KR20200011420A

KR20200011420A - Dth 해머용 백헤드 조립체

Info

Publication number: KR20200011420A
Application number: KR1020197033957A
Authority: KR
Inventors: 조르제 알레한드로 아이싱 로페즈
Original assignee: 드릴코 툴즈 에스. 에이.
Priority date: 2017-04-25
Filing date: 2018-04-23
Publication date: 2020-02-03
Also published as: AU2018260410A1; MX2019012823A; KR102626533B1; PE20200054A1; WO2018198017A1; US11118401B2; CL2017001018A1; US20200256127A1; SE1951218A1; AU2018260410B2; SE543457C2

Abstract

압축된 유체의 공급에 의해 작동되는 DTH(Down The Hole) 해머용 백헤드 조립체 시스템으로서, 주로 백헤드를 포함하고, 상기 백헤드는 가압된 공기를 해머로 이송시킬 수 있는 중앙 구멍 및 백헤드에 동축으로 배치되고 백헤드에 해제가능한 유지 매체에 의해 커플링되는 내부 실린더를 갖고, 상기 백헤드는 내부 전방 캐비티를 가지며 상기 해제가능한 유지 매체는 언급된 전방 캐비티에 있다. 또한, 해머는 백헤드 및 내부 실린더에 동축으로 배치된 마모 슬리브를 포함하고, 여기서 백헤드는 마모 슬리브의 후방 측에 커플링된다. 본 발명의 둘 다의 실시예에서, 내부 실린더는 직경이 더 작은 후방 섹션과 직경이 더 큰 전방 섹션을 가지며, 두 섹션은 대체적으로 증가하는 직경의 부분을 통해 결합된다.

Description

DTH 해머용 백헤드 조립체

본 발명은 드릴링 장치에 관한 것이며, 또한 내부 슬리브 및 상기 내부 슬리브의 그래플링(grappling)을 갖는 DTH 해머에 관한 것이다.

충격 해머, 특히 DTH 해머는 일반적으로 가압된 유체의 유동에 의해 작동하는 것으로, 이러한 유체를 사용하여 피스톤과 접촉하는 다른 내부 챔버들을 채우거나 비우고, 피스톤의 교번하는 운동을 발생시켜 피스톤이 동시에 암석과 접촉하는 비트를 반복적으로 타격하게 하며, 암석의 파괴를 유발한다.

이러한 종류의 해머는 일반적으로 다른 구성 요소들의 하우징으로 작용하는 원통형 케이스, 즉 마모 슬리브, 드릴 비트 지지부("척(chuck)"), 후방 측에 있는 백헤드, 드릴 비트 지지부에 동축으로 배치되고 드릴 비트 지지부의 내부로 슬라이딩하는 것이 허용되는 비트, 마모 슬리브의 내부에 슬라이딩가능하고 및 동축으로 배치된 피스톤 및 부품들을 유지 또는 정렬하고 해머 내에서 가압된 유동을 안내하는 데에 사용되는 다른 요소들로 구성된다.

공기 분배 메커니즘에 따라 여러 유형의 해머가 있는 것으로, 제1 유형의 해머는 공급 튜브를 사용하여 유동을 피스톤의 내부로 유로를 만들고, 그 다음 피스톤에 있는 구멍을 통해 챔버들로 공기를 분배한다. 이러한 유형의 해머는 충격 하에서 피스톤에 응력 집중부(stress concentrator)로서 작용하는 상기 구멍으로 인해 피스톤이 구조적으로 약한 문제를 갖는다. 또한, 특정 표면 영역, 특히 피스톤의 내부 상의 표면 영역에 접근하기가 어렵기 때문에, 상기 구멍의 디버링(deburring) 및 표면 마무리(surface finishing)의 제조 공정에 문제가 자주 발생한다.

제2 유형의 해머는 마모 슬리브 안에 동축으로 배치된 내부 실린더를 사용하는 것으로서, 유체의 유동을 공급부로부터 피스톤의 외부에 있는 중간 챔버로 보내는 것을 가능케 하고, 피스톤의 왕복 운동에 의해 해머의 다른 챔버들로 유체를 분배할 수 있는 요소가 있다. 이러한 내부 실린더는 일반적으로 해머의 중간 후방 섹션을 포함하고 피스톤의 후방 부분이 그 내부로 슬라이딩하는 것을 가능케 한다.

