KR20140009490A - 회전 유닛, 착암 유닛 및 착암 방법 - Google Patents

Abstract

본원은 회전 유닛, 착암 유닛 및 착암 방법에 관한 것이다. 회전 유닛은 회전 모터 (16) 에 의해 종축선 둘레로 회전되는 메인 샤프트 (17) 를 포함한다. 메인 샤프트는 회전 장치 (7) 의 본체 (23) 에 축방향으로 슬라이딩되도록 지지된다. 이러한 슬라이드 특성은, 드릴링 장비 (9) 와 이에 포함된 드릴링 구성품들 (10) 의 연결 나사산들이 연결될 때 사용된다.

Description

회전 유닛, 착암 유닛 및 착암 방법 {ROTATION UNIT, ROCK DRILLING UNIT AND METHOD FOR ROCK DRILLING}

본원은 타격 장치를 구비하지 않은 착암 (rock drilling) 용 회전 유닛에 관한 것이다. 회전 유닛의 목적은 이에 연결될 드릴링 장비 (drilling equipment) 에 필요한 회전을 발생시키기는 것이고, 이 드릴링 장비의 최외부 단부에서 암석을 파괴하는 드릴 비트가 있다.

더욱이, 본원은 드릴링 유닛 및 착암 방법에 관한 것이다. 본원의 분야는 본 출원의 독립항의 전제부에 보다 자세히 기재되어 있다.

다양한 착암 머신에 의해 암석에 구멍들이 드릴링될 수 있다. 드릴링은, 타격과 회전 (타격식 드릴링) 을 조합한 방법으로 실시될 수 있거나, 또는 드릴링은 타격 기능 없이 회전 (회전식 드릴링) 에만 기초로 할 수 있다. 더욱이, 타격식 드릴링은 드릴링 동안 타격 장치가 드릴 구멍 외부에 있는지 또는 드릴 구멍내에 있는지에 따라서 분류될 수 있다. 타격 장치가 드릴 구멍 외부에 있으면, 드릴링을 통상 상부 해머 드릴링이라고 하고, 타격 장치가 드릴 구멍내에 있으면, 드릴링을 통상 다운 더 홀 드릴링 (down-the-hole drilling; DTH) 이라고 한다. 상부 해머 드릴링 머신에서, 타격 장치 및 회전 장치는 하나의 개체로 조합되는 반면, 회전식 드릴링 머신 및 DTH 드릴링 머신에서는 완전히 타격 장치 없는 회전 유닛이 있다. 본 출원은 타격 장치가 없는 이러한 회전 유닛 및 이들의 사용에 관한 것이다.

회전 유닛은 종축선을 중심으로 회전되는 메인 샤프트를 포함한다. 기어 시스템을 통하여 이 메인 샤프트에 연결된 회전 모터에 의해 회전력이 발생한다. 드릴링이 진행됨에 따라, 더 많은 드릴링 튜브들이 드릴링 장비에 연결되고 또한 이에 대응하여 드릴 구멍이 완성되고 새로운 드릴 구멍을 드릴링하기 시작하는 시점 후에 분리된다. 드릴링 튜브들에는 연결 나사산들이 제공되고, 그로 인해 공급 이동을 동시에 정확하게 제어하지 않으면서 나사산들을 나사결합 및 나사풀림시키는 플로팅 스핀들 (floating spindle) 이라고 하는 것이 필요하다. 플로팅 스핀들은 연결 나사산들의 피치로 인한 필요한 축방향 이동을 가능하게 한다. 오늘날 사용되는 플로팅 스핀들은 제 1 드릴링 튜브 이전에 회전 유닛에 연결되는 별개의 유닛들이다. 하지만, 이러한 별개의 플로팅 스핀들 유닛들은 장비의 내구성에 대한 문제를 유발하는 것으로 밝혀졌다.

본원의 목적은 신규하고 개선된 회전 유닛, 착암 유닛 및 착암 방법을 제공하는 것이다.

본원에 따른 회전 유닛은, 메인 샤프트가 본체에 축방향으로 슬라이딩되도록 지지되는 것을 특징으로 한다.

본원에 따른 착암 유닛은, 회전 장치의 메인 샤프트가 본체에 축방향으로 슬라이딩되도록 지지되는 것을 특징으로 한다.

본원에 따른 방법은, 드릴링 장비와 이 드릴링 장비의 구성품들이 연결되고 분리될 때, 회전 유닛의 메인 샤프트를 회전 유닛의 본체에 대하여 축방향으로 이동시키는 것을 특징으로 한다.

본 아이디어는, 회전 유닛의 메인 샤프트가 본체에 대하여 허용된 미리 정해진 축방향 이동 길이로 슬라이딩될 수 있도록 본체에 베어링 장착된다는 것이다.

그리하여, 메인 샤프트의 축방향 이동은 드릴링 장비에 어떠한 별개의 플로팅 스핀들 유닛을 배열할 필요없이 드릴링 장비의 연결 나사산들을 나사풀림 및 나사결합시키는 장점이 있다. 회전 유닛에 슬라이드 특성을 부여함으로써, 종래보다 구조를 보다 견고하고 내구성 있게 할 수 있다.

일 실시형태의 아이디어는, 상기 메인 샤프트가 상기 전방 단부의 일부에서 전방 베어링에 의해 또한 상기 후방 단부의 일부에서 단부 베어링에 의해 상기 본체에 반경방향으로 지지된다는 것이다. 상기 베어링들 둘 다는 슬라이드 베어링들이고 또한 예를 들어 적합한 슬라이드 베어링 금속으로 될 수 있다. 이러한 구조는 베어링들 사이의 축방향 간격을 비교적 길게 배열시킨다. 이로 인해, 드릴링 동안, 드릴링 장비로부터 메인 샤프트에 전달된 교차방향 (crosswise) 힘들은 회전 유닛의 견고한 본체에 잘 수용될 수 있다. 더욱이, 오일 윤활된 공간에 전방 베어링과 단부 베어링을 배열하도록 하는 기회에 의해 이러한 구조의 내구성이 향상된다.

