Análise das Escavadeiras Hidráulicas na Industria Mineira

1. INTRODUÇÃO

A mineração é um dos sectores básicos da economia do país, contribuindo de forma decisiva para

o bem-estar e a melhoria da qualidade de vida das presentes e futuras gerações, fundamental

para o desenvolvimento da sociedade, desde que seja operada com responsabilidade social,

estando sempre presentes os preceitos do desenvolvimento sustentável. A actividade mineira é

fundamental para o desenvolvimento da humanidade desde a pré-história.

A sobrevivência, a interacção com outros seres e diversas outras conquistas foram possíveis por

meio do uso de minérios.

Numa actividade mineira é imprescindível o uso máquinas de movimentação de terras. Sobre

estes equipamentos realçando as escavadeiras hidráulicas é que nos iremos debruçar ao longo da

brochura. Irei descrever as diferentes escavadeiras existentes, suas características e a

aplicabilidade dos diferentes tipos nas indústrias mineira.

ANÁLISE DAS ESCAVADEIRAS HIDRÁULICAS NA INDÚSTRIA MINEIRA1

1.1OBJECTIVO

Fazer com que o estudante utilize os conhecimentos obtidos ao longo do semestre na

cadeira de Metodologia de Investigação Cientifica.

Analisar as escavadeiras hidráulicas bem como a sua utilidade nas indústrias mineiras.


1.1 DEFINIÇÃO DE CONCEITOS1

MINERAÇÃO: é um termo que abrange os processos, actividades e indústrias cujo objectivo é a

extracção de substâncias minerais a partir de depósitos ou massas minerais. Podem incluir-se aqui

a exploração de petróleo e gás natural e até de água

ESCAVADEIRA: é a designação genérica aos vários tipos de máquinas de escavar, de revolver ou

remover terra ou de retirar aterro. É também conhecida como escavador, escavadora ou pá

mecânica. A maior do mundo, construída pela companhia alemã Krupp, tem 96 metros de altura e

pesa 13500 toneladas.

ESTÉRIL: é o mineral sem nenhuma utilidade ou valor agregado quando minerado e é proveniente

das operações de lavra.

MINÉRIO: (do latim minera, mina) é um mineral que é economicamente auto-sustentável para a sua

prospecção e exploração industrial

FRENTE DE TRABALHO: É o local de exploração imediata (ataque) do jazigo.

EXPLORAÇÃO A CÉU ABERTO: refere-se ao método de extracção de rochas ou minerais da terra

por sua remoção de um poço aberto ou de uma escavação em empréstimo. O termo é usado para

diferenciar esta forma de mineração dos métodos extractivos que requerem perfuração de túneis

na terra - mineração subterrânea.

1 Segundo Diversos. (14 de Junho 2012). Wikipédia, a enciclopédia livre. Obtido em 25 de Junho de 2012, de Wikipédia, a enciclopédia livre: pt.wikipedia.org/


1. MÁQUINAS DE MOVIMENTAÇÃO DE TERRA

As máquinas de movimentação de terras são todas aquelas responsáveis pela escavação,

carregamento e transporte das rochas ou solos.

Na indústria mineira usam-se variados tipos de máquinas para a movimentação de terra mas as

mais utilizadas são:

Escavadeiras;

Buldozers;

Scrappers;

Escarificadores (Ripers);

Motoniveladoras;

Dragas (Draglines);

Camiões.

Há muitos fabricantes destas marcas destacando-se a Caterpillar, Ford, Volvo BM, Atlas Copco,

Krupp, Komatsu, Hitachi, Kawasaki e Gallion.

Para maiores índices de produtividade, rendimento e segurança destas máquinas é necessário

uma formação prévia dos operadores.

O engenheiro de minas tem de adquirir as máquinas de mineração de uma maneira rentável. Ele

poderá obter em segunda mão, aluguer, novo, etc.2

De todas estas máquinas a que suscita interesse nesta investigação são as escavadeiras, e sobre,

elas nos debruçaremos a seguir.

2 Para mais informações consulte Giammusso (1988, pp. 20).


1.1ESCAVADEIRAS3

São máquinas de escavação bastante antigas que surgiram nos meados do seculo passado,

ainda movidas a vapor, nos Estados Unidos.

