PALA CARGADORA I

Título:	EQUIPOS MOVILES
Subtítulo	PALAS CARGADORAS I
Fecha de realización:	31/03/2017
Grupo:	DISEÑO Y SELECCION DE MAQUINAS
Tema:	MAQUINAS MINERAS
Código:	DIS-MIN-EMO-05-01

INDICE
1 EQUIPOS DE CARGUIO CON ACARREO MINIMO.
1.1 PALAS CARGADORAS.
1.1.1 BASTIDOR.
1.1.2 SISTEMA DE POTENCIA Y TREN DE RODAJE.
1.1.3 OTROS COMPONENTES.
1.1.4 EQUIPOS DE TRABAJO.
2 BIBLIOGRAFIA

	Fecha	Autor	Observaciones
	31/03/2017	Ing. Juan Carlos Miranda Rios	Documento Base
Rev.01
Rev.02

EQUIPOS MOVILES

1 EQUIPOS DE CARGUIO CON ACARREO MINIMO

1.1 PALAS CARGADORAS

Los cargadores frontales ofrecen una alternativa al uso de palas eléctricas o hidráulicas. Presentan grandes ventajas, tales como su mayor movilidad y la posibilidad de manejar grandes volúmenes de material (los más grandes superan las 50 yd3). Estos equipos deben maniobrar para descargar en el camión y para acceder a la frente de trabajo, a diferencia de las palas con base fija, que rotan en torno a sí misma. Los cargadores permiten mayor flexibilidad en la producción pues pueden desplazarse con relativa facilidad y rapidez de una frente de trabajo a otro. Óptimamente, sin embargo, el acarreo debe ser mínimo. Se utilizan en mediana y gran minería, tanto para minerales industriales como metálicos.

Las palas cargadoras son unidades que operan sobre neumáticos o también sobre cadenas, dotadas de un cucharón en su parte delantera y articuladas en su centro de giro (tracción por ruedas). Son equipos muy móviles, versátiles y utilizados en las funciones de carga y transporte fundamentalmente, tanto en las obras públicas como en la minería de cielo abierto y de interior, usando en este último caso un bajo perfil y un equipo de captación de gases.

Existen en el mercado distintos fabricantes, con una gama muy amplia de capacidades de cucharon y potencias en las palas cargadoras frontales destinadas a las diferentes tareas por realizar y con características que se adaptan para cada tipo de material a excavar. Las capacidades de cucharón, varían desde 2 hasta 18.3 m3, una referencia se proporciona en la siguiente tabla.

Las características generales de diseño son:

• Chasis articulado (en modelos de ruedas) 
• Accionamiento diésel, o diésel-eléctrico y potencias de hasta unos 1.000 KW. Actualmente han aparecido grandes modelos de unos 2000 HP, como la CAT-994 
• Cubas con capacidades entre los 2 y 20 metros cúbicos 

Compiten con las excavadoras de cables e hidráulicas en base a su mayor rapidez, movilidad y por su gran versatilidad, aunque su capacidad de arranque o penetración es más limitada, utilizándose en las formaciones menos consolidadas o pilas de material suelto, pero en el caso de carga de material volado requieren la ayuda de un tractor empujador, para suplir su debilidad estructural para arrancar, ya que básicamente son cargadoras.

Su capacidad de arranque depende fundamentalmente de la velocidad con que se desplaza la máquina, del diseño de la cinemática del equipo de carga y de las dimensiones del cucharon, todo lo cual conlleva un mayor consumo energético por unidad producida.

En general no tienen otro inconveniente que su debilidad de arranque y un mayor coste por tonelada cargada con relación a las excavadoras por su mayor consumo energético y de neumáticos, pero con la ventaja de una menor inversión de capital a costa de una menor vida util. 

Aun cuando se introdujeron hace unos cuarenta años en la minería a cielo abierto han logrado poco a poco entrar también la minería subterránea con alguna modificación de perfil y con captación catalítica de los gases de escape, al tiempo que requieren una ventilación mayor en el tajo.

