Maquinaria de Movimiento de Tierras

CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL Movimiento de Tierras – Maquinaria de Movimiento de Tierras

nº 1

Maquinaria de Movimiento de Tierras Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 2

Tema 3: Maquinaria de Movimiento de Tierras Índice 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Conceptos Generales Clasificación de las Máquinas Selección de Máquinas Buldóceres Traíllas Excavadoras Hidráulicas Palas Cargadoras Camiones y Dúmperes

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nº 3

Tema 3: Maquinaria de Movimiento de Tierras Índice 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Conceptos Generales Clasificación de las Máquinas Selección de Máquinas Buldóceres Traíllas Excavadoras Hidráulicas Palas Cargadoras Camiones y Dúmperes

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nº 4

Conceptos Generales: Producción de una Máquina 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Introducción Concepto de producción y factores que influyen en la misma Ciclo de trabajo y tiempo del ciclo Ecuación de la Producción Eficiencia horaria Coste de la unidad de obra

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nº 5

Introducción Este apartado está dedicado a la definición de los conceptos de Producción o Rendimiento de una máquina, indicando los factores de que depende, ciclo de trabajo y tiempo del ciclo, eficiencia horaria y coste de la unidad de obra. El objetivo que se pretende es introducir estos conceptos generales, que afectan a todas las máquinas y equipos, de modo que puedan ser empleados y, en su caso, particularizados para cada tipo de máquina concreto.

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nº 6

Tema 3: Maquinaria de Excavación en Tierra y Terreno de Tránsito Índice del Capítulo 1: Producción de una Máquina 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Introducción Concepto de producción y factores que influyen en la misma Ciclo de trabajo y tiempo del ciclo Ecuación de la Producción Eficiencia horaria Coste de la unidad de obra

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nº 7

Concepto de Producción La Producción o Rendimiento de una máquina se define como el número de unidades de trabajo que realiza en la unidad de tiempo:

𝑈𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 = 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 En movimiento de tierras, las unidades de uso más frecuente son:  Unidades de trabajo o de obra: el metro cúbico o la tonelada.

 Unidad de tiempo: la hora, aunque también el día.

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Factores que influyen en la Producción La producción o rendimiento de una máquina no es una característica intrínseca de la misma, sino que depende de ciertos factores que cambian de una obra a otra o, incluso, durante el transcurso de una misma obra:  Condiciones de trabajo en la obra: - Naturaleza, disposición y humedad del terreno - Trazado, pendiente y estado de los accesos (conservación) - Clima (visibilidad, pluviometría, heladas) - Altitud  Organización de la obra: - Planificación de la obra  Habilidad, experiencia y motivación del operador  Estado de la máquina

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Tema 3: Maquinaria de Excavación en Tierra y Terreno de Tránsito Índice del Capítulo 1: Producción de una Máquina 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Introducción Concepto de producción y factores que influyen en la misma Ciclo de trabajo y tiempo del ciclo Ecuación de la Producción Producción óptima y eficiencia horaria Coste de la unidad de obra

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Concepto de Ciclo de Trabajo Se denomina Ciclo de Trabajo de una máquina a la secuencia de operaciones que realiza repetidamente para poder llevar a cabo su tarea. Tiempo del ciclo es el invertido en la realización de un ciclo de trabajo. El tiempo del ciclo puede descomponerse en un tiempo fijo, una parte del mismo cuya duración es relativamente constante, y un tiempo variable. Es importante considerar separadamente la ida y la vuelta, debido al efecto de la carga (vacío a la vuelta) y de la pendiente.

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Concepto de Ciclo de Trabajo En las máquinas de MT el tiempo de un ciclo de trabajo es el tiempo total invertido por la máquina en cargar, trasladarse y/o girar, descargar y volver a la posición inicial. 𝑇𝐶 = 𝑡𝑓𝑖𝑗𝑜 + 𝑡𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎𝑏𝑙𝑒 (+𝑡𝑒𝑠𝑝𝑒𝑟𝑎 ) Carga, descarga, maniobras…

Desplazamientos (ida y vuelta)

Para la duración del ciclo de trabajo suele tomarse un valor medio, que sería el obtenido de la medición de un número grande de ciclos de trabajo, para poder tener en cuenta el posible cambio en las condiciones de trabajo.

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nº 12

Tema 3: Maquinaria de Excavación en Tierra y Terreno de Tránsito Índice del Capítulo 1: Producción de una Máquina 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Introducción Concepto de producción y factores que influyen en la misma Ciclo de trabajo y tiempo del ciclo Ecuación de la Producción Producción óptima y eficiencia horaria Coste de la unidad de obra

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nº 13

Ecuación de la Producción Si se conoce la capacidad de una máquina, en términos del volumen o peso que carga, y se ha estimado el tiempo del ciclo de trabajo, su producción vendrá dada por la ecuación: 𝑡 𝑜 𝑚3 𝑁º 𝐶𝐼𝐶𝐿𝑂𝑆 𝑃𝑅𝑂𝐷𝑈𝐶𝐶𝐼Ó𝑁 = 𝐶𝐴𝑃𝐴𝐶𝐼𝐷𝐴𝐷 ( )∙ 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 ℎ𝑜𝑟𝑎

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Tema 3: Maquinaria de Excavación en Tierra y Terreno de Tránsito Índice del Capítulo 1: Producción de una Máquina 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Introducción Concepto de producción y factores que influyen en la misma Ciclo de trabajo y tiempo del ciclo Ecuación de la Producción Eficiencia horaria Coste de la unidad de obra

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Eficiencia Horaria Se denomina producción óptima o máxima, Pop, a la que podría alcanzarse trabajando sin interrupción los 60 minutos de cada hora. En la práctica, resulta imposible conseguir de forma mantenida ese valor, debido a que algunos de los factores de los que depende la producción originan paradas o retrasos que reducen el valor de la misma. Concretamente, la organización de la obra, el mantenimiento y reparación de las máquinas y los factores asociados al operador, incluidos los incentivos a la producción, se traducen en paradas o retrasos que pueden tenerse en cuenta a través de la eficiencia horaria, 𝑓ℎ . Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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Eficiencia Horaria Los valores normales de 𝑓ℎ que se utilizan en las estimaciones de producción son de 45 o 50 minutos trabajados a la hora, que corresponden, respectivamente, a 0,75 y 0,83. Si la obra está bien organizada, las condiciones de trabajo son buenas y se dan incentivos a la producción, los valores de la eficiencia horaria serán altos, pero resulta muy difícil que se alcancen valores superiores a 0,90. Por otro lado, en condiciones adversas de trabajo y de mala organización, el valor puede llegar a ser tan bajo como 0,50 o menores. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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Eficiencia Horaria Si tomamos en consideración la eficiencia horaria, la producción normal o simplemente producción, P, puede expresarse como el producto: 𝑃 = 𝑃𝑜𝑝 ∙ 𝑓ℎ También es de interés tener en cuenta el origen de las pérdidas de tiempo en el uso de una máquina. En principio, el número de horas anuales de trabajo de una máquina (sin traslados ni esperas) sería de: 𝑠𝑒𝑚𝑎𝑛𝑎𝑠 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 52 ∙ 40 − 8𝑓𝑖𝑒𝑠𝑡𝑎𝑠 𝑜𝑓𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙𝑒𝑠 ∙ 8 = 2016 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑎ñ𝑜 𝑠𝑒𝑚𝑎𝑛𝑎 𝑑í𝑎 Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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Disponibilidad de una Máquina En la práctica es difícil superar las 1.600 horas de uso, debido principalmente a:  Averías de la máquina

 Mantenimiento o conservación  Condiciones atmosféricas locales La tabla recoge algunos de los conceptos que son comúnmente origen de pérdidas de tiempo, así como ejemplos de sus valores en condiciones medias, expresados como porcentajes del total. No es normal que concurran todos estos factores. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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Disponibilidad de una Máquina Se llama disponibilidad de una máquina al cociente: ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑 = ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 + ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑝𝑎𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠

El capítulo de averías puede llegar a ser importante y para reducirlo es preciso prestar atención a:  Fiabilidad de la máquina  Disponibilidad y rapidez en repuestos y atención del suministrador  Cuidados y mantenimiento a cargo del propietario  Habilidad del operador  Dureza del trabajo (material, accesos) Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 20

Tema 3: Maquinaria de Excavación en Tierra y Terreno de Tránsito Índice del Capítulo 1: Producción de una Máquina 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Introducción Concepto de producción y factores que influyen en la misma Ciclo de trabajo y tiempo del ciclo Ecuación de la Producción Producción óptima y eficiencia horaria Coste de la unidad de obra

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nº 21

Coste de la Unidad de Obra La selección de la máquina o máquinas a emplear en una obra debe estar basada en conseguir una optimización económica en el uso de los recursos; es decir, se trata de encontrar la mejor relación entre producción y gastos asociados o, lo que es lo mismo, el costo más bajo posible por unidad de obra (p. ej., unidad de material removido). El coste horario de una máquina puede determinarse como la suma de varios términos:     

División del coste de adquisición entre el periodo de amortización Intereses del capital pendiente de amortización Gastos de mantenimiento y reparaciones estimado durante dicho periodo Gasto en consumo de combustible y neumáticos Mano de obra de los operarios, etc.

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Coste de la Unidad de Obra Con todos estos costes puede obtenerse como resultado el coste en Euros/hora. Es necesario tener la precaución de actualizar este valor si el periodo de amortización es largo. Una vez conocido el coste horario de la máquina y calculada la producción de la misma, es fácil estimar el coste de producción: 𝐶𝑂𝑆𝑇𝐸 𝐷𝐸 𝑃𝑅𝑂𝐷𝑈𝐶𝐶𝐼Ó𝑁 =

𝐶𝑂𝑆𝑇𝐸 𝐻𝑂𝑅𝐴𝑅𝐼𝑂 𝑃𝑅𝑂𝐷𝑈𝐶𝐶𝐼Ó𝑁

Como vemos las dimensiones de la fórmula anterior son: 𝑒𝑢𝑟𝑜𝑠 𝑒𝑢𝑟𝑜𝑠 ℎ𝑜𝑟𝑎 = 𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑜𝑏𝑟𝑎 𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑜𝑏𝑟𝑎 ℎ𝑜𝑟𝑎 Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 23

Tema 3: Maquinaria de Movimiento de Tierras Índice 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Conceptos Generales Clasificación de las Máquinas Selección de Máquinas Buldóceres Traíllas Excavadoras Hidráulicas Palas Cargadoras Camiones y Dúmperes

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nº 24

Clasificación de las Maquinas Atendiendo a las operaciones básicas que realizan las máquinas de Movimiento de Tierras pueden clasificarse en los tipos:  Tractor de cadenas (buldócer): excavación, acarreo y extendido.  Excavadoras hidráulicas (de pala frontal y retroexcavadoras): excavación y carga.  Excavadoras de cables (Dragalinas, cuchara bivalva, etc.): excavación y dragado en terrenos encharcados desde la orilla.  Traíllas: excavación, carga, acarreo, descarga y extendido.  Cargadoras: carga y excavación fácil.  Camiones y dúmperes: acarreo o transporte.  Motoniveladoras: extendido, nivelación y terminación.  Compactadoras: compactación.  Máquinas especiales: Topos y tuneladoras: excavación de túneles y galerías; Zanjadoras: excavación de zanjas; Dragas (y bombas de succión, etc.): excavación subacuática, etc. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 25

Clasificación de las Maquinas de Excavación Atendiendo a si se trasladan o no mientras excavan, las máquinas de excavación pueden clasificarse en:  Máquinas que excavan al tiempo que se desplazan: son máquinas que excavan al desplazarse, realizando excavaciones superficiales. A este grupo pertenecen los buldóceres (hoja frontal), traíllas, motoniveladoras.

