PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERÍA
TEMAS DE INGENIERÍA CIVIL: FERROCARRILES DISEÑO DE UNA VÍA FÉRREA PARA UNA DEMANDA ANUAL DE 7.5 TONELADAS DE CONCENTRADO DE COBRE
INTRODUCCIÓN El presente trabajo consiste en el diseño de una vía férrea que satisfaga una demanda de 7.5 toneladas de concentrado de cobre al año. Este proyecto incluye el diseño del trazo, la superestructura, el equipamiento, la operación, las telecomunicaciones, el organigrama, los costos de inversión y operación (Capex y Opex) y finalmente una comparación con el trazo de una carretera de dos carriles. El informe se ha divido en cuatro capítulos. En el primero se habla sobre la definición del trazo, en el cual se señalan los radios de curvatura y la pendiente gobernadora. Además se hace una estimación del movimiento de tierras y se especifica las características de la sub-rasante que se necesita, de la superestructura y obras de arte con las que contará la vía férrea. En el segundo capítulo se trata el tema del equipamiento a utilizar. Se explica las razones y criterios tomados en cuenta para la selección de locomotoras y vagones, y para la ubicación de los talleres a lo largo de la vía. También se toca el punto de la operación, donde se indica la cantidad de locomotoras y vagones que se requiere para satisfacer la demanda. Los costos de inversión y operación, así como el organigrama y el sistema de telecomunicaciones se detallan en el tercer capítulo. Finalmente, en el último capítulo, se hace una comparación de costos y volumen de movimiento de tierras entre la vía férrea diseñada y una carretera de dos carriles.
Capítulo 1: Diseño de la vía férrea 1.1. Definición del Trazo El trazo de la vía férrea se realizó en el programa Civil 3D, para esto primero se pasaron las curvas de nivel al programa, dándoles la elevación correspondiente. Al definir el trazo se procuró pasar por alguno de los centros poblados, con la finalidad de poder brindar un servicio de transporte. La pendiente gobernadora a la que se llegó es de 3.9% Los radios de curvatura son: Curva
Progresiva inicio Progresiva fin
Radio (m)
Radio (pies) Grado de la curva
C1
0+792
1+297
1000
3280.84
1° 45'
C2
1+622
1+915
2800
9186.35
0° 37'
C3
2+786
3+222
950
3116.80
1° 50'
C4
3+810
4+677
1100
3608.92
1° 36'
C5
5+594
5+796
800
2624.67
2° 11'
C6
6+204
6+636
950
3116.80
1° 50'
C7
7+111
7+340
2000
6561.68
0° 52'
C8
7+851
8+389
1800
5905.51
0° 58'
C9
9+448
9+963
1500
4921.26
1° 10'
1.2. Movimiento de Tierras El diseño se hizo para una trocha estándar (1435 mm) para lo cual el movimiento de tierras contempla principalmente el volumen de corte y relleno para la conformación de la sub-rasante de la vía. Dicho volumen asciende a 1381439 m 3 de corte, mientras que el volumen de relleno es de 7566309 m 3. Además se tiene un corte de 313200 m 3 procedente de la excavación para un túnel helicoidal de 7km ubicado entre las progresivas 20+960 y 29+600. 1.3. Sub-rasante Considerando que el tipo de suelo en la zona es una arena bien graduada (SW) con un CBR = 10, se utilizará este mismo suelo para la trocha estándar, ya que no se requiere de un mayor tratamiento para una sub-rasante de una vía férrea. El suelo se compactará al 95% de la máxima densidad seca obtenida del ensayo de Proctor Modificado, en 2 capas de 15 cm cada una. 1.4. Superestructura Rieles: Se utilizará rieles de 115 lbs/yarda (especificación AREMA) de 33 metros de largo, para tener menos uniones. Se optó por estos rieles debido a que estos soportan 32 toneladas a más.
