Cargador frontal ULS.pdf

DPF

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TO. INGENIERÍA DE MINAS ACULTAD DE INGENIERÍA IVERSIDAD DE LA SERENA

Curso:

CARGUIO Y TRANSPORTE

Capítulo 5 EQUIPOS DE CARGUÍO

Alejandro Cruzat G. Ingeniero Civil de Minas Profesor Asignatura “Carguío y Transporte” Departamento Ingeniería de Minas Universidad de La Serena

OCTUBRE 2006

Alejandro Cruzat G. Curso Carguío y Transporte Capítulo 5 - Equipos de Carguío

5.1 CARGADORES FRONTALES 5.1.1 INTRODUCCION El primer cargador apareció en Estados Unidos en 1939 y consistía en un tractor de ruedas con un balde en la parte delantera accionado por cables. En la década de los años cuarenta se introdujeron numerosas modificaciones: ubicación del motor en posición trasera para mejorar la tracción y estabilidad, brazos soportes del balde a ambos lados del equipo, accionamiento hidráulico del balde y tracción a las cuatro ruedas. Posteriormente, en los años cincuenta se introdujo la servotransmisión y en la década de los sesenta el diseño articulado. Estos equipos, por su gran movilidad, maniobrabilidad y versatilidad, han tenido una gran popularidad, tanto en obras públicas como en minería a cielo abierto, alcanzando la máxima penetración en la década de los setenta con la aparición de máquinas de 125 t, capaces de cargar camiones de hasta 154 t. En los años 80 se produjo una paralización en el crecimiento de los cargadores, existiendo solo nueve modelos con balde superior a 10 m3. Esta falta de crecimiento se debió a dos causas: - Falta de crecimiento en la capacidad de los camiones de acarreo de materiales que en esa década

sólo pasaron de 154 a 200 t. - Fuerte penetración en el mercado de las excavadoras hidráulicas, tanto en los movimientos de

tierra como en la minería a cielo abierto.

Universidad de La Serena

Departamento de Minas Pág. 2


5.1.2 VERSATILIDAD OPERACIONAL Y TIPOS DE UNIDADES Los cargadores están capacitados para efectuar las siguientes operaciones: - Carga de camiones tolva, vagones de tren o tolvas fijas. - Carga y transporte, reemplazando en distancias cortas el empleo de camiones tolva. * Desde el frente de trabajo hasta el punto de vaciado, Vg. chancador primario. * Desde un stock de material hasta la planta de tratamiento. - Como máquina auxiliar: puede trabajar en limpieza de frentes o lugares de trabajo, preparación de rampas, apertura de pistas de transporte en laderas de cerros, etc. - Como máquina de empuje, sustituyendo a los tractores sobre orugas. Existen dos tipos de cargadores frontales, que se diferencian en el tren de rodaje: - Máquina sobre ruedas - Máquina sobre orugas.

Cargadores de orugas y ruedas.

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De acuerdo con la capacidad del balde, se establecen tres categorías de cargadores

CATEGORIA CAPACIDAD (yd3)

CAPACIDAD (m3)

Pequeños Medianos Grandes

< 4

4 - 8 > 5

Los cargadores han seguido en su evolución al tamaño de los camiones. Mientras que las máquinas de la Categoría II se emplean fundamentalmente como unidades de carga asociadas al arranque de materiales mediante tractores y con camiones, comprendidos entre las 35 y 50 t, - que es la gama más utilizada en los movimientos de tierra de obras públicas - los equipos de la categoría III, que pueden llegar a tener baldes de hasta 25 m3, se utilizan sólo en los grandes proyectos y, fundamentalmente, en la minería a cielo abierto, ya que pueden cargar camiones con capacidades superiores a 85 t.



5.1.3 CARACTERISTICAS GENERALES Y DE DISEÑO Las principales características de los cargadores son: - Gran movilidad, alcanza hasta los 45 km / h permitiendo el transporte a cortas distancias. - Altura de descarga, comprendida entre 3 y 7 m o más. - Diseño compacto, relación media Peso en Servicio / Tamaño del balde de 7,5 t/m3.

