Cap_4_EQUIPO_PARA_EXCAVACION pdf

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MAQUINARIA Y EQUIPO DE CONSTRUCCIÓN - CIV 2247 Docente: Ing. Edwin Iván Vigabriel Montero 
 
 
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4.1 INTRODUCCIÓN 
 
La operación de excavación es una actividad indispensable en la mayoría de los Proyectos de 
Ingeniería Civil, desde la apertura de zanjas para tendido de servicios y excavaciones para 
cimentación de edificios, hasta la explotación a pequeña, mediana y gran escala de material de 
bancos destinados a proyectos de carreteras, presas, ferrocarriles, etc.; incluso para proyectos de 
túneles y minería. Por tanto, la gama de equipos para este fin es extensa y este Capítulo describe 
la maquinaria de mayor uso en proyectos de construcción civil: la excavadora y la retroexcavadora. 
 
4.2 EXCAVADORA 
 
4.2.1 DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO 
 
La Figura 4.1 muestra las partes principales de una excavadora sobre orugas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
⑨ CILINDRO HIDRÁULICO para movimiento del brazo. 
⑩ CUCHARÓN, de acero de alta resistencia. El cucharón está dispuesto en el extremo del brazo, posee una amplitud 
de movimiento que le proporciona un cilindro hidráulico; está dotado de dientes intercambiables. 
⑪ CILINDRO HIDRÁULICO para movimiento del cucharón. 
⑫ TREN DE RODAJE, incluye la rueda motriz de rotación, rueda guía, rodillos, zapatas, etc. 
⑬ SISTEMA HIDRÁULICO, permite el accionamiento de los elementos de excavación, incluye: cilindros hidráulicos, 
tuberías, válvulas, bomba y tanque hidráulico. En la figura solo aparecen visibles cilindros y sus varillajes. 
⑭ CONTRAPESO o cola. 
Figura 4.1 Partes principales de una excavadora sobre orugas 
① CHASIS, armazón o estructura portante del 
equipo. No aparece visible en la figura. 
② SUPERESTRUCTURA, sostiene a todos los 
elementos del excavador: motor, transmisión, 
cabina, contrapeso, etc., puede girar alrededor 
de su eje vertical 360° en ambos sentidos. 
③ CORONA DE GIRO, sirve de apoyo de la 
superestructura sobre el chasis, permite a ésta 
girar mientras el chasis permanece en estación. 
④ CABINA DE OPERADOR. 
⑤ Cubierta protectora del MOTOR. 
⑥ PLUMA, logra movilidad gracias a 2 cilindros 
hidráulicos conectados en sus laterales. Soporta 
al cilindro del brazo y a su respectivo varillaje. 
⑦ CILINDROS HIDRÁULICOS para movimiento 
de la PLUMA. 
⑧ BRAZO (balancín), articulado a la pluma en 
uno de sus extremos y al cucharón en el otro, 
soporta al cilindro del cucharón y a su varillaje. 
Un mismo modelo de excavador puede 
disponer de brazos de distintas longitudes. 
 
⑨ ⑥ ② ③ ④ 
 ⑤ ⑭ 
 ⑪ ⑧ ⑩ ⑦ ⑫ 
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La excavadora es un equipo automotriz fabricado para desplazarse sobre orugas (ver Fig. 4.1), 
pero también se encuentra variantes montados con ruedas (ver Fig. 4.2). Su principal aplicación es 
la excavación y el carguío, para este propósito tiene implementado un cucharón de carga, el cual, 
conjuntamente los elementos que le sostienen (brazo y pluma), y aprovechando el movimiento 
transmitido por los cilindros del sistema hidráulico, generan el movimiento propicio que permite la 
excavación; a su vez, la superestructura tiene una capacidad de giro de hasta 360° en ambos 
sentidos que permite el carguío de material excavado, a otro equipo (normalmente una volqueta). 
 
Las partes de la excavadora sobre ruedas básicamente son las mismas que la de la excavadora de 
orugas, salvo los elementos ⑫⑬⑮⑯ detallados en la Figura 4.2. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4.2.2 CICLO DE EXCAVACIÓN 
 
En la operación de excavación, la excavadora, sea montada sobre orugas o neumáticos, cumple un 
ciclo formado de cuatro partes: 
 
1. Carga del cucharón. 
2. Giro con carga. 
3. Descarga del cucharón. 
4. Giro sin carga. 
 
4.2.3 APLICACIONES DE LA EXCAVADORA 
 
Las principales aplicaciones del equipo excavador, ya sea sobre orugas o de neumáticos, son: 
 
