Cargadores Frontales

UNIVERISDAD AUTÓNOMA DE BAJA CALIFORNIA Facultad de Ingeniería, Campus Mexicali

Apuntes de Clase: Maquinaria de Construcción (5185) página - 72 –

Cargadores Frontales Definición El cargador frontal es un equipo tractor, montado en orugas o en ruedas, que tiene un cucharón de gran tamaño en su extremo frontal.

Los cargadores son equipos de carga, acarreo y eventualmente excavación, en el caso de acarreo solo se recomienda realizarlo en distancias cortas.

El uso de cargadores da soluciones modernas a un problema de acarreo y carga de materiales, con la finalidad de reducir los costos y aumentar la producción. En el caso de excavaciones con explosivos, la buena movilidad de éste le permite moverse fuera del área de voladura rápidamente y con seguridad; y antes de que el polvo de la explosión se disipe, el cargador puede estar recogiendo la roca regada y preparándose para la entrega del material.

Los cucharones del cargador frontal varían en tamaño, desde 0.19 m3 hasta más de 19.1 m3 de capacidad, colmado. El tamaño del cucharón está estrictamente relacionado con el tamaño de la máquina. Operaciones � Excavar � Cargar � Descargar � Acarrear o transportar

Los cargadores son equipos de carga, acarreo y eventualmente excavación, en el caso de acarreo solo se recomienda realizarlo en distancias cortas.

El uso de cargadores da soluciones modernas a un problema de acarreo y carga de materiales, con la finalidad de reducir los costos y aumentar la producción.

En el caso de excavaciones con explosivos, la buena movilidad de éste le permite moverse fuera del área de voladura rápidamente y con seguridad; y antes de que el polvo de la explosión se disipe, el cargador puede estar recogiendo la roca regada y preparándose para la entrega del material.



Aplicaciones Se aplica en construcciones donde exista amplio espacio para maniobrar, se utiliza en toda obra que requiere de corte, carga, acarreo y descarga de medianos volúmenes de tierra. � Carga de materiales � Mezcla de materiales � Excavación de terreno suelto ó blando � Apilado de material y carguío de material suelto � Deposita el material suelto, ya sea en una

planta (chancadora, de hormigón, asfalto, recicladora, etc.) o en un lugar de desecho

Tipos De acuerdo a la forma de efectuar la descarga: � Descarga Frontal, � Descarga Lateral � Descarga Trasera De acuerdo a la forma de rodamiento:

� De Neumáticos (Bastidor rígido o articulado)

� De Orugas

Transporte La Cargadora Frontal se transporta por medio del Low Boy en caso de no poder transportarse sola, si esta sobre ruedas y la obra se encuentra cerca puede transportarse sola. Mantenimiento � Protocolo de encendido � Punto de conexión de engrase � Capacidad del tanque de combustible � Plan de mantenimiento preventivo (cambio de aceite) � Reemplazo de grasa sucia por nueva � La Inspección Visual Alrededor Del Equipo � Cerciorarse que no hay espejos caídos, micas quebradas, cortes en los neumáticos, balde en buen estado,

vidrios trizados, plumillas en mal estado, niveles de aceite de motor, niveles de aceite hidráulico, niveles de aceite de la transmisión, nivel del agua del refrigerante del motor, b aterías y su borne, corta corriente, extintores fechas de vencimiento, despiche de los acumuladores de aire si es que tiene, tapas de los estanques, neumáticos y sus respectivas presiones recomendadas por el fabricante de los neumáticos

Seguridad industrial Circunstancias Peligrosas � Maniobrar la maquina interrumpidamente



Medidas Preventivas � Conocer las posibilidades y los limites de la maquina y particularmente el espacio necesario para maniobrar. � Cuando el espacio se maniobra es muy reducido o limitado por obstáculos, hay que balizar la zona de evolución

de la misma. � Vigilar la posición, la función, el sentido de funcionamiento de cada uno de los mandos de los dispositivos se

señalización y de los dispositivos de seguridad. Conocer la Zona de trabajo Circunstancias Peligrosas � No examinar convenientemente la zona de trabajo

Medidas Preventivas � Conocer el plan de circulación de la obra y cada día informarse de los trabajos realizados que puedan constituir

riesgo: Zanjas abiertas, tendido de cables. � Conocer la altura de la maquina circulando y trabajando, así como las zonas de altura limitada o estrechas. � Con el tren de rodadura de ruedas de goma, circular con precaución o velocidad lenta, en zonas de polvo, barro o

suelo helado. � Realizar un buen mantenimiento de las zonas de circulación.

