KR100326485B1 - 유압식충격모터 - Google Patents

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    • E21B4/00—Drives for drilling, used in the borehole
    • E21B4/06—Down-hole impacting means, e.g. hammers
    • E21B4/14—Fluid operated hammers

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Abstract

물에의해 구동되는 바위 천공기 형태의 유압식 충격 모터는 제어면(A1,A2)과 대향하는 두 개의 거의 동일한 백을 갖는 밸브 스풀(40)을 가진다. 상기 밸브는 연속적인 가압하에 있고 다른 두 개보다 더 작은 제 3 제어면(A3)를 가진다. 상기 제 3 제어면(A3)은 가압하에 있지만 제 2 제어면(A2)은 그렇지 않아서 상기 밸브는 한 방향으로 이동하며, 제 1 및 제 2 제어면(A1,A2)이 동일 압력(충분한 압력 또는 무압력)하에 있으면 상기 밸브는 제 3 제어면(A2)에 의해 다른 방향으로 이동한다.

Description

유압식 충격 모터
본 발명은 청구범위 제 1항의 전제부에 정의된 종류의 유압식 충격 모터에 관한 것이며, 특히 천공식 착암기(in-hole rock drilling machine)에 관한 것이다.
이러한 종류의 착암기, 소위 하향 천공식 착암기(down-the-hole rock drilling machine)는 본 출원인의 미국 특허 제 5,107,944 호에 공지되어 있다. 상기 공보에 기술된 착암기에 있어서, 밸브는 두 개의 안정된 위치로 밸브를 전환시키기 위한 두 개의 제어면을 구비한 스풀 밸브이다. 상기 제어면 중의 하나는 천공작업 중에 연속적으로 가압되며, 다른 하나는 실린더와 활주 접촉하는 피스톤 해머의 면에 대항하는 포트를 갖는 제어 통로를 통해 가압 및 감압된다. 피스톤 해머의 활주면은 축방향으로 기다란 제어홈을 가지며, 이 제어 홈은 피스톤 해머의 유도면을 길게 만든다. 이러한 기다란 유도면은 예상 수명을 단축시킨다. 더욱이, 피스톤 해머를 구동시키기 위한 두 실린더 챔버로부터의 누출은 동력 효율을 감소시킨다.
본 발명의 목적은 유도면이 짧은 피스톤 해머를 제공하고 그 피스톤 해머와 그 유도면의 예상 수명을 길게 하고, 또한 동력 호율을 놓게 하는 것이다. 이러한 목적을 위해, 본 발명은 청구범위에 정의된 특징들을 갖는다.
본 발명은 본 발명의 실시예를 도시하고 있는 도면들을 참조하며 이후 기술된다.
제 1도는 본 발명에 따른 천공식 착암기의 후방 부분의 측면도이고,
제 2도는 본 발명에 따른 천공식 착암기의 전방 부분의 측면도이다.
도면 내에는 착암기의 중간 부분을 도시하지 않았다.
도면에 도시된 천공식 착암기는 하우징(12)를 가지며, 그의 주요부는 내측 숄더(13)와 각각의 단부에 내측 나사를 갖는 원통형 튜브이다.
드릴 비트(14)는 튜브 또는 하우징(12)의 내측으로 나사 형성된 슬리브(15)에 의해 하우징 내에 유지되어 있다. 슬리브(15)는 드릴 비트(14)와 스플라인 연결되어 있다. 드릴 비트(14)는 슬리브(15) 및 유도 부싱(16)에 의해 하우징(12) 내로 유도되고, 스톱 링(17)은 드릴 비트(14)가 떨어져 나가는 것을 방지한다. 따라서, 드릴 비트(14)는 하우징(12) 내에서 한정된 거리를 축방향으로 이동할 수 있지만 하우징(12)에 대해 회전할 수는 없다. 종래의 방식으로, 드릴 비트(14)는 정면에 있는 범람 유체 분출 구멍 내에서 종결되는 축방향 유체 범람 통로를 갖고 있다.
