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CAPITULO XV Tractores 1. Introducción Los tractores o "bulldozers " son unidades que se empezaron a fabricar a principio

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CAPITULO XV Tractores 1. Introducción Los tractores o "bulldozers " son unidades que se empezaron a fabricar a principios de siglo . Las primeras máquinas tuvieron su-aplicación en ag ricultura y, posteriormente , durante la 1 Guerra Mundial , se utilizaron para el arrastre de material bélico y se adaptaron como carros de combate.

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Fue en 1920 cuando se montó la primera hoja de empuje en un tractor, de ahí proviene la palabra

TRACTOR DE RUEDAS

"bulldozer" que era el nombre con que se conocían a esas hojas y cuya traducción literal quiere decir

"niveladora de toro". Estas se accionaban manualmente , con lo que los trabajos resultaban de una gran incomodidad. En 1928 apareció la hoja de empuje accionada con un tambor de cable que tomaba la fuerza del mismo tractor. En 1931 se sustituyeron los motores de gasolina por motores diesel y en 1935 se construyeron las primeras unidades con mando hidráulico para el movimiento de las hojas. El convertidor de par hidráulico se introdujo en los tractores de cadenas en 1940 y desde esta fecha, hasta hoy, los tractores han evolucionado en su diseño incorporando numerosas mejoras , además del uso de materi ales más resistentes.

TRACTOR DE ORUGAS Figura t.- Tipos de tractores. A. Tractores de orugas

Existen dos tipos de tractores : de ruedas y de orugas . Estos últimos , son los más conocidos y empleados como unidades de producción en operaciones de arranque y empuje , tanto en minería como en obra pública, por lo que los epígrafes que siguen se dedi-

Chasis rígido. • Velocidades máximas entre 7 y 15 km/h. • Potencias entre 140 y 770 HP ( 104 y 574 kW). . Transmisiones mecánicas. • Pesos en servicio entre 13,5 y 86 t. • Presiones específicas entre 0 ,05 y 0 , 15 MPa.

carán a ellos. Los tractores de ruedas se diferencian bastante en su diseño con respecto a los anteriores ,

• Tracción en 110.000 kg.

2. Tipos de unidades

además del distinto tren de rodaje , los de orugas tienen un chasis rígido frente al articulado de los de ruedas (frecuentemente los tractores de neumáticos son una adaptación de las palas cargadoras ). La diferencia operativa principal es la fuerza que pueden ejercer para la excavación y empuje , su disponibilidad para maniobrar en firmes en malas condiciones, y la movilidad para desplazarse entre tajos.

El factor más crítico a la hora de elegir entre ambos tipos de tractores es la tracción , al que hay que añadir el coste de adquisición , pues un tractor de ruedas

necesita más peso y potencia que uno de cadenas, para la misma capacidad de empuje . Por estos motivos , los tractores de ruedas se emplean más como máquinas auxiliares . Algunas características básicas de estos dos tipos de tractores son las siguientes :

la

barra

de

tiro

entre

21.000

y

• Capacidad para remontar pendientes hasta 45°. B. Tractores de ruedas • Chasis a rticulado con ángulos de 40 a 450 . . Tracción a las cuatro ruedas. • Velocidades máximas de desplazamiento entre 16 y 60 km/h. • Potencias entre 170 y 820 HP (127 y 611 kW). • Transmisiones mecánicas o eléctricas.

• Pesos en se rv icio entre 18,5 y 96 t. Presiones específicas sobre el terreno entre 0,21 y 0,35 MPa. • Tracción en la barra de tiro entre 18.000 y 82.000 kg.



Características generales y de di-

3.

seño

A

continuación , se describe cada uno de estos componentes.

Los tractores son equipos de una gran versatilidad, por lo que su campo de actuación, , además del que le corresponde como unidad auxiliar, se centra en los

3.1. Chasis

trabajos de arranque y transporte , que son efectuados por el escarificador o riper y por la hoja de empuje respectivamente , los cuales van montados y accionados

Es el sopo rte sobre el que van montados todos los elementos de la máquina , al mismo tiempo que los protege.

por el tractor. Todos los equipos utilizados en minería a cielo abierto poseen como fuente de energía motores diesel . La relación entre el peso de estas máquinas y la potencia se refleja en la Fig. 2. con un valor medio de 8.5 HP/t.

Está constituido de acero de alta resistencia, especialmente diseñado para los enormes esfuerzos (torsiones e impactos) que ha de soportar al empujar y escarificar.

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3.2. Motor

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TRACTORES DE ORUGA °

W

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Los motores son, generalmente, diesel turboalimentados. Están montados en la parte delantera , consiguiéndose así una mayor componente ve rt ical sobre lahojas de empuje y un mayor equilibrio al disponer del riper o contrapesos , colocados a tal fin, en la pa rt e posterior.

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TRACTORES DE RUEDAS

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El motor se describe con más detalle en el Capítulo 19 de este manual.

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Figura 2.- Relación entre pesos en operación de los tractores

y potencias.

3.3. Transmisión

Entre la fuerza de tracción , que representa la capacidad teórica de un tractor en términos de la máxima fuerza de empuje que puede ejercer, y la potencia la relación que existe es la representada en la Fig . 3, con un valor medio de 150 kg/HP.

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POTENCIA ( HP) Figura

3.-

Relación entre fuerzas de tracción y potencias de los tractores de orugas.

Las transmisiones que se utilizan en los grandes tractores con potencias superiores a los 100 HP son de dos tipos: A. Transmisión hidrostática La transmisión hidrostática es ideal para los trabajos de ciclos cortos en que varían las demandas entre el equipo y la barra de tiro. Un sistema hidrostático transmite la potencia por presión del aceite hidráulico en vez de transmitirla mecánicamente a través de los componentes del tren de potencia entre el volante y los mandos finales . Bombas de pistones de caudal variable convie rten la potencia mecánica en potencia hidráulica, y como cada cadena tiene su propia bomba, la transmisión hidrostática proporciona las siguientes ventajas: control de velocidad infinitamente variable, óptima adecuación entre la tracción a la barra de tiro y la velocidad de desplazamiento, máximo aprovechamiento de la potencia y mayor maniobrabilidad mediante virajes a plena potencia y la contrarrotación de las cadenas.