Medio Ambiente � Ruido dentro y fuera � Cuando el nivel de ruido sobrepase el margen de seguridad establecido y en todo caso, cuando sea superior a 80

dB, será obligatorio el uso de auriculares o tapones. � Emisión de gases (CO2, NO2) � Partículas en suspensión (polvo) � En trabajos con tierras pulverizadas, se deberá hacer uso de mascarillas. � También se puede usar lechadas de cal. Producción y Rendimientos. Dimensiones del equipo Cargadores sobre Neumáticos:



Cargadores sobre orugas: Análisis de capacidades del cargador: DEFINICION DE LAS ESPECIFICACIONES PARA CARGADORES FRONTALES Las especificaciones de Caterpillar para cargadores de cadenas y de ruedas están de acuerdo con las definiciones de la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE), tal como se exponen en las normas J732 JUN92: Descripción de las especificaciones de las máquinas En los cargadores de ruedas se debe indicar la presión de inflado de los neumáticos cuando se tomaron las especificaciones, además de la descripción básica por escrito de la máquina. En los de cadenas, se debe especificar el tipo de garras de las zapatas. Tiempo de ciclos hidráulicos a. “Tiempo de ascenso” — Tiempo en segundos para levantar el cucharón desde la posición horizontal en el suelo. b. “Tiempo de descenso” — Tiempo en segundos para bajar el cucharón vacío desde la altura máxima hasta una posición horizontal en el suelo. c. “Tiempo de descarga” — Tiempo en segundos para mover el cucharón desde la posición de plegado máximo a la posición de máximo levantamiento y descarga total, y vaciar la carga según normas de la SAE. Fuerza de desprendimiento “Fuerza de desprendimiento” en kN o kg, es la fuerza máxima continua de ascenso en sentido vertical, aplicada a 100 mm (4 pulg) detrás de la punta de la cuchilla y conseguida debido a que el cucharón puede — en las condiciones siguientes — levantarse y/o girar hacia atrás alrededor del punto de pivote especificado: a. El cargador se halla en una superficie dura y horizontal, con la transmisión en neutral. b. Todos los frenos están desconectados. c. La máquina tiene el peso en orden de trabajo estándar, y no está sujeta la parte trasera del cargador. d. El lado inferior de la cuchilla está paralelo al suelo, y a no más de 20 mm (0,75 pulg) de ese nivel. e. Al usar el circuito hidráulico del cucharón, debe especificarse que el pasador de articulación del cucharón es el punto de pivote, y que el conjunto está sostenido por debajo del punto de pivote del pasador de articulación del cucharón, a fin de reducir el movimiento del varillaje. f. Si se emplea el circuito de levantamiento, debe indicarse que el pasador de articulación del brazo de levantamiento es el punto de pivote. En los cargadores de ruedas se debe bloquear el eje delantero para mantener la posición de los pasadores de pivote si ceden los neumáticos.



g. Si ambos circuitos se usan a la vez, debe especificarse el punto de pivote principal, de entre los dos definidos en (e) o (f). h. Si el circuito usado hace que se levante del suelo el extremo trasero del vehículo, significa que el valor de la fuerza vertical necesaria para levantar dicho extremo es la fuerza de desprendimiento. i. Con cucharones de forma irregular, la punta de la cuchilla que se ha mencionado anteriormente, es el punto más delantero de la cuchilla. Según las normas J732 JUN92, se emplean las ilustraciones que siguen para medir las fuerzas de desprendimiento de los cargadores Caterpillar.

a. Fuerza de desprendimiento que resulta al plegar el cucharón hacia atrás: (Fuerza de rotación) x (distancia X) = (distancia Y) x (Fuerza de desprendimiento) (Fuerza de rotación) x (distancia X) ------------------------------------------ = Fuerza de desprendimiento distancia Y

b. Fuerza de desprendimiento que resulta al levantar el cucharón: (Fuerza de levantamiento) x (distancia X1) = (distancia Y1) x (Fuerza de desprendimiento) + (Peso del varillaje) x

(distancia Z1) + (Fuerza de desprendimiento) x (Ventaja mecánica del varillaje) x (distancia V1)

o bien: (Fuerza de levantamiento) x (distancia X1) — (Peso del varillaje) x (distancia Z1)

