Relación de las densidades
vehiculares y densidades de carga
En este capítulo se explora la influencia de las densidades de la carga
movida en el peso vehicular, y la incidencia del sobrepeso en los cuatro tipos
de fuerzas de los vehículos de carga en movimiento.
Las altas densidades de carga en el autotransporte federal dificultan la
realización de movimientos de adaptación para mantener el balance del vehículo
en marcha y también se reducen las posibilidades de termorregulación a altas
temperaturas ambientales, lo que conlleva a la presencia de mermas en las
mercancías, traducido en altos costos de transporte.
La densidad de carga (t/m3) se calcula, con base al peso total
de la mercancía y la superficie que ocupa en un metro cubico, y la densidad
vehicular se calcula de acuerdo al peso total de la mercancía y la superficie
total disponible en las configuraciones vehiculares; para el caso particular
del presente documento, se analizan las configuraciones vehiculares; tracto
camión de tres ejes con semirremolque de tres ejes (T3-S3) y tracto camión de
tres ejes, semirremolque de dos ejes y remolque de cuatro ejes (T3-S2-R4); los
datos estadísticos reflejan un sobrepeso repetitivo en estas configuraciones
vehiculares por más de 17 años, esto puede deberse a razones económicas, es
decir, los vehículos más grandes casi siempre se utilizan con la carga
completa, utilizando la mayor parte de la superficie total vehicular
disponible, dejando de lado el peso reglamentado y el exceso en consumo de
combustible; debe entenderse que el sobrepeso, no siempre se refleja en menores
costos de transporte, ya que, al vehículo se le ocasionan averías y por ende,
continuos programas de mantenimiento preventivo y muchos más gastos en
mantenimientos correctivos; por otro lado, el sobrepeso disminuye la potencia
del motor, de igual forma, disminuye el rendimiento total en combustibles, ya
que, las configuraciones vehiculares en estudio (T3-S3 y T3-S2-R4) son
utilizados en su mayoría para el transporte de cargas que implican el recorrido
de grandes distancias.
La densidad de la carga está directamente relacionada con el exceso de
peso en las configuraciones vehiculares descritas anteriormente.
Para mostrar claramente las características volumétricas de las
configuraciones vehiculares en estudio y sus respectivos pesos, se ilustra la
tabla 4.1; y la tabla 4.2 es un listado de las densidades de diferentes tipos
de cargas sólidas y liquidas.
Configuración
|
Volumen
(m3)
|
Peso
del vehículo vacío (t)
|
Carga
útil (t)
|
Vehículo
cargado sin exceso (t)
|
Peso
Bruto Vehicular (PBV) máximo reglamentado (t)
|
Densidad
Vehicular promedio (t/m3)
|
T3-S3
|
66.20
|
19.40
|
35.10
|
54.50
|
48.50
|
0.530
|
T3-S2-R4
|
132.40
|
29.40
|
48.00
|
77.40
|
66.50
|
0.363
|
Tabla 4.1. Volumen, cargas, pesos y densidades de las configuraciones
vehiculares T3-S3 y T3-S2-R4
Fuente: Elaboración propia con base en, Normatividad en materia de peso
y dimensiones para el autotransporte de carga CANACAR y (Arroyo y Aguerrebere,
2002).
Las densidades promedio se calculan dividiendo la carga que el vehículo
puede mover (carga útil) sin incurrir en sobrepeso, entre su capacidad
volumétrica, esta es la densidad critica de un embarque que llena el espacio
total de la configuración vehicular sin tomar en cuenta detalles de estiba o
embalaje. En los embarques de carga a granel que llenen el volumen disponible
en el camión y que sus densidades sean mayores a la densidad crítica del vehículo,
se experimentará sobrepeso; para el caso de cargas con embalaje, el volumen en
el empaque reduce el tonelaje total del embarque, por ende, su densidad disminuye
y es menos probable que la configuración vehicular experimente sobrepeso.
