CAPITULO VI

Rotopalas

1. Introduccin La rotopala es una mquina de produccin continua en la que las funciones de arranque, carga y transporte, dentro de ella, estn separadas, siendo realizadas las dos primeras por el rodete y la ltima por un sistema de cintas transportadoras.

Los antecedentes de estos equipos se remontan a algunos dibujos realizados por Leonardo da Vinci. Posteriormente, a mediados del siglo XIX se desarrollaron mquinas que montaban rodetes para efectuar labores de dragado y con la invencin de los motores de vapor sufrieron un gran i mpulso. Las eavadoras continuas de rosario de cangilones se ut1hzaron paralelamente en diferentes proyectos, como el del Canal de Suez, entre 1 863 y 1 868.

En 1 881 , fue cuando se construy y patent una mquina en los Estados Unidos, que puede considerarse como la primera rotopala, accionada por vapor y diseada por C.A. Smith, Fig. 1 .

RLATAFORMA CORONA DE GIRO

RODETE

CINTA

CINTA RODETE

Figura 1.- Diseo de la primera rotapala patentada en 1881.

Sin embargo, hubo que esperar a 1 91 6 para que, debido la situacin creada por la 1 1 Guerra Mundial, Alemania comenzara la explotacin de lignitos pardos, entrando en funcionamiento la primera rotopala de cierta 1?3-cidad. Este equipo se trasldaba sobre vas y se utilizaba para excavar el recubnmiento por encima del nivel de traslacin. Hasta la dcada de los aos 30 no se produjo una fuerte implantacin de estas mquinas en las minas de lignito, algunas de las cuales continan

an hoy en operacin, como es el caso de Turow en Polonia.

En los aos 50, las rotopalas se disearon incorporando un gran nmero de innovaciones, como son los sistemas de brazo extensible y suspendido, con una capacidad de excavacin de 20.000 m3b/da, llegando en 1 952 a producciones de 40.000 m3b/dia.

Posteriormente, en la dcada de los 60, los yacimientos de lignitos ms superficiales se haban agotado, siendo necesario extraer mayores cantidades de recubrimiento y a mayor profundidad, apareciendo las rotopalas de 60.000 y 1 1 0.000 m3b/da de capacidad. Por ltimo, en la dcada de los 70, la explotacin del yacimiento de Hambach, con una produccin de 30 Mt/ao, impuso la necesidad de unidades con una capacidad de 240.000 m3b/da. .

En la Tabla 1 se indican las caractersticas bsicas de los diferentes tipos de rotopala atendiendo a sus capacidades de produccin.

Las ventajas de utilizacin de las rotopalas como unidades de arranque y carga son las siguientes:

Para una produccin dada, las rotopalas son ms pequeas que las dragalinas o las excavadoras.

- Son mquinas de excavacin continua, no cclica.

Tienen un consumo de energa menor, del 60 al 70% del de las excavadoras de cables, por unidad producida.

No generan impactos durante la carga.

Poseen un radio de vertido grande.

Pueden operar por encima o por debajo del nivel de orugas o apoyo.

El material excavado puede ser descargado sobre un gran variedad de sistemas: camiones. vagones o cintas transportadoras.

Pueden trabajar con bancos de diferente altura.

Proporcionan un material excavado de pequeo tamao, lo que facilita su transporte con cintas.

Pueden disearse con una baja presin especfica sobre el terreno, siendo adecuadas en suelos de baja capacidad portante y con malas condiciones meteorolgicas.

El sistema de trabajo proporciona taludes muy estables y bancos anchos.

Permiten una gran selectividad en la excavacin.

Pueden entregar el material por encima y por debajo del banco de trabajo.

163

TABLA 1

PARAMETRO

CARACTERISTICO o

Produccin diaria (m3b) 20.000 Dimetro del rodete (m) 7,5 Capacidad del cazo (m3) 0,6 Fuerza perifrica (kW) 21 6 Longitud del brazo rodete (m) 28,0 Longitud del brazo de descarga (m) 27 Altura de corte (m) 21 Anchura de corte (m) 35 Anchura de banda (m) 1 ,4 Peso en servicio (t) 920

- Tienen un contrapeso pequeo.

Por el contrario, los inconvenientes de estas mquinas son:

Requieren un mantenimiento amplio y complejo.

Configuran sistemas poco flexibles debido a su poca movilidad. Su utilizacin se ve muy afectada por los cambios geomtricos y tectnicos del yacimiento.

No pueden excavar materiales compactos y abrasivos.

Constituyen sistemas en los que existe una fuerte dependencia entre la disponibilidad global y el nmero de elementos en serie que los integran.

Son equipos que requieren unas inversiones muy elevadas.

La denominacin de las rotopalas se encuentra normalizada por medio de los siguientes parmetros (Norma DIN 22266):

Sch = Rotopala montada sobre carriles. Sch A Rotopala sobre orugas. s Rotopala con la parte superior giratoria. J Capacidad de cangiln (1).

h

164

Altura de corte por debajo del nivel de traslacin (m). Altura de corte por encima del nivel de traslacin (m). Distancia de retraimiento (m).

TIPO DE ROTOPALA

1 11 111 IV 1

40.000 60.000 1 1 0.000 240.000 1 1 ,5 1 2,3 17,6 21 ,6 1 ,4 2,0 4,6 6,3 1 363 451 687 1.432

36,2 42,4 70,5 70,5 1

1 89 80 1 1 o 1 1 9 1 30 32 50 50 1

57 60 98 98 1 ,8 2,0 2,6 3,2

1 .925 3. 1 00 7.600 1 .200

As pues, cualquier modelo de rotopala queda definido por:

Sch As J

h r

Si la propia excavadora realiza el vertido de los materiales directamente, es decir transferencia de los estriles dentro del hueco creado, la rotopala suele llevar adaptado un puente de transferencia, cuya denominacin se hace mediante los parmetros siguientes:

b = Anchura de las bandas de los brazos. 11 y 12 = Longitudes de los brazos (m). h = Altura de descarga sobre el n ivel de orugas.

Las expresiones que se utilizan son:

Bs b

h 11 + 12

BRs b

h 11 + 12

2. Tipos de unidades En la actualidad, Fig. 2, existen los siguientes tipos de rotopalas:

' ::

Foto 1.- Rotopala convencional descargando sobre una cinta ripable de tao en un nivel superior.

t 16,lm. 26,0m.

Figura 2.- Alzado de diferentes rotopalas capaces de dar una produccin de 3.150 m'lh.

Compactas. Semicompactas. Convencionales.

La clasificacin de estas rotopalas se hace en funcin de la relacin:

L Longitud del brazo del rodete

D Dimetro del rodete

teniendo cada una de esas clases de mquinas los siguientes valores medios de ta Tabla 11.

TABLA 11

TIPO DE ROTOPALA LID

Compacta 2 Semicompacta 3 Convencional 4

La longitud del brazo determina ta anchura y altura del bloque a excavar, mientras que el dimetro del rodete es el que fija la capacidad de produccin.

165

Las ventajas de las excavadoras compactas son:

Menor inversin, del orden de un 20% menor que en las rotopalas convencionales.

Menor peso y mayor estabilidad, consiguindose mayor seguridad en la operacin.

Menor tiempo de entrega a partir del pedido.

Por el contrario, los inconvenientes que plantean son:

Las excavadoras compactas se construyen con dos orugas, por lo que tienen una limitacin en el peso debido a los esfuerzos que se transmiten al rodaje. de ah que el tamao mximo actual sea de 1 .600 t con una produccin de unos 7.500 m3/h.

El menor brazo del rodete se traduce en una menor eficiencia de la operacin, especialmente cuando se realiza arranque selectivo.

El factor de eficiencia se define por:

TI = O., /(O, /S),

siendo: Produccin efectiva. a., =

o, Produccin terica. = Esponjamiento. s

Este coeficiente toma los siguientes valores medios de la Tabla 111, para cada uno de los tipos de rotopala.

TABLA 111

TIPO DE ROTOPALA TI

Compacta 0,63 Semicompacta 0,72 Convencional 0,79

En la Tabla IV se establece el campo de utilizain de las distintas rotopalas, segn el tipo de trabajo y la produccin terica de diseo.

3. Caractersticas generales y de diseo

Las partes ms importantes de una rotopala se reflejan en la Fig. 3.