Fuerza de desprendimiento = ------------------------------------------------------------------------------------------- (distancia Y1) + (distancia V1) x (Ventaja mecánica del varillaje)



Carga límite de equilibrio estático Es el peso mínimo en el centro de gravedad de la carga “de clasificación SAE’’ del cucharón que hace girar el extremo trasero de la máquina de tal forma que, en los cargadores de cadenas los rodillos delanteros se levanten de las cadenas, y en los cargadores de ruedas, las ruedas de atrás dejan el suelo en las siguientes condiciones: a. El cargador se halla en una superficie dura y horizontal, y no se mueve. b. La máquina tiene el peso en orden de trabajo estándar. c. El cucharón está inclinado hacia atrás. d. La carga está en la posición más avanzada en el ciclo de levantamiento. e. Para cargadores de ruedas articulados la prueba debe hacerse con el bastidor recto (carga límite de equilibrio estático

recto) y con el bastidor totalmente girado a un ángulo determinado (carga límite de equilibrio estático a giro pleno). f. La máquina está provista de equipo estándar, según se describe en las especificaciones, a menos que el título indique cosa

diferente.

Carga de operación Para cumplir con las normas de la SAE, J818 MAY87 la carga de operación de los cargadores de ruedas no debe superar el 50% de la carga límite de equilibrio estático a giro pleno de una máquina equipada con los accesorios necesarios para el trabajo. (En los cargadores de cadenas, la carga de operación no debe exceder el 35% de la carga límite de clasificación de equilibrio estático.) Vea la Información sobre Rendimiento para cada máquina en esta publicación para hallar los aumentos de la carga límite de equilibrio estático cuando se añade cabina, contrapesos, desgarrador, escarificador, etc. Posición de acarreo Definición de “posición de acarreo’’ según la SAE: “La distancia vertical desde el suelo hasta la línea central del pasador de articulación del cucharón, con un ángulo de 15°.” El dibujo que sigue ilustra esta definición. Círculo de giro del cargador Las normas J732 JUN92 de la SAE establecen que deben indicarse “el radio mínimo de giro con inclusión de los neumáticos,” y “el círculo de giro” de todo cargador de ruedas. Ambos datos se dan en las hojas de especificaciones de Caterpillar, así como el círculo de giro con cada uno de los cucharones disponibles para cada máquina. Profundidad de excavación Las normas J732 JUN92 indican que la profundidad de excavación es “la distancia vertical en mm (o pulg) desde la rasante del terreno hasta el borde inferior de la cuchilla del cucharón en su posición más baja, y la cuchilla horizontal.” CLASIFICACIONES SAE DE CUCHARONES Capacidades de cucharones según la SAE Capacidad a ras es el volumen contenido en el cucharón después de nivelar la carga pasando un rasero que se apoye sobre la cuchilla y la parte trasera del cucharón. Capacidad colmada es la capacidad a ras, más la cantidad adicional que se acumule sobre la carga a ras a un ángulo de reposo de 2:1 con el nivel a ras paralelo al suelo. Las normas J742 (FEB85) de la SAE determinan que el empleo de auxiliares de protección contra derrames de la carga a fin de proteger al operador no influirá en la clasificación de la capacidad del cucharón. En los cucharones con cuchilla de forma irregular (en V), el plano a ras se debe trazar a un tercio de la distancia del punto más



saliente de la cuchilla. Los cucharones Caterpillar para rocas se fabrican con protectores integrados transparentes. Los cucharones para material ligero vienen estándar con cuchillas empernables. Estas características aumentan la capacidad real del cucharón y se incluyen en las clasificaciones publicadas. Altura de descarga La norma SAE J732 JUN92, específica que la altura de descarga es la distancia vertical desde el suelo hasta el punto más bajo de la cuchilla, con el pasador de articulación del cucharón a su altura máxima y el cucharón a un ángulo de descarga de 45°. El ángulo de descarga es el ángulo al cual la sección plana más larga de la parte interior del fondo del cucharón girará por debajo de la horizontal. SELECCION DE UNA MAQUINA Método para seleccionar el cucharón de tamaño adecuado: 1. Determine la producción requerida o deseada. 2. Determine el tiempo de ciclo del cargador y el número de ciclos por hora. Se debe suponer un tamaño de máquina para

