Título:
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MAQUINAS
MINERAS MOVILES
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Subtítulo
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MAQ. DE
CARGUIO SIN ACARREO
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Fecha de
realización:
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12/01/2017
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Grupo:
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DISEÑO Y SELECCION DE MAQUINAS
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Tema:
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EXCAVADORA DE CABLES
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Código:
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DIS-MIN-MMM-02-02
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INDICE
1 MAQUINAS DE CARGUIO SIN ACARREO.
1.1 DEFINICION DE LAS CARACTERISTICAS MINIMAS.
1.2 DETERMINACION DE LA CAPACIDAD DEL CAZO.
1.3 OTRAS CARACTERISTICAS.
1.3.1 CAPACIDAD DE LA VOLQUETA.
1.3.2 PESO.
1.3.3 ALTURA OPTIMA DE CARGA.
1.3.4 POTENCIA.
1.4 PRODUCCION POR CICLO.
1.5 TIEMPO DE CICLO.
1.6 EFICIENCIA OPERATIVA.
1.7 FACTOR DE POSICIONAMIENTO.
1.8 SELECCIÓN DE MODELOS.
1.9 OTRAS CONSIDERACIONES.
1.9.1 TRASLADO ENTRE TAJOS.
1.9.2 PISO DEL TAJO.
1.9.3 EXCAVACION Y CARGA.
2 BIBLIOGRAFIA
Fecha
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Autor
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Observaciones
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12/01/2017
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Ing. Juan Carlos Miranda Rios
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Documento Base
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Rev.01
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06/03/2017
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Ing. Juan Carlos Miranda Rios
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Se complementa cálculo capacidad de la excavadora |
Rev.02
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MAQUINAS MINERAS MOVILES
1 MAQUINAS DE CARGUIO SIN ACARRERO
1.1 DEFINICION DE LAS CARACTERISTICAS MINIMAS
Los datos de partida
son:
- La producción horaria requerida "P" expresada en m3/h.
- El tipo de material objeto de excavación. Este puede clasificarse en: Blando, Medio, Duro y Muy Duro, debiendo especificarse si es susceptible de arranque directo o debe ser perforado y volado previamente.
- La densidad de la roca.
- El tamaño del cazo "C” expresado en m3.
- El tipo de volquete más adecuado para dicha máquina de carga.
- El peso aproximado de la excavadora.
- La potencia total instalada y su distribución en los distintos mecanismos.
- La altura de banco.
Los cazos de pala están
dimensionados para que coincidan con la densidad de material que va a ser
manejado y la severidad de la rugosidad de acuerdo a las condiciones de
excavación previstas. El cazo representa una carga muerta que resta la carga
útil que puede elevar la máquina, por lo tanto esta carga muerta debe ser lo
menor posible.
El cazo esta construida
de manera de reducir los atascos. Es cerrojo del cazo posee una disposición
simple mediante una barra deslizante, la cual trabaja gracias a la acción de un
cable delgado que actúa mediante la fuerza de un motor eléctrico. Los cazos
para servicio regular son generalmente de sección cuadrada.
Una puerta con bisagras
en la parte trasera puede ser desbloqueada para el proceso de descarga. Esta
puerta se abre hacia abajo debido a la acción de la gravedad en una descarga
incontrolada. Si hay grandes rocas en el cazo, se debe acercar el cazo lo más
cerca al cuerpo del camión o superficie de descarga para evitar altas cargas de
impacto. La puerta se vuelve a bloquear automáticamente cuando el cazo se ubica
en la posición más baja al comienzo de la excavación.
Durante el
funcionamiento, el cazo es arrastrado a través del banco por medio de los
cables de elevación. Se mantiene contra el banco gracias a la acción de
extensión o retracción de la pluma con respecto al cazo
La geometría de la
trayectoria de corte está relativamente restringida y generalmente se
caracteriza por un arco circular vertical. Cuando la cuchara está llena, la
máquina oscila lateralmente y la carga de la cuchara es descargada a través de
la puerta.
En el pasado, la
capacidad de la pala fue expresada normalmente en términos de la capacidad
nominal del cazo, expresada por unidades de volumen ejemplo 17 yardas3
(13 m3). En relación con este número, se entendía que la densidad
nominal del material que se estaba manejando era de 3000 Lb/yd3
(1.78 Ton/m3). Usando esta regla, la capacidad real de carga de la
pala era de 51.000 Lb (23 Ton).
