CAPÍTULO 6.Excavadoras

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).

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

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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.

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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).


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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.

vcaciclo

cucaharónexcavadora ffET

VP

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 fVV 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).


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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.


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Tabla 6.1 Factores de llenado para excavadoras, en %. Cargador frontal Material 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.


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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.


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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.


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

Ef v 11

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:

sueltovf 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.

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