Lopez Concha Luis Manuel

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICA ZONA POZA RICA-TUXPAN

"ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN UNA PUNTA DE UNA EXCAVADORA

”

TESINA PROFESIONAL PARA ACREDITAR LA MATERIA DE EXPERIENCIA RECEPCIONAL PRESENTAN:

LUIS MANUEL LÓPEZ CONCHA JESÚS MIGUEL HERRERA CRUZ POZA RICA, VER.

2013

ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN UNA PUNTA DE UNA EXCAVADORA

INDICE

INTRODUCCIÓN .........................................................................................3 CAPITULO 1 ................................................................................................ 4 1.1 Justificacion ................................................................................................................. 5 1.2 Naturaleza, sentido y alcance de trabajo ....................................................................... 6 1.3 Enunciación del tema ................................................................................................... 7 1.4 Explicación de la estructura del trabajo ........................................................................ 8

CAPITULO 2 .............................................................................................. 10 2.1 Desarrollo del tema .................................................................................................... 11 2.2 Planteamiento del tema de la investigación ................................................................. 11 2.3 Marco contextual....................................................................................................... 12 2.4 Excavadoras ............................................................................................................... 13 2.4.1 Antecedentes ........................................................................................................... 13 2.4.2 ¿Qué es una excavadora?......................................................................................... 26 2.4.3 Descripción de las partes mecánicas que componen a una excavadora ..................... 28 2.4.4 Materiales usados para la construcción de las puntas de una excavadora .................. 34 2.4.5 Descripción de algunos tipos de excavadoras........................................................... 39 2.5 Caracterización de la punta de una excavadora ........................................................... 51 2.5.1 Análisis de dureza ................................................................................................... 54 2.5.2 Análisis de rugosidad de la superficie de la punta .................................................... 56 2.6 Análisis del desgaste producido en la punta de una excavadora .................................. 58 2.6.1 Estudios previos sobre el desgaste en puntas............................................................ 58 2.6.2 Identificación de mecanismos de desgaste usando Microscopía óptica ..................... 61 2.7 Análisis crítico de los diferentes enfoques .................................................................. 64

CAPITULO 3 .............................................................................................. 65 3.1 Conclusiones .............................................................................................................. 66 3.2 Bibliografía ................................................................................................................ 67

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA

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INTRODUCCIÓN Las excavadoras son máquinas para trabajo pesado utilizadas para cavar trincheras y agujeros. Aunque en la actualidad gracias a la capacidad que han ido adquiriendo con el paso de los años, también puedes ser usadas para otras tareas tales como: el manejo de material, para hacer trabajos de silvicultura, demoliciones, levantamientos y colocación de tubos u otros materiales pesados, taladrar el suelo, romper concreto, montaje de accesorios, etc. Dependiendo del tipo de construcción o del trabajo que se requiera realizar será el tamaño de la excavadora que se utilice, las hay de tamaño pequeño (llamada mini excavadora o excavadora compacta), mediano y grande, el tamaño requerido también dependerá del tipo de terreno sobre el cual se va a trabajar. El trabajo primordial del motor de una excavadora es el manejo de bombas hidráulicas, por lo general son tres, las dos bombas principales sirven para suministrar el aceite y la tercera sirve para el control del operador, siendo esta de más baja presión que las anteriores Los componentes básicos de una excavadora incluyen, el tren de aterrizaje el cual incluye una lamina, pistas, marcos de pistas, tracción final la cual tiene un motor hidráulico y engranado a la tracción de las pistas individuales, la cabina del operador, contrapeso, motor, tanques de aceite hidráulico y combustible. Al igual que las mini excavadoras y retroexcavadoras, mayormente los constructores optan mejor por rentar este tipo de maquinarias, ya que el costo se reduce. Claro que esto dependerá del tiempo que requieran usarla, ya que podría darse el caso de que resulte mejor comprarla. En algunas ocasiones los que deciden hacer la compra, al término del trabajo ponen la máquina a la venta para recuperar al menos parte de lo que gastaron al adquirirla o deciden también rentarla para poco a poco ir recuperando la inversión que hicieron al comprarla.

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CAPITULO 1

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1.1 JUSTIFICACION Este trabajo está relacionado con el desgaste que ocurre en las puntas usadas en una excavadora. El principal motivo para realizar esta investigación radica en el constante daño que sufren estos elementos mecánicos al hacer contacto con diferentes partículas o contaminantes, tales como tierra, pedazos de vidrio o piedra, todo tipo de residuos, etc. El daño en este tipo de piezas mecánicas es caracterizado por ralladuras profundas sobre sus superficies, agujeros provocados por la incrustación de partículas de forma angular (puntiaguda) y esférica, además de grietas que provocan la fractura de estas. Debido a todo esto, este trabajo tiene como objetivo analizar el desgaste que se genera en estos dispositivos mecánicos y encontrar posibles soluciones a este problema. Este trabajo tendrá incidencia directa en materias como: Ciencia de los materiales, estructura y propiedades de los materiales, diseño mecánico y física. El cual ayudará a mostrar a los alumnos evidencia del desgaste producido en un componente o pieza por el daño real que día a día es posible.

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1.2 NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DE TRABAJO

En este trabajo, se describe el desgaste que se produce en puntas de excavadoras por el contacto con diferentes materiales extraños, contaminantes, etc., se da una explicación de las posibles causas que producen este tipo de desgaste, finalmente se dan a conocer los diferentes tipos de materiales que son usados para su manufactura. El sentido del trabajo, es conocer las causas del desgaste abrasivo en puntas de una excavadora, debido a que es un problema constante en la industria mecánica. El alcance del trabajo es llevar a cabo un análisis descriptivo de los mecanismos de desgaste que son producidos en la punta de una excavadora debido al contacto con diferentes partículas de tamaño y forma variable

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1.3 ENUNCIACIÓN DEL TEMA Es importante realizar este tipo de estudios para conocer el comportamiento de las puntas de cualquier tipo de excavadoras ante condiciones naturales de deterioro (desgaste). Una caracterización tribológica de estos componentes será llevada a cabo para conocer su composición química, dureza, rugosidad y los mecanismos de desgaste. Es necesario realizar este tipo de análisis debido a que el desgaste es un problema en la industria, ya que la presencia de este en los componentes de los equipos ocasiona muchas pérdidas ya sea económicas y de tiempo. Esta tesina conjunta fundamentos básicos que facilitarán el entendimiento de éste tipo de desgaste, así como las causas que lo ocasiona.

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1.4 EXPLICACIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO

Debido a la gran importancia que representa el desgaste en puntas de excavadoras, ésta investigación se basa en el estudio de estos elementos mecánicos. Este trabajo está dividido, en tres capítulos conformados de la siguiente manera: En el capítulo I, se presenta una justificación del porqué se realiza este trabajo, además de la naturaleza, sentido y alcance del trabajo, la enunciación del tema y una explicación clara y precisa de la estructura del trabajo. El capítulo II, se divide principalmente de tres subtemas. En el primer subtema, se presentan el concepto de lo que es una excavadora, una máquina autopropulsada, sobre neumáticos u orugas, con una estructura capaz de girar al menos 360º (en un sentido y en otro y de forma ininterrumpida) que excava terrenos, o carga, eleva, gira y descarga materiales por la acción de la cuchara, fijada a un conjunto formada por pluma y brazo o balancín sin que la estructura portante o chasis se desplace. Además, se mencionan sus partes principales como el chasis, la corona de giro, su estructura, la cuchara (que es el elemento principal sobre el que gira el tema de la tesina, ya que aquí se pueden hallar las puntas usadas para trabajo altamente abrasivo), y los sistemas de accionamiento. Finalmente, se describen algunos de los tipos de excavadoras como son: Excavadora frontal y la retroexcavadora, empleada comúnmente para trabajos donde se tiene que excavar con mayor profundidad. En lo que respecta al subtema 2, debido a que nos fue donada, una de las puntas de una cuchara de una excavadora, se realizo el análisis del desgaste generado en este elemento mecánico. Esto es porque el tipo de desgaste ocasionado es altamente abrasivo y resulta interesante poder conocer los mecanismos de desgaste que dominan y llevan a al deterioro de estas puntas (de la cuchara). Para llevar a cabo esto, en este subtema, se presenta un análisis de dureza de los materiales usados en las puntas de una excavadora, se empleará un durómetro para realizar los ensayos de dureza Vickers (HV). Además, se tiene contemplado llevar a cabo un análisis químico para conocer cuales son los elementos que FIME


