KR20050008786A

KR20050008786A - 충격식 착암용 수형부, 드릴 비트 및 나사 조인트

Info

Publication number: KR20050008786A
Application number: KR10-2004-7019673A
Authority: KR
Inventors: 칼스트룀보; 브룽스안데르스; 룬드베리크리스테르; 릴예브란드페르-올로프
Original assignee: 산드빅 악티에볼라그
Priority date: 2002-06-27
Filing date: 2003-06-06
Publication date: 2005-01-21
Also published as: WO2004003334A1; CN100335739C; JP4485944B2; SE0201989L; SE520077C2; SE0201989D0; ZA200408788B; EP1516102A1; US20040050592A1; CA2483951C; US7185721B2; EP1516102B1; CN1662726A; RU2302506C2; HK1079262A1; AU2003245195B2; JP2005530944A; KR101006360B1; AU2003245195B9; CA2483951A1

Abstract

본 발명에 따르면, 단면 감소부를 포함하는 충격식 착암용 수형부 (10)가 제공되며, 수형부의 단부의 부분 (16) 에 적어도 하나의 충격식 착암용 나사 (12) 가 제공된다. 수형부의 단부는 충격파 전달용 접촉면 (14) 을 구비한다. 부분 (16) 의 길이 (L) 는 나사의 외경 (Dy) 과 접촉하는 충격면의 평면 (P) 으로부터 잰 원통 (C) 의 길이로서 규정되며, 상기 길이 (L)/원통 외경의 값은 1 ~ 2 이다. 또한, 본 발명은 드릴 비트와 나사 조인트에 관한 것이다.

Description

충격식 착암용 수형부, 드릴 비트 및 나사 조인트{MALE PORTION, DRILL BIT AND THREADED JOINT FOR PERCUSSIVE ROCK DRILLING}

충격식 탑 해머 (percussive top hammer) 착암시, 드릴 스트링 (drill string) 은 로드 또는 튜브의 일 단부면을 통해 드릴링 기계의 섕크 어댑터에 고정된다. 로드 또는 튜브의 타단부는 다른 로드 또는 다른 튜브 또는 충격식 착암용 드릴 비트에 나사체결된다. 또한, 로드 또는 튜브는 나사 슬리브에 의해 섕크 어댑터 또는 다른 부품에 체결될 수 있다. 플러쉬 채널 (flush channel) 이 드릴 스트링 전체에 통하고 있어, 드릴 절단부를 휘감는 드릴 비트에 플러쉬 매체가 도입된다.

드릴링 작업시, 드릴 스트링 즉, 크라운 (crown), 로드, 튜브, 슬리브 및 섕크 어댑터가 기계적 공격 및 부식 공격을 받게 된다. 이는 특히, 플러쉬 매체로서 물이 사용되며, 습한 환경인 지표 아래를 착암할 때 특히 그렇다. 공격은 특히 가장 응력을 많이 받는 부분, 즉 나사의 골 및 다른 축소 부분, 즉 단면적이 작은 부분에서 심각하다. 드릴링 공구는 종종 암석 공동 (cavity) 의 비스듬한 벽에 드릴 비트가 도달할 때 굽힘 모멘트를 받게 된다. 충격파 및 굽힘 응력에의해 야기된 맥동성 스트레인과 결합하여, 피로 또는 파단이 발생한다.

본 발명은 충격식 착암용 수형부, 드릴 비트 및 나사 조인트에 관한 것이다.

도 1 은 종래 기술의 로드의 수형부의 측면도이다.

도 2 는 종래 기술의 로드의 다른 수형부의 측면도이다.

도 3a 는 본 발명에 따른 로드의 수형부의 측면도이다.

도 3b 는 도 3a 에서 선 B-B 를 따라 취한 단면도이며, 도 3c 는 도 3a 에서 선 C-C 를 따라 취한 단면도이며, 도 3d 는 수형부의 사시도이다.

도 4 는 본 발명에 따른 드릴 비트의 축방향 단면도이다.

도 5 는 본 발명에 다른 나사 조인트의 부분 단면도이다.

본 발명의 목적은 충격식 착암용 드릴 부품에서 내피로성을 상당히 개선하는 데에 있다.

본 발명의 다른 목적은 충격식 착암용 드릴 부품의 단면 감소부에서 내피로성을 상당히 개선하는 데에 있다.

본 발명의 또다른 목적은 충격식 착암용 드릴 부품의 나사부의 나사의 골에서 내피로성을 상당히 개선하는 데에 있다.

이들 및 다른 목적은 충격식 착암용 드릴 부품의 수형부, 드릴 비트 및 나사 조인트의 수단에 의해 이루어지며, 이는 도면을 참조로 독립항의 특징부에 따른 구성을 얻는다.

