KR101205755B1 - 압력 유체 작동식 충격 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공구 (13) 가 종방향으로 움직일 수 있도록 배치된 프레임 (2), 압력 유체를 충격 장치 (1) 에 공급하고 압력 유체를 압력 유체 탱크로 복귀시키는 수단 및 압력 유체의 압력을 사용하여 공구에 응력 펄스를 발생시키는 수단을 포함하는 압력 유체 작동식 충격 장치에 관한 것이다. 본 발명은 작동 압력 챔버 (3) 내에서 압력을 유지하기 위해 작동 압력 챔버 (3) 와 연결된 압력 유체원을 포함하고, 작동 압력 챔버 (3) 내의 압력 유체의 압력에 마주하는 방향으로, 또한 상기 압력 유체가 작동 압력 챔버 (3) 에서 배출되도록 상기 전달 피스톤 (4) 의 미리 결정된 후방 위치로, 작동 압력 챔버 (3) 를 향해 전달 피스톤 (4) 을 가압할 수 있는 압력을 갖는 압력 유체를 충전 압력 챔버 (7) 에 간헐적으로 공급하면서, 작동 압력 챔버 (3) 의 가압된 압력 유체의 압력에 의해 발생되어 압력 유체원으로부터 유입하는 힘이 공구 (13) 의 방향으로 전달 피스톤 (4) 을 가압하도록 충전 공급 챔버 (7) 로부터 급속하게 압력 유체를 배출할 수 있게 하며, 공구 (13) 의 길이 방향으로 공구 (13) 를 가압하여 공구 (13) 에 응력 펄스를 발생시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

압력 유체 작동식 충격 장치

Description

압력 유체 작동식 충격 장치{PRESSURE-FLUID-OPERATED PERCUSSION DEVICE}

본 발명은 공구가 종방향으로 움직일 수 있도록 배치된 프레임, 압력 유체를 충격 장치에 공급하고 압력 유체를 압력 유체 탱크로 복귀시키는 수단 및 압력 유체의 압력을 사용하여 공구에 응력 펄스를 발생시키는 수단을 포함하는 압력 유체 작동식 충격 장치로서, 압력 유체로 충전된 작동 압력 챔버를 포함하고, 상기 작동 압력 챔버와 공구 사이에서 상기 프레임의 종방향으로 움직일 수 있도록 설치되어, 적어도 응력 펄스가 발생하는 동안 상기 공구와 직접 또는 간접적으로 접촉하는 전달 피스톤을 포함하고, 상기 전달 피스톤에는 작동 압력 챔버를 향하는 가압면이 형성되고, 상기 충전 압력 챔버 쪽에는 공구를 향하는 가압면이 형성되도록 공구에 면하는 전달 피스톤 충전 압력 챔버를 포함하는 압력 유체 작동식 충격 장치에 관한 것이다.

종래 기술에 있어서, 충격 장치에서 공구 내부의 응력 펄스는 왕복하는 충격 피스톤을 사용하여 발생되었으며, 충격 피스톤은 이러한 스트로크 운동의 최종점에서 이에 연결된 공구 또는 섕크의 단부를 스트로크하고, 그 결과 처리될 물질을 향해 전달되는 응력 펄스가 공구에서 발생하게 된다. 충격 피스톤의 왕복 스트로크 운동은 일반적으로 압력 매체에 의해 이루어지는데, 이러한 압력 매체의 압 력은 상기 충격 피스톤을 일 방향 이상 (오늘날에는 주로 양방향) 으로 움직이게 된다. 스트로크 운동을 개선시키기 위하여, 압력 완충기 (accumulator) 또는 스프링 등이 복귀 운동하는 동안 에너지를 저장하기 위해 사용될 수 있다.