CAPACIDAD NOMINAL DEL BALDE (m3)

RELACION: CAPACIDAD DE LOS BALDES Y PESO EN SERVICIO DEL CARGADOR. - Relación favorable de Potencia instalada / Capacidad del Balde, alcanzándose un valor medio de 62 HP / m3.

R

Universidad de


ELACION: CAPACIDAD DEL BALDE Y POTENCIA DEL CARGADOR.

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- Capacidad para remontar y trabajar en pendientes y excelente maniobrabilidad y radio de giro pequeño gracias a la articulación central.

- Gran anchura del balde que le permite manejar grandes piedras o piezas. - Puede obtener mezclas en las frentes de carguío debido a la gran maniobrabilidad. - Facilidad para mantener un piso de carga más limpio, no precisándose máquinas auxiliares

para estos menesteres, como en el caso de excavadoras de cables o hidráulicas. - Adaptabilidad a diferentes métodos de carguío y transporte. - Menor inversión de capital que en otros sistemas de carga. - Menor peligro de envejecimiento debido a su menor vida útil (10.000 a 15.000 hrs.). - Facilidad de reventa, alta posibilidad de arriendo y contratación. - Mantenimiento sencillo por el sistema de intercambio de conjuntos. - Menor necesidad de práctica y experiencia del personal que con otras unidades de carga.


RELACION: CAPACIDAD DEL BALDE Y FUERZA DE ARRANQUE DEL CARGADOR



Sin embargo los cargadores de ruedas presentan los siguientes inconvenientes: - Requieren que el material, en general, a cargar sea previamente tronado. - Para igual capacidad del balde, tienen una menor productividad que las palas de cables. - Necesitan amplio espacio para maniobrar, ya que necesitan desplazarse durante la operación de carga. - La productividad se reduce con la aparición de problemas de tracción, en suelos embarrados y

blandos. - Cuando el piso donde se está cargando es disparejo o presenta “patas”, se eleva el costo de los

neumáticos. - La menor vida de estos equipos se traduce en un mayor costo de propiedad. - Necesitan bancos de menor altura para operar con seguridad. - Menor DF que las cargadores de cables. - Condiciones de trabajo para el operador más duras que en otras máquinas de carga.




5.1.4 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN En lo relativo al diseño y construcción de los cargadores de ruedas, las partes más importantes son: - El chasis. Salvo en los equipos muy pequeños, el chasis está formado por dos semichasis unidos por una articulación doble con eje vertical:

Chasis de un cargador de ruedas articulado. En el semichasis delantero, con una forma más o menos triangular, va anclado todo el equipo de trabajo. El semichasis trasero tiene forma de caja y debe soportar además del eje y su diferencial (al igual que el delantero), el peso del motor y de la transmisión y, generalmente, la cabina y mandos del operador. Están construidos de acero de alta resistencia, especialmente diseñados par soportar esfuerzos de carácter continuado, tanto de torsión como de flexión. Van unidos mediante dos pasadores de acero endurecido que se insertan en cojinetes de rodillos. La distribución de masas evita la necesidad de un contrapeso y mantiene bajo el centro de gravedad.




