KR20160029811A - 유압식 타격 메커니즘을 위한 다중-축압기 구성 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 타격 비트에 충격을 가하기 위한 피스톤을 포함하는 유압 구동식 타격 메커니즘에 관한 것이다. 타격 메커니즘은 또한 유압 유체용 제 1 축압기 조립체를 포함한다. 제 1 축압기 조립체는 복수의 제 1 축압기 요소를 포함한다. 제 1 양태에서, 복수의 제 1 축압기 요소는 공통의 하우징 내에 배치된다. 제 2 양태에서, 제 1 축압기 요소의 각각은 피스톤으로부터 동일한 근거리에 배치된다. 제 3 양태에서, 제 1 축압기 요소의 각각은 축압기 멤브레인 또는 피스톤을 포함하고, 유압 유체와 접촉된 멤브레인 또는 피스톤의 일차 이동 방향은 메커니즘의 종축선에 실질적으로 평행하다.
Description
본 발명은 타격 메커니즘을 위한 축압기 구성, 특히 유압식 다운-더-홀(down-the-hole) 해머용 축압기 구성에 관한 것이다.
유압 구동식 타격 메커니즘은 암석을 천공하기 위해 사용되는 다양한 설비에서 채용된다. 탑 해머 시스템 및 다운-더-홀 시스템의 양자 모두를 위한 타격 메커니즘의 다수의 상이한 변형례가 존재한다. 이러한 변형례는 셔틀 밸브로 공지된 제어 밸브를 구비하는 메커니즘, 및 이 제어 밸브가 특수 포트 배열로 대체되는 경우에 밸브리스 메커니즘으로 공지된 것을 포함한다.
보통 사용되는 복수의 타격 메커니즘은 3 가지 주요 부품을 포함한다.
1. 이 메커니즘의 전방 단부에 위치된 드릴 비트(bit)나 공구에 타격 에너지를 전달하기 위한 충격 피스톤;
2. 충격 피스톤의 면에 압력을 가하는 타격 메커니즘 내의 유압 유체의 유동을 제어함으로써 피스톤의 왕복 운동을 유발하는 주기적 힘(cyclical force)을 발생시키는 셔틀 밸브; 및
3. 피스톤의 왕복운동에 의해 발생되는 변화하는 순간적 유동 요건을 조정하기 위해 가압된 유체를 취하고, 저장하고, 재공급하는 축압기.
유압 유체는 타격 메커니즘을 장착하고 있는 베이스 기계로부터 일정한 유량으로 공급된다. 유체는 셔틀 밸브와 축압기에 병렬로 공급된다. 사이클 중의 피스톤의 위치에 따라, 유압 유체는 셔틀 밸브를 통과하여 충격 피스톤을 이동시키거나, 또는 축압기를 충전시킬 수 있다. 그러나, 통상적으로 축압기는, 일단 유체의 압력이 축압기 사전 충전 압력으로 공지된 특정의 최소 수준에 도달했을 때에만, 유압 유체를 취하도록 구성된다.
피스톤 사이클의 2 개의 말기에서, 피스톤이 순간적으로 정지된 경우에, 피스톤에의 유압 유동을 위한 요건은 없으므로 유체 압력은 축압기 사전 충전 압력으로 축압되어 축압기 내로 유입된다. 그러나, 이 압력은 병렬로 공급되므로, 이것은 또한 셔틀 밸브를 통해 충격 피스톤 상에 작용하여 고정된 단부 위치로부터 멀어지는 방향으로 피스톤을 가속시키는 힘을 발생한다. 축압기는 피스톤이 속도를 얻어감에 따라 점점 더 적은 부분의 공급된 유체를 수용한다. 사이클 중의 특정의 시점에서, 피스톤은 공급된 유체의 전부를 소모하기에 충분한 속도를 얻는다. 이 유체는 최소한으로 여전히 축압기 사전 충전 압력으로 공급되고 있으므로, 피스톤은 유체의 힘 하에서 계속하여 가속되고 있다. 이 시점에서, 축압기는 유체를 수용하는 것을 중단하고, 유체를 시스템 내로 재공급하기 시작한다. 가압된 유체는 축압기로부터 배출됨으로써 피스톤은 더 빠른 속도를 달성할 수 있다. 이것은 축압기가 그 저장된 유체를 완전히 배출할 때까지 또는 피스톤이 드릴 비트 또는 공구에 충격을 가하고, 따라서 스톱에 도달하거나 공정을 재개할 때까지 지속된다.
유압 유체를 저장하여 공급하는 축압기의 능력은 타격 메커니즘의 성능에 중요하다. 만일 축압기가 충분한 유체를 저장할 수 없거나, 또는 이것을 충분히 신속하게 수용할 수 없거나, 또는 이것을 충분히 신속하게 재공급할 수 없다면, 피스톤의 최대 속도가 제한되므로 피스톤의 타격 에너지는 제한된다. 타격 메커니즘의 최대 충격 진동수도 제한될 것이다. 주기적 부하가 피스톤의 왕복운동의 진동수로 베이스 기계 상에 부과되고, 이것은 베이스 기계의 신뢰성에 유해하다.
타격 메커니즘의 출력은 타격 에너지 및 충격 진동수의 양자 모두에 비례한다. 타격 에너지 및 충격 진동수의 양자 모두는 부족한 축압기 성능에 의해 제한될 수 있으므로 축압기의 성능은 타격 메커니즘의 최대 출력 및 이에 따라 최대 성능을 통제한다. 우수한 축압기 성능을 보장하기 위해, 여러 가지 요인, 즉, 저장 능력, 응답 시간 및 신뢰성이 고려되어야 한다.