poder seleccionar un tiempo de ciclo básico. 3. Determine la carga útil requerida por ciclo en m3 sueltos y en kilogramos (yd3 y lb en su caso). 4. Determine el tamaño requerido de cucharón. 5. Elija la máquina considerando el tamaño y la carga útil del cucharón como requisitos de producción que se deben

satisfacer. 6. Compare el tiempo de ciclo del cargador utilizado en los cálculos con el tiempo de ciclo de la máquina seleccionada. Si encuentra alguna diferencia, comience nuevamente con el Paso 2. Producción requerida La producción requerida de un cargador de ruedas o de cadenas debe ser ligeramente mayor que la capacidad de producción de las otras máquinas básicas del sistema existente para mover tierra o materiales. Por ejemplo, si una tolva puede recibir 300 ton/hora, se debe usar un cargador con capacidad ligeramente mayor de 300 toneladas. Debe estimarse con cuidado la producción requerida a fin de elegir la máquina y cucharón adecuados. Tiempos de ciclo del cargador Cuando se acarrea material granular suelto en un suelo duro y liso, se considera razonable un tiempo básico de 0,45-0,55 minuto por ciclo en los cargadores articulados Caterpillar con operador competente. Esto comprende la carga, descarga, cuatro cambios de sentido de marcha, un ciclo completo del sistema hidráulico y un recorrido mínimo. Puesto que el tipo de material, la altura de la pila y otros factores pueden elevar o reducir la producción, su efecto se debe sumar o restar del tiempo de ciclo básico. Cuando haya acarreos, obtenga la porción del ciclo correspondiente al tiempo de desplazamiento en la gráfica respectiva de estimaciones de esta sección. Para hallar el tiempo total del ciclo, añada los tiempos de acarreo y retorno al tiempo de ciclo básico. FACTORES DE TIEMPO DE CICLO El promedio del tiempo de ciclo básico (carga, descarga, maniobra) de un cargador articulado es de 0,45-0,55 minutos, [el ciclo básico para los cargadores grandes, de 3 m3 (4 yd3) y más, puede ser ligeramente más largo], aunque se pueden anticipar variaciones sobre el terreno. Los siguientes valores de muchos elementos variables se basan en operaciones normales. Al sumar o restar los tiempos variables se obtendrá el tiempo total de ciclo básico.

60 minutos Ciclos por hora (a 100% de eficiencia) = ------------------------------------------

Tiempo de ciclo total en minutos



La eficiencia en el trabajo es un factor importante al seleccionar la máquina. La eficiencia es el total de minutos que se trabaja en 1 hora. Esto toma en cuenta todas las interrupciones del trabajo como el período para fumar y las idas al servicio del operador, así como otras interrupciones. Ciclos por hora a 50 minutos Ciclos por hora al 100% 50 minutos por hora (83% de eficiencia) = de eficiencia de trabajo x ------------------ x tiempo real 60 min./hora Promedios de los ciclos del cargador 914G-962G. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0.45-0.50 min. 966G-980G. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0.50-0.55 min. 988F-990 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0.55-0.60 min. 992G-994D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0.60-0.70 min. Carga útil requerida por ciclo Para determinar la carga útil que se necesita por ciclo, divida la producción requerida en una hora por el número de ciclos por hora. Elección del cucharón Una vez calculada la carga útil requerida por ciclo, se divide por el peso de un m3 (yd3) de material suelto, a fin de hallar el número de m3 (yd3) de material suelto por ciclo. Puesto que la densidad de casi todo el material que va a moverse no alcanza 1,800 kgs./m3 (3,000 lbs./yd3), la exactitud en la estimación de producción requiere un conocimiento razonable de las densidades de los materiales con los que se va a trabajar. En la sección de tablas se puede obtener el promedio de las densidades de ciertas materias cuando no se conocen las densidades reales.

Se estima a continuación el porcentaje de la capacidad nominal que mueve el cucharón con diversas materias. El tamaño de cucharón necesario para mover el volumen requerido por ciclo se halla mediante el porcentaje de la capacidad nominal del cucharón, denominado “Factor de llenado del cucharón”.

El tamaño requerido se halla dividiendo los m3 Sueltos (o yd3), requeridos por ciclo por el factor de llenado del cucharón.

