viernes, 20 de enero de 2017

EXCAVADORAS HIDRAULICAS I

Título:
MAQUINAS MINERAS MOVILES
Subtítulo
MAQ. DE CARGUIO SIN ACARREO
Fecha de realización:
19/01/2017
Grupo:
DISEÑO Y SELECCION DE MAQUINAS
Tema:
EXCAVADORA HIDRAULICA
Código:
DIS-MIN-MMM-03-01










INDICE

1 MAQUINAS DE CARGUIO SIN ACARREO.
1.1 EXCAVADORAS HIDRAULICAS.
1.2 TIPOS DE UNIDADES.
1.3 CARACTERISTICAS BASICAS Y DE DISEÑO.
1.4 PARTES PRINCIPALES.
1.4.1 CHASIS Y TREN DE RODAJE.
1.4.2 SUPERESTRUCTURA.
1.4.3 ACCIONAMIENTO.
1.4.4 SISTEMA HIDRAULICO.
1.4.5 CABINA.
2 BIBLIOGRAFIA



Fecha
Autor
Observaciones

19/01/2017
Ing. Juan Carlos Miranda Rios
Documento Base
Rev.01



Rev.02




















MAQUINAS MINERAS MOVILES 

1 MAQUINAS DE CARGUIO SIN ACARREO

1.1 EXCAVADORAS HIDRAULICAS

Estas excavadoras presentan una mejor movilidad que las excavadoras de cable, aunque no están diseñadas para cambiar de posición de manera frecuente. Con una menor inversión y un costo operacional levemente más alto que en el caso de las excavadoras de cable, las hidráulicas poseen un rango de capacidades de cazo menores (hasta 30 yd3), siendo que el cazo de la pala puede estar instalada de manera frontal o inversa (como una retroexcavadora). El alcance del brazo de la pala durante su operación varía según el equipo y marca, las figuras siguientes muestran algunas configuraciones típicas:


Las excavadoras hidráulicas constituyen en la ac­tualidad, tras haber alcanzado su madurez, un equipo alternativo de excavación y carga, tanto en las explotaciones mineras como en las obras pú­blicas, al mismo tiempo que los modelos más pequeños, son máquinas auxiliares insustituibles para la apertura de zanjas y cimentaciones, demoli­ción de estructuras, etc. Sus características básicas son:
  • Accionamiento diésel o electrohidráulico, con potencias de hasta 1.800 kW.
  • Sistemas de arranque y carga, frontal o retro.
  • Montaje sobre orugas o ruedas
  • Superestructura con giro completo y diseño compacto.

Su campo de aplicación como equipo de arranque directo, permite la realización de excavaciones de obras de drenaje, trincheras, etc., para tamaños pequeños, y los equipos mayores, con carga frontal, pueden desempeñar funciones de arranque y carga sobre volquetes o sobre las instalaciones de trituración y transporte continuo, siendo un buen suplemento en la gran minería como sustitutivas de las excavadoras de cables por su mayor movilidad y selectividad.

Las excavadoras hidráulicas presentan la ventaja adicional de disponer de un tercer movimiento del cazo que las dota de una mayor versatilidad y capacidad de arranque de las rocas, al penetrar en estas aprovechando los planos de debilidad, lo cual les permite una mayor selectividad para separar el mineral del estéril.

1.2 TIPOS DE UNIDADES

Existen principalmente dos configuraciones básicas de excavadoras hidráulicas:
  • Frontales,
  • Retros

La diferencia de diseño entre estas unidades se centra en el sentido de movimiento de los cazos y en la geometría de los equipos de trabajo. Normalmente, los fabricantes las ofrecen en las dos versiones.

Durante la operación, los dos diseños difieren fundamen­talmente en la acción de excavación y perfil de trabajo.

