EXCAVADORA HIDRAULICA IV

Título:	MAQUINAS MINERAS MOVILES
Subtítulo	MAQ. DE CARGUIO SIN ACARREO
Fecha de realización:	08/03/2017
Grupo:	DISEÑO Y SELECCION DE MAQUINAS
Tema:	EXCAVADORA HIDRAULICA
Código:	DIS-MIN-MMM-03-04

INDICE

1 MAQUINAS DE CARGUIO SIN ACARREO.
1.1 CAPACIDAD DE LA VOLQUETA.
1.2 PESO.
1.3 POTENCIA.
1.4 PRODUCCION POR CICLO.
1.5 TIEMPO DE CICLO.
1.6 EFICIENCIA OPERATIVA.
1.7 FACTOR DE POSICIONAMIENTO.
1.8 PRODUCCION EN APERTURA DE ZANJAS.
1.8.1 CALCULO DEL TAMAÑO DEL CUCHARON.
1.9 CONSIDERACIONES DE SELECCIÓN.

1.10 TIPO DE MATERIAL.
1.11 VENTAJAS DESVENTAJAS EXCAVADORAS HIDRAULICA VS DE CABLES.
2 BIBLIOGRAFIA

	Fecha	Autor	Observaciones
	19/01/2017	Ing. Juan Carlos Miranda Rios	Documento Base
Rev.01	08/03/2017	Ing. Juan Carlos Miranda Rios	Se complementa la parte de selección de excavadoras
Rev.02	07/04/2017	Ing. Juan Carlos Miranda Rios	Se divide el capítulo en 2 secciones y se incluye el punto de excavación de zanjas

MAQUINAS MINERAS MOVILES 

1 MAQUINAS DE CARGUIO SIN ACARREO

1.1 CAPACIDAD DE LA VOLQUETA

Se supone que la excavadora carga la volqueta en un número de ciclos comprendido entre 3 y 5, en la tabla siguiente se indica el rango de capacidades de las volquetas en función del tamaño de las excavadoras. 

1.2 PESO

El peso de la excavadora puede definirse a partir del tamaño del cazo "C_b". 

Donde C_b esta dado en m3 

1.3 POTENCIA 

La potencia total instalada se estima a partir del tamaño del cazo "C_b". 

Donde C_b esta dado en m3 

1.4 PRODUCCION POR CICLO

Hay varias maneras de expresar la producción por ciclo, en minería la más común viene expresado por la siguiente ecuación:

Donde:

            P_L = Carga de producción [BCM/h; BCY/h]

            3600 = Segundos en una hora (seg/h)

            C_b = Capacidad nominal del cazo [LCM; LCY]

            F_W = Factor de esponjamiento

            E = Eficiencia operativa

            FF = Factor de llenado

PT = Factor de posicionamiento

            T_CL = Tiempo de ciclo por carga [seg]

            OT = Otros que se considere relevantes

En las cuales se entiende:

·         LCM = loose cubic meter (metros cúbicos sueltos)

·         LCY = loose cubic yard (yardas cubicas sueltas)

·         BCM = bank cubic meter (metros cúbicos en banco)

·         BCY = bank cubic yard (yardas cúbicas en banco)

Está claro que la capacidad  por ciclo calculado debe ser comparada con la capacidad nominal del cazo. Si es menor o mayor que la nominal, se deben realizar ajustes en:

• Capacidad del cazo
• Patrones de voladura (para mejorar la fragmentación)

La carga de producción en función al peso, tendrá la siguiente expresión:

Donde:

            T_L = Carga de producción en banco [Ton/h; Ton cortas/h]

            W_L = Peso específico del material en banco [Ton/m³; Ton cortas/yd³]

1.5 TIEMPO DE CICLO

El ciclo de excavación de la excavadora consta de cuatro partes:

• Carga del cazo
• Descarga del cazo
• Giro con carga
• Giro sin carga

El tiempo total del ciclo de la excavadora depende del tamaño de la máquina (las máquinas pequeñas tienen ciclos más rápidos que las máquinas grandes) y de las condiciones de la obra. Cuando las condiciones de trabajo son excelentes, los ciclos de la excavadora son más rápidos. A medida que las condiciones de trabajo se hacen más exigentes (excavación más difícil, zanjas más profundas, más obstáculos, etc.), la excavadora trabaja más lentamente. 