고진동수 타격 메커니즘에서, 축압기의 설치가 또한 매우 중요하다. 축압기가 셔틀 밸브에 근접하면 할 수록 유체를 저장 또는 공급하는 그것의 응답 시간은 더 빨라진다. 신속한 응답은 고진동수로 최대 타격 에너지를 달성함에 있어서 중요하다. 축압기의 설치는 타격 메커니즘의 신뢰성에도 영향을 줄 수 있다. 축압기의 위치가 멀면 멀수록 셔틀 밸브의 이동에 응답하여 가속 및 감속되어야 하는 유체의 체적은 더 커진다. 타격 메커니즘은 운동하는 유체의 체적이 증대됨에 따라 “유체 해머”로 알려져 있는 불리한 압력 변동에 더욱 영향을 받기 쉽다.
현재까지, 국제특허출원 공개번호 WO 2010/033041 및 국제특허출원 공개번호 WO 96/20330에 기재된 바와 같은 유압식 다운-더-홀 해머는 타격 메커니즘과 별개의 단일의 축압기를 사용하고 있다. 이것의 이유는 다운-더-홀 타격 드릴 공구는 이것이 천공하는 구멍 내에 끼워져야 하므로 크기 및 형상의 제약을 받기 때문이다. 그러므로 다운-더-홀 드릴 공구의 제약 내에서 축압기 성능에 영향을 주는 요인을 최적화하는 축압기의 구성에 도달하는 것이 곤란하다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 유압 구동식 타격 메커니즘으로서,
타격 비트에 충격을 가하는 피스톤; 및
유압 유체용 제 1 축압기 조립체를 포함하고;
제 1 축압기 조립체는 공통의 하우징 내의 복수의 제 1 축압기 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 유압 구동식 타격 메커니즘이 제공된다.
이러한 구성의 장점은 복수의 복수의 축압기 요소의 사용이 단일의 축압기 구성에 비해 축압기 조립체의 전체 저장 능력을 증가시키는 점이다. 또한 축압기 요소 중의 하나가 고장인 경우에 조립체 내의 다른 요소가 정상적으로 기능을 지속하므로 신뢰성이 증대된다. 다른 장점은 제공되는 축압기 요소의 수가 많으면 많을 수록 각각의 요소에 의해 요구되는 이동은 더 감소되고, 따라서 축압기 조립체의 전체 응답 시간이 향상되는 점이다. 추가의 장점은 공통 하우징이 각각 자기 자신의 하우징 내의 다중 축압기를 사용하는 것에 비해 각각의 축압기 하우징의 가용 단면적을 최대화하는 점이다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 유압 구동식 타격 메커니즘으로서,
타격 비트에 충격을 가하는 피스톤; 및
유압 유체용 제 1 축압기 조립체를 포함하고;
제 1 축압기 조립체는 복수의 제 1 축압기 요소를 포함하고, 제 1 축압기 요소의 각각은 피스톤으로부터 동일한 근거리, 즉 피스톤으로부터 등거리에 배치되는 것을 특징으로 하는 유압 구동식 타격 메커니즘이 제공된다.
이러한 구성은 위에서 설명된 많은 장점, 특히 향상된 저장 능력, 신뢰성 및 응답 시간을 향유한다. 피스톤으로부터 동일한 근거리에 각각의 축압기 요소를 배치하는 것의 장점은 축압기 요소의 내외로의 유압 유체의 총 이동 거리가 최소화될 수 있다는 점이다.
본 발명의 추가의 양태에 따르면, 유압 구동식 타격 메커니즘으로서,
타격 비트에 충격을 가하는 피스톤; 및
유압 유체용 제 1 축압기 조립체를 포함하고;
제 1 축압기 조립체는 복수의 제 1 축압기 요소를 포함하고, 제 1 축압기 요소의 각각은 축압기 멤브레인 또는 피스톤을 포함하고, 유압 유체와 접촉된 멤브레인 또는 피스톤의 일차 이동 방향은 메커니즘의 종축선에 실질적으로 평행한 것을 특징으로 하는 유압 구동식 타격 메커니즘이 제공된다.
이러한 구성도 위에서 설명된 장점, 특히 향상된 저장 능력, 신뢰성 및 응답 시간을 향유한다. 멤브레인 또는 피스톤의 일차 이동 방향이 종방향이 되도록 축압기 요소를 배치하는 것의 장점은 유체가 피스톤의 방향으로 축압기 요소로부터 배출되는 점이다. 축압기 멤브레인의 종방향의 이동은 또한 해머의 요소가 그 길이를 따라 잇달아 배치되는 타격 메커니즘의 다운-더-홀 해머로서의 적용을 위해 유리하다.
본 발명의 위에서 언급된 양태의 특징 중 하나 이상은 단일 실시형태로 결합될 수 있다.
타격 메커니즘은,
피스톤의 왕복운동을 제어하기 위한, 셔틀 밸브 직경을 갖는 셔틀 밸브 더 포함하고;
제 1 축압기 조립체는 셔틀 밸브에 근접하여 또는 인접하여 배치된다.
타격 메커니즘은,
배출 체임버를 더 포함하고;
제 1 축압기 요소의 각각은 이것으로부터 배출되는 유체가 배출 체임버 내로 배출되도록 배치된다.
