KR101824509B1

KR101824509B1 - Ｄｔｈ 해머

Info

Publication number: KR101824509B1
Application number: KR1020137012010A
Authority: KR
Inventors: 조셉 푸르셀
Original assignee: 민콘 인터내셔널
Priority date: 2010-10-15
Filing date: 2011-10-17
Publication date: 2018-02-01
Also published as: US20130186692A1; EP2627850B1; EP2627850A2; US9103165B2; KR20130132434A; ZA201303502B; AU2011315377B2; CN103228859A; AU2011315377A1; CA2814141C; IES20100666A2; WO2012049331A3; CN103228859B; WO2012049331A2; EP2627850B8; CA2814141A1

Abstract

본 발명은, DTH(down-the-hole) 해머에 관한 것으로, DTH 해머는 외측 원통형의 외피 슬리브(outer wear sleeve); 및 상기 외피 슬리브 내부에서 왕복운동을 하도록 장착되어, 상기 외피 슬리브의 전방 단에 위치되는 드릴 비트 어셈블리의 충격 비트를 타격하는 슬라이딩 피스톤을 포함한다. 상기 드릴 비트 어셈블리는 축방향으로 연장되는 스터브 생크(stub shank)가 형성되는 헤드부를 갖는 충격 비트; 상기 스터브 생크 상의 축방향으로 연장되는 스플라인으로서, 구동 척 상에 형성되는 상보적인 스플라인과 슬라이딩 가능하게 결합할 수 있어서, 상기 척으로부터의 회전 구동이 상기 스터브 생크로 전달될 수 있는, 스플라인; 상기 스터브 생크를 상기 드릴 비트 어셈블리에 유지시키도록 상기 스터브 생크 상의 유지 쇼울더와 결합되도록 구성되는 비트 유지링; 유체 작동식 충격 드릴 공구의 구동 수단에 상기 척을 연결하도록 구성되는, 상기 척 상의 결합 수단; 및 상기 척 위에 배치되는 부싱을 포함한다. 상기 비트 유지링은 상기 척의 상단과 결합하기 위해 쇼울더를 포함하여, 상기 유지링이 상기 어셈블리에 제 위치에 유지되도록 하고, 상기 부싱의 상부의 내측 지름은, 피스톤 노즈와의 밀봉 끼워맞춤(sealing fit)을 제공하는 크기를 가진다. 상기 부싱의 하부 또는 비트 유지링의 내측 지름은, 상기 스터브 생크 상의 상기 유지 쇼울더의 외측 지름과의 꼭 맞게 슬라이딩 끼워맞춤(sliding fit)을 제공하는 크기를 가진다.

Description

ＤＴＨ 해머{A DOWN-THE-HOLE HAMMER}

본 발명은 DTH 해머에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 풋 밸브(foot valve) 없는 해머 설계에서의 양력(lift force)을 최대화하는 것에 관한 것이다.

종래의 DTH 해머 및 유체 작동식(fluid-operated) 충격 드릴 공구의 일부 설계는, 외측 실린더 또는 외피 슬리브(outer wear sleeve)를 포함하는데, 내측 실린더가 외피 슬리브 내부에 장착되어, 백헤드 어셈블리(backhead assembly)와 결합한다. 슬라이딩 왕복 피스톤은 내측 실린더 및 백헤드 어셈블리와 함께 작동하며, 압축 공기가 백헤드 어셈블리를 통해 공급될 때, 외피 슬리브 상의 척 내부에 유지되는 드릴 비트에 미치는 충격 효과에 의해 동작한다.

일반적으로, 내측 실린더는 외피 슬리브 내부에 동축으로 장착된다. 슬라이딩 피스톤은 공지된 방식으로, 내측 실린더 및 외피 슬리브 내부에서 왕복 운동을 하도록 장착되어, 외피 슬리브의 전방 단에 위치하는 척에 슬라이딩 운동하도록 장착되는 해머 비트를 타격한다. 풋 밸브(foot valve)는 비트 위에 위치한다.

본 출원인의 선행 특허출원 공개공보 WO 2004/031530호에는, 비트에 충격력을 가하기 위해 피스톤이 충돌하는 고리형의 타격면(또는 앤빌(anvil))을 그 상단에 갖는 기다란 생크부(shank portion)를 비트가 갖고 있는 DTH 해머가 공개되어 있다. 비트 생크의 하단부에는 복수의 스플라인이 외측으로 형성되는데, 이 스플라인은 비트 생크의 외주 둘레로 이격되며 축방향으로 연장된다. 이 스플라인은, 고리형 척의 내부벽 상에 형성되는 상보적인 스플라인과 슬라이딩 가능하게 결합한다. 척은 외피 슬리브의 바닥부에 나사식으로 연결된다. 비트는 해머 어셈블리에 비트 유지링에 의해 유지되는데, 이 비트 유지링은 척 위에 배치되며 비트 상의 고리형 쇼울더와 함께 작동한다. 이로써, 비트가 작동 중에 어셈블리로부터 이탈되는 것이 방지된다.

작동 시에, 비트 생크는, 해머의 충격 동작 및 척에 의해 제공되는 회전 토크로 인해 힘을 받게 된다. 이것은 상당한 벤딩 모멘트(bending moment)를 비트 생크의 상부에 가하여, 균열로 인한 생크의 파손 위험을 증가시킨다. 드릴 비트는, 천공 구멍으로 떨어져 유실되는 경우, 제조하고 회수하는데 비용이 많이 든다. 이것이 종래의 DTH 해머의 드릴 비트의 상당한 문제점이라는 것은, 천공 구멍으로 떨어지는 것을 방지하도록 비트 어셈블리 내부에 파손된 비트를 유지하는 수단과 관련하여 다양한 특허가 존재한다는 사실에 의해 증명된다. 이런 특허의 예로는, US 5,065,827호, US 4,003,442호, WO 96/15349호, WO 98/05476호, WO 03/062585호, 및 WO 03/062586호가 있다. 하지만, 이러한 특허에서 공개된 발명은, 비트 샤프트가 파손된 후에 발생하는 문제점을 해결하는 것이지 사전에 파손을 방지하는 것이 아니다.

