Cargadores Frontales

CARGADORES FRONTALES & PALAS HIDRAULICAS

CARGADORES FRONTALES

La primera pala cargadora apareció en Estados Unidos en 1939 y consistía en un tractor de ruedas con un cazo en la parte delantera accionado por cables.

En la década de los años cuarenta se introdujeron numerosas modificaciones:

Colocación del motor en posición trasera para mejorar la tracción y estabilidad.


Posteriormente, en los años cincuenta se introdujo la servotransmisión y en la década de los sesenta el diseño articulado cada vez mejorada.


Estos equipos, por su gran movilidad, maniobrabilidad y versatilidad, han tenido una gran popularidad, tanto en obras públicas como en minería a cielo abierto, alcanzando la máxima penetración en la década de los setenta con la aparición de máquinas de 125 t, capaces de cargar volquetes de hasta 154 t.


En los años 80 se produjo una paralización en el crecimiento de las palas, existiendo siete fabricantes con sólo nueve modelos con cazo superior a 10 m3. Esta falta de crecimiento se ha debido a dos causas:

Falta de crecimiento de los volquetes que en unadécada sólo han pasado de 154 a 200 t.

Fuerte penetración en el mercado de lasexcavadoras hidráulicas, tanto en los movimientosde tierra como en la minería a cielo abierto.


Las palas están capacitadas para efectuar las siguientes operaciones:

Carga de volquetes, vagones o tolvas

Carga y transporte, eliminando en cortas distancias el empleo de volquetes.

– Desde el frente de voladura hasta la machacadora móvil.

– Desde el stock de material hasta la planta de tratamiento.

Tipos de unidades

Como máquina auxiliar:

limpieza de tajos antes de la voladura, preparación de rampas, apertura de tajos antes de electrificar, manipulación de bolos para su taqueo, construcción y limpieza de pistas de transporte, etc.

Tipos de unidades

Como máquina de empuje, sustituyendo a los tractores: limpieza de los tajos de carga después de efectuar la

voladura y realizando la carga combinada con la excavadora, extendido en la escombrera, etc.

Tipos de unidades

Existen dos tipos de unidades, que se diferencian entren de rodaje:— Máquinas sobre orugas.— Máquinas sobre ruedas.

Tipos de unidades

Tipos de unidadesDe acuerdo con la capacidad del cazo, se establecen tres categorías de Trascabos

CATEGORÍA CAPACIDAD(m3)

I - Pequeñas < 4

II - Medianas 4 - 8

III - Grandes > 8

Las palas cargadoras sobre orugas se construyen dentro de la Categoría I, utilizándose fundamentalmente como maquinaria auxiliar y como cargadora en situación favorables.

Tipos de unidadesDe acuerdo con la capacidad del cazo, se establecen tres categorías de Trascabos

CATEGORÍA CAPACIDAD(m3)

I - Pequeñas < 4

II - Medianas 4 - 8

III - Grandes > 8

Las palas cargadoras sobre orugas se construyen dentro de la Categoría I, utilizándose fundamentalmente como maquinaria auxiliar y como cargadora en situación favorables.

De acuerdo con la capacidad del cazo

El Cargador Frontal CAT-994H Tiene un cazo que le permite cargar las 190 t.

Los CF han seguido en su evolución tamaño de los volquetes. Mientras que las máquinas la Categoría II se emplean fundamentalmente como unidades de carga asociadas al arranque mediante tractores y con volquetes, comprendidos entre las 35ª 50 t, —que es la gama más utilizada en los movimientos de tierra de obra pública— los equipos la categoría III, que pueden llegar a tener cazos hasta 25 m3, se utilizan sólo en los grandes proyectos.

Fundamentalmente, en la minería a cielo abierto que pueden cargar volquetes con capacidad superiores a 85 t. En las explotaciones mineras tienen doble función, actúan como máquinas carga y como equipos auxiliares..

Las características principales de las palas cargadorasFavorables son: Gran movilidad, alcanzando hasta los 45 km/h y por

ello pueden realizar el transporte a distancias cortas. Altura de descarga comprendida entre 3 y 6 m. Diseño muy compacto con una relación media Peso

en Servicio/ Tamaño de Cazo de 7,5 t/m3.

Características generales y de diseño

Las características principales de las palas cargadorasFavorables son:

Diseño muy compacto con una relación media Peso en Servicio/ Tamaño de Cazo de 7,5 t/m3.



• Relación de Potencia instalada/Capacidadde cazo, alcanzándose un valor medio de 62HP/m3.



• Capacidad para remontar y trabajar en pendientes.• Excelente maniobrabilidad y radio de giro pequeño

gracias a la articulación central.


