¿Por qué existen las excavadoras con ruedas? — La movilidad por carretera como principal ventaja.
Una excavadora de orugas debe transportarse a la obra en un remolque de plataforma baja, un proceso que tarda entre 30 y 90 minutos por traslado y cuesta entre 200 y 800 USD por transporte. Una excavadora de ruedas se desplaza por sí sola a la obra por vías públicas a una velocidad de entre 20 y 40 km/h, llegando en el mismo tiempo que un camión, sin vehículo de transporte, sin permisos de circulación y sin interrumpir el tráfico para la carga y descarga. Para trabajos de servicios públicos urbanos (gas, agua, alcantarillado, electricidad, telecomunicaciones), donde la excavadora se desplaza entre 5 y 30 puntos de excavación al día a lo largo de un corredor vial, la excavadora de ruedas ahorra entre 2 y 10 traslados diarios, lo que supone un ahorro de entre 400 y 8000 USD en costes de transporte diarios.
Esta ventaja de movilidad por carretera impone exigencias únicas a la caja de cambios planetaria de tracción a las ruedasEl sistema de accionamiento debe cumplir con las mismas normativas para vehículos de carretera que un camión (frenado ECE R13, límites de ruido, límites de peso por eje, iluminación y señalización), a la vez que proporciona la precisión a baja velocidad necesaria para posicionar una máquina de 20 toneladas a menos de 100 mm de una zanja de servicios públicos en una calle congestionada de la ciudad. Ningún otro tipo de excavadora requiere el cumplimiento de la normativa para carreteras, ni ningún otro vehículo de carretera requiere la precisión de posicionamiento propia de una excavadora.
El mercado de excavadoras sobre ruedas se concentra en Europa (donde la normativa vial favorece las máquinas autopropulsadas frente a las transportables), Japón (donde predominan las excavadoras urbanas compactas) y, cada vez más, en Norteamérica y Australia para aplicaciones de servicios públicos y mantenimiento de carreteras. El peso de las máquinas oscila entre 9 y 25 toneladas, siendo la clase de 15 a 20 toneladas la más común para trabajos de servicios públicos urbanos.
El ciclo de trabajo es fundamentalmente diferente al de una excavadora de orugas. Una excavadora de orugas permanece en una posición fija excavando durante horas; el tren de rodaje se carga estáticamente. Una excavadora de ruedas se desplaza entre puntos de excavación entre 15 y 30 veces por turno, dedicando entre 30 y 601 TP3T de su tiempo operativo a la conducción y el reposicionamiento, y solo entre 40 y 701 TP3T a la excavación propiamente dicha. Por lo tanto, la tracción de las ruedas acumula entre 800 y 1500 horas de conducción al año, comparable a la de un camión de reparto, mientras que el mecanismo de excavación acumula entre 1000 y 2000 horas. La tracción de las ruedas no es un sistema auxiliar; es un componente de trabajo principal que se utiliza con la misma intensidad que el brazo excavador.
El giro de la superestructura (rotación de 360 grados de la parte superior del cuerpo) añade una condición de carga única durante el traslado por carretera. La superestructura de la excavadora (cabina, pluma, motor) debe estar bloqueada mirando hacia adelante durante la conducción por carretera, ya que una superestructura orientada lateralmente desplaza el centro de gravedad del vehículo y altera la respuesta de la dirección. El bloqueo de giro debe mantener la superestructura contra las cargas de viento, las vibraciones de la carretera y las fuerzas de giro durante el traslado por autopista. Si el bloqueo de giro falla durante la conducción por carretera, la superestructura gira sin control, desplazando el centro de gravedad y pudiendo provocar que el vehículo se desvíe o vuelque. El sistema de frenado de tracción debe ser capaz de detener el vehículo de forma segura incluso con un centro de gravedad desplazado lateralmente por un fallo del bloqueo de giro, un escenario de emergencia que el diseño del sistema de frenado ECE R13 debe contemplar.
El contrapeso de una excavadora de ruedas (de 2 a 5 toneladas de acero en la parte trasera de la superestructura) proporciona estabilidad durante la excavación, pero desplaza el centro de gravedad general del vehículo hacia atrás, lo que produce una distribución de peso con mayor concentración en la parte trasera, de 55 a 651 TP3T, sobre el eje trasero durante el transporte por carretera. Esta distribución desigual implica que las ruedas traseras soportan más peso, generan mayor fuerza de frenado y experimentan mayor fatiga de los cojinetes por kilómetro que las delanteras; por lo tanto, deben especificarse para trabajos más pesados, aunque las cajas de engranajes delanteras y traseras suelen tener el mismo número de pieza para simplificar el inventario.
