Introducción a la cargadora de ruedas: Mecánica de la dirección articulada y el mecanismo de la cuchara.

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A pesar de su apariencia sencilla —con ruedas tanto delante como detrás—, la cargadora de ruedas presenta una filosofía de diseño para girar y excavar que difiere de la de la excavadora hidráulica y la topadora. La dirección articulada, en la que la parte delantera y trasera de la carrocería se pliegan como una bisagra, y la unidad de carga, que eleva la cuchara delantera mediante un cilindro hidráulico y un sistema de articulación, son los elementos que definen el carácter de esta máquina.

Una cargadora de ruedas Volvo L90G en una obra en Palo Alto, California

Una cargadora de ruedas en servicio

Imagen: Volvo Cargadora L90G en una obra en Palo Alto (Grendelkhan, CC BY-SA 4.0), Wikimedia Commons. No se trata de la serie WA de Komatsu que se analiza en el texto, un ejemplo representativo para comprender la dirección articulada y el diseño del mecanismo de la cuchara.

Figura 1: El mecanismo de barra en Z utiliza una manivela acodada para redirigir la fuerza y obtener una gran fuerza de empuje. El mecanismo paralelo mantiene el ángulo de la cuchara prácticamente constante incluso durante el movimiento vertical. La sección inferior muestra el ángulo de articulación de la dirección articulada.

0. Resumen de 30 segundos

La mayoría de las cargadoras de ruedas adoptan la dirección articulada, en la que los bastidores delantero y trasero se pliegan por la mitad. La extensión y retracción de los cilindros de dirección crea el ángulo de articulación, cambiando la dirección de toda la estructura.
El mecanismo de la cuchara se presenta en dos tipos: la barra en Z. El tipo de enlace en Z utiliza una palanca acodada para redirigir la fuerza, mientras que el tipo de enlace paralelo emplea un mecanismo de cuatro barras para mantener el ángulo de la cuchara prácticamente constante. Ambos se diferencian en el equilibrio entre la fuerza de empuje, la visibilidad y el rendimiento de nivelación.
La fuerza de arranque (la fuerza generada en el borde de corte de la cuchara) es la magnitud de la transmisión del empuje del cilindro de la cuchara a través del brazo de palanca del mecanismo, y varía con el ángulo del mecanismo incluso a la misma presión hidráulica. La norma SAE J732 proporciona un vocabulario común de términos de especificación de cargadoras para comparar este tipo de valor.
La excavadora hidráulica realiza excavaciones y cargas en una sola máquina, mientras que la topadora se utiliza para empujar y nivelar. La cargadora de ruedas está optimizada para recoger, cargar y transportar. Las diferencias en el radio de trabajo y la presión sobre el suelo también reflejan esta división de funciones.
La serie WA de Komatsu publica la potencia del motor, la capacidad de la cuchara y la fuerza de arranque desde la minicargadora hasta la mediana, lo que proporciona una base para la selección del modelo.

1. Cinemática de la dirección articulada

En lugar de dirigir las ruedas delanteras, muchas cargadoras de ruedas adoptan una dirección articulada, en la que la carrocería se pliega en el punto medio entre los bastidores delantero y trasero. Un par de cilindros de dirección, izquierdo y derecho, empujan y tiran de una bisagra vertical que une ambos bastidores, creando un ángulo de articulación $\gamma$ .

Si $a$ representa la distancia desde la bisagra al eje delantero y $b$ la distancia desde la bisagra al eje trasero, un modelo simplificado que supone un deslizamiento mínimo de los neumáticos a baja velocidad (rodadura pura) proporciona un radio de giro en la posición de la bisagra de aproximadamente:

R_h \approx \frac{a+b}{2\sin(\gamma/2)}

Cuanto mayor sea el ángulo de articulación, menor será el radio de giro, reduciendo así el número de maniobras necesarias en espacios reducidos. Por otro lado, cuanto mayor sea la superposición entre los bastidores delantero y trasero, mayor será la relación de compromiso entre el radio de giro mínimo y la distancia entre ejes. En los vehículos con dirección en las ruedas delanteras, la relación entre el centro de gravedad del vehículo y su punto de contacto con el suelo en una máquina articulada cambia con mayor facilidad durante un giro, y un giro brusco con la cuchara completamente cargada de tierra aumenta el riesgo de vuelco. Este es un desafío de diseño de estabilidad específico de las cargadoras de ruedas, distinto del giro sobre orugas de una excavadora hidráulica o una topadora.

