EXCAVADORAS1. IntroducciónLa excavadora hidráulica 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. (RITCHIE WIKI)La excavadora hidráulica es un equipo de excavación y carga ampliamente utilizado en carreteras, canteras y todo  tipo  de  obras  públicas  y  privadas.  Puede   ser  de  arranque   frontal  o   retro.  Esta  última  es   la  más empleada en explotaciones de canteras, están compuestas por tres elementos: el montaje (neumáticos ú orugas), la cabina, el brazo y el cucharón.En general se clasifican por el movimiento que les proporcionan los controles hidráulicos del brazo en el cual se apoya el cucharón.Una  unidad  con  un  giro  hacia abajo  se clasifica como  un  azadón,  llamado  también retroexcavadora  o retro.  Este equipo  ejerce  una  fuerza  de excavación  hacia  la  máquina, levantando la carga de abajo hacia arriba. Una unidad con un movimiento hacia delante se conoce  como  una  pala  frontal.  La  pala  frontal desarrolla  la  fuerza  de carga  moviendo  la cuchara hacia adelante de la máquina.El giro hacia abajo dictamina un mejor uso del equipo para excavaciones   por   debajo   del   nivel   de   la máquina.  El  giro  hacia  delante  de  una  pala frontal la hace más útil para las operaciones de carga; por lo tanto, la máquina requerirá una cara de material por encima del nivel de apoyo del equipo.Las retroexcavadoras son ideales para la excavación de zanjas o taludes y la carga también de unidades de transporte. Por su configuración la longitud del brazo es mayor, proporcionándole una mayor versatilidad por su alcance en cuanto a profundidad y altura. (ConstrucGeek)

HISTORIA

Antiguas palas hidráulicasLa 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. UnrelatedArmstrongtambién   construyó  palas  hidráulicas  para   agua.  Otra   compañía  que   también intentó producirlas fue Kilgore Machina Co. de Minneapolis, Minnesota, quienes patentaron la pala en 1897.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,   poseía   una   cadena montada. Los rodadores y las orugas abrieron su camino en la industria por lo que los clientes se interesaron en estos productos.

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

Excavadoras hidráulicas hoy en díaModelos 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 Lieber 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. (RITCHIE WIKY)

2. DEFINICIONLa excavadora se emplea habitualmente para abrir surcos destinados al pasaje de tuberías, cables, drenajes, etc. así como también para excavar cimientos o rampas en solares. La máquina Incide sobre el terreno con una cuchara con la que arranca los materiales que arrastra y deposita en su interior, en un movimiento de abajo hacia arriba. En general, no supera pendientes del 30% en terrenos deslizantes. El chasis puede estar montado sobre cadenas o bien sobre neumáticos. En este último caso están provistas de gatos hidráulicos para fijar la máquina al suelo.

Las excavadoras tienen muchas variaciones. Pueden estar montadas sobre orugas o sobre ruedas y disponen de distintos accesorios de operación. Con cada opción de tipo, modelo, accesorios y tamaños se tienen diferentes aplicaciones y por lo tanto, distintas ventajas económicas.

La potencia hidráulica es la clave de las ventajas que ofrecen estas máquinas. El control hidráulico de los componentes de la máquina proporciona mayor rapidez en los tiempos de los ciclos, mejor control de los accesorios, mejor eficiencia total, suavidad y facilidad de operación y un control positivo que permite una mayor precisión.

Las excavadoras hidráulicas están compuestas por tres elementos: el montaje (neumáticos ú orugas), la cabina, el brazo y el cucharón. En general se clasifican por el movimiento que les proporcionan los controles hidráulicos del brazo en el cual se apoya el cucharón (Figura 6.1). Una unidad con un giro hacia abajo se clasifica como un azadón, llamado también retroexcavadora o retro. Este equipo ejerce una fuerza de excavación hacia la máquina, levantando la carga de abajo hacia arriba. Una unidad con un movimiento hacia delante se conoce como una pala frontal. La pala frontal desarrolla la fuerza de carga moviendo la cuchara hacia adelante de la máquina. El giro hacia abajo dictamina un mejor uso del equipo para excavaciones por debajo del nivel de la máquina. El giro hacia delante de una pala frontal la hace más útil para las operaciones de carga; por lo tanto, la máquina requerirá una cara de material por encima del nivel de apoyo del equipo.