- El motor. Los cargadores utilizan motores diesel como fuente de energía primaria, generalmente, turboalimentados y con postenfriador. El motor diesel fue patentado en 1892 por Rudolf Diesel. Su utilización en el campo de la minería a cielo abierto tuvo unos comienzos lentos y difíciles, no siendo hasta los años treinta cuando se aplicó a un camión minero. En la década de los cuarenta apareció la primera generación de cargadores frontales sobre orugas que los montaba, mientras que en los cincuenta y los sesenta supusieron la aparición respectiva en las retroexcavadoras y las frontales hidráulicas. Los motores diesel constituyen hoy día el sistema de accionamiento de la mayoría de los equipos utilizados en la minería a cielo abierto y obras viales. En ocasiones, cuando la infraestructura del área o las dimensiones y movilidad de los equipos dificultan el uso de energía eléctrica, se utiliza una combinación diesel – eléctrica, cuya fuente de accionamiento primaria es diesel. Características generales: Admisión de combustible y relación de compresión Encendido. Par motor. Rendimiento térmico. Toxicidad de los gases. Calidad de construcción. Velocidad de rotación. - La transmisión. Los cargadores pueden utilizar dos tipos de transmisión: mecánica o eléctrica. Transmisión mecánica. Está constituida por los siguientes elementos principales: Convertidor de par: Su finalidad es disponer de un órgano que multiplique el par, disminuye el número de revoluciones y brinde un número de revoluciones de cambio. Transmite el par motor, transformándolo en fuerza hidráulica, y permite variar la velocidad de modo continuo. Se emplea acoplado a una transmisión por engranajes para diversificar los márgenes de velocidades. Caja de cambios: suele ser del tipo servotransmisión, disponiendo de varias velocidades hacia delante y hacia atrás. Árboles de transmisión: transmiten el movimiento a los dos ejes, consiguiéndose así la tracción a las cuatro ruedas.



Diferenciales, ejes y mandos finales: el diferencial permite mantener la tracción en una rueda a pesar que la otra esté bloqueada, El eje trasero es oscilante, proporcionando mayor estabilidad a la máquina y permitiendo así que las ruedas estén siempre en contacto con el suelo, a fin de obtener mayor tracción. Los mandos finales suelen ser del tipo planetario para lograr un mejor reparto de las cargas.

Motor y transmisión mecánica de un cargador frontal - La transmisión eléctrica El sistema de transmisión eléctrica dispone de un motor que gira a velocidad constante y que está acoplado a un generador de corriente alterna y a una caja reductora a la que van conectadas las bombas del circuito hidráulico de elevación del balde y de dirección. El cargador tiene un rectificador de corriente y un motor de corriente continua en cada rueda.

Cargador con transmisión eléctrica.



Motor eléctrico en la rueda de un cargador. Ventajas de la transmisión eléctrica: Se elimina la transmisión mecánica y con ello los desgastes de los engranajes y ejes articulados. La transmisión de energía entre el grupo motor y el grupo propulsor a través de cables permite aumentar el ángulo de articulación total hasta 90º (2 x 45). Menor desgaste de los neumáticos al adaptar automáticamente el par motor a la adherencia del terreno. Frenado más eficiente, pues la energía cinética de la máquina se convierte en los motores de las ruedas en corriente eléctrica y ésta se devuelve en parte al generador (20%) y el resto se disipa en un conjunto de resistencias diseñado a tal fin. El empleo del frenado dinámico reduce el desgaste de los frenos de servicio y suele ser suficiente para parar la máquina en terreno horizontal. El sistema hidráulico de accionamiento del balde está regulado electrónicamente, pudiendo aumentar la velocidad de elevación y descarga. Desventajas de la transmisión eléctrica: Necesidad de especialistas eléctricos y electrónicos para las reparaciones y el mantenimiento. Mayor número de averías en los motores eléctricos en ambientes de polvo y humedad.



- El sistema hidráulico. El circuito hidráulico de un cargador de ruedas acciona los cilindros del balde, los cilindros de elevación y los cilindros de la articulación, todos ellos de doble efecto. La bomba que acciona los cilindros de la articulación central debe producir la presión de aceite suficiente para controlar el cargador, incluso cuando el motor de la máquina funciona a bajo régimen. - El equipo de trabajo. Está constituido por el mecanismo de elevación, el mecanismo de volteo y el balde.

Mecanismo de accionamiento del balde a) en paralelo, b) en “z”. Posicionado automático del balde de un cargador.




- El balde. Los baldes se pueden clasificar en tres tipos: Materiales ligeros. Uso general De roca.

