Rendimientos Cargador Frontal

RENDIMIENTOS DE PRODUCCIÓN

Consideraciones importantes: a) 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. b) Tiempos de ciclo del cargador. 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.

La productividad de los cargadores frontales depende del volumen del cucharón y de la duración de su ciclo de trabajo.

q = Producción por ciclo (Vol. del cucharón) T = Duración del ciclo

Capacidad nominal del cucharón: Es la cantidad de material que mueve el cucharón en cada ciclo, afectada por un factor de carga o llenado.

Disminución del material acumulado: Pérdida por derrame en la operación de levante y descarga

Factor de cucharon o de acarreo “k”.

Condiciones de Operación

Factor “k”

Fácil

Cargado desde un acopio de tierra, o desde un montón de roca excavada por otra máquina, el cucharón puede llenarse sin necesidad de utilizar la potencia de excavación. se utiliza para arena, suelo arenoso, suelo arcilloso con buen contenido de agua.

1.0 – 1.1

Promedio

El cargado de tierra suelta desde el acopio es más difícil, pero se puede llenar el cucharón. se utiliza para arena, suelo arenoso, suelo arcilloso, grava a sin cernir, grava compactada y en excavación y cargado de tierra suave.

0.85 – 0.95

Difícil cargar cucharón lleno. se utiliza para roca pequeña Moderadamente acopiada por otra máquina, roca molida, arcilla dura, arena difícil mezclada con grava, suelo arenoso, suelo arcilloso seco. Dificultosa

difícil cargar el cucharón. se utiliza para rocas grandes de forma irregular que forman grandes espacios de aire, roca excavada con explosivos, piedras grandes, arena mezclada con piedras, etc.

0.80 – 0.85

0.75 – 0.80

Varía de acuerdo a la forma y tamaño de las partículas y de las condiciones de humedad, de acuerdo a las condiciones de operación

El factor de carga se puede determinar empíricamente (por medio de mediciones), o tomarse de los manuales de fabricantes. A continuación mostramos la tabla para definir el factor de llenado para un cargador frontal.

Haga clic en el icono para agregar una imagen Factores de carga o llenado para cucharón de cargador frontal tabla (a)

DURACION DEL CICLO (T): Depende del tipo de carga:

Cm  2 x

D D  2x  Z F R

D D Cm    Z F R Donde: D: Distancia de acarreo (m) F: Velocidad de marcha adelante (m/min) R: Velocidad de marcha atrás (m/min) Z: Tiempo requerido para realizar el cambio (min)

Cm  2 x

D Z F

Tabla para estimar la duración del ciclo para cargadores frontales en minutos Forma de Cargado y Tamaño de Cucharón Condiciones de Carga

Cargado en “V”

Cargado Transversal

< 3 m3

3.1 a 5 m3

> 5 m3

< 3 m3

3.1 a 5 m3

> 5 m3

Fácil

0.50

0.60

0.70

0.45

0.55

0.65

Promedio

0.60

0.70

0.75

0.55

0.65

0.70

Medio Dificultosa

0.75

0.75

0.80

0.70

0.70

0.75

Dificultosa

0.80

0.80

0.85

0.75

0.80

0.80

Duración del ciclo promedio para palas mecánicas en minutos Forma de Cargado y Tamaño de Cucharón Condiciones de Carga

Cargado en “V”

Cargado Transversal

< 3 m3

3.1 a 5 m3

< 3 m3

3.1 a 5 m3

Fácil

0.60

0.65

0.60

0.65

Promedio

0.65

0.75

0.65

0.75

Medio Dificultosa

0.80

0.85

0.80

0.85

Dificultosa

0.85

0.90

0.85

0.90

Velocidades de acarreo en condiciones promedio Tabla para estimar la velocidad de acarreo. Condiciones de operación

Velocidad con carga (Km/hra)

Velocidad Retorno (Km/hra)

Buenas: acarreo sobre camino lleno bien compactado, con pocas protuberancias

10 a 23

11 a 24

Promedio: camino parejo con pocas protuberancias, trabajo auxiliar de carga reducido, pequeño porcentaje de rocas.

10 a 18

11 a 19

Moderadas: protuberancias en la superficie del camino, mucho trabajo auxiliar.

10 a 15

10 a 16

Deficientes: irregular con grandes protuberancias, trabajo difícil de realizar, trabajo auxiliar intenso.