Figura 1. Esquema del movimiento de las excavadoras hidráulicas

3. TiposLas excavadoras se clasifican de la siguiente manera:Según su accionamiento:

Excavadoras de cable o mecánicas. Excavadoras Hidráulicas.

Según el sistema de traslación: Excavadoras montadas sobre cadenas (orugas) Excavadoras montadas sobre ruedas o Neumáticos. Excavadoras montadas sobre rieles. Excavadoras montadas sobre barcos.

Según el Tipo de operación: Excavadoras normal o Standar Excavadoras de mordazas. Excavadoras de tamber Excavadora de Rosario

Excavadora Normal de CucharaPara efectuar la descarga la cuchara gira alrededor de un eje vertical y se baja hasta colocar en un punto devertido; se descarga sobre el fondo.El giro corresponde a un tiempo improductivo y este debe ser reducido al mínimo; por ello los camiones para cargar el  material  excavado, deben situarse lo mas cerca posible del frente del ataque. Cuando el operario es experto, efectúa ambos movimientos, giro y puesta en posición de descarga, simultáneamente, reduciéndose de esta manera al mínimo el tiempo necesario para el ciclo de funcionamiento de la maquina. No es recomendable efectuar el giro cuando se esta cargando la cuchara, pues se somete a ala pluma a un esfuerzo de torsión que puede producir averías.Un tipo de excavadora normal mas moderno esta equipada con cinta transportadora; su forma de trabajo es análoga, con la gran ventaja de reducir el tiempo necesario para el giro, la descarga de la cuchara y la nueva colocación al frente del ataque. Esta cinta transportadora no puede transportar el material en inclinaciones superiores al 15% o 20%.

Excavadora o pala cargadora con ruedasEl modelo de excavadora o pala cargadora de la imagen es una máquina con una gran capacidad de carga y potencia, idónea para labores de extracción y movimiento de tierras. En la imagen podemos ver la máquina trabajando en un acopio de áridos existente en graveras, plantas de elaboración de aglomerados y zahorras, etc... Su diseño con ruedas la hace apta e idónea para terrenos uniformes. La falta de dientes en la pala cargadora nos indica en este caso que trabaja en zonas blandas con tierras ya movidas.

Excavadora de mordazasEste tipo de excavadoras tiene  la particularidad de utilizar un accesorio que trabaja a peso propio, con mecanismos que permiten excavar  en un material  apilado,   la  cuchara   tiene mordazas  que se abren y cierran.  Este tipo de equipos tiene muy poca aplicación en movimiento de tierras,  pero si  se aplica en construcción de edificios, ya que transporta material suelto.La capacidad de este equipo está dada por la cuchara de mordazas cuya capacidad varia de 0.3 a 2 m3 sueltos. Los pesos de este tipo de excavadoras oscilan entre 10 y 30 toneladas y su velocidad de traslación de 1 a 4 KPH. La cuchara pesa alrededor de una tonelada. Existen varios diseños de cucharas de mordazas.

Excavadora de RosarioEste tipo de equipos se utiliza para la excavación de zanjas de gran magnitud.El sistema de excavación lo constituye una especie de cinta sin fin con numerosas cucharas de excavación.Este equipo tiene bastante utilización en Europa, principalmente en Alemania.

Excavadora de Tambor Normal

Gran excavadora de mineríaEsta máquina esta diseñada especialmente para extracción de áridos en excavaciones de minería a cielo abierto, aunque también puede emplearse en grandes movimientos de tierras durante la construcción de grandes obras civiles como embalses, etc. Es una máquina que aunque está dotada de cadenas no suele realizar desplazamientos continuos durante su actividad y su pala excavadora está diseñada con aleaciones especiales de acero e incluso dotada con dientes diamantados para la extracción de roca y áridos de gran dureza.  El  volumen y capacidad tanto de  la  máquina como de  la  pala  son capaces de cargar  en pocos movimientos grandes dumper.