De acuerdo con la capacidad de la cuchara, se establecen tres categorías de palas cargadoras:

Las palas cargadoras sobre orugas se construyen dentro de la Categoría I, utilizándose fundamentalmente como maquinaria auxiliar y como cargadora en situaciones favorables.

Las cargadoras de ruedas han seguido en su evolución al tamaño de los volquetes. Mientras que las máquinas de la Categoría II se emplean fundamentalmente como unidades de carga asociadas al arranque mediante tractores y con volquetes, comprendidos entre las 35 y 50 t, —que es la gama más utilizada en los movimientos de tierra de obra pública— los equipos de la categoría III, que pueden llegar a tener cucharas de hasta 25 m3, se utilizan sólo en los grandes proyectos y, fundamentalmente, en la minería a cielo abierto, ya que pueden cargar volquetes con capacidades superiores a 85 t. En las explotaciones mineras tienen una doble misión, ya que actúan como máquinas de carga y como equipos auxiliares.

Las cargadoras, en forma general, constan de los siguientes elementos comunes:

• Bastidor. 
• Sistema de potencia. 
• Tren de rodaje. 
• Otros componentes. 
• Órganos de trabajo. 

1.1.1 BASTIDOR.

Como en todas las máquinas constituye la espina dorsal de las cargadoras, debiendo poseer una rigidez tal que no le permita deformaciones en su estructura durante el trabajo de la máquina. Como elemento más diferenciador del resto de los bastidores está la tórrela de los mecanismos de carga.

En las cargadoras sobre ruedas el bastidor puede ser rígido o articulado, mientras que las cargadoras sobre cadenas, cuentan prácticamente con dos bastidores, el bastidor principal y el bastidor de rodillos.

El bastidor generalmente está construido en chapa de acero soldada en sección en caja y con refuerzos en las zonas de máximas solicitaciones.

1.1.2 SISTEMA DE POTENCIA Y TREN DE RODAJE

1.1.2.1 TRANSMISIÓN

Las palas excavadoras utilizan motores diésel como fuente de energía primaria. En estas máquinas se pueden utilizarse dos tipos de transmisión: mecánica o eléctrica.

Transmisión mecánica

Existen tres sistemas de transmisión mecánica:

• Mecanismo de regulación de la velocidad del motor. El motor acciona un convertidor de par convencional. 
• Mecanismo de regulación por modulación de potencia, situado entre el motor y el convertidor de par. La velocidad del motor y de la bomba hidráulica permanece constantes. 
• Mecanismo de regulación variable, con varios convertidores de par. Los convertidores de par regulan la velocidad de traslación manteniendo la velocidad del motor en un régimen constante. 

Transmisión eléctrica

El sistema de transmisión eléctrica dispone de un motor que gira a velocidad constante y que está acoplado a un generador de corriente alterna y a una caja reductora. A estas van conectadas las bombas del circuito hidráulico de elevación y de dirección.

El resto de los componentes principales son: 

• Rectificador de corriente 
• Motores de tracción de corriente continua en cada rueda. 
• Sopladores de refrigeración de motores, circuito hidráulico, generador, filtros de aire, frenos, etc. 
• Ejes planetarios en cada rueda. 
• Frenos de disco accionados hidráulicamente. 

El sistema incluye circuitos integrados para controlar los parámetros de operación, tales como control de tracción de las ruedas para eliminar el deslizamiento y el frenado dinámico, así como los circuitos de iluminación.

Las ventajas del sistema de transmisión eléctrica pueden resumirse en:

• Se elimina la transmisión mecánica y con ello los desgastes de los engranajes y ejes articulados. 
• La transmisión de energía entre el grupo motor y el grupo propulsor a través de cables permite aumentar el ángulo de articulación total hasta 90° (2 x 45°). 
• Menor desgaste de los neumáticos al adaptar automáticamente el par motor a la adherencia del terreno. 
• Frenado más eficiente, pues la energía cinética de la máquina se convierte en los motores de las ruedas en corriente eléctrica y ésta se devuelve en parte al generador (20%) y el resto se disipa en un conjunto de resistencias diseñado a tal fin. El empleo del frenado dinámico reduce el desgaste de los frenos de servicio y suele ser suficiente para parar la máquina en terreno horizontal. 
• El sistema hidráulico de accionamiento de la cuchara está regulado electrónicamente, pudiendo aumentar la velocidad de elevación y descarga. 

