dimensionamiento óptimo de flotas de equipos

dimensionamiento óptimo de flotas de equipos

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
Dimensionamiento de Flotas.
de
Tierras,
Factor
de
Acoplamiento,
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
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: [email protected]
Carguío,
Excavación,
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.
equipos, sobre todo para las actividades de carga y
transporte de material.
Para conseguir lo anteriormente mencionado, es
necesario atender los siguientes factores:
-
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
-
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:
=
ó ó í
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:
=
× °
í × ° =
í
.
. .
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
Figura 02 – Mayor Producción y Menos Costo (No
coincidentes)
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 03 – Eficiencia vs. Factor de Acoplamiento
Influencia de la Calidad de Vía en la duración
real del ciclo 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).
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:
=
Donde:
TI: Tiempo ideal de ciclo
d: Distancia de punto de carguío a botadero
v: Velocidad de tránsito en el recorrido
Luego:
=
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:
=
+
+
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
Tiempo de Carga
Equipo
(min)
Excavadora Caterpillar
2.45
330D
Excavadora Caterpillar 336
2.43
D
Excavadora Caterpillar 336
2.35
DL BR
Excavadora Caterpillar
2.38
330DL
Cargador Frontal
2.87
Caterpillar 950H BR
Cargador Frontal
2.87
Caterpillar 950H
Cargador Frontal
2.39
Caterpillar 962H BR
Cargador Frontal
2.39
Caterpillar 962H
Cargador Frontal
1.91
Caterpillar 966H
Cargador Frontal Volvo
2.87
120H
Asimismo se obtuvo una distribución de las
actividades de excavación y carguío (realizadas por
la excavadora) bajo los siguientes porcentajes:
Distribución de actividades de
Excavación y Carguío
30%
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.
70%
Tabla 03 – Distancias por Ruta
Distancia
(Km)
Tramo
Excavación
Carguío
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
Factor de
Ruta
Calidad de Vía
De Sub-estación a Botadero Top
70%
Soil
De Stock Pile a Botadero
80%
Vizcarra
De Pebbles a Botadero Vizcarra
70%
De Zaranda(4+700) a Pebbles
70%
De Zaranda(4+700) a Plataforma
70%
de Emergencia (Pebbles)
De Faja (4+500) a Botadero
80%
Vizcarra
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.
Sub-estación - Botadero Top Soil
Stock Pile - Botadero Vizcarra
Pebbles - Botadero Vizcarra
Zaranda(4+700) - Pebbles
Zaranda(4+700) - Plataforma de
Emergencia (Pebbles)
Faja (4+500) - Botadero Vizcarra
1.11
1.16
1.28
1.99
2.90
2.98
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.
Tipo de Material:
Top Soil
Tipo de Carga:
90°
% de Actividades:
30% Excavación - 70% Carguío
Calidad de la Vía:
70%
Jornada (Hrs.):
7
Producción Diaria:
1200.00
m3
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:
Figura 05 – Herramienta de Dimensionamiento de Flotas
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.
OPCIÓN 1
Equipo de Carguío
Figura 08 – Cantidad de volquetes en base a producción
de equipo de carguío
Exc. Caterpillar 336 D
Actividad
Flota Máxima
Volumen Programado
Flota Requerida
Factor de Acoplamiento
Ruta
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.
Distancia
Velocidad Promedio
Calidad de la Vía
Tipo de Material
Costo Óptimo de Carguío
Costo Óptimo de Acarreo
Ratio Carguío Óptimo (S/./m3)
Tiempo de Culminación
Ratio Acarreo Óptimo (S/./m3)
Tiempo de Culminación
Excavación y Carguío
7 Camiones
1200.00 m3
6 Camiones
86%
Zaranda(4+700) - Plataforma de
Emergencia (Pebbles)
2.90 Km
25.0 Km/Hr
70%
Top Soil
S/.
4,390.26
S/.
4,567.23
3.66
5.17 Hrs.
3.81
6.03 Hrs.
OPCIÓN 2
Equipo de Carguío
Actividad
Flota Máxima
Volumen Programado
Flota Requerida
Factor de Acoplamiento
Ruta
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.
Distancia
Velocidad Promedio
Calidad de la Vía
Tipo de Material
Costo Óptimo de Carguío
Costo Óptimo de Acarreo
Ratio Carguío Óptimo (S/./m3)
Tiempo de Culminación
Ratio Acarreo Óptimo (S/./m3)
Tiempo de Culminación
Exc. Caterpillar 330D
Excavación y Carguío
7 Camiones
1200.00 m3
6 Camiones
86%
Zaranda(4+700) - Plataforma de
Emergencia (Pebbles)
2.90 Km
25.0 Km/Hr
70%
Top Soil
S/.
4,396.13
S/.
4,573.33
3.66
5.18 Hrs.
3.81
6.04 Hrs.
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%.
Figura 10 – Ajuste de meta de producción y obtención de
un nuevo FA
12.00
140%
10.00
Eficiencia
120%
8.00
100%
80%
6.00
60%
4.00
40%
2.00
20%
0%
-
S/. Ganados - Acumulados(MM)
Eficiencia Acumulada
160%
Sem Sem Sem Sem Sem Sem Sem Sem Sem Sem Sem Sem Sem Sem Sem Sem Sem Sem
44 46 48 50 52 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26
HH Gan/Per a la fecha (MM)
Eficiencia Acum
Lineal (Eficiencia Acum)
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