Pequeñas máquinas ExcavadorasExisten máquinas de pequeñas dimensiones que son ideales para la excavación de tierras en lugares de reducidas  dimensiones  en   los  que a   las  grandes  máquinas   les  es   imposible  maniobrar.  Estas  máquinas realizan funciones tales como la realización de zanjas para cimientos en pequeños solares o en obras en las que   la   complejidad   del   entramado   de   cimientos   hace   casi   imposible   la   posibilidad   de   la   excavación mecánica.

4. Proveedores y Marcas Badger Bell Bobcat Case Caterpillar CNH Daewoo Doosan Fiat-Hitachi Gehl Hyundai IHI Gradall Hitachi JBC John Deere Jonyang Junlian Kato

Kobelco Komatsu Kubota LBX Liebherr LuiGong Mustang New Holland Pel-Job Samsung Sumitomo Sunward Takeuchi Tata Hitachi Terex Thomas Vermeer Volvo YTO

5. SELECCIÓN DE LAS EXCAVADORAS

Por comprenderse de maquinas de elevado coste, se debe considerar una prudencial cautela la elección de una excavadora, para una explotación rentable. A continuación se darán a conocer algunas recomendaciones, comentarios y reglas respecto a ciertos conceptos que intervienen de manera fundamental en la explotación.

PRIMERO: En primer lugar, conviene insistir en que la elección de una maquina excavadora, la dureza o consolidación del material a extraer o a excavar resulta fundamental.Cuando se trata de excavar margas o arcillas poco consistentes es suficiente con cualquier tipo de maquina, por pequeña que sea. Cuando se pretende hacer las excavaciones de materiales rocosos duros, sean previamente volados con dinamita u otro explosivo, no es aconsejable el empleo de palas excavadoras de capacidad inferior a los 3/4 m3.

SEGUNDO: El rendimiento de una excavadora, lógicamente esta en función de la capacidad de la cuchara y varia en amplios márgenes según el tipo de material a excavar y cargar.

Puede darse de todas maneras una regla aproximada como la siguiente:“por cada metro cubico de capacidad de cuchara una pala carga por hora 100 m3 de material blando y 70 m3 de material duro rocoso”.

La cota de excavación influye también de manera muy notable en el rendimiento de una pala. La siguiente tabla recoge los distintos tipos normales de pala:

RENDIMIENTO EN METROS CUBICOS POR HORA DE 60 MINUTOS EN PALAS EXCAVADORAS

TAMAÑO DEL CUCHARON EN (m3)

CLASE DE MATERIAL0,2

9

0,3

8

0.5

8

0.7

7

0.9

6

1.1

5

1.3

51.5 1.9

Tierra húmeda o arcilla

Arenosa y liviana65 88 125 155 190 220 245 270 310

Arena y grava 60 85 120 150 175 205 230 250 300

Tierra común 53 73 105 135 160 185 205 230 270

Arcilla dura 38 57 85 110 140 160 180 200 235

Roca bien fragmentada 30 45 73 95 120 140 155 175 210

Material común con

raíces rocosas23 38 61 80 100 120 140 153 187

Arcilla mojada y

pegajosa19 30 54 73 92 110 126 141 175

Rocas mal

fragmentadas12 19 38 57 73 88 107 122 150

FUENTE: manual de maquinarias de construcción – manuelDiaz del Rio – pagina 459.

Figura 4. Ejemplo del trabajo del azadón, excavando y cargando un camión por encima del nivel de carga.

TERCERO: Se entiende por óptima cota de excavación, o profundidad de corte, aquella con la que se consigue un máximo rendimiento en volumen excavado y la posibilidad de llenar completamente la cuchara sin dificultades en un solo recorrido de la misma. Para ello se da una tabla indicativa:

OPTIMA PROFUNDIDAD DE CORTE PARA PALAS EXCAVADORAS

Capacidad del

cucharon en (m3)

Materiales, suelos, arena,

grava, etc.(en m)

Materiales medianos

tierra común (en m)

Materiales difíciles arcilla dura, mojada

y pegajosa (en m)

0.290.380.580.770.961.151.351.51.9

1.151.401.621.831.982.132.252.382.56

1.371.432.072.382.602.802.963.113.41

1.832.132.442.742.993.263.513.724.05

FUENTE: Manual de maquinarias de construcción – ManuelDíaz del Rio – pagina 459.