As escavadeiras são máquinas habitualmente utilizadas para efectuar mecanicamente as

operações de arranque e ou de carga, tanto dos terrenos estéreis como do minério. São

máquinas estacionárias, porque muito embora possuam órgãos próprios de locomoção

(órgãos estes que podem ser esteiras, pneus ou trilhos), estes praticamente não participam no

ciclo operatório.

São pois equipamentos destinados: ou ao arranque e carga de produtos provenientes de

maciços virgens constituídos por rochas brandas; ou à carga de produtos desmontados pela

prévia acção dos explosivos, no caso dos maciços formados por rochas duras. Podem ser

subdivididos em dois tipos fundamentais: de balde único e de balde múltiplo, conforme a

tabela a seguir:

De Balde único

Balde Frontal (“Shovel”)

Balde de Arrasto (“Dragline”)

Balde de Casca de Ostra (“Clam-Shell”)

Retro-Escavadeira (“BackShovel” ou “BackHoe”)

De Balde MúltiploCadeia de Baldes (“Chain Diggers”)

Roda de Baldes (“Bucket Whell”)

Tab. 1 – Escavadeiras

1.2ESCAVADEIRAS DE BALDE ÚNICO E FRONTAL (“SHOVEL”)

A escavadeira é colocada no piso aonde esta localizada a frente de trabalho e posiciona-se de

forma frontal. Ela escava a rocha de baixo para cima e avança em direcção a bancada a medida

que avançam os trabalhos.

3 Ver anexo Fig. 8 – Diferentes tipos de escavadeiras


1.2.1 MODO OPERATÓRIO DA ESCAVADEIRA “SHOVEL”

Estas máquinas são fundamentalmente projectadas para realizarem o desmonte mecânico em

terrenos incoerentes ou brandos, podendo no entanto, ser também utilizados em terrenos duros,

quando estes sejam previamente fragmentados por intermédio de explosivos, trabalhando então

como carregadeiras. Pelo facto de praticamente poderem executar trabalhos de desmonte e ou de

carga em todo os tipos de classes de terreno, elas são de uso comum em quase todos os métodos

de exploração a céu aberto, podendo realizar operações tanto no estéril como no minério, mas

sempre em frente situadas acima do nível do degrau em que se situam (ver anexos fig.9).

1.2.2 CONSTITUIÇÃO DAS MÁQUINAS “SHOVEL”

Nestas máquinas poderá distinguir-se uma infra-estrutura e uma superestrutura. A infra-estrutura

inclui uma base que se apoia sobre o sistema de locomoção e sobre o qual se apoia a

superestrutura móvel em torno de um eixo vertical. O mecanismo que permite a rotação de 360º

é constituído por uma roda de coroa e pinhão. A superestrutura está intimamente ligado à roda de

coroa de modo que o accionamento do pinhão provoca a rotação de toda a superestrutura. Nesta,

além da cabine de comando, encontra-se localizado o elemento motor e as transmissões

necessárias para accionar os diversos elementos móveis. Na figura abaixo podemos visualizar a os

elementos constituintes de uma escavadeira “Shovel” Hidráulica.

Fig. 1 – Identificação dos elementos de uma escavadeira Shovel Hidráulica


Fonte: (Reis 2010, pp. 394)

1.2.3 CARACTERÍSTICAS DAS ESCAVADEIRAS “SHOVEL”

• Inflexível na operação (máquina de escavação e carregamento);• Limitado a projetos de longa duração (vida útil 40.000 horas;)• Baixa mobilidade (não apropriada para lavra seletiva e blendagem);• Cuidados com a distribuição elétrica e manejo dos cabos de linha;• Motores elétricos e sofisticados sistemas de controle (alta eficiência operacional);• Habilidade de escavar (peso, tração e capacidade de deslocamento do guindaste);• Montagem sobre esteiras favorece operação em locais não apropriados para pneus;• Reduzida fadiga do operador.