166

SUPERESTRUCT URA GIRATORIA.._

+Z : SISTEA OE IZADO

Figura 3.- Componentes principales de una rotopala.

3.1.. Tren de rodaje El tren de rodaje permite la traslacin de la mquina. incluso en malas condiciones del terreno. Los tipos disponibles son: sobre va y sobre orugas.

A continuacin se describe cada uno de ellos.

3.1.1. Vas Este sistema de traslacin transmite las fuerzas originadas en la mquina al terreno, por medio. de los carriles. La retencin del equipo se produce debido a la friccin entre las ruedas y los citados carriles.

Los inconvenientes de este diseo son:

Hay que mantener l impios los carriles para permitir una buena traslacin y frenado.

Los desplazamientos de la mquina se ven .muy limitados en las curvas y tambin lo esta la capacidad para remontar pendientes.

La unidad no puede trabajar en el sistema oe bloque lleno, que es la forma de trabajo mas favorable, siendo necesario operar en frente largo.

El sistema es poco operativo en mina. con mal terreno y alta pluviometra, debido a la d1flcu1tad de conseguir en los ripados o desplazamientos laterales buenas alineacioi;ies.

1 ,, -, -

TABLA IV

RENDIMIENTO MINAS DE LIGNITO

DESMONTE DE CONSTRUCCIONES CIVILES TEORICO (m3/h) TERRENOS TERCIARIOS MINERIA

400 800

1.250 2.000

3.150 4.000 5.000 6.300

10.000 20.000

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Compactas Semicompactas Convencionales

! 1 1 1 1

En general, este sistema de traslacin slo se utiliza en las rotopalas tipo "combi", aplicadas a los parques de homogeneizacin, y en las excavadoras de rosario de cangilones.

3.1.2. Orugas En este diseo los esfuerzos producidos por la mquina se transmiten por medio de los rodillos a las cadenas y de stas al terreno, a travs de las placas del tren de rodaje.

Es el sistema de traslacin ms utilizado en minera a cielo abierto, debido a las siguientes ventajas:

La superficie de las placas de las cadenas puede ser suficientemente grande para ejercer una presin adecuada a la capacidad portante de los terrenos.

Ofrecen una gran maniobrabilidad y capacidad para adaptarse a las condiciones de operacin.

Pueden superar pendientes importantes, mayores del 1 5%, aunque normalmente operan sobre bancos prcticamente horizontales (< 1 %) .

La traslacin de la mquina es independiente de

1 1 i 1 1

La traslacin de la rotopala en el tajo puede variarse de acuerdo con las necesidades o puede mantenerse fija durante una fase de la operacin. La velocidad de traslacin puede disearse en funcin del tipo de operacin, pero es fija. Cuando la mquina no est en movimiento, sta se mantiene parada debido simplemente a la friccin entre las placas y la superficie de apoyo. En todos los casos las cargas verticales se transmiten estticamente al terreno. Hasta un cierto nivel las orugas se adaptan a las irregularidades de la superficie. Es posible cambiar rpidamente de direccin. El sistema es funcional, incluso en malas condiciones meteorolgicas y bajas capacidades portantes de las plataformas de trabajo.

El diseo y configuracin del tren de rodaje dependen fundamentalmente de la capacidad portante de los materiales y del peso en operacin de la mquina, que determinarn el nmero de orugas necesario. En la Fig. 4 puede verse la relacin entre dichos parmetros. Existen las siguientes configuraciones bsicas:

A) De dos orugas

la posicin del brazo del rodete. Pueden construirse con los siguientes diseos:

167

2

3

5

800

400

'

A = AREA DE LAS ORUGAS

-P

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 PESO EN OPERACION (xl03t)

Figura 4.- Relacin entre el peso en operacin y la capacidad portante de los terrenos.

TRENES DE RODAJE: 1. CON DOS ORUGAS 2. CON TRES ORUGAS 3. CON CUATRO ORUGAS 4. CON TRES ORUGAS DOBLES 5. CON SEIS ORUGAS DOBLES

Figura 5.- Diseos de los trenes de rodaje de orugas.

168

Conexin rgida entre las orugas y el chasis.

Una oruga rgida y otra pivotante con respecto al chasis. Dos orugas pivotantes en relacin al chasis. Orugas disimtricas; una rgida y otra pivotante.

B) De tres orugas Este diseo puede emplearse con mquinas de hasta 1.500 t de peso en servicio. Tal como se indica en la Fig. 5, el chasis se apoya en tres puntos, cada uno correspondiente a una oruga.

C) Cuatro orugas D) Tres orugas dobles E) Seis orugas dobles

Los trenes de orugas dobles pueden adaptarse por parejas a las pendientes transversales del terreno, ya que oscilan en los puntos de anclaje al chasis de las mquinas.

Cada oruga est constituida por un bastidor formado por uno o tres mdulos a los que se fijan los rodillos de sustentacin. Los situados en la parte superior del bastidor soportan el peso de la oruga y los de la parte inferior, que van unidos por parejas a unos soportes oscilantes, son los que aguantan el peso de la mquina. Estos soportes oscilantes, junto al juego que permiten los bastidores de tipo modular, facilitan la adaptacin de las orugas a las superficies irregulares del terreno.

' . , . - - . , -- ---. - r . \: '- -- - -----..

------- ------

.2. Corona de giro 1urante la operacin, el brazo del rodete debe colocarse n una posicin adecuada, por lo que la superestructura e la rotopala debe poder girar sobre el chasis inferior ansmitindole las cargas horizontales y verticales que .e originan en la excavacin.

;1 elemento que permite este giro relativo, sin desgaste fe las dos partes, es la corona giratoria. Tambin sirve Jara retener la superestructura en una determinada JOsicin cuando la mquina no est en funcionamiento. _as mquinas con un brazo de descarga normal xecisan una corona de giro adicional a la del brazo del odete, Fig. 3.

i\ medida que se aumenta el tamao de las rotopalas, 31 dimetro de las coronas de giro debe incrementarse, llegando a alcanzar dimetros de hasta 23 m. El dimetro debe ser lo suficientemente grande para garantizar la seguridad ante el vuelco en las condiciones ms desfavorables de carga y, por otra parte, debe intentarse mantenerlo en el mnimo posible, debido a su influencia sobre otras dimensiones de la mquina.

La corona de giro consta de los siguientes elementos:

El rodamiento. La corona dentada y el pin motriz.

3.2.1. Rodamiento Puede construirse de los siguientes tipos: de bolas, de rodillos, especiales y de rodillos soportados hidrulicamente.

A) Rodamiento de bolas

El rodamiento de bolas consiste en dos pistas circulares entre las que pueden rodar todas las bolas, Fig. 7.

Figura 7.- Pista de bolas doble.

Las pistas tienen unos arcos con radios ligeramente superiores a los de las bolas. Las bolas se instalan en unos canastillos para prevenir la colisin o el blocaje de unas bolas con otras.

B) Rodamiento de rodillos

En el rodamiento de rodillos, la transmisin de esfuerzos verticales de la superestructura giratoria al chasis se realiza por medio de rodillos que se mueven a travs de guas o pistas circulares.

Los rodillos son guiados radialmente en el plano horizontal por las citadas pistas. No pueden transmitir esfuerzos horizontales, por to que es preciso disponer de unos componentes especiales entre la infraestructura y la superestructura.

Este tipo de rodamiento no es muy utilizado en las rotopalas, pero s en las dragalinas.

C) Rodamientos especiales

Cuando es necesario transmitir esfuerzos verticales de compresin y traccin, se emplean dos o tres pistas, de bolas, de rodillos o combinaciones de ambas.

La construccin de estos rodamientos es ms compleja que la de los tipos anteriores.

O) Rodillos soportados hidrulicamente

Con este diseo se consiguen unas cargas iguales de los rodillos soportados hidrulicamente, mediante la conexin de los cilindros soporte a un grupo hidrulico, que hace que fa presin de aceite en cada cilindro individual sea idntica. El uso de soportes hidrulicos no est demasiado extendido.

3.2.2. Corona y pin El pin motriz engrana en la corona dentada y produce el giro de la superestructura.

Existen dos disposiciones de montaje: corona en el chasis inferior y pin en la superestructura, y corona en la superestructura y pin en el chasis inferior.