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constituyen al material empleado para la fabricación de las puntas y de esta forma identificar que material, aleación o compuesto pueden ser empleados para su correcta operación. Finalmente, un análisis de rugosidad será realizado sobre la superficie de la punta de la excavadora, a través del uso de un perfilómetro. Además en el subtema 3, se da una introducción sobre estudios previamente realizados, relacionados al desgaste producido en las superficies de las puntas de las cucharas de las máquinas excavadoras. Adicionalmente, se llevará a cabo un análisis para identificar los mecanismos de degaste que se presentan en estos componentes mecánicos. Para llevar a cabo esto, se empleará un microscopio óptico y un microscopio electrónico de barrido para obtener las fotografías de las huellas de desgaste y así poder dar un diagnostico del daño generado sobre las superficies y con participacion de gente dedicada al uso de este tipo de máquinas, poder sugerir posibles soluciones para reducir los efectos asociados al daño de las puntas. En el capítulo III, se presentan las conclusiones y proposiciones de trabajos futuros que podrían sugerirse para completar este trabajo. Esperando que esto resulte de gran interés y de gran utilidad para todas aquellas personas involucradas en esta problemática.

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CAPITULO 2

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2.1 DESARROLLO DEL TEMA 2.2 PLANTEAMIENTO DEL TEMA DE LA INVESTIGACIÓN La investigación de este tema está enfocado para el análisis del desgate generado en puntas de una excavadora la cual está sometida continuamente a desgaste abrasivo severo. El desempeño de estos componentes mecánicos esta íntimamente ligado con el funcionamiento correcto de las excavadoras, por lo que la mayoría de las veces la magnitud de los daños ocurridos, es causado por el mal uso o deterioro debido a las condiciones normales de trabajo. El deterioro de las puntas en una excavadora, puede tener varias causas, como las condiciones climatológicas, en operación, el mantenimiento que se les da, la composición de los materiales que la conforman, y la dureza de esos materiales, el contacto con cualquier material, tierra, vidrios, piedras, etc.

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2.3 MARCO CONTEXTUAL El trabajo de investigación, con formato de tesina, se llevará a cabo en la Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica de la Universidad Veracruzana en la región Poza RicaTuxpan. Esto es por que se cuenta con la bibliografía adecuada, capacidad y tiempo necesario para poder realizar la investigación pertinente para ampliar el conocimiento que se tiene acerca del desgaste observado sobre las puntas de una excavadora. Es importante mencionar que la bibliografía de otras instituciones como el Instituto Politécnico Nacional, la Universidad Nacional Autónoma de México, así como libros y artículos de revistas internacionales especializadas en el tema, serán consultadas para alcanzar un trabajo de alta calidad informativa.

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2.4 EXCAVADORAS 2.4.1 ANTECEDENTES El primer tipo de maquinaria excavadora fue desarrollada en el siglo XVIII y fue conocida como la draga flotante (ver Fig.1 ). Aunque esta máquina excavadora fue usada sobre terreno sólido sino en el agua en un comienzo, su desarrollo marcó el comienzo de la maquinaria avanzada. La dragadora flotante consistió de una cadena conectada a un cucharón que era dirigido por fuerza animal o humana. Al inicio, obreros ingenieros usaron hasta el viento para ayudar a levantar barro de la superficie a ser excavada. El dispositivo de draga más antiguo apareció en 1776 y fue usado para el trabajo de excavación en el puerto de Sunderland de Inglaterra. Máquinas dragadoras fueron usadas con regularidad pero fue su uso sobre la tierra lo que realmente cambió la industria.

Fig. 1. Prototipo diseñado por Leonardo Da Vinci [1].

Ernst Edwin Menzi (1897-1984) fue el inventor de la excavadora sobre patines/excavadora araña. Este personaje no fue solamente un magnífico inventor, sino también un empresario nato. A sus 26 años ya era propietario de su primera empresa. La historia de la excavadora sobre patines de Menzi Muck está fuertemente marcada por Ernst Menzi, fallecido en 1984. En virtud de los éxitos cosechados a lo largo de su vida, sus ideas y modo de pensar FIME


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siguen teniendo una gran aceptación y confirman a Ernst Menzi como un magnífico inventor y como un empresario con visión de futuro [2]. La primera excavadora sobre patines conquistó el mercado internacional en el año 1966, cuando comenzó la Menzi Muck (ver figura 2). Hasta ese momento, ninguna de las máquinas de construcción convencionales había podido utilizarse para realizar trabajos complicados en pendiente. La primera máquina se bautizó con el nombre de Menzi Muck, en referencia al legendario personaje de un cuento popular ("el pequeño Muck", el hombre menudo que con todo pudo).

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(b) Fig. 2 Excavadora sobre patines/excavadora araña [2].

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Además en la historia del desarrollo de las excavadoras, se indica que las primeras excavadoras se adaptaron de tractores de granja, que eran usados para arar campos. En 1923, un agricultor joven llamado a James Cummings y un delineante llamado a J. Earl McLeod hizo los primeros diseños para la excavadora. Una réplica está en la pantalla en el parque municipal en Morrow Ville, Kansas donde los dos construyeron la primera excavadora. El 18 de diciembre de 1923, Cummings y McLeod archivaron la patente estadounidense con número de serie 1,522,378. Esto se publicó más tarde el 6 de enero de 1925 para un "Accesorio para Tractores." Antes de los años 1920, los vehículos rastreados se hicieron comunes, en particular Caterpillar 60. Los vehículos cansados de goma entraron en el uso en los años 1940. Para cavar canales, los tractores se equiparon con un plato metálico grueso grande en el frente. (La lámina consiguió su forma curva más tarde). En algunos modelos tempranos el conductor se sentó encima sin una cabina. Hay tres tipos principales de láminas de la excavadora: una para empujar y llevar distancias relativamente largas de la suciedad, una lámina directa para "derribar" y extender hemorroides de la suciedad y un cepillo tipo rastrillo para quitar hierba y raíces muy profundas. Estos accesorios (construidos de la casa o construidos por pequeños fabricantes de equipo de accesorios para rodado y tractores del cobista y camiones) aparecieron hacia 1929 [3]. La adición de la fuerza proporcionada por cilindros hidráulicos en vez de sólo el peso de la lámina, hizo de esta máquina de excavación, la preferida para contratistas grandes y pequeños igualmente antes de los años 1940, antes el término "excavadora" se refirió a la máquina entera y no sólo el accesorio. Durante el paso de los años, las excavadoras se hicieron más grandes y más importantes en respuesta a la gran demanda que empezaban a tener estas máquinas. Las firmas como Caterpillar, Komatsu, Caso, JCB, Euclid, Allis Chalmers, Liebherr, Liu Gong, Terex, FíatAllis, John Deere y Cosechadora Internacional fabricaron el tipo rastreado grande earth moving máquinas. Además, R.G. Le Tourneau y Caterpillar fabricaron excavadoras cansadas de goma grandes [3]. Las excavadoras se volvieron más sofisticadas con el paso del tiempo. Las mejoras incluyen una transmisión automática, y en vez de una transmisión FIME