 Máquinas que excavan sin desplazarse: son máquinas que excavan manteniéndose en posición fija. Cuando el frente de excavación sale de su alcance, la máquina se traslada a una nueva posición, pero no excava durante el traslado. A este grupo pertenecen las excavadoras hidráulicas y la excavadoras de cables.

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nº 26

Tema 3: Maquinaria de Movimiento de Tierras Índice 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Conceptos Generales Clasificación de las Máquinas Selección de Máquinas Buldóceres Traíllas Excavadoras Hidráulicas Palas Cargadoras Camiones y Dúmperes

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nº 27

Selección de Maquinas La selección de los equipos a emplear debe hacerse teniendo en cuenta los siguientes criterios:  Aptitud: que sea adecuado para el trabajo a realizar en las condiciones de la obra (del terreno, pendientes, espacio para giros, etc).  Producción: que permita cumplir la producción requerida (m3/h o t/h).  Economía: que permita obtener la producción con el menor coste unitario (€/m3).  Buen acoplamiento: factor de acoplamiento igual o próximo a la unidad.  Fiabilidad: fiabilidad de los equipos y servicios postventa asegurados.  Organización de la obra: que permita una fácil y poco costosa organización de la obra.

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nº 28

Tema 3: Maquinaria de Movimiento de Tierras Índice 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Conceptos Generales Clasificación de las Máquinas Selección de Máquinas Buldóceres Traíllas Excavadoras Hidráulicas Palas Cargadoras Camiones y Dúmperes

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nº 29

Buldóceres

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nº 30

Descripción General y Tipos Un “dócer” es un tractor o unidad tractora que lleva una hoja de empuje en su parte delantera para excavar y empujar materiales de un sitio a otro. Los dóceres no tienen una capacidad volumétrica definida o fija. La cantidad de material que mueve será aquella que permanezca delante de la hoja al final de su recorrido en empuje. Los dóceres pesados de cadenas equipados con desgarradores o escarificadores se utilizan para desgarrar rocas que no sean duras y tierras muy compactas debido a la potencia y fuerza de tracción que pueden desplegar. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 31

Descripción General y Tipos Los “dóceres” son tractores o máquinas especialmente diseñadas para llevar a cabo operaciones que requieran acciones de empuje o de tiro. En general, los dóceres son máquinas de excavación y empuje, que también se utilizan en extendido de materiales y como equipos auxiliares de otros equipos. Para los desplazamientos entre obras o largos trayectos dentro de una obra, los dóceres han de ser transportados. El traslado por sus propios medios, a las muy bajas velocidades que pueden alcanzar, produce un desgaste de las pistas que reduce la vida útil de la máquina. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 32

Tipos de Buldóceres Atendiendo al sistema que permite su desplazamiento, existen dos tipos: (1) Tractores sobre ruedas o neumáticos

(2) Tractores sobre cadenas o sobre orugas Tanto los tractores sobre cadenas como sobre neumáticos se clasifican por su potencia y peso (que incluye el peso de equipamientos, combustible y operador).

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nº 33

Tipos de Tractores: Tractores sobre ruedas

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nº 34

Tipos de tractores En general, los tractores sobre ruedas o neumáticos tienen las siguientes características:

 Velocidades de desplazamiento mayores (hasta 60 km/h)  Presiones transmitidas al terreno mayores (de 3,5 Kg/cm2)

 Fuerzas de empuje o de tiro inferiores (de hasta 82000 Kg)

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nº 35

Tipos de Tractores: Tractores sobre cadenas

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nº 36

Tipos de tractores: Tractores sobre cadenas En general, los tractores sobre cadenas tienen las siguientes características:

 Velocidades de desplazamiento menores (hasta 15 km/h)  Presiones transmitidas al terreno pequeñas (de 0,4 a 0,8 Kg/cm2) o incluso menores en los LGP  Fuerzas de empuje o de tiro mayores (de hasta 110000 Kg)  Buena adherencia al terreno (terrenos accidentados o en pendiente; pueden operar en pendientes de hasta 45º)  Capacidad de maniobra en espacios reducidos y difíciles Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 37

Tipos de tractores: Tractores sobre cadenas En terrenos blandos o rocosos dan mejores resultados los tractores sobre orugas que sobre neumáticos.

En los terrenos blandos o con agua, que tienen poca capacidad de soporte, los tractores de orugas, por su gran superficie de apoyo, transmiten al terreno presiones bajas, de modo que la máquina no se hunde. En los terrenos rocosos, accidentados o con cierta pendiente, los tractores de cadenas presentan mejor comportamiento frente al deslizamiento y desarrollan mayor tracción (se considera el peso total como peso de tracción). Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 38

Aplicaciones Con hoja frontal se emplean para realizar excavaciones superficiales, empujando el material excavado a distancias pequeñas, normalmente hasta unos 20-30 metros y como máximo hasta unos 90 m. Son aplicaciones típicas:       

Explanaciones en carreteras, aeropuertos, etc. Limpieza de monteras y de pie de canteras después de la voladura Limpieza y desbroce de terrenos Extendido de tierras en formación de terraplenes Extendido de materiales en pedraplenes Abrir pistas en montaña o terreno rocoso Asistir a las traíllas en la fase de carga (tractor de empuje)

Con escarificador (ripper) para desgarrar la roca y preparar el terreno para su posterior arranque mediante la hoja de empuje. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 39

Partes estructurales

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nº 40

Equipos de Trabajo Aunque existen otros elementos, dos son los equipos básicos de trabajo de los dóceres:

 Hoja de empuje, situada en la parte delantera del tractor y unida a éste con elementos que permiten distintos movimientos de la hoja.  Escarificador (ripper), también llamado desgarrador, está formado por un bastidor situado en la parte posterior del tractor, en el cual van montados uno, dos o tres vástagos con dientes. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 41

Equipos de Trabajo: Tipos de hojas de empuje Pueden acoplarse varios tipos de hojas según el trabajo que se pretenda realizar. Las hojas más usadas son:  Hoja universal o en “U”. Sus extremos forman 25º con el plano de la hoja, lo que disminuye los derrames laterales de material. Es la hoja de mayor capacidad.  Hoja recta, de menor tamaño, carece de extremos en ángulo, lo que le resta capacidad. Producen mejores resultados cuando se trata de excavar terrenos difíciles o roca.

 Hoja semiuniversal, con forma y prestaciones intermedias. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 42

Equipos de Trabajo: Tipos de hojas de empuje

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nº 43

Equipos de Trabajo: Escarificador Formado por un bastidor situado en la parte trasera del tractor, en el que van montados 1, 2 ó 3 dientes, de modo que puede regularse su longitud. Mediante cilindros hidráulicos que actúan sobre el bastidor, estos dientes descienden clavándose en el terreno y al ser arrastrados por el tractor producen surcos profundos, desgarrando y aflojando el terreno cuando éste es demasiado duro o cohesivo para ser removido únicamente con la hoja frontal.

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nº 44

Equipos de Trabajo: Escarificador

3 dientes

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1 diente

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nº 45

Equipos de Trabajo: Escarificador

Profundidad del diente al comienzo de una pasada. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

Profundidad del diente durante la pasada.

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nº 46

Angledócer Esta variante del tractor de cadenas permite un giro de la hoja de hasta 25º respecto a un eje vertical, de modo que puede realizar excavación superficial, desplazando las tierras lateralmente. Resulta adecuado para la compensación transversal a media ladera, relleno de zanjas, apertura de pistas, etc.

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nº 47

Ciclo de Trabajo como Equipo de Empuje El ciclo de trabajo del tractor operando con la hoja de empuje como equipo de excavación y acarreo consta de tres fases: 1ª Fase: Excavación o arranque. El operador baja la hoja hasta que ésta se clava en el terreno. El tractor avanza en 1ª velocidad, disminuyendo su velocidad y aumentando su empuje (velocidad de 2,5 a 3 Km/h). 2ª Fase: Acarreo y apilado. El operador levanta la hoja y continúa avanzando para acarrear el material empujándolo sin excavar. Después del acarreo, apila el material para su carga posterior por la cargadora. 3ª Fase: Retorno. El tractor se detiene, invierte La marcha y retrocede a mayor velocidad con la hoja levantada para comenzar un nuevo ciclo. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 48

Capacidad de la Hoja de Empuje La capacidad volumétrica de la hoja puede estimarse por varios métodos: 1. Mediciones del fabricante

2. Experiencia previa (para material, equipo y condiciones de trabajo similares) 3. Medidas realizadas en campo

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nº 49

Capacidad de la Hoja de Empuje La capacidad de la hoja de empuje no se puede determinar exactamente de forma analítica, puesto que la forma y dimensiones del montón irregular que se forma delante de la misma depende, además de sus dimensiones y tipo, del material y de sus condiciones de humedad, etc. Teóricamente, el montón puede asimilarse a una cuña, lo que da lugar al siguiente planteamiento: 𝑉𝐸 =

1 ∙ 𝐻 ∙ 𝑤 ∙ 𝐿; 2

1 𝑉𝐸 = ∙ 𝐿 ∙ 𝐻2 2 ∙ tan 𝛼

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𝑤=

𝐻 tan 𝛼

L : ancho de la hoja H : altura de la hoja

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nº 50

Capacidad de la Hoja de Empuje Los valores de capacidad que se obtienen por este método sólo tienen alcance teórico, puesto que en la práctica la forma del montón que se forma delante de la hoja puede asemejarse a las que aparecen en la siguientes figuras: Sin embargo, la última ecuación anterior tiene una forma que ha sido adoptada por la normativa para estimar la capacidad de la hoja, que vendrá dada por la expresión:

𝐶 = 𝐾 ∙ 𝐿 ∙ 𝐻2

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nº 51

Capacidad de la Hoja de Empuje En las tablas siguientes se recogen las características de varios modelos de tractores de distintos fabricantes con las capacidades de sus hojas.