본 명세서에 기술된 발명은 이러한 제2 유형의 해머에 관한 것으로, 따라서 내부 실린더를 사용하여 공기를 피스톤의 외부에서 중간 챔버로 보낸다.

내부 실린더는 마모 슬리브 내부에서 다른 방식으로 유지될 수 있다. 상기 내부 슬리브를 고정시키기 위한 하나의 메커니즘은 마모 슬리브의 내부에 지지 숄더(shoulder)를 제공하는 것이다. 이러한 방법의 문제점은 상기 숄더로 인해 유용한 횡단면이 감소된다는 것으로, 즉 숄더는 압축된 유체의 피스톤으로의 추력(thrust) 영역을 감소시켜, 해머의 파워를 감소시킨다. 횡단면의 손실을 줄이기 위해 다른 기존의 해결책들이 있다. 그것들 중 하나가 미국특허 제6,290,424호에 제시되어 있는 것으로, 분리된 링이 마모 슬리브로부터 내부 실린더를 걸기 위해 사용되어, 분리된 링이 내부 실린더의 숄더와 마모 슬리브에서의 리세스(recess) 사이에서 확장되는 것을 초래한다.

다른 해결책은 미국특허 제7,159,676호에 제시되어 있는 것으로, 내부 실린더가 내부 실린더의 반경방향 편향을 허용하고 내부 실린더의 후방 숄더를 마모 슬리브의 리세스에 걸 수 있게 하는 일련의 종방향 홈들을 후방 섹션에서 갖는다. 마지막으로, 세번째 해결책이 미국특허 제6,637,520호에 제시되어 있는 것으로, 내부 실린더는 원뿔형 부분이 삽입되는 때에 팽창될 수 있게 하는 여러 개의 종방향 홈들을 후방 섹션에서 갖는다. 이러한 방식으로, 외부 숄더는 마모 슬리브의 내부 리세스에 부착된다.

어느 정도까지는, 전술한 특허들에 기술된 모든 고정 시스템은 유용한 횡단면을 감소시키는 마모 슬리브의 리세스를 필요로 하며, 이것은 피스톤 상의 추력 영역이 감소되거나 마모 슬리브의 두께가 감소되는 것을 야기하고, 해머의 유효 수명이 단축되는 것을 야기한다. 모든 이러한 고정 시스템에는 내부 실린더의 지지 숄더가 마모되는 것을 피하기 위해 세트를 압축하는 부품이 필요하다.

언급된 문제들에 대한 필요한 해결책을 달성하는 다른 발명이 있지만, 상기 해결책을 만드는 것은 비싸고 복잡하다. 미국특허 제8,006,784호 및 미국특허 제6,386,301호는 백헤드가 하나의 단일 부품으로서 내부 실린더에 부착되는 조립체를 설명한다. 이러한 부품을 제조하기 위해서는, 길고 거대한 금속 조각으로 시작해야 한다. 따라서, 가공 공정 및 제조와 관련하여 복잡할 뿐만 아니라, 그렇게 하는 데에 있어서 상당한 양의 재료 손실 및 비효율성도 존재한다.

본 발명은 마모 슬리브에 리세스를 생성하지 않고 이러한 체결 문제를 해결하고, 이에 의해 해머의 후방 횡단면을 보다 효율적으로 사용하여 해머의 파워를 증가시키는 것을 초래한다. 또한, 이러한 설계에는 조립체를 압축된 상태로 유지하기 위한 요소가 필요하지 않다. 본 발명은 후방 하위 조립체의 구조를 의미하는 것으로, 이것은 백헤드를 해제할 때 피스톤을 직접 제거할 수 있게 하여 해머의 유지보수 작업을 단순화시킨다. 부품들을 개별적이고 독립적으로 유지함으로써, 제조가 어렵거나 비싸지 않다. 마지막으로, 내부 실린더를 마모 슬리브가 아닌 백헤드에 고정되게 하면 해머의 길이를 단축시키는 것, 원자재 비용을 감소시키는 것 그리고 조립된 시스템이 더 가벼워지고 조작하기 쉽게 만드는 것을 가능케 한다.