충격 장치의 왕복 운동 때문에, 반대 방향으로의 가속력은 충격 장치의 제어를 방해하고 제한을 주는 메카니즘을 조절하는 충격 피스톤이 장착된 충격 장치에서 교대적으로 발생된다. 또한, 이러한 힘에 의하여, 충격 장치를 지지하기 위해 사용된 붐 (boom) 구조 및 공급 장치는 매우 튼튼해야 한다. 또한, 처리될 물질로 공구로부터 전달되는 응력 펄스를 충분히 효율적으로 발생시키기 위하여, 파쇄될 암석이 상기 충격 장치, 즉 상기 공구는 충분한 힘으로 물질을 가압해야 한다. 따라서, 동적 가속력에 의하여, 상기 공급력 및 구조는 충분히 튼튼한 크기가 되어야 하므로, 공급력과 충격 피스톤의 운동에 의해 야기되는 가속력의 차이로 유지되는 공구의 가압력이 충분히 크게 유지될 수 있도록 하여야 한다. 또한, 왕복 스트로크 운동에 의해 작동하는 충격 피스톤이 장착된 충격 장치는 낮은 스트로크 주파수를 발생시킬 수 있는데, 이는 운동 방향으로 충격 피스톤을 가속하는 것이 항상 충격 피스톤의 질량에 비례하는 동력의 양을 요구하고, 고주파수는 높은 가속도 및 속도로 높은 동력을 필요로 하기 때문이다. 그러므로, 충격 장치 및 이런한 충격 장치의 지지 구조가 휴지 상태일 때, 적절한 치수로 되어야 하기 때문에, 실제적으로 실행하기는 힘들다. 동시에 효율면에서도 상당히 감소되는 경우가 발생하는 때에는, 기존 충격 장치의 스트로크 주파수는 최적의 상태일 때 아주 작은 주파수 값을 나타낼 뿐이다.

본 발명의 목적은 충격 장치내에서 발생된 동력학적 힘 및 결점을 충분히 작게 할 수 있는 충격 장치를 제공하는 것이다. 또 다른 목적은 효율이 높고, 응력 펄스 주파수가 기존 장치에 비해 더 높은 충격 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 충격 장치는, 응력 펄스를 발생시키는 수단은 작동 압력 챔버 내에서 압력을 유지하기 위해 작동 압력 챔버와 연결된 압력 유체원을 포함하고, 작동 압력 챔버 내의 압력 유체의 압력에 마주하는 방향으로, 또한 상기 압력 유체가 작동 압력 챔버에서 배출되도록 상기 전달 피스톤의 미리 결정된 후방 위치로, 작동 압력 챔버를 향해 전달 피스톤을 가압할 수 있는 압력을 갖는 압력 유체를 충전 압력 챔버에 간헐적으로 공급하면서, 작동 압력 챔버의 가압된 압력 유체의 압력에 의해 발생되어 압력 유체원으로부터 유입하는 힘이 공구의 방향으로 전달 피스톤을 가압하도록 충전 공급 챔버로부터 급속하게 압력 유체를 배출할 수 있게 하며, 공구의 길이 방향으로 공구를 가압하여 공구에 응력 펄스를 발생시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 기본 개념은 전달 피스톤이 연속적으로 공구 방향으로 작동하는 압력 및 작동 압력 챔버에 연결된 압력 유체원에서 발생한 압력을 받는다는 점이다.

본 발명의 또 다른 기본 개념은 가압된 압력 유체가 전달 피스톤의 다른 쪽에 있는 충전 압력 챔버에 공급되어 상기 전달 피스톤을 미리 정해진 위치로 이동시키고, 작동 챔버의 압력에 의해 발생한 힘을 이용하여 상기 전달 피스톤이 급격히 처리될 물질을 향해 공구를 압축시켜, 공구에서 응력 펄스를 발생시킨다는 점이다.

본 발명의 또 다른 기본 개념은 전달 피스톤이 상기 위치에서 실질적으로 공구 또는 섕크와 접촉하고 있을 때, 충전 압력 챔버가 "탱크 압력" 과 연결되어, 전달 피스톤의 반대 방향에 작용하는 압력이 공구를 급격히 압축시켜, 공구를 통해 처리될 물질로 전파하는 응력 펄스를 발생시킨다는 점이다.

본 발명의 이점은 전달 피스톤을 응력 펄스 초기 위치, 즉 해제 위치로 이동시켜 실질적으로 일정한 압력을 발생시키는데 매우 효과적이라는 점이다. 본 발명의 또 다른 이점은 공구 및 전달 피스톤을 통해 처리될 물질로부터 작동 압력 챔버로 반사되는 응력파의 압축 응력 에너지가 회복될 수 있다는 점이다. 본 발명의 또 다른 이점은 상기 응력 펄스 발생 주파수가 종래의 충격 장치에 비하여 매우 높을 수 있는데, 이는 왕복 운동하는 충격 피스톤이 큰 질량이 아니며 매우 느리다는 점이다. 본 발명의 또 다른 이점은 사용하기가 매우 간단하고, 작동을 제어하기가 쉽다는 점이다.

도 1a 및 도 1b 는 본 발명에 따른 충격 장치의 일 실시형태의 원리를 충전중 및 응력 펄스 발생중으로 각각 나타낸 도면이다.

도 2a 및 도 2b 는 각각 충전 및 응력 펄스가 발생과 관련된 이론적인 에너지 그래프를 나타내는 도면이다.