A medida que la zanja se hace más profunda y la pila del material que se saca crece, el cazo tiene que viajar más lejos y la superestructura tiene que hacer mayores giros con cada ciclo de trabajo. A medida que la zanja se hace más profunda y la pila del material extraído crece, el cazo tiene que desplazarse más y la superestructura tiene que hacer más giros en cada ciclo de excavación.

La pila del material extraído o la ubicación del camión también afectan el tiempo de ciclo. Si el camión se estaciona en el área de excavación inmediatamente contigua a la pila del material, es posible obtener ciclos de 10 a 17 segundos. El extremo opuesto sería con el camión o la pila de material por encima del nivel de la excavadora, a 180° del punto de excavación.

Las tablas para calcular el tiempo de ciclo, son elaboradas e independientes para cada marca y modelo y muestran la gama de tiempos totales de ciclo que se pueden esperar tanto en condiciones de trabajo excelentes como en condiciones de trabajo exigentes. Muchos factores afectan la rapidez con que puede trabajar la excavadora. Las tablas definen la gama de tiempo de los ciclos que se experimentan frecuentemente con cierta máquina y proporcionan una guía en la decisión de qué trabajo es “fácil’’ y cuál es “difícil’’. Se pueden entonces evaluar las condiciones de la obra y usar las tablas de los fabricantes para Calcular el Tiempo de Ciclo para seleccionar la gama apropiada de trabajo.

En la siguiente tabla, procedente de CAT, se indican los tiempos típicos de ciclo obtenidos con excavadoras Caterpillar, con las siguientes consideraciones:

• sin obstáculos en la ruta de circulación
• condiciones de trabajo más que favorables
• un operador con habilidad normal
• ángulo de giro de 60° a 90°

Estos ciclos se reducen al mejorar las condiciones del trabajo o la habilidad del operador, y aumentan si las condiciones se tornan desfavorables.

En caso de no contar con los datos de operación de la máquina, la siguiente tabla puede servir para realizar un análisis preliminar, pero después se tendrá que verificar con las características y tiempo de las fases de trabajo de la máquina seleccionada.

Se muestran tiempos para diferentes volúmenes de cazo y condiciones de excavación. Estos valores son aplicables para ángulos de giro de 90° y una profundidad óptima de excavación.

E (Excavación fácil) = material libre suelto (por ejemplo, arena, grava pequeña, tierra suelta, cenizas, carbón bituminoso).

M (excavación media) = materiales parcialmente consolidados (por ejemplo, grava arcillosa, tierra compactada, arcilla, carbón antracita).

M-H (excavación difícil) = materiales que requieren preparación ligera previa del terreno (por ejemplo, roca más débil, grava con piedras, arcilla pesada).

H (excavación muy dificil) = materiales que requieren preparación completa previa del terreno (por ejemplo, roca dura y competente).

Cuando el ángulo de giro es diferente a 90°, la profundidad de excavación no es la óptima  y se toma en consideración la experiencia del operador y las condiciones de trabajo, es necesario realizar correcciones al tiempo por ciclo determinado utilizando la siguiente ecuación:

Donde:

C_S es el factor de corrección por ángulo de giro.

C_BH es el factor de corrección por profundidad de excavación.

Para ángulos de giro menor a 90 grados, el tiempo requerido por ciclo es por consecuencia menor, mientras que para ángulos mayores a 90 será superior. La modificación en los tiempos de ciclo puede ser estimada utilizando un factor de corrección, el cual se da en la siguiente tabla:

Un segundo factor de modificación del tiempo de ciclo concierne a la distancia vertical (profundidad de corte y altura de corte) a través de la cual el cazo debe moverse para poder llenarse hasta su capacidad.

Al excavar en profundidades de banco inferiores al ideal, los tiempos de ciclo deben multiplicarse por un factor de corrección (C_BH). Los valores apropiados se dan en la tabla siguiente:

1.6 EFICIENCIA OPERATIVA

Cuando examinamos la duración de un ciclo de una excavadora, es importante distinguir entre la duración del ciclo real y el aparente. El tiempo de ciclo aparente corresponde al tiempo efectivamente utilizado durante el proceso de carga, rotación, descarga y posicionamiento para reanudar el ciclo.