DTH 해머와 같은 종래의 충격 드릴 공구와 관련된 다른 단점은. 비트는 제조하는데 비용이 많이 드는 기다란 생크부를 구비한다는 것이다. 기다란 생크부는, 회전 토크의 전달을 위해 충분히 지지하도록 충분한 길이의 스플라인 생크부 및 비트의 유지를 위한 스플라인 위의 영역을 제공하기 위해 필요하다. 종래의 해머에서는, 비트 헤드 또는 컷팅면이 마모될 때, 생크는 종종 양호한 상태일 수 있지만 커팅면과 일체로 만들어지기 때문에 폐기해야 한다. 헤드/커팅면의 조기 마모는, 컷팅 헤드에서 텅스텐 카바이드 인서트를 마모시키는 재료 또는 연마성이 강한 암반(very abrasive rock)에서 천공이 수행되는 경우에 생길 수 있다. 대다수의 종래의 해머에서는, 비트에 풋 밸브가 구비될 필요가 있다. 풋 밸브는, 해머의 기능의 필수적인 부분으로서 필요하며, 즉, 피스톤이 타격 위치에 있을 때, 바닥부 리프트 챔버(bottom lift chamber)는 피스톤의 보어 및 풋 밸브의 외측에 의해 밀봉된다. 이 경우에만, 피스톤은 상승하게 된다. 풋 밸브는 자주 파손되어 작업 중단(down-time)으로 이어진다.

그러므로, 비트 생크의 길이가 종래의 충격 드릴 공구에 비해 실질적으로 감소하는, 충격 드릴 공구용 드릴 비트 어셈블리를 제공하는 것이 바람직하다. 하지만, 이렇게 비트의 길이가 감소한다면, 비트를 척 내부에 유지시키는 것은 더욱 어려워진다. 비트 유지링이 척 위에 배치되고 비트 상의 고리형 쇼울더와 함께 동작하는 경우, 기다란 비트 생크를 유지하는데 이용되는 전통적인 배치구성은 짧아진 스터브 생크 용도로 사용하는데에는 적절하지 않다. 이것은, 구동 척의 최대 길이가 스터브 생크의 길이에 의해 제한되기 때문이다. 척은, 외피 슬리브와 결합하기 위한 상부 나사부와 외피 슬리브의 하단이 지나치게 마모되는 것을 방지하기 위한 하부 연장부를 구비해야 하는데, 이러한 상부 나사부와 하부 연장부는 의도한 목적을 달성하기 위해 충분히 길어야 하기 때문에, 척의 전체 길이가 생크 길이에 따른 한계 내에서 최대화되는 것이 바람직하다. 그러므로, 비트 유지링을 척 위에 배치하여 그 최대 길이를 더욱 제한하는 배치구성을 피하는 것이 바람직하다.

본 출원인의 유럽 특허 1 910 640호에는, 전술한 많은 문제점을 극복한 유체 작동식 충격 드릴 공구용 드릴 비트 어셈블리가 공개되어 있다. 이 어셈블리는, 축방향으로 연장되는 스터브 생크가 형성되는 헤드부를 구비한 충격 비트를 포함한다. 스터브 생크에는 축방향으로 연장되는 스플라인이 형성되는데, 이 스플라인은 구동 척 상에 형성되는 상보적인 스플라인과 슬라이딩 가능하게 결합할 수 있다. 척으로부터의 회전 구동이 스플라인에 의해 스터브 생크에 전달될 수 있다. 척에서의 비트 유지 수단은, 스터브 생크를 드릴 비트 어셈블리에 유지시키도록 스터브 생크의 스플라인부에서 상보적인 유지 수단과 결합하도록 구성된다. 척 상의 결합 수단은, 유체 작동식 충격 드릴 공구의 구동 수단에 척을 연결하도록 구성된다.

이러한 배치구성은 종래의 시스템을 넘어서는 다양한 장점을 가진다. 비트를 척 내부에 유지시키기 위한 수단이 스터브 생크의 스플라인부로 이동했기 때문에, 이러한 어셈블리를 통해, 생크의 길이가 감소하고 척의 길이가 최대화될 수 있다. 또한, 회전 토크를 전달하기 위한 스플라인드 지지부(splined support)가 비트 유지 수단의 위 아래 모두에 제공된다. 다른 장점으로서, 비트에 풋 밸브가 구비될 필요가 없다. 이전 설계의 풋 밸브와 피스톤의 상호 작동은, 어셈블리에 제공되는 부싱(bushing)의 보어를 밀봉하는 피스톤의 노즈가 대신하게 된다.

하지만, 유럽 특허 1 910 640호의 배치구성과 관련하여 많은 단점도 존재한다. 이런 단점 중 하나는, 부싱의 보어를 밀봉하는 피스톤 노즈가 풋 밸브를 대체하게 되면 피스톤 노즈에서의 구조가 상대적으로 약해진다는 점이 있다. 이러한 본질적인 약점을 상쇄하기 위해, 피스톤 노즈의 지름(ΦB)을 감소시키는 것이 바람직하다. 하지만, 타격 위치에서 피스톤에 가하는 양력(lift force)은 압축 공기가 작용하는 압력면(pressure face)의 면적에 따라 부여되므로, 피스톤의 노즈의 지름(ΦB)을 감한 피스톤의 지름(ΦA)에 비례한다. 상승 거리가 충격값, 차례로 천공 속도에 직접적인 영향을 미치기 때문에, 양력이 해머 내부에서 최대화되는 것이 바람직하다. 피스톤 노즈의 지름을 증가시켜 피스톤의 강도를 향상시키면, 양력이 낮아져서 드릴 성능에 악영향을 주게 된다.