유도 부싱(18)은 숄더(13)에 대해 지지되며, 간격 슬리브(19)는 유도 부싱(18)에 대해 지지된다. 후면 헤드(38)를 갖춘 밸브 하우징(20)이 간격 슬리브(19)에 대해 지지되며, 필터(21a)를 갖춘 튜브형 필터 지지체(21)는 밸브 하우징(20)의 후면 헤드(38)에 대해 지지된다. 착암기 하우징(12)의 후면헤드(22)는 하우징(12)의 후방 단부 내로 나사 형성되어 있으며, 숄더(13)에 대하여 상기 부분들(18,19,20,38,21)을 축방향으로 조인다. 상기 부분들(18,19,20,38,21)은 함께 스프링의 역할을 하고, 이들의 누적 길이는 후면 헤드(22)가 나사 결합될 때 이들이 압축되는 길이이다. 양호하게, 전체 축방향 압축 길이는 0.4 내지 2mm이다. 간격 슬리브(19)는 조절되는 길이와 상당히 작은 강철의 단면적을 가지기 때문에, 이러한 압축에 상당히 기여한다. 간격 슬리브(19)는 적어도 자체 길이의 0.3/1000, 양호하게는 0.8/1000 내지 3/1000 압축일 수 있다. 필터 지지체(21)는 간격 슬리브(19)와 거의 동일한 강철의 단면적을 가질 수도 있지만, 실제로 더 작으므로 스프링 작용을 하는 부분도 더 작다. 따라서, 밸브 하우징(20)의 후면 헤드(38)는 밸브 하우징(20)의 주요부에 대해 조여진다. 착암기 하우징(12)의 후면 헤드(22)는 회전을 착암기에 전달하고 가압수 형태의 유압 구동유를 착암기에 전달하는 종래의 천공 튜브에 나사 연결되도록 배열된다. 작동시, 밸브 하우징(12)의 이면의 환형 공간(58)이 가방 하에 여과수로 연속해서 채워진다. 착암기의 조립시, 부품(18,19,20,38,21) 모두를 서로 느슨하게 쌓음으로써, 조립이 간단하며 축방향 공차가 감소된다. 추가의 공차는 축방향의 탄성 압축에 의해 처리된다. 모든 부품은 착암기 내에서 용이하게 미끄러지므로 착암기를 분해할 때 용이하게 제거된다.
튜브(23)는 밸브 하우징(20)의 일부를 형성한다. 관통 채널(25)을 구비한 피스톤 해머(24)는 유도 부싱(18)의 내부로 유도되는 전방 단부를 가진다. 피스톤 해머(24)의 후방 단부(27)는 밸브 하우징(20)의 슬리브형 전방부(35)와 밸브 하우징의 튜브(23) 사이의 밸브 하우징(20) 내에 형성되는 환형의 실린더 챔버(구동 챔버)(26) 내로 연장된다. 따라서, 피스톤 해머(24)의 후방 단부(27)는 후방 구동 챔버(26)의 벽, 즉, 밸브 하우징(20)에 의해서 유도된다. 피스톤 해머(24)의 후방 단부(27)는 후방 단부 벽(29)을 갖춘 홈(28)을 가지므로, 피스톤 해머(20)는 단부벽(29) 뒤편에 외측 유도면(30)을 가진다. 또한, 피스톤 해머(24)는 한정된 길이의 내측 유도면(31)을 가진다. 적합하게, 내외측 유도면(30,31)은 거의 동일한길이를 가진다. 유도면의 실제길이는 (피스톤 해머의 전방 단부에 있는) 유도 부싱(18)에 의해, 그리고 (피스톤 해머의 후방 단부에 있는)유도면(30,31)에 의해 한정되며, 단지 피스톤 해머(24) 길이의 일부분만을 차지한다. 유도면의 실제 길이는 피스톤 해머 길이의 20% 이하이다. 피스톤 해머(24)의 주요부(32)는 이들 유도면 사이에 있으며, 착암기 하우징(12)의 간격 슬리브(19)에 대해 커다란 틈새를 가진다. 가능한 한 무거운 피스톤 해머를 얻기 위해서, 피스톤 해머(24)의 주요부(32)는 자체 유도 단부에 비해 반경방향으로 확대될 수도 있다.