Reposicionamiento en el lugar de trabajo: conducción de precisión en espacios urbanos
La excavadora de ruedas debe posicionarse a una distancia de entre 100 y 200 mm del punto de excavación, que puede estar junto a una tubería de gas, una tubería de agua o un cable de fibra óptica. La precisión del posicionamiento en una calle urbana se ve limitada por los coches aparcados, los bordillos, los peatones, las señales de tráfico y los cables aéreos, todo lo cual reduce el espacio de maniobra disponible a pasillos de tan solo 3 o 4 metros de ancho.
La dirección en las cuatro ruedas (direccionamiento de los ejes delantero y trasero) reduce el radio de giro entre 30 y 40 TP3T en comparación con las configuraciones de dirección solo delantera, lo que permite que la máquina de 8 a 10 metros de largo gire en espacios que requerirían un giro de varios puntos con la dirección convencional. Algunos modelos ofrecen dirección tipo cangrejo (todas las ruedas en la misma dirección) para el posicionamiento lateral, moviendo la máquina de lado hacia el bordillo sin girar. La tracción de las ruedas debe soportar todos los modos de dirección con un par suave y proporcional a la velocidad de posicionamiento de 1 a 3 km/h, ya que cualquier pulsación o vacilación del par a esta velocidad produce un movimiento brusco que es difícil de controlar en espacios urbanos estrechos.
La transición de la conducción a la excavación implica la secuencia de despliegue de los estabilizadores. El operador conduce hasta el punto de excavación, baja la pala (estabilizador trasero) y los estabilizadores (soportes laterales), y transfiere el peso de la máquina de los neumáticos a los estabilizadores. Durante esta transición, caja de cambios planetaria de tracción a las ruedas El freno de estacionamiento debe mantener la máquina inmóvil, incluso si la calle tiene una pendiente transversal o longitudinal de 5 a 10%. Una vez que los estabilizadores están completamente cargados, las ruedas se descargan parcial o totalmente, y la tracción de las ruedas permanece prácticamente inactiva durante la fase de excavación. Esto significa que la tracción de las ruedas alterna entre un trabajo de conducción intenso (reposicionamiento) y un descanso completo (excavación), un patrón de trabajo que produce ciclos térmicos similares al ciclo en V de la cargadora de ruedas, pero con una frecuencia menor (de 15 a 30 transiciones por turno frente a 400 en una cargadora).
El entorno operativo urbano también introduce riesgos únicos para la transmisión de las ruedas. Las calles de la ciudad contienen rejillas de drenaje, tapas de alcantarilla, bordes de bordillo y tapas de acceso a servicios públicos que las ruedas deben sortear durante el reposicionamiento. Cada uno de estos elementos de la superficie produce una carga de impacto momentánea en el cojinete de salida de la transmisión de las ruedas, y el impacto acumulado de entre 500 y 2000 cruces de estos elementos por día aumenta el margen de fatiga del cojinete. La transmisión de las ruedas debe estar clasificada para este tipo de impacto en superficies urbanas, que es diferente tanto del uso en carreteras lisas como del uso en terrenos blandos fuera de carretera. Los impactos en superficies urbanas son agudos (de 5 a 15 ms de duración), de amplitud moderada (de 2 a 5 g) y de alta frecuencia (de 10 a 50 por hora), un perfil de fatiga que los cálculos estándar de vida útil de los cojinetes de la maquinaria de construcción no contemplan, ya que asumen una carga continua y suave (carretera) o impactos fuertes poco frecuentes (fuera de carretera).
Transferencia de Carreteras: una máquina de construcción que debe ser un vehículo de carretera.
El requisito de transferencia a carretera transforma la transmisión de las ruedas de un componente de maquinaria de construcción a un componente automotriz. La excavadora de ruedas debe cumplir con las mismas regulaciones para vehículos de carretera que un camión: frenado ECE R13 (desaceleración de 5,0 m/s² desde la velocidad máxima), límites de ruido ECE R51 (80 dBA a 7,5 metros), límites de peso por eje (normalmente de 10 a 13 toneladas por eje) y requisitos de iluminación y señalización. La transmisión debe proporcionar la capacidad de frenado, la calidad del ruido de engranaje y la compatibilidad de carga por eje necesarias para cumplir con estas regulaciones, que son más estrictas que cualquier estándar para obras de construcción.
La velocidad máxima permitida en carretera varía según el mercado: 20 km/h en algunos países europeos (matriculación como máquina móvil), 37 km/h en Alemania (matriculación como máquina de trabajo autopropulsada) y entre 40 y 50 km/h en algunos mercados con matriculación completa. A 37 km/h y 20 toneladas, la energía de frenado es de aproximadamente 2,1 MJ, significativamente menor que la de una grúa todoterreno a 80 km/h, pero que aún requiere frenos de disco de calidad automotriz y un sistema de frenado de doble circuito con distribución de frenado sensible a la carga.