따라서, 피스톤의 강도와 양력이 최대화되는 풋 밸브 없는 해머를 제공하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일측면에 따르면, DTH(down-the-hole) 해머가 제공되는데, 상기 해머는, 외측 원통형의 외피 슬리브(outer wear sleeve); 및 상기 외피 슬리브 내부에서 왕복운동을 하도록 장착되어, 상기 외피 슬리브의 전방 단에 위치되는 드릴 비트 어셈블리의 충격 비트를 타격하는 슬라이딩 피스톤을 포함하되, 상기 드릴 비트 어셈블리는, 축방향으로 연장되는 스터브 생크(stub shank)가 형성되는 헤드부를 갖는 충격 비트; 상기 스터브 생크 상의 축방향으로 연장되는 스플라인으로서, 구동 척 상에 형성되는 상보적인 스플라인과 슬라이딩 가능하게 결합할 수 있어서, 상기 척으로부터의 회전 구동이 상기 스터브 생크로 전달될 수 있는, 스플라인; 상기 스터브 생크를 상기 드릴 비트 어셈블리에 유지시키도록 상기 스터브 생크 상의 유지 쇼울더와 결합되도록 구성되는 비트 유지링; 유체 작동식 (fluid-operated) 충격 드릴 공구의 구동 수단에 상기 척을 연결하도록 구성되는, 상기 척 상의 결합 수단; 및 상기 척 위에 배치되는 부싱(bushing)을 포함하며, 상기 비트 유지링은 상기 척의 상단과 결합하기 위해 쇼울더를 포함하여, 상기 유지링이 상기 어셈블리에 제 위치로 유지되도록 하고, 상기 부싱의 상부의 내측 지름은, 피스톤 노즈(piston nose)와 밀봉 끼워맞춤(sealing fit)을 제공하는 크기를 갖고, 상기 부싱의 하부 또는 비트 유지링의 내측 지름은, 상기 스터브 생크 상의 상기 유지 쇼울더의 외측 지름과 꼭 맞게 슬라이딩 끼워맞춤(sliding fit)을 제공하는 크기를 가진다.

이런 배치구성의 첫 번째 장점으로서, 유지 쇼울더와 부싱 또는 유지링 사이의 꼭 맞는 슬라이딩 끼워맞춤을 통해, 비트의 안정성이 향상된다. 이런 배치구성의 더 중요한 다른 장점으로서는, 피스톤 노즈와 부싱, 및 부싱 또는 유지링과 비트 사이의 밀봉 끼워맞춤 때문에, 해머에 공급되는 압축 공기가 피스톤의 노즈와 부싱 사이에 갇히게 되어, 피스톤에 가해지는 양력이 증가하게 된다. 피스톤이 비트의 상면에 접촉할 때, 공기가 피스톤 보어로부터 배출된다. 부싱 또는 유지링과 스터브 생크 상의 유지 쇼울더 사이의 꼭 맞는 슬라이딩 끼워맞춤 덕분에, 공기가 비트 측 아래로 배출되는 것이 방지된다. 그러므로, 피스톤이 부싱의 상단과 접촉할 때, 갇힌 공기의 챔버가 부싱 내부에서 생성되는데, 이로써 압축 공기가 종래 기술의 시스템보다 더 큰 영역에 작용함에 따라, 피스톤에 가해지는 양력이 증가한다.

일실시예에서, 비트 유지링의 쇼울더는 그 상단에 제공되는 외향의 받침부(abutment)이며, 척 위에 배치되어 유지링을 어셈블리에 제 위치로 유지시키고, 부싱은, 외향의 받침부가 척의 상단과 부싱의 하부 사이에 제 위치로 유지되도록 배치된다.

바람직하게, 유지 쇼울더는 실질적으로 원통형이다. 부싱의 하부 및/또는 유지링의 내측면(internal profile)도 원통형일 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 비트 유지링에는 그 하단에 하나 이상의 슬롯이 형성된다. 예를 들어, 비트 유지링에는 그 하단에 지름 방향으로 양측에 한 쌍의 슬롯이 형성될 수 있다. 이러한 배치구성의 장점으로서, 비트가 완전히 하강할 때, 피스톤 노즈와 비트 사이에 갇힌 공기의 쿠션이 슬롯과 비트와 척 사이를 통해 배출된다. 이로써, 계속 순환함으로써 발생하는 손상으로부터 해머 자체를 보호할 수 있다.

부싱에서 그 상단과 하단 사이에 내측 쇼울더가 형성되도록, 부싱의 하부의 내측 지름은 부싱의 상부의 내측 지름보다 크게 형성된다. 피스톤 노즈는, 공지된 방식으로, 지름(ΦB)이 증가하는 피스톤의 일부로 형성된다. 이러한 피스톤의 일부는, 해머가 타격 위치에 있을 때, 부싱의 상부를 밀봉한다. 쇼울더의 위치, 즉, 부싱의 내측 지름의 변화는 피스톤 노즈의 밀봉 부분과 부싱의 상부 사이의 중첩(overlap)을 최적화하도록 선택된다. 중첩되는 부분이 짧을 수록(즉, 부싱에서의 내측 쇼울더가 높은 위치에 있을수록), 비트가 완전히 하강할 때, 공기가 해머로부터 더 빨리 배출된다.

일부 실시예에서, 부싱의 하부는 스터브 생크 상의 유지 쇼울더의 외측 지름과의 꼭 맞는 슬라이딩 끼워맞춤을 제공한다.

