1. CAPÍTULO 6.Excavadoras
Las excavadoras tienen muchas variaciones. Pueden estar montadas sobre orugas o sobre
ruedas 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 ventajas
económicas.
La potencia hidráulica es la clave de las ventajas que ofrecen estas máquinas. El control
hidráulico de los componentes de la máquina proporciona mayor rapidez en los tiempos de los
ciclos, mejor control de los accesorios, mejor eficiencia total, suavidad y facilidad de
operación y un control positivo que permite una mayor precisión.
Las excavadoras hidráulicas están compuestas por tres elementos: el montaje (neumáticos ú
orugas), la cabina, el brazo y el cucharón. En general se clasifican por el movimiento que les
proporcionan 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 también
retroexcavadora 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 se
conoce como una pala frontal. La pala frontal desarrolla la fuerza de carga moviendo la
cuchara hacia adelante de la máquina. El giro hacia abajo dictamina un mejor uso del equipo
para excavaciones por debajo del nivel de la máquina. El giro hacia delante de una pala
frontal la hace más útil para las operaciones de carga; por lo tanto, la máquina requerirá una
cara 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 se
realiza hacia delante y por lo general se usan para colocar el material en unidades de
transporte a partir de material previamente apilado (Figura 6.2).

2. Programa de Titulación 2006. Ingeniería Civil. Universidad de Piura.
92
Figura 6.2 Movimiento del cargador frontal.
6.1. Selección de las excavadoras
Las palas frontales son máquinas ideales para la excavación en canteras y la carga de unidades
de transporte. Su habilidad para cargar hacia delante requiere que el material se encuentre en
un banco por encima del nivel de la pala y en una sola operación, es capaz de cargar y
descargar en el camión.
Las retroexcavadoras son ideales para la excavación de zanjas o taludes y la carga también de
unidades de transporte. Por su configuración la longitud del brazo es mayor, proporcionándole
una mayor versatilidad por su alcance en cuanto a profundidad y altura.
Los cargadores frontales son ideales para la manipulación de material tipo agregados, como
tierra y roca bien fragmentada: la carga de camiones, la excavación de tierra, la carga de
agregados en plantas de concreto y asfalto. La excavación la realiza por encima del nivel de la
máquina. Vienen montados sobre orugas o sobre neumáticos. La ventaja de los cargadores de
neumáticos es que la cabina puede articularse respecto a las llantas posteriores, facilitando su
operación.
6.1.1. Por el costo
Cuando se relaciona el costo, se debe estimar el costo por metro cúbico manipulado por la
excavadora. En este cálculo hay que considerar aspectos como la dimensión del trabajo. Si
éste involucra la manipulación de grandes cantidades de material, puede justificarse el uso de
una excavadora de gran dimensión. Otro aspecto es el transporte del equipo a la obra, puesto
que los costos de movilización y desmovilización pueden ser mayores cuanto más grande sea
el equipo.
Si se trabaja en material rocoso, los costos de perforación y voladura pueden ser mayores
cuando se trabaja con excavadoras pequeñas, porque se requiere mayor cantidad de
explosivos para fragmentar la roca en porciones más pequeñas, mientras que una excavadora
más grande puede manipular fragmentos también más grandes de roca.

3. Capitulo 6 Excavadoras
93
6.1.2. Por las condiciones de trabajo
Las excavadoras hidráulicas tienen la posibilidad de combinar un rango de capacidades de
cucharones para un mismo modelo. La selección de la capacidad del cucharón depende de la
facilidad con que se puede manipular el material. Si se tiene roca bien fragmentada o material
fácilmente excavable, los cucharones pequeños podrán manipular el material y no necesitarán
ejercer mucha fuerza para excavar el material. Existen además una variedad de cucharones
para usos específicos que les da una versatilidad aún mayor.
Otro aspecto importante en la selección del excavador es su combinación con las unidades de
transporte. Se mencionó en 5.2 que un camión no debería llenarse con más de 5 cargas ni con
menos de 4. Es decir, que la capacidad de las unidades de carga debe ser cuatro o cinco veces
la dimensión del cucharón. Además, la altura de la tolva respecto al nivel del terreno o de la
excavadora determina el modelo, que debe ser capaz de alcanzar la parte superior de la tolva
para descargar el material. Aunque en este sentido, es posible solucionarlo colocando la
excavadora 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 la
excavación y lograr la suficiente fuerza de corte. En este caso también es crítica la
profundidad 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 de
diseño o llamada también, máxima carga de equilibrio estático. De lo contrario, la excavadora
puede voltearse y dañarse o causar daño al personal. Por seguridad, no se recomienda llegar al
límite sino a un porcentaje de este valor, como se explica en el cálculo de la producción (Ver
numeral 6.2.2).