Sin embargo, el
análisis realizado generaba cierta imprecisión con respecto al significado de
“Volumen”, ya que el mismo suponía que la capacidad del cazo correspondía al
mismo al ras, es decir, el volumen de agua que el cazo lleno podría sostener.
Pero, cuando se cargaba
roca y arena, obviamente es posible retener más material por encima del plano
de ras, apilada por encima de ella. Por consiguiente, la Sociedad de Ingenieros
Automotrices (SAE) ha desarrollado un método estándar para determinar las
capacidades de un cazo, creando así una relación entre los diferentes
fabricantes.
El propósito de esta
norma SAE Standart J296 es proporcionar un método uniforme para determinar la
capacidad nominal para diferentes tipos de cazos, según su forma y dimensiones.
Los cálculos se basan en las dimensiones del cazo solamente, sin el uso de
cuchillas laterales opcionales, protectoras contra derrames, dientes u otros accesorios,
sin tener en cuenta la acción del cazo
proporcionada por cualquier máquina específica.
La Capacidad del Cazo (Bucket Capacity) (Vh) es el volumen máximo de material que puede ser acomodado dentro del cazo. La capacidad del cazo, puede ser calculada bajo dos parámetros:
- Capacidad al ras (Struck capacity) (VS) – Capacidad al ras.- Es el volumen que contiene un cucharón cuando una vez lleno en exceso se le pasa un rasero de tal forma que toque el borde de la cuchilla y la parte trasera del cucharón (Strike plan).
- Capacidad colmada (Heaped capacity) (VH) – Es la contenida en un cucharón lleno al ras más la cantidad adicional que se puede acumular manteniendo un ángulo de taludes del colmo 1:1 estando la superficie al ras paralela al suelo.
Como se podrá apreciar, de la figura anterior, tenemos que la capacidad colmada es igual a:
Donde Ve es el material en exceso ubicado sobre la superficie de ras y posee un ángulo de reposo con una relación 1:1
La Capacidad al Ras (VS) puede ser calcula mediante la siguiente expresión:
Y el material en exceso (Ve) por:
Donde la descripción de cada uno de los términos utilizados en las ecuaciones anteriores se muestra en la gráfica siguiente:
Generalmente, son los fabricantes los que proporcionan información acerca de la capacidad de los cazos, dentro de las especificaciones técnicas de los equipos. Pero en caso de no contar con esta información, necesariamente se tendrá que recurrir al procedimiento anterior para determinar el volumen máximo de material que puede cargar el cazo.
Generalmente, son los
fabricantes los que proporcionan información acerca de la capacidad de los
cazos, dentro de las especificaciones técnicas de los equipos. Pero en caso de
no contar con esta información, necesariamente se tendrá que recurrir al procedimiento
anterior para determinar el volumen máximo de material que puede cargar el
cazo.
Hoy en día, es normal
expresar la capacidad de la pala en términos de carga útil nominal en lugar de
en volumen nominal. Por ejemplo, para la pala P & H 4100XPC ™ (P & H,
2012a), la capacidad se da como 120 toneladas cortas (st). Dependiendo de la
densidad esperada del material a ser manipulado y llenado de la cazo, se
determina al tamaño del cazo a ser seleccionado para la aplicación particular.
En sus datos técnicos
para la pala 4100XPC, se proporcionan los siguientes rangos típicos:
- capacidad nominal de la cazo.
- SAE al raz: 69-82 yd3 (52.8-61.2 m3)
- SAE (colmado) 2:1 : 74,4-88.4 yd3 (58,3-67,6 m3)
- Tamaño óptimo del camión: 240 - 400 st (218 - 363 mt)
Comenzando con la carga
útil dada de 120 st y suponiendo una densidad de material de 34001b/yd3, y el
cazo lleno a la capacidad al ras, se podría elegir un cazo de volumen 71 yd3 o
el mar cercano. Si, por otra parte, la densidad esperada del material es de
3000 lbs/yd3, entonces se podría elegir un cazo con una capacidad de 80 yd3
(suponiendo un llenado promedio a su capacidad al raz).
Como se puede ver, se
necesita tener buena información sobre las características de fragmentación del
material, la densidad del material a cargar, las características de carga, etc.,
para elegir la combinación de pala cargadora adecuada.
En la tabla siguiente se determina el tamaño del cazo en función del tipo de material y de la producción prevista.
Donde PL es la producción en m3/h
La excavadora debe
cargar en la volqueta, con un número de ciclos comprendido entre 3 y 6.