배출 체임버 셔틀 밸브에 인접해 있을 수 있다.
제 1 축압기 요소의 각각은 공통의 배출 체임버로부터 동일한 근거리에 배치될 수 있다.
이 구성의 장점은 각각의 요소로부터 셔틀 밸브까지의 압력 유체의 경로가 동일하다는 점이다. 그러므로 축압기 요소로부터 압력 유체의 경로는 최소화될 수 있고, 그 결과 축압기 조립체의 응답 시간을 향상시킬 수 있고, 불리한 “유체 해머” 효과의 가능성이 감소될 수 있다.
전형적으로 셔틀 밸브는 제 1 축압기 조립체의 내외로의 유체의 유동을 제어하는 표면을 갖는다. 일 실시형태에서, 제 1 축압기 요소의 각각은 축압기 멤브레인 또는 피스톤을 포함하고, 타격 메커니즘의 작동 중에 적어도 하나의 축압기 멤브레인 또는 피스톤과 셔틀 밸브 표면 사이의 최소 거리는 상기 셔틀 밸브 표면으로부터 상기 셔틀 밸브 직경의 3배 이하이다.
일 실시형태에서, 제 1 축압기 요소는 타격 메커니즘의 종축선을 중심으로 대각 배치(polar array)로 배치된다.
일 실시형태에서, 제 1 축압기 요소의 각각은 기체-충전된 블래더(bladder) 또는 멤브레인을 포함한다.
제 1 축압기 요소의 각각은 메커니즘의 동일한 종방향 위치에, 즉 셔틀 밸브의 동일한 근접부에 배치될 수 있다.
제 1 축압기 조립체는 압력 축압기 조립체일 수 있다. 대안적으로, 제 1 축압기 조립체는 복귀 축압기 조립체일 수 있다. 다른 실시형태에서, 각각의 제 1 축압기 요소는 압력 축압기 또는 복귀 축압기로서 개별적으로 구성될 수 있다.
일 실시형태에서, 타격 메커니즘은,
공통의 하우징 내에 복수의 제 2 축압기 요소를 포함하는 제 2 축압기 조립체를 더 포함하고, 제 2 축압기 요소의 각각은 압력 축압기 또는 복귀 축압기로서 개별적으로 구성될 수 있다.
타격 메커니즘은,
압력 축압기 또는 복귀 축압기로서 제 2 축압기 요소의 각각을 구성하기 위해 제 2 축압기 조립체에 접속될 수 있는 어댑터 하우징을 더 포함한다.
본 발명의 추가의 양태에 따르면, 유압 구동식 타격 메커니즘으로서,
타격 비트에 충격을 가하는 피스톤;
피스톤의 왕복운동을 제어하기 위한, 셔틀 밸브 직경을 갖는 셔틀 밸브;
셔틀 밸브에 근접하여 배치되는, 유압 유체용 제 1 축압기 조립체를 더 포함하고, 이 셔틀 밸브는 제 1 축압기 조립체의 내외로의 유체의 유동을 제어하는 표면을 갖고;
제 1 축압기 조립체는 복수의 제 1 축압기 요소를 포함하고, 제 1 축압기 요소의 각각은 축압기 멤브레인 또는 피스톤을 포함하고, 타격 메커니즘의 작동 중에 적어도 하나의 축압기 멤브레인 또는 피스톤과 셔틀 밸브 표면 사이의 최소 거리는 셔틀 밸브 표면으로부터 셔틀 밸브 직경의 3배 이하이고, 타격 메커니즘의 작동 중에 적어도 하나의 다른 축압기 멤브레인 또는 피스톤과 셔틀 밸브 표면 사이의 최소 거리는 셔틀 밸브 표면으로부터 셔틀 밸브 직경의 10배 이하인 것을 특징으로 하는 유압 구동식 타격 메커니즘이 제공된다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 유압식 다운-더-홀 해머로서,
위에서 설명된 타격 메커니즘을 포함하는 유압식 다운-더-홀 해머가 제공된다.
유압식 다운-더-홀 해머는,
외부의 원통형 외부 마모 슬리브를 더 포함할 수 있고, 피스톤은 타격 비트에 타격을 가하기 위해 외부 마모 슬리브 내에서 왕복 이동하도록 장착되고, 타격 비트는 외부 마모 슬리브의 전방 단부에 위치된다.
일 실시형태에서, 유압식 다운-더-홀 해머는,
피스톤의 왕복운동을 제어하기 위한 셔틀 밸브를 포함하고, 셔틀 밸브는 셔틀 밸브 직경을 갖고, 셔틀 밸브는 제 1 축압기 조립체의 내외로의 유체의 유동을 제어하고, 제 1 축압기 조립체는 셔틀 밸브에 근접하여 배치되고;
제 1 축압기 요소의 각각은 축압기 멤브레인 또는 피스톤을 포함하고, 타격 메커니즘의 작동 중에 적어도 하나의 축압기 멤브레인 또는 피스톤과 셔틀 밸브 표면 사이의 최소 거리는 셔틀 밸브 표면으로부터 셔틀 밸브 직경의 10배 이하이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 유압식 다운-더-홀 해머의 측단면도이고;
도 2는 도 1의 중앙부의 확대 측단면도이고;
도 3은 도 1의 상부의 확대 측단면도이고;
도 4는 도 1의 X-X 선을 따라 취해진 제 1 축압기 조립체의 단면도이고;
도 5는 도 1의 Y-Y 선을 따라 취해진 제 1 축압기 조립체의 단면도이고;
도 6a 및 도 6b는 상이한 양의 압력 유체를 저장하는 축압기 요소를 도시하는 도 1의 제 1 축압기 조립체의 확대 측단면이고;
도 7은 도 1의 제 2 축압기 조립체의 확대 측단면도이고;
도 8은 대안적 제 2 축압기 조립체의 확대 측단면도이고;
도 9는 도 1의 Z-Z 선을 따라 취해진 제 2 축압기 조립체의 단면도이다.
