UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE SINALOA Rubén Rocha Moya Rector Jorge Luis Guevara Reynaga Secretario General Gómer Monárrez González Director de Servicios Escolares Francisco Álvarez Cordero Tesorero General Sergio Jacobo Gutiérrez Coordinador General de Extensión de la Cultura y los Servicios. Antonio Coronado Guerrero Directora de Editorial Ramón Romero Herrera Director de Imprenta Universitaria
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MAQUINARÍA PARA LA CONSTRUCCIÓN (MOVIMIENTO DE TIERRAS)
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JOSÉ LUIS MÉNDEZ ÁLVAREZ
MAQUINARÍA PARA LA CONSTRUCCIÓN (MOVIMIENTO DE TIERRAS)
Universidad Autónoma de Sinaloa
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José Luis Méndez Álvarez MAQUINARÍA PARA CONSTRUCCIÓN ( Movimiento Movimiento de tierras) Colección Aula Magna UAS, 1996, serie Ingeniería Civil, num. 9 Primera edición UAS, 1996 © Universidad Autónoma de Sinaloa Culiacán Rosales, Sinaloa. Jefe de producción: Corrección: Formación : Diseño de portada: portada:
Lorenzo Terán Olguín Vicente Jaime Sánchez y José Luis Méndez Álvarez Hilda Colín Méndez Carlos Camacho Lizárraga José Luis Méndez Álvarez Fotos de portada e interiores tomadas de la revista Caterpillar y de folletos de los fabricantes John Deere y Fiat-Allis
ISBN 968-7636-25-4 Edición con fines académicos, no lucrativos Burócratas 274-3 80030, col. Burócratas Hecho en México Printed in Mexico
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A mi familia , Por hacer posible el compartir compartir Estas experiencias Al Grupo ICA Por la experiencia En ella adquirida A la Escuela de Ingeniería de Mazatlán, Por darme la oportunidad oportunidad De Seguir aprendiendo
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CAPITULO 1 ANTECEDENTES DE LA MAQUINARIA PARA CONSTRUCCIÓN Y DEFINICIONES
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En las grandes obras de Ingeniería Civil, el hombre siempre ha necesitado de la ayuda de máquinas y equipo para poder realizarlas. En el pasado el hombre utilizó máquinas muy rudimentarias que le sirvieron para poder llevar a cabo la construcción de esas obras que en la actualidad admiramos por la majestuosidad que lograron sus constructores. En los tiempos actuales con la tecnología con la que se cuenta, es posible construir máquinas muy modernas que cuentan con los adelantos que las hacen muy versátiles, con el fin de utilizarlas en diferentes tipos de trabajos, logrando con ello reducir los tiempos y costos de producción que son condicionantes tan importantes en ésta época de libre comercio y gran competitividad. De los diferentes tipos de maquinaría que se utilizan para la realización de las obras de Ingeniería, la podemos clasificar de la siguiente manera: 1.-Maquinaría Mayor ó Pesada 2.-Maquinaría Menor 3.-Vehículos
Maquinaría Mayor.-Es todo equipo que está formado de gran tamaño y peso, y debido a estas características se utiliza en la movilización de grandes volúmenes de materiales y grandes pesos, y cuya clasificación es la siguiente: -Maquinaría para Movimiento de tierras. -Maquinaría para Elaboración de Materiales. -Maquinaría de Apoyo y Maniobras. Maquinaría para Movimiento de Tierras. a).-Para cortes y acarreos Tractores,Motoescrepas,Trackdrill,Wagondrill,Compresores,Camiones fuera de Carretera (fig. 1), Cortadoras de pavimento. b).- Para Excavación, Carga, Elevación.-Excavadoras, Elevación. -Excavadoras, Cargadores, Palas Hidráulicas, Dragas, Zanjadoras, Retroexcavadoras, Elevadoras de Camellones. c).- Para Combinar y colocar Material; Motoniveladoras, Compactadores, Pavimentadoras, Colocadoras de concreto en taludes, Guarnicioneras. Maquinaría Para elaboración de material.-Trituradoras, Plantas de Asfalto, Plantas de Concreto, Estabilizador de Mezclas Maquinaría de Apoyo y Maniobras.-Grúas Hidráulicas, Dragas de pluma, Grúas Sobre Torres, Equipos de Elevación de Bandas.
II.-Equipo Menor.-Es todo aquel equipo que debido a su pequeño tamaño y peso lo hace maniobrable con gente, entre los cuales tenemos: a).-Malacates 9
b).-Revolvedoras c).-Vibradores d).-Compactadores Manuales e).-Bombas fi gur a 1. 1.-- Camión Camión articul ar ticul ado tipo ti po fuera de carre carr etera tera
III.-Vehículos.-Son todos aquellos equipos que se utilizan para el transporte de gente, equipos y materiales en las obras, entre los que contamos : a).-Camión Revolvedora b).-Camión Volteo c).-Camión Pipa o Cisterna d).-Camión Grúa e).-Camión de Redilas f).-Camioneta Pick-Up. Entre las actividades que más comunes que se realizan en la construcción de las grandes obras de Ingeniería podemos enumerar las siguientes:
Desmonte.-Es el conjunto de actividades que se llevan a cabo, con el fin limpiar una superficie de toda materia vegetal. El cual debido al tamaño y tipo de la materia vegetal, se divide en: Desmonte ligero.-Es ligero.-Es aquel en donde predomina la maleza, arbustos y árboles de regular tamaño localizados en forma aislada.
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Desmonte Mediano.-Este Mediano.-Este está formado por arbustos y árboles de regular tamaño y cuya separación es discontinua. Desmonte pesado.-Es pesado.-Es aquel donde predominan los árboles de gran tamaño y sembrados de una forma continua.
Despalme.-Es la actividad de remover o extraer la capa vegetal, cuyo espesor es de 40 cms. en promedio. Excavación.-Es la actividad de remover un suelo de su estado natural a partir de la superficie o cota del terreno natural con el fin de alojar una estructura o parte de ella o funcionar como tal. Las excavaciones en función de la dificultad que presentan los materiales para ser removidos se dividen en: Excavación en Material tipo I ó "A".-Es aquella donde predomina los suelos que pueden ser atacados por medios manuales con el auxilio de una pala. Dentro de ésta clasificación se encuentran los limos, arenas y cualquier otro material suelto. Excavación en Material tipo II ó "B".-Es donde predominan los suelos que para ser atacados con medios manuales se requiere la ayuda del pico y pala, y cuando se emplee maquinaría ésta debe ser de una potencia máxima de 125 HP. Quedan comprendidos en éste tipo de suelos los siguientes; Suelos medianamente cementados, con mediana resistencia y rocas sueltas menores de 0.5 M3 de volumen. Excavación en Material tipo III ó "C".-Es donde predominan los suelos que para ser removidos por medios manuales es necesario la utilización de cuña y marro, y cuando se utilice maquinaría ésta será de una capacidad mayor de 125 HP. Normalmente en éste tipo de material se utiliza dinamita para su extracción. Entre los suelos que comprenden este tipo, encontramos los conglomerados fuertemente cementados, boleos empacados en arcilla o tepetate, rocas areniscas, basálticas o cualquier otra que presente resistencia al ser removidas. Banco de Materiales.-Es el sitio fuera de la obra de donde se extrae el material que será posteriormente utilizado en la construcción de la misma. Préstamo de Banco.-Se entiende como tal al suministro de material cuyo origen es un banco de materiales. Préstamo Lateral.-Es el conjunto de actividades que se realizan con el fin de utilizar el material adyacente a la obra. Cortes.-Es el conjunto de actividades concernientes en remover un suelo de su estado natural. En función de la profundidad, los cortes se dividen en: Corte en Cajas.-Es la remoción de un suelo, con el fin de sustituirlo por otro, cuyas características mecánicas y portantes son mejores. 11
Corte en Tajo.-Es Tajo.-Es la remoción de todo material que esté por arriba de la rasante de proyecto de una vía de comunicación. Corte en Cubeta.-Es la remoción de un suelo que se realiza en un canal debajo de la línea del bordo libre.
Rellenos.-Es el suministro de material con el fin de nivelar una excavación o depresión topográfica. Y debido al tratamiento que se le realiza al material, el relleno puede ser Compactado o A volteo. Terraplén.-Es el resultado de las actividades correspondientes a elevar el nivel de la rasante del terreno natural con un material o suelo que formará una estructura, previo tratamiento especial del suelo, con el que se logrará mejorar las características físicas del mismo.
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COSTO HORARIO Definición.-Es la suma de los importe, que generan los diferentes conceptos que integran el costo por hora de trabajo de una máquina. Partes que integran un Costo Horario.
Cargos Fijos
1.-Costo por Depreciación 2.-Costo por Inversión 3.-Costo de Seguros 4.-Costo de Mantenimiento
COSTO HORARIO
Cargos Variables
Factores que influyen en los Cargos Fijos
(Va) (Ve) (Vr) (I) (S) (A) (M) (E)
1.-Costo por Consumos 2.- Costo por Llantas 3.-Costo por Piezas Especiales
Valor de Adquisición Vida Económica Valor de Rescate al final de la vida económica Interés de la Inversión Prima del seguro Factor de Almacenaje Factor de Mantenimiento Escalación.- Cuando se trabaja a Precios Unitarios.
Valor de Adquisición.-Es el precio de la máquina, menos el costo de las llantas y piezas especiales (si las tienen). 1.-Avance Tecnológico 2.-Devaluación de la moneda Factores que afectan el 3.-Incremento de la mano de obra Precio de adquisición del 4.-Facilidades de pago equipo de construcción 5.-Porcentaje de Financiamiento 6.-Incremento de la materia prima 7.-Situación Económica de los países productores Valor de Rescate.-Es el precio que tiene la máquina, después de haber concluida su vida económica. Vida Económica.-Es el tiempo en la cual las autoridades hacendarías permite prorratear el costo adquisición de la máquina (Depreciación).
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Factores que influyen en la vida económica
1.- Calidad del mantenimiento tanto Preventivo como Correctivo 2.- Calidad de operación del operador 3.- Correcta utilización del equipo 4.- Terminación de la obra, e inicio de otra importante 5.- Obsolescencia 6.- Inflación
Existen varios Métodos para conocer la vida económica de una máquina, entre los que se indican los siguientes. Tabla 1.-PERIODOS DE VIDA ECONOMICA DE DIVERSAS FUENTES TIPO DE MAQUINA
SHCP
ASOC. DE LIBRO PALAS Y AMARILLO DRAGAS (USA)
1.-Cargador Frontal de más de 83 Hp. 2.-Camiones volteo
5 años
3.-Compactadores 3.-Compactadores Vib. Autopropulsados 4.-Compresores 4.-Compresores Portat. de 210 a 1200 P.C.M 5.-Dragas de Orugas de 2,1/2 - 3 Yd3 6.-Motoniveladoras
5 años
7.-Motoescrepas
5 años
8.-Tractores de Orugas
5 años
5 años 5280 Hrs 5 años 7040 Hrs 4 años 5632 Hrs 5 años . 6000 Hrs 16 años 6.25años 28800 Hrs 7700 Hrs 5 años 7400 Hrs 5 años 7040 Hrs 5 años 6160 Hrs
5 años
5 años 5 años 5 años
SRA
PEURIFOY
5 años 10000 Hrs 5 años 10000 Hrs
5 años 7000 Hrs 5 años 10000 Hrs
5 años 6000 Hrs 8 años 16000 Hrs 5 años 10000 Hrs 5 años 10000 Hrs 5 años 10000 Hrs
5 años 6000 Hrs 5.88 años 9408 Hrs 5 años 10000 Hrs 5 años 10000 Hrs 5 años 10000 Hrs
CNIC.
5 años 6000 hrs 5 años 8000 Hrs 4 años 6400 Hrs 5 años 6000 Hrs 6.25años 8750 Hrs 5 años 8000 Hrs 5 años 8000 Hrs 5 años 7000 Hrs
SCT.
10000 Hrs 8000 Hrs 10000 Hrs 8600 Hrs 13400 Hrs 10000 Hrs 12000 Hrs 12000 Hrs
Fuentes:
SHCP.....Secretaría de Hacienda y Crédito Publico LIBRO AMARILLO.....Publicación de la Asociación General de Contratistas de E.E.U.U. CMIC....Cámara Mexicana de la Industria de la Construcción SCT.....Secretaría de Comunicaciones y Transportes.
Depreciación.-Es la perdida de valor de la máquina, con relación al tiempo. Y viene dado por:
D= Va - Vr Ve Existen varios métodos para calcular el porcentaje anual a depreciar del precio de la máquina entre los que se encuentran los siguientes.
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Tabla 2.- PORCENTAJES DE DEPRECIACION ANUAL METODO A 1 2 Lineal 20% 20% Decreciente al 40% (sobre saldos anuales) 40% 24% Suma de Dígitos 33% 27% Cuadrados de Dígitos 45% 29%
Ñ 3 20% 14% 20% 16%
O 4 20% 9% 13% 7%
S 5 20% 5% 7% 2%
6 0 3% 0 1%
Método Lineal.-Este es el método utilizado en nuestro país y autorizado por las autoridades Hacendarías, y consiste en depreciar el valor de adquisición de la máquina entre el número de años de la vida económica. La cantidad resultante es la depreciación anual que será la misma cada año. Este método es muy sencillo pero distante de la realidad, ya que la recuperación es lenta. Así una máquina de 5 años de vida económica se depreciaría 20% anual y una de 8 años será del 12% anual. Método del Cargo Decreciente (Saldo en libros).-Este consiste, que al valor de adquisición de la máquina, se le aplica una depreciación anual equivalente al doble del porcentaje del número de años de vida económica, pero sobre saldos. Así para 5 años de vida económica corresponde 40% al primer año,40% al segundo, sobre el saldo y de esta manera hasta el quinto año dejando un valor de rescate final. Fd = 100 % = 20 % x 2 = 40 % 5 años 1er. año.... 100 x 0.4 equivalente al 2do. año.... 60 x 0.4 " " 3er. año.... 36 x 0.4 " " 4to. año.... 22 x 0.40 " " 5to. año.... 13 x 0.40 " "
40% 24% 14% 9% 5%
Método de la Suma de Dígitos.-Al valor de adquisición menos el valor de rescate se le aplica una depreciación basada en lo siguiente el número de años de vida económica se toma como primera cifra en una serie descendiente y el factor es esta cifra dividida entre la suma de toda la serie. Por ejemplo.-Si consideramos 5 años de vida económica serian: 5+4+3+2+1= 15 1er. año.... 5/15 equivalente al 33% 2do. año....4/15 " " 27% 3er. año.... 3/15 " " 20% 4to. año....2/15 " " 13% 5to. año....1/15 " " 7%
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Método de la Suma de Dígitos al Cuadrado.-En nuestro país algunas empresas utilizan un curva más acelerada para lograr depreciar lo más rápido posible el costo de adquisición, para lo cual modifican en método de la suma de dígitos elevando previamente al cuadrado las cifras quedando para 5 años de la siguiente manera: 5 + 4 + 3 + 2 + 1 = 55 1er. año.... 5 /55 equivalente al 46% 2do. año.....4 /55 " " 29% 3er. año..... 3 /55 " " 16% 4to. Año.....2 /55 " " 7% 5to. Año.....1 /55 " " 2%
Interés de la Inversión.-En este concepto se recuperan los intereses generados por el capital empleado en la adquisición de la máquina. Es practica normal aplicar los intereses bancarios vigentes, y se calculan a partir de la siguiente fórmula:
I= Va + Vr i 2Ha De donde:
I = Intereses de la Inversión i = Interés bancario en (%) Ha= Horas por año Vr= Valor de Rescate Va= Valor de Adquisición Prima de Seguros.-En este concepto se considera el importe correspondiente a la prima de seguros que se s e paga por asegurar ase gurar la máquina anualmente. anualmente . Es indispensable que q ue toda máquina esté asegurada, debido al monto de inversión que representa y a la gran cantidad de riesgos que está expuesta (robos, accidentes, coaliciones coaliciones en su traslado, etc), y viene representado por la siguiente expresión:
S = Va - Vr s 2Ha Mantenimiento.-Corresponde a los gastos originados por las reparaciones que se le realizan a la máquina durante su vida útil. Y se representa como un porcentaje de la depreciación. Y se indica de la siguiente forma:
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M=QD De donde: Q= Factor de Mantenimiento (Cuyos valores varían de 0.40-1.00) Tabla 3.- VALORES DE "Q" PARA DIFERENTES TIPOS DE MAQUINARIA
VALORES DE "Q" 100% Q = 1.0
80% Q = 0.80
60% Q = 0.60
40% Q = 0.40
Costo de reparaciones de diferentes tipos de maquinaría y equipo, expresados en % de los costos de depreciación lineal de los mismos. Compactadores Vibratorios, Pata de Cabra y Neumáticos Excavadoras, Retroexcavadoras Cargadores, Palas Mecánicas Tractores con o sin cuchilla Desgarradores o rippers Motoescrepas, Camiones fuera de carretera Motoniveladoras Bombas de alta presión, de pistón Calderas Grúas de patas fijas Motores de combustión interna o eléctricos Tolvas para concreto y transportadores portátiles Zanjadoras y botes de Almeja Bombas para concreto de gasolina, Bombas centrífugas Camiones de volteo Compresores Dosificadoras, Mezcladoras de concreto > de 1.5 M3 Dragas de arrastre, y Martinetes para pilotes Camión Mezclador de concreto, Vagonetas a volteo y automóviles Pavimentadoras y Plantas trituradoras Tolvas para agregados y Transportadores estacionarios Vibradores de concreto y Malacates eléctricos Cargadoras y Elevadores de canjilones Grúas Móviles Perforadoras neumáticas Camiones (exceptuando los de volteo) Malacates de gasolina Mezcladoras medianas de concreto Quebradoras Mezcladoras pequeñas para concreto Herramienta eléctrica de mano(taladros, esmeriladoras, etc.) Herramienta neumática y tubería
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CONSUMOS
Combustibles Lubricantes
E= e x HP x Fo x Pc
COMBUSTIBLES
e=0.227 (Gasolina) e=0.151 (Diesel) Fo= 0.70
E = 0.653 x HP x P.kwh (Consumos Electricidad
LUBRICANTES
L = a x Pe a= Consumo de Aceite(Lt/Hr.) o de Grasa(Kg/Hr.) a= c/t x 0.0023 x HP x Fo (Motor de Gasolina) a= c/t x 0.0034 x HP x Fo (Motor Diesel) a= 0.001 x HP x Fo (Grasa) t= 70 a 100 Hrs.
LL = VLL HV PIEZAS ESPECIALES Pe = VP HV LLANTAS
SIMBOLOGIA (HP) Potencia Nominal del motor (Fo) Factor de Operación (Pc) Precio del combustible (P.kwh) Costo del KWH. (c) Capacidad del Carter (Lts.) (t) Tiempo entre cambios (horas) (V LL) Valor de Adquisición de las Llantas (H v) Vida Económica de las Llantas (Hrs) (V p) Valor de la Pieza (H v) Vida Económica de la Pieza (Hrs) (Pe) Precio del Lubricante 18
Tabla 4.- FACTORES PARA DETERMINAR LA VIDA ECONOMICA DE LAS LLANTAS .
CONDICIONES
FACTOR
1.-DE MANTENIMIENTO Excelentes Medias Deficientes 2.-VELOCIDAD DE TRANSITO TRANSITO (Máxima) 16 Km/Hr 32 Km/Hr 48 Km/Hr 3.-CONDICIONES DE SUPERFICIE DE RODAMIENTO Tierra suave sin roca Tierra suave incluyendo roca Caminos bien conservados conservados con superficie de grava grava compactada Caminos mal mal conservados conservados con superficie de grava grava compactada 4.-POSICION DE LAS LLANTAS En los ejes traseros................................................. En los ejes delanteros............................................. En los ejes de tracción vehículos de descarga trasera Vehículos de descarga de fondo............................. Motoescrepas y similares......................................... 5.-CARGAS DE OPERACION: Dentro del límite especificado por el fabricante Con 20% de sobrecarga Con 40% de sobrecarga 6.-DENSIDAD Y GRADO DE CURVAS EN EL CAMINO: CAMINO: No existen.......................... Condiciones medias............ Condiciones severas 7.-PENDIENTES DE LOS CAMINOS (Aplicable al eje tractor) tractor) A nivel....................... 6% como máximo............... 10% como máximo............... 15% como máximo 8.-OTRAS CONDICIONES DIVERSAS Inexistentes.................. Medias........................ Adversas
COSTOS DE OPERACIÓN
1.00 0.90 0.70 1.00 0.80 0.60 1.00 0.90 0.70 0.70 1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 1.00 0.80 0.50 1.00 0.90 0.80 1.00 0.90 0.80 0.70 1.00 0.90 0.80
O = SDT H
Sdt = Salario Diario Total por turno del personal de operación del Equipo SDT = (Salario Diario Base + Prestaciones) x Factor del Salario Real H = Horas efectivas del turno.
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CAPITULO 2 TRACTORES DE ORUGAS (BULLDOZERS)
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TRACTORES Y DESGARRADORES En la actualidad la industria de la construcción y en especial en las actividades de excavación se considera al tractor como una máquina imprescindible que siempre estará presente en este tipo de trabajos, por su versatilidad. Por tal motivo para el constructor resulta indispensable conocer perfectamente este equipo y lograr con ello la optimización del mismo y un menor costo de las actividades que realiza. Figura 2.- Tractor de Orugas
El tractor es una máquina cuya silueta es de todos conocida ya que sus aditamentos o piezas especiales ( la hoja topadora y el desgarrador o ripper ) mismos que le dan esa presencia en las obras de ingeniería. Una de las actividades en las que mejor se desempeña el tractor es en el movimiento de tierras que comprende tres actividades principales como son; excavar, acarrear y colocar los materiales que han sido removidos de su estado natural. Lo que más le interesa al constructor es obtener la máxima producción al menor costo y esto dependerá de las características de la obra. El tractor equipado con hoja topadora o dozer es llamado comúnmente bulldozer y con un arado o desgarrador puede realizar esa triple actividad en forma muy efectiva sin necesidad de emplear otro tipo de maquinaría. Existen dos tipos de tractores en función del tipo de locomoción: a).-Tractores de orugas o carriles 21
b).-Tractores de llantas Ambos son muy utilizados en la construcción, sin embargo el tractor de orugas tiene mejores características para excavar debido a su sistema de locomoción. Desde luego para seleccionar el tractor que se deba de utilizar en una determinada obra es necesario tomar en cuenta los siguientes puntos: 1.-Tipo de obra a ejecutar. 2.-Superficie de rodamiento y pendiente. 3.-Dureza de los materiales a excavar. 4.-Distancia de acarreos. 5.-Dificultad de ataque 6.-Cantidades de obra por ejecutar 7.-Diferentes factores propios de la obra. El tractor de orugas consta principalmente de un motor diesel, apoyado sobre un chasis, un sistema de transmisión de diseño planetario para enviar la potencia generada por el motor mediante mandos finales al sistema de tránsito y cuenta además con un sistema hidráulico que hace funcionar a la hoja topadora y desgarrador facilitando con ello su uso. El motor es de combustión interna, de cuatro tiempos, seis cilindros. Actualmente en el mercado se encuentran diferentes proveedores que distribuyen diferentes marcas como son; Caterpillar, Komatsu, Jhon Deere, de diferentes tipos y tamaños, que tienen características especiales que los hacen populares entre el gremio de constructores, pero quizás los factores que más influyen para la adquisición de uno de ellos son: a).-La oportunidad de crédito. b).-La existencia c).-Facilidades de pago d).-Precio y posible valor de rescate e).-Servicio de refacciones y mantenimiento La capacidad de un tractor esta en función de su potencia y peso. La potencia nos determina la fuerza tractiva disponible en el gancho o barra de tiro y esta afectada por la temperatura, la resistencia al rodamiento de la superficie por donde se desplaza la máquina y por la pendiente. La máxima fuerza tractiva esta fijada por el peso de la máquina multiplicada por el coeficiente de tracción. Así por ejemplo un vehículo patinaría al transitar sobre hielo, que tiene un mínimo coeficiente de tracción, a pesar de que hubiera mucha potencia disponible. Las especificaciones que proporcionan los fabricantes de equipo dan las características de los distintos modelos, así como el tamaño del tractor es proporcional a su potencia en el volante a determinadas “rpp”, la que se transmite mediante mecanismos y determinan la tracción en la
barra de tiro utilizable a distintas velocidades, la cual esta afectada por las condiciones del suelo, y la pendiente. TRABAJOS QUE REALIZAN LOS TRACTORES. 22
a).-Desmonte y desenraice b).-Despalmes c).-Corte en cajas d).-Explotación de bancos de material e).-Corte en tajo y cubeta f).-Prestamos laterales g).-Rellenos h).-Empujar motoescrepas i).-Acarreos de material j).-Construcción y mantenimiento de caminos de acceso k).- Auxiliar en diversos procedimientos de construcción l).-Afine de taludes Como se puede apreciar el tractor tiene diversas aplicaciones, pero lo que mejor hace esta máquina y con un alto grado de eficiencia, es excavar. Tiene ciertas limitaciones, especialmente en las distancias de acarreo y en la profundidad de excavación, la distancia promedio de acarreo para p ara lograr la eficiencia en esta actividad es 30 m. y la máxima distancia aconsejable es de 100 m. Además de las actividades antes señalas los tractores pueden desempeñar otras con solamente ajustarles aditamentos especiales tales como plumas para la colocación de tuberías, cucharones para carga de materiales diversos y otros más. m ás. La hoja topadora es el aditamento mas importante de un tractor bulldozer ya que con ella realiza el mayor numero de actividades y su capacidad de trabajo o rendimiento viene dado por la siguiente formula:
V= Lh 2 tg x V = Capacidad de la hoja (M3) L = Longitud de la hoja (M) h = Altura de la hoja (M) X = Angulo de reposo del material Si el talud del material es 2:1, tg x =1/2 de donde nos queda V = L h Cuando se trabaja cuesta arriba o pendiente positiva, el volúmen diminuye 4% por cada 1% de pendiente y al ir cuesta abajo es al contrario se suma. En distancias mayores de 30 M. el rendimiento disminuye 5% por cada 30 M. adicionales. Un buen operador procura acarrear el material entre montones formados previamente a los lados para evitar pérdidas de material por escurrimiento, es conveniente trabajar siempre cuesta abajo para aprovechar el peso de la máquina, así como el utilizar las velocidades más adecuadas para cada tipo de trabajo para no dañar la máquina.