9 a 12

9 a 12

TIEMPO FIJO ( Z ): Para hallar el número de cargas por hora de un cargador, hay que determinar el tiempo del ciclo. El tiempo total del ciclo incluye los segmentos siguientes:

Tiempo de cargado “t1”

Este tiempo depende del tipo de material

Oscila entre 0.2 a 0.35 min.

Tiempo de giro “t2”

Este tiempo depende del operador

Óptimo de 0.15 min

Tiempo de descarga “t3”

Depende del tamaño y resistencia del vehículo o tolva en que se vacía

Varía de 0.0 a 0.10 min.

Por tanto el tiempo fijo se expresa con la siguiente fórmula:

Factor de pendiente (p) : Representa el mayor esfuerzo que debe realizar la máquina para trabajar en sentido contrario a la pendiente, o el menor esfuerzo si lo hace en el sentido de la pendiente. En condiciones promedio se le asignan los valores siguientes.

Pendiente del Terreno Factor (p) (%) 15

1.20

10

1.14

5

1.07

0

1.00

-5

0.93

-10

0.86

-15

0.77

Factor de altura (h) : La disminución de productividad que ocasiona la pérdida de un porcentaje de potencia del motor, debido a la altura sobre el nivel del mar, se evalúa incrementando la duración del ciclo en el mismo porcentaje de la disminución de potencia.

PRODUCTIVIDAD REAL De acuerdo a las consideraciones anteriores la productividad real de los cargadores frontales y de las palas mecánicas se podrá calcular utilizando la siguiente expresión:

donde: Q = Productividad real q = Volumen del cucharón Tcorregida = T * ( 1 + h ) h = Incremento del ciclo por altura T = Duración del ciclo k = Factor de cucharón p = Factor de pendiente E = Factor de eficiencia de trabajo

EJEMPLO DEL CÁLCULO DE RENDIMIENTO DE UN CARGADOR FRONTAL: DATOS:

CALCULO DE LA PRODUCTIVIDAD DE ACUERDO AL MANUAL DE RENDIMIENTOS DEL FABRICANTE (CATERPILAR)  SELECCIÓN DE LA MÁQUINA  PRODUCCION REQUERIDA  TAMAÑO DEL CUCHARON  EFICIENCIA DE TRABAJO

Tiempos de ciclo del cargador Ciclo básico: 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 Cat 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. y se sumarán o restaran fracciones de minuto según las condiciones siguientes:

Utilizando las condiciones reales del trabajo y los factores indicados, se puede estimar el tiempo de ciclo total. Convierta el tiempo de ciclo total a ciclos por hora.

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.

Carga útil requerida por ciclo

Elección del cucharón Una vez calculada la carga útil requerida por ciclo, se divide por el peso de un m3 de material suelto, a fin de hallar el número de m3 de material suelto por ciclo. Puesto que la densidad de casi todo el material que va a moverse no alcanza 1800 kg/m3, la exactitud en la estimación de producción requiere un conocimiento razonable de las densidades de los materiales con los que se va a trabajar.

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Factores de carga o llenado para cucharón de cargador frontal tabla (a) 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 empernables.

EJEMPLO DEL CÁLCULO DE RENDIMIENTO DE UN CARGADOR FRONTAL

Necesitamos conocer cuál será el rendimiento de un cargador frontal con las condiciones siguientes:  Capacidad del cucharón 2.5 m3  Carga de roca de voladura medianamente fragmentada  Propietario independiente de equipo de acarreo, con eficiencia de 75%. SOLUCION:

Encontremos el tiempo de ciclo, al ser un cucharón pequeño, tomaremos el ciclo básico de 0.4 min, según las condiciones le sumamos 0.04 min por banco y 0.04 por propietario y restamos 0.04 min por operación constante

Ciclos por hora con una eficiencia del 75%

Ahora calcularemos el volumen de material que se moverá en cada ciclo, de acuerdo a lo referido anteriormente:

Conocemos la capacidad nominal que es de 2.5m3, el factor de carga será de acuerdo al material que se mueve, para nuestro caso tenemos roca de voladura medianamente fragmentada por lo que vemos en la tabla (a) que el factor va de 0.75 a 0.9, escogemos el menor, y calculamos:

Haga clic en el icono para agregar una imagen Factores de carga o llenado para cucharón de cargador frontal tabla (a)

Finalmente el rendimiento será:

Otra forma de obtener el rendimiento consiste en hacer uso de las tablas de rendimientos que proporciona el fabricante, siempre tomando en cuenta las condiciones en que la tabla está hecha. Siguiendo con el ejemplo anterior, tenemos un cucharón de 2.5 m3 y un tiempo de ciclo de 0.44 min, con estos datos entramos a la tabla (c) que en las columnas nos muestra la capacidad de cucharón y en los renglones el tiempo del ciclo y en número de ciclos por hora.