다른 실시예에서, 비트 유지링은 유지 쇼울더의 외측 지름과의 꼭 맞는 슬라이딩 끼워맞춤을 제공한다. 이러한 실시예에서, 외피 슬리브가 과도하게 마모되지 않도록 보호하는, 척의 하부 연장부의 길이는, 부싱이 유지 쇼울더와의 슬라이딩 끼워맞춤을 제공하는 실시예와 비교하여 증가한다.

선택적으로, 스터브 생크에는 그 상단에 연장관(extension tube)이 형성되는데, 연장관이 피스톤 보어와의 밀봉을 형성하는 크기를 갖도록, 연장관의 외측 지름은 상기 피스톤 보어의 내측 지름에 부합한다. 이런 배치구성의 장점으로서, 공기의 쿠션이 형성되는 피스톤 타격 부분을 증가시킴으로써, 비트의 상단과 피스톤 노즈 사이에 갇힌 공기 쿠션에 의해 제공되는 양력을 더욱 증가시키게 되고, 즉, 이렇게 하지 않은 경우보다 더 빨리 피스톤이 비트와 밀봉 접촉을 하게 된다.

또한, 공기가 피스톤과 비트 타격면 사이로 타격 길이의 일부에 걸쳐 공급된다. 바람직하게, 타격 길이의 일부는 상기 연장관보다 작거나 같다. 이것은, 피스톤 노즈와 슬라이딩 결합하기 위한 내측 지름을 갖는 부싱의 상부가 상대적으로 짧게 되도록, 부싱의 상단 측으로 내측 쇼울더를 구비함으로써, 달성될 수 있다. 그러므로, 얼라이너와의 피스톤의 밀봉 부분은, 전술한 본 발명의 실시예와 비교하여 상측으로 움직인다. 이 실시예에서, 피스톤이 타격 위치에 있을 때, 부싱의 상부와 피스톤 노즈의 밀봉 부분 사이에 중첩되는 부분이 없으므로, 공기가 타격 위치에서의 부스트 챔버(boost chamber)에 공급된다. 타격 위치와, 부싱의 상부와 피스톤 노즈의 밀봉 부분이 중첩되는 지점 사이에서 피스톤의 이동 거리는 바람직하게, 스터브 생크 상의 연장관의 길이보다 짧다. 이러한 배치구성의 장점으로서, 피스톤 노즈와 비트 사이에 갇힌 공기에 의해 상승 효과(boost effect)가 더욱 향상되는데, 이는 피스톤이 상승할 때, 피스톤 노즈가 부싱의 상단을 밀봉할 때까지 부싱의 상부와 피스톤 노즈 사이의 간격으로 공기가 공급되기 때문이다. 내부 쇼울더를 상측으로 부싱의 상부 측으로 시프트시킴으로써, 이러한 상승 효과가 더 넓은 타격 부분에 걸쳐 제공된다. 또한, 상승 효과가 제공되는 타격 부분은 스터브 생크 상의 연장관의 길이에 따라 달라진다.

이제부터 본 발명에 따른 DTH 해머(down-the-hole hammer)의 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다. 다음은 첨부된 도면의 설명이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 DTH 해머의 측단면도로서, 해머가 바닥부로부터 벗어난 위치(off-bottom position)에 있는 것을 나타낸다.
도 2는 도 1의 DTH 해머의 측단면도로서, 피스톤이 타격 위치에 있는 것을 나타낸다.
도 3은 도 1의 DTH 해머의 측단면도로서, 피스톤이 상사점(top-of-stroke) 위치에 있는 것을 나타낸다.
도 4는 도 2의 하부를 확대한 측단면도이다.
도 5는 도 1의 하부를 확대한 측단면도이다.
도 6은 도 1의 DTH 해머의 비트 커플링 시스템의 분해사시도이다.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 DTH 해머의 하부를 확대한 측단면도이다.
도 8은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 DTH 해머의 하부를 확대한 측단면도이다.
도 9는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 DTH 해머의 하부의 측단면도로서, 피스톤이 타격 위치에 있는 것을 나타낸다.
도 10은 도 9의 DTH 해머를 선 Y-Y를 따라 취한 단면도이다.
도 11은 도 9의 해머의 하부의 측단면도로서, 해머가 바닥부로부터 벗어난 위치에 있는 것을 나타낸다.
도 12는 도 11의 해머를 선 Z-Z를 따라 취한 단면도이다.
도 13은 조립되기 전 위치(pre-assembled position)에 있는, 도 9의 해머의 드릴 비트 어셈블리의 부품의 단면도이다.
도 14는 도 13의 해머를 선 W-W를 따라 취한 단면도이다.
도 15는 도 9의 DTH 해머의 비트 커플링 시스템의 분해사시도이다.

본 발명의 제 1 실시예에 따른 DTH 해머(down-the-hole hammer)가 도 1 내지 6에 도시되고 있다. 해머는 외측 원통형의 외피 슬리브(outer wear sleeve)(5)를 포함한다. 내측 실린더(25)는 외피 슬리브 내부에 동축으로 장착된다. 슬라이딩 피스톤(8)은 내측 실린더 및 외피 슬리브 내부에서 왕복운동을 하도록 장착되어, 외피 슬리브의 전방 단에 위치하는 해머 비트(1)를 타격하여 드릴 비트에 충격력을 가한다. 회전력은 회전하는 외피 슬리브(5)로부터 척(4)에 의해 전달된다. 외피 슬리브(5)는 지표면에 있는 굴착 장치(drilling rig) 상의 회전 모터에 연결되는 드릴 스트링(drill string)에 나사식으로 연결된다.

