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CAPÍTULO 7. Motoniveladoras

El acabado, la nivelación o la nivelación de acabado son términos usados para indicar los procesos de acondicionamiento de la superficie de un pavimento o sus capas a la forma y pendiente especificadas en los documentos del contrato. Las operaciones de acabado siguen inmediatamente después de las operaciones de excavación y compactación del relleno. Esto incluye el acabado para lograr la pendiente de aquellas secciones que soportan la estructura del pavimento así como la nivelación y conformación de taludes. En el caso de grandes proyectos lineales como son las carreteras o campos aéreos las máquinas usadas para este fin son las motoniveladoras, aunque hay también máquinas especiales que logran el acabado de secciones de pavimento.

Las motoniveladoras son máquinas de usos múltiples usadas para dar acabado, conformar la pendiente de un banco o de una cuneta. Se usan también para mezclar, esparcir, desplegar, nivelar y seleccionar material, en operaciones de desbroce ligero, construcción general y el mantenimiento de caminos de tierra (Ver Figura 7.1). El principal propósito de una motoniveladora es cortar y lo hace con una cuchilla, limitadas a hacer cortes laterales en materiales medios a duros, ya que no pueden usarse para excavación pesada. Una motoniveladora puede mover pequeñas cantidades de material pero no puede realizar el trabajo de un tractor debido a la resistencia de su estructura y la posición de la cuchilla.

Escarificador Disco

Cuchilla

Figura 7.1 Motoniveladora y sus principales componentes. Las motoniveladoras son capaces de trabajar en pendientes tan empinadas como 3:1. Sin embargo, no se recomienda el uso de motoniveladoras para construir cunetas que corren de manera paralela a tales pendientes porque pueden tener un centro de gravedad comparativamente alto y la presión lateral en un punto crítico de la cuchilla puede producir la volcadura de la máquina. Las motoniveladoras son capaces de cortar cunetas de manera progresiva a una profundidad de 90 cm Para cortar cunetas más profundas puede ser más económico usar otro tipo de equipo.

Los componentes de la motoniveladora que realmente hacen el trabajo son la cuchilla y el escarificador. La cuchilla puede rotar en forma circular.

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Programa de Titulación 2006. Ingeniería Civil. Universidad de Piura.

Bef

Figura 7.2 Esquema de la posición angular de la cuchilla de la motoniveladora. Los modelos más sofisticados pueden moverla en diversas posiciones por debajo de la niveladora o a los lados (Ver Figura 7.3). También puede desplazarse horizontalmente para incrementar su alcance más allá del ancho del equipo.

Figura 7.3 Ejemplo del desplazamiento lateral de la cuchilla de una motoniveladora. La cuchilla se usa para conformar los lados del material que encuentra. Los bordes laterales se pueden elevar o bajar juntos o independientemente uno de otro. Cuando la cuchilla se coloca en ángulo, la carga que va a empujar tiende a salirse del espacio que le indica la cuchilla (Ver Figura 7.2). La acción de rodillado producida por la curva de la cuchilla ayuda en este movimiento lateral.

Capitulo 7 Motoniveladoras

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Cuando la cuchilla se inclina más, la velocidad lateral se incrementa, de modo que el material no se empuja hacia delante tan rápido y se puede hacer un corte más profundo. La forma y el mantenimiento de la mayoría de las vías, requiere un ángulo de 25° a 30°. El ángulo debe disminuir para el esparcido e incrementarse para cortes y cunetas. Este ángulo de la cuchilla influirá luego en la producción.

Figura 7.4 Ángulo de ataque de la cuchilla de la motoniveladora . 7.1.

Estimación de la producción

La producción de una motoniveladora depende mucho del tipo de trabajo en la que se use. Por ejemplo, para nivelar superficies, cortando el material de las salientes y usándolo para rellenar las hondonadas el volumen de material no es significativo, de modo que la producción se mide en unidades de área por hora. De manera similar para las actividades de refine, esparcido y batido de material en obra, aunque para estas dos operaciones se puede usar algunas veces unidades de volumen por hora. En labores de formación o limpieza de canaletas, la producción se mide en unidades de longitud por hora.

Schexnayder (2002) recomienda una fórmula para estimar el tiempo que le toma a la motoniveladora realizar un trabajo. La expresión recomendada se expresa en la Ec. 7.1: Ttotal

p D S E

donde:

Ec. 7.1

p es el número de pasadas requeridas.

D es la distancia de viaje en cada pasada.

S es la velocidad de la niveladora en cada pasada. E es el factor de eficiencia del trabajo.

El número de pasadas depende de los requerimientos del proyecto y se estima antes de iniciar el trabajo. La distancia por pasada también debe establecerse con anterioridad. Conociendo además el ancho efectivo de la cuchilla (Bef) es posible determinar la producción, dividiendo el producto de la distancia y el ancho entre el tiempo hallado anteriormente, como se expresa en la Ec. 7.2: P

D Bef Ttotal

Ec. 7.2

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Programa de Titulación 2006. Ingeniería Civil. Universidad de Piura.