La seleccin de una u otra depende generalmente de los equipos elctricos que monte la mquina y el tipo de rodamiento. Normalmente, se utiliza la primera disposicin.

A) Corona dentada

La corona dentada es concntrica al rodamiento. En las uidades pequeas se construyen en una sola pieza, mientras que en las grandes se fabrican por segmentos.

169

1

1

1

---------- ------- ..

B) Pin

Mediante un reductor se transfiere el momento motriz [ - -- =-- ::--del motor al pin de giro. Como la velocidad de !ro = . ::- debe variarse de forma ininterrumpida en la operac1on, H"'"" 1ii - -- _CD_, . 0 normalmente, se emplean motores de corriente continua . que permiten obtener velocidades variables. i!!f!llm=---a. La regulacin de velocidad se realiza, generalmente, en el rango comprendido entre 0, 1 y 1 de la velocidad mxima.

El nmero de piones se elige de acuerdo con a potencia necesaria para el giro. Las rotopalas ms pequeas requieren un solo pin, mientras que las mas grandes necesitan dos o ms.

3.3. Brazo del rodete La longitud de brazo del rodete influye sobre la anchura del bloque de extraccin, la altura de banco y la selectividad de la rotopala.

La anchura del bloque se determinar mediante la ecuacin:

donde:

B = 1,35 . L,

B = Anchura de bloque (m). L = Longitud de pluma (m).

La altura de banco mxima se determina mediante la expresin:

siendo:

Hmax = 0,6 (L + D),

H .... = Altura de banco (m). L = Longitud de pluma (m). O = Dimetro del rodete (m).

Esa dimensin puede estimarse, tambin, en funcin exclusivamente del dimetro del rodete:

H.,.. = (2,5 + 3,0) . O. En algunas explotaciones puede ser necesrio el arranque selectivo de diferentes materiales, por eemplo, cuando existen varios niveles de mineral con intercalaciones de estril. Las rotopalas son capaces de efectuar esta excavacin selectiva explotando cada capa como una terraza. En este caso hay que determinar la altura de banco selectiva "H.". Fig. 8.

donde:

170

H, = H.,... - 0,5 . O,

H, = Altura selectiva (m). H.,.. = Altura mxima del centro del rodete (m). O = Dimetro del rodete (m).

1- - . o

Figura 8.- Excavacin selectiva.

Por . otro lado, la eleccin del parmetro "LID" debe ajustarse a cada tipo de yacimiento, determinando:

La altura de banco. La anchura de bloque. Las maniobras de la rotopala en el cambio de terraza. El nmero de mquinas en operacin. Los tiempos improductivos: ripado de cintas. etc.

La inversin necesaria. La vida del proyecto.

3.4. Rodete El rodete es el componente que arranca el material del frente de excavacin, y su diseo influye decisivamente sobre la produccin del equipo.

Este diseo depende bsicamente de: las propiedades geoestructurales de los macizos. las resistencias de los materiales a ser excavados. La produccin horaria requerida.

El diseo del rodete debe efectuarse cuidadosamente. ya que cada tonelada en el mismo repercute e el peso final de la mquina con unas 400 toneladas ad1c1onales y, por tanto, en el precio final del equipo.

Los rodetes varan en tamao desde 2,5 a 22 m de dimetro, con producciones horarias comprendidas entre 200 m3/h y 19.000 m3/h.

Existen tres tipos bsicos de rodetes: Celulares No celulares Semicelulares.

t: l 1 \ 1 , 1 ; 1

1 . i

! i

_. __ ..,_,__, ... _. ___ _,-"'-

3.4.1. Rodete celular

En el rodete celular una placa de cada en forma de arco cierra el espacio existente debajo del cangiln, constituyendo la llamada clula.

R .

. I

U

' ,

----

n ki 'lL.; Figura 9.- Rodete celular.

Las clulas guan el material arrancado por el rodete haciendo que caiga sobre la cinta lateral de que dispone el brazo.

Para asegurar que el material salga slo de cada clula en el punto de transferencia, el rodete se cierra por una placa o pared lateral fija arriostrada al brazo.

Las celdas se aproximan al centro del rodete lo mximo posible para obtener un ngulo de cada suficiente sobre la cinta del brazo; esta ltima se coloca normalmente por debajo del eje de giro del rodete, que puede tener un efecto desfavorable sobre la geometra de corte del rodete.

Las superficies sobre las que el material desliza para salir de las clulas son sometidas a un fuerte desgaste. Como las clulas son arqueadas, las placas de desgaste deben adaptarse a su geometra. Esto supone que deban utilizarse placas de diferentes formas.

Una de las caractersticas de este diseo es su pequeo desgaste relativo y la menor potencia especfica requerida, debido a la reducida velocidad perifrica del rodete.

Este tipo de rodete se utiliza, ms que en las rotopalas de excavacin, en los recogedores de los parques de homogeneizacin, especialmente cuando se manipulan minerales abrasivos.

3.4.2. Rodete no celular

Los rodetes no celulares se construyen insertando los cangilones en el espacio anular. Este espacio vaco proporciona un aumento de la capacidad del cangiln de un 50% del volumen del mismo, lo que le permite obtener la capacidad de excavacin terica por unidad de tiempo.

El cierre es de tipo radial, con una placa de cada circular que slamente permite la descarga del material que contiene el cangiln en el comienzo de la abertura de descarga. El material entonces cae sobre placa de transferencia montada en el rodete, guindolo hacia la cinta lateral del brazo.

Generalmente, el dimetro de estos rodetes es menor que el de los de tipo celular.

La cinta dei brazo del rodete puede disponerse por encima del eje de rotacin de ste, consiguindose una mejor geometra de corte que con los rodetes celulares.

Figura 10.- Rodete no celular.

3.4.3. Rodetes semicelulares

Este tipo de rodetes fue introducido a mediados de los aos 60, y consiste en el cierre del espacio inferior de los cangilones mediante unos planos, tambin llamados semicelulares. El volumen de este espacio puede ser elegido arbitrariamente. El cierre se efecta en una direccin radial mediante una placa o vertedera fija, tambin l lamada pista o crculo de vertido. Esta placa dispuesta en el interior del rodete slo permite que caiga el material en la zona de la abertura de descarga, sobre la placa de transferencia que lo gua hacia la cinta lateral del brazo. La inclinacin de esta placa junto con la dimensin radial de las semiclulas determinan el dimetro del rodete necesario.

La cinta del brazo puede tambin colocarse por encima del eje de rotacin. Como consecuencia de esto, la geometra de corte es tambin ms favorable que con el rodete celular. Como las superficies de desgaste de las semiclulas son planas, pueden ser cubiertas por placas antidesgaste estandarizadas que simplifican las necesidades de repuestos.

3.4.4. Velocidad de rotacin del rodete

La velocidad de corte del rodete depende de la resistencia del material a ser excavado y de la fuerza centrfuga que impide el vaciado de los cangilones.

171

!

f 1

Foto 2.- Vista de un rodete.

La velocidad mxima o crtica, en m/s, para la cual la fuerza centrfuga se iguala con el peso del material, se determina con la expresin:

donde:

V max = .JQ."Ui2

= 2 ,21 6 -../f),

O = Dimetro del rodete ( m). g = Aceleracin de la gravedad (9,8 m/s2).

o 5 10 15 20 DIAMETRO DEL RODETE D(m.)

Figura 11.- Relacin entre la velocidad mxima de giro del rodete y el dimetro de ste.

172

La velocidad de corte de diseo, como porcentaje de la velocidad mxima, depende de tipo de material a arrancar y del diseo del rodete empleado, Tabla V. Los materiales duros y pedregosos deben excavarse con velocidades pequeas para evitar desgastes excesivos de puntas y dientes.

La produccin de una rotopala depende del dimetro del rodete, debiendo existir una relacin entre este parmetro, el tamao y nmero de cangilones y la potencia de accionamiento.

3.4.5. Accionamiento del rodete La potencia de accionamiento del rodete comprende: la potencia de excavacin, la potencia de aceleracin, la potencia de elevacin y la potencia perdida.

A) Potencia de excavacin La potencia de excavacin, "P ". depende de la produccin horaria y de la resistencia al corte del material a extraer.

