Cap.01-Tractores sobre Orugas

BERTUCCIO, Victor R.

MAQUINAS PARA LA CONSTRUCCION CONSTRUCCION

Capitulo I

TRACTORES SOBRE ORUGAS Los autovehiculos destinados a traccionar o empujar distintos tipos de herramientas o accesorios en algunos casos como parte componente de ella o en forma independiente, cubren la gama de los tactores. La tracción animal, como la accionada por el aprovechamiento de la energía del vapor de agua, para tractores, limitaban en fuerza fuerza y sincronismo los primeros y en complejidad, alto peso, poca agilidad de puesta en marcha y gran peso los segundos. El uso de los motores térmicos primero de ciclo Otto ( accionados a nafta o kerosene) y luego los diesel rápidos ha hecho que los tractores tengan una equilibrada relación peso/potencia para que su utilización resulte ventajosa.

El tema de la capacidad de tracción no solo es el motor o la estructura, sino los medios adherentes de rodaje sobre el suelo. suelo. Antiguamente se utilizaba utilizaba la rueda metálica con púas y placas, placas, hasta que se desarrollan las orugas de baja velocidad y alta tracción. Pero las orugas (las de alta tracción) tienen el problema que no desarrollan una velocidad apta para en transporte y requieren obligadamente de algún medio de transporte si deben viajar sobre carretera pavimentada. Que su costo de inversión, explotación y mantenimiento es alto y que ante situaciones de adherencia especiales, como ser suelos congelados , son totalmente inestables. La solución se busco en el uso de neumáticos, similares a los usados en automóviles pero de gran capacidad portante y de diámetro mayor. En algunos casos se usaron como duales o triples para soportar las cargas. Se fueron modelando las bandas de rodaduras a fines de que se adaptasen a la mejor tracción en los distintos terrenos , sin sacrificar la adherencia imprescindible para poder traccionar. El uso de tractores sobre ruedas se generalizo en muchos campos de la actividad industrial, industrial, pero sobre guijarros aguzados su vida era efímera, hasta que aparecen blindajes en forma de mallas metálicas que evitan su corte prematuro, sin disminuir notablemente sus características características originales. También resultan poco efectivos cuando se debe traccionar sobre terrenos con muy poco valor soporte, en esos casos es imprescindible el uso de orugas. No obstante la capacidad de tracción de las orugas suelen ser mucho mayores a las de cualquier neumático en suelos naturales en general. Los tractores viales sobre neumáticos primitivos fueron tractores de uso agrícola adaptados a la nueva tarea. Pero el tractor sobre neumático neumático especifico siempre fue fue de tipo tracción total, con peso equilibrado sobre cada eje.Los tractores sobre orugas, al principio de uso muy extendido, a medida que se mejoran los sobre neumáticos, son paulatinamente reemplazados por estos, pero en algunas tareas resulta imprescindible la tracción por orugas.

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El crecimiento de los tractores en general obedeció a las crecientes nuevas necesidades del mercado y la industria. En el caso particular de los tractores de orugas hubo dos épocas que marcaron muy firmemente el crecimiento de estos en pesos y potencias instaladas; el primero se hace por el surgimiento de las plumas laterales en los denominados tiendetubos por la proliferación de ductos en todo el planeta; la segunda y ultima se debió a la minería de cielo abierto fundamentalmente para reemplazar en parte a los sistemas de voladuras. Los tractores sobre neumáticos fueron evolucionando hacia usos particulares y de allí surgen los tractores de silla y luego los de chasis articulados. Una más reciente aplicación de la oruga en tractores es el uso de elastómeros en su confección.Si bien los primeros usos masivos de este tipo fue en vehículos militares durante la segunda guerra mundial, hoy se aplican sobre tractores donde la tracción no debe ser extrema y tiene la ventaja de ser más ágil, veloz y tener un costo de explotación mucho mas bajo que la oruga tradicional. No es objetivo de esta obra abordar las características mecánicas de estos vehículos, pero sí de sus aplicaciones y principales diferencias de tracción , equilibrio y direccionalidad , es por ello que se ha de hacer una primera división entre rodajes por cadenas y una segunda división en rodaje por rueda, las que en cada caso serán de aplicación generalizada en muchos tipos de maquinarias. En el trato de cada una de ellas se especificara su evolución, incluso sobre estos particulares.