1.3 CARACTERISTICAS BASICAS Y DE DISEÑO

Las principales características de las excavadoras hidráulicas son:
  • Diseños compactos y pesos relativamente reduci­dos en relación a la capacidad del cazo.
  • Gran movilidad y flexibilidad en la operación, especialmente en la versión diésel, con velocidades de desplazamiento de hasta 2,4 km/h.
  • Elevada luz del chasis inferior sobre el suelo, del orden de 0,5 a 1 m, lo que facilita sus desplaza­mientos sobre terrenos de baja capacidad portante o mal acondicionados.
  • Reducidas presiones específicas sobre el terreno, de 0,09 a 0,2 MPa.
  • Excelente posicionamiento de las máquinas gracias al accionamiento independiente de las orugas.
  • Capacidad para remontar pendientes de hasta el 80% y posibilidad de realizar la operación con­tinuada en pendientes del 60%.
  • Velocidades de rotación elevadas, de 2,5 a 5 r.p.m., y, por consiguiente, ciclos de carga pequeños.
  • Fuerzas de penetración y de excavación elevadas, permitiendo el arranque directo de materiales compactos y un mejor comportamiento que las excavadoras de cables ante la presencia de repiés.
  • Versatilidad para orientar el cazo en el frente de excavación, por lo que son muy adecuadas para efectuar una explotación selectiva.
  • Buena penetración y factor de llenado del cazo debido a la continua evolución del diseño de éstos.
  • Reducción de los daños causados en la caja de los volquetes, por el mayor control en la descarga de los cazos, alcanzándose una buena distribución y reparto del material.
  • Exigen poco espacio para operar, constituyendo el equipo ideal en la excavación en trinchera de carreteras, fondos de cortas, alimentación de equi­pos móviles, etc.
  • Menor necesidad de empleo de máquinas auxiliares en el tajo de carga, si se compara con la ex­cavadora de cables.
  • Vida útil media de 25.000 a 35.000 h, por lo que su uso resulta muy atractivo en proyectos mineros de tipo medio y pequeño.
  • Costes de operación e inversión medios.
  • Facilidad de desplazamiento e instalación en obra, por lo que es adecuada en el sector de movimientos de tierras.
  • Moderado consumo de energía, debido a la pe­queña potencia relativa instalada y al grado de eficiencia alcanzado,

1.4 PARTES PRINCIPALES

Las partes principales de una excavadora hidráulica pueden agruparse de la siguiente forma:
  1. Chasis y tren de rodaje.
  2. Superestructura, planta motriz y sistema hidráulico.
  3. Equipo de trabajo.

En la figura puede verse la ubicación de varios componentes y otros elementos constitutivos.


1.4.1 CHASIS Y TREN DE RODAJE
CHASIS
El chasis tiene por misión transmitir las cargas de la superestructura al tren de rodaje.



Los chasis para trenes de rodaje de orugas están constituidos por una estructura en forma de H que aloja en su parte central la corona de giro y va apoyada y anclada en los carros de orugas.

Las ventajas del chasis de orugas sobre el de neumáticos son:
  • Mayor tracción sobre el suelo.
  • Menor presión sobre el terreno.
  • Mayor estabilidad.
  • Menor radio de giro.

Los chasis sobre neumáticos disponen de esta­bilizadores que aportan:
  • Rigidez al conjunto, no dependiendo de la flexibili­dad del neumático.
  • Mayor estabilidad.
  • Absorción por parte del chasis de esfuerzos y sacudidas.
  • Supresión de esfuerzos por fatiga sobre los ejes y frenos.
  • Nivelación del equipo en terrenos irregulares.

A veces los dos estabilizadores de un eje están sus­tituidos por una hoja de bulldozer que cumple la misma misión. 

La superestructura de la excavadora hidráulica puede montarse sobre otros tipos de chasis, según los reque­rimientos del trabajo, como en el caso de dragado.
TREN DE RODAJE
El sistema de traslación responde a tres funciones básicas:
  • Constituye una plataforma de trabajo estable.
  • Soporta los movimientos de la máquina, per­mitiéndole girar durante la traslación.
  • Aporta al conjunto movilidad y capacidad para remontar pendientes.

Los sistemas existentes son: orugas y neumáticos.
  • Orugas - El tren de rodaje, está formado por los siguien­tes componentes:

    • Cadenas de tejas ensambladas por bulones y casquillos sellados.
    • Tensores de cadena.
    • Rodillos guía.
    • Ruedas guía.
    • Rueda motriz.
Existen tres tipos básicos de orugas, conocidos genéri­camente por:
    • Estándar.
    • De baja presión.
    • Reforzados.

La selección del tipo de rodaje debe hacerse en función de dos grupos de factores: condiciones del trabajo a realizar y condiciones del terreno sobre el que se apoya. 

El ancho de las tejas o zapatas, como regla gene­ral, debe ser lo más estrecho posible para conser­var al máximo las cadenas y otros componentes del rodaje. 

Existen varios tipos de tejas, para adaptarse a las distintas condiciones de trabajo:


La zapata de dos garras profundas está indicada para las unidades frontales, ya que tienen que soportar las grandes fuerzas de empuje de las máquinas. 

La zapata de tres garras proporciona menos presión al terreno y se usan, normalmente, en los equipos retro 

La presión transmitida al terreno se calcula mediante la siguiente expresión:



W = Peso en operación de la máquina.
L = Longitud entre las ruedas guía.
M = Longitud de las orugas.
N = Anchura de las orugas.