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manual como Euclid C-6 y TC-12 o el Modelo C Tourna Dozer, movimiento de la lámina controlado por cilindros hidráulicos o motores eléctricos en vez del torno/freno de cable de los modelos tempranos y control del grado automático. Los cilindros hidráulicos permitieron la aplicación de abajo la fuerza, la manipulación más precisa de la lámina y automatizaron mandos. Una innovación más reciente es el suministro de excavadoras con la tecnología GPS, tal como lo fabricado por Topcon Positioning Systems, Inc., TrimbleInc o Leica Geosystems para el control del grado preciso y (potencialmente) "stakeless" construcción. Como una respuesta a muchos, y reclamaciones a menudo variadas sobre estos sistemas, El Informe de Kellogg publicado en 2010 da una comparación detallada de los sistemas de todos los fabricantes, evaluando más de 200 rasgos de dozers solamente. El mejor fabricante conocido de excavadoras es probablemente Caterpillar en los Estados Unidos, esta compañía ha ganado su reputación haciendo máquinas resistentes, duraderas, confiables. Komatsu, JCB y John Deere son competidores actuales. Aunque estas máquinas comenzaron como tractores de granja modificados, se hicieron el pilar para proyectos de construcción civiles grandes y encontraron su camino en el uso por unidades de construcción militares por todo el mundo. El mejor modelo conocido, Caterpillar D9 (figura 3), también estuvo acostumbrado a minas claras y puede demoler estructuras enemigas.

Fig. 3 Excavadora Caterpillar D9.

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ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN UNA PUNTA DE UNA EXCAVADORA Los primeros intentos de las excavadoras de rodete

Las primeras excavadoras de rodete tomaron la forma de las dragas de agua de Europa de mediados del siglo XIX. Las dragas (ver Glosario) eran utilizadas para excavar una gran cantidad de material de una manera continua. La primera excavadora de cadena y cucharón fue desarrollada en 1908 por un ingeniero británico llamado A.R. Grossmith. La excavadora de cadena y cucharón de Grossmith fue utilizada en un campo de limonita en Corby, Inglaterra [4]. El intento de Grossmith no fue un éxito completo y redujo la excavadora a una pala. Otras compañías se propusieron producir un aparato con eficacia y que continuamente podría excavar a los materiales de la tierra. No fue hasta cincuenta años después de la primera excavadora de cadena y cucharón de Grossmith que esto fue completamente realizado. El desarrollo de Humboldt

La primera excavadora de rodete exitosa a ser producida fue por un Alemán llamado Humboldt en 1919. La excavadora de rodete de Humboldt fue utilizada en Luise Minein Braunkohlem Werke, Alemania en 1925. La máquina tuvo tal éxito que otras compañías pensaron imitarla. ATG (Allience Tire Group) Leipzig compró los derechos para fabricar y distribuir a la máquina de Humboldt y ellos mismos se propusieron llevar a cabo las mejoras. La implicación de ATG con las excavadoras de rodete probó ser un éxito, pues ya había vendido tanto como cincuenta máquinas para 1938. La evolución de las excavadoras de rodete

Las primeras excavadoras de rodete fueron propulsadas a vapor y montadas en pistas ferroviarias. Tradicionalmente, los cucharones vaciarían la tierra en las carretas que se podrían conducir en los ferrocarriles. Éstas llegaron a ser eléctricas y fueron conducidas eventualmente con hidráulica y motores de aceite [4]. Una compañía Alemana, Backau-Lobo AG, desarrolló la primera excavadora de rodete montada en una oruga en 1928.

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Fig. 4 Una de las primeras excavadoras de rodete montada en una oruga [5].

Otro fabricante prominente era Orenstein&Koppel. Con la ayuda de la compañía Alemana, Maschinenbau-Gesellschaft de Lubecker (LMG), O&K fabricó su primer prototipo de rodete en 1957 [6].

Fig. 5 Prototipo de excavadora de rodete [6].

La excavadora de rodete de O&K fue revisada constantemente durante el transcurso de los años. En 1935, la excavadora de rodete de la compañía era capaz de extraer 3,500 yardas FIME


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cúbicas (2.676 m3) por hora. En el plazo de dos años, O&K introdujo la primera excavadora de rodete montada sobre orugas, la cual transformó las máquinas. Considerando que antes podía tardar días para desmontar una excavadora de rodete de grande tamaño, ahora podía viajar por sí misma distancias relativamente cortas. Una de las excavadoras de rodete más grande que apareció durante este tiempo fue de Rheinische Braunkohlen Werke (ahora llamada RWE Rheinbraum), una compañía de Cologne, Alemania. Su máquina era la más grande en ese entonces, pesando 6,120 toneladas con la capacidad de remover más de 5,000 yardas cúbicas (3.823 m3) de tierra por hora. Las compañías manufactureras alemanas no eran las únicas a bordo. En los Estados Unidos, United Electric Coal Co. (ahora conocida como Freeman Enero Co.) desarrolló una excavadora de rodete llamada W3A para sus minas en Illinois en 1944. El presidente de United Electric Coal Co. Frank Kolbe produjo seis excavadoras de rodete para la minería a tajo abierto que fueron instaladas en las bases de los stripping shovels y consistió en cuatro orugas-dobles. Esta revisión dio lugar a una máquina que era cinco veces más eficaz que las palas que fueron montadas. Las máquinas W3A fueron reconstruidas en 1981 y actualmente todavía están en funcionamiento. Bucyrus-Erie comenzó a producir excavadoras de rodete después de la Segunda Guerra Mundial. Sus modelos, tales como la 684-WX, pesando 810 toneladas, fueron basados en los diseños de Kolbe. El 684-WX fue utilizado para excavar 40 millones de yardas cúbicas (31 millones de m3) de tierra para la represa San Luis en California. Los fabricantes Alemanes todavía eran fuertes competidores en el mundo de las excavadoras de rodete durante los años 1960s. Tanto así, de hecho, que los dos fabricantes principales, Krupp y O&K formularon un acuerdo llamado la Unión de Exportación de Rodetes. El acuerdo significó que las dos compañías principales trabajarían juntas para establecer excavadoras de rodete, complejas y eficientes, para su distribución en el mundo entero. Un sistema de desarrollar los nombres de las excavadoras de rodete fue establecido como SchR - un término Alemán que traducido significa “la excavadora de rodete montada sobre una oruga giratoria”.

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Una particular compañía inventiva fue Mechanical Excavators (Excavadores Mecánicos), la cual se ubicaba en Los Ángeles. Las excavadoras de rodete compactas y montadas en ruedas u orugas construidas por MX. La excavación era realizada por una rueda de excavación angular, la cual transfiere el material directamente a un aparato de banda transportadora, removiendo el paso de la canaleta. MX más adelante vendió su línea de excavadoras de rodete compactas a Hoist&Derrick en 1982. Con la minería aún bastante lucrativa en los años 1980s, Bucyrus produjo la 5872-WX para la Mina Captain en Illinois en 1986. Ésta alcanzaba alturas de 442 pies (135 m) con un radio de corte de 259 pies (79 m) y un peso de 3,500 toneladas. El modelo 5872-WX fue desarrollado en la base de una pala Marion más vieja (figura 6) [7, 8].

Fig. 6 Excavadora de rodete modelo 5872-WX [8].

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ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN UNA PUNTA DE UNA EXCAVADORA Equipo especial

Las excavadoras de rodete para la minería a tajo abierto fueron primero desarrolladas por Bucyrus-Erie Co. en 1954 después de obtener una licencia de United Electric Coal Co. Su excavadora de rodete consistió en nueve cucharones, cada uno capaz de contener una yarda cúbica (0.76 m3). Bucyrus también produjo una excavadora de rodete capaz de remover sedimento glacial no estratificado entre otros materiales duros. La 1054-WX, que fue montada en una oruga vieja, con un peso de 1,600 toneladas, tenía una capacidad de corte frontal de 1000 pies (305 m) de alto con 1000 caballos de fuerza.