Las partes estructurales principales de un tractor son:

B. Transmisión hidrodinámica

- El chasis o bastidor principal. - El motor. La transmisión, y

Casi todos los tractores de cadenas van equipados con un convertidor de par que proporciona multiplicación de par y características de adaptación automática a las

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El tren de rodaje.

cargas en condiciones de trabajo duras. El convertidor consta de un impulsor conectado al volante del motor,

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En cuanto a las transmisiones , éstas suelen ser, en la mayoría de las unidades, del tipo servotransmisión, pues las directas sólo se utilizan en equipos que tienen que realizar empuje de materiales o arrastre con recorridos largos. MOTORES Y 80MBAS HIDROSTATICOS

MOTOR

Las servotransmisiones de diseño planetario están construidas alrededor de un eje central con juegos de engranajes superpuestos . Tienen un juego de engrana-

jes planetarios para avance , otro para retroceso y uno para cada velocidad. Todos los juegos tienen un engranaje central con tres satélites montados en un por-

Figura 4.- Transmisión hidrostática . una turbina conectada a un eje de salida y un estátor.

Actúa como un acoplamiento no mecánico y transmite y multiplica el par del motor a los mandos finales. El fluido del conve rtidor transmite la potencia , y el estátor, al dirigir a su vez el flujo de aceite hacia los álabes del impulsor, multiplica el par. El convertidor también sirve de amo rtiguador de los componentes del tren motriz cuando se efectúan cambios bajo carga. En todas las

tasatélites que hace girar a éstos alrededor del engranaje central y dentro de la corona . El diseño planetario proporciona gran reducción en el mínimo espacio, a la vez que distribuye las cargas de par sobre tres engranajes separados 1200. Esto reduce el impacto sobre cada uno de los ejes , engranajes y cojinetes , garantizando mayor duración que en los componentes de tamaño equiparable en las transmisiones de contraeje.

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motor desde el volante , para que la mayor parte (70%) vaya a través del convertidor y el resto (30%) directa-

mente a la transmisión . El divisor de par reúne las ventajas del convertidor de par y de la transmisión directa, permitiendo obtener rendimien to, multiplicación de par y mayores aceleraciones . CONVERTIDOR DE PAR

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El divisor de par (que suelen montar los tractores medianos y grandes) funciona con el conve rtidor de par, obteniendo el máximo rendimiento , rápida respuesta de la máquina y evitando que el motor se cale al mover materiales duros . El divisor de par divide la potencia del

DIVISOR DE PAR

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máquinas, el enfriador de aceite controla la temperatura del aceite del conve rtidor de par, obteniéndose así

mayor duración en aplicaciones duras .

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` `••. Figura 6.- Transmisión planetaria.

Los trenes de engranajes planetarios van circundados por paquetes de embrague compuestos de discos de fricción estriados y platos de acero tratados térmicamente , que proporcionan la máxima capacidad de par y excelente disipación del calor , y al ser estacionarios son más-fáciles de sellar . Las estrías de los discos favorecen la circulación del aceite entre los platos para un enfriamiento adecuado.

La potencia dada por el motor, después de pasar por el convertidorldivisor de par y la servotransmisión, mueve el eje del piñón cónico, arrastrando a la corona cónica, dando movimiento al eje transversal , en el que la potencia se reparte a ambos lados, llegando a los mandos finales a través de los "embragues y frenos de dirección". Así pues, la misión del grupo cónico es doble: Cambiar la dirección del movimiento

------------

Figura 5 - Convertidor y divisor de par.

- Aumentar la reducción de la transmisión Los dos conjuntos de embragues de dirección, uno en cada extremo del eje del engranaje cónico, son idénticos. Cada conjunto de embrague es una combinación

de un freno de tambor y un embrague de discos múltiples en baño de aceite.

3.4. Tren de rodaje

Los frenos de dirección tienen por objeto frenar el tren de rodaje, actuando sobre ' el tambor exterior ligado mediante los mandos finales a la rueda cabilla.

El tren de rodaje es el conjunto de piezas de que se sirve el tractor para su desplazamiento y sustentación. Existen dos diseños básicos: el convencional o semirrígido y el elástico.

Cuando el tractor marcha en línea recta, los dos embragues de dirección están aplicados, y los dos

El tren de rodaje semirrígido está constituido por los siguientes elementos, Fig. 8:

frenos sueltos, girando las dos ruedas cabillas a la misma velocidad .

A.

Bastidor soporte de rodillos de sustentación. También se denomina larguero. Debido a que tiene que soportar fuertes tensiones, su construcción es muy robusta y está realizada con perfiles de acero.

B.

Ruedas guía. Su misión es la de guiar y atirantar la cadena y van colocadas en la parte delantera del larguero. Se utilizan de doble disco,

Si, se desconecta uno de los embragues, la oruga correspondiente quedará suelta, mientras que la otra seguirá siendo movida por el motor, con lo que el tractor girará paulatinamente al mismo tiempo que sigue avanzando.

Si, además de desconectar el embrague, se frena, la oruga correspondiente quedará inmovilizada y el tractor girará totalmente, debido a que la otra oruga sigue avanzando.

llevando en su parte central una pestaña o guía ancha que sobresale y ajusta entre los eslabones de la cadena. El eje de giro va montado sobre cojinetes de engrase permanente y éstos, a su vez, sobre soportes desplazables para dar tensión a las orugas.

El último elemento de la transmisión son los "mandos finales" que tiene una doble finalidad: - Aumentar el par. - Bajar, en algunos modelos, las ruedas cabillas y, por tanto, las orugas respecto al cuerpo del tractor, con objeto de poder salvar los obstáculos del terreno . El eje de entrada proviene de los frenos de dirección y el eje de salida se acopla a la rueda cabilla . Debido a que es la parte de la transmisión donde hay más par, todos los componentes de los mandos finales necesitan ser de gran robustez. El par se transmite por el siguiente camino: piñón, rueda dentada, satélites y rueda dentada , donde va montada la rueda cabilla. En la Fig. 7 se representa el esquema de una transmisión hidrodinámica o servotransmisión.