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Un aspecto que no debe descuidarse nunca, es el mantenimiento y la buena lubricación de la máquina. Los cambios de aceite y filtros deberán de hacerse a tiempo tal como lo indica el catálogo del fabricante, el engrase y la limpieza diaria. Mantenimiento preventivo y operativo oportuno aumenta la vida de la máquina, disminuye los costos de operación y reparación y benefician a la producción. pr oducción. Una máquina máq uina en perfectas perf ectas condiciones puede pu ede trabajar entre en tre el 50% al 100% más de horas, que una máquina cuyas condiciones de mantenimiento sean deficientes, además de mejorar de una forma bastante significativa el rendimiento de la misma. HOJAS TOPADORAS (Dozer).- La pieza más importante de un bulldozer es la "Hoja Topadora" que va colocada en la parte frontal de la máquina y esta formada por una placa metálica reforzada la cual se monta en un marco que esta acoplado al tractor y puede controlarse mediante un sistema hidráulico. Las partes que componen una hoja topadora además de la estructura formada con placa, la componen los elementos o piezas de desgaste como son las "Cuchillas" en la parte inferior y las puntas de los extremos o "Gavilanes". Estas piezas son con las que se inicia el rompimiento de la estructura del material que se desea excavar y puede cambiarse cada vez que se requiera, y de esta forma se protege al cuerpo de la hoja para que no sufra desgaste. DIFERENTES TIPOS DE HOJAS TOPADORAS.
Tipo Universal.-Es la de mayor capacidad puesto que los lados forman una caja para evitar que el material se escurra por los lados, por lo que su característica principal es el de acarrear grandes volúmenes volúmen es de material.
Tipo Recta.-La forma de esta hoja es de una placa - plana y se utiliza para excavar acarreando el material mater ial hacia adelante, lo cual debido a su forma le da versatilidad en los trabajos de corte.
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Tipo Semi-Universal.-En esta hoja se combinan las características de las hojas universal y recta, ya ya que se pueden hacer cortes y acarreos del material a ciertas distancias, sin que se produzca escurrimiento del mismo. Tipo Angulable.-Esta hoja es de las más largas y Angostas ya que fue diseñada para cortar el material e ir depositando a un lado, y su forma es cóncava.
Tipo Amortiguada.-Este tipo de hoja viene reforzada ya que se utiliza en los tractores que se emplean para em pujar motoescrepas y soportar los impactos que de d e esta actividad resultan. Existen otros tipos de hojas topadoras las cuales se utilizan para casos muy específicos los cuales pueden ser; derribo y corte de árboles, extracción y acarreo de rocas, etc.
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PRODUCCION CON HOJAS TOPADORAS (cálculo según formulas y reglas ) Se puede obtener la producción de un tractor equipado con hoja topadora utilizando las gráficas de producción de las siguientes páginas, como también los factores de corrección aplicables. Para lo cual debe de utilizarse la siguiente fórmula:
Producción (M3/hr. sueltos)= Producción Máxima x Factores de Corrección (Yd3/hr. sueltas) Las curvas de producción de las hojas topadoras dan los rendimientos máximos no corregidos para las hojas rectas "S" y universales "U",y se basan en las siguientes condiciones: 1.-100% de eficiencia(60 min/hr.) 2.-Tiempos fijos de 0.05 minutos en máquinas con Servo-transmisión 3.-La máquina excava por 15 m. (50 pies), y luego empuja la carga para arrojarla desde el borde de una escarpa. 4.-La densidad del suelo es de 1370 Kg/M3(2300 Lb/Yd3) Lb/Yd3) sueltos, y 1790 Kg/M3(3000 Lb/Yd3) en banco. El material se expande 30%(el factor volumétrico de conversión es de 0.769) 5.-Coeficiente de tracción: a).-Tractores de carriles = 0.5 ó más. b).-Tractores de neumáticos = 0.4 ó más.** más. ** 6.-Se utilizan hojas de control hidráulico 7.-Velocidades Excavar en 1a. Avance Acarrear en 2a. Avance Regreso en 2a. Reversa Para estimar la producción en M3 en banco, debe de aplicarse el adecuado factor volumétrico de conversión(sección de tablas) a la producción corregida, la cual se obtiene como se ha indicado. Producción M3/Hr (en banco)= M3/Hr (sueltos) x Factor Volumétrico Yd3/Hr (en banco) Yd3/Hr (sueltos)x Factor Volumétrico **Se supone que el coeficiente de tracción es por lo menos de 0.4, auque las malas condiciones del suelo afectan tanto a los vehículos de carriles como a los de neumáticos, lo cual obliga a empujar cargas más pequeñas a fin de compensar la pérdida de tracción en el suelo. Los efectos en los neumáticos son mucho mayores y su producción disminuye en mayor grado. Aunque no hay reglas exactas para anticipar dicha reducción, hay una regla empírica que indica que los tractores con neumáticos tienen 4% de pérdida por cada centésimo de disminución cuando el coeficiente de tracción baja de 0.40.Por ejemplo, si éste es de 0.30, la diferencia es 10 centésimos (0.10), y la producción sería del 60%(10x4%=40% de disminución).
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Ejemplo. Ejemplo.- Sacar el rendimiento de un tractor D8N, equipado con una hoja topadora Recta"8S",excavando un material arcilloso muy compactado y acarrándolo a una distancia de 90 M. con una pendiente positiva del 3% a una altura de 2400 m.s.m., el peso volumétrico en banco del material es 1820 Kg/M3, y el factor de abundamiento es 1.3 y se trabaja con una Eficiencia de 50 min/hr y un operador normal.
Solución a través de gráficas. 1.-Sacar la máxima producción.- De las gráficas del fabricante P =220 M3/hr (sueltos) 2.- Conocer los Factores de Corrección (De la tabla No.1) a).-Por operación........................0.75 b).-Por eficiencia........................0.84 eficiencia........................0. 84 c).-Por peso del material.............0.98............ % = 1,780 Kg/M3 = 0.98 d).-Por tipo de material...............0.80 1,820 Kg/M3 e).-Por pendiente(de gráficas).....0.95 3.-Producción Real (Rr) = Producción Máxima Teórica x Factores de Corrección Rr = 220 M3/hr x 0.75x0.84x0.98x0.80x0.95 Rr = 103.23 M3/Hr.(sueltos) 4.-Producción Real en banco (Rrb) Rr = Prod.Real sueltos / coef.de abundamiento Rrb. en Bco.=103.23 M3/hr = 79.40 M3/hr.(en banco) 1.30
Solución por fórmulas 1.-Características de la máquina a).-Potencia del tractor 306 HP. b).-Peso total del tractor = 39,000 kg. W del tractor...........26,902 kg. W de la hoja............ .4,627 kg. W del desgarrador.....7,471 kg. c) - Dimensiones de la Hoja Topadora Largo..... 3.94 m. Altura.... 1.70 m. 2.-Capacidad de la hoja topadora, Se aplica la formula siguiente. El material forma un talud 2:1 Tg x =1/2 =1/2 2 V= L·H /2tg.x sustituyendo Valores 2 V=3.94 m.(1.70) =11.39 M3 2 x 1/2 3.-Pérdidas por Resistencia al Rodamiento (RR) R.R =Peso de la máquina x Coeficiente R.R Coeficiente de RR = 20 kg/Tn (Sale de tabla No.2) R.R =39,000 kg x 0.02 = 780 kg. 27
4.-Pérdidas por Resistencia a la Pendiente R.P = Peso de la máquina x % de pendiente Con una Pendiente positiva del 3% R.P = 39,000 Kg x 0.03 = 1,170 kg. 5.-Pérdidas por Resistencia del Material Resistencia del Material = Peso del material x Coeficiente de R.R W del material = Vol. x W del material suelto W material =13.39 M3 x 1,400 Kg/M3 = 18,746 kg. R.Mat.=18,746 Kg x 0.02= 375 Kg. 6.-Resistencia Total
a).- 780 Kg. b).- 1,170 Kg. c).- 375 Kg. d).- 18,746 Kg. Rt = 21,071 Kg.
Rt = 21,071 kg x 2.2 Lb/Kg = 46,356 Lbs. 7.-Velocidad de operación V=375 x HP x 0.80 Rt. V= 375 x 306 x 0.80 = 1.98 Millas/Hr 46,356 Lb. V=1.98 Millas/Hr x 1.6 Km/Hr=3.17 Km/Hr. 8.-Tiempo del ciclo a).-Tiempo del ciclo básico = 0.42 min (25 seg) b).-Tiempo de acarreos -De ida V = 3.17 Km/Hr = 52.8 M/min. T= d/v = 75 m = 1.42 min. 52.8 m / min. -De regreso 2a.reversa=6.2 Km/Hr V = 6.20 km/Hr =103.3 m/min. T = 90 m = 0.87 min. 103.3 m /min. Tiempo del ciclo = 0.42+ 1.42+ 0.87 = 2.71 min 9.-No. de ciclos /Hr.= 60 min/Hr T.ciclo No.= 60 min/hr = 22 ciclos/Hr 2.71 min 28
10.-Producción Máxima Teórica (R) R = Capacidad de la hoja x No. de ciclos R = 13.39 M3/ciclo M3/ciclo x 22 ciclos/Hr. R = 294.6 M3/Hr. 11.-Factores de Corrección (FC) a)Por distancia..................... 0.90 90-30 =60/30 x 5%=10% b)Por operación................... 0.75 c)Por eficiencia.....................0.84 d)Por pendiente......... ...........0.88 3% de pendiente (+) x 4%=12%
1.0-0.10=0.90
1.0-0.12=0.88
12.-Producción Real (Rr) Rr =R x FC / Coeficiente de Abundamiento Rr =294.58x0.90x0.75x0.84x0.88 = 147 M3/Hr 1.30 Rr=113 M3/Hr en banco. Ejemplo. Ejemplo.- Sacar el rendimiento de un tractor D5H acondicionado con una hoja recta, realizando el despalme en un camino, cuyo peso especifico del material material suelto es de 1,410 kg/M3,y el factor de abundamiento es de 1.30,el cual será depositado a la orilla del camino, con una distancia promedio de 50 m. La superficie es blanda y con irregularidades, se trabaja con una eficiencia de 45 min/Hr, y un operador regular .
Solución por Formulas y Gráficas 29
1.-Características de la máquina a).-Potencia del tractor 120 HP b).-Peso total del tractor =12,188 Kgs. c).-Dimensiones de la hoja topadora Largo....3.15 m. Altura...0.96 m. Velocidad 1a. 2a. 3a.
Tabla de Velocidades Avance Reversa Km/h MPH Km/h 3.3 2.1 4.2 5.9 3.7 7.3 10.0 6.2 12.5
MPH 2.6 4.5 7.8
2.-Capacidad de la hoja topadora El material forma un Talud de 1.5:1 Tg.x=1/1.5 V=L·H2/2Tg.x sustituyendo V=3.15 mts.(0.96)2 = 2.18 M3 2x1/1.5 3.-Pérdidas por Resistencia al Rodamiento R.R= W de la Máquina x Coef. R.R Coef. R.R = 75 Kg/Tn (de la tabla No.2) R.R=12,188 Kg x 0.075 R.R= 914 Kgs. 4.-Pérdidas por resistencia del material R. Material = W del Material x Coef. R.R W del Material = Vol. x W del material suelto W Mat.=2.18 M3 x 1410 Kg/M3=3,074 Kgs. R.Mat.=3,074 Kgs. x 0.075 = 231 Kgs. 5.-Resistencia Total a).- 914 Kg b).- 231 Kg c).- 3,074 Kg RT = 4,219 Kg RT=4,219 Kg x 2.2 Lb/Kg = 9,282 Lbs. Resistencia sobrante 4,219 - 914 = 3,305 Kg 6.- Conocer la Fuerza Tractiva en la Barra (según fórmula) F.T.B. = 375 HP/V
Fuerza Tractiva en la Barra de Tiro 1ª vel. FTB =375x120 HP/2.1 MPH= 21,429 Lb. = 9,741 Kg. 30
2ª vel. FTB =375x120 HP/3.7 MPH= 12,162 12 ,162 " = 5,528 " 3ª vel. FTB =375x120 HP/6.2 MPH= 7,258 " = 3,299 " 7.-Fuerza Tractiva Disponible F.T.D = F.T.B. - (Resistencia al Rodamiento + Resistencia a la Pendiente) F.T.D =5,528 – 914 914 = 4,614 Kg. Si 4,614 Kgs 3,305 Kgs. OK Con FTD = 4,614 kgs. (se entra a la gráfica y nos da la Velocidad de Operación) V= 4.6 Km/Hr 8.-Velocidad de operación 4.6 Km/Hr . = 76.7 M /min 9.-Tiempo del ciclo a).-Tiempo de ciclo Básico................=0.42 min b).-Tiempo de acarreos De ida...................................0.46 min T=d/v...T= 35 M. = 76.7 M/min. De regreso...................... 2a.reversa=7.3 Km/Hr V=7.3 Km/Hr=121.7 M/min T= 50 M = 0.41 min 121.7 M/min Tiempo del ciclo =0.42+ 0.46+ 0.41 = 1.29 min 10.- No. de ciclos/Hr = 60 min/Hr T.ciclo No.= 60 min/Hr = 47 ciclos/Hr 1.29 min/ciclo 11.-Producción Máxima Teórica (R) R= Capacidad de la hoja x No.de ciclos R= 2.18 M3/ciclo x 47ciclos/Hr R=102.5 M3/Hr 12.-Factores de Corrección (FC) a).-Por distancia..................0.95 50-30 =20 M =5% b).-Por operación...............0.75 operación............... 0.75 c).-Por eficiencia................0.75
1.0-0.05=0.95
13.-Producción Real (Rr) Rr = R x FC / Coeficiente de Abundamiento Rr=102.5 x 0.95x0.75x0.75 = 42 M3 1.30 Rendimiento Real = 42 M3 Compactos 31
Ejemplo.-Sacar Ejemplo.-Sacar el rendimiento de un tractor de orugas D8N, equipado con una cuchilla universal, desmontando un banco de materiales. El material producto del desmonte lo colocará en los extremos del banco, el desmonte es ligero y se tiene una eficiencia del 80%. Características de la máquina. Ancho de la Hoja Topadora = 4.26 M.
Velocidades Avance Km/Hr. Reversa Km/Hr.
1ª. 3.5 4.7
2a. 6.2 8.1
3a. 10.8 13.9
Procedimiento Constructivo
rea A1= 200x150=30,000 M2 Ancho Hoja Topadora = 4.26 M. Ancho de la Franja = 4.26 - 0.40=3.86 M (0.40 M. traslape) No. de Franjas = 200 M /3.86 = 52 Franjas Se llena la Hoja en una distancia de 30 M. No. pasadas / Franja = 150 M/30 M =5 Pasadas No.Total de pasadas = 52 x 5= 260 Distancia promedio = 150 M./2= 75 M.
Velocidad de Ida...... 1a. Velocidad de Avance = 3.5 KPH = 58 M/Min. Velocidad de Regreso..2a.Velocidad de Reversa = 8.1 KPH =135 M/Min. M/Min. Velocidad Promedio.... = 58 + 135 / 2 = 96.5 M/Min. Tiempo del ciclo. a) Tiempo del ciclo básico = 20 Seg. = 0.34 Min. b) Tiempo de acarreos (ida y vuelta) T= 75 M / 96.5 M = 0.78 Min. x 2 = 1.56 Min. Min. Tiempo del Ciclo = 1.90 Min. Tiempo Total empleado en el tramo. 260 ciclos x 1.90 Min. / ciclo = 494 Min. = 8.24 Hrs. Volumen =30,000 M2/10,000M2/Ha. = 3 Hectáreas Eficiencia E = 80% Rendimiento = 30,000 M2 x 0.80 = 2,912.62 M2/Hr.= 0.29 Ha/Hr 8.24 Hr 32
Entre los constructores de nuestro país se ha hecho una costumbre para clasificar los tractores o bulldozers, la cual consiste en referenciarlos con los modelos de la la marca Caterpillar, ya que éstos son los los más populares entre el gremio de constructores; a continuación se indican los los diferentes modelos de tractores y sus principales características:
T R A C T O R
Tabla 5.Marca Cat Cat
Tipo Modelo Potencia (Hp) D4 H II 105 D5 H II 120
HOJA TOPADORA
Peso Longitud (Kg) (Mts) 11,137 4.43 13,224 4.53
Tanque Comb. 200 Lt. 246 Lt
Cat
D6
H
165
17,761
5.29
337 Lt.
Cat
D7
H II
215
24,195
6.03
488 Lt.
Cat
D8
N
306
39,000
5.60
481 Lt.
Cat
D9
N
370
42,542
6.87
792 Lt.
Cat
D10
N
520
57,410
7.76
1,023Lt.
CaT
D11
N
770
95,846
8.39
1,490 Lt
A-3 E-18
90 164
11,830 25,380
4.53 5.78
6525 6545
110 145
13,178 16,685
4.70 4.90
KOMATSU D41 KOMATSU D85 J.DEERE J.DEERE
750 850
276 Lt. 310 Lt.
Tipo 4-S 5-S 5-A 6-SU 6-S 6-A 7-U 7-SU 7-A 7-S 8-U 8-SU 8-A 9-A 9-S 10-U 10-SU 11-U 11SU
Longitud (mts) 2.58 3.15 3.63 3.26 3.36 4.16 3.85 3.66 4.25 3.65 4.26 3.94 4.96 4.85 4.35 5.26 4.86 6.35 5.60
altura (Mts) 0.96 0.96 0.85 1.41 1.25 1.03 1.27 1.27 0.96 1.27 1.71 1.70 1.71 1.30 1.82 2.05 2.05 2.31 2.31
7-S 7-U 7-A Empuje Empuje
3.72 3.86 4.51 3.05 3.12
1.31 1.34 1.05 0.96 1.13
Peso (Kg) 1,566 1,450 1,910 2.673 2,533 2,712 3,820 4,150 3,227 3,475 4,839 4,627 5,288 6,600 6,600 10,235 9,840 15,846 14,886
Los modelos de los tractores cambian a través del tiempo, ya que los fabricantes en su carrera por mejorar sus máquinas, cuenta con una política de innovación, y a cada determinado tiempo sacan un nuevo modelo con las modificaciones e incorporación de nueva tecnología, que consideran adecuadas para ir adelante de la competencia.
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DESGARRADORES O RIPPERS.- Otro aditamento o pieza especial y muy utilizado en los tractores es el desgarrador o ripper. Figura 3.- tractor equipado con un desgarrador de tres vástagos
Descripción.-Es un elemento metálico que consiste en una viga horizontal la cual tiene en su extremo un vástago vertical, llamado comúnmente "zanco y éste a la vez termina en su parte inferior en una punta metálica llamada casquillo. Este aditamento a venido a revolucionar en los últimos años la excavación en roca o en materiales tipo III o "C" que normalmente se utilizaba para su explotación el uso de explosivos, pero en algunos casos se puede ejecutar con el uso del desgarrador. Este aditamento se acopla en la parte posterior del tractor y se controla desde el tablero a través de sistemas hidráulicos. Funcionamiento.-Al penetrar el vástago en el terreno y ser jalado con la fuerza tractiva va rompiendo la estructura interna del material que se pretende excavar, logrando con esto el afloje necesario para que se pueda cargar directamente mediante cargadores frontales, excavadoras, motoescrepas o acarrearse con bulldozer, según sea el proceso constructivo elegido en el proyecto. Dato histórico.- El arado es un implemento muy antiguo que se utilizó principalmente para labores agrícolas, tirado por animales. Su aplicación en los los proyectos de Ingeniería se inicia durante el presente siglo, utilizando inicialmente el tipo de control de cables, tirado por un tractor y que penetra en el terreno como consecuencia del peso propio del arado. Actualmente se construyen a base de controles hidráulicos, que permite que la penetración sea originada por estos y el peso propio del tractor. Con la construcción de tractores de mayor peso y potencia, el trabajo de los desgarradores es más efectivo, pues el rendimiento de la máquina depende de estos factores. Actualmente se fabrica un solo tipo que es el denominado "Paralelogramo" de uno o tres vástagos. Ambos tienen sus funciones especificas, pero en términos generales los constructores prefieren el equipado con un solo vástago, (ver fig.4)
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Figura 4.- Desgarradores
DESGARRADOR DESGARRADOR DE UN DIENTE
Anteriormente cuando el constructor se encontraba con el problema de excavar en roca, tenía que recurrir al uso de equipo de barrenación y explosivos, en cambio actualmente con el uso del desgarrador algunas rocas que presentan ciertas características geológicas (fallas) pueden atacarse en forma mas económica, evitando con ello la movilización de recursos (Compresores, perforadoras, explosivos etc.), que encarecían las obras. Para tener la seguridad de que el material por excavar puede ser desgarrable es necesario que presente algunas de las siguientes características: caracter ísticas: -Fracturas y fallas -Planos laminados -Intemperización avanzada -Poca dureza -Grano grueso -Fragilidad -Conglomerados empacados en arcilla ó tepetates. Lo anterior debe de confirmarse a través de exploraciones geológicas, o muestras obtenidas mediante sondeos o la observación directa en el campo. Actualmente se cuenta con un sistema de Refracción Sismográfica cuando se tiene bien definido el lugar del proyecto y localizados localizados los sitios que se pretenden explotar. Este método se basa en que la velocidad de una onda sonora es mayor a través de un material compacto, que en materiales suaves, de tal modo que las velocidades sísmicas definen los limites dentro de los cuales los materiales son susceptibles a desgarrarse. Es aconsejable que este método se complemente con perforaciones y observación directa. En este sistema se utiliza un aparato llamado Geófono, que consiste en un martillo que golpea una placa a diferentes distancias de un receptor, el cual mediante circuitos electrónicos señala el tiempo transcurrido, con lo que se obtienen las velocidades de las ondas sísmicas y se deduce el grado de consolidación de la roca. Para lo cual se anexan 35
gráficas de las velocidades de ondas sísmicas de diferentes materiales. Para materiales suaves como tierras vegetales y arcillas de baja velocidad sísmica no es recomendable la utilización del desgarrador, en cambio rocas volcánicas, sedimentarias o metamórficas son desgarrables hasta cierto límite, según la velocidad de onda sísmica.
Rendimiento.-La profundidad de penetración del vástago depende de la dificultad de ataque o resistencia que presentan los materiales, pero se debe de procurar de aprovechar la penetración máxima permisible, sin originar con ello forzar al desgarrador lo que traería consigo la roptura del mismo. Actualmente con las máquinas modernas es posible lograr profundidades de penetración hasta 84"(2.13 mts.), Considerandose como una penetración promedio entre 30"40". Los tractores sometidos a los trabajos de desgarramiento sufren deterioro en su sistema de tránsito, por lo que es conveniente vigilar la correcta operación con el fin de evitar los costos de reparación. La fórmula que se emplea para conocer el rendimiento de un desgarrador es la sig.