Por otra parte, el ciclo real considera los tiempo muertos que suceden entre cada ciclo aparente.

El tiempo de ciclo aparente siempre será menor que el tiempo de ciclo real y se debe principalmente a los siguientes factores:

• Disponibilidad mecánica
• Habilidad del operador
• Cambio de posición entre puntos de carga
• Viaje desde o hacia el punto de trabajo
• Hora de almuerzo
• Tiempos de espera
• Tiempo perdido debido a condiciones climáticas adversas

De acuerdo con lo anterior, definimos la disponibilidad mecánica (M_A) como la siguiente relación:

El tiempo disponible (T_A) se define como:

El factor de utilización U_A se define como:

El factor de eficiencia de operación (E) es el producto de la disponibilidad mecánica y el factor de utilización:

La siguiente tabla correlaciona estos dos variables y determina los factores de eficiencia operativa para diferentes condiciones de trabajo y operación.

1.7 FACTOR DE POSICIONAMIENTO

PT representa el factor de posicionamiento que representa el tiempo que se gasta en posicionar la máquina y se da en la siguiente tabla para diferentes tipos de operación.

1.8 PRODUCCION EN LA APERTURA DE ZANJAS

Cuando se abren zanjas con excavadora, una forma lógica de indicar la producción es con la tasa de excavación expresada en metros o pies lineales por hora o por día. La producción al abrir zanjas depende del rendimiento en movimiento de tierra con la excavadora que se use, y de las dimensiones de la zanja. La producción en movimiento de tierra se convierte del modo siguiente a producción de zanjas:

Para máquinas utilizadas sólo en apertura de zanjas, la gráfica de conversión de apertura de zanjas proporciona un modo fácil de convertir m3 (yd3) por hora a metros (pie lineal) por hora cuando se conocen la tasa de excavación m3/h (yd3/h) y el volumen de la zanja en m3/m (yd3/pie). Los ejemplos que siguen muestran la forma de usar dicha tabla de conversión.

1.8.1 CALCULO DEL TAMAÑO DEL CUCHARON

Además de los cálculos para los trabajos en zanjas comentados en las páginas anteriores, otro método para calcular la producción de zanjas es mediante los nomogramas. En las páginas siguientes se muestra un nomograma que se puede utilizar para calcular el tamaño del cucharón según las dimensiones de la zanja y la tasa de producción lineal. El método de nomograma es más rápido y más fácil que el del ejemplo anterior, porque no requiere tantos cálculos y la precisión está dentro de los límites normales.

Tenga cuidado al tomar información de los nomogramas porque algunas de las escalas aumentan de abajo hacia arriba, mientras que otras lo hacen a la inversa. No se preocupe demasiado por el efecto sobre la exactitud del grosor de las líneas ni por la aproximación a centésimas de un m3 (yd3). Recuerde que el factor de llenado del cucharón, la densidad del material y el tiempo de ciclo son sólo cálculos aproximados.

NOTA: Asegúrese de que el ancho del cazo no excede el ancho mínimo de la zanja y que el peso del cazo y de la carga útil no exceden la capacidad del peso en orden de trabajo de la máquina (vea la tabla de capacidades en las tablas del fabricante).

1.9 CONSIDERACIONES DE SELECCIÓN

Una vez definidas las características básicas de la máquina: peso, potencia y tamaño del cucharon, así como el tipo de equipo más adecuado a las necesidades del trabajo a realizar, se pasa a la petición de ofertas técnico-económicas a los fabricantes o distribuidores principales.

Con la documentación recibida se efectúa un cuadro resumen que permite evaluar las diferencias entre los diversos modelos.

A continuación se mencionan los componentes principales a contemplar en un estudio detallado de composición de equipos alternativos. 

• Chasis. 
• Tren de rodaje. 
• Corona de giro. 
• Sistema hidráulico. Accionamiento. 
• Equipo de trabajo. Diseño del cucharon. 
• Estimación de la producción. 

Chasis

El chasis es uno de los puntos más importantes de la máquina, al tener que soportar y transmitir al suelo los grandes esfuerzos que se originan durante la ex­cavación.

Se estudiarán y compararán las siguientes carac­terísticas: 

• Robustez. 
• Peso. 
• Dimensiones. 
• Luz desde el suelo. 
• Anclaje y apoyo a los carros. 
• Relación del peso del chasis y del rodaje respecto al peso total de la máquina. 