Por el contrario, los inconvenientes que presentan este tipo de máquinas son:

• Necesidad de especialistas eléctricos y electrónicos para las reparaciones y el mantenimiento. 
• Mayor número de averías en los motores eléctricos en ambientes de polvo y humedad.

1.1.2.2 SISTEMAS HIDRAULICOS

El circuito hidráulico de una excavadora acciona los cilindros de la cuchara, los cilindros de elevación y los cilindros de la articulación, todos ellos de doble efecto. La circulación del aceite se realiza por la acción de una bomba de Pistones de Caudal Variable, que proporcionan el caudal suficiente a la presión necesaria, para las diferentes operaciones.

La bomba que acciona los cilindros de la articulación debe producir la presión de aceite suficiente para controlar la pala, incluso cuando el motor de la máquina funciona a bajo régimen. Igualmente, cuando se produce la excavación y carga, y el motor se encuentra al régimen máximo, debe existir un exceso en la capacidad del circuito de la articulación para aumentar la del circuito de carga.

Cuando se produce el máximo régimen del motor, un sensor de velocidad manda aceite del circuito de la articulación al circuito principal que acciona el cucharon y el brazo de la máquina. Un sensor de presión controla el caudal en el circuito principal, consiguiéndose la potencia máxima del sistema cuando se empuja en la pila de escombro durante la carga y, cuando la presión baja, al elevar el cucharon mandando aceite al circuito de la articulación para conseguir un ciclo rápido.

1.1.2.3 SISTEMA ELECTRICO

En los Cargadores de ruedas pequeños el sistema eléctrico que tienen, trabaja a una tensión de 12 voltios. Proporcionados por una o dos baterías conectadas en una conexión en PARALELO.

En los cargadores de ruedas medianos y de mayor tamaño (Grandes) el sistema eléctrico trabaja con una tensión de 24 voltios. Proporcionados por dos baterías conectadas en una conexión en SERIE.

1.1.2.4 NEUMATICOS

Se estima que entre un 10% y un 20% de los costes de mantenimiento de una pala cargadora están relacionados con los neumáticos, por lo que debe prestarse una gran atención a este elemento.

Existen tres tipos de neumáticos aplicables a las palas de ruedas:

• De lonas sesgadas. 
• Radiales. 
• Beadless. 

Los neumáticos "Beadless" consisten en un elemento tubular de caucho, con aire o nitrógeno en su interior, al que se adapta mediante una nervadura una banda de tejas.

La ventaja de este tipo de neumáticos son: mayor duración, menor desgaste y mayor estabilidad debido a su mayor anchura.

Por el contrario, los inconvenientes que presentan son: mayor inversión y niveles de ruido, y mayor fatiga del operador por los elementos de rodadura más rugosos.

Los neumáticos de un cargador de ruedas cuando son nuevos se usan sin cámara. Son exclusivamente para máquinas de carga y levantamiento, utiliza neumáticos de tracción. De acuerdo a su modelo y tamaño, los cargadores llevan diferentes medidas de neumáticos, por ejemplo:

• 17.5" x25” 
• 23.5" x 25" 
• 29.5” x 25" 
• 55.5” x 57” 

Donde el primer término (17.5”), es la longitud del ancho de la banda de rodadura y el segundo término (25 ") el diámetro del aro.

Actualmente se recomienda inflar los neumáticos con N2 (Nitrógeno Seco), porque proporciona las siguientes ventajas:

1. No hay peligro de que fomente fuego en el reventón de un neumático caliente. 
2. Conserva en mejor estado el jebe interno de los neumáticos. 
3. Por ser un gas inerte no produce oxidación, por lo tanto facilita el desenllantado.

