DIMENSIONAMIENTO ÓPTIMO DE FLOTAS DE EQUIPOS PARA PROYECTOS DE MOVIMIENTO DE TIERRAS

Santiago Gómez Echeandía1

SINOPSIS: Dentro de los proyectos de Movimiento de Tierras, se obtiene una alta incidencia de los equipos respecto al costo, representando alrededor del 70% del total, por ello la optimización de la maquinaria disponible representa montos considerables de ahorro y mejores resultados para el proyecto. La presente investigación se orienta al análisis de las condiciones reales de operación de las flotas de carguío y acarreo, y la posterior aplicación de la teoría del Factor de Acoplamiento en pos de disminuir tiempos improductivos y las paras dentro del flujo de producción. PALABRAS CLAVE: Movimiento de Tierras, Factor de Acoplamiento, Carguío, Excavación, Dimensionamiento de Flotas. INTRODUCCIÓN Hoy en día nuestro país atraviesa por una gran etapa en materia económica, y el sector de la construcción no es ajeno a esta realidad, siendo uno de los que más contribuye en la consecución de este gran logro. La ejecución de diversos tipos de obras como edificaciones, carreteras, centrales hidroeléctricas, plantas concentradoras, entre otras, hacen que el desarrollo en ingeniería y construcción venga efectuándose de manera acelerada; sin embargo para hacer sostenible este crecimiento, es necesario propiciar la mejora continua de los procesos y técnicas llevadas a cabo para la ejecución de un proyecto. El trabajo de investigación planteado busca optimizar las actividades de carguío y acarreo en proyectos de Movimiento de Tierras, enfocándose en la búsqueda, a través del análisis, de la flota ideal de equipos de acuerdo a las exigencias y condiciones existentes (productividad, accesibilidad, disposición de equipos, etc.). Para ello se considera necesaria la evaluación de la mayor cantidad de factores que de alguna manera influyan en el desempeño del pull de equipos, y asimismo busca la obtención de cantidades ideales de producción diaria. Como valor agregado, la investigación pretende servir de inspiración para futuros trabajos enfocados en la optimización de los procesos, independientemente de la rama o especialidad de la ingeniería hacia la cual se encuentren orientados; propiciando el estudio y análisis de las condiciones particulares de cada proyecto y/o actividad, en busca de mejores resultados en materia de calidad y eficiencia. 1 Bach. Ingeniería Civil – Universidad Nacional de Piura. E-mail: sgomez@gym.com.pe

OBJETIVOS - Demostrar que la eficiencia de un pull de equipos

de Movimiento de Tierras depende directamente de factores como la calidad de vía sobre la cual transitan y los límites de velocidad permitidos.

- Mejorar la productividad y eficiencia de los equipos utilizados en proyectos de Movimiento de Tierras, a través de la elección de una flota ideal que disminuya al máximo la existencia de tiempos muertos durante los ciclos de trabajo.

DESARROLLO Metodología de la Investigación La presente investigación es del tipo experimental, ya que se basa en el levantamiento de información de campo respecto a los tiempos de ciclo de las flotas de Movimiento de Tierras, para luego procesar dichos datos y utilizarlos en el cálculo de una flota óptima de equipos. Dichos cálculos fueron aplicados al proyecto “MT – Antapaccay” y posteriormente se consolidaron los resultados obtenidos y evaluó su impacto. Levantamiento de Información Se tomaron datos reales del Proyecto MT Antapaccay; para ello se desarrollaron formatos de toma de data, tanto para los equipos de carguío (excavadoras y cargadores frontales) como también para los de acarreo (camiones volquetes), y se efectuaron múltiples mediciones a fin de recolectar la mayor cantidad de información posible. Dichas mediciones consistían -para el caso de los equipos de carguío- en la recopilación de los tiempos necesarios para la carga y descarga de los camiones volquete que pertenezcan a su flota, así como también una estimación de los porcentajes de tiempo