Sistema de tracción por orugas 1.8. Distribución teórica de las reacciones normales: Depende de la rigidez de la cadena, su tensión y del paso de montaje de los rolos inferiores. Se da como cierto que coincida cada eslabón con un rolo inferior, para lograr la uniformidad. Si el paso de la cadena es leslabón coincide con t  Rolo .Lo conveniente es que: t  Rolo = 1,5 a 1,7 de leslabón Forma de distribución teórica de las cargas: a) Forma rectangular : es la más sencilla y uniforme. b) Trapezoidal : es el más cercano a lo real. c) Triangular : el tractor está desequilibrado y pierde tracción. d) Triangular con flotación delantera : se trata de un caso de encabritamiento.

v p

 X  p  L

es

el

coeficiente

de

desplazamiento del centro de presión, siendo v p = 1/6 el valor límite permitido.

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Casos reales: Sistema elástico : es bastante parejo.

Sistema rígido : se asimila al sistema trapezoidal, la descarga puede llegar a ser cero para pasos t  Rolo mayores a 1,7.

Sistema elástico con balancines con dos apoyos.

2. Caso particular de los sistemas de orugas de baja velocidad sin elasticidad, pero con balancines

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TRACTORES SOBRE ORUGAS Este sistema es característico de los nuevos tractores CAT. Las ventajas importantes de este sistema residen en la serviciabilidad y la facilidad de mantenimiento al tener la rueda de cabilla elevada e independiente del bastidor de orugas.

El sistema de balancines, hace que la oruga resulte más elástica y se pueda adaptar mejor a las irregularidades del terreno. Un inconveniente resulta de no poder colocar rolo superior y el cimbronazo de la catenaria puede resultar perjudicial. No obstante, a velocidad, la cadena aparece bien tensionada, en cambio cuando se la exige a un fuerte tiro o empuje, por construcción, el balancín posterior sube y disminuye la superficie de pisada restando tracción en suelo uniforme. Otro concepto ligado al mismo tema es que el sistema disminuye la rigidez de impacto al corte por topado.( la competencia realiza estas reflexiones ). Al ser las cadenas más flexibles, son las más indicadas para ser del tipo lubricado. La competencia trata de explicar las razones por la que no adopta la técnica descripta, mediante los siguientes esquemas:

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3. Cadenas de goma Durante la segunda guerra mundial, se desarrolló en EUA, un camión semi-oruga para todo terreno que fabricó International Harvester CO (MS-M9A1-M14). Las características de tracción, ( que era total), en la parte posterior se se veían intensificadas por la baja presión específica su oruga sobre el suelo, las altas velocidades a desarrollar en todo terreno (hasta 90 km/hora) y la gran capacidad de adaptación en suelos quebrados, sin perder potencia apreciable al girar. Es sabido que los mayores consumos de energía en los sistemas de oruga aparecen cuando queremos cambiar de dirección (depende del tipo de mecanismo para el giro).

La cadena consistía en una ba nda de caucho vulcanizada sobre un par de cordones continuos de acero, unidos entre sí, o no, con insertos también metálicos. Estos sistemas fueron prácticamente abandonados por que su precio resultaba prohibitivo. Para usos agrícolas de alta flotabilidad se usaron en forma no muy difundida. En la década del 80 Caterpillar lanza al mercado un tractor, en principio de uso agrícola y hoy para uso general al que denominó CHALLENGER, con características como: Presión específica sobre el suelo en el orden de 0,4 a 0,5 kg/cm 2. Capacidad de tracción mayor al 35% de lo que se pueda lograr con tractores de propulsión total (porque su resbalamiento relativo máximo es del 5%, en las ruedas se llega al 20%). En estas cadenas es muy importante la tensión de la misma, ya que si es excesiva se producen altos calentamientos que llegan a revulcanizar y desprende la goma de su armazón de acero, consumirán mucha energía y se dañarán prematuramente. Si están poco tensas, pueden d esbandarse (salirse la cadena) o perjudicar a las guías y los rolos por excesivos juegos (fundamentalmente cuando se requiera un esfuerzo adicional de tracción o en alta velocidad).