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nº 52

Capacidad de la Hoja de Empuje

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nº 53

Capacidad de la Hoja de Empuje

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nº 54

Capacidad de la Hoja de Empuje El procedimiento de medida de la capacidad volumétrica de la hoja en campo es el siguiente: 1.

Obtener una carga normal de la hoja: el dócer empuja una carga normal a una zona nivelada; se detiene y mientras eleva la hoja, se mueve ligeramente hacia adelante para crear un montón simétrico, invierte la marcha y se aparta.

2.

Medida de: (2.1) las alturas del montón en el borde interior de cada oruga, H1 y H2; (2.2) de los anchos del montón en los mismos sitios, W1 y W2 y (2.3) de la mayor longitud del montón, L.

VISTA EN PLANTA

VISTA EN ALZADO

H1 W1

W2

3.

La capacidad en metros cúbicos esponjados puede estimarse como:

𝐶 = 0,0138 ∙ 𝐻 ∙ 𝑊 ∙ 𝐿

H2

Donde:

𝑊1 + 𝑊2 𝑊= 2 Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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y

𝐻=

𝐻1 + 𝐻2 2

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nº 55

Distancia de Excavación y de Empuje Cuando el buldócer trabaja con la hoja frontal, deben conseguirse llenados totales de la hoja arrancando capas tan gruesas como sea posible en función de la distancia de recorrido del tractor y dando por terminado el arranque cuando la hoja esté llena. La distancia necesaria para llenar totalmente la hoja se denomina distancia de llenado y depende del tipo de terreno y de la profundidad de excavación: 𝑉𝐵 = 𝑑𝑙𝑙 ∙ ℎ ∙ 𝐿 = 𝑉𝐸 ∙ 𝐹𝑊 𝑉𝐸 = 𝐶 = 𝐾 ∙ 𝐿 ∙ 𝐻2 h

→ Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

𝐹𝑊 ∙ 𝐶 𝐹𝑊 ∙ 𝐾 ∙ 𝐻2 𝑑𝑙𝑙 = = ℎ∙𝐿 ℎ

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nº 56

Distancia de Excavación y de Empuje Se denomina distancia de empuje a la de excavación más la que recorre el buldócer transportando material sin excavar.

Después de que la hoja se ha llenado, durante el transporte va perdiendo algo de material, por lo que resulta más rentable, pues consume menos gasoil, que la máquina arranque material durante todo el recorrido, si esto puede hacerse. La profundidad de excavación teórica en este caso sería: ℎ= h

𝐹𝑊 ∙ 𝐶 𝑑∙𝐿

Siendo 𝑑 la distancia total a recorrer Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 57

Producción del Buldócer La producción del buldócer operando como máquina de excavación con la hoja de empuje, depende fundamentalmente de su potencia y de la distancia de empuje, que es la suma de las distancias de excavación y acarreo. Puede estimarse mediante dos procedimientos:  Utilizando las gráficas de producción máxima teórica que proporcionan los fabricantes para los distintos modelos de tractores.  A través del método general, que pasa por estimar el tiempo del ciclo y aplicar la fórmula general de la producción. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 58

Gráficas de producción máxima teórica Representan en abscisas la distancia de empuje y en ordenadas la producción en m3/h de material suelto. Cada gráfica recoge las curvas de varios modelos operando con un tipo de hoja determinado, como puede verse en la figura.

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nº 59

Gráficas de producción máxima teórica Los valores de producción obtenidos de estas gráficas corresponden a la situación ideal siguiente:  Utilización 60 minutos cada hora  Habilidad y motivación del operador buenas

 Material sin dificultades de excavación y empuje  Terreno horizontal  No se utilizan técnicas que reduzcan los derrames laterales

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nº 60

Gráficas de producción máxima teórica Como estas condiciones no tienen por qué darse, es preciso corregir la producción teórica obtenida de la gráfica aplicando los siguientes factores:  𝑓ℎ : factor de eficiencia horaria  𝑓𝑜 : factor de habilidad y motivación del operador  𝑓𝑙𝑙 : factor de llenado de la hoja (blade factor)  𝑓𝑝 : factor de pendiente del terreno

 𝑓𝑚 : factor del método de trabajo

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nº 61

Gráficas de producción máxima teórica De modo que la producción real, Pr, se obtiene como el producto de la producción teórica obtenida de la gráfica y de los factores correspondientes a la situación actual:

𝑃𝑟 = 𝑃 ∙ 𝑓ℎ ∙ 𝑓𝑜 ∙ 𝑓𝑙𝑙 ∙ 𝑓𝑝 ∙ 𝑓𝑚

El factor de habilidad y motivación del operario, 𝑓𝑜 , puede obtenerse de la tabla siguiente:

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nº 62

Gráficas de producción máxima teórica

El factor de llenado de la hoja , 𝑓𝑙𝑙 , puede obtenerse de la tabla siguiente:

El factor de pendiente, 𝑓𝑝 , puede obtenerse de la gráfica siguiente:

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nº 63

Producción del Buldócer: Método general La producción del buldócer se evalúa mediante la fórmula general de la producción, para lo que es necesario tener en cuenta lo siguiente:  La producción por ciclo es la correspondiente a la capacidad de la hoja, que de no disponer de datos más precisos, obtenidos de la experiencia registrada con terrenos similares o con medidas en campo, se puede estimar como se ha explicado anteriormente: C = 𝑉𝐸 = 𝐾 ∙ 𝐿 ∙ 𝐻 2  El tiempo del ciclo se estima teniendo en cuenta los tiempos fijos y las velocidades y distancias a recorrer en cada fase. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 64

Producción del Buldócer: Técnicas de excavación y empuje

El empleo de dos o más buldóceres operando en paralelo evita que se pierda material por el espacio entre máquinas y produce un montón de superior altura, que tiene un volumen mayor del doble del obtenido por uno solo.

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nº 65

Producción del Buldócer: Técnicas de excavación y empuje Siempre que sea posible hay que procurar trabajar a favor de la pendiente. Cuando sea preciso apilar el material para su carga con cargadoras, hay que procurar empujar menos material cuesta arriba, siguiendo un orden en la formación de la pila a través de montones sucesivos. De este modo, mientras se hace el montón 6 la pala carga del 1 y el 4.

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nº 66

Escarificación: Introducción Las excavaciones superficiales, entendiendo como tales las que se realizan al nivel de la superficie del terreno y afectan a una capa de espesor limitado de la misma, pueden llevarse a cabo con buldóceres o con traíllas. Ambos equipos pueden excavar sin necesidad de escarificado previo cuando se trata de tierras en general. Sin embargo, únicamente los tractores de cadenas pesados, equipados con escarificadores, pueden emplearse para desgarrar terrenos de tránsito, debido a la potencia y fuerza de tracción que pueden desplegar.

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nº 67

Escarificación: Introducción Los terrenos de tránsito comprenden los formados por rocas blandas o descompuestas, tierras muy compactas y, en general, aquellos terrenos en los que el escarificado sea un procedimiento de excavación eficaz y económico frente al de voladura con explosivos. Aunque los terrenos rocosos se han escarificado con mayor o menor éxito desde hace muchos años, el desarrollo habido en los métodos y equipos ha ampliado considerablemente el rango de materiales que pueden escarificarse económicamente.

Terrenos rocosos que se consideraban imposibles de escarificar no hace muchos años se escarifican en la actualidad con Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 68

Escarificación: Introducción relativa facilidad y con un ahorro en costes – incluido el escarificado y acarreo con traíllas – que puede ser de hasta un 50%, comparado con los costes de barrenado, voladura, carga con cargadoras y acarreo con camiones. Los principales avances que han permitido este aumento de la capacidad de escarificado son:  Tractores más pesados y potentes  Mejoras en el tamaño y prestaciones de los escarificadores, que incluye el desarrollo de escarificadores de impacto  Mejores instrumentos para determinar la escarificabilidad del terreno  Mejores técnicas en el uso de equipos e instrumentos Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 69

Escarificabilidad de un terreno Cuando en una obra es necesario excavar un terreno rocoso, es preciso considerar en primer lugar la posibilidad de escarificar. La escarificabilidad de un terreno rocoso depende de diversos factores que incluyen el estudio del tipo de roca y su densidad, así como de las condiciones de la formación rocosa. Las rocas ígneas, como los granitos y basaltos, son normalmente imposibles de escarificar, pues son muy duras y no presentan estratificación ni otros planos de debilidad. Las rocas sedimentarias tienen una estructura laminada, que tiene su origen en su proceso de formación, y son muy fácilmente Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 70

Escarificabilidad de un terreno escarificadas. Las rocas metamórficas son más o menos escarificables en función de su estratificación y grado de laminación. Las características que facilitan la escarificación de la roca son:     

Fracturas, fallas y juntas, que actúan como planos de debilidad Meteorización o grado de alteración Baja resistencia a compresión y tracción Alto grado de estratificación y laminación Tamaño de grano grueso

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nº 71

Escarificabilidad de un terreno Puesto que la velocidad de propagación de ondas sísmicas a través de la masa rocosa es una medida de la menor o mayor presencia de las características enumeradas, ésta velocidad se emplea como un índice de la escarificabilidad del terreno. Es posible emplear métodos geofísicos de la sísmica de refracción para obtener las velocidades de propagación y, en definitiva, determinar con una precisión razonable si el terreno rocoso es escarificable. La relación entre velocidad sísmica y escarificabilidad del terreno se resume en la siguiente tabla. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 72

Escarificabilidad de un terreno Velocidad sísmica

Clasificación

Método excavación

V < 1000 m/s

Tierra

convencional

1000 m/s ≤ V < 2000 m/s

Tránsito

escarificado

2000 m/s ≤ V < 3000m/s

Marginal

Escarificado/voladura

≥ 3000 m/s

Roca

voladura

La determinación de velocidades sísmicas deben ir seguidas de pruebas de escarificado, ya que la producción puede variar en la proporción de 1 a 2 para una misma velocidad sísmica. Teniendo en cuenta que en los trabajos de escarificado los tractores sufren mucho, interesa utilizarlos sólo cuando la producción es importante o hay problemas ambientales. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 73

Escarificabilidad de un terreno En terrenos marginales, el límite de producción en condiciones de rentabilidad económica puede situarse en los 200 m3/h. Si no se superan, debe recurrirse a la voladura, aunque puede escarificarse si los volúmenes no so importantes. Si aparecen alternativamente rocas no escarificables y otras que sí lo son, no interesa utilizar el buldócer para escarificar y es más rentable la voladura; es decir, el trabajo de escarificado requiere continuidad y ha de ser sistemático (esto es una regla general en obra civil). En escarificado se emplean los mayores tractores disponibles, que son los de mayor producción, menos desgaste y averías. El mínimo se sitúa en torno a las 45 toneladas de peso.

