capítulo 4. tractores

CAPÍTULO 4. TRACTORES
Un tractor es una unidad de potencia de tracción que tiene una cuchilla al frente de la
máquina. Están diseñados para proporcionar potencia de tracción al trabajo de la barra de tiro.
Los tractores pueden estar montados tanto sobre orugas o cadenas como sobre ruedas. Para ser
consistentes con su propósito, como una unidad que trabaja con la barra de tiro, tienen su
centro de gravedad muy bajo. Este es un requisito para que sea una máquina efectiva. Cuanto
mayor sea la diferencia entre el eje de aplicación de la fuerza de transmisión de la máquina y
la el eje de la fuerza de resistencia menor será la eficiencia en el uso de la potencia
desarrollada. Los tractores se usan para empujar material, limpiar terreno, romper roca,
ayudar a las traíllas en la carga y empujar otros elementos de equipo de construcción. Pueden
estar equipados además con un winche posterior o un ripper. Para desplazamientos de grandes
distancias entre proyectos o dentro de un proyecto, el tractor debe ser transportado por otro
equipo. Moverlos con su propia potencia aún a velocidades muy bajas incrementa el uso de la
tracción disminuyendo la vida útil de la máquina.
Figura 4.1 Modelo de tractor de orugas con una cuchilla recta.
4.1.
Características del desempeño de los tractores
Los tractores se clasifican sobre la base de su sistema de tracción: (1) sobre orugas y (2) sobre
llantas. Los tractores de orugas son en realidad las máquinas de tracción. Tienen una cadena
continua que se mueve en un plano horizontal a través de unos rodillos fijos. En un
determinado cambio del motor, las orugas pasan sobre un disco fijo montado verticalmente.
Cuando el disco gira, fuerza a la oruga a avanzar o regresar, impartiendo movimiento al
tractor. En el frente de la máquina, la tracción pasa sobre un disco similar montado
verticalmente que está conectado con un elemento de tensión ajustable. El disco mantiene la
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tensión adecuada en la cadena y le permite absorber fuertes golpes. Los pasos están hechos de
acero especial diseñado para resistir el uso y la abrasión. Algunas compañías ofrecen
actualmente orugas con pasos de acero cubiertos con caucho.
Como se discutió en el punto 3.2.3, la fuerza disponible para usar en un trabajo está limitada
frecuentemente por la tracción. Esta limitación depende de dos factores: (1) el coeficiente de
tracción en la superficie que se atraviesa y (2) el peso que llevan las llantas de dirección.
4.1.1. Efecto del peso en el desempeño
Algunas veces, los usuarios incrementan el peso de las llantas de los tractores de ruedas para
superar las limitaciones de potencia y tracción. Se recomienda una mezcla de cloruro de
calcio y agua como balastro. Debe tenerse especial cuidado para asegurar que el nuevo peso
se distribuya de manera equilibrada entre todas las llantas de dirección.
Un tren de rodaje de un tractor de cadenas estándar es apropiado para uso general en roca y
terreno moderadamente suave. La presión típica del terreno para un tractor de orugas con un
carruaje estándar es de 6 a 9 psi. (41-62 KPa). La configuración del tren de rodaje para una
menor presión del terreno (LGP) está diseñada para condiciones de suelo blando. La presión
del suelo desarrollada por un tractor de orugas con un tren de rodaje LGP es de 3 a 4 psi (2128KPa). Las máquinas con LGP no deben usarse en condiciones de terreno duro o rocoso, ya
que reducirían su vida útil. Hay trenes de rodaje extra-largos disponibles para las máquinas
dedicadas a trabajos de acabado.
En el caso de tractores con neumáticos, las llantas más anchas proporcionan una mayor área
de contacto e incrementan la flotación. Debe recordarse, sin embargo, que las cartas de
desempeño se basan en un equipo estándar, incluyendo las llantas. Unas llantas más grandes
reducirán el desarrollo del empuje.
Tanto los tractores de orugas como los de cadenas están tipificados por potencia de giro de los
discos (fwhp) y el peso. Normalmente el peso se considera de operación, es decir, incluye
lubricantes, refrigerantes, un tanque de combustible lleno, una cuchilla, el fluido hidráulico,
cabinas de protección estándar y el operador. El peso del tractor es importante en muchos
proyectos porque el máximo esfuerzo de tracción que una unidad puede proporcionar está
limitada por el producto del peso por el coeficiente de tracción entre la unidad y la superficie
del terreno, independientemente de la potencia que tenga el equipo.