1.1.2.5 CADENAS

Está formado por dos conjuntos de carros de orugas clásicos de cada uno de ellos, con su bastidor soporte de los rodillos de sustentación de pestaña doble o sencilla, la rueda guía con dispositivo de tensado de la cadena, la rueda cabilla impulsora y los rodillos superiores de soporte de cadena. Las tejas suelen llevar triple garra de altura baja, pues como la máquina tiene que girar continuamente, las garras altas dificultarían la maniobra y sufrirían gran desgaste.

La mayoría de los fabricantes usan los carros del tipo rígido al chasis, con lo que la marcha del vehículo por terreno accidentado es muy incómodo. Otros llevan ballestón o punto oscilante en la parte delantera de los carros, para su unión al chasis. Con ello se atenúan estos inconvenientes. Sin embargo, deben reforzar extraordinariamente los bastidores de los carros para que no se deformen longitudinalmente con los esfuerzos a que continuamente están sometidos en las maniobras de trabajo.

1.1.3 OTROS COMPONENTES

1.1.3.1 CABINA

Las cabinas en las cargadoras han ido avanzando en cuanto a su emplazamiento dentro del chasis, buscando mayores ángulos de viabilidad e incrementando el confort.

La cabina va colocada normalmente encima de la articulación y puede formar parte del cuerpo delantero o trasero.

Las ventajas de la ubicación en el cuerpo delantero son:

• Mejor visión del operador durante la operación. 
• Aislamiento de la cabina de los ruidos y vibraciones producidas por el motor. 

Las ventajas de la situación trasera, que es la más utilizada, son:

• Mayor confortabilidad debido a los giros más pequeños de la parte trasera. 
• Mayor seguridad en la operación. 
• Circuitos hidráulicos y eléctricos más simples. 

De acuerdo a la seguridad que ofrece la cabina, esta puede tener las siguientes configuraciones:

FOPS son las siglas del inglés: Falling Object Protective Structure 'Estructura de protección contra caída de objetos (protección del techo)

ROPS son las siglas del inglés: Roll Over Protective Structure 'Estructura de protección en caso de vuelco' (protección contra vuelcos)

Nunca debe efectuarse modificaciones en la cabina como, por ejemplo, reducciones de la altura del techo, perforaciones, soldaduras en soportes para Instalar un extintor, una antena de radio u otros equipos.

1.1.4 EQUIPOS DE TRABAJO

El equipo de trabajo está constituido por el mecanismo de elevación, el mecanismo de volteo y la cuchara.

El primero de los mecanismos está formado por los brazos de elevación, que son de acero de alta resistencia, están unidos por un puente central que garantiza la solidez del conjunto, y son accionados por cilindros hidráulicos, para subirlos y bajarlos.

En un extremo están unidos al chasis mediante bulones y en el otro va colocado el cucharon, también mediante bulones que actúan de bisagra en el volteo del cucharon.

En cuanto al mecanismo de volteo existen dos configuraciones. Actualmente, la más utilizada es la que se conoce como "Cinemática en Z", que multiplica la fuerza y velocidad de volteo gracias a su mejor geometría. Este mecanismo está accionado por uno o dos cilindros hidráulicos, según los modelos.

Ambos mecanismos definen la trayectoria del cucharon, amplifican las fuerzas ejercidas por los cilindros hidráulicos y actúan sobre el volteo del cucharon en el posicionamiento y en el vaciado. Si el diseño es adecuado, se mejorará el coeficiente de llenado de la cuchara, se disminuirá la presión del fluido en el circuito y se evitarán los calentamientos del aceite.

Los requerimientos básicos son los siguientes:

• Resistencia estructural adecuada. 
• Articulación en línea sellada. 
• Mínimo número de elementos y articulaciones. 
• Peso reducido. 
• Alto grado de giro hacia atrás del cucharon para minimizar los derrames en las maniobras. 
• Elevado giro hacia adelante para descargar el cucharon por completo. 
• Deceleración del cucharon para minimizar impactos al finalizar la descarga. 
• Control de la orientación del cucharon cuando se eleve y se baje. 