- Excavación bajo el nivel del suelo, en distintos tipos de faenas (explotación de bancos de 
material, apertura de canales, excavación para fundaciones de edificios, zanjas, etc.). 
① CHASIS. 
② SUPERESTRUCTURA. 
③ CORONA DE GIRO. 
④ CABINA DE OPERADOR. 
⑤ Cubierta protectora del MOTOR. 
⑥ PLUMA. 
⑦ CILINDRO HIDRÁULICO para movimiento 
de la PLUMA. 
⑧ BRAZO. 
⑨ CILINDRO HIDRÁULICO para movimiento 
del brazo. 
⑩ CUCHARÓN. 
⑪ CILINDRO HIDRÁULICO para movimiento 
del cucharón. 
⑫ EJE DE RUEDAS DELANTERAS. 
⑬ EJE DE RUEDAS TRASERAS. 
⑭ SISTEMA HIDRÁULICO. 
⑮ HOJA TOPADORA con cilindros y varillaje, 
puede estar incorporada o no al equipo. 
⑯ JUEGO DE ESTABILIZADORES, el equipo 
puede tener un segundo juego de 
estabilizadores, en lugar de la hoja topadora. 
 
 ② ④ ⑤ ⑨ ⑧ ⑥ ⑦ 
⑪ ⑩ ⑮ 
③ 
⑫ ⑬ ⑯ 
Figura 4.2 Partes principales de una excavadora sobre neumáticos 
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- Levantamiento de carga, puede ejemplificarse el caso de levante, giro y disposición de 
tubos en zanjas para construcción de alcantarillas, como muestra la Figura 4.4. 
- Descarga de material de camiones. 
- Permite se pueda adaptar, en lugar del cucharón, distintas herramientas de utilidad. 
 
Debe reconocerse que la excavadora sobre orugas ofrece ventajas frente a la de neumáticos en los 
siguientes aspectos: buena tracción y flotación casi en cualquier tipo de terreno, buena 
maniobrabilidad, apta para operación en terrenos difíciles y rápida para su cambio de ubicación 
durante la operación (contrariamente a la excavadora sobre ruedas que debe levantar y bajar sus 
estabilizadores para desplazarse a otra posición). Su desventaja, frente al equipo sobre 
neumáticos, es la imposibilidad de movilizarse rápidamente de un sitio a otro en una misma obra. 
 
La excavadora sobre ruedas presenta 
estas ventajas: buena movilidad que 
le proporciona su tren de rodaje 
sobre ruedas, puede desplazarse por 
carreteras sin dañar al pavimento, es 
apto para movilizarse rápidamente de 
un punto a otro dentro un proyecto, y 
es eficiente en el manejo de 
materiales en torno a una obra. 
 
4.2.4 DIMENSIONES PARA 
TRANSPORTE Y LÍMITES DE 
ALCANCE DE UNA EXCAVADORA 
 
Entre las distintas especificaciones de 
una excavadora, cuando se trabaja 
con un determinado modelo de 
equipo interesa conocer la siguiente 
información básica: 
 
1. Las dimensiones del equipo para 
su transporte, en el caso de las 
excavadoras sobre orugas estas 
deben ser transportadas por 
carretera sobre tracto camiones 
(cowboy). 
2. los límites de alcance o rangos 
de trabajo que puede permitir una 
excavadora durante la operación. 
 
Esta información la proporciona el 
fabricante, ya sea en catálogos o en 
manuales de equipo. Como ejemplo, 
en la Figura 4.3 se reproduce la información que muestra las dimensiones máximas y el radio de 
giro mínimo especificados para un modelo determinado de excavadora. 
A Máxima altura de excavación 
B Máxima altura de descarga 
C Máxima profundidad de excavación 
D Máxima profundidad de excavación vertical 
E Máxima profundidad de excavación 
F Máxima alcance de excavación 
G Máxima alcance de excavación a nivel del suelo 
H Mínimo radio de giro 
Figura 4.3 Límites de alcance o rangos de trabajo 
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4.2.5 RENDIMIENTO DE LA EXCAVADORA 
 
La producción de una excavadora depende de la carga útil media del cucharón, del tiempo medio 
del ciclo, y de la eficiencia de trabajo. Prediciendo el tiempo de ciclo de la excavadora y la carga 
útil del cucharón puede hallarse la producción usando la expresión: 
 
 
 
 
 
Donde: 
P60 = producción (m
3/h), considerando que se trabaja 60 minutosen 1 hora. 
C = número de ciclos de excavación en una hora, considerando que se trabaja los 60 minutos de 
una hora. 
Pu = carga útil media del cucharón (m
3). 
Tc = tiempo de ciclo (minutos). 
 
