Selección de las Excavadoras según las condiciones de trabajo

Resumen

Una de los criterios importantes que tenemos que considerar en la elección de una excavadora es su condición de trabajo del equipo en general. Los accesorios del equipo que se encuentran en contacto con el material de corte, como el trabajo del cucharon que puede ayudarnos a manipular adecuadamente el material.

Los criterios del trabajo del equipo en general como conocer la ubicación del camión y la excavadora, aplicar un ángulo de giro adecuado, conocer el volumen adecuado de corte y el volumen de carga hacia el camión. Siendo importante destacar el tipo de suelo a remover o excavar.

1. Condiciones de trabajo:

Las excavadoras hidráulicas tienen la posibilidad de combinar un rango de capacidades de cucharones para un mismo modelo. La selección de la capacidad del cucharón depende de la facilidad con que se puede manipular el material. Si se tiene roca bien fragmentada o material fácilmente excavable, los cucharones pequeños podrán manipular el material y no necesitarán ejercer mucha fuerza para excavar el material. Existen además una variedad de cucharones para usos específicos que les da una versatilidad aún mayor.

Otro aspecto importante en la selección del excavador es su combinación con las unidades de transporte. Se mencionó que un camión no debería llenarse con más de 5 cargas ni con menos de 4. Es decir, que la capacidad de las unidades de carga debe ser cuatro o cinco veces la dimensión del cucharón. Además, la altura de la tolva respecto al nivel del terreno o de la excavadora determina el modelo, que debe ser capaz de alcanzar la parte superior de la tolva para descargar el material. Aunque en este sentido, es posible solucionarlo colocando la excavadora a una altura por encima del camión.

Figura. Ejemplo del trabajo del azadón, excavando y cargando un camión por encima del nivel de carga.

Cuando se excavan zanjas, el ancho del cucharón será crítico para no exceder al ancho de la excavación y lograr la suficiente fuerza de corte. En este caso también es crítica la profundidad y el radio de trabajo de la excavadora. Ver figura

Esquema del trabajo de una excavadora en zanjas y la influencia de la profundidad y el radio de corte.

En cualquier caso, el peso de la carga en el cucharón no debe exceder la máxima carga de diseño o llamada también, máxima carga de equilibrio estático. De lo contrario, la excavadora puede voltearse y dañarse o causar daño al personal. Por seguridad, no se recomienda llegar al límite sino a un porcentaje de este valor, como se explica en el cálculo de la producción.

1. Volumen del cucharón

El volumen del cucharón se considera la capacidad colmada, afectada por los factores de llenado, como se muestra en la ecuación.

La capacidad colmada se estima a partir de la información del fabricante, que asume un acomodo del material con una loma en la parte central y una pendiente hacia los lados (Ver Figura). Está pendiente es de 1:1 para las palas y las excavadoras de azadón (especificación PCSA) y es de 2:1 para los cargadores frontales (especificación SAE).

Figura: Esquema de la capacidad del cucharón de las palas y azadón.

Este acomodo del material puede variar según sus características y condiciones. Una arena suelta seca se acomodara con una pendiente más baja mientras que si esta misma arena esta húmeda, es posible que alcance una pendiente mayor (véase la fig.). Por ello se sugieren los factores de llenado para ajustar un acomodo más realista según el material. Este valor estará en volumen suelto.

Figura. Acomodo del material en el cucharón de las excavadoras.

Se presentan tres líneas, A indica el máximo acomodo del material, generalmente sucede en materiales cohesivos o semi-cohesivos. La línea C indica un pobre acomodo del material en el cucharon, característico de los materiales granulares sueltos. La línea B indica un caso intermedio.

2. Tiempo del ciclo

Es una función del tipo de máquina y de las condiciones de trabajo que incluyen el ángulo de giro, la profundidad o altura de corte y en el caso de cargadores frontales, la distancia de viaje.

Un ciclo se considera como el total de las operaciones de corte, giro con carga, desplazamiento o viaje, descarga, giro vacio y regreso vacio. En el caso de palas frontales o excavadoras de azadón, el desplazamiento es nulo o muy pequeño, considerándose cero este tiempo.

3. Factores de corte y giro

Cuando una excavadora trabaja, debe elevar y bajar su brazo, girando para poder operar la carga y descarga del material. Estas alturas o profundidades y el giro realizado en dimensiones mayores a las ideales implican un mayor tiempo del ciclo. Por ello, los datos de ciclos se han definido en base a unas condiciones definidas como ideales para cada equipo.

Por ejemplo, los tiempos del ciclo de la pala generalmente se calcula asumiendo que la altura de trabajo es la óptima y el ángulo de giro es de 90°. Para las excavadoras de azadón, las condiciones ideales consideran una profundidad de corte entre 40% y 60% de la máxima profundidad de trabajo y el ángulo de giro entre 30° y 60° (Ver Figura ). En el caso de los cargadores frontales, no importará el giro ni la altura de trabajo.

Figura: Esquema de las condiciones de giro ideal de las excavadoras

Figura: Esquema de la condición ideal de altura óptima de las excavadoras.

El porcentaje de altura óptima es la altura de trabajo dividida entre la altura óptima, que por lo general está entre el 30% y el 50% de la máxima altura de trabajo de la pala, siempre que el material sea fácil de cargar como limo, arena o grava y si es tierra común, menos del 40%. Otros materiales difíciles de cargar como arcilla pegajosa o roca requerirán que esta altura óptima sea el 50% de la máxima altura de trabajo. Estos factores pueden variar a su vez por el ángulo de giro.

No se han realizado estudios similares con otros equipos. Podría ser interesante realizar una investigación que permita sacar conclusiones sobre los factores más adecuados a usar en condiciones distintas a las ideales o descartar su aplicación.

Tabla: Factores de altura de corte y ángulo de giro para palas frontales.

Referencia:

1. Manual de Caterpillar 2001 Editado en EEUU.

2. Excavadoras, Programa de Titulación, Ingeniería Civil, Universidad de Piura 2006