본 발명에서, 백헤드 조립체가 DTH 해머용으로 개발된 것으로, 원통형 케이싱, 즉 마모 슬리브의 내부에 동축으로 배치된 내부 실린더와, 마모 슬리브의 후방 단부에 커플링된 백헤드로 주로 구성되고, 상기 백헤드는 압축된 유체를 공급부로부터 해머로 이송하기 위해 전방 내부 캐비티 및 중앙 구멍을 가지며, 상기 내부 실린더는 해제가능한 수단을 통해 상기 백헤드의 전방 캐비티에 커플링된다. 본 발명의 제1 실시예에서, 상기 내부 실린더는 후방 원통형 섹션, 후방 원통형 섹션보다 작은 직경의 전방 섹션 및 상기 섹션들을 결합하는 대체적으로 증가하는 연결부를 갖는다.

전술한 형태는 더 작은 직경의 섹션을 통해 백헤드의 내부에 커플링되고 더 큰 직경의 섹션에 피스톤을 수용할 수 있게 한다.

본 발명의 제1 실시예에 따르면, 내부 실린더의 해제가능한 체결을 달성하기 위해, 상기 실린더는 후방 부분에서 축 방향으로 2개 또는 그 이상의 홈을 가지며, 일련의 지느러미부를 형성하며, 각각의 지느러미부는 반경방향으로 편향될 수 있다. 이러한 지느러미부의 각각은 외부 표면 상에 내부 실린더의 둘레 주위의 둘레부를 나타내는 레지를 갖는다. 레지는 축 방향으로 분리되고, 평행한 평면들에 포함된다.

추가적으로, 가압된 유체의 유동을 내부 실린더와 마모 슬리브 사이의 환형 공간으로 연결할 수 있게 하는 완전히 또는 부분적으로 경사진 출구(outlet)를 갖는 포트 세트가 제공된다.

레지들은 모두 동일한 높이이거나 높이가 감소될 수 있는 한편, 레지는 지느러미부의 피봇 지점에 더 가깝고, 후자의 옵션이 선호되는 것이다. 이러한 옵션의 경우, 내부 실린더를 제 위치에 설정하는 동안, 즉 지느러미부를 백헤드에 삽입하는 동안, 각각의 지느러미부의 편향은 증가하지 않는다. 필요한 축 방향 깊이를 달성하면, 레지는 백헤드의 내부에 내장된 유사한 홈에 체결된다. 대안적인 체결 모드가 본 시스템으로부터 도출된다.

지느러미부의 내측 편향에 의한 내부 실린더의 원하지 않는 풀림을 피하기 위해, 원통형 또는 원뿔형 부분이 지느러미부의 레벨까지 내부 실린더의 내부 표면에 맞춰진다(adjust). 바람직하게는, 이러한 부분은 내부 실린더의 상부 섹션에 위치되는 요소인 에어 가이드인 것으로, 전방 섹션에서 마모 슬리브 및 내측 실린더에 동축으로 배치된 축 방향으로 구멍이 뚫린 피스톤의 후방 내부 섹션에 맞는 원통형 형태를 갖는다. 그럼에도 불구하고, 오직 이러한 목적을 위해 별도의 부품이 설계될 수 있다. 본 구성에서, 부품은 핀을 통해 백헤드에 고정된다. 그러나, 조립체를 고정하는 다른 방법이 사용될 수 있다.

본 발명의 제2 실시예에서, 내부 실린더는 핀으로 백헤드에 고정되며, 핀은 해제 메커니즘이다. 이에 의해, 대부분 백헤드 및 내부 슬리브를 포함하는 후방 하위 조립체가 생성된다. 이러한 제2 실시예에서, 상기 내부 실린더가 피스톤을 수용하기 위해 백헤드의 전방 내부 캐비티보다 작은 직경의 후방 섹션을 포함하는 한편, 전방 섹션은 더 큰 직경을 갖기 때문에, 상기 하위 조립체는 가능하다.