A su vez, se define la carga útil media del cucharón como: 
 
 
Donde: 
CC. = capacidad colmada del cucharón (m
3), normalmente informada por el fabricante. 
FLL = factor de llenado del cucharón. 
 
Caterpillar proporciona una tabla (ver Tabla 4.1) que permite calcular el rendimiento de la 
excavadora, en m3 sueltos/h, para su uso deberá estimarse previamente la carga útil media del 
cucharón con el que se implemente la excavadora y el tiempo medio del ciclo. 
 
 
 
Las características y uso de la Tabla 4.1 se describe a continuación: 
 
- El tiempo de ciclo que se ingresará a la Tabla puede ser ajustado de modo que se tenga 
en cuenta las características específicas del lugar de la obra y de la aplicación. 
Tabla 4.1 Rendimientos de excavadoras hidráulicas en m
3
 sueltos por hora de 60 minutos 
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- Los valores de producción que muestra la tabla están basados en una eficiencia de 100% 
(60 minutos de trabajo por hora), la misma es inalcanzable en operaciones reales, por 
tanto a los valores obtenidos en la tabla debe afectarse con un factor de eficiencia que 
represente las condiciones reales de la obra. 
- Las producciones mostradas en tabla cubren tamaños de excavadoras de potencias entre 
54 HP a 1470 HP aproximadamente. 
- Los valores sobre fondo blanco indican producciones media, los valores en la zona 
sombreada superior indican rendimientos óptimos, basados en condiciones favorables de 
trabajo (facilidad de excavación, zanjas poco profundas, buen operador, etc.). 
- La tabla puede auxiliar en la selección de equipo del tamaño adecuado para un trabajo. 
 
Caterpillar también proporciona dos tablas para el cálculo del tiempo de ciclo de la excavadora: 
 
- Tabla 4.2, permite obtener en función al modelo del equipo (para tamaños de cucharón y 
profundidades de excavación especificas) los tiempos de duración, en minutos, de cada 
fase del ciclo y del ciclo total. 
 - Tabla 4.3, permite estimar el tiempo de ciclo total en segundos, o minutos, a partir del 
tamaño de la máquina (modelo) y de las condiciones que pueden esperarse en la obra, 
que van desde excelentes hasta pésimas y que están representadas con áreas sombreadas 
que definen 5 zonas descritas en la misma tabla. 
 
 
La Tabla 4.4 agrupa las condiciones tomadas en cuenta para delimitar las 5 zonas de condiciones 
de operación (A, B, C, D y E) aplicadas en la tabla 4.3, considera los siguientes criterios: 
 
- Conforme se va endureciendo el suelo que se excava, se va tornando difícil la excavación 
y se tarda más en llenar el cucharón. 
- Conforme se profundiza la zanja, se agranda la pila del material extraído, el cucharón se 
desplaza a puntos más alejados y los giros de la superestructura serán mayores en cada 
ciclo de excavación. 
- La ubicación de la pila del material y la del camión influyen en el ciclo. Si el camión se 
estaciona en el área inmediata de excavación o contiguo a la pila del material a cargar, 
Tabla 4.2. Tabla para calcular tiempos de ciclo 
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mejorará el tiempo de ciclo, caso contrario (camión o pila de material ubicado por encima 
del nivel de la excavadora o a 180° del punto de excavación) se retarda el tiempo de ciclo. 
 
ZONA Facilidad de excavación 
 
Profundidad de 
excavación 
 
Ángulo 
de giro 
Otras condiciones 
A 
Excelente 
Fácil de excavar (tierra suelta, 
arena, limpieza de zanjas, 
etc.). 
Menor del 40% de 
la capacidad 
máxima de la 
máquina 
Menor 
de 30°. 
- Descarga en la pila o en camión en el 
área de excavación. 
- No hay obstáculos. 
- Operador con buena habilidad. 
B 
Muy 
Buena 
No tan fácil de excavar (tierra 
compactada, arcilla seca y 
dura, tierra con menos de 
25% de roca). 
Hasta el 50% de la 
capacidad máxima 
de la máquina 
hasta 
60° 
- Pila de descarga grande. Pocos 
obstáculos. 
 
C 
Buena 
Excavación entre mediana y 
difícil (suelo duro 
compactado hasta con 50% 
de roca) 
hasta el 70% de la 
capacidad máxima 
de la máquina 
hasta 
90°. 
- Los camiones de acarreo se cargan 
cerca de la excavadora. 
 