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nº 74

Escarificabilidad de un terreno

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nº 75

Escarificabilidad de un terreno Los fabricantes proporcionan para cada modelo de tractor una tabla que recoge las posibilidades de uso en función del tipo de roca y de la velocidad sísmica

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nº 76

Producción en escarificado La producción depende de la velocidad sísmica del terreno que se va a escarificar y de la potencia y peso del tractor que se emplea. Varía además en cada caso con las condiciones concretas de la formación.

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nº 77

Trabajo Combinado de Escarificado y Empuje Consiste en que en una parte del tiempo el tractor escarifica de forma continua y, cuando ya tiene el material escarificado, se dedica a empujarlo como buldócer. La producción en escarificado y empuje puede calcularse estimando el tiempo del ciclo por el procedimiento general. Las velocidades habituales en estos trabajos se recogen en la tabla

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nº 78

Trabajo Combinado de Escarificado y Empuje Las velocidades de trabajo y retroceso dependen de la velocidad sísmica y distancia del recorrido (usualmente no inferiores a 30 m). Las velocidades de trabajo disminuyen con la velocidad sísmica y aumentan con la distancia. Un problema típico consiste en determinar la fracción de un determinado tiempo t, por ejemplo una hora, que tiene que dedicar el tractor a cada una de las dos labores, escarificado y empuje. Sean: 𝑃𝑝 la producción horaria del tractor como empujador 𝑃𝑒 la producción horaria del tractor como escarificador 𝑡𝑝 𝑦 𝑡𝑒 los tiempos dedicados a empuje y escarificado cada hora de trabajo 𝑋 la producción en empuje y escarificado, que debe ser el mismo valor Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 79

Trabajo Combinado de Escarificado y Empuje Se tiene que cumplir: 𝑡𝑒 + 𝑡𝑝 = 1 𝑋 = 𝑃𝑒 ∙ 𝑡𝑒 𝑋 = 𝑃𝑝 ∙ 𝑡𝑝

De donde: 𝑡𝑝 =

𝑃𝑒 𝑃𝑝 + 𝑃𝑒

𝑡𝑒 =

𝑃𝑝 𝑃𝑝 + 𝑃𝑒

𝑋 = 𝑡𝑒 ∙ 𝑃𝑒 =

𝑃𝑝 ∙ 𝑃𝑒 𝑃𝑝 + 𝑃𝑒

Obsérvese que si 𝑃𝑒 > 𝑃𝑝 , entonces 𝑡𝑒 < 𝑡𝑝 .

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nº 80

Tema 3: Maquinaria de Movimiento de Tierras Índice 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Conceptos Generales Clasificación de las Máquinas Selección de Máquinas Buldóceres Traíllas Excavadoras Hidráulicas Palas Cargadoras Camiones y Dúmperes

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nº 81

Traíllas Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 82

Introducción Las traíllas son máquinas de movimiento de tierras que están diseñadas para realizar funciones de arranque, carga, acarreo, descarga y extendido en capas uniformes de suelos, como arenas, arcillas, tierras en general e incluso zahorras, así como de rocas previamente escarificadas.

Las traíllas son económicas en un rango amplio de distancias de acarreo, preferiblemente entre 150 y unos 1000 metros, si bien en los equipos mayores las distancias económicas de transporte pueden alcanzar unos 1600 metros.

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nº 83

Introducción Puesto que las traíllas son una solución de compromiso entre las máquinas exclusivamente diseñadas para excavar y cargar y las máquinas de transporte, no son superiores a esos equipos en sus funciones respectivas. Las excavadoras son superiores en cuanto a rendimiento en carga. Los camiones y dúmperes pueden alcanzar velocidades mayores y son superiores económicamente a las traíllas en el transporte de materiales, especialmente en distancias grandes. Sin embargo, para el rango de distancias indicado, tener máquinas que son capaces de realizar por sí mismas las funciones de varios equipos hace que su uso sea ventajoso en muchas obras. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 84

Tipos de Traíllas Atendiendo a si pueden moverse por sí solas o no, existen dos tipos: (1) Autopropulsadas, que se denominan mototraíllas, que a su vez pueden ser: • Convencionales, con tracción delantera y un solo motor en la unidad de tracción. • de Tracción total, con dos motores, uno delantero y otro en la parte de atrás, y tracción a los dos ejes. • Con elevador de paletas para la carga. (2) Remolcadas por tractores de cadenas, adecuadas para distancias cortas. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 85

Tipos de Mototraíllas Convencionales, con un solo motor.

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nº 86

Tipos de Mototraíllas De dos motores.

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nº 87

Tipos de Mototraíllas Con elevador de paletas

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nº 88

Aplicaciones Entre las aplicaciones habituales de las traíllas están: A. Carreteras: compensación de volúmenes en la traza.

B. Aeropuertos, Polígonos: explanaciones. C. Obras Hidráulicas: excavación de canales, presas de tierra.

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nº 89

Partes Estructurales Básicamente, una mototraílla consta de tres partes:  Unidad de tracción y transmisiones  Caja  Suspensión

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nº 90

Partes Estructurales: Unidad Tractora Mueve la máquina y en ella está situada el motor y la cabina del conductor. El motor diésel es turboalimentado, para disminuir los problemas derivados de la altitud. Su potencia puede llegar a ser de hasta 600 CV. Las traíllas de dos motores llevan otro motor situado en la parte posterior a la caja, que permite un aumento de la tracción al conseguir que la carga sobre las ruedas traseras, en este caso motrices también, contribuya a la misma. Esto las hace autocargables, ayuda a reducir el tiempo de carga y mejora la capacidad de superar pendientes. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 91

Partes Estructurales: Caja La caja es el componente que lleva la carga a transportar. Está abierta por su parte superior y puede bascular, permitiendo el ascenso o descenso de su borde de ataque, provisto de una cuchilla recambiable para el corte o excavación del terreno. La caja consta de dos elementos destacados:  La compuerta, de tipo sector y situada en su parte frontal, sirve, mediante su apertura o cierre, para permitir la carga, mantenerla y descargar.  La placa eyectora, o eyector, situada en la parte posterior de la caja, puede trasladarse empujando el material hacia el exterior de la caja para conseguir su descarga. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 92

Partes Estructurales: Caja

eyector

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nº 93

Partes Estructurales: Suspensión Elemento de unión entre la caja y la unidad tractora, que tiene forma de “cuello de cisne”. En él se encuentran: A. Cilindros hidráulicos de dirección. El ángulo de giro es de 90º, de manera que puede dar la vuelta en un espacio menor que su longitud total. B. Cilindros hidráulicos de suspensión de la caja. Son dos cilindros que permiten la elevación y descenso de la caja.

C. Balancín de apertura de la compuerta de sector, que abre y cierra la misma.

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nº 94

Partes Estructurales: Suspensión

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nº 95

Ciclo de Trabajo de las Traíllas Consta de cuatro fases: 1ª Fase: Carga. • •

La caja bascula y baja Se levanta la compuerta

2ª Fase: Acarreo. • •

La caja bascula y se levanta Se baja la compuerta

3ª Fase: Descarga. • • •

La caja bascula y se baja hasta la altura deseada Se levanta la compuerta La placa eyectora fuerza al material a salir

4ª Fase: Retorno. • • •

La caja bascula y se levanta Se baja la compuerta La máquina vuelve a la zona de excavación

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nº 96

Ciclo de Trabajo de las Traíllas: Fase de Carga Una vez abierta la compuerta, se baja la caja hasta que apoye sobre el terreno y la cuchilla penetra en éste cortando una capa cuyo espesor es de unos 25 cm (hasta 33 cm, normalmente). La mototraílla corta el terreno por tongadas paralelas a la línea de pendiente. Al avanzar la máquina, el material va llenando la caja, empujado por el que sigue penetrando en ésta. Debido a que el material que va entrando en la caja se voltea en su interior al alcanzar su fondo, la resistencia a la carga depende tanto de la resistencia al corte del terreno como de la que ofrece el propio material que va llenando la caja al que va entrando. Después de cargada aproximadamente la mitad de la caja, la resistencia que opone el material que hay dentro es tan grande, que no deja entrar más material, si no se cuenta con la ayuda de un tractor empujador, que además acorta el tiempo de carga. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 97

Ciclo de Trabajo de las Traíllas: Fases de Acarreo y Retorno Una vez cargada la caja, el maquinista cierra la compuerta y acciona los cilindros de suspensión que suben la caja, quedando el conjunto apoyado en las ruedas posteriores y en las de la unidad tractora. En esta situación la mototraílla puede alcanzar velocidades de hasta 45 Km/h. En los recorridos de acarreo y retorno conviene aprovechar al máximo la velocidad que puede alcanzar la máquina, manteniendo los itinerarios en buenas condiciones con una motoniveladora dedicada. En obras de importancia conviene proyectar unas pistas de acarreo exclusivas para las mototraíllas, con curvas amplias si es posible, regándolas para evitar el polvo y con zonas de aparcamiento para el caso de averías. La amortiguación de estas máquinas no es como la de un automóvil y si hay baches, debido a su gran peso, el impacto es grande y puede ocasionar lesiones a los conductores, tema este que debe considerarse en el capítulo de seguridad e higiene. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 98

Ciclo de Trabajo de las Traíllas: Fase de Descarga Al llegar a la zona de descarga, el maquinista levanta la compuerta y entra en acción el eyector, que avanza dentro de la caja en el sentido de la marcha, expulsando el material contenido en ella por la parte delantera. Previamente, mediante los cilindros de suspensión de la caja (elevándola o bajándola) se puede regular la altura de la capa formada por el material expulsado, extendiéndose así una capa de espesor uniforme que es nivelada por la cuchilla. El espesor de la capa así formada puede ser de unos 50 cm como máximo. Es conveniente y económico aprovechar el peso de las mototraíllas para conseguir una cierta compactación previa.

