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Excavadoras

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    Excavadoras Excavadoras Document Transcript

    • CAPÍTULO 6.ExcavadorasLas excavadoras tienen muchas variaciones. Pueden estar montadas sobre orugas o sobreruedas y disponer de distintos accesorios de operación. Con cada opción de tipo, modelo,accesorios y tamaños se tienen diferentes aplicaciones y por lo tanto, distintas ventajaseconómicas.La potencia hidráulica es la clave de las ventajas que ofrecen estas máquinas. El controlhidráulico de los componentes de la máquina proporciona mayor rapidez en los tiempos de losciclos, mejor control de los accesorios, mejor eficiencia total, suavidad y facilidad deoperación y un control positivo que permite una mayor precisión.Las excavadoras hidráulicas están compuestas por tres elementos: el montaje (neumáticos úorugas), la cabina, el brazo y el cucharón. En general se clasifican por el movimiento que lesproporcionan los controles hidráulicos del brazo en el cual se apoya el cucharón (Figura 6.1).Una unidad con un giro hacia abajo se clasifica como un azadón, llamado tambiénretroexcavadora o retro. Este equipo ejerce una fuerza de excavación hacia la máquina,levantando la carga de abajo hacia arriba. Una unidad con un movimiento hacia delante seconoce como una pala frontal. La pala frontal desarrolla la fuerza de carga moviendo lacuchara hacia adelante de la máquina. El giro hacia abajo dictamina un mejor uso del equipopara excavaciones por debajo del nivel de la máquina. El giro hacia delante de una palafrontal la hace más útil para las operaciones de carga; por lo tanto, la máquina requerirá unacara de material por encima del nivel de apoyo del equipo. a) Movimiento del azadón b) Movimiento de la pala frontal Figura 6.1 Esquema del movimiento de las excavadoras hidráulicas.Una variante interesante la constituyen los cargadores frontales. El movimiento del brazo serealiza hacia delante y por lo general se usan para colocar el material en unidades detransporte a partir de material previamente apilado (Figura 6.2).
    • 92 Programa de Titulación 2006. Ingeniería Civil. Universidad de Piura. Figura 6.2 Movimiento del cargador frontal.6.1. Selección de las excavadorasLas palas frontales son máquinas ideales para la excavación en canteras y la carga de unidadesde transporte. Su habilidad para cargar hacia delante requiere que el material se encuentre enun banco por encima del nivel de la pala y en una sola operación, es capaz de cargar ydescargar en el camión.Las retroexcavadoras son ideales para la excavación de zanjas o taludes y la carga también deunidades de transporte. Por su configuración la longitud del brazo es mayor, proporcionándoleuna mayor versatilidad por su alcance en cuanto a profundidad y altura.Los cargadores frontales son ideales para la manipulación de material tipo agregados, comotierra y roca bien fragmentada: la carga de camiones, la excavación de tierra, la carga deagregados en plantas de concreto y asfalto. La excavación la realiza por encima del nivel de lamáquina. Vienen montados sobre orugas o sobre neumáticos. La ventaja de los cargadores deneumáticos es que la cabina puede articularse respecto a las llantas posteriores, facilitando suoperación.6.1.1. Por el costoCuando se relaciona el costo, se debe estimar el costo por metro cúbico manipulado por laexcavadora. En este cálculo hay que considerar aspectos como la dimensión del trabajo. Siéste involucra la manipulación de grandes cantidades de material, puede justificarse el uso deuna excavadora de gran dimensión. Otro aspecto es el transporte del equipo a la obra, puestoque los costos de movilización y desmovilización pueden ser mayores cuanto más grande seael equipo.Si se trabaja en material rocoso, los costos de perforación y voladura pueden ser mayorescuando se trabaja con excavadoras pequeñas, porque se requiere mayor cantidad deexplosivos para fragmentar la roca en porciones más pequeñas, mientras que una excavadoramás grande puede manipular fragmentos también más grandes de roca.
