KR20160086355A - 하향 천공식 해머 드릴 비트 조립체 - Google Patents
하향 천공식 해머 드릴 비트 조립체Info
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Abstract
하향 천공식 해머 드릴 비트 조립체는 드릴 비트 구성요소에 대한 풋 밸브의 회전에 의해서 맞물려 러그들 및 숄더들이 풋 밸브를 드릴 구성요소에서 잠금하도록 반경방향으로 겹쳐지게 할 수 있는 협력하는 러그들 및 숄더들의 형태로 각각의 인접 영역들을 갖는 풋 밸브 및 드릴 구성요소를 포함한다. 이 조립체는 특정 스웨깅 또는 유압식/공압식 조립체 공구들에 대한 필요성 없이 현장에서 커플링 및 디커플링을 허용하는 이점이 있다.
Description
본 발명은 하향 천공식 (down-the-hole) 해머 드릴 비트 조립체에 관한 것이고, 그리고, 특히, 배타적이진 않지만, 조립시 풋 밸브 (foot valve) 의 삽입 및 제거를 대단히 용이하게 하도록 풋 밸브가 드릴 비트의 섕크 부분에 해제가능하게 고정된 드릴 비트 조립체에 관한 것이다.
하향 천공 (DTH) 타격식 해머 드릴링 기술은 보어 홀의 바닥에 위치된 드릴 비트에 대한 드릴 스트링을 통한 가압 유체의 공급을 수반한다. 상기 가압 유체는 해머 드릴 작용을 구동하고, 또한 전방 절삭을 최적화하도록 보어 홀을 통하여 후방으로 절삭 작용의 결과로서 발생한 더스트 및 미립자들을 후방으로 플러싱하는 역할을 한다.
일반적으로, 드릴 조립체는 상단 서브 (sub) 와 드릴 비트 사이에서 연장하는 케이싱을 포함한다. 피스톤은 상단 서브와 드릴 비트 사이에서 축방향으로 셔틀링할 수 있고, 그리고 비트의 후방 엔빌 단부를 가격하여 타격 작용을 제공하게 구성되도록 가압 유체에 의해서 구동된다. 풋 밸브는 최전방 스트로크 동안 피스톤과 정합하도록 드릴 비트로부터 축방향 후방으로 연장되어 복귀 스트로크를 제어하고 또한 보어면으로부터 절삭된 재료를 후방으로 플러싱하는 역할을 하는 드릴 헤드로부터의 가압 유체의 배출을 제공한다. DTH 해머 드릴들의 예는 US 4,278,135; US 6,125,952, WO 97/00371; WO 2006/116646; WO 2008/051132 및 WO 2013/104470 에 기재된다.
풋 밸브는 왕복 피스톤에 의해서 반복적으로 접촉되고, 그리고 피스톤과 드릴 섕크의 앤빌 표면 사이의 접촉 영역에 위치된다. 따라서, 풋 밸브는 드릴 조립체 내에서 작동 수명을 한정하는 기계적 및 열적 응력과 마멸 마모를 겪게 된다. 풋 밸브를 교체하기 위하여, 아래쪽으로 보어 홀 (down the bore hole) 이 로딩된 전체 길이의 드릴 스트링을 추출해야 하고 이는 시간 소모적인 활동이고 드릴링 상실로 인해 많은 비용이 들게 된다. US 2011/0232922 는 사용중 풋 밸브의 전부 또는 일부의 조기 탈착을 완화시키기 위하여 풋 밸브의 사용 기간을 최대화하는 시도로 다양한 다른 풋 밸브 실시형태들을 기재하고 있다. 하지만, 종래의 풋 밸브들 및 DTH 드릴 조립체들은 다수의 이유들로 단점들을 가지고 있다. 일반적으로, 풋 밸브는 일반적으로 현장에서 이용가능하지 않은 기계식 또는 공압식/유압식 프레스를 필요로 하는 드릴 비트 섕크내로 스웨그되거나 압축 끼워 맞춤된다. 게다가, 사용 또는 손상에 따라, 종래의 풋 밸브들의 제거는 어렵고, 그리고 드릴링 정지 시간 이외에 시간 소모적이다. 예를 들면, 오퍼레이터들에게 현장에서 운반 또는 초기 조립동안 손상된 풋 밸브의 설치 및 사용을 계속하는 것은 흔한 일인데 그 이유는 첫번째로 밸브를 제거하는 것이 어렵고, 그리고 두번째로 풋 밸브 및 조립체를 (보통 다른 위치에서) 초기 스웨깅 프레스로 복귀시키는 시간 지연을 원하지 않기 때문이다. 따라서, 전술한 문제점들을 다루는 풋 밸브 및/또는 드릴 조립체가 요구된다.
본 발명의 목적은 하향 천공식 (DTH) 해머 드릴 비트 조립체를 제공하는데 있고, 상기 조립체에서 풋 밸브는 보조 프레스와 추출 장치 및 공구들에 대한 필요성 없이 신속하게 그리고 편리하게 드릴 비트 섕크로부터 정합 및 디커플링될 수 있다. 따라서, 특정 목적은 표준의 비전문가 공구들을 사용하여 현장에서 연결 및 연결 해제될 수도 있는 풋 밸브 및 드릴 조립체를 제공하는데 있다. 다른 목적은 i) 사용시 기계적 및 열적 응력들을 모두 견딜 수 있도록 함께 해제가능하게 연결되고, ii) 풋 밸브의 수명을 최대화하도록 구성되고, 그리고 iii) 사용중 드릴 비트 섕크에서 풋 밸브의 전단 응력, 파열 또는 탈착의 가능성을 최소화하는 풋 밸브 및 드릴 비트 조립체를 제공하는데 있다.