도 1a 는 본 발명에 따른 충격 장치의 일 실시형태의 원리를 개략적으로 나타낸 것으로서, 상기 충격 장치는 응력 펄스를 발생하기 위해 "충전" 되고 있는 상태이다. 상기 도면은 프레임 (2) 을 포함하는 충격 장치 (1) 를 나타낸다. 압력 유체를 위해, 상기 프레임의 일 측면은 전달 피스톤 (4) 에 의해 규정되는 작동 압력 챔버 (3) 를 포함하고 있다. 상기 작동 압력 챔버 (3) 는 채널 (5) 을 통해 압력 유체 펌프 (6) 와 같이 압력 P1 으로 압축된 압력 유체를 상기 공간 (3) 으로 공급하는 압력원에 연결되어 있다. 압력 챔버 (3) 의 대향 방면인 전달 피스톤 (4) 의 반대측에는 충전 압력 챔버 (7) 가 제공되고, 차례로, 채널 (8) 과 밸브 (9) 를 통해, 압력 유체 펌프 (10) 와 같이 압력이 P2 인 압력 유체를 공급하는 압력 유체원에 연결되어 있다. 상기 밸브 (9) 로 부터, 압력 유체 복귀 채널 (11) 에는 압력 유체 탱크 (12) 가 더 제공된다.

드릴 로드 또는 일반적으로 상기 드릴 로드에 연결된 섕크인 공구 (13) 가 상기 충격 장치 (1) 에 더 연결되어 있다. 상기 공구의 반대 단부에는 도시되지는 않았지만, 작동시 처리되는 물질과 접촉상태에 있게 되는 착암 비트 (rock bit) 와 같은 드릴 비트가 제공된다. 압력 펄스를 완충시키기 위하여 작동 압력 챔버 (3) 와 연결된 압력 완충기 (14) 를 더 포함할 수 있다.

도 1a 에 나타난 상황에서, "충전" 이 이루어지고, 이로 인해 밸브 (9) 에 의해 제어되는 압력 유체가 충전 압력 챔버 (7) 에 공급되고, 전달 피스톤 (4) 이 도 1a 에 따른 위치에서 상사점 즉 역방향으로 정주시킬때까지 화살표 A 방향으로 움직이게 된다. 동시에 압력 유체는 작동 압력 챔버에서 배출된다. 상 기 전달 피스톤 (4) 의 역방향 위치는 다양한 숄더 (shoulder) 또는 스탑 (stop) 과 같은 충격 장치 (1) 의 기계적인 수단에 의해 결정되며, 이 수단은 도 1a 및 도 1b 에 따른 실시형태에 있어서는 상기 전달 피스톤의 숄더 (2a) 및 플랜지 (4a) 의 후면부이다. 상기 충격 장치의 작동시, 상기 충격 장치 (1) 는 힘 (F) (이하 "공급력" 이라 한다.) 으로 물질을 전방으로 전진시키도록 가압되고, 상기 가압력은 공구 (13) 및 공구에 있는 드릴 비트와 같은 첨단부와 접촉되어 있는 전달 피스톤 (4) 이 처리될 물질과 접촉하도록 유지시킨다. 상기 전달 피스톤 (4) 이 최대한 멀리 화살표 A 방향으로 이동될 때, 밸브 (9) 가 도 1b 에 도시된 위치로 움직여서, 충전 압력 챔버 (7) 의 압력 유체가 압력 유체 탱크 (12) 로 급격히 배출된다. 이 때, 상기 전달 피스톤은 작동 압력 챔버 (3) 내부의 압력 유체의 압력으로 인하여 공구 (13) 방향으로 이동할 수 있고, 추가로 압력 유체 펌프 (6) 에서 상기 방향으로 흘러가게 된다. 상기 작동 압력 챔버 (3) 에서 전달 피스톤 (4) 에 작용하는 압력 (P1) 은 공구 (13) 를 압축시키면서 공구 (13) 를 향하는 화살표 (B) 방향으로 전달 피스톤 (4) 을 가압하는 힘을 발생시킨다. 그 결과, 급격한 압축 응력이 상기 전달 피스톤 (4) 을 통해 공구 (13) 에서 발생되고, 이에 따라 이러한 급격한 압축 응력은 공구 (13) 를 통해 처리될 물질의 모든 방향으로 응력 펄스를 발생시킨다. 처리되고 있는 물질로부터 반사된 "반사 펄스" 는 차례로 공구 (13) 를 지나 도 1a 의 화살표 A 방향으로 다시 전달 피스톤 (4) 을 가압하면서 돌아가게 되어, 상기 응력 펄스의 에너지는 상기 작동 압력 챔버에 있는 압력 유체에 전달된다. 동시에, 상기 밸브 (9) 는 다시 도 1a 에 도시된 우치로 스위치 (switch) 되고, 압력 유체는 미리 정해진 역방향 위치로 전달 피스톤 (4) 을 가압하도록 충전 챔버 (7) 에 다시 공급된다.