destinados a las actividades de excavación y carguío -dato importante para un correcto dimensionamiento de la flota-. En el caso de los equipos de acarreo, las mediciones son referidas al tiempo de ciclo, tanto del camión cargado como descargado. Procesamiento de la Información Una vez recopilados los datos de campo, se procedió a la consolidación y análisis de los mismos, para luego buscar relaciones y tendencias que permitan determinar acciones para mejorar el flujo de equipos en campo, reduciendo las colas y los tiempos muertos. Posteriormente, con ayuda de estudios previos respecto a la interacción entre equipos de carguío y acarreo, se llega al cálculo del “Factor de Acoplamiento”, que permite un diseño de la flota mucho más eficiente. Finalmente, se procedió al dimensionamiento de las flotas en cada uno de los frentes de trabajo, siempre buscando un factor de acoplamiento ideal y la combinación de maquinarias que resulte más conveniente tanto económica como productivamente, permitiendo la comparación entre diversas posibilidades. Todo ello se efectuó a través de una herramienta en Excel, alimentada de los resultados obtenidos de campo, datos respecto a la productividad de los equipos y las tarifas de horas máquina de los mismos; herramienta con la cual los ingenieros de producción podían efectuar la mejor elección de la flota desde todo punto de vista. Estudio experimental del Factor de Acoplamiento La adecuada coordinación entre equipos de carga y transporte de material representa una consideración muy importante en este tipo de proyectos, siendo el número de elementos y las dimensiones de los equipos los factores esenciales a determinar dentro del proceso de optimización. Posteriormente se expondrá la teoría del Factor de Acoplamiento que busca reducir los tiempos muertos durante la ejecución. Teoría del Factor de Acoplamiento (FA) Un proyecto de Movimiento de Tierras implica la ejecución de una serie de actividades repetitivas (como excavación, carguío y transporte), las cuales son realizadas con distintos tipos de equipos. Para llegar al grado deseado de eficiencia, es indispensable una muy buena coordinación entre los

equipos, sobre todo para las actividades de carga y transporte de material. Para conseguir lo anteriormente mencionado, es necesario atender los siguientes factores: - La adecuada combinación entre las dimensiones

de los equipos tanto de carga como de acarreo, de tal forma que no se originen paras en el ciclo ni aumentos excesivos en los tiempos del mismo.

- Elección de la cantidad de equipos de transporte y carga necesarios. Esto debe efectuarse una vez conocidos los modelos de los mismos, el tipo o tipos de material a transportar, y las distancias y vías por las que se efectuará el acarreo.

Con el cálculo del FA se busca determinar la cantidad óptima de unidades de transporte asociadas a un equipo de carguío determinado. En líneas generales, podemos definir el Factor de Acoplamiento de la siguiente manera:

퐹퐴 =푃푟표푑푢푐푐푖ó푛푑푒푙푒푞푢푖푝표푑푒푐푎푟푔푢í표

푃푟표푑푢푐푐푖ó푛푑푒푙푒푞푢푖푝표푑푒푡푟푎푠푛푝표푟푡푒 Debido a que en proyectos de Movimiento de Tierras los equipos de carguío son prácticamente fijos para determinado frente de trabajo, se puede calcular (a través del FA) la cantidad de equipos de acarreo que deben trabajar con la máquina de carga establecida; esta cantidad de equipos será la necesaria para poder absorber la producción del equipo de carguío en el frente de trabajo. El resultado ideal de un FA está representado por la unidad, pero como es lógico, difícilmente se obtendrá dicho valor en la práctica, por lo que la solución ideal contempla aquellos factores de acoplamiento que se encuentren próximos a dicho número, tanto superiores o inferiores a él. Cuando se elige un FA superior a la unidad, se opta por una flota que pueda proporcionarnos una mayor producción diaria por la existencia de mayor cantidad de equipos de acarreo que la mínima necesaria, en este caso pueden presentarse ligeras paras durante el ciclo de los volquetes, mientras que la excavadora se mantendrá operado en todo momento. Análogamente, de escogerse un factor de acoplamiento menor a la unidad, se estaría optando por la solución más rentable, sin embargo las cantidades de producción diaria se verían disminuidas en una pequeña proporción, esto debido a la existencia de una cantidad de volquetes por debajo de los necesario, en tal caso, las paras se presentarán esporádicamente durante la operación de la excavadora, y será debido a la espera de las unidades de acarreo para su carga, mientras que dichas unidades se mantendrán en

actividad (tránsito, carga y descarga) durante toda la jornada. Otra forma de cálculo del FA es la siguiente:

퐹퐴 =푇푖푒푚푝표푑푒퐶푖푐푙표푑푒푇푟푎푛푠푝표푟푡푒 × 푁°푑푒퐸푞푢푖푝표푠푑푒퐶푎푟푔푢í표푇푖푒푚푝표푑푒푙퐶푖푐푙표푑푒퐶푎푟푔푢í표 × 푁°푑푒퐸푞푢푖푝표푠푑푒푇푟푎푛푠푝표푟푡푒

퐹퐴 =

푇.푛푁.푦. 푡

Donde: N: Número de equipos de transporte n: Número de equipos de carguío T: Tiempo de ciclo de cada unidad de

trasporte t: Tiempo de ciclo de cada unidad de carguío y: Número de paladas requeridas para llenar

la tolva de un equipo de transporte La presente investigación hace hincapié en el cálculo adecuado del Tiempo de Ciclo de Transporte (T), ya que factores como la calidad de vía por la que transitan los equipos de acarreo lo afectan directamente. Continuando con la teoría del FA, el siguiente gráfico muestra la cantidad óptima de equipos de acarreo que garantizan la producción estimada del equipo de carguío asociado. Como es de esperarse, la producción real se encuentra debajo de la teórica, haciéndose necesaria la inclusión de más equipos de transporte.