Después de llenar la cuchara, el operador debe concentrarse en las maniobras de la máquina y posicionar ésta para descargar. De igual manera, después de descargar el material, debe maniobrar hacia el tajo de carga. Los movimientos del cucharon pueden automatizarse durante los periodos en los que debe reposicionarse para la segunda fase. Esto se consigue con un diseño adecuado del equipo y secuenciando las acciones hidráulicas para, en esencia, completar las acciones iniciadas por el operador.

Estos ciclos automáticos ajustables se denominan: "lift-kick-out”, que detienen la elevación cuando el cucharon alcanza la altura de descarga, "Dump kick-out”, que finalizan la acción cuando el cucharon ha girado hacia delante totalmente, y "Return to dig", para posicionar el cazo en el suelo con el ángulo de excavación deseado.

Tales sistemas reducen los ciclos de trabajo, disminuyen la fatiga del operador y evitan daños a las máquinas.

En cuanto a los cucharones, se diseñan con una anchura algo mayor que la de las máquinas, de forma que al introducirlos en las pilas de escombro no se produzcan daños en los neumáticos. 

Estas anchuras hacen que los cucharones tengan una estructura más débil que los de las excavadoras de cables e hidráulicas, con una relación anchura/volumen más baja. Como además se debe maximizar la carga útil, se deben construir con el menor peso posible. Por esta razón las fuerzas de arranque de las palas de ruedas son mucho menores que en las excavadoras.

1.1.4.1 CUCHARAS DE EXCAVACION Y CARGA

Cuando más ancha es una cuchara menor es su fuerza de arranque y obviamente cuando más grande mayor es la capacidad de carga. Debido a esto, dadas las características de esta máquina fundamentalmente utilizada como máquina de carga, las cucharas son mucho mayores proporcionalmente a las cucharas de las excavadoras. Por otro lado al ser una máquina que se desplaza durante el ciclo de trabajo, las cucharas deben ser más anchas que la pisada de la propia máquina y así poder mantener el suelo libre de piedras y desigualdades.

Además de la capacidad (llega a definir muchas veces a la propia cargadora), el otro factor que define la cuchara es su configuración o forma siendo de diferentes tipos según el trabajo específico que realice. La cuchara convencional puede tener el borde recto o en V para facilitar el arranque. Siendo el tipo más común la cuchara de dientes.

Van montados sobre dos fuertes brazos articulados en los castilletes del chasis y accionados por potentes cilindros hidráulicos.

Los cucharones suelen voltear sobre sus uniones a los brazos y este movimiento está gobernado por uno o dos cilindros hidráulicos montados sobre los brazos.

Hay otros cucharones con movimientos de volteo lateral, y otros de usos múltiples, en los que las mandíbulas y laterales pueden girar sobre la parte superior de la pared que forma el fondo. De esta manera puede utilizarse el fondo como una hoja o pala de empuje y también puede descargarse la pala sin voltearse.

Los cucharones se clasifican en diferentes tipos, según los materiales con que se vaya a trabajar:

Por otro lado, de acuerdo al material que se pretende cargar o mover, se han desarrollado varios tipos de accesorios, los cuales reemplazan al cucharon y son diseñados para aplicaciones muy particulares, según el trabajo a desarrollarse.

De acuerdo a su uso pueden llevar labios antidesgaste y/o llevar dientes.

Especial atención debe prestarse al material de desgaste: portadientes, dientes, cuchillas, labios y cantoneras, existiendo gran variedad de diseños que permiten, además del recambio rápido, la selección más idónea en función del material a cargar.

Asimismo, es necesario reforzar la estructura interior y exterior de los cucharones que se va desgastando y debilitando con el uso.

2 BIBLIOGRAFIA

• Máquinas para movimiento de tierras – Jean Costes 
• Manual de Arranque, Carga y Transporte en Mineria a Cielo Abierto – Instituto Tecnológico Geominero de España 
• Maquinaria de Obras Publicas II – Maquinaria y Equipo – Pedro Barber Lloret 
• Carguio y Transporte – Departamento de Ingeniería de Minas, Facultad de Ingeniería, Universidad de la Serena – Alejandro Cruzat G. 
• https://es.slideshare.net/orosco_catt/manual-de-cargador-frontal-tec-oroscocatt-14185733 

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