KR20160033476A - 천공용 해머 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지하암반을 타격하여 파쇄하는 천공용 해머에 관하 것으로, 더욱 상세하게는 에어튜브와 피스톤 및 비트로 이루어지되, 상기 피스톤은 에어튜브에 공급된 압축공기를 피스톤의 상부에 위치한 상부챔버로 공급하는 상부챔버 이동관로와 피스톤의 하부에 위치한 하부챔버로 공급하는 하부챔버 이동관로가 별개로 형성되어, 에어튜브로부터 상부챔버와 하부챔버로 압축공기를 번갈아 공급함으로써 피스톤이 상승과 하강을 반복하는 것이 특징인 천공용 해머에 관한 것이다.
따라서, 본 발명 천공용 해머는 동일한 압축공기의 사용에서도 압축공기의 효율을 증대시키고, 손실을 줄임으로써 높은 타격에너지를 낼 수 있으며, 해머의 효율은 매우 좋다는 등의 현저한 효과가 있다.

Description

천공용 해머{Hammer for drilling}

본 발명은 천공용 해머에 관한 것으로, 해머 내부의 공압의 압력 작동면을 최대화하여 동일한 해머의 작동압력에서 상대적으로 향상된 성능을 발휘할 수 있는 천공용 해머에 관한 것이다.

일반적으로 지면을 굴착하는 해머는 공기 또는 워터와 같은 유체를 사용하여 굴착하는 힘을 얻게 되며, 또한 해머의 동작을 제어한다.

통상적인 해머구조에 대해 등록실용신안공보 등록번호 20-0429346호는, 공기압축기에서 지원받은 압축공기가 로타리해드와 연장파이프 를 통하여 상기의 에어 해머에 압축공기가 도달하면 에어 해머 내부의 피스톤이 상하 반복작용을 하면서 비트를 타격하고, 이 비트가 다양한 지반을 부숴 굴착이 이루어진다.

여기에 사용하는 에어 해머의 구성품을 대별하면, 척, 외피, 피스톤, 압축공기 분배기, 톱서브로 나눌 수 있으며, 각 부품의 역할로는 척은 외피의 아래쪽에 결합 되며 에어 해머와 비트를 결합시켜 주기 위한 것이고, 외피는 피스톤의 외주면을 감싸고 피스톤의 왕복운동을 자연스럽게 하며, 압축공기 분배기는 피스톤이 왕복운동을 할 수 있게 공기를 분배하고, 톱서브는 외피의 위쪽에 결합 되며 에어해머에 압축공기를 공급하기 위한 연장파이프에도 연결하는 역할을 하는 기술이 공개되어 있다.

또한, 등록실용신안공보 등록번호 20-0273989호에는 에어해머는 그 몸체부를 구성하는 원통상으로 된 하우징의 중공부에 굴착용 비트가 설치되고, 상기 비트의 하단부에는 초경소재로 된 다수의 볼이 박힌 고정이빨과 외향으로 확대되도록 조립된 확경이빨이 구비되고, 그러므로 굴착하기 위한 장소에 에어해머의 하우징을 수직으로 거치시킨 상태에서 그 중공부에 설치된 비트를 구동시킴에 따라, 준비상태로부터 비트의 헤드부 하단에 구비된 고정이빨과 확경이빨이 일체로 하우징의 하단으로 돌출됨과 아울러 상기 확경이빨이 그 자웅에 의해 외형으로 확대된 상태에서 비트가 회전과 동시에 고압의 공기압을 분사시키게 됨으로써 토사 또는 암반층을 굴착하게 되는 것이 공개되어 있다.

그러나 상기 종래의 천공용 해머는 작동을 위한 내부구조상 피스톤의 상·하 작동 압력면이 한정되어 피스톤의 상·하 구동을 위한 고압에 의한 힘이 한정되어 있으며, 이러한 한계로 인하여 그 타격력이 낮으며 해머의 효율이 낮은 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 해머내 압축공기의 손실을 줄이며, 해머가 작동되는데 필요한 적은 공기의 양으로 높은 타격을 낼 수 있는 천공용 해머를 제공하고자 하는 것이다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 해머 내의 압축공기의 작동면적을 극대화함으로써 피스톤의 상·하운동의 효율을 증대시킴으로써 동일한 작동압력(공압)에서 더욱 향상된 성능을 낼 수 있는 천공용 해머를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명 천공용 해머는 에어튜브와 피스톤 및 비트로 이루어지되, 상기 피스톤은 에어튜브에 공급된 압축공기를 피스톤의 상부에 위치한 상부챔버로 공급하는 상부챔버 이동관로와 피스톤의 하부에 위치한 하부챔버로 공급하는 하부챔버 이동관로가 별개로 형성되어, 에어튜브로부터 상부챔버와 하부챔버로 압축공기를 번갈아 공급함으로써 피스톤이 상승과 하강을 반복하는 것이 특징이다.