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4. Descripción de los elementos constitutivos de las orugas de baja velocidad Los sistemas de orugas tienen su primer desarrollo como soporte rodante de carros de acoplados de transporte de uso bélico, para poder transitar sobre terrenos muy blandos y anegadizos. Es decir su aplicación siempre ha obedecido a sus amplias ventajas sobre la rueda, en lo que a flotabilidad respecta. Como sistema de tracción se desarrolla a principios de siglo para uso en tractores de uso general. Las primitivas cadenas eran de construcción básica similares a las actuales pero en tren de rodaje, era muy diferente. Se denomina tren de rodaje a todo el conjunto cadena y soportes, junto con las ruedas incluso la motriz. Con el tiempo se fueron diferenciando en su diseño, pudiendo hoy clasificarlos por su velocidad, en alta, media y de baja velocidad. Los sistemas de alta velocidad se utilizan para transportes especiales de hasta 120 Km./hora, militares, etc. Los de media velocidad tiene su aplicación en tareas agrícolas y de frecuente uso en Europa Oriental y en Asia, alcanzan velocidades de hasta 50 Km./hora. Una versión más moderna se esta aplicando universalmente y son los tipo Challenge de Caterpillar y otros similares cuya

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característica mas saliente es el reemplazo de la cadena por una banda de elastomeros basándose en gomas. Las orugas de baja velocidad y de alta tracción es el tema que nos ocupa por su utilización en tracción pura y de aplicación en las maquinarias viales e industriales. Un tren de rodaje de baja velocidad tiene la rueda motriz atrás, o en algunos diseños especiales en la parte superior y atrasada respecto del tractor. El bastidor de orugas se soporta respecto del tractor oscilando sobre el eje de la rueda motriz o sobre soportes pivotantes laterales atrasados. Sobre el bastidor de oruga se aplican los rodillos superiores, en la parte delantera la rueda tensora o guía que se tensa por un resorte ubicado al efecto. Debajo del bastidor y en forma continuada en todo su largo se ubican los rodillos inferiores, que soportan el peso del tractor, ya que las ruedas motrices y la guía están un poco por encima del nivel de los rolos inferiores. La única rueda con movimiento comandado es la rueda motriz o cabilla, mientras que todas las otras giran locas y accionadas por la cadena. La cadena esta compuesta por eslabones que se unen entre sí por medio de pernos y bujes y por sobre los eslabones mediante abulonado se fijan las zapatas o tejas que son las placas que realmente contactan con el suelo. Una cadena de orugas abraza a todo este conjunto. Este tren rodante se repite del otro lado del tractor. Si la cadena no estuviese cerrándose sobre el resto del tren, se vería que el tractor por medio de la rueda cabilla rueda sobre ella y empuja a los rodillos inferiores que también la ruedan. Es decir el camino por donde circula el tractor es la propia cadena. Cuanto más larga es la zona de contacto de la cadena contra el piso, su resultado será similar a rodar con una rueda de diámetro que tiende a infinito, lo que le permite además superar quiebres de terreno sin que se encaje.

El tren de rodaje tal como fue descrito responde a la generalidad de los existentes, no obstante hay infinidad de diseños, pero son excepciones.

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4.1. Cadena Se compone por eslabones forjados o fundidos en acero con forma especial y que se maquinan en las zonas de contacto con las zapatas, con los rolos, tienen sendas perforaciones para montaje de perno y de buje, cono para pasar los bulones de fijación de las zapatas. Los orificios tiene un alto grado de precisión por cuanto tanto los bujes como los pernos se montan con alta interferencia y en frío, mediante prensado (aprox.) de 10.000 a 20.000 Kg. por pulgada de diámetro). El conjunto que debe ser indeformable lo componen un eslabón derecho otro izquierdo, un buje y un perno. Para ir conformando al conjunto se intercalan estos conjuntos uno con el otro en la zona de pernos y bujes. El huelgo entre pernos y buje es de no más de 0,1 mm y en las cadenas pequeñas aun menor.

Se asegura de esta forma un solo grado de libertad, para que la cadena pueda abrazar al resto del tren.

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La unión de cierre de la cadena resultaba un problema ya que su montaje debería hacerse con grandes prensas al igual que su desmontaje, ambas operaciones en uso se realizan lejos de los centros de prensado y es por ello que se fabricaron, eslabones, perno y bujes con mucha menor interferencia, para facilitar el desarme y rearmado en campaña, se los denomino "maestros", pero constituían un punto débil en la tracción, con problemas de mantenimiento. Una solución llega de la mano de un eslabón maestro o partido que permite el desmontaje de la cadena con solo desprender los bulones que fijan a la zapata.

Los eslabones están templados por inducción en la zona de contacto con los rolos y sus pestañas, con una profundidad de no menos de 5 mm (según la dimensión del eslabón), y una dureza de aprox. 60 Rc. Los pernos se tornean de acero 1045 con temple de igual profundidad e igual dureza, están rectificados al igual que los bujes, pero estos se fabrican de 1010 o similar y la profundidad de temple se rigen por el tratamiento de carburación que transforma a las superficies internas y externas en muy duras, mientras que el núcleo permanece en estado natural. Se templan también a 55 Rc. Entre los pernos y bujes suele penetrar abrasivo y la vida útil de la cadena disminuye, con fines de aumentar su vida se han hecho las cadenas denominadas selladas, el sello consiste en un par de arandelas cónicas de acero elásticas enfrentadas que se montan en los laterales de los eslabones en su cierre con perno y buje, de manera de sellar la entrada de abrasivo a esa zona.

