KR20040032118A - 충격장치 - Google Patents

Abstract

충격장치에 연결된 공구에 스트로크, 또는 응력펄스를 전달하기 위한 수단을 포함하는 록 드릴 등에 사용하는 충격장치이다. 응력펄스를 전달하기 위한 상기 수단은 상기 충격장치의 프레임 (1a) 에 지지되는 충격요소 (2) 및, 충격요소에 응력을 부여하고 이와 관련하여 충격요소 (2) 를 응력상태로부터 갑자기 해제시키는 수단을 포함하며, 그 이후에 응력에너지가 직접 또는 간접적으로 충격요소에 연결된 공구 (3) 를 향하여 응력펄스의 형태로 방출된다.

Description

충격장치{IMPACT DEVICE}

종래의 충격장치에서는, 일반적으로 유압식 또는 공압식으로 구동되며 어떤 경우에는 전기식으로 구동되는 왕복 충격식 피스톤(reciprocating percussion piston)에 의해 또는 연소기관에 의해 스트로크가 발생한다. 충격식 피스톤이 섕크 또는 공구 중 어느 하나의 충격면과 충돌할 때, 드릴 로드 등의 공구내에 응력펄스가 발생한다.

종래의 충격장치에서의 문제점은, 충격식 피스톤의 왕복운동이 장치의 제어를 어렵게 만드는 동적 가속력을 야기한다. 피스톤이 충격방향으로 가속할 때, 드릴은 동시에 반대방향으로 이동하려하기 때문에, 처리될 재료에 대한 공구 또는 드릴 비트의 단부의 압축력을 감소시킨다. 처리될 재료에 대한 공구 또는 드릴 비트의 압축력을 충분히 높게 유지하기 위해, 충격장치는 상기 재료를 향해 충분히 강하게 밀어져야 한다. 이렇게 되면, 충격장치의 지지구조 등에 추가적인 힘을 고려해야 할 필요가 있게 되며, 이러한 이유로 인해 기구는 더 커지고 더 무거워지며 제조하는데 더 많은 비용을 필요로 한다. 비록, 충격장치의 효율을 향상시키기 위해 질량이 상당히 증가해야 되겠지만, 자신의 질량으로 인해, 충격식 피스톤이 감속하고, 이것은 피스톤의 왕복 진동수를 제안하며 따라서 타격 진동수를 제한한다. 그러나, 현재의 장치에 있어서 이것은 성능을 휠씬 더 낮추는 결과가 되며, 이로 인해 실제로 충격장치의 진동수를 증가시키는 것이 가능하지 않다.

본 발명은 충격장치에 연결된 공구에 응력펄스를 전달하기 위한 수단을 포함하는 록 드릴 등에 사용하는 충격장치에 관한 것이다.

도 1 은 본 발명에 따른 충격장치의 작동원리를 개략적으로 도시한 도면이며,

도 2 는 본 발명에 따른 충격장치의 실시형태의 개략도이며,

도 3 은 본 발명에 따른 충격장치의 다른 실시형태의 개략도이며,

도 4 는 본 발명에 따른 충격장치의 제 3 실시형태의 개략도이며,

도 5 는 본 발명에 따른 충격장치의 제 4 실시형태의 개략도이며, 그리고

도 6 은 본 발명에 따른 충격요소의 실시형태의 도면이다.

본 발명의 목적은, 충격으로 발생된 동적인 힘은, 종래의 장치보다 덜 불리한 영향을 주며, 왕복 진동수를 더 용이하게 증가시킬 수 있는 충격장치를 제공하는 것이다. 본 발명에 따른 충격장치는 첨부된 청구범위에서 개시된 것에 특징이 있다.

본 발명의 기본적인 기술적 사상에 따르면, 매번의 스트로크에 대한 에너지를 저장하는 응력상태에 있는 1이상의 탄성 충격요소에 의해 스크로크가 제공된다. 응력상태에서, 충격요소의 길이는 무응력상태에서의 자신의 길이와 비교하여 변화하며, 충격요소의 응력상태가 갑자기 해제된 후, 충격요소는 자신의 원래의 길이로 복귀하여, 저장된 응력에너지에 의해 공구에 스트로크를 전달하거나, 또는 응력펄스를 전파시키게 된다.