Tren de rodaje

En la máquina de orugas los elementos a estudiar son los siguientes:

•   Longitud y anchura de las orugas. 
• Tipo de zapatas. 
• Diámetro de las ruedas guía y motriz. 
• Número de rodillos superiores e inferiores y diáme­tro de los mismos. 
• Potencia de los motores de tracción. 
• Tracción disponible. 
• Velocidad de traslación máxima. 
• Presión sobre el suelo. 
• Pendiente remontable. 

Corona de giro

Existen dos diseños: cerrada, con dientes interiores, y abierta, con dientes exteriores. La primera alternativa tiene como ventaja que se encuentra protegida contra el polvo y el barro, y la segunda dispone de dientes mayores y puede observarse el correcto funcionamiento del engrase. 

Deben analizarse los siguientes puntos. 

• Velocidad de giro. 
• Par y caudal hidráulico de la bomba de giro. 
• Tipo de rodamiento de la corona. 
• Sistema de engrase. 
• Posición del piñón de ataque a la corona. 

Sistema hidráulico y accionamiento

Según los fabricantes, se pueden utilizar en el circuito de giro sistemas cerrados o abiertos, que se describen a continuación: 

A) Sistema cerrado

Está compuesto por:

• La bomba de giro. 
• El motor de giro. 
• Las válvulas de sobrepresión. 

B) Sistema abierto

El sistema abierto comprende los siguientes componentes: 

• La bomba de giro. 
• El distribuidor. 
• El motor de giro. 
• El depósito hidráulico, y 
• La válvula de sobrepresión. 

El sistema abierto conduce a una disminución de la temperatura del aceite, debido al mayor caudal de fluido que circula.

La diferencia o una de ellas es que con el circuido cerrado se dispone de toda la presión y caudal inmediatamente tras estar arrancado el tractor y el circuito abierto va generando presión más paulatinamente.

Otros aspectos que deben estudiarse son:

• El número de bombas, caudal y velocidad de rotación. 
• El número de circuitos y accionamientos simultá­neos. 
• La presión de trabajo. 
• La capacidad del depósito. 
• El caudal total del circuito. 
• El sistema de regulación. 

El accionamiento puede ser diésel o eléctrico, siendo el primero normal en las unidades pequeñas y medianas y el segundo utilizado en las grandes unidades emplea­das en minas y canteras. 

Los puntos relacionados con el accionamiento que se deben analizar son:

• Número de motores. 
• Potencia disponible al régimen de vueltas de trabajo. 
• Capacidad del depósito de combustible y de trabajo sin repostar. 
• Relación entre la potencia disponible y el peso en operación. 

Equipo de trabajo. Diseño del cazo

En este apartado se tienen que estudiar los siguientes aspectos:

• La cinemática del equipo frontal. 
• El recorrido horizontal del cazo. 
• El alcance máximo, y 
• La altura de descarga. 

Además, hay que tener en cuenta la fuerza de excavación, el empuje y la variación de dicha fuerza según el avance.

En cuanto al cazo, los factores que hay que estudiar son:

• La relación anchura del cazo/volumen. 
• La distancia entre la punta del diente y el eje de giro. 
• El ángulo de vuelco. 
• El peso del cazo, y 
• Las protecciones antidesgaste. 

Especial atención hay que prestar al tipo de diente y portadiente utilizados.

1.10 TIPO DE MATERIAL

Aunque los equipos frontales disponen de mayores fuerzas de penetración y de excavación, debido a una cinemática más favorable, la aplicación de estas fuerzas se ve limitada por el agarre de la máquina al terreno. 

Con el equipo retro la máquina penetra en el material y sube el equipo mediante los cilindros de la pluma sin que se vea afectada la estabilidad de la máquina, por lo que es capaz de arrancar materiales más compactos que el equipo frontal. 

La tabla siguiente sirve para la selección previa del equipo idóneo en función del tipo de trabajo.

1.11 VENTAJAS DESVENTAJAS EXCAVADORAS HIDRAULICA VS DE CABLES

La siguiente tabla, resume las ventajas y desventajas que tiene cada tipo de máquina excavadora con respecto a su par. 

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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