0. Ruedas cabillas. Son las ruedas motrices que sirven para mover las cadenas. Están situadas en la parte posterior de las máquinas y acopladas al eje de salida de los mandos finales . Las ruedas cabillas pueden ser enterizas o de sectores, y están dotadas de dientes. D. Rodillos. Los situados en la parte superior del bastidor son el sopo rte del peso de la oruga y los de la parte inferior son los que aguantan el peso de la máquina. Los rodillos superiores son de pestaña ancha central, y los inferiores pueden ser de simple o doble pestaña, estando colocados éstos alternados. Los rodillos giran libremente sobre su eje y la lubricación es permanente. E. Cadenas . Es el elemento del tren de rodaje sobre el que se desliza el tractor. Están compuestas de eslabones, casquillos y bulones. Normalmente, se emplean cadenas selladas, con objeto de aumentar la duración, pero también se utilizan orugas lubricadas en las que se introduce aceite entre los casquillos y los bulones. F.

SERVOTRANSMISION

MOTOR

DIVISOR/ CONVERTIDOR DE PAR

EMBRAGUES

Y FRENOS DE OIRECCION

MANDOS FINALES Figura 7.- Transmisión hidrodinámica.

Zapatas o tejas . Son los elementos del tren de rodaje que sustentan a la máquina y que ayudan a la tracción. Son de acero tratado para que ofrezcan alta resistencia al desgaste en el exterior y a los choques en el interior. Las hay de varias clases: sencillas,

dobles y de triple garra, que según su altura les permite hincarse en el terreno más o menos. En la pa rt e delantera de los tractores se encuentra una barra estabilizadora, que p ermite la oscilación del tren de rodaje y sobre la que se apoya el bastidor principal. mediante unos tacos de goma. La unión de la barra estabilizadora con el bastidor principal se realiza mediante un pasador.

FRENO DE ESTACIONAMIENTO, DE DISCOS REFRIGERADOS POR ACEIT

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CADENA �,,

TACOS ELÁSTICOS

EJE DE GIRO RO DI LLO SUPER IOR

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ESTABILIZADORA

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SEGMENTOS DE RUEDA CABILLA O BASTIDOR DE RODI LLOS

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RUEDA GUTA

RODILLOS INFERIORES

LARGUERO TEJAS

Figura 8.- Componentes del tren de rodaje convencional. La misión de la barra estabilizadora es la de conseguir

que las orugas permanezcan en contacto con el terreno, cualquiera que sea la forma de éste, así como absorber parte de los impactos que, de otra forma, repercutirían directamente sobre el bastidor principal. Además de la barra estabilizadora, se suele disponer en la parte posterior de un eje pivotante que soporta parte del peso de la máquina y absorbe así mismo parte de los impactos de la carga. Tanto la barra estabilizadora como el eje pivotante aseguran la alineación de los bastidores de los rodillos. Durante el avance, las ruedas cabillas giran y sus dientes

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engranan, sucesivamente, como en una cremallera en los bufones de la cadena, que por la gran superficie de apoyo

Figura 9.- Tren de rodaje flexible.

de las zapatas y elevado rozamiento con el terreno no deslizan, permitiendo que el tractor avance como sobre una vía metálica extensible que se va tendiendo a medida que las ruedas motrices giran y avanzan.

_ La rueda cabilla va elevada, con lo que se prolonga la duración de la transmisión de avance , al no estar en contacto con el suelo y estar menos expuesta a los materiales abrasivos y a la acumulación de hielo y barro entre los dientes de la rueda cabilla y los casquillos. Además, este diseño no lleva rodillos superiores.

Los giros se realizan o bien frenando una oruga y moviendo la otra, o por el movimiento contrario de las orugas que puede desarrollarse en caso de transmisión hidrostática. De esta última forma mejora la maniobrabilidad en espacios reducidos.

3.5. Sistema hidráulico El tren de rodaje flexible, Fig. 9, presenta, con respecto al anterior, las siguientes diferencias básicas: Tiene cuatro soportes oscilantes grandes, bulonados a cada bastidor de rodillos y cada soporte oscilante grande lleva, a su vez, acoplado otro más pequeño que soporta dos rodillos. Las ruedas guías, que son dos para cada carro de orugas, van acopladas a los soportes oscilantes grandes delanteros y traseros. Además, llevan unos tacos semiesféricos de goma dura que amortiguan los impactos. Con este sistema se mantiene la cadena más en contacto con el suelo, adaptándose mejor a los obstáculos, propor cionando mayor estabilidad, una conducción más cómoda y mayor tracción.

Este sistema es el que sirve para el accionamiento de los equipos de trabajo y consta de los siguientes elementos principales: bomba, depósito de fluido hidráulico, válvula o distribuidor, cilindros, válvulas de seguridad, filtros, tuberías y mangueras. La bomba, que es el elemento principal del sistema, está movida por el volante del motor o por el impulsor del convertidor de par. Normalmente, se utilizan dos bombas en tandem, mandándose el caudal de cada una de ellas para efectuar distintos movimientos y el flujo total de ambas para otros. Los cilindros hidráulicos empleados en la totalidad de los tractores para el movimiento de los implementos son

de doble efecto y los utilizados para la hoja de empuje es frecuente que lleven una válvula de descenso rápido con objeto de realizar el movimiento de dicha hoja con más velocidad. O O

3.6. Cabina Actualmente , las cabinas del maquinista son espaciosas y diáfanas , con suelo antideslizante , los asientos son confo rtables , del tipo envolvente con apoyabrazos.

regulación longitudinal de altura e inclinación , y cinturón de se gu ridad . Los mandos son de fácil manejo y de extremada suavidad, por ser hidráulicos o se rvoasistidos . Es frecuente que se coloque una palanca de seguridad en

el cambio , para que no pueda arrancarse el motor con una velocidad embragada. La visibilidad del operador en estas máquinas suele ser buena, tanto de la hoja de empuje como del escarificador. El bastidor de la cabina , en la mayoría de las unidades, es de diseño integral resistente al vuelco de la máquina , conocido comúnmente como ROPS ("Boli Over Protection Structure"), totalmente soldado. Se instala con montaje de caucho para aislar la cabina del ruido y las vibraciones . Incorporan un sistema de presión interior, provisto de ventilador y filtro de aire , y pueden disponer de equipo de aire acondicionado.