따라서, 본 발명 천공용 해머는 동일한 압축공기의 사용에서도 압축공기의 효율을 증대시키고, 손실을 줄임으로써 높은 타격에너지를 낼 수 있으며, 해머의 효율은 매우 좋다는 등의 현저한 효과가 있다.

도 1은 본 발명 천공용 해머의 구성도.
도 2는 본 발명 천공용 해머의 플러싱 단계를 나타낸 개요도.
도 3과 도 4는 본 발명 천공용 해머의 피스톤상승의 첫 단계를 나타낸 개요도.
도 5는 본 발명 천공용 해머의 피스톤상승의 두 번째 단계를 나타낸 개요도.
도 6은 본 발명 천공용 해머의 피스톤상승의 세 번째 단계를 나타낸 개요도.
도 7은 본 발명 천공용 해머의 피스톤상승의 마지막 단계이자 피스톤하강의 첫 번째 개요도.
도 8은 본 발명 천공용 해머의 피스톤하강의 두 번째 단계를 나타낸 개요도.
도 9는 본 발명 천공용 해머의 피스톤하강의 세 번째 단계를 나타낸 개요도.
도 10과 도 11은 본 발명 천공용 해머의 피스톤하강의 마지막 단계이자 피스톤상승의 첫 번째 단계를 나타낸 개요도.

본 발명 천공용 해머는 에어튜브(7)와 피스톤(8) 및 비트(12)로 이루어지되, 상기 피스톤(8)은 에어튜브(7)에 공급된 압축공기를 피스톤(8)의 상부에 위치한 상부챔버(16)로 공급하는 상부챔버 이동관로(8b)와 피스톤(8)의 하부에 위치한 하부챔버(17)로 공급하는 하부챔버 이동관로(8a)가 별개로 형성되어, 에어튜브(7)로부터 상부챔버(16)와 하부챔버(17)로 압축공기를 번갈아 공급함으로써 피스톤(8)이 상승과 하강을 반복하는 것이 특징이다.

그리고 상기 피스톤(8)은 상·부의 면적이 동일하게 형성된 것이 특징이다.

또한, 상기 피스톤(8)의 상부 중심에는 피스톤(8)의 중공부분으로 삽입되는 에어튜브(7)의 외부 직경보다 크게 오목홈(8c)이 형성되어 있는 것이 특징이다.

이하, 본 발명 천공용 해머를 첨부한 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명 천공용 해머의 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 천공용 해머는 중공관 형상의 웨어슬리브(1)의 상·하단에 백헤드(2)와 비트(12)의 상·하면의 일부가 웨어슬리브(1)의 외부로 돌출되도록 장착되고, 상기 웨에슬리브(1)의 내부에는 상부의 백헤드(2)로부터 제1 오링(13), 버퍼링(3), 체크밸브(4), 체크밸브 스프링(15), 체크밸브 박스(5), 에어분배기(6), 에어튜브(7), 피스톤(8), 제2 오링(14), 가이드부시(9), 비트링(10), 척(11)이 순차적으로 조립되어 있다.

이때, 상기 웨어슬리브(1)의 양단부의 내경은 각각 나사산이 형성되어 벡헤드(2)와 척(11)의 외주면에 형성된 나사산과 서로 결합되되, 특히 상기 척(11)은 웨어슬리브(1)의 내부에 구성된 구성품이 외부로 이탈되지 않도록 지지하는 역할을 하게 된다.

또한, 상기 비트링(10)은 비트(12)가 웨어슬리브(1)의 외부로 이탈되지 않도록 걸림턱의 역할을 하게 된다.

한편, 체크밸브(4)는 상부의 벡헤드(2)로부터 공기가 입력되면 공기압에 의해 하부의 체크밸브 스프링(15)을 누르게 되어 개방상태가 되며, 벡헤드(2)로부터 입력되는 공기가 사라지면 체크밸브 스프링(15)의 복원력에 의해 체크밸브(4)는 원상태로 복귀하게 되는 것이다.

즉, 비트(12)의 외주면의 일부 구간에는 직경이 작은 부분이 형성되어 있으며, 이 부분에 비트링(10)이 하부의 척(11)에 지지를 받으면서 비트(12)가 웨어슬리브(1)의 내부에서 상하로 유동적이면서도 외부로는 이탈되지 않도록 걸림턱의 역할을 하게 되는 것이다.