본 발명은, 상술한 바와 같이 발생된 임펄스형 충격운동은 왕복 충격식 피스톤을 필요로 하지 않지만, 탄성 충격요소의 길이의 변화는 대략 mm 정도라는 잇점을 가지고 있다. 그 결과, 충격방향으로 큰 질량체를 전후방으로 이동시킬 필요가 없으며, 동적인 힘은 종래의 장치에서 사용하던 무거운 왕복 충격식 피스톤에 의해 발생했던 동적인 힘과 비교해서 작다. 또한, 이러한 구성은 성능의 본질적인 열화없이 왕복속도의 증가를 가능하게 한다.

도 1 은 본 발명에 따른 충격장치의 작동원리를 개략적으로 도시하고 있다. 도면에서의 파선은 충격장치 (1) 및 이 충격장치의 프레임 (1a) 을 도시하고 있으며, 프레임은 탄성충격요소 (2) 를 둘러싸고 있다. 충격요소 (2) 는 원래의 길이와 비교해서 이 요소의 길이가 변경될 정도로 압축되거나 또는 신장된다. 실제의 실시에 있어서, 이 변경은 대략 수 밀리미터, 즉 예를 들어 1 mm 내지 2 mm 이다. 충격요소의 변형은 당연히 에너지를 필요로 하며, 이 에너지는 도 2 내지 도 6 의 실제 실시예에서 도시된 것처럼 기계적으로, 유압으로 또는 유압기계적으로 요소 (2) 에 가해진다.

충격요소에 초기응력이 가해지는 경우, 예를 들어 도면의 실시예에 도시된 것처럼 압축되는 경우, 충격장치 (1) 가 앞쪽으로 밀어져서 공구 (3) 의 단부가 직접 또는 섕크 등의 별도의 연결편에 의해 충격장치의 단부에 대해 단단하게 가압된다. 이러한 상황에서, 충격요소가 압축상태에서 갑자기 해제된 후, 원래의 길이로 복귀하려한다. 그 결과, 드릴 로드 또는 몇몇 다른 공구내에 응력파가 발생하여, 종래의 충격장치와 유사하게 공구 단부로 전파하는 중에 응력파가 처리될 재료내에 스트로크를 발생시킨다.

이론적으로, 손실이 없다면 충격요소와 이것의 초기응력 또는 전파되는 응력파의 비는, 응력파의 길이가 충격요소의 변형부분 길이의 2배이고, 응력파의 강도는 충격으로 충격요소내에 존재하는 응력의 절반이 되도록 된다. 실제로, 이러한 수치는 손실 때문에 변하게 된다.

도 2 는 본 발명에 따른 충격장치의 실시형태를 개략적으로 도시하고 있으며, 충격요소 (2) 는 충격장치의 프레임 (1a) 에 대하여, 공구 (3) 로부터 멀리 위치한 충격요소의 단부가 충격장치 (1) 의 프레임 (1a) 에 지지되고 이 요소는 공구 (3) 에 인접한 단부에서 유압 피스톤 (4) 에 의해 압축되도록 위치한다. 도면은 또한 지지 조 (5a, 5b) 및 이와 대응하며 충격요소 (2) 내에 위치한 어깨부 (2a, 2b) 를 개략적으로 도시하고 있다. 충격요소의 거동과 펄스특성이 변경된다면, 피스톤으로부터 시작하는 충격요소 (2) 의 전체길이 (L₁), 또는 대응 어깨부 (2a, 2b) , 대응 지지 조 까지의 가압되는 충격요소 (2) 의 각각의 길이 (L₂, L₃) 중의 어느 하나를 사용하는 것이 가능하다.