-------

TABLA V

TIPO DE MATERIAL

Fuertemente cohesivo y adhesivo Normales, con 1 O por ciento de suelos cohesivos Secos y fciles. No cohesivos

Se trata de uno de los parmetros ms importantes de la mquina y, por ello, se realizan una serie de ensayos de laboratorio, desarrollados por los fabricantes de rotopalas, sobre muestras representativas de los materiales a arrancar.

La potencia de excavacin requerida se determina con la expresin:

K P (W) ,,a . S . Dl2,

r . e donde:

P., = Potencia de excavacin (W).

Q = Produccin de la rotopala (m3/h). S = Nmero de descargas por minuto.

D

K e

T\

= Dimetro del rodete (m).

= Fuerza especfica de corte (kg/cm).

= Constante que depende de la relacin altura de terraza/dimetro del rodete.

= Rendimiento de accionamiento.

Los valores de "C" se reflejan en la Tabla VI.

% VELOCIDAD MAXIMA

TIPOS DE RODETE

CELULAR SEMICELULAR NO CELULAR

20-24 27-32 35-42 24-28 32-39 42-49 28-32 37-42 49-56

B) Potencia de aceleracin

La potencia de aceleracin, "P.", depende del flujo de masas y de la velocidad de corte, y se emplea para poner en movimiento el material excavado.

P. (W) =

donde:

p . Q . V/ 3600

p = Densidad del material (kg/cm3). a Produccin de la rotopala (m3/h). Ve = Velocidad de corte (mis).

C) Potencia de elevacin

La potencia de elevacin, "P.". depende del flujo de masas, de la aceleracin de la gravedad, y de la diferencia de altura del rodete y la de corte, "D-h". Esta potencia se emplea en elevar el material excavado desde que el cangiln sale del material hasta que se vierte en la tolva del rodete.

P. rt'/) = p. Q. g. D /2

3.600

TABLA VI i 1

AL TURA TERRAZA/DIAMETRO DEL RODETE 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,67 0,7

VALOR DE "C" 295 248 222 203 1 89 1 78 171 1 68

1 73

1 1 1 1 1 1

!

donde:

p = Densidad del material (kg/cm3). Q Produccin horaria (m3/h). g = Aceleracin de la gravedad (m/s2).

D Dimetro del rodete (m).

O) Potencia perdida

Es la suma de la potencia perdida en el anillo y en el accionamiento del rodete.

La potencia perdida en el anillo del rodete se debe al rozamiento del material.

La potencia perdida en el accionamiento se produce en los engranajes del reductor. Depende del nmero de etapas y de la calidad de los dientes.

El valor de ambas prdidas da lugar a un coeficiente del orden de TI = 0,9 0,95, por lo que la potencia total requerida vale:

p (W) = P + P1 + P.

TI

Esta potencia se puede calcular de forma aproximada en funcin del tipo de material a excavar, Tabla VIII, en donde "O" se expresa en m3th.

hJh2 h, L . .L. '-- T"t ......---......---......-----....-,._-.--.--.---.---, rf3R ,/ f2R

Como las caractersticas de los materiales son muy variables dentro de una misma explotacin, es necesario poder ajustar la velocidad de rotacin del rodete y su velocidad de traslacin para evitar vibraciones excesivas en la mquina.

Para conseguir esto se pueden adoptar las siguientes disposiciones:

Caja de velocidades con embrague selector con dos velocidades, hacia delante y hacia atrs. El motor es de corriente alterna. Debido al tamao requerido. esta disposicin se utiliza slo en los modelos pequeos.

Reductor con motores de corriente alterna y dos velocidades, hacia delante y hacia atrs.

Velocidad variable por accionamiento en corriente continua con sistema Ward Leonard o por tiristores. Este sistema permite un control sin escalones, pero tiene mayores problemas de mantenimiento.

Accionamientos hidrostticos con control sin escalones, ya que son muy verstiles en el control velocidad-par. Tienen menores eficiencias que los accionamientos elctricos y se han adoptado en las rotopalas compactas.

Todos los sistemas de accionamiento del rodete estn dotados de elementos de proteccin para evitar sobrecargas.

Figura 12.- Angulo de corte libre.

1 Z. i 1 , . . !

1 1

TABLA VII (Segn Price et al)

MATERIAL

Arenas Limos Arcillas arenosas Gravas finas Gravas gruesas Limos arenosos y r - ".:".::.:. Arcillas hmedas Arcillas secas Arcillas esquistosas Arenas arcillosas Pizarras arcillosas Pizarras Areniscas blandas Areniscas duras Yesos Fosfatos Calizas Granito meteorizado Aluvin poco consolidadc. Aluvin medianamer.te ccs-; -:a-: Carbn Carbn helado Lignitos Limonita

TIPO DE MATERIAL

Ligero Medio Our0

TABLA VIII

FUERZAS ESPECIFICAS DE CORTE (KN/m)

10-40 20-40 10-50 20-50 20-80 20-60 30-65

50-120 35-120 20-65

50- 1 60 70-200 70-160 160-280 50-130 80-200 1 00-180 50-100 30-60 50-80

50-100 100-160 20-70

1 90-21 0

POTENCIA NECESARIA(kW/Q)

0,2 - 0,3 0,3 - 0,4 0,5 - 0,7

175

---------"------ ................ --------............. - ........ ------------------

La ubicacin del accionamiento debe ser tal que:

Facilite el montaje y desmontaje y las operaciones de mantenimiento.

Permita en la ltima terraza una altura prxima a medio dimetro del rodete.

Se disponga el eje del motor o motores perpendicularmente al eje del rodete, con el fin de permitir un mayor acercamiento de la pluma del rodete al talud lateral, Fig. 12.

3.5. Cangilones y elementos de corte La forma y dimensiones de los cangilones influyen en el grado de llenado y en la facilidad de vaciado de los mismos. Los cangilones pueden ser rectangulares, trapezoidales y circulares, con el respaldo cerrado o cubierto con cadenas. Fig. 13.

CANGILON TRAPEZOIDAL

CANGILON SEMICIRCULAR

Figura 13.- Tipos de cangilones.

Con materiales que se vacan fcilmente la relacin anchura/altura de cangiln es E8 /EH = 1 , mientras que con materiales pegajosos se tiende a una menor anchura con una relacin E8 /EH = 1,6 y unas caras laterales ms inclinadas para evitar la formacin de puentes.

Los cangilones con respaldo de cadenas pueden descargar sin dificultad materiales hmedos y pegajosos, ya que las cadenas con sus movimientos los despegan fcilmente.

Existen disposiciones especiales, con recubrimientos antiabrasin, calentamiento de los cangilones, etc.

Los cangilones son fcilmente reemplazables para cambiar puntas o dientes, reparar roturas, etc.

a) Elementos de corte Los elementos de corte constituyen una de las partes ms importantes del diseo de la rotopala y, concretamente, del rodete. Los ngulos de corte y salida, cuando no son correctos por su geometra o porque se hayan desgastado, producen dificultades en el arranque, generando un aumento en el consumo de energa, una disminucin de la produccin y un incremento de los esfuerzos en el corte que se traducen en vibraciones que afectan a la superestructura de la rotopala.

Los elementos de corte que se emplean son de tres tipos:

Dientes. Cuchillas de corte. Orejetas angulares.

La eleccin de estos elementos afecta a la disponibilidad de las mquinas a travs de los tiempos necesarios para su sustitucin.

Con objeto de que el desgaste de los elementos de corte sea uniforme, el diseo ms utilizado es el simtrico. Fig. 14.

1 CANGILON 2 ELEMENTOS DE CORTE 3 CADENAS

Figura 14.- Cangiln con elementos de corte

Estas piezas pueden ser intercambiables o fijas. Las primeras se sustituyen con facilidad, una vez desgastadas, mientras que las segundas tienen que ser rellenadas con soldadura, manualmente y en taller.

- .. . -------- ------ - ----------- - --- -----

Los elementos de corte tienen que cumplir las siguientes condiciones bsicas:

Ser fciles de montar y desmontar. Soportar los materiales abrasivos.

Ser susceptibles de reparacin.

Aguantar los impactos.

b} Precortadores

Los precortadores son unos elementos de corte especial que consisten en unos cangilones con fondo abierto. Se instalan entre cada dos cangilones, y su misin es la de arrancar el material para conseguir un llenado ms eficiente, pues de esta manera cada cangiln se llena con el material arrancado por l, ms el procedente del precortador que le antecede.