도 2는 도 1의 중앙부의 확대 측단면도이고;
도 3은 도 1의 상부의 확대 측단면도이고;
도 4는 도 1의 X-X 선을 따라 취해진 제 1 축압기 조립체의 단면도이고;
도 5는 도 1의 Y-Y 선을 따라 취해진 제 1 축압기 조립체의 단면도이고;
도 6a 및 도 6b는 상이한 양의 압력 유체를 저장하는 축압기 요소를 도시하는 도 1의 제 1 축압기 조립체의 확대 측단면이고;
도 7은 도 1의 제 2 축압기 조립체의 확대 측단면도이고;
도 8은 대안적 제 2 축압기 조립체의 확대 측단면도이고;
도 9는 도 1의 Z-Z 선을 따라 취해진 제 2 축압기 조립체의 단면도이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 유압식 다운-더-홀 해머(10)는 도 1에 도시되어 있다. 해머(10)는 축압기 카트리지(11) 및 타격 카트리지(12)를 포함한다. 타격 카트리지는 외부의 원통형 외부 마모 슬리브(9a)를 포함한다. 내부 실린더(5)는 외부 마모 슬리브 내에 동축으로 장착된다. 슬라이딩 충격 피스톤(6)은 내부 실린더(5) 및 외부 마모 슬리브(9a) 내에서 왕복 이동하도록 장착되어 외부 마모 슬리브의 전방 단부에 위치된 해머 비트(8)에 충격을 가하여 드릴 비트에 타격력을 가한다.
외부 마모 슬리브(9a)는 마모 슬리브(9a)의 전방 단부에 제공되는 암나사산 및 비트 하우징(7)의 후방 단부에 제공되는 공동작용하는 수나사산에 의해 비트 하우징(7)에 나사결합된다. 비트 하우징은 이 하우징(7)이 외부 마모 슬리브(9a) 내에 나사체결된 경우에 스톱의 기능을 하는 외부 환형 숄더를 구비한다. 회전력은 회전하는 외부 마모 슬리브(9a)로부터 비트 하우징(7)의 전방 단부에 장착되는 중공 원통형 척(13)에 의해 비트까지 전달된다. 척의 내부는 자신의 내벽 상에 복수의 축방향으로 연장되는 스플라인을 제공하기 위해 기계가공되고, 이 스플라인은 척으로부터 드릴 비트로 회전 구동을 전달하기 위해 해머 비트(8)의 섕크 상의 상보적 스플라인과 맞물린다. 척의 상부는 비트 하우징(7)에 접속되기 위한 수나사산을 갖는다. 척은 또한 이 척이 비트 하우징(7) 내에 나사체결된 경우에 스톱의 기능을 하는 외부 환형 숄더를 구비한다.
타격 카트리지는 셔틀 밸브 및 하우징(4)을 더 포함한다. 셔틀 밸브는 피스톤(6)의 왕복운동을 제어하고, 셔틀 밸브 직경(D)을 갖는다. 셔틀 밸브는 제 1 축압기 조립체(3a)의 내외로의 유체의 유동을 제어하는 표면(29)을 갖는다.
축압기 카트리지(11)는 2 개의 섹션(9b, 9c)을 갖는 외부의 원통형 외부 마모 슬리브를 포함한다. 제 1 축압기 조립체(3a) 및 제 2 축압기 조립체(3b)는 외부 마모 슬리브(9b, 9c) 내에 동축으로 장착된다. 축압기 카트리지는 이하에서 더 상세히 논의 되는 어댑터 하우징(3c)을 더 포함한다. 접속 밸브(1) 및 매니폴드(2)는 해머(10)의 후방 단부에 제공된다.
축압기 카트리지(11)는 제 1 축압기 조립체(3a)와 외부 마모 슬리브(9a) 사이의 나사산 연결에 의해 타격 카트리지(12)에 연결된다. 제 1 축압기 조립체(3a)는 하우징(14)을 포함하고, 이 하우징(14)은 그 전방 단부 및 후방 단부의 수나사산 및 이들 사이에 제공된 외부 스플라인을 갖는다. 제 1 축압기 조립체 하우징(14)의 전방 단부에 제공되는 나사산은 외부 마모 슬리브(9a)의 후방 단부 상에 제공되는 암나사산과 맞물린다. 마모 슬리브(9b)는 하우징(14) 상의 외부 스플라인과 맞물리도록 내부에 스플라인을 갖는다. 마모 슬리브(9b)는 작동 중에 제 1 축압기 조립체(3a)를 보호하고, 또한 하우징(14)과의 스플라인 맞물림을 통해 조립 및 분해를 위해 하우징을 회전하는 수단을 제공한다. 마모 슬리브(9c)는 또한 양 단부에 암나사산을 갖고, 그 전방 단부에서 하우징(14)의 후방 단부에 제공되는 수나사산에 연결된다. 외부 마모 슬리브(9c)의 후방 단부는 해머의 백헤드 조립체(1a, 1b)에 나사결합된다.