Fig. 7 Excavadora Bucyrus 1054-WX [8].

Una excavadora de rodete sobre orugas, 1060WX, fue desarrollada por Bucyrus en 1967. Este modelo fue construido usando totalmente nuevas piezas y montado en ocho orugas con cilindros de nivelación hidráulicos. Era capaz de aglomerar 57 pies (17 m) y pesaba 1,735 toneladas. FIME


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Fig. 8 Excavadora Bucyrus 1060WX [9].

Una de las excavadoras de rodete más grande que se construyó fue la Schr 1900/5 28 de Demag Lauchhammer. Ésta consistió en 12 cucharones que podían contener 2.4 yardas cúbicas (1.83 m3). También incluían cadenas que tenían nueve pies de ancho, con 5,230 caballos de fuerza y 12 orugas que redujeron la presión superficial a 10,7 libras por pulgada cuadrada (kPa 73.77). La excavadora de rodete más grande para la minería a tajo abierto fue construida por United Electric Coal Co. Ésta fue utilizada para la mina Cuba en Illinois en 1959. Con una rueda de excavación de 27 pies (8.2 m) y una medida de 150 pies (46 m), era capaz de remover dos millones de yardas cúbicas (1.5 millones de m3) de tierra por mes. Una de las excavadoras de rodete más pequeña era la Krupp 50. Construida en 1958, pesaba 52 toneladas y podía cavar 275 yardas cúbicas (210 m3) por hora. Una de las excavadoras de rodete más grande usada en Norteamérica fue la 5872 WX de Bucyrus (ver figura 6). Fue utilizada para la Mina Captain de Arch Coal Inc. en Illinois en 1986. Ésta consistía en ruedas de 40 pies (12 m) de diámetro, 12 cucharones con capacidades de 2.14 yardas cúbicas (1.63 m3), y pesaban 5,380 toneladas. Ésta remolcaba a 25 niveles, o 250 pies (76.2 m) de alto. FIME


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La excavadora de rodete más grande hasta la fecha, según el Libro de Récords Mundiales Guinness, es la MAN TakrafRB 293 (ver figura 9). Se ha enlistado como el “vehículo terrestre más grande en la historia de la humanidad.” Utilizado sobre todo para los proyectos grandes de la explotación minera a cielo abierto, mide 310 pies (94 m) de alto y 722 pies (220 m) de largo. Puede extraer 8,475 millones de pies cúbicos (0.2 millones de m3) de tierra al día, el equivalente de un campo de fútbol entero. La RB2903 pesa 31.3 millones de libras (14.2 millones de kg.) y se mueve a un ritmo lento de menos de 0.62 millas (1 Km.) por hora. Tardó a la masiva máquina tres semanas para completar el viaje de 14 millas (22 Km.) hacia la Mina de Garzweiler.

Fig. 9 Excavadora MAN TakrafRB 293 [10].

La RB293 excava la tierra usando una gran rueda rotatoria que está situada en el extremo del brazo. Una serie de cucharones penetra en la tierra y empuja. La rueda está dando vuelta constantemente, permitiendo que el cubo recoja la tierra y después la descargue sobre un aparato transportador.

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ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN UNA PUNTA DE UNA EXCAVADORA Antiguas palas hidráulicas

La pala hidráulica documentada más antigua apareció en el año 1882 y fue producida por Sir W.G. Armstrong & Co., una compañía Británica que previamente construyó hull docks. “Unrelated Armstrong”, también construyó palas hidráulicas para agua. Otra compañía que

también intentó producirlas fue Kilgore Machina Co. de Minneapolis, Minnesota, quienes patentaron la pala en 1897 [11]. [11] .

Fig. 10 Una demostración de pala de Bergerac. El equipamiento retro, se coloca en la base del camión [12].

En 1948, un prototipo con ruedas de la excavadora fue desarrollado por Carlo y Mario Bruneri. Ellos cedieron las patentes y derechos de autor a una compañía Francesa llamada SICAM en 1954, el mismo año que SICAM construyó el Yumbo. El Yumbo, una excavadora S25 (similar a la Y35 actual), poseía una cadena montada (ver figura 11) [13].

Fig. 11 Excavadora Jumbo Y35 [13].

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ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN UNA PUNTA DE UNA EXCAVADORA La primera excavadora hidráulica

La primera excavadora hidráulica, la TU, fue producida en 1951 con la ayuda de Poclain. La excavadora no podía producir un giro completo y la energía hidráulica era obtenida con ayuda de una bomba. Poclain introdujo el TY45, la primera máquina giratoria, en 1960. El tractor Gradall

El tractor Gradall fue inventado por Ray Ferwerda de Cleveland, Ohio. Ferwerda es conocido por crear una excavadora telescoping-boom la cual era única por haber sido montada a un camión [14]. Otros de los avances fueron el H-2: producido por Milwaukee Hydraulics Corp. en 1948, fue la primera hydrocrane. El H-3 y el H-5 fueron versiones más avanzadas e introducidas después. Adicionalmente, O&K RH-300: una pala excavadora con una capacidad de excavación de 30 yardas cúbicas (23 m3); fue producida en 1980.

Fig. 12 Tractor Gradall [14].

Excavadoras hidráulicas hoy en día

Modelos como el Hitachi 570-ton EX5500 y el Caterpillar 360-ton Modelo 523OB se encuentran entre las más notables máquinas en la industria. Sin embargo, estas no igualan en tamaño a Liebre R996, la cual pesa 720 toneladas y tiene una capacidad de 44 yardas cúbicas (34 m3); el Komatsu PCS8000, un modelo de 755 toneladas con una capacidad de 46 yardas cúbicas (35 m3); o el Terex/O&K RH-400, una maquina capaz de excavar 57 yardas cúbicas (44 m3) y 1,000 toneladas [11]. FIME


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Fig. 13 Excavadora hidráulica [15].

2.4.2 ¿QUE ES UNA EXCAVADORA? Se denomina pala excavadora o pala mecánica a una máquina autopropulsada, sobre neumáticos u orugas, con una estructura capaz de girar al menos 360° (en un sentido y en otro, y de forma ininterrumpida) que excava terrenos, o carga, eleva, gira y descarga materiales por la acción de la cuchara, fijada a un conjunto formada por pluma y brazo o balancín, sin que la estructura portante o chasis se desplace. desp lace. Una excavadora es un tractor rastreado continuo equipado con un plato metálico sustancial (conocido como una lámina) suele empujar cantidades grandes de suelo, arena, escombros u otro tal material durante construcción o trabajo de la conversión y típicamente equipado en la parte trasera con un dispositivo parecido a una garra (conocido como un ripper) a ripper) a soltar materiales densamente comprimidos. Las excavadoras se pueden encontrar en una amplia gama de sitios, minas y canteras, bases militares, fábricas de la industria pesada, proyectos técnicos y granjas. El término "excavadora" a menudo se usa erróneamente para significar cualquier equipo pesado (a veces un cargador cargado r y a veces una excavadora), pero exactamente, el término sólo só lo se refiere a un tractor (por lo general rastreado) equipado con una lámina dozer. Figuras 14 y 15 muestran algunos diseños de retroexcavadoras desarrolladas por VOLVO [16]. FIME


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Fig. 14. Excavadora Volvo EC360C [16].

(a) Vista frontal

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(b) Lámina contenedora (vista de la cabina) Fig. 15. Retroexcavadora VOLVO [16].

2.4.3

DESCRIPCIÓN

DE

LOS

PARTES

MECÁNICAS

QUE

COMPONEN A UNA EXCAVADORA Chasis (base de desplazamiento). Estructura portante desplazable mediante cadenas o ruedas neumáticas. En el caso de ser de ruedas llevará unos estabilizadores para constituir las bases de apoyo (figura 16).