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nº 99

Técnicas de Empuje con Tractor de Cadenas

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nº 100

Técnicas de Empuje con Tractor de Cadenas Las traíllas de un solo motor y tracción delantera no tienen tracción suficiente para cargar toda la caja. La misión del tractor empujador es ayudar en la carga a las traíllas convencionales. Es recomendable que los tractores vayan equipados de hoja con amortiguador, que les permite contactar con la mototraílla cuando ambas máquinas están en movimiento, hasta a 4,8 km/h. El tractor empuja sobre el “tope de empuje” de la mototraílla, situado en la parte posterior de la máquina. La intervención del tractor empujador hace que sea conveniente tener un cierto número de mototraíllas que haga que su empleo sea continuo. En la práctica, el empujador actúa hasta que ve rebosar material en la caja mientras no llegue otra traílla, en cuyo caso cesa el empuje y se prepara para la siguiente. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 101

Técnicas de Empuje con Tractor de Cadenas Es una equivocación perder tiempo completando la carga de una mototraílla en tanto que la siguiente espera, puesto que la pérdida de tiempo de una unidad en esta fase retrasa a todas las unidades, mientras que una carga incompleta no afecta a las demás. Con el fin de reducir el ciclo de carga, es muy importante dar la profundidad de corte necesaria en cada caso. Esta profundidad de corte depende de varios factores:  Tipo de material a cargar  Tiempo invertido  Potencia del tractor

El conductor de la mototraílla debe llevar la máquina de forma que sea el empujador principalmente el que realice el esfuerzo de carga, evitándose así un desgaste excesivo de los neumáticos. El conductor del empujador procurará mantener siempre la línea recta. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 102

Ciclo de Trabajo del Tractor Empujador En el sistema de carga en cadena, el tractor (P) empuja a la traílla (S1) durante el corte o carga, entre 20 y 25 metros de distancia, de (A) a (B), aunque la traílla empieza a cargar sin la ayuda del empujador, mientras éste hace su maniobra.

La maniobra del tractor debe ser la mínima, es la traílla la que lo busca. El tractor (P) retrocede en ángulo unos pocos metros, de (B) a (C), justo para dejar que la traílla siguiente (S2) vaya al corte que dejó la anterior. Puede ser en ángulo, como en la figura anterior, o marcha atrás en línea recta hasta prácticamente el punto anterior (A), dependiendo del ancho de la zona de trabajo. Si el circuito es cerrado, la traílla puede venir como la S’2. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 103

Ciclo de Trabajo del Tractor Empujador Una vez ha subido la cuchilla, después de terminada la carga, el tractor debe seguir empujando unos 5 metros, que es la distancia necesaria para que las ruedas traseras superen el escalón dejado por el corte y la traílla pueda continuar por sus medios.

El tiempo del ciclo del empujador depende de si las condiciones de carga son favorables o no, e incluye el tiempo de carga de la traílla Favorables: si el banco es amplio para realizar maniobras fáciles, terreno previamente escarificado , carga cuesta abajo y usando un tractor equilibrado con el tamaño de la traílla. Desfavorables: las condiciones opuestas. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 104

Mototraíllas con Elevador de Paletas

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nº 105

Mototraíllas con Elevador de Paletas Son mototraíllas que pueden realizar la carga por sí solas. La potencia necesaria en la fase de carga se debe a la resistencia que ofrece el material al corte, al rozamiento de la cuchilla con el terreno y al rozamiento interno del material que está penetrando en la caja con el previamente cargado. Con el objeto de aumentar la producción y reducir estas resistencias, se ha desarrollado la mototraílla con elevador de paletas que, montado en la parte delantera de la caja, tiene la misión de facilitar la carga. Las principales diferencias de estas traíllas con las traíllas convencionales se presentan en la forma de cargar y de descargar.

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nº 106

Mototraíllas con Elevador de Paletas Carga sin ayuda la mayor parte de los materiales, salvo aquellos que presentan fragmentos demasiado grandes. Aunque el elevador produce un desmenuzamiento del material que hace que la caja se llene de forma más completa, no puede triturar la roca. Elevador de paletas. Es un elevador en el que las paletas (2) van montadas sobre dos cadenas sin fin, que están dotadas de movimiento propio accionadas mediante un motor hidráulico colocado en la parte superior del elevador, de modo que las paletas empujan el material hacia el interior de la caja. Cuando el elevador se encuentra con una piedra grande, gracias a un dispositivo que hace que se eleve su parte inferior, permite que penetre la piedra sin dañarlo y vuelve rápidamente a su posición inicial. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 107

Mototraíllas con Elevador de Paletas La situación del elevador en la parte delantera hace que no sea utilizable el sistema de descarga usado en mototraíllas convencionales (abriendo la compuerta de sector). Para la descarga, el fondo de la caja se desplaza hacia atrás, a la vez que el eyector empuja el material directamente sobre el terreno, donde es extendido y nivelado por el borde posterior.

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nº 108

Mototraíllas de Empuje y Tiro (Push-Pull)

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nº 109

Mototraíllas de Empuje y Tiro (Push-Pull Scrapers) Las mototraíllas de dos motores permiten aprovechar el peso total de la máquina para obtener esfuerzo de tracción y esto unido a su gran potencia, les permite ser autocargables sin ayuda de tractor empujador. Una mototraílla de dos motores se complementa con una segunda mototraílla dispuesta en tándem con la primera, trabajando de forma conjunta, y reciben el nombre de mototraíllas de empuje y arrastre. La fase de carga se lleva a cabo en dos etapas: 1ª Etapa: La mototraílla trasera vacía empuja a la delantera mientras ésta carga, hasta que está totalmente cargada.

2ª Etapa: La mototraílla delantera, ya cargada y con la caja elevada, tira de la trasera mientras ésta carga.

De esta manera utilizan conjuntamente la potencia de ambas para cargar cada una. Concluida la fase de carga, se desenganchan y terminan su ciclo por separado. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 110

Mototraíllas de Empuje y Tiro (Push-Pull)

Dispositivo de acoplamiento. La traílla lleva en su parte delantera el elemento de enganche, constituido por un tope elástico de empuje y un fiador; y en la parte trasera el gancho. Para la unión de ambas mototraíllas, baja el fiador y se engancha a la de delante. Este enganche es automático, al chocar una con otra, y el desenganche lo hace el conductor desde la cabina actuando sobre un cilindro neumático. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 111

Comparación de los Tipos de Mototraíllas La utilización económica de los distintos tipos de mototraíllas depende de varios factores:

 Naturaleza del terreno a excavar  Grado de compensación y volumen del movimiento de tierras

 Estado y pendientes de los trayectos  Distancias de acarreo

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nº 112

Comparación de los Tipos de Mototraíllas Las traíllas pueden utilizarse para excavar y cargar una gama amplia de materiales, incluidos terrenos de tránsito previamente escarificados y roca de voladura con grados de fragmentación tales que los tamaños no superen la abertura de entrada de la caja. Los materiales ideales para cargar mototraíllas son los arcillosos ligeros secos. Los arenosos secos y limpios y los arcillosos húmedos se cargan mal. La carga de los terrenos arenosos secos se facilita regando previamente, lo que mejora su posterior compactación. Los materiales muy pegajosos se quedan adheridos a la caja, paletas, etc. y disminuyen los rendimientos. En terrenos pizarrosos y con un ángulo de estratificación no muy elevado, se carga bien el material aunque no se consiguen buenos rendimientos. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 113

Comparación de los Tipos de Mototraíllas En terrenos duros es muy conveniente escarificar previamente al corte, para aumentar la profundidad del mismo y reducir la longitud de carga y, por tanto, el tiempo que se dedica a ésta. Cuando se escarifica, no debe haber interferencia entre las labores de corte y escarificado. Si el terreno se humedece mal, el escarificado permite una mejor penetración del agua y se disponen cisternas regadoras delante de la traílla en el corte, que complica los trabajos pero facilita la carga. La tabla y figura siguientes resumen las consideraciones anteriores.

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nº 114

Comparación de los Tipos de Mototraíllas

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nº 115

Comparación de los Tipos de Mototraíllas La utilización de mototraíllas resulta más rentable económicamente en la medida en que el movimiento de tierras a realizar tenga o se aproxime a las siguientes características:  Se trata de una obra lineal o de una explanación que afecta a una longitud o superficie media o grande.  Dado que la máquina realiza la excavación, acarreo y extendido, su uso es más interesante cuanto mayor es el grado de compensación a alcanzar. Si el material se destina a vertedero, tiene menos interés.  Su utilización es más rentable cuanto mayor es el volumen de tierras a mover. Se ha dicho que su utilización en una obra es rentable a partir de unos 500.000 m3. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 116

Comparación de los Tipos de Mototraíllas Hay que procurar que el recorrido de las traíllas sea exclusivo, diferente del utilizado por otros vehículos, y, si es posible, sea un circuito cerrado, es decir, que haya una pista de acarreo y otra de retorno. El estado de las pistas es importante, pues influye en las velocidades que pueden alcanzarse (resistencia a la rodadura) y en el desgaste de los neumáticos. En este sentido, conviene que tanto la zona de corte como la de acarreo estén bien niveladas, sin baches, zanjas o piedras, así como libres de polvo, para lo que pueden utilizarse una motoniveladora y una cisterna. Las pendientes no pueden ser excesivas, pero esto depende del tipo de traílla. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 117

Comparación de los Tipos de Mototraíllas La tabla siguiente resume estos y otros valores máximos, como distancias económicas de acarreo y disponibilidad mecánica:

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nº 118

Comparación de los Tipos de Mototraíllas

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nº 119

Comparación de los Tipos de Mototraíllas

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nº 120

Capacidad de las Traíllas Los fabricantes dan para cada modelo las siguientes capacidades:  La máxima carga, en kg, que puede llevar  Capacidad al ras, en m3.  Capacidad colmada, en m3, para una geometría determinada que viene definida por la normativa.

Naturalmente, las capacidades al ras y colmada se refieren a volumen de material suelto o excavado.

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nº 121

Capacidad de las Traíllas Este ángulo de talud, 1:1, es un ángulo al que se ajustan bien la mayor parte de suelos usuales, pero puede variar con el tipo de material.

En las mototraíllas que se cargan con la ayuda de tractor empujador, debido al efecto de compactación sobre el material presente en la caja que ejerce el material que va entrando en la misma, el esponjamiento es algo menor que el del material vertido sobre un camión por una excavadora. Se recomienda aumentar los factores de esponjamiento habituales en un 10%.