Densidades
de cargas solidas y liquidas
|
|||
Sólidos
|
Densidad
(t/m3)
|
Líquidos
|
Densidad
(t/m3)
|
Mercurio
|
13.55
|
Ácido
cítrico
|
1.66
|
Azufre
|
2.00
|
Cloro
|
1.56
|
Sal
fina
|
1.20
|
Agua
|
1.00
|
Maíz
|
0.76
|
Alcohol
Etílico
|
0.79
|
Café
|
0.56
|
Oxigeno
|
0.19
|
Carbón
|
0.21
|
Éter
|
0.07
|
Tabla 4.2. Densidades de cargas sólidas y liquidas
Fuente: Elaboración propia con base a la Publicación Técnica No. 250,
IMT
Generalmente la variación de la densidad de los sólidos se encuentra
entre 0.21 a 10 toneladas por metro cúbico (t/m3); sin embargo
existen densidades mayores, como es el caso del mercurio con una densidad de
13.55 t/m3; en cuanto a la densidad de la carga liquida, se puede ver una marcada
diferencia a la densidad de la carga de productos sólidos.
Mostrando la relación de las densidades vehiculares conforme a las de la
carga, y haciendo un ejemplo de la relación de las mismas; se tiene, para el
caso particular de la configuración vehicular T3-S3, una densidad vehicular de
0.530 t/m3, y un volumen total de 66.20 m3; por ejemplo, si esta configuración
vehicular, transporta un embarque de maíz (densidad de 0.76 t/m3) y dicho embarque
utiliza el total del volumen vehicular (66.20 m3); se tiene un
factor de carga de 1.43, lo que significa que el vehículo incurre en un exceso
de peso del orden de 43%, este porcentaje expresado en toneladas, significa que
el vehículo T3-S3 da un peso total de 50.30 toneladas; lo cual, representa un
exceso de 15.20 toneladas, en comparación con la carga útil de esta
configuración vehicular. Cambiando la variable carga y utilizando la misma
configuración vehicular; por ejemplo, un embarque de carbón, con una densidad
de carga de 0.21 t/m3 y que utiliza el total del volumen vehicular, tendrá un factor de
carga de 0.40, con un peso total de 13.90 toneladas, por lo que probablemente,
este embarque necesitaría un volumen vehicular mucho mayor para transportar la
carga útil (35.10 toneladas), rebasando las dimensiones establecidas por las
normas oficiales mexicanas de la Secretaría de Comunicaciones y Transporte.
A medida que la densidad cúbica aumenta, el factor de carga también
aumenta en las dos configuraciones vehiculares en estudio.
Existen diversos factores de carga como diferentes tipos de mercancías;
resulta difícil encontrar factores de carga de niveles permitidos (menores o
igual a 1), las configuraciones vehiculares que mueven carga de altas
densidades (arena, sal, hierro, etc.), y que respetan las normas de pesos
establecidos, indican que su cargamento no utiliza el volumen total disponible,
de modo que el diseño de vehículos para el transporte de estas mercancías,
puede ser recomendable, mejorando así la dinámica del automóvil y la
resistencia al movimiento, además de aumentar el rendimiento del combustible.
Para tomar en cuenta el rediseño del volumen disponible en las
configuraciones vehiculares se debe considerar, el tipo de mercancía que se
transporta por cada una de ellas (ver tabla 4.3).
Los embarques con productos de bajas densidades son los que tienen menos
problemas en cuanto a excesos de carga; el problema, disminuye aún más, cuando
el vehículo transita por rutas con pendientes prolongadas y con altos grados de
curvatura, ya que, estos tipos de terreno, no dan oportunidad a incurrir en
sobrepesos, por las altas potencias que necesita el motor para transitar por
dichos caminos, y las rutas de transporte que son en su mayoría terrenos
planos, dan oportunidad, de violar las normas oficiales en cuanto a pesos se
refiere; ya que, los materiales con densidades altas, ocupan muy poco espacio,
por lo que se pueden sobrecargar sin temor alguno; esto quiere decir, que los
embarques de materiales pesados (arena, aceros, etc.), que utilizan el total
del volumen disponible del vehículo, incurren seguramente en excesos de carga,
y los embarques con densidades bajas (cereales, carbón, corcho, etc.), que
ocupan el volumen total del vehículo, seguramente no experimentan ningún
problema de sobrepeso, de igual forma los vehículos que transportan cargas con
densidades altas pero que no violan las normas oficiales en cuanto a pesos (no
incurren en sobrepeso) no ocupan la totalidad del volumen vehicular; de allí,
la necesidad del diseño de vehículos para tipos de cargas especificas. Un
ejemplo claro de lo descrito anteriormente, es que las cargas de baja densidad
necesitan un volumen mucho mayor para transportar el peso permitido según la
configuración vehicular utilizada para el traslado.