Figura Nº 1b: Vía férrea con durmientes de Compuesto
Fijaciones: Se usará fijaciones rígidas por el tipo de durmiente que se ha especificado, ya que estos tienen un comportamiento similar a los de madera. Las fijaciones irán clavadas y no con tirafondos debido a que estos últimos son más fáciles de robar. Anclas: Se colocarán anclas en toda la vía para controlar el movimiento longitudinal de los rieles y así asegurar que los durmientes de compuesto no se desplacen. roca molida (granito) de 2,5” de tamaño máximo. El balasto tendrá las siguientes especificaciones: Balasto: Se pondrá una capa de 12” de
1.6. Definición de la sección típica A continuación se muestra la sección típica de la vía férrea, que va a media ladera:
Balasto 8"
Cuneta
Sub balasto 4" Subrasante"
5.00 m
Figura Nº 2: Sección típica de la vía
La sección del túnel fue definida de acuerdo a las dimensiones de las locomotoras y vagones que se seleccionaron (los detalles de la elección de los equipos se explican en el capítulo 2). Se le dio una distancia de 1 m a cada lado por el desplazamiento de los vagones y 2 m en la parte superior para colocar el sistema de ventilación, así se obtuvo la siguiente sección:
Capítulo 2: Selección del equipo 2.1. Selección de equipo Locomotora: La elección de la locomotora se hizo de acuerdo a los resultados de los cálculos que se presentan a continuación: Para la selección, se procedió a analizar la distribución de la carga transportada, llegando a la conclusión de que se harán 2 viajes de subida y 2 viajes de descenso. Datos iniciales: Tonelaje anual
7,500,000.00
Longitud de la vía (Km)
44
Velocidad Promedio (km/h)
30
Tiempo de viaje (total horas)
1.5
Tonelaje diario
20,833.33
Capacidad del vagón (ton)
75
Número de vagones (diario)
278
Cálculos:
Tiempo de viaje (hr)
Máxima Peso de Número de Consumo Tonelaje de Ton por carga por vagón vagones Combustible arrastre freno vagón (ton) (ton) por tren (gal) bruto (ton) operativo
Ton por eje de freno dinámico
0.33
0
20
140
286.67
2,800.00
20
116.67
0.37
0
20
140
315.33
2,800.00
20
116.67
0.29
0
20
140
246.53
2,800.00
20
116.67
0.48
0
20
140
412.80
2,800.00
20
116.67
1.5
Total travel time
848.53 Total fuel consumption
0.48
75
20
140
25.92
13,300.00
95
738.89
0.29
75
20
140
15.48
13,300.00
95
738.89
0.37
75
20
140
19.80
13,300.00
95
738.89
0.33
75
20
140
18.00
13,300.00
95
738.89
1.5
Total travel time
61.20
Total fuel consumption
La locomotora seleccionada es la ES44AC (Evolution Series, 4400 HP, AC traction), producida por General Electric cuenta con un motor diesel EVO y 6 motores de tracción de corriente alterna (AC), esta locomotora tiene 4400HP de potencia. Estas son las especificaciones técnicas: Engine Builder: Cooper Bessemer
Engine: 4-cycle Model GEVO 12
Esfuerzo tractivo disponible = #locos x esfuerzo tractivo de una GE ES44AC Con esta fórmula se obtiene un total de 664 000 lbs disponibles. El esfuerzo máximo de pendiente considerando la inclinación y la curvatura de la pendiente gobernadora (3.9% grados con 250 metros de curva), resultó 297 660 lbs, con esto se comprueba que el esfuerzo tractivo disponible es mucho mayor que lo necesario para que el tren suba; incluso con 3 locomotoras alcanzaríamos el mínimo necesario. En este caso el factor limitante no era el esfuerzo tractivo sino la potencia ya que para éstas condiciones se obtuvo que la potencia requerida para subir con la carga determinada era la de 4 locomotoras de 4400 HP cada una (GE ES44AC). Los enganches utilizados son de tipo E, que resisten 350 000lbs, se calculó que para la pendiente máxima, la fuerza en el enganche de la