“CARGADOR FRONTAL Y EXCAVADORA”

Alumnos: bocanegra Berna, Stanly Cóndor tapia, José F. Juárez pozo, jhony Peralta Peralta, franklin Vásquez Paredes, Fabiola

Vidaurre Valdera, José

Docente: ing. Mondragon Castillo Carlos E.

DISEÑO DEPAVIMENTOS

UNIVERSIDAD SEÑOR DE SIPÁNFACULTAD DE INGENIERÍA, ARQUITECTURA Y URBANISMO

INTRODUCCIÓN

El presente informe trata sobre CARGADOR FRONTAL Y EXCAVADORA, un punto de gran importancia en la elección de maquinarias para la construcción, ya que esto ayuda a conocer los tipos de equipos que vamos a utilizar para realizar un trabajo en obra. Las maquinarias se eligen dependiendo del suelo en que se va a trabajar y también dependiendo de los trabajos que se va a realizar.

La finalidad del presente informe es dar a conocer su importancia, recomendaciones y rendimientos de dichas maquinarias, entre otros puntos que pueden ayudar a tener una mejor idea sobre el tema.

Para la realización del presente, hemos revisado información física y virtual, siendo esta analizada y resumida para posteriormente plasmar los puntos más importantes conservación y recomendaciones.

La estructuración del contenido, está conformado por definiciones, marco teórico, conclusiones, recomendaciones; dividiendo el contenido para cada tema antes mencionado; entre otros puntos que complementan la información en sí.

Esperó que este informe sirva como fuente de información para futuros estudios académicos que realicen otras personas. Agradecemos a la universidad señor de Sipán por brindarnos todas las herramientas necesarias para ser un buen estudiante, de igual manera al docente encargado del curso por los conocimientos brindados.

OBJETIVOS

Objetivo General

Explicar los diferentes conceptos sobre cargadores frontales y excavadores, para así poder seleccionar el tipo de equipo que se puede requerir para una construcción.

Objetivos Específicos

Determinar el rendimiento de un cargador frontal Determinar el rendimiento de una excavadora Estudiar los conceptos básicos de los equipos mencionados Explicar los detalles que se tienen que tener en cuenta para poder elegir los

tipos de maquinaria.

MARCO TEÓRICO

CARGADOR FRONTAL

El Cargador Frontal denominado simplemente cargador; a veces también llamado pailoder por el primer cargador llegado a Chile de marca International, derivándose en el término añdicional entre los operarios más antiguos de la construcción. Se compone de un tractor sobre neumáticos o sobre orugas (Fig. 3.5.1) siendo el más utilizado el de neumáticos (Fig. 3.5.2) para sectores regularmente planos o con pendiente baja, además de poseer una articulación este último está equipado con un cucharón cuyo movimiento de elevación se logra mediante dos brazos laterales articulados. El cucharón por sí mismo puede realizar un movimiento de rotación de cierta amplitud alrededor de un eje horizontal, con incluso, inclinación negativa del cucharón. Todos los movimientos son mandados por cilindros hidráulicos.

El cucharón normal posee borde cortante en la parte inferior, con o sin dientes de penetración. Existen numerosos tipos de cucharones según los trabajos a los que se destine: cucharón corto reforzado para canteras, cucharón con nervios, cucharón con bordes de ataque en V para carga de rocas en acopio; cucharón con realce para carga de material esponjado.

Los Usos más frecuentes del Cargador Frontal

La carga de todos los materiales, con la cuchara apropiada o la herramienta apropiada.

Excavación, en terreno llano, de materiales sueltos o disgregados Desmonte de terrenos blandos Limpieza del terreno Extendido y nivelación de materiales

Apoyo en las Plantas de Áridos, Asfaltos, Hormigones entre otras. Caterpillar fabrica una línea completa de cargadores de ruedas, incluyendo el Cargador Frontal sobre neumáticos más grande del mundo, el Caterpillar 994D, usado solamente en la gran minería. Los Cargadores Frontales de hoy en día son más versátiles, trabajan mejor y con mayor eficiencia, son más fáciles de dar servicio y son más cómodos.