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Chasis

Fig. 16. Chasis, esqueleto, base de desplazamiento de una excavadora [17].

Bastidor principal. Que soporta el peso de la máquina y en el que se incluye la junta giratoria que permitirá que la parte superior de la excavadora haga giros completos, con respecto a la zona de apoyo de la máquina. Corona de giro. La corona de giro es uno de los puntos de la excavadora que está sometido a mayores esfuerzos. Su interior está hueco y en él se introduce grasa para su lubricación. Por otra parte, el rodamiento sobre el que se produce el giro, es un punto clave para conseguir que este conjunto se mantenga en perfecto estado a lo largo de muchas horas de trabajo. Para mantener en perfectas condiciones el rodamiento de la corona es necesario cuidar que no le falta grasa; por ello su engrase se realiza cada semana, o en un tiempo menor si se trabaja en condiciones severas, como abundancia de polvo, humedad, etc.

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Corona de Giro

Fig. 17. Corona de giro [17].

Bastidor de la estructura superior. En el que se montan la cabina, el motor diésel, el sistema hidráulico y el propio equipo de trabajo (figura 18).

Fig. 18. Bastidor de la estructura superior [17].

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1.- La Cabina, situada en la posición más avanzada en el lado izquierdo del Bastidor, con el fin de conseguir la máxima visibilidad posible. 2.- El anclaje de la pluma, situado del lado derecho de la cabina, compuesto por unas placas de acero con, al menos, cuatro taladros, cuyas distancias influyen tanto en la resistencia del propio anclaje como en la profundidad de excavación, alcance, etc. de la excavadora. 3.- El motor diésel, encargado de proporcionar movimiento a los componentes restantes de la excavadora. 4.- El sistema de refrigeración y los componentes a los que se les dará a lo largo del tiempo un mantenimiento más frecuente. 5.- Los depósitos de gas-oil y aceite del sistema hidráulico, junto al grupo de bombas. 6.- El contrapeso de la excavadora que equilibra la excavadora cuando hay que hacer esfuerzos en su parte delantera con el equipo de trabajo. Entre los largueros del bastidor, se sitúa el mecanismo de giro que se compone de un motor hidráulico y un reductor de velocidad que lleva el movimiento hasta el piñón de giro; este piñón, de grandes dimensiones, está en toma constante con la corona de giro que está unida rígidamente al bastidor principal; cuando el piñón comienza a girar, se va desplazando a lo largo de la corona de giro y arrastra en su movimiento a todo el bastidor con todos sus componentes.

Fig. 19 Soporte de la corona de giro [17].

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Cuchara: fija o móvil y dispuesta en el extremo de un brazo móvil soportado por una pluma también móvil (ver figura 20).

(a) Diferentes tipos de excavadoras

(b) Cargadores especiales Fig. 20 Tipos de Cucharones [18].

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Energía motriz: motor diésel o diésel-eléctrico. Sistemas de accionamiento: cilindros hidráulicos en su mayoría aunque también existen por cables y cabestrantes, transmisiones mecánicas, cilindros neumáticos, etc.

(a)

(b) Fig. 21 Sistemas de accionamiento, (a)-(b) Pistones [19].

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2.4.4 MATERIALES USADOS PARA LA CONSTRUCCIÓN DE LAS PUNTAS DE UNA EXCAVADORA Acero al Manganeso 12M (Work-hardening) Acero Autoendurecido por trabajo a durezas de hasta 550 HB (Hardness Brinell), resistente al impacto, abrasión y desgaste extremos para la industria pesada. La cualidad de autoendurecimiento por trabajo hace que la capa desgastada (superficie) se renueve constantemente, endureciéndose y manteniendo siempre su tenacidad interna para resistir el alto impacto, ideal para la industria de agregados, trituración, minera, azucarera, de carbón, molinos de acero, fundidoras, reparación de equipo pesado o en cualquier otra aplicación en donde el impacto, abrasión o desgaste sean un problema. Esto se encuentra disponible en placas, barras redondas, cuadradas y soleras [20]. En tabla 1, se presenta la composición química de este material antidesgaste. En adición, tabla 2 muestra algunas de las propiedades mecánicas.

Tabla 1. Composición química Acero al Manganeso 12M (Work-hardening). Composición química

% en peso (W)

Carbono

1.0 / 1.25 %

Manganeso Fósforo

12.0 / 14.0% 0.05% Máx.

Azufre

0.05% Máx.

Silicio

0.04% Max

Ventajas 

Altamente resistente al impacto y abrasión



Mejor desempeño en condiciones de alto impacto



Endurecimiento rápido por trabajo a 500-550 HB ( 54-58 RC)



Durabilidad hasta 12 veces mayor a aceros de recubrimiento convencionales



Mantiene su tenacidad interior

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ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN UNA PUNTA DE UNA EXCAVADORA 

Excelente resistencia al impacto



Excelente resistencia al desgaste



Muy bajo coeficiente de fricción aún en aplicaciones METAL - METAL



Soldable con electrodo manganeso o electrodos similares



Fácil de cortar con soplete de oxiacetileno.



Aleación NO magnética.

Aplicaciones 

Quijadas y Tolvas



Martillos y Platos de Trituradoras



Canales de Transportación



Tiras y Guías de desgaste



Vías de Ferrocarril y Carros mineros.



Recubrimiento de equipo pesado



Secciones de Transición.



Camas de Carga (Truck Load beds)



Guías o Alineadores de Equipo Pesado ( Liners)



Cargadores Frontales , Escareadores, Retroexcavadoras



Aplicaciones Abrasivas no magnéticas.



Tubería



Canastas y Carros elevadores



Coladoras Mecánicas



Cubículos de Sand Blasteado



Barras Sello de Sinterizado

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Tabla 2. Propiedades mecánicas del Acero al Manganeso 12M (Work-hardening).

PROPIEDADES MECÁNICAS Esfuerzo de Cedencia (Yield )

60 -85 Ksi

Esfuerzo Ultimo de Tensión (UTS)

120 - 130 Ksi

Elongación

35 – 50%

Dureza de Trabajo

550 -600 HB Max.

Dureza al Entregar

230 – 255 HB

Placa antidesgaste T-500 Placa antidesgaste tratada térmicamente por el proceso de temple y revenido a dureza de (477 - 534 HB) posee excelente dureza, alta resistencia a la tensión, y abrasión severos. Ideal para utilizar en equipo de volteo, guías de desgaste, equipo minero, canastas transportadoras, equipo de construcción y cualquier pieza o aplicación sujeta a desgaste por abrasión o deslizamiento. También disponible en su versión T-400 (375-477 HB). Disponible en placas, barras redondas, cuadradas [20]. Tablas 3 y 4 presenta la composición química del acero T-500 y sus propiedades mecánicas, respectivamente.

Tabla 3. Composición química placa antidesgaste T-500.

Carbono Manganeso Fósforo Azufre Silicio

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COMPOSICIÓN QUÍMICA % en peso (W) 0.31 % Máx. Níquel 1.00% Máx 1.60% Máx. Cromo 1.50% Máx 0.025% Máx. Molibdeno 0.65% Máx 0.010% Máx. Boro 0.005% Máx 0.55% Max


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Ventajas 

Dureza de 480 – 544 HB



Bajo Carbono



Buena Tenacidad



Excelente Resistencia a la Abrasión



Cajones con contenido de Azufre



Excelente Limpieza Interna



Excelente Soldabilidad usando métodos convencionales (SMAW-Shielded metal arc welding-electrodos recubiertos), (GMAW-Gas metal arc welding-electrodos recubiertos conocido como MIG (Metal inert gas welding) y MAG (Metal active gas welding), SAW (Submerged arc-arco sumergido).