primera locomotora (caso crítico con 3 locomotoras y los vagones atrás) fue de 267 000 lbs. Con la comprobación del enganche realizada, se define qué configuración se usará. Para este caso se utilizará locomotoras sincronizadas, es decir las 4 locomotoras adelante, con un solo maquinista para la conducción del tren, las demás serán comandadas por medio de un radio control, característica de la configuración sincronizada. En el caso del descenso se utilizará 3 locomotoras para transportar la carga en 2 viajes es decir, 140 vagones llenos en cada viaje. Para esto, el tren hará uso del freno
Motor Diesel (2) Generador eléctrico (2) Motores de Tracción (2) Potencia total Potencia de tracción Configuración de ejes Relación de transmisión Peso total Largo Alto
Cummins NT 855L4 GE 5GT 558 GE 5GE 763 670 HP 600 HP B-B 20.9:1 o 17.03:1 o 19 9:1 Desde 77 hasta 100 t (metr.) 2.895 mm 3.924 mm
Se puede solicitar con freno dinámico, control de seguridad (hombre muerto), cabina para 2 personas y otros adicionales. Esta información se obtuvo de: http://www.getransportation.com/
Vagones: Por el tipo de material a transportar, se optó por utilizar vagones tipo Hoopers. Estos tienen una capacidad máxima de 75 toneladas, por consiguiente se requieren 280 vagones al día para mover la demanda. Se optó por realizar 2 viajes diarios, de 1hora y media aproximadamente (sin contar tiempos de carga y descarga). También se optó por comprar dos vagones de pasajeros con una capacidad de 30 personas cada uno para brindar un servicio de transporte a uno de los pueblos ubicado a la mitad del trayecto. Es por ello que en esta zona se construirá un pequeño Terminal.
Taller de Ruedas (Tornos)
Taller Mecánico Desmantelamiento de motores
Grúas Móviles
Taller Eléctrico
Almacén
Grúa Puente
Limpieza y Rehabilitación de Piezas Fosa Fosa Fosa
Tanques de Agua Lavabos
Oficinas
Taller de Frenos
Figura Nº 5: Taller de reparaciones pesadas
Capítulo 3: Características de Operación 3.1. Organigrama La organización de la empresa se presenta en un cuadro en el anexo A. 3.2. Sistema de telecomunicaciones Se implementará un sistema de comunicación radial que permita una comunicación permanente y confiable entre la central de operaciones y la tripulación. También se proveerá de unidades de radio al personal de mantenimiento de vías. Además se implementará un sistema de comunicación de puntos fijos entre los dos patios que se encuentran al inicio y al final de la vía. 3.3. Consumo de recursos En cuanto al consumo de combustible se tiene: Consumo de Combustible por Hora Pendiente de Subida
215
gal/hora
En cuanto a las HH se tiene: Cargo Presidente
Cantidad de Personal
Costo Mensual Costo Costo Anual por Trabajador Mensual por (S/.) (S/.) Puesto (S/.) 40 15072 15072 180864
Costo por H-H (S/.) 1
Área Comercial Gerente Comercial Asistente Comercial
1 4
30 10
11304 3768
11304 15072
135648 180864
20 12 8 15 6 12 6
7536 4521.6 3014.4 5652 2260.8 4521.6 2260.8
7536 4521.6 12057.6 5652 9043.2 4521.6 9043.2
90432 54259.2 144691.2 67824 108518.4 54259.2 108518.4
18 4 4 4 8 5 8 8 8 4 4 4
6782.4 1507.2 1507.2 1507.2 3014.4 1884 3014.4 3014.4 3014.4 1507.2 1507.2 1507.2
6782.4 3014.4 6028.8 6028.8 6028.8 7536 12057.6 6028.8 6028.8 6028.8 9043.2 6028.8
81388.8 36172.8 72345.6 72345.6 72345.6 90432 144691.2 72345.6 72345.6 72345.6 108518.4 72345.6
Área de Finanzas Gerente Financiero Asesor Contable Asistente Contable Jefe de Presupuestos Personal de Apoyo a Presupuestos Jefe de Tesorería Personal de Apoyo de Tesorería
1 1 4 1 4 1 4
