液壓同步回路專利申請分析

經(jīng)驗人：沈金峰 丁向華

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液壓同步回路專利申請分析

經(jīng)驗人：沈金峰 丁向華

液壓同步回路是液壓系統(tǒng)最重要的回路之一，本文通過檢索專利數(shù)據(jù)，對國內(nèi)外液壓同步回路專利申請情況進(jìn)行了分析，獲得了在華和全球液壓同步回路專利的隨年代發(fā)展的申請趨勢、發(fā)展歷程以及技術(shù)路線，重點(diǎn)分析了該領(lǐng)域?qū)＠暾埬繕?biāo)國和原創(chuàng)來源國概況，并對國內(nèi)外該領(lǐng)域的重點(diǎn)申請人進(jìn)行了數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和技術(shù)類型剖析，為我國該領(lǐng)域的申請人提供了專利布局參考。

概述

液壓系統(tǒng)作為先進(jìn)的執(zhí)行控制系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)中，在液壓系統(tǒng)中同步控制系統(tǒng)是不可或缺的一部分，如履帶式挖掘機(jī)的行走機(jī)構(gòu)、起重機(jī)伸縮臂同步伸縮機(jī)構(gòu)等都有同步要求，但是高精度多執(zhí)行機(jī)構(gòu)的同步問題一直是本領(lǐng)域的一個難題，尤其是在配重或重載不平衡的工況下，同步要求顯得尤為重要。

液壓同步回路是液壓系統(tǒng)最重要的回路之一，其是指在各類機(jī)器、設(shè)備、裝置中，實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行功能，由液壓元件、管路按一定規(guī)律組合，并以液流介質(zhì)傳遞，控制驅(qū)動兩個以上的執(zhí)行器產(chǎn)生相同的線位移或角位移。

液壓同步回路分為等同模式和主從模式，常見的有：機(jī)械液壓同步回路、節(jié)流調(diào)速同步回路、同步閥同步回路、液壓缸串聯(lián)同步回路。以下就針對國內(nèi)外關(guān)于液壓同步回路專利申請的狀況進(jìn)行分析。

數(shù)據(jù)庫的選擇和檢索

液壓同步系統(tǒng)在IPC中的分類號為F15B11/22。根據(jù)數(shù)據(jù)庫收集的文獻(xiàn)量以及分布特點(diǎn)對中文和外文數(shù)據(jù)庫進(jìn)行選擇，中文庫選擇CNABS（收錄了自1985年至今在中國申請的全部專利文獻(xiàn)），外文數(shù)據(jù)庫選擇虛擬數(shù)據(jù)庫VEN（SIPOABS、DWPI 組成），考慮到液壓同步系統(tǒng)的分類號較準(zhǔn)確，本文以分類號為主，關(guān)鍵詞為輔檢索，檢索截止日期為2015年12月8日。

液壓同步系統(tǒng)專利申請量整體情況

中文庫專利申請情況

如圖1所示，在中文庫檢索得到的最早的液壓同步系統(tǒng)的專利出現(xiàn)在1985年（CN85103699），1985-2005年間一直處于穩(wěn)定上升階段，而2006-2010年間申請量顯著增加，到2011年后申請量激增。圖1也恰好反映了我國在液壓同步領(lǐng)域的發(fā)展概況，由于重工業(yè)起步較晚，早期液壓同步系統(tǒng)的研究甚少。而2006-2010年我國正處于經(jīng)濟(jì)飛速增長的階段，同時也是工業(yè)飛速發(fā)展的階段，液壓領(lǐng)域逐漸被重工業(yè)企業(yè)重視起來，到了2011年后，我國許多重工企業(yè)掌握的技術(shù)已經(jīng)在世界范圍內(nèi)領(lǐng)先，以三一重工、徐州重型機(jī)械及中聯(lián)重科為主要代表。