Para movilizar la mayoría de los tractores se usan motores de combustión interna, siendo los
más comunes los de diesel. Los motores de gasolina se usan en unidades más pequeñas.
Algunos tractores diseñados para el trabajo en túneles usan energía eléctrica o aire como
sistema de propulsión para evitar los gases de combustión.
Como la rotación derivada del motor es generalmente demasiado rápida y no tiene suficiente
fuerza (torque), las máquinas tienen transmisiones que reducen la velocidad rotacional e
incrementan la fuerza disponible para realizar el trabajo La transmisión proporciona al
operador la habilidad de cambiar la relación velocidad-potencia de la máquina de modo que
cumpla los requerimientos del trabajo. Los fabricantes han venido implementando los
tractores con una variedad de sistemas de transmisión, pero las opciones principales son la
dirección directa y el convertidor de torque con transmisión de potencia.
4.1.2. Efecto de la tracción en el desempeño
Los requerimientos de tracción o flotación se pueden conseguir con un adecuado tren de
rodaje o neumáticos. Las unidades sobre orugas están diseñadas para aquellos trabajos que
requieren gran esfuerzo de tracción. No hay otras piezas de equipo que puedan proporcionar
la potencia, tracción y flotación necesarias en condiciones tan variadas. Un tractor de orugas
puede operar en pendientes muy empinadas de hasta 45°.
Capitulo 4 Tractores
69
Ya se explicó en líneas anteriores que la fuerza de empuje que puede usarse depende del peso
y la tracción del tractor completamente equipado. Esto debe servir de alerta sobre la potencia
disponible. Aún cuando el motor puede desarrollar una determinada fuerza en la barra de tiro
o una fuerza de empuje, toda esta fuerza no estará disponible para hacer el trabajo.
Por ejemplo, si se tienen dos tractores, uno sobre orugas con 200HP y otro sobre neumáticos
de 216HP, aunque la potencia es muy similar, la fuerza de tiro final no es la misma. En un
terreno limo-arcilloso seco, el coeficiente de tracción ya es distinto para llantas y para
neumáticos. En la tabla 3.2 se tiene los valores respectivos de 0.9 y el rango entre 0.5 y 0.7.
Asumiendo un valor de tracción promedio para los neumáticos de 0.6 se estimaría una fuerza
de tiro de 20,650 kg para el tractor de orugas y de 20,500 kg. para el tractor de neumáticos en
las cartas de fuerza de tiro. Sin embargo, por efecto de la tracción la fuerza disponible será
menor a este valor y se puede aproximar al valor anteriormente hallado multiplicado por el
coeficiente de tracción. Para el tractor de orugas, la fuerza disponible sería igual a 20,650 kg
multiplicado por 0.9, igual a 18,585 kg. Para el mismo tractor pero montado sobre ruedas,
fuerza disponible se multiplicaría por 0.6, resultando en 12,300 kg. Como se demuestra, las
dos máquinas tienen aproximadamente el mismo peso de operación y la misma potencia, pero
debido al efecto de tracción, el tractor de orugas es capaz de proporcionar 1.5 veces más la
potencia útil de otro de ruedas.
En la mayoría de los terrenos, el coeficiente de tracción de los neumáticos es menor que el de
orugas. Por lo tanto, un tractor de ruedas deberá ser considerablemente más pesado
(aproximadamente un 50%) que los tractores de orugas para desarrollar la misma cantidad de
fuerza útil. Al incrementar el peso, se requerirá a su vez de un motor más grande para
mantener la relación peso-potencia. Esto establecerá un límite hasta el cual puede añadirse
peso y permita aún tener una máquina con las ventajas de velocidad y movilidad respecto al
tractor de orugas.
Una ventaja de un tractor de ruedas en comparación con uno de orugas es la gran velocidad
que puede desarrollar la máquina, llegando en algunos casos hasta 48 Km/h. Para conseguir
una alta velocidad, sin embargo, un tractor de ruedas debe sacrificar el empuje. Además,
como el coeficiente de tracción entre las llantas y algunos terrenos es bajo, los tractores de
ruedas pueden deslizar sus llantas antes de desarrollar su esfuerzo de empuje establecido.
4.2.