    • 93 Capitulo 6 Excavadoras6.1.2. Por las condiciones de trabajoLas excavadoras hidráulicas tienen la posibilidad de combinar un rango de capacidades decucharones para un mismo modelo. La selección de la capacidad del cucharón depende de lafacilidad con que se puede manipular el material. Si se tiene roca bien fragmentada o materialfácilmente excavable, los cucharones pequeños podrán manipular el material y no necesitaránejercer mucha fuerza para excavar el material. Existen además una variedad de cucharonespara usos específicos que les da una versatilidad aún mayor.Otro aspecto importante en la selección del excavador es su combinación con las unidades detransporte. Se mencionó en 5.2 que un camión no debería llenarse con más de 5 cargas ni conmenos de 4. Es decir, que la capacidad de las unidades de carga debe ser cuatro o cinco vecesla dimensión del cucharón. Además, la altura de la tolva respecto al nivel del terreno o de laexcavadora determina el modelo, que debe ser capaz de alcanzar la parte superior de la tolvapara descargar el material. Aunque en este sentido, es posible solucionarlo colocando laexcavadora a una altura por encima del camión (Figura 6.3).Figura 6.3 Ejemplo del trabajo del azadón, excavando y cargando un camión por encima del nivel de carga.Cuando se excavan zanjas, el ancho del cucharón será crítico para no exceder al ancho de laexcavación y lograr la suficiente fuerza de corte. En este caso también es crítica laprofundidad y el radio de trabajo de la excavadora (Figura 6.4).En cualquier caso, el peso de la carga en el cucharón no debe exceder la máxima carga dediseño o llamada también, máxima carga de equilibrio estático. De lo contrario, la excavadorapuede voltearse y dañarse o causar daño al personal. Por seguridad, no se recomienda llegar allímite sino a un porcentaje de este valor, como se explica en el cálculo de la producción (Vernumeral 6.2.2).
    • 94 Programa de Titulación 2006. Ingeniería Civil. Universidad de Piura. Figura 6.4 Esquema del trabajo de una excavadora en zanjas y la influencia de la profundidad y el radio de corte.6.2. Cálculo de la producciónSi un excavador se considera como una unidad independiente, su tasa de producción puedeestimarse como el volumen del cucharón (Vcucharón) entre el tipo del ciclo de carga (Tciclo),afectado por los factores de eficiencia (E), de ángulo y altura de corte (fca) y de volumen (fv),según la Ec. 6.1. 8cucaharón 2excavadora - B ca Bv 6ciclo Ec. 6.1 6.2.1. Volumen del cucharónEl volumen del cucharón se considera la capacidad colmada, afectada por los factores dellenado, como se muestra en la Ec. 6.2. 8cucharón 8colmado B llenado Ec. 6.2 La capacidad colmada se estima a partir de la información del fabricante, que asume unacomodo del material con una loma en la parte central y una pendiente hacia los lados (VerFigura 6.5). Esta pendiente es de 1:1 para las palas y las excavadoras de azadón(especificación PCSA) y es de 2:1 para los cargadores frontales (especificación SAE).
    • 95 Capitulo 6 Excavadoras Figura 6.5 Esquema de la capacidad del cucharón de las palas y azadón.Este acomodo del material puede variar según sus características y condiciones. Una arenasuelta seca se acomodará con una pendiente más baja mientras que si esta misma arena estáhúmeda, es posible que alcance una pendiente mayor (Figura 6.6). Por ello se sugieren losfactores de llenado para ajustar un acomodo más realista según el material. Este valor estaráen volumen suelto. Figura 6.6 Acomodo del material en el cucharón de las excavadoras.En la Figura 6.6 se muestran tres líneas de llenado o acomodo del material: A, B y C. La líneaA indica el máximo acomodo del material, ocurrido por lo general con materiales cohesivos osemi-cohesivos. La línea C indica un pobre acomodo del material en el cucharón,característico por lo general de los materiales granulares sueltos. La línea B indica un casointermedio.En la Tabla 6.1 se ofrecen los factores de llenado según el tipo de material para las palas, lasexcavadoras de azadón y los cargadores.6.2.2. Verificación de la carga de operaciónUna vez que se determina el volumen de la carga de la excavadora, se debe verificar el peso.A diferencia de una pala o una excavadora de azadón, el cargador debe maniobrar con elcucharón cargado en posición elevada. La pala y el azadón sólo giran alrededor de su centro yno requieren movilizarse, porque no tienen desplazamiento, pero el cargador sí. Por ello, eneste equipo es más probable que un exceso de peso de la carga en el cucharón produzca elvolteo de la máquina.