BARRAS

TIRANTE

DIAGONALES

ESTABILIZADOR

Figura 10.- Equipo de trabajo con barras diagonales y tirante estabilizador.

efectividad de los cilindros de accionamiento debido a su mayor verticalidad. Las hojas angulables, que son de mayor longitud, se disponen formando ángulos de 25 ° a cada lado, con respecto a la dirección de avance. Se fijan directamente a los dos largueros , que se unen por la parte delantera formando un arco al que se articula la hoja por medio de una rótula situada en el punto medio del arco. La posición y el ángulo de la hoja se determinan por dos cilindros hidráulicos fijados en los extremos. Los movimientos que normalmente se pueden realizar con una hoja de empuje son: a) Inclinación lateral , Fig. 11.

3.7.

Hoja de empuje

Es una hoja metálica instalada en la parte delantera del tractor, mediante la cual se aplica el esfuerzo de empuje sobre los materiales que se desean remover y transportar. Las hojas están sustentadas por dos brazos de empuje que se articulan exteriormente a las orugas , sobre el bastidor de cadena, mediante unos cojinetes de muñón, y están suspendidas de dos cilindros hidráulicos, generalmente fijados a la coraza delantera del bastidor

A

G

Figura 11

de la máquina. b) Variación del ángulo de ataque de la hoja, Fig. 12. El accionamiento simultáneo de estos cilindros permite bajar o subir a la hoja con relación al bastidor. „r La fijación de las hojas a los brazos de empuje se hace , además de por las rótulas , por medio de otros dos cilindros hidráulicos que permiten variar la inclinación transversal del equipo de trabajo . Además de los elementos citados , se suele disponer de unas barras diagonales , Fig. 10, pero existe un nuevo diseño con tirante estabilizador transversal que posibilita la fijación lateral de la hoja , proporcionando un mayor acercamiento de la hoja al tractor que permite mejorar la visibilidad, reducir el cabeceo de la hoja y aumentar la

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Figura 12

Variación del ángulo de la hoja respecto a la dirección de avance , Fig. 13.

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Por ello , la curvatura de los extremos de la hoja impulsa el material hacía el centro de la misma,

disminuyendo así los derrames laterales . Esta hoja tiene un 20% más de capacidad que la recta y su elección frente a ella dependerá de las características del trabajo a realizar y del material a empujar. Hoja angulable, diseñada para empujar el material lateralmente, para lo cual puede situarse en el bastidor de los brazos con ángulos de 25° a la derecha o a la izquierda respecto a la dirección del tractor. Configuración idónea para formar cordones, trabajos especiales en banco o alimentación a piqueras.

Figura 13

i

Elevación y descenso de la hoja . Fig. 12.

os tipos de hojas que existen en el mercado son los

Hoja de empuje amortiguado . Hoja de poca anchura para permitir más maniobrabilidad al tractor en su labor de empujar mototraillas . Su diseño permite establecer contactos sobre la marcha, hasta a 5 km/h, absorbiendo los impactos.

iguientes: Hoja recta. Aconsejada para trabajos de empuje en general , especialmente en aquellos trabajos que re quieren pasadas cortas o de media distancia . De los cuatro tipos es el de mayor versatilidad y capacidad para trabajos en roca.

Todas las hojas llevan unos elementos protectores en las partes que sufren mayor desgaste . Estos son las cuchillas, que protegen el labio o borde inferior de la hoja, y las cantoneras , situadas en los dos ángulos inferiores de la hoja, Fig. 14. Estos elementos de desgaste son sustituibles y van fijados a la hoja mediante pernos y tuercas.

Hoja universal o en "U ", concebida para empujar grandes volúmenes de material a largas distancias .

Las cuchillas pueden ser reversibles.

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Foto 1.- Hoja de empuje de grandes dbre^s . cnes destinada al movimiento de estériles para la restauración de terrenos.

403

3.8.

Riper o escarificador

Está formado por un bastidor, o estructura portavástagos, situado en la parte posterior del tractor, en el cual se fijan uno o varios vástagos o rejones, Fig. 15. í`�~ �Í

Mediante cilindros hidráulicos, los brazos se pueden descender clavándolos en el suelo y al ser arrastrados por el tractor producir profundos surcos, fragmentando y esponjando los materiales rocosos. En lo que se refiere al diseño de los ripers, varían tanto como el número de fabricantes, pero existen tres diseños básicos:

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SEMI"U"

1) Tipo bisagra o articulado , Fig. 16. Está formado por un bastidor que pivota alrededor de un punto situado en la parte posterior del tractor , el ángulo de giro máximo es de 300. Con esta configuración, el ángulo de ataque varía conforme se profundiza y constituye una limitación para obtener un mejor arranque y fracturación.

RECTA

2) Tipo paralelogramo a rt iculado , Fig. 17, mantiene invariable el ángulo de ataque , siendo de unos 50°; de esta forma la profundidad de ripado es indepen-

Figura 14.- Tipos de hoja.

diente del ángulo que el vástago forma con el terreno. El mantenimiento de este ángulo dota al riper de excelentes características de penetración en la mayoría de los materiales.

CILINDROS HIDRAULICOS DE ELEVACION

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PLACA DE EMPUJE

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BULONES DEL CILINDRO DE ELEVACION Figura 15.- Equipo de trabajo para el arranque de rocas

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Figura 16.- Riper dei tipo bisagra. Figura 18.- Riper del tipo paralelogramo variable articulado.