전달 피스톤 (4) 의 가압 표면적은, 즉 각각 작동 압력 챔버 (3)에 면하는 표면적 (A1) 및 충전 챔버 (7) 에 면하는 표면적 (A2) 은 여러가지 방법으로 선택될 수 있다. 이를 실행하는 가장 간단한 방법은 도 1a 및 1b 에 나타난 실시형태로서, 상기 표면적은 크기가 다르다. 이러한 경우, 적절하게 표면적을 선택하는 것은 전달 피스톤 (4) 의 양 측에 대하여 사용되는 압력을 동일하게 할 수 있는데, 즉, 압력 P₁ 과 P₂ 를 동일하게 할 수 있다. 그러므로, 압력 유체가 동일한 압력 유체원으로부터 양 쪽으로 공급될 수 있다. 이는 충격 장치의 작동을 간단하게 한다. 따라서, 이는 상기 전달 피스톤 (4) 에 숄더 형상의 플랜지 (4a) 가 용이하게 제공되고, 상기 프레임에 숄더부 (2a) 가 용이이하게 제공될 수 있어, 프레임 (2) 의 숄더부 (2a) 가 전달 피스톤 (4) 의 후방 위치 (도면에서는 상사점, 즉 응력 펄스 발생이 항상 시작되는 위치) 를 규정하게 되는 또 다른 이점이 있다. 상기 표면적은 또한 그 크기가 동일할 수 있으며, 이 경우 압력 P₂ 이 압력 P₁ 보다 더 커야 한다.

도 2a 및 도 2b 는 본 발명에 따른 충격 장치에서 각각 충전 및 응력 펄스 발생과 관련된 이론적인 에너지 그래프를 나타내는 도면이다.

전달 피스톤이 작동 압력 챔버에 작용하는 압력 P₁ 에 대해 도 2a 에 따라 움직이는 경우, 최종적으로 충전된 에너지의 양은 P₁×V₁ 이며, 압력 면적 A₁ 에 의 해 대체되는 압력과 체적의 곱으로, 이는 직사각형 A 로 나타낸다. 작동 압력 챔버에 작용하는 압력의 크기가 최초 0 이라면, 충전된 에너지의 양은 P₁×V₁/2 이며, 이는 전술한 에너지의 절반으로 삼각형 B 로 나타낸다. 유사하게, 상기 충격 장치에 공급되는 에너지의 양은 파선으로 나타낸 직사각형 C 로 나타나며, 이는 실질적으로 상수값인 압력 P₂ 와 압력 면적 A₂ 의 결과로 나타나는 체적 V₂ 의 증가량과의 곱이다. 이러한 공급된 에너지를 나타내는 직사각형 C 의 표면적은 직사각형 A 의 표면적과 동일하다.

상기 전달 피스톤이 도 2b 에 나타난 바와 같이 공구를 가압할 때, 응력 펄스로 전달되는 에너지의 양은 P₁×V₁ 이며, 압력과 상기 체적의 곱으로 이는 직사각형 D 로 나타낸다. 만일 작동 챔버에 작용하는 압력의 값이 최종적으로 0 이라면, 응력 펄스에 전달되는 에너지의 양은 P₁×V₁/2 이 되며, 전술한 에너지 값의 절반으로 삼각형 E 부분으로 나타낸다.

이러한 이론적인 실험이 실제 조작 공정과 압력치를 실제적으로 정확하게 나타낸다고는 할 수 없지만, 그럼에도 불구하고 이는 어떻게 본 발명의 충격 장치가 공급되는 압력 유체의 동일한 압력값을 적용함으로써, 장치에 의해 발생하는 동력보다 더 큰 동력을 얻을 수 있는지 설명할 수 있으며, 이 때 얻을 수 있는 압력은 0 부터 최대 압력까지 다양하다.