El ruido de engranajes a velocidad de autopista debe cumplir con el límite de paso de 80 dBA. A 37 km/h, el eje de salida de la transmisión de la rueda gira a 150 a 250 rpm (dependiendo del tamaño del neumático y la relación de transmisión), produciendo una frecuencia de engranajes de 3000 a 7500 Hz (RPM de salida x número de dientes). A estas frecuencias, el ruido de engranajes se irradia eficientemente a través de la carcasa, y los engranajes DIN Clase 6 son la calidad mínima para el cumplimiento de la normativa de ruido. Los engranajes Clase 8 pueden producir niveles de ruido de paso de 82 a 85 dBA, superando el límite legal e impidiendo que la máquina obtenga la matriculación para circular por carretera. El requisito de ruido es particularmente exigente porque la carcasa de la excavadora de ruedas suele ser más compacta (menor espesor de pared para ahorrar peso) y menos optimizada acústicamente (prioridad de construcción, no de automoción) que la carcasa de un eje de camión, lo que significa que el ruido por unidad de calidad de engranaje es inherentemente mayor que en un eje de automoción diseñado específicamente para ello. Por lo tanto, el fabricante de la caja de cambios debe colaborar con el fabricante de equipos originales de la excavadora en el diseño acústico de la carcasa, optimizando el patrón de las nervaduras, el espesor de la pared y el aislamiento de montaje para lograr el nivel de ruido de paso objetivo al nivel de calidad de engranajes especificado.
Tres modos de fallo específicos de los sistemas de propulsión de las excavadoras con ruedas
Una excavadora de ruedas que no supere la prueba de ruido de paso ECE R51 no puede matricularse para circular por carretera, lo que elimina su principal ventaja competitiva frente a las excavadoras de orugas. El ruido de engranaje es el principal contribuyente al ruido de paso a velocidad de autopista: la frecuencia de engranaje (de 3000 a 7500 Hz) se encuentra en el rango de frecuencias donde el oído humano es más sensible y donde la ponderación del sonómetro (ponderación A) proporciona la menor atenuación. Una reducción de 2 dBA en el engranaje (que se consigue al pasar de la Clase 8 a la Clase 6) puede suponer la diferencia entre superar y suspender la prueba de homologación, y el coste de la mejora de la calidad del engranaje (de 15 a 251 TP3T del precio de la caja de cambios) es insignificante comparado con la consecuencia de perder la homologación para circular por carretera para todo el modelo de máquina.
Las calles de la ciudad tienen pendientes transversales de 2 a 4% (para drenaje) y pendientes longitudinales de hasta 10 a 15% en terrenos montañosos. Durante la secuencia de despliegue de los estabilizadores, que dura de 30 a 60 segundos, el freno de estacionamiento debe mantener la máquina de 20 toneladas inmóvil frente a la componente de gravedad, que es de aproximadamente 10 a 30 kN según la pendiente. Si la pastilla de freno está desgastada por debajo de 60% de su espesor original, el par de retención puede ser insuficiente para las pendientes más pronunciadas, y la máquina se desplaza lentamente cuesta abajo durante el despliegue de los estabilizadores. En una calle de la ciudad con coches aparcados, peatones y zanjas de servicios públicos, una excavadora que se desplaza lentamente durante el montaje de los estabilizadores representa un grave peligro para la seguridad que puede provocar daños materiales, lesiones o sanciones reglamentarias (pérdida del permiso de operación).
Durante la fase de excavación (de 40 a 70% de tiempo de operación), la tracción de las ruedas está estacionaria con las ruedas parcial o totalmente descargadas (los estabilizadores soportan el peso de la máquina). El cojinete de salida permanece inmóvil con una carga reducida o nula, y cualquier humedad que haya entrado en la caja de engranajes (por respiración, fugas de sellos o condensación) se deposita en las superficies del cojinete e inicia la corrosión por inactividad. A diferencia de las máquinas de uso estacional que experimentan periodos de inactividad durante el almacenamiento, la excavadora de ruedas experimenta de 20 a 40 periodos de inactividad por día, cada uno de 10 a 30 minutos de duración. Con más de 2000 horas de excavación al año, el tiempo acumulado de inactividad alcanza de 1000 a 1500 horas, tiempo suficiente para que la corrosión por inactividad inicie micropicaduras en los cojinetes que no están protegidos por aditivos de aceite inhibidores de la corrosión. La naturaleza intermitente de la carga (arranque-parada-arranque-parada) es particularmente dañina porque cada arranque desgasta los productos de corrosión en la superficie de la pista de rodadura antes de que la película de aceite pueda restablecerse por completo.
Preguntas frecuentes
Korea Ever-Power ofrece sistemas de propulsión para excavadoras con ruedas, con un par motor de entre 5.000 y 30.000 Nm, que cumplen con la normativa de ruido para autopistas, permiten el frenado en calles urbanas y ofrecen posicionamiento urbano con dirección en todas las direcciones.
Editor: Cxm