P = Vo. x N
P=LxSxHxN
n Vo = L x S x H/n N = T/Tc Tc = Ta-Tb Ta = L/v P.- Es la producción en M3/Hr. Vo.- Es el volumen desgarrado en M3 N.- Es el numero de ciclos / hora = 60 min./hr x E min./ciclo la longitud longitud del tramo en M. L.- Es la en M. S.- Es la separación entre pasada en H.- Es la penetración del vástago en M. material n.- Es el numero de pasadas requeridas para aflojar el material trabajado Min / hr.= Min / hr.x E T.- Es el tiempo efectivo trabajado Tc.- Es el tiempo de ciclo en Min. Ta.- Es el tiempo de acarreos en Min.= Longitud / velocidad Tb.- Es el tiempo de maniobras de 20-25 seg. v.- Es la velocidad de desplazamiento en M / min. E.- Es la eficiencia y es dada en porciento % Cuando se utilicen las gráficas para sacar la producción de un desgarrador hay que tomar en cuenta que las mismas fueron elaboradas por el fabricante en lugares de prueba donde las máquinas trabajan con una eficiencia del 100% y para velocidades sísmicas mayores de 6,000 píes / seg.,por lo que se debe de reducir la producción en un 25%.Y a la vez se recomienda usar la curva de menor producción y aplicar los factores de corrección correspondientes a las condiciones de trabajo del proyecto. Características que se deben de tomar para la correcta utilización de un desgarrador. 36
a).-La velocidad de marcha a utilizar cuando se esté arando debe ser de 2 a 3 Km /Hr, y especialmente cuando se trate de materiales muy duros. De preferencia deberá de trabajarse cuesta abajo con el fin de utilizar el peso de la máquina. b).-La distancia entre pasos del arado dependerá de las características del suelo y del sistema de carga del material. Si se usan motoescrepas para éste fin, es conveniente obtener tamaños adecuados para facilitar la carga. En el caso de utilizar cargadores frontales o palas mecánicas, éstos permiten tamaños mayores. Si el material aflojado es acarreado con bulldozer puede modificarse aun más las distancias entre pasos, lo cual se logra mediante tanteos sucesivos en el campo. c).-Utilización de uno o varios zancos; la respuesta está en función de las condiciones de trabajo que durante su vida económica realizará. Más sin embargo la aplicación de un solo diente es lo más frecuente. d).-Es recomendable aflojar en el sentido en que la estratificación del material facilite el desgarramiento y evitar que penetre el diente mientras el tractor esté girando. e).-Los tractores que a su vez estén desgarrando y empujando motoescrepas, mismas que estén cargando material. Deben de trabajar en el mismo sentido para que con ello puedan ejercer fácilmente ambas funciones. f).-Cuando se encuentren materiales bastante duros que oponen mucha resistencia al desgarramiento, existe la alternativa previo análisis, el de utilizar dos tractores en tandem, de tal forma que el que va adelante equipado con el desgarrador y el que viene atrás empujándolo, aplica el peso de su hoja sobre el desgarrador del primero. En caso de aplicar éste procedimiento constructivo los desgarradores serán equipados con un adaptador que recibirá los impactos de las cargas horizontales y verticales del tractor empujador. Existen tres tamaños de dientes o zancos para desgarradores en función de la resistencia o lo abrasivo del material.
Corto.-Este es usado para condiciones de alto impacto, donde los problemas de fracturas se presentan. Y éste tipo de diente es el más resistente a la rotura. Intermedio.-Es el más efectivo en condiciones moderadas de impacto y se utiliza en donde las características abrasivas de los materiales no son excesivas. Largo.-Usado en suelos poco compactos y materiales abrasivos, donde la rotura no es problema. Generalmente propuesto para materiales mas intemperizados. Al igual que todas las máquinas existen varios métodos para conocer el rendimiento de un desgarrador acondicionado a un tractor de orugas. Para tal motivo se mostrará algunos ejemplos.
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Ejemplo.-Se Ejemplo.-Se desea conocer la producción de un tractor D10N, equipado con un desgarrador del No.10,con un solo diente, en un material compuesto por una arenisca cuya velocidad sísmica es de 2,320 m/seg. y con las condiciones siguientes: Características a).-Longitud del tramo...................... . 75 M. b).-Con una velocidad de................... de............. ...... 1.6 KPH, c).-Con una penetración del diente de 0.61 M. d).-Y una distancia entre pasada de.... 0.80 M. e).-Y un tiempo de maniobras de ........0.25 min. f).-Con una eficiencia del..................... 75%
Solución por medio de fórmulas 1.-Tiempo por pasada T= Distancia / Velocidad = M./(M/min) V=1.6 Km/Hr= 26.7 M/min T= 75 M = 2.81 min/pas. 26.7 M/min. 2.-Tiempo total = 2.81+0.25= 3.06 min./Pas. 3.-No. de pasadas / Hr = 60 min/ .= No.= 60 min /Hr x 0.75 = 14.7 Pas./Hr Tiempo Total/Pasada 3.06 min/pas. 4.-Volumen Desgarrado =75 X 0.80 x 0.61= 36.6 M3 5.-Producción = No. de Pas./HR x Vol. R=14.7 x 36.6=538 M3/Hr Se le debe reducir entre un 10-20 % la producción cuando se utiliza éste método. 6.-Producción Final R = 538 M3 x 0.80=430.4 M3
Solución por medio de Gráficas Con los siguientes datos, se entra en las gráficas. a).-Velocidad Sísmica = 2,320 M/seg. b).-Se utiliza la gráfica D10N,con un solo diente c).-De la gráfica sale 600 M3/Hr Producción final= 600 x 0.75=450 M3/Hr
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CAPITULO 3
CARGADORES FRONTALES
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CARGADORES.- El origen de estas máquinas, nació de las necesidades económicas a las que se enfrentaron los constructores de carreteras, ya que se vieron en la necesidad de utilizar maquinas, que no se adaptaba al ritmo de trabajo que se les estaba presentado y que les repercutía en el costo tan elevado en que se estaban construyendo las obras. Se acudió entonces, a los fabricantes de maquinaria para la construcción. y se les planteó la necesidad inmediata de poder contar una máquina que excavara y cargara, es decir, un tractor cargador que proporcionase: a).- Mayor producción b).- Menor costo de funcionamiento c).- Mayor movilidad d).- Más facilidad de servicio e).- Más facilidad de desplazamiento Etc. Para esto fue necesario desarrollar motores de mayor capacidad, mejores transmisiones, componentes hidráulicos más eficientes. Y en el caso de cargadores sobre neumáticos éstos deberían de ser más grandes y con base más ancha, diseñadas para suministrar la tracción y flotación necesaria. Ya que los tractores cargadores originales solo tenían movimiento de giro del bote y vertical a lo largo de un marco que le servía de guía al bote, que se colocaba en la parte delantera del tractor. tracto r. Cuando el bote estaba en el nivel del piso, el tractor avanzaba hacia delante y el bote se introducía en el material para cargarlo, después se subía el bote a base de cables y poleas accionadas por una toma de fuerza del motor del tractor, y con el bote en esta posición, el tractor se movía hasta colocarse en la parte p arte superior sup erior del vehículo, que se s e deseaba des eaba cargar y se dejaba que el bote girara por el peso propio del material, y del bote mismo, esto se lograba aflojando uno de los cables de control. El trabajo pesado, incluyendo la excavación de material en su estado natural, estaba reservado casi por completo a la excavadoras giratorias montadas sobre orugas. Todo el concepto de mover una amplia variedad de materiales, en mayor cantidad y al menor costo gracias a la velocidad, potencia y movilidad, operando eficazmente, y con una sola máquina, pasó a ser un proyecto para convertirse en una realidad tan pronto como fue posible que los ingenieros desarrollaron los nuevos componentes. El campo de aplicación de los tractores montados sobre ruedas se ha popularizado al resolverse el problema de obtener en la barra de tiro la potencia adecuada en las más variadas condiciones. En el año de 1954, Clark Equipment Company, lanzó al mercado su primer cargador Michigan con tracción en las cuatro ruedas, convertidor de par, transmisión automática y reducciones planetarias en las ruedas. Los cargadores son equipos de excavación, carga y acarreo y por estas características son más utilizados en algunos casos que la pala mecánica, pues ésta requiere el uso de camiones para el acarreo del material aunque se trate de distancias cortas. Cuando se hace la comparación entre las palas mecánicas y los cargadores, se reconoce que la pala mecánica tiene una vida económica de dos o tres veces mayor que un cargador, pero hay que hacer notar que la pala mecánica tiene un gasto mayor de capital. Más sin embargo la movilidad del cargador es 40
superior, pues éste puede moverse fuera del área de trabajo rápidamente, y desplazarse por sí mismo a cualquier sitio de la obra. El uso de los cargadores da soluciones modernas a un problema de acarreos y carga de materiales, con la finalidad de elevar la productividad y reducir los costos. Se clasifican los cargadores por la forma de efectuar la descarga en: a).-Descarga frontal (Cargador Frontal) b).-Descarga lateral c).-Descarga trasera (Rezagadoras)
Cargador Frontal.-Es el más usual de todos, ya que éste voltea el cucharón o bote hacia la parte delantera del tractor por medio de gatos hidráulicos. Su acción es a base de desplazamientos cortos y se usa para excavaciones a cielo abierto, para manipulación de materiales suaves o fracturados, en los los bancos de arena, grava, arcilla, etc. También se usa con frecuencia en relleno de zanjas y en suministrar agregados a plantas dosificadoras de concreto asfáltico y trituradoras. Cargador de Descarga Lateral.-Este tipo de máquina tienen un gato Hidráulico adicional que acciona al bote, volteándolo hacia uno de los costados del cargador. Esto tiene como ventaja que el cargador no necesita hacer tantos movimientos, para colocarse en posición de cargar al camión o vehículo que desee, solo basta que se coloque el vehículo paralelo al cargador. Este tipo de máquinas tienen un costo mayor que los cargadores frontales, pero se justifica su uso en condiciones especiales de trabajo, por ejemplo, en sitios donde no hay mucho espacio para realizar maniobras, como en rezaga de túneles de gran sección, o en cortes en balcón de caminos, ferrocarriles o canales. Cargador de Descarga Trasera.-Este tipo de máquinas se diseñaron con la intención de evitarle maniobras en el área de trabajo, ya que el cucharón cargado pasa por arriba del operador y descarga hacia atrás directamente al camión, bandas transportadoras o tolvas. Estos equipos resultan demasiado peligrosos y causan muchos accidentes, porque los brazos del equipo y cucharón cargado pasan muy cerca del operador. Aunque algunos de estos equipos han sido diseñados con una cabina especial de protección, pero tiene la desventaja que reduce la visibilidad al operador, además de que añade peso al cargador. A éste equipo de descarga trasera diseñada para excavaciones en túnelas, se les llama Rezagadoras y hay algunos fabricantes que se han dedicado a perfeccionarlas por lo que en muchas ocasiones resultan ser el equipo adecuado para cargar el material producto de la excavación dentro de túneles. Vienen montados generalmente sobre orugas, pero algunos pequeños están fabricados con ruedas metálicas que ruedan sobre una vía, previamente instalada dentro del túnel. Clasificación de los cargadores por la forma de Rodamiento. a).- De Carriles (orugas) b).- De Llantas (neumáticos)
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CARGADORES FRONTALES MONTADOS SOBRE NEUMATICOS Definición y Características.-Son equipos de excavación, carga y acarreo que tienen un cucharón o bote para estos fines y que se adaptan en la parte delantera de un tractor, y se accionan a través de mandos hidráulicos. Figura 5.- Cargador frontal de llantas
Mediante las innovaciones de los motores turboalimentados, servotransmisión planetaria, mandos finales planetarios de alta reducción, nuevos sistemas hidráulicos y de combustible de inyección directa, perfectamente conjuntados para suministrar la máxima potencia utilizable, con perdidas por rozamientos mínimos, se logran realizar las siguientes funciones. a).- Transmitir fuerza suficiente a las ruedas para proporcionar una acción de empuje adecuado al peso de la máquina. b).- Suministrar fuerza suficiente al sistema hidráulico que excavará, levantará y volcará las cargas adecuadas por anticipado. Estas máquinas por lo tanto no son simples tractores equipados con aditamentos adecuados para la excavación y carga, sino que son máquinas máquina s correctamente proyectadas pro yectadas para realizar los trabajos de excavar, elevar y cargar, por tal motivo están formadas por componentes 42
estructurales, motrices y mecánicos, correctamente integrados y concebidos para trabajar conjuntamente.
NEUMATICOS.- Si todos los componentes de un tractor han experimentado cambios muy significativos, los neumáticos también han evolucionado. Los de base estrecha inflados a alta presión han sido sustituidos por neumáticos de amplia base, alto índice de tracción, gran flotación y larga vida en servicio. Tal vez el logro mas importante de las innovaciones llevadas a cabo por los fabricantes, es la creación de neumáticos de Gran Base, sin cámara y presiones de inflado más bajas, especiales para el movimiento de tierra y para actuar sobre superficies rocosas. Lo que ha venido a cambiar los conceptos de resistencia al rodamiento. Quizás otro resultado muy significativo de las investigaciones llevadas a cabo sobre los neumáticos sea lo referente a la presión por pulgada cuadrada ejercida sobre el suelo por el neumático, que es aproximadamente igual a la presión de inflado del neumático. Otra mejora que se a logrado es la que relaciona la duración de los neumáticos con la cantidad de lonas utilizadas en su fabricación según las diversas condiciones de trabajo. Se ha demostrado mediante una gran cantidad de estudios efectuados sobre el terreno en condiciones reales que, por ejemplo, un neumático del tipo que se utiliza en las máquinas para par a el movimiento de tierra, construido con pocas lonas, suministra una área de apoyo superior a la esperada. También se ha tenido la creencia de que los neumáticos de los cargadores se deterioran bajo condiciones de trabajo intensivo en proporción similar, e incluso mayor a los que utilizan las Motoescrepas, pero las estadísticas nos demuestran lo Contrarío estructura base del neumático montado en un cargador se desgasta más lentamente, debido a que la cantidad de calor generado en el neumático es menor a la que se produce en el mismo neumático cuando éste es utilizado en una motoescrepa. Esto es debido principalmente por que tanto la velocidad y distancia de acarreo de los cargadores, son menores que los de la motoescrepa. Para permitir modificaciones en la distribución del peso en los cargadores, se ha tenido la necesidad de lograr el inflado de los neumáticos con agua o adicionando contrapesos a las máquinas. Existen una gran variedad de tamaños y tipos de neumáticos, en función del número de lonas y diseño de cubiertas adecuadas para ser utilizadas en los cargadores, por lo que se anexa una tabla para indicar su clasificación: Tabla 5.- Medidas de llantas 23.5x25 26.5x25 29.5x25 29.5x29 33.25x35
20 24 14 16 22 22 28 20 25
L-3 L-2 L-3 L-3 L-4 L-3 L-4 L-3 L-3
SIMBOLOGIA L-2 Para cualquier superficie excepto roca L-3 Para roca L-4 Para roca (huella profunda)
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A los neumáticos se les designan, generalmente por tres números que aparecen en la cara lateral de la llanta, por ejemplo; 23.5x25-20 indican lo siguiente; El No.23.5.-Es la anchura nominal exterior en pulgadas El No.25 .- Es el diámetro de la llanta en pulgadas El No.20 .- Es el numero de lonas.
Protección de los Neumáticos Para aumentar la duración de las costosas llantas, se debe de recomendar y vigilar a los operadores de que no llenen el cucharón cucharón mediante arrancones y frenados bruscos, pues esta forma de operar un cargador, se traduce en severos impactos que causan la ruptura del tejido de las lonas de los neumáticos. La presión adecuada de aire recomendada por el fabricante, es la base para la duración y el buen funcionamiento de estas llantas. Cuando la superficie de rodamiento éste compuesta de materiales abrasivos y fragmentos de roca que pueda dañar a los neumáticos, es práctica recomendable proteger a éstos, por medio de accesorios que constan de zapatas o eslabones de acero que forman una malla de cadenas que cubren la superficie expuesta del neumático. Figura 6.- malla protectora de cadenas
Mandos Finales.-En la actualidad todos los cargadores tienen propulsión en todas las ruedas con reducción planetaria en cada una de ellas. Como el par se desarrolla en la rueda, los semiejes reciben menos esfuerzos. Lo que se logra con esto es aprovechar al máximo la potencia de la máquina. En la actualidad actualidad los cargadores sobre neumáticos vienen fabricados con un sistema articulado entre el tractor y el cucharón, que los divide en dos partes. Esto permite que se mantenga el 44
peso de la máquina atrás del cucharón, permitiendo que éste gire antes que vire el tractor, aumentando la facilidad de colocación, tanto en el banco como sobre el camión, reduciendo de esta manera el tiempo consumido en la distancia de recorrido entre el banco y el camión. La fuerza de empuje indica la capacidad que tiene la máquina para hacer penetrar el cucharón en el material que se excava. La fuerza de tracción útil disponible y las condiciones del terreno determinan la fuerza de empuje disponible. Si el operador permite que patinen las llantas, ello significa que se ha alcanzado la fuerza de empuje máxima y nada se consigue forzando la máquina, sino solo se logrará reducir la duración de los neumáticos. El eje delantero del cargador es el que soporta los mayores esfuerzos resultantes del trabajo de la excavación y transporte de la carga. El eje trasero oscila +15º, el cual se ha perfeccionado mediante el uso del sistema de dirección de bastidores articulados en el punto central. Las ruedas traseras siguen siempre la rodada de las delanteras. De acción totalmente hidráulica con sistema de caudal reforzado, lo que proporciona al operario un manejo eficaz de la dirección con un mínimo esfuerzo. Ello permite la obtención de máxima maniobrabilidad y perfecto control del cargador. El bastidor articulado es especialmente valioso en terrenos accidentados, debido a que asegura siempre contacto de las cuatro llantas con el suelo, con el objeto de proporcionar el máximo esfuerzo de tracción.
Sistema de Frenos.- Los cargadores cuentan con un sistema de frenos formado por tres tipos a).-De servicio.-En las cuatro ruedas, de activación oleoneumática, de tipo de discos en aceite completamente encerrados. b).-De estacionamiento.-Este freno esta formado de varios discos secos, que actúan sobre el eje motor, se aplica con resortes y se desconecta con aire. El aperador lo aplica manualmente. c).-De Emergencia.-Utiliza el freno de estacionamiento que actúa en el eje del motor, si baja la presión del aire a menos de 276 kPa (2.76 bar) (40 lb / pulg2),y se activa automáticamente deteniendo lentamente a la máquina. Es importante hacer notar las ventajas que representa una adecuada conservación del sistema de frenos, ya que el costo tan elevado del equipo nos obliga a ser muy cuidadosos en este renglón, y si a eso aunamos la seguridad que representa para el personal que de alguna forma esté laborando cerca de la zona de maniobras de la máquina, la buena conservación del sistema nos garantiza un manejo seguro y eficaz, tanto para el equipo como para el elemento humano. Hay que recordar que este tipo de maquinaria trabaja a veces en lugares donde la topografía del terreno es muy irregular y las máquinas siempre van cargadas de material lo que hace todavía mas difícil su trabajo, por lo que es importante que cuente con un sistema de frenos en excelente estado y de inmejorable calidad.
Sistema Hidráulico.- El conjunto brazo-cucharón de los cargadores, se acciona por medio de un sistema hidráulico, que esta formado por una bomba que recibe movimiento del motor del tractor, un deposito general de aceite, una red cerrada del fluido, los correspondientes pistones (gatos hidráulicos)y los controles instalados en la cabina del operador. 45
Casi en todos los cargadores son dos pares de gatos hidráulicos que integran el mecanismo para levantar y bajar el cucharón. Los cuales son de la capacidad y tamaño que requiere el cargador para desarrollar la fuerza necesaria para lo que fueron creados. Los motores de los cargadores son de diesel con turboalimentador, e inyección directa, con potencias que varia de 80 a 570 HP.,de cuatro tiempos y de cuatro a ocho cilindros, todo esto dependiendo de las características de cada cargador. Las marcas de los motores que se usan con más frecuencia son Caterpillar, Cummins y General Motors. Una de las funciones del motor de un cargador, es proporcionar la potencia necesaria para generar fuerza hidráulica para el movimiento de cucharón y la dirección. Hasta el 35% de la potencia del motor, es recomendable r ecomendable para satisfacer satisf acer a ésta. La otra función es transmitir fuerza suficiente a las ruedas para proporcionar una acción de empuje adecuado, pero hay que tener cuidado de que nunca se encuentre menos del 65 % de la potencia en la barra de tiro, deducida la fuerza de arrastre del vehículo; siendo ésta la fuerza requerida para mover el vehículo durante el transcurso de la prueba con la transmisión en punto muerto, expresándose en libras e incluye como variables mecánicas, los rozamientos en los cojinetes de las ruedas, en el engranaje diferencial y otras fricciones ,el esfuerzo requerido para flexionar los neumáticos, para compactar o desplazar desp lazar el material sobre el que avanza la máquina y la tracción necesaria neces aria para remontar las irregularidades de la superficie super ficie del suelo.
Cargadores Frontales montados sobre Orugas.- Descripción.-Es un tractor de orugas con un cucharón acondicionado en la parte delantera del mismo y cuyo funcionamiento es a través de un sistema hidráulico, y en algunos algunos casos viene adaptado con un desgarrador o ripper.(ver Fig. 6) Figura 6.- Cargador Frontal de Orugas
En cuanto al sistema hidráulico, controles automáticos, cucharones y motor, se rigen en la forma general bajo el mismo principio que los cargadores sobre neumáticos. Y solamente se describirán las diferencias más significativas. 46
Orugas.- El sistema de tránsito de éstos cargadores consta de cadenas formadas por pernos y eslabones, a los cuales se atornillan las zapatas de apoyo. Actualmente todos los cargadores fabricados recientemente vienen equipados con cadenas selladas y lubricadas, que disminuyen el desgaste en las superficies de fricción entre pasadores y bujes debido a la menor entrada de material abrasivo en las juntas. Estas cadenas se deslizan sobre rodillos conocidos comúnmente como "roles".En el extremo posterior de la cadena se encuentra la rueda motriz o catarina, que es un engranaje propulsor que transmite la fuerza tractiva a este sistema de locomoción. Un adecuado ancho y largo de las orugas es necesario para la estabilidad contra el volcamiento lateral cuando se acarrea cargas pesadas. Hoy en día se fabrican varias clases de zapatas para cadenas, en diseños de una garra y de dos garras, así como también también de diferentes tamaños de garra. Si producen buena flotación ,utilice las de garra de longitud mínima, y solo se empleara las de máxima longitud cuando las condiciones de trabajo lo requieran, ejemplo; en superficies blandas.
Cucharones o Botes.- Es el aditamento especial que se acopla al tractor y que debido a ello recibe el nombre de cargador. Los fabricantes en el afán de hacer de ésta máquina lo más versátil posible han creado diferentes tipos de cucharones ,para las diversas condiciones de trabajo. A continuación se describen los más comunes: a).-Los Más Comunes 1.- Para Excavación 2.- Para Material Suelto 3.- Para Penetración b).- Especiales 1.- Súper Reforzado para roca 2.- Para Demolición 3.- Eyector de roca 4.- De rejilla
Cucharón para excavación.-Ha sido diseñado para usarse en materiales que se hallan en lechos naturales, que requieren grandes fuerzas de desgarramiento o fuerza de gran impacto para obtener cargas plenas. La cuchilla de base se puede equipar con dientes fijados con pernos, sistema de cuchilla de ataque empernable o con segmentos y dientes empernables.
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Cucharón para material suelto.-Diseñada para cargar materiales granulares apilados y otros materiales sueltos de fácil carga que requieren fuerzas de arrancamiento y de impacto moderadas. El sistema de cuchillas empernables es estándar y consta de dos secciones centrales reversibles y dos segmentos de esquinas reversibles.
Cucharón para penetración.-Diseñado para trabajos que requieren poca fuerza de desgarramiento y de impacto. El piso plano y largo mejora la carga, proporcionando un corte suave y parejo en la nivelación de acabado y en la remoción de la capa vegetal. Tiene cuchillas y barras laterales afiladas para lograr la máxima penetración. La cuchilla estándar está equipada con dientes soldados al ras y con dientes integrales en las esquinas. 48
Cucharón Eyector de roca.-Tiene una placa movible o eyector que es utilizado para descargar el material que se encuentra en el cucharón, ya que éste avanza hasta el extremo delantero, con éste sistema es posible regular la eyección del material a fin de situar bien la carga y minimizar los impactos en la caja del camión. La cuchilla en "V" truncada facilita la penetración y la carga.
