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Una excavadora de arrastre es una excavadora de servicio pesado que se utiliza en ingeniería civil y minería de superficie . Se inventó en 1904 y representó un desafío inmediato para la pala de vapor y su descendiente impulsada por diésel y electricidad, la pala mecánica . Mucho más eficiente que incluso la más grande de estas últimas, disfrutó de un apogeo en tamaño extremo durante la mayor parte del siglo XX, primero siendo desafiada por excavadoras rotativas más eficientes en la década de 1950, luego reemplazada por ellas en el extremo superior a partir de la década de 1970.
La dragalina móvil más grande jamás construida fue la Big Muskie , una Bucyrus-Erie 4250-W puesta en funcionamiento en 1969 que tenía un cucharón de 220 yardas cúbicas (170 m3 ) y una capacidad de 325 toneladas, una pluma de 310 pies (94 m) y un peso de 13.500 toneladas.
La dragalina móvil más grande producida hasta 2014 fue la P&H 9020XPC con control de accionamiento de CA digital de Joy Global , que tiene una capacidad de balde de 110 a 160 yardas cúbicas (84 a 122 m 3 ) y longitudes de pluma que varían de 325 a 425 pies (99 a 130 m); los pesos de trabajo varían entre 7539 y 8002 toneladas. [1]
Las dragalinas se dividen en dos grandes categorías: las que se basan en grúas de elevación estándar y las unidades pesadas que se deben construir en el lugar. La mayoría de las grúas sobre orugas, con un tambor de cabrestante añadido en la parte delantera, pueden actuar como dragalinas. Estas unidades (al igual que otras grúas) están diseñadas para desmontarse temporalmente y transportarse por la carretera en remolques de plataforma. Las dragalinas que se utilizan en ingeniería civil son de este tipo de grúa más pequeña. Se utilizan para la construcción de carreteras , puertos, dragado de estanques y canales y como plataformas para hincar pilotes . Estos tipos son fabricados por fabricantes de grúas como Link-Belt e Hyster .
El tipo mucho más grande que se monta en el lugar se utiliza comúnmente en operaciones de minería a cielo abierto para retirar la capa de recubrimiento sobre el carbón y, más recientemente, para la minería de arenas petrolíferas . Las dragalinas pesadas más grandes se encuentran entre las máquinas móviles terrestres más grandes jamás construidas, con un peso de hasta 13.500 toneladas, mientras que las más pequeñas y más comunes del tipo montado en el lugar pesan alrededor de 8.000 toneladas.
Un sistema de cangilón de dragalina consiste en un cangilón grande que está suspendido de una gran pluma (o mástil) con forma de armazón mediante cables de acero . El cangilón se maniobra mediante una serie de cables y cadenas. El cable de elevación, accionado por grandes motores diésel o eléctricos , sostiene el cangilón y el conjunto de acoplador de elevación desde la pluma. El cable de arrastre se utiliza para arrastrar el conjunto del cangilón horizontalmente. Mediante una hábil maniobra del polipasto y los cables de arrastre, el cangilón se controla para diversas operaciones. A continuación se muestra un esquema de un gran sistema de cangilón de dragalina.
La dragalina fue inventada en 1904 por John W. Page (como socio de la firma Page & Schnable Contracting) para su uso en la excavación del Canal de Chicago . En 1912, Page se dio cuenta de que construir dragalinas era más lucrativo que contratar, por lo que creó la Page Engineering Company para construir dragalinas. Page construyó su primera dragalina móvil rudimentaria en 1923. Estas utilizaban patas operadas por cremallera y piñón en un marco separado que levantaba la grúa. Luego, el cuerpo se empujaba hacia adelante mediante una cadena sobre una pista de rodillos y luego se bajaba nuevamente. [2] Page desarrolló los primeros motores diésel exclusivamente para aplicaciones de dragalinas en 1924. Page también inventó el cucharón arqueado de la dragalina, un diseño que todavía se usa comúnmente hoy en día por las dragalinas de muchos otros fabricantes, y en la década de 1960 fue pionero en un diseño de cucharón sin arco. En 1935, con un mecanismo de marcha muy por detrás del de su competidor Monighan (véase más abajo), Page actualizó su mecanismo con un accionamiento excéntrico. Este mecanismo, muy mejorado, proporcionó un movimiento elíptico adecuado y se utilizó hasta 1988. Page modernizó aún más sus dragalinas con la serie 700 en 1954. La dragalina más grande de Page fue el modelo 757 entregado a la mina Obed cerca de Hinton, Alberta, en 1983. Presentaba un balde de 75 yardas sobre una pluma de 298 pies y un peso operativo de 4.500 toneladas. En 1988, Harnischfeger Corporation ( P&H Mining Equipment ) compró Page Engineering Company.