상기 목적들은 드릴 비트 구성요소에 대한 풋 밸브의 회전에 의해서 맞물려 러그들 및 숄더들이 풋 밸브를 드릴 구성요소에서 잠금하도록 반경방향으로 겹쳐져 풋 밸브가 드릴 구성요소로부터 원치 않는 축방향 이격 (axial separation) 을 방지할 수 있는 협력하는 러그들 및 숄더들의 형태로 각각의 인접 영역들을 갖는 풋 밸브 및 드릴 구성요소를 제공함으로써 달성된다.
특히, 러그들 및 숄더들은 풋 밸브와 드릴 구성요소들을 중심으로 원주방향으로 불연속적인 원주방향으로 이격된 '상승된' 영역들로서 형성된다. 특히, 그리고 일 실시형태에서, 숄더들은 드릴 샤프트의 축방향 통로 내에서 반경방향 내부로 연장되어 풋 밸브에 제공된 반경방향 외부로 연장된 러그들과 협동한다. 각 러그의 원주방향 길이와 숄더들 사이의 원주방향 이격 거리는 러그들이 초기 설치 및 최종적인 디커플링 동안 숄더들 사이에서 축방향으로 슬라이딩할 수 있도록 구성된다. 설치 동안, 러그들이 숄더들을 지나 끼워 맞춤되면, 풋 밸브는 러그들이 숄더들 아래로 축방향으로 잠금되고 2개의 구성요소들 사이에서 마찰 끼워 맞춤 및 인접 접촉을 통하여 축방향 이격을 방지하도록 간단히 회전될 수도 있다.
따라서, 러그들 및 숄더들은 사용중 디커플링에 영향을 받기 쉽지 않은 구성요소들 사이에서 견고한 커플을 제공하면서 조립 및 조립 해제의 용이성을 최적화하도록 구체적으로 형상화되고 프로파일링된다. 특히, 본 발명의 밸브 및 조립체는 적당한 트위스트 및 축방향 당김/푸싱 작용을 통하여 현장 작업자에 의해서 손쉽게 커플링 및 디커플링될 수도 있다.
본 발명의 제 1 양태에 따르면, 하향 천공식 해머 드릴 비트 조립체가 제공되고, 상기 해머 드릴 비트 조립체는 전방 절삭 단부 및 후방 앤빌 단부를 구비한 드릴 비트로서, 상기 후방 앤빌 단부로부터 상기 전방 절삭 단부를 향하여 상기 해머 드릴 비트 조립체의 종방향 축을 따라 내부 통로가 연장되는, 상기 드릴 비트; 상기 후방 앤빌 단부로부터 축방향으로 연장되도록 상기 내부 통로 내에서 부분적으로 착좌된 풋 밸브; 상기 내부 통로의 반경방향 내향 표면과 상기 풋 밸브의 반경방향 외향 표면에 각각 제공된 상보적인 인접 영역들로서, 각각의 상기 상보적인 인접 영역들은 서로 인접하고 상기 풋 밸브를 상기 드릴 비트에 축방향으로 잠금하도록 구성된, 상기 상보적인 인접 영역들을 포함하고, 상기 상보적인 인접 영역들은 종방향 축을 중심으로 원주방향으로 이격된 복수의 반경방향으로 돌출한 러그들; 및 상기 종방향 축을 중심으로 원주방향으로 이격된 복수의 반경방향으로 연장된 숄더들을 포함하고; 상기 숄더들 사이의 원주방향 이격 거리는 상기 풋 밸브를 반경방향으로 실질적으로 변형시키지 않으면서 상기 러그들이 상기 숄더들 사이에서 축방향으로 통과하도록 상기 러그들의 원주방향 길이와 적어도 동일하거나 이 원주방향 길이 보다 크고; 각각의 러그의 축방향 후방 단부는 인접 접촉 표면들을 제공하도록 반경방향으로 테이퍼지고, 그리고 각각의 숄더의 축방향 전방 단부는 인접 접촉 표면을 제공하도록 반경방향으로 테이퍼지고; 상기 숄더들 및 상기 러그들의 반경방향 길이는 상기 러그들이 축방향으로 상기 숄더들을 지나서 위치되면, 상기 러그들 및 상기 숄더들의 상기 인접 접촉 표면들이 함께 정합되어 상기 내부 통로 내에서 반경방향으로 겹쳐지고, 그리고 상기 드릴 비트에서 상기 풋 밸브의 독립적인 회전을 축방향으로 잠금하고 억제하는 마찰 끼워 맞춤 영역들을 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 러그들은 서로에 대하여 동일한 축방향 위치에 위치되고, 그리고 상기 숄더들은 서로 대하여 동일한 축방향 위치에 위치된다.
바람직하게는, 상기 해머 드릴 비트 조립체는 3개의 러그들 및 3개의 숄더들을 포함한다. 상기 러그들 및 숄더들은 드릴 비트의 내부 통로와 풋 밸브의 각각의 표면에서 반경방향으로 연장되는 각각의 상승된 험프들, 범프들 또는 돌출부들로서 규정된다. 상기 러그들 및 상기 숄더들은 추가의 재료의 양을 최소화하고 따라서 상기 러그들 및 상기 숄더들과 관련된 구성요소들의 중량을 최소화하면서 상기 드릴 비트에서 상기 풋 밸브의 임의의 측방향 운동을 방지하도록 최적화된 구성을 나타낸다.