Cucharón para demolición.-Este fue diseñado para cargar desechos y escombro producto de demoliciones y cuyo material es de forma irregular. Para esto cuenta con una mandíbula con fuerza hidráulica cuyos bordes son dentados. Las planchas laterales son desmontables para mejor agarre de materiales de mayor tamaño.
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Cucharón de Rejilla.-Este fue diseñado para usarlo en carga de roca suelta. Su estructura es a base de placas p lacas separadas y por cuyas aberturas aber turas del fondo de cucharón, permite pe rmite que el material indeseable caiga a través de éstas.
Existen otros tipos de cucharones que se adaptan a condiciones particulares de trabajo. También los fabricantes de éste tipo de piezas pueden diseñarlas a las necesidades del cliente.
RENDIMIENTO.- En la actualidad lo que más interesa a los constructores que se dedican al movimiento de tierras, es la máxima productividad con el fin de minimizar los costos de producción, es decir obtener el costo más bajo posible pos ible por unidad de material movido. 50
El rendimiento o producción es el volumen de material movido durante la unidad de tiempo y depende de los siguientes factores: a).-Capacidad del cucharón y su posibilidad de llenado b).-Tipo de material c).-Altura del montón del material y del sitio de descarga d).-Superficie de rodamiento e).-La rotación necesaria entre la posición de carga y descarga f).-La habilidad del operador g).-La rapidez de descarga de los materiales h).-Características de la organización de la empresa i).-Capacidad del vehículo o recipiente que va a recibir el material a cargar Existen varios métodos para conocer el rendimiento aproximado de un cargador y los mas comunes son los siguientes: 1.-Por observación directa 2.-Por medio de reglas y fórmulas 3.-Por medio de gráficas y tablas proporcionadas por el fabricante Cálculo del rendimiento de un cargador por medio de Observación Directa.-Consiste en medir físicamente los volúmenes de materiales movidos por el cargador durante el tiempo empleado en la realización de esta actividad, con cronometro en mano. Con este método se obtienen los rendimientos reales, ya que se toman en cuenta para ello, las condiciones reales de la obra.
Cálculo por medio de Formulas y Reglas.-A través de este método se calcula la cantidad de material que mueve el cucharón en cada ciclo y éste se multiplica por el número de ciclos por hora. M3/Hr = M3/ciclo x ciclos / Hr. La cantidad de material que mueve el cucharón en cada ciclo es la capacidad nominal del mismo afectada por un factor denominado " F actor ",expresado en forma de actor de Ca Carga rga porcentaje, que depende del tipo de material que se cargue. Este factor de llenado o de carga debe de tomarse muy en cuenta, ya que el cucharón no se puede llenar al ras con cualquier tipo de material, solamente con materiales ligeros y en condiciones optimas. En suelos pesados especialmente los arcillosos, el cucharón sólo se llena parcialmente, mientras que en materiales rocosos el llenado es aún más incompleto.
M3/Hr= Capacidad Nominal del Cucharón x Factor de Carga El factor de carga se puede determinar empíricamente para cada tipo de material por medio de mediciones físicas o tomarse de los manuales que el fabricante a elaborado para tal fin. A continuación tenemos los siguientes valores tomados de un fabricante.
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Tabla No. 6.- Factores de carga para diferentes materiales Tipo de Material MATERIAL SUELTO Agregados húmedos mezclados Agregados
MATERIAL DINAMITADO OTROS
uniformes hasta 1/8” Agregados de 1/8” a 3/8” Agregados de 1/2” a 3/4" Agregados de 1” o más
Factor de carga 95-100% 95-100% 85 - 90% 90 - 95% 85 – 90% 90%
Bien fragmentado De fragmentación mediana Mal fragmentado
80 - 85 % 75 - 80% 60 – 65% 65%
Mezcla de tierra y piedra Marga húmeda Tierra vegetal, piedras y raíces Materiales cementados
100-120% 90-110 % 80-100% 85-95%
Para calcular el número de ciclos / hr. en la operación de un cargador, se debe determinar la eficiencia de la operación o sea los minutos efectivos de trabajo en una hora y éste dividido entre el tiempo en minutos del ciclo total Ciclos / hr. = Minutos efectivos efectivos por Hr. Tiempo total de un ciclo(min.) La eficiencia de la operación, depende de las condiciones del sitio de trabajo y las características de la organización de la empresa. Y se puede calcular de la siguiente manera:
Condiciones del Sitio de trabajo 1.-Excelentes 2.-Buenas 3.-Regulares 4.-Malas
Tabla No.7.- FACTORES DE EFICIENCIA "E" Características de la organización Excelente Buena Regular Mala % Min/Hr % Min/Hr % Min/Hr % Min/Hr 84 50.4 81 48.6 76 45.6 70 42.0 78 46.8 75 45.0 71 42.6 65 39.0 72 43.2 69 41.4 65 39.0 60 36.0 63 37.8 61 36.6 57 34.2 52 31.2
El tiempo total de un ciclo esta compuesto por el tiempo de ciclo básico mas el tiempo del ciclo de acarreos. El tiempo de ciclo básico incluye; el tiempo de carga, descarga, cambios de velocidades, el ciclo completo del cucharón y el recorrido mínimo. El ciclo básico lo podemos tomar en forma teórica basado en estadísticas de varias obras o de recomendaciones del fabricante, en base a los anteriores criterios el tiempo del ciclo básico es del orden de 20 a 25 segundos y que se ve afectado por diversos factores que se han estimado de la siguiente forma:
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Tabla No. 8. FACTORES DE CORRECCION ( Segundos + ó - ) Diversos Factores Segundos que deben de restarse(-) al tiempo de ciclo básico añadirse(+)ó TAMAÑO DEL MATERIAL +1.2 1.-De diversos tamaños 2.-Hasta de 1/8" +1.2 3.-De 1/8" a 3/4" - 1.2 4.-De 3/4" a 6" 0.0 5.-De 6" ó mas +1.8 y más 6.-En el banco ó fragmentado +2.4 y más CARACTERISTICAS DEL MONTON 7.-Apilado con transportador o tractor a 3 metros ó más. 8.-Apilado con transportador o tractor a menos de 3 m. 9.-Descargado de un camión
DIVERSOS 10.-Posesión en común de camiones y cargador. 11.-Operación continua 12.-Operaciones intermitentes 13.-Tolvas o camiones pequeños 14.-Tolvas o camiones endebles
0.0 +0.6
+1.2 -2.4 -2.4 +2.4 +2.4 +3.0
El ciclo de acarreos.- Es el tiempo que consume un cargador en transportar un material desde el sitio de carga al lugar de descarga y regresar vacío al lugar inicial. Este tiempo puede tomarse de gráficas proporcionadas por el fabricante o calcularse en función de la velocidad de desplazamiento del cargador y la distancia a recorrer. A continuación se presentan varias gráficas del tiempo estimado de acarreo y retorno para diferentes cargadores, las cuales se han preparado en las siguientes condiciones: a).- Sin pendiente b).- Las velocidades son prácticamente las mismas misma s con carga o sin ella. c).- Se considera el tiempo de aceleración en el tiempo de maniobras. d).- La posición del cucharón es constante en el recorrido e).- No se incluye el recorrido efectuado en el tiempo de maniobras. Cálculo del rendimiento por medio de Gr áf i cas proporcionadas proporcionadas por los fabricantes de equipo. Esto cuentan con manuales donde justifican los rendimientos teóricos de las máquinas que producen, para determinadas condiciones de trabajo. Dichos datos se basan en pruebas de campo, análisis en computadoras, investigaciones en el laboratorio y experiencia. Debe de tomarse en cuenta, sin embargo, que todos los datos en que ellos se basan, consideran una eficiencia al 100%,algo que no es posible en la realidad, ni aún en condiciones óptimas. Esto significa que al utilizar estos datos de eficiencia y producción, es necesario rectificar los 53
resultados mediante factores de corrección a fin de compensar el menor grado de eficiencia alcanzado, ya sea por las características del material, organización de la obra, habilidad y experiencia del operador y además de otras condiciones que pueden afectar la producción de un determinado trabajo. Ejemplo.- Se desea conocer el rendimiento de un cargador frontal sobre orugas marca Cat.
973, equipado con un cucharón de 2.9 M3 (3.8 Yd3),cargando camiones de 12 M3 de capacidad, de material de banco de roca (fragmentación mediana),para alimentación de trituradora, el material se encuentra apilado en montones de más de 3.0 M. de altura. Se cuenta con una organización de obra buena y las condiciones de trabajo regulares, el tiempo de ciclo básico es de 25 seg. Solución: 1.- Sacar la capacidad real de cucharón. a). Conocer el factor de carga del material =80% (se saca de la tabla No.5) Material dinamitado de fragmentación media = 75-80% b) Capacidad real = capacidad nominal x Factor de Carga Vol.= 2.9 M3 x 0.80= 2.32 M3 (sueltos)
2.-Tiempo total del ciclo = Tiempo del Ciclo Básico + Tiempo de Acarreos a) Tiempo del ciclo básico - Factores de Corrección Tiempo ciclo básico = 25.0 seg. -Tamaño del material (6) = + 2.4 seg. -Características del montón = 0.0 seg. -Diversos (11) = - 2.4 seg. Total 25.0 seg.
Tiempo total del ciclo = 25.0 seg. + 0.0 = 25.0 seg = 0.42 min. 3.-Sacar el número de ciclos por hora. No. de Ciclos / Hr. = 60 min/Hr = 143 C/Hr. 0.42 min./ ciclo 4.-Producción ó Rendimiento (R) R = Capacidad Real del Cucharón x No. de ciclo x Eficiencia a) El Factor de Eficiencia (sale de la tabla No.6)= 0.69 54
organización de la obra = buena condiciones del sitio de trabajo = regular sustituyendo valores;
R = 2.32 m3 x 143 Ciclos / Hr. x 0.69= 231.9 M3 (sueltos) Ejemplo. - Sacar la producción de un cargador frontal de ruedas marca Cat. 936F,equipado con
un cucharón de 2.3 M3 (Yd3),alimentando de agregados (grava de 3/4" y arena) una planta de asfalto, el material se encuentra apilado en montones de más de 3.0 M. de altura, a una distancia de 70 M. Se cuenta con una organización de obra excelente, y las condiciones del sitio de trabajo son buenas, el tiempo del ciclo básico es de 20 seg.
Solución: 1.-Sacar la capacidad real del cucharón. El Factor de carga es = 95% Capacidad del cucharón = 2.3 M3 x 0.95= 2.2 M3 2.-Tiempo del ciclo total. a).- Tiempo del ciclo Básico = 20.0 seg. -Tamaño del material (1) = +1.2 seg. -Características del montón (1) = 0.0 seg. -Diversos (13) = +2.4 seg. Total 23.6 seg. = 0.39 min. b).-Tiempo de acarreos. -Distancia = 70 Mts. Mts. -De ida "cargado" en 2a.Velocidad = 0.40 min. (Sale de la gráfica Distancia-Tiempo) -De regreso "Vacío" en 3a.Velocidad = 0.30 min. -Maniobras (Subir rampa y dar vuelta) = 0.33 min min Total 1.03 min. 55
Tiempo total del ciclo= 0.39 + 1.03 = 1.42 min. 3.-Ciclos / Hora. No. de Ciclos / HR = 60 min / Hr = 42 Ciclos / Hr. 1.42 min / ciclo 4.-Rendimiento. a.-Factor de Eficiencia = 78% (sale de la tabla No.6) b.-Coeficiente de abundamiento = 35%
R.= 2.2 M3 x 42 C/Hr x 0.78 = 53.4 M3 (compactos) 1.35
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CAPITULO 4 MOTONIVELADORAS
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MOTONIVELADORAS.- Son máquinas equipadas con una hoja vertedora y escarificador, para realizar las actividades de mover, revolver, homogenizar, extender y nivelar suelos; utilizadas principalmente en la construcción y conservación de caminos. La Hoja Vertedora es el aditamento o pieza principal de ésta máquina, misma que le da la razón de ser, ya que es el elemento con el cual realiza la mayoría de las actividades que lleva a cabo. Son de acero con un alto contenido de carbón, de forma curva, para lograr que el material corra de un extremo a otro, cuya longitud determina el modelo y potencia de la máquina, está localizado en la parte baja del chasis. En la parte inferior de la hoja, van atornilladas unas piezas desgastables e intercambiables llamadas Cuchillas cuya función es la de cortar el material y proteger contra el desgaste al cuerpo de la hoja. El dispositivo especial de movimiento es hidráulico, y permite a la hoja girar y moverse en todos los sentidos, es decir: a).-Puede regular su altura con relación al plano del suelo, y su máximo levantamiento es: 380 mm.(15")....Modelo Cat. 120B 419 mm.(16.5")..Modelo Cat. 16G
b).-En el plano horizontal puede quedar fija, formando un ángulo cualquiera con el eje horizontal de la máquina.
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c).-Puede también inclinarse con relación al plano horizontal, logrando quedar en posición vertical, fuera del chasis de la máquina.
El Motor igual que la mayoría de las máquinas utilizadas en la industria de la construcción viene equipado con un motor diesel turbocargado, de 6 cilindros cuyos tamaños están en función de la capacidad del motor y éste de acuerdo con el tamaño de la máquina. Con transmisión directa de 6 a 8 velocidades tanto de avance como de reversa.
Dirección Hidráulica y su sistema de locomoción es a través de 6 llantas con aros desmontables e intercambiables. Las ruedas delanteras son inclinables a derecha e izquierda hasta 22 ,con respecto a su eje vertical, una característica muy importante en este tipo de máquinas. Las ruedas traseras están colocadas en tándem y cuyos tamaños varían según el modelo y tamaño de la máquina. Se indican algunos tamaños de neumáticos para motoniveladoras. 13.00 x 24, 10 telas (G-2) 18.00 x 25, 12 telas (E-2) El Escarificador en "V" es otro aditamento que la motoniveladora utiliza con mucha frecuencia en los trabajos que realiza. En algunos modelos se localiza abajo del chasis adelante de la hoja y en otros va colocado en la parte frontal de la máquina y viene equipado con 11 dientes como máximo según el modelo del equipo, y se opera a través de un sistema hidráulico. El Escarificador-Desgarrador es un aditamento con el que vienen equipadas las motoniveladoras de gran tamaño el cual se localiza en la parte posterior de la máquina igual como los tractores. Vienen equipado con tres dientes que se pueden intercambiar de posición para modificar la separación entre ellos según sea la resistencia del suelo. La ubicación de esté aditamento en la parte posterior aprovecha la máxima fuerza de tracción de la barra de tiro, pero tiene el inconveniente que el operador no tiene visibilidad desde la cabina. cabina.
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TRABAJOS QUE REALIZAN LAS MOTONIVELADORAS a).-Desmonte y remoción de vegetación ligera b).-Limpieza de terrenos c).-Despalmes y pequeños cortes d).-Mezclar y revolver materiales con el objeto de uniformarlos e).-Rastreo y conservación de caminos f).-Formación de terraplenes g).-Elaboración de bases y sub-bases h).-Elaboración de carpetas asfálticas i).-Terminar y afinar taludes j).-Construcción de pequeños canales Cuando se utiliza el escarificador se pueden realizar trabajos preliminares tales como: k).-Arar el suelo para romper la estructura del mismo, previo a la acción de la hoja vertedora
RECOMENDACIONES PARA LA MEJOR UTILIZACION DE LA MOTONIVELADORA. 1.-Tener mucho cuidado en el ajuste de la hoja vertedora a las condiciones de trabajo, ya que es de suma importancia para que los trabajos que realice, los lleve a cabo en óptimas condiciones.
2.-De acuerdo al diseño cóncavo de la hoja, su posición frontal más efectiva para cortar o revolver es cuando los filos o aristas de ella quedan en un mismo plano vertical.
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3.-La posición o inclinación de la hoja vertedora con respecto al eje longitudinal de la máquina es muy importante, ya que es la razón por la cual el material corre libremente hacia un extremo de la hoja. Para realizar el trabajo de rastreo, el ángulo que se recomienda debe estar entre 60 y 70 cm.
4.-Cuando se realiza el rastreo de caminos, la parte superior de la hoja se inclina hacia delante hasta lograr una inclinación con la parte inferior de la misma, lo que facilita el trabajo de rastreo o raspado de la superficie del camino.
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5.-Cuidar mucho la inclinación de las ruedas delanteras. La posición de éstas es básica, ya que en casi todas sus aplicaciones las motoniveladoras soportan una fuerza lateral que tiende a desviar su parte delantera hacia el lado opuesto donde se va colocando el material. Para contrarestar ésta fuerza, los fabricantes ha logrado que las ruedas delanteras puedan inclinarse con respecto a su eje vertical, en la misma dirección en que se desliza o escurre el material sobre la hoja.
6.-Otra característica que se debe de tomar en cuenta, además de la utilización adecuada de la hoja es, tener mucho cuidado cuando la máquina realice el regreso de una pasada, justifique la 62
maniobra empleada, siempre y cuando la realice en un tramo no menor de 300 m.,pues en distancias menores se recomienda utilizar la reversa. 7.-Quizas una de las recomendaciones más importante para la correcta utilización de ésta máquina, es la referente a la operación, ya que en éste rubro es prioritario utilizar un buen operador, debido a que la motoniveladora es una de las máquinas más difíciles de operar entre las que se utilizan en las obras de Ingeniería, debido al terminado de los trabajos que realiza entre los que enumeramos a las bases y carpetas asfálticas.
RENDIMIENTO.- Es la producción de la máquina por unidad de tiempo, considerando las condiciones reales del trabajo. El rendimiento de una motoniveladora es inversamente proporcional al número de pasadas efectuadas a un mismo material con el fin de lograr el objetivo final de ese trabajo. Para la determinación de un rendimiento, no es confiable tomar una experiencia dada o de manuales especializados proporcionados por los fabricantes, sin aplicar con criterio un coeficiente adecuado que tome en cuenta todas las condiciones reales de la obra. Por lo que se considera que el rendimiento más exacto es aquel que se determina por medio de la observación directa en el campo. Entre los métodos teóricos existentes para conocer la producción o rendimiento de una motoniveladora, utilizaremos aquel que lo calcula indirectamente, determinando el tiempo empleado para realizar un trabajo, utilizando la siguiente fórmula:
T= N x L + N x L + N x L +...... E x V1 E x V2 E x V3 Donde: T = Tiempo total de operación en horas N = Número de pasadas( La cual se determina en función f unción del tipo de trabajo). L = Longitud recorrida en cada pasada en Km. E = Eficiencia de la máquina(varía de acuerdo a las condiciones de trabajo) V1,V2,V3 = Velocidades para cada pasada en Km./Hr.
VELOCIDADES DE TRABAJO En la tabla siguiente se indican las velocidades en la transmisión, recomendables para diferentes tipos de trabajo.
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Tabla 9.- Velocidades recomendables de trabajo MOTONIVELADORAS
TIPO DE TRABAJO
CATERPILLAR 12G Velocidad
1.-Desmonte ligero 2.-Desyerbes 3.-Construcción de cunetas y terraplenes. 4.-Mezcla de materiales 5.-Extendido y nivelación de materiales 6.-Conservación de caminos 7.-Escarificación 8.-Afine de taludes
CATERPILLAR CATERPILLAR 120B 16G
JOHN DEERE 772A
1a.-2a. 1a.-2a. 1a.-2a.
desplazamiento Km/Hr 3.7 - 6.0 3.7 - 6.0 3.7 - 6.0
desplazamiento Km/Hr 4.4 - 6.9 4.4 - 6.9 4.4 - 6.9
desplazamiento Km/Hr. 3.8 - 5.4 3.8 - 5.4 3.8 - 5.4
desplazamiento. Km/Hr. 3.7 - 5.3 3.7 - 5.3 3.7 - 5.3
2a.-3a. 2a.-4a.
6.0 - 9.5 6.0 -15.6
6.9 -10.4 6.9 -16.3
5.4 - 7.3 5.4 -10.5
5.3 - 8.9 5.3 -10.8
3a.-5a.
9.5 -25.0
10.4 -23.8
7.3 -15.9
8.9 -14.2
1a.-3a. 1a.
3.7 - 9.5 3.7
4.4 -10.4 4.4
3.8 - 7.3 3.8
3.7 - 8.9 3.7
En la siguiente tabla se dan los valores de la Eficiencia en función del coeficiente de utilización de la máquina. Tabla 10.- FACTORES DE EFICIENCIA "E". ORGANIZACION DE LA OBRA
EXCELENTE BUENA COEf. DE UTILIZACION DE LA MAQUINA.
REGULAR
MALA
0.83 0.75
0.83 0.75
0.83 0.75
0.83 0.75
0.70 0.65 0.60 0.52
0.67 0.62 0.57 0.51
0.63 0.59 0.54 0.47
0.58 0.54 0.50 0.43
CONDICIONES CONDICIONES DEL SITIO DETRABAJO.
Excelentes Buenas Regulares Malas
0.63 0.58 0.54 0.47
0.61 0.56 0.52 0.49
0.57 0.53 0.49 0.43
0.52 0.49 0.45 0.39
Ejemplo. Ejemplo.- En la elaboración de un bordo de 800,000 M3 de tierra que servirá para alojar un canal, se desea conocer en número de motoniveladoras necesarias para realizarlo, siendo las condiciones de la obra las siguientes: a) Tipo de material; limo-arenoso, con un peso volumétrico máximo seco de 1,620.00 kg/M3 y un factor de abundamiento del 28%. b) El espesor de las capas del material a tratar será de 20 cm. c) El material a utilizar, se excavará con tractores cuya producción es de 820 M3/hr. medidos en banco, (es requisito indispensable nivelar la producción de los tractores con la de las motoniveladoras en la obra). d) Todos los rangos de producción estarán basados en un coeficiente de utilización de 50 min/hr. e) Las condiciones de trabajo son buenas y la organización de la obra es excelente. 64
Solución: 1. Se utilizarán motoniveladoras marca Caterpillar , cat.135H. cuyas características son: Potencia de la máquina = 135 HP. Dimensiones de la hoja vertedora: largo = 3.66 m. m. y la altura es de 0.61 m. Velocidades 1ª. 3.6 KPH reversa 1ª. 2.9 KPH 2ª. 4.9 KPH 2ª. 5.4 KPH 3ª. 7.2 KPH 3a. 7.8 KPH 4ª. 9.9 KPH Trabajara con un ángulo de 60° con respecto a su eje
Ancho efectivo de la hoja vertedora X= cos 60° x 3.66 = 1.83 m. 2. Conocer la velocidad promedio - Descopetar los montones 3 pasadas 1ª. velocidad - Acamellonar 4 pasadas 2ª. velocidad - Incorporar agua 4 pasadas 2ª. velocidad (se repite dos veces) - Revolver el material 6 pasadas 3ª. velocidad ( se repite dos veces) - Extender el material 4 pasadas 2ª. velocidad Suma= 31 pasadas Vm = N = 31 pasadas = 5.4 KPH n/ v1 +n/ v2+n/ v3 3/3.6 + 16/ 4.9 +12 / 7.2 A = Volumen = 820 M3 = 4,100 M2 Espesor 0.20 m Conocer el área cubierta por hora y por pasada de una franja Eficiencia E= 0.65 (sale de la tabla No. 9) Área = 5400 m x 1.83 m x0.65 = 6,423.3 M2 Como se requieren 31 pasadas por cada capa tenemos: Área cubierta = 6,423.3 M2 = 207.20 M2 31 pasadas 4. Número de motoniveladoras necesarias. No. = 4,100 M2 = 19.79 = 20 unidades 207.20 3. Conocer el área cubierta
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Ejemplo.- Conocer Ejemplo.- Conocer el rendimiento de una motoniveladora marca Caterpillar modelo 160H, la cual estará realizando terraplén en calles de un fraccionamiento cuyo ancho es de 8.00 m. en capas de 20 cm. De espesor, la cual esta equipada con una hoja vertedora de 4.27 m. de largo.
Velocidades de la motoniveladora: Avance 1ª. 3.5 KPH 2ª. 4.8 KPH 3ª. 7.0 KPH 4ª. 9.6 KPH
reversa 1ª. 2.8 KPH 2ª. 5.2 KPH 3a. 7.6 KPH 4a. 11.8 KPH
Las condiciones del sitio de trabajo son buenas. la organización de la obra es buena y utilización de la maquina es del 75%.