Harnischfeger Corporation fue fundada como P&H Mining en 1884 por Alonzo Pawling y Henry Harnischfeger . En 1914, P&H presentó la primera dragalina impulsada por motor de gasolina del mundo. En 1988, Page fue adquirida por Harnischfeger, que fabrica la línea de palas , dragalinas y grúas de P&H . La dragalina más grande de P&H es la 9030C con un balde de 160 yardas y una pluma de hasta 425 pies.
En 1907, Monighan's Machine Works de Chicago se interesó en la fabricación de dragalinas cuando el contratista local John W. Page realizó un pedido de maquinaria de elevación para instalar una. En 1908, Monighan cambió su nombre a Monighan Machine Company. En 1913, un ingeniero de Monighan llamado Oscar Martinson inventó el primer mecanismo de marcha para una dragalina. [3] [4] [5] El dispositivo, conocido como el Tractor Martinson, se instaló en una dragalina Monighan, creando la primera dragalina andante. Esto le dio a Monighan una ventaja significativa sobre otras dragalinas y la empresa prosperó. El mecanismo de leva se mejoró aún más en 1925 al eliminar las cadenas de arrastre para las zapatas y cambiar a una rueda de leva que giraba sobre una pista ovalada. Esto le dio a la zapata un movimiento elíptico adecuado. [6] [7] La primera dragalina que utilizó el nuevo mecanismo fue la 3-W disponible en 1926. Estas máquinas fueron tan populares que el nombre Monighan se convirtió en un término genérico para dragalina. A principios de la década de 1930, Bucyrus-Erie comenzó a comprar acciones de Monighan con la aprobación de Monighan. Bucyrus adquirió una participación mayoritaria y la empresa conjunta pasó a llamarse Bucyrus-Monighan hasta la fusión formal en 1946. La primera excavadora de cadena de arrastre del Reino Unido se utilizó en la cantera de hierro de Wellingborough en 1940. [8]
Ransomes & Rapier fue fundada en 1869 por cuatro ingenieros para construir equipos ferroviarios y otras obras pesadas. En 1914 comenzaron a construir dos pequeñas palas a vapor como resultado de una solicitud de un cliente. El sistema de tracción accionado por cuerda que construyeron para esto fue patentado [9] y luego vendido a Bucyrus. Después de la Primera Guerra Mundial, la demanda de excavadoras aumentó y en 1924 llegaron a un acuerdo para construir dragalinas Marion de 1 a 8 yardas cúbicas de capacidad. En 1927, construyeron los modelos Tipo-7 de 1 yarda y Tipo-460 de 1,5 yardas. El acuerdo para construir máquinas Marion finalizó en 1936. R&R comenzó a construir sus propios diseños con el Tipo-4120 seguido por el 4140 de 3,5 yardas cúbicas. En 1958, la división Ramsomes & Rapier se vendió a Newton, Chambers & Co. de Sheffield, que se fusionó con su división NCK Crane & Excavator. Esto se convirtió en NCK-Rapier. La división de dragalinas móviles de NCK-Rapier fue adquirida por Bucyrus en 1988.
La Marion Power Shovel Company (fundada en 1880) construyó su primera dragalina móvil con un sencillo mecanismo de una sola manivela en 1939. Su dragalina más grande fue la 8950, vendida a Amax Coal Company en 1973. Contaba con un balde de 150 yardas cúbicas sobre una pluma de 310 pies y pesaba 7300 toneladas. Marion fue adquirida por Bucyrus en 1997.
Bucyrus Foundry and Manufacturing Company entró en el mercado de las dragalinas en 1910 con la compra de los derechos de fabricación de la excavadora de dragalinas Heyworth-Newman. Su dragalina "Clase 14" se introdujo en 1911 como la primera dragalina montada sobre orugas. En 1912, Bucyrus ayudó a ser pionero en el uso de la electricidad como fuente de energía para las grandes palas de desmonte y las dragalinas utilizadas en la minería. Una empresa italiana, Fiorentini , produjo excavadoras de dragalinas a partir de 1919 con licencia de Bucyrus. Después de la fusión con Monighan en 1946, Bucyrus comenzó a producir máquinas mucho más grandes utilizando el mecanismo de marcha de Monighan, como la 650-B de 800 toneladas que utilizaba un balde de 15 yardas. La dragalina más grande de Bucyrus fue Big Muskie, construida para la Ohio Coal Company en 1969. Esta máquina presentaba un balde de 220 yardas en una pluma de 450 pies y pesaba 14.500 toneladas. Bucyrus fue adquirido por el fabricante de equipos pesados y motores diésel, Caterpillar, en 2011. La dragalina más grande de Caterpillar es la 8750, con un cucharón de 169 yardas, una pluma de 435 pies y un peso de 8.350 toneladas.