1.2.4 VANTAGENS E DESVANTAGENS DAS ESCAVADEIRAS “SHOVEL”

VANTAGENS• Construção robusta adequada para escavações de material de dureza relativamente

alta e serviços de carregamento;• Segurança e eficiência;• Baixo custo operacional em projetos de longa duração

DESVANTAGENS• Baixa flexibilidade e mobilidade;• Alto investimento inicial.

1.2.5 ACCIONAMENTO DA MÁQUINA “SHOVEL”

O accionamento destas máquinas é feito por intermédio da energia eléctrica (corrente alternada,

contínua ou mista) produzida fora da máquina, por intermédio da energia mecânica (como

motores de combustão interna, geralmente do tipo diesel) ou como também de forma mista

(grupos geradores diesel/eléctricos).

A electricidade constitui a forma de energia mais aplicada, principalmente para as “shovel” de

grandes capacidades. Esta forma de energia produzida no exterior, em grandes instalações e no

geral fixas, de grande produção e distribuição vária, é normalmente de menor custo do que a

fornecida por unidades mais pequenas, como a dos grupos diesel/eléctricos auto-transportados.

O accionamento pelo simples sistema diesel, com comando óleo-hidráulico, está naturalmente

indicado e aplicado com vantagem nas unidades pequenas ou médias e sendo estas escavadeiras

geralmente o lugar das que usam os cabos e guinchos na movimentação do balde, particularmente

nas de pequena capacidade, mas mantendo-se aquele accionamento ainda, nas de média ou

grandes capacidades.


2. ANÁLISE DAS ESCAVADEIRAS HIDRÁULICAS NA INDÚSTRIA MINEIRA

2.1ESCAVADEIRAS HIDRÁULICAS

A introdução de escavadeiras de accionamento hidráulico data de pouco mais de uma década.

Esse facto aliado à existência das carregadeiras de esteiras e de pneus determinou a rápida

obsolescência das unidades accionadas a cabo, com excepção das escavadeiras “dragline”

As escavadeiras hidráulicas têm sido largamente utilizadas nas indústrias mineira, segundo Ricardo

e Catalani (2007, pp. 80) <<actualmente muitos fabricantes de equipamentos optaram pelo

accionamento hidrostático por adaptar-se à baixa velocidade de deslocamento da máquina>>.

O accionamento deste equipamento é feito em muitos modelos pelo sistema hidrostático. Os

movimentos da lança, do braço móvel, da caçamba, das esteiras e as mudanças de direcção bem

como as curvas são obtidos de um conjunto bomba e motor hidráulico, através de circuitos

secundários, comandados por válvulas selectoras. Esses movimentos são realizados com bastante

rapidez e precisão, o que facilita a operação e o bom acabamento quanto às dimensões da

escavação.

Para a movimentação da máquina há um circuito próprio que acciona os motores hidráulicos junto

às esteiras.

1.1.1 ESCAVADEIRAS HIDRÁULICAS “SHOVEL”

As escavadeiras hidráulicas do tipo “Shovel” (ver anexos: fig. 1) podem escavar em pequenas

profundidades. Como toda shovel a sua caçamba escava de baixo para cima, é articulada no braço

móvel e accionado por cilindro hidráulico próprio. O levantamento da lança e o movimento do

braço móvel são feitos por circuitos independentes.

1.1.2 ESCAVADEIRAS HIDRÁULICAS “BACKSHOVEL” OU “BACKHOE”

Estes tipos de escavadeiras (ver anexos: fig. 2) possuem caçambas voltadas para baixo, permitindo

assim a escavação abaixo do nível em que a máquina se encontra, sendo propícias para a abertura

de valas em profundidades ou em corte de altura elevada, do que resulta grande versatilidade

desses equipamentos.


1.1.3 ESCAVADEIRAS HIDRÁULICAS “CLAM-SHELL”

As escavadeiras hidráulicas do tipo Clam-Shell (ver anexos fig. 3) têm a caçamba, suspensa por

cabo vertical, é usada em valas escoradas através de poços de acesso onde o escoramento é

reduzido.

