Título:
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MAQUINAS
MINERAS MOVILES
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Subtítulo
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MAQ.
DE CARGUIO SIN ACARREO
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Fecha
de realización:
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07/04/2017
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Grupo:
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DISEÑO Y SELECCION DE MAQUINAS
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Tema:
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EXCAVADORA
HIDRAULICA
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Código:
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DIS-MIN-MMM-03-03
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INDICE
1 MAQUINAS DE CARGUIO SIN ACARREO.
1.1 OPERACIONES BASICAS.
1.2 APLICACIONES.
1.3 DETERMINACION DE LA CAPACIDAD DEL CAZO.
1.4 CARGA UTIL DEL CAZO.
1.5 FUERZA DE PLEGADO Y ATAQUE.
1.6 SELECCIÓN DEL CAZO SEGÚN LA FUERZA DE PLEGADO Y ATAQUE.
1.7 ACOPLES RAPIDOS.
1.8 DESGARRAMIENTOS Y CARGA EN CANTERAS.
2 BIBLIOGRAFIA
Fecha
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Autor
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Observaciones
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19/01/2017
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Ing. Juan Carlos Miranda Rios
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Documento Base
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Rev.01
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08/03/2017
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Ing. Juan Carlos Miranda Rios
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Se complementa la parte de selección de excavadoras
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Rev.02
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07/4/2017
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Ing. Juan Carlos Miranda Rios
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Se divide en 2 secciones el capítulo y se
incremente el tema de desgarradores
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MAQUINAS MINERAS MOVILES
1 MAQUINAS DE CARGUIO SIN ACARREO
1.1 OPERACIONES BASICAS
En lo relativo a la forma de operar los equipos, en la figura siguiente se muestran los perfiles de excavación de una unidad frontal y otra retro.
En la versión frontal la excavadora y el volquete están en un mismo plano de trabajo, siendo éste el sistema habitual para la extracción de roca fragmentada previamente con explosivos y de arranque directo en algunos casos.
EI tiempo de ciclo es más pequeño y, por tanto, el máximo rendimiento, se consigue cuando el ángulo de giro y la elevación es mínima, situación que se produce estando el volquete a un nivel inferior de la excavadora. Además el rápido posicionado del volquete reduce los tiempos muertos de la excavadora.
El equipo retro sólo realiza la excavación por encima de su nivel en la preparación del tajo de carga. Normalmente la unidad excava siempre por debajo del nivel de orugas, pudiendo situarse el volquete en el nivel inferior o en el mismo que la excavadora.
Siempre que sea posible es preferible el primer sistema, que proporciona ciclos de carga más cortos, siendo el segundo obligado cuando el nivel inferior es impracticable debido a materiales blandos, presencia de agua, etc..
Un método para aumentar la productividad del equipo de carga, reduciendo los tiempos de espera de este, consiste en el empleo de dos volquetes por excavadora pudiendo situarse a ambos lados o uno en el nivel superior y otro en el inferior.
1.2 APLICACIONES
Las excavadoras hidráulicas se utilizan en el arranque y carga de materiales rocosos de recubrimiento y de los minerales en explotaciones con bancos de altura generalmente inferior a los 15 m.
Los equipos mayores en versión frontal son unidades alternativas a las excavadoras de cables y tienen cada día una mayor implantación. Trabajan conjuntamente con volquetes y, en ocasiones, con trituradoras móviles descargando el material sobre tolvas.
Las unidades más pequeñas, además de utilizarse como equipos de producción en algunos casos, son capaces de realizar diferentes operaciones auxiliares, como apertura de rampas, excavación de zanjas y cunetas, etc.
En la tabla siguiente se determina el tamaño del cazo en función del tipo de material y de la producción prevista.
Donde PL es la producción en m3/h
Para determinar la capacidad del cazo, en función a sus características geométricas, utilizaremos lo definido mediante la norma SAE Standart J296. En este sentido tendremos:
El propósito de esta norma SAE Standart J296 es proporcionar un método uniforme para determinar la capacidad nominal para diferentes tipos de cazos, según su forma y dimensiones. Los cálculos se basan en las dimensiones del cazo solamente, sin el uso de cuchillas laterales opcionales, protectoras contra derrames, dientes u otros accesorios, sin tener en cuenta la acción del cazo proporcionada por cualquier máquina específica.