타격 카트리지 및 축압기 카트리지의 다양한 부품은 이들 부품 사이의 다양한 나사산 연결에 의해 발생되는 반력(opposing force)에 의해 서로 접촉되어 유지된다.
해머(10)는 하나 이상의 드릴 로드에 의해 베이스 기계에 연결된다. 접속 밸브(1)는 사용된 특정의 로드에 해머를 정확하게 연결하도록 선택된다. 접속 밸브는 압력 유체 경로와 동심인, 그리고 이 압력 유체 경로의 외부에 있는 중심 압력 유체 경로(15) 및 복귀 유체 경로(16)를 포함한다. 접속 밸브는 복귀 유체 경로와 동심인, 그리고 이 복귀 유체 경로의 외부에 있는 플러싱 유체 경로(17)를 더 포함한다. 매니폴드(2)의 기능은, 압력 유체 경로가 복귀 유체 경로와 동심이 되도록, 그리고 압력 유체 경로가 복귀 유체 경로의 외부에 있도록, 압력 유체 경로와 복귀 유체 경로의 위치를 교환하는 것이다. 단일 복귀 유체 채널(18)은 셔틀 밸브(4)의 중심으로부터 축압기 조립체(3a, 3b)의 중심을 통해 해머(10)의 중심을 통해 연장된다. 도 1에 도시된 실시형태에서, 압력 유체는 부품의 주변의 근처에 위치되는 복수의 채널(19) 내에서 운반된다. 플러싱 유체는 해머의 마모 슬리브와 내부 부품 사이에 형성되는 복수의 채널(20) 내에서 운반된다. 해머의 전방 단부에서, 플러싱 유체는 비트 하우징(7) 내의 채널(21)을 통해, 그리고 비트를 통해 유출되어 천공되는 구멍 내로 유입된다.
도 2는 타격 카트리지의 실린더(5), 피스톤(6) 및 셔틀 밸브(4)를 더 상세히 도시하고 있다. 2 개의 그룹의 채널(22, 23)이 실린더를 통해 유체를 운반한다. 5 개의 채널의 하부 그룹(22)은 실린더의 전방 단부로 유체를 운반하고, 5 개의 채널의 상부 그룹(23)은 실린더의 후방 단부로 유체를 운반한다. 충격 피스톤(6)은 실린더(5) 내에 억지끼워맞춤을 제공하는 외경을 갖고, 실린더 내에 3개의 구별가능한 체임버를 효과적으로 형성한다. 하부 체임버(24)는 하부 그룹의 채널(22)과 유체 연통된다. 상부 체임버(25)는 상부 그룹의 채널(23)과 유체 연통된다. 피스톤(6)의 위치에 따라, 중간 체임버(26)는 하부 체임버(24) 또는 복귀 유체 채널(18)과 유체 연통될 수 있다.
도 3, 도 4, 도 5, 도 6a 및 도 6b는 제 1 축압기 조립체(3a)를 더 상세히 도시하고 있다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 제 1 축압기 조립체(3a)는 전술한 바와 같은 하우징(14)을 포함한다. 5 개의 제 1 축압기 요소(27)는 각각 체임버(33) 내에 배치되는 기체-충전된 블래더 또는 멤브레인(32)을 포함하고, 공통의 하우징(14) 내의 해머(10)의 종축선을 중심으로 대칭적 대각 배치로 배치된다. 제 1 축압기 조립체(3a)는 또한 셔틀 밸브(4)에 인접하는 공통의 배출 체임버(30)를 포함하고, 제 1 축압기 요소(27)의 각각은 이것으로부터 배출되는 유체가 채널(31)을 통해 공통의 배출 체임버 내로 배출되도록 배치된다. 제 1 축압기 요소(27)의 각각은 공통의 배출 체임버(30)의 동일한 근접부에, 그리고 해머(10)의 동일한 종방향 위치에 배치된다. 따라서, 제 1 축압기 요소(27)의 각각은 충격 피스톤(6)으로부터 등거리에 있다. 대안적 실시형태에서, 상이한 수의 제 1 축압기 요소가 제공될 수 있고, 및/또는 이들은 비대칭적으로 배치될 수 있다. 대안적 실시형태에서, 제 1 축압기 요소는 기체-충전된 블래더(32)의 대신에 기체 충전된 다이어프램 또는 기체 충전된 피스톤을 포함할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 피스톤 사이클의 2 개의 상이한 시점에서의 축압기 요소(27)를 도시한다. 도 6b는 도 6a보다 더 많은 양의 압력 유체를 저장하는 요소(27)를 도시한다. 도면에 도시된 바와 같이, 멤브레인(32)의 일차 이동 방향은 이 메커니즘의 종축선에 실질적으로 평행이다. 이들 도는 자체 상에서 해머의 타격 메커니즘을 작동시키기 위해 하나의 축압기 요소에 의해 요구되는 이동을 예시한다. 제공되는 축압기 요소(27)의 수가 많으면 많을 수록 각각의 요소에 의해 요구되는 이동은 더 감소되고, 따라서 축압기 조립체의 전체 응답 시간이 향상된다. 또한, 제공되는 요소(27)가 많으면 많을 수록 유체 속도는 더 느려지고, 그 결과 “유체 해머” 효과가 감소된다.