도 2는 본 발명 천공용 해머의 플러싱 단계를 나타낸 개요도이다.

플러싱(Flushing)이라 하면 해머가 동작하기 전에 천공작업할 부분에 강제로 공기를 송풍하여 먼지나 작은 돌멩이들을 청소 및 정리하는 작업을 일컫는다.

이에, 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 천공용 해머를 작업할 부분에 위치하게 되면 비트(12)는 자중에 의해 아래로 향하게 되어 하부의 작업면과 접촉하게 된다.

한편, 상기 비트(12)는 하면이 폐쇄되어 있는 중공체로서 폐쇄된 하부면에는 암석을 파쇄하기 위한 돌출부가 형성되어 있되, 내부의 공기가 외부로 배출될 수 있도록 배출구(12a)가 형성되어 있다.

특히, 에어튜브(7)는 중공체 형상으로서 에에튜브(7)의 하단에는 내부의 중공으로부터 외부로 공기를 배출하는 관통공(7a)이 에어튜브(7)의 중심으로부터 방사형으로 복수개 형성되어 있다.

그리고 상기 피스톤(8)은 중공체로서 상단부는 상부로 삽입되는 에어튜브(7)의 외부 직경보다 넓게 오목 홈(12c)이 형성되어 있으며, 내부에는 피스톤(8) 내부의 공기를 피스톤(8)의 상부 공간에 형성된 상부챔버(16)로 공기를 공급하기 위해 연통된 상부챔버 이동관로(8b)가 형성되어 있으며, 외주면에는 피스톤(8)의 하부 공간에 형성된 하부챔버(16)로 공기를 공급하기 위해 연통된 하부챔버 이동관로(8a)가 형성되어 있다.

따라서, 중공체 형상의 백헤드(2)의 내부로 공기를 강제 송풍하게 되면 공기는 화살표처럼 모든 구성품 간의 관로가 개폐됨에 따라 아무런 저항 없이 비트(12)의 배출구(12a)를 통해 외부로 배출됨으로써 천공작업할 부분을 공기압으로 청소하게 되는 것이다.

즉, 에어튜브(7)의 관통공(7a)이 피스톤(8)의 오목홈(8c)에 위치하게 되면서 에어튜브(7) 내로 공급된 공기는 오목홈(8c)을 통해 상부챔버(16)로 이동하게 되고, 상부챔버(16)와 연통된 피스톤(8)의 상부챔버 이동관로(8b)를 통해 하부의 비트(12)로 공기가 공급되면서 비트(12)의 하면에 형성된 배출구(12a)를 통해 외부로 공기는 배출되게 된다.

도 2의 B부분은 비트(12)의 드롭(Drop)시 유동하는 길이를 나타낸 것이다.

도 3과 도 4는 본 발명 천공용 해머의 피스톤상승의 첫 단계를 나타낸 개요도, 도 5는 본 발명 천공용 해머의 피스톤상승의 두 번째 단계를 나타낸 개요도, 도 6은 본 발명 천공용 해머의 피스톤상승의 세 번째 단계를 나타낸 개요도, 도 7은 본 발명 천공용 해머의 피스톤상승의 마지막 단계이자 피스톤하강의 첫 번째 개요도이다.

특히, 도 3은 피스톤(8)을 제외한 모든 구성품을 수직으로 절단한 단면 개요도이며, 도 4는 피스톤(8)을 포함하여 모든 구성품을 수직으로 절단한 단면 개요도이로서, 각각 같은 동작에서 일어나는 피스톤과 상부챔버 이동관로 및 하부챔버 이동관로 간의 위치관계를 설명하기 위해 도 3과 도 4는 수직면은 다르다.

도 3과 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 천공용 해머를 작동시키기 위해 비트(12)의 웨어슬리브(1)의 내부로 밀어 넣으면, 플러싱 단계에서의 내부 구성품 간에 관통되어 있던 관로는 변경되게 되며, 웨어슬리브(1) 내에서 피스톤(8)의 하부공간에 형성되어 있는 하부챔버(18)로 공기가 모여지게 되면서 피스톤(8)은 순간적으로 상승하게 된다.

즉, 에어튜브(7)의 관통공(7a)과 피스톤(8)의 하부챔버 이동관로(8a)가 일치하게 되면서 에어튜브(7) 내에 공급된 압축공기는 하부챔버 이동관로(8a)를 통해 피스톤(8)의 하부에 위치하고 있는 하부챔버(17)로 보내지게 되고, 하부챔버(17)에는 압축공기가 저장되면서 피스톤(8)을 상승시키게 된다.