La Capacidad del Cazo (Bucket Capacity) (Vh) es el volumen máximo de material que puede ser acomodado dentro del cazo. La capacidad del cazo, puede ser calculada bajo dos parámetros:
Capacidad al ras (Struck capacity) (VS) – Capacidad al ras.- Es el volumen que contiene un cucharón cuando una vez lleno en exceso se le pasa un rasero de tal forma que toque el borde de la cuchilla y la parte trasera del cucharón (Strike plan).
Capacidad colmada (Heaped capacity) (VH) – Es la contenida en un cucharón lleno al ras más la cantidad adicional que se puede acumular manteniendo un ángulo de taludes del colmo 1:1 estando la superficie al ras paralela al suelo.
Como se podrá apreciar, de la figura anterior, tenemos que la capacidad colmada es igual a:
Donde Ve es el material en exceso ubicado sobre la superficie de ras y posee un ángulo de reposo con una relación 1:1
La Capacidad al Ras (VS) puede ser calcula mediante la siguiente expresión:
La Capacidad al Ras (VS) puede ser calcula mediante la siguiente expresión:
Y el material en exceso (Ve) por:
Donde la descripción de cada uno de los términos utilizados en las ecuaciones anteriores se muestra en la gráfica siguiente:
Generalmente, son los fabricantes los que proporcionan información acerca de la capacidad de los cazos, dentro de las especificaciones técnicas de los equipos. Pero en caso de no contar con esta información, necesariamente se tendrá que recurrir al procedimiento anterior para determinar el volumen máximo de material que puede cargar el cazo.
John Deere ofrece el siguiente grafico para la selección
de la capacidad del cazo (cucharon), según la longitud del brazo y la densidad
del material a tratar.
1.4 CARGA UTIL DEL CAZO
1.5 FUERZA DE PLEGADO Y ATAQUE
En una excavadora, la carga útil del cazo (la cantidad de mterial del cazo en cada ciclo de excavación) depende del tamaño y forma del cazo, de la fuerza de plegado y de ciertas características del suelo, tales como el factor de llenado de ese tipo de tierra. Se indican a continuación los factores de llenado de diversos materiales.
La penetración del cazo en un material se logra mediante la fuerza de plegado del cazo (FB) y la fuerza de ataque del brazo (FS). Las fuerzas de excavación nominales son las fuerzas máximas que se pueden ejercer en el punto de corte más alejado. Se pueden calcular estas fuerzas aplicando presión hidráulica de alivio al(los) cilindro(s) que proporciona(n) la fuerza de excavación. Las fuerzas de excavación que se indican generalmente cumplen con las normas SAE J1179. Estos valores no se pueden comparar directamente con valores obtenidos por otro método que no sea el descrito a continuación.
La fuerza radial máxima del diente debido al cilindro del cazo (fuerza de plegado del cucharón) es la fuerza de excavación generada por los cilindros del cazo y tangente al arco de radio D1. El cazo debe ser posicionado para obtener el máximo momento de los cilindros del cazo y de los varillajes. Al hacer los cálculos, se produce la máxima fuerza radial FB cuando el factor Brazo A por el Brazo C dividido por Brazo B alcanza su valor máximo.
La fuerza radial máxima del diente debido al cilindro del brazo (fuerza de ataque del brazo) es la fuerza de excavación generada por los cilindros del brazo y tangente al arco de radio F. El brazo debe estar posicionado para obtener el máximo momento producción del cilindro del brazo y del cazo posicionado como se describe en la clasificación de fuerza del cazo. Al hacer los cálculos, la máxima fuerza FS se produce cuando el sentido de trabajo del eje del cilindro del brazo en la dirección de trabajo es perpendicular a la línea que une el pasador del cilindro del brazo y el pasador de la nariz de la pluma.
1.6 SELECCION DEL CAZO SEGUN LA FUERZA DE PLEGADO Y ATAQUE
La combinación de la fuerza de ataque del brazo y la fuerza de plegado del cazo proporcionan a esta configuración de máquina una fuerza más eficaz de penetración de cazo por milímetro de cuchilla que con cualquier otro tipo de máquina como cargadores de ruedas o de cadenas.