1.2 PARÂMETROS TÉCNICOS PARA MELHOR DESEMPENHO DAS ESCAVADEIRAS

HIDRÁULICAS

1.2.1 TEMPO DE CICLO

O ciclo de uma escavadeira compreende vários movimentos elementares que são:

Carregamento da caçamba

Giro da caçamba carregada

Descarga da caçamba

Giro da caçamba vazia

Assim, há tempos fixos como a carga e descarga da caçamba e também tempos variáveis como os

de giro que dependem directamente do angulo de giro utilizado. Este, por sua vez, dependerá do

posicionamento da unidade transportadora em relação a escavadora.

(Church 1981, pp. 230) afirma que em condições normais uma escavadeira tem um tempo de ciclo

que varia entre 27 – 30 segundos (28 segundos em média).


1.2.2 ALTURA OPTIMA DE CORTE

Outro elemento que afecta o desempenho dessas unidades é denominado altura óptima do corte.

Compreende-se que deverá haver uma relação entre o volume da caçamba e a altura do talude de

terra que será escavado. Se esta altura for pequena e a caçamba de grande capacidade, quando

terminar o movimento de carregamento a caçamba ficará apenas parcialmente carregada, e para

que, haja o enchimento total será necessário repetir a operação pelas vezes que for necessário,

introduzindo assim um tempo adicional e desnecessário.

Se utilizarmos também uma caçamba de dimensões muito reduzidas para um talude de elevada

altura, haverá perda de material escavado, que não será recolhido pela caçamba, surgido assim

uma nova operação de carregamento daquele material.

Esses dois casos em cima descritos podem ser evitados utilizando a altura óptima de corte que

relaciona a altura do talude e a capacidade óptima da caçamba, aumentando assim a

produtividade da máquina.

1.2.3 TIPO DE MATERIAL

O tipo de material também exerce influência no desempenho das escavadeiras, desde que não se

atinja o enchimento normal da caçamba, em razão de vazios que permanecem devido ao tamanho

e forma das partículas ou fragmentos resultantes da sua degradação.


2.2PRODUÇÃO DE UMA ESCAVADEIRA

De acordo com Ricardo e Catalani (2007, pp 182) a produção da escavadeira é dada pela seguinte

fórmula:

Q=C ×f ×φ× 1t c∙ E

Aonde:

C = Volume do balde;

f = Factor de carga do balde;

ϕ = Factor de empolamento do solo;

tc = Tempo de ciclo de uma carga (depende do ângulo de giro);

E = Factor de eficiência.

O parâmetro f (factor de carga do balde) esta intimamente ligado ao tipo de material e a sua

fragmentação como podemos visualizar na tabela 2.

Tab. 2 – Factor de carga dos baldes das escavadeiras hidráulicas.

Argila 1,00 – 1,05Mistura Argila e Rocha 1,00 – 1,05

Rocha pouco fragmentada 0,85 – 0,95

Rocha bem fragmentada 0,95 – 1,05Fonte: Ricardo & Catalani (2007, pp 187)

2.3CONDIÇÕES PARA A ESCAVAÇÃO4

ESCAVAÇÃO FÁCIL

Solo pouco compacto

Profundidade à 40% da máxima

Ângulo de giro de até 30°

Descarga em pilha ou caminhão

Ausência de obstruções

4 Ver Guidicini e Nieble (2007 pp. 90) para maior desenvolvimento do assunto.


ESCAVAÇÃO MÉDIA

Solo compacto de argila dura com rocha fragmentada < 25%



Poucas obstruções

ESCAVAÇÃO DIFÍCIL

Solo compacto com 75% de fragmentos de rocha



Carga em caminhão junto à vala

Vala escorada

Presença de pessoal na área de trabalho

ESCAVAÇÃO MUITO DIFÍCIL

Material de 2ª alterado: calcário, xistos, etc.



Presença de obstruções

Presença de pessoal na área de trabalho

Área de despejo limitada

FACTORES QUE INFLUEM NA PRODUTIVIDADE

Material compacto: aumenta o tempo de carga e descarga da caçamba

Ângulo de giro maior aumenta o tempo de ciclo

Habilidade do operador melhora a produtividade

Presença de obstáculo e de pessoal na área de trabalho pode ser factor limitante da

produção.