Figura 01 – Curvas de Producción Teórica y Real

Objetivos de la Flota de Acarreo La elección de una adecuada y bien dimensionada flota de acarreo permite minimizar costos por unidad de carga y asimismo maximizar la producción diaria del proyecto, sin embargo está demostrado que ambos objetivos no son coincidentes, como se puede observar en la Figura 02. Por otro lado, también se conoce que la eficiencia de la flota está en función al factor de acoplamiento alcanzado por la misma (Figura 03).

Figura 02 – Mayor Producción y Menos Costo (No

coincidentes)

Figura 03 – Eficiencia vs. Factor de Acoplamiento

Influencia de la Calidad de Vía en la duración real del ciclo de transporte El estado de conservación en el que se encuentren las vías por las que circulan los equipos de transporte durante el acarreo de material, ya sea de un punto de carguío a un botadero o de una cantera a una zona de relleno, influye directamente en la duración del ciclo real. Para determinar la magnitud de dicha influencia se evalúa los tiempos ideales en función a la máxima velocidad alcanzada por el vehículo, que en teoría es la que podrá mantener constante durante todo su recorrido, y se contrasta contra los excesos sobre el ciclo ideal; el resultado de dicho análisis será el porcentaje de tiempo en que se incrementa el ciclo debido a una vía en las condiciones reales. A continuación se muestra todo el análisis efectuado para la evaluación de la incidencia de la calidad de vía en el tiempo de ciclo de transporte:

푇 =푑푣

Donde: TI: Tiempo ideal de ciclo d: Distancia de punto de carguío a botadero v: Velocidad de tránsito en el recorrido Luego:

푄 =푇푇

Donde: TSP: Tiempo de ciclo ida y vuelta sin paradas Q: Factor de Calidad de vía Luego de recoger múltiples muestras de información de campo, se pueden obtener valores para “Q” de acuerdo al tramo a transitar, y a partir de ello calcular los tiempos totales de ciclo, de la siguiente manera:

푇 =푇푄 + 푇 + 푇

Donde: TT: Tiempo total del ciclo TC: Tiempo de carga del equipo de transporte TD: Tiempo de descarga del equipo de

transporte Toma y Procesamiento de Datos Para llevar a cabo el diseño y desarrollo de un mecanismo de optimización de las flotas de movimiento de tierras, se recabó información correspondiente a los tiempos de ciclo de carguío y transporte. En el caso de los equipos de carguío, la toma de información consistía en obtener los siguientes tiempos: - Tiempo de carga de cucharón: lapso de tiempo

utilizado por el equipo de carguío para llenar su cucharón con el material excavado.

- Tiempo de giro con carga: intervalo de tiempo necesario para que el equipo mueva el cucharón cargado hasta el punto de entrega al equipo de transporte.

- Tiempo de descarga del cucharón: tiempo necesario para que el cucharón del equipo se descargue al 100% sobre el equipo de acarreo correspondiente.

- Tiempo de giro sin carga: tiempo del giro del cucharón desde el punto de entrega hasta el punto de acopio, para luego dar inicio nuevamente a la carga.

- Tiempo del ciclo sin demoras: Representado por la suma de los tiempos de carga de cucharón, tiempo de giro con carga, tiempo de descarga del cucharón, y tiempo de giro sin carga.

- Tiempo de acopio: Tiempo invertido por el equipo para acumular adecuadamente el material antes de su disposición en las unidades de acarreo correspondientes.

- Tiempo de espera: Tiempo en el que la unidad de carguío se encuentra en stand by debido a la falta de equipos de acarreo.

- Tiempo total del ciclo: Suma de los tiempos del ciclo sin demoras, tiempo de acopio y tiempo de espera.

Para los equipos de carguío, la información necesaria consistió básicamente en: - Tiempo de ciclo: tiempo invertido para el acarreo

del material hasta su disposición final y el retorno al punto de acopio.