Debido a la alta fuerza de penetración, es fácil cargar el cazo de una excavadora. Además, la mayor fuerza de desprendimiento permite ampliar el campo de utilización económica de una excavadora y usarla ahora, sin voladura previa, en suelos más duros (coral, caliche, pizarra, piedra caliza).
Para obtener el máximo provecho de las altas fuerzas de penetración de una excavadora, se deben elegir cazos adecuados a las condiciones del terreno en que se van a usar. Los dos factores de importancia que deben considerarse son el ancho del cazo y el radio de plegado.
Como regla general, se usan cazos anchos en terrenos fáciles de excavar y cazos estrechos en terrenos duros.
Al elegir cazos para trabajo en suelos duros y rocosos, considere también el radio de plegado. Como los cazos con menor radio de plegado proporcionan mayor fuerza de plegado del cazo que los que tienen mayor radio de plegado, suele ser más fácil cargarlos. Una buena regla empírica al elegir un cazo para terreno duro es seleccionar el cazo más estrecho que tenga un radio de plegado corto.
Al seleccionar cazos, considere también factores como el ancho del fondo de la zanja, el tamaño de las cajas de protección o la necesidad de conservar el material adecuado para el fondo de la zanja.
1.7 ACOPLES RAPIDOS
Los acopladores rápidos pueden aumentar la versatilidad y la productividad de una máquina. Gracias a ellos, es más fácil cambiar los accesorios y se aumenta el tiempo de utilización de la máquina. Con su uso se estimula el cambio del cazo cuando se cambia de aplicación, en lugar de seguir usando un cazo menos eficiente. Ejemplo: Consideremos una aplicación en la que la máquina encuentra principalmente tierra, con cavidades o vetas ocasionales de rocas. Si no se usa un acoplador rápido, el propietario puede decidir utilizar un cazo para rocas a pesar de que esos cazos son normalmente más pequeños y pesados, lo que reduce su rendimiento cuando se trabaja con tierra.
Si se tiene un acoplador rápido, se puede utilizar un cazo para rocas cuando la máquina encuentra rocas y un cazo de uso general cuando se trabaja en la tierra.
Generalmente se ofrece dos tipos principales de acopladores rápidos:
El primero es de tipo de gancho exclusivo. Este sistema pone ganchos en el cazo en lugar de las bisagras empernadas que se utilizan en los cazos convencionales. La porción acoplada se sujeta con pasadores al varillaje del brazo y del cazo. Se desliza en los ganchos para sujetar el cazo o cualquier otro accesorio.
Ventajas:
El radio de plegado del cazo (la distancia desde el punto de pivote del cazo hasta la punta del cazo) no aumenta. Cuando el radio de plegado aumenta, se reducen las fuerzas de plegado y del brazo, lo que puede reducir la capacidad de carga del cazo. El acoplador de tipo gancho no añade tampoco un peso apreciable en el extremo del brazo. Al conservar el radio de plegado y el peso, se mantiene el rendimiento. Se puede diseñar la porción del acoplador rápido de tipo gancho que va en la máquina de forma que más de un tipo de máquina pueda usar los mismos cazos.
Desventajas:
El sistema de gancho necesita el uso de cazos especiales. No se pueden usar los cazos con pasadores convencionales. La capacidad de utilizar los cazos en más de una máquina requiere un análisis cuidadoso de la aplicación. Las máquinas más grandes generan fuerzas que pueden destruir los cazos, si no son los apropiados, Las máquinas más pequeñas utilizando cazos inapropiados pueden desarrollar cargas que sobrepasen la capacidad de la máquina. Incluso si la máquina puede soportar la carga, el radio de plegado del cazo puede ser demasiado grande para que el cazo pueda cargarse de forma apropiada.
Con la flexibilidad que proporciona un acoplador rápido, es necesario asegurarse de usar el cazo o el accesorio del tamaño correcto para cada aplicación.
El segundo tipo de acoplador rápido es del tipo sujetapasador. Este dispositivo se sujeta con pasadores al varillaje del brazo y del cazo y se engancha a los pasadores estándar del cazo.
La ventaja del sujetapasador es que se usa con cucharones estándar. No es necesario comprar nuevos accesorios.