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Permite a la punta describir un arco ideal con un mejor barrido, Fig. 20, dada su mayor longitud respecto al avance del tractor. Además, la fuerza de elevación se mantiene constante para cualquier ángulo de ataque, debido a la disposición de los cilindros hidráulicos. 0

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Figura 19 .- Aproximación al pie del talud

Figura 17.- Riper del tipo paralelogramo articulado. El riper en forma de paralelogramo variable arti-

culado goza de las ventajas de los dos tipos anteriores, Fig. 18. El ángulo de ataque se controla

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mediante el accionamiento de otros dos cilindros hidráulicos, además de los de elevación y empuje. ste diseño permite variar el ángulo de ataque para atener un mejor desgarramiento, una vez que se ha gnetrado hasta la profundidad deseada.

:ras ventajas adicionales son que admite mayor Jroximación al pie del banco, Fig. 19, por lo que se ede conseguir un talud más vertical, y se reduce la ,sibilidad de que queden piedras atrapadas entre el .ón y el bastidor del riper.

Figura 20.- Trayectoria del extremo del riper.

Por otra parte, permite que un segundo tractor empuje al que está ripando, apoyando la hoja en el bastidor del riper. Esto se conoce con el nombre de ripado en tándem, Fig. 21. 405

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Foto 2 .- Riper de paralelogramo art iculado variable.

Los rejones llevan puntas protectoras , o botas, sujetas en el extremo por unos pasadores de cambio rápido . Suelen fabricarse en tres medidas : cortas, intermedias y largas, todas ellas autoafilables. Las primeras son adecuadas para rocas duras, mientras que las otras suelen emplearse conforme aumenta la abrasividad , Fig. 23. Figura 21 .- Ripado en tandem.

El diseño de los rejones o vástagos puede ser de tres tipos: recto , cu rvo y de cu rva modificada, que es una combinación de los dos anteriores , Fig. 22.

Por encima de las puntas se instalan unos protectores también reemplazables , que protegen al vástago del desgaste producido por los materiales abrasivos. Su

fijación al mismo se hace mediante bulones en el eje frontal del mismo , protegiendolo del desgaste acelerado al trabajar en materiales abrasivos.

El vástago recto es adecuado en materiales fragmentados con grandes bloques , mientras que el cu rvo es más conveniente para materiales poco compactos o con estratificación de poca potencia.

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BRAZO RECTO

BRAZO CURVO

Figura 22 .- TIPOS de vástagos .

406

Figura 23 .- Protector del vastago y punta del riper.

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característica es la estratificación, son tanto más ripables cuanto menor es la potencia de los estratos.

4. Operaciones básicas y práctica

operativa

En la Tabla 1 se resumen las principales características físicas de las formaciones rocosas que favorecen o dificultan el escarificado de un terreno.

La primera operación que- puede realizar un tractor es el ripado o escarificado de un terreno. Consiste en desgarrar o romper la textura de éste, empleando para ello un útil mecánico -riper- al que se somete a una fuerza de penetración y a otra de traslación.

Uno de los sistemas para clasificar las rocas y delimitar aquellas que son ripables de las que deben ser voladas, y de las que son susceptibles de excavación directa,

Es evidente que no todas las rocas son ripables; una primera guía para estudiar su ripabilidad es el origen de las mismas. Las rocas ígneas, por lo general, son poco

consiste, como se ha indicado en el Capítulo 1, en estudiar dos parámetros característicos del macizo rocoso (FRANKLIN, 1970):

ripables, sólo lo serán cuando presenten un intenso grado de fracturación y meteorización. Las rocas metamórficas varían mucho en ripabilidad, dependiendo de su esquistosidad. Las rocas sedimentarias, cuya principal

I = Indice de resistencia bajo carga puntual (MN/m2). 1, = Indice de fracturación-espaciamiento entre fracturas.

TABLA

1 DESFAVORABLES

FAVORABLES - Fracturas, fallas y planos de discontinuidad de cualquier tipo.

- Formaciones masivas y homogéneas.

- Meteorización.

- No cristalinas y no frágiles.

- Origen cristalino y fragilidad.

- Sin discontinuidades.

- Grado de estratificación y esquistosidad.

- De grano fino y agente de cementación sólido.

- Baja resistencia a la compresión y gran tamaño de grano.

- Comportamiento plástico.

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•h_Ir DE RESISTENCIA A CARGAS PUNTUALES

1. (MN/m2) i °ESISTENCIA A LA COMPRESION (MPO) ¡E re ;S ¡S Ik NUMERO SCHMIOT

Figura 24.- Abaco para determinar s.

r.,acizo rocoso es susceptible de arranque directo o precisa del empleo de explosivos.

407

Este método es el que se podría denominar "estático", pero el criterio de ripabilidad universalmente admitido es el de la velocidad sísmica de las ondas elásticas refractadas, que indirectamente miden la compacidad y tracturación de la roca.

Para la determinación de esas velocidades sísmicas se utiliza un sismógrafo al que se conectan los geófonos,

En la roca descompuesta:

Con las lecturas del registro y las distancias entre geófonos se dibuja la dromocrona o curva de campo en la que los diversos tramos con distinta pendiente indican 'as velocidades en los diferentes niveles o capas.

0,032 - 0,020

En la roca compacta: D s - D.

V3 =

30 - 20

0,036 - 0,032

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Estos valores se corresponden con los cambios de pendiente de la Fig. 26.

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Distancio D, :5m. Ti�tnDO T, • 0,020 .

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! 20 --- ---- j

MEDIDA 2 lom jt = 0,�4t

-

-

1

I T_

i

_ • .

O

� W

,r.'I :.

= 2.500 m/s

=

f

p

= 1.250 m/s

=

T4 - Ti

éstos son transductores que transforman la vibración del

terreno, producida por una pequeña carga explosiva o por un golpe de martillo, en una señal eléctrica.

20 - 5

D. - D, V2 =

I

I

I I

i

I :'i

15

10

20 25 DISTANCIA (m)

30

Figura 26- Dromocrona del terreno.

�.a,,< i f

tNleeieoa �wr Dalo T

I

dt ,

,'l. I1I�

III

,I II

I

IÍ"I' 'td1

MEDIDA 3 D. 15m T1

0,M.