내부 실린더를 백헤드의 내부에 고정시키는 것은 내부 실린더를 지지하는 마모 슬리브에 내장된 숄더로 인해 면적 손실이 없으므로 마모 슬리브의 내부 영역을 효율적으로 사용할 수 있게 한다. 이러한 새로운 설계 특징은 피스톤에서 유효한 추력 영역을 증가시키고 따라서 피스톤 행정에 증가된 힘을 가하여 해머 파워를 증가시키기 때문에 해머에서 바람직하다.

또한, 내부 실린더의 후방 섹션을 백헤드의 아래가 아니고 내부에 통합함으로써, DTH 해머 시장에서 보편적으로 적용됨에 따라, 더 짧은 해머가 달성될 수 있다. 후자(더 짧은 해머)는 제조 공정에서 제조 비용 및 원재료 요건을 감소시킬 수 있다. 동일한 방식으로, 적은 재료를 사용함으로써, 해머가 더 가벼워지고 다루기 쉬워질 수 있으므로 작동 및 유지보수 작업에 이상적이다.

본 발명의 다른 장점은 마모 슬리브가 아닌 백헤드에 유지될 수 있는 내부 실린더를 갖는 것으로, 이것은 대부분 백헤드, 내부 실린더 및 체결 수단으로 구성된 후방 하위 조립체를 생성할 수 있게 한다. 상기 하위 조립체는 후방으로부터 해머를 분해할 수 있게 하여, 피스톤에 대한 직접적인 접근을 제공하며, 이것은 피스톤의 점검 및 제거를 용이하게 하기 때문에 유지보수에서 널리 요구되는 특징이다.

도 1a는 제1 실시예의 후면 해머 조립체의 단면도이다. 이러한 도면에서, 백헤드, 마모 슬리브, 체결 수단, 내부 실린더 및 피스톤이 도시된다.
도 1b는 제2 실시예의 단면도이다.
도 2는 제1 실시예에서 정의된 내부 실린더의 등각도이다.
도 3은 제1 실시예에 대한 백헤드 내부의 홈 프로파일을 관찰할 수 있는 백헤드 단면도이다.
도 4는 제1 실시예의 상부 하위 조립체가 해머로부터 제거되는 후면 해머 조립체의 단면도이다.

도 1a는 원통형 케이싱 또는 마모 슬리브(wear sleeve)(30), 중앙 보어(12)가 형성된 백헤드(backhead)(10) 및 상기 중앙 보어에 연결된 전방 내부 캐비티(cavity)(15)에 의해 일치되는 제1 실시예에 따른 DTH 해머의 단면도이다. 상기 백헤드는 원통형 케이싱 또는 마모 슬리브(30)의 후방 측(32)에 동축으로 커플링되고, 내부 실린더(40)는 상기 마모 슬리브(30)의 내부에 동축으로 배치되어, 환형 유체 경로(33)를 상기 내부 실린더(40)와 상기 마모 슬리브(30) 사이에 생성한다. 내부 실린더(40)는 후방 측에 지느러미부(fin)(47) 및 레지(ledge)(41)를 갖고 상기 백헤드(10)는 전방 내부 캐비티(15)에 내부 홈(groove)(11)을 가지며, 이때 상기 내부 실린더(40)는 상기 백헤드(10)에 고정되고, 상기 내부 실린더(40)의 지느러미부(47)를 편향시키고(deflect) 상기 레지(41)를 백헤드(10)의 내부 홈(11)에 매칭시킨다(match). 상기 내부 실린더(40)는 내부 실린더(40)의 상기 지느러미부(47)를 편향시키고 내부 실린더를 백헤드(10)로부터 당겨 백헤드(10)로부터 해제될 수 있다.

제1 실시예에서, 유지 요소(retainer element)(20)가 실린더의 우발적인 내측 편향을 피하기 위해 내부 실린더(40)의 내부에 위치되도록 제공되고, 핀(pin)(23)이 유지 요소(20)를 유지시키기 위해 제공되며 동시에 백헤드(10)에 고정된다.

마모 슬리브(30)의 내부에, 해머에 가압된 유체가 공급될 때 축방향 축(01)을 따라 교대로(alternately) 이동하는 피스톤(50)이 있다. 피스톤(50)의 후방 섹션(51)은 내부 실린더(40)에 삽입되는 한편, 전방 섹션(52)은 마모 슬리브(30)와 접촉한다.