Área de Operaciones Jefe de Operaciones Maquinista Tren de Vía Tripulación de Tren Jefe de Tren Berquero Programador de Trenes Despachador de Trenes Supervisor de Trenes Jefes de Patio Sub - Jefe de Patio Maquinista de loco de patio Mecánicos Personal de Patio Electricistas
1 2 4 4 2 4 4 2 2 4 6 4
3.4. Capex y Opex CAPEX: Los costos de inversión se detallan en el siguiente cuadro: ITEM Corte en roca suelta
1 1
Relleno y compactación Rieles de 115 lbs/yarda Eclisas
Durmientes de compuesto
2
3
Balasto Fijaciones rígidas Anclas Alcantarillas de 3m de diámetro 4
Alcantarillas de 1.8m de diámetro Túnel Locomotoras de vía principal (usadas) Locomotoras de patio (usadas) Vagones carga Vagones pasajeros Clavos Sistema de telecomunicaciones
UNIDAD
METRADO
m3
1,694,639.00
5.58
9,451,789.35
m3 ton unidad
7,566,309.00 4,111.37 4,360.00
1.85 1,800.00 40.00
13,987,014.88 7,400,458.80 174,400.00
unidad
59,760.00
110.00
6,573,600.00
m3 unidad unidad ml
35,117.35 119,520.00 119,520.00 24.00
12.00 1.50 1.50 12,000.00
421,531.84 179,280.00 179,280.00 288,000.00
ml ml unidad
104.00 7,000.00 6.00 4.00 278.00 2.00 478,080.00 1
3,170.24 4,000.00 800,000.00 600,000.00 125,000.00 125,000.00 1.00 1 000 000 00
329,704.44 28,000,000.00 4,800,000.00 2,400,000.00 34,750,000.00 250,000.00 478,080.00 1,000,000.00
unidad unidad unidad unidad
PRECIO UNITARIO ($)
COSTO ($)
Capítulo 4: Comparación entre vía férrea y carretera de dos carriles A continuación, se presentan las ventajas que tiene el transporte de carga y/o pasajeros en ferrocarril y las desventajas de usar el transporte en carreteras. FERROCARRIL: -
Genera un alivio político, económico y energético en relación al aumento del precio del petróleo en los últimos años.
-
Tiene la capacidad de transportar 10 veces la cantidad de carga que transporta una carretera de doble carril en un año.
-
Puede trasladar 100 vagones con 130 toneladas de peso a 70 km/h, y transportar 100 millones de toneladas al año.
-
En un solo viaje puede transportar hasta 1000 pasajeros y en un año hasta 1 millón.
-
El espacio que utiliza para desplazarse no es más de 4 metros de ancho.
-
La vía férrea se mantendrá en buen estado durante 50 años.
-
El uso de locomotoras a diesel genera una contaminación 15 veces menor que
-
Las carreteras requieren de un mantenimiento continuo para alargar su vida útil (mantenimiento cada 8 años).
-
El espacio que necesita debe ser de por lo menos 15 metros para un buen desplazamiento, es decir, el espacio requerido por la carretera es 3 veces mayor que el de la vía férrea.
-
El recubrimiento asfáltico contamina el medio ambiente e impide que el agua de lluvia ingrese al subsuelo, alterando el ciclo hídrico y afectando la flora y fauna silvestre.
-
Los vehículos pesados de carga no pueden convertirse eficientemente al gas y mucho menos a la electricidad.
-
El volumen de corte para una carretera de dos vías es de 71 178 963 m 3 y el de relleno es de 86 328 445 m 3.
-
El costo aproximado de un kilómetro de carretera es de 1 millón de dólares.
-
La sección típica se muestra a continuación: Cuneta 15.00 m
ANEXO A: Organigrama Gerente General
Gerente de operaciones
Gerente Comercial
Asistente Comercial
Jefe de Mantenimiento de Vías
Personal de Mantenimiento de Vías
Jefe de Servicios Mecánicos
Gerente de Finanzas
Jefe de Patio
Jefe de Locomotoras
Jefe de Vagones
Sub – Jefe de Patio
Sub – Jefe de Locomotoras
Sub – Jefe de Vagones
Personal de Patio
Especialistas Técnicos
Especialistas Técnicos
Supervisor
Programador de Trenes
Sub Gerente de Logística
Tripulaciónde Trenes
Despachador de Trenes
Contabilidad
Presupuestos
Gerente de Recursos Humanos
Tesorería
Asistente de Recursos Humanos