L“d Ea Erf Ecs Lp

U

Tipos de baldes

os dos primeros son baldes rectos y el último se construye con un borde de ataque en forme de V” para mejorar la penetración. El primer tipo lleva labios antidesgaste y los otros dos llevan ientes..

l balde para materiales ligeros se usa para manipular productos de baja densidad, como el carbón, renas, etc.

l balde de uso general se utiliza para manipular materiales sueltos de densidad media, y el balde de oca, se emplea en los movimientos de tierras y en las explotaciones a cielo abierto con rocas ragmentadas por tronaduras o ripiadas y con densidades medias a altas.

special atención debe prestarse al material de desgaste: portadientes, dientes, cuchillas, labios y antoneras, existiendo gran variedad de diseños que permiten, además del recambio rápido, la elección más idónea en función del material a cargar.

os baldes están articulados en dos puntos: en los extremos de los brazos de elevación y en otros untos superiores mediante una biela que determina el ángulo de forma con la horizontal.

niversidad de La Serena



- La cabina. La cabina va colocada normalmente encima de la articulación y puede formar parte del cuerpo delantero o trasero. Ventajas de la ubicación en el cuerpo delantero: Mejor visión del operador durante la operación. Aislamiento de la cabina de los ruidos y vibraciones producidas por el motor. Ventajas de la ubicación trasera: Mayor confortabilidad debido a los giros más pequeños de la parte trasera. Mayor seguridad en la operación. - Los neumáticos. Se estima que entre un 10% y un 20% del costo de mantenimiento de una cargador frontal está relacionado con los neumáticos. Por su relevancia en los costos operacionales de la maquinaria de movimiento de tierra, el tema neumático será tratado aparte en este curso.



5.1.5 OPERACIONES BÁSICAS Los parámetros que influyen en la productividad de una cargador frontal son: - La fuerza de penetración. Es función del esfuerzo de tracción de la máquina y de la inercia de la misma, variará pues con: - La potencia del motor. - La desmultiplicación de la transmisión. - El diámetro de los neumáticos. - Las condiciones de adherencia del terreno, y - El peso de la máquina y su distribución por ejes. - La fuerza de arranque o desprendimiento. Es la fuerza máxima y continua en sentido vertical ascendente y conseguida por medio de la capacidad para elevar y recoger el cucharón alrededor del punto de giro especificado. - La fuerza de elevación. Es la que se ejerce para ascender el máximo peso de la carga en el cucharón a una altura especificada, con el cucharón situado en la posición de máxima retención de carga. Depende de la capacidad del sistema hidráulico y del peso de la máquina. - El tipo y capacidad del balde. La capacidad del balde se puede dar de dos formas: - Al ras. - Colmada. La “capacidad al ras” es el volumen contenido en el balde una vez nivelada la carga entre el filo y la parte trasera del balde. La “capacidad colmada” equivale a la capacidad al ras más la cantidad adicional que se acumule con un talud 2:1 de ángulo de reposo, y el nivel al ras paralelo al suelo. Medida de la capacidad de un balde. - Práctica operativa La forma general de trabajo de un cargador de ruedas es la siguiente:



La máquina se acerca al frente de carga con el balde al nivel del suelo, la cuchilla horizontal y con la velocidad mas baja de la caja de cambios. Una vez que ha penetrado el balde en el terreno se procede a la carga del mismo mediante movimientos de cabeceo, apoyando la parte posterior del fondo sobre el terreno y manteniendo el empuje frontal, con una nueva elevación de los brazos hasta que se llena el balde. La duración de esta fase depende de: el tamaño de la máquina, el tipo de material a cargar y la habilidad del operador. A continuación, se cambia el sentido de marcha, retirándose del frente con el balde levantado, y en un momento dado vuelve a desplazarse hacia delante con el fin de aproximarse al punto de vertido para depositar la carga. la trayectoria que describe el cargador es habitualmente en forma de “V”.




5.1.6 PROCEDIMIENTOS DE TRABAJO Existen cuatro procedimientos por medio de los cuales se puede efectuar la carga sobre las unidades de transporte: Método tradicional con un cargador:

Consiste en colocar el camión sensiblemente normal al frente de carga y desde uno de los laterales cargarlo totalmente con un cargador. Ventajas: Es adecuado cuando la producción requerida está próxima a la producción de carga de una unidad. Es muy conocido por los operadores y no presenta problemas de ejecución. Permite descomponer el equipo en frentes de trabajo distintos. Permite la carga en frentes estrechas. Una vez situado el camión no hay que variarlo de posición. Desventajas: Elevado tiempo muerto de los camiones durante la carga. Mayor número de camiones para producciones altas. Necesidad de buen acoplamiento (Match Factor) para reducir tiempos de espera. Cierto tiempo de espera del cargador hasta que se coloca el camión.