El disponer de precortadores exige un incremento de la potencia de accionamiento, pero queda compensado por las ventajas derivadas de su utilizacin y por la posibilidad de sustituirlos en un momento dado por cangilones convencionales.

----- ----------------------

Figura 15.- Cotocac1n ce cangilones precortaaores.

3.6. Sistema de izado

El sistema de izado posibilita el posicionamiento del rodete a la altura requerida durante la operacin, previnindose la bajada de ste cuando no se trabaja, la subida rpida si se produce un derrumbe del talud o simplemente mantener el rodete a una altura determinada estando parado.

Foto 3.- Rodete ce cangilones con tondos constituidos por cadenas.

177

------

--

---

--

-

--

--

-

--

--

--

--

--

..... -

.. . . .

.. . . . . .

.... -.. -

--

----

---

-

Los sistemas de izado pueden ser de dos tipos: de cilindros hidrulicos o de cables.

3.6.1. Cilindros hidrulicos El cilindro de izado se coloca bajo la pluma del rodete y se fija a la superestructura giratoria, Fig. 16. Como consecuencia de las grandes fuerzas que pueden desarrollarse con los cilindros h idrulicos, es posible utilizar unidades simples. Tambin se emplea el sistema hidrulico en el izado de la pluma de descarga, pero, debido a los menores requerimientos de altura, su dimensin es mucho ms pequea, Fig. 16. Estos mecanismos de elevacin se utilizan preferentemente en las rotopalas compactas de accionamiento electrohidrulico.

3.6.2. Cables El sistema de izado por cables es el ms fiable para levantar y bajar grandes cargas.

En las unidades mayores se emplea no slo en la elevacin del brazo del rodete, Fig. 1 7, sino incluso en la del brazo de descarga.

El sistema comprende una serie de tambores de enrollado accionados elctricamente y un conjunto de poleas de reenvo, Fig. 18.

En el caso de mquinas pequeas, es suficiente con un nico cabrestante, Fig. 18, con dos tambores y dos frenos independientes. Las mayores tensiones aparecen en el cabrestante y en la estructura soporte.

Con el fin de alcanzar la mxima vida en servicio de los cables de izado, se recomienda que la relacin entre el

. -

1 1

dimetro del mismo, "d", y el dimetro de los tambores y polea, "D", sea O = 25d.

La vida en serv1c10 de los cables depende fundamentalmente de las condiciones de trabajo de la mquina y de la frecuencia con que se accionen los cabrestantes de izado. En algunas unidades que trabajan realizando un arranque selectivo, los sistemas de elevacin se mueven hasta 400 veces durante una hora.

Cuando el sistema de izado del brazo de descarga es tambin de cables, se aplican los mismos criterios de diseo que para el brazo del rodete, pero teniendo en cuenta que las fuerzas de elevacin que se requieren son mucho menores.

3.7. Descarga de la rotopala

La descarga del material por la rotopala se puede efectuar por diversos sistemas, mediante el brazo de descarga, un carro cinta y el brazo de descarga o por un puente de conexin.

3.7.1. Brazo de descarga La rotopala vierte el material directamente sobre el carro tolva o en el hueco creado, Fig. 19, si es que ste se autorrellena y, una vez realizada la excavacin de un bloque, la cinta del tajo se traslada paralelamente al mismo.

La longitud de la pluma debe permitir la apertura del hueco inicial en un nuevo bloque antes de efectuar el ripado de la cinta del tajo.

CILINDRO OE ELEVACION DEL SRAZO DE DESCARGA

'

-----

Figura 16.- Cilindros hidrulicos de elevacin del brazo del rodete y del brazo de descarga.

178

. .

p 1 . 1 i '

Foto 4.- Sistema de izado por cables del brazo del rodete.

Figura 17.- Sistema de elevacin mediante cables.

A SISTEMA DE CABLES A e SISTEMA DE CABLES e 1 EXTREMO DEL CABLE Y ABRAZADERA 2 EXTREMO DEL CABLE 3 DISPOSITIVO DE MEDIDA DE TENSION DEL CABLE

B

Figura 18.- Cables y poleas de accionamiento de un brazo de rodete.

2

179

;,,lf'S' JB,Sm co 10' rn

_J_ 'iJrn 1

Figura 19.- Vertido del material mediante brazo de descarga.

3.7.2. Brazo de descarga y carro cinta El carro cinta permite la excavacin por la rotopala de dos o ms bloques, Fig. 20, sin efectuar el ripado de cintas, teniendo el sistema las siguientes ventajas:

1 "

Disminuye el nmero de ripados y, por tanto, aumenta la eficiencia de la rotopala. Facilita la apertura de bancos. Permite realizar la excavacin y transporte a diferentes niveles.

DISTANCIA Of___:::.;,__,;,,:;..-. - lhPADO -

ROToPAl.A

,...--.. ..

. , =:::CARRO TOLVA '\;' '"-._ -- B r --1

'V ,..._POSICION OE L& CINTA OE 1 _ ,

TAJO DEIPUES DEL. RIPAOO ---- --- ______ JL Figura 20.- Descarga mediante un carro cinta.

3.7.3. Puente de conexin Este sistema es el ms empleado en las grandes unidades y ayuda a compensar las distancias entre la rotopala y la unidad de descarga que recorre la cinta de banco, Fig. 21.

El puente de conexin tiene las siguientes caractersticas:

Con la extensin automtica del puente, el proceso de carga de la cinta es ms o menos independiente de los movimientos de la excavadora.

El operador de la rotopala se encuentra situado cerca de la cinta de tajo y controla fcilmente el movimiento de las orugas.

La cinta de carga se puede ajustar en altura.

La tolva de descarga puede suspenderse de la cinta de carga, eliminando el carro tolva.

La cinta de banco puede situarse a diferente nivel que la rotopala, facilitando la apertura del banco.

3.8. Sistema de cintas En el desarrollo de las rotopalas se ha producido una fuerte reduccin en el nmero de cintas y puntos de transferencia. As, en las grandes unidades, se ha pasado de 1 O cintas a 4, que son las que se utilizan en los modelos actuales. Estas cintas son:

La cinta del rodete

La cinta central que se desplaza excntricamente

La cinta extensible del puente.

La cinta de carga.

1 ?

!

" ' " '----' ---w------ ... _.-------------------

t 7m

t 10m

Figura 21.- Descarga de la rotopala a travs de puente de conexin.

Foto 5.- Vista del brazo de descarga de una rotopaJa convencional.

181

En las rotopalas semicompactas se prescinde de la cinta central y en las compactas slo existen dos cintas.

El sistema de cintas de estas mquinas debe estar diseado para soportar puntas de carga durante la operacin, sin exceder la seccin transversal de las mismas. La puesta en marcha de las cintas se realiza en sentido opuesto al del transporte del material.

En lo referente a las secciones transversales de las bandas, stas dependen de diversas variables, pero pueden establecerse las relaciones aproximadas reflejadas en la Tabla IX.

TABLA IX

ANCHURA DE BANDA B (mm)

B,::: 2.000 B:;: 2.000

8 ANCHURA DE BANDA b ANCHURA UTIL /R LONGITUD OE RODILLOS }.. ANGULO

ANCHURA UTIL b (mm)

b'"' 0,98 - 50 b = B - 250

Figura 22.- Seccin transversal de una cinta.

Las velocidades de las bandas, por lo general, se mantienen por debajo de los 4,5 m/s.

En cuanto a los puntos de transferencia, stos suponen un inconveniente en la operacin de las rotopalas, ya que constituyen interrupciones en la ruta de transporte del material. Los principales puntos de transferencia son: el del rodete, y el del eje de giro.

182

En el primer punto se han probado diferentes diseos. llegndose incluso a utilizar platos giratorios, Fig. 23

A B

Figura 23.- Comparacin de rodetes dotados con plato giratorio y placa de cada.

A no ser que est plenamente justificado, el plato giratorio supone un componente ms de las rotopalas que suele causar serias dificultades durante la operacin y mantenimiento de estas mquinas.

El diseo del segundo punto de transferencia en el eje de giro debe tambin estudiarse con detalle, con el fin de .evitar el rebose del material.