El proceso constructivo será el siguiente: - Descopetar los montones 3 pasadas 1ª. velocidad - Acamellonar 4 pasadas 2ª. velocidad - Incorporar agua 8 pasadas 2ª. velocidad (se repite dos veces) - Revolver el material 10 pasadas 3ª. velocidad ( se repite dos veces) - Extender el material 6 pasadas 1ª. velocidad Suma= 49 pasadas Se regresara en reversa 49 pasadas 3ª. velocidad Solución: 1.- Conocer el tramo de prueba Longitud = 120 m. Ancho = 8.0 m. VOLUMEN = 120x8x0.2 =192 m3 Espesor = 0.20 m 2.- Sacar el tiempo empleado en realizar el trabajo: Empleando la formula: T= N x L + N x L + N x L = 9 pas. x 0.12 km + 20 x 0.12 + 20 x.12 = 2.06 Hr. E x V1 E x V2 E x V3 0.56 x 3.5 KPH 0.56x4.8 0.56x7.0 Eficiencia E=0.56 (tabla 10) Tiempo de reversa: T= N x L = 49 pasadas x 0.12 km = 1.38 Hr. E x V3 0.56 x 7.6 KPH Tiempo de maniobras = 40 seg/maniobra x 49 pasadas= 0.54 Hr. Tiempo total empleado = 2.06 Hr + 1.38 Hr + 0.54 Hr = 3.98 Hr.
3. Rendimiento o producción = volumen = 192.00 M3 =48.24 M3/ Hr. Tiempo 3.98 Hr 66
CAPITULO 4 EQUIPOS DE COMPACTACIÓN
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EQUIPOS DE COMPACTACION En la actualidad debido a la problemática que representa el lograr una compactación de un suelo de la forma más económica se ha librado una búsqueda del equipo ideal que sea compatible con la gran cantidad de tipos de suelos, lo que ha hecho que los fabricantes de maquinaría para compactación, pongan a sus diseñadores a crear una máquina que muestre al constructor los beneficios de emplear un solo equipo que pueda ser utilizado en la mayoría de los suelos más comunes utilizados en las obras de ingeniería, logrando además de la versatilidad en los diferentes suelos, la productividad, ya que con ello se logrará reducir la duración de las obras y la disminución de los costos de producción. Más sin embargo con toda toda la tecnología actual no ha sido posible crear una máquina ideal para compactar una gran variedad de d e suelos con las características antes mencionadas. Pero no no todo ha sido en vano, ya que se a logrado avances significativos, y en la actualidad contamos con equipos que pueden ser empleados en diferentes tipos de suelos con una productividad aceptable a los retos que la ingeniería actual nos exige. La superficie de nuestro territorio ésta formada por una gran variedad de tipos de suelos, que de un lugar a otro cambian de la forma más inesperada, y que debido a sus características, requieren de una forma especial para tratarlos, lo que obliga a utilizar un determinado equipo de compactación.
Clasificación de los Suelos Para clasificar los suelos nos basaremos en el "Sistema Unificado de Clasificación de Suelos" o llamado sistema S.U.C.S. Este sistema diferencia a los suelos gruesos de los finos, distinguiéndose ambos por el cribado a través de la malla No.200;las partículas gruesas son retenidas en dicha malla y las finas son las que pasan. Un suelo se considera grueso si más del 50% de sus partículas son gruesas, y fino, si más de sus partículas en peso, son finas. I.-SUELOS GRUESOS El símbolo de cada grupo está formado por dos letras mayúsculas, que son las iniciales de los nombres en ingles de los suelos típicos de éste grupo.
G ( Gravel)...Gravas y suelos en que predominan éstas. S ( Sand )....Arenas y suelos arenosos. Las gravas y las arenas se separan con la malla No.4,de que un suelo pertenece al grupo genérico "G",si más del 50% de su fracción gruesa(retenida en la malla 200)no pasa la malla No.4,y es del grupo genérico "S",en caso contrario. También existen otras subdivisiones en base a:
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a). Material prácticamente limpio de finos, bien graduado, cuyo símbolo es "W" (well graded). En combinación con los los símbolos genéricos G y S, se obtienen los grupos GW y SW. b).-Material prácticamente limpio de finos, bien graduado, cuyo símbolo es "P" (poorly graded).En combinación con los símbolos genéricos G y S, dan lugar a los grupos GP y SP. c).-Material con cantidad apreciable de finos no plásticos, cuyo símbolo es "M" (del sueco Mo y Mjala). En combinación con los símbolos genéricos G y S, dan lugar a los los grupos GM y SM. d).-Material con cantidad apreciable de finos plásticos. cuyo símbolo es "C" (clay).En combinación con los símbolos genéricos G y S, dan lugar a los grupos GC y SC.
II.-SUELO FINOS También en éste caso el Sistema considera a los suelos agrupados, formándose el símbolo de cada grupo por dos letras mayúsculas, elegidas con el criterio similar al usado para los suelos gruesos, y dando lugar a las siguientes divisiones: M...Limos inorgánicos (del sueco Mo y Mjala). C...Arcillas inorgánicas (clay) O...Limos y Arcillas orgánicas (organic). Cada uno de éstos tres tipos de suelos se subdividen, según su límite líquido, en dos grupos: a).-Si es menor su L.L. del 50%,es decir, si son suelos de compresibilidad baja o media, se añade al símbolo genérico la letra "L" (Low compressibility), obteniéndose por ésta combinación los grupos ML, CL, OL. b).-Si es mayor su L.L. del 50%,o sea de alta compresibilidad ,lleva tras el símbolo genérico la letra "H" (High Compressibility), obteniéndose los grupos MH, CH, OH.
Materiales Fricciónantes.- son principalmente gravas y arenas; entiéndase como fricción interna a la resistencia al desplazamiento entre las partículas internas del material. Materiales Cohesivos.- son arcillas y limos arcillosos; a la cohesión la podemos definirla como la atracción mutua de las partículas de un suelo debido a las fuerzas moleculares y a la presencia de humedad. COMPACTACION Definición.-Es la reducción de la relación de vacíos en un suelo, a través de la reorientación de las partículas, fractura de los granos o de las ligaduras entre ellos, debido a la aplicación de esfuerzos mecánicos externos. Desde tiempos prehistóricos los constructores han reconocido el valor de la compactación del suelo para producir elementos fuertes, libres de asentamientos y resistentes al agua. Por más de 2,000 años la tierra ha sido apisonada con maderos pesados, por pisadas de ganado o compactada por cilindros o rodillos metálicos, pero el costo de éste trabajo bruto era mayor, en muchos casos, que el valor de la compactación. Por otro lado si la tierra se descarga 69
directamente en el lugar y no se compacta, frecuentemente falla por el efecto de las cargas y continúa asentándose por décadas. Fue R.R. PROCTOR quien indicó el camino de la compactación efectiva a bajo costo.
Resultados de la Compactación.-Por medio de la compactación aumenta el peso volumétrico del material seco, los suelos retienen el mínimo de humedad, presentan menor permeabilidad y sus asentamientos son reducidos; es decir, que la compactación se traduce en un mayor soporte, mayor resistencia al corte y mínima variación volumétrica por cambios de humedad. El éxito de toda compactación depende de los métodos usados, del equipo seleccionado, del tamaño del área de carga, de la presión ejercida sobre ella y del espesor de la capa del suelo. Este espesor es importantísimo, pues cuando es mayor al que puede compactar el equipo, sobreviene el fracaso; ya que éste espesor depende del tipo suelo y de la máquina de compactación que se empleé. Es también de suma importancia considerar la granulometría del material, el contenido de humedad y el esfuerzo de compactación, ya que con una correcta granulometría, las partículas pequeñas llenan los espacios vacíos que dejan las partículas grandes y se aumenta por compactación la densidad del material; con el justo contenido de humedad se reduce la fricción entre las partículas, se facilita el deslizamiento de ellas, se aumenta la densidad y se mejora la ligazón de las partículas de arcilla, que son las que proporcionan la característica pegajosa a los materiales cohesivos. Conviene Con viene precisar que para obtener máxima compacidad, hay que dar al suelo el grado óptimo de humedad que le corresponde, pues agua en exceso dificulta y a veces hace imposible la compactación. El esfuerzo de compactación compactación o sea la energía que se transmite al suelo, según el tipo de máquina y el método empleado en el proceso de compactación, puede lograrse logrars e por medio: 1.-Presión Estática.-Es la aplicación de una carga por unidad de área. 2.-Impacto o Golpeteo Violento.-Es el golpeo con una carga de corta duración, alta amplitud y baja frecuencia. 3.-Vibración o Sacudimiento.-Es el golpeo con una carga de corta duración, alta frecuencia y baja amplitud. 4.-Amasamiento o manipuleo.-Es la acción de amasado, logrando una reorientación entre partículas próximas, logrando una reducción de vacíos. 5..-Con Enzimas.-Se adicionan productos enzimáticos al agua para la compactación.
COMPACTACION POR PRESION ESTATICA.- Este principio se basa en la aplicación de pesos más o menos grandes sobre la superficie del suelo. Y cuya acción de la compactación es de arriba hacia abajo, es decir, las capas superiores alcanzan primero mayores densidades que las inferiores. Este principio tiene dos inconvenientes en la obtención de una rápida densificación. Primero.-Su acción de arriba hacia abajo.-Logra que la parte superior se compacte primero que la de abajo, por lo que el esfuerzo compactivo debe de atravesar la parte ya compactada, para poder compactar la parte inferior, debido a esto se consume mayor energía de compactación. También puede suceder que las características granulométricas del material 70
varíen, debido a la sobrecompactación de la porción superior de la capa, y cuyo efecto de éste exceso de energía compactiva, produce una fragmentación de partículas del suelo.
Segundo.-Se fomenta la resistencia de la fricción interna del material durante la compactación, definiendo como fricción interna a la resistencia de las partículas de un suelo para deslizarse dentro de la masa del mismo, se puede juzgar éste segundo s egundo inconveniente de la siguiente forma Si llamamos "F" a la fuerza aplicada por el compactador y "n" al coeficiente de fricción interna del material, se puede deducir la reacción "R" de las partículas para deslizarse dentro de la masa del suelo, de donde nos queda la siguiente formula; R = n F Por lo que se puede apreciar que a mayor fuerza aplicada mayor la reacción de la fricción interna del material, aquí es donde el papel que juega el agua resulta muy importante, ya que tendrá efectos lubricantes entre las partículas reduciendo "n" y por consecuencia a "R".Para éste tipo de compactación es necesario hacer riegos intensivos de agua, cuando el material así lo soporte.
COMPACTACION POR IMPACTO.- Este principio de compactación se basa haciendo caer continuamente un peso desde una determinada altura. Lo cual se logra, cuando un equipo de compactación tiene una frecuencia baja y una amplitud grande. Este tipo de compactación se logra cuando un cuerpo se levanta una cierta altura sobre una superficie y se deja caer, y la presión que ejerce sobre ésta, es varias veces mayor que la presión que ejerce el mismo cuerpo estando apoyado apo yado estáticamente sobre dicha superficie.
COMPACTACION POR VIBRACION.- Este principio de compactación ha demostrado en la actualidad que es el que ofrece mejores resultados, por su versatilidad de aplicación en todo tipo de suelos. En éste tipo de compactación se aplica una cierta presión, pero además también se somete al material a rápidos y fuertes movimientos o vibraciones, que oscilan entre 3,000-4,000 VPM. dependiendo del tipo de compactador. Debido a las vibraciones producidas por el equipo sobre el material, la fricción interna de éste, desaparece momentáneamente, propiciando el acomodo de las partículas. La vibración multiplica la movilidad interna del material en forma contundente, en suelos de granulometría gruesa la movilidad dinámica es de 10 a 30 veces mayor que la movilidad estática. Lo que demuestra que en cualquier tipo de suelo, la compactación por vibración o de efecto dinámico, supera en eficiencia a cualquier equipo de compactación por carga estática. La compactación por vibración tiene un efecto de penetración como el sonido, el cual también es dinámico, pero tiene una frecuencia mayor y audible; éste tipo de compactación evita los efectos de arco y disminuye la fricción interna del material, permitiendo que las fuerzas compactivas trabajen a mayor profundidad y anchura. 71
Con éste principio de compactación las partículas de material se ven sujetas a presión estática y a impulsos dinámicos de las fuerzas vibratorias, con lo cual se logra una compactación con menor esfuerzo, y la densificación del material se desarrolla de las capas inferiores hacia arriba.
VENTAJAS DE LA COMPACTACION POR VIBRACION. a).-Es posible compactar a más altas densidades( % de compactación), facilita la obtención de los últimos porcientos del grado de compactación compactación que son tan difíciles de obtener, y a veces imposibles con compactadores de carga estática. b).-Se puede trabajar con capas de material de mayor espesor. c).-Se logra realizar trabajos más rápidos por menor número de pasadas. d).-Permite el uso de compactadores más pequeños o de menor peso. e).-Se logran costos de compactación más económicos.
COMPACTACION POR AMASAMIENTO.- La acción de amasar es el resultado de la presión ejercida hacia todos lados por la penetración de un objeto en la masa de un suelo, obligando al agua y aire contenidos en el mismo, a salir a la superficie. La compactación por éste principio se lleva a cabo de abajo hacia arriba; es decir ,las capas inferiores se densifican primero y las superiores después. Este principio se aplica fundamentalmente a suelos cohesivos; ya que su efectividad es casi nula en suelos granulares. COMPACTACION POR MEDIO DE ENZIMAS.- Con ayuda de productos enzimáticos adicionados en el agua de compactación, se ha logrado obtener, en combinación con algún otro esfuerzo mecánico compactible, la densificación más rápida de los materiales. Una enzima es una sustancia química-orgánica que está formada por plantas y microorganismos, capaces de incrementar la velocidad de transformación química del medio donde se encuentran, sin que sean consumidos por ello en éste proceso, llegando a formar parte del conjunto. Según los fabricantes de enzimas, ésta transformación se logra mediante una reacción química de ionización de los componentes orgánicos e inorgánicos del terreno, permitiendo que está origine una fusión molecular progresiva, pro gresiva, lo que trae como resultado resu ltado que las partículas del suelo se agrupen y se transformen en una masa compacta y firme. Pero debe de quedar claro que por si solas las enzimas en el agua de compactación no densifican a un suelo, sino que se requiere necesariamente, la utilización de un compactador.
EQUIPO DE COMPACTACION.- En la actualidad existen una gran variedad de equipos de compactación, algunos con los principios básicos que se desarrollaron en las décadas de principio de siglo, así como los más modernos que han sido fabricados con la tecnología actual, entre los que podemos enumerar: TIPO Rodillos Metálicos Rodillos Pata de Cabra Rodillos de Reja Compactador de Neumáticos
PRINCIPIO Presión Estática Amasamiento Impacto Amasamiento
UTILIZACION Su uso es limitado. Ya no se utilizan (están descontinuados) Ya no se utilizan (están descontinuados) En terreno natural y materiales granulares.
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Rodillos Vibratorios
Vibrado
Compactador de Impacto
Impacto
En todo tipo de suelos pero especialmente en materiales granulares. En suelos cohesivos.
Existen algunos compactadores equipados con mecanismos que pueden aplicar dos principios dos principios de compactación a la vez, tal es el caso de: Rodillo de Impacto Vibratorio.................. vibración e impacto. Compactador de neumáticos y rodillo Metálico...Amasamiento y carga estática.
COMPACTADOR DE RODILLOS METALICOS.- Definición.-Son máquinas equipadas con dos o tres cilindros lisos que se emplean en la compactación de subrasantes, suelos granulares y carpetas. Un rodillo metálico utiliza solamente presión estática con un mínimo de manipulación en materiales cohesivos. Cuando estos rodillos inician la compactación de una capa de un suelo, el área de contacto es más o menos ancha y se forma un bulbo de presión de una cierta profundidad, conforme avanza la compactación, el ancho del área de contacto se reduce, y por lo tanto también se reduce la profundidad del bulbo de presión y aumentan los esfuerzos de compresión en la cercanía de la superficie (fig. 11).Estos esfuerzos son con frecuencia suficientes para triturar los agregados que componen los suelos granulares, y son la causa de la formación de una costra en la superficie de la capa (encarpetamiento). Si a esto se agrega la costumbre de hacer riegos adicionales durante la compactación, para compensar el agua perdida por la evaporación, en una capa en donde la penetración del agua es difícil por la misma compacidad del material llegaremos a un estado de estratificación de la humedad, en éste momento es inevitable la formación de la costra. Otra costumbre muy generalizada es la de sobre lastrar a estos equipos, cuando no se está obteniendo la compactación deseada, con el fin de aumentar la penetración y profundidad del bulbo de presión, esto generalmente trae como consecuencia el sobre esforzar la superficie superf icie de la capa. Figura 11.-Bulbos de Presión producidos por efectos compactivos.
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Un rodillo metálico, no compacta pequeñas áreas suaves(irregularidades de la superficie),en medio de áreas de material más compacto, debido a que la rigidez de la rueda las puentea. Estas áreas suaves se presentan con frecuencia en terracerías debido a la granulometría del material. Existen diferentes modelos de compactadores de éste tipo, los cuales se enumeran los siguientes: a).-PLANCHAS TANDEM.-Son aquellas que tienen dos o tres rodillos metálicos paralelos y que la carga es compensada entre ellos. Los rodillos son generalmente huecos para ser lastrados con arena o agua. Su uso en la actualidad es muy limitado ya que están siendo desplazándoos por equipos más modernos ,cuya producción es muy superior. Su utilización es en sub-bases, bases, carpetas y sellos. b).-PLANCHAS DE TRES RUEDAS.-Son los compactadores de más antiguo diseño, y están formadas con dos ruedas traseras paralelas y una delantera; las ruedas pueden ser huecas para ser lastradas o sólidas fabricadas con placas de acero roladas con atiesadores. Los pesos de estas unidades son de 10 y 12 toneladas y pueden compactar capas hasta de 25 cm. de espesor ,especialmente en suelos granulares de grano fino. Al igual que los anteriores esté tipo de equipo se usa muy poco en la actualidad.
COMPACTADOR DE NEUMATICOS.- Definición.-Son máquinas que están formadas de una estructura metálica rectangular hueca en forma de artesa que permite cargarse para 74
aumentar su peso la cual descansa sobre trenes de 7 ó más neumáticos pequeños montados en un chasis,.también los hay de cuatro neumáticos gigantes. Este tipo de compactadores son muy eficientes y en algunos casos esenciales, tal es el caso en la compactación de sub-bases, bases y carpetas asfálticas, sus bulbos de presión son semejantes a los de los rodillos metálicos, pero el área de contacto permanece constante por lo que no se produce el efecto de reducción del bulbo de presión. Por otra parte, el efecto de puenteo del rodillo metálico, sobre zonas suaves, se elimina con llantas de suspensión independiente.
CLASIFICACION. 1.-De acuerdo al medio de locomoción pueden ser: a).-DE JALON.-Requieren de otra máquina para desplazarse b).-AUTOPROPULSADOS.-Cuentan con su propio medio de locomoción. 2.-De acuerdo al tamaño de sus llantas en: a).-De Llantas Pequeñas. b).-De Llantas Grandes. Figura 12.- COMPACTADOR DE NEUMÁTICOS CAT. PS-200B .
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DE LLANTAS PEQUEÑAS.-Generalmente tienen dos ejes en tandem y el número de llantas puede variar entre 7 y 13.El 1 3.El arreglo de las mismas es tal que las traseras se traslapan con las delanteras. Algunos de estos compactadores tienen montadas sus ruedas de tal forma que oscilan o "bailan" al rodar, lo que hace que aumente su efecto de amasamiento. Estos compactadores proporcionan una presión de contacto semejante a la proporcionada por equipos de mayor peso y llantas grandes, además de tener mayor maniobralidad, no empujan el material adelante de ellos, tienen poca profundidad de acción y poca flotación en materiales sueltos.
DE LLANTAS GRANDES.-Son generalmente arrastrados por un tractor y su peso es de 15 a 50 ton. Tienen 4 o 6 llantas en el mismo eje. Su mejor aplicación es usarlos como compactadores de prueba, ya que su costo es mayor que cualquier otro por utilizar una máquina extra y su rendimiento no es proporcional. Los factores más importantes que intervienen en este tipo de compactadores son: 1).-PESO TOTAL.-Dependiendo del número total de llantas y del sistema de suspensión del compactador se puede conocer el peso o fuerza aplicada por llanta. Por lo que tenemos que a mayor peso total, mayor carga por llanta, en caso de tratarse de una suspensión isostática. 2).-LA PRESION DE INFLADO.-Es importante, pero está ligada íntimamente a la carga de la llanta. Si "W" es el peso del compactador y "P" es la presión de contacto, tenemos lo siguiente (FIG.13 ). Figura 13.- Bulbos de Presión
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Podemos observar que si aumentamos el peso sin aumentar la presión (FIG. ), se aumenta la profundidad del bulbo, pero no aumentamos la presión, esto nos permitiría trabajar capas relativamente mayores, pero el aumento de eficiencia es casi nulo, y las llantas durarían menos, pues estamos aumentando el trabajo de deformación de las mismas. Si aumentamos la presión, sin aumentar la carga (FIG. ), disminuimos la profundidad del bulbo de presión, y podemos llegar a encarpetar la capa. Esto puede ser eficiente ef iciente si la capa es delgada como suelen serlo en bases y sub-bases. Si aumentamos el peso y la presión (FIG. ), estamos aumentando la presión efectiva sobre la capa y por lo tanto el trabajo de compactación sobre la misma, sin embargo esto nos puede disminuir la vida útil de las llantas del equipo. En la optimización de un compactador neumático la carga sobre la llanta y la presión de inflado, deben ser las adecuadas para dar la presión de contacto suficiente para ejercer el esfuerzo requerido de compactación (tomar en cuenta las recomendaciones del fabricante).Por la razón anterior los fabricantes de maquinaría ha provisto a sus equipos, con implementos para variar rápidamente la presión de inflado de las llantas. Las presiones de inflado más usuales son del orden de 50 psi, para compactadores pequeños(hasta 10 ton.) y puede llegar hasta 80 psi, en compactadores grandes (de 10 a 60 ton.).La presión de inflado no es igual a la presión de contacto ya que interviene (en mucho) la rigidez de la llanta inflada. Aplicaciones especializadas. 1.-Compactación del terreno natural en aeropuertos, cuyas características son: a).-Grandes extensiones b).-Terreno plano c).-Alto grado de compactación d).-Facilidad para sellar las capas superiores para lograr buena impermeabilidad.
Resumiendo.-La eficiencia de esté tipo de compactadores depende: 1.-Del área y de la presión de contacto, está última igual a la presión de inflado más la presión debido a la rigidez de las paredes laterales del neumático. 2.-Del número de pasadas y del espesor de la capa del suelo, la cual no debe de ser mayor de 20 cms.,si el peso del equipo varía entre 10 y 20 Toneladas, pero puede incrementarse a 50 cms. si el equipo es de 50 Toneladas. 3.-Para lograr una buena compactación también es importante tomar en cuenta el tiempo de aplicación de la carga. 4.-La velocidad de desplazamiento, esta debe de disminuir con el aumento de la carga.
COMPACTADORES DE RODILLOS VIBRATORIOS 77
Definición. Son máquinas formadas por uno o dos rodillos lisos metálicos ensamblados a un marco sobre el cual está colocado un motor diesel que le proporciona la fuerza motriz a los rodillos ó neumáticos y hace funcionar un sistema hidráulico que proporciona la fuerza vibratoria al tambor ó rodillo.
Figura 14.- COMPACTADOR VIBRATORIO CAT. CS-323C
Este tipo de compactadores funcionan disminuyendo temporalmente la fricción interna del suelo. Como es sabido los suelos granulares (gravas y arenas),su resistencia depende principalmente de la fricción interna(en los suelos plásticos dependen de la cohesión),la eficiencia de estas máquinas está casi limitada a suelos granulares.
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Al aplicar la fuerza dinámica de la vibración a un suelo origina un reacomodo entre sus partículas dando como resultado un incremento de su peso volumétrico, logrando con este principio aumentar los espesores de las capas de suelos por compactar (hasta (ha sta 80 cm.). Estos compactadores pueden producir un gran trabajo de compactación en relación a su peso estático ya que la principal fuente de trabajo es la fuerza dinámica de compactación. Buscando extender ventajas a los suelos cohesivos, los fabricantes de maquinaría han desarrollado rodillos de impacto vibratorios, en los que la fuerza y la amplitud de la vibración han sido aumentadas, y se ha disminuido la frecuencia. Con el mismo objeto se han acoplado dos rodillos vibratorios "fuera de base",a un marco rígido para obtener efecto de amasamiento. Clasificación.-De acuerdo al tamaño y peso los compactadores de rodillo vibratorio pueden ser: a). PEQUEÑOS ; Hasta 9,000 kg. de fuerza dinámica b).GRANDES ; De 9,000 a 20,000 kgs. Recomendaciones: 1.-Un compactador grande puede llegar llegar a sobre esforzar un suelo débil, por lo que hay que manejarlos con bastante cuidado. 2.-Las velocidades de operación deben de estar entre 2.5 a 5.0 Km/Hr. Ya que velocidades mayores no aumentan la producción, y con frecuencia no se obtiene la compactación deseada.