Estimación de la producción de los tractores
Un tractor o dozer es una unidad de tracción provista de una cuchilla en la parte frontal. Esta
cuchilla se usa para empujar, cortar y nivelar o esparcir material hacia delante del tractor. Los
tractores son las máquinas de movimiento de tierras más eficientes y versátiles. Se usan
generalmente para iniciar la limpieza del terreno, el corte y la nivelación de la subrasante y en
la producción de los agregados en las canteras de material. Las operaciones específicas son:
•
•
•
•
•
•
•
Empuje de tierra y roca en distancias cortas, hasta 91 m., en el caso de tractores
grandes.
Esparcido de rellenos de tierra y roca.
Relleno de trochas.
Abertura de caminos a través de montañas o en terrenos rocosos.
Limpieza de terreno de maleza, raíces, etc.
Limpieza de superficies en canteras o zonas de préstamo.
Ayuda en la carga de traíllas.
En cada uno de estos trabajos la gran diferencia la hacen las cuchillas. Las cuchillas son
elementos en forma de placa que tiene unos bordes cortantes. Están conectadas al tractor a
través de brazos hidráulicos. Tienen distintos diseños y formas. Además, la forma de
movimiento de las cuchillas también define algunos nombres como el bulldozer, tiltdozer,
angledozer, etc.
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Programa de Titulación 2006. Ingeniería Civil. Universidad de Piura.
El tipo de cuchilla puede influir directamente en la cantidad de material que es capaz de
captar y movilizar y, por tanto, influye en la producción del tractor. Por ello, se desarrollará
con detalle los tipos de cuchilla de los tractores.
4.2.1. Actividades de empuje de material
Un tractor no tiene una capacidad volumétrica determinada. No hay ningún contenedor o
tolva; en su lugar, la cantidad de material que el tractor mueve depende de la cantidad que
queda en frente de la cuchilla durante el avance. Los factores que controlan las tasas de
producción son tres: (1) el tipo y condiciones de material, (2) el tipo de cuchilla y (3) el
tiempo del ciclo.
a) Tipo y condiciones del material
El tipo y las condiciones de material que se manipula afecta la forma de la masa que se
empuja delante de la cuchilla. Los materiales cohesivos (arcillas) se acomodarán como una
bola. Los materiales que tienen una calidad densa o que tienen un alto contenido de mica
rodará sobre el terreno y se colmarán. Los materiales sin cohesión (arenas) se conocen como
materiales muertos porque no muestran propiedades de esponjamiento o copete.
.
a) Material no cohesivo
b) Material cohesivo.
Figura 4.2 Forma de acomodo de los materiales frente a la cuchilla de un tractor.
b) Tipo de cuchilla
Existen en general tres tipos de cuchillas para las actividades de empuje de material: recta (S),
universal (U) y semiuniversal (SU), además la tipo cojín (C), usada para actividades de
empuje de otros equipos (Ver Figura 4.7). Cada una de ellas, por su forma específica, logra
acomodar el material frente a ella de una determinada manera, de modo que un mismo tractor
puede tener rendimientos diferentes según el tipo de cuchilla usado.
a) Universal
b) Semi-universal
c) Recta
Figura 4.3 Modelos típicos de cuchillas usadas con la operación de tractores (Fuente:
Manual de Rendimiento Caterpillar. Edición 32 (2001)).
Las cuchillas rectas (S) llevan el material en frente de la cuchilla, mientras que las cuchillas
universales (U) y semiuniversales (SU) controlan el material que se desparrama lateralmente
dentro de la cuchilla. Como las cuchillas U y SU fuerzan al material a moverse hacia el
Capitulo 4 Tractores
71
centro, hay un mayor grado de esponjamiento y la cantidad de material suelto será mayor que
en las cuchillas rectas. Pero la relación de esta diferencia no es la misma cuando se considera
volumen en banco. Esto se debe a que el factor de conversión de volumen suelto a volumen
en banco para las cuchillas de tipo universal (U) no es el mismo que el de las cuchillas rectas
(S). El efecto envolvente de las cuchillas U o SU produce esta diferencia.
El mismo tipo de cuchilla viene en diversos tamaños para un mismo tipo de tractor. La
capacidad de la cuchilla entonces es una función del tipo de la cuchilla y su dimensión física.
Las hojas de especificaciones de los fabricantes proporcionarán la información necesaria
relacionada con las dimensiones de las cuchillas.