도 7 내지 도 9에서 더 상세히 도시된 바와 같이, 해머(10)는 하우징(34)을 포함하는 제 2 축압기 조립체(3b)를 더 포함한다. 5 개의 제 2 축압기 요소(35)는 각각 체임버(37) 내에 배치되는 기체-충전된 블래더 또는 멤브레인(36)을 포함하고, 공통의 하우징(34) 내의 해머(10)의 종축선을 중심으로 대칭적 대각 배치로 배치된다. 대안적 실시형태에서, 상이한 수의 제 2 축압기 요소가 제공될 수 있고, 및/또는 이들은 비대칭적으로 배치될 수 있다. 제 2 축압기 요소(35)의 각각은 압력 축압기나 또는 복귀 축압기로서 개별적으로 구성될 수 있다. 압력 축압기로서 구성되는 요소는 제 1 축압기 조립체(3a)에 대해 보충적이다. 복귀 축압기로서 구성되는 요소는 베이스 기계로 복귀되는 복귀 유체 유동을 평활화하기 위해 사용되므로, 드릴 로드 및 베이스 기계의 유압이 맥동하는 복귀 유동이 되지 않음으로써 해머 및 베이스 기계의 신뢰성이 향상된다.
제 2 축압기 조립체(3b)는 복수의 배출 부품(38)을 포함한다. 배출 부품(38)은 압력 축압기 또는 복귀 축압기로서 각각의 제 2 축압기 요소를 구성하도록 어댑터 하우징(3c)에 연결된다. 어댑터 하우징(3c)은 개별 축압기 요소(35)를 도 7에 도시된 바와 같이 중심 복귀 채널(18)과, 또는 도 8에 도시된 주위의 압력 채널(19)과 연결하는 천공을 구비한다. 따라서, 도 7에 도시된 요소(35a)는 복귀 축압기로서 구성되지만 도 8에 도시된 요소(35b)는 압력 축압기로서 구성된다. 최종 사용자에 의해 정의되는 바와 같은 압력 축압기 요소와 복귀 축압기 요소가 적절히 혼합된 제 2 축압기 조립체(3b)를 구성하기 위해 다양한 어댑터 하우징이 사용될 수 있다. 하우징(34), 축압기 요소(35) 및 배출 부품(38)은 선택된 구성에 무관하게 동일하게 유지되고; 오직 어댑터 하우징(3c) 및 이에 따라 개별 요소의 사전 충전 압력은 변화될 필요가 있다.
해머의 작동을 위해 3 개의 유체 유동이 요구된다. 압력 유체는 베이스 기계로부터 해머(10)로 유동하여 해머를 구동시키기 위한 에너지를 제공한다. 복귀 유체는 저압으로 해머(10)로부터 배출되어 베이스 기계로 복귀된다. 플러싱 유체는 해머를 통해 유동하고, 비트(8)를 통해 배출되고, 다음에 천공되는 구멍으로부터 배출되어 드릴 절삭 부스러기를 배출시킨다. 일반적으로, 압력 유체 및 복귀 유체는 오일이고, 플러싱 유체는 공기이지만, 다른 조합이 가능하다.
실린더(5) 내의 하부 체임버(24)에는 실린더의 압력 채널(19) 및 하부 그룹의 채널(22)을 통해 압력 유체가 지속적으로 공급된다. 상부 체임버(25)는 상부 그룹의 채널(23)을 통해 단속적으로 가압되고, 이 채널은 압력 유체를 공급받거나 또는 셔틀 밸브(4)의 위치에 따라 복귀 유체 채널에 접속된다. 실린더(5)의 중간 체임버(26)는 또한 실린더(5) 내의 충격 피스톤(6)의 위치에 따라 단속적으로 가압된다. 충격 피스톤(6)이 해머 비트(8)에 접근된 경우, 중간 체임버(26)는 하부 체임버(24)에 접속되고, 따라서 가압된다. 충격 피스톤이 행정의 상부에 접근된 경우, 중간 체임버는 복귀 유체 라인(18)에 접속되고, 따라서 감압된다.