일 실시형태의 아이디어는, 메인 샤프트가 전방 베어링 및 단부 베어링에 의해 본체에 베어링 장착되며, 이러한 베어링들 사이의 축방향 간격이 메인 샤프트의 직경에 대하여 큰 것에 있다. 베어링들은 축방향 베어링 간격을 가지고, 메인 샤프트는 베어링들의 지점에서 베어링 직경들을 가진다. 관찰에 따르면, 베어링 직경들 중 최대 직경에 대한 베어링 간격의 비가 적어도 3:1 이면, 메인 샤프트의 베어링은 특히 견고하다. 베어링 직경들은 전방 베어링과 단부 베어링에서 동일하거나 동일하지 않을 수 있다. 베어링 간격은 전방 베어링과 단부 베어링의 기능적 중간 지점들 사이의 치수이다.

일 실시형태의 아이디어는, 기어 시스템과 메인 샤프트 사이의 전달 부재들이 기어 시스템에 축력들을 전달하지 않으면서 상기 메인 샤프트의 축방향 이동을 허용하는 슬라이딩 부재들을 포함한다는 것이다. 메인 샤프트로부터 기어 시스템 또는 회전 모터로 지향된 축방향 부하들이 없으면, 회전 유닛의 내구성은 양호하다.

일 실시형태의 아이디어는, 회전력이 상기 메인 샤프트의 후방 단부의 일부로부터 상기 메인 샤프트에 전달된다는 것이다. 메인 샤프트의 후방 단부에는 전달 부재들을 위한 더 많은 공간이 있고, 그럼으로써 이 전달 부재들은 메인 샤프트의 전방 단부의 일부로부터 회전력이 전달되는 방안에서보다 더 자유롭게 치수결정 및 위치될 수 있다.

일 실시형태의 아이디어는, 회전 모터와 기어 시스템이 메인 샤프트의 후방 단부의 연장부로서 위치된다는 것이다. 그 후, 회전 모터, 기어 시스템 및 메인 샤프트는 동일한 축선 (axial line) 에 연속적으로 위치된다. 따라서, 회전 유닛은, 측방향에서 볼 때, 오히러 더 좁을 수 있다. 회전 유닛의 후방 단부측에서 길이가 증가하더라도, 구조 및 작동에 어떠한 악영향을 주지 않는 것으로 밝혀졌다. 더욱이, 회전 모터 및 기어 시스템은, 용이하고 신속하게 분리될 수 있고 또한 회전 유닛 구조의 나머지 부분을 분리하지 않고서도 새로운 것으로 교체될 수 있는 모듈들일 수 있다. 회전 유닛의 후방 단부에서 모듈들을 처리하는 다수의 공간이 있다. 또한, 회전 유닛의 특성들에 영향을 주는 것이 바람직하다면, 회전 유닛의 후방 단부에 상이한 동력과 다른 특성들을 가진 모듈들을 제공하는 것이 가능하다.

일 실시형태의 아이디어는, 상기 메인 샤프트의 외주부가 본체와 메인 샤프트 사이에서 축방향 공급력을 전달하도록 배열된 적어도 하나의 공급 플랜지를 구비한다는 것이다. 공급 플랜지는 축력을 전달하는데 기여하는 축방향 지지면들을 가진다. 더욱이, 본체는 공급 플랜지의 위치에서 슬라이딩 공간을 가진다. 슬라이딩 공간은 축방향으로 슬라이딩 공간을 규정하는 단부들을 가진 메인 샤프트 둘레의 세장형 (elongated) 환형 공간이다. 전방 단부와 후방 단부는 축력들을 전달하는데 기여할 수 있는 지지면들을 포함한다.

일 실시형태의 아이디어는, 공급 플랜지와 이의 위치에 있는 슬라이딩 공간이 메인 샤프트의 전방 단부의 일부에 위치된다는 것이다. 그 후, 회전 유닛의 전방 단부와 드릴링 장비에 가능한 한 근접한 본체와 메인 샤프트 사이에서 축력들이 전달된다. 그리하여, 축력들은 메인 샤프트의 후방부 또는 이 후방부에 위치된 회전 유닛의 구성품들에 응력을 가하지 않는다. 이러한 양태들은 또한 회전 유닛의 내구성 면에서 바람직하다.

일 실시형태의 아이디어는, 메인 샤프트를 지지하는 전방 베어링의 전방측 슬라이딩 공간에 공급 플랜지가 위치된다는 것이다. 그리하여, 전방 베어링은, 드릴링 방향 쪽으로 공급을 하면 공급 플랜지와 슬라이딩 공간의 후방 단부 사이에서 축력들을 전달한다. 전방 베어링은 메인 샤프트의 래디얼 베어링 또한 축류 베어링으로서 사용된다. 전방 베어링은 드릴링 동안 큰 축력들을 극도로 수용할 수 있는 슬라이드 베어링이다. 전방 베어링은 슬라이딩 공간에 축방향으로 슬라이딩되도록 배열될 수 있고, 그럼으로써 메인 샤프트와 함께 이동되도록 배열될 수 있다. 더욱이, 슬라이딩 공간은 오일 윤활될 수 있고, 이는 전방 베어링의 내구성을 더욱더 향상시킨다.

일 실시형태의 아이디어는, 회전 유닛의 구조가 축방향 댐퍼를 포함한다는 것이다. 그리하여, 축방향 댐퍼는 회전 유닛의 일부를 형성하도록 일체화된다. 축방향 댐퍼는, 메인 샤프트에 영향을 주고 또한 드릴링 장비로부터 메인 샤프트로 전달되는 진동, 충돌들, 충격파들 및 다른 축방향 응력들을 감쇠시키는데 사용될 수 있다. 이러한 축방향 댐퍼는 메인 샤프트를 통하여 드릴링 장비로부터 본체 및 본체부들로 지향된 진동 및 응력파를 상당히 저감시키고, 그럼으로써 축방향 댐퍼 뒤편의 구성품들에 응력들이 덜 지향된다. 더욱이, 축방향 댐퍼는 또한 댐퍼의 전방측, 즉 드릴링 장비측의 구성품들로 지향된 응력들을 적어도 어느 정도 저감시킬 수 있다.