가압된 유체의 유동이 피스톤(50)을 이동시키게 하기 위해, 먼저 유동을 마모 슬리브(30)와 내부 실린더(40) 사이에 형성된 환형 채널(33)로 보내고, 그리고 나서 유동을 피스톤의 후방 섹션(51) 및 전방 섹션(52)으로 선택적으로 분배하는 것이 필요하다.

이러한 이유로, 내부 실린더는 후방 섹션에 내부 실린더(40)의 내부를 환형 채널(33)에 연결하는 포트(port)(45)를 갖는 한편, 유지 요소(20)는 내부 실린더의 포트(45)와 함께 백헤드(10)의 중앙 보어(12)로부터 환형 채널(33)로의 유동 경로를 가능케 하는 구멍(24)을 갖는다.

도 2는 지느러미부(47)를 발생시키는 여러 종방향 그루브(groove)(44)를 후방 섹션(42)에 갖는 내부 실린더(40)를 도시한다. 그루브(44)의 옆에, 축 방향(01)을 따라 전방 섹션(43)을 향해 전체적으로 또는 부분적으로 경사진 출구(exit)(46)로 끝나는 포트(45)가 있다. 지느러미부(47)의 외측 표면에는 본 실시예에서 체결 매체로서 작용하는 레지(41)가 있다.

도 3은 더 큰 직경의 캐비티(15)까지 내부 전방 섹션(14)에서 계속되는 중앙 보어(12)를 갖는 백헤드(10)의 단면도를 도시한다. 이러한 캐비티(15)의 내부에는, 내부 실린더의 레지(41)와 해제 결합 메커니즘을 가능케 하는 홈 프로파일(profile)(11)이 있다. 또한, 가압된 유체의 경로를 내부 실린더(40)와 원통형 케이싱(30) 사이의 환형 섹션(33)에 연결하는 프로파일(13)이 보여진다.

도 4는 주로 백헤드(10), 내부 실린더(40), 유지 요소(20) 및 핀(23)으로 구성되는 제1 실시예의 후면 하위 조립체를 도시한다.

도 1b는 제2 실시예에 따른 DTH 해머의 단면도를 도시하며, 이것은 마모 슬리브라고도 하는 원통형 케이싱(30)에 의해 구성되고, 후방 측(32)에는 백헤드(10)가 위치된다. 상기 백헤드 상에는, 마모 슬리브(30) 및 백헤드(10)와 동심인 내부 실린더(40)가 있고, 내부 실린더는 해제가능한 체결 수단에 의해 백헤드에 고정된다. 이러한 실시예에서, 고정은 핀(23)에 의해 수행되며, 이에 따라 주로 백헤드(10), 내부 실린더(40) 및 핀(23)으로 구성된 백헤드 하위 조립체를 초래한다.

이러한 제2 실시예에서, 가압된 유체의 유동을 내부 실린더와 마모 슬리브 사이의 환형 섹션으로 안내하기 위해, 내부 실린더(40)는 유동이 통과하도록 하는 후방 섹션(42)에서 오리피스(orifice) 또는 포트(49)를 가져, 백헤드(10)의 중앙 보어(12)에서 시작하여 백헤드(10)의 전방 내부 캐비티(15)로 계속되고 내부 실린더(40)의 오리피스(49)를 통과하는 통로를 형성하고, 그 다음 유동이 내부 실린더의 증가하는 직경 섹션의 외부 표면(48) 및 백헤드 프로파일(13)에 의해 안내된다.