CUARTO:El ángulo horizontal que tiene que tiene que girar la excavadora para verter el producto cargado tiene una importancia fundamental en el rendimiento. Lo normal es que se impongan a la pala movimientos de giro no superiores a los 70°, y nunca se deben sobrepasar los 90°.

FACTORES DE CORRECCION PARA LA PROFUNDIDAD DE CORTE Y GIROS EN PALAS EXCAVADORAS

Profundidad de la excavación en

porcentaje de la optima

profundidad

GIRO (en grados)

45° 60° 75° 90° 120° 150° 180°

4080

100100120140160

0.931.101.221.261.201.121.03

0.891.031.121.161.111.040.96

0.850.961.041.071.030.970.90

0.800.910.981.000.970.910.85

0.720.810.860.880.860.810.75

0.650.730.770.790.770.730.67

0.590.660.690.710.700.660.62

FUENTE: Manual de maquinarias de construcción – ManuelDíaz del Rio – pagina 460.

Figura 5. Esquema del trabajo de una excavadora en zanjas y la influencia de laprofundidad y el radio de corte.

RECOMENDACIONES.

1. La excavadora necesita un lugar suficientemente amplio para poder evolucionar con facilidad. Los espacios libres necesarios para su operación vienen indicados en los catálogos entregados en toda maquina.

2. Un capitulo muy importante que hay que tener en cuenta al adquirir una maquina es la necesidad de su cambio de tajo una vez acabada la realización de su trabajo.

3. Cuando se pretenda hacer excavaciones sencillas y muy pequeñas en sitios muy distantes unos de otros, lo recomendable es adquirir una maquina sobre neumáticos.

4. Cuando además el volumen a excavar es grande en cada tajo, ls distancias entre los mismos sean pequeñas se recomienda una excavadora sobre orugas.

5. También se puede adquirir una excavadora sobre orugas cuando los volúmenes a excavar sean grandes y que el material sea muy consistente, aunque la distancia entre los distintos tajos sea muy importante.

6. Las excavadoras pueden trasladarse por mas grandes que sean, sobre plataformas especiales de ferrocarril y también sobre tráileres carreteros, aunque en este caso, es muy frecuente que las de gran tamaño haya que desmontarlas en sus tres partes.

7. Para elegir una maquina excavadora hay que tener en cuenta el volumen de las cajas de los camiones que la sirven. Se da como regla general, para la elección de una pala excavadora y atendiendo a a los elementos de transporte, que estos pueden ser llenados en cuatro cucharadas o cinco como máximo de la maquina cargadora.

8. Cuando el trabajo es duro, muy especializado y de gran permanencia en obra, resulta impredecible el empleo de la maquina excavadora de empuje, que además de este equipo, puede ser dotada de implementos que la capacitan para diferentes trabajos.

EXCAVADORAS IDEALES

- Las palas frontales son máquinas ideales para la excavación en canteras y la carga de unidades de transporte. Su habilidad para cargar hacia delante requiere que el material se encuentre en un banco por encima del nivel de la pala y en una sola operación, es capaz de cargar ydescargar en el camión.

- Las retroexcavadoras son ideales para la excavación de zanjas o taludes y la carga también de unidades de transporte. Por su configuración la longitud del brazo es mayor, proporcionándoleuna mayor versatilidad por su alcance en cuanto a profundidad y altura.

- Los cargadores frontales son ideales para la manipulación de material tipo agregados, como tierra y roca bien fragmentada: la carga de camiones, la excavación de tierra, la carga de agregados en plantas de concreto y asfalto. La excavación la realiza por encima del nivel de la máquina. Vienen montados sobre orugas o sobre neumáticos. La ventaja de los cargadores deneumáticos es que la cabina puede articularse respecto a las llantas posteriores, facilitando su operación.

5.1. SELECCIÓN DE EXCAVADORAS POR EL COSTO Cuando se relaciona el costo, se debe estimar el costo por metro cúbico manipulado por la excavadora. En este cálculo hay que considerar aspectos como la dimensión del trabajo. Si éste involucra la manipulación de grandes cantidades de material, puede justificarse el uso de una excavadora de gran dimensión. Otro aspecto es el transporte del equipo a la obra, puesto que los costos de movilización y desmovilización pueden ser mayores cuanto más grande sea el equipo. Si se trabaja en material rocoso, los costos de perforación y voladura pueden ser mayores cuando se trabaja con excavadoras pequeñas, porque se requiere mayor cantidad de explosivos para fragmentar la roca en porciones más pequeñas, mientras que una excavadora más grande puede manipular fragmentos también más grandes de roca.