Operaciones y Aplicaciones

El Cargador Frontal es relativamente nuevo entre los equipos para construcción. Se introdujo como otro accesorio para hacer aún más versátil el tractor de orugas y atender el problema de limpieza de los alrededores de los sitios de construcción. El tractor equipado con hoja o Bulldozer, sólo podía empujar el exceso de material o desperdicio hacia un lado, y en cambio, el Cargador de cucharón frontal podía levantarlo y cargarlo en camiones. Esa operación original se efectuó con los cucharones mecánicos regulados con cables, e instalados sobre brazos rígidos, que fueron los que tenían los primeros cargadores que aparecieron al terminar la Segunda Guerra Mundial. Por las razones explicadas anteriormente, el cargador no tuvo gran aceptación sino hasta que se introdujo el control hidráulico en los mecanismos extensibles de los brazos. En la actualidad, el Cargador Frontal tiene gran aplicación y aceptación. Una de las aplicaciones más comunes del Cargador Frontal, es la carga de materiales en unidades de acarreo (Fig. 3.5.3). Si el área que circunda al material por cargar es razonablemente nivelada, la unidad de acarreo puede situarse en una posición cercana conveniente. En tal caso, el Cargador Frontal puede excavar y hacer el movimiento corto necesario para vaciar su carga al camión. Durante los primeros años del desarrollo del Cargador Frontal, se usó como sustituto de las pequeñas palas mecánicas para cargar camiones. En la actualidad se fabrican cargadores grandes y de gran capacidad que reemplazaron a las palas mecánicas en casi todas sus operaciones tradicionales.

Forma de Trabajo

El mecanismo del cucharón de los Cargadores Frontales se diseña para tener una altura de vaciado comprendida entre 2.4 y 4.5 metros arriba del plano sobre el que se mueve el tractor. Tal altura es proporcional al tamaño del Cargador Frontal. Esto hace posible que el cargador vacíe a un camión o unidad de acarreo de tamaño adecuadamente equilibrado. La operación de un Cargador Frontal entre su posición de carga y la de vaciado, requiere por lo general muchas maniobras. Si es limitado el espacio utilizable entre las posiciones de carga y descarga, puede presentar problemas. Un Cargador Frontal montado en tractor de orugas puede pivotear lentamente sobre sus bandas de orugas sin gran dificultad, pero un tractor de dos ejes, montado sobre neumáticos, necesita másespacio para maniobras. Esto ha conducido a la unidad de tracción articulada más moderna. Un Cargador Frontal de armazón articulado tiene su articulación aproximadamente a la mitad de la distancia entre sus ejes. Su

capacidad de giro se aumenta notablemente por el ángulo de más de 30 grados que puede girar el eje frontal a cada lado de la posición recta hacia delante. Por supuesto, el cucharón puede estar en muchas posiciones diferentes durante la operación del Cargador Frontal. Con el cucharón elevado a una altura de vaciado, no tiene efecto alguno sobre las dimensiones laterales a nivel del terreno. Por ello, generalmente se da la longitud del Cargador Frontal sin incluir el cucharón. El radio de giro o de vuelta medido hasta el neumático trasero exterior de un Cargador Frontal articulado, es aproximadamente igual a su longitud total excluyendo el cucharón. Esto significa que un Cargador Frontal articulado bien diseñado puede trabajar en un espacio confinado. En general, no necesita más del doble de la longitud de la máquina, para excavar, maniobrar y vaciar su carga. Un Cargador Frontal articulado puede girar su parte frontal para cargar directamente del banco de material. Esta misma flexibilidad para maniobras puede ayudar durante el vaciado a un lecho de acarreo largo. Su flexibilidad permite al Cargador Frontal extender su carga para lograr uniformidad de distribución en la unidad de acarreo, sin tener que cambiar su posición completamente. La capacidad de carga a unidades de acarreo, de un Cargador Frontal articulado, en su posición de rotación, es aproximadamente del 85% de su capacidad en su posición normal hacia delante. Un tercer uso importante del Cargador Frontal es la carga de material de voladuras a unidades de acarreo, en el espacio limitado de una excavación en roca, de un túnel (Fig. 3.5.4) o de una cantera. En tales situaciones, el Cargador Frontal tiene una ventaja sobre la pala mecánica, por su pluma y demás partes salientes.