공구의 방향으로 짧게 이동함으로써, 본 발명에 따른 충격 장치는 고주파로 응력 펄스를 발생시킬 수 있는데, 이는 공급될 압력 유체의 필요한 양이 비교적 작으으며, 동시에 발생하는 힘의 크기를 크게 할 수 있기 때문이다. 또한, 전달 피스톤 (4) 의 질량은 작기 때문에, 어떠한 중요한 동력학적 힘도 발생하지 않는다. 유사하게, 전달 피스톤 (4) 을 후방 위치, 즉 시작점으로 움직임으로써, 작은 움직임만이 필요하고, 이에 의해 파장 및 높은 응력 펄스 주파스가 얻어지게 되며, 그 결과 종래의 충격 장치와 연관시켜 스트로크 주파수라 일컫는 공구와 처리될 물질 사이에 고주파의 응력 펄스가 발생하게 된다. 본 도면과 상세한 설명은 본 발명의 개념을 설명하기 위한 것이다. 본 발명의 좀 더 상세한 설명은 특허청구범위 내에서 변경될 수도 있다.

Claims (7)

1. 공구 (13) 가 종방향으로 움직일 수 있도록 배치된 프레임 (2), 압력 유체를 충격 장치 (1) 에 공급하고 압력 유체를 압력 유체 탱크로 복귀시키는 수단 및 압력 유체의 압력을 사용하여 공구에 응력 펄스를 발생시키는 수단을 포함하는 압력 유체 작동식 충격 장치 (1) 로서,

   압력 유체로 충전된 작동 압력 챔버 (3) 를 포함하고, 상기 작동 압력 챔버 (3) 와 공구 (13) 사이에서 상기 프레임 (2) 의 종방향으로 움직일 수 있도록 설치되어, 적어도 응력 펄스가 발생하는 동안 상기 공구 (13) 와 직접 또는 간접적으로 접촉하는 전달 피스톤 (4) 을 포함하고, 상기 전달 피스톤 (4) 에는 작동 압력 챔버 (3) 를 향하는 가압면 (A1) 이 형성되고, 상기 충전 압력 챔버 (7) 쪽에는 공구 (13) 를 향하는 가압면 (A2) 이 형성되도록 공구 (13) 에 면하는 전달 피스톤 (4) 충전 압력 챔버 (7) 를 포함하는 충격 장치에 있어서,

   상기 응력 펄스를 발생시키는 수단은 작동 압력 챔버 (3) 내에서 압력을 유지하기 위해 작동 압력 챔버 (3) 와 연결된 압력 유체원을 포함하고, 작동 압력 챔버 (3) 내의 압력 유체의 압력에 마주하는 방향으로, 또한 상기 압력 유체가 작동 압력 챔버 (3) 에서 배출되도록 상기 전달 피스톤 (4) 의 미리 결정된 후방 위치로, 작동 압력 챔버 (3) 를 향해 전달 피스톤 (4) 을 가압할 수 있는 압력을 갖는 압력 유체를 충전 압력 챔버 (7) 에 간헐적으로 공급하면서, 작동 압력 챔버 (3) 의 가압된 압력 유체의 압력에 의해 발생되어 압력 유체원으로부터 유입하는 힘이 공구 (13) 의 방향으로 전달 피스톤 (4) 을 가압하도록 충전 공급 챔버 (7) 로부터 급속하게 압력 유체를 배출할 수 있게 하며, 공구 (13) 의 길이 방향으로 공구 (13) 를 가압하여 공구 (13) 에 응력 펄스를 발생시키는 수단을 포함하고, 가압된 압력 유체를 작동 압력 챔버 (3) 에 공급하기 위한 수단은 압력 유체를 공급하도록 배치되어, 작동 압력 챔버 (3) 내의 압력이 상기 충격 장치가 작동하는 동안에 실질적으로 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 압력 유체 작동식 충격 장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 동일한 압력의 압력 유체가 작동 챔버 (3) 및 충전 압력 챔버에 공급되고, 각각 작동 압력 챔버 (3) 및 충전 압력 챔버 (7) 에 면하는 전달 피스톤 (4) 의 압력 면적 (A1, A2) 이 측정되어, 발생하는 합력이 상기 전달 피스톤 (4) 을 후방 위치로 가압하는 것을 특징으로 하는 압력 유체 작동식 충격 장치.
4. 삭제
5. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 작동 압력 챔버 (3) 는 압력 유체 펌프 (6) 와 같은 압력 유체원에 연결되어, 압력 유체원은 연속적으로 압력 유체를 작동 압력 챔버에 공급하는 것을 특징으로 하는 압력 유체 작동식 충격 장치.
6. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 충격 장치는 상기 작동 압력 챔버 (3) 와 연결된 압력 완충기 (accumulator) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 유체 작동식 충격 장치.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 충격 장치는 상기 작동 압력 챔버 (3) 와 연결된 압력 완충기를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 유체 작동식 충격 장치.

Images