도 1 및 도 2 에 도시된 충격식 착암용 로드 (1, 2) 의 각각의 일단부에는 나사 수형부 (3) 가 제공되며, 각각의 타단부에는 도시되지 않았지만 동일한 수형부 또는 내부에 나사산이 있는 슬리브형부로 된 암형부가 제공된다. 수형부 (3) 는 이 경우, 둥근 로드 (4) 에 마찰 용접에 의해 바람직하게 연결된다. 수형부에서 가장 취약한 단면은 단면적이 가장 작은 부분 (나사 여유부 (5) 및 마지막 나사 턴 (6)) 이다.

유한요소법 (finite element method; FEM) 으로 시뮬레이션된 굽힘 시험에서, 수형부의 가장 취약한 단면에서 하중을 상당히 줄여, 이에 의해 수형부의 수명을 더 길게 할 수 있음을 발견하였다.

도 3a 내지 도 3d 에 도시된 충격식 착암용 드릴 로드 (10) 의 단부에는, 수나사 또는 외부 나사 (12) 가 제공된 본 발명에 따른 스피곳 또는 수형부 (11) 가 형성된다. 상기 드릴 로드는 관통 플러쉬 채널 (13) 을 더 구비하며, 이 플러쉬 채널을 통해 플러쉬 매체, 일반적으로 공기 또는 물이 전달된다. 수형부 (11) 의 단부면은 링형 접촉면(14) 을 형성하며, 이 접촉면은 드릴 비트에 연결되며, 이 드릴 비트의 중앙 홈의 바닥에 있는 대응 환형 접촉면에 접촉하게 된다. 수형부 (11) 상의 나사의 전체 프로파일 영역은 가장 작은 제 1 단면적 (X) 을 갖는다 (도 3b 의 사선 영역 참조). 수형부 (11) 는 나사의 전체 프로파일의 범위에 비해 증가된 제 2 단면적을 갖는 마지막 나사 턴 (15) 또는 나사 종료부를 구비한다 (도 3c 의 사선 영역(Y)). 수형부의 최소 단면적은 나사가 전체 프로파일을 갖는 영역에 주어지며, 제 2 단면적은 제 1 단면적으로부터 1 ㎜ 내지 5 ㎜의 간격 내로 측정된다. 나사 (12) 는 수형부의 끝에 있는 제 1 부분 (16) 에 제공된다. 제 1 부분 (16) 의 길이 (L) 는 나사의 외주 또는 외경 (Dy) 과 접촉하는 가상 직원통 (C) 의 충격면 (14) 의 평면 (P) 으로부터 잰 길이이다 (도 3d 참조). 원통 (C)의 외경 (Dy) 은 바람직하게는 37 ㎜ 보다 작다. 평면 (P) 은 중심선 (CL) 에 수직하다. 길이 (L)/원통 직경 (Dy) 의 값은 1 ~ 2 이다. 이 값의 범위는 바람직하게는 1.2 ~ 1.9 이며, 가장 바람직하게는 1.3 ~ 1.6 이다. 예로서, 57 ㎜의 길이 (L), 32. 85 ㎜ 의 직경 (Dy) 을 갖는 수형부의 경우 상기 값은 대략 1.7 이며, 44.3 ㎜ 의 길이 (L), 32. 85 ㎜ 의 직경 (Dy) 을 갖는 수형부의 경우에는 대략 1.3 이 된다. 접촉면(14) 은 모따기부를 통해 원통형 또는 원뿔형의 스피곳 (17) 과 연결되어 있다. 스피곳 (17) 에는 나사가 없으며, 어떤 경우에는 연결되면, 드릴 비트의 홈에서 조종된다. 스피곳 (17) 은 나사 (12) 와 연결된다.

도 4 에 도시된 충격식 착암용 드릴 비트 (20) 는 드릴 헤드 (21) 와 섕크 또는 스커트 (22) 를 구비한다. 드릴 헤드 (21) 와 스커트 (22) 는 일체로 되어 있다. 드릴 비트 (20) 와 수형부 (10) 를 위한 공통의 길이방향 중심선 (CL) 이 도면에 도시되어 있다. 드릴 비트 (20) 에는 내부 암나사 (24) 가 형성된 홈 (23) 이 제공되며, 내부 암나사는 수형부 (10) 의 외부 수나사 (12) 를 수용한다. 본 발명에 따른 드릴 비트의 드릴 헤드 (21) 에는 일반적으로 암석 절단 수단이 제공되며, 도시된 실시예에서 암석 절단 수단은 초경 합금 인서트의 형태로 되어 있으며, 이들 인서트 중에서 원형으로 배열된 복수 개의 주변 인서트(25) 및 2 개의 전방 버튼 (26) 이 도시되어 있다. 다수의 플러쉬 채널 (27) 이 드릴 비트의 오목부 (23) 와 드릴 헤드 (21) 의 정면 사이에서 축방향으로 형성되어 있다. 접촉면 (30), 이른바 바닥 접촉부가 수형부 (10) 의 접촉면 (14) 을 위해 상기 홈의 바닥에 제공된다.