4. Programa de Titulación 2006. Ingeniería Civil. Universidad de Piura.
94
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 producción
Si un excavador se considera como una unidad independiente, su tasa de producción puede
estimarse 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.
vca
ciclo
cucaharón
excavadora BB-
6
8
2
Ec. 6.1
6.2.1. Volumen del cucharón
El volumen del cucharón se considera la capacidad colmada, afectada por los factores de
llenado, como se muestra en la Ec. 6.2.
llenadocolmadocucharón B88
Ec. 6.2
La capacidad colmada se estima a partir de la información del fabricante, que asume un
acomodo del material con una loma en la parte central y una pendiente hacia los lados (Ver
Figura 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).

5. Capitulo 6 Excavadoras
95
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 arena
suelta seca se acomodará con una pendiente más baja mientras que si esta misma arena está
húmeda, es posible que alcance una pendiente mayor (Figura 6.6). Por ello se sugieren los
factores de llenado para ajustar un acomodo más realista según el material. Este valor estará
en 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 línea
A indica el máximo acomodo del material, ocurrido por lo general con materiales cohesivos o
semi-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 caso
intermedio.
En la Tabla 6.1 se ofrecen los factores de llenado según el tipo de material para las palas, las
excavadoras de azadón y los cargadores.
6.2.2. Verificación de la carga de operación
Una 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 el
cucharón cargado en posición elevada. La pala y el azadón sólo giran alrededor de su centro y
no requieren movilizarse, porque no tienen desplazamiento, pero el cargador sí. Por ello, en
este equipo es más probable que un exceso de peso de la carga en el cucharón produzca el
volteo de la máquina.

6. Programa de Titulación 2006. Ingeniería Civil. Universidad de Piura.
96
Tabla 6.1 Factores de llenado para excavadoras, en %.
Cargador frontalMaterial Pala
frontal
Azadón
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,
materiales cementantes
85-100 80-90 85-95 85-100
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
3/8”
--- --- 90-95 90-110
Agregado uniforme, suelto entre 1/2” y
3/4”
--- --- 85-90 90-110
Agregado uniforme, suelto de 1” ó mayor --- --- 85-90 90-110
Fuente: Manual de Rendimiento Caterpillar. Edición 32 (2001).
Las capacidades en peso de operación están limitadas por el peso de la máquina (tren de
rodaje y cabina) y se denominan como “carga límite de equilibrio estático”. En las
especificaciones se suelen ofrecer varios valores, según la posición del cucharón respecto al
eje longitudinal del equipo. Por razones de seguridad conviene no exceder un porcentaje del
mínimo 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. Si
la carga excede este límite, sería necesario cambiar un cucharón más pequeño o cambiar a un
cargador más grande.
6.2.3. Tiempo del ciclo
El tiempo del ciclo es una función del tipo de máquina y de las condiciones de trabajo que
incluyen el ángulo de giro, la profundidad o altura de corte y en el caso de cargadores
frontales, 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 de
palas 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 y
en la Tabla 6.3 para los cargadores frontales, según Peurifoy y Schexnayder (2002). Estos
tiempos han sido estimados para condiciones promedio o ideales, según sea el caso, como se
indican 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 con
carga, de 2 a 4 segundos para la descarga y entre 4 y 5 segundos para el giro vacío. La
condición ideal de estos tiempos es un giro de 90° y una altura de trabajo igual a la óptima.