La carga que una cuchilla llevará se puede estimar con diversos métodos: (1) por la
estimación de sugerida por el fabricante, (2) por la experiencia previa (condiciones de
material similar, equipo o trabajo) y (3) por medidas en el campo.
Los fabricantes proporcionan una capacidad de cuchilla teórica, basada en la práctica SAE
J1265. Para una cuchilla recta, la capacidad VS puede estimarse con la Ec. 4.1 en función del
ancho de la cuchilla (W) y la altura efectiva (H) o altura de material.
VS = 0.8WH 2
Ec. 4.1
Para la capacidad de la cuchilla universal VU se sugiere la Ec. 4.2 en función de la capacidad
de la zona recta, más la fracción equivalente a la zona angular, como se indica en la Figura
4.4:
VU = VS + ZH (W − Z ) tan x
Ec. 4.2
donde:
Vu = capacidad de la cuchilla universal, en m3 suelto.
Vs = capacidad de la cuchilla en la zona recta, en m3 suelto.
W = ancho de la cuchilla, en metros, excluyendo los bordes.
H = altura efectiva de la cuchilla, en metros.
Z = longitud del tramos angular, medido de manera paralela al ancho de la cuchilla, en
metros.
X = ángulo de la sección angular.
Otro excelente método de estimación es usar la experiencia previa debidamente documentada.
La documentación requiere que el área excavada se divida en secciones para determinar el
volumen total del material a mover y que se registre el número de ciclos del tractor. Los
estudios de producción pueden hacerse con base en el peso del material que se mueve. En el
caso de tractores, los mecanismos para pesar el material son muy difíciles de conseguir para
tales volúmenes. Por ello puede ser más práctico el tercer método, tomando medidas en
campo.
Lo primero que debe hacerse es obtener la carga de una cuchilla normal, haciendo que el
tractor empuje una cuchilla de carga normalizada sobre un área nivelada. El tractor se detiene,
mientras que la cuchilla se mueve ligeramente hacia adelante para crear una pila simétrica.
Luego el tractor regresa y se retirar de la pila, procediendo a medir la altura (H) y el ancho
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(W) de la pila en el borde interior de cada extremo, así como la mayor longitud (L) de la pila,
que no necesariamente estará al centro, como se muestra en la Figura 4.4.
x
Z
L
H
W
Figura 4.4 Capacidad de una hoja universal.
Como los valores H y W no serán uniformes, se pueden tomar valores a ambos extremos y
promediarlos. Si las medidas están es metros, la carga de la cuchilla en m3 sueltos se podrá
calcular con la Ec. 4.3:
V (m3 ) = 0.0106 HWL
Ec. 4.3
c) Tiempo del ciclo
El ciclo de un tractor para las operaciones de empuje de material se compone de tres labores:
empujar, regreso y maniobras. El tiempo requerido para empujar y regresar puede calcularse
para cada modelo de tractor, considerando las distancias de empuje y obteniendo una
velocidad de la carta de desempeño de la máquina. El tiempo será el resultado de la división
de la distancia entre la velocidad. Algunas cartas ofrecen el tiempo directamente, ingresando
con la distancia.
El tractoreo se realiza generalmente a una velocidad baja, entre 2.4 a 3.2 Km/h. La velocidad
de retorno es la máxima que puede lograrse en la distancia disponible. Cuando se usan las
cartas de desempeño para determinar las velocidades posibles, hay que recordar que las cartas
identifican la máxima velocidad instantánea. Para calcular la duración del ciclo se debe usar
una velocidad promedio que tome en cuenta el tiempo requerido para acelerar hasta la
velocidad que indica la carta. Generalmente el operador no puede activar la máquina después
del segundo cambio en el caso de distancias menores de 91 m. Si la distancia es mayor que 91
m. y el terreno está nivelado, es posible conseguir la máxima velocidad. El tiempo de
maniobras para hacer los cambios en los tractores es de alrededor de 0.05 min.
Capitulo 4 Tractores
73
d) Producción
La fórmula para calcular la producción de tractor en metros cúbicos por una hora de 60
minutos es la siguiente:
P=
V
TE + TR + TM
Ec. 4.4
Donde:
P es la producción de la máquina.
V es la capacidad de la cuchilla.
TE es el tiempo de empuje.
TR es el tiempo de retorno.
TM es el tiempo de maniobras.