비트 어셈블리의 헤드부(3)는, 공지된 방식으로 텅스텐 카바이드 인서트(tungsten carbide insert)(31)를 구비한 충격 비트(1)를 포함한다. 비트 헤드부(3)에는 축방향으로 연장되는 스터브 생크(stub shank)(32)가 형성된다. 스터브 생크(32)에는, 하부 스플라인부(lower splined portion)(33), 상부 고리형 유지 쇼울더부(upper annular retaining shoulder portion)(37) 및 중간부(50)가 형성되는데, 하부 스플라인부(33)에는 복수의 축방향으로 연장되는 스플라인(36)이 구비된다. 유지 쇼울더부(37)와 중간부(50)에는 스플라인이 구비되지 않는다. 상부 고리형 유지 쇼울더부(37)는 실질적으로 원통형이다. 일정한 지름(ΦD)을 갖는 쇼울더에는 연속적인 원형의 상면(top face)(65)이 형성된다.

회전 토크는 척(4)를 통해 비트 헤드부(3)에 가해진다. 중공의 원통형 척(4)은 내측이 기계가공되어 내벽 상에, 척(4)으로부터 드릴 비트에 회전 구동을 전달하도록 생크(32)의 슬프라인(36)과 결합하는, 복수의 축방향으로 연장되는 내측 스플라인(35)을 구비한다. 척(4)의 상부에는 외측 나사산이 형성된다. 척(4)은 또한, 척(4)이 외피 슬리브에 나사결합되는 경우에 정지부(stop)로서 작용하는 외측 고리형 쇼울더(38)를 구비한다.

비트 어셈블리는 비트 유지링(bit retaining ring)(141)을 더 포함한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 조립을 쉽게 하기 위해, 링(141)은 2개의 반-링부(half-annular part)(141a, 141b)로 형성된다. 비트 유지링(141)의 내측 지름(ΦF)은 비트의 상단(37)의 지름(ΦD)보다 크다. 도 4와 5에 도시된 바와 같이, DTH 해머가 조립될 때, 링(141)의 하단부(142)는 척 내부에 배치된다. 링(141)의 하단에는 내향 받침부(abutment) 또는 쇼울더(143)가 형성된다. 비트 유지링(141)은 추가적으로 그 상단에 외향 받침부 또는 쇼울더(144)를 구비한다. 조립된 비트 어셈블리에서, 내향 받침부(143)는 스터브 생크(32) 상의 유지 쇼울더(37)와 결합하여, 스터브 생크를 드릴 비트 어셈블리에 유지한다. 비트 유지링(141)에는 그 하단부(142)에 한 쌍의 슬롯(68)이 형성된다. 척(4)은 외피 슬리브(5)의 하단에 나사결합되며, 이렇게 함으로써, 유지 링(141)의 쇼울더(144)가 척(4)의 상단(45)과 얼라이너(aligner) 또는 부싱(bushing)(61)의 하단(60) 사이에서 제 위치로 유지된다. 또한, 척이 외피 슬리브(5)와 나사산 결합을 함으로써, 회전 토크가 외피 슬리브(5)로부터 척(4)을 통해 비트(1)로 전달될 수 있다.

얼라이너 또는 부싱(61)의 상부(64)의 내측 지름은, 피스톤 노즈(20)의 지름(ΦB)과의 꼭 맞는 슬라이딩 끼워맞춤(close sliding fit)을 제공한다. 이로써, 피스톤(8)이 타격 위치(strike position)(도 2)로 이동할 때, 리프트 챔버(12)에 공급되는 압축 공기는 피스톤 노즈(20)와 얼라이너(61)에 의해 밀봉된다. 얼라이너 또는 부싱(61)에는 내측 쇼울더(62)가 형성됨으로써, 얼라이너의 하부(63)는, 비트의 상부 원통부(37)의 외측 지름(ΦD)과 전체 외주 둘레로 꼭 맞게 슬라이딩 끼워 맞춰지는 더 큰 내측 지름(ΦE)을 갖게 된다.

피스톤(8)은 내측 실린더(25) 및 외피 슬리프(5) 내부에서 왕복 운동을 하도록 장착되어, 비트에 충격력을 가하도록 쇼울더(37)의 상면을 타격한다. 피스톤의 상부(66)는 일정한 지름(ΦA)을 갖는다. 피스톤에는 중앙 보어(bore)(9)가 형성된다. 척(4)의 스플라인(35)은 생크 상의 상보적인 스플라인(36)과 슬라이딩 가능하게 결합하여, 충격 동작 동안에 헤드부(3)가 척에 대하여 축방향으로 이동되도록 한다. 도 5에서 가장 명확하게 도시된 바와 같이, 비트(3)가 연장 위치에 놓일 때, 척(4) 내부에 배치되는 비트 유지링(141)의 하단 상의 외향 받침부(143)는 스터브 생크를 드릴 비트 어셈블리에 유지시키도록 유지 쇼울더(37)와 결합한다.

해머 사이클은 도 1 내지 3에 도시되어 있다. 도 1 및 도 5는 해머가 바닥부로부터 벗어난 위치(off-bottom position)에 있는 것을 나타낸다. 피스톤(8)은, 배출 공기가 피스톤(8)의 보어(9) 및 비트(1)의 보어(10)를 통해 페이스 플러싱 구멍(face flushing hole)(11)으로 플러싱되게 한다.