일 실시형태의 아이디어는, 축방향 댐퍼가 슬라이딩 공간의 단부에 배열된 적어도 하나의 단부 댐퍼를 포함한다는 것이다. 축방향 댐퍼는 드릴링 방향으로 감쇠를 실시하는 후방 단부 댐퍼 및 복귀 방향으로 감쇠를 실시하는 전방 단부 댐퍼를 포함할 수 있다. 일부 경우에 있어서, 댐퍼는 후방 단부 댐퍼만을 포함할 수 있다. 단부 댐퍼의 장점은, 그의 구조를 간단하게 해주고 또한 저렴하며 거의 관리가 필요하지 않다는 것이다.

일 실시형태의 아이디어는, 단부 댐퍼가 압축 탄성 재료로 제조된 환형 피스인 것이다. 단부 댐퍼는 적합한 폴리우레탄 등의 폴리머 재료일 수 있다. 이러한 댐퍼들은 놀랍게도 매우 내마모성인 것으로 밝혀졌다.

일 실시형태의 아이디어는, 축방향 댐퍼가 적어도 하나의 압력 매체 작동식 댐퍼 요소를 포함한다는 것이다. 이러한 축방향 댐퍼는 작동 압력 공간들을 가질 수 있고, 이 작동 압력 공간들안으로 유압 유체 등의 압력 매체가 안내되며, 이는 작동 압력 공간들내의 작동 압력 표면들에 영향을 준다. 더욱이, 축방향 댐퍼가 직접적으로 또는 적합한 중간 피스들에 의해서 축방향으로 메인 샤프트에 영향을 주도록 배열된 1 개 이상의 감쇠 피스톤들을 포함하는 것이 가능하다. 압력 매체의 압력은 감쇠 피스톤들 쪽으로 지향되어 메인 샤프트의 슬라이딩 이동의 극단 위치들에서 원하는 감쇠를 발생시킬 수 있다.

일 실시형태의 아이디어는, 축방향으로 견고하게 장착하기 위해서 회전 유닛의 메인 샤프트의 전방 단부에 연결 부재들이 있다는 것이다. 그리하여, 드릴링 장비는 어떠한 축방향으로 배향된 슬라이딩 연결없이 메인 샤프트에 장착된다. 연결 부재들은 연결 나사산들을 포함할 수 있고, 이러한 연결 나사산들에는 드릴링 튜브, 어댑터 피스 등의 구성품이 부착될 수 있다. 이러한 실시형태는 메인 샤프트와 드릴링 장비 사이의 연결부로 지향된 부하들을 저감시킨다.

일 실시형태의 아이디어는, 메인 샤프트의 후방 단부의 외주부가 회전력을 전달하기 위한 한 세트의 축방향 홈들을 포함한다는 것이다. 더욱이, 메인 샤프트의 후방 단부 둘레에는 회전 슬리브가 있고, 이 회전 슬리브 내주부는 대응하는 한 세트의 축방향 홈들을 포함한다. 그리하여, 메인 샤프트의 후방 단부의 외부면과 회전 슬리브의 내부면 사이에는, 메인 샤프트의 축방향 이동을 가능하게 하는 전달 연결부 (transmission connection) 가 있다. 회전 슬리브는 축방향 베어링들에 의해 본체에 베어링 장착되고, 그럼으로써 축력이 메인 샤프트로부터 전달 부재들을 통하여 기어 시스템으로 전달되지 않는다. 이러한 특징들은 구조물의 내구성 면에서 바람직하다.

일 실시형태의 아이디어는, 기어 시스템이 유성 기어인 것이다. 유성 기어는 물리적으로 오히려 작고 또한 축방향으로 짧을 수 있으며, 그럼으로써 메인 샤프트의 후방 단부에 배열되기 쉽다.

일 실시형태의 아이디어는, 메인 샤프트가 동일한 축선에 배열되고 또한 서로 연결되는 제 1 메인 샤프트부와 제 2 메인 샤프트부를 포함한다는 것이다. 메인 샤프트부들 사이의 연결부는 축방향으로 견고하다. 제 1 메인 샤프트부의 후방 단부의 외주부에는 메인 샤프트에 회전력을 전달할 수 있는 한 세트의 홈들이 있다. 제 2 메인 샤프트부의 전방 단부는, 또한 드릴링 장비를 부착하는 연결 나사산을 포함한다. 메인 샤프트는 단지 제 1 메인 샤프트부의 전방 베어링과 단부 베어링에 의해 본체에 베어링 장착된다. 베어링들은 서로 가능한 한 큰 축방향 간격으로 배열되고, 그럼으로써 베어링들은 교차방향 부하들을 잘 수용한다. 더욱이, 공급 플랜지는 제 2 메인 샤프트부의 고정부로서 배열될 수 있다. 대안으로, 공급 플랜지는 메인 샤프트부들 사이에 배열된 별개의 피스, 예를 들어 환형 플랜지일 수 있다.

일 실시형태의 아이디어는, 전방 베어링과 단부 베어링 사이의 일부가, 메인 샤프트를 둘러싸고 또한 가압 공기 등의 압력 매체용 공급 채널과 연결되는 압력 매체 공간을 포함한다는 것이다. 메인 샤프트는 압력 매체를 압력 공간으로부터 메인 샤프트의 중심 채널안으로 또한 추가로 이를 따라서 메인 샤프트에 연결될 드릴링 장비로 안내하는 1 개 이상의 채널들을 가진다. 메인 샤프트 둘레의 압력 공간은 샤프트 밀봉부들에 의해 베어링 공간들로부터 격리될 수 있다. 그 후, 압력 매체는 베어링 공간들의 윤활유로부터 분리된 채로 있다.

일 실시형태의 아이디어는, 착암 유닛이 공급 장치에 의해 공급 빔에서 이동되는 캐리지를 포함한다는 것이다. 회전 유닛의 본체는 캐리지에 고정 부착된다. 그리하여, 회전 유닛 및 이의 본체는 항상 캐리지와 함께 이동하고, 회전 유닛에는 슬라이딩되도록 배열된 본체부들이 없다.

일 실시형태의 아이디어는, 회전 유닛이 어떠한 타격 장치없이 회전 및 공급력의 영향에 의해서만 드릴링이 실시되는 회전식 드릴링용으로 의도된다는 것이다.