나사 (24) 는 감소된 단면적의 나사 여유부 (28) 를 구비한다. 나사 (24) 는 홈 (23) 의 제 2 부분 (29) 에 제공된다. 제 2 부분 (29) 의 길이 (L') 는 나사의 내주 (Di)와 접촉하는 가상의 직원통 (C') 의 충격면 (30) 의 평면 (P') 으로부터의 길이이다. 원통 (C') 의 내경 (Di) 은 바람직하게는 37 ㎜ 보다 작고, 바람직하게는 36 ㎜ 이하이다. 평면 (P') 은 중심선 (CL) 에 수직하다. 길이 (L')/원통 직경 (Di) 의 값은 1 ~ 2 이다. 이 값의 범위는 바람직하게는 1.2 ~ 1.9 이며, 가장 바람직하게는 1.3 ~ 1.6 이다. 접촉면 (30) 은 숄더를 통해 나사 여유부 (28) 와 연결된다. 나사 여유부는 나사 (24) 에 연결되어 있다. 예로서 39.7 ㎜의 길이 (L'), 29. 5 ㎜ 의 직경 (Di)을 갖는 드릴 비트의 경우 상기 값은 대략 1.4 이며, 52.5 ㎜ 의 길이 (L'), 29. 5 ㎜ 의 직경 (Di)을 갖는 드릴 비트의 경우에는 대략 1.8 이다.

길이 (L, L') 는 나사가 전체 프로파일을 갖는 한 평면 (P, P') 으로부터 측정된다. 다시 말해, 직원통은 나사를 다 지나가거나 또는 두꺼운 나사 단부에 접촉될 때까지 평면 (P, P') 으로부터의 거리 또는 길이 (L, L') 로 미끄럼 끼워맞춤되면서 수형부 (10) 위에 끼워지거나 또는 홈 (23) 안으로 들어갈 수 있어야 한다.

도 5 에서, 본 발명에 따른 나사 조인트 (40) 는 수형부 (10) 와 드릴 비트 (20) 를 구비하는 것으로 도시되어 있다. 수형부 (10) 는, 충격면 (14, 30) 이 서로 접촉될 때까지 드릴 비트 (20) 내에 나사 결합되어 있다. 수형부 (10) 상의 감소된 단면적 부분이 조인트 (40) 의 자유 단부로부터 비교적 짧은 거리에 제공되기 때문에, 굽힘 응력은 상기 거리가 상당히 먼 종래의 조인트에서보다 더 작게 될 것이다. 수형부와 드릴 비트는 장착 중 서로에 대해 미끄럼 끼워맞춤되기 위해 나사의 축방향 뒤쪽에, 그리고 반경방향 외측에 제공된 원통형 표면을 구비한다.

본 발명은 더 짧은 나사가 더 작은 굽힘 응력을 부여한다는 것에 기초한 것이다. 마지막 나사 턴 또는 나사 여유부에서의 응력은 공지의 조인트에 비해 30 % 이상 낮다. 도 3a, 도 4 및 도 5 로부터 알 수 있듯이, 일반적으로 각 부분에서 단지 몇 개의 나사 턴, 예컨대 2 개의 나사 턴만이 다른 부분과 결합된다. 종래의 나사 조인트에서, 통상적인 공구의 수명은 약 850 m 이지만, 본 발명 신규한 수형부는 조인트가 완전히 마모되기 전까지 약 2050 m 에 이른다.

본 출원의 우선권으로 주장하는 스웨덴 특허 출원 제 0201989-1 호가 본 명세서에 참조로 관련되어 있다.

Claims

충격식 착암용 수형부로서,

단면 감소부를 포함하며, 상기 수형부의 단부의 부분 (16) 에는 적어도 하나의 충격식 착암용 나사 (12) 가 제공되며, 상기 수형부의 단부는 충격파 전달용 접촉면 (14) 을 구비하며, 상기 수형부는 상기 나사가 전체 프로파일을 갖는 영역에서 제 1 단면적을 갖는 상기 충격식 착암용 수형부에 있어서,