Buena Maquinabilidad



Tratada Térmicamente ( Templado y Revenido)

El Acero T-500 es una placa de acero de muy alta resistencia al desgaste que combina bajo azufre, buena resistencia y propiedades de dureza uniforme para ofrecer una mejor formabilidad y soldabilidad, manteniendo una superficie totalmente plana y de superior calidad. El Acero T-500 es un grado de fácil uso para el usuario que permite mayor amplitud en el diseño y fabricación de diversas partes de equipos para industria pesada como minería, canteras, construcción, etc.

Aplicaciones 

Reparación y refuerzo de equipo pesado



Guías para equipo pesado ( Liners)



Ductos de Asfalto y Abrasión



Equipo de Fabricación de Block



Orillas de Corte



Alineadores de cargadores frontales



Camas de Carga ( Truck Load Beds)

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ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN UNA PUNTA DE UNA EXCAVADORA 

Guías y Piezas de Trituradoras



Piezas de Corte



Recubrimiento de Piezas de desgaste.



Alimentadores de Roca



Canales de Transportación.

Tabla 4. Propiedades mecánicas del Acero T500. PROPIEDADES MECÁNICAS

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Esfuerzo de Cedencia (Yield )

185 -200 Ksi

Esfuerzo Ultimo de Tensión (UTS)

230 - 250 Ksi

Elongación

11.5%

Reducción de Área

44%


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2.4.5 DESCRIPCIÓN DE LOS COMPONENTES DE EXCAVADORAS La excavadora hidráulica mostrada en figura 22, es frecuentemente usada para la excavación de rocas y tierra, sin embargo, gracias a sus numerosos accesorios también puede ser usada para el corte de acero, el rompimiento de concreto, el taladro de hoyos en la tierra, el cimiento de gravilla antes del pavimento, el destrozo de rocas, acero, y concreto, y hasta para acribillar lugares. La invención de la excavadora hidráulica, con su fácil operación y barata producción, reemplazó a la excavadora de cable. El funcionamiento de este tipo de excavadora, depende de forma significante de los siguientes componentes:

(a)

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(b) Fig. 22 Excavadora hidráulica de ruedas VOLVO EW180C, (a), (b) En operación [21].

El aguilón

La excavadora hidráulica opera en diferentes niveles. El primero es el aguilón del vehículo. Éste está compuesto de dos cilindros hidráulicos, un cucharón (el componente en forma de cuchara) y una pluma, la cual está en la parte superior del aguilón. Este se mueve en dos partes justo como un brazo humano se movería: en la muñeca y en el codo. Dentro del cilindro hidráulico hay una barra, que conforma la parte interior del cilindro, y un pistón, el cual se encuentra al extremo final del cilindro y permite que el brazo se mueva con la ayuda de aceite. Si es que no hay aceite en el cilindro, el pistón se caería al fondo, pero por la característica natural del aceite, su volumen siempre permanece igual. El aceite es bombeado a través del extremo final del pistón y éste empuja una barra a través del cilindro, creando un movimiento en una o las dos partes del brazo. Con control de la cantidad de aceite que es bombeado a través de la válvula, la precisión del brazo puede ser

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fácilmente manipulada. Este movimiento es activado mediante el uso del control de válvulas que son posicionadas dentro de la cabina, donde se sienta el conductor.

El motor La energía de un automóvil es recibida normalmente directa desde el motor; sin embargo, esto funciona distinto en una excavadora hidráulica. Por lo que la máquina utiliza bastante fuerza, es capaz de moverse por medio de un cambio de la energía que recibe del motor en energía hidráulica (ver figura 23).

Fig. 23 Motor [17].

El giro

Una de las funciones de esta máquina es su habilidad de girar. El giro de una excavadora le permite voltear. El giro en círculo comprende varios componentes: un outer race, un inner race, rodamientos de bolas y un piñón. Mientras que el outer race se voltea, el piñón opera junto al inmóvil inner race. El rodamiento de bolas trabaja asegurando de que esta operación de realice suavemente. La cabina

La tercera parte de una excavadora hidráulica es la estructura superior en donde el asiento del conductor se encuentra y los controles son posicionados. Con la ayuda de dos palancas a ambos lados y dos al frente. FIME


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Fig. 24 Cabina de excavadora [17].

Los pies

Existen dos tipos de bases en excavadoras. Una de estas está compuesta por ruedas como cualquier automóvil, conocido también como el tipo rueda. Debido a la naturaleza de la base, es primariamente usada en superficies sólidas, como el concreto y la gravilla. El segundo tipo es conocido como la oruga por su habilidad de transitar en superficies menos estables, como el barro y la arena (ver figura 25). A diferencia del tipo rueda, la oruga cubre un área mayor de la superficie y por consiguiente se hunde en la tierra. Funciona tal como el nombre lo sugiere, arrastrándose, con un tipo de mecanismo de banda transportadora. Ésta máquina solo puede ser usada en emplazamientos y tiene que ser transportada de un lugar a otro por medio de otros vehículos.

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(a) Pie de oruga

(b) Vista frontal

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(c) Cabina

(d) Cuchara Fig. 25 Excavadora de oruga Serie CX B, CASE Construction [22].

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La excavadora de rodete (bucket Wheel excavator - BWE) es una máquina que continuamente cava y excava tierra con la ayuda de un cucharón, de canaletas, y de un aparato transportador como lo mostrado en figura 26. Las excavadoras de rodete son utilizadas para la minería a cielo abierto y proyectos de construcción grandes. Las excavadoras de rodete, las cuales fueron desarrolladas inicialmente en Inglaterra, se volvieron bastante populares en Alemania y no después de mucho tiempo alrededor del mundo. Los adelantos incluyeron el montaje de estas máquinas sobre bases de orugas o rodadas permitiéndoles moverse hacia adelante para una continua excavación que se desarrolló con el tiempo. El poder y la complejidad de las excavadoras de rodete significó que puede tomar tanto como cinco años para construirlas pero a cambio son capaces de minar más de 313,908 yardas cúbicas (240.000 m3) de tierra por día. Las excavadoras de rodete son típicamente las máquinas más grandes de la tierra, pesando tanto como 11,000 toneladas y llegando a medir cientos de metros de alto. La más grande hasta la fecha es la MAN Takraf RB293 con 310 pies (94 m) de alto. Se han utilizado para proyectos tales como el proyecto en Alberta de las Arenas de Alquitrán de Athabasca, así como otros incontables proyectos de explotación minera y de construcción. La primera excavadora de rodete fue propulsada a vapor y montada en pistas ferroviarias. Tradicionalmente, los cucharones vaciaban la tierra en carretillas que se podían conducir sobre ferrocarriles. Éstas llegaron a ser eléctricas y fueron conducidas eventualmente con hidráulica y motores de aceite. En sus comienzos, las excavadoras de rodete consistieron en los brazos que eran izados y descendidos por cables halados por hombres. Eventualmente, la mano de obra fue substituida por los tornos que levantaban los cables de la excavadora. Para excavar los materiales continuamente, la excavadora de rodete utiliza una rueda giratoria que se coloca en la parte posterior del brazo. La rueda consiste en cangilones, también conocidos como cucharones. Puede tener cualquier número de cucharones, FIME


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dependiendo del proyecto y del modelo. La rueda giratoria penetra la superficie mientras que el brazo hace pivotar ambos lados y el cucharón recoge la tierra. Mientras que el material cae sobre las bandas transportadoras, se transporta a otros transportadores hasta que alcanza un punto de descarga. Los transportadores usados están generalmente conectados así que pueden ser desmontados cuando la excavadora de rodete necesita ser transportada.

(a) Excavadora de rodete

(b) Cangilones (cucharones) Fig. 26 Excavadora de rodete [23].