Las características principales de las palas cargadorasson:• Gran anchura del cazo que le permite mantener

grandes bloques o piezas.• Posibilidad de obtener mezclas en el tajo debido a

la gran movilidad.• Facilidad para mantener un piso de carga mas limpio, no

precisándose máquinas.• Adaptabilidad a diferentes métodos de arranque y

transporte.


Las características principales de las palas cargadorasSon:• Menor inversión de capital que en otros sistemas carga.• Menor peligro de envejecimiento debido a su menor

vida útil (10.000 a 15.000 h).• Facilidad de reventa.• Posibilidad de alquiler y contratación.• Mantenimiento sencillo por el sistema de intercambio de

conjuntos.• Menor necesidad de práctica y experiencia del personal

que con otras unidades de carga.


Las características principales de las palas cargadorasDesfavorables son:• Requieren un tratamiento del material a cargar mediante

ripado y empuje o con voladura y empuje para evitar que se produzca un descenso drástico de la producción.

• Para igual capacidad del cazo tienen una menor productividad que las excavadoras.

• Precisan de amplio espacio para maniobrar.• La productividad se reduce con la aparición de problemas

de tracción, en suelos lodosos y blandos.• Se dispara el coste de los neumático en pisos

desnivelados.


• Aumento de los tiempos de movimiento de los cilindros hidráulicos, proporcionalmente al tamaño de cazo.

• Fuerzas de arranque específicas (Fuerza de rotura /Anchura de cazo) proporcionales al tamaño del cazo, por lo que aumentan linealmente con éste.


• La fuerza de tracción específica (Fuerza de tracción /Anchura del cazo) se incrementa con el tamaño del cucharón.

• La altura de descarga y el alcance aumentan aproximadamente el doble para un incremento de cuatro veces la capacidad del cazo.

• La capacidad de acarreo permanece constante para una variación del 20% del peso de la máquina.


• La velocidad de transporte varía poco con el tamaño del cucharón.

• El tamaño de las ruedas no aumenta proporcionalmente con el tamaño del cazo.


En lo relativo al diseño y construcción de las palas ruedas, las partes más importantes son:

• El chasis.• El motor.• La transmisión.• El sistema hidráulico.• El equipo de trabajo.• El cazo.• La cabina.• Los neumáticos.


• El chasis.

Salvo en los equipos muy pequeños, el chasis esta formado por dos semichasis unidos por una articulación doble con eje vertical.


Los parámetros que influyen en la productividad de un cargador frontal son:

• La fuerza de penetración.• La fuerza de arranque.• La fuerza de elevación.• El tipo de cazo.• La distancia de maniobra.

Operaciones básicas y práctica operativa

La fuerza de penetración.

Es función del esfuerzo de tracción de la máquina y de la inercia de la misma.La energía cinética que lleva la pala al aproximarse al material depende de la velocidad de desplazamiento, y se controla por el operador evitando daños estructurales a la máquina. Los modelos de gran tamaño se aproximan al tajo a baja velocidad, pero sus elevados pesos le proporcionan una gran inercia.


La fuerza de penetración varia con:

• La potencia del motor.• La desmultiplicación de la transmisión.• El diámetro de los neumáticos.• Las condiciones de adherencia del terreno.• El peso de la máquina y su distribución por ejes.• Habilidad del operador.


La fuerza de penetración varia con:

• La potencia del motor.• La desmultiplicación de la transmisión.• El diámetro de los neumáticos.• Las condiciones de adherencia del terreno.• El peso de la máquina y su distribución por ejes.• Habilidad del operador.


La fuerza de tracción depende de las condiciones delterreno en contacto con los neumáticos y oscila, segúnel tipo de firme y neumáticos, entre el 30% y el 90% delpeso en operación. Como consecuencia de ello, latracción corre a cargo tan sólo de la potenciatransmitida a los ejes y, fundamentalmente, al delantero,que es sobre el que gravita el mayor peso.

Fuerza de arranque

La fuerza de arranque o desprendimiento es la fuerza máxima y continua en sentido vertical ascendente aplicado a 100 mm del borde de ataque de la cuchara y conseguida por medio de la capacidad para elevar y recoger el cucharón alrededor del punto de giro especificado.


Fuerza de elevación• La fuerza de elevación es la que se ejerce para ascender el

máximo peso de la carga en el cucharón a una altura especificada, con el cucharón situado en la posición de máxima retención de carga.

• Depende de la capacidad del sistema hidráulico y del peso de la máquina.


Capacidad del cazoLa capacidad del cazo se puede dar de dos formas:– Al ras.– Colmada.