Esta producción se basa en un trabajo continuo durante una hora de 60 minutos, que sería una
condición ideal. Sin embargo, la eficiencia del trabajo se verá afectada por la buena dirección
en el campo, las condiciones del equipo y la dificultad misma de las labores. La eficiencia de
una operación se cuenta reduciendo el número de minutos que realmente se trabaja en una
hora. El factor de eficiencia se expresa entonces como minutos de trabajo en una hora, por
ejemplo, 50 minutos por hora o un factor de eficiencia de 0.83.
Existen condiciones particulares que pueden favorecer la producción, como el trabajo de dos
tractores lado a lado (Ver Figura 4.5). Con esta disposición, las dos cuchillas compensan la
pérdida de material hacia los costados, incrementando la producción entre un 15% a un 25%.
Figura 4.5 Tractores trabajando lado a lado.
También existen fórmulas para calcular la producción, desarrolladas por los fabricantes,
basadas en la potencia del tractor y la distancia de empuje. Otros fabricantes han desarrollado
además curvas de producción, como la de la Figura 4.6, que proporcionan el máximo volumen
de material suelto que puede mover en una hora, en condiciones ideales, de acuerdo al modelo
y la distancia de empuje. Para estimar la tasa de producción en campo más real debe ajustarse
de acuerdo a las condiciones de trabajo esperadas.
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Figura 4.6 Curvas de producción para empuje de material con tractores de oruga y hoja
recta (Fuente: Manual de Rendimiento Caterpillar. Edición 32 (2001)).
Estas curvas ofrecen valores de producción ideal (eficiencia del 100%) y asumen que los
tractores tienen un tiempo de maniobra de 0.05 minutos, que el tractor trabaja cortando 15 m.
y luego empujando el material a un sima, que la densidad del material es de 1364 kg/m3S, con
coeficientes de tracción entre el suelo y la oruga de 0.5 y con el neumático de 0.4 o más, y que
los controles son hidráulicos. Si estas condiciones cambian, cambiará la producción de
manera más o menos proporcional a ellos.
Se puede entonces plantear un factor de corrección que permita realizar este ajuste, y que
multiplicado por la producción ideal hallada en la curva de producción ofrezca un valor más
cercano a lo esperado. Este factor de corrección se puede expresar con la Ec. 4.5:
f = f o f m f w f v f e f tr f p f d
Ec. 4.5
Donde:
f es el factor de corrección total.
fo es el factor de corrección por habilidad del operador (excelente, promedio, pobre).
fm es el factor de corrección por tipo de material, si está suelto, compacto o es duro de cortar.
fw es el factor de corrección por tipo de trabajo, si trabajan los tractores solos o lado a lado.
fv es el factor de corrección por visibilidad.
ftr es el factor por el sistema de transmisión directa.
fp es el factor por pendiente del terreno, igual a la Ec. 4.6 con la pendiente en porcentaje.
f p = 1 − 0.0222 P − 0.00007 P 2
Ec. 4.6
Capitulo 4 Tractores
75
fd es el factor de corrección por densidad del material, igual a Ec. 4.7:
fd =
1370
γ mat [kg / m3 S ]
Ec. 4.7
Los valores de fo, fm, fw, fv y ftr se muestran en la Tabla 4.1.
4.2.2. Actividades de limpieza de terreno
La limpieza de terreno consiste en el retiro de árboles, maleza y vegetación en la zona del
camino porque su efecto en la estructura del pavimento es funesta por su degradación en el
tiempo o la generación de asentamientos no deseados. Esto ocurre con frecuencia cuando se
abre un nuevo trazo. Existen cuchillas especiales para limpieza de terreno, pero pueden usarse
cualquiera de las anteriormente mencionadas.
Las tareas concretas en la limpieza de terreno pueden comprender la remoción de árboles y
raíces, vegetación, el almacenamiento de este material y quema posterior. Algunas veces se
especifica en los proyectos las tareas que se espera realice el contratista dentro de esta partida,
pero por lo general no se hace mayor indicación al respecto.
Tabla 4.1 Factores de corrección para el cálculo de producción de tractores.