- Tiempo de espera: periodo de tiempo en el que el equipo de acarreo se encuentra parado por diversas circunstancias, esperando su turno para ser alimentado por el equipo de carguío correspondiente.

- Tiempo de carga: tiempo necesario para que el equipo de carguío pueda abastecer (a un nivel adecuado de capacidad) al equipo de transporte.

- Tiempo de demora: tiempo consumido por el equipo luego de la carga para poder salir del frente hacia el punto de entrega o botadero.

De los datos recopilados se obtuvieron los siguientes tiempos promedio:

Tabla 01 – Tiempos de carga por equipos

Equipo Tiempo de Carga (min)

Excavadora Caterpillar 330D 2.45

Excavadora Caterpillar 336 D 2.43

Excavadora Caterpillar 336 DL BR 2.35

Excavadora Caterpillar 330DL 2.38

Cargador Frontal Caterpillar 950H BR 2.87

Cargador Frontal Caterpillar 950H 2.87

Cargador Frontal Caterpillar 962H BR 2.39

Cargador Frontal Caterpillar 962H 2.39

Cargador Frontal Caterpillar 966H 1.91

Cargador Frontal Volvo 120H 2.87

Asimismo se obtuvo una distribución de las actividades de excavación y carguío (realizadas por la excavadora) bajo los siguientes porcentajes:

Figura 04 – Distribución de excavación y carguío

Finalmente, con la evaluación de los tiempos de ciclo de los equipos de acarreo se obtuvieron los siguientes valores promedio de calidad de vía para los diferentes tramos (los cuales se redondearon a un múltiplo de 10).

Tabla 02 – Factor de calidad de vía por ruta

Ruta Factor de Calidad de Vía

De Sub-estación a Botadero Top Soil 70%

De Stock Pile a Botadero Vizcarra 80%

De Pebbles a Botadero Vizcarra 70% De Zaranda(4+700) a Pebbles 70% De Zaranda(4+700) a Plataforma de Emergencia (Pebbles) 70%

De Faja (4+500) a Botadero Vizcarra 80%

Desarrollo de Herramienta de Dimensionamiento de Flotas Una vez obtenidos tiempos y factores promedio de calidad de vía por tramo, se desarrolló una herramienta en Excel para que los ingenieros de producción efectúen el dimensionamiento de la flota y puedan realizar su mejor elección.

Figura 05 – Herramienta de Dimensionamiento de Flotas

Como punto de partida, la herramienta guarda un registro de los tiempos promedio de carga (obtenidos de la toma de datos), las tarifas promedio de los equipos, los tramos existentes dentro del proyecto y sus respectivas distancias.

Tabla 03 – Distancias por Ruta

Para su utilización, se ingresa el origen y destino de la flota de acarreo, y con ayuda de la base de datos cargada, se obtienen las distancias respectivas. Luego se ingresan las velocidades de operación correspondientes:

Figura 06 – Elección de ruta e ingreso de velocidad

Como siguiente paso se ingresa el tipo de material a transportar, el ángulo de carga del volquete, la producción estimada durante la jornada de trabajo y la cantidad de horas efectivas. Como se mencionó anteriormente, los porcentajes de distribución de las actividades de excavación y carguío, y el factor de calidad de vía, se obtienen de la información procesada.

Figura 07 – Información adicional de entrada

Con estos datos de entrada se obtiene una evaluación inicial de la flota adecuada para dicha labor. En primer lugar se aprecia un número estimado de volquetes, obtenido a partir del tiempo total del ciclo de acarreo y el tiempo de carga del volquete:

30%

70%

Distribución de actividades de Excavación y Carguío

Excavación Carguío

Tramo Distancia(Km)

Sub-estación - Botadero Top Soil 1.11 Stock Pile - Botadero Vizcarra 1.16 Pebbles - Botadero Vizcarra 1.28 Zaranda(4+700) - Pebbles 1.99 Zaranda(4+700) - Plataforma de Emergencia (Pebbles) 2.90 Faja (4+500) - Botadero Vizcarra 2.98

m3

Top Soil Tipo de Carga: 90°

Producción Diaria: 1200.00

Calidad de la Vía: 70%

7

Tipo de Material:

% de Actividades: 30% Excavación - 70% Carguío

Jornada (Hrs.):

Figura 08 – Cantidad de volquetes en base a producción

de equipo de carguío En segundo lugar se obtiene una segunda aproximación (correspondiente a la cantidad óptima de volquetes), en este caso el resultado se obtiene a partir de las metas de producción establecidas para el punto de carguío en evaluación. Además es aquí donde se puede apreciar el FA obtenido, tomando en cuenta que el primer cálculo corresponde a la producción del equipo de carguío y el segundo a la producción de la flota de acarreo.