충격요소 (2) 의 전체길이가 사용되는 경우, 이 요소는 피스톤 (4) 뒤의 압력공간 (6) 으로 공급된 작동유체에 의해 대략 압축되어, 도면에서 피스톤 (4) 의 왼쪽에 도시된 충격요소의 전체길이가 변할 것이다. 그 결과, 충격펄스의 길이는 대략 L₁의 2배가 된다. 다른 형상의 더 짧은 충격펄스가 필요한 경우, 예를 들어 지지 조 (5a) 를 대응 어깨부 (2a) 상에 위치시키고, 충격요소 (2) 에 초기응력을 가하는 경우, 충격요소는 피스톤 (4) 과 대응 어깨부 (2a) 사이의 길이에서만 압축된다. 결과적으로, 스트로크로 인해서 공구 (3) 로 전파되는 응력파의 길이는 대략 L₂의 2배이다. 심지어 더 짧은 응력파가 대응 어깨부 (2b) 와 지지 조 (5b) 에 의해 얻어진다. 따라서, 충격장치의 작동특성은 현재의 공구와 작동 조건에 따라 적절하게 변경될 수 있다.

도 3 은 본 발명에 따른 충격장치의 다른 실시형태를 도시하고 있다. 이 실시형태에 있어서, 충격장치는 충격요소에 대해 횡방향으로 이동하는 유압 피스톤 기구에 의해 구동되는 별도의 피봇 기구에 의해 변형된다. 피봇 기구는 충격요소의 중앙축선에 대해 횡방향 축선에 평행한 지지요소 (7a, 7b) 를 포함한다. 지지요소 사이에는, 지지아암 (8a, 8b) 을 통해 지지요소 (7a, 7b) 에 지지되는 작동기 (7c) 가 있다. 피스톤 (9) 은 중앙에 기다란 개구부 (9a) 를 포함하고 있으며, 작동기 (7c) 가 이 개구부에 신장하고 있다. 더욱 바람직한 구성으로서는, 피스톤 (9) 이 충격요소 (2) 의 양측에서 2개의 횡방향 로드 (9b) 를 포함하여, 그리하여 작동기 (7c) 에 작용하는 힘이 대칭적으로 평형을 이루게 된다. 피스톤 (9) 이 도면에서 오른쪽으로 이동하면, 피스톤은 작동기 (7c) 를 동일한 방향으로 밀어, 지지아암 (8a, 8b) 을 통해 지지요소 (7a, 7b) 를 더욱 멀리 움직이게 하여, 화살표 (A) 로 표시된 방향으로 충격요소 (2) 에 힘을 발생시킨다. 작동기 (7c) 가 지지요소 (7a, 7b) 사이의 중앙선과 교차할 때, 도면에서 오른쪽으로 자유롭게 회전할 수 있으며, 그 후에 지지요소 (7a, 7b) 는 다시 서로 가까이 이동할 수 있으며 충격요소 (2) 내의 인장이 공구로 향하는 응력펄스의 형태로 해제된다. 결과적으로, 피스톤 (9) 이 도면에서 왼쪽으로 이동하는 경우, 피봇 기구가 반대방향에서와 유사하게 길어지고 빠르게 짧아져서, 그 결과 공구 방향으로 새로운 응력펄스를 발생시킨다.