Condición
fo excelente
fo bueno
fo deficiente
fm material suelto y apilado
fm material difícil de cortar, congelado, con cilindro de
inclinación lateral
fm material difícil de cortar, congelado, sin cilindro de
inclinación lateral
fm material difícil de empujar, seco no cohesivo o muy
pegajoso
fm rocas desgarradas o de voladura
fw por método de zanja
fw con dos tractores juntos
fv con polvo, lluvia, nieve, niebla ú oscuridad
fe eficiencia de 50 minutos/hora
fe eficiencia de 40 minutos/hora
Orugas
1.00
0.75
0.60
1.20
0.80
Neumáticos
1.00
0.60
0.50
1.20
0.75
0.70
---
0.80
0.80
0.60-0.80
1.20
1.15-1.25
0.80
0.83
0.67
--1.20
1.15-1.25
0.70
0.83
0.67
Los tractores usados para las actividades de limpieza de terreno tienen potencias entre 160 y
460 HP. La dimensión del tractor influye en la velocidad que puede desarrollar, además de las
condiciones del terreno. La mejor y más segura forma de estimar la producción siempre será
usando información histórica de proyectos similares. Cuando no se disponga de información
se puede aplicar los métodos sugeridos a continuación.
En cualquier método que se use para la estimación de la producción se debe tomar en cuenta
como factores críticos la naturaleza de la vegetación (número, dimensión, tipo de madera y
raíces de los árboles), las condiciones del terreno (cohesión, humedad, presencia de roca y
Programa de Titulación 2006. Ingeniería Civil. Universidad de Piura.
76
nivel freático), las condiciones topográficas, las condiciones climáticas (temperatura y lluvia)
así como las especificaciones de trabajo.
Es indispensable visitar el lugar para recoger la información pertinente y evaluar las posibles
variaciones que puedan tomarse en cuenta al aplicar los métodos de cálculo.
Cuando se tiene poca vegetación y es posible limpiar el terreno con una velocidad
constante, la producción se puede estimar con una fórmula basada en la velocidad y el ancho
de pasada.
P = W ×V × E
Ec. 4.8
Donde:
P es la producción, en m2/h.
W es el ancho de corte o ancho de la cuchilla, en m.
V es la velocidad con que se hace el trabajo, en m/s.
E es la eficiencia del trabajo, sugerida en 49.5 en min/h.
El ancho de corte no siempre coincidirá con el ancho de la cuchilla. Si ésta se trabaja con una
determinada inclinación, el ancho será la proyección del ancho en un plano perpendicular al
eje del tractor.
Cuando no es posible visitar la zona o tener información detallada de la vegetación o el
número de árboles por hectárea, se puede usar un método más rápido que relaciona el área
con factores de eficiencia y de producción unitaria.
T =
FP × A
E
Ec. 4.9
Donde:
T es el tiempo que demora limpiar un área A considerando una eficiencia y un factor de
producción dados, según la Tabla 4.2. Estos valores consideran un máximo de 124 árboles por
hectárea, con diámetros no mayores a 45 cm. Unas condiciones distintas a éstas implicarán un
incremento o una reducción en los valores sugeridos en esta tabla.
Tabla 4.2 Valores de producción unitaria para el cálculo de producción en la limpieza de
terreno (h/Ha).
Equipo
Tractor de 200 HP con cuchilla de limpieza
Tractor de 300 HP con cuchilla de limpieza
Tipo de vegetación
Liviana
Media Espesa
1.31
2.64
4.27
0.99
1.66
2.64
Fuente: Manual de Rendimiento Caterpillar. Edición 32 (2001).
Una vegetación liviana se considera cuando los árboles tienen menos de 30 cm de diámetro y
una vegetación espesa, alrededor de 45 cm de diámetro. En la tabla se muestran los valores de
producción en horas por hectárea para diferentes capacidades de tractores y de vegetación.
Capitulo 4 Tractores
77
Cuando se tienen datos más aproximados sobre el tipo de vegetación y número de árboles, es
posible aplicar un tercer método sugerido por Rome Industries, sugerido también por
Caterpillar.
El método se basa en una fórmula que calcula el tiempo para limpiar una hectárea de terreno
con determinadas características de vegetación y adiciona un tiempo determinado por cada
árbol adicional que hay que retirar. Este método considera dos ecuaciones, una para las tareas
de corte y otra para las tareas de apilamiento. Si se realizan ambas tareas, es necesario sumar
los tiempos para hallar uno total.
Para las tareas de corte, se sugiere la Ec. 4.18:
T [min/ Há ] = H [A × B + M 1 N1 + M 2 N 2 + M 3 N 3 + M 4 N 4 + D × F ]
Ec. 4.10
Donde:
H es el factor de dureza de la madera. Es igual a 1.3 si más del 75% de la madera es dura; y
0.7 si lo es menos del 25%.