Se colocarn placas reflectoras o estrelladeras para guiar la trayectoria del material y la tolva de la cinta receptora dispondr de cierres laterales, Fig. 24.

4. Operaciones bsicas y prctica operativa

4.1. Forma de trabajo de una rotopala

La forma de operar de una rotopala se basa en la combinacin de dos movimientos: la rotacin del rodete y el giro del brazo que sustenta al mismo. La huella que se produce en el frente de excavacin es similar a una curva helicoidal cuyo dimetro es igual al dimetro del rodete, y el radio de curvatura es igual a la distancia horizontal del eje del rodete al eje de giro del brazo.

Cuando la rotopala completa una pasada de espesor "t" se produce una traslacin de la misma para efectuar un corte concntrico con el anterior, Fig, 25.

El corte de espesor "t" slo se produce cuando el ngulo "a." es igual a O, es decir, cuando el brazo del rodete es perpendicular al frente de trabajo y el corte

l

l

i

l

t 1 f :.

CINTA DEL BRAZO

' ....

Figura 24 - Diseo del punto de transferencia en el eie de giro de la rotopala .

AVANCE DE LA EX:CAVACION EN UNA TERRAZA, V

,/ FRENTE ---DE TALUD TALUD LATERAL -S:=_rNU E V O

TALUD LAT ERAL ANTIGUO

0,507

"'O,L. O

CORTE EN EL PUNTO CENTRAL

Figura 25.- Cortes efectuados por una rotopala.

tiene una altura igual al radio del rodete y va disminuyendo proporcionalmente a 1 /cos o.. Por lo tanto, si se quiere mantener la produccin de la mquina, debe producirse un aumento de la velocidad de giro del brazo del rodete. Para un ngulo "o." de 70, 1 /cos 70 = 3, con lo que la velocidad de giro debe ser 3 veces mayor que en el centro del bloque. La expresin general para calcular esa velocidad es, pues:

V, V,'= ----

cos a

La velocidad de giro del brazo del rodete se regula en un campo de 1 a 5 y, por consiguiente, el ngulo "a" se ve limitado a un valor mximo de 80.

4.2. Variantes de excavacin La rotopala puede excavar de dos formas: en terrazas y en cortes descendentes, Fig. 26.

-- .1 "'1)--- 1 1

o. b. Figura 26.- Formas de excavacin de las rotopalas a) en terrazas

y b) en cortes descendentes.

En la excavacin por terrazas, el rodete avanza un paso en cada inversin de giro del brazo, hasta el lmite permitido por el brazo y las orugas a la misma altura. Una vez concluida la terraza, el rodete retrocede, desciende y comienza la terraza siguiente.

En el corte descendente, el rodete baja en cada inversin de giro del brazo. Acabado el corte se iza el rodete, se avanza y se comienza el nuevo corte.

La eleccin del sistema de excavacin depende de las caractersticas geomecnicas de los materiales y de la necesidad de realizar los arranques selectivos. En este ltimo caso, se puede utilizar una forma de excavacin mixta.

183

4.3. Sistemas de trabajo

Los mtodos de trabajo principales son: excavacin en bloque lleno, excavacin en frente largo, excavacin en bloque lateral y excavacin bajo nivel de orugas.

4.3.1 . Excavacin en bloque lleno Es el sistema ms utilizado en la actualidad. debido a la gran movilidad de que disponen las excavadoras sobre orugas.

La rotopala puede trabajar en terrazas o por corte descendente con un ngulo del brazo del rodete en relacin al talud que va disminuyendo a medida que progresa la excavacin hacia abajo. Fig. 27.

Figura 27.- Excavac1on en bloque lleno.

La anchura del bloque se dimensiona de forma que el brazo del rodete forme un ngulo de 80 con relacin al nuevo talud y de 45 a 50 con relacin al antiguo.

Cuando se trabaja en terrazas la altura de las mismas depende del dimetro del rodete, de forma que se cumple:

0,330 $ H $ 0,670,

siendo:

H = Altura de la terraza (m). D = Dimetro del rodete (m).

El vertido puede realizarse sobre cinta, ferrocarril . volquete, cinta puente o apilador, siendo los ms frecuentes el primer y el ltimo sistema.

Este mtodo de operacin presenta los siguientes inconvenientes:

184

Es necesario variar la velocidad de giro del brazo del rodete para mantener la produccin, como ya se ha indicado.

Hay que comprobar los ngulos libres del extremo del rodete con el accionamiento, ya que pueden limitar las posibilidades de giro de la rotopala.

4.3.2. Excavacin en frente largo Se realiza manteniendo el brazo del rodete en direccin perpendicular a la direccin del circuito de transporte, desplazndose la mquina paralelamente al frente, Fig. 28.

En este sistema de excavacin el tren de orugas es el componente que opera con mayor intensidad, siendo frecuente que este tipo de rotopalas se desplace sobre vas.

Con mquinas de brazo extensible se puede conseguir la excavacin en terrazas, haciendo posible el arranque selectivo de materiales.

La aplicacin de este sistema de operacin exige que el banco de trabajo presente una buena estabilidad.

F igura 28.- Excavacion en trente largo.

4.3.3. Excavacin en bloque lateral La rotopala lleva sus orugas entre el pie del talud y el circuito de transporte, de igual forma que en la excavacin en frente largo, realizando el arranque con el sistema en bloque lleno, es decir, girando el brazo del rodete, Fig. 29.

Figura 29.- Excavacin en bloque lateral.

Se utiliza para la extraccin de suelos o ma teriales superficiales de poca estabilidad, requirien do una frecuencia de traslacin intermedia entre los dos sistemas anteriores y exigiendo un brazo de rodete largo y con posibilidad de alargarse ms.

Este sistema es el ms empleado en Estados Unidos en las explotaciones de carbn bituminoso.

4.3.4. Excavacin bajo nivel de orugas Este sistema de excavacin permite aumentar la altura de banco para una posicin del tren de orugas, Fig. 30.

La altura del banco inferior es menor que la que consigue la misma excavadora en el banco superior, estando normalmente en una relacin 1 a 3.

La excavacin bajo el nivel de orugas puede hacerse manteniendo o cambiando el sentido de giro del rodete:

Con igual sentido de giro se necesita un brazo de rodete largo y se reduce la anchura de banco.

Cambiando el sentido de giro se aumentan las posibilidades, existiendo slo la limitacin que se impone por el ngulo mximo posible de la cinta del brazo de carga.

El cambio del sentido de giro del rodete solo es posible con diseos de ste no celulares.

5. Aplicaciones Las aplicaciones principales de las rotopalas son las siguientes:

A) Minera

Excavacin del recubrimiento, con vertido directo, en todo el espesor, hasta dejar el mineral al descubierto.

:- --(!:'::--i -t- --- -- ./ t: e::. C\J

Arranque del recubrimiento con vertido directo de los materiales poco consolidados ms superficiales, dejando al descubierto las rocas competentes, que sern extradas por dragalinas, excavadoras de cables, etc. Excavacin del recubrimiento con vertido a una cinta puente "Cross Pit Conveyor - CPC", o a la cinta transportadora perimetral, "Around Pit ConveyorAPC". Extraccin del mineral cuando ste es poco resistente: lignito, bauxita, fosfato, etc. Retirada de la tierra vegetal con unidades pequeas para su recolocacin en la parte superior de la escombrera con vistas a conseguir una buena recuperacin de los terrenos.

B) Obras Pblicas

Ejecucin de grandes movimientos de tierra en obras lineales, tales como canales y autopistas.

Los mtodos de explotacin en los que pueden utilizarse rotopalas son fundamentalmente dos: descubiertas y terrazas, y su eleccin depende de la estructura del yacimiento, recubrimiento de estril, diseo de la explotacin, etc. En los epgrafes siguientes se describen los ms importantes.

5.1. Mtodo de terrazas con excavacin en escalones

Con este mtodo se puede incrementar la altura de banco, cuando no existen problemas de estabilidad y, de

Figura 30.- Excavacin bajo el nivel de orugas.

1 85

1 86

CINTA RIPABLE 1 L _ r _ _ _ _ _ _ _ ,......,..,.,...,.,,. ;;.-;;;;:::::,L.--

Hl1 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ :,_ _ __ __ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ U:..:si;..., .................. --.......... ....., '

H 2 + T \----T- -- - - - - - - -l. - - !. - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

A

'\ \

\

CINTA RIPABLE

1 1

Figura 31 .- Mlodo de trabajo escalonado.