En el tren de rodaje se deben estudiar y tener en cuenta tres factores:
    • Longitud de las orugas en contacto con el suelo y anchura de las mismas, para proporcionar al conjunto flotabilidad.
    • Anchura y longitud del tren, así como posición relativa del mismo, para conseguir un reparto de masas adecuado que proporcione al conjunto es­tabilidad.
    • Número y forma de las garras de las zapatas para conseguir la tracción óptima.

Cada cadena está equipada generalmente con un mecanismo de traslación independiente, constituido por un motor hidráulico de pistones axiales, un reductor planetario y un freno. 

Las características de diseño más importantes son: el esfuerzo de tracción, la pendiente máxima remontable y la velocidad de desplazamiento.
  • Neumáticos
Las unidades con peso en operación inferior a las 30 t pueden montarse con neumáticos, utilizándose estos equipos en los trabajos auxiliares debido a su gran movilidad.

En el montaje sobre neumáticos se pueden utilizar tres tipos de transmisión: mecánica, hidrostática y mixta. 

1.4.2 SUPERESTRUCTURA

La superestructura es un conjunto formado por dos vigas principales y un conjunto de módulos adosados que deben absorber los esfuerzos transmitidos por el equipo de trabajo en la excavación y la aceleración producida por el giro, estando unida al chasis mediante la corona de giro. 

La corona de giro es el elemento de la excavadora que permite la rotación de la superestructura, con relación al chasis inferior que permanece fijo sobre el suelo.


La corona de giro está formada por un cojinete de bolas, de rodillos o mixto, que dispone de un dentado exterior o interior sobre el que actúa el piñón final del motor hidráulico de accionamiento.


Existen dos pistas de giro que están fijadas una al chasis inferior y otra a la superestructura. 

Cuando la corona lleva el dentado interior, la pista interior se fija al chasis inferior y la pista exterior a la superestructura, y viceversa en el caso de dentado exterior. 

El motor de giro transmite la potencia a través de un piñón que actúa sobre la corona de giro. 

En los modelos de más de 200 t este accionamiento es doble. 

1.4.3 ACCIONAMIENTO

Las unidades pequeñas y las que se emplean en movimiento de tierras van accionadas por motores diésel, mientras que la progresiva aplicación de estas máquinas en explotaciones mineras ha propiciado el empleo de unidades accionadas eléctrica­mente.

Las ventajas del accionamiento eléctrico son:
  • Menor consumo, 0,35 kW/t frente a 0,1 l/t, referido a toneladas excavadas.
  • Menor coste de mantenimiento y de repuestos.
  • Menores tiempos muertos por repostado y cambios de aceite y filtros.
  • Menores niveles de producción de ruido.
  • Mayor seguridad y disponibilidad mecánica, y eliminación de la pérdida de potencia con la altitud.


El mayor inconveniente del accionamiento eléctrico estriba en la reducción de movilidad de la unidad. Para resolver este problema puede acudirse a: un tambor enrollador de cable, un Power-Pack provisto de motor diésel para accionar de forma hidráulica, exclusiva­mente, los motores de tracción y un grupo motogenerador móvil. 

Las ventajas del accionamiento eléctrico se traducen en las menores exigencias de:

  • Energía, un 36%
  • Repuestos, un 10%
  • Mano de obra de mantenimiento, un 40%

Los motores diésel funcionan a régimen constante y bajo nivel de revoluciones, con lo que se consigue una mayor duración de éstos.

Las unidades con menos de 125 t van provistas de un solo accionamiento, mientras que las mayores pueden disponer de uno o dos. Las ventajas de un solo motor son las siguientes:

  • Menor consumo de gas-oil.
  • Disposición más simple en la superestructura.
  • Mayor accesibilidad y facilidad de servicio,
  • Menores costes de operación por disminución del número de componentes.

1.4.4 SISTEMA HIDRAULICO
Los elementos más importantes de un circuito hidráulico son el depósito, las bombas, los distribuidores y los receptores, motores o cilindros. 

La potencia hidráulica se puede calcular a partir de la fórmula:




La mayoría de los fabricantes utilizan en el circuito una presión de 30 MPa, debido a que a una mayor presión se precisa un menor caudal de aceite, consiguiéndose cilindros y motores hidráulicos más pequeños y ligeros. 

El motor diésel o eléctrico, acciona las bombas hidráuli­cas a través de un reductor para ajustarlas a un régimen de revoluciones adecuado. Las bombas son, en la mayoría de las máquinas, de pistones axiales, que proporcionan un caudal variable. 

Los bloques de mando o distribuidores reparten el aceite hidráulico entre los diferentes mecanismos. En la traslación y en el giro se utilizan, normalmente, motores de pistones axiales, de caudal constante. 