Cabeceo del caso la máquina se acerca al frente de carga con el cazo al nivel del suelo, la cuchilla horizontal y con la velocidad más corta de la caja de cambios. Una vez que ha penetrado el cazo en el terreno se procede a la carga del mismo mediante movimientos de cabeceo, apoyando la parte posterior del fondo sobre el terreno y manteniendo el empuje frontal, con una nueva elevación de los brazos hasta que se llene el cazo.


Existen cuatro procedimientos por medio de los cuale:se puede efectuar la carga sobre las unidades de transporte:

Método tradicional con una pala. Método tradicional con dos palas. Método alternativo. Método en cadena.



Consideraciones de selección

Excavadoras hidráulicas frente a palas cargadoras


Definición de las características básicas.

Elección del sistema de rodaje

Selección del modelo.

El proceso de selección de cargador frontal consta de las siguientes partes:

La producción requerida P (m3/h)

El tipo de material a cargar (blando, medio y duro)

La densidad de la roca.


Determinación de: Cazo:Debe cargar al volquete en un número de ciclos prevista. comprendido entre 3 y 4. El tamaño del volquete T (t) se determina en función del cazo "C" y del tipo de material


— Relación entre la capacidad del volquete y la del cazo de la máquina.— Altura de descarga y comparación con la altura 'de la caja del volquete.— Alcance de la máquina y relación con el centro de la caja del volquete.— Anchura del cazo y relación con la longitud de la caja del volquete.

En relación con el volquete que se haya seleccionado para efectuar el transporte, hay que tener en cuenta lo siguiente:


Determinación de: Cazo

Además, deben cumplirse ciertas condiciones geométricas entre el CF y el volquete: — Altura de descarga. Esta debe ser mayor de 6% la altura de la caja del volquete.

— Alcance de la pala. Debe ser, como mínimo, 0.4B, B la anchura del volquete.

— Ángulo de descarga. La pala debe descargar en la caja evitando derrames laterales. El ángulo máximo debe ser de unos 50° cuando se manipulen materiales pegajosos.

— Anchura del cazo. Debe ser menor que la longitud de la caja del volquete.


Determinación de:

Altura La altura de banco que domina una pala depende del alcance máximo de ésta, que puede expresarse en función del tamaño del cazo, y del método de carga utilizado:

CF H(m) = 3,5 + 0,3 . C(m3).

H

B 0.4B


Determinación de:

Peso de la máquinaEl peso del CF, "W", se determina a partir del tamaño de cazo, "C", con la siguiente expresión:

W (t) = 7,5 . C (m3).

PotenciaLa potencia de la pala "Pw" puede calcularse en función del tamaño de cazo, "C", mediante la ecuación:

Pw (kW) = 47 . C (m3). 1 kW = 1.341 hp


Determinación de:

modeloUna vez definidas las características básicas de la máquina: peso, potencia y tamaño del cazo, el paso siguiente es la petición de ofertas a los fabricantes o distribuidores.

Una vez recibida la documentación se confeccionará uncuadro resumen que permita evaluar las diferencias entre los diferentes modelos.

— Diseño del cazo y accesorios.— Articulaciones.— Cabina.— Neumáticos.— Mantenimiento y servicio

— Relación CF-CAMION.— Motor.— Carga límite de equilibrio o estática.— Sistema de tracción.— Circuito hidráulico. — Fuerza de arranque.

CARGADORES FRONTALES & PALAS HIDRAULICAS

PALAS HIDRAULICAS

PALAS HIDRAULICAS

La excavadora hidráulica apareció en Alemania en los años 50 como equipo de movimiento de tierras para la apertura de zanjas.

Estas máquinas constaban en su origen de un chasis con dos ejes provistos de neumáticos, un eje de giro y la superestructura, donde iban colocados el motor diesel, las bombas hidráulicas y el anclaje de la pluma.

La cinemática del equipo trataba de reproducir los movimientos de la excavadora de cables.

PALAS HIDRAULICAS

Este tipo de máquinas alcanzó una gran aceptación, y en los años 60 ya se disponía en el mercado de unidades de 14 t sobre ruedas y de 44 t sobre orugas.

Desde la década de los 70 hasta nuestros días, en los movimientos de tierras, en obras públicas y en minería, las CF y las excavadoras hidráulicas han ido sustituyendo a las excavadoras de cables, dejándolas relegadas al sector de las grandes explotaciones a cielo abierto.

PALAS HIDRAULICAS

Esta tendencia a la baja se vio acrecentada en los años 80, debido a la evolución y desarrollo de las excavadoras hidráulicas,

FRONTAL Y RETRO

ESCAVADORA HIDRAULICA

Características básicas y de diseño

— Diseños compactos y pesos relativamente reducidos en relación a la capacidad de los cazos.

— Gran movilidad y flexibilidad en la operación, especialmente en la versión diesel, con velocidades de desplazamiento de hasta 2,4 km/h.