일 실시형태의 아이디어는, 회전 유닛이 드릴링 장비의 양 단부들에 회전 유닛과 타격 장치가 있는 DTH 드릴링용으로 의도된다는 것이다. 그리하여, 회전 유닛에는 타격 장치가 없지만 드릴링 장비와 연결된다. 드릴 비트는 통상적으로 타격 장치에 직접 부착된다.

일 실시형태의 아이디어는, 메인 샤프트의 축방향 위치가 모니터링되고 이 정보가 착암 유닛에서 드릴링 튜브들의 핸들링 장치를 제어하는 제어 유닛에 전달될 수 있다는 것이다. 더욱이, 메인 샤프트의 위치에 대한 정보는 나사산들의 나사결합 및 나사풀림을 제어하는데 사용될 수 있다. 메인 샤프트의 위치는 1 개 이상의 센서들 또는 측정 장치들에 의해 모니터링될 수 있다.

일 실시형태의 아이디어는, 메인 샤프트의 축방향 위치가 모니터링되고 또한 이 위치 정보가 드릴링 동안 공급력을 제어하는데 보조로서 사용된다는 것이다.

일 실시형태의 아이디어는, 회전 유닛이 메인 샤프트의 축방향 위치를 모니터링하는 수단 뿐만 아니라 적어도 하나의 축방향 댐퍼를 포함한다는 것이다. 메인 샤프트에 대한 위치 정보는 축방향 댐퍼의 상태를 모니터링하는데 사용될 수 있다. 제어 유닛은 상태를 모니터링하는 제어 전략 (control strategy) 을 포함할 수 있다. 축방향 댐퍼는, 압축 재료로 제조되고 또한 계획된 기능적 압축 영역을 예를 들어 10% 갖는 1 개 이상의 댐퍼 요소들을 포함할 수 있다. 위치 정보에 의해, 이는 상기 계획된 압축이 초과되면, 예를 들어 댐퍼 요소가 영구적으로 그의 탄성 및 탄력 (resilience) 을 잃어버리거나 또는 다른 방식으로 손상되는 경우에 관찰될 수 있다. 이러한 실시형태로 인해, 축방향 댐퍼의 손상도 이윽고 관찰될 수 있다.

일 실시형태의 아이디어는, 메인 샤프트가 하나의 일체형 샤프트 피스인 것이다. 공급 플랜지는 메인 샤프트의 일체형 고정가능한 부분일 수 있다. 대안으로, 공급 플랜지는 샤프트 피스에 고정 부착될 수 있는 별도로 형성된 피스, 예를 들어 링 플랜지일 수 있다.

일 실시형태의 아이디어는, 회전 모터가 유압 모터인 것이다.

일 실시형태의 아이디어는, 회전 모터가 전기 모터인 것이다.

일 실시형태의 아이디어는, 회전 유닛이 기어 시스템을 전혀 포함하지 않지만 다른 전달 부재들에 의해 메인 샤프트에 회전력이 전달된다는 것이다. 회전 모터의 회전 속도와 토크는 다용도로 또한 정확하게 제어될 수 있다. 회전 모터는 직접 구동 모터라고 하는 유형일 수 있다. 이러한 유형의 모터들은 유압 작동식 또한 전기 작동식 모터들로서 이용가능하다. 기어 시스템이 회전 유닛에서 생략될 수 있기 때문에, 관리 및 손상될 구성품들이 더 적다. 더욱이, 회전 유닛은 더 작게 형성될 수 있다.

일 실시형태의 아이디어는, 전달 부재들에 윤활 공간에서의 윤활유의 유동을 향상시키는 부재들이 제공된다는 것이다. 그리하여, 회전 허브 또는 회전 슬리브에는, 예를 들어 회전 이동의 영향에 의해 윤활유의 유동을 발생시키는 나사 유형의 부재들이 제공될 수 있다. 이러한 방식으로, 전달 표면, 전달 구성품들 및 베어링들의 내구성이 향상될 수 있다.

본원의 일부 실시형태들은 첨부된 도면을 참조하여 보다 자세히 설명한다.

도 1 은 드릴링 장비를 그의 종축선을 중심으로 회전시키는 회전 유닛이 제공된 착암 리그 (rig) 를 나타내는 개략도,
도 2 는 DTH 드릴링의 원리 및 그 안의 회전 유닛의 작동을 나타내는 개략도,
도 3 은 본원에 따른 회전 유닛의 원리를 매우 간단하게 나타내는 개략도,
도 4 및 도 5 는 메인 샤프트의 상이한 2 개의 축방향 극단 위치들에서 본원에 따른 제 2 회전 유닛의 개략적인 부분 단면 평면도, 및
도 6 은 메인 샤프트가 일체의 피스이고 또한 직접 구동 모터에 의해 회전되는 또 다른 회전 유닛의 개략적인 평면도.

도면들에서, 본원의 일부 실시형태들은 명확성을 위해 간략하게 도시된다. 도면들에서 동일한 부분들에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.

도 1 에서는 드릴링 붐 (3) 이 형성된 가동 캐리어 (2) 를 포함하는 착암 리그 (1) 를 도시한다. 이 붐 (3) 에는 공급 빔 (5), 공급 장치 (6) 및 회전 유닛 (7) 을 포함하는 착암 유닛 (4) 이 제공된다. 회전 유닛 (7) 은 캐리지 (8) 에 지지될 수 있거나, 또는 대안으로 회전 유닛은 공급 빔 (5) 에 이동가능하게 지지되는 슬라이딩부 등의 지지 부재들을 포함할 수 있다. 회전 유닛 (7) 에는, 서로 연결되는 1 개 이상의 드릴링 튜브들 (10) 과 드릴링 장비의 최외부 단부에 있는 드릴 비트 (11) 를 포함할 수 있는 드릴링 장비 (9) 가 제공될 수 있다. 도 1 의 드릴 유닛 (4) 은, 회전 유닛 (7) 이 드릴링 장비 (9) 를 그의 종축선을 중심으로 방향 (R) 으로 회전시키는데 사용되고 또한 동시에 회전 유닛 (7) 및 이에 연결되는 드릴링 장비 (9) 가 공급 장치 (6) 에 의해 공급력 (F) 에 의해 드릴링 방향 (A) 으로 공급되는 회전 드릴링용으로 의도된다. 그리하여, 드릴 비트는 회전 (R) 및 공급력 (F) 의 영향으로 암석을 파괴하고, 드릴 구멍 (12) 이 형성된다. 원하는 깊이에 드릴 구멍 (12) 이 드릴링되면, 드릴링 장비 (9) 는 공급 장치 (6) 에 의해 드릴 구멍 (12) 외부로 복귀 방향 (B) 으로 당겨질 수 있고, 드릴링 장비는 회전 유닛 (7) 에 의해 드릴링 튜브들 (10) 사이의 연결 나사산들을 나사풀림시킴으로써 분리될 수 있다. 회전 유닛 (7) 의 메인 샤프트에는 드릴링 장비의 연결 나사산들을 나사결합 및 나사풀림하는 슬라이딩 기능이 제공된다.