Figura 32.- Mtodo de explotacin por bloques.

ROTOPALA

B = ANCHURA DE BL.OOUE H = ALTURA DE BLOQUE L = LONGITUD DE BLOQUE

\ :< ' i. ' . ' i . i

1 1

1

t A : ANCHURA DE BLOQUE

CARRO -TOLVA CARRO-CINTA CINTA RIPABLE

Figura 33.- Explotacin por bloques paralelos con rotopala y carro cinta.

3Sta forma. mantener el circuito de transporte ms stable. Los procedimientos operativos pueden ser los >iguientes: CINTA

OE TAJO

Con dos pasadas al frente a distinto nivel. - - -- - - --.o ::- - ....,, - - - - - -

- - 1 . l 1-- : Con una pasada por detrs de la cinta del tajo, con la rotopala en el nivel inferior.

Con una nueva pasada, desde la posicin anterior. bajo el nivel de orugas.

5.2. Mtodo de terrazas por bloques paralelos

En este mtodo las rotopalas dan una pasada en avance y otra en retroceso, ambas de igual anchura. Fig. 32. Los ripados de las cintas de tajo son paralelos. consiguindose mejores rendimientos que con otros tipos, como son los polares o mixtos.

Si se cuenta dentro del sistema con un carro-cinta, las posibilidades de explotacin aumentan al no precisarse un nmero tan elevado de ripados de las cintas de tajo, Fig. 33.

Una variante del mtodo anterior es la constituida por dos rotopalas, situadas a distinto nivel, con sus brazos respectivos descargando sobre un mismo circuito de transporte, Fig. 34.

:: - ' 1 ! -- - 1 i --! i -.---CINTA DE TAJO -1

1 1

::- - A - ! ; f- ' NIVEL D.

Foto 6.- Frente de explotacin con rotopala en primer plano excavando bajo el nivel de orugas (Mina Fortuna. Rheinbraun).

Por otro lado, con una sola mquina es posible excavar varios bloques paralelos, sin ripar la cinta de tajo, si la rotopala dispone de un puente de descarga de longitud suficiente, Fig. 35.

El esquema en planta de estos mtodos de bloques paralelos con vertido de los estriles dentro del propio hueco y transporte perimetral del material se representa en la Fig. 36 .

,..

-- ...... ., ... ..... 5.3. Mtodo de descubierta con vertido

directo

Consiste en el empleo de equipos que disponen de un brazo de descarga de grandes dimensiones, capaz de realizar el vertido a gran altura y distancia del frente de excavacin, Fig. 1 9.

Figura 35.- Excavacin de dos bloques del mismo nivel con una rotopala.

188 f; !

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DI RECCION DE AVANCE

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\..,'ili.

F igura 37.- Descubierta con apilaoor de brazo largo

ROTO PALA

SS m

,, ,,.

Figura 38.- Mtodo de terrazas con sistema de explotacin mixto.

El mtodo descrito se utiliza cuando los recubrimientos ms superficiales no son compactos y de naturaleza abrasiva y permiten la excavacin continua obteniendo elevados rendimientos.

6. Consideraciones de seleccin Las rotopalas son mquinas con grandes rendimientos de arranque en terrenos y condiciones de operacin adecuados. Las mejores condiciones se dan en grandes yacimientos horizontales, de materiales poco consolidados y uniformes, tal como aluviones, suelos, rellenos glaciares, etc.

Hay que tener en cuenta las siguientes restricciones:

190

Los bloques de roca o el material grueso no pueden ser manipulados por estas mquinas. Los materiales muy duros no son adecuados ya que se requiere una potencia del rodete muy elevada y

se somete a la mquina a tensiones muy importantes. Los materiales pegajosos producen problemas de apelmazamiento y atascos en los cazos, en las cintas y en los nudos de transferencia. Los materiales muy abrasivos producen un fuerte desgaste en las puntas y dientes de los cazos. Los frentes de excavacin deben ser estables.

El proceso de seleccin de la mquina tiene dos etapas bsicas: el clculo de la produccin terica y la definicin de la geometra de la mquina.

6.1 . Clculo de la produccin terica

La produccin real de una rotopala es muy diferente a la produccin terica o de diseo de la misma, debido a los siguientes factores:

TABLA X

CARACTERISTICAS DEL TERRENO

Ligero Medio-difcil Difcil Duro

Grado de llenado de los cangilones. Paradas por mantenimiento programado. Paradas por averas. Aipados de cintas transportadoras. Das no trabajados, etc.

Excelentes

0,70 0,65 0,57 0,42

- produccin terica de diseo, "Qr", se calcula en 'uncin del volumen anual necesario, "O.".

a, =

Das/ao . Horas/da . F

donde:

F = Factor de campo que es igual a E x C. E = Eficiencia de la operacin C = Condiciones de trabajo.

"E" se determina en funcin de las caractersticas ::-el terreno y condiciones de la organizacin, Tabla X.

El factor "C" se determina segn la Tabla XI.

TABLA XI

CONDICIONES DE TRABAJO

Excelentes Buenas Medas Malas

FACTOR

0,52 0,83 0,73 0.62

CONDICIONES DE ORGANIZACIO

Buenas Medianas Malas

0,63 0,55 0,47 0,58 0,50 0,42

o.so 0,43 0,36

0 ,37 0,32 0,27

6.2. Definicin de la geometra de la mquina

Una vez conocida la produccin terica necesaria, se determinan los siguientes parmetros geomtricos de estas mquinas:

Dimetro del rodete. Velocidad de corte. Nmero de cangilones. Nmero de descargas. Capacidad del cazo. Potencia de accionamiento.

La produccin terica del material suelto de una rotopala viene dada por:

donde: IS = 011> = s =

a .. = afl . s

Produccin terica (m3 sueltos/h). Produccin terica (m3 banco/h). Esponjamiento del material, que suele variar entre 1,3 y 1 ,6.

Por otro lado, se tiene:

IS = IN . s . 60

donde: IN = Capacidad del czo (m3) . En rodetes no

celulares se cumple: IN = 1 ,25 V, siendo "V" el volumen geomtrico del cangiln. No debe olvidarse que existe un aumento de capacidad debido al espacio anular y que puede llegarse a valores de IN == 1 ,5 V.

s = Descargas por minuto, que se calcula con:

s = W . n

donde ''W" es la velocidad de rotacin del rodete y "n" el nmero de cangilones.

1 91

1 : 1

El rendimiento, "O,", es igual al producto de la altura de la terraza, "h", por la profundidad de corte, "a", por la anchura de corte, "b", y por el nmero de descarga por minuto, "s".

O, = h . a . b . s . 60.

La profundidad y anchura de la rebanada dependen de la velocidad de giro de la pluma del rodete.

b = Velocidad de giro Vg . 60,

s

luego:

o, = h . a . vg . 3600.

La altura de la rebanada, "h", depende a su vez del dimetro del rodete, "D", y suele estar comprendida, como ya se ha indicado, entre los siguientes valores:

h = (0,3 + 0,65) D.

La profundidad de la pasada, "a", es funcin de la altura de la rebanada y depende de la dimensin del cangiln, estando comprendida entre los siguientes valores:

a = (0,05 + 0,1) D.

L_a yelocidad de giro, "V9", suele variar dentro del s1gu1ente rango:

vg = 0,2 + 0,5 mis. Con los valores sealados anteriormente, resultan las siguientes relaciones, con sus rangos, entre la capacidad nominal de la rotopala y el dimetro del rodete:

de donde:

o = 0,3 . a, 11:? + 0,09 . o, ''2 El '!laterial a excavar influye en el dimetro del rodete, debido a los siguientes aspectos:

En los materiales blandos y pegajosos se requiere una mayor velocidad para facilitar el vaciado de los cazos, precisndose un dimetro mayor.

El dimetro influye en el ngulo de la pluma del rodete y dado que se tiene un valor lmite de 13, a mayor dimetro menor ngulo.

6.2.1. Velocidad de corte

La velocidad de corte o velocidad tangencial del rodete Y su regulacin es un parmetro de diseo fundamental,

192

ya que condiciona el peso de la mquina y, por tanto, su coste y adems la produccin horaria.

