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Taller de Construcción y Equipos. Movimiento de Tierra. Excavadoras

EXCAVADORAS

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CAPACIDAD DE LEVANTAMIENTO DE LAS EXCAVADORAS En muchas obras de construcción de cloacas, una excavadora tiene que levantar y girar secciones pesadas de tubería y secciones de entrada dentro y fuera de las zanjas, colocar secciones de entrada y descargar material de camiones. En algunos casos, la capacidad de levantamiento de la excavadora es tan importante que es el factor decisivo en la elección de una excavadora para un trabajo. La capacidad de levantamiento de una excavadora depende de su peso y de la ubicación del centro de gravedad de la máquina, de la posición del punto de levantamiento (vea los dibujos) y de su capacidad hidráulica. En cada posición del pasador del cucharón, la capacidad de levantamiento está limitada por la carga límite de equilibrio estático o por la fuerza hidráulica. Los cambios de posición de la pluma, el brazo y el cucharón producen cambios en la geometría de los implementos y pueden reducir mucho la capacidad hidráulica de levantamiento. Por ello, Caterpillar define la capacidad de levantamiento de una excavadora siguiendo las pautas de la SAE que vienen a continuación. Equilibrio — Se dice que una excavadora está a punto de perder el equilibrio cuando el peso de la carga en el cucharón al actuar sobre el centro de gravedad de la máquina hace levantar los rodillos traseros separándolos de los rieles de las cadenas. Se considera que las cargas suspendidas cuelgan, mediante una eslinga o cadena, de la parte de atrás del cucharón o del varillaje del cucharón, y que el peso de los accesorios, eslingas o medios auxiliares de levantamiento son parte de la carga suspendida. Por tanto, la carga límite se define como la carga que produce una situación de desequilibrio a un radio determinado. El radio de la carga se mide como la distancia horizontal desde el eje de rotación de la superestructura (antes de cargar) hasta la línea vertical del centro de la carga cuando la carga se ha aplicado (dimensión A en la ilustración). La altura nominal corresponde a la distancia vertical desde el gancho del cucharón hasta el suelo (dimensión B). A. Radio desde el centro de giro. B. Altura del gancho del cucharón.

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MAQUINA TIPICA Carga de elevación nominal — La carga nominal se obtiene usando la distancia vertical desde el gancho del cucharón hasta el suelo y el radio de la carga. Las condiciones para que un determinado accesorio de la máquina levante una carga que cuelga del cucharón designado son las siguientes: a. La carga nominal no pasa del 75% de la carga límite de equilibrio estático. b. La carga nominal no debe exceder el 87% de la capacidad hidráulica de la excavadora, o sea que la máquina debe poder levantar el 115% de la carga nominal. c. La carga nominal tampoco debe superar la capacidad estructural de la máquina.

Este dibujo muestra cómo la posición de la carga afecta la capacidad de levantamiento de una excavadora:

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CAPACIDADES DEL CUCHARON RETROEXCAVADOR Capacidad a ras El volumen de material dentro del contorno de las planchas laterales, delantera y trasera sin contar material en la plancha de derrame ni en los dientes.

Capacidad colmado El volumen del cucharón cargado a ras más el volumen de material encima del nivel a ras, con un ángulo de reposo de 1:1 sin contar material en la plancha de derrame ni en los dientes. La comisión de Equipo de Construcción Europeo (CECE) clasifica el volumen de cucharón colmado con un ángulo de reposo de 2:1 para el material encima del nivel a ras. FUERZAS DE PLEGADO Y DE ATAQUE La penetración del cucharón en un material se logra mediante la fuerza de plegado del cucharón (FB) y la fuerza de empuje del brazo (FS). Las fuerzas de excavación nominales son las fuerzas máximas que se pueden ejercer en el punto de corte más alejado. Se pueden calcular estas fuerzas aplicando presión hidráulica de alivio al(los) cilindro(s) que proporciona(n) la fuerza de excavación. Las fuerzas de excavación que se indican en la siguiente página conforman con las normas SAE J1179 y PCSA No. 3. Estos valores no se pueden comparar directamente con valores obtenidos por otro método que no sea el descrito a continuación. FB = Fuerza radial de los dientes obtenida del cilindro del cucharón FB Fuerza del cilindro = _____d_e_l_ c_u_c_h_a__ró_n_____ _ B_r_a_z_o_ A__x__B_r_a_z_o_ C Longitud del Brazo D ( Brazo B ) Fuerza del cilindro = (Presión) x (Area del émbolo del cilindro) Brazo D = Radio de la punta del cucharón La fuerza radial máxima de los dientes debida al cilindro del cucharón (fuerza de plegado del cucharón) es la fuerza de excavación generada por el(los) cilindro(s) del cucharón, tangente al arco de radio D1. Se debe posicionar el cucharón para obtener el máximo momento del(los) cilindro(s) del cucharón y del mecanismo de conexión. Al hacer los