중간 체임버(26) 내의 압력은 셔틀 밸브의 위치를 제어한다. 사이클의 출발 시에, 중간 체임버가 감압된 경우, 셔틀 밸브(4)는 상부 체임버(25)에 압력을 가하기 위해 이동된다. 이 단계에서, 제 1 축압기 요소(27), 및 제 2 축압기 조립체(3b) 내의 압력 요소는 베이스 기계로부터 전체 유체 유동을 수용하므로 유체를 저장한다. 사이클의 이 시점에서, 상부 체임버(25)에 노출되는 충격 피스톤의 면적은 하부 체임버(24)에 노출되는 면적보다 크고, 충격 피스톤을 비트(8)를 향해 전방으로 구동시키는 순(net) 하방향 작용력이 생성된다. 충격 피스톤이 하방향으로 가속됨에 따라, 압력 축압기 내로 유입되는 유동은 점차 감소되어 약 1/4 행정의 위치에서 0에 이른다. 이 시점으로부터, 피스톤이 자신의 완전 타격 속도까지 가속을 유지할 수 있도록, 축압기는 베이스 기계로부터 유입되는 오일에 추가되는 오일 공급을 개시한다. 축압기가 유체를 신속하게 공급하는 능력은 타격점 직전에서 가장 중요하다. 만일 충격 피스톤이 오일 공급을 추월할 수 있다면, 그 최대 속도는 제한된다. 일단 충격 피스톤이 비트에 근접하면, 압력 유체가 중간 체임버(26) 내로 유입되도록 경로가 개방된다. 이제 중간 체임버가 가압되면, 셔틀 밸브는 복귀 유체 채널(18)에 상부 체임버(25)를 접속시키도록 이동된다. 따라서 충격 피스톤의 상부에 미치는 힘은 저하되고, 그러므로 피스톤 상에 작용하는 순 힘의 방향은 역전된다. 일단 충격 피스톤이 비트에 충돌함으로써 정지되면, 이 힘은 피스톤을 비트로부터 멀어지는 방향으로 가속시킨다. 타격점에서, 압력 축압기는 그 저장된 유체의 대부분을 배출한다. 충격 피스톤이 정지되면, 축압기는 공급된 유체의 저장을 신속하게 재개해야 한다. 유체를 저장하는 축압기의 응답 시간 및 위치가 가장 중요한 것은 사이클의 이 시점이다. 이 때 운동하는 유체의 체적이 지나치게 크거나, 또는 축압기가 충분히 신속하게 충분한 오일의 저장을 개시할 수 없는 경우, 위험한 압력 급상승이 발생될 수 있다. 충격 피스톤이 상방향으로 가속됨에 따라 축압기 내로 유입되는 유체는 감소된다. 다음에, 충격 피스톤이 자신의 상방향 이동 시에 특정의 지점에 도달할 경우, 중간 체임버로의 압력 유체의 공급은 다시 차단되고, 중간 체임버는 복귀 유체 경로(18)에 접속된다. 이것에 의해 셔틀 밸브는 자신의 원위치로 복귀되어 상부 체임버(25)를 압력 채널(19)에 접속시킨다. 이 시점에서, 축압기는 피스톤이 정지될 때까지 피스톤의 이동에 의해 상부 체임버(25)로부터 배출되는 유체의 저장을 신속하게 개시해야 한다. 또 다시, 이 때 생성되는 과도(transient) 압력을 제어할 수 있도록 하기 위해 축압기의 응답 시간 및 위치는 매우 중요하다. 중간 체임버가 감압되고, 피스톤이 이제 행정의 상부에 위치하는 경우, 사이클이 재개된다. 축압기는 사이클의 약 75% 동안 유체를 저장해야 하고, 다른 25%에 걸쳐 유체를 재공급해야 한다. 따라서, 축압기의 응답 시간은 특히 진동수가 증가함에 따라 메커니즘의 성능의 기본이 된다.
위에 기재된 실시형태는 유압식 다운-더-홀 해머 내에서 셔틀 밸브를 장착한 타격 메커니즘을 포함한다. 그러나, 본 발명은 밸브리스 설계의 타격 메커니즘을 포함하는 모든 형태의 타격 메커니즘에 동등하게 적용될 수 있다.
본 발명에 관련되어 본 명세서에서 사용되는 경우, 용어 “포함하다/포함하는” 및 용어 “갖는/포함하는”은 언급된 특징, 정수, 단계 또는 부품의 존재를 특정하기 위해 사용되지만, 그것의 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 부품 또는 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
명확화를 위해 별개의 실시형태로 기재된 본 발명의 특정의 특징들은 단일의 실시형태로 조합되어 제공될 수도 있다. 반대로, 간략화를 위해 단일의 실시형태로 기재된 본 발명의 다양한 특징은 별개로 또는 임의의 적절한 하위 조합으로 제공될 수도 있다.
Claims (20)
- 유압 구동식 타격 메커니즘으로서,
타격 비트(bit)에 충격을 가하는 피스톤; 및
유압 유체용 제 1 축압기 조립체를 포함하고;
상기 제 1 축압기 조립체는 공통의 하우징 내의 복수의 제 1 축압기 요소를 포함하는, 유압 구동식 타격 메커니즘. - 유압 구동식 타격 메커니즘으로서,
타격 비트에 충격을 가하는 피스톤; 및
유압 유체용 제 1 축압기 조립체를 포함하고;
상기 제 1 축압기 조립체는 복수의 제 1 축압기 요소를 포함하고, 상기 제 1 축압기 요소의 각각은 상기 피스톤으로부터 동일한 근거리에 배치되는, 유압 구동식 타격 메커니즘. - 유압 구동식 타격 메커니즘으로서,
타격 비트에 충격을 가하는 피스톤; 및
유압 유체용 제 1 축압기 조립체를 포함하고;
상기 제 1 축압기 조립체는 복수의 제 1 축압기 요소를 포함하고, 상기 제 1 축압기 요소의 각각은 축압기 멤브레인 또는 피스톤을 포함하고, 상기 유압 유체와 접촉된 상기 멤브레인 또는 피스톤의 일차 이동 방향은 상기 메커니즘의 종축선에 실질적으로 평행한, 유압 구동식 타격 메커니즘. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
셔틀 밸브 직경을 갖는, 상기 피스톤의 왕복운동을 제어하기 위한 셔틀 밸브를 더 포함하고;
상기 제 1 축압기 조립체는 상기 셔틀 밸브에 근접하여 배치되는, 유압 구동식 타격 메커니즘. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