그리고 도 5에 도시된 바와 같이 피스톤(8)이 계속 상승하게 되어 에어튜브(7)의 관통공(7a)의 위치보다 피스톤(8)의 하부챔버 이동관로(8a)가 상부에 위치하게 되면 하부챔버(17)에 공급되는 압축공기는 차단되게 되지만 이미 하부챔버(17)로 공급된 압축공기는 스스로 팽창하면서 피스톤(8)은 더욱 상승하게 된다.

또한, 도 6에 도시된 바와 같이 계속 피스톤(8)이 상승하게 되어 피스톤(8)의 하부 측에 형성된 상부챔버 이동관로(8b)와 에어튜브(7)의 관통공(7a)이 일치하게 되면 에어튜브(7) 내의 압축공기는 상부챔버 이동관로(8b)를 통해 피스톤(8)의 상부에 위치한 상부챔버(16)로 보내지게 된다.

즉, 피스톤(8)의 상부챔버 이동관로(8b)의 입구는 에어튜브(7)의 관통공(7a)의 직경보다 크게 형성되어 있기 때문에 처음 상부챔버 이동관로(8b)를 통해 상부챔버(16)로 보내진 공기는 완충역할을 하게 된다.

이때, 피스톤(8)이 상승하여 비트(12)로부터 이탈하게 되면 하부챔버(17)에 저장되어 있던 압축공기는 비트(12)의 중공부분과 배출구(12a)를 통해 외부로 배출되게 된다.

도 7에 도시된 바와 같이 피스톤(8)이 상사점에 도달하게 되면, 하부챔버(17)에 저장된 압축공기는 모두 배출되고, 상부챔버(16)에는 상부챔버 이동관로(8b)를 압축공기가 저장되어 다시 피스톤(8)은 하강을 시작하게 된다.

도 8은 본 발명 천공용 해머의 피스톤하강의 두 번째 단계를 나타낸 개요도, 도 9는 본 발명 천공용 해머의 피스톤하강의 세 번째 단계를 나타낸 개요도, 도 10은 본 발명 천공용 해머의 피스톤하강의 네 번째 단계를 나타낸 개요도, 도 11은 본 발명 천공용 해머의 피스톤하강의 마지막 단계이자 피스톤상승의 첫 번째 단계를 나타낸 개요도이다.

도 8에 도시된 바와 같이 상부챔버(16)에 압축공기가 저장되게 되면 상부챔버(16)의 부피는 커지게 되므로 다시 피스톤(8)은 하강하면서 피스톤(8)의 내부관로(8b)가 에어튜브(7)의 관통공(7a)의 위치보다 하부에 위치하게 되면서 상부챔버(16)로 연통된 상부챔버 이동관로(8b)는 차단되어 상부챔버(16)에는 압축공기가 더 이상 저장되지 않게 된다.

이때, 도 9에 도시된 바와 같이 상부챔버(16)로 압축공기가 더 이상 보내지지 않게 되면, 상부챔버(16) 내에 저장된 압축공기는 반대로 상부챔버 이동관로(8b)를 통해 피스톤(8)의 중공부분으로 이동하게 되며, 피스톤(8)의 중공부분으로 이동한 압축공기는 비트(12)의 배출구(12a)를 통해 외부로 배출되기 시작한다.

그리고 도 10과 도 11에 도시된 바와 같이 상부챔버(16) 내의 압축공기가 외부로 배출되면서 피스톤(8)의 하부챔버 이동관로(8a)가 에어튜브(7)의 관통공(7a)이 동일한 위치에 위치하게 되면 하부챔버 이동관로(8a)를 통해 하부챔버(17)로 압축공기가 다시 보내지게 되어 완충역할을 하게 되며, 비트(12)를 타격한 후 다시 동일한 원리로 피스톤(8)은 상승하게 되며, 이러한 피스톤(8)의 상승과 하강은 반복적으로 일어나게 된다.

참고로, 도 11은 도 10에서 피스톤을 제외한 나머지 구성품의 단면 개요도이다.

이러한 구성의 본 발명 천공용 해머는 기존 해머에서 발생되는 압축공기의 손실을 줄이며, 낮은 CFM으로 높은 타격을 낼 수 있는 고성능 고효율의 해머이다.

본 발명 천공용 해머를 작동시키는 가장 중요한 부분들의 구조해석을 통하여 기존해머에서의 압축공기의 손실구간 및 위치를 확인하여 최대 누설량을 체크하였다.