La velocidad de corte depende de las caractersticas del material a excavar y debe ser tal que permita el perfecto vaciado de los cazos.

La regulacin del rodete se consigue con un reductor de velocidad o con una cascada subsncrona y de esta forma los materiales pegajosos se extraen con baja velocidad y los normales con alta velocidad.

Entre la velocidad de corte, "Ve" en m/s, la velocidad angular, "W", en rad/s, y el dimetro del rodete, "O", en m, existe la siguiente relacin;

ve = w . 0/2. La velocidad de corte suele variar entre 2 y 3,5 m/s.

La velocidad crtica es la que se alcanza cuando la fuerza centrfuga se iguala con el peso del material y, normalmente, se calcula con las siguiente expresin:

donde:

ven = 2,22 '\/D.

Ven Velocidad crtica {mis). O = Dimetro del rodete {m).

Entre la velocidad de cqrte, "Ve" y la velocidad crtica, "Vcr," debe mantenerse la siguiente relacin:

ve 0,5 ven ve 1 , 1 'D.

6.2.2. Nmero de cangilones

El tamao y nmero de cangilones depende del tipo de material a excavar:

En rocas blandas se usan pocos cangilones de gran capacidad, y

En materiales duros se emplean muchos cangilones de pequeo tamao.

En este ltimo caso, se consigue una mejor distribucin de los esfuerzos de corte y una reduccin de las vibraciones al disponer de un elevado nmero de cangilones. El espesor del tamao arrancado es ms pequeo y, por consiguiente, ms manejable en todo el sistema.

El espacio existente entre cazos depende de la capacidad geomtrica de los mismos y el dimetro del rodete. El nmero de cazos, "Z" , se suele estimar con la ecuacin:

z = 4 . 0112

l !

6.2.3. Nmero de descargas

El nmero de descargas de los cazos, "s", por segundo es funcin del tipo de material y del tiempo necesario para permitir el vaciado. Con materiales sueltos el nmero de descargas es mayor que con materiales pegajosos o plsticos de mayor cohesin.

El valor de "s" se determina con:

S = . z . 60, it D

donde:

V0 = Velocidad de corte (mis). Z = Nmero de cazos. O = Dimetro rodete (m) .

Existe un nmero ptimo de descargas, pues, s i es muy elevado, el efecto de la fuerza centrfuga dificulta el vaciado de cangilones y, s es muy pequeo, se produce una sobrecarga de stos con derrame de parte del material arrancado.

6.2.4. Capacidad de los cangilones

La capacidad de los cangilones se estima a artr de la produccin nominal de la rotopala, a,. (m /h), y del nmero de descargas por minuto, "s".

a .. V = -----

60 . s . 1 ,25

6.2.5. Potencia de accionamiento

La potencia de accionamiento que engloba la potencia de excavacin, la potencia de aceleracin, la potencia de elevacin y la potencia perdida, ha sido tratada con detalle en el epgrafe 3.5.5.

6.2.6. Diseo estructural del rodete

El diseo completo del rodete comprende: El diseo del cazo. Los elementos de corte y precortadores. Las tolvas de vertido. La ubicacin del accionamiento del rodete.

Los tres primeros elementos dependen de las propiedades de los materiales a excavar:

Resistencia a compresin Estructura de la matriz Plasticidad Cohesin Angulo de friccin Humedad Abrasividad Velocidad de propagacin ssmica .

Finalmente, queda por determinar los siguientes parmetros :

Longitud de la pluma del rodete Angulos libres del rodete, y Longitud de la pluma de descarga

Cada uno de estos parmetros afecta a los siguientes puntos:

Longitud de la pluma del rodete Altura de banco Peso de la excavadora Anchura de bloque Talud lateral mnimo.

- Angulos libres del rodete Talud de trabajo Talud lateral mnimo Profundidad del bloque

Longitud de la pluma de descarga Anchura de bloque Frecuencia de ripados de la cinta de banco Posibilidad de trabajo en dos bancos

Velocidad de giro Produccin de la excavadora

Fuerza de excavacin Produccin de la mquina segn el tipo de

terreno. Problemas de mantenimiento. Sistemas de traslacin Presin sobre el terreno Pendiente remontable Talud frontal

Como ya se ha indicado, una misma produccin horaria se puede conseguir mediante rotopalas compactas, semicompactas o convencionales.

1 93

1

1 ?

1 1 1 ! 1 1 1

Foto 7.- Tao oe exp101ac1on de una rotopala trabaando conuntarnente con un carro cinta. Lignitos de Me.rama.

Dado que el precio de adquisicin de estas mquinas es notablemente diferente, debe realizarse un anlisis comparativo detallado estudiando la influencia de diversos factores:

Coste del dinero. Vida del proyecto. Coste del personal. Coste de la energa. Coste de los materiales. Coste de los elementos de desgaste.

7. Tendencias y nuevos desarrollos las grandes ventajas ofrecidas por las rotopalas residen en que:

Son sistemas continuos. Tienen un coste bajo de operacin. Poseen alta capacidad de produccin con arranque selectivo.

Se han visto en numerosas ocasiones superadas por sus inconvenientes, entre los que cabe destacar:

194

Son sistemas complejos que mantenimiento cualificado y disponibilidad muy baja al tratarse serie.

La inversin es muy elevada.

precisan un poseen una

de circuitos en

No pueden excavar materiales duros, abrasivos Y compactos.

Por ello, las tendencias en las ltimas dcadas se han dirigido hacia la resolucin de estos problemas y poder as aprovechar sus grandes cualidades, en un momento en el que la aparicin de la crisis energtica Y el agotamiento de los yacimientos haca necesario disponer de sistemas de excavacin de bajo coste.

A continuacin, se analizan los principales logros alcanzados en el diseo y fabricacin de estas mquinas.

El continuo aumento en el tamao y productividad de las rotopalas desde la dcada de los 50 hasta finales de los 70, s ha estancado, por el momento, debido al reducido nmero de yacimientos en los que pueden ser utilizadas y, sobre todo, a las importantes inversiones de capital que se precisan.

El desarrollo se ha centrado en las mquinas con tamaos pequeos y medios:

r l

f E i

1

Rotopalas compactas. Rotopalas semicompactas.

La mayor introduccin de las rotopalas se ha producido con las de diseo compacto, como consecuencia de sus ventajas:

Menor inversin que con las rotopalas convencionales. Menor peso y mayor maniobrabilidad. Menor tiempo de entrega al tratarse de unidades estndar. Capacidad de excavacin de terrenos resistentes.

Este tipo de rotopalas suelen ser de accionamiento electrohidrulico y tener una capacidad de produccin comprendida entre 1 50 m3b/h y 2.500 m3b/h.

El segundo grupo de rotopalas en expansin es el tipo semicompacto, con capacidades de produccin comprendidas entre 2.400 y 3.600 m3b/h.

Estas mquinas de tamao medio tratan de resolver los problemas de excavacin de terrenos duros en explotaciones de dimensiones medias-grandes, pero con geologa y materiales diferentes a los yacimientos centro-europeos. Fundamentalmente, estn siendo empleadas en Canad, en las arenas bituminosas de Alberta, en la India, en Neyveli, y en Australia, en Goonyella.

Las caractersticas ms significativas de estas mquinas son:

- Potencia de accionamiento del rodete elevada.

Diseo de cazos con dientes para resistir la abrasin y la excavacin en terrenos compactos o prevolados.

Construccin de la pluma resistente a impactos y vibraciones.

Sistema de estructura tipo cajn.

Por ltimo, y con objeto de aumentar la disponibilidad de los circuitos se produce una simplificacin de los mismos, cambiando el tradicional sistema alemn:

Rotopala con puente de conexin.

Cintas ripables de tajo.

Cintas fijas con cabezas avanzables.

Cintas fijas a escombrera o circuito de parque con cintas y apiladora.

Circuito de escombrera con cinta ripable y apiladora, Fig. 39,

por un sistema de estril formado por:

Rotopalas compactas, y

Apilador de brazo largo o cinta puente, Fig. 40.

Esta variante se utiliza en algunos yacimientos no muy profundos, como los de lignito de Texas, permitiendo elevar la eficiencia del 50 al 65%.

Figura 39.- Sistema tradicional de explotacin en la mina Goonyella.

195

Figura 40.- Sistema de explotacin s1mphflcado.

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