En la tabla siguiente
se determina la capacidad del volquete, expresada en toneladas, en función del
tipo de material y tamaño del cucharon.
Donde Cb esta dado en m3
El peso de la
excavadora puede definirse a partir del tamaño del cazo "C".
Donde Cb esta dado
en m3
Suponiendo una
penetración media del banco P, el desplazamiento vertical (L) requerido para
llenar el cazo de anchura Wd y volumen Cb es:
Donde:
L
= Desplazamiento vertical
Cb
= Capacidad nominal del cazo
Wd
= Ancho del cazo
P
= Penetración en el banco
Como el tramo de
llenado del cazo (tf) está relacionado con el desplazamiento
vertical (L), la penetración debe ser alta para excavaciones fáciles y por
consecuencia la altura requerida para el llenado del cazo debe ser corta. Por
otro lado, para materiales difíciles de excavar, la profundidad de corte en
baja y entonces la altura para el llenado del cazo es mayor.
Para un determinado
cazo (Cb y Wd fijos) trabajando en un material dado (P
fijo), le corresponde una profundidad de corte optima (Lo) la cual
genera la mayor producción de la excavadora (ton/h). Para cada ciclo de carga,
el cazo llega al final con una carga completa sin la presencia de apiñamientos.
Una regla general que
se puede utilizar es:
"La profundidad
óptima de corte es igual a la distancia vertical desde el eje de pivote de la
palanca del cazo hasta el nivel del suelo".
Donde:
Ld =Máxima altura de descarga
Lm = Máxima altura del banco
L0 = Altura optima de corte
Rc = Radio de la base libre de material de
carga
Rd =Máximo radio de descarga
Rm = Máximo radio de corte
La relación entre la altura óptima de corte y la capacidad del cazo pueden ser expresadas por las siguientes relaciones:
Otra relación para la altura de banco óptima se determina a partir de la siguiente ecuación:
1.3.4 POTENCIA
La potencia total
instalada se estima a partir del tamaño del cazo "Cb".
Donde Cb esta dado
en m3
Esta potencia instalada
se reparte aproximadamente en los distintos mecanismos de la siguiente forma:
- Elevación 45%
- Giro 18%
- Empuje 14%
- Traslación 23%
Hay varias maneras de expresar
la producción por ciclo, en minería la más común viene expresado por la
siguiente ecuación:
Donde:
PL
= Carga de producción [BCM/h; BCY/h]
3600
= Segundos en una hora (seg/h)
Cb
= Capacidad nominal del cazo [LCM; LCY]
FW
= Factor de esponjamiento
E
= Eficiencia operativa
FF
= Factor de llenado
PT = Factor de
posicionamiento
TCL
= Tiempo de ciclo por carga [seg]
OT
= Otros que se considere relevantes
En las cuales se entiende:
- LCM = loose cubic meter (metros cúbicos sueltos)
- LCY = loose cubic yard (yardas cubicas sueltas)
- BCM = bank cubic meter (metros cúbicos en banco)
- BCY = bank cubic yard (yardas cúbicas en banco)
Está claro que la
capacidad por ciclo calculado debe ser comparada
con la capacidad nominal del cazo. Si es menor o mayor que la nominal, se deben
realizar ajustes en:
- Capacidad del cazo
- Patrones de voladura (para mejorar la fragmentación)
La carga de producción
en función al peso, tendrá la siguiente expresión:
Donde:
TL
= Carga de producción en banco [Ton/h; Ton cortas/h]
WL
= Peso específico del material en banco [Ton/m3; Ton cortas/yd3]
El tiempo promedio (TCL)
requerido para que una pala de cables complete un ciclo, viene definido por:
- Carga del cazo
- Elevación y giro
- Descarga
- Retorno y posicionamiento
En la siguiente tabla,
se muestran tiempos para diferentes volúmenes de cazo y condiciones de
excavación. Estos valores son aplicables para ángulos de giro de 90° y una
profundidad óptima de excavación.
E (Excavación fácil) = material libre suelto (por ejemplo, arena,
grava pequeña, tierra suelta, cenizas, carbón bituminoso).
M (excavación media) = materiales parcialmente consolidados (por
ejemplo, grava arcillosa, tierra compactada, arcilla, carbón antracita).
M-H (excavación difícil) = materiales que requieren preparación ligera
previa del terreno (por ejemplo, roca más débil, grava con piedras, arcilla
pesada).
H (excavación muy dificil) = materiales que requieren preparación
completa previa del terreno (por ejemplo, roca dura y competente).