도 2 에서는, 드릴링 장비 (9) 에 타격 장치 (13) 가 형성되도록 도 1 의 드릴링 유닛과 상이한 제 2 드릴링 유닛 (4) 을 도시한다. 그리하여, 타격 장치 (13) 는 회전 유닛 (7) 에 대하여 드릴링 장비 (9) 의 반대편 단부에 있다. 드릴링시, 타격 장치 (13) 는 드릴 구멍에 있고, 드릴 비트 (11) 는 타격 장치 (13) 에 직접 연결될 수 있다. 회전 유닛 (7) 은 모듈들로 구성될 수 있고, 그럼으로써 회전 유닛은 메인 샤프트와 이의 슬라이딩 지지부을 가진 기본 모듈 (14) 뿐만 아니라 기어 시스템 모듈 (15) 및 회전 모터 모듈 (16) 을 가질 수 있다. 이러한 모듈들은 동일한 축선에 연속적으로 배열될 수 있다.

도 3 에서는 회전 유닛 (7) 의 가능한 일 실시형태를 매우 개략적으로 도시한다. 회전 유닛 (7) 은 메인 샤프트 (17) 를 포함하고, 이 메인 샤프트의 전방 단부는 드릴링 장비 (9) 를 부착하는 연결 나사산들 (18) 을 포함한다. 메인 샤프트 (17) 의 반대편 단부의 일부에는 한 세트의 축방향 홈들 (19) 이 있을 수 있고, 회전력은 회전 슬리브 (20) 를 통하여 이러한 홈들에 전달된다. 회전 슬리브 (20) 는 대응하는 한 세트의 축방향 홈들을 구비하고, 그럼으로써 메인 샤프트 (17) 는 회전 슬리브 (20) 에 대하여 축방향으로 슬라이딩할 수 있다. 회전 슬리브 (20) 는 축방향으로 고정되도록 베어링 장착될 수 있다. 회전력은 회전 모터 (16) 에 연결되는 1 개 이상의 기어 시스템 (15) 으로부터 회전 슬리브 (20) 에 전달될 수 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 다수의 기어 시스템들 (15) 로부터 메인 샤프트에 회전력을 전달할 수 있다. 그 후, 기어 시스템들 (15) 은 메인 샤프트 (17) 의 양측에 배열되어 교차방향의 부하를 없앤다.

도 3 에서, 메인 샤프트 (17) 는 단부 베어링 (21) 과 전방 베어링 (22) 에 의해 베어링 장착될 수 있다. 베어링들 (21, 22) 은 슬라이드 베어링들이고, 그럼으로써 베어링들은 메인 샤프트 (17) 의 축방향 이동 (S) 을 허용한다. 베어링들 (21, 22) 은 서로 큰 축방향 베어링 간격 (L) 을 두고 배열되고, 그럼으로써 베어링들 (21, 22) 은 메인 샤프트 쪽으로 지향된 교차방향 부하들을 잘 수용할 수 있다. 서로 떨어져 위치된 베어링들 (21, 22) 은 메인 샤프트를 위해 양호한 지지부를 형성한다. 베어링 지점들에서, 메인 샤프트는, 실시형태에 따라서 동일하거나 또는 다소 상이할 수 있는 직경들 (D1, D2) 을 가진다. 이러한 직경들 (D1, D2) 중 큰 직경에 대하여 베어링 지점들 사이의 베어링 간격 (L) 의 비는 적어도 3:1 이다. 베어링 지점을 베어링의 기능적 중간 지점이라고 한다.

도 3 에서는, 공급력 (F) 이 회전 장치 (7) 의 본체 (23) 로부터 메인 샤프트 (17) 로 전달되는 지지면들을 더 도시한다. 메인 샤프트 (17) 는 1 개 이상의 숄더들, 플랜지들 등을 포함할 수 있고, 이들은 공급력을 드릴링 방향 (A) 으로 전달하는 지지면 (24a) 과 공급력을 복귀 방향 (B) 으로 전달하는 지지면 (24b) 을 가진 표면들을 형성한다. 본체 (23) 는 대응하는 지지면들 (25a, 25b) 을 가진다. 메인 샤프트 (17) 의 둘레에는, 상기 지지면들의 지점에 있는 슬라이딩 공간 (26) 이 있을 수 있다. 슬라이딩 공간 (26) 의 축방향 단부면들은 지지면들 (25a, 25b) 로서 사용될 수 있다.

가압 공기 등의 압력 매체는 압력 채널 (27) 을 따라서 메인 샤프트 (17) 에 또한 추가로 드릴링 장비에 공급될 수 있다.