De acuerdo al tipo de mercancías movidas por las configuraciones
vehiculares se tienen las siguientes.
Toneladas
promedio transportadas
|
|||
Tipo de
mercancía
|
Configuración
vehicular
|
Total
|
|
T3-S3
|
T3-S2-R4
|
||
Forestales
|
3,130
|
411
|
3,541
|
Agrícolas
|
27,913
|
3,655
|
3,1568
|
Animales
y sus derivados
|
3,653
|
379
|
4,032
|
Minerales
|
3,618
|
29
|
3,647
|
Petróleo
y sus derivados
|
16,905
|
9,123
|
26,028
|
Inorgánicos
|
15,406
|
2,176
|
17,582
|
Industriales
|
114,454
|
27,332
|
141,786
|
Varios
|
21,212
|
4,266
|
25,478
|
Total
|
206,291
|
47,371
|
253,662
|
Tabla 4.3. Toneladas promedio movidas en 2006.
Fuente: Elaboración propia con base a la Publicación Técnica No. 250,
IMT
Los estudios del Instituto Mexicano del Transporte indican que la
configuración vehicular T3-S3 tiene mayor participación en el movimiento de
mercancías, así mismo, las mercancías que representaron la mayor parte de los
traslados, en las configuraciones vehiculares estudiadas, son los productos
Industriales, agrícolas y el petróleo con sus derivados.
El documento técnico No. 40 llamado "Estudio estadístico de campo
del autotransporte federal 2007" muestra que las mercancías que
representan la mayor parte de los movimientos de transporte son en primer
lugar, la fundición de hierro y acero, seguido de la sal, el azufre, las
tierras, piedras, yesos, cales y cementos y por último los combustibles
minerales, aceites minerales, y productos de su destilación, materias
bituminosas y ceras minerales; lo que sugiere un estudio detallado del tipo de
empaque utilizado para su traslado y las densidades totales de dichas cargas.
Considerando la incidencia del peso en el sistema motriz de las
configuraciones vehiculares, se tiene que la reducción de la velocidad, es la
causa del continuo exceso de carga de los camiones; sin embargo, la reducción
de la velocidad no siempre es recomendable para el manejo de los productos que
están regidos por el factor "justo a tiempo", ya que, es muy difícil
llegar a contar con el justo a tiempo, al mismo tiempo que se sobrecargan los
camiones, luego entonces, las partes interesadas en dicho concepto difícilmente
practicaran el habito de sobrecargar.
4.1. Estiba de mercancías
La estiba de las mercancías debe realizarse siempre y cuando se conozcan
los principios básicos que la rigen y las herramientas necesarias para poder
llevarla a cabo sin perder de vista las características de la carga manipulada.
Una buena estiba, implica un buen manejo del material y por ende, una
disminución considerable de las mermas en la carga.
El tipo de mercancía que necesariamente depende de la estiba, son las
cargas sólidas a granel y las mercancías envasadas; la forma de la estiba varía
de acuerdo al tipo de carga, las características de la carga, la configuración
del embarque (distribución de los espacios), los equipos empleados, y las
condiciones propias de la vialidad (rugosidad, nivel de servicio, pendientes,
etc.).
La existencia del autotransporte federal, justifica la importancia de la
estiba, pues sin ella, no se podría llevar a cabo el transporte, debido a los
muchos problemas que se presentarían al momento de la manipulación de la carga,
dichos problemas difícilmente tendrían solución al momento de transportarlas,
ya que, la carga no es monitoreada dentro del transporte, sino, solo al momento
de embarcarla y al momento de recibirla.