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cálculos, se produce la máxima fuerza radial FB cuando el factor — Brazo A x Brazo C dividido por Brazo B — alcanza su valor máximo. FS = Fuerza radial de los dientes obtenida del cilindro del brazo = (Fuerza del ciliondro del brazo_) _x__(_longitud del Brazo E_) (Longitud del Brazo F) Brazo F = Radio de la punta del cucharón + longitud del brazo La fuerza radial máxima de los dientes debida al cilindro del brazo (fuerza de ataque del brazo) es la fuerza de excavación generada por el(los) cilindro(s) del brazo y tangente al arco de radio F. Se debe posicionar el brazo para obtener el máximo momento del cilindro del brazo y del cucharón posicionado como está descrito en la fuerza nominal del cucharón. Al hacer los cálculos, se produce la máxima fuerza FS cuando el eje del cilindro del brazo en la dirección de trabajo está perpendicular a la línea que une el pasador del cilindro del brazo y el pasador del extremo delantero de la pluma.

Selección de Cucharones Según La Fuerza de Plegado del Cucharón y La Fuerza de Ataque del Brazo La combinación de la fuerza de ataque del brazo y la fuerza de plegado del cucharón proporcionan a esta configuración de máquina una fuerza más eficaz de penetración de cucharón por milímetro de cuchilla que con cualquier otro tipo de máquina como cargadores de ruedas o de cadenas.

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Debido a la alta fuerza de penetración, es fácil cargar el cucharón de una excavadora. Además, la mayor fuerza de desprendimiento permite ampliar el campo de utilización económica de una excavadora y usarla ahora, sin voladura previa, en suelos más duros (coral, caliche, pizarra, piedra caliza). Para obtener el máximo provecho de las altas fuerzas de penetración de una excavadora, se deben elegir cucharones adecuados a las condiciones del terreno en que se van a usar. Los dos factores de importancia que deben considerarse son el ancho del cucharón y el radio de plegado. Como regla general, se usan cucharones anchos en terrenos fáciles de excavar, y cucharones estrechos en terrenos duros. Al elegir cucharones para trabajo en suelos duros y rocosos, considere también el radio de plegado. Como los cucharones con menor radio de plegado proporcionan mayor fuerza de plegado del cucharón que los que tienen mayor radio de plegado, suele ser más fácil cargarlos. Una buena regla empírica al elegir un cucharón Caterpillar para terreno duro es seleccionar el cucharón más estrecho que tenga un radio de plegado corto. Al seleccionar cucharones, considere también factores como el ancho de fondo de la zanja, el tamaño de las cajas de protección o el deseo de conservar el material adecuado para el fondo de la zanja. Fuerzas de plegado y de ataque CORTO RADIO DE PLEGADO LARGO

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CARGA UTIL DEL CUCHARON En una excavadora, la carga útil del cucharón (la cantidad de tierra del cucharón en cada ciclo de excavación) depende del tamaño y forma del cucharón, de la fuerza de plegado y de ciertas caracteristícas del suelo, tales como el factor de llenado de ese tipo de tierra. Se indican a continuación los factores de llenado de diversos materiales. Promedio de carga útil del cucharón = (Capacidad colmada del cucharón) - (Factor de llenado del cucharón)

PRODUCCION DE MOVIMIENTO DE TIERRA Como en toda máquina para mover material, la producción de una excavadora hidráulica depende de la carga útil media del cucharón, el tiempo medio del ciclo, y la eficiencia del trabajo. Si un técnico predice con exactidud el tiempo de ciclo de la excavadora y la carga útil del cucharón, se puede usar la fórmula siguiente para hallar la producción de una máquina. m3 /h de 60 min. = (Ciclos/h de 60 min.) x (Carga útil media del cuharón en m3 (yd3)) m3 /h de 60 min. = _60 min/h__________ x Tiempo de ciclo (en min.) en m3

Carga útil media del cuch.

Carga útil media del cuch. = (Capac. colmada del cuch.) x (Factor de llenado del cuch.)