COMPACTADORES DE IMPACTO (TAMPING ROLLLER).- Definición.-Son tractores acondicionados con ruedas o rodillos metálicos, a los que se les ha fijado unos salientes en forma de pirámide rectangular truncada, además vienen equipados con una hoja topadora, para extender materiales ó empujar motoescrepas. Las salientes de las ruedas metálicas han sido diseñadas de tal manera que el área de contacto se incremente con la penetración, ajustándose automáticamente la presión a la resistencia del suelo compactado. El diseño también contempla una fácil entrada y salida a la capa, lo que disminuye la resistencia al rodamiento. Estos compactadores han demostrado ser muy eficientes y eliminan la estratificación en los terraplenes, esto resulta de suma importancia en corazones impermeables de las presas. Cuando un compactador de impacto empieza una nueva capa, que no sea mayor de 30 cms.,los bulbos de presión p resión y la ondas de impacto proveen p roveen suficiente amasamiento con la capa inferior para eliminar la estratificación que ocurre con cualquier otro tipo de compactador. Por tal motivo ha probado ser uno de los más versátiles y económicos compactadores de terracerías, capaz de compactar cualquier tipo de suelo cohesivo o plástico.
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Figura 15.- COMPACTADOR DE IMPACTO CAT. 815B
Clasificación.- En función del tamaño y peso del compactador, cuyo peso varía de 20 a 32 Ton., y están montados en 4 ruedas, los más comunes son: a).-Caterpillar mod. 815b (el ancho de la rueda es de 98 cms.) b).-Caterpillar Mod. 825C(el ancho de la rueda es de d e 112 cms.) c) Caterpillar Mod. CP-323(el ancho de la rueda es de 112 cms.) Este tipo de compactadores alcanzan velocidades hasta 30 Km/Hr.y compactan tanto hacia adelante, como en reversa, lo cual los hacen los más rentables compactando suelos cohesivos.
FACTORES QUE INFLUYEN EN LA COMPACTACION Para lograr la compactación más económica de un suelo hay que tomar en cuenta, los siguientes factores, mismos que juegan un papel preponderante, y son: 1. Contenido de humedad del material 2. Granulometría del material 3. Número de pasadas del compactador 4. Peso del compactador 5. Presión de contacto de la llanta 6. Velocidad del compactador 7. Espesor de la capa 8. Estado físico del compactador 9. Experiencia del operador 80
CONTENIDO DE HUMEDAD.- De los factores que tienen mayor influencia en el trabajo de compactación es el agua uno de los principales, ya que realiza el papel de lubricante entre las partículas del material. Una falta de humedad exigirá mayor esfuerzo compactivo, así como también lo exigirá un exceso de la misma. También es importante recordar que todo material tiene un contenido óptimo de humedad, con el cual se obtiene bajo una cierta cantidad de energía compactiva, la densidad máxima del mismo. Lo que indica que el agua, facilita el trabajo de compactación.
GRANULOMETRIA DEL MATERIAL.-Para la obtención de una eficiente compactación es necesario, que haya partículas de diferentes tamaños en el suelo por compactar, ya que las partículas de menor tamaño ocuparán los espacios que se forman f orman entre las partículas de mayor ma yor tamaño. Si un suelo tiene exclusivamente partículas de un solo tamaño será difícilmente compactarlo; solamente a través de aplicar un gran esfuerzo compactivo, con el cual se logrará la fragmentación de las partículas, logrando con ello mejorar la granulometría del suelo. Es importante hacer notar, que la forma de las partículas también tiene importancia en la compactación, pues materiales con partículas de forma angulosa son generalmente más difíciles de compactar por la resistencia que ofrecen sus aristas, que los materiales con partículas redondeadas.
NÚMERO DE PASADAS.-El número de pasadas que un compactador debe de dar sobre una capa de material dependerá de: a).-Tipo de compactador b).-Tipo de material c).-Contenido de humedad d).-Forma de aplicación de la presión al material e).-Velocidad de desplazamiento del compactador f).-Maniobrabilidad del compactador
PESO DEL COMPACTADOR.-La presión ejercida sobre el material dependerá, en parte, del peso del equipo de compactación. PRESION DE CONTACTO.-Más que el peso del compactador, es todavía más importante, la presión de contacto; pues ésta depende de los siguientes factores: a).-Tipo de material b).-Estado del material (suelto ó semi-compacto) c).-Área expuesta por el compactador d).-Presión de inflado de las llantas (Compactador de Neumáticos) e).-Peso del compactador f).-Temperatura del material (Mezclas Asfálticas en Caliente) 81
En la actualidad los fabricantes de equipos de compactación se han preocupado por que sus máquinas ejerzan presiones de contacto uniformes, para lo cual han tenido que utilizar suspensiones isostáticas. Para que se entienda mejor sobre la importancia que tiene la presión de contacto, que el peso mismo del compactador, tenemos el siguiente ejemplo: Un compactador muy pesado necesita de un mayor número de llantas o pocas pero de gran tamaño, con el cual, el área de contacto entre el compactador y el material se incrementa, resultando la presión de contacto similar a la de un compactador normal con menos llantas o llantas menores.
VELOCIDAD DEL COMPACTADOR.- En algunos equipos de compactación (compactadores vibratorios), la velocidad de desplazamiento es muy importante, ya que la intensidad del esfuerzo transmitido depende del tiempo de aplicación de la carga. Lo que significa que a mayor velocidad, menor intensidad y mayor número de pasadas. Sin embargo no todos los equipos de compactación funcionan bajo este principio, ya que los compactadores de impacto, tienen la misma efectividad a diferentes velocidades. ESPESOR DE LA CAPA.- El tamaño de la capa de un material por compactar, dependerá esencialmente de: a). Tipo de material b). Humedad de material c). Tipo de compactador d). Grado de compactación requerido Para determinar cual es el espesor de la capa de un cierto material, que se puede compactar con un equipo determinado, se puede utilizar el Método del Bulbo de Presión. Suponiendo que se quiere compactar con un determinado equipo, un material que con una presión de 2.7 kg/cm2 se densifica correctamente, se s e tratará de encontrar el espesor de la capa a partir de la siguiente formula: Presión = Fuerza Área Se supone una área circular de contacto = 3.14 e La fuerza "F" es el peso por llanta del compactador La presión de contacto es: Po= F 3.14 e De donde:
e= F 3.14 Po 82
Si suponemos que F = 1800 kg. y Po = 9 kg / cm2 e=
1800 kg 3.14 x 9 kg / cm2
Recurriendo a los factores de influencia para diferentes profundidades de la teoría de Boussinesq obtenemos: Profundidad
Factor de influencia
e = 8 Cm 2e = 16 Cm 3e = 24 Cm 4e = 32 Cm
P1= 0.6 Po P2= 0.3 Po P3= 0.15 Po P4= 0.09 Po
Presión P1 = 5.40 kg / cm2 P2 = 2.70 kg / cm2 P3 = 1.35 kg / cm2 P4 = 0.81 kg / cm2
De lo anterior se concluye que para un material que requiere 2.7 kg / cm2 de presión para ser compactado eficientemente con un compactador de 1800 kg. de carga por rueda y una presión de contacto de 9 kg / cm2 se puede usar un espesor de capa de 16 cm.
RENDIMIENTO DE UN COMPACTADOR.- Para determinar la producción de cualquier tipo de compactador se debe de tomar en cuenta los siguientes factores: 1.-Ancho efectivo del compactador (m) 2.-Velocidad de desplazamiento del compactador (Km/Hr) 3.-Espesor de la capa a compactar (cm.) 4.-Número de pasadas necesarias para lograr la compactación requerida. Para conocer el Rendimiento o Producción de cualquier tipo de compactador se emplea la siguiente fórmula general:
R = A x V x E x 10 xC N De donde: R = Rendimiento Horario (M3/Hr) A = Ancho compactado por el compactador (Mts) V = Velocidad del compactador (Km/Hr) E = Eficiencia del compactador (0.6 a 0.8) N = Número de pasadas C = Espesor de la capa a compactar (Cm.) 10 = Factor de conversión. Ejemplo.- Sacar Ejemplo.- Sacar el rendimiento de un Compactador de Impacto marca Cat. 815B compactando un terraplén al 90% de la prueba Proctor, compuesto de un material limo-arenoso, en capas de 20 cms. de espesor. La compactación se logrará a través de 9 pasadas, con la humedad óptima, y con una Eficiencia del 80%. Se utilizará en la construcción de un camino vecinal cuyo ancho de corona es de 7.00 m. 83
Características de la máquina: -Ancho de las ruedas = 0.98 M. -Ancho total de la máquina =3.24 M. -Velocidades: 1a,Vel. 2a.Vel. 3a.Vel. 4a.Vel. Avance 5.6 Km/Hr 9.8 Km/Hr 17.2 Km/Hr 29.9 Km/Hr Reversa 6.3 Km/Hr 11.3 Km/Hr 19.6 Km/Hr 34.1 Km/Hr
Solución :
1.- Sacar el ancho efectivo de las llantas(se traslapan traslapan 20 cm. x llanta) 0.98 - 0.2 = 0.78 M x 2 = 1.56 M. 2.-No. de pasadas para cubrir el ancho total del camino. 7.00/1.56 = 4.48 = 5 Pasadas 3.-No. total de pasadas que se requieren para compactar el terraplén No.= 5 x 9 = 45 Pasadas 4.-Volumen a compactar (se considera un tramo de 140 M. de largo) V= 140 x 7x 0.2 = 196 M3 5.-Conocer el tiempo del ciclo =Tiempo de acarreos + Tiempo de maniobras 3a.Vel. 17.20 Km/Hr.......Avance 2a.Vel. 11.30 Km/Hr.......Reversa Tiempo de maniobras = 0.0 Velocidad Promedio = (17.20+11.30)/2 = 14.25 Km/Hr Km/Hr = 237.50 M / Min. Tiempo de Acarreos = 140 M / 237.5 M =0.59 Min. De Ida y Regreso = 2 x 0.59 Min. = 1.18 Min./ ciclo 6.-Tiempo total empleado 1.18 Min / ciclo x 45 Pasadas / ciclo = 53.1 Min. = 0.89 Hr. 7.- Producción R = (Volumen./ Tiempo del ciclo) X Eficiencia Sustituyendo en: R = V x E = 196 M3 x 0.70 = 154.16 M3/Hr. 0.89 Hr. T Ejemplo.- Sacar Ejemplo.- Sacar el rendimiento de un Compactador de Rodillo Liso Vibratorio marca Cat. CS-573, compactando una sub-base de 30 Cm. de espesor. El grado de compactación es del 100% de la prueba Porter, para lo cual se requiere 14 pasadas, a una velocidad de 4 Km/Hr, el ancho de corona de la calle es de 8.00 M. Las condiciones de trabajo son Regulares
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La Organización de la Obra es Buena La utilización de la máquina es del 83%. Características de la máquina: -Ancho del Rodillo= 2.13 M...(se traslapa 30 cm.) -Velocidad de Operación = 4.0 Km/Hr.
1a. Alternativa Solución.- por medio de la Fórmula General Datos: (E) Eficiencia = 0.57 (sale de la tabla No.9) (A) Ancho Efectivo = 1.83 M.......... (2.13 - 0.30 ) (C) Espesor de la capa = 30 Cm. (V) Velocidad = 4.0 Km / Hr. (N) No. de pasadas = 14 Sustituyendo los valores en la fórmula; R = A x V x C x 10 x E = 1.83x4.0x30x10x0.57 = 89.41 M3/Hr. N 14 2a.Alternativa: 1.-Volumen a compactar (se considera un tramo de 200 M. de longitud ). V= 200 x 8 x 0.30= 480 M3 2.-No. de pasadas para cubrir el ancho de la calle. No.= 8.00/1.83=4.37 = 5 Pasadas 3.-No. total de pasadas para compactar la sub-base. No.= 5x14 = 70 Pasadas 4.-Conocer el Tiempo por Pasada T= Tiempo de acarreos + Tiempo de maniobras Vel.= 4.0 Km/Hr.= 66.7 M / Min. Tiempo de Acarreos = 200 / 66.7 = 3.00 Min. (Por pasada.) Tiempo de Maniobras =20 =20 seg. seg. = 33 Min. (tiempo en dar vuelta el compactador) Total = 3.33 Min/Pasada 5.-Tiempo Total empleado T =3.33 Min / Pasada x 70 Pasadas = 233.1 Min.= 3.89 Hr. 6.-Producción R = 480 M3 x 0.57= 70.33 M3/Hr. 3.89 Hrs.
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CAPITULO 6
EXCAVADORAS EXCAVADORAS HIDRÁULICAS
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Definición.-Son máquinas utilizadas para excavar abajo del nivel del terreno en que se sustentan, y están formadas por un brazo mecánico con un cucharón retroexcavador, el cual funciona por medio de un sistema hidráulico, acoplado a una estructura metálica montada sobre carriles o neumáticos. Descripción.-Estas máquinas se desarrollaron para satisfacer las necesidades, que requerían las obras donde se necesitaba excavar un suelo a un menor costo, en base a una mayor producción .Ya que para tal fin se utilizaba las dragas de arrastre, las que requerían de espacios bastante amplios para operar, además que las excavaciones debido al volumen y las dimensiones ,que en muchos de los casos eran pequeñas, requerían de una máquina de menor tamaño y facilidad de maniobralidad en espacios reducidos, y además también se tenia la restricción de la dureza del material, lo que imposibilitaba a las dragas para realizar por si solas este tipo de excavaciones, ya que requerían del auxilio de otra máquina que aflojará el material para después ellas extraerlo. En base a estos planteamientos los fabricantes de maquinaría, diseñaron las excavadoras hidráulicas, cuyo campo de acción se ubica en las excavaciones de mediana y pequeña profundidad, y en diferentes tipos de suelos y condiciones de trabajo, lo que las hacen las máquinas de gran versatilidad. Figura 16.- Excavadora Hidráulica
Los principales componentes de esta máquina, son:
La Pluma.-es un elemento estructural en forma de cuello de ganso, que esta unido en la parte inferior al bastidor principal de la máquina, a través de una articulación, y puede estar formada por una o dos piezas, mismas que dependen de las siguientes características: 87
a) Se utiliza la pluma de Una Pieza.-si el trabajo requiere generalmente alcance y profundidad máxima. Es excelente para abrir abri r zanjas, por su largo alcance, alcan ce, profundidad, profu ndidad, menos peso y buena capacidad de levantamiento.
FIG.No. b).-Se utiliza la pluma de Dos Piezas; si el trabajo exige adaptabilidad. La sección anterior se extiende o se retrae a tres posiciones diferentes a fin de variar el alcance y la profundidad. Se puede retraer completamente la sección anterior para usarla con cucharones más grandes o extenderla para lograr máximo alcance y profundidad. Se puede ajustar el ángulo de la sección anterior a la posición de pasador superior o inferior o para aumentar el alcance hacia arriba, altura de descarga o profundidad de excavación, Cuando está extendida al máximo y en la posición de pasador inferior, la pluma de dos piezas tiene igual alcance que la de una sola pieza.
El Brazo.-Es el elemento excavador que va articulado a la parte superior de la pluma, y en su parte inferior va unido el cucharón, mismo que es controlado a través de cilindros hidráulicos. Existen varios tipos de brazos de ataque, entre los que se indican los sig. 1.-Brazo corto 2.-Brazo mediano 3.-Brazo largo 4.-Brazo de largo alcance 5.-Brazo telescópico Brazo Corto.-Proporciona fuerza de penetración y capacidad de levantamiento máximo del brazo. Se puede utilizar con un cucharón grande en trabajos de gran volumen en excavaciones de zanjas y carga de camiones. 88
Brazo Mediano.-Proporciona máximo rendimiento en la mayoría de los trabajos en los que interviene, especialmente cuando las condiciones de trabajo cambian frecuentemente. Brazo Largo.-Ofrece el mayor alcance y profundidad de excavación. Se utiliza este tipo de brazo cuando la excavadora se usa generalmente para abrir zanjas profundas o para obtener gran alcance utilizando cucharones de poca capacidad.
Brazo de Largo Alcance.-Es de los más modernos y solamente se emplea para operaciones de dragado y conservación de lechos de los ríos, mismas que tradicionalmente son realizadas por las dragas.
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Brazo Telescópico.-Utilizado para adaptársele el cucharón de almeja, comúnmente utilizado en excavaciones verticales.
Para cada modelo y marca existen diferentes longitudes de brazos, la elección adecuada depende de los siguientes factores; tales como la fuerza de corte necesaria, la capacidad de levantamiento, el tamaño del cucharón y tipo de material.
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El aditamento principal de esta máquina es el Cucharón Retroexcavador, acondicionado con tres o más dientes y orejetas para tener mayor capacidad de corte. Los hay de diferentes tipos y capacidades, mismos que están en función del tamaño de la excavadora, entre los que podemos encontrar: a) Cucharón Estándar.-Para todo tipo de uso b) Cucharón Trapezoidal.-Para excavaciones en canales c) Cucharón de Aplicación Especial.-Esta diseñado para cargar rocas y otros materiales duros d) Cucharón para Zanjeo Pesado.-Para retener bien la carga y facilitar la excavación donde hay poco espacio. En la actualidad los fabricantes ofrecen diferentes tipos de aditamentos que se les pueden adaptar a este tipo de máquina, para que pueda realizar un sinnúmero de trabajos, no solamente relacionados con la construcción, sino que puede ser empleados en diferentes áreas productivas, tales como; la industria forestal, del acero y varias más.
CLASIFICACION.- De acuerdo al tipo de locomoción se dividen en: a).-Excavadoras sobre Orugas b).-Excavadoras sobre Llantas
Excavadoras Sobre Orugas.-Este tipo de máquinas se utilizan para trabajos donde la superficie es de material suelto en donde se requiere un buen apoyo que solo las orugas pueden proporcionar, aunque tienen menor movilidad que las de llantas, esto no representa una desventaja ya que la mayoría de los trabajos que realizan no requieren trasladarse continuamente. Este mecanismo a base de carriles tiene la ventaja de distribuir mejor el peso de la máquina, lo que representa mejor estabilidad y por lo tal se construyen de capacidad y tamaño mucho mayores que las de neumáticos. Excavadoras sobre Llantas.-Son menos comunes que las de Orugas, pero tienen una característica muy importante, que es la que se pueden trasladar de un lugar a otro por si mismas, sin que afecte su medio de locomoción. Debido a la falta de estabilidad que los neumáticos no le proporcionan cuando están excavando, tiene que hacer uso de estabilizadores mecánicos, mismos que les restan facilidad de movimiento, a cambio de ello este tipo de máquina puede trabajar en superficies de pavimentos sin afectarlos, lo que no sucede con la de orugas, que si daña las superficies donde se apoya. TRABAJOS QUE REALIZAN a.-Zanjas para alojar tuberías b.-Excavación de canales c.-Excavación de cimentaciones d.-Colocación de tubería e.-Excavación de cunetas y drenes f.-Dragado y limpieza de canales
g.-Carga de material a vehículos h.-Demoliciones en general i.-Levantar y hacer maniobras con grandes pesos j.-Talar y acarrear árboles h.-Separar y acarrear chatarra l.-Trabajo en canteras ( rompiendo roca) 91
CARACTERISTICAS QUE SE DEBEN DE TOMAR EN CUENTA PARA LA SELECCION DE UNA EXCAVADORA 1.-Volúmenes de obra a.-Grandes b.-Regulares c.-Pequeños
4.-Tipo de superficie y movilidad a.-Sobre orugas b.-Sobre neumáticos
2.-Tipo de materiales a.-Duros b.-Suaves
5.-Diversos a.-Condiciones de la obra b.-Altura máxima de descarga c.-Facilidad de adquisición de la máquina.
3.-Profundidad del corte a.-Muy profundo b.-Poco profundo
PRODUCCIÓN DE LAS EXCAVADORAS Existen varios métodos para conocer la producción de una excavadora entre los que se indican los siguientes: 1.-Por observación directa. 2.-Por medio de gráficas (elaboradas por el fabricante) y fórmulas. 3.-Por medio de fórmulas. 4.-Por medio de nomogramas. Entre los métodos antes señalados, el más utilizado es el de Gráficas y Fórmulas, que se basa en la fórmula general para conocer la Producción Real Horaria de una excavadora, y está integrada de la siguiente.
P= Pt x Fa x E De donde: P = Producción Real Horaria (M3/Hr) Pt= Producción teórica (sale de las gráficas en M3/Hr) Fa= Factor de llenado E = Factor de eficiencia El ciclo de excavación de una excavadora comprende cuatro fases que son: 1.-Corte y carga del material (llenado del bote) 2.-Elevación y giro de la máquina cargada. 3.-Descarga del material. 4.-Giro de la máquina vacía al sitio de origen. Por consiguiente, el tiempo del ciclo dependerá de las condiciones y características de la excavadora, así como también de las condiciones generales del trabajo. Es por eso que en 92
condiciones óptimas, las excavadoras tendrán mayor rendimiento y a medida que las mismas empiezan a ser adversas, el rendimiento tiende a disminuir. Los fabricantes de excavadoras en base a lo anterior han realizado pruebas de campo en diferentes tipos de condiciones y con los resultados obtenidos elaboraron el siguiente cuadro, que muestra los tiempos del ciclo total que pueden esperarse en relación con las condiciones de trabajo de la obra. Se hace hincapié que debido a la gran cantidad de variables que afectan el tiempo de ciclo, no es fácil determinarlo, más sin embargo, con este cuadro se intenta dar los rangos de tiempo de los ciclos más frecuentes en estas máquinas, ya que se consideraron condiciones diferentes en cada caso, pero sin olvidar que lo más real es aquello que cada uno obtiene a través de las propias experiencias.
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CONDICIONES DE TRABAJO PARA CALCULAR EL TIEMPO DEL CICLO TOTAL
1a. Condición "A" -Excavación fácil (tierra suelta, arena, grava, limpieza de zanjas). -Excavación no no mayor del 40% de la profundidad profundidad máxima especificada. -Angulo de giro menores de 30º. -Descarga libre sin obstrucciones. -Buen operador. 2a. Condición "B". compactada, arcilla seca y dura, suelos que contienen menos del 25% de roca). -Excavación regular (tierra compactada, -Excavación al 50% de la profundidad máxima por especificación. -Angulo de giro de 60º -Espacio grande de descarga y pocos obstáculos. 3a. Condición C" -Excavación media dura (Suelos (Suelos bien empacados, contienen contienen más del 50% de roca suelta suelta). ). -Excavación al 70% de la profundidad máxima especificada. -Angulo de giro de 90º y carga a camiones. 4a.Condición “D” -Difícil de excavar excavar (rocas de poca dureza, suelos duros duros con más del 70% de roca) -Excavación al 90% de la profundidad máxima especificada. -Angulo de giro de 120º -Espacio pequeño de descarga. -Trabajando sobre la tubería y personal. 5a. Condición "E" -Excavación muy dura (rocas areniscas, suelos bien cementados, esquistos arcillosos). -Profundidad -Profundidad de excavación igual a la especificada. -Angulo de giro mayor de 120º. -Descarga un sitio reducido, utilizando todo el alcance de la pluma. -Trabajando entre gente, construcciones y obstáculos.
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En la siguiente tabla se indican los tiempos promedios de un ciclo para diferentes tipos de excavadoras, los cuales son resultado de las pruebas realizadas por los fabricantes de excavadoras, en condiciones de trabajo normales y empleando un operador bueno. Se proporcionan estos datos, con el fin de tomarlos como referencia, aplicando los factores de corrección necesarios para cada trabajo especifico en base a la experiencia adquirida. Tabla 14.- PARA CALCULAR EL TIEMPO PROMEDIO DE UN CICLO
MODELO DE LA EXCAVADORA 85 Hp 135 Hp 195 Hp 250 Hp Tamaño del cucharón 0.76 M3 1.13 M3 1.63 M3 2.08 M3 1.00 Yd3 1.38 Yd3 2.12 Yd3 2.75 Yd3 Tipo de material Arcilla dura Arcilla dura Arcilla dura Arcilla dura
385 Hp 2.65 M3 3.50 Yd3 Arcilla dura
Profundidad del corte (Excavación) 2.0 m. Ángulo de giro 60 - 90 1) Carga del cucharón 2) Giro cargada 3) Descarga del cucharón 4) Giro descargada Tiempo total
3.0 m. 60 - 90
4.0 m. 60 - 90
4.0 m. 60 - 90
5.2 m. 60 - 90
5.5 seg. 4.5 seg. 1.5 seg.
6.0 seg. 5.0 seg. 2.0 seg.
6.5 seg. 7.0 seg. 2.5 seg.
6.6 seg. 6.0 seg. 2.5 seg.
7.2 seg. 7.2 seg. 3.0 seg.
3.5 seg. 15.0 seg. 0.25 min.