El diseño de carros de arrastre (remolque y semirremolque), la mesurada
atención de las características de la carga y las condiciones de
transportación, así como los tiempos de viajes y los orígenes y los destinos de
las mercancías, dan como resultado un óptimo desempeño del sistema de
transporte de carga. Una configuración vehicular con grandes dimensiones (T3-S2-R4)
implica un viaje mayor y un peso bruto vehicular máximo, por lo que se deben
tomar las medidas necesarias al momento de utilizar estos camiones, sin perder
detalle en el reglamento de pesos y dimensiones para el autotransporte de
carga.
Las dimensiones de los carros de arrastre deben contar con
características acorde con el tipo de mercancías a transportar y a las
restricciones generales de las normas y reglamentos conforme a pesos,
capacidades y dimensiones vehiculares impuestas por las autoridades regulatorias
del autotransporte federal de carga; así mismo, debe tomarse en cuenta la
variación del volumen y densidad de la carga conforme a los tipos de estiba más
convenientes para su traslado.
4.2. Fuerzas vehiculares en movimiento
Existen diferentes fuerzas inmersas en los cuerpos en movimiento y
existen otras más que se oponen a dicho movimiento. Al momento de transportar
la carga, se utilizan diversidad de rutas críticas, diferentes estados de las
vialidades, y también existen diversos tipos de carga en movimiento, lo que
significa que se debe contar con un vehículo que venza todas las fuerzas
inmersas en el movimiento de la carga.
Independientemente del tonelaje de la configuración vehicular, en el
transporte de carga se consideran principalmente cuatro fuerzas a vencer por el
vehículo.
·
Fuerza aerodinámica
·
Fuerza por pendiente
·
Fuerza de resistencia al rodamiento
·
Fuerza de inercia
Fuerza aerodinámica
La fuerza aerodinámica es la oposición del aire al movimiento del
vehículo de carga, sin importar el tonelaje siempre existirá dicha fuerza, la
cual debe ser vencida para lograr el movimiento, la fuerza aerodinámica tiene
dirección horizontal y sentido contrario al movimiento, a esta, también se le
conoce como fuerza de arrastre, cuyo valor es proporcional a la velocidad y a
la superficie frontal del vehículo, lo que significa que a mayor velocidad,
mayor será la fuerza de oposición al movimiento del vehículo.
Formula de fuerza aerodinámica.
…………………………..………………ecu. (4.1)
Dónde:
Fa = Fuerza aerodinámica (Newtons)
Ca = Coeficiente aerodinámico de arrastre
R0 = Densidad del aire (aproximadamente 1.2 Kg/m3 a una
temperatura de 20oC y a una presión atmosférica de 1.016 bar)
S = área frontal del vehículo
V = Velocidad del vehículo
En cuanto a las configuraciones vehiculares en estudio (T3-S3 y
T3-S2-R4), se ha visto que tienen un alto porcentaje de participación en los
viajes que se realizan en su mayoría en carreteras y autopistas, lo que
significa, que estos vehículos experimentan fuerzas aerodinámicas muy altas
debido a la velocidad que desarrollan, por ello, al momento de diseñar los
remolques y semirremolques del tipo caja seca de las configuraciones
vehiculares en estudio, es importante tomar en consideración las variables que son
susceptibles de controlar como la parte frontal del vehículo con un perfil
aerodinámico, teniendo en cuenta también el coeficiente de arrastre del
vehículo de carga.
En la siguiente tabla se muestran algunos coeficientes de arrastre., los
cuales varían conforme a la dimensión y el peso del vehículo.
Vehículo
|
Coeficiente
de arrastre
|
Madrinas,
jaulas y bultos
|
0.95
|
Remolque
doble, triple y plataformas
|
0.85
|
Vehículo
normal
|
0.76
|
Vehículos
con pocos aditamentos para desviar el aire
|
0.68
|
Vehículos
con todos los aditamentos para desviar el aire
|
0.61
|
Tabla 4.4 Coeficientes de arrastre de diferentes vehículos.