Volumen requerido/ciclo

Tamaño del cucharón = -------------------------------------- Factor de llenado del cucharón

FACTORES DE LLENADO DEL CUCHARON La siguiente tabla indica las cantidades aproximadas de una materia como porcentaje de la capacidad nominal del cucharón, o sea lo que realmente moverá el cucharón por ciclo. Se denomina “factor de llenado del cucharón.”

NOTA: Los factores de llenado para cargadores de ruedas dependen de la penetración del cucharón, la fuerza de desprendimiento, el ángulo de inclinación hacia atrás, el perfil del cucharón y el tipo de herramientas de corte como dientes de cucharón o cuchillas reemplazables atornilladas.



Nomograma de producción y selección de máquinas para Cargadores de ruedas Para hallar el peso de la carga útil y toneladas por hora 1. Marque en la escala B el punto correspondiente a la producción horaria requerida en m3/hora. 2. Marque en la escala A el número de ciclos por hora requeridos. 3. Desde A, trace una línea que pase por B y llegue a C, donde se verá la carga útil requerida. 4. Marque en la escala D el factor de llenado del cucharón. 5. Desde C trace una línea que cruce la escala D y llegue a E, verá la capacidad requerida del cucharón.



Nomograma de producción y selección de máquinas Cargadores de ruedas Para hallar la carga útil requerida y el tamaño del cucharón: 6. Transfiera los ciclos por hora de la escala A y la carga útil de la escala C. 7. Marque la densidad del material en la escala F. 8. Desde la escala C trace una línea que pase por F y llegue a G para hallar la carga útil por ciclo. 9. Compare la cantidad de la escala G, con la carga de operación recomendada para esa máquina considerando la selección

del cucharón. La capacidad de operación del cargador, depende de la densidad del material y de la capacidad del cucharón.

10. Para hallar el tonelaje por hora, trace desde la escala G una línea recta que cruce la escala A, y se prolongue hasta la escala I, para obtener el punto correspondiente al peso del material por hora.



CARGADORES. Son máquinas compuestas de un bastidor montado sobre orugas o neumáticos y una superestructura giratoria dotada de un brazo con cuchara, accionado por mando hidráulico o por cables.

Se utilizan para excavar en frentes de trabajo de cierta altura y realizan los movimientos siguientes: o excavación de abajo hacia arriba, o giro horizontal y descarga de la cuchara, o giro horizontal de regreso al frente de trabajo.

Los cargadores son máquinas sobre orugas o neumáticos, accionadas por mando hidráulico, adecuadas para excavaciones en terrenos flojos y carga de materiales sueltos, en camiones de volteo o dúmpers para grandes acarreos o movimientos de agregados pétreos y hasta cierto tamaño de rocas.

Donde: R(m3/hr.): Es el rendimiento esperado del cargador, en m3/hr. Vc: Capacidad sin colmar de la cuchara en m3- banco. Fe: Factor de eficacia de la máquina, entre 70 y 80%.

Fe´: Factor de eficacia de la cuchara, que depende de la clase de terreno: Terreno flojo ……… 90-100% Terreno medio ……. 80-90% Terreno duro ……… 50-80%

Tc: Tiempo de duración del ciclo en segundos. Comprende la excavación el giro hasta la descarga, la descarga y el giro hasta origen. El tiempo del ciclo, con rotación de 90º es:

Terreno flojo ……… 15-20 seg. Terreno medio ……. 20-25 seg. Terreno duro ……… 25-30 seg.

Para rotaciones mayores o menores, se sumarán o restarán 2 segundos por cada 10º (18 seg. por giro de 90º). Una estimación media de lo que podría ser un ciclo-piloto de una pala cargadora, puede ser la siguiente:

Corte, empuje y carga …………… 6 seg. Inversión marcha …………………... 1 seg. Retroceso cargada ………………….. 3 seg. Giro ………………………………… 1 seg. Parar ………………………………... 1 seg. Descenso carga ……………………... 4 seg. Invertir marcha ……………………... 1 seg. Transporte ………………………….. 3.6 * L/12 Parar ………………………………... 1 seg. Voltear carga ……………………….. 4 seg. Invertir marcha ……………………... 1 seg. Retroceder …………………………... 2 seg. Giro ………………………………….. 1 seg. Avance frente ……………………….. 3.6 * L/20 Parar ………………………………… 1 seg.

------------------------ TOTAL … = 27 +(3.6*L(1/12+1/20)) en segundos

Donde: L = Longitud del desplazamiento (en metros)









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