도 4 는 본 발명에 따른 충격장치의 제 3 실시형태를 개략적으로 도시하고 있다. 이 도면은 유체기계적 장치에 의한 충격요소 (2) 의 변형을 도시하고 있다. 이 구성에 있어서, 충격요소는 충격장치의 프레임에 대하여, 환형 어깨부와 충격장치 사이에 압력유체공간 (10) 이 형성되도록 위치한 어깨부 (2') 를 포함하고 있다. 먼저, 작동유체가 정상적인 유압이송 압력으로 이 공간 (10) 에 공급된다. 충격요소 (2) 는 다른 응력을 받을 수 있으며, 따라서 형성된 응력펄스의 형상과 강도는 공급될 작동유체의 압력, 또는 초기응력 압력을 변화시킴으로써 조정될 수 있다. 그 후, 압력유체공간 (10) 을 밀폐시키고, 기계식 트리거 요소 (12) 로 구동되는 별도의 부스터 피스톤 (11) 을 사용한다. 트리거 요소 (12) 와 부스터 피스톤 (11) 사이에는 별도의 베어링 실린더 (13) 가 존재한다. 트리거 요소는 베어링 실린더 (13) 와 마주하는 어깨부 (12a) 를 더 포함하며, 실린더는 사용중 어깨부를 따라 회전한다. 이 실시형태에 있어서, 트리거 요소가화살표 (B) 로 표시된 방향, 즉 도면에서 왼쪽으로 이동하는 경우, 압력유체공간 (10) 이 소정 압력의 작동유체로 채워진 후, 요소는 베어링 실린더 (13) 의 어깨부 (12a) 로 압력유체공간 (10) 을 향해 부스터 피스톤 (11) 을 민다. 압력유체공간 (10) 으로 이어진 압력유체채널은 트리거 요소 (12) 가 움직이기 전에 밀폐되기 때문에, 이 공간 (10) 은 둘러싸이고 공간 (10) 을 향하는 부스터 피스톤 (11) 의 삽입은 부피를 감소시키고 압력을 증가시켜, 충격요소 (2) 를 더 변형시킨다. 베어링 실린더 (13) 가 피스톤 (11) 으로부터 더 멀리 이동할 수 있어, 베어링 실린더 (13) 와 피스톤 (11) 이 어깨부 (12a) 의 돌출 형상으로 인해 빠르게 이동할 수 있는 정도로 트리거 요소가 움직이는 경우, 충격요소로부터 응력이 도면에 도시되지 않은 공구로 빠르게 해제된다. 압력유체공간 (10) 으로부터 압력매체공간으로 또는 몇몇 다른 공간으로의 채널을 실질적으로 동시에 개방하여 속도를 증가시킬 수 있기 때문에, 작동유체가 가능한 적은 손실로 압력유체공간 (10) 으로부터 압력매개공간이나 몇몇 다른 공간으로 흐를수 있게 된다. 트리거 요소가 도면에서 오른쪽으로 이동하는 경우, 필요한 왕복 진동수를 얻기 위해 작동단계를 재개하여 반복할 수 있다.

부스터 피스톤 (11) 의 기계적 구조는 유압식 구조로 대체될 수 있다. 도 4 에 도시된 구성에서, 압력공간 (10) 의 반대측에 있는 부스터 피스톤 (11) 의 단부에는 압력면이 있는데, 이는 압력공간 (10) 과 마주하는 압력면보다 더 크다. 이러한 더 큰 압력면에는 압력 매개체의 정상압력이 제공되어, 각 면에 가해지는 압력과 대응 표면적의 곱이 부스터 피스톤의 각 면에서 같아질 때까지 상기 압력면이 압력공간 (10) 을 향하여 부스터 피스톤 (11) 을 민다. 압력 매개체가 다시 공간 (10) 또는 부스터 피스톤 (11) 뒤의 공간 밖으로 신속히 유출하는 경우, 충격요소 (2) 내의 인장이 빠르게 방출되어, 그 결과 공구내에 응력펄스가 발생한다.