Fuente: Con base en método para seleccionar el tren motriz de vehículos
de transporte pesado con uso optimo de combustible, Rafael Morales M; Lozano
Guzmán A; Cervantes de Gortari J y López Cajún C. Octubre de 2007.
La tabla 4.5 muestra las variables a considerar para evaluar la fuerza
aerodinámica de los camiones articulados y doblemente articulados.
Tipo de
Vehículo/Variables numéricas
|
Camión
Articulado (T3-S3)
|
Camión
Doblemente Articulado (T3-S2-R4)
|
Área
frontal (m2)
|
9.136
|
9.136
|
Coeficiente
aerodinámico de arrastre
|
0.630
|
0.630
|
Peso
del vehículo vacio (t)
|
19.40
|
29.40
|
Carga
útil (t)
|
35.1
|
48.0
|
Tabla 4.5 Variables para determinar la fuerza aerodinámica de los
vehículos.
Fuente: Costos de operación base de los vehículos representativos del
transporte interurbano, José Antonio Arroyo Osorno, Roberto Aguerrebere Salido,
Guillermo Torres Vargas, Publicación Técnica No. 316, IMT, Sanfandila, Qro.
2008.
Como lo indica la tabla anterior, tanto el área frontal como el
coeficiente aerodinámico de arrastre no varía de un camión articulado a un
camión doblemente articulado, lo que significa que para la fuerza aerodinámica,
el peso vehicular no es representativo, sin embargo, la velocidad si representa
gran valor para esta fuerza, y para que el vehículo desarrolle una velocidad
considerable no debe exceder su carga útil.
La fuerza aerodinámica se minimiza cuando se utilizan aditamentos
aerodinámicos y cuando el peso y dimensiones del vehículo de transporte son
menores, estos elementos son motivos para poner especial atención al momento de
transportar la carga en vehículos configurados conforme a la densidad de la
carga y las normas establecidas de pesos y dimensiones de la Secretaría de
Comunicaciones y Transporte.
La siguiente figura (4.1) muestra gráficamente la fuerza aerodinámica de
cierto vehículo en movimiento.
Figura 4.1. Representación de la fuerza aerodinámica
Fuente: Elaboración propia
Fuerza por pendiente
La resistencia por pendiente es la oposición que se ejerce sobre el
vehículo por efecto de la atracción gravitacional que ejerce la tierra hacia
cualquier cuerpo. Nada se puede hacer para vencerla; la siguiente figura
muestra gráficamente la fuerza que debe vencer el vehículo de carga,
transitando por una determinada pendiente.
Figura 4.2. Representación de la fuerza por pendiente
Fuente: Elaboración propia
La fórmula para calcular la fuerza por pendiente es la siguiente.
……………………………………………………ecu. (4.2)
Dónde:
Fp= Fuerza por pendiente (N)
W= peso del vehículo (Kg); peso del vehículo es la masa total vehicular
multiplicado por la fuerza de gravedad (9.81 m/s2)
= Ángulo entre la pendiente y el plano horizontal (si el ángulo de la
pendiente es cero, entonces, la fuerza por pendiente tendrá el mismo valor)
Fuerza de resistencia al rodamiento
Esta fuerza, es la fricción que ejercen las llantas del vehículo sobre
la carretera; las llantas al rodar sobre el pavimento, producen un efecto
llamado fricción, este a su vez, produce la resistencia al rodamiento, esta
fuerza depende directamente del peso total de la configuración vehicular y de
la presión de inflado de las llantas así como su coeficiente de deformación. Lo
anterior es el resultado del uso de las llantas radiales, ya que, reparte
uniformemente la presión del inflado de los neumáticos y por lo tanto minimiza
la fuerza de rodamiento; dicha fuerza se calcula mediante la siguiente formula.
…………………………………..…………ecu. (4.3)
Fr= Fuerza de rodamiento (N)
K= Coeficiente de resistencia al rodamiento (Kgf/Kg)
W= Peso vehicular (kg); el peso del vehículo es la masa total vehicular
multiplicado por la fuerza de gravedad (9.81 m/s2)
= Ángulo entre la pendiente y el plano horizontal
Esta fuerza se describe gráficamente en la figura 4.3.