4.0 seg. 17.0 seg. 0.28 min.
5.0 seg. 21.0 seg. 0.35 min.
4.8 seg. 19.9 seg. 0.33 min.
6.0 seg. 23.4 seg. 0.38 min.
CAPACIDAD DEL CUCHARÓN.- Las excavadoras vienen equipadas con cucharones, cuya capacidad nominal está definida en sus especificaciones. Sin embargo ésta capacidad se ve afectada por un concepto denominado "FACTOR DE LLENADO DEL CUCHARÓN". El cual depende del tipo de material excavado, y cuyos valores son los siguientes: TIPO DE MATERIAL CUCHARÓN 1.-Arcilla húmeda o material arcillo-arenoso 2.-Arena y grava 3.-Arcilla dura y empacada 4.-Roca bien tronada 5.-Roca mediana tronada
FACTOR DE LLENADO DEL ( % de la capacidad colmado) 100 95 80 60 40
Los fabricantes de excavadores han realizado tablas que proporcionan los volúmenes de producción, a partir del tiempo del ciclo y la capacidad del cucharón, al cual se le denomina "Producción Teórica",la cual a continuación se indica.
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EXCAVADORAS PRODUCCIÓN EN M3/HORA DE 60 MINUTOS EFECTIVOS TIEMPO DEL CICLO
CAPACIDAD DEL CUCHARÓN M3 SUELTOS
CLS Por
SEG. MIN. 0.20 0.30 0.50 0.70 0.90 1.10 1.30 1.50 1.70 1.90 2.10 2.30 2.50 2.70 2.90 3.10 3.30 3.50 MIN 10.0 0.17 6.0 11.0 0.18 5.5 12.0 0.20 60 90 150 210 270 5.0 13.3 0.22 54 81 135 189 243 297 297 351 405 405 459 459 513 513 567 567 621 621 675 729 783 837 891 945 4.5 15.0 0.25 48 72 120 168 216 264 264 312 360 360 408 408 456 456 504 504 552 552 600 648 696 744 792 840 840 4.0 17.1 0.29 42 63 105 147 189 231 231 273 315 315 357 357 399 399 441 441 483 483 525 567 609 651 693 735 735 3.5 20.0 0.33 36 54 90 126 162 198 234 270 306 342 378 414 450 486 522 558 544 630 3.0 24.0 0.40 30 45 75 105 135 165 195 225 255 285 315 345 375 405 435 465 495 525 2.5 30.0 0.50 24 36 60 84 108 132 156 180 204 228 252 276 300 324 348 372 396 420 2.0 35.0 0.58 20 31 51 71 92 112 133 153 173 194 214 235 255 275 296 316 337 357 1.7 40.0 0.67 81 99 117 135 153 171 189 207 225 243 261 279 297 315 1.5 45.0 0.75 133 148 164 179 195 211 226 242 257 273 1.3 50.0 0.83 1.2 CLS. POR MIN.= Ciclos por minuto Ejemplo. - Calcular la producción de un excavadora cat.235 de 250 HP, equipada con un
cucharón de 2.08 M3(2.75 Yd3), en la excavación de un canal cuyo material es limo-arcilloso, a 3.5 m. de profundidad, depositará el material de la excavación, hasta donde alcance con un ángulo de giro de 135°. Se tiene una eficiencia de 50 min / Hr, y el coeficiente de abundamiento del material es del 30%.
Solución: 1.-Conocer el tiempo del ciclo. Se saca de la carta (corresponden las características, al caso no,4). a) % de profundidad 3.5/4= 88% b) Ángulo de giro = 135° 96
Tiempo del ciclo = 40 seg. 2.-Conocer la producción teórica de la excavadora. Se saca de la tabla, con los siguientes datos; a) Capacidad del cucharón = 2.08 M3 b) Tiempo del ciclo = 40 seg. Producción Teórica = 189 M3/Hr (sueltos) 3.-Producción Real Horaria = Pt x Fa x E CA E = 50 min / Hr = 83% 60 min / Hr Fa = Material limo-arcilloso = 80% Sustituyendo valores tenemos: Pr = 189 x 0.80 x 0.83 = 96.5 M3/Hr. compactos 1.30
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CAPITULO 5 MOTOESCREPAS (WHEEL TRACTORSCRAPERS)
98
MOTOESCEREPAS. Son máquinas que vienen montadas sobre cuatro grandes neumáticos, diseñadas para mover grandes volúmenes de material y depositarlos a distancias alejadas de la obra. Están formadas por una caja metálica rectangular que en su parte inferior tiene adaptada una cuchilla cortadora ó dientes, y en la parte frontal tienen una placa deslizante graduable con la que se controla el espesor del corte, en su interior está equipada con una placa eyectora para extraer en forma gradual el material excavado, todo esto operado por un sistema hidráulico. La caja va unida al tractor por medio de una estructura articulada en forma de cuello de ganso. En la búsqueda por desarrollar una máquina que realice un sinnúmero de actividades dentro de una misma obra, a llevado a los fabricantes de maquinaría a diseñar equipos cada vez más completos, incorporando las más recientes innovaciones tecnológicas de la ingeniería mecánica, logrando con esto aumentar en forma muy significativa la productividad de estos equipos, y por consiguiente la disminución de los costos de producción. La Motoescrepa es el resultado de estos esfuerzos, ya que con su creación, los fabricantes lograron llenar un hueco que existía en los trabajos de movimiento de tierras, ya que conjuga innovaciones especiales en una sola máquina que le permiten realizar en una sola actividad; excavar, cargar, acarrear, acomodar y compactar un suelo, en grandes volúmenes, y tiempos relativamente cortos. En el pasado para realizar estas actividades se requería de la participación de varias máquinas, en la actualidad lo realiza la motoescrepa. Es muy importante saber que las motoescrepas también tienen restricciones, con el fin de tomarlas en cuenta para su óptima utilización, algunas de las cuales son las siguientes: 1.-No es recomendable su utilización en obras de poco volumen por ejecutar. 2.-Su utilización solo es recomendable en suelos suaves ó cohesivos. 3.-No es recomendable su uso a suelos duros ó granulares (donde predominan piedras > 2") 4.-No es recomendable su utilización en suelos muy húmedos ó con presencia de agua. Descripción.-Estas máquinas son de tamaño y peso bastante grandes, cuya capacidad de la caja varia de 8 a 40 M3, y alcanzan velocidades de operación del orden de los 60 Km/Hr. Existen diferentes marcas, que ofrecen éste equipo en diferentes modelos y capacidades, entre las que encontramos; CATERPILLAR, TEREX ,JHON DEERE. Etc. Una de las características que las hacen diferentes a otras máquinas, en el aspecto mecánico, es que algunos modelos cuentan con dos motores diesel, que están perfectamente sincronizados para aportar la potencia requerida, debido a su peso bruto "Wt"( W. de la máquina + W, del material),la ubicación de los motores en la máquina, es de la siguiente manera, el principal va colocado en el tractor, que es la parte delantera de la motoescrepa, y el otro se localiza en la parte trasera, atrás de la caja. Todo el sistema de elevación y compuertas es Hidráulico, controlado por medio de palancas que se localizan en la cabina del operador. Para facilitar el manejo de estas máquinas, viene equipadas con dirección hidráulica, lo que representa una operación cómoda. Cuenta además con un sistema de frenos de accionamiento hidráulico, lo que proporciona un frenado con seguridad, necesario para el tamaño de la motoescrepa, y la velocidad que desarrolla. 99
utilizan las motoescrepas, son de gran tamaño y de base ancha, Las Llantas que utilizan características importantes para soportar grandes pesos y lograr la flotación y estabilidad necesaria, además vienen fabricadas con un dibujo ó huella especial, que les permite tener la adherencia requerida para los diferentes tipos de superficie en que transitan. Las llantas juegan un papel muy importante en el funcionamiento de estas máquinas, ya que en muchos de los casos tienen que trabajar en superficies bastante inclinadas, llegando a tener hasta 35 de inclinación, por lo que se requiere tener excelente adherencia y estabilidad, sin olvidar la potencia necesaria para tales situaciones.
RIMPULL.-Es la fuerza disponible entre la llanta y la resistencia del suelo en Kg.,Lbs.(limitado por la tracción). CLASIFICACION: En función del mecanismo de corte y elevación se dividen en: 1.-Motoescrepas Autocargables (Elevating) 2.-Motoescrepas de Carga Normal a).-De Empujón (Push) b).-De Jalar-Empujar (Push-Pull). Motoescrepas Autocargables.- Son las que cuentan con un sistema de elevador reversible a base de tablillas metálicas, de velocidad hidrostática variable. Con este mecanismo no necesitan la ayuda de otra máquina para realizar su trabajo. Su campo de acción se limita a suelos de poca dureza y en especial a trabajos de nivelación de terrenos agrícolas. Figura 17.- Motoescrepas Autocargables.
100
Motoescrepas de Empujón (Push).-Requieren el auxilio de un tractor, que les ayude a empujarlas, con el fin de suministrar la potencia necesaria para poder realizar el trabajo de cortar y llenar la caja con el material excavado, ya que solo tienen un motor. Figura 18.- Motoescrepas de Empuje.
Motoescrepas de Empujar-Jalar (Push-Pull).-Estas requieren la ayuda de otra motoescrepa para poder llevar a cabo el trabajo de cortar y elevar el material a su caja, cuando esté presenta pre senta cierta resistencia al ser extraído, no obstante de contar esta máquina con dos motores. Figura 19.- Motoescrepa de Empujar - Jalar
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RENDIMIENTO O PRODUCCION de una motoescrepa, al igual que cualquier máquina se puede conocer por medio de diferentes difer entes métodos. Para este caso analizaremos el método más común, que es el de FORMULAS Y GRAFICAS, el cual se basa en la siguiente fórmula general: R = V x No. x E Fa. R = Rendimiento de la motoescrepa en M3/Hr.(compactos) V = Capacidad de la máquina colmada colmada en M3 No.= Número de ciclos por hora E = Factor de eficiencia eficiencia en % del tiempo efectivo Fa.= Factor de abundamiento TIEMPO DEL CICLO (Factores que influyen) Carga
a).-Tipo de material b).-Maniobras c).-Aceleración d).-Tractor empujador
Tiempos Fijos Descarga
a).-Tipo de material b).-Maniobras c).-Longitud de descarga d).-Tipo de superficie e).-Aceleración a).-Longitud de acarreo
Tiempos Variables b).-Tipo de superficie
TIEMPOS FIJOS PROMEDIO 1.- 1.0 Min. Muy Bueno 2.- 1.3 Min. Bueno 3.- 2.4 Min. Desfavorable RESISTENCIA AL MOVIMIENTO 1.-Por Penetración de la llanta 15 Kg./Ton. de máquina, y por cada 2.5 Cm. de penetración.
Resistencia al Rodamiento RESISTENCIA TOTAL Resistencia por Pendiente
2.-Deformación de la llanta. Fricciones internas de la máquina. Fricciones externas por el aire . 20 Kg./ Ton. de máquina. 3.-10 Kg./Ton. de máquina y por cada 1% de pendiente. 102
Ejemplo.- Sacar el rendimiento de una motoescrepa Cat.631E Serie II, cuya capacidad colmada es de 23.7 M3,excavando un suelo limo-arenoso cuyo peso especifico en banco es de 1,750 Kg./M3,y tiene un factor de abundamiento de 1.25.El material lo depositará en un banco de desperdicio alejado a una distancia promedio de 860 m. de los cuales 220 m. es terreno llano,480 m tienen una pendiente desfavorable del 4% y el resto tiene una pendiente favorable del 2%,la organización de la obra es excelente y las condiciones del sitio del trabajo son buenas, el camino esta sin revestir. Solución: 1.-Sacar el peso del material suelto W. Material suelto = 1750 Kg./M3 =1400 Kg / M3 1.25 2.-Peso total de la Motoescrepa = W. máquina + W. del material W. total =45,980 Kg. + (1400 Kg / M3 x23.7 M3 ) Wt = 79,160 Kg. =79.16 Ton. 3.-Resistencia al rodamiento. a).-Camino sin revestir = 7.5 cms. incrustación de llanta 7.5 / 2.5= 3 b).-R.R.= 15 Kg./Ton. x 3 = 45 Kg./Ton. c).-Deformación de llanta = 20 Kg./Ton. Resistencia al Rodamiento = 65 Kg./Ton. 4.-Resistencia a la pendiente. De Ida
a).-220 M. Pendiente 0%.......Rp =10 kg./ton. x 0 = 0 Kg./Ton. b).-480 M. Pendiente +4%........Rp =10 Kg./Ton. x 4 = 40 Kg./Ton. c).-160 M. Pendiente -2%........Rp =10 Kg./Ton. x 2 =-20 Kg./Ton. D e r egreso egreso
a).-160 M. Pendiente +2%.......Rp =10 Kg./Ton. x 2 = 20 Kg./Ton. b).-480 M. Pendiente -4%.......Rp =10 Kg./Ton. x 4 =-40 Kg./Ton. c).-220 M. Pendiente 0%.......Rp =10 Kg./Ton. x 0 = 0 Kg./Ton. 5.-Sacar el Rimpull o Resistencia a la tracción Res.al Rod. Res.a la Pend. R.Total Wt.Máquina Rimpull Pendiente Kg ./Ton. Kg ./Ton. Kg ./Ton. Ton. Ton. % De Ida (cargado)
220 M. 480 M 160 M.
65 65 65
00 40 -20
65 105 45
79.16 79.16 79.16
5.15 8.31 3.56
6.5 10.5 4.5
20 -40 00
85 25 65
45.98 45.98 45.98
3.91 1.15 2.99
8.5 2.5 6.5
De Regreso (vacía)
160 M 480 M. 220 M.
65 65 65
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6.-Revisar el coeficiente de tracción contra el terreno para las condiciones más desfavorables a).-Coeficiente de tracción para camino sin revestir = 0.45 b).-Peso de la máquina cargada en las ruedas r uedas motrices = 63% W. cargada = 0.63 x 79.16 Ton. x 0.45 = 22.44 Ton. (22.44 > 8.31 ok.) c).-Peso de la máquina vacía en las ruedas motrices. Vacía = 0.63 x 45.98 Ton. x 0.45 = 13.03 Ton. (13.03 > 3.91 Ok.) 7.-Velocidades de desplazamiento (salen a través de gráficas). Con los siguientes datos se entra a las graficas.
Cargada
Vacía
Distancia W,Total de pendiente Vel.Máxima Vel.Promedio M. la Motoescrepa Total (2/3 V.Max.) 220 79.16 Ton. 6.5% 5a. 20.0 Km/Hr 13.3 Km/Hr. 480 79.16 Ton. 10.5% 4a. 16.8 Km/Hr 11.2 Km/Hr. 160 79.16 Ton. 4.5% 6a. 27.2 Km/Hr 18.1 Km/Hr. 160 480 220
45.98 Ton. 45.98 Ton. 45.98 Ton.
8.5% 2.5% 6.5%
6a. 25.9 Km/Hr 8a. 53.1 Km/Hr 7a. 34.4 Km/Hr
17.3 Km/Hr. 35.4 Km/Hr. 22.9 Km/Hr.
8.-Conocer el tiempo empleado en los acarreos. Distancia M. 220 Cargada 480 160 Vacía
160 480 220
Velocidad Km/Hr M/Min 13.3 222 11.2 187 18.1 302 17.3 35.4 22.9
Tiempo Min. 0.99 2.57 0.53
288 0.56 590 0.81 382 0.58 Tiempo Total de Acarreos 6.04 Minutos
9.-Tiempo del ciclo = Tiempo del ciclo básico + Tiempo de acarreos a).-Tiempo del ciclo básico = 1.3 Min. b).-Tiempo de acarreos = 6.04 Min. Tiempo Total del ciclo = 7.34 Min. 10.-Número de ciclos por Hora No.= 60 Min /Hr. = 8 Ciclos /Hr. 7.34 min /ciclo 11.-Rendimiento ó Producción a).-Factor de Eficiencia = 0.78 R= 23.7 M3 x 8 C/Hr. x 0.78 = 118.3 M3 (Compactos) 1.25 104
CAPITULO 6 DRAGAS DE ARRASTRE
DRAGAS DE ARRASTRE 105
Definición.-Son máquinas, formadas por un chasis giratorio con cabina, Grúas de Pluma .- Definición.-Son sobre un marco metálico donde está alojado el motor diesel y los controles de mando del equipo, cuenta además con una pluma tipo Torre articulada al chasis, a la cual se le pueden adaptar diferentes tipos de aditamentos. Entre los diferentes Tipos de aditamentos tenemos; Cucharón de Arrastre, Cucharón de Almaja, Pinzas, Ganchos, Martinetes Hincapilotes, Electroimanes, Perforadoras, etc. En base al tipo de aditamento que se le acondicione para excavar, las grúas de pluma reciben el nombre de: 1.-Dragas de Arrastre.-Equipadas con un Bote de Arrastre. 2.-Grúa ó Excavadoras de Almeja.-Equipadas con un cucharón de almeja (para excavaciones verticales y longitud variable). 3.-Grúa-Excavadora p/ Pilas o Pilotes.-Equipada con una perforadora rotaria ó de cualquier tipo.
Dragas de Arrastre.-Son máquinas excavadoras que vienen equipadas con un bote o cucharón de arrastre, que consiste en un balde metálico que funciona como cucharón excavador, por medio de cables que lo controlan, arrastrándolo por la superficie a excavar (de ahí le viene el nombre). Antecedentes.-Son máquinas que a través del tiempo, no han sufrido modificaciones tan significativas y en cantidad como otras, ya que su principio básico de manipular a la pluma y cucharón sigue siendo el mismo, el cual se lleva a cabo por medio de un sistema de poleas y cables de acero, cuya fuerza es proporcionada por el motor a través de cilindros metálicos giratorios (cabrestantes). Entre los adelantos que se le han incorporado a estas máquinas podemos enumerar los siguientes: a).- Motores de mayor potencia para levantar pesos más grandes. b).- Materiales más resistentes para la elaboración de las plumas, logrando con ello mayor alcance y optimización de la potencia. c).- Mayor velocidad de giro (4 RPM). Entre las actividades que realizan las dragas, la principal es la de llevar a cabo excavaciones profundas por abajo de su nivel de sustentación, sin tener la necesidad de penetrar en ellas como lo realizan otras máquinas (las excavadoras y palas mecánicas).Pero tiene un inconveniente; ya que su uso se limita a excavar materiales de poca dureza o sueltos, pero tiene la gran ventaja de excavar dentro del agua.
TRABAJOS QUE REALIZAN a) Excavación y limpieza de canales. b) Dragado de ríos, lagunas y esteros. c) Extracción de agregados en ríos. d) Excavación en cortes de gran profundidad. e) Elaboración de bordos de protección. Etc. 106
Existen diferentes tipos de dragas de arrastre en función de su medio de locomoción: 1.-Autopropulsadas a) Montadas sobre orugas b) Montadas sobre Neumáticos 2.-Montadas sobre Camiones. Tabla No.15.- DIMENSIONES PROMEDIO DE LAS DRAGAS DE ARRASTRE(en m.) DIMENSIONES DE LA DRAGA Yd3 M3 (A) Longitud de la pluma (B) Profundidad Máxima de Excavación (C) Longitud del cucharón (D) Radio de descarga del material (E) Altura de Descarga del material (F)Alcance de la Excavación (depende de las condiciones y la Habilidad del operador) op erador)
TAMAÑO DEL CUCHARON ¾ 1.00 11/4 13/4 2.0 21/2 3.00 0.57 0.75 0.94 1.32 1.53 1.87 2.29 10.70 3.70 3.50 9.20 5.20 12.20
12.20 4.90 4.50 10.70 5.20 13.70
12.20 15.30 18.30 21.40 21.40 5.80 7.30 9.20 11.00 11.00 3.60 4.00 4.30 4.50 4.50 11.00 13.70 16.20 19.00 19.00 5.20 7.60 8.60 10.30 10.30 14.00 17.40 20.80 24.30 24.30
Figura 20.- Draga de Arrastre
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Cucharón o Bote de Arrastre.- Definición.- Es un cajón metálico rectangular arqueado y reforzado en la parte delantera, formado por placas de acero, provisto de dientes para excavar en la parte frontal inferior ,así como por cuchillas en los costados, tiene además elementos de fijación en forma de aros para que se puedan fijar las cadenas y cables. Existen tres tipos de cucharones en función de su peso: 1.-Cucharones para servicio ligero. 2.-Cucharones para servicio mediano. 3.-Cucharones para servicio Pesado. Cucharón para Servicio Ligero.-Esta diseñados para excavar en : -Materiales sueltos (secos o húmedos). -Materiales de fácil excavación. Cucharón para Servicio Mediano.-Es utilizado para uso general, el cual se emplea para excavar en: -Arcillas -Arenas y Gravas compactadas. -En cualquier material de grano fino poco compactado. Cucharón para Servicio Pesado.-Vienen reforzados con placas de acero para ser utilizados: -En el manejo de material rocoso. -En materiales muy abrasivos(granulares). Además vienen con la siguiente presentación. a).-Con Ranuras y Orificios.-Para ser utilizados en la extracción de materiales húmedos. b).-Normal, Sin Ranuras.-Para uso general, de preferencia en materiales secos.
Figura 21.- BOTE DE ARRASTRE
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La Pluma.-Es una estructura reticular abierta tipo torre, formada por varias partes intercambiables, cuyo número esta en función del modelo y capacidad del motor. Es quizás la parte más significativa de este tipo de máquina, ya que es la que proporciona, proporcio na, el alcance tanto vertical como horizontal que es su principal característica. Esta unida al marco de la draga por medio de una articulación, misma que le da libertad de movimiento vertical. Operación.-El cucharón de arrastre es lanzado por medio de la pluma a una distancia y dirección controlada de modo que caiga en la posición de excavación elegida, la cual se logra por medio del cable de arrastre y habilidad, ya que gira libremente de manera que el operador se basa tanto en el diseño del mismo ,como por su experiencia, para atacar de tal manera que siempre obtenga cargas completas en cada uno de sus lances. El bote siempre cae de punta debido a su forma y distribución de su peso, ya en el fondo de la excavación es arrastrado y jalado por el cable de arrastre hasta la base de la máquina. El llenado del cucharón se logra log ra por la acción de incrustación debido al peso del mismo, ayudado por la acción de los dientes con los que cuenta para tal fin, es por este motivo, que al ir excavando el material se va colocando en el interior del mismo, ya lleno el cucharón con los cables se eleva y con el giro de la pluma se coloca en el sitio donde se descarga el material. Otras características; 1.-Las dragas pueden girar 360 en ambas direcciones, lo que les da una gran versatilidad de movimiento. 2.-La pluma de la draga tiene también libertad de movimiento con respecto al plano horizontal, ya que puede formar ángulos desde 0-90,siendo los ángulos óptimos para lograr su máxima potencia de 25 a 40 . PRODUCCION DE LAS DRAGAS DE ARRASTRE Existen diferentes formas para calcular el rendimiento o producción de una draga, entre las que indicaremos a continuación: a) Por medio de Gráficas y Tablas proporcionadas por el fabricante. b) Por medio de Fórmulas c) Por Observación Directa, Cuando no se cuenta con datos confiables o con experiencia propia para llevar a cabo el análisis de los rendimiento de una draga, empleamos el método proporcionado por los fabricantes, el cual se basa en la siguiente fórmula:
PR= PT x K x C CA
De donde: PR = Producción Real (M3/Hr.) PT = Producción Teórica (Obtenida del cuadro de producción) K = Factor de llenado del cucharón C = Factor de Corrección por Profundidad y Giro CA = Coeficiente de Abundamiento.