    • 96 Programa de Titulación 2006. Ingeniería Civil. Universidad de Piura.Tabla 6.1 Factores de llenado para excavadoras, en %. Material Pala Azadón Cargador frontal frontal Neumáticos Orugas Arcilla en banco; tierra; arena y grava. 100-110 95-110 80-100 80-100 Mezcla de tierra y roca 105-115 --- 100-120 100-120 Roca pobremente fragmentada 85-100 40-50 60-75 60-75 Roca medianamente fragmentada --- --- 75-90 75-90 Roca bien fragmentada 100-110 60-75 80-95 80-95 Conchuela; arenisca en banco, arcilla dura, 85-100 80-90 85-95 85-100 materiales cementantes Limo húmedo; arcilla arenosa --- 100-110 100-110 100-120 Agregado húmedo, mezclado y suelto --- --- 95-100 95-100 Agregado uniforme, suelto hasta 1/8” --- --- 95-100 95-110 Agregado uniforme, suelto entre 1/8” y --- --- 90-95 90-110 3/8” Agregado uniforme, suelto entre 1/2” y --- --- 85-90 90-110 3/4” Agregado uniforme, suelto de 1” ó mayor --- --- 85-90 90-110Fuente: Manual de Rendimiento Caterpillar. Edición 32 (2001).Las capacidades en peso de operación están limitadas por el peso de la máquina (tren derodaje y cabina) y se denominan como “carga límite de equilibrio estático”. En lasespecificaciones se suelen ofrecer varios valores, según la posición del cucharón respecto aleje longitudinal del equipo. Por razones de seguridad conviene no exceder un porcentaje delmínimo valor, correspondiente a la carga límite de equilibrio estático a giro pleno,recomendándose hasta un 50% para los cargadores de ruedas y un 35% para los de orugas. Sila carga excede este límite, sería necesario cambiar un cucharón más pequeño o cambiar a uncargador más grande.6.2.3. Tiempo del cicloEl tiempo del ciclo es una función del tipo de máquina y de las condiciones de trabajo queincluyen el ángulo de giro, la profundidad o altura de corte y en el caso de cargadoresfrontales, la distancia de viaje. Un ciclo se considera como el total de las operaciones de corte,giro con carga, desplazamiento o viaje, descarga, giro vacío y regreso vacío. En el caso depalas frontales o excavadoras de azadón, el desplazamiento es nulo o muy pequeño,considerándose cero este tiempo.En las Tabla 6.2 se ofrecen algunos valores del ciclo de excavadoras de azadón sobre orugas yen la Tabla 6.3 para los cargadores frontales, según Peurifoy y Schexnayder (2002). Estostiempos han sido estimados para condiciones promedio o ideales, según sea el caso, como seindican en la parte inferior de cada tabla.Para palas frontales con capacidades entre 2.2 y 3.8 m3, se tienen ciclos entre 17 y 24 seg.,considerando entre 7 a 9 segundos para las tareas de carga, de 4 a 6 segundos para el giro concarga, de 2 a 4 segundos para la descarga y entre 4 y 5 segundos para el giro vacío. Lacondición ideal de estos tiempos es un giro de 90° y una altura de trabajo igual a la óptima.
    • 97 Capitulo 6 ExcavadorasTabla 6.2 Tiempos de ciclo de excavadores tipo azadón sobre orugas, para condicionespromedio. Volumen cucharón Tiempo de las fases de trabajo, en segundos. (m3) Carga Giro con carga Descarga Giro vacío Total 0.76 5 4 2 3 14 0.76-1.15 6 4 2 3 15 1.5-1.9 6 4 3 4 17 2.3 7 5 4 4 20 2.7 7 6 4 5 22 3.0 7 6 4 5 22 3.8 78 7 4 6 24Condición promedio: Profundidad de corte entre 40% y 60% de la máxima profundidad decorte y ángulo de giro entre 30° y 60°, con unidades de transporte al mismo nivel de laexcavadora.En general, se estima que una excavadora de azadón tiene tiempos de ciclos 20% más largosque los de una pala frontal de similares dimensiones. Esto se debe a la mayor longitud delbrazo, que obliga a realizar mayores movimientos y maniobras durante el trabajo.Schexnayder (2002) encontró que una excavadora trabajando por debajo del terreno logran unahorro de hasta el 12.6% en el tiempo del ciclo que si trabajan por encima de su nivel.Tabla 6.3 Tiempos de ciclo de cargadores frontales. Capacidad del cucharón Neumáticos Orugas (m3) (seg.) (seg.) 0.76 - 2.87 27 - 30 15 - 21 3.06 - 4.21 30 - 33 --- 4.59 - 5.35 33 - 36 --- 10.7 - 17.59 36 - 42 ---Fuente: Peurifoy y Schexnayder. Construction Planning, Equipment and Methods. 2002.Cuando se trabajen con condiciones distintas a las promedio o ideales para las cuales se hancalculado los tiempos de los ciclos, hace falta aplicar el factor de corrección por corte yángulo, que se indican en 6.2.5.6.2.4. EficienciaComo en cualquier trabajo, existen condiciones propias de la dirección en campo que puedendisminuir la producción. Por ejemplo, este tiempo puede incrementarse por la actividad deotros equipos en el área al llegar a estorbarse entre sí, la falta de organización del mismooperador, su inexperiencia, las condiciones climáticas o de visibilidad, el mantenimiento delequipo, la competencia de la dirección en obra o las condiciones de la zona de trabajo delequipo. Todo esto se consolida en un factor de eficiencia. Se pueden ofrecer algunos rangos,como los sugeridos por Schexnayder (2002) para palas frontales entre 30 a 45 min/h; en elcaso de excavadoras de azadón o de cargadores frontales, la eficiencia puede llegar a 50min/h.A pesar que estos valores se pueden usar como una buena referencia, siempre será mejorcontar con una base de datos propia o mucho criterio para asumirlos con fidelidad.