圖1　液壓同步回路在華專利申請趨勢

外文庫專利申請情況

從圖2可知，國外早在1921年就已經(jīng)對液壓同步系統(tǒng)進(jìn)行了研究（US19210484266）。從1960年開始，申請量增長較快，1971-1980年間的申請量達(dá)到高峰，而從1981年后，申請量逐漸下降，目前降至最低點(diǎn)。可見，國外對液壓同步回路的研究高峰期在1971-1990這20年間，同時也是液壓領(lǐng)域發(fā)展最快的時間段，液壓動力裝置逐漸取代機(jī)械動力裝置。而后申請量的逐漸下降也代表了液壓同步回路技術(shù)逐漸趨于成熟。相比圖1顯示的信息，我國目前正處于液壓同步回路專利申請的高峰期，落后其他發(fā)達(dá)國家30年左右的時間，以全球?qū)＠暾埖陌l(fā)展趨勢，我國液壓同步回路專利申請量同樣會在5～10年后逐漸下降。

圖2　液壓同步回路全球?qū)＠暾堏厔?/p>

圖3　目標(biāo)國專利分布

圖4　原創(chuàng)來源國專利分布

向主要國家和地區(qū)申請量

下圖為液壓同步回路專利申請向主要國家和地區(qū)申請量的百分比，向中國專利局的申請量占了全球總申請量的16.7%，以目前我國液壓同步回路的發(fā)展?fàn)顩r，這一數(shù)據(jù)還會不斷增加。向日局的專利申請量達(dá)到了33.3%，這也側(cè)面反映了日本液壓領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r，其重工業(yè)發(fā)達(dá)，其中以日立建機(jī)、株式會社小松制作所、三菱重工、川崎重工等為主要代表。向美局和歐局的申請量相差不大，也幾乎與中國局持平。

圖4為液壓同步回路專利申請主要來源國分布。來源國的分布從一定程度上代表了各個國家或地區(qū)在該領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r。由圖可知，以日本為優(yōu)先權(quán)的專利申請達(dá)到了31%，可見日本在液壓領(lǐng)域的技術(shù)處于領(lǐng)先地位；美國次之，達(dá)到了21%，以卡特彼勒和伊頓等企業(yè)為代表，美國在液壓同步領(lǐng)域的技術(shù)也相當(dāng)領(lǐng)先；以中國為優(yōu)先權(quán)的專利申請為16%，而歐洲僅為13%，可見，中國在液壓同步領(lǐng)域的發(fā)展迅速，值得一提的是，三一重工已經(jīng)強(qiáng)勢進(jìn)入美國市場，而其進(jìn)入美國市場的主要依靠即為專利布局。

國內(nèi)主要申請人及掌握的主要技術(shù)

國內(nèi)液壓同步系統(tǒng)申請人主要以徐州重型機(jī)械有限公司和三一重工為代表。

國內(nèi)目前掌握的技術(shù)主要以節(jié)流調(diào)速同步和同步閥同步控制為主，以徐州重型機(jī)械有限公司為例，其于2007年申請的專利（CN200720046838X）中將雙缸的同步伸縮改進(jìn)為由同步控制閥控制，主要由兩個電磁換向閥、梭閥和液控單向閥構(gòu)成，通過壓力傳感器監(jiān)測油缸的內(nèi)腔壓力反饋至電磁閥，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本高；后于2011年的專利申請（CN2011104193353）提出以分流集流閥控制雙缸同步，同時增設(shè)同步控制方向閥，通過分流集流閥的分流和集流功能分別實(shí)現(xiàn)油缸同步外伸和回縮，但分流集流閥的精度直接影響雙缸的同步，其于2012年申請的專利（CN2012100034992）中提出了對傳統(tǒng)分流集流閥的改進(jìn)，根據(jù)雙缸同步起或落時承受的負(fù)載大小不等而產(chǎn)生的不同步性，通過在分流集流閥中設(shè)置節(jié)流元件消除同步誤差；但實(shí)現(xiàn)分流集流閥功能時由于被切斷的油路進(jìn)油量非常小，系統(tǒng)會憋壓溢流導(dǎo)致發(fā)熱，基于上述問題，申請人在后又提出了一種實(shí)現(xiàn)雙缸同步獨(dú)立控制的油路系統(tǒng)（CN2012100424654），在分流集流閥下游設(shè)置雙缸同步獨(dú)立控制閥，使單缸控制時分流集流閥的一路油路直接進(jìn)入油箱，防止憋壓溢流。