También se usa el Cargador Frontal para excavar agregados o material de cantera (Fig. 3.5.5), para cargarlos a la parrilla de la tolva de alimentación de una planta trituradora (Fig. 3.5.6). En general, se sitúa la tolva en el borde, o apenas adentro del tajo del material. El Cargador Frontal excava entonces su carga y la acarrea una distancia pequeña hacia la tolva. Si la distancia de acarreo es mayor que la de alcance de una pala desde su posición de excavación, el cargador tiene una ventaja decisiva sobre la pala mecánica para esta operación.

Por supuesto, cualquiera operación de limpieza de construcción que comprenda el recogimiento del material y su vaciado en algún otro lugar, es ideal para un Cargador Frontal (Fig. 3.5.7a y 3.5.7b). Entre otros ejemplos, pueden citarse la extracción de troncos de raíz, de árboles de ramas grandes, así como de otros objetos grandes que estén en el área de trabajo, como preparación para los trabajos de nivelación de terreno; el relleno de una excavación para cimentación o de trincheras, particularmente cuando el material tiene que acarrearse desde cierta distancia; también la variedad de trabajos de limpieza en los alrededores de un patio de agregados o materiales para concreto.

Conducción de un Cargador Frontal

La conducción del Cargador Frontal no exige ninguna precaución especial, puesto que el Cargador Frontal no alcanza su pleno rendimiento sino es sobre superficie plana, horizontal o ligera pendiente y bien despejada. La toma de un acopio se efectúa atacándola por la parte baja, con el borde del cucharón a ras desuelo. Se debe escoger la velocidad que permita la penetración en el montón sin choque. Una vez atacado el acopio, cuando el Cargador Frontal se frene, fijar los brazos de elevación en posición baja; enseguida un movimiento de vaivén en la palanca de mando de giro del cucharón, bombea el material, llenando completamente el cucharón (Fig. 3.5.8).

Con el Cargador Frontal en marcha adelante se endereza el cucharón y se fija. Poner entonces el Cargador Frontal en marcha atrás y elevar de nuevo los brazos hasta separar el cucharón del montón. Volverá poner la marcha adelante hacia el punto de descarga y, durante el trayecto, elevar el cucharón a la altura deseada, para que llegada al punto de descarga, basta con bascular el cucharón; se evita así momentos de paro en el punto de descarga. Sin embargo, si el transporte se hace a una cierta distancia, se debe bajar el cucharón a unos 30 ó 40cm. (Fig. 3.5.9) del suelo para asegurar la estabilidad de la máquina.

El camión se descarga empezando por su parte delantera. Una vez realizada la descarga, se eleva de nuevo el cucharón para evitar enganchar al borde de la caja del camión en el momento de la marcha atrás del Cargador Frontal. La descarga puede hacerse de golpe o suavemente maniobrando los mandos de descarga. En el caso del material adhesivo, se sacude el cucharón con un movimiento rápido de vaivén de la palanca de mando de descarga. Para la carga sobre camión de piedras procedentes de voladuras, se emplea de preferencia el Cargador Frontal sobre orugas, ya que los neumáticos se dañan mucho con los trozos de roca. Se debe procura empezar la carga del camión con bloques de pequeñas dimensiones.

El desplazamiento del Cargador Frontal, con el cucharón lleno, sobre una pendiente empinada, se efectúa con el cucharón a ras de suelo, y en marcha adelante en la

subida, y marcha atrás en el descenso. En la excavación de escarpe, para que la superficie de trabajo permanezca horizontal, se ataca el frente de su base, como para la carga de un acopio, elevando el brazo para que el cucharón se llene. El extendido y nivelación deben ser realizados con el Cargador Frontal equipado con un cucharón sin dientes, bajándolo y trabajando a manera de una cuchilla de Bulldozer. Para una nivelación más regular, debe trabajarse en marcha atrás.