    • 98 Programa de Titulación 2006. Ingeniería Civil. Universidad de Piura.6.2.5. Factores de corte y giroCuando una excavadora trabaja, debe elevar y bajar su brazo, girando para poder operar lacarga y descarga del material. Estas alturas o profundidades y el giro realizado endimensiones mayores a las ideales implican un mayor tiempo del ciclo. Por ello, los datos deciclos se han definido en base a unas condiciones definidas como ideales para cada equipo.Por ejemplo, los tiempos del ciclo de la pala han sido calculados asumiendo que la altura detrabajo es la óptima y el ángulo de giro es de 90°. Para las excavadoras de azadón, lascondiciones ideales consideran una profundidad de corte entre 40% y 60% de la máximaprofundidad de trabajo y el ángulo de giro entre 30° y 60° (Ver Figura 6.7). En el caso de loscargadores frontales, no importará el giro ni la altura de trabajo. Figura 6.7 Esquema de las condiciones de giro ideal de las excavadoras.Al variar las condiciones de trabajo respecto de las ideales, se tendrán variaciones en lostiempos de los ciclos de trabajo. Si se tienen ángulos de giro menores, seguro que los tiemposmejorarán, mientras que si son mayores, este tiempo será mayor. Así mismo, si la altura decorte es mayor a la ideal el tiempo aumenta porque la pala demora más en extender su brazo yretornarlo y si la altura es menor, también el tiempo aumenta por la dificultad de operar enuna dimensión reducida (Ver Figura 6.8). Figura 6.8 Esquema de la condición ideal de altura óptima de las excavadoras.
    • 99 Capitulo 6 ExcavadorasSólo las palas frontales tienen factores conocidos. En la Tabla 6.4 se muestran los factores dealtura de corte y ángulo de giro publicados por la Asociación de Grúas y excavadoras(PCSA). Estos valores son el resultado de estudios realizados en pequeñas palas operadas concables (Schexnayder, 2002). El porcentaje de altura óptima es la altura de trabajo divididaentre la altura óptima, que por lo general está entre el 30% y el 50% de la máxima altura detrabajo de la pala, siempre que el material sea fácil de cargar como limo, arena o grava y si estierra común, menos del 40%. Otros materiales difíciles de cargar como arcilla pegajosa oroca requerirán que esta altura óptima sea el 50% de la máxima altura de trabajo. Estosfactores pueden variar a su vez por el ángulo de giro.No se han realizado estudios similares con otros equipos. Podría ser interesante realizar unainvestigación que permita sacar conclusiones sobre los factores más adecuados a usar encondiciones distintas a las ideales o descartar su aplicación.Tabla 6.4 Factores de altura de corte y ángulo de giro para palas frontales. % profundidad Ángulo de giro. óptima 45° 60° 75° 90° 120° 150° 180° 40 0.93 0.89 0.85 0.80 0.72 0.65 0.59 60 1.10 1.03 0.96 0.91 0.81 0.73 0.66 80 1.22 1.12 1.04 0.98 0.86 0.77 0.69 100 1.26 1.16 1.07 1.00 0.88 0.79 0.71 120 1.20 1.11 1.03 0.97 0.86 0.77 0.70 140 1.12 1.04 0.97 0.91 0.81 0.73 0.66 160 1.03 0.96 0.90 0.85 0.75 0.67 0.62Fuente: Peurifoy y Schexnayder. Construction Planning, Equipment and Methods. 2002.6.3. Factor de volumenEl volumen en el cucharón se considera en estado suelto. Si se desea transformar el volumensuelto en volumen en banco, por ejemplo, fL estará en función del esponjamiento, visto en lasección 1.5.4, con la expresión de la Ec. 6.3: 1 Bv 1 -  Ec. 6.3Si se desea transformar las unidades de producción de volumen a peso, fv estará en funcióndel peso unitario suelto, con la expresión de la Ec. 6.4: Bv suelto Ec. 6.4 6.4. Otras aplicacionesLas excavadoras de azadón tienen otras aplicaciones con ayuda de accesorios intercambiablesen reemplazo del cucharón. Por ejemplo, martillos perforadores, augers, rastrillos paralimpieza de terreno, martillos de impacto y javas de demolición, compactadores vibratorios,ganchos para izaje de tubos, etc.Como elementos de izaje, las excavadoras de azadón tienen la capacidad de reemplazar a unsegundo equipo de grúa. La carga de izaje no debe exceder el 75% de la máxima carga, ni el87% de la capacidad de la excavadora, es decir, no debe exceder el total de las capacidadesestructurales de la máquina.