A es el factor de densidad de los árboles, siendo igual a 2 si hay más de 1480 árboles por
hectárea y 0.7 si hay menos de 990 árboles por hectárea.
B es el tiempo básico que representan el tiempo mínimo que requiere un tractor de
determinada potencia para limpiar una hectárea de terreno, como se ve en la Tabla 4.3, en
min/Há.
Mi son los minutos que demora un tractor de determinada potencia para cortar un árbol de
determinado diámetro, como figura en la Tabla 4.3.
Ni es el número de árboles por hectárea de un determinado diámetro.
D es la suma de los diámetros en incrementos de 30 cm de todos los árboles por hectárea de
más de 180 cm de diámetro al nivel del suelo.
F es el tiempo que demora en cortar 30 cm de un árbol de más de 180 cm de diámetro.
Los valores de B, M1, M2, M3, M4 y F se muestran en la Tabla 4.3 según la potencia de los
tractores.
Tabla 4.3 Factores de producción para el corte de árboles con hojas Rome K/G.
Potencia
(HP)
B
(min/Há)
165
230
305
405
85
58
45
39
Diámetros
30-60 cm
M1
0.7
0.5
0.2
0.1
60-90 cm
M2
3.4
1.7
1.3
0.4
90-120 cm
M3
6.8
3.3
2.2
1.3
120-180 cm
M4
--10.2
6
3
Fuente: Manual de Rendimiento Caterpillar. Edición 32 (2001).
Para las tareas de apilamiento, se sugiere la Ec. 4.11
F
(min/30 cm)
--3.3
1.8
1.0
78
Programa de Titulación 2006. Ingeniería Civil. Universidad de Piura.
T [min/ Há] = X [C × B + M 1 N 1 + M 2 N 2 + M 3 N 3 + M 4 N 4 + D × F ]
Ec. 4.11
Donde:
X es el factor de trabajo de los tractores. Si se usan tres o más tractores al mismo tiempo, este
factor se convierte en 0.5 ó 0.75, según la cantidad y tamaño de los árboles. Cuando la obra
requiera apilar árboles y tocones desarraigados de mas de 30 cm de diámetro, este factor se
convierte en 1.25.
C es el factor de densidad de la vegetación. En matorrales densos con troncos de poco
diámetro y pocos árboles o ninguno o cuando las lianas dificultan el corte, este factor llega a
ser 0.7.
B es el tiempo básico que representan el tiempo mínimo que requiere un tractor de
determinada potencia para limpiar una hectárea de terreno, como se ve en la Tabla 4.4, en
min/Há.
Mi son los minutos que demora un tractor de determinada potencia para apilar un árbol de
determinado diámetro, como figura en la Tabla 4.4.
Ni es el número de árboles por hectárea de un determinado diámetro.
D es la suma de los diámetros en incrementos de 30 cm de todos los árboles por hectárea de
más de 180 cm de diámetro al nivel del suelo.
F es el tiempo que demora en apilar 30 cm de un árbol de más de 180 cm de diámetro.
Los valores de B, M1, M2, M3, M4 y F se muestran en la Tabla 4.4 según la potencia de los
tractores.
Tabla 4.4 Factores de producción para el apilamiento de árboles cortados con hojas
Rome K/G.
Potencia
(HP)
B
(min/Há)
165
230
305
405
157
125
111
97
Rango de diámetros de árboles (cm)
30-60
60-90 90-120 120-180
M1
M2
M3
M4
0.50
1.0
4.2
--0.40
0.7
2.5
5.0
0.10
0.5
1.8
3.6
0.08
0.1
1.2
2.1
F
(min/30 cm)
----0.9
0.3
Fuente: Manual de Rendimiento Caterpillar. Edición 32 (2001).
Estos valores son aplicables con tractores que tienen servotransmisión, están en buen estado
de conservación y trabajan con terrenos de pendiente moderada.
4.2.3. Excavación en roca
La excavación de roca normalmente se realiza usando explosivos. Algunas veces, por la
magnitud del trabajo y las condiciones de la roca es posible realizar la excavación con un
accesorio llamado ripper o desgarrador, que consiste en unas uñas colocadas en la parte
posterior del tractor, que penetran el suelo y son jaladas por el equipo, aflojando el material.