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nº 122

Producción de las Traíllas Se calcula por el método general:

60 𝑃=𝐶∙ ∙ 𝑓ℎ 𝑇𝐶 o bien,

60 𝑃=𝐶∙ ∙ 𝑓ℎ ∙ 𝐹𝑤 𝑇𝐶

(en m3 E)

(en m3 B)

Para determinar el tiempo del ciclo se toman como tiempos fijos los de carga, descarga, aceleraciones, desaceleraciones, frenados y giros; y como tiempos variables los de acarreo y retorno, que dependen de la distancia de acarreo y de las velocidades que puede alcanzar la traílla en los trayectos de acarreo y retorno. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 123

Producción de las Traíllas Resulta importante estimar estas velocidades en función de las condiciones del trayecto:  Resistencia a la rodadura  Pendientes (si se vuelve por el mismo camino, serán de distinto signo)  Coeficientes de tracción

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nº 124

Producción de las Traíllas Para los tiempos fijos pueden tomarse los valores proporcionados por la siguiente tabla, tanto en mototraíllas convencionales con tractor empujador como en las de dos motores o con elevador de paletas.

Cuando dos traíllas de dos motores trabajan por el método de empuje y tiro, el tiempo de carga para cada una es la mitad del que recoge la tabla. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 125

Número Óptimo de Mototraíllas

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nº 126

Número Óptimo de Mototraíllas Un tractor empujador debe aprovecharse para asistir a varias traíllas, normalmente de 3 a 5, dependiendo de la distancia de acarreo. Con el fin de que no se produzcan esperas de las traíllas ni del tractor, hay que calcular el número óptimo de traíllas que operarán con un tractor, que es un número ideal o teórico, no entero, que después habrá que redondear al número entero más conveniente. Este tipo de problemas se resuelve aplicando el principio de equilibrio: Si se consideran dos conjuntos de máquinas con N1 y N2 unidades, que interaccionan durante una parte de sus ciclos, deben funcionar de forma perfectamente sincronizada y tienen, respectivamente, tiempos de ciclo T1 y T2, se tiene que cumplir que sus frecuencias sean iguales: 𝑓1 = 𝑓2 , siendo: 1 𝑓1 = 𝑁1 ∙ ; 𝑇1 Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

1 ; 𝑓2 = 𝑁2 ∙ 𝑇2

de donde:

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𝑁1 = 𝑁2 ∙

𝑇1 𝑇2

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nº 127

Número Óptimo de Mototraíllas Aplicándolo al caso de las traíllas, se tiene:

donde:

𝑇𝑆 𝑁𝑆 = 𝑁𝑃 ∙ 𝑇𝑃 𝑁𝑆 = número de traíllas que puede empujar un tractor 𝑁𝑃 = número de empujadores 𝑇𝑆 = tiempo del ciclo de la traílla 𝑇𝑃 = tiempo del ciclo del empujador

Si 𝑁𝑃 = 1, se obtiene:

𝑁𝑆 = 𝑁ó𝑝𝑡

𝑇𝑆 =1∙ 𝑇𝑃

𝑁ó𝑝𝑡 es, en general, un número no entero y según se tome 𝑁𝑆 > 𝑁ó𝑝𝑡 o 𝑁𝑆 < 𝑁ó𝑝𝑡 , se tiene: * En todo caso, debe analizarse la economía derivada de cada una de las dos opciones (€/m3).

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* *

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nº 128

Número Óptimo de Mototraíllas La determinación de 𝑁𝑆 puede hacerse también imponiendo la condición de que el factor de acoplamiento, MF, sea óptimo, es decir, igual a la unidad 𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑝𝑜 1 𝑀𝐹 = =1 𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑝𝑜 2

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nº 129

Curva de Incremento de Carga En principio puede parecer que el coste más bajo se obtendría cargando la caja al máximo antes de que se termine la fase de carga. Sin embargo, ensayos realizados demuestran que la capacidad máxima reduce la producción en lugar de aumentarla. Esto es debido a que inicialmente el material entra fácilmente, pero a medida que se va llenando la caja, el de nueva entrada encuentra mayor resistencia y el ritmo de carga disminuye, de modo que aumenta el tiempo de carga. Con los resultados de los ensayos en obra puede establecerse la relación entre carga y tiempo, que es la curva de incremento de carga. Se empuja una traílla durante 0,1 minutos y se pesa la carga, tomando la medida de diferentes pruebas. Se repite este procedimiento, aumentando el tiempo de carga por incrementos de 0,1 minutos, sucesivamente hasta que Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 130

Curva de Incremento de Carga se comprueba que no hay aumento de la carga. Se dibuja la curva obtenida que es la curva de incremento de carga.

La curva de incremento de carga se complementa con una tabla que puede construirse para cada caso concreto de distancia de acarreo, en la que se determinan y recogen las producciones correspondientes a cada tiempo de carga, y de la que se puede obtener la producción máxima y el tiempo óptimo de carga Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 131

Curva de Incremento de Carga La curva siguiente muestra cómo varía el tiempo óptimo de carga y la producción máxima con la distancia para una traílla de 15 m3 de capacidad. A cada distancia le corresponde un tiempo óptimo que aumenta al aumentar la distancia, lo que es lógico pues va teniendo más importancia relativa el tiempo de acarreo en el tiempo total, y la producción decrece.

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nº 132

Ventajas e Inconvenientes Entre las ventajas de este tipo de equipos están: a. Independencia: en la medida en que pueden cargar por sí solas, no dependen de otros equipos b. Compromiso entre mejor carga y mejor acarreo c. Depositan la carga en capas delgadas uniformes que facilitan las operaciones de extendido d. Alta producción en condiciones favorables con economía en mano de obra e. Descargan al progresar sobre la traza y van realizando una compactación previa al ir circulando f. Son rentables hasta unos 1600 metros de distancia de acarreo Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 133

Ventajas e Inconvenientes Entre los inconvenientes que presentan están: a. Limitación en la profundidad de corte b. Sensibles a las condiciones meteorológicas, con bajo aprovechamiento cuando persisten las lluvias c. Poca altura libre sobre el suelo, lo que exige pistas bien cuidadas y niveladas d. Necesidad de conductores experimentados e. Maquinas de elevado coste de adquisición y operación f. Mayor consumo de combustible que otros medios de transporte (1l/m3B en 300-400 m de distancia frente a 0,65 l/m3B en el caso de los dúmperes) g. Pueden averiarse y conviene tener una de repuesto Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 134

Tema 3: Maquinaria de Movimiento de Tierras Índice 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Conceptos Generales Clasificación de las Máquinas Selección de Máquinas Buldóceres Traíllas Excavadoras Hidráulicas Palas Cargadoras Camiones y Dúmperes

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nº 135

Excavadoras

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nº 136

Introducción Las excavadoras hidráulicas son máquinas diseñadas para excavar el terreno y se llaman hidráulicas porque sus equipos de trabajo son accionados por circuitos y cilindros hidráulicos. Excavan en posición fija, moviendo únicamente la parte superior de la máquina. Cuando el frente de excavación queda fuera de su alcance, la máquina se traslada a una nueva posición de trabajo. También se utilizan en canteras para la carga de roca previamente volada. Es una máquina versátil que puede usarse con distintos equipos de trabajo (como grúa, como martillo rompedor, con mandíbulas). Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 137

Tipos de Excavadoras Se distinguen distintos tipos de excavadora según sea el equipo de trabajo que incorporan o el tren de rodaje para su desplazamiento:

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nº 138

Tipos de Excavadoras

Retroexcavadora sobre ruedas  Únicamente son del tipo retroexcavadoras  Necesitan apoyos estabilizadores

Retroexcavadora sobre cadenas

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nº 139

Tipos de Excavadoras

Excavadora de empuje frontal Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 140

Aplicaciones con Equipo de Empuje Frontal El cazo está colocado con los dientes orientados hacia fuera de la máquina, para el arranque el cazo se mueve alejándose de la máquina, elevándose en un plano superior al de sustentación de la máquina. Sus aplicaciones son:  Excavación por encima del plano de apoyo de la máquina de bancos en altura.  Carga de fragmentos de roca en frente de excavación después de realizada la voladura.

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nº 141

Aplicaciones con Equipo Retro El cazo tiene los dientes orientados hacia la máquina. El arranque se lleva a cabo acercando el cazo hacia la máquina desde un plano inferior al de sustentación de la máquina, con recorrido de abajo hacia arriba; y si hay un frente en un plano superior (situación poco frecuente), lo hace de arriba abajo. Sus aplicaciones principales son:  Excavaciones por debajo del plano de apoyo de la máquina  Excavación de paredes verticales estables  Zanjas destinadas a tuberías y otras conducciones  Excavación de cimientos para edificios  Refino de taludes Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 142

Equipos de Trabajo

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nº 143

Equipos de Trabajo

a) Pluma: su elevación y descenso se produce por la acción de un par de cilindros (1). Puede estar formado por dos piezas (A y B) o ser monobloque.

b) Brazo: es el elemento C, articulado en ambos extremos, que une la pluma y el cazo o cuchara. Su movimiento se produce por la acción del cilindro hidráulico 2. c) Cazo: puede ser de dos tipos: cazo convencional, que para descargar bascula por el giro producido por el cilindro hidráulico 3; cazo de descarga por el fondo o cazo 4 en 1, de uso exclusivo en excavadoras de empuje frontal. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 144

La Figura muestra la ficha técnica proporcionada por un fabricante para una de sus retroexcavadoras. La máquina puede utilizar varios brazos que tienen distintas longitudes y, por tanto, distintos alcances y fuerzas de excavación. La ficha proporciona los parámetros funcionales más importantes, como la profundidad máxima de excavación, etc.