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TRACTORES SOBRE ORUGAS Más actual es el uso de cadenas lubricadas, este sistema consiste en reemplazar el sello anterior por otro más sólido, con reten, que no permita que se escape el aceite que ha de ubicarse entre perno y buje en forma estática y sellada. El aumento en la vida útil ha hecho que algunos bujes tengan supermedida en la zona de contacto con los vanos de la rueda cabilla, para uniformar la duración de estos tanto desde adentro como desde afuera.

Las zapatas se fijan a los eslabones mediante bulones con tuercas, pero la tensión de apriete es muy alta para que no se aflojen durante el trabajo, lo que requiere que la calidad y el diseño de estos resulte particular. Los bulones son de acero con cabeza forjada y rosca repujada fina, a fin de mantener la fibra del material continua y no permitir que esta resulte reversible. Como la tensión de apriete ha de ser superior a cualquier otro bullón de ese diámetro de vástago, requiere por ser de rosca fina una tuerca de altura mas del doble que la normalizada corriente. Tanto bulones como tuercas están tratados térmicamente. Las zapatas, pueden ser de distintos perfiles de acuerdo con el uso que se ha de dar, por ejemplo: Una zapata de uña se utiliza para tracción, si es robusta para tracción más recia, cuando tiene listones, por lo general tres, se la llama zapata vainilla y si bien disminuye su capacidad de tracción, no se deteriora cuando el tractor gira al menos en la misma forma que lo puede hacer la de uña. Existen zapatas de uso particular, basureras, para nieve, para barro de alta flotación triangulares y de sobre ancho también para aumentar la flotabilidad del conjunto. Se confeccionan aceros aleados, fundidas o laminadas en caliente, cortadas y perforadas, luego tratadas térmicamente en la zona de las garras, temple a 45 Rc.

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4.2. Rueda cabilla Esta rueda, a la que tambi én se la denomina “motriz”, es la única que recibe el giro por parte de la transmisión y acciona sobre la parte exterior de los bujes, haciendo que la tracción se transmita a la cadena. Es una rueda dentada para cadena, cuyos vanos están ubicados de manera tal que se enhebre en la cadena a paso salteado, para evitar un rápido desgaste, ya que la cantidad de vanos es impar. Es por ello que los bujes de la cadena entran en contacto con la mitad de los vanos en su primera vuelta y con la otra mitad en la segunda vuelta y así sucesivamente. En principio estas ruedas eran enterizas pero como la zona de desgaste se centra en el dentado periférico, se ha hecho a este reemplazable, y para acceder sin desarmes se realiza mediante una serie de sectores abulonados a la rueda básica.

4.3. Rueda tensora Esta rueda mantiene tensa a la cadena porque su eje esta vinculado al bastidor de oruga con una guía y empujada permanentemente por un grueso resorte. Su perfil es tal que toma contacto con

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TRACTORES SOBRE ORUGAS solamente la base de los eslabones de la cadena y como tiene una protuberancia central, se mantiene centrada entre ellos, además concurre a no permitir que se descarrile, sobre todo en las curvas, es por ello que también se la llama “rueda Guía”. Esta rueda al igual que todos los rodillos superiores e inferiores giran por efecto de la cadena. Su eje esta montado sobre guías que pueden deslizar sobre el bastidor de orugas, el espacio que resulta de la tensión de la cadena. El eje permanece sin girar y la rueda, cojinetes de por medio es la que gira. El eje al igual que en el resto de los rolos, tiene una protuberancia interna que no le permite su movimiento axial. El rozamiento esta cubierto por sendos cojinetes axiales.

4.4. Rodillos superiores Tiene el mismo perfil que la rueda guía, su montaje esta ubicado por sobre el bastidor de orugas y su misión es evitar que la catenaria tome valores importantes a fin de disminuir las vibraciones durante la marcha.