Entrando con los datos conocidos encontramos en el cruce más cercano (2.5 m3 y 0.45 min) una producción horaria de 332 m3 y aplicándole los factores de eficiencia y factor de carga que en la misma tabla se contemplan, el rendimiento será:

Nota: se puede realizar una interpolación para los datos conocidos y el resultado del rendimiento será más cercano al rendimiento obtenido analíticamente.

EJEMPLO DEL CÁLCULO PARA LA ELECCION DE LA MAQUINARIA  Tipo de operación Carga de camiones.  Producción requerida 450 toneladas métricas (496 ton) por hora.  Material Grava de 9 mm (3/8 pulg) en pilas de 6 m (20 pies) de alto Densidad 1660 kg/m3  La capacidad de los camiones es de 6 a 9 m3 y pertenecen a tres contratistas; el trabajo de carga es constante y el suelo, duro y horizontal, facilita las maniobras. SOLUCION: i) PRODUCCIÓN REQUERIDA: dato del problema ii) TIEMPOS DE CICLO: para el cálculo suponemos un cargador de modelo entre el 914G y el 962H de esta manera estimar el ciclo de trabajo básico

iii) VOLUMEN REQUERIDO POR CICLO (Densidad en toneladas) La densidad en este ejemplo es conocida. Cuando no se conoce, existen tablas para obtener una densidad estimada del material con que se trabaja.

Régimen de producción requerido

Volumen requerido por ciclo

iv) DETERMINAR EL TAMAÑO DEL CUCHARÓN FACTOR DE LLENADO DEL CUCHARÓN Un cucharón de 2,9 m3 proporcionará la capacidad requerida.

v) SELECCIÓN DE LA MÁQUINA El tamaño necesario de cucharón y la densidad del material hacen del 950H, con un cucharón de uso general de 2,9 m3, la selección apropiada. Como requisito final, se deben satisfacer las normas SAE de carga útil de la siguiente manera:  La capacidad de operación requerida no debe exceder la mitad de la carga límite de equilibrio estático. La capacidad de operación requerida de la máquina la determina el volumen de material que acarrea por viaje, multiplicado por la densidad del material.

La mitad de la carga límite de equilibrio estático a giro pleno del 950H con un cucharón de uso general de 2,9 m3 es de 5410 kg. Esto satisface la norma SAE.

Método alternativo de selección de la máquina Este método es más rápido y más fácil que el método anterior ya que no es necesario hacer tantos cálculos y la precisión es casi igual, dentro de los límites normales de la información básica.

Problema de ejemplo:

Un cargador de ruedas debe producir 230 m3 por hora en una aplicación de carga de camión. El tiempo de ciclo calculado es de 0,6 minutos, si se trabaja 45 min/h. El factor de llenado del cucharón es de 95%, y la densidad del material es de 1780 kg/m3. Determine el tamaño del cucharón y el modelo de la máquina.

Solución: A plena eficiencia, el cargador de ruedas completa 100 ciclos por hora. Puesto que sólo se considera un promedio de 45 minutos de trabajo, el cargador completa sólo 75 ciclos. Comience en la escala A en el punto de los 75 ciclos por hora y trace una línea recta que atraviese el punto de 230 m3/h en la escala B y siga hasta el punto 3 m3/ciclo de carga útil necesaria en la escala C. Para un mejor entendimiento sigamos los pasos: 1. Marque en la escala B el punto correspondiente a la producción horaria requerida de 230 m3/hora. 2. Marque en la escala A el número de ciclos por hora requeridos (60÷0,6 = 100x0,75 = 75 ciclos/hora). 3. Desde A, trace una línea que pase por B y llegue a C. Apreciamos que la carga útil requerida es 3 m3/ciclo. 4. Marque en la escala D el factor de llenado del cucharón (0,95). 5. Desde C trace una línea que cruce la escala D y llegue a E. Vemos que 3 m3 es la capacidad requerida del cucharón.

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6. Transfiera a la gráfica en la página siguiente los ciclos por hora de la escala A y la carga útil de la escala C. 7. Marque la densidad del material (1780 kg/m3) 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 (5300 kg). 9. Compare la cantidad de 5300 kg en la escala G, con la carga de operación recomendada para esa máquina. La capacidad de operación del 950H provisto de cucharón de 3,1 m3 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 a 400 toneladas métricas (450 ton. EE.UU.). Que vendría a ser la productividad.

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