'드릴 비트' 에 대한 명세서내의 언급은 절삭 비트들 또는 버튼들이 장착되는 드릴 헤드 및 상기 드릴 헤드로부터 후방으로 돌출하는 축방향으로 연장된 섕크 또는 샤프트를 구비한 드릴 구성요소를 포함한다.
선택적으로, 각각의 러그 및 숄더는 각각의 풋 밸브 또는 내부 통로 표면 상에서 별개의 상승된 범프로서 형성될 수도 있다. 대안으로서, 상기 상승된 범프는 더 큰 단면적을 갖는 상승된 돌출부의 선단 또는 단부 영역을 나타낼 수 있다. 별개의 반경방향으로 연장된 러그 및 숄더는 상기 구성요소의 재료의 체적을 최소화하면서 축방향 잠금을 위하여 필요한 반경방향 오버랩을 제공하는 이점이 있다.
선택적으로, 각각의 러그의 인접 접촉 표면은 상향 경사진 접촉 표면을 제공하도록 반경방향으로 테이퍼지고, 그리고 각각의 숄더의 인접 접촉 표면은 하향 경사진 접촉 표면을 제공하도록 반경방향으로 테이퍼져 상향 경사진 표면과 하향 경사진 표면은 겹쳐진 접촉을 통하여 함께 정합하도록 상보적이다. 상향 경사진 접촉 표면과 하향 경사진 접촉 표면은 각각의 풋 밸브와 드릴 비트 사이에서 접촉 면적을 최대화하는 이점이 있다. 이런 구성은 확실한 축방향 잠금을 제공하고, 그리고 내부 통로 내에서 풋 밸브의 회전시 마찰 끼워 맞춤을 제공하는 이점이 있다.
바람직하게는, 각각의 러그 및 각각의 숄더는 각각의 러그 및 각각의 숄더가 풋 밸브 및 내부 통로의 각각의 표면과 완만한 전이부에 의해서 형성되도록 반경방향으로 테이퍼진 한쌍의 각각의 길이방향 측 표면들에 의해서 부분적으로 규정된다. 이런 배열은 드릴 비트에서 풋 밸브의 커플링 및 디커플링 모두를 용이하게 하고, 그리고 그 외에는 풋 밸브의 커플링 및 디커플링을 방지하거나 억제할 수 있는 구성요소들의 제조 공차들과 열적 팽창 및 수축을 고려하는 이점이 있다.
바람직하게는, 러그들 및 숄더들은 절삭 단부에 대하여 앤빌 단부에 축방향으로 가장 근접하게 위치된다. 이것은 확실한 축방향 잠금을 제공하고, 그리고 드릴 비트에서 풋 밸브의 축방향 정렬 및 축방향 잠금의 강도를 절충하지 않으면서 내부 통로 내에 내장된 풋 밸브의 길이를 최소하는 이점이 있다.
선택적으로, 상기 풋 밸브 및/또는 상기 내부 통로 표면은 드릴 비트에서 풋 밸브의 회전시 드릴 비트에서 풋 밸브를 마찰 끼워 맞춤하도록 원주방향으로 반경방향으로 테이퍼질 수도 있다. 이런 배열은 드릴 비트에서 풋 밸브를 커플링 및 디커플링할 때 작업자에게 '느낌' 정도를 제공하도록 드릴 비트에서 풋 밸브를 회전가능하게 잠금하는 이점이 있다. 본 발명의 마찰 끼워 맞춤 구성은 또한 사용중 드릴 비트에서 풋 밸브의 원치 않는 독립적인 회전을 방지한다.
바람직하게는, 풋 밸브는 플라스틱 재료로 구성되고, 그리고 드릴 비트는 금속 또는 금속 합금 재료로 구성된다. 바람직하게는, 풋 밸브는 폴리아미드로 구성된다.
바람직하게는, 러그들은 풋 밸브의 표면으로부터 반경방향 외부로 돌출하고, 그리고 숄더들은 내부 통로의 표면으로부터 반경방향 내부로 연장된다. 바람직하게는, 러그들은 원주방향 길이 보다 긴 축방향 길이로 구성된다. 선택적으로, 러그들은 풋 밸브가 그의 축방향쪽으로부터 볼 때 일반적으로 직사각형 형상의 프로파일로 구성된다.
선택적으로, 내부 통로 내에 위치되도록 구성된 풋 밸브의 길이방향 영역 내에서, 러그들은 풋 밸브의 반경방향 최외부를 나타내고, 그리고 풋 밸브에 대향하여 정합되도록 구성된 드릴 비트의 길이방향 영역 내에서, 숄더들은 내부 통로의 반경방향 최내부를 나타낸다. 이런 구성은 러그들 및 숄더들의 반경방향 오버랩의 최대화를 통하여 드릴 비트에서 풋 밸브의 축방향 잠금을 최적화하는 이점이 있다. 또한, 이런 구성은 내부 통로에서 풋 밸브의 삽입 및 인출을 용이하게 하고, 그리고 드릴 비트에 대한 풋 밸브의 축방향 및 회전 운동을 억제할 수 있는 본의 아니게 접촉 또는 인접하는 풋 밸브 및 내부 통로의 다른 영역들을 회피하는 이점이 있다.