La potencia del primer nivel o estrato puede calcularse

a partir de la fórmula: Distancia crítica

V2 - V1

H = ?y;;; :' ; . j ;•. N

;:t

MEDIDA 4

o. = 2om. IIi!II.

;ilp.l¡j I!h;I

T4 • 0 ,0 32.

• 0. á=.r

jr�sj

MEDIDA 5

Di;

= 25 m.

Tg : OA34. ~

SUELO@

jlilli

ROCA DEscoMP.€5TA ❑

ROCA COMPACTA

Figura 25.- Realización ca _n estudio de sísmica de refracción.

Para el ejemplo representado en la Fig. 25 se obtienen los siguientes datos. _n el nivel de suelo o tierra vegetal: V1

=

D, - 0

408

5 = 250 m/s

= T, - 0

VZ + V,

2

-D,

0.020

denominándose " distancia crítica" a la existente entre el punto de explosión y los puntos de cambio de pendiente de cada tramo de la dromocrona. Así, en el ejemplo anterior se obtendrá: 5

1250 - 250

2

1250 + 250

2 ,04

H,

m.

Con expresiones similares, pero algo más complejas, se determinarían los espesores restantes. Con todos los datos obtenidos, se iría a continuación a consultar las tablas que proporcionan los fabricantes de equipos en las que , según el tipo de roca y potencia de tractor, se define hasta qué velocidad sísmica es factible ripar económicamente, entre qué valores no es probablemente rentable (zonas marginales) y a partir de qué velocidad la roca no es ripable, Fig. 27. El límite de ripabilidad será finalmente una solución de compromiso que englobará criterios económicos o de coste, técnicos o de rendimientos, y en ocasiones, incluso hasta los de tipo ambiental.

Velocidad en metros por segundo x 1000

0 I_

Velocidad en pies por segundo x 1000

0

1 I

1 1

2

3

2 1

I 4

5

6

3 1

1 7

$

9

4 1

1

10

11

12

13

14

15

TIERRA VEGETAL

ARCILLA MORENA GLACIAL

ROCAS VOLCANICAS GRANITO BASALTO ROCA TROPEANA

ROCAS SEDIMENTARIAS ESQUISTO ARCILLOSO ARENISCA LIMO CONSOLIDADO

}

PIEDRA ARCILLOSA

CONGLOMERADO BRECHA CALICHE PIEDRA CALIZA

ROCAS METAMORFICAS ESQUISTO PIZARRA

MINERALES Y MENAS CARBON MINERAL DE HIERRO

ESCARIFICARLE - e

MARGINAL -

NO ESCARIFICABLE-(r'

Figura 27.- Campos de trabajo de un tractor de 700 HP (522 kW).

En general, se puede decir que en la actualidad todos os terrenos con velocidades sísmicas por debajo de 2.500 m/s son ripables, por encima de 3.000 no lo es -as¡ ninguno, y en la zona intermedia es preciso com )Iementar las pruebas sísmicas con pruebas de ripado :n condiciones análogas a las de trabajo. Todo esto con as lógicas salvedades que impone cada caso particular i que deberán estudiarse con rigor. _os factores que determinan la capacidad de trabajo de in tractor ripando son: - Peso de la máquina en servicio. - Potencia al volante del motor y reserva de par. - Fuerza de tracción. - Características de diseño del " riper". N continuación se comenta brevemente la importancia y

significación de cada uno de estos factores: - Peso de la máquina . Es básico en el trabajo de escarificación por dos razones: primero para proporcionar la robustez suficiente al conjunto, para que se pueda realizar el trabajo de escarificación, el más duro que se puede exigir a un tractor de cadenas,

y segundo para proporcionar la fuerza suficiente sobre el suelo para alcanzar los más altos esfuerzos de tracción posibles, que permitirán el eficaz desgarrado de las rocas.

característica básica del motor y de gran influencia en la escarificación , la reserva de par. Se denomina así el aumento de par que se produce al disminuir el régimen de vueltas del motor, por encuentro de un obstáculo en el trabajo de difícil superación. Tiene notable importancia el que esta reserva de par sea alta, ya que en alguna medida indica la capacidad de la máquina de responder a irregularidades del terreno que está escarificando, Fig. 28. cv 275 250

A

225 200 175 lgg

150

}

100

125

95

100

90 É

7s

,a rb

so 25 o

1600

2200rpm

A. POTENCIA B. PAR MOTOR

- Potencia del motor y reserva de par. Gran importancia tiene una potencia del motor equilibrada con el peso de la máquina y, por otra parte, como

C. CONSUMO Figura 28 -Curvas de representación de potencia, par motor y consumo específico del mismo.

409

Fuerza de tracción . Son dos los conceptos a destacar . Fuerza de tracción utilizable y fuerza de

dirección; no obstante, es conveniente tener en cuenta los siguientes puntos:

do la fuerza componente del peso en dirección perpendicular al suelo por el factor de agarre de las orugas con dicho suelo ; como es lógico, existe gran



peso de la máquina , factor ya comentado anteriormente . La fuerza llamada teórica, será la que el motor sea capaz de transmitir a las cadenas a

• Ripar en la dirección del buzamiento de fracturas dominantes, o los estratos Fig. 30.

tracción teórica . La utilizable se calcula multiplican-

relación entre la fuerza de tracción utilizable y el

Realizar el trabajo a favor de las pendientes para aprovechar el peso propio del tractor.

través de la transmisión . La mayoría de los fabricantes suministran gráficos tracción-velocidad para cada una de las marchas , Fig. 29 .

En el caso de estratificación vertical escarificar formando un ángulo de 90° con la dirección, Fig. 31.



ESFUERZO DE TRACCION tgz 1000

b■ topo

- Velocidad de escarificación 100

TRACCION

�o

En

el

velocidad ,

ad

e

debe

la

primera

esfuerzo

máximo

utilizar el

La velocidad debe estar comprendida entre 1,5 y 2,5 km/h, pues a velocidades mayores se producen desgastes muy elevados en el tren de rodaje , Fig. 32.