Desventajas:
El sujetapasador se monta entre el brazo y el cucharón, lo que aumenta el radio de plegado. La cantidad aumentada depende del fabricante del sujetapasador. El aumento del radio de plegado puede reducir el rendimiento al reducir las fuerzas del cucharón. Además, el acoplador añade peso y reduce la capacidad de carga útil.
Los sujetapasadores deben corresponderse con los pasadores de los cucharones existentes. Máquinas diferentes necesitan una separación distinta entre los pasadores lo que implica que es muy raro que pueden utilizarse con cucharones diseñados para otras máquinas.
Ambos tipos de acoplador rápido ofrecen activación desde la cabina, lo que permite el cambio de un accesorio en menos de 30 segundos.
Los acopladores con sujetapasador permiten cambiar las herramientas rápidamente, lo que mejora la producción total y aumenta la versatilidad de la máquina. Un acoplador se instala en su posición en el cucharón con pasadores estándar y se puede quitar fácilmente si es necesario montar una herramienta directamente en el brazo.
1.8 DESGARRAMIENTO Y CARGA EN CANTERAS
El
concepto de “Desgarramiento y Carga” incluye una excavadora de gran volumen
equipada con un acoplador rápido hidráulico, un cucharón para rocas y un
vástago de desgarrador. El diente de desgarrador se usa para romper la
formación rocosa in-situ, después de lo cual la misma excavadora cambia de
accesorio al cucharón para cargar las rocas.
Este
sistema se usa en lugares en los que las consideraciones económicas, ambientales
o legales prohíben o restringen el uso de explosivos. En estas situaciones y
dependiendo de las condiciones geológicas, el desgarramiento reduce la cantidad
de explosivos necesaria o reemplaza el uso de explosivos totalmente.
Ventajas:
- Reducción o eliminación de los costos de tronadura.
- Reducción de los riesgos contra la seguridad.
- Menor impacto ambiental (menos ruido y vibraciones).
- Menor exposición a las lluvias, lo que disminuye los daños causados por agua.
- Menos desperdicio (reducción de hasta 35%).
- Disminución del agrietamiento interno, lo que resulta en un producto de mayor calidad.
- Las zonas de trabajo pueden estar más cerca de las infraestructuras existentes.
- Menos máquinas y menos personal.
- Mayor versatilidad con el acoplador rápido (diferentes cucharones, martillos).
- Costo más bajo por tonelada.
COMPARACIÓN
DE FACILIDAD DE DESGARRAMIENTO ENTRE EXCAVADORAS Y TRACTORES
La
técnica para desgarrar con la excavadora es diferente de la que se utiliza con
un tractor de cadenas. El tractor de cadenas arrastra el desgarrador a través
de la masa rocosa a una velocidad constante, mientras que la excavadora usa la
fuerza del brazo y la fuerza de plegado del cazo para arrancar el material de
una superficie horizontal o vertical. La visibilidad hacia adelante en la
excavadora permite que el operador posicione los dientes del desgarrador y
ataque puntos de discontinuidad geológica con el fin de facilitar el proceso de
desgarramiento.
En
el proceso de desgarramiento y carga, el desgarrador se usa típicamente entre
15% y 20% del tiempo preparando el material. El tiempo necesario para cambiar
de accesorio, cuando se usa el acoplador rápido hidráulico está entre el 2% y
el 6%, lo que es una cifra insignificante. El resto del tiempo se usa para
cargar.
El
proceso de desgarramiento mejora la penetración del cazo con lo que se aumenta
la vida útil del cazo.
2 BIBLIOGRAFIA
- Curso de Laboreo II y Explosivos – Universidad Politécnica de Madrid – Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas – Catedra de Laboreo de Minas - Prof. D. Fernando Plá Ortiz de Urbina, D. Juan Herrera Herbert y D. Victor Manuel Lopéz Aburto
- Manual de Arranque, Carga y Transporte en Mineria a Cielo Abierto – Instituto Tecnológico Geominero de España
- file:///C:/Users/DELL/Downloads/hex-bucket-es.pdf
- http://www.cwsindustries.com/images/pdf/techdata/rating_hex_bucket.pdf
- http://shodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/8593/16/16_chapter_7_digging%20force%20calculations.pdf
- DIS-MIN-MMM-02-02
- SME Mining Reference Handbook – Raymond L. Lowrie P.E.
- Manual de Rendimiento Caterpillar 41
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