Especificaciones Técnicas Generales Modelo Estándar más usado en Chile2.5.3.1

Dimensiones Cargador Frontal Caterpillar Modelo 966G

Especificaciones Generales

Potencia al Volante :  235 HP

Revoluciones por Minuto :  2200 R.P.M.

Velocidades de Avance  1ª : 7.2 Km./h, 2ª : 12.6 Km./h, 3ª : 21.7 Km./h; 4ª : 37.3 Km./h

Velocidades de Retroceso 1ª : 8.2 Km./h; 2ª : 14.3 Km./h; 3ª : 24.6 Km./h; 4ª : 42.3 Km./h

Cucharones

Clasificación SAE de Cucharones

Capacidades de Cucharones según SAE

Capacidad a Ras: Es el volumen contenido en el cucharón después de nivelar la carga pasando un rasero que se apoye sobre la cuchilla y la parte trasera del cucharón. Capacidad Colmada: Es la capacidad a ras, más la cantidad adicional que se acumule sobre la carga a ras a un ángulo de reposo 2:1 con el nivel a ras paralelo al suelo (Fig. 3.5.11) Altura de descarga: según norma SAE se especifica que la altura de descarga es la distancia vertical desde el suelo hasta el punto más bajo de la cuchilla, con el pasador de articulación del cucharón a su altura máxima y el cucharón a un ángulo de descarga de 45°. El ángulo de descarga es el ángulo al cuál la sección plana más larga de la parte interior del fondo del cucharón girará por debajo de la horizontal.

Cucharones de Uso General

Los cucharones, principalmente los de uso general, poseen una amplia variedad de aplicaciones, para trabajar en carga en banco, excavación y carga del acopio. Construidos para soportar las condiciones más difíciles, estos cucharones tienen un diseño de construcción de calidad demostrada a base de un costillar que resiste torsiones y distorsiones. Todos los cucharones tienen placas de derrame integradas que evitan el derrame del material por detrás, así como placa de desgaste inferior y laterales para aumentar la duración del cucharón. Este tipo de cucharón posee herramientas de corte tales como:

El Sistema de protecciones de esquina permite la máxima flexibilidad entre los sistemas de dientes y cuchillas obteniendo una protección y rendimiento excelentes en cada aplicación.

Las Cuchillas y Cantoneras Apernadas, son fabricadas en acero al carbono, reversibles, para tener mayor fortaleza y resistencia al desgaste.

Los Adaptadores de Esquina de dos pernos se sujetan con seguridad para evitar movimientos.

Los Adaptadores Centrales de dos placas apernados proporcionan mayor protección a las puntas, mayor fortaleza y mayor duración.

Los Segmentos apernados reversibles de servicio pesado protegen la cuchilla de base y mantienen una superficie de trabajo uniforme (Fig. 3.5.12).

Cucharones de Manipulación de Materiales

Este tipo de Cucharón tiene el piso plano, para obtener excelente rendimiento, penetración más fácil en el acopio, factores de llenado más altos y ciclos más rápidos en aplicación con materiales de apilado. Están equipados con cuchillas y protectores de esquina apernados, estos cucharones proporcionan una retención de carga excelente. Todos los cucharones además poseen placas de derrame integradas que evitan el derrame del material por detrás, así como placas de desgaste inferior y laterales para aumentar la duración del cucharón(Fig. 3.5.13).

Cucharones para Roca

Este cucharón tiene un diseño de borde afilado que facilita la penetración y hace que sean apropiados para trabajos de impactos altos (Fig. 3.5.14).