도 4 에서는 제 2 회전 장치 (17) 를 도시하고, 이 회전 장치의 일부 특징은 도 3 에 도시된 회전 장치의 특징들에 대응한다. 도 4 에 도시된 방안에서, 메인 샤프트 (17) 는, 후방 단부측의 제 1 메인 샤프트부 (17a) 와, 전방 단부측의 제 2 메인 샤프트부 (17b) 를 포함하고, 이러한 메인 샤프트부들은, 축방향으로 견고한 연결부 (28), 예를 들어 연결 나사산에 의해 서로 연결된다. 제 2 메인 샤프트부 (17b) 는 공급 플랜지 (29) 를 포함할 수 있고, 이 공급 플랜지의 축방향 표면은 지지면들 (24a, 24b) 을 형성한다. 공급 플랜지 (29) 둘레에는, 본체 (23) 내에서 지지면들 (25a, 25b) 로서 또한 사용되는 단부들 (25a, 25b) 에 의해 축방향으로 규정된 환형 공간인 슬라이딩면 (26) 이 있다. 전방 베어링 (22) 은 슬라이드 베어링이고, 이 전방 베어링은 공급 플랜지 (29) 의 후방면측에서 슬라이딩면 (26) 에 배열된다. 전방 베어링 (22) 은 메인 샤프트 (17) 와 함께 슬라이딩 공간 (26) 에서 슬라이딩할 수 있다. 드릴링 방향 (A) 으로 공급을 실시하면, 공급력은 본체 (23) 로부터 단부 (25a) 및 전방 베어링 (22) 을 통하여 공급 플랜지 (29) 로 또한 추가로 메인 샤프트 (17) 로 전달된다. 복귀 방향 (B) 으로 공급을 실시하면, 공급력은 본체 (23) 로부터 단부 (25b) 및 공급 플랜지 (29) 를 통하여 메인 샤프트 (17) 로 전달된다. 슬라이딩 공간 (26) 은 일 단부에서 또는 양 단부들에서 단부 댐퍼 (30, 31) 를 포함할 수 있다. 단부 댐퍼 (30, 31) 는 탄성 압축 재료를 포함하는 환형 피스일 수 있다. 단부 댐퍼는 드릴링 장비 (9) 로부터 메인 샤프트 (17) 또한 추가로 구조물의 나머지 부분에 전달된 충돌 및 응력을 감쇠시킬 수 있다. 일부 경우에 있어서, 단부 댐퍼들 (30, 31) 이 없거나 또는 대안으로 후방 단부 댐퍼 (30) 만이 사용된다. 슬라이딩 공간 (26) 에는 채널 (32) 로부터 윤활유가 제공될 수 있고, 그럼으로써 전방 베어링 (22), 단부 댐퍼들 및 지지면들이 오일 윤활된다.

메인 샤프트 (17) 둘레에는, 압력 매체 공간 (33) 이 있을 수 있고, 채널 (27) 로부터의 가압 공기 등이 압력 매체 공간안으로 공급될 수 있다. 메인 샤프트 (17) 는 압력 매체를 그의 전방 단부 또한 추가로 드릴링 장비 (9) 로 안내하는 채널들을 포함한다. 압력 매체 공간 (33) 은, 축방향 밀봉부들 (35, 36) 에 의해, 슬라이딩 공간 (26) 및 단부 베어링 (21) 에 있는 윤활 공간 (37) 으로부터 분리될 수 있다. 공간 (37) 에는 채널 (38) 로부터 윤활제가 제공될 수 있고, 그럼으로써 또한 단부 베어링 (21) 은 오일 윤활된다.

제 1 메인 샤프트부 (17a) 의 후방 단부의 외주부에는, 회전 슬리브 (20) 가 연결되는 한 세트의 홈들 (19) 이 있고, 회전 슬리브는 대응하는 세트의 홈들을 가진다. 이러한 세트의 홈들은 메인 샤프트 (17) 를 축방향으로 이동시킨다. 회전 슬리브 (20) 는, 축방향으로 고정되도록 베어링들 (39, 40) 에 의해 본체 (23) 에 지지된다. 회전력은 기어 시스템 (15) 의 샤프트 (42) 등에 연결되는 회전 허브 (41) 에 의해 회전 슬리브 (20) 에 전달될 수 있다. 물론, 회전 슬리브 (20) 와 회전 허브 (41) 의 구조를 하나의 개체로 조합하는 것이 가능할 수 있다. 기어 시스템 (15) 및 회전 모터 (16) 는 모듈식 구조로 될 수 있고, 또한 메인 샤프트 (17) 의 축방향 연장부에 배열될 수 있다.

도 5 에서는, 메인 샤프트 (17) 가 축방향으로 극단 전방 위치로 이동된 상황을 도시한다. 이러한 슬라이딩 이동은, 예를 들어 연결 나사산들이 연결되는 동안 실시될 수 있다.

도 6 에 도시된 실시형태는, 메인 샤프트 (17) 가 2 개의 피스로 형성되지 않고 하나의 일체의 샤프트형 피스인 점에서, 도 4 및 도 5 에 도시된 바와 다르다. 공급 플랜지 (29) 는 메인 샤프트 (17) 의 일체부일 수 있거나 또는 별도로 제조되고 메인 샤프트의 샤프트부에 부착되는 피스일 수 있다. 도 6 에서, 파선은 공급 플랜지와 샤프트부간의 연결부를 나타내고, 이 연결부는 예를 들어 용접된 조인트일 수 있다. 더욱이, 도 6 의 회전 유닛 (7) 은, 기어 시스템을 갖지 않고 샤프트 (42) 또는 다른 전달 구성품에 의해 회전 모터 (16) 가 회전 허브 (41) 에 연결된다는 점에서 다르다. 회전 모터는, 별개의 기어 시스템이 필요하지 않도록 치수결정된 직접 구동 모터일 수 있다.

도 6 에서, 메인 샤프트 (17) 의 축방향 위치는 1 개 이상의 센서들 (50) 에 의해 모니터링될 수 있음을 알 수 있다. 센서 (50) 는 회전 유닛 (7) 의 구조에서 적절한 위치에 배열될 수 있다. 센서 (50) 대신에, 적절한 측정 장치가 사용될 수 있다. 식별 정보는 무선 또는 유선 데이터 전송 연결 (51) 에 의해 제어 유닛 (52) 에 전송될 수 있고, 이 제어 유닛은 착암 유닛에 포함된 액츄에이터들의 제어시 이 식별 정보를 고려할 수 있다. 더욱이, 위치 정보는 드릴링의 공급력을 제어하고 또한 축방향 댐퍼의 상태를 모니터링하는데 사용될 수 있다.

도 6 에서는 유동 부재들 (49) 을 더 도시하고, 이 유동 부재들의 목적은 윤활 공간에서 윤활유의 유동을 발생시켜 윤활 공간에서 구성품들의 윤활을 향상시키는 것이다. 예를 들어, 회전 허브 (41) 의 외주부상의 돌출부들, 나선체 또는 나사산은 유동 부재 (49) 로서 사용될 수 있다.