徐州重型機(jī)械對液壓同步回路的專利申請均為雙缸或多缸并聯(lián)，根據(jù)徐州重型機(jī)械有限公司專利申請的特點(diǎn)，將其專利申請分為兩類：基于分流集流閥和基于方向控制閥，如表1所示。

表1　

綜上，徐州重型機(jī)械有限公司對雙缸同步回路的研究延續(xù)性較強(qiáng)，在后申請均是對其在前申請的改進(jìn)，主要集中于基于分流集流閥的液壓同步回路。

三一重工以雙缸的串聯(lián)同步技術(shù)為主，其于2010年的專利申請中（CN2010102016218）將兩個活塞桿油缸首尾相連實(shí)現(xiàn)串聯(lián)同步控制，2011年進(jìn)行了改進(jìn)（CN201120330272X），在雙缸串聯(lián)的基礎(chǔ)上，設(shè)置連接換向供油模塊，實(shí)現(xiàn)串聯(lián)油缸的單獨(dú)控制，適時補(bǔ)油；但串聯(lián)油缸易泄漏而導(dǎo)致精度差，其在后來的專利申請中主要以分流機(jī)構(gòu)的同步控制方式為主，如2012年的CN2012101070885和CN2012105812285、2013年的CN201320074171X，均以分流機(jī)構(gòu)的形式對液壓同步控制系統(tǒng)提出了改進(jìn)；以串聯(lián)油缸或分流機(jī)構(gòu)的同步控制方式實(shí)時性始終不高，三一重工于2013年又提出了（CN2013102328181）以兩個液壓缸為基準(zhǔn)液壓缸，通過檢測隨動液壓缸的壓力反饋至控制單元，實(shí)時控制隨動液壓缸控制閥的開度，調(diào)節(jié)進(jìn)油量實(shí)現(xiàn)同步?？梢姡恢毓ぴ缙诩杏诖?lián)同步，而后集中基于分流機(jī)構(gòu)的并聯(lián)同步，相比徐州重型機(jī)械有限公司，其并聯(lián)同步的研究較晚。

國外主要申請人及掌握的主要技術(shù)

國外申請人以日立建機(jī)（HITACHI）和卡特彼勒（CATERPILLAR）最具代表性。

以日立建機(jī)為例，早在1982年提出的專利申請（JP特願昭57-165041）就已經(jīng)通過換向閥將雙缸或三缸并聯(lián)實(shí)現(xiàn)同步了，并于1984年對并聯(lián)油缸同步提出了改進(jìn)（JP特願昭59-52162），采用同步缸將工作缸并聯(lián)，液壓油分別通過同步缸的兩腔進(jìn)入工作缸實(shí)現(xiàn)同步控制；但由于作為同步缸并聯(lián)形式的油缸精度較差，其在1980年提出的專利申請（JP特願昭55-9381）首次提出了利用分流集流閥通過調(diào)節(jié)閥過流截面積來控制雙缸實(shí)現(xiàn)同步；日立建機(jī)早期有關(guān)液壓同步系統(tǒng)回路的專利申請主要集中于等同模式的同步控制方式，精度也主要取決于分流集流閥或換向閥的精度，同步性不能完全保證，所以于1995年提出了主從模式的液壓同步控制方式（JP特願平7-21908），其通過設(shè)定目標(biāo)流量，檢測并修正馬達(dá)的負(fù)荷流量使之達(dá)到目標(biāo)流量實(shí)現(xiàn)雙馬達(dá)同步；再后來的專利申請主要是對該同步控制方法的改進(jìn)，如2005年的專利申請（JP特願2005-287052），檢測負(fù)荷誤差超出規(guī)定范圍時，調(diào)整負(fù)載的高度使負(fù)荷或流量調(diào)整為設(shè)定值。