— Elevada luz del chasis inferior sobre el suelo, del orden de 0,5 a 1 m, lo que facilita sus desplazamientos sobre terrenos de baja capacidad portante o mal acondicionados.


Las características de diseño más importantes son:

El esfuerzo de tracción.

La pendiente máxima remontable.

La velocidad de desplazamiento.


— Reducidas presiones específicas sobre el terreno, de 0,09 a 0,2 MPa.

— Excelente posicionamiento de las máquinas gracias al accionamiento independiente de las orugas.

— Capacidad para remontar pendientes de hasta el 80% y posibilidad de realizar la operación continuada en pendientes del 60%.


Velocidades de rotación elevadas, de 2.5 a 5 rpm.

Fuerzas de penetración y de excavación elevadas, permitiendo el arranque directo de materiales compactos.

Versatilidad para orientar el cazo en el frente de excavación, son adecuadas en explotación selectiva.

Características básicas y de diseñoPala del Cargamento EX1900

A Min. distancia de excavación 5 550 mm (18’3")

B Min. distancia de apretadura llana 7 650 mm (25’1")

C Distancia de apretadura llana 4 820 mm (15’10")

D Max. alcance de excavación 13 430 mm (44’1")

E Max. altura del corte 14 610 mm (47’11")

E' Max. descarga de altura 10 440 mm (34’3")

F Max. profundidad de excavación 5 920 mm (19’5")

G Radio de trabajo en el máximo que descarga altura 6 890 mm (22’7")

H Anchura máxima de la abertura del cubo 2 100 mm (6’11")

Fuerza de apriete del brazo 710 kN (72 400 kgf, 159 600 lbf)

Fuerza de excavación del balde 660 kN (67 300 kgf, 148 400 lbf)

HITACHI


Buena penetración y factor de llenado del cazo debido a la continua evolución del diseño de éstos.

Reducción de los daños causados en la caja de los volquetes, por el mayor control en la descarga de los cazos, alcanzándose una buena distribución y reparto del material.

Exigen poco espacio para operar, constituyendo el equipo ideal en la excavación en trinchera de carreteras, fondos de cortas, alimentación de equipos móviles, etc.


Menor necesidad de empleo de máquinas auxiliares en el tajo de carga.

Moderado consumo de energía, debido a la pequeña potencia relativa instalada y al grado de eficiencia alcanzado.

Vida útil media de 25.000 a 35.000 h, por lo que su uso resulta muy atractivo en proyectos mineros de tipo medio y pequeño.

Costes de operación e inversión medios.


Las partes principales de una excavadora hidráulica pueden agruparse de la siguiente forma:

1. Chasis y tren de rodaje.

2. Superestructura, planta motriz y sistema hidráulico.

3. Equipo de trabajo.


En el tren de rodaje se deben estudiar y tener encuenta tres factores:

— Longitud de las orugas en contacto con el suelo y anchura de las mismas, para proporcionar al conjunto flotabilidad.

— Anchura y longitud del tren, así como posición relativa del mismo, para conseguir un reparto de masas adecuado que proporcione al conjunto estabilidad.

— Número y forma de las garras de las zapatas para conseguir la tracción óptima.


En el tren de rodaje se deben estudiar y tener encuenta:

El tren de rodaje, está formado por los siguientes componentes:— Cadenas de tejas ensambladas por bulones y casquillos sellados.— Tensores de cadena.— Rodillos guía.— Ruedas guía.— Rueda motriz.


En el tren de rodaje se deben estudiar y tener encuenta:

Existen tres tipos básicos de orugas, conocidos genéricamentepor:— Estandard.— De baja presión.— Reforzados.


Las características de diseño más importantes son:El esfuerzo de tracción, la pendiente máxima remontable y la velocidad de desplazamiento.

Los factores más importantes que influyen sobre laproductividad de las excavadoras hidráulicas son:

— La cinemática.— La fuerza de empuje y excavación.— El diseño del cazo.— La altura de carga y descarga.— El ángulo de giro.


La mayoría de los fabricantes utilizan hoy día la cinemática en paralelogramo, debido a sus ventajas:

— Conducción paralela del cazo.— Mayor alcance horizontal.— Aumento de la fuerza de penetración y de excavación.— Mayor ángulo de vuelco del cazo.


Pero también presenta algunos inconvenientes entre losque destacan los siguientes:

— Se precisan cilindros de mayor longitud, lo queimplica un mayor caudal con una mayor velocidadlineal del pistón, pudiendo aparecer problemas depandeo del cilindro.

— Las posiciones de los cilindros hacen que éstos noestén protegidos por el brazo.

— Durante la excavación, la cuchara se ve obligada aconseguir la posición final, provocándose un mayorcalentamiento de¡ aceite.

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