Figura 4.3. Representación de la fuerza de resistencia al rodamiento y
fuerza por pendiente
Fuente: Elaboración propia
Fuerza de inercia
La fuerza de inercia es la resistencia de un cuerpo a moverse debido a
su masa, esta resistencia se debe a un fenómeno físico conocido como la inercia
de los cuerpos en rotación; esta se presenta en diferentes partes del sistema cinemático
(disco de embrague, árbol de transmisión, etc.). La fuerza de inercia se
determina mediante la siguiente expresión.
……………………………………ecu. (4.4)
Dónde:
Fi= Fuerza de inercia (N)
m= masa del vehículo (kg)
a= aceleración del vehículo (m/s2)
rt= relación de paso de la transmisión
La sumatoria de todas estas fuerzas da como resultado una fuerza total
que al multiplicarla por la velocidad promedio de la configuración vehicular da
como resultado la potencia que el motor requiere para permitir el avance del
vehículo; las expresiones quedan de la siguiente manera:
……………………..…………………..ecu. (4.5)
……………………………..……………………….ecu. (4.6)
Dónde:
FT= Fuerza total resultante (N)
P= Potencia requerida del motor (HP)
V= Velocidad promedio (m/s)
En cuanto al desempeño del vehículo, existen diferentes elementos en los
cuales el peso bruto vehicular (PBV) incide de manera directa, tales como: la
capacidad de arranque del vehículo, la capacidad de ascenso del vehículo, la
potencia para vencer la resistencia al rodamiento y la potencia para vencer la
resistencia de inercia.
La pendiente máxima en la que el vehículo puede iniciar la marcha, se
expresa en porcentajes mediante la siguiente ecuación:
…………..…………..ecu. (4.7)
Dónde:
Ca= Capacidad de arrastre en pendiente
Tm= Torque máximo del motor
Pd= Paso del diferencial
Pt1= Paso de la transmisión en la primera velocidad
Rv= Revoluciones de la llanta
PBV= Peso Bruto Vehicular
La habilidad de ascenso del vehículo es la medida del compromiso entre
una pendiente específica y el Peso Bruto Vehicular, y se calcula de la
siguiente manera.
…………….…………..ecu. (4.8)
Dónde:
G= Habilidad de ascenso en pendiente
Pr= Potencia de reserva
PBV= Peso Bruto Vehicular
Va= Velocidad aparente
Pr, es igual a:
……………………………………..ecu. (4.9)
P= Potencia del motor
Prr= Potencia para vencer la resistencia al rodamiento
Pra= Potencia para vencer la resistencia aerodinámica
Pri= Potencia para vencer la resistencia de inercia
La potencia para vencer la resistencia al rodamiento (Prr) y la potencia
para vencer la resistencia de inercia (Pri), son potencias que varían de
acuerdo al Peso bruto vehicular en movimiento, mientras que la potencia para
vencer la resistencia aerodinámica (Pra) varia conforme a las dimensiones
vehiculares de los remolques (altura y ancho vehicular).
En seguida se describen las variables de los parámetros antes
mencionados.
……………….………ecu. (4.10)
………….………ecu. (4.11)
……………………………….…….ecu. (4.12)
Dónde:
Va= Velocidad aparente
PBV= Peso bruto Vehicular
fa= Factor de altitud
h= altura del vehículo
w= ancho del vehículo
nB, nM= Coeficientes de ajuste para la potencia
…………………..….ecu. (4.13)
………………..…………ecu. (4.14)
Dónde:
D= Diámetro de la llanta
r.p.m= Régimen del motor en potencia máxima
Tomando en consideración el estudio de la densidad de la carga y haciendo
cumplir las normas y reglamentos en cuanto a pesos y dimensiones se refiere, la
potencia requerida para que el motor ponga en marcha la unidad de carga será
menor y también los programas de mantenimiento preventivo serán más acertados
en cuanto al desgaste real del vehículo, aumentando así, la eficiencia de la
operación del transporte de carga.
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