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Algunos de los diferentes modelos de excavadoras son la retroexcavadora, excavadora giratoria, la mini excavadora, y la excavadora compacta (también conocida como la mini excavadora). Excavadora frontal o pala de empuje: con la cuchara hacia arriba (observar figura 27). Tiene mayor altura de descarga. Útil en trabajos de minería, cuando se cargan materiales por encima de la cota de trabajo [24].

(a)

(b) Fig. 27 Excavadora frontal o pala de empuje [24].

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La retroexcavadora es un tractor con una pala frontal (shovel bucket) y una pequeña retroexcavadora posicionada en la parte trasera de la máquina. La retroexcavadora tiene la cuchara hacia abajo como lo visto en la figura 28. Permite llegar a cotas más bajas. Utilizada sobre todo en construcción para zanjas, cimentaciones, desmontes, etc. Normalmente se suele referir de forma errónea a la pala mixta como retroexcavadora.

(a)

(b) Fig. 28 (a)-(b) Retroexcavadora con cuchara hacia abajo [25].

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Las excavadoras también son comúnmente referidas como cavadoras (diggers) o 360s, por su habilidad de girar sobre un eje con un movimiento de 360 grados. Otros modelos de excavadoras incluyen: 

Excavadora de Motor, véase figura 25a



Excavadora de cable de arrastre



Excavadora de largo alcance



Excavadora-arrastradora



Excavadora de succión



Pala a vapor



Pala hidráulica



Tractor Bulldozer, véase figura 25b y c.



Volquete

(a) Excavadora de Motor

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(b) Tractor de orugas Bulldozer

(c) Tractor Bulldozer durante trabajo Fig. 29. Tractor Bulldozer D8K.

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2.5 CARACTERIZACIÓN DE LA PUNTA DE UNA EXCAVADORA Para llevar a cabo la caracterización de la punta de una excavadora fue necesario analizar las diferentes zonas de desgaste para poder realizar las mediciones de dureza, rugosidad, y por supuesto poder identificar los mecanismos de desgaste. Figura 30 muestra una punta de una excavadora después del servicio real.

Fig. 30. Punta de excavadora examinada.

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Figura 31 a-d presenta una magnificación de las zonas de desgaste de la punta de la excavadora. Todos los sectores se encuentran ampliamente dañados por el contacto con tierra, piedras, vidrios, partículas de cuarzo insertadas en la tierra, etc. El daño es principalmente caracterizado por zonas pronunciadas de corrosión, picado intenso (pitting action), rasguños o indentaciones irregulares sobre todo en la punta y en las partes laterales.

Daño por corrosión

Picado intenso

(a) Parte frontal

Picado intenso

(b) Parte frontal inferior FIME


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Rasguños-Indentaciones irregulares

(c) Parte Lateral izquierda

Picado intenso

(d) Parte lateral derecha Fig. 31. Punta de una excavadora.

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2.5.1 ANÁLISIS DE DUREZA Adicionalmente, se llevaron a cabo pruebas de dureza usando un durómetro (MicrohardnessTester LECO LM 700) (ver figura 32). Cinco datos de microdureza fueron calculados para cada material de prueba y un valor promedio fue obtenido. Los resultados de microdurezason presentados en la Tabla.

Dispositivo para medir la longitud de la huella en X yY

Mesa Porta-espécimen

Display de resultados de dureza (HV)

(a) Durómetro

(b) Porta-espécimen

Lente para enfocar muestra F(c) Lente para enfocar la muestra

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Indentador con punta cónica de diamante (d) Indentador cónico de diamante


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(e) Lente enfocando muestra

(f) Indentador actuando sobre muestra

(g) Display del resultado de dureza. Fig. 32. Durómetro LECO LM 700.

Tabla 5. Micro-dureza Materiales Punta de excavadora

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Dureza Vickers (HV) a 100gf 540


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2.5.2 ANÁLISIS DE RUGOSIDAD DE LA SUPERFICIE DE LA PUNTA Para llevar a cabo el análisis de rugosidad en diferentes zonas de la punta de la excavadora fue necesario usar un rugosimetro (perfilometro) Contour Measuring Instrument CV-500 que se encuentra en el Laboratorio del Grupo de Tribología del IPN en la Unidad Zacatenco. En las fotografías en la figura 33 se presenta el rugosimetro. Aquí, es posible observar la base donde es colocada la pieza de trabajo, la punta que se desliza sobre la superficie, por medio de esto es posible obtener los resultados finales, de rugosidad o profundidad, según sea el caso.

(a) Microscopio

(b) Porta-espécimen

Base para colocar piezas de trabajo

Punta del rugosimetro

(c) Viga cantiléver sosteniendo la punta Fig. 33. Rugosimetro Contour Measuring Instrument CV-500.

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Los gráficos obtenidos sobre la profundidad de los agujeros de la superficie de la punta de la excavadora, son presentados en figura 34 a y b. Se presentan las zonas que fueron recorridas con la aguja para obtener el perfil. En este caso, la distancia que se desplazo la aguja sobre la superficie fue de 25 a 30 mm. Las zonas analizadas son indicadas en las fotografías. La rugosidad promedio en ambas zonas fue Ra= 304.16 µm, con una desviación estándar (σ) de 78.16.

12 10 ) 8 m m ( 6 h t p e D 4

Dirección de

2 0 0

5

10

15

20

25

30

35

Distance (mm) (a) Parte superior

12 10 ) 8 m m ( 6 h t p e 4 D

Dirección de deslizamiento

2 0 0

5

10

15 20 Distance (mm)

25

30

(b) Parte inferior Fig. 34. Perfiles de desgaste de la punta de la excavadora.

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2.6 ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN LA PUNTA DE UNA EXCAVADORA 2.6.1 ESTUDIOS PREVIOS SOBRE EL DESGASTE EN PUNTAS (BACKHOE TIPS) Compañías como Caterpillar, y otras, se dedican a desarrollar investigación sobre diferentes materiales que puedan ser usados para la fabricación de puntas de excavadoras que resistan condiciones severas de abrasión. Algunos de los materiales que son comúnmente empleados para la fabricación de estos elementos mecánicos son aleaciones de acero como D2, que es endurecido hasta alcanzar una dureza Brinell de 430-520 HB [26].

Fig. 35. Puntas de retroexcavadoras (Backhoe tips) [26].

Debido a estas investigaciones sobre el desgaste de puntas de excavadoras sometidas a condiciones severas de abrasión, se han logrado diseñar nuevas y novedosas puntas para diversas condiciones de trabajo. Algunas de estas son presentadas en la figura 36 y 37. Se tienen adaptadores de contenedores frontales que proveen excelente resistencia al impacto, habilidad de penetración y son útiles en condiciones de abrasión severa. Estos contenedores (rear buckets) tienen diferentes características dependiendo de la aplicación. FIME


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Por ejemplo, se tienen los contenedores estándar (Standard Duty Bucket) para el manejo de materiales como arena que pueden almacenarse o acumularse de manera continua. Además se tienen contenedores de aplicación más pesada (Heavy Duty Bucket), los cuales ofrecen una mayor resistencia a materiales abrasivos debido a que las puntas son reemplazables, y cuenta con una base mucho más gruesa y resistente al desgaste. Existen otros contenedores que son usados para trabajo donde las condiciones abrasivas pueden incrementarse. Estos cuentan con características especiales como aleaciones de acero mucho más resistentes, además de contar con una resistencia al contacto por deslizamiento mucho mayor.

(a) Adaptador de contenedor

(b) Contenedor estándar

(c) Contenedor de trabajo pesado Fig. 36. Tipos de adaptadores para excavadora.

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(a) Adaptadores de la cuchara

(b) Reten para unión con el contenedor

(c) Perno y reten

Fig. 37. Adaptadores del contenedor de la excavadora [26].