D 
Mala 
Difícil de excavar (roca de 
voladura o suelo duro con 
hasta 75% de roca). 
hasta el 
90% de la capacidad 
máxima de la 
máquina 
hasta 
120° 
- Zanjas reforzadas. Área de descarga 
pequeña. Hay que trabajar con cuidado 
por el personal en la zanja que tiende 
tubos. 
E 
Pésima 
La excavación más difícil 
(arenisca, piedra caliza, 
caliche, pizarra bituminosa, 
suelo congelado). 
más del 90% de la 
capacidad máxima 
de la máquina. 
mayor 
de 
120°. 
 
- Carga de cucharón en alcantarillas. 
- Descarga en un área pequeña y alejada 
de la máquina lo que requiere el alcance 
máximo de ésta. Hay gente y obstáculos 
en el área de trabajo. 
 
 
Clave 
A — Excelente 
B — Muy buena 
C — Buena 
D — Mala 
E — Pésima 
Tabla 4.3 Tabla para calcular tiempos totales de ciclo 
Tabla 4.4 Condiciones consideradas para delimitar 5 zonas de condiciones de operación (A, B, C, D y E) 
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- La construcción de alcantarillas supone excavar alrededor de tuberías de redes de 
servicio público, esto impide trabajar a plena velocidad, lo mismo sucede en la carga del 
cucharón en una zanja con protección o con personas trabajando en el área. 
 
4.2.6 CAPACIDAD DE LEVANTAMIENTO DE LAS EXCAVADORAS 
 
Al margen de la capacidad de excavación, las excavadoras poseen capacidad de levantamiento de 
carga que es muy útil para diferentes situaciones como por ejemplo el tendido de tubos pesados 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
dentro zanjas. La capacidad de levantamiento de carga de las excavadoras depende de: 
 
- El peso y la ubicación del centro de gravedad de la excavadora. 
- La ubicación del punto de levantamiento (ver la Figura 4.4, se diferencia una zona óptima 
de levantamiento más allá de la cual disminuyen las capacidades de levantamiento). 
- La capacidad hidráulica de la excavadora. 
 
Los fabricantes de excavadoras proporcionan especificaciones de “Capacidad de levantamiento” 
para sus distintos modelos, estas informan la capacidad de levantamiento, en kg, en función a la 
distancia radial desde el centro de giro y la posición del punto de levantamiento de la carga a nivel 
del suelo o a otros niveles. 
 
4.2.7 EL CUCHARON 
 
Los distintos modelos de excavadora opcionalmente disponen de diferentes tipos de cucharones, 
se fabrica cucharones adaptables a distintas aplicaciones como ser: de uso general, excavación, 
excavación de servicio extremo, servicio pesado, limpieza de zanjas, trapezoidal, para rocas, etc. Al 
margen de su tipo, los cucharones se diferencian por su capacidad, la cual se clasifica de dos 
formas: Capacidad a ras y Capacidad colmada. La Capacidad a ras considera al volumen de 
Figura 4.4 Capacidad de levantamiento de carga de la excavadora 
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material encerrado entre las placas del cucharón sin tomar en cuenta el material en exceso ni el 
material sobre los dientes, como muestra la Figura 4.5; la Capacidad colmada considera al 
volumen del cucharón cargado a ras más el volumen de material encima del nivel a ras, con un 
ángulo de reposo de 1:1, como muestra la Figura 4.5. 
 
Respecto a la selección de cucharones, el fabricante de equipo Caterpillar indica que debe elegirse 
los cucharones que mejor se adecúan a las condiciones delterreno al que serán aplicados y se 
considere dos factores: el ancho del cucharón y el radio de plegado, (reconoce radios de plegado 
cortos y largos como muestra la Figura 4.6) siendo criterios generales: “cucharones anchos se 
aplican a terrenos fáciles de excavar”, “cucharones estrechos se usan en terrenos duros”, 
“cucharón más estrecho y con radio de plegado corto, para terreno duro”. En otros casos, la 
consideración para la selección del cucharón puede ser el ancho de fondo de una zanja. 
 
 
 
 
4.2.8 CARGA ÚTIL DEL CUCHARON 
 
Se conoce como Carga útil del cucharón a la cantidad de material que el cucharón carga en cada 
ciclo de excavación, la misma depende del tamaño y la forma del cucharón, de la fuerza de 
plegado y de las características del suelo representadas por el factor de llenado. El factor de 
llenado varía según el material, sus valores se muestran en la Tabla 4.5. 
 