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m3 reales/hora = m3 (yd3)/h de 60 min. X (Factor de eficiencia del trabajo) Las Tablas de Cálculo de Producción proporcionan el rendimiento teórico en movimiento de tierra de una excavadora hidráulica en m3/h si puede estimarse la carga media del cucharón y el tiempo medio del ciclo. Usando un tiempo medio de ciclo se puede ajustar la producción calculada para tener en cuenta las características específicas del lugar de la obra y de la aplicación. Por ejemplo, los cálculos en aplicaciones de carga de camiones deben incluir el tiempo necesario para cambiar el camión, lo cual aumenta el tiempo de ciclo y reduce la productividad teórica. Los valores de la tabla se basan en 60 min. De trabajo por hora, que es el 100% de eficiencia, lo cual nunca se consigue en la práctica. Por lo tanto, el estimador aplica un factor de eficiencia en el trabajo a las cifras de la tabla, basándose en su criterio o el conocimiento de las condiciones reales de la obra. Las zonas de trabajo que hay en las Tablas de Cálculo de Producción muestran las capacidades productivas de las excavadoras hidráulicas en las categorías de tamaños de la 307 a la 5230 ME. El límite superior de cada una de estas categorías corresponde a los tiempos de ciclo más rápidos y prácticos de las máquinas, y el ancho de cada zona indica la escala de capacidades (carga útil) de los cucharones que se puede utilizar con cada una de las máquinas. Los valores óptimos de rendimiento, en la zona sombreada de arriba, se basan en condiciones favorables de trabajo: facilidad de excavación, zanjas de poco fondo, buen operador, etc. Las Tablas de Cálculo de Producción también pueden servir de guía para elegir la máquina del tamaño adecuado para un trabajo, según se muestra en el ejemplo siguiente. Problema de ejemplo Un contratista debe mover 15.300 m3 b — en banco — de tierra arenosa mojada (19.100 m3 S — tierra suelta — si consideramos un factor de expansión del 25%) en camiones de descarga trasera que serán cargados por una excavadora. La profundidad media del frente de trabajo es de 2,4 metros, y el ángulo medio de giro es de 60 a 90 grados. El trabajo debe hacerse en diez días. La jornada será de 10 horas y se estima que se trabajará a razón de 50 min/hora (83% de eficiencia). Tiene 2 excavadoras disponibles: una 320 con cucharón de 1 m3, y una 330 con cucharón de 1,9 m3. Se sabe por experiencia que cualquiera de las máquinas mantiene su capacidad indicada en suelos de tierra arenosa. ¿Puede hacerse el trabajo con cualquiera de las máquinas, o tendrá que usarse la 330? Solución: La excavadora debe mover 1900 m3 de tierra suelta por día (19.100 m3 S/ 10 días), lo cual significa que la tasa media de producción requerida sería de 190 m3 S/hora de 60 min. efectivos (1900 m3 S/día ÷ 10 h/día).

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Si consideramos además el 83% como factor de eficiencia en el trabajo, la capacidad de la excavadora tendrá que ser de 230 m3 S/hora de 50 minutos efectivos. La Tabla de Estimación de Producción muestra que el ciclo medio de la 320 debe ser de 17,1 segundos a fin de lograr dicha tasa de producción con un cucharón de 1 m3, mientras que la 330 podría rendir lo necesario aun con ciclos de 35 segundos. Con ayuda de la tabla, el contratista determinaría que la 320 tendrá que trabajar casi a capacidad máxima a fin de alcanzar la producción requerida, mientras que la 330 haría fácilmente el trabajo. Todo esto puede considerarse ahora teniendo en cuenta los datos que haya acerca de la obra (alcance requerido, condiciones del trabajo, habilidad del operador, etc.) para decidir si debe utilizarse la máquina más grande

Estimador de Eficiencia en la Obra Tiempo de trab./h Eficiencia 60 Min 100% 55 Min 91% 50 Min 83% 45 Min 75% 40 Min 67% * *Producción real/hora = (producción en hora de 60 min.) x (Factor de efic. en la obra) **Carga útil estimada del cucharón = (Cantidad de material en el cucharón) = (Capacidad colmada del cucharón) x (Factor de llenado del cucharón) **Los números sobre fondo blanco indican producción media.