10 ... 백헤드 12 ... 중앙 보어
15 ... 내부 캐비티 20 ... 유지 요소
23 ... 핀 30 ... 마모 슬리브
33 ... 환형 섹션 40 ... 내부 실린더
41 ... 레지 47 ... 지느러미부
50 ... 피스톤

Claims

DTH(Down-the-Hole) 해머로서,
후방 및 전방 측을 갖는 원통형 케이싱;
DTH 해머 및 원통형 케이싱에 종방향인 축방향 축;
원통형 케이싱의 후방 측에 커플링되고, 압축된 유체의 유동을 공급부로부터 DTH 해머로 이송하기 위한 전방 내부 캐비티 및 중앙 보어를 갖는, 백헤드;
원통형 케이싱의 내부에 동축으로 배치되고, 직경이 상이한 전방 및 후방 측을 갖는, 내부 실린더;
백헤드의 전방 내부 캐비티로부터 내부 실린더의 후방 측의 해제가능한 결합을 가능케 하는 체결 수단;
원통형 케이싱의 내부에 동축으로 배치되는 피스톤 - 상기 피스톤의 후방 측은 내부 실린더의 내부에 배치되고, 상기 피스톤은 슬라이딩가능한 운동을 왕복할 수 있음 - ;을 포함하는, DTH 해머.
제1항에 있어서, 상기 내부 실린더를 구비한 백헤드 및 상기 체결 수단은 DTH 해머로부터 전체가 제거될 수 있는 하위 조립체를 형성하여, 상기 피스톤에 직접 접근할 수 있게 하는, DTH 해머.
제1항에 있어서, 상기 내부 실린더는 전방 섹션보다 작은 직경의 후방 섹션 및 상기 섹션들을 연결하는 가변 직경의 섹션을 가져, 상기 작은 직경의 후방 섹션은 상기 백헤드의 전방 내부 캐비티에 삽입될 수 있는, DTH 해머.
제1항에 있어서, 상기 체결 수단은,
상기 내부 실린더의 후방 부분에 형성된 복수의 종방향 그루브;
상기 내부 실린더의 종방향 그루브들 사이에 형성된 복수의 지느러미부;
상기 내부 실린더의 후방 부분에 형성된 하나 또는 그 이상의 레지;
상기 백헤드의 전방 내부 캐비티에 형성된 하나 또는 그 이상의 홈을 포함하고,
상기 지느러미부가 편향되고 있는 때에 상기 내부 실린더의 하나 또는 그 이상의 레지는 상기 백헤드의 하나 또는 그 이상의 홈에 끼워질 수 있는, DTH 해머.
제4항에 있어서, 상기 내부 실린더의 하나 또는 그 이상의 레지는 원뿔형 프로파일을 형성하여, 상기 하나 또는 그 이상의 레지는 전방 측으로부터 후방 측으로 높이가 증가하며, 전방 레지에서 더 짧고 후방 레지에서 키가 더 큰, DTH 해머.
제4항에 있어서, 상기 내부 실린더는 전방 섹션보다 작은 직경의 후방 섹션 및 상기 섹션들을 함께 연결하는 가변 직경의 섹션을 갖는, DTH 해머.
제4항에 있어서, 상기 내부 실린더는 압축된 유체의 유동을 가능케 하기 위해 하나 또는 그 이상의 그루브의 전방 측에 포트를 갖는, DTH 해머.
제7항에 있어서, 상기 내부 실린더의 포트는 전체적으로 또는 부분적으로 경사진 출구를 갖는, DTH 해머.
제4항에 있어서, 상기 내부 실린더의 지느러미부의 내측 편향을 피하기 위해 반경방향 유지 수단(retention means)을 더 포함하는, DTH 해머.
제9항에 있어서, 상기 반경방향 유지 수단은 상기 내부 실린더의 후방 부분의 내부에 위치된 부분으로 구성되는, DTH 해머.
제9항에 있어서, 상기 반경방향 유지 수단은 공기가 통과하여 유동하게 할 수있는 개구부 또는 채널을 포함하는 부품으로 구성되고, 상기 부품은 핀을 통해 상기 백헤드에 유지되는, DTH 해머.
제9항에 있어서, 상기 백헤드, 내부 실린더, 체결 수단 및 반경방향 유지 수단은 상기 피스톤에 직접 접근할 수 있도록 DTH 해머로부터 제거될 수 있는 하위 조립체를 형성하는, DTH 해머.
제1항에 있어서, 상기 내부 실린더는 핀을 통해 상기 백헤드에 해제가능하게 고정되는, DTH 해머.
제3항에 있어서, 상기 내부 실린더는 해제가능한 체결 수단을 통해 상기 백헤드에 고정되는, DTH 해머.