4.5. Rodillos inferiores Estos rodillos son los que soportan el peso del tractor y lo transmiten a la cadena a través de los eslabones mediante dos sendas pistas de rodadura. Estas pistas tienen bordillos que pueden

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estar en ambos lados de cada pista o en solo uno de ellos ( el interior), a los primeros se los denomina de “pestaña doble” y a los otros de “pestaña simple “. El montaje, su eje, su movimiento, etc. es igual al de la rueda guía

5. Reparación y mantenimiento 5.1 Desgastes, su evaluación: En el dibujo se muestran las zonas de desgaste en cada una de las piezas ya descritas. Cabe aclarar que cuando se gastan entre perno (externo) y buje (interno), el paso de la cadena se alarga, esta dimensión suele tomarse en un conjunto de cuatro pasos.

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5.2. Limites de desgaste La tabla adjunta ilustra sobre la progresión del desgaste.

Para cada marca y modelo, es decir para cada tipo de cadena y para cada pieza ( en este caso el buje) se dan las dimensiones de nuevo, con desgastes del 25 %, del 50%, del 75 % y del 100%, lo que supone destrucción total. Si se detiene el desgaste al 75% es posible reconstruir al mecanismo, hasta dos veces y llevarlo ala dimensión original. Esto es posible en todos ellos menos en pernos y bujes. Para pernos y bujes, llegado a este desgaste es posible un giro de recuperación a 180 grados una sola vez. En la figura donde se muestran los desgastes se indica en negro el 75 % de desgaste al igual que en la columna de medidas aquí presentada. 1.3. Reparaciones normales Los pernos y bujes solo se giran y no se reparan, normalmente esto se realiza cuando media la vida útil del resto de los mecanismos. Si es necesario se cambian los sectores de rueda cabilla. Estos no se suelen rellenar, se cambian.Los bulones, sellos y retenes se cambian. Los eslabones que no presenten otros problemas, se rellenan con soladura eléctrica de electrodo especial, se los rectifica a la dimensión original y pueden u sarse como nuevos. Este proceso se puede hacer hasta dos veces sin comprometer al conjunto. Los rodillos inferiores, superiores y las ruedas guías se rellenan en las bandas y bordes desgastados, también se cambian cojinetes, ejes, bujes y retenes, según las necesidades. Este proceder puede ahorrar bastante dinero. Ver trabajo practico. Cuando las cadenas son para tractores pequeños es probable que no resulte conveniente la reparación propuesta. 5.4. Esquema de calculo de las reparaciones frente al reemplazo directo. Cuando las cadenas son para tractores pequeños es probable que no resulte conveniente la reparación .Como ejemplo se plantean dos casos de estudio de costos entre reparar o llevar a sacrificio los trenes de rodaje.

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Precio del tractor $ Precio del tren de rodaje $ Precio del giro de perno y buje $ Precio de reconstrucción $ Tiempo estimado de duración total ( a sacrificio), en Horas Tiempo estimado de duración al 75 %, en Horas

A 200.000 60.000 3.600 12.000 4.000

B 50.000 15.000 2.000 7.000 3.200

3.000

2.400

Caso A desgaste a sacrificio: Horas $

0 0

2000 3.000

4.000 60.000 3.000 + 60.000 = 63.000 en 4.0 00 horas 63.000 / 4.000 = 15,75 $/hora

Caso A con mantenimiento correctivo planificado al 75 % de desgaste: Horas 0 $ 0

1500 3.000

3.000 12.000

4.500 3.000

6.000 12.000

8.000 3.000

10.000 60.000

3.000+12.000+3.000+12.000+3.000+60.000 = 93.000 $ en 10.000 horas 93.000 / 10.000 = 9,30 $/hora Caso B desgaste a sacrificio: Horas $

0 0

1.600 2.000

3.200 15.000 2.000 + 15.000 = 17.000 en 3.200 horas 17.000 / 3.200 = 5,31 $/hora

Caso B con mantenimiento correctivo planificado al 75 % de desgaste: Horas 0 $ 0

1.200 2.400 3.600 4.800 6.400 8.000 2.000 7.000 2.000 7.000 2.000 15.000 2.000+7.000+2.000+7.000+2.000+15.000 = 37.000 $ en 8.000 horas 37.000 / 8.000 = 4,62 $/hora

En el caso A (tractores grandes), la diferencia entre ambos métodos es de mas del 40% de ahorro, cuando se repara. En el caso B (tractores pequeños), la diferencia entre los métodos es de solo 10%, lo que resulta muy poca diferencia, sobre todo que si se contabilizan los tiempos de paralización y por su causa los lucros cesantes; resulta más conveniente llevar al tren de rodaje a destrucción y luego proceder a su renovación total. * Es importante aclarar que estos valores cambian con las técnicas y el pasaje del tiempo, por ello se deben tomar solo como referenciales. ( los calculos estan a moneda de 2001, cuando 1 $ = 1 U$S ).

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