공통의 배출 체임버를 더 포함하고;
상기 제 1 축압기 요소의 각각은 상기 제 1 축압기 요소로부터 배출되는 유체가 상기 공통의 배출 체임버 내로 배출되도록 배치되는, 유압 구동식 타격 메커니즘. - 제 5 항에 있어서,
상기 제 1 축압기 요소의 각각은 상기 공통의 배출 체임버로부터 동일한 근거리에 배치되는, 유압 구동식 타격 메커니즘. - 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 셔틀 밸브는 상기 제 1 축압기 조립체 내외로의 유체의 유동을 제어하는 표면을 갖고, 상기 제 1 축압기 요소의 각각은 축압기 멤브레인 또는 피스톤을 포함하고, 상기 타격 메커니즘의 작동 중에 적어도 하나의 상기 축압기 멤브레인 또는 피스톤과 상기 셔틀 밸브 표면 사이의 최소 거리는 상기 셔틀 밸브 표면으로부터 상기 셔틀 밸브 직경의 3배 이하인, 유압 구동식 타격 메커니즘. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 축압기 요소는 상기 타격 메커니즘의 종축선을 중심으로 대각 배치(polar array)로 배치되는, 유압 구동식 타격 메커니즘. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 축압기 요소의 각각은 기체-충전된 블래더(bladder) 또는 멤브레인을 포함하는, 유압 구동식 타격 메커니즘. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 축압기 요소의 각각은 상기 메커니즘 내의 동일한 종방향 위치에 배치되는, 유압 구동식 타격 메커니즘. - 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 축압기 조립체는 압력 축압기 조립체인, 유압 구동식 타격 메커니즘. - 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 축압기 조립체는 복귀 축압기 조립체인, 유압 구동식 타격 메커니즘. - 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 축압기 요소의 각각은 압력 축압기 또는 복귀 축압기로서 개별적으로 구성될 수 있는, 유압 구동식 타격 메커니즘. - 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
공통의 하우징 내에 복수의 제 2 축압기 요소를 포함하는 제 2 축압기 조립체를 더 포함하고, 상기 제 2 축압기 요소의 각각은 압력 축압기 또는 복귀 축압기로서 개별적으로 구성될 수 있는, 유압 구동식 타격 메커니즘. - 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
압력 축압기 또는 복귀 축압기로서 상기 제 1 축압기 요소 또는 상기 제 2 축압기 요소의 각각을 구성하기 위해 상기 제 1 축압기 조립체 또는 상기 제 2 축압기 조립체에 접속될 수 있는 어댑터 하우징을 더 포함하는, 유압 구동식 타격 메커니즘. - 유압 구동식 타격 메커니즘으로서,
타격 비트에 충격을 가하는 피스톤;
셔틀 밸브 직경을 갖는, 상기 피스톤의 왕복운동을 제어하기 위한 셔틀 밸브; 및
상기 셔틀 밸브에 근접하여 배치되는, 유압 유체용 제 1 축압기 조립체를 포함하고, 상기 셔틀 밸브는 상기 제 1 축압기 조립체의 내외로의 유체의 유동을 제어하는 표면을 갖고;
상기 제 1 축압기 조립체는 복수의 제 1 축압기 요소를 포함하고, 상기 제 1 축압기 요소의 각각은 축압기 멤브레인 또는 피스톤을 포함하고, 상기 타격 메커니즘의 작동 중에 적어도 하나의 축압기 멤브레인 또는 피스톤과 상기 셔틀 밸브 표면 사이의 최소 거리는 상기 셔틀 밸브 표면으로부터 셔틀 밸브 직경의 3배 이하이고, 상기 타격 메커니즘의 작동 중에 상기 적어도 하나의 다른 축압기 멤브레인 또는 피스톤과 상기 셔틀 밸브 표면 사이의 최소 거리는 상기 셔틀 밸브 표면으로부터 상기 셔틀 밸브 직경의 10배 이하인, 유압 구동식 타격 메커니즘. - 유압식 다운-더-홀 해머로서,
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 타격 메커니즘을 포함하는, 유압식 다운-더-홀 해머. - 제 17 항에 있어서,
외부의 원통형 외부 마모 슬리브를 더 포함하고, 상기 피스톤은 상기 타격 비트에 타격을 가하기 위해 상기 외부 마모 슬리브 내에서 왕복 이동하도록 장착되고, 상기 타격 비트는 상기 외부 마모 슬리브의 전방 단부에 위치되는, 유압식 다운-더-홀 해머. - 제 17 항 또는 제 18 항에 있어서,
상기 피스톤의 왕복운동을 제어하기 위한 셔틀 밸브를 포함하고, 상기 셔틀 밸브는 셔틀 밸브 직경을 갖고, 상기 셔틀 밸브는 상기 제 1 축압기 조립체의 내외로의 유체의 유동을 제어하고, 상기 제 1 축압기 조립체는 상기 셔틀 밸브에 근접하여 배치되고;
상기 제 1 축압기 요소의 각각은 축압기 멤브레인 또는 피스톤을 포함하고, 상기 타격 메커니즘의 작동 중에 적어도 하나의 상기 축압기 멤브레인 또는 피스톤과 상기 셔틀 밸브 표면 사이의 최소 거리는 상기 셔틀 밸브 표면으로부터 셔틀 밸브 직경의 10배 이하인, 유압식 다운-더-홀 해머. - 실질적으로 첨부한 도면을 참조하여 이상에서 설명된 바와 같은, 및/또는 첨부한 도면에 예시된 바와 같은 유압식 다운-더-홀 해머.
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