Los cilindros hidráulicos se encargan de efectuar los movimientos del equipo de excavación:



La potencia hidráulica se utiliza para mover el equipo de trabajo, que incluye la pluma, el brazo y la cuchara, la corona de giro y los motores de tracción. En algunas operaciones el giro y la actuación del equipo de ex­cavación deben estar coordinadas, lo que significa que el caudal necesario debe llegar a cada elemento en el tiempo preciso para conseguir ciclos de trabajos suaves y rápidos. 

El equipo de excavación y el mecanismo de giro deben operar con fuerza y velocidad óptimas, concentrando los caudales en el equipo cuando sólo funcione éste. Igualmente, no debe producirse una disminución de la presión cuando se traslada o se gira. 

Las tres condiciones que debe cumplir un circuito hidráulico son:
  • Disponer de toda la potencia útil en el equipo de excavación durante el arranque.
  • Distribuir la potencia entre el equipo de excavación y el de giro cuando actúan simultáneamente, como sucede en el movimiento del cazo lleno para efec­tuar su descarga.
  • Enviar la máxima potencia a los motores de tracción cuando se traslada la excavadora en terreno blando o se requiere velocidad en terreno duro.

Existen tres tipos de circuitos: serie, paralelo e indepen­diente.



Para trabajar sólo con el equipo de excavación, el mejor sistema es en serie. Son posibles todos los movimientos y cuando un elemento no se usa, el aceite pasa al siguiente. 

Para mover el equipo de excavación y el giro, simultá­neamente, el mejor sistema es el circuito independiente, o el sistema en serie siempre que exista una válvula de demanda ajustada a los requerimientos combinados. 

Esto es debido a que con un circuito en serie normal no se puede conseguir la potencia máxima en cada punto de manera simultánea, situación que se requiere con el cazo lleno, al izarlo y girarlo. Además, la deman­da de los elementos hidráulicos de los equipos de trabajo y de giro son diferentes, y requieren distintas combinaciones de caudal y presión simultáneamente. 

Con un circuito en paralelo, el equipo de excavación se pararía al girar y viceversa, ya que el aceite seguiría el camino de menor resistencia. 

Para el sistema de traslación, un sistema adecuado es una combinación del circuito paralelo e independiente.


Cada bomba suministra todo su caudal a cada motor y una tercera bomba actúa para compensar cualquier aumento de demanda entre bombas y motores. Las válvulas evitan que un motor absorba el caudal de las tres bombas, cuando una oruga patina. En el conjunto equipo de excavación-motores de tracción, un circuito independiente proporciona la máxima fuerza en cada elemento. 

El circuito hidráulico del mecanismo de giro es indepen­diente. 

El sistema de regulación por potencia límite tiene las si­guientes ventajas:
  • Utilización máxima de la potencia del motor.
  • Adaptación automática de la potencia hidráulica.
  • Ajuste automático del caudal de las bombas.
  • Eliminación de sobrecargas del motor, al ser instan­tánea la regulación de las bombas.
  • Disminución del consumo de combustible en el motor diesel.

La regulación puede realizarse mediante una bomba piloto o por regulación electrónica. En el primer sistema, una bomba de volumen constante y pequeño caudal mide la carga del motor y determina el caudal que suministrarán las bombas principales. En la regulación electrónica, se controla: el acelerador del motor, las revoluciones y la temperatura del motor. 

Analizando el esfuerzo, el sistema hidráulico se adapta a la potencia máxima del motor. Una de las ventajas de este sistema es que el tiempo de respuesta es muy pequeño. 

1.4.5 CABINA

La cabina tiene una gran influencia indirecta en el rendimiento de las excavadoras, siendo necesario que sean funcionales y confortables. 

La posición de la cabina suele establecerse en el lado izquierdo de la máquina, debido a que el operador tiene mayor facilidad para posicionar rápidamente el volquete, por encontrarse ambos operadores en contacto visual.


La cabina ha de situarse con altura suficiente, y acristalado panorámico, disponiendo dentro de ella los siguientes elementos principales.
  • Dos palancas de mando, una de brazo y cazo y otra de pluma y mecanismo de giro.
  • Palanca de traslación.
  • Consola que proporciona una información completa sobre la situación de la máquina.
  • Aislamiento de la cabina contra ruido y vibraciones; disponiendo de calefacción y aire acondicionado.
  • Asiento anatómico.

2 BIBLIOGRAFIA
  • 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 Minería a Cielo Abierto – Instituto Tecnológico Geominero de España
  • file:///C:/Users/DELL/Downloads/hex-bucket-es.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 
  • https://es.scribd.com/document/104664150/Partes-de-La-Excavadora 

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