도 3은 상사점에 있는 피스톤(8)을 나타낸다. 전술한 바와 같이, 얼라이너 또는 부싱(61)은 풋 밸브(footvalve)를 대신하여 드릴 어셈블리에 구비되어, 피스톤 노즈(20)와 함께 작동한다. 피스톤 노즈(20)가 어라이어(61)와 접촉하고 있지 않기 때문에, 리프트 챔버(12)는 어라이어(61) 및 보어(10, 11)를 통해 배출하도록 개방된다. 상부 챔버(16)에는 포트(19)와 채널(17)을 통해 압축 공기가 공급된다. 챔버(16)은 분배기 프로브(distributor probe)(18)에 의해 밀봉된다. 그 결과, 피스톤이 강제로 하강하게 되어 비트를 타격한다. 피스톤(8)이 비트의 상면(65)에 접촉할 때, 공기는 피스톤의 보어(9)로부터 배출된다. 얼라이너의 하부(63)와 비트의 상부(37) 사이가 밀봉되기 때문에, 공기는 비트의 하측으로는 배출되지 못한다. 그러므로, 모든 공기는 비트 보어를 통해 플러싱되며, 피스톤의 위치에 상관없이 비트의 타격면 주위에 공기 챔버가 생성된다. 피스톤이 비트에 접촉할 때, 이러한 공기 중 일부는 피스톤과 비트 사이의 "부스트 챔버(boost chamber)"에 갇히게 된다.

도 2 및 도 4는 타격 위치에 있는 해머를 나타낸다. 압축 공기는, 챔버(13) 하측으로 공급되어, 피스톤 그리브(greeve)(14) 및 외피 슬리브 언더컷(wear sleeve undercut)(15)을 통해 압력 챔버(12)로 공급된다. 이러한 공기는 피스톤 노즈(20)와 어라이어(61)에 의해 밀봉된다. 동시에, 상부 챔버(16)는 보어(9, 10, 11)를 통해 배출하도록 개방된다. 그 결과, 피스톤(8)이 상승하게 되고, 사이클이 반복된다. 압축 공기가 전보다 더 큰 영역, 즉, "ΦA-ΦC"에 비례하는 면적에 작용함에 따라, "부스트 챔버"에 갇힌 공기가 일종의 "쿠션"역할을 하여, 양력(lift force)을 증가시킨다.

비트(1)가 완전히 하강할 때, 피스톤 노즈(20)와 비트의 상부(37) 사이에 갇힌 압축 공기를 배출하는 것이 중요하다. 비트 유지링(141)의 상부(67)의 지름(ΦF)이 비트의 상부(37)의 지름보다 크기 때문에, 피스톤 노즈와 비트 사이에 갇힌 공기의 "쿠션"은 슬롯(68)을 통해 비트(1)과 척(4) 사이로 배출된다.

본 발명의 제 2 실시예에 따른 해머가 도 7에 도시되어 있다. 이 실시예에서, 드릴 비트(1)에는 그 상단에 연장관(70)이 형성된다. 연장관은 비트의 상면(65)으로부터 연장되며, 일정한 지름(ΦG)을 갖는데, 이것은 피스톤의 보어(9)를 밀봉하기 위한 크기를 갖는다. 도 7에 도시된 바와 같이, 오목부가 피스톤의 보어에 형성되는데, 오목부의 내측 지름은 연장관(70)을 밀봉하기 위한 크기를 갖는다. 이로써, 길이(Y)만큼 공기의 "쿠션"이 획득되는 피스톤 타격 부분을 증가시킴으로써, 피스톤 노즈와 비트의 타격면(65) 사이에 갇히게 되는 공기에 의해 제공되는 양력 상승을 더욱 증가시키게 된다.

본 발명의 제 3 실시예에 따른 해머가 도 8에 도시되어 있다. 이 실시예에서, 얼라이너(61)에서의 쇼울더(62)는, 도 4의 얼라이너와 비교하여 상측으로 시프트된다. 이로써, 피스톤이 상측으로 이동하여 길이(X)가 닫힐 때까지, 피스톤이 타격 위치에 있을 때 피스톤 상의 지름(ΦI)과 얼라이너 상의 지름(ΦH) 사이의 간격으로 공기가 공급됨에 따라, 피스톤 노즈(20)와 타격면(65) 사이에 갇히게 되는 공기의 상승 효과(boost effect)를 더욱 증가시키게 된다. 타격 위치와, 부싱의 상부가 피스톤 노즈의 밀봉된 부분과 중첩되는 지점 사이의 길이(X)는 스터브 생크 상의 연장관의 길이(Y)보다 짧다.

본 발명의 제 4 실시예에 따른 DTH해머가 도 9 내지 15에 도시되어 있다. 이전 실시예와 유사하게, 해머가 외측 원통형의 외피 슬리브(5)를 포함한다. 내측 실린더(미도시)는 외피 슬리브 내부에 동축으로 장착된다. 슬라이딩 피스톤(8)은 내측 실린더 및 외피 슬리브 내부에서 왕복운동을 하도록 장착되어, 외피 슬리브의 전방 단에 위치되는 해머 비트(1)를 타격하여 드릴 비트에 충격력을 가한다. 회전력은 회전하는 외피 슬리브(5)로부터 척(4)에 의해 전달된다. 외피 슬리브(5)는 지표면에 있는 굴착 장치상의 회전 모터에 연결되는 드릴 스트링에 나사식으로 연결된다.

비트 어셈블리의 헤드부(3)는, 공지된 방식으로 텅스텐 카바이드 인서트(31)를 구비한 충격 비트(1)를 포함한다. 비트 헤드부(3)에는 축방향으로 연장되는 스터브 생크(32)가 형성된다. 스터브 생크(32)에는, 하부 스플라인부(33), 상부 고리형 유지 쇼울더부(37) 및 중간부(50)가 형성되는데, 하부 스플라인부(33)에는 복수의 축방향으로 연장되는 스플라인(36)이 구비된다. 유지 쇼울더부(37)와 중간부(50)에는 스플라인이 구비되지 않는다. 상부 고리형 유지 쇼울더부(37)는 실질적으로 원통형이다. 일정한 지름(ΦD)을 갖는 쇼울더에는 연속적인 원형의 상면(65)이 형성된다.