바람직하게는, 풋 밸브는 제 1 길이 섹션 및 제 2 길이 섹션을 포함하고, 제 2 길이 섹션은 제 1 길이 섹션에 대하여 더 큰 외부 직경을 갖고, 러그들은 제 2 길이 섹션 내에 위치된다. 제 1 길이 섹션 및 제 2 길이 섹션의 상대적인 반경방향 크기들은 더 작은 외부 직경의 제 1 길이 섹션이 피스톤의 전방 단부와의 정합을 위하여 양립할 수 있으면서 풋 밸브들이 (더 큰 외부 직경을 통하여) 내부 통로 내에서 가능한 한 안정되게 보장한다. 선택적으로, 풋 밸브는 제 2 길이 섹션을 지나서 반경방향 외부로 연장되고, 그리고 제 1 길이 섹션과 제 2 길이 섹션 사이의 접합부에서 축방향으로 위치된 환형 칼라를 포함한다. 커플링 동안, 칼라는 내부 통로 내로 풋 밸브의 축방향 전진을 제한하는 역할을 하여 축방향 잠금을 제공하는 드릴 비트에 대한 풋 밸브의 회전 직전에 숄더들에 대한 러그들의 정확한 축방향 위치 설정을 결정한다.
본 발명의 제 2 양태에 따르면, 본 명세서에서 청구된 바와 같이 조립체를 포함하는 타격식 착암 드릴링을 위한 하향 천공식 해머가 제공된다.
본 발명의 제 3 양태에 따르면, 드릴 조립체의 일부를 형성하도록 구성되고, 그리고 드릴 비트 및 특히 드릴 비트 샤프트에 해제가능하게 커플링하기 위한 하향 천공식 드릴 비트 풋 밸브가 제공되고, 상기 풋 밸브는 동일한 축방향 위치에서 풋 밸브의 축선을 중심으로 원주방향으로 이격된 복수의 반경방향으로 돌출한 러그들을 포함하고, 상기 러그들은 상기 드릴 비트에 대한 상기 풋 밸브의 축방향 변위 및 상기 드릴 비트에 대한 상기 풋 밸브의 중심의 길이방향 축선을 중심으로 한 회전을 포함하는 2단계 운동을 통하여 상기 드릴 비트로부터 커플링 및 디커플링을 허용하도록 구성된 원주방향 길이를 갖는다.
본 발명의 제 4 양태에 따르면, 드릴 헤드를 구비한 드릴 비트와 상기 드릴 비트를 통하여 축방향으로 연장되는 내부 통로의 표면을 중심으로 원주방향으로 분포된 복수의 반경방향 내부로 연장된 숄더들을 구비한 후방으로 연장된 샤프트가 제공된다.
본 발명의 특정 구현은 단지 실시예로, 그리고 첨부 도면들을 참고로 하여 이제 설명될 것이다.
도 1 은 특정 발명의 특정 구현에 따른 하향 천공식 해머 드릴 조립체의 축방향 단면도이고;
도 2 는 도 1 의 조립체의 드릴 비트 단부의 외부 사시도이고;
도 3 은 도 2 의 드릴 비트 샤프트 의 앤빌 단부 및 풋 밸브를 절단한 측단면도이고;
도 4 는 도 3 의 풋 밸브의 외부 사시도이고;
도 5 는 도 2 의 드릴 비트의 앤빌 단부의 외부 사시도이고;
도 6 는 도 3 의 A-A 를 따라 절단한 단면도이고;
도 7 은 풋 밸브가 회전 잠금전 드릴 비트 샤프트 통로 내에서 제자리에 있는 도 3 의 B-B 를 따라 절단한 부분 단면도이고;
도 8 은 잠금 해제 위치에서 풋 밸브와 드릴 비트 샤프트의 통로 사이의 잠금 및 인접 영역에서 도 7 의 대응하는 축방향 단면도이고;
도 9 는 풋 밸브가 드릴 비트 샤프트 통로 내에서 축방향 잠금 위치로 회전되는 도 3 의 B-B 를 따라 절단한 부분 단면도이고;
도 10 은 잠금 위치에서 풋 밸브와 드릴 비트 샤프트의 통로 사이의 잠금 및 인접 영역에서 도 9 의 대응하는 축방향 단면도이다.
도 2 는 도 1 의 조립체의 드릴 비트 단부의 외부 사시도이고;
도 3 은 도 2 의 드릴 비트 샤프트 의 앤빌 단부 및 풋 밸브를 절단한 측단면도이고;
도 4 는 도 3 의 풋 밸브의 외부 사시도이고;
도 5 는 도 2 의 드릴 비트의 앤빌 단부의 외부 사시도이고;
도 6 는 도 3 의 A-A 를 따라 절단한 단면도이고;
도 7 은 풋 밸브가 회전 잠금전 드릴 비트 샤프트 통로 내에서 제자리에 있는 도 3 의 B-B 를 따라 절단한 부분 단면도이고;
도 8 은 잠금 해제 위치에서 풋 밸브와 드릴 비트 샤프트의 통로 사이의 잠금 및 인접 영역에서 도 7 의 대응하는 축방향 단면도이고;
도 9 는 풋 밸브가 드릴 비트 샤프트 통로 내에서 축방향 잠금 위치로 회전되는 도 3 의 B-B 를 따라 절단한 부분 단면도이고;
도 10 은 잠금 위치에서 풋 밸브와 드릴 비트 샤프트의 통로 사이의 잠금 및 인접 영역에서 도 9 의 대응하는 축방향 단면도이다.