El ancho efectivo se considera como la proyección del ancho de la cuchilla en un plano perpendicular al eje longitudinal de la motoniveladora. Conociendo el ángulo con que se coloca la cuchilla para hacer el trabajo (Figura 7.2), se puede estimar con la Ec. 7.3: B cos

Bef

Ec. 7.3

Al reemplazar en la Ec. 7.2 el valor de Ttotal se obtiene la producción en función del ancho, la velocidad y el número de pasadas, según la Ec. 7.4: P

Bef

S E

p

Ec. 7.4

La velocidad es el factor más difícil de estimar. Conforme el trabajo avanza, las condiciones pueden requerir que la velocidad estimada se incremente o disminuya. Se debería registrar la velocidad de trabajo cada vez, porque depende mucho de la habilidad del operador y el tipo de material.

Siempre debería trabajarse a la máxima velocidad que el operador y las condiciones del terreno lo permitan. Si se requiere una menor velocidad, es mucho mejor usar un cambio menor que correr a menos de la máxima velocidad. En la Tabla 7.1 se muestran los rangos más apropiados de los cambios a usar en las diferentes operaciones, bajo condiciones normales. Tabla 7.1 Rango de cambios adecuados para las operaciones de la motoniveladora. Operación Mantenimiento de caminos Preparación de solares Mezcla o batido de material Trabajos en pendientes laterales Construcción y limpieza de zanjas Nivelación de acabado

Cambio Segunda a tercera. Tercera a cuarta. Cuarta a sexta. Primera. Primera a segunda. Segunda a cuarta.

En cuanto a la eficiencia, un valor aceptable para las niveladoras es de 60% ó 36 min/h. Este valor considera la variación en el número de pasadas durante el trabajo en el campo. La habilidad del operador junto con el planeamiento es lo más importante para eliminar las pasadas innecesarias. Por ejemplo, si se requiere de 4 pasadas para completar un proyecto, cada pasada adicional implica un incremento de tiempo y dinero.

Cuando se hace un número de pasadas sobre una distancia relativamente corta (menos de 300 m.), es más eficiente mover en reversa la niveladora hasta el punto de inicio que girar y continuar el trabajo a partir del punto final. El giro puede dañar la superficie, especialmente si se trata de trabajos de acabado y nunca debe girarse sobre una capa bituminosa. Por otro lado, una presión excesiva de las llantas puede causar una pérdida de contacto con la superficie del camino, produciendo una pérdida de tracción. Una diferencia de presión de aire entre las llantas posteriores produce deslizamiento y el colapso de la niveladora. Es necesario mantener las llantas infladas a la presión correcta para obtener buenos resultados. Otra posible fórmula para el cálculo de la producción de manera muy rápida está en función de la potencia, con la expresión de la Ec. 7.5:

Capitulo 7 Motoniveladoras

P m3 / h

2.3HP

105

Ec. 7.5

Esta fórmula considera una eficiencia de 50 min/h. Para valores de eficiencia distintos, será necesario aplicar un factor de corrección equivalente a E/50, siendo E el nuevo valor de eficiencia en min/h. 7.1.1. Recomendaciones de operación 1

La nivelación de superficies es quizás la forma más común de aplicación de la motoniveladora. La motoniveladora corta el material de las salientes y lo empuja para usarlo en el relleno en las hondonadas. Esto se aplica en la nivelación de subrasante. Cuando el material es suave o fino, se humedece con cisterna y se pasa la cuchilla, 1.5 a 2 centímetros por encima del nivel final. Esto se recomienda para permitir que la compactación posterior no deje los niveles por debajo de lo indicado. De manera similar para las actividades de refine.

Cuando se está colocando el material de subbase o base, los camiones lo descargan en pilas y es la motoniveladora la encargada de extenderlas. La cuchilla se trabaja un poco girada, empezando desde los extremos hacia el centro, para evitar desparramar el material más allá del área de colocación. En este trabajo se tienen eficiencias de 50 min/h. Algunas veces el contenido de humedad del material para la compactación se realiza en la cantera, pero por lo general se realiza en obra. Esta operación llamada “batido”, se realiza con la cuchilla girada e inclinada. Los rendimientos promedio oscilan alrededor de 300 m2/h.

En labores de conformación o limpieza de cunetas, la producción se mide en unidades de longitud por hora. La motoniveladora se trabaja en segunda, con la cuchilla extendida verticalmente al lado de su eje. En una primera pasada se realiza un corte de 7.5 a 10 cm en el trazo de la cuneta. Este corte constituye la marca de referencia para las operaciones posteriores. Las pasadas siguientes serán más profundas o inclinadas, manteniendo siempre el diente de la cuchilla alineado con la llanta para garantizar el alineamiento de la cuneta. Cuando se tienen trabajos de mantenimiento de caminos, especialmente trochas, la finalidad es corregir las corrugaciones. Primero se escarifica la superficie. Luego se pasa la cuchilla para distribuir el material y luego se pasa un rodillo para prolongar el beneficio de los resultados.

1

Temoche, Luis. Pavimentos de rígidos en el Perú. Tesis en desarrollo., Universidad de Piura.