5.2. Por las condiciones de trabajo

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

Otro aspecto importante en la selección del excavador es su combinación con las unidades de transporte. Se mencionó en 5.2 que un camión no debería llenarse con más de 5 cargas ni con menos de 4. Es decir, que la capacidad de las unidades de carga debe ser cuatro o cinco veces la dimensión del cucharón. Además, la altura de la tolva respecto al nivel del terreno o de la excavadora determina el modelo, que debe ser capaz de alcanzar la parte superior de la tolva para descargar el material. Aunque en este sentido, es posible solucionarlo colocando la excavadora a una altura por encima del camión (Figura 6.3).

Cuando se excavan zanjas, el ancho del cucharón será crítico para no exceder al ancho de la excavación y lograr la suficiente fuerza de corte. En este caso también es crítica la profundidad y el radio de trabajo de la excavadora (Figura 6.4). En cualquier caso, el peso de la carga en el cucharón no debe exceder la máxima carga de diseño o llamada también, máxima carga de equilibrio estático. De lo contrario, la excavadora puede voltearse y dañarse o causar daño al personal. Por seguridad, no se recomienda llegar al límite sino a un porcentaje de este valor, como se explica en el cálculo de la producción (Ver numeral 6.2.2).

6. Cálculo de la producción Si un excavador se considera como una unidad independiente, su tasa de producción puede estimarse como el volumen del cucharón (Vcucharón) entre el tipo del ciclo de carga (Tciclo), afectado por los factores de eficiencia (E), de ángulo y altura de corte (fca) y de volumen (fv), según la Ec. 6.1.

Pexcavadora=V cucharonT ciclo

.E . f ca . f v

6.1. Volumen del cucharón El volumen del cucharón se considera la capacidad colmada, afectada por los factores de llenado, como se muestra en la Ec. 6.2.

V cucharon=V colmado . f llenado

La capacidad colmada se estima a partir de la información del fabricante, que asume un acomodo del material con una loma en la parte central y una pendiente hacia los lados (Ver Figura 6.5). Esta pendiente es de 1:1 para las palas y las

excavadoras de azadón (especificación PCSA) y es de 2:1 para los cargadores frontales (especificación SAE).

Figura 6.5 Esquema de la capacidad del cucharón de las palas y azadón.

6.2. Verificación de la carga de operación Una vez que se determina el volumen de la carga de la excavadora, se debe verificar el peso. A diferencia de una pala o una excavadora de azadón, el cargador debe maniobrar con el cucharón cargado en posición elevada. La pala y el azadón sólo giran alrededor de su centro y no requieren movilizarse, porque no tienen desplazamiento, pero el cargador sí. Por ello, en este equipo es más probable que un exceso de peso de la carga en el cucharón produzca el volteo de la máquina.

Tabla 6.2 Tiempos de ciclo de excavadores tipo azadón sobre orugas, para condiciones promedio.

Condición promedio: Profundidad de corte entre 40% y 60% de la máxima profundidad de corte y ángulo de giro entre 30° y 60°, con unidades de transporte al mismo nivel de la excavadora.

En general, se estima que una excavadora de azadón tiene tiempos de ciclos 20% más largos que los de una pala frontal de similares dimensiones. Esto se debe a la mayor longitud del brazo, que obliga a realizar mayores movimientos y maniobras durante el trabajo. Schexnayder (2002) encontró que una excavadora trabajando por debajo del terreno logran un

Capacidad de golpeo

Capacidad de carga

Nivel de golpe

ahorro de hasta el 12.6% en el tiempo del ciclo que si trabajan por encima de su nivel.

Tabla 6.3 Tiempos de ciclo de cargadores frontales.

Fuente: Peurifoy y Schexnayder. Construction Planning, Equipment and Methods.2002.

Cuando se trabajen con condiciones distintas a las promedio o ideales para las cuales se han calculado los tiempos de los ciclos, hace falta aplicar el factor de corrección por corte y ángulo, que se indican en 6.2.5.