도 1 을 참고하면, 하향 천공식 (DTH) 해머 드릴 조립체 (100) 는 축방향 후방 단부 (101a) 및 축방향 전방 단부 (101b) 를 구비한 실질적으로 중공의 원통형 케이싱 (101) 을 포함한다. 상단 서브 (102) 는 케이싱 (101) 의 후방 단부 (101a) 내에 적어도 부분적으로 수용되고 드릴 비트 (105) 는 케이싱 전방 단부 (101b) 내에 적어도 부분적으로 수용된다. 드릴 비트 (105) 는 내부 통로 (116) 를 구비한 세장형 샤프트 (106) 를 포함한다. 드릴 비트 헤드 (107) 는 샤프트 (106) 의 전방 단부에 제공되고, 그리고 복수의 내마모성 절삭 버튼들 (108) 을 포함한다. 샤프트 (106) 의 축방향 후방면 (117) 은 드릴 비트 (105) 의 앤빌 단부를 나타낸다.
분배기 실린더 (121) 는 축방향으로 연장된 내부 캐비티를 규정하는 내향의 실질적으로 원통형 케이싱 표면 (112) 과 접촉하도록 케이싱 (101) 내에 축방향으로 연장된다. 세장형의 실질적으로 원통형 피스톤 (103) 은 실린더 (121) 및 케이싱 (101) 내에서 축방향으로 연장되고, 그리고 조립체 (100) 를 통하여 연장되는 중심의 종방향 축 (109) 을 따라 전후로 셔틀링할 수 있다. 피스톤 (103) 은 축방향 후방 단부 (114) 및 축방향 전방 단부 (115) 를 포함한다. 내부 보어 (113) 는 축방향 후방 단부 (114) 와 축방향 전방 단부 (115) 사이에서 축방향으로 연장된다.
풋 밸브 (104) 는 드릴 비트 샤프트 (106) 의 앤빌 단부로부터 축방향 후방으로 돌출하고, 그리고 후방 단부 (119) 및 전방 단부 (110) 를 구비한 일반적인 원통형 구성을 포함한다. 외부 통로 (118) 는 드릴 비트 통로 (116) 및 피스톤 통로 (113) 와 유체 연통하면서 단부들 (119, 110) 사이에서 축방향으로 연장된다. 특히, 풋 밸브 (104) 의 축방향 전방 영역은 드릴 비트 샤프트 (106) 의 후방 앤빌 단부 영역 내에 내장되어 축방향으로 잠금된다. 특히, 풋 밸브 (104) 의 축방향 길이의 절반 조금 더 되는 길이는 앤빌 단부 (117) 로부터 후방으로 연장된다.
케이싱 (101) 및 분배기 실린더 (121) 는 축방향 후방 영역 (111a) 및 축방향 전방 영역 (111b) 을 구비한 내부 챔버를 규정한다. 피스톤 (103) 은 챔버 영역들 (111a, 111b) 내에서 셔틀하도록 축방향으로 왕복 운동할 수 있다. 특히, 가압 유체는 상단 서브 (102) 에 커플링된 드릴 스트링 (미도시) 을 통하여 드릴 조립체 (100) 에 전달된다. 분배기 실린더 (121) 및 상단 서브 (102) 는 챔버 영역들 (111a, 111b) 에 대한 유체의 공급을 제어한다. 특히 및 인식되는 바와 같이, 축방향 후방 영역 (111a) 으로 유체가 공급되면, 피스톤 (103) 은 드릴 비트 (105) 를 향하여 축방향으로 강제되어 피스톤 전방 단부 (115) 가 앤빌 단부 (117) 를 가격하여 절삭 버튼들 (108) 에 타격식 드릴링 작용을 제공한다. 그런 다음에 유체는 전방 캐비티 영역 (111b) 으로 공급되어 상단 서브 (102) 를 향하여 축방향 후방으로 피스톤 (103) 을 강제한다. 피스톤 (103) 이 축방향 최전방 위치에 있으면, 풋 밸브 (104) 는 피스톤 통로 (113) 내에 정합되어 드릴 비트 통로 (116) 와 캐비티 영역 (111b) 사이의 유체 연통을 격리시키고 폐쇄한다. 피스톤 (103) 이 축방향 후방으로 변위되면서, 피스톤 단부 (115) 는 풋 밸브 단부 (119) 와 떨어져 가압 유체가 드릴 비트 통로 (116) 내에서 유동하게 하고, 그리고 플러싱 채널들 (120) 을 통하여 드릴 비트 헤드 (107) 로부터 배출되게 한다. 따라서, 캐비티 영역들 (111a, 111b) 에 대한 유체의 분배된 공급은 피스톤 (103) 의 급속 및 왕복식 셔틀링 작용을 발생시켜, 결과적으로, 풋 밸브 (104) 와의 반복적인 정합 접촉으로 인하여, 타격식 드릴링 작용의 일부로서 드릴 비트 헤드 (107) 에서 가압 유체의 맥동 배출을 제공한다.