도 6 에서는, 메인 샤프트 (17) 가 그의 전방 단부에서, 매우 간략하게 파선으로 도시된 래디얼 베어링 (53) 에 의해 본체 (23) 또는 본체부에 상당히 지지되는 또 다른 대안적인 실시형태를 도시한다. 그리하여, 베어링들 (21, 53) 사이의 베어링 간격 (L) 은 크게 형성될 수 있다. 더욱이, 이 실시형태에서, 베어링 (22) 은 메인 샤프트 (17) 의 반경방향 지지에 전혀 관여하지 않는 축류 베어링일 수 있다. 베어링 (22) 이 축방향으로 용이하게 이동하도록, 베어링 (22) 과 메인 샤프트 (17) 사이에 또한 베어링 (22) 과 슬라이딩 공간 (26) 사이에는 간극들이 있을 수 있다. 이러한 특성은 축방향 응력파를 감쇠하는데 있어서 바람직할 수 있다. 이러한 실시형태는 또한 일체형의 축방향 댐퍼가 제공된 회전 유닛 (7) 에서 보다 일반적으로 이용될 수 있다. 그리하여, 이러한 방안은 도 6 의 정확한 실시형태에만 한정되지 않는다.

전술한 실시형태에 있어서 회전 모터는 유압 모터 또는 전기 모터일 수 있음을 알아야 한다. 더욱이, 직접 구동 모터는 또한 도 3 ~ 도 5 에 도시된 회전 유닛들 (7) 에 사용될 수 있고, 도면들의 방안들과는 상이한 이러한 경우에는 기어 시스템을 갖지 않는다.

일부 경우에 있어서, 본 출원에 개시된 특징들은 다른 특징들과는 무관하게 사용될 수 있다. 다른 한편으로는, 필요하다면, 본 출원에 개시된 특징들은 다양한 조합들을 제공하도록 조합될 수 있다.

도면 및 관련 설명은 단지 본원의 아이디어를 설명하기 위해서이다. 본원의 상세부는 청구범위의 범위내에서 변경될 수 있다.

Claims (17)