도 5 는 발명에 따른 충격장치의 제 4 실시형태를 도시하고 있다. 이 실시형태는 일렬로 연결되고 동시에 변형되는 몇개의 충격요소를 사용한다. 이것은, 예를 들어 중앙의 충격요소로서 중실로드를 사용하고, 이 로드 주위의 양측에는 슬리브형 요소를 사용하여 실현된다. 도면에서, 이 슬리브형 요소 (2", 2'") 는 예증을 위해 단면도로 도시되어 있다. 이 실시형태에 있어서, 각 슬리브형 요소의 단부에는 어깨부가 제공되어 있으며, 이 어깨부에 대해 중앙로드 또는 그 옆의 슬리브형 요소가 지지된다. 이 실시형태의 사용중, 충격요소의 작동길이는 앞선 모든 충격요소 (2', 2", 2"') 의 길이의 합이다. 이 실시형태에 의해서, 충격장치의 실제길이는 하나의 전체 충격요소 만큼 짧아질 수 있으며, 이 충격요소에 의해 얻어진 응력펄스의 특징은 유지된다. 상술한 것처럼 일렬로 연결된 충격요소의 경우에서와 같이, 가장 안쪽의 로드형 충격요소 (2') 와 가장 바깥쪽의 슬리브형 충격요소 (2"') 는 예를 들어 압축력을 받는데 반해, 이 2개의 요소사이에 위치한 중간의 슬리브형 충격요소 (2") 는 인장응력을 받는다. 따라서, 이러한 구성에 있어서 모든 하나 걸러의 충격요소는 압축응력을 받고 모든 그 밖의 충격요소는 인장응력을 받는다. 전술한 사항은 공구에 형성된 응력펄스의 작용에는 중요하지 않지만, 그 결과는 충격요소의 길이의 합에 대응하는 일정한 충격요소의 압축응력 또는 인장응력에 의해 제공된 응력펄스와 동일하다.

도면은 또한 본 발명에 따른 충격장치를 구현하기에 적절한 충격요소의 구성을 도시하고 있다. 이 실시형태에 있어서, 충격요소는 동일한 길이를 갖는 몇개의 평행한 부재로 형성된다. 하지만, 결과적으로, 충격요소의 길이는 이러한 부재들의 길이와 동일하며, 다른 관점에서 이 요소는 동일한 길이의 개개의 대응 단면을 갖는 충격요소에 대응한다.

도 6 은, 충격요소가 에너지를 저장하여 필요한 응력을 제공하기 위해 압축하는 대신 신장하는 실시형태를 대략적으로 도시하고 있다. 이 실시형태에 있어서, 충격요소 (2) 는 그 정면으로부터 충격장치의 공구 근처의 단부까지 지지되어, 이 요소가 충격장치 프레임의 후방을 향해 이동할 수 없다. 또한, 충격요소의 반대측 단부에는 피스톤 (4') 이 제공되어, 공구와 마주보는 피스톤 (4') 의 측면 쪽에서 충격장치의 프레임과 피스톤 (4') 사이에 압력유체공간 (6') 이 형성된다. 이 실시형태에 있어서, 충격요소는, 필요한 응력상태가 얻어질 때까지 작동유체에 의해 신장된다. 스트로크를 제공하기 위해, 압력유체공간 (6') 내의 작동유체는 도면에 대략적으로 도시된 밸브 (14) 에 의해 갑자기 흐르게 되어, 충격요소 (2) 가 자신의 정상길이로 짧아져, 그 결과 공구 (3) 에 응력펄스를 전파한다.

저장된 에너지를 충격요소로부터 공구로 전파하기위해 다소 빠르게 해제되는 응력이 필요하다. 그러나, 공구로 전파된 응력펄스의 강도와 길이를 조정하고자 한다면, 충격요소의 해제속도를 이용하는 것이 가능하다. 즉, 충격요소가 더 느리게 해제된다면, 공구로 전파하는 응력펄스의 강도는 감소하고 그 길이는 증가할 수 있으며, 처리될 재료에 공구에 의해 전달되는 스트로크의 특성이 그에 따라 변한다. 심지어 이 경우, 충격요소의 응력이 다소 빠르게 해제된다. 충격요소의 다른 대안적인 실시형태에 있어서, 구성상 필요하다면, 1이상의 평행한 중실요소가 관형 요소로 대체된다.

본 발명은 오직 실시예로서 상기의 상세한 설명과 도면에 기재되어 있으며 어떠한 경우에도 이것에 한정되어서는 안된다. 본 발명의 본질적인 특징은, 소정의 응력상태를 제공하기 위해 소정의 힘에 의해 압축응력 또는 인장응력을 받는 충격요소에 의해 공구내에 응력펄스를 발생시키고, 그 후 충격요소는 응력상태로부터 갑자기 해제되어 인장이 직접 또는 간접적으로 공구의 단부로 방출되고 더 나아가 공구로 방출되는 것이다.