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nº 145

Equipos de Trabajo: Martillo Rompedor Hidráulico

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nº 146

Equipos de Trabajo: Grúa

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nº 147

Equipos de Trabajo: Cuchara bivalva

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nº 148

Capacidad del Cazo

La capacidad del cazo se establece de forma normalizada, definiéndose dos valores para la misma:  Capacidad a ras  Capacidad colmada, que se utiliza para calcular la producción Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 149

Ciclo de Trabajo El ciclo de trabajo consta de cuatro fases:  Fase A: La máquina hinca los dientes del cazo en el terreno y lo mueve en el frente de excavación cargándolo.  Fase B: Una vez cargado, eleva el cazo, mediante la elevación de la pluma y brazo, al tiempo que gira la superestructura hasta la posición de descarga.  Fase C: Colocado el cazo sobre la caja del camión, se procede a la descarga basculando o por el fondo.  Fase D: Descargado el cazo, la superestructura gira hacia el frente de excavación al tiempo que baja el cazo para situarse en posición para comenzar el siguiente ciclo. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 150

Producción: Factores de que Depende La producción de una excavadora depende de los siguientes factores:  Capacidad del cazo: que debe estar en correspondencia con la altura del frente de excavación.  Grado de llenado: depende de la naturaleza del material y se considera a través del factor de llenado, 𝑓𝑙𝑙 .  Capacidad del medio de acarreo: debe ser de 3 a 6 veces la del cazo.  Duración del ciclo de trabajo: a menor tiempo del ciclo, mayor producción.  Ángulo de giro: conviene reducir el ángulo de giro. En las tablas utilizadas para evaluar la producción se supone de 90º.  Organización de la obra: se tiene en cuenta a través del factor 𝑓𝑚 . Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 151

Producción: Factores de que Depende La producción de una excavadora depende de los siguientes factores:  Carrera: se llama carrera al recorrido que realiza el cazo una vez ha penetrado en el material y hasta que cesa la operación de corte y debe coincidir con la altura del frente de excavación, 𝐻. Por otra parte, se denomina carrera óptima a aquella en la que se consigue el llenado total del cazo en un solo recorrido de la misma, sin que sobre o falte material. Para que esto suceda, la capacidad del cazo debe ser proporcionada a la altura del frente. La producción depende de entonces de la relación de la carrera a la óptima 𝐻/𝐿. 𝐶 𝐿= 𝑎∙𝑙

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En excavadoras se estima que la carrera óptima se sitúa entre el 30 y el 50% de la altura máxima de excavación, siendo los valores menores representativos de materiales más fáciles de excavar. En retroexcavadoras, entre el 40 y el 60% de la profundidad máxima de excavación que debe corresponderse con la longitud del brazo

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nº 152

Producción de una Excavadora La producción de una excavadora puede evaluarse mediante la ecuación: 3600 3 𝑚 𝐸 𝑃( ℎ) = 𝐶 ∙ 𝑓𝑙𝑙 ∙ 𝑇𝐶 ∙ 𝑓𝐺 ∙ 𝑓𝐻/𝐿 ∙ 𝑓𝑚 ∙ 𝑓ℎ 3 3 𝑃 𝑚 𝐵 ℎ = 𝑃(𝑚 𝐸 ℎ) ∙ 𝐹𝑊

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nº 153

Producción de una Excavadora

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nº 154

Producción de una Excavadora

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nº 155

Producción: Influencia de los Desplazamientos El número de desplazamientos en una hora

𝑃 𝑁= 𝑉0 El volumen que puede excavar sin moverse Puede calcularse como:

𝑉0 = 𝐿 ∙ 𝐻 ∙ 𝐼0

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nº 156

Producción: Influencia de los Desplazamientos

Si 𝑁 es superior a estos valores, la producción puede calcularse como: 𝑃 = 𝐶 ∙ 𝐹𝑊 ∙

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3600 − 𝑁 ∙ 𝑡𝑑 ∙ 𝑘 ∙ 𝑓ℎ ∙ 𝑓𝑚 𝑇𝐶

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nº 157

Tema 3: Maquinaria de Movimiento de Tierras Índice 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Conceptos Generales Clasificación de las Máquinas Selección de Máquinas Buldóceres Traíllas Excavadoras Hidráulicas Palas Cargadoras Camiones y Dúmperes

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nº 158

Cargadoras Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 159

Introducción Las cargadoras son máquinas autopropulsadas, equipadas con cuchara frontal y brazos accionados por cilindros hidráulicos. La función principal de estas máquinas es cargar materiales sueltos, transportarlos a distancias muy pequeñas y descargarlos sobre medios de transporte (camiones o dúmperes) o sobre tolvas de altura limitada. Hay dos tipos de cargadoras:

 Sobre ruedas (más utilizadas)  Sobre cadenas

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nº 160

Introducción Debido a la elevada fuerza de sus cilindros es capaz también de arrancar material en perfil de no mucha resistencia. El equipo de trabajo consta de:

 Mecanismo de elevación  Mecanismo de volteo

 Cuchara  Puede llevar otros accesorios (escarificador)

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nº 161

Aplicaciones Debido a la gran anchura de las cucharas, la fuerza de arranque es menor que la de las excavadoras y se utilizan menos en excavación. Las aplicaciones principales son:  Cargando el material excavado por tractores de cadenas en camiones.  En desmontes o canteras, cargando la roca volada con explosivos, con cuchara adecuada y neumáticos protegidos con tejas o cadenas protectoras.  Cargan y manejan grandes bloques de roca (escolleras).  Desbroce de tierra vegetal.  Alimentación de tolvas con material suelto en plantas de tratamiento de áridos o de aglomerado asfáltico.

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nº 162

Parámetros Funcionales Algunos parámetros funcionales que caracterizan estas máquinas son: Altura de descarga: altura máxima desde la superficie del terreno hasta el borde de la cuchara en su posición volcada, habiendo levantado al máximo posible los brazos de elevación (D en la figura). Alcance: distancia máxima entre la línea vertical tangente al borde delantero de la rueda y la vertical que pasa por el extremo del diente, estando la cuchara volcada y en su posición más alta (F en la figura. Carga de vuelco: peso mínimo que, actuando en la posición más adelantada de los brazos, produce el levantamiento de las ruedas traseras de la máquina Carga máxima operacional: carga de trabajo que suele tomarse del 50% de la carga de vuelco en las cargadoras de ruedas. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 163

Tipos de Cucharas Cuanto más anchas menor es la fuerza de arranque que pueden ejercer. Por este motivo se utilizan cucharas anchas para cargar arenas o gravas sueltas y, en cambio, para excavar materiales más consistentes se usan cucharas más estrechas. Se emplean básicamente dos tipos de cucharas: convencionales, que pueden tener el borde recto o en v, y de usos múltiples.

Cuchara convencional de borde recto y cuchara de usos múltiples

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nº 164

Ciclo de Trabajo El ciclo de trabajo consta de cuatro fases:  Carga: La máquina avanza y clava los dientes en el material con la cuchara baja, la llena y la pone boca arriba elevándola ligeramente.  Acarreo: La máquina retrocede con la cuchara llena al tiempo que la eleva y bascula para que el material cargado no se derrame, y transporta el material a pequeñas distancias.  Descarga: Colocado junto al medio de transporte, bascula la cuchara para depositar el material en la caja del mismo.  Maniobra: Retrocede y maniobra al tiempo que baja la cuchara y se dirige de nuevo hasta el frente de llenado para empezar un nuevo ciclo. Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 165

Ciclo de Trabajo

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nº 166

Tiempo del Ciclo El tiempo del ciclo de trabajo de la cargadora tiene tres componentes: 1. Tiempo fijo: es el invertido en la carga, en maniobras con cuatro cambios de dirección y en la descarga. 2. Tiempo de ida: el invertido en el desplazamiento hasta el medio de transporte cuando va cargada. 3. Tiempo de vuelta: el invertido en el desplazamiento de vuelta al frente de carga, que realiza sin carga.

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nº 167

Producción La producción de la cargadora depende de varios factores:  Capacidad y grado de llenado de la cuchara  Velocidad de maniobra y elevación  Método de carga: carga en V:

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nº 168

Producción Los fabricantes ofrecen cucharas de distintos volúmenes, que se utilizan según el tipo de material a cargar. Como la carga máxima operacional para un modelo de cargadora es un valor determinado, se elige la capacidad en volumen que corresponda a la densidad del material a cargar. La cuchara se llena más o menos según el tipo de material a cargar. Esto se tiene en cuenta a través del factor de llenado, 𝑓𝑙𝑙 : 𝐶𝑒𝑓 = 𝐶 ∙ 𝑓𝑙𝑙 Gabriel Bravo Aranda Profesor Titular de Ingeniería de la Construcción

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nº 169

Producción Si hay acarreo de los materiales a corta distancia, el número de ciclos por hora puede calcularse con las siguientes ecuaciones:  Cargadoras de cadenas: 𝑁=

 Cargadoras de ruedas:

𝑁=

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𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎𝑑𝑎 = 3

𝐾𝑚 𝐾𝑚 = 50 m/min; 𝑉𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎𝑑𝑎 = 6 = 100𝑚/𝑚𝑖𝑛 ℎ ℎ

60 𝑑 𝑑 0,6 + + 100 50

𝑉𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎𝑑𝑎 = 4,8

𝐾𝑚 𝐾𝑚 = 80 m/min; 𝑉𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎𝑑𝑎 = 10,8 = 180𝑚/𝑚𝑖𝑛 ℎ ℎ

60 𝑑 𝑑 0,5 + 80 + 180

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nº 170

Producción La producción se obtiene como: 𝑃 = 𝐶 ∙ 𝑓𝑙𝑙 ∙ 𝑁 ∙ 𝑓ℎ = 𝐶 ∙ 𝑓𝑙𝑙 ∙

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60 ∙𝑓 𝑇𝐶 ℎ

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nº 171

Tema 3: Maquinaria de Movimiento de Tierras Índice 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Conceptos Generales Clasificación de las Máquinas Selección de Máquinas Buldóceres Traíllas Excavadoras Hidráulicas Palas Cargadoras Camiones y Dúmperes

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nº 172

Camiones y dúmperes

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Introducción • Camiones: – Adecuados para acarrear material a distancias mayores que buldóceres, traíllas y mototraíllas. – Elevada velocidad de transporte y menor coste unitario. – Gran flexibilidad • Variando el nº de camiones modificamos la capacidad de acarreo de la flota.

– La mayoría pueden circular sobre cualquier superficie de rodadura que sea firme y suave, con pendiente moderada. 173

Introducción • La distancia es un factor clave para seleccionar las unidades de acarreo.

174

Tipos de camiones Camión con caja basculante • Bastidor rígido con caja basculante • Seopan 06.02.00

Tractocamión con “bañera” • Semirremolque con caja basculante • Seopan 06.04.00

Dúmper Articulado • Bastidor articulado. Hasta 40 t • Seopan 04.07.04

Dúmper Rígido • Bastidor rígido. 30 t -95 t (obra civil), hasta 350 t (minería) • Seopan 04.07.00 175

Tipos de camiones – Intraviales • Cumplen los requisitos legales (masa máxima autorizada MMA o PMA, masa máxima por eje, dimensiones geométricas –anchura, altura, longitud, radios de giro, separaciones entre ejes, etc.) para poder circular por carretera. • Tipos: – Camión con caja basculante (camión volquete) – Tractocamión con semiremolque basculante (“bañera”)

– Extraviales • Superan tamaño y/o peso legales permitidos en carreteras – Estructura reforzada. Adecuados para transportar rocas. – Uso en canteras y grandes proyectos.