Cuando el ángulo de
giro es diferente a 90°, la profundidad de excavación no es la óptima y se toma en consideración la experiencia del
operador y las condiciones de trabajo, es necesario realizar correcciones al
tiempo por ciclo determinado utilizando la siguiente ecuación:
Donde:
CS es el
factor de corrección por ángulo de giro.
CBH es el
factor de corrección por profundidad de excavación.
Para ángulos de giro
menor a 90 grados, el tiempo requerido por ciclo es por consecuencia menor,
mientras que para ángulos mayores a 90 será superior. La modificación en los
tiempos de ciclo puede ser estimada utilizando un factor de corrección, el cual
se da en la siguiente tabla:
Un segundo factor de
modificación del tiempo de ciclo concierne a la distancia vertical (profundidad
de corte y altura de corte) a través de la cual el cazo debe moverse para poder
llenarse hasta su capacidad.
Al excavar en
profundidades de banco inferiores al ideal, los tiempos de ciclo deben
multiplicarse por un factor de corrección (CBH). Los valores
apropiados se dan en la tabla siguiente:
Cuando examinamos la duración de un ciclo de una
excavadora, es importante distinguir entre la duración del ciclo real y el
aparente. El tiempo de ciclo aparente corresponde al tiempo efectivamente
utilizado durante el proceso de carga, rotación, descarga y posicionamiento
para reanudar el ciclo. Por otra parte, el ciclo real considera los tiempo
muertos que suceden entre cada ciclo aparente.
El tiempo de ciclo
aparente siempre será menor que el tiempo de ciclo real y se debe
principalmente a los siguientes factores:
- Disponibilidad mecánica
- Habilidad del operador
- Cambio de posición entre puntos de carga
- Viaje desde o hacia el punto de trabajo
- Hora de almuerzo
- Tiempos de espera
- Tiempo perdido debido a condiciones climáticas adversas
De acuerdo con lo
anterior, definimos la disponibilidad mecánica (MA) como la
siguiente relación:
El tiempo disponible (TA)
se define como:
El factor de utilización UA se define como:
El factor de eficiencia de operación (E) es el
producto de la disponibilidad mecánica y el factor de utilización:
La siguiente tabla correlaciona estos dos
variables y determina los factores de eficiencia operativa para diferentes
condiciones de trabajo y operación.
1.7 FACTOR DE POSICIONAMIENTO
PT representa el factor de posicionamiento que
representa el tiempo que se gasta en posicionar la máquina y se da en la
siguiente tabla para diferentes tipos de operación.
1.8 SELECCION DE MODELOS
Una vez definidas las
características básicas de la máquina: peso, potencia y tamaño del cazo, así
como la dimensión del equipo de transporte y la geometría del banco más
adecuada, se pasa a la petición de ofertas técnico-económicas a los fabricantes
y/o distribuidores.
Con la documentación
recibida se prepara un cuadro resumen, que permitirá evaluar las diferencias
principales entre los modelos preseleccionados.
Los puntos que deben
estudiarse, analizados bajo los parámetros, son:
- Sistema eléctrico
- Potencia disponible.
- Control de la potencia.
- Fiabilidad.
- Facilidad de mantenimiento.
- Eficiencia del sistema.
- Factor de potencia.
- Precio del sistema.
- Sistema de empuje del brazo.
- Cables.
- Piñón y cremallera.
- Mecanismo de traslación
- Tipo de accionamiento.
- Potencia disponible.
- Anchura de zapatas.
- Velocidad de traslación.
- Cazo
- Capacidad del cazo.
- Anchura.
- Altura.
- Profundidad.
- Relación Peso/Capacidad del cazo.
- Tipo de dientes.
- Sistema antidesgaste.
1.9.1 TRASLADO ENTRE TAJOS
1.9.2 PISO DEL TAJO
Los desplazamientos de
un tajo a otro, dentro de la misma explotación, se realizan sobre orugas
montadas en la infraestructura. La misión fundamental de esta, es proporcionar
a la excavadora una amplia y resistente estructura sobre la cual realiza
eficazmente el ciclo de carga descrito, aunque su diseño no permite
desplazamientos rápidos, debiendo realizarse estos a muy baja velocidad (menor
a 3 Km/h).
Debe procurarse que el
piso esté en buenas condiciones, pues excesivos balanceos pueden dar lugar a
fisuras en las distintas estructuras.