7. Capitulo 6 Excavadoras
97
Tabla 6.2 Tiempos de ciclo de excavadores tipo azadón sobre orugas, para condiciones
promedio.
Tiempo de las fases de trabajo, en segundos.Volumen cucharón
(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 24
Condición promedio: Profundidad de corte entre 40% y 60% de la máxima profundidad de
corte y ángulo de giro entre 30° y 60°, con unidades de transporte al mismo nivel de la
excavadora.
En general, se estima que una excavadora de azadón tiene tiempos de ciclos 20% más largos
que los de una pala frontal de similares dimensiones. Esto se debe a la mayor longitud del
brazo, que obliga a realizar mayores movimientos y maniobras durante el trabajo.
Schexnayder (2002) encontró que una excavadora trabajando por debajo del terreno logran un
ahorro 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
(m3
)
Neumáticos
(seg.)
Orugas
(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 han
calculado los tiempos de los ciclos, hace falta aplicar el factor de corrección por corte y
ángulo, que se indican en 6.2.5.
6.2.4. Eficiencia
Como en cualquier trabajo, existen condiciones propias de la dirección en campo que pueden
disminuir la producción. Por ejemplo, este tiempo puede incrementarse por la actividad de
otros equipos en el área al llegar a estorbarse entre sí, la falta de organización del mismo
operador, su inexperiencia, las condiciones climáticas o de visibilidad, el mantenimiento del
equipo, la competencia de la dirección en obra o las condiciones de la zona de trabajo del
equipo. 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 el
caso de excavadoras de azadón o de cargadores frontales, la eficiencia puede llegar a 50
min/h.
A pesar que estos valores se pueden usar como una buena referencia, siempre será mejor
contar con una base de datos propia o mucho criterio para asumirlos con fidelidad.

8. Programa de Titulación 2006. Ingeniería Civil. Universidad de Piura.
98
6.2.5. Factores de corte y giro
Cuando una excavadora trabaja, debe elevar y bajar su brazo, girando para poder operar la
carga y descarga del material. Estas alturas o profundidades y el giro realizado en
dimensiones mayores a las ideales implican un mayor tiempo del ciclo. Por ello, los datos de
ciclos 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 de
trabajo es la óptima y el ángulo de giro es de 90°. Para las excavadoras de azadón, las
condiciones ideales consideran una profundidad de corte entre 40% y 60% de la máxima
profundidad de trabajo y el ángulo de giro entre 30° y 60° (Ver Figura 6.7). En el caso de los
cargadores 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 los
tiempos de los ciclos de trabajo. Si se tienen ángulos de giro menores, seguro que los tiempos
mejorarán, mientras que si son mayores, este tiempo será mayor. Así mismo, si la altura de
corte es mayor a la ideal el tiempo aumenta porque la pala demora más en extender su brazo y
retornarlo y si la altura es menor, también el tiempo aumenta por la dificultad de operar en
una dimensión reducida (Ver Figura 6.8).
Figura 6.8 Esquema de la condición ideal de altura óptima de las excavadoras.

9. Capitulo 6 Excavadoras
99
Sólo las palas frontales tienen factores conocidos. En la Tabla 6.4 se muestran los factores de
altura 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 con
cables (Schexnayder, 2002). El porcentaje de altura óptima es la altura de trabajo dividida
entre la altura óptima, que por lo general está entre el 30% y el 50% de la máxima altura de
trabajo de la pala, siempre que el material sea fácil de cargar como limo, arena o grava y si es
tierra común, menos del 40%. Otros materiales difíciles de cargar como arcilla pegajosa o
roca requerirán que esta altura óptima sea el 50% de la máxima altura de trabajo. Estos
factores pueden variar a su vez por el ángulo de giro.
No se han realizado estudios similares con otros equipos. Podría ser interesante realizar una
investigación que permita sacar conclusiones sobre los factores más adecuados a usar en
condiciones distintas a las ideales o descartar su aplicación.
Tabla 6.4 Factores de altura de corte y ángulo de giro para palas frontales.
Ángulo de giro.% profundidad
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 0.62
Fuente: Peurifoy y Schexnayder. Construction Planning, Equipment and Methods. 2002.
6.3. Factor de volumen
El volumen en el cucharón se considera en estado suelto. Si se desea transformar el volumen
suelto en volumen en banco, por ejemplo, fL estará en función del esponjamiento, visto en la
sección 1.5.4, con la expresión de la Ec. 6.3:
-
Bv
1
1
Ec. 6.3
Si se desea transformar las unidades de producción de volumen a peso, fv estará en función
del peso unitario suelto, con la expresión de la Ec. 6.4:
sueltovB
Ec. 6.4
6.4. Otras aplicaciones
Las excavadoras de azadón tienen otras aplicaciones con ayuda de accesorios intercambiables
en reemplazo del cucharón. Por ejemplo, martillos perforadores, augers, rastrillos para
limpieza 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 un
segundo equipo de grúa. La carga de izaje no debe exceder el 75% de la máxima carga, ni el
87% de la capacidad de la excavadora, es decir, no debe exceder el total de las capacidades
estructurales de la máquina.