• Dúmperes (volquetes) extraviales rígidos o articulados. 176

2.1. Tipos de camiones – Requisitos legales para circular por carretera. Anexo IX, Reglamento General de Vehículos (RD 2822/98) • Masas máximas por eje 11,5 Tm 10 Tm d 3m

179

2.1. Tipos de camiones – Requisitos legales para circular por carretera. Anexo IX, Reglamento General de Vehículos (RD 2822/98) • Dimensiones geométricas – Anchura máxima: 2,55 m (2,60 en ciertos casos) – Altura máxima: 4 m (4,20 y 4,50 en ciertos casos). – Radio de giro: trayectoria circular completa (360º) en ambas direcciones dentro del área entre dos círculos concéntricos de radios 12,50 y 5,30 metros.

• Otros – Presión máxima en la superficie de contacto: 9 kg/cm2 » Vehículos oruga: banda elástica de contacto exterior con pavimento.

180

Tipos de camiones • Camión con caja basculante (camión volquete) – Intraviales, con bastidor rígido. – De 2 a 5 ejes, con 1 a 4 ejes tractores: • 4×2, 4×4, 6×2, 6×4, 6×6, 8×2, 8×4, 8×6, 8x8, 10x4

– Capacidades usuales: 8 m3,13.5 m3,16 m3, 20 m3 – Fabricación: chasis + caja • Chasis: fabricantes de camiones • Cajas: pueden ser fabricadas por otra empresa diferente (carrocera), que las monta sobre un chasis. • Homologación del conjunto.

181 P.ej. voltrailer HV-450 8x4, capacidad entre 13 y 20 m 3

Tipos de camiones • Fabricantes de camiones – Iveco, Renault trucks, Volvo, Mercedes Benz, Scania, MAN, DAF

• Fabricantes de cajas, carroceros – Voltrailer, Lecitrailer, Leciñena, Montalban mtb, Tisvol, Fruehauf, Rojo, Volquesur, Carrocerías César, Granalú, – Schmitz-Cargobull, Meiller-tipper, KH-kipper, Benalu, Galucho, Fliegl trailer, Trailor (groupe-bgi), Koegel

Tipos de camiones • Camiones Dúmper – Son unos camiones muy reforzados y robustos, de mayor tara que los camiones basculantes y más apropiados para circular por pistas interiores de obra en mal estado, aunque pueden circular por carretera. – Pueden transportar por carretera una carga de unas 13 Tn, y una carga mayor cuando circula por pistas de obra (18 a 28 Tn).

Tipos de camiones • Dúmper extravial rígido

Transporte a obra por carretera con semirremolques góndola (plataforma, de fondo bajo)

Es un camión basculante muy reforzados y robustos, con relaciones tara/carga de 0,75 (0,5 en camiones) y velocidades de hasta 60 km/h. 184

Tipos de camiones • Dúmper extravial articulado (lagarto) – Diseñado para terrenos con alta RR (blando/fangoso) • Articulación entre el tractor y el remolque, para que todas las ruedas mantengan contacto con el terreno en todo momento • Tracción a todas las ruedas. Neumáticos de baja presión. • Ventaja: supera mayores pendientes que dúmper rígido. • Inconveniente: menor velocidad (a = RT); menor capacidad carga.

185

Tipos de camiones • Dúmper extravial articulado

Transporte a obra por carretera con semirremolques góndola (transporte especial)

186

Capacidad de un camión • El peso máximo puede limitar el volumen a transportar (p.ej. materiales muy densos: mena, arena húmeda). – Comprobar que: Wcarga=ρ·Vcarga≤ Wmáx

• No es económico sobrecargar el vehículo – Mayor desgaste de los neumáticos y del vehículo (reduce su vida útil y aumenta gasto en reparaciones de averías)  mayor coste en €/m3 transportado.

187

Capacidad de un camión • Algunos valores típicos – Vehículos Viales (capacidad a ras, m3) • Camión Volquete • Camión Bañera

13,5 m3 24,0 m3

– Vehículos Extraviales (capacidad colmada 2:1 según SAE, m3) • Dúmper 35 t • Dúmper 50 t • Dúmper 90 t

23,0 m3 34,0 m3 60,0 m3

188

Ciclo de trabajo de un camión 1. Posicionamiento y carga 2. Acarreo

3. Maniobra y descarga

4. Regreso 189

Ciclo de trabajo de un camión • Paso 1: Nº de cucharas (bucket loads) – Número de cucharas para llenar el camión, Nc Nc,max  min  N c1, N c 2  Nº máximo de cucharas que admite el camión sin superar su capacidad (peso y volumen)

N c1 

Vcam Llenado de todo el Vcuchara  Fllenado cuchara volumen de la caja del

Wútil,cam N c2  Wcuchara

camión

Llenado hasta el máximo peso

– Nc debe ser un nº entero, pero normalmente no sale entero  habrá que redondear: ρE : densidad esponjada tierras • Redondeo hacia arriba = Carga incompleta de la última cuchara (o rebose de material). El camión se llena hasta su máxima capacidad: Vtransp=min(Vcamión ; Wcamión/ρ) • Redondeo hacia abajo= Cucharas completamente llenas. El camión no se llena hasta su máxima capacidad: Vtransp=NcxVcucharaxFllenado cuchara

190

Ciclo de trabajo de un camión • Paso 1: Nº de cucharas (bucket loads) • Las condiciones de trabajo, p.ej. pendientes elevadas o congestión de la zona de carga (bunching), hacen recomendable no llenar los camiones hasta su capacidad máxima.

– Regla práctica: llenar el camión con 4, 5, ó 6 cucharas completas de la cargadora.

191

Ciclo de trabajo de un camión • Paso 2: Tiempo de carga

Tcarga  N c  Tciclo cargadora Tiempo de ciclo de la cargadora

• Además, hay que añadir: – Tiempo de espera • Depende de la distancia de acarreo y de la organización del tajo (p.ej. área de excavación congestionada). • Estimar Tespera de 0.5 a 2.0 min.

– Maniobras de posicionamiento en zona de carga • El camión tiene que realizar maniobras para posicionarse en la zona de carga  incluir Tmaniobras. 192

Ciclo de trabajo de un camión • Paso 2: Tiempo de carga – Maniobras de posicionamiento en zona de carga: • Estimación de Tmaniobras: Entrada marcha atrás, estimar 0.5 min.

Entrada de frente, estimar 0.25 min.

193

Ciclo de trabajo de un camión • Paso 3: Tiempo de ida (camión cargado) d ida  km   min  Tida,t   60   km    h  vida   h   – vida depende de: resistencia total (RT) en el camino de ida, peso cargado y características camión

• Paso 4: Tiempo de vuelta (camión vacío) d vuelta  km   min  Tvuelta,t   60   km h     vvuelta   h   – vvuelta depende de: RT en el camino de vuelta, peso 194 vacío y características camión Tema 2.3en 9-may-13

Ciclo de trabajo de un camión – vida y vvuelta: estimadas con curvas del comportamiento o con la potencia del camión • No tienen en cuenta aceleraciones y deceleraciones • Tampoco tienen en cuenta que las condiciones del trayecto y la seguridad pueden limitar la velocidad – Caminos estrechos – Congestión – Señales de tráfico en carreteras públicas

Tema 2.3 9-may-13

195

Ciclo de trabajo de un camión • Paso 5: Tiempo de descarga – Depende del tipo de camión y de la congestión de la zona de descarga • En zonas de descarga suele haber equipo auxiliar (bulldozers o motoniveladoras extendiendo el material, compactadoras) • Tiempos de maniobra y descarga (estimación, Peurifoy): – Vehículos de descarga trasera: tienen que posicionarse previamente (parar + retroceder una cierta distancia) » Condiciones favorables: T=0.7 min » Condiciones desfavorables: T=1.5 min

– Vehículos de descarga inferior: descargan mientras se mueven » Condiciones favorables: T=0.3 min » Condiciones medias: T=0.6 min » Condiciones desfavorables: T=1.5 min 196

Ciclo de trabajo de un camión • Paso 5: Tiempo de descarga • Otra estimación de Tdesc para camiones de descarga trasera. – Dúmperes 1.0 min. – Camiones 1.5 min. – "Bañeras" 2.5 min.

– Factores específicos de proyecto: • Condiciones de la superficie de rodadura en la zona de vertido. • Congestión de la zona de vertido.

Tema 2.3 9-may-13

197

Ciclo de trabajo de un camión • Paso 6: Tiempo de ciclo Tciclo cam  Tcarga  Tida  Tdescarga  Tvuelta

198

Producción de un camión • Producción de un camión: 3 3 V m E m E transp   min  Pcam   f h,cam   X 60 min/h   h   h  Tciclo cam  min 

f h,cam

factor de eficiencia horaria del camión (min/h)

• Producción de una flota de Ncam camiones iguales: – Suponiendo que todos ellos tienen la misma eficiencia horaria

Ptransp  N cam  Pcam 199

Producción de un camión • Eficiencia horaria: – Tres factores críticos a considerar: • Congestión (bunching) – En el punto de equilibrio entre cargadora y camiones, la congestión produce una reducción de la producción de 10 a 20%. – Si hay camiones extras, el efecto se reduce porque siempre hay una cola de camiones esperando para ser cargados.

• Conductor – Normalmente, mayores distancias de acarreo conllevan una mejor eficiencia del conductor. A partir de 2.4 km la eficiencia del conductor no crece más, y permanece constante.

• Disponibilidad de los equipos – Condiciones del equipo, mantenimiento y repostaje, descansos del conductor. – Roturas. Si solo hay una máquina de un tipo (p. ej. 200 excavadora), su rotura paraliza la producción.

Producción de un camión • Otros factores que influyen en la producción: – Posicionamiento del camión para cargarlo • Más eficiente si se posiciona el camión sin dar marcha atrás (menos tiempo). También es más seguro.

– Alcance de la excavadora-cargadora • Comprobar que la cargadora tiene alcance suficiente (distancia horizontal desde las ruedas delanteras hasta el borde de la cuchara, con el brazo completamente elevado y la cuchara en posición de descarga a 45º)

– Altura de descarga de la cuchara • Debe ser mayor que la altura de las paredes del camión – Si no es suficiente, se puede construir una rampa

– Ancho de la cuchara • Comparar con la longitud del cuerpo del camión. Recomendación: entre 1:1.4 y 1:1.5

201

CONSTRUCCIÓN Y ARQUITECTURA INDUSTRIAL Movimiento de Tierras – Maquinaria de Movimiento de Tierras

nº 202

Bibliografía Procedimientos Generales de Construcción. Movimiento de Tierras. Juan Tiktin Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos Canales y Puertos Construction Planning, Equipment and Methods Robert L. Peurifoy et al. Mc Graw Hill Manual de Maquinaria de Construcción Manuel Díaz del Río Mc Graw Hill

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