비트 어셈블리는 비트 유지링(141)을 더 포함한다. 도 15에 도시된 바와 같이, 조립을 쉽게 하기 위해, 링(141)은 3개의 고리형상부(three-part annular section)(141a, 141b, 141c)로 형성된다. 비트 유지링(141)의 내측 지름은, 비트의 상단(37)과 전체 외주 둘레로 꼭 맞게 슬라이딩 끼워 맞춰진다. 도 9와 11에 도시된 바와 같이, DTH 해머가 조립될 때, 링(141)의 하단부(142)는 척 내부에 배치된다. 링(141)의 하단에는 내향 받침부 또는 쇼울더(143)가 형성된다. 비트 유지링(141)은 추가적으로 그 상단에 외향 받침부 또는 쇼울더(144)를 구비한다. 조립된 비트 어셈블리에서, 내향 받침부(143)는 스터브 생크(32) 상의 유지 쇼울더(37)와 결합하여, 스터브 생크를 드릴 비트 어셈블리에 유지한다. 비트 유지링(141)에는 그 하단부(142)에 3 개의 슬롯(68)이 형성된다. 비트 유지링(141)의 외측 지름은, 챔버(148)가 척과 비트 유지링 사이에 형성되도록 그 하부에서 감소한다. 이러한 챔버(148)를 통해, 비트가 완전히 하강하게 될 때, 비트와 피스톤 노즈 사이에 갇힌 공기가 배출될 수 있게 된다.

도 13에 도시된 바와 같이, 중공의 척(4)에는 내측 카운터보어(counterbore)가 형성되어, 척의 내측 보어는 그 상단의 지름이 증가하게 된다. 척의 내측 보어의 지름은 테이퍼 형상으로 형성되어, 척(4)의 상단에 내측 웨징(캠) 표면(wedging(cam) surface)(146)을 구비한다. 유지링(141)은 그 상단의 지름이 증가하게 되고, 웨징(캠) 표면(146)의 형상에 대응되는 테이퍼 형상의 쇼울더(147)가 그 중간 부분에 형성된다. 척(4)의 테이퍼 형상의 표면(146)이 링(141)에 웨징 또는 스웨이징 효과(swaging effect)를 주기 때문에, 테이퍼 형상의 표면(146)과 비트 유지링 상의 쇼울더(147)는 함께 작동하여 링이 척으로 쉽게 삽입된다. 척(4)은 외피 슬리브의 하단에 나사결합되며, 이렇게 함으로써, 유지 링(141)의 쇼울더(144)가 척(4)의 상단(45)과 얼라이너 또는 부싱(61)의 하단(60) 사이에서 제 위치로 유지된다. 또한, 척이 외피 슬리브(5)와 나사산 결합을 함으로써, 회전 토크가 외피 슬리브(5)로부터 척(4)을 통해 비트(1)로 전달될 수 있다.

얼라이너 또는 부싱(61)의 상부(64)의 내측 지름은, 피스톤 노즈(20)의 외측 지름과의 꼭 맞는 슬라이딩 끼워맞춤을 제공한다. 이로써, 피스톤(8)이 타격 위치(도 9)로 이동할 때, 리프트 챕버(12)에 공급되는 압축 공기는 피스톤 노즈(20)와 얼라이너(61)에 의해 밀봉된다. 얼라이너 또는 부싱(61)에는 내측 쇼울더(62)가 형성됨으로써, 얼라이너의 하부(63)는, 더 큰 내측 지름을 갖게 된다.

피스톤(8)은 내측 실린더(25) 및 외피 슬리프(5) 내부에서 왕복 운동을 하도록 장착되어, 비트에 충격력을 가하도록 쇼울더(37)의 상면을 타격한다. 피스톤의 상부(66)는 일정한 지름(ΦA)을 갖는다. 피스톤에는 중앙 보어(9)가 형성된다. 척(4)의 스플라인(35)은 생크 상의 상보적인 스플라인(36)과 슬라이딩 가능하게 결합하여, 충격 동작 동안에 헤드부(3)가 척에 대하여 축방향으로 이동되도록 한다. 도 11에서 가장 명확하게 도시된 바와 같이, 비트(3)가 연장 위치에 놓일 때, 척(4) 내부에 배치되는 비트 유지링(141)의 하단 상의 외향 받침부(143)는 스터브 생크를 드릴 비트 어셈블리에 유지시키도록 유지 쇼울더(37)와 결합한다.

해머 사이클은, 도 1 내지 3를 참조하여 전술한 것과 실질적으로 동일하다. 도 11은 해머가 바닥부로부터 벗어난 위치(off-bottom position)에 있는 것을 나타낸다. 피스톤(8)은, 배출 공기가 피스톤(8)의 보어(9) 및 비트(1)의 보어(10)를 통해 페이스 플러싱 구멍(face flushing hole)(11)으로 플러싱되게 한다. 얼라이너 또는 부싱(61)은 풋 밸브(footvalve)를 대신하여 드릴 어셈블리에 구비되어, 피스톤 노즈(20)와 함께 작동하게 된다. 상사점(미도시)에서, 피스톤 노즈(20)가 어라이어(61)와 접촉하고 있지 않기 때문에, 리프트 챔버(12)는 어라이어(61) 및 보어(10, 11)를 통해 배출되도록 개방된다. 상부 챔버(16)에는 포트(19)와 채널(17)을 통해 압축 공기가 공급된다. 챔버(16)은 분배기 프로브(18)에 의해 밀봉된다. 그 결과, 피스톤이 강제로 하강하게 되어 비트를 타격한다. 피스톤(8)이 비트의 상면(65)에 접촉할 때, 공기는 피스톤의 보어(9)로부터 배출된다. 유지링(141)과 비트의 상부(37) 사이가 밀봉되기 때문에, 공기는 비트의 하측으로는 배출되지 못한다. 그러므로, 모든 공기는 비트 보어를 통해 플러싱되며, 피스톤의 위치에 상관없이 비트의 타격면 주위에 공기 챔버가 생성된다. 피스톤이 비트에 접촉할 때, 이러한 공기 중 일부는 피스톤과 비트 사이의 "부스트 챔버"에 갇히게 된다.