Puede trabajar en roca, terreno duro de excavar o pavimentos antiguos. Por lo general se
prefieren los tractores de orugas, por la gran fuerza de tiro que necesita este trabajo.
Capitulo 4 Tractores
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Figura 4.7 Tractor de orugas con ripper en la parte posterior.
El proceso de excavación de roca con tractor se denomina desgarramiento y puede reducir los
costos hasta en un 50% respecto al uso de explosivos y su posterior acarreo con equipo de
transporte1. Esto es posible gracias a los modelos más grandes y con mayor capacidad y la
facilidad para evaluar la facilidad de la roca a ser desgarrada.
Esta evaluación de la roca consiste en determinar el tipo de roca y su densidad. Si una roca es
ígnea, como los granitos y basaltos, es casi imposible pensar en la excavación con tractor;
pero en rocas sedimentarias, que tienen una estructura estratificada, es posible desgarrarla.
Las rocas metamórficas como los gneiss, cuarcita o los esquistos tienen una mayor
variabilidad en su facilidad de desgarramiento.
Un método muy sencillo y moderno para determinar la facilidad de excavación es relacionarla
con la velocidad sísmica. Los métodos de refracción sísmica miden la velocidad con que se
propagan las ondas generadas por el equipo, de modo que una baja velocidad (menos de 2100
m/s) indican una roca blanda, fácil de desgarrar, mientras que una alta velocidad (más de 3000
m/s) indicaría la necesidad de usar explosivos. Algunos fabricantes como CATERPILLAR2
ofrecen unas gráficas donde indican la facilidad con que determinados materiales pueden ser
desgarrados con tractores y accesorios adecuados, como la que se muestra en la Figura 4.8.
Estas gráficas pueden usarse como referencia para iniciar los cálculos, pero siempre será
necesario hacer verificaciones posteriores más detalladas. Una vez ubicado el modelo de
tractor más adecuado, se puede recurrir a las gráficas de producción de desgarramiento de
roca.
1
2
Peurifoy; Schexnayder. Construction planning, equipment and methods. 2002. USA.
Caterpillar Inc. Manual de rendimiento Caterpillar. Edición 32. Illinois, 2001. Pág. 1-61 a 1-65.
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Programa de Titulación 2006. Ingeniería Civil. Universidad de Piura.
Figura 4.8 Capacidad de desgarramiento estimada del tractor D9R3.
Este método se basa en las mediciones de velocidad sísmica de la roca. Las gráficas de
producción ideal de un determinado modelo de equipo ofrecen un rango de rendimiento según
la velocidad sísmica de la roca (Ver Figura 4.9). Para condiciones ideales se esperará una
mayor producción y para condiciones adversas, una mínima.
Figura 4.9 Gráfica de producción de desgarramiento de roca para el tractor de orugas
D8R con un ripper de una uña (Fuente: Manual de Rendimiento Caterpillar. Edición 32
(2001)).
3
Caterpillar Inc. Manual de rendimiento Caterpillar. Edición 32. Illinois, 2001. Pág. 1-61 a 1-65.
Capitulo 4 Tractores
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La producción de los tractores en este tipo de trabajos se puede estimar con un método rápido,
basados en una prueba de desgarramiento in situ una determinada distancia y midiendo el
tiempo que toma hacerlo (Ver Ec. 4.12). El tiempo debería incluir las maniobras al final de
cada pasada, y debería ser un promedio de varios ciclos de trabajo. La cantidad o volumen de
material en cada pasada se determina midiendo la longitud, ancho y profundidad del área
desgarrada. La experiencia indica que el resultado de este método ofrece valores 20%
mayores a los finales4, de modo que la Ec. 4.12 incluye un factor de corrección.
P=
V
1.2T
Ec. 4.12
En cualquiera de los casos, la producción debe ajustarse conforme se avanza en el proyecto y
es más bien el costo el que sufre una variación importante. Un trabajo de desgarramiento no
sólo deteriora las uñas del desgarrador sino que esfuerza el motor y toda la máquina en
general. Los costos de posesión y operación entonces se incrementarán por los mayores gastos
en reposición de piezas, consumo de combustible y aceite, entre otros rubros. Por ello, se
recomienda que el costo horario del tractor para este trabajo se incremente en un 30 a 40%
respecto al valor habitual5.
4
5
Peurifoy; Schexnayder. Construction planning, equipment and methods. 2002. USA.
Ibid.