2. El mecanismo de la cuchara: Tipos de barra en Z y de eslabones paralelos

En el extremo del brazo elevador, la cuchara se mueve hacia arriba/abajo, recoge (recoge) y descarga (descarga) mediante un cilindro y un mecanismo (manivela acodada). Los dos tipos representativos son los siguientes:

Tipo de barra en Z (eslabón en Z): Una manivela acodada se coloca a mitad del brazo elevador, redirigiendo el movimiento del cilindro de la cuchara a través de un eslabón en forma de "kuno-ji" (pata de perro) o "Z" hacia la cuchara. Debido a que se puede usar una gran relación de eslabones, esto facilita la obtención de una gran fuerza de recogida (par de carga) a El mismo empuje del cilindro, adecuado para trabajos centrados en la excavación. Por otro lado, en posiciones elevadas del brazo elevador, el ángulo de la cuchara tiende a cambiar, lo que complica la visibilidad y el control del ángulo de descarga.

Tipo de enlace paralelo: Un enlace auxiliar, paralelo al brazo elevador, soporta la cuchara, y un mecanismo de cuatro barras mantiene el ángulo de la cuchara prácticamente constante incluso cuando cambia el ángulo del brazo elevador. Esto resulta adecuado para trabajos como la carga de camiones, donde se requiere estabilidad y visibilidad en posiciones elevadas. Generalmente se considera que tiene menor fuerza de empuje que el tipo de barra en Z, y ambos se utilizan de forma diferente según la aplicación. Los propios documentos técnicos de Komatsu también publican investigaciones sobre la evaluación del rendimiento de los equipos de trabajo de las máquinas de enlace paralelo.

En ambos tipos, el empuje del cilindro de la cuchara $F_{cyl}=\Delta p\,A_{cyl}$ se convierte, a través del mecanismo, en par alrededor del eje de rotación de la cuchara. Debido a que el brazo de palanca $r_m(\phi)$ cambia con el ángulo del mecanismo $\phi$ , la fuerza de arranque generada en la punta de la cuchara depende tanto del empuje del cilindro como del ángulo de descarga. Geometría del mecanismo:

F_{breakout}(\phi) = \frac{F_{cyl}\, r_m(\phi)}{r_{edge}}

donde $r_{edge}$ es la distancia desde el centro de rotación de la cuchara hasta el borde de corte. La "fuerza máxima de arranque" que se indica en el catálogo suele ser un valor medido cerca de la posición de la cuchara que maximiza esta relación, y no se produce la misma fuerza en todas las posiciones durante el trabajo real.

3. Fuerza de arranque y cómo interpretar las especificaciones

La fuerza de arranque se define como la fuerza generada en el borde de corte al aplicar una carga, desde que la cuchara se clava en el suelo hasta la presión de alivio del cilindro. La norma SAE J732 define uniformemente la terminología de las especificaciones de las cargadoras, proporcionando un marco común para comparar valores como la fuerza de arranque y la capacidad de la cuchara entre diferentes fabricantes. Sin embargo, dado que el significado de un valor cambia con las condiciones de medición (posición de la cuchara, ángulo del brazo elevador y cilindro principal), es necesario confirmar si los valores del catálogo se midieron bajo las mismas condiciones de prueba antes de compararlos.