3„Id,d

10

>f

se

consiguiéndose

de tracción.

VELOCIDAD

24

ripado

r�,k kmn

Si las condiciones del terreno lo permiten, es preferible utilizar mayor número de vástagos que aumentar la velocidad.

VELOCIDAD Figura 29 .- Gráfico de tracción-velocidad de un tractor de 300 HP (224 kW).

}

Profundidad Diseño del riper. Engloba todo lo referente a las características del mismo , como su diseño y tamaño , material empleado en su construcción , accionamienlo hidráulico , etc. Las consideraciones a tener en cuenta durante el ripado son las siguientes: - Dirección del ripado En general , la orientación de la obra a desarrollar obliga a realizar el arranque en una determinada

Se debe conseguir la penetración máxima del rejón del riper; no obstante eso dependerá de la dureza del terreno . Cuando se escarifican capas de mucho espesor , puede ser interesante hacer una pasada a profundidad media que rompe la zona superficial y resquebraja la profunda, y a continuación una segunda pasada con el vástago a toda profundidad , consiguiendo una mayor producción con menores esfue rzos sobre la herramienta de trabajo. CORRECTO

INCORRECTO

0 O o

0

O o

Figura 30 - Sentido correcto del ripado en funcon del buzamiento de los estratos.

410

O

��

o

/

0

0a

Figura 34.- Situación recomendada del riper respecto al terreno.

//

- Espaciamiento entre pasadas / /

Figura 31.- Dirección adecuada de upado en formación estrat,-

forme subvertical .

La separación entre pasadas depende del tamaño de los bloques que se produzcan y de la manipulación posterior que deba hacerse con la roca: carga, transporte, trituración, etc.

El espaciamiento nominal es de 1 a 1 ,5 m, pudiendo llegar a 2,5 m en roca muy frágil.

0 El ripado cruzado o transversal ayuda a romper los materiales que forman grandes lajas y en los que con pasadas unidireccionales sólo se producen acanaladuras , Fig. 35.

Fw JÑ wa 0:0 W óó

rr-_

2 4 6 8 VELOCIDAD DE RIPADO ( Km/h)

.--

�_--

1�

Figura 32 .- Desgastes relativos del tren de rodaje según la velocidad de ripado.

• ` .�

?� -

Cuando el vástago no está completamente ente rrado , la parte trasera del tractor se levanta, con lo que se pierde tracción, se aumentan los desgastes y disminuye la producción.

Figura 35.- Ripado cruzado.

Por lo tanto, la longitud del rejón debe adaptarse a

la dureza del terreno, Fig. 33. o °

C O

PASADOR

- Condiciones extremas Q

Si la velocidad sísmica del terreno se sitúa en los

°

límites de la ripabilidad del tractor, se tienen dos alternativas.

°

• Ripado en tándem .

" Figura 33.- Cambio de posición de trabajo del vástago o rejón. Para disminuir los esfuerzos transmitidos por la máquina al rejón, una vez enterrado éste al máximo, la barra portavástago debe mantenerse paralela al terreno, Fig. 34.

Prevoladura Cuando el rejón no puede penetrar a la profundidad deseada y se produce un levantamiento de la parte trasera del tractor, se pueden utilizar dos tractores, de tal manera que mientras el primero escarifica, el segundo empuja, ejerciendo un esfuerzo de penetración adicional y consiguiéndose así un aumento de la producción del 300 al 400%, Fig. 36. 411

PLACA DE EMPUJE

TABLA

II

Potencia del Tractor (kW)

Velocidad sísmica (m/s)

Consumo específico g ANFO/m'

575

3. 000

230

343

2. 500

130

250

2.000

130

160

1.200

80

Figura 36 .- Operación de opado con el empuje suplementario de un tractor. La prevoladura consiste en aumentar la fracturación

natural del macizo rocoso , sin prácticamente desplazar la roca , mediante la utilización de explosivos , con vistas a que los tractores alcancen unos rendimientos altos con unos costes mínimos .

La segunda operación en la que los tractores son considerados netamente como equipos de producción es el transporte, que consiste en desplazar el material suelto auxiliándose de la hoja de empuje.

Los diámetros de perforación utilizados dependen de la disponibilidad de esos equipos en la explotación , pero normalmente con tractores se aconseja que se ' encuentren en el rango de 50 a 125 mm.

La operación de transpo rtar o empujar el material tiene lugar bien directamente si el terreno lo permite, o bien una vez que se ha ripado. Normalmente, es un trabajo cómodo de realizar y no se producen grandes esfuerzos que afecten al tractor, aunque debe tenerse cuidado para no efectuar el arranque con la hoja de empuje cuando es preciso emplear el riper.

La altura de banco está condicionada por la longitud de las varillas de pe rforación , pues en dicha operación se intenta eliminar los tiempos de maniobras realizando los barrenos en una sóla pasada, razón por la que dichas alturas oscilan entre los 2 y los 4 m .

El trabajo de empuje con la hoja consta de cuatro fases:

Los consumos específicos en cada caso dependen de

las características de los tractores y de las propiedades resistentes de las rocas .

1 11 ) Con la hoja levantada el tractor avanza hasta colocarse en posición de empujar, Fig. 37.

En la Tabla 11 se indican las relaciones aproximadas entre las velocidades sísmicas máximas y los consumos específicos de explosivo , referidos al ANFO, para llevar a cabo adecuadamente las prevoladuras .

2$)

FUERZA DE TRACCION

HOJA

VELOCIDAD \

LLENA

Ñ

El operador baja la hoja hasta que comience a clavarse en el terreno . El tractor continúa avanzando, disminuyendo su velocidad y aumentando su empuje , en marchas co rtas.

---- -� CARGA

EMPUJE

m

RETROCESO

DESCARGA t

TIEMPO

,1

CORTE DURANTE EL EMPUJE

1

-

Figura 37.- Fases del trabajo de empuje con un tractor. 412

30) El tractor continúa avanzando . El operador levanta la hoja para empujar y transpo rtar el material ya suelto , sin proseguir el arranque . 4$) El tractor se detiene y'retrocede a mayor velocidad para recomenzar el ciclo de trabajo . El material queda amontonado al final del recorrido de transporte formando un terraplén o un montón para ser recogido por otro medio de carga.