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Tabla No.15.- VALORES DEL FACTOR DE LLENADO DEL CUCHARON DE ARRASTRE
DE DIFERENTES TIPOS DE MATERIAL TIPO DE MATERIAL 1.-Arena y Grava 2.-Tierra Común 3.-Arcilla Dura 4.-Arcilla Húmeda 5.-Roca bien Tronada 6.-Roca mal Tronada
VALORES DEL FACTOR DE LLENADO 1.00 0.90 0.75 0.75 0.75 0.50
Tabla No.16.- TABLA DE PRODUCCION MAXIMA TEORICA PROPORCIONADA POR LOS FABRICANTES DE DRAGAS EN M3/HR (SUELTOS) DIMENSIONES DE LA DRAGA
CAPACIDAD DEL CUCHARON
Yd3 ¾ 1.00 11/4 13/4 13/4 2.0 21/2 M3 0.57 0.75 0.94 1.32 1.32 1.53 1.87 -Marga Húmeda o 99 122 149 168 16 8 187 203 233 Arcilla Arenosa -Grava y Arena 96 119 141 161 180 195 226 -Tierra Común 80 103 126 145 161 176 203 -Arcilla Dura 69 84 103 122 138 149 176 -Arcilla Húmeda 42 57 73 84 99 111 134 y Pegajosa Fuente; Asociación de Fabricantes de Palas y Dragas Motorizadas(USA)
3.00 3,1/4 4.00 4,1/2 5.00 6.00 2.29 2.44 3.06 3.37 3.82 4.59 268 298 356 786 413 466 260 233 206 161
291 260 233 183
348 287 260 206
378 313 287 229
405 340 313 252
450 390 363 295
Tabla No.17 TABLA DE PROFUNDIDAS OPTIMAS DE CORTE ( EN METROS )
TIPO DE MATERIAL
CAPACIDAD DEL CUCHARON DE ARRASTRE 11/4 11/2 13/4 2.0 21/2 3.0 Yd3 3/4 1.0 M3 0.57 0.75 0.94 1.13 1.32 1.53 1.87 2.29 1.80 2.00 2.10 2.20 2.30 2.40 2.55 2.70 Marga Húmeda o Arcilla Pegajosa 1.80 2.00 2.10 2.20 2.30 2.40 2.55 2.70 Grava y Arena 2.20 2.40 2.55 2.70 2.85 3.00 3.15 3.20 Tierra Común 2.60 2.80 3.00 3.20 3.40 3.55 3.70 4.25 Arcilla Dura 2.60 2.80 3.00 3.20 3.40 3.55 3.70 4.25 Arcilla Húmeda y Pegajosa Datos de la Asociación de Fabricantes de Palas y Dragas Motorizadas de USA.(PACSA)
110
Tabla No.18.- TABLA DE FACTORES DE CORRECCION (K) EN FUNCION DE LA PROFUNDIDAD OPTIMA DE CORTE Y EL ANGULO DE GIRO DE D E LA DRAGA CORTE OPTIMO ANGULO DE GIRO % 30 45 60 75 90 120 150 180 20 1.06 0.99 0.94 0.90 0.87 0.81 0.75 0.70 40 1.17 1.08 1.02 0.97 0.93 0.85 0.78 0.72 60 1.24 1.13 1.06 1.01 0.97 0.88 0.80 0.74 80 1.29 1.17 1.09 1.04 0.99 0.90 0.82 0.76 100 1.32 1.19 1.11 1.05 1.00 0.91 0.83 0.77 120 1.29 1.17 1.09 1.03 0.98 0.90 0.82 0.76 140 1.25 1.14 1.06 1.00 0.96 0.88 0.81 0.75 160 1.20 1.10 1.02 0.97 0.93 0.85 0.79 0.73 180 1.15 1.05 0.98 0.94 0.90 0.82 0.76 0.71 200 1.10 1.00 0.94 0.90 0.87 0.79 0.73 0.69 Datos de la PCSA . Tabla No.19.-TIEMPO DE CICLO DE LAS DRAGAS DE ARRASTRE PARA PROFUNDIDAD OPTIMA DE CORTE Y GIRO DE 90 ( SEGUNDOS )
DIFICULTAD DE EXCAVACION 1.-Excavación Fácil 2.-Arena o Grava 3.-Tierra Común 4.-Arcilla Dura
Yd3 M3
TAMAÑO DEL CUCHARON 3/4 1.0 1 1/2 13/4 2.0 21/2 0.57 0.75 1.13 1.32 1.53 1.87 20 22 25 26 27 29 22 24 27 28 29 31 26 28 30 31 32 34 30 32 34 36 37 39
3.0 2.29 32 34 37 42
Nota: Estos tiempos fueron calculados en operación continua, sin interrupciones
Otro Método para conocer el rendimiento de una draga, es a través de fórmulas, las cuales se basan en el volumen o capacidad de cucharón de arrastre, multiplicado por los ciclos que realiza la máquina en una hora, cuyo resultado se afecta por un factor de Eficiencia, que depende, de las condiciones del sitio de trabajo, así como de la organización de la obra y la utilización de la máquina, el ángulo de giro y profundidad de la excavación, entre otras. Las fórmulas a utilizar son las siguientes: 1. Producción ó Rendimiento P =Vr x N x E............(M3/Hr)
Ca 2. Capacidad del Cucharón
Vr = Vn x K ..................(M3) ..................(M3) 3. Tiempo del Ciclo
Tc= ( To x Cg) + Tm.....(Min) 111
4. No. de ciclos/Hr.
N= 60 Min/Hr TC
De donde : E.-Factor de Eficiencia (%) Ca.-Coeficiente de Abundamiento Vn.-Capacidad Nominal del Cucharón (M3 sueltos) Cg.-Factor de la profundidad de excavación y giro de descarga.
FACTORES DE CORRECCION POR GIRO > 90 (Considerando V= 4 RPM.) ANGULO 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180
VALOR Cg 0.00 1.02 1.05 1.07 1.10 1.12 1.15 1.17 1.20 1.22
TIPOS DE DRAGAS Y SUS CARACTERISTICAS PRINCIPALES Marca y Modelo Tipo Capacidad Longitud de la Tamaño del pluma cucharon LINK-BELT LS78 S/Orugas 30 Ton. 3/4-1,1/4 12 Mts. LINK-BELT LS108B S/Orugas 45 Ton. LINK-BELT LS118 S/Orugas 60 Ton. 30 Mts. 1,1/2-2.1/2 LINK-BELT LS128DLC S/Orugas 60 Ton. 30 Mts. 1,1/2-2,1/2 LINK-BELT LS318 S/Orugas 70 Ton. 30 Mts. 1,1/2-3 BUCYRUS ERIE51 S/Orugas 60 Ton. 30 Mts. 1,1/2-2.1/2 BUCYRUS ERIE25 S/Orugas 30 Ton. 12 Mts. 3/4-1,1/4 KOEHRING 305 S/Orugas 30 Ton. 12 Mts. 3/4-1,1/4 KOEHRING 700 S/Orugas 70 Ton. 30 Mts. 1,1/2-2,1/2 AMERICAN 999C S/Orugas 110 Ton. AMERICAN 9260 S/Orugas 125 Ton. AMERICAN 5460 S/Camión 55 Ton. AMERICAN 7450 S/Camión 80 Ton.
112
Ejemplo: Se desea conocer la producción de una Draga de Arrastre de 1.32 M3 (1,3/4 Yd3),extrayendo material suelto, de un tajo cuya profundidad es de 5.50 Mts. promedio, y lo depositará hasta donde su alcance lo permita, con un giro de 120 .El material es de diferentes tamaños(tierra común) y se encuentra en montones apilados con tractor, cuyo coeficiente de abundamiento es del 30%.Se trabaja además con un factor de Eficiencia del 75%. Se sacará el rendimiento por medio de datos proporcionado por el fabricante. Solución: 1.-Sacar la Producción Máxima Teórica.............(de la tabla No.14) Tipo de Material......... .....Tierra Común Producción Máx. Teórica........Pt= 180 M3/Hr. 2.-Factor de Llenado del Bote....K=0.90...........(de la tabla No.13) 3.-Conocer la profundidad óptima Po=2.85 Mts......(de la tabla No.15) 4.-Sacar el Porcentaje de la profundidad óptima. Porcentaje (%) = 5.50 Mts = 1.93 = 193% 2.85 Mts 5.-Sacar el Factor de Corrección por Profundidad y Giro. De la tabla No.16 tenemos; Para el 180% C=0.82 " " 200% C=0.79.....(con estos dos valores sacamos el de 193%) Con el 193% y 120 se obtiene......C=0.80 6.-Producción Real. Pr= Pt x K x C x E = 180 x 0.90 x 0.80 x 0.75 = 74.77 M3/Hr. Ca. 1.30
Pr= 74.77 M3/Hr. Compactos Ejemplo: Se Ejemplo: Se desea conocer la producción horaria de una Draga de Arrastre de 1.13 M3 (1,1/2 Yd3),realizando trabajo de dragado en una Marina, cuyo material excavado es marga humedad, y la profundidad de excavación es de 4.80 Mts, el cual lo depositará, hasta donde su alcance lo permita, con un giro de 180 .Se tiene una eficiencia del 70% (42 Min/Hr). Se utilizará el método por medio de fórmulas.
Solución: 113
1.-Conocer la capacidad real del cucharón.....Vr= Vn x K El factor de llenado es; Marga Húmeda............K= 0.75 Sustituyendo los valores tenemos; Vr = 1.13 M3 x 0.75 = 0.85 M3 2.-Conocer el tiempo del ciclo.........................Tc = (To x Cg) + Tm To= Tiempo del ciclo Básico = 34 Seg........(de la tabla No.17) Factor de Corrección por giro Cg=1.22...... (de la tabla No.18) Tiempo de maniobras (Tm) Se considera 30 seg.por cada movimiento cuyo volumen excavado es de 41.16 M3
Datos de la Draga: a).-Alcance de la Draga = 14 M. b).-Espesor del corte = 2.10 M. c).-Ancho del cucharón = 1.40 M. Volumen = 14.00 x 1.40 x 2.10 = 41.16 M3 No.de ciclos que se requieren para par a excavar No.= 41.16 M3 = 48 ciclos 0.85 M3/ciclo Tiempo de Maniobras Tm = 30 seg = 0.6 Seg. 48 ciclos Sustituyendo valores tenemos; To= (34.00 x 1.22) + 0.6 = 42.08 seg/ciclo = 0.70 Min/ciclo 60 Seg/Min 3.-No. de ciclos / Hr. No.= 60 Min/Hr =86 ciclos/Hr 0.70 Min/ciclo 4.-Producción o Rendimiento P = 0.85M3/ciclo x 86 ciclos/Hr x 0.70 = 51.17 M3/Hr
114
CAPITULO 7
ANÁLISIS DE PRECIOS UNITARIOS
115
Ejemplo.- Sacar el precio unitario del metro cúbico de Préstamo de Banco que incluye los siguientes conceptos: desmonte, despalme, excavación y acarreos del material a una distancia de 40 M. para depositarlo en montones de más de 3.0 M. de altura y carga a camiones de 7.0 M3 de capacidad. La superficie que se explotará tiene las siguientes dimensiones, 400x300x5, el peso del material en banco es de 1840 Kg / M3,las condiciones de trabajo son buenas y la organización de la obra excelente. Se utilizará un tractor de orugas Cat. D8N,con un peso de 36,007 Kg. equipado con una hoja topadora Universal de 4.26 M. de largo y 1.071 M. de altura, cuyo costo horario es: Tractor = $310.93/Hr. Desgarrador = $ 41.72/Hr. Total = $352.65/Hr.
También se utilizará un cargador frontal de orugas Cat. 963 de 2.2 M3 (Yd3),cuyo costo horario es de $247.70. La granulometría del material es uniforme con un tamaño máximo de 1/8". Se pagarán regalías al dueño del terreno a razón de $12,000.00 por hectárea. Solución: 1.- Regalías (Compensación económica al dueño) Pago por Hectárea = $12,000.00 Dimensiones....... 400 x 300 x 5 M. Superficie....... = 120,000 M2 = 12 Ha. volumen.......... = 600,000 M3 (Se tiene un 15% de desperdicio debido a la granulometría del material)
Costo x regalías = 12 Ha. x $12,000.00/ Ha = $0.24/M3 600,000 M3 116
2.-Desmonte (Se utiliza un tractor D8N) Costo Horario = $352.65/Hr. Rendimiento = 0.29 Ha/Hr.........(ejemplo pag. ) Ha.=10,000 M2 x 5 M = 50,000 M3 por lo tanto 0.29 Ha / Hr = 14,500 M3/Hr
Costo = $352.65 /Hr = $0.02/M3 14,500 M3/Hr 3.-Despalme.(Se utiliza el mismo tractor) Espesor del corte = 0.45 M. Rendimiento = 79.4 M3/Hr........(ejemplo pag. ) 1.0 M3 de Despalme = 30,000 x 5 = 11.11 M3 de Material Banco 30,000 x 0.45 $352.65/Hr = $ 4.44 / M3 = $ 0.40/M3 Costo = 79.4 M3/Hr 11.11M3/M3 4.-Corte del material.(Se utiliza el mismo tractor) Coeficiente de Abundamiento =1.35 Con el material cortado se harán montones de más de 3 M. Rendimiento =76.07 M3/Hr...(solución a través de gráficas). a.- Producción Máxima Teórica = 600 M3/Hr (sueltos) De las gráficas del fabricante para D8N y hoja topadora tipo "U" b.-Factores de corrección.....(de corrección.....(d e la tabla No.1) Por operación................... 0.75 (operador normal) Por eficiencia.................. 0.80 Por peso del material........... 0.97 %=1780 Kg/M3 = 0.97 Por tipo de material............ 0.70 1840 Kg/M3 Por pendiente 25%(de gráficas)..0.42 (Subir el material al montón) c.-Producción Real R = 600M3 / Hr x 0.75 x 0.80 x 0.97 x 0.70 x 0.42 R = 102.7 M3/HR (sueltos) R = 102.7 M3/Hr = 76.07 M3/Hr (en banco) 1.35
Costo = $352.65 / Hr x 1.15 = $5.33/M3 76.07 M3 / Hr 5.-Carga del material Cargador Frontal de orugas Cat.963 de 2.2 M3 (2.9 Yd3)
117
a) Capacidad real del cucharón =2.2 x 0.95= 2.09 M3 b) Tiempo del ciclo básico = 25.0 seg. -Tamaño del material(6) = +2.4 seg. -Características del montón = 0.0 seg. -Diversos (Operación continua) = -2.4 seg. Total = 25.0 seg.= 0.42 Min. c) Ciclos / Hora Numero de Ciclos / Hr = 60 Min./Hr =143 0.42 Min. d).-Rendimiento R= 2.09 x 143 x 0.80 = 177.11 M3/Hr (compactos) M3/Hr (compactos) 1.35 Costo = $ 247.70/Hr = $1.40/M3 177.11 M3/Hr Costo Directo = $0.24 + 0.02 + 0.40 + 5.33 + 1.4 =$ 7.39 /M3 Indirectos + Financiamiento + Utilidad 25% =$ 1.85 /M3 Precio Unitario =$ 9.24 /M3
Ejemplo: En la elaboración de un bordo de 800,000 M3 de tierra que servirá para alojar un canal, se desea conocer el número de motoniveladoras necesarias para realizarlo, siendo las condiciones de la obra las siguientes: a) Tipo de material.- limo-arenoso con un peso aproximado de 1,620 Kg / M3, en banco y un abundamiento del 28%. b) El espesor de las capas a tratar es de d e 20 cm. compactos. c) El material que se utilizará se excavará con tractores cuya producción es de 820 M3/Hr, medidos en banco.(Es requisito indispensable nivelar la producción de los 118
tractores con las motoniveladoras en la obra). d) Todos los rangos de producción estarán basados en un coeficiente de utilización de 50 Min. / Hr. e) Las condiciones de trabajo son buenas y la organización de la obra es excelente.
Solución: 1.-Se utilizarán motoniveladoras Cat.12G, cuyas características son las siguientes: -Capacidad de la máquina = 135 HP. Velocidades -Hoja Topadora.......Largo = 3.66 M. 1a. 3.7 Km/Hr Altura = 0.61 M. 2a. 6.0 Km/Hr. 3a. 9.5 Km/Hr. -Se considera un ángulo de trabajo de 60º 60 X ----------eje de la motoniveladora ancho efectivo de la hoja vertedora. X= sen 60° x (3.66 M.) X= 3.17 M.- 0.30 M.(traslape) = 2.87 M 2.-Conocer la velocidad promedio -Descopetar........ 3 pasadas 1a. vel. -Acamellonar....... 3 pasadas 2a. vel. -Incorporar agua... 4 pasadas 2a. vel. -Revolver.......... 6 pasadas 3a. vel. -Extender.......... 4 pasadas 2a. vel. Suma =20 pasadas Vel. media = N . =. 20 . = 6.12 Km/Hr n + n + n 3 + 11 + 6 V1 V2 V3 3.7 6.0 9.5 3.-conocer el área cubierta A = Volumen = 820 =4,100 =4,10 0 M2 Espesor 0.20 4.-Sacar el área cubierta / hora y por pasada de una franja. -Eficiencia = 0.65 (sale de la tabla No. ) 119
Área 6120 x 2.87 x 0.65 = 11,416.86 M2 Como se requieren 20 pasadas por capa tenemos: Área = 11,416.86 M2 =570.84 M2 20 5.-Número de motoniveladoras necesarias
No.= 4,100 M2 = 7.18 = 7.0 Unidades 570.84 M2 Ejemplo. -Se desea conocer el costo por kilómetro de rastreo en caminos vecinales, cuyo
ancho promedio es de 7.00 M.,ya que quedan intransitables después de la temporada de lluvias. Para lo cual se utilizará una motoniveladora Cat.12G.No será necesario hacer rellenos con material de banco, ya que solo se hará compensación con el material existente.
Características de la máquina: a.-Longitud de la Hoja = 3.66 M. Inclinación de la hoja = 60º Ancho de la hoja.... A = 1.83 M. (cos 60º x 3.66 M ) b.-Costo Horario
= $ 253.91/Hr.
c.-Velocidades de Avance 1a. 2a. 3.7Km/Hr 6.0Km/Hr
3a. 9.5Km/Hr
d.- Condiciones de trabajo = Regulares Organización de la Obra = Buena Utilización de la Máquina = 0.75 Proceso Constructivo.
Eficiencia = 0.52
120
Por cada franja será necesario -corte = 3 pasadas 1a.vel. -acarreos del material = 4 pasadas 3a.vel. -compensación y nivelación = 2 pasadas 2a.vel. suma = 9 Pasadas Solución: 1.-Número. de pasadas para cubrir el ancho del camino (se traslapa 0.30 m. por franja). No.=7.00 M./ 1.83 – 0.30M.=4.58 0.30M.=4.58 = 5 Pasadas. 2.-Conocer el tiempo total de operación. (se toma tramo de prueba de 300 M. de longitud) T= ( 3x0.30 + 2x0.30 + 4x0.30 ) 5 Pasadas.= 4.51 Hrs. 0.52x3.7 0.52x6.0 0.52x9.5 3.-Rendimiento R = 4.51 Hr. = 15.05 Hr./km. 0.300km 4.-Costo por Kilómetro. Costo= $253.91/Hr x 15.05 Hr./Km = $3,821.35 / Km
COSTO DIRECTO =$3,821.35/Km Indirectos + Financ.+ Utilidad 25% =$ 955.34/Km Precio Unitario =$4,776.69/Km
Ejemplo.- Sacar el Precio Unitario de la excavación en zanjas para alojar tubería de drenaje en
material tipo II (arcilla húmeda), cuyo ancho es de 1.40 M. y una profundidad promedio de 3.20 M, Incluye afine y traspaleos. Para lo cual se utilizará una retroexcavadora Cat. 446,equipada con un cucharón modelo 760 (30")de 0.212 M3(Yd3).El material producto de la excavación se colocará a un lado de la zanja, con un ángulo de 900,el material tiene un coeficiente de abundamiento de 1.30,además se trabajará con un factor de eficiencia del 75% y los siguientes: datos: -Costo Horario de la Retroexcavadora = $165.28 / Hr -Profundidad Máxima de la máquina = 5.22 M. -Máximo Alcance Horizontal = 7.87 M. -Potencia Neta = 95 HP. -Proceso Constructivo.A cada 5 M. se hará una maniobra de 8 min.(cambio de lugar de ataque). Solución: I.-MANO DE OBRA 1.-Afine del fondo de la zanja y traspaleos del material. 121
1.-Ayudante Gral. Salario diario $68.40/día Rinde = 41.60 M / t = 188.90 M3/t Costo = $68.40/t = $0.36 / M3 188.90 M3/ t II.-MAQUINARIA 2.-Capacidad Real del Cucharón = Capacidad Nominal x Factor de Llenado Coeficiente de Abundamiento C.R.= 0.212 M3 x 1.10 = 0.18 M3 (compactos) 1.30 3.-Volumen en cada cambio. V =5.0 x 1.40 x 3.20 =23.30 M3 4.-Número total de ciclos por tramo No.= 23.30 M3 = 130 Ciclos 0.18 M3/ciclo 5.-Tiempo del ciclo a.-Carga del cucharón = 6.0 seg. b.-Giro cargada = 5.0 seg. c.-Descarga del cucharón = 3.0 seg. d.-Giro descargada = 4.0 seg. suma =18.0 seg. = 0.30 Min. Tiempo empleado = 130 ciclos x 0.30 Min. = 39.00 Min. Tiempo en maniobras = 8.00 Min. Total = 47.00 Min.= 0.78 Hrs. 6.-Rendimiento R = 23.30 M3 x 0.75 = 22.40 M3/Hr. 0.78 7.-Costo por Maquinaría = Costo Horario / Rendimiento
Costo = $165.28/Hr = $ 7.38/M3 22.40 M3/Hr Costo Directo = $0.36 + 7.38= $ 7.74/M3 Indirectos + Financ.+Utilidad 25% = $ 1.94/M3 Precio Unitario = $9.68/M3
122
Ejemplo.- Una empresa constructora quiere saber de 2 máquinas que están a su disposición
para compactar un terraplén de 220,000 220 ,000 M3, el cual servirá para elevar la altura del bordo de un canal, y se elaborará con material fino, cuyo proceso constructivo será a base de capas de 20 y 30 Cms. de espesor respectivamente. El grado de compactación es del 90%. Primera Máquina Compactador de Impacto marca Cat. 815 Costo Horario = $266.85/Hr. Rendimiento = 176 M3/hr. (ver pag. 92). Requiere 9 pasadas.
Segunda Máquina Compactador de Rodillo Liso Vibratorio, marca Cat. CS 573 Costo Horario = $148.60/Hr. Ancho del Rodillo = 2.13 M. Ancho Efectivo =1.83 M. (se traslapa 30 cms) Velocidad de Operación = 4.00 Km /Hr. Espesor de la capa = 30 Cms. La empresa tiene un costo indirecto de $1,350.00 / diarios. Y quiere saber de las alternativas cual es la más económica. Requiere 8 pasadas.
123
Solución: 1a Alternativa.- Utilizando un compactador de Impacto. Costo = $266.85/Hr. = $1.73/M3 154 M3/Hr.
2a.Alternativa.- Utilizando un compactador Vibratorio. Se considera un tramo de prueba de 120.00 x 6.00 x 0.30 = 216 M3 Organización de la obra = Excelente Condiciones del sitio = Excelente Eficiencia = 0.70 Utilización de la máquina = 83% Rendimiento del Compactador. 1.- No. de pasadas = 8 2.- No. de pasadas para cubrir el ancho del terraplén. No.= 6.00/1.83 = 3.28 = 4 Pasadas Total de pasadas = 8 x 4 = 32 Pasadas 3.-Tiempo por pasada. Velocidad =4.0 Km /Hr = 66.7 M./Min. Tiempo de acarreos T= distancia = 120 M. = 1.8 Min. velocidad 66.7 M. / Min Tiempo de maniobras = 0.42 Min. (en dar vuelta =25 seg.) Total = 2.22 Min. Tiempo Total empleado = 32 pasadas x 2.22 Min / pas.= 71 Min.= 1.18 Hrs. 124
4.- Rendimiento R = 216 M3 x 0.70 = 128 M3/Hr 1.18 Hr. 5.-Costo = $148.60/Hr = $1.16/M3 128 M3/Hr
1a.Alternativa. Volumen =220,000 M3 Rendimiento = 154 M3/Hr x 8Hr/día =1232 M3/día x 2t= 2,464 M3/ día Número .de Días = 220,000 M3 = 90 días 2,464 M3/día Total de Indirectos = $1,350/día x 90 días =$121,500 Costo Indirecto = $121,500 $121,5 00 = $0.61/M3 220,000 M3 Costo directo = $1.73 / M3 = $2.34/M3 Costo Total
2a.Alternativa Rendimiento = 128 M3/Hr =1024 M3/t x 2t=2048 M3/día No. de días = 220,000 = 108 días 2,048 Total Indirecto = $1,350/día x 108 días = $145,800 Costo Indirecto = $145,800 = $0.66/M3 220,000 M3 Costo Directo = $1.16/M3 = $1.82/M3.............Esta es la mejor alternativa Costo Total
125
COSTOS HORARIOS
ANEXO CH-1
126
127
128
129
130
131
132
GRÁFICAS
ANEXO G-1
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136
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MAQUINARÍA PARA CONSTRUCCIÓN (movimiento de tierras) Publicada por Editorial UAS, se terminó De imprimir en Octubre de 1996 En los talleres de la Imprenta Universitaria Ignacio Allende y Josefa Ortiz de Domínguez Colonia Gabriel Leyva, 80030, Culiacán Rosales, Sinaloa, Meéxico Tiraje: 1000 ejemplares
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