En las especificaciones públicas de Komatsu, La fuerza máxima de arranque de la cuchara de la WA40-8 es de 29,4–29,9 kN (3000–3050 kgf). Incluso dentro de la misma serie, la fuerza de arranque aumenta con el tamaño de la máquina, debido a la combinación del diámetro del cilindro, la presión hidráulica y la relación de articulación.

4. División de funciones en la excavadora hidráulica y la topadora

La excavadora hidráulica y la topadora, descritas en otras secciones de este sitio web, están diseñadas principalmente para "cortar y nivelar el terreno". La cargadora de ruedas está optimizada de forma diferente: para "recoger tierra, piedra triturada o áridos ya existentes y cargarlos en un vehículo de transporte o en una pila".

Aspecto	Excavadora hidráulica	Topadora	Cargadora de ruedas
Acción principal	Excavación, carga, nivelación	Empuje de tierra, nivelación	Recogida, carga, transporte
Método de desplazamiento	Orugas (pueden pivotar/contrarrotar)	Orugas	Neumáticos, dirección articulada
Presión sobre el suelo	Baja (orugas)	Baja (orugas, aptas para cargas pesadas)	Mayor (neumáticos, para circular por carretera)
Velocidad de desplazamiento	Lenta	Lenta	Relativamente rápida (entre obras/dentro de una misma obra)
Ideal para	Terreno natural, pendientes, excavación de zanjas	Movimiento de tierras a granel, nivelación	Carga de tierra apilada, piedra triturada, nieve, etc.

La cargadora de ruedas opta por neumáticos porque suele autopropulsarse en carreteras públicas o terrenos nivelados dentro de la obra, es más rápida que las orugas y sus piezas de desgaste son más fáciles de reemplazar. Sin embargo, su tracción en terrenos blandos o irregulares, y su maniobrabilidad en giros contrarrotatorios son inferiores a las de las máquinas de orugas. En obra, es común observar una división del trabajo en la que una excavadora hidráulica excava y apila la tierra, y una cargadora de ruedas la carga en un camión volquete.

5. Gama de cargadoras de ruedas actuales Productos

Modelo	Potencia nominal del motor (neta)	Capacidad de la cuchara	Fuerza máxima de arranque (cuchara)
Komatsu WA40-8 (minicargadora de ruedas)	28,4 kW (38,6 CV)	0,5–0,6 m³	29,4–29,9 kN (3000–3050 kgf)
Komatsu WA80	44,3 kW (60,2 CV)	0,9 m³	Ver ficha técnica oficial
Komatsu WA100-8	73,1 kW (99,4 CV)	1,3 m³	Ver ficha técnica oficial

La potencia y la capacidad de la cuchara son aproximadamente proporcionales, pero dado que la fuerza de arranque también se ve afectada por la relación de articulación y el diámetro del cilindro, la tendencia difiere según el fabricante y el modelo, incluso dentro de la misma clase de potencia. La selección del modelo debe considerar no solo la potencia y la capacidad de la cuchara, sino también el tipo de articulación. (De barra en Z o de brazos paralelos) en función de la altura de carga requerida y la visibilidad en obra.

6. Resumen

El rendimiento de una cargadora de ruedas no se puede medir únicamente por la potencia del motor y la capacidad de la cuchara. La geometría de la dirección articulada, que pliega la carrocería para una maniobrabilidad precisa, y la relación mediante la cual el mecanismo convierte el empuje del cilindro en fuerza en el borde de corte, son los factores que determinan su capacidad de trabajo real. La elección entre el tipo de barra en Z y el de brazos paralelos implica un equilibrio entre la fuerza de excavación y la estabilidad/visibilidad en altura, y seleccionar un modelo que comprenda la división de funciones con la excavadora hidráulica y la topadora es lo que determina la productividad general en obra.

Comprueba tu comprensión

¿Son las cargadoras y las excavadoras adecuadas para el mismo trabajo?

Una cargadora combina el desplazamiento con su cuchara; una excavadora excava con su brazo. Compara la posición de excavación, la distancia de desplazamiento, la cimentación y el tiempo de ciclo.

Referencias

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