Figura 09 – Cantidad de volquetes en base a producción

de flota de acarreo y FA obtenido Para llegar a valores adecuados del FA (alrededor del 100%), debe efectuarse un reajuste de las metas de producción diarias, de esta manera el pull de equipos alcanzará una mayor eficiencia.

Figura 10 – Ajuste de meta de producción y obtención de

un nuevo FA

Finalmente, la herramienta permite comparar dos flotas distintas bajo una misma meta de producción diaria, en este caso los parámetros de tiempo y costo resultan decisivos para la elección correcta.

Figura 11 – Elección de flota más conveniente en base a

parámetros de tiempo y costo RESULTADOS Los valores de eficiencia incrementaron dentro del proyecto, hecho que se sostuvo hasta el cierre del mismo. Antes de su aplicación se registró una eficiencia acumulada de 120% , que al término de la obra se transformó en 136%.

Flota Requerida

Excavación y Carguío7 Camiones1200.00 m36 Camiones

Equipo de Carguío Exc. Caterpillar 336 DActividadFlota MáximaVolumen Programado

Tiempo de Culminación

Factor de Acoplamiento

Ruta

DistanciaVelocidad PromedioCalidad de la VíaTipo de MaterialCosto Óptimo de CarguíoCosto Óptimo de AcarreoRatio Carguío Óptimo (S/./m3)Tiempo de CulminaciónRatio Acarreo Óptimo (S/./m3)

6.03 Hrs.

86%Zaranda(4+700) - Plataforma de

Emergencia (Pebbles)2.90 Km

25.0 Km/Hr70%

Top Soil4,390.26S/. 4,567.23S/.

3.665.17 Hrs.

3.81

OPCIÓN 1

Equipo de Carguío Exc. Caterpillar 330DActividad Excavación y CarguíoFlota Máxima 7 CamionesVolumen Programado 1200.00 m3Flota Requerida 6 CamionesFactor de Acoplamiento 86%

Costo Óptimo de Carguío 4,396.13S/.

Ruta Zaranda(4+700) - Plataforma de Emergencia (Pebbles)

Distancia 2.90 KmVelocidad Promedio 25.0 Km/Hr

Ratio Acarreo Óptimo (S/./m3) 3.81Tiempo de Culminación 6.04 Hrs.

OPCIÓN 2

Costo Óptimo de Acarreo 4,573.33S/. Ratio Carguío Óptimo (S/./m3) 3.66Tiempo de Culminación 5.18 Hrs.

Calidad de la Vía 70%Tipo de Material Top Soil

Figura 12 – Evolución de Eficiencia Acumulada

Haciendo un pequeño análisis de éstos porcentajes, tenemos que de haberse mantenido el porcentaje de eficiencia en 120%, el monto total de ganancia por productividad en equipos habría alcanzado alrededor de los 6.7 millones de soles; sin embargo, este aumento de la eficiencia permitió que el monto final de ahorro por productividad en equipos llegue a los 10.5 millones de soles, lo que representa un incremento de dicha ganancia en más de un 50% (3.8 millones de soles). CONCLUSIONES - Una correcta evaluación de las condiciones

reales en las que operan las flotas de equipos dentro del proyecto, permite la toma de acciones adecuadas para la optimización de los procesos inmersos.

- Con la elección de una flota apropiada para las condiciones dadas -en un proyecto de Movimiento de Tierras-, los valores de productividad y eficiencia mejoran considerablemente, esto se ve reflejado en una mejor utilización de la maquinaria y en la disminución de tiempos improductivos.

- Los montos de ahorro en equipos producto de la mejora continua, pueden representar un buen porcentaje del margen final, por lo que su evaluación resulta conveniente e incluso necesaria.

REFERENCIAS - Revista del Instituto de Investigaciones

FIGMMG. Ortiz, Oswaldo - Canchari, Godelia - Iglesias, Silvia – Gonzales, Mario. 2007

- Revista de Obras Públicas. Ballester, Francisco – Peral, Angel. 1988

- Manual de Rendimiento Caterpillar. 2010

-

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

0%

20%

40%

60%

80%

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160%

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S/. G

anad

os -

Acum

ulad

os(M

M)

Efic

ienc

ia

Eficiencia Acumulada

HH Gan/Per a la fecha (MM) Eficiencia Acum Lineal (Eficiencia Acum)