도 2 및 도 3 을 참고하면, 풋 밸브 (104) 는 축방향 후방 길이 섹션 (306) 및 축방향 전방 길이 섹션 (305) 을 포함하고, 섹션 (305) 은 섹션 (306) 보다 더 큰 외부 직경으로 구성되도록 고려될 수도 있다. 반경방향으로 돌출한 환형 칼라 (303) 는 섹션들 (306, 305) 사이의 접합부에 축방향으로 위치된다. 통로 (118) 는 후방 단부 (119) 와 전방 단부 (110) 사이에서 연장되는 실질적으로 원통형의 내향 표면 (301) 에 의해서 규정된다. 후방 길이 섹션 (306) 은 드릴 비트 샤프트 앤빌 단부 (117) 로부터 축방향 후방으로 돌출되어 반경방향 외향 밸브 표면 (300) 은 노출되고, 그리고 피스톤 통로 (113) 의 최전방 단부에 대하여, 그리고 이 단부 내에서 슬라이딩 접촉할 수 있다. 대응하는 반경방향 외향 밸브 표면 (309) 은 샤프트 통로 (116) 를 규정하는 드릴 비트 샤프트 (106) 의 반경방향 내향 표면 (307) 과 반대로 위치되도록 구성된다. 특히, 통로 (116) 의 축방향 후방 영역 (302) 은 더 큰 외부 직경 길이 섹션 (305) 을 수용하도록 반경방향으로 확장된다. 밸브 (104) 가 샤프트 (106) 의 앤빌 단부에서 제자리에 잠금될 때, 축방향 최전방 밸브 단부 (110) 는 통로 영역 (302) 의 축방향 최전방 단부 (308) 에 매우 근접하게 축방향으로 공존한다. 밸브 통로 (118) 의 내부 직경은 섹션 (306) 에 대한 섹션 (305) 의 더 큰 외부 직경이 이 섹션 (305) 에서 더 큰 밸브 벽 두께에 의해서 제공되도록 단부들 (119, 110) 사이에서 실질적으로 균일하다. 이런 구성은 밸브 (104) 와 드릴 비트 샤프트 (106) 사이의 마찰 끼워 맞춤 배열을 제공하고 또한 샤프트 (106) 로부터 밸브 (104) 의 초기 커플링, 실가동 (operational use) 및 디커플링 동안 밸브 (104) 에서 응력들 및 응력 집중들을 견디는 이점을 제공한다.
전방 길이 섹션 (305) 에서, 그리고 이 섹션을 중심으로 (축 (109) 에 대하여) 원주방향으로 분포된 복수의 반경방향으로 이격된 러그들 (304) 에 의해서 부분적으로 드릴 샤프트 (106) 에서 밸브 (104) 의 마찰 끼워 맞춤 및 축방향 잠금이 또한 제공된다. 도 4 를 참고하면, 각각의 러그 (304) 는 칼라 (303) 와 최전방 단부 (110) 사이에서 축방향으로 반경방향 외향 표면 (309) 에서 별개의 상승된 험프로서 형성된다. 각각의 러그 (304) 는 일반적으로 직사각형 형상 프로파일로 구성되고, 그리고 축방향 후방면 (402), 축방향 전방면 (401) 및 한쌍의 길이방향 측면들 (403) 에 의해서 규정되고, 이들 면들은 일반적으로 직사각형 형상 프로파일로 또한 구성되는 공통 플래토면 (400) 에서 이들 면들의 반경방향 최외단부들이 전체적으로 종결된다. 전방면 (401), 후방면 (402) 및 측면들 (403) 은 각각의 러그 (304) 가 완만하게 상승된 럼프로서 형성되도록 테이퍼진다.
도 4 를 참고하면, 각각의 러그 (304) 의 원주방향 길이 (A) 는 대응하는 축방향 길이 (B) 보다 작다. 특히, 밸브 (104) 는 표면 (309) 을 중심으로 원주방향으로 동일하게 이격된 3개의 러그들 (304) 을 포함하여 러그들 (304) 간의 원주방향 이격 거리는 러그 원주방향 길이 (A) 및 축방향 길이 (B) 보다 크다.
도 5 를 참고하면, 복수의 반경방향으로 연장된 숄더들 (502) 은 축방향 후방 통로 영역 (302) 의 내향 표면 (307) 을 중심으로 원주방향으로 분포된다. 각각의 숄더 (502) 는 표면 (307) 으로부터 반경방향 내부로 돌출하고, 그리고 중간 채널들 (501) 에 의해서 이웃하는 숄더들 (502) 로부터 원주방향으로 동일하게 이격된다. 각각의 채널 (501) 은 축방향으로 연장되고, 그리고 앤빌 단부 (117) 와 거의 동축방향으로 위치된 축방향 후방 단부 (504) 및 영역 단부 (308) 에서 거의 공존하는 축방향 전방 단부 (505) 를 포함한다. 각각의 숄더 (502) 의 원주방향 단부들 (503) 은 각각의 채널 (501) 이 숄더들 (502) 사이에서 완만한 곡선 형상 프로파일로 구성되도록 반경방향으로 테이퍼진다. 특정 실시형태에 따르면, 드릴 샤프트 (106) 는 3개의 원주방향으로 이격된 숄더들 (502) 및 채널들 (501) 을 포함한다. 각각의 숄더 (502) 는 축방향 후방 표면 (507) 및 축방향 전방 표면 (506) 에 의해서 축방향으로 규정된다. 각각의 표면 (506, 507) 은 채널들 (501) 사이에서 원주방향으로 연장되고, 그리고 각각의 숄더 (502) 의 반경방향 두께가 위아래로부터 축방향으로 점진적으로 증가되도록 반경방향으로 테이퍼진다.
원주방향 숄더 단부들 (503) 사이의 각각의 채널 (501) 의 원주방향 길이 (C) 는 각각의 러그 (304) 가 인접한 숄더들 (502) 사이에서 축방향으로 통과하게, 그리고 드릴 샤프트 (106) 에서 풋 밸브 (104) 의 초기 커플링 및 이어지는 디커플링 동안 각 채널 (501) 내에서 축방향으로 슬라이딩되게 하도록 러그 원주방향 길이 (A) 보다 약간 더 크다.
또한, 영역 (302) 의 축방향 전방 부분 (509) 은 일반적으로 원추형이 되도록 반경방향으로 테이퍼지고, 그리고 밸브 (104) 의 테이퍼진 일반적으로 원추형의 단부 영역 (310) 과 정합하도록 구성된다.