Claims (10)

1. 충격장치에 연결된 공구에 응력펄스를 전달하기 위한 수단을 포함하는 록 드릴 등에 사용하는 충격장치로서,

   응력펄스를 전달하기 위한 상기 수단은 충격장치의 프레임에 지지되는 충격요소 및, 충격요소에 응력을 부여하고 이와 관련하여 충격요소를 응력상태로부터 갑자기 해제시키는 수단을 포함하며, 그 이후에 충격요소에 저장된 응력에너지가 직접 또는 간접적으로 충격요소에 연결된 공구를 향하여 응력펄스의 형태로 방출되는 것을 특징으로 하는 충격장치.
2. 제 1 항에 있어서, 충격장치에 응력을 부여하는 상기 수단은 압력유체공간, 충격요소에 설치되며 상기 압력유체공간과 마주하는 어깨부, 및 압력유체공간으로 작동유체를 공급하고 이 공간으로부터 압력을 해제하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 충격장치.
3. 제 2 항에 있어서, 압력유체공간으로부터 압력을 해제하는 상기 수단은 상기 압력유체공간으로부터 가압된 작동유체를 방출시키기 위한 수단을 포함하며, 상기 충격요소는 가압된 작동유체를 상기 압력유체공간으로 공급함으로써 응력을 받게되고 작동유체를 상기 압력유체공간 밖으로 갑자기 유출함으로써 응력상태로부터 해제되는 것을 특징으로 하는 충격장치.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 충격장치는 상기 압력유체공간과 소통하는 부스터 피스톤, 상기 압력유체공간의 부피를 감소시키고 그 공간내의 압력을 증가시키기 위해 부스터 피스톤을 압력유체공간을 향해 이동시키기 위한 수단, 및 상기 공간의 부피를 증가시키고 이와 관련하여 이 공간내 압력을 감소시키기 위해 부스터 피스톤을 압력유체공간으로부터 멀리 이동시키기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 충격요소.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 부스터 피스톤은 기계식 트리거 요소에 의해 상기 압력유체공간을 향해 밀리는 것을 특징으로 하는 충격요소.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 트리거 요소와 부스터 피스톤 사이에 별도의 베어링 실린더가 제공되며, 트리거 요소는 베어링 실린더와 마주하는 어깨부를 포함하며, 이 어깨부를 따라 베어링 실린더가 회전하며, 트리거 요소가 충분한 거리로 이동한 후, 베어링 실린더와 부스터 피스톤이 압력유체공간으로부터 멀리 빠르게 이동할 수 있어 응력펄스를 발생시키는 것을 특징으로 하는 충격요소.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 충격장치는 충격장치의 프레임과 충격요소 사이에서 피봇기구를 포함하며, 피봇기구가 중앙선과 교차할 때까지 피봇기구의 중앙에 위치한 피봇이 충격장치에 대해 횡방향으로 밀리는 경우에 이 피봇기구는 신장하고, 이피봇기구가 중앙선과 교차한 후에는 수축하며, 또한 상기 충격장치는 피봇기구를 구동시키며 충격장치에 대해 횡방향으로 이동하는 피스톤 기구를 포함하며, 피스톤 기구에 의해 피봇기구를 이동시킴으로써 충격요소가 응력을 받고 또한 응력상태로부터 빠르게 해제되는 것을 특징으로 하는 충격장치.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 충격요소는 이 요소의 종방향으로 차례로 위치한 2이상의 대응 어깨부, 및 원하는 대응 어깨부를 충격장치의 축방향으로 움직일 수 없게 고정시키는 고정수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 충격장치.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 충격요소는, 충격요소의 응력길이가 일렬로 연결된 충격요소의 조합된 응력길이가 되도록 서로에 작용하도록 종방향으로 일렬로 연결된 2이상의 별도의 충격요소로 형성되는 것을 특징으로 하는 충격장치.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 충격요소들 중 일부는 실질적으로 슬리브형이며 서로에 대해 동축으로 위치하는 것을 특징으로 하는 충격장치.