Método tradicional con dos cargadores:

Es análogo al interior, con la única diferencia de qucamión desde el otro lado de éste. Ventajas: Es adecuado cuando la producción requerida estunidades. Es conocido por los operadores y no presenta probleAunque tiene un ciclo de carga algo superior al delserá más fácil de mantener en la práctica. Una vez situado el camión no hay que variarlo de po Desventajas: Necesita frentes de trabajo más amplios que el métoPrecisa cierto tiempo de espera de los cargadores mi

Universidad de La Serena Departamen

e es segundo cargador carga simultáneamente el

á próxima a la producción de carga de dos

mas en su ejecución. método alternativo es más flexible, por lo que

sición.

do anterior. entras se coloca el camión.

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Método alternativo Consiste en colocar el primer cargador normal al frente con el balde cargado y preparado para vaciar. El camión, al llegar al punto de carga, se coloca entre el frente y el cargador y recibe la primera baldada; después realiza una pequeña maniobra y se coloca perpendicular al punto de extracción con el balde hacia el mismo, recibiendo así la segunda baldada del otro cargador. En la misma posición recibe la tercera baldada suministrada por el primer cargador, que ha cargado mientras tanto, y el cuarto otra vez por la segunda, etc.

Ventajas: No hay tiempos muertos ni para los cargadores ni para los camiones. El tiempo de carga es más corto que en el método anterior. Desventajas: Dificultad para posicionarse el camión en el lugar correcto. Más complicado de ejecutar por los operadores. Al variar el número de baldadas con el que se carga el camión, cambia totalmente el planteamiento (número impar de baldadas).



Método en cadena:

Se dispone de tantos cargadores como baldadas se precisan para cargar un camión. Los cargadores se colocan normales al frente de extracción con los baldes llenos y separados de dicho frente entre 8 y 10 m, entonces empiezan a descargar sobre el camión que pasa entre el frente y los cargadores deteniéndose ante cada una de ellos. Ventajas: El camión se carga en el menor tiempo posible. Un completo y fácil acoplamiento sin tiempos muertos. El siguiente camión puede empezar a cargarse antes de terminar la carga del anterior. Costos mínimos para grandes producciones. Inconvenientes: Requiere una producción muy alta en un frente único. Se precisan frentes muy amplios. Dificultad para posicionar el camión. Mayor riesgo para los neumáticos.



De un estudio realizado por una empresa fabricante con cargadores de 9,6 m3 y camiones de 77 t, se registraron los datos que se indican a continuación:

METODO Número

de baldadas

Carga por balde (tc)

Carga del camión

(tc)

Tiempo de descarga

(min)

Tiempo de maniobra

del camión (min)

Tiempo total de carga (min)

Producción(baldes/hr)

Tradicional (1 cargador) 4 21.15 85 0.1 2.2 2.6 19.2

Tradicional (2

cargadores) 4 21.25 85 0.1 1.0 1.4 35.6

Alternativo 3 25.00 75 0.1 0.55 0.85 58.8

Cadena 4 21.35 85 0.1 0.35 0.35 66.6



5.1.7 CONSIDERACIONES DE SELECCIÓN En primer lugar deben ponderarse las diferencias esenciales con su más directo rival, que son las excavadoras hidráulicas. En la Tabla siguiente aparecen comparadas estas dos máquinas.