도 9는 타격 위치에 있는 해머를 나타낸다. 압축 공기는, 챔버(13) 하측으로 공급되어, 피스톤 그리브(14) 및 외피 슬리브 언더컷(15)을 통해 압력 챔버(12)로 공급된다. 이러한 공기는 피스톤 노즈(20)와 얼라이너(61)에 의해 밀봉된다. 동시에, 상부 챔버(16)는 보어(9, 10, 11)를 통해 배출하도록 개방된다. 그 결과, 피스톤(8)이 상승하게 되고, 사이클이 반복된다. 압축 공기가 전보다 더 큰 영역, 즉, "ΦA-ΦC"에 비례하는 면적에 작용함에 따라, "부스트 챔버"에 갇힌 공기가 일종의 "쿠션"역할을 하여, 양력을 증가시킨다.

비트(1)가 완전히 하강할 때, 피스톤 노즈(20)와 비트의 상부(37) 사이에 갇힌 압축 공기를 배출하는 것이 중요하다. 본 실시예에서, 비트 유지링(141)의 상부(67)의 내측 지름이 비트의 상부(37)의 지름과 실질적으로 동일하다. 그러나, 유지링(141)의 외측 지름은 그 하부(145)에서 감소됨으로써, 챕버(148)가 유지링과 척 사이에서 형성되게 된다. 피스톤 노즈와 비트 사이에 갇히게 되는 공기의 "쿠션"은 슬롯(68)을 통해 챔버(148)로 배출되고 비트(1)와 척(4) 사이를 통해 밖으로 배출된다.

명세서에서 사용된 용어 "포함하다(comprises)/포함하는(comprising)"와 "갖는(having)/포함하는(including)"은 명시된 특징, 정수, 단계 또는 구성 요소의 존재를 특정하는데 사용되지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 구성 요소 또는 이것들의 조합의 존재 또는 부가를 배제하는 것은 아니다.

명확성을 위해 별도의 실시예의 맥락에서 설명되는 본 발명의 특정한 특징은 또한 하나의 실시예로 조합되어 제공될 수 있음은 당연하다. 반대로, 간결성을 위해 하나의 실시예로 설명되는 본 발명의 다양한 특징은 또한 개별적으로 또는 적절한 서브 조합으로 제공될 수 있다.

Claims

DTH(down-the-hole) 해머에 있어서,
외측 원통형의 외피 슬리브(outer wear sleeve); 및
상기 외피 슬리브 내부에서 왕복운동을 하도록 장착되어, 상기 외피 슬리브의 전방 단에 위치되는 드릴 비트 어셈블리의 충격 비트를 타격하는 슬라이딩 피스톤
을 포함하되,
상기 드릴 비트 어셈블리는
축방향으로 연장되는 스터브 생크(stub shank)가 형성되는 헤드부를 갖는 충격 비트;
상기 스터브 생크 상의 축방향으로 연장되는 스플라인으로서, 구동 척 상에 형성되는 상보적인 스플라인과 슬라이딩 가능하게 결합할 수 있어서, 상기 척으로부터의 회전 구동이 상기 스터브 생크로 전달될 수 있는, 스플라인;
상기 스터브 생크를 상기 드릴 비트 어셈블리에 유지시키도록 상기 스터브 생크 상의 유지 쇼울더와 결합되도록 구성되는 비트 유지링;
유체 작동식 (fluid-operated) 충격 드릴 공구의 구동 수단에 상기 척을 연결하도록 구성되는, 상기 척 상의 결합 수단; 및
상기 척 위에 배치되는 부싱(bushing)
을 포함하며,
상기 비트 유지링은 상기 척의 상단과 결합하기 위해 쇼울더를 포함하여, 상기 유지링이 상기 어셈블리에 제 위치로 유지되도록 하고,
상기 부싱의 상부의 내측 지름은, 피스톤 노즈(piston nose)와의 밀봉 끼워맞춤(sealing fit)을 제공하는 크기를 갖고,
상기 부싱의 하부 또는 비트 유지링의 내측 지름은, 상기 스터브 생크 상의 상기 유지 쇼울더의 외측 지름과의 전체 외주 둘레로 꼭 맞는 슬라이딩 끼워맞춤(sliding fit)을 제공하는 크기를 갖는, DTH 해머.
제 1 항에 있어서,
상기 스터브 생크 상의 상기 유지 쇼울더에는 스플라인이 구비되지 않는, DTH 해머.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 비트 유지링에는 그 하단에 하나 이상의 슬롯이 형성되는, DTH 해머.
제 3 항에 있어서,
상기 비트 유지링은 그 하단에 지름방향으로 양측에 한 쌍의 슬롯이 형성되는, DTH 해머.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 부싱에서 그 상단과 하단 사이에 내측 쇼울더가 형성되도록, 상기 부싱의 하부의 내측 지름은 상기 부싱의 상부의 내측 지름보다 크게 형성되는, DTH 해머.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 스터브 생크에는 그 상단에 연장관(extension tube)이 형성되되, 상기 연장관이 피스톤 보어와의 밀봉을 형성하는데 알맞은 크기를 갖도록, 상기 연장관의 외측 지름은 상기 피스톤 보어의 내측 지름에 부합하는, DTH 해머.
제 6 항에 있어서,
공기가 피스톤과 비트 타격면 사이로 타격 길이의 일부에 걸쳐 공급되는, DTH 해머.
제 7 항에 있어서,
상기 타격 길이의 일부는 상기 연장관의 길이보다 작거나 같은, DTH 해머.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 해머는 역순환(reverse circulation) DTH 해머인, DTH 해머.