유도 부싱(18)에 대하여 활주하는 피스톤 해머(24)의 유도면(33)은 밸브 하우징(20)에 대하여 유도면(30)보다 작은 직경을 가지므로, 피스톤 해머(24)는 유도 부싱(18)과 밸브 하우징(20) 사이에 축방향으로 형성되는 전방 구동 챔버(34)에 상이한 피스톤 면적을 가지게 된다. 만일, 홈(28)과 전방 유도면(33)이 동일한 직경을 가지면, 상기 차등 면적은 면(36), 즉, 홈(28)의 후방 단부벽(29)의 면적으로 표시된다. 이러한 차등 면적은 후방 구동 챔버(26) 내에 있는 환형의 피스톤 면(37)의 면적보다 작다.
밸브 하우징(20)은 세 개의 환형 제어 챔버(45,46,47) 내에 있는 세개의 제어면(A1,A2,A3)을 구비한 스풀 밸브(40)를 가진다. 제어면(A3)의 유효 면적은 제어면(A1)에 인접한 밸브(40) 활주면의 직경이 제어면(A2)에 인접한 활주면의 직경보다 크기 때문에 차등 면적이다. 이들 면적 사이의 관계는 A3＜A1＜A2+A3이다. 제어면(A2)의 면적은 제어면(A3)의 면적보다 크고, 양호하게는 제어면(A1)의 면적과 제어면(A2)의 면적이 같거나 거의 동일하고 제어면(A3)의 면적보다는 거의 두 배이다. 또 다른 환형 챔버(48)가 존재하며, 이 챔버(48)는 밸브(40)가 도시된 위치에 있을 때 환형 챔버(47)로 개방된다. 밸브(40)가 다른 위치에 있을 때 밸브 하우징(20) 내의 숄더(49)는 챔버(47,48)를 분리한다. 밸브(40)는 일련의 큰 구멍(50)과 두 개의 작은 구멍(51)을 가진다.
제어 도관(52)이 환형 챔버(46)와 후방 구동 챔버(26) 사이로 연장하며, 후방 구동 챔버(26)로 연결되는 제어 포트(53)를 가진다. 다른 제어 도관(54)이 환형 챔버(45)와 후방 구동 챔버(26) 사이로 연장하며 구동 챔버(26,34) 각각에 대한 제어 포트(55,56)를 가진다. 다수의 평행한 채널(57)이 밸브 하우징(20)을 통해 축방향으로 연장하고 전방 구동 챔버(34)를 밸브 하우징(20)의 후방에 있는 연속 가압 공간(58)에 연결시킨다. 다수의 채널(59)이 후방 구동 챔버(26)에 연결되는 일련의 포트(60)를 환형 챔버(48)에 연결되는 일련의 포트(61)에 연결시킨다. 다수의 채널이 환형 챔버(47)에 연결되는 일련의 포트(62)를 밸브 하우징(20)의 후면에 있는 연속 가압공간(58)에 연결시킨다.
착암기의 작동 사이클에 대해서 설명하면 다음과 같다.
밸브(40)가 도시한 위치에 있고 피스톤 해머(24)가 드릴 비트(14)를 타격하기 위해 전방으로의 자체 작업 행정을 막 시작했다고 가정한다(피스톤해머(24)는 충돌 위치에 있는 것으로 도시됨). 포트(60,61,62)를 통해서, 밸브(40)는 후방 구동 챔버(26)를 연속적인 가압하에 있는 챔버(58)에 연결시킨다. 밸브(40)의제어면(A1)은 제어 도관(54)의 제어 포트(56)가 연속 가압되는 전방 구동 챔버(34)로 먼저 개방되므로 피스톤 해머(24)의 전체 작업 행정 동안에 가압 하에 있으며, 포트(56)의 폐쇄 직후에 제어 도관(54)의 제어 포트(55)는 가압 하에 있는 후방 구동 챔버(26)로 즉시 개방된다. 도시한 바와 같이, 피스톤 해머(24)의 유도면(30)의 길이는 양 제어 포트(55,56)가 짧은 주기 동안에 폐쇄될 수 있는 길이어야 하나, 제어 도관(54) 내의 압력에 영향을 주지 않을 정도로 짧아야 한다. 제어 도관(52)의 제어 포트(53)가 폐쇄되어 있는 한, 밸브(40)는 제어면(A1)의 면적이 제어면(A3)의 면적보다 크므로, 도시된 전방 위치에서 안정하게 유지된다. 환형 챔버(46)로부터의 누출은 환형 챔버(46)내의 압력 상승을 방지한다.