El mercado de las dragalinas comenzó a contraerse rápidamente después del auge de los años 1960 y 1970, lo que dio lugar a más fusiones. La adquisición de Page por parte de P&H en 1988, junto con la adquisición de Ransomes & Rapier por parte de Bucyrus en 1988 y Marion en 1997, redujeron el número de proveedores mundiales de dragalinas pesadas a más de la mitad. Hoy, P&H y Caterpillar son los únicos fabricantes restantes de dragalinas de gran tamaño.
Heavy Engineering Corporation Limited fue la primera empresa india en fabricar una dragalina móvil con una capacidad de balde de 31 yardas. HEC fabrica un balde de hasta 44 yardas. A modo de comparación, esto sería comparable a las dragalinas pequeñas de la serie 8000 de Caterpillar con un balde de 42 yardas. HEC ha suministrado quince dragalinas a la industria minera india. [10]
En un ciclo típico de excavación, el balde se coloca sobre el material que se va a excavar. [11] Luego, se baja el balde y se tira de la cuerda de arrastre para que el balde se arrastre a lo largo de la superficie del material. Luego, se levanta el balde utilizando la cuerda de elevación . Luego, se realiza una operación de balanceo para mover el balde al lugar donde se va a verter el material. Luego, se suelta la cuerda de arrastre, lo que hace que el balde se incline y se vacíe. Esto se denomina operación de volcado.
En las dragalinas tipo grúa, el balde también se puede "lanzar" enrollándolo hasta el brazo y luego soltando un embrague del cable de arrastre. Esto haría que el balde oscilara como un péndulo . Una vez que el balde hubiera pasado la vertical, se soltaría el cable de elevación y el balde se lanzaría. En las dragalinas más pequeñas, un operador experto podría hacer que el balde cayera aproximadamente a la mitad de la longitud del brazo, más lejos que si simplemente se hubiera dejado caer. En las dragalinas más grandes, esta no es una práctica común.
Un sistema de dragalina de gran tamaño utilizado en la industria minera a cielo abierto cuesta aproximadamente entre 50 y 100 millones de dólares . Un balde típico tiene un volumen que varía entre 30 y 60 metros cúbicos (40 y 80 yardas cúbicas), aunque se han fabricado baldes extremadamente grandes que alcanzan hasta 168 metros cúbicos (220 yardas cúbicas). [12] La longitud de la pluma varía entre 45 y 100 metros (148 y 328 pies). En un solo ciclo, puede mover hasta 450 toneladas de material.
La mayoría de las dragalinas mineras no funcionan con diésel como la mayoría de los demás equipos mineros. Su consumo de energía, del orden de varios megavatios, es tan grande [ cuantificar ] que tienen una conexión directa a la red de alta tensión con tensiones de entre 6,6 y 22 kV. Una dragalina típica [ se necesita más explicación ] que pesa entre 4000 y 6000 toneladas, con un balde de 55 metros cúbicos, puede consumir hasta 6 megavatios durante las operaciones normales de excavación. Debido a esto, se han contado muchas historias (posiblemente apócrifas ) [ se necesita un ejemplo ] sobre los efectos de las dragalinas mineras que provocan apagones. Por ejemplo, hay una historia muy antigua [ ¿según quién? ] que dice que, en la década de 1970, si las siete dragalinas de la mina Peak Downs (una mina de carbón de BHP muy grande en el centro de Queensland , Australia) giraran simultáneamente, dejarían sin electricidad a todo el norte de Queensland . Sin embargo, incluso ahora, [¿ cuándo?] ] si se han apagado, siempre se reinician uno a la vez debido a los inmensos requisitos de energía del arranque. [ cita requerida ]
En todas las dragalinas, excepto las más pequeñas, el movimiento se logra "caminando" utilizando los pies o pontones , ya que las orugas ejercen demasiada presión sobre el suelo y tienen grandes dificultades bajo el inmenso peso de la dragalina. La velocidad máxima es de solo unos pocos metros por minuto como máximo, [13] ya que los pies deben reposicionarse para cada paso. [14] Si se recorren distancias medias (alrededor de 30 a 100 km), se puede traer un transportador de dragalina especial para transportar la dragalina. Por encima de esa distancia, generalmente se requiere el desmontaje. Pero las dragalinas mineras, debido a su alcance, pueden trabajar en un área grande desde una posición y no necesitan moverse constantemente a lo largo del frente como las máquinas más pequeñas.