Por tanto la carga útil del cucharón se define como: 
 
Promedio de carga útil del cucharón = (Capacidad colmada del cucharón) x 
 (Factor de llenado del cucharón) (4.3) 
 
 
Material Factor de llenado (Porcentaje de la 
capacidad colmada del cucharón) 
 
Marga mojada o arcilla arenosa A - 100-110% 
Arena y grava B - 95-110% 
Arcilla dura y compacta C - 80-90% 
Roca bien fragmentada por voladura 60-75% 
Roca mal fragmentada por voladura 40-50% 
 
 
 
 
 
Tabla 4.5 Factores de llenado del cucharón 
 
Figura 4.5 Capacidad del cucharón: a ras y colmada Figura 4.6 Radio de plegado del cucharón 
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4.3 RETRO EXCAVADORA 
 
4.3.1 DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO 
 
La retroexcavadora es un equipo de magnitud mediana, consiste en un tractor sobre ruedas 
implementado de un cucharón cargador en su parte delantera, que principalmente sirve para 
cargar material suelto a volquetas, y una excavadora en su parte posterior. Se la denomina 
retroexcavadora porque para avanzar en la excavación debe ir retrocediendo, o sea en marcha 
reversa debido a que lleva el excavador en su parte posterior. La Figura 4.7 muestra las partes 
principales de una retroexcavadora. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4.3.2 APLICACIONES DE LA RETROEXCAVADORA 
 
Las principales aplicaciones del equipo retroexcavador 
son: 
 
- Excavación bajo el nivel del suelo, limitada 
por la magnitud del equipo y sus alcances. 
- Excavación de zanjas estrechas. 
- Excavación de canales. 
- Levantamiento de carga con el excavador, la 
capacidad de levantamiento, en kg, varía 
según cual sea el punto de ubicación, como 
ejemplifica la Figura 4.8. 
- Levantamiento de material suelto y carguío a 
volquetas. 
 
Al margen de las aplicaciones mencionadas, la 
retroexcavadora admite que se la adapte otras 
herramientas de utilidad en reemplazo de su 
cucharón, lo cual le convierte en equipo versátil. 
① CABINA DE 
OPERADOR 
② CARGADOR 
③ BRAZOS DEL 
CARGADOR 
④ CILINDRO DE 
INCLINACIÓN DEL 
CARGADOR 
⑤ RETROEXCAVADOR 
TIPO EXCAVADORA 
 
⑥ CUCHARON. 
⑦ SISTEMA HIDRÁULICO 
⑧ CAPÓ INCLINADO, permite 
buena visibilidad de la zona de 
trabajo del cargador 
⑨ PATAS ESTABILIZADORAS 
⑧ ① ⑤ 
② 
 
 
③ 
 
④ 
⑨ ⑥ 
Figura 4.7 Partes principales de una retroexcavadora 
Figura 4.8 Grafica de capacidad de levantamiento 
(kg-lb) de una retroexcavadora 
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4.3.3 DIMENSIONES Y DATOS DE OPERACIÓN DE LA RETROEXCAVADORA 
 
Las dimensiones que presenta un determinado modelo de excavadora, y los alcances máximos que 
desarrollan sus elementos durante sus respectivas operaciones, constituyen parte de las 
especificaciones básicas que deben conocerse al trabajar con estos equipos, esta información la 
brindan los fabricantes en sus catálogos de equipo, de forma similar a la reproducida en la Figura 
4.9. 
 
 
 
A Distancia mínima al suelo. 
B Largo total. 
C Ancho sobre las ruedas. 
D Altura a parte superior de la cabina. 
E Largo de eje a eje. 
F Altura de carga, posición de carga del camión. 
G Alcance desde el centro del pivote de giro. 
H Alcance desde el centro del eje trasero. 
I Profundidad de cavado (máximo SAE). 
J Profundidad de cavado (SAE). 
K Ancho del estabilizador, transporte. 
L Expansión del estabilizador, operando. 
 
Figura 4.9 Ejemplo de las dimensiones y de datos de operación que los fabricantes suelen 
especificar en catálogos para sus modelos de retroexcavadora. 
M Ancho total del estabilizador, operando. 
N Rotación de la cuchara. 
O Altura de transporte. 
P Angulo de descarga de la cuchara, máximo. 
Q Inclinación hacia atrás a nivel del suelo. 
R Altura al perno de la bisagra de la cuchara, máxima. 
S Altura de la descarga. 
T Alcance a la altura máxima. 
U Nivel de la profundidad de cavado bajo suelo. 
V Largo desde el eje frontal a la línea central del 
borde cortante de la cuchara.