Existen opciones de puntas para obtener la mejor combinación de resistencia al desgaste, penetración y fortaleza necesaria para cada aplicación. Estos cucharones se han diseñado para trabajar principalmente en industrias de minería y canteras, ya sea con bordes rectos. El borde recto tiene mayor fuerza de desprendimiento y espacio libre de descarga; el borde del cucharón ofrece mejor penetración. El acero de alta rigidez, específico para la aplicación y los materiales de trabajo, se utilizan para lograr mayor duración. Los cucharones de ancho adicional pueden prolongar la vida útil de los neumáticos para reducir los costos de operación. Las bandas antidesgaste adicionales reducen la necesidad de costosas reconstrucciones de cucharón. Algunos diseños incluyen placas de revestimiento resistentes al desgaste, las cuales facilitan la reconstrucción cuando se necesita. La densidad del material determina la capacidad de los cucharones. La adecuada selección de dientes y cuchillas aumentarán la productividad en tanto se reduce el costo de las herramientas de corte. Estos cucharones pueden ser con o sin dientes, con dientes y segmentos apernados, o con cuchillas apernadas. Para los Cargadores Frontales más grandes también se usan protectores de barra lateral.

Puntas para Cucharones 

Puntas Cortas: Se usa en trabajos de alto impacto y de dislocación, como por ejemplo en rocas. 

Puntas Largas: Se usa en las aplicaciones más generales donde no hay peligro de que se rompan.

Puntas Largas de Servicio Pesado: Se usa en trabajos generales de carga y de excavación, tiene excelente resistencia al desgaste y gran fortaleza. 

Puntas de Abrasión de Servicio Pesado: Se utiliza en trabajos en arena, grava y roca pulverizada, máxima cantidad de material de desgaste.

Puntas de Penetración: Se usa en materiales de alta compactación, como arcilla, proporciona la máxima penetración (Fig. 3.5.15).

Accesorios para Cargadores Frontales

Cucharones de Uso Múltiple: Carga, explanación, sujeción de objetos o el filtrado de material de descarga son tareas fáciles con los cucharones de uso múltiples (Fig. 3.5.16).

Los cucharones de usos múltiples permiten a un Cargador Frontal hacer el trabajo de varios. Pueden usarse como cucharón estándar, hoja topadora, abrazadera o cucharón de descarga controlada. Puede cargar material, empujar con la hoja recta, sujetar elementos con la abrazadera frontal hidráulica o descargar cantidades medidas. La abrazadera frontal gira dentro de la parte posterior del cucharón para lograr un máximo de rigidez y fortaleza. La cuchilla frontal acepta bordes apernados, dientes apernados o dientes con segmentos. Los diseños estándar son ideales para material con una densidad de 1800kg./m³.2.

Cucharones de Descarga Alta: Son ideales para cargar material apilado, material ligero en camiones de paredes altas (Fig. 3.5.17)

3. Cucharones de Descarga Lateral: Permiten operar a los Cargadores en áreas de trabajo con poco espacio libre y también pueden descargar hacia delante al igual que los cucharones convencionales (Fig. 3.5.18).

Los cucharones de descarga lateral pueden descargar de ambas maneras: hacia adelante, como un cucharón estándar, o hacia el costado. Los cucharones de descarga lateral permiten que los cargadores operen en obras congestionadas .Son ideales para construir túneles, rellenar zanjas, construir terraplenes y desgarrar carreteras de asfalto. La unidad con borde recto estándar puede usar cuchilla apernable, dientes apernables o dientes con segmentos. El cilindro hidráulico está bien protegido del material que podría caer sobre la plancha antiderrame. El cucharón incorpora tanto una válvula de traba hidráulica como una traba mecánica. El bastidor con orificios alineados para montar rígidamente el cucharón, prolonga su duración. Para el servicio pesado en carga de rocas, se usan cucharones de descarga lateral con rejilla para rocas, así como cuchillas y dientes en V. Se usan modelos con pasadores o acoples rápidos.