Las principales limitaciones de las dragalinas son la altura y la longitud de su pluma, que limitan el lugar donde la dragalina puede descargar el material de desecho. Otra limitación principal es su profundidad de excavación, que está limitada por la longitud de la cuerda que puede utilizar la dragalina. Inherente a su construcción, una dragalina es más eficiente excavando material por debajo del nivel de su base. Si bien una dragalina puede excavar por encima de sí misma, lo hace de manera ineficiente y no es adecuada para cargar material apilado (como puede hacerlo una pala de cuerda o una cargadora de ruedas ).
A pesar de sus limitaciones y su costo de capital extremadamente alto, las dragalinas siguen siendo populares en muchas minas debido a su confiabilidad y su costo de eliminación de desechos extremadamente bajo.
La dragalina minera de carbón conocida como Big Muskie , propiedad de la Central Ohio Coal Company (una división de American Electric Power ), fue la máquina de movimiento de tierra móvil más grande del mundo, con un peso de 13.500 toneladas y una altura de casi 22 pisos. [15] Operó en el condado de Muskingum , en el estado estadounidense de Ohio, de 1969 a 1991, y obtenía energía de una fuente de alimentación eléctrica de 13.800 voltios. Fue desmantelada por 700.000 dólares en metal reciclado en 1999.
La firma británica Ransomes & Rapier fabricó unas cuantas excavadoras diésel-eléctricas de un tamaño que superaba la décima parte de su tamaño, las más grandes de Europa en la década de 1960, con 1400-1800 toneladas. Una de ellas, llamada SUNDEW , se utilizó en una cantera desde 1957 hasta 1974. Después de terminar su vida útil en el primer emplazamiento de Rutland , caminó 21 km en 9 semanas hasta Corby , donde continuó hasta que fue desguazada entre enero y junio de 1987.
Las dragalinas más pequeñas también se usaban comúnmente antes de que las excavadoras hidráulicas se volvieran de uso común; ahora, las dragalinas más pequeñas rara vez se usan, excepto en obras en ríos y graveras. Las máquinas pequeñas tenían un accionamiento mecánico con embragues. Empresas como Ruston y Bucyrus fabricaron modelos como el RB10, que eran populares para pequeñas obras de construcción y trabajos de drenaje. Varios de estos todavía se pueden ver en los pantanos ingleses de Cambridgeshire , Lincolnshire y partes de Norfolk . Ruston es una empresa también asociada con los motores de bombeo de drenaje. Los sistemas de accionamiento eléctrico solo se usaban en las máquinas mineras más grandes; la mayoría de las máquinas modernas usan un accionamiento diésel-hidráulico, ya que las máquinas rara vez están en un lugar el tiempo suficiente para justificar el costo de instalar una subestación y cables de suministro.
La tecnología mecánica básica de las dragalinas, a diferencia de la de la mayoría de los equipos utilizados en el movimiento de tierras, ha permanecido relativamente inalterada en cuanto a diseño y funciones de control durante casi 100 años. Sin embargo, se han logrado algunos avances (como los controles hidráulicos y luego electrohidráulicos (incluidos los joysticks ) y el uso de software de simulación para capacitar a los nuevos operadores), se están buscando avances (como los sistemas de automatización mejorados) o se pueden considerar un avance (como el "dump-excavador universal" o UDD)):
Los investigadores de CSIRO en Australia tienen un proyecto de investigación a largo plazo [16] para automatizar las dragalinas. Los equipos de automatización minera de QCAT, una división de CSIRO, han estado desarrollando la tecnología de automatización desde 1994. Los sistemas automatizados incluyen control de crucero y mapeo digital del terreno . Las soluciones de trabajo incluyen el control de crucero de giro de dragalina de prueba de concepto en un Tarong BE1370. [17]
Dado que las dragalinas suelen ser grandes, complicadas y muy caras, la formación de nuevos operadores puede ser un proceso complicado. De la misma manera que se han desarrollado simuladores de vuelo para entrenar a los pilotos, se ha desarrollado software de simulación minera para ayudar a los nuevos operadores a aprender a controlar las máquinas.
UDD significa universal dig-dump (excavación y descarga universal ). Representa el primer cambio fundamental en las dragalinas en casi un siglo, desde la invención del "enganche milagroso". En lugar de utilizar dos cuerdas (la de elevación y la de arrastre) para manipular el cucharón, una máquina UDD utiliza cuatro cuerdas, dos de elevación y dos de arrastre. Esto permite al operador de la dragalina tener una selectividad mucho mayor en cuanto a cuándo recoger el cucharón y cómo se puede descargar el cucharón. Las máquinas UDD generalmente tienen una mayor productividad que una dragalina estándar, pero a menudo tienen mayores problemas mecánicos. Dentro de la industria minera, todavía hay mucho debate sobre si las mejoras de UDD justifican sus costos.