3. BREVE COMPARAÇÃO ENTRE ALGUNS MODELOS DE ESCAVADEIRAS

HIDRÁULICAS CATERPILLAR5

Fig. 2 – Diferentes pontos de uma escavadeira hidráulica

Fonte: (Caterpillar 2004)

Tab. 3 – Comparação entre alguns modelos de escavadeira hidráulicas caterpillar.

PontoModelo

933C 939C 953C 963C 973CA – Altura até o topo do assento 2 m 2 m 2,353 m 2,796 m 2,701 mB – Altura até o topo do chaminé 2,8 m 2,81 m 2,441 m 3,307 m 2,861 mC – Altura até o topo do ROPS 2,74 m 2,76 m 3,084 m 3,324 m 3,45 mD – Altura do pino de articulação em posição de transporte 402 mm 414 mm 424 mm 467 mm 492 mmE – Máx. Incl. p/ trás à elev. máx 67,7° 67,7° 56° 59° 59°F – Máx. Incl. p/ trás ao nível do solo 51,2° 51,2° 48° 50° 50°G – Máx. Incl. p/ trás ao nível do solo 42,8° 42,6° 41° 42° 42°Ângulo de nivelação (borda simples) - - 74° 68° 69°Largura sem balde(esteira padrão)(esteira opcional)

1,8 m2,31 m

1,96 m2,01 m

2,18 m2,3 m

2,3 m2,4 m

2,58 m2,755 m

Peso do balde de aplicação geral com dentes e segmentos - - 1142 kg 1610 kg 2077 kgFonte: (Caterpillar 2004)

5 Para mais detalhes consulte Caterpillar. Manual de produção. 35. EUA, 2004


4. CONCLUSÃO

Nos últimos anos surgiram escavadeiras com accionamento por pistões hidráulicos que, devido à

rapidez e precisão dos seus movimentos, resultando em máquinas de boa produção, têm

ampliado o seu campo de aplicação, praticamente eliminando os equipamentos movidos a cabo,

com excepção da lança “Dragline”.

Existem hoje escavadeiras hidráulicas com balde frontal (“shovel”), Retro-Escavadeira

(“BackShovel”) e do tipo “Clam-Shell” utilizadas na escavação desde materiais compactos até solos

muito moles e saturados, que apresentam baixa capacidade de suporte.

Quando for necessário transportar os solos removidos a distâncias médias ou grandes, os veículos

de transporte são utilizados juntamente com os equipamentos de carga e os solos locais devem

possuir capacidade de suporte suficiente para permitir o tráfego de caminhões.

Assim, algumas hipóteses devem ser admitidas para o uso desses equipamentos. Quando os solos

presentes são moles e saturados no fundo da cava, a retro-Escavadeira se posiciona sobre o

terreno natural mais firme e remove o material instável em nível inferior. Os veículos de

transporte trafegam também na parte superior, que é de maior suporte. Quando o solo suporta a

escavadeira mas não o caminhão, coloca-se a escavadeira “shovel” na parte inferior e os veículos

na superior.


ANEXOS

Fig. 1 – Escavadeira Hidráulica “Shovel” Fig. 2 – Escavadeira Hidráulica “BackShovel” ou “BackHoe”

Fig. 4 – Escavadeira por cabos “shovel”

Fig. 3 – Escavadeira Hidráulica “Clam – Shell” Fig. 5 – Escavadeira “Dragline”

Fig. 6 – Escavadeira por cabo “BackShovel” Fig. 7 – Escavadeira por cabo “Clam – Shell”

Fig. 8 – Diferentes tipos de escavadeiras



Fig. 9 – Escavadeira hidráulica actuando em diferentes níveis


BIBLIOGRAFIA


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Reis, A. Correia dos. Organização e Gestão de Obras. Lisboa: Edições Técnicas, 2010.

Ricardo, Helio de Souza, e Guilherme Catalani. Manual Prático de Escavação. 3º. São Paulo: PINI, 2007.

Rio, Manuel Dias del. Manual de Maquinaria de Construción. Madrid: Mc Graw Hill, 2007.


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Análise das Escavadeiras Hidráulicas na Industria Mineira