1. 착암용 회전 유닛으로서,
   상기 회전 유닛 (7) 에는 타격 장치가 없고,
   상기 회전 유닛은,
   본체 (23),
   드릴링 장비 (9) 를 부착하는 연결 수단 (18) 을 가진 전방 단부 뿐만 아니라 반대편 후방 단부를 가진 세장형 (elongated) 피스이고 또한 적어도 2 개의 베어링들 (21, 22) 에 의하여 종축선에 대하여 회전가능하게 (R) 상기 본체 (23) 에 지지되는 메인 샤프트 (17),
   회전 모터 (16),
   상기 회전 모터 (16) 로부터 상기 메인 샤프트 (17) 에 회전력을 전달하는 전달 부재들,
   상기 본체 (23) 와 상기 메인 샤프트 (17) 사이의 축력들을 드릴링 방향 (A) 및 복귀 방향 (B) 으로 전달하는 축방향 지지면들, 및
   상기 메인 샤프트에 그리고 추가로 상기 드릴링 장비 (9) 에 압력 매체를 안내하는 채널들 (27) 을 포함하는, 상기 회전 유닛에 있어서,
   상기 메인 샤프트 (17) 는 상기 본체 (23) 에 축방향으로 슬라이딩되도록 지지되는 것을 특징으로 하는, 회전 유닛.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 메인 샤프트 (17) 는 상기 전방 단부의 일부에서 전방 베어링 (22) 에 의해 또한 상기 후방 단부의 일부에서 단부 베어링 (21) 에 의해 상기 본체 (23) 에 반경방향으로 지지되고,
   상기 전방 베어링 (22) 및 상기 단부 베어링 (21) 은 슬라이드 베어링들인 것을 특징으로 하는, 회전 유닛.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 전달 부재들은 축력들을 전달하지 않으면서 상기 메인 샤프트 (17) 의 축방향 이동을 허용하는 슬라이딩 부재들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 회전 유닛.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   회전력은 상기 메인 샤프트의 후방 단부의 일부로부터 상기 메인 샤프트 (17) 에 전달되는 것을 특징으로 하는, 회전 유닛.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 회전 모터 (16) 는 상기 메인 샤프트 (17) 의 후방 단부측에 위치되고,
   상기 회전 모터 (16) 와 상기 메인 샤프트 (17) 는 동일한 축선 (axial line) 에 배열되는 것을 특징으로 하는, 회전 유닛.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 메인 샤프트 (17) 의 외주부는 축방향 지지면들 (24a, 24b) 을 가진 적어도 하나의 공급 플랜지 (29) 를 포함하고,
   상기 본체 (23) 는, 상기 공급 플랜지 (29) 의 위치에서, 상기 메인 샤프트 (17) 를 둘러싸고 또한 축방향 길이를 가진 환형 슬라이딩 공간 (26) 을 포함하며,
   상기 슬라이딩 공간 (26) 은 지지면들과 함께 축방향 전방 단부 (25a) 와 후방 단부 (25b) 에 의해 규정되고,
   상기 공급 플랜지 (29) 와 상기 슬라이딩 공간 (26) 의 지지면들은 상기 본체 (23) 와 상기 메인 샤프트 (17) 사이의 축력을 전달하도록 배열되는 것을 특징으로 하는, 회전 유닛.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 공급 플랜지 (29) 와 상기 슬라이딩 공간 (26) 은 상기 메인 샤프트 (17) 의 전방 단부에 위치되고,
   상기 슬라이딩 공간 (26) 내에 상기 메인 샤프트 (17) 의 전방 단부 주변에 전방 베어링 (22) 이 있으며,
   상기 전방 베어링 (22) 은 상기 공급 플랜지 (29) 와 상기 슬라이딩 공간의 후방 단부 (25a) 사이의 일부에 위치되고,
   상기 전방 베어링 (22) 은 슬라이드 베어링이고 또한 상기 슬라이딩 공간 (26) 에 축방향으로 슬라이딩되도록 배열되는 것을 특징으로 하는, 회전 유닛.
8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
   상기 메인 샤프트에 영향을 주는 축방향 응력들을 감쇠시키는 축방향 댐퍼가 상기 회전 유닛 (7) 의 구조에 통합되고,
   상기 축방향 댐퍼는 상기 슬라이딩 공간 (26) 의 축방향 단부 (25a, 25b) 에 배열된 적어도 하나의 단부 댐퍼 (30, 31) 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 회전 유닛.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 단부 댐퍼 (30, 31) 는 환형 피스이고,
   상기 단부 댐퍼 (30, 31) 는 압축 탄성 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는, 회전 유닛.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 메인 샤프트 (17) 의 전방 단부에서 상기 연결 부재 (18) 는 연결 나사산이므로, 상기 회전 유닛 (7) 과 상기 드릴링 장비 (9) 사이의 연결부는 축방향으로 강성인 것을 특징으로 하는, 회전 유닛.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 메인 샤프트 (17) 는, 동일한 축선에 배열되고 또한 축방향으로 강성인 연결부 (28) 에 의해 서로 연결되는 제 1 메인 샤프트부 (17a) 와 제 2 메인 샤프트부 (17b) 를 포함하며,
    상기 제 1 메인 샤프트부 (17a) 의 후방 단부의 외주부는 회전력을 전달하는 한 세트의 홈들 (19) 을 포함하고,
    상기 제 1 메인 샤프트부 (17a) 는 그의 단부들의 일부에서 전방 베어링 (22) 과 단부 베어링 (21) 에 의해 상기 본체 (23) 에 베어링 장착되며,
    상기 제 2 메인 샤프트부 (17b) 의 전방 단부는 상기 드릴링 장비 (9) 를 부착하는 연결 나사산 (18) 을 포함하는 것을 특징으로 하는, 회전 유닛.
12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 메인 샤프트 (17) 는 축방향 베어링 간격 (L) 을 가진 전방 베어링 (22) 과 단부 베어링 (21) 에 의해 상기 본체 (23) 에 베어링 장착되고, 상기 단부 베어링 (21) 과 상기 전방 베어링 (22) 의 지점에서 상기 메인 샤프트 (17) 는 직경들 (D1, D2) 을 가지며,
    상기 직경들 (D1, D2) 중 최대 직경에 대한 상기 베어링 간격 (L) 의 비는 적어도 3:1 인 것을 특징으로 하는, 회전 유닛.
13. 착암 유닛으로서,
    회전력을 발생시키는 회전 모터 (16), 전달 부재들에 의해 회전력이 전달되는 메인 샤프트 (17), 및 상기 메인 샤프트 (17) 에 드릴링 장비 (9) 를 부착하는 연결 부재들 (18) 을 구비하는 회전 유닛 (7),
    지지부에 의해 상기 회전 유닛 (7) 을 드릴링 방향 (A) 과 복귀 방향 (B) 으로 이동시킬 수 있는 공급 빔 (5),
    공급력들 (F) 을 발생시키는 공급 장치 (6), 및
    제 1 단부에서 상기 드릴링 장비 (9) 는 공급력들 (F) 과 회전력들 (R) 을 상기 드릴링 장비 (9) 에 전달하기 위해서 상기 회전 유닛 (7) 에 연결되고, 자유 단부에서 상기 드릴링 장비 (9) 는 암석을 파괴하는 드릴 비트 (11) 를 구비하는 적어도 하나의 드릴링 튜브 (10) 를 구비하는 드릴링 장비 (9) 를 포함하는, 상기 착암 유닛에 있어서,
    상기 회전 장치 (7) 의 상기 메인 샤프트 (17) 는 상기 본체 (23) 에 축방향으로 슬라이딩되도록 지지되는 것을 특징으로 하는, 착암 유닛.
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 착암 유닛 (4) 은 상기 드릴링 장비 (9) 의 자유 단부의 일부에 배열된 타격 장치 (13) 를 포함하고,
    상기 드릴 비트 (11) 는 상기 타격 장치 (13) 에 연결되는 것을 특징으로 하는, 착암 유닛.
15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 착암 유닛 (4) 은 상기 공급 빔 (5) 에서 이동가능한 캐리지 (8) 를 포함하고,
    상기 회전 유닛 (7) 의 본체 (23) 는 상기 캐리지 (8) 에 고정되도록 부착되는 것을 특징으로 하는, 착암 유닛.
16. 제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 착암 유닛 (4) 은 상기 회전 유닛 (7) 의 상기 메인 샤프트 (17) 의 축방향 위치를 결정하는 적어도 하나의 센서 (50) 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 착암 유닛.
17. 착암 방법으로서,
    적어도 회전 유닛 (7), 공급 빔 (5), 공급 장치 (6) 및 드릴링 장비 (9) 를 구비하는 착암 유닛 (4) 으로 암석을 드릴링하는 단계,
    상기 회전 유닛 (7) 의 메인 샤프트 (17) 를 그의 종축선 둘레로 회전시키고 회전 운동 (R) 을 상기 메인 샤프트 (17) 에 연결된 상기 드릴링 장비 (9) 에 전달하는 단계로서, 최외부 단부에서 상기 드릴링 장비는 암석을 파괴하는 드릴 비트 (11) 를 구비하는, 상기 전달하는 단계,
    상기 공급 빔 (5) 에 의해 지지되는 상기 공급 장치 (6) 에 의해, 상기 회전 장치 (7) 를 드릴링 방향 (A) 과 복귀 방향 (B) 으로 공급하는 단계,
    연결 나사산 (18) 에 의해 상기 드릴링 장비 (9) 를 상기 메인 샤프트 (17) 에 연결하고 또한 상기 드릴링 장비 (9) 에 포함되는 드릴링 구성품들 (10) 을 이들 사이에 있는 연결 나사산들에 의해서 서로 연결하는 단계를 포함하는, 상기 착암 방법에 있어서,
    상기 드릴링 장비 (9) 와 상기 드릴링 장비의 구성품들 (10) 이 연결 및 분리될 때, 상기 회전 유닛 (7) 의 메인 샤프트 (17) 를 상기 회전 유닛의 본체 (23) 에 대하여 축방향으로 이동시키는, 착암 방법.

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