Finalmente , una vez que el tractor ha empujado el material , lo puede dejar formando un terraplén, apilado para su posterior carga por otro equipo , o bien descargarlo sobre un alimentador, como se verá en el siguiente epígrafe, Fig. 39. EMPUJE

En el caso de utilizar el dispositivo de hoja angulable , el material es empujado lateralmente y queda depositado formando un cordón a un costado de la franja cu bierta por el tractor.

CORTE

RETORNO

En la técnica de transpo rt e de materiales por empuje, deben tenerse en cuenta los siguientes factores:

- Procurar aprovechar al máximo las pendientes , pero observando tanto la estabilidad del equipo como la buena lubricación del mismo. - En los trabajos de apilado es conveniente empujar el material hasta el borde del talud para evitar así la acumulación , que obligaría a trabajar con pen dientes positivas .

Figura 39.- Práctica operativa en terrenos susceptibles de empuje directo.

- Aprovechar los movimientos que realiza la hoja para corregir los defectos debidos a cambios de resistencia, etc.

En cuanto a la distancia óptima de empuje , ésta se define como aquella para la cual se llena totalmente la hoja con el menor esfuerzo posible del tractor y en el mínimo tiempo.

- Con distancias de empuje grandes , las pérdidas por rebose lateral pueden disminuirse si se trabaja en zanja , esto es, reprofundizando paulatinamente con el fin de que las paredes de la excavación si rvan de freno al rebose . - Para grandes producciones , es posible trabajar con dos tractores en paralelo , aumentando el rendimiento entre un 15 y un 25%. Pueden ser dos unidades independientes , pero existe algún equipo especial en el que estas unidades van unidas por una misma hoja, Fig . 38.

Suponiendo que la máquina arranca tongadas de un espesor reducido , "e", podrá determinarse la distancia optima, "d", sin más que igualar el volumen arrancado a la capacidad de la hoja , Fig. 40.

17 j

d

Figura 40.- Esquema del espesor de la tongada y distancia de empuje óptima.

-oo

:.

500

Medias

0,8

Normal

0,85

Malas

0 ,7

Pequeña

0,7

zso

VELOCIDAD SISMICA (pin/6 x 1000) Igualmente , es preciso considerar un factor de eficiencia de la operación.

VELOCIDAD SISMICA ( m/• x 1000) Figura 46.- Producción de ripado en materi ales con diferentes

Por otro lado , los fabricantes de maquinaria suministran suficiente documentación técnica para poder efectuar estimaciones de las producciones de los equipos y, consecuentemente, el medio de selección de la unidad necesaria para realizar un proyecto. A modo de ejemplo , en la Fig . 45 se indican las producciones máximas que es posible obtener con diversos tractores montando hojas de empuje rectas . A los valores obtenidos de ese ábaco es preciso aplicarles los correspondientes coeficientes de corrección , tal como se verá en el Capítulo 20. 0:/rti�

velocidades sísmicas.

7• Tendencias y nuevos desarrollos Las tendencias que existen en la fabricación de tractores son las siguientes: - Construcción modular. - Mejora de las condiciones ergonómicas del operador y simplificación de los controles.

1awoo noo noo taco :eoo

- Mejora de la visibilidad.

,100 t�oo

- Engrase centralizado.

1400

- Simplificación del mantenimiento. - Mandos del ventilador hidrostáticos para ajustar la velocidad de éste a las necesidades de enfriamiento.

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Iroo

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100° ó00

�, OMá

600 '00 200

,>G.5

{

- Reducción de puntos de engrase.

oa

El aumento en tamaño de los tractores en los últimos años ha introducido nuevos problemas que requieren una revisión de los criterios de diseño para minimizar

,

los espacios de maniobra requeridos, mejorar el desplazamiento entre tajos de trabajo y la visibilidad de los operadores.

o?. su

4 00 200

202 ll+á 0/0á

0 L o

I 15

100 I 70

I 45

200 1 60

I 75

700 I I 90 105

100 I I 120 175

DISTANCIA MEDIA DE EMPUJE

500 I 1 160 165

600 PIES I 1 160 195

METROS

Figura 45.- Producciones máximas de empuje con tractores montando hojas rectas.

D De igual forma, se dispone de gráficos para determinar

De 418

ripado, Fig. 4

• Recientemente

han

aparecido

en

el

mercado

tractores

montando escarificadores de impactos. Estos elementos tienen un diseño similar a los martillos hidráulicos y permiten elevar el rendimiento de ripado. El martillo

hidráulico se acciona automáticamente siempre que la fuerza en la barra de tiro alcance un determinado valor. ayudando así a fragmentar y desbloquear las rocas, Fig. 47. Las pruebas realizadas con tractores de 712 HP

Figura 47 .- Comparación entre un riper convencional y uno de impactos.

s

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a, r tr� '

Foto 5.- Ríper de impactos.

(530 kW) han demostrado que con estos equipos es posible técnicamente ripar rocas con velocidades sísmicas de hasta 3 . 600 m/s.

í

INDICADOR / O AURICULARES

Otras investigaciones llevadas a cabo se dirigen al campo de la monitorización de los tractores , encaminada a aumentar las productividades . En Estados Unidos se SENSOR ha desarrollado un sistema automático conocido por VELOCIDAD "Draft Power Sensor", que, mediante unos sensores, permite determinar como se está llevando a cabo el trabajo de empuje y ayudar al operador a ajustar la altura de la hoja , la velocidad y el control de la transmisión, al recibir una señal a través de unos auriculares. Fig. 48 .'I Por último , se han hecho algunos ensayos con hojas de empuje oscilantes , que han permitido en algunas prue bas mejorar los rendimientos hasta un 20%.

°

SENSOR DE FUERZA DE TRACCION Figura 48 .- Sensores colocados en un tractor de orugas para la optimización de la producción.

419

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