Las ruedas motrices
deben ir, siempre que sea posible, en la parte de atrás. Los cambios de
dirección deben ser graduales, con incrementos máximos de 15 a 20°, para evitar
el arrastre de materiales entre los elementos del bastidor de orugas que
posteriormente pudieran dañarlos.
Para empezar, y aunque
la infraestructura y bastidores de orugas están diseñados para trabajar en
terrenos angulares, la excavadora debe actuar en un sitio plano y nivelado para
evitar excesivos balanceos que aumenten desgastes. Por estas razones, los
lugares de trabajo de las excavadoras deben estar previamente preparados por un
equipo auxiliar.
Normalmente, el lugar
de trabajo será un banco de la explotación y por lo tanto horizontal o con
ligera pendiente para su drenaje. La excavación de acceso a otros bancos de
explotación obliga ocasionalmente a trabajar con pendientes de hasta 10%.
Todo tajo trabajado por
una excavadora tiene que estar regularmente asistido por un tractor empujador,
este normalmente, será de neumático, pues la movilidad y rapidez de esta unidad
les permite asistir a más de una excavadora e incluso a atender la escombrera;
si apareciesen ripies habría que emplear tractor de orugas con riper o incluso
perforación y voladura.
Normalmente, se
aconseja que la altura del frente no supere la altura de las poleas de
elevación en el extremo de la pluma.
Ante la presencia de
repiés es aconsejable acercarse a ellos lo más posible para atacarlos casi en
la vertical de la guiadera del brazo para aprovechar mejor la fuerza de empuje
y mejorar el ángulo de penetración de los dientes.
Empujes excesivos harán
retroceder la pluma provocando, al retornar violentamente a su posición,
latigazos en los cables de suspensión y daños en ellos y en toda la estructura
frontal.
En frentes difíciles se
excava su cabeza con poca penetración para no sobrecargar la elevación. En
cualquier caso, es aconsejable aprovechar el tiempo de espera de volquetes
preparando el tajo, operación que se realiza recorriendo con el cazo abierto
todo el perfil del frente.
Cuando la fragmentación
del material no es buena, para evitar daños en la caja del volquete y molestias
a su conductor, la primera cazada debe procurarse que sea del material más fijo
para que actúe como colchón de las siguientes. Para reducir los impactos se
desciende el cazo acercándolo a la unidad receptora.
No se deben cargar
sobre los volquetes los bolos que existan en el montón de escombro. Es una
operación que alarga el ciclo y puede producir daños. Lo aconsejable es
retirarlos detrás de la máquina y apartarlos con el tractor para su posterior
fragmentación.
Si algún bolo quedara
atascado dentro del cazo, el mejor procedimiento para eliminarlo es realizar la
operación de excavación con la compuerta abierta; si no saliese, volcar el cazo
hasta topar el piso con la punta de los dientes.
La superestructura de
la excavadora gira en cualquier sentido, con lo que puede cargar volquetes
situados a ambos lados. Para obtener ciclos reducidos, el ángulo de giro debe
ser lo menor posible.
El giro no debe
iniciarse nunca hasta que el cazo no haya abandonado el montón de escombro,
pues se producirían los mismos daños comentados en el "barrido" del
piso, ya que los componentes están diseñados para trabajar con el plano
vertical definido por pluma y brazo.
El movimiento de giro
consiste de una aceleración hasta la máxima velocidad y una deceleración. Si
esta última no se hace suavemente se producirán excesivos derrames que pueden
producir daños directos o indirectos, llenando el piso de piedras.
Debido a esos derrames,
que con una cuba bien llena siempre se producen, es importante posicionar correctamente
los volquetes, iniciando la descarga en la parte trasera de la caja. Y nunca se
debe pasar el cazo sobre las cabinas o personas o equipo auxiliar, aunque esté
vacío.
- Curso de Laboreo II y Explosivos – Universidad Politecnica de Madrid – Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas – Catedra de Laboreo de Minas - Prof. D. Fernando Plá Ortiz de Urbina, D. Juan Herrera Herbert y D. Victor Manuel Lopéz Aburto
- Manual de Arranque, Carga y Transporte en Mineria a Cielo Abierto – Instituto Tecnológico Geominero de España
- http://www.aeipro.com/files/congresos/2005malaga/ciip05_1317_1334.260.pdf
- http://www.cwsindustries.com/images/pdf/techdata/rating_hex_bucket.pdf
- http://shodhganga.inflibnet.ac.in/bitstream/10603/8593/16/16_chapter_7_digging%20force%20calculations.pdf
- SME Minig Reference Handbook – Raymond L. Lowrie
P.E.
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