도 6 는 도 3 의 A-A 를 따라 절단한 단면도를 예시한다. 도시된 바와 같이, 각각의 러그 (304) 는 칼라 (303) 와 최전방 단부 (110) 사이의 밸브 길이 섹션 (305) 의 반경방향 최외부를 나타낸다. 따라서, 각각의 러그 (304) 는 통로 (116) 의 반경방향 내향 표면 (309) 과 긴밀하게 접촉하도록 위치된다. 섹션 A-A 는 밸브 (104) 가 드릴 비트 (105) 에서 잠금 위치에 있으면서 축방향으로 각각의 숄더 (502) 를 지나서 (또는 그 아래로) 축방향 영역 (508) 에 대응한다. 이 위치에서, 각각의 러그 (304) 는 후방 영역 (302) 에서 통로 (116) 의 최내부 영역을 나타내는 대응하는 숄더 (502) 를 반경방향으로 겹치게 위치된다.
드릴 샤프트 (106) 에서 밸브 (104) 의 축방향 커플링 및 디커플링은 도 7 및 도 8 을 참고로 하여 예시되고 설명된다. 각각의 러그 (304) 가 각 채널 (501) 과 원주방향으로 정렬되면, 밸브 (104) 는 드릴 샤프트 (106) 에서 축방향으로 변위될 수도 있다. 샤프트 (106) 에서 밸브 (104) 의 축방향 잠금은 도 9 및 도 10 을 참고로 하여 예시되고 설명된다. 특히, 밸브 (104) 는 숄더들 (502) 및 채널들 (501) 에 대하여 원주방향으로 러그들 (304) 을 변위시키도록 축 (109) 을 중심으로 회전된다. 특히, 각각의 러그 후방면 (402) 은 숄더면 (506) 과 접촉하여 회전되어 통로 (116) 내에서 밸브 (104) 의 마찰 끼워 맞춤을 제공할 수 있다. 각각의 러그 (304) 및 각각의 숄더 (502) 의 반경방향 돌출로 인하여, 러그들 (304) 및 숄더들 (502) 은 도 10 에 예시된 바와 같이 반경방향으로 겹쳐져 밸브 (104) 가 드릴 샤프트 (106) 로부터 축방향으로 빠지는 것을 방지한다. 특히, 축방향 운동은 3쌍의 각 표면들 (402, 506) 간의 인접 접촉들에 의해서 방지된다.
본 발명의 구성은 수동으로 밸브 (104) 를 통로 (116) 내로 간단히 압축함으로써 드릴 샤프트 (106) 에서 밸브 (104) 의 초기 커플링을 허용하는 이점이 있다. 밸브 (104) 는 그때 숄더들 (502) 의 축방향 단부 표면들 (506) 과 접촉하게 러그들 (304) 과 맞물리도록 축 (109) 을 중심으로 간편한 회전을 통하여 축방향으로 잠금 또는 잠금해제될 수도 있다. 본 발명의 조립체는 특정 스웨깅 장치 (기계식, 유압식 또는 공압식 프레스들) 에 대한 필요성 없이 편리하게 커플링 및 디커플링될 수도 있고, 그리고 수동으로 및/또는 공통 표준 공구들을 사용하여 작업자에 의해서 현장에서 조작될 수도 있다.
Claims (14)
- 하향 천공식 (down-the-hole) 해머 드릴 비트 조립체 (100) 로서,
전방 절삭 단부 (107) 및 후방 앤빌 단부 (117) 를 구비한 드릴 비트 (105) 로서, 상기 후방 앤빌 단부 (117) 로부터 상기 전방 절삭 단부 (107) 를 향하여 상기 해머 드릴 비트 조립체 (100) 의 종방향 축 (109) 을 따라 내부 통로 (116) 가 연장되는, 상기 드릴 비트 (105);
상기 후방 앤빌 단부 (117) 로부터 축방향으로 연장되도록 상기 내부 통로 (116) 내에서 부분적으로 착좌된 풋 밸브 (104);
상기 내부 통로 (116) 의 반경방향 내향 표면 (307) 과 상기 풋 밸브 (104) 의 반경방향 외향 표면 (309) 에 각각 제공된 상보적인 인접 영역들 (304, 502) 로서, 각각의 상기 상보적인 인접 영역들 (304, 502) 은 서로 인접하고 상기 풋 밸브 (104) 를 상기 드릴 비트 (105) 에 축방향으로 잠금하도록 구성된, 상기 상보적인 인접 영역들 (304, 502) 을 포함하고;
상기 상보적인 인접 영역들 (304, 502) 은
상기 종방향 축 (109) 을 중심으로 원주방향으로 이격된 복수의 반경방향으로 돌출한 러그들 (304); 및
상기 종방향 축 (109) 을 중심으로 원주방향으로 이격된 복수의 반경방향으로 돌출한 숄더들 (502) 을 포함하고;
상기 숄더들 (502) 사이의 원주방향 이격 거리 (C) 는 상기 풋 밸브 (104) 를 반경방향으로 실질적으로 변형시키지 않으면서 상기 러그들 (304) 이 상기 숄더들 (502) 사이에서 축방향으로 통과하도록 상기 러그들 (304) 의 원주방향 길이 (A) 와 적어도 동일하거나 이 원주방향 길이 (A) 보다 크고;
각각의 러그 (304) 의 축방향 후방 단부는 인접 접촉 표면 (402) 을 제공하도록 반경방향으로 테이퍼지고, 그리고 각각의 숄더 (502) 의 축방향 전방 단부는 인접 접촉 표면 (506) 을 제공하도록 반경방향으로 테이퍼지고;
상기 숄더들 (502) 및 상기 러그들 (304) 의 반경방향 길이는 상기 러그들 (304) 이 축방향으로 상기 숄더들 (502) 을 지나서 위치되면, 상기 러그들 (304) 및 상기 숄더들 (502) 의 상기 인접 접촉 표면들 (402, 506) 이 함께 정합되어 상기 내부 통로 (116) 내에서 반경방향으로 겹쳐지고, 그리고 상기 드릴 비트 (105) 에서 상기 풋 밸브 (104) 의 독립적인 회전을 축방향으로 잠금하고 억제하는 마찰 끼워 맞춤 영역들을 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 하향 천공식 해머 드릴 비트 조립체. - 제 1 항에 있어서,