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2.6.2

IDENTIFICACIÓN

DE

MECANISMOS

DE

DESGASTE

USANDO MICROSCOPÍA ÓPTICA La zona de daño que fue primeramente analizada es la parte central de la punta donde se concentra el mayor número de agujeros en la superficie y algunos rasguños provocados por el contacto o deslizamiento de los contaminantes mencionados. Las micrografías de la superficie fueron obtenidas usando un microscopio óptico Olympus GX51 para analizar su morfología. En la figura 38 a y b, se presenta el microscopio empleado que se encuentra en la SEPI-ESIME-IPN en la Unidad Zacatenco en la Ciudad de México y la zona revisada, respectivamente.

(a) Vista frontal

(b) Zona de daño Fig. 38. Microscopio óptico OLYMPUS GX51 usado para identificar los mecanismos de desgaste.

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Las micrografías obtenidas en el microscopio óptico son presentadas en la figura 39 a-c. En las fotografías es posible confirmar algunos de los mecanismos de desgaste, tales como rasguños o indentaciones irregulares, picado intenso con agujeros ubicados en posiciones al azar, algunos surcos son fácilmente observados sobre todo en la figura 39a.

Indentaciones irregulares

(a) Rasguños, indentaciones irregulares

Picado intenso

(b) Picado intenso

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Picado intenso

Desgaste por deslizamiento de alguna partícula (ralladura)

(c) Desgaste por deslizamiento Fig. 39. Daño por abrasión en la parte central de la punta de la excavadora.

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2.7 ANÁLISIS CRÍTICO DE LOS DIFERENTES ENFOQUES A través de este estudio realizado se pudieron observar diferentes formas de daño en las puntas de una excavadora. El principal proceso de desgaste es por abrasión debido al contacto con diferentes partículas que son altamente abrasivas y que al tener diferentes formas incrementan la tasa de desgaste en estos componentes mecánicos. Los mecanismos de desgaste son caracterizados por agujeros (picado intenso) que están ubicados en diferentes posiciones en la superficie, por supuesto indentaciones que son irregulares por el contacto o deslizamiento de las partículas o contaminantes, rasguños, surcos, ranuras, etc.

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CAPITULO 3

FIME


Página 65


3.1

CONCLUSIONES

En este trabajo se presentó una descripción del daño producido en las puntas de una excavadora. No se trato de solucionar el severo problema de desgaste que se tiene en estos componentes mecánicos sino de dar una explicación profunda acerca de como se presenta el daño, porque ocurre y que es lo que lo provoca. Se realizó una revisión bibliográfica acerca de las excavadoras, sus antecedentes, los diferentes tipos que actualmente son empleados para realizar trabajos de excavación, extracción, minería, etc., las diferentes partes que integran a estos componentes mecánicos, una descripción de su funcionamiento y de los materiales anti-abrasión que son empleados comúnmente para la fabricación de estos. Asimismo, se realizó un análisis detallado de los principales procesos y mecanismos de desgaste que están involucrados en el daño producido en estos componentes mecánicos. Un estudio de dureza, además de un análisis químico se tendrán que completar para conocer cuales son los materiales usados para la fabricación de estos elementos. La identificación de los mecanismos de desgaste se logró usando microscopia óptica, aunque se usará microscopía electrónica de barrido para completar el análisis de falla.

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Página 66


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Página 67

ANÁLISIS DEL DESGASTE PRODUCIDO EN UNA PUNTA DE UNA EXCAVADORA 419&sa=X&ei=GPk3UaGfHJG2AWbhIDICg&ved=0CDIQ6AEwAQ#v=onepage&q=1060%20W X%20Backhoe%20Bucyrus&f=false (revisado 6 de Marzo de 2013).

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Modelo

SK350,

http://www.viarural.com.mx/agroindustria/maquinaria-construccion/newholland/excavadoras/excavadora-sk350.htm (revisado 12 de Marzo de 2013). [16] Compañía VOLVO, Excavadora Volvo EC360C, http://es.extpdf.com/manual-de-unaexcavadora-volvo-pdf.html#a1#a1 (revisado 12 de enero de 2013). [17]

Prevenpiedra,

2.-

La

excavadora

hidráulica:

Descripción,

http://www.prevenpiedra.com/upload_folder/tecnicasoperativas_excavadora.pdf (revisado 7 de Marzo de 2013). [18]

CASE

Construction,

Excavadoras

Serie

CX

B,

http://www.grumaq.com.ar/UserFiles//media/Documentos/164-CXB_BRes_CCES10090802_052009.pdf (revisado 12 de enero de 2013).

FIME


Página 68


[19]

JOHN

DEERE,

Excavadora

60D,

http://www.deere.com/en_US/docs/construction/excavators/60d/DKA60DCWPES.pdf (revisado 12 de Marzo de 2013). [20] TECNIACEROS, Aceros Antidesgaste (Aplicaciones de Impacto y Abrasión), http://www.tecniaceros.com/productos8.1.htm (revisado 12 de enero de 2013). [21] Compañía VOLVO, Excavadora Volvo EC360C, http://es.extpdf.com/manual-de-unaexcavadora-volvo-pdf.html#a1#a1 (revisado 12 de enero de 2013). [22]

CASE

Construction,

Excavadoras

Serie

CX

B,

http://www.grumaq.com.ar/UserFiles//media/Documentos/164-CXB_BRes_CCES10090802_052009.pdf (revisado 12 de enero de 2013). [23] DINSA, Pala Excavadora, http://www.dinsamonterrey.com/2010/05/pala-excavadora/ (revisado 12 de enero de 2013). [24] ALIBABA, Tractor de oruga bulldozer, http://spanish.alibaba.com/product-freeimg/crawler-tractor-bulldozer-104604644.html (revisado 12 de enero de 2013). [25]

Caterpillar,

Cat

Backhole

Loader

Options,

http://www.uk.cat.com/cda/files/3188247/7/pehj0117-01.pdf (revisado 27 de febrero de 2013). [26]

Caterpillar,

Adapters

and

Bucket

tips,

http://borusanmakina.ge/broshures/PEHP9011.pdf (revisado 27 de febrero de 2013).

FIME


Página 69


GLOSARIO DE TÉRMINOS ORUGAS: Cubre un área mayor de la superficie y por consiguiente se hunde en la tierra. Funciona tal como el nombre lo sugiere, arrastrándose, con un tipo de mecanismo de banda transportadora.

CHASIS: Estructura cortante desplazable mediante cadenas o ruedas neumáticas. En el caso de ser de ruedas llevara unos estabilizadores para constituir las bases de apoyo.

DURÓMETRO: Es un equipo para medir la dureza. RUGOSIDAD: Conjunto de irregularidades que posee una superficie. Sus unidades de medida son los micrómetros (µm).

DRAGA FLOTANTE: Descripción del primer diseño de tipo de excavadora. ANGULO DE INCIDENCIA: Ángulo que forma una línea recta al incidir en una superficie con la normal a la superficie en el punto de incidencia.

DEFORMACIÓN PLÁSTICA: Deformación de un material plástico producida por una fatiga superior al límite elástico del material, que le produce un cambio permanente de su forma. También llamada fluencia plástica.

DUCTILIDAD: Se conoce como ductilidad a la propiedad de aquellos materiales que, bajo la acción de una fuerza, pueden deformarse sin llegar a romperse. Estos materiales, como ciertos metales o asfaltos, se conocen como dúctiles.

EROSION: Pérdida progresiva de material debido al impacto de partículas sólidas abrasivas o al impacto de un líquido mezclado con un sólido.

MORFOLOGÍA: Es la disciplina que estudia la generación y las propiedades de la forma. PARTICULA ABRASIVA: Es la partícula que se emplea para llevar a cabo pruebas de desgaste. Estas pueden tener una forma cónica o redonda. Además, es posible describirla como algo que desgasta o pule por fricción, especialmente una superficie, material duro que sirve para pulir, cortar o afilar otro material más blando. FIME


Página 70

Lopez Concha Luis Manuel

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