Acoplador Rápido: Proporcionan una excelente versatilidad y permiten que un operador con una máquina realice una gran cantidad de tareas, de lo que resulta un mayor rendimiento y eficiencia de la máquina. La mayoría de las herramientas de trabajo se pueden obtener con ganchos para acoplador o se pueden modificar para que se adapten al sistema de acoplador (Fig. 3.5.19).

Cucharones para Carbones: Existen de variados anchos, todos estos poseen cuchillas empernadas (Fig.3.5.20).

Los cucharones para carbón, diseñados para manejar carbón u otro material de densidad similar, pueden aumentar la producción en un 50% con respecto a los cucharones estándar.La capacidad y las características de carga del cucharón se adaptan específicamente a la capacidad dela máquina para asegurar un máximo de utilización y productividad. El diseño del piso proporciona resistencia adicional en aplicaciones que exigen alta fuerza de desprendimiento.6. 

Cucharones para Virutas: Diseñados especialmente para cargar y transportar virutas de madera y materiales ligeros similares. Las cuchillas apernadas son estándar. Las rejillas de visibilidad ayudan al operador durante la carga (Fig. 3.5.21).

Horquillas: Las horquillas para troncos, serrerías y productos madereros son las herramientas ideales para manejar una gran variedad de materiales (Fig. 3.5.22).

Las horquillas para troncos están diseñadas para aplicaciones de servicio pesado, carga y descarga de camiones, selección, abastecimiento y paletizado de aserraderos .La doble tenaza superior se cierra para tocar las puntas de los dientes. El diseño de plancha abisagrada ofrece gran visibilidad. El diseño de bastidor individual recepciona una tenaza doble superior en las horquillas para troncos (Tenaza superior para maderera de horquillas madereras). Las cuchillas son reemplazables. Las puntas optativas están disponibles tanto enroscables o soldables. El perfil del bastidor permite una acción de rodamiento para mejorar la carga de los troncos.8. 

Otros: También es posible encontrar una variada gama de otros tipos de accesorios para los Cargadores entre estos están los Cepillos Hidráulicos, Limpianieves, Rastrillos, Ganchos, Cargadores de Neumáticos, etc.

Productividad del Cargador Frontal

La productividad de un Cargador Frontal se calcula en m3 por hora. Puede determinarse, estimando la carga real medida en banco de material, y calculando el tiempo que toma el manejar cada cucharón lleno. En otras, palabras, el encargado de planeación estima la carga del cucharón y su tiempo de ciclo. Luego puede calcular la productividad para el tiempo medio gastado en cada hora de producción real. Esta es la manera de estimar los metros cúbicos por hora para cualquier equipo de construcción que maneje material a granel. El tiempo de ciclo de un Cargador Frontal para manejar cada cucharón, debe separarse en varios componentes clave. Esta subdivisión tiene por objeto separar los cambios variables, los cuales dependen delas distancias que recorre el Cargador Frontal con cada cucharón lleno, de los llamados

tiempos fijos. El tiempo fijo comprenderá aquellas partes del ciclo del Cargador Frontal que son razonablemente constantes, cualquiera que sea la operación de que se trate. Las partes son los tiempos requeridos para cargar el cucharón, para cambiar las velocidades, para girar y para vaciar la carga. Para cualquier tipo de arreglo de la operación y cualquier distancia de movimiento de la carga, se estima que el valor del tiempo fijo es de 15 a 21segundos, para una operación razonablemente eficiente. El tiempo variable de recorrido se basa en las velocidades de recorrido y en las distancias a recorrer entre la carga y la descarga, y luego en el retorno para la siguiente carga. El cambio de velocidades, el giro ylas maniobras, en general, se hacen entre los puntos extremos de cada ciclo.

CONCLUSIONES

Los equipos son muy importantes para el avance de una obra, ya que nos proporciona una mayor desempeño y mejor calidad para la ejecución de un trabajo ya sea excavación, o de carga.

La potencia de la maquinaria se elegirá de acuerdo al tipo de suelos y dependerá también de lugar en que se va a trabajar y de los trabajos que se va a realizar.

Los rendimientos de las maquinarias dependerán de las distancias y los suelos con los que se van a trabajar.