상기 부분 (16) 의 길이 (L) 는 충격면의 평면 (P) 으로부터 잰 원통 (C) 의 길이로서 규정되며, 이 원통의 직경은 나사의 외경 (Dy) 과 일치하며, 상기 길이 (L)/나사 외경 (Dy) 의 값은 1 ~ 2 이며, 상기 수형부는 상기 제 1 단면적의 바로 뒤에 제 2 단면적을 가지며, 이 제 2 단면적은 상기 제 1 단면적보다 큰 것을 특징으로 하는 충격식 착암용 수형부.
제 1 항에 있어서, 상기 수형부의 최소 단면적은 나사가 전체 프로파일을 가지는 영역에 주어지며, 상기 제 2 단면적은 상기 제 1 단면적으로부터 1 ~ 5 ㎜ 의 범위 내에서 측정되는 것을 특징으로 하는 충격식 착암용 수형부.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 값의 범위는 1.2 ~ 1.9 이며, 가장 바람직하게는 1.3 ~ 1.6 이며, 상기 원통 (C) 의 외경 (Dy) 은 바람직하게는 37 ㎜ 보다 작은 것을 특징으로 하는 충격식 착암용 수형부.
제 1 항에 있어서, 강재 로드 또는 튜브의 일단부에 단단히 연결되어, 드릴 로드를 형성하고, 이 드릴 로드는 관통 플러쉬 채널 (13) 을 구비하는 것을 특징으로 하는 충격식 착암용 수형부.
충격식 착암용 드릴 비트로서,

단면 감소부를 포함하며, 상기 드릴 비트 (20) 에는 중앙 홈 (23) 이 제공되며, 이 중앙 홈은 상기 중앙 홈 (23) 의 일부분 (29) 에 제공된 충격식 착암용 내부 암나사 (24) 를 구비하며, 상기 홈은 접촉면 (30) 을 구비하는 상기 충격식 착암용 드릴 비트에 있어서,

상기 부분 (29) 의 길이 (L') 는 충격면 (30) 의 평면 (P') 으로부터 잰 직원통 (C') 의 길이로서 규정되며, 이 직원통의 직경은 나사의 내경 (Di) 과 일치하며, 상기 길이 (L')/ 나사 내경 (Di) 의 값은 1 ~ 2 인 것을 특징으로 하는 충격식 착암용 드릴 비트.
제 5 항에 있어서, 상기 값의 범위는 1.2 ~ 1.9 이며, 가장 바람직하게는 1.3 ~ 1.6 이며, 상기 원통 (C') 의 내경 (Di)은 바람직하게는 36 ㎜ 보다 작은 것을 특징으로 하는 충격식 착암용 드릴 비트.
제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 강재 로드 또는 튜브의 일단부에 단단히 연결되어, 드릴 로드 (25) 를 형성하고, 이 드릴 로드는 관통 플러쉬 채널 (20) 을 구비하는 것을 특징으로 하는 충격식 착암용 드릴 비트.
충격식 착암용 수형부와 드릴 비트 간의 나사 조인트로서,

상기 수형부는 단면 감소부를 포함하며, 상기 수형부의 단부의 부분 (16) 에는 적어도 하나의 충격식 착암용 나사 (12) 가 제공되며, 상기 수형부의 단부는 충격파 전달용 접촉면 (14) 을 구비하며, 상기 수형부는 상기 나사가 전체 프로파일을 갖는 영역에서 제 1 단면적을 가지며,

상기 드릴 비트는 단면 감소부를 포함하며, 상기 드릴 비트 (20) 에는 중앙 홈 (23) 이 제공되며, 이 중앙 홈은 상기 중앙 홈 (23) 의 다른 부분 (29) 에 제공된 충격식 착암용 내부 암나사 (24) 를 구비하며, 상기 홈은 접촉면 (30) 을 구비하는 상기 충격식 착암용 수형부와 드릴 비트 간의 나사 조인트에 있어서,

제 1 부분 (16) 의 길이 (L) 는 충격면의 평면 (P) 으로부터 잰 원통의 길이로서 규정되며, 이 원통 (C) 의 직경은 나사의 외경 (Dy) 과 일치하며, 상기 길이 (L)/나사의 외경 (Dy) 의 값은 1 ~ 2 이며, 제 2 부분 (29) 의 길이 (L') 는 충격면 (30) 의 평면 (P') 으로부터 잰 길이로서 규정되며, 이 직원통 (C') 의 직경은 나사의 내경 (Di) 과 일치하며, 상기 길이 (L')/나사 내경 (Di) 의 값은 1 ~ 2 인 것을 특징으로 하는 충격식 착암용 수형부와 드릴 비트 간의 나사 조인트.
제 8 항에 있어서, 상기 값의 범위는 1.2 ~ 1.9 이며, 가장 바람직하게는1.3 ~ 1.6 이며, 상기 원통 (C; C') 의 직경 (Dy; Di) 은 바람직하게는 37 ㎜ 보다 작은 것을 특징으로 하는 충격식 착암용 수형부와 드릴 비트 간의 나사 조인트.