EXCAVADORAS HIDRAULICAS CARGADORES FRONTALES

Inversión media. Vida media (5 – 10 años) Costo de operación medio. Valor residual pequeño. Capacidad del balde hasta 26 m3

Fuerzas específicas de corte elevadas. Adecuada en terrenos compactos. Puede operar en terrenos blandos o duros según el ancho de la oruga. Puede trabajar por encima o por debajo del nivel de la máquina. Alcance de excavación y altura de descarga elevada. Adecuada a alturas de banco y camiones grandes. Ciclos de trabajo pequeños. Rendimiento de carga elevado. Anchura de la frente requerida pequeña. Máquina de carga ideal en frentes fijas.

Inversión media. Vida media baja (5 años) Costo de operación alto. Valor residual pequeño. Capacidad del balde hasta 26 m3

Fuerzas específicas de corte pequeñas. Adecuada en terrenos blandos o con materiales empujados con tractores de oruga. Precisa de plataforma de trabajo firme y dura. No puede operar por debajo del piso. Alcance y altura de descarga medias. Adecuado a alturas de banco pequeñas y camiones de tipo medio. Ciclos de trabajo grandes. Rendimientos medios. Anchura de la frente requerida media-grande. Máquina versátil de alta movilidad (equipo de carga, limpieza de frentes, transporte de material a cortas distancias, etc.).



El proceso de selección de un cargador frontal de ruedas consta de las siguientes etapas: Definición de las características básicas. Elección del sistema de rodaje. Selección del modelo. Definición de las características básicas. Los datos de partida son: La producción horaria requerida "P" expresada en m3/h. El tipo de material a cargar que se clasifica en: blando, medio y duro. La densidad de la roca. Conociendo estos datos se puede determinar: El tamaño del balde "C". El tipo de camión adecuado a la máquina de carga. La altura del frente de carga. El peso aproximado de la máquina "W". La potencia de la misma "Pw". - Determinación del balde En la tabla siguiente se estima el tamaño del balde "C" en función del tipo de material y de la producción "P" prevista.

TIPO DE MATERIAL BLANDO MEDIO DURO

TAMAÑO DEL BALDE (m3)

(P / 49) 1,23

(P / 47) 1,27

(P / 40) 1,45

P en m3.



- Determinación de la capacidad del camión El cargador debe cargar el camión en un número de ciclos comprendido entre 3 y 5. El tamaño del camión T(t) se determina en función del balde "C" y del tipo de material.

TIPO DE MATERIAL CAMIÓN T(t)

Blando Medio Duro

5 – 8 baldadas (m3) 4 – 7 baldadas (m3)

3,5 – 6 baldadas (m3)

Además, deben cumplirse ciertas condiciones geométricas, entre el cargador y el camión. - Altura de descarga: esta debe ser mayor de 1,06 la altura de la tolva del camión. - Alcance del cargador: Debe ser, como mínimo, 0,4 B, siendo B la anchura del camión. - Angulo de descarga: El cargador debe descargar en la tolva evitando derrames laterales. El

ángulo máximo debe ser de unos 50º cuando se manipulan materiales pegajosos. - Anchura del balde: Debe ser menor que la longitud de la tolva del camión.

Relación de dimensiones entre cargadores y camiones tolva.



- Altura de banco. La altura de banco que puede trabajar en forma segura un cargador frontal depende del alcance máximo del cargador, que se puede expresar en función del tamaño del balde y del método de carga utilizado. - Relación cargador – camión Al respecto se debe tener en cuenta lo siguiente: Relación entre la capacidad del camión y la del balde de la máquina. Altura de descarga y comparación con la altura de la caja del camión. Alcance de la máquina y relación con el centro de la caja del camión. Anchura del balde y relación con la longitud de la caja del camión.

Parámetros de trabajo de un cargador frontal.



5.1.8 SELECCIÓN DEL MODELO Una vez definidas las características básicas del cargador: peso, potencia y tamaño del balde, el paso siguiente es trabajar con las ofertas de los proveedores de equipos. De tal forma, se confecciona un cuadro comparativo entre los distintos fabricantes comparando principalmente: Relación cargador – camión. Motor. Carga límite de equilibrio o estática Sistema de tracción. Circuito hidráulico. Fuerza de arranque. Diseño del balde y accesorios. Articulaciones. Cabina. Neumáticos. Mantenimiento y servicio.


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