根據(jù)日立建機(jī)的專利申請的特點(diǎn)，將其液壓同步回路專利申請作了分布比較，如表2所示。

表2　

日立建機(jī)的研究集中于采用方向控制閥控制的同步回路，雖然其對分流集流閥的液壓同步回路研究非常早，但之后對其改進(jìn)并不多。此外，其他部分還包括機(jī)械液壓同步回路、安全閥溢流形式的同步回路、僅對油缸進(jìn)行改進(jìn)的液壓同步回路以及液壓同步回路控制方法等，可見，日立建機(jī)對液壓同步回路的研究涉及面廣而全面。

卡特彼勒有關(guān)液壓同步的專利申請主要集中于雙缸并聯(lián)后的同步控制，早在1974年就提出了對雙缸并聯(lián)同步的改進(jìn)（US19730394192），通過節(jié)流孔使進(jìn)入雙缸的流量同步，屬于早期的分流集流閥，但僅有分流功能；后于1978年提出了利用并聯(lián)雙缸的先導(dǎo)控制閥實(shí)現(xiàn)同步的控制方式（US19770804195），先導(dǎo)控制閥能夠根據(jù)油缸的反饋的壓力調(diào)整通路，達(dá)到雙缸同步；于1996年提出專利申請中（US19960593776）通過微處理器收到的反饋信號控制并聯(lián)雙缸前的電磁換向閥，實(shí)現(xiàn)精確的同步控制；于2006年的專利申請（US20060484155）中提出了利用溢流閥在設(shè)定壓力時的溢流回油，使超前液壓缸前的油路溢流，實(shí)現(xiàn)雙缸同步運(yùn)行。

結(jié)束語

國外對于液壓同步系統(tǒng)回路的研究起步較早，主要采用等同模式的同步，早期集中于對油路連接結(jié)構(gòu)或關(guān)系的改進(jìn)，后期集中于對控制方法的改進(jìn)。而國內(nèi)主要集中在油路連接結(jié)構(gòu)或關(guān)系的改進(jìn)，以等同模式為主，而對控制方法的改進(jìn)較少，這是因為主從模式的液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及油路復(fù)雜，需要反饋與被反饋裝置，同時配以電氣系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，這與目前液壓機(jī)械追求的整體結(jié)構(gòu)簡單輕便的發(fā)展的路線相悖。目前等同模式的研究重點(diǎn)已不是如何設(shè)置油路關(guān)系來達(dá)到精確的同步，而是出現(xiàn)誤差時如何調(diào)整，現(xiàn)在主要采取的措施是對超前的執(zhí)行機(jī)構(gòu)停止供油，使落后的執(zhí)行機(jī)構(gòu)與超前執(zhí)行機(jī)構(gòu)并行，而通常液壓油路中只有一個供油系統(tǒng)，超前執(zhí)行機(jī)構(gòu)的油路同樣會被供以等同流量的液壓油，所以在切斷超前執(zhí)行機(jī)構(gòu)的供油時系統(tǒng)容易產(chǎn)生憋壓溢流進(jìn)而導(dǎo)致油路發(fā)熱等問題。因此，如何解決超前油路的合理回油避免系統(tǒng)憋壓溢流是目前的技術(shù)難點(diǎn)，另一方面，無論是等同模式還是主從模式，均會涉及電氣控制系統(tǒng)的連接，因此如何實(shí)現(xiàn)反饋信號的準(zhǔn)確傳遞及精確誤差信號是未來發(fā)展的重點(diǎn)。

沈金峰 丁向華

國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心

沈金峰，男，碩士，國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心機(jī)械發(fā)明審查部，專利審查研究實(shí)習(xí)員，；丁向華，女，碩士，國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心實(shí)用新型審查部，專利審查研究實(shí)習(xí)員。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.01.037