작업 행정하에 있는 피스톤 해머(24)가 제어 도관(54)의 제어 포트(55)를 개방한 직후 제어 도관(52)의 제어 포트(53)를 개방한 때에, 제어 도관(52)과 환형 챔버(46)는 가압되며, 가압하에 놓여진 제어면(A2)의 면적이 이미 가압하에 있는 제어면(A1)의 면적과 동일하므로, 이들 면적은 각각 균형이 맞춰지고 제어면(A3)은 밸브(40)를 전방 위치(도시안됨)로 압박한다. 밸브(40) 내의 구멍(51)은 환형 챔버(46)로 개방되지만, 너무 작아서 환형 챔버(46)의 가압화를 방지하지 못한다. 구멍(51)을 통한 누출은 너무 작아서 전체 동력 효율에 거의 영향을 주지 못 한다. 밸브(40)는 댐핑 챔버를 차단하는 자체 노우즈(65)에 의해 완충되므로, 밸브(40)는 후방 위치(도시안됨)에 도달하기 전에 저지되어 반동되지 않는다. 환형 챔버(48)는 환형 챔버(47)로부터 차단되고 밸브(40) 내의 구멍(50)을 통해 밸브(40)의 내부에연결된다. 튜브(23)를 통해서, 밸브(40)의 내부는 피스톤 해머(24) 내의 채널(25)로 계속 개방되고, 채널(25)은 드릴 비트(14)내의 유체 범람 통로로 항상 개방된다. 그러므로, 후방 구동 챔버(26)는 피스톤 해며(24)가 충돌 위치에 도달하는 동시에 감압되며, 연속적으로 가압되는 전방 구동 챔버(34)는 복귀 행정에서 피스톤 해머(24)를 후방으로 구동시키기 시작한다.
제어 포트(53,55)의 상대적인 축위치는 변경될 수 있으며, 제어 포트(53)가 제어 포트(55)의 축방향으로 전방에 있을 필요는 없다.
따라서, 피스톤 해머(24)의 복귀 행정 동안에 후방 구동 챔버(26)로부터 유출되는 물은 시굴 구멍으로부터 잔해를 쓸어내기 위한 세척용 유체로 사용될 수 있다.
후방 구동 챔버(26)가 감압될 때, 제어 도관(54)의 포트(55)와 제어 도관(52)의 포트(53)가 모두 후방 구동 챔버(26)로 개방되기 때문에, 제어면(A1, A2)은 둘 다 감압된다.
복귀 행정 동안에, 피스톤 해머(24)는 제어 포트(53,55)를 폐쇄시킨다. 그러나, 환형 챔버(46)는 밸브를 통과하는 작은 구멍(51)을 통해 배수 상태를 유지한다. 그 후, 피스톤 해머(24)가 제어 도관(54)의 포트(56)를 개방하므로, 제어 도관(54)과 환형 챔버(45)는 전방 구동 챔버(34)로부터 가압되고 제어면(A1)도 가압된다. 제어면(A2)은 가압되지 않으므로, 제어면(A1)이 도시된 전방 위치로 밸브를 압박하게 된다. 밸브(40)의 마지막 전방 이동 동안에, 밸브(40) 내의 두 개의 작은구멍(51)이 환형 챔버(46)로부터 차단되고, 제어 도관(52)과 챔버(46) 내에 폐쇄된 물은 압력이 제어면(A2)에 대해 증가되므로 밸브(40)가 도달하기 전에 밸브를 저지시킨다. 이러한 압력은, 밸브(40) 내의 일련의 큰 구멍(50)이 환형 챔버(46)에 근접해 있으므로 밸브가 그의 전방 위치에 안정적으로 머무를 수 있도록 너무 높지 않을 수도 있다. 밸브(40)의 단부를 통한 누출과 구멍(50)을 통한 누출의 양은 폐쇄된 제어 포트(53) 내로의 누출량보다 상당히 크게 된다. 그 다음에, 밸브(40)는 포트(60,61,62)와 포트(60 및 61) 사이의 채널(59)을 경유해 후방 구동 챔버(26)를 가압하게 되어, 피스톤 해머(24)는 진술한 바와 같이, 작동 행정 동안에 감속, 회전 및 가속되며, 그리고 그러한 사이클을 반복한다.