그리고 기존 해머의 실린더, 피스톤과 웨어슬리브 및 스페이서와 척과 비트 틈새로 압축공기가 새는 것을 막기 위해, 실린더를 제외하였으며 피스톤의 재설계를 통하여 에어튜브의 틈으로 압축공기가 주입되어 실린더에서 발생되는 압축공기의 손실을 줄였다.

해머의 타격력 및 초당 타격을 높이기 위해 기존 해머의 피스톤 형상과 웨어슬리브 내부를 재설계하였다.

기존 피스톤의 경우 상·하부의 면적의 직경차이로 인하여 상승 및 하강에서 발생되는 압력면적,팽창 및 완충 면적이 낮게 나온 것을 확인하였으며, 특히 피스톤 하부의 기밀유지가 되지 않아 해머의 타격 및 공기의 손실을 가져오는 것을 확인하였으며, 이를 보완하기 위하여 피스톤의 형상은 상·하부의 면적을 동일하게 하였으며, 웨어슬리브의 내부는 기존의 홈을 없애고, 일자 형태의 내부로 제작하였다.

이렇게 보완된 본 발명의 천공용 해머의 성능을 이론적으로 계산하여 본바, 먼저 피스톤의 상·하부 면적 상승에 따른 압력면적이 기존 해머의 2배가량 커진 것을 확인할 수 있었다.

이는 단순히 압력면적 상승이 아닌 해머의 타격치 및 타격수의 상승도 의미하는 것이다.

또한, 구조 변경으로 인하여 해머가 작동되는데 필요한 공기의 양(CFM)과 압력 손실을 측정한 결과, 기존 해머에 비하여 CFM의 양은 40%가량 소모량을 줄였으며, 해머 작동시 발생되는 압축공기의 손실량은 CFM 대비 약 25% 손실을 줄이는 것으로 나왔다.

한편, 해머의 구조변경을 통하여 피스톤의 중량을 상향시켰으며, 해머의 타격치를 확인한 결과 본 발명의 천공용 해머는 기존의 해머보다 상사점 까지의 스토로크증가와 함께 타격력이 약 2.5배 상향과 타격횟수 30%가량 증가하는 것을 확인하였다.

상부 챔버에서의 압축공기의 작동면적은 종래의 해머보다 (실린더가 없기 때문에) 그 면적이 넓게 형성될 수 있으며, 하부챔버에서는 압축공기의 작동면적은 종래의 해머보다(피스톤 부시가 없기 때문에) 그 면적이 넓게 형성될 수 있으며. 이러한 특성으로 피스톤의 상, 하 운동이 향상되어 타격력이 증가하게 된다.

또한, 작동구간에서의 압축공기의 팽창, 압축비를 효율적으로 형성시킴으로써 이러한 효과를 증대시킨 것이 특징이다.

따라서, 본 발명 천공용 해머는 동일한 압축공기의 사용에서도 압축공기의 효율을 증대시키고, 손실을 줄임으로써 높은 타격에너지를 낼 수 있으며, 해머의 효율은 매우 좋다는 등의 현저한 효과가 있다.

1. 웨어슬리브 2. 백헤드
3. 버퍼링 4. 체크밸브
5. 체크밸브박스 6. 에어분배기
7. 에어튜브 7a. 관통공
8. 피스톤 8a. 하부챔버 이동관로
8b. 상부챔버 이동관로 8c. 오목 홈
9. 가이드부시 10. 비트 링
11. 척 12. 비트
12a. 배출구 13. 제1 오링
14. 제2 오링 15. 체크밸브 스프링
16. 상부챔버 17. 하부챔버

Claims (3)

1. 지하암반을 타격하여 천공용 해머에 있어서,
   상기 천공용 해머는 에어튜브(7)와 피스톤(8) 및 비트(12)로 이루어지되, 상기 피스톤(8)은 에어튜브(7)에 공급된 압축공기를 피스톤(8)의 상부에 위치한 상부챔버(16)로 공급하는 상부챔버 이동관로(8b)와 피스톤(8)의 하부에 위치한 하부챔버(17)로 공급하는 하부챔버 이동관로(8a)가 별개로 형성되어, 에어튜브(7)로부터 상부챔버(16)와 하부챔버(17)로 압축공기를 번갈아 공급함으로써 피스톤(8)이 상승과 하강을 반복하는 것이 특징인 천공용 해머.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 피스톤(8)은 상·하부의 면적이 동일하게 형성된 것이 특징인 천공용 해머.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 피스톤(8)의 상부 중심에는 피스톤(8)의 중공부분으로 삽입되는 에어튜브(7)의 외부 직경보다 크게 오목홈(8c)이 형성되어 있는 것이 특징인 천공용 해머.

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