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CON EXCAVADORA Cuando se abren zanjas con excavadora, una forma lógica de indicar la producción es con la tasa de excavación expresada en metros o pies lineales por hora o por día. La producción al abrir zanjas depende del rendimiento en movimiento de tierra con la excavadora que se use, y de las dimensiones de la zanja. La producción en movimiento de tierra se convierte del modo siguiente a producción de zanjas. Metros lineales de zanja/hora = m3 excavados por hora m3 por metro lineal de zanja Metros lineales de zanja/dia = (Metros lineales/h) x (horas abriendo zanjas por día) Para máquinas utilizadas sólo en apertura de zanjas, la gráfica de conversión de apertura de zanjas proporciona un modo fácil de convertir m3 por hora a metros cuando se conocen la tasa de excavación en m3/h y el volumen de la zanja en m3/m . Los ejemplos que siguen muestran la forma de usar dicha tabla de conversión. Problema de ejemplo El contrastista calcula que la Excavadora 325 producirá 200 m3s/h. Las mediciones efectuadas indican que la capacidad de la zanja es de 2,5 m3 s/metro lineal. ¿Cuál es la tasa de apertura de zanja de la 325? Solución: A partir de 200 m3/h, en la escala horizontal de la gráfica de conversión, ascienda hasta la línea diagonal de 2,5 m3/m. Luego avance a la izquierda hasta la escala vertical, y verá que la tasa es 80 m/hora.

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Problema 2 de ejemplo (sistema métrico) Un contratista debe producir 1000 m de zanjas por jornada de 10 horas. Las mediciones muestran que la zanja contiene 1,5 m3 en b por metro lineal, y el factor de expansión se estima en un 30%. ¿Cuál debe ser la producción a fin de terminar el trabajo a tiempo si trabaja a razón de 50 min.hr? ¿Qué modelo tiene el rendimiento necesario a 6 m de profundidad máxima en suelo de marga arenosa? Solución: Convierta a m/h la producción requerida en la zanja: 1000 m en 10 horas es 100 m/h. Como la excavadora mueve m3 sueltos (s), convierta m3 b a m3 s, o sea 1,5 m3 b/m x 1,30 = 2,0 m3 s/m. A partir de 100 m/h, en la escala vertical de la gráfica, avance horizontalmente hasta la diagonal de 2,0 m3/m. Luego descienda a la escala horizontal, y el punto de intersección es 200 m3 s/h de 50 min. Convierta 200 m3 s/h de 50 min. a m3 s/h de 60 min. (200 = 241 m3 s/h de 60 min.) Las tablas de cálculos de producción de esta sección muestran que 241 m3 s/h de 60 min. corresponde a la capacidad de la 325. Sin embargo, compruebe su alcance y levantamiento para cerciorarse que también es adecuada para estas fases del trabajo. ccc

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Producción en Apertura de Zanjas y Tendido de Tubos En muchas obras de alcantarillado la excavadora hace otros trabajos, además de abrir la zanja, tales como el de entibación, el poner material en el fondo de la zanja, y bajar la tubería. Lo usual es abrir un tramo de zanja e instalar la tubería antes de continuar excavando. En esta fase del trabajo, la clave para el rendimiento en la apertura de zanjas es el tiempo total requerido para instalar cada sección de tubería. El tiempo en instalación puede subdividirse del modo siguiente: Tiempo de excavación y tiempo adicional = Tiempo total de instalación. Tiempo Total de Instalación 60 min 30 min 15 min 10 min

tubos instalados /Hora 1 tubo/hora 2 tubo/hora 4 tubo/hora 6 tubo/hora

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Después de calcular la tasa de apertura de zanjas, se puede calcular el tiempo de excavación con los métodos de las páginas anteriores de esta sección, y añadir a esto el tiempo adicional estimado, a fin de hallar el tiempo total de instalación. El contratista puede estimar el “tiempo adicional’’ basándose en su criterio, experiencia, o en mediciones. La siguiente fórmula y la tabla establecen la relación entre la tasa de excavación para zanjas, y el tiempo requerido en un tramo de zanja para tubos de varias longitudes. Tiempo de Excavación (min) = Longitud del tubo, en pies Tasa de apertura de zanjas (pies/h) x 60

Puede usarse esta tabla para mostrar por qué una excavadora de mayor rendimiento en apertura de zanjas tiene considerables ventajas hasta en obras en que la máquina no excava todo el tiempo. Considere una obra de 12.000 pies con tramos de tubo de 12 pies (deben instalarse 1000 tubos). La Excavadora “A’’ puede trabajar a razón de 60 pies/h y la productividad de la “B’’ es de 120 pies/h. La tabla muestra que la máquina “B’’ sólo invertirá 0,10 de hora en el mismo trabajo. Por lo tanto, al instalar 1000 tubos, la máquina más productiva economizará 0,10 de hora/tubo, o sea un total de 100 horas menos de trabajo

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