Claims (4)

  1. 하우징(12), 상기 하우징(12) 내에서 왕복 운동할 수 있고 두 개의 구동 챔버(26,34) 내에서 압력에 의해 왕복 운동하도록 구동되는 피스톤 해머(24), 및 상기 피스톤 해머(24)를 왕복 운동시키도록 상기 구동 챔버(26,34) 중 어느 하나를 교대로 가압 및 배수하지 위한 밸브(40)를 포함하며, 상기 밸브(40)는 제 1 제어 챔버(45) 내의 제 1 제어면(A1)과 상기 제 1 제어면(A1)에 대향하고 제 2 제어 챔버(46) 내에 위치하는 제 2 제어면(A2)을 가지며, 상기 제 1 및 제 2 제어 챔버(45,46)는 상기 피스톤 해머(24)와 제어 도관(52,54)에 의해 제어되는 제어 포트(53,55,56)를 통해 상기 피스톤 해머(24)의 위치에 따라서 가압 및 감압되도록 배열되어 있는 유압식 충격 모터에 있어서,
    상기 제 2 제어면(A2)과 동일한 방향으로 작동하고 연속적으로 가압되는 챔버(47) 내에서 상기 밸브(40)상에 위치하는 제 3 제어면(A3)를 더 포함하며,
    상기 제 2 및 제 3 제어면(A2,A3)이 상기 제 1 제어면(A1)보다 더 크고 상기 제 1 제어면(A1)이 상기 제 3 제어면(A3)보다 더 크므로, 상기 밸브(40)는 상기 제 1 제어 챔버(45)가 가압되고 상기 제 2제어 챔버(46)가 감압될 때 한쪽 방향으로 이동하고, 그리고 상기 제 1 및 제 2 제어 챔버(45, 46)가 동일한 압력을 가질 때에는 다른 쪽 방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 유압식 충격 모터.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 제어 챔버(45)는 상기 밸브(40)를 상기 한쪽 방향으로 이동시키도록 상기 피스톤 해머(24)용 상기 구동 챔버 중 한 챔버(26)로부터 가압되도록 배열되며, 그리고 상기 제 2 제어 챔버(46)는 상기 밸브(40)를 상기 다른 쪽 방향으로 이동시키도록 상기 구동 챔버 중 다른 챔버(34)로부터 가압되도록 배열되는 것을 특징으로 하는 유압식 충격 모터.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 피스톤 해머(24)가 자체 전방 단부와 자제 후방 단부에서 유도되지만, 이들 사이에서는 유도되지 않으며,
    상기 밸브(40)를 제어하기 위한 후방 제어면이 상기 하나의 구동 챔버(26), 즉 후방 구동 챔버 내의 면(37)과 상기 다른 구동 챔버(34), 즉 연속적으로 가압되는 전방 구동 챔버 내의 면(36) 사이에 형성되며,
    상기 제 1 제어 챔버(45)로 연결되는 상기 제어 도관(54)이 상기 전방 구동 챔버(34)로 개방되도록 배열되는 포트(56)와 상기 후방 구동 챔버(26)로 개방되도록 배열되는 포트(55)를 가지며, 그리고
    상기 다른 제어 챔버(46)로 연결되는 상기 제어 도관(52)에 상기 후방 구동 챔버(26) 내로 개방되도록 배열되는 포트(53)를 갖는 것을 특징으로 하는 유압식 충격 모터.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 유압식 충격 모터가 천공식 착암기이며,상기 밸브(40)로부터 유출되는 소모 구동 유체는 세척용 유체로서 상기 피스톤 해머(24) 내의 채널(25)을 통해 상기 착암기의 드릴 비트(14)로 이송되는 것을 특징으로 하는 유압식 충격 모터.
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