared inferior y un riel superior opuesto al extremo inferior, donde el área posterior se extiende considerablemente desde el extremo inferior hasta el riel superior.

28. El sistema de arrastre de conformidad con la Reivindicación 24 caracterizado porque el área posterior de cada pared lateral define una porción angular inclinada hacia adentro entre la pared lateral y la pared posterior y la conicidad ascendente está formada por la porción angular.

29. El sistema de arrastre de conformidad con la Reivindicación 24 caracterizado porque las paredes laterales de por lo menos el área delantera tienen una conicidad descendente y cada pared lateral se encuentra en un ángulo de por lo menos siete grados para vertical.

30. El cucharón de arrastre de conformidad con la Reivindicación 24, caracterizado porque el área delantera de cada pared lateral está inclinada en un ángulo entre nueve grados y quince grados para vertical.

31. El cucharón de arrastre de conformidad con la Reivindicación 24 caracterizado porque la cavidad tiene una capacidad de por lo menos 30 yardas cúbicas.

32. Un proceso para explotar un emplazamiento minero, caracterizado porque consiste en:

brindar un cucharón de arrastre que tenga una altura, una longitud, una pared inferior con una superficie interna, un par de paredes laterales, una pared posterior, una cavidad con una capacidad para material de tierra de por lo menos 30 yardas cúbicas y un reborde fijado a un extremo frontal de la pared inferior y que incluya un extremo de entrada,

donde cada pared lateral incluye un extremo inferior que se une con la pared inferior y un riel superior contrario al extremo inferior, y la altura es un promedio de la distancia entre la superficie interna de la pared inferior del extremo frontal y el riel superior, excluyendo cualquier recorte en la pared posterior y cualquier extensión ascendente de un suporte de arco o soporte de línea de volteo.

donde cada pared lateral tiene un pasador de muesca para unirse con una cadena de grúa, y la altura del pasador de muesca es una distancia vertical entre la superficie interna de la pared inferior del extremo frontal y un eje longitudinal del pasador de muesca,

donde la longitud es una distancia horizontal entre la posición delantera promedio del extremo de entrada y la posición más posterior de la cavidad,

donde el ratio altura del pasador de muesca-altura es de por lo menos 0,3,

donde el ratio altura-longitud se encuentra dentro del rango de 0,4 a 0,62, y

usar un motor primario y cuerdas de arrastre para aplicar una fuerza de arrastre a las cadenas de arrastre conectadas con el cucharón de arrastre para mover hacia delante el cucharón de arrastre para recolectar material de tierra en la cavidad donde un cable recto de arrastre que se extiende entre el pasador de muesca y un punto donde los cables de arrastre alcanzan y el motor primario se encuentra en un ángulo no mayor de 45 grados debajo de la cuba.

33. El proceso de conformidad con la Reivindicación 32, caracterizado porque el cable de arrastre se encuentra en un ángulo no mayor de 30 grados sobre la cuba.

34. El proceso de conformidad con la Reivindicación 32, caracterizado porque cada una de las paredes laterales incluye un área delantera y las paredes laterales de por lo menos el área delantera tienen una conicidad descendente donde cada pared lateral se encuentra en un ángulo de por lo menos siete grados para vertical.