Es importante conocer los diferentes tipos de maquinaria para poder seleccionar el equipo adecuado, teniendo en cuanta la economía, eficiencia y eficacia.

RECOMENDACIONES PARA EL TRABAJO DE LOS CARGADORES FRONTALES

Sobre suelos rocosos, verter si es posibles una capa de materiales blandos para reducir los choques sobre el cargador.

Cargar los camiones a la derecha, y a la izquierda del Cargador Frontal para igualar los desgastes.

Trabajar preferentemente de espalda al viento para evitar que el conductor reciba las partículas de polvo en la cara.

Por razones de duración de la máquina debe procurarse que siempre opere en terreno horizontal, aunque haya que ejecutar una nivelación previa.

Cuando el Cargador Frontal se mueve sobre terrenos rugosos debe llevarse el cucharón lo más bajo posible, para evitar que la carga pueda caer sobre el operador y la máquina, dañándolos.

Para cada tipo de faena y calidad del terreno se debe escoger el Cargador Frontal adecuado, así como los accesorios más efectivos.

En general el camión tolva debe estacionarse de modo que su eje longitudinal quede a 135 grados con respecto al frente de carga, con ello se reduce el giro del Cargador Frontal.

Si no se dispone de espacio para maniobrar, el camión tolva puede colocarse con su eje paralelo al punto de carga. Con ello el Cargador Frontal tiene mayor recorrido pero su giro permanece igual.

Tratar de evitar los giros de 90 ó 180 grados, que son los que producen mayor desgaste en el equipo.

Un Cargador Frontal sobre neumáticos debe evitar el patinazo, fatales para los neumáticos sobre todo en suelos silicosos o rocosos. Sobre terreno blando o arenoso, disminuir la presión de los neumáticos.

No mover los neumáticos de dirección de los Cargadores Frontales sobre neumáticos más que en marcha para no perjudicar los órganos de dirección. 

EXCAVADORA

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 maquinas. El control hidráulico de los componentes de la maquina 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 u 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 maquina 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).

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 este 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.

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 necesitaran 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 encimadel 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).

Figura 6.4 Esquema del trabajo de una excavadora en zanjas y la influencia de laprofundidad y el radio de corte.

6.2. Calculo 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 (fy), según la Ec. 6.1.

Pexcavadora=V cucharónT ciclo

' E' f ca ' f v 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.

Pcucharón=V colmado ' f llenado 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).

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 acomodara con una pendiente más baja mientras que si esta misma arena esta 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 si. 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.

96 Programa de Titulación 2006. Ingeniería Civil. Universidad de Piura.

Tabla 6.1 Factores de llenado para excavadoras, en %.

Material

Pala

frontal

Azadón Cargador 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, 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, suelo entre 1/8” y 3/8”

-- -- 90-95 90-110

Agregado uniforme, suelo entre ½” y ¾”

-- -- 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 maquina (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, seria 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 vacio y regreso vacio. 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 vacio. La condición ideal de estos tiempos es un giro de 90° y una altura de trabajo igual a la óptima.

Tabla 6.2 Tiempos de ciclo de excavadores tipo azadón sobre orugas, para condiciones promedio.

Volumén cucharón (m3)

Tiempo de las fases de trabajo, en segundos

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 - 213.06 - 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 si, 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.

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 importara 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 mejoraran, 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.

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.

% 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 0.62

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, f, estará en función del esponjamiento, visto en la sección 1.5.4, con la expresión de la Ec. 6.3:

f v=11+E

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:

f v=9suelto 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.

CONCLUSIONES

Las excavadoras son muy esenciales para abrir zanjas, realizar trabajos de excavación, abrir desagües, etc.

Su desempeño en obra nos permite el avance, ya que esta especialmente hecha para realizar obras de excavación.

En algunos casos también se utiliza para cargar a los volquetes, en caso que no se encuentre un cargador frontal.

Su rendimiento de la excavadora depende del lugar y el suelo en que se va a realizar su trabajo de excavación.