3개의 러그들 (304) 및 3개의 숄더들 (502) 을 포함하는, 하향 천공식 해머 드릴 비트 조립체. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
각각의 러그 (304) 는 별개의 상승된 범프로서 형성되는, 하향 천공식 해머 드릴 비트 조립체. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 러그 (304) 의 상기 인접 접촉 표면 (402) 은 상향 경사진 접촉 표면 (402) 을 제공하도록 반경방향으로 테이퍼지고, 그리고 각각의 숄더 (502) 의 상기 인접 접촉 표면 (506) 은 하향 경사진 접촉 표면 (506) 을 제공하도록 반경방향으로 테이퍼져 상기 상향 경사진 표면 (402) 과 상기 하향 경사진 표면 (506) 은 겹쳐진 접촉을 통하여 함께 정합하도록 상보적인, 하향 천공식 해머 드릴 비트 조립체. - 제 4 항에 있어서,
각각의 러그 (304) 및 각각의 숄더 (502) 는 각각의 러그 (304) 및 각각의 숄더 (502) 가 상기 풋 밸브 (104) 의 상기 반경방향 외향 표면 (309) 및 상기 내부 통로 (116) 의 상기 반경방향 내향 표면 (307) 각각과 완만한 전이부에 의해서 형성되도록 반경방향으로 테이퍼진 한쌍의 각각의 길이방향 측 표면들 (403, 503) 에 의해서 부분적으로 규정되는, 하향 천공식 해머 드릴 비트 조립체. - 제 5 항에 있어서,
상기 러그들 (304) 및 상기 숄더들 (502) 은 상기 전방 절삭 단부 (107) 에 대하여 상기 후방 앤빌 단부 (117) 에 축방향으로 가장 근접하게 위치되는, 하향 천공식 해머 드릴 비트 조립체. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내부 통로 (116) 및/또는 상기 풋 밸브 (104) 의 표면 (307, 402) 의 영역 (506, 508) 은 상기 드릴 비트 (105) 에서 상기 풋 밸브 (104) 의 회전시 상기 드릴 비트 (105) 에서 상기 풋 밸브 (104) 를 마찰 끼워 맞춤하도록 원주방향으로 반경방향으로 테이퍼지는, 하향 천공식 해머 드릴 비트 조립체. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 풋 밸브 (104) 는 플라스틱 재료로 구성되고, 그리고 상기 드릴 비트 (105) 는 금속 또는 금속 합금 재료로 구성되는, 하향 천공식 해머 드릴 비트 조립체. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 러그들 (304) 은 상기 풋 밸브 (104) 의 상기 반경방향 외향 표면 (309) 으로부터 반경방향 외부로 돌출하고, 그리고 상기 숄더들 (502) 은 상기 내부 통로 (116) 의 상기 반경방향 내향 표면 (307) 으로부터 반경방향 내부로 연장되는, 하향 천공식 해머 드릴 비트 조립체. - 제 9 항에 있어서,
상기 내부 통로 (116) 내에 위치되도록 구성된 상기 풋 밸브 (104) 의 길이방향 영역 (305) 내에서, 상기 러그들 (304) 은 상기 풋 밸브 (104) 의 반경방향 최외부를 나타내고; 그리고
상기 풋 밸브 (104) 에 대향하여 정합되도록 구성된 상기 드릴 비트 (105) 의 길이방향 영역 (302) 내에서, 상기 숄더들 (502) 은 상기 내부 통로 (116) 의 반경방향 최내부를 나타내는, 하향 천공식 해머 드릴 비트 조립체. - 제 10 항에 있어서,
상기 숄더들 (502) 은 상기 후방 앤빌 단부 (117) 에 위치된 상기 내부 통로 (116) 의 개구 (500) 의 반경방향 위치에 대하여 반경방향 내부로 위치되는, 하향 천공식 해머 드릴 비트 조립체. - 제 11 항에 있어서,
상기 풋 밸브 (104) 는 제 1 길이 섹션 (306) 및 제 2 길이 섹션 (305) 을 포함하고, 상기 제 2 길이 섹션 (305) 은 상기 제 1 길이 섹션 (306) 에 대하여 더 큰 외부 직경을 갖고, 상기 러그들 (304) 은 상기 제 2 길이 섹션 (305) 내에 위치되는, 하향 천공식 해머 드릴 비트 조립체. - 제 12 항에 있어서,
상기 제 2 길이 섹션 (305) 을 지나서 반경방향 외부로 연장되고, 그리고 상기 제 1 길이 섹션 (306) 과 상기 제 2 길이 섹션 (305) 사이의 접합부에서 축방향으로 위치된 환형 칼라 (303) 를 추가로 포함하는, 하향 천공식 해머 드릴 비트 조립체. - 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 조립체를 포함하는 타격식 착암 드릴링을 위한 하향 천공식 해머.
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