淺析水液壓傳動技術(shù)及相關(guān)專利申請概況

戴小偉

摘要：水液壓傳動技術(shù)以其介質(zhì)的安全、節(jié)能、不燃燒和無污染等突出優(yōu)點，在世界各國得到了迅猛發(fā)展，已成為當(dāng)前國際上流體傳動領(lǐng)域的前沿性研究課題。本文重點對國內(nèi)的相關(guān)專利申請進(jìn)行了統(tǒng)計分析，闡述了國內(nèi)水液壓傳動技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r。

關(guān)鍵詞：軸向柱塞泵；水液壓：專利

一.水液壓傳動技術(shù)的演變

液壓傳動技術(shù)最初是以水為工作介質(zhì)，18世紀(jì)末Joseph Bramah申請的水壓機專利（GB178501478A）標(biāo)志著液壓傳動技術(shù)開始在工業(yè)中進(jìn)行應(yīng)用，隨著19世紀(jì)50年代工業(yè)革命的興起，水壓傳動技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。但是由于水的枯度低、潤滑性能差、對金屬的腐蝕性強、水液壓元件存在著磨損、氣蝕、腐蝕、泄漏等嚴(yán)重問題，水液壓傳動技術(shù)的發(fā)展遇到了嚴(yán)重困難。到了20世紀(jì)初，隨著石油工業(yè)的興起，人們逐漸開始考慮以礦物油作為液壓傳動的介質(zhì)，到目前為止，85%的液壓傳動系統(tǒng)中所使用的工作介質(zhì)是礦物油。進(jìn)入20世紀(jì)70年代以后，高速發(fā)展的現(xiàn)代工業(yè)導(dǎo)致全球環(huán)境問題日益嚴(yán)重，礦物油作為液壓系統(tǒng)工作介質(zhì)時的帶來的污染問題使油液壓傳動技術(shù)的發(fā)展面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。20世紀(jì)80年代以來，世界主要發(fā)達(dá)國家的工業(yè)開始呈現(xiàn)綠色發(fā)展趨勢，面向環(huán)境、面向能源、面向材料的綠色設(shè)計和制造技術(shù)成為工業(yè)界研究的熱點。此外，隨著工程材料、摩擦學(xué)、潤滑理論、計算技術(shù)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，水作為工作介質(zhì)時液壓元件和系統(tǒng)的一些技術(shù)難點得到突破，綠色無污染的水液壓傳動技術(shù)重新受到人們的關(guān)注。

二.水液壓傳動技術(shù)的配流形式

水壓泵是水液壓傳動系統(tǒng)的核心動力元件，而水液壓軸向柱塞泵是目前水壓泵的主流結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)對國內(nèi)外水液壓軸向柱塞泵相關(guān)專利的分析發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)外的水液壓柱塞泵根據(jù)配流形式的不同主要分為閥配流液壓柱塞泵、軸配流液壓柱塞泵和端面配流液壓柱塞泵，且以閥配流液壓柱塞泵和端面配流液壓柱塞泵為主，其中閥式配流水液壓柱塞泵在早期的申請量中是主流形式，根據(jù)專利文獻(xiàn)的分析可知，配流閥的密封性能好，易于獲得高壓，且具有良好的抗污染性能，因此廣泛應(yīng)用于高壓、超高壓液壓柱塞泵中，但此類柱塞泵具有工作過程不可逆、不能做水壓馬達(dá)使用、且功率密度比較小的缺點；端面配流方式相比于閥配流方式自吸能力較好，轉(zhuǎn)速較高，結(jié)構(gòu)較為緊湊，具有可逆性，可作為水壓馬達(dá)使用；但配流盤在高壓時的泄露較大，因而這種配流方式更加適用于中高壓液壓柱塞泵的場合；在我國，端面配流形式的水液壓軸向柱塞泵出現(xiàn)于2000年以后，其中較早的相關(guān)技術(shù)就是浙江大學(xué)于2003年11月6日申請的“全水潤滑的純水液壓軸向柱塞泵/馬達(dá)”的發(fā)明專利。

三、國內(nèi)水液壓軸向柱塞泵專利申請的發(fā)展歷程

上圖為國內(nèi)關(guān)于水液壓軸向柱塞泵在不同年份的申請量情況，從上圖可知，在2000年以前關(guān)于水液壓軸向柱塞泵的申請量極少，只有零星的1.2件，其中較早的專利申請“具有滑動軸承自定位套的軸向柱塞泵”是華中工學(xué)院在1985年9月30日申請的，該專利是在美國VICKERS公司生產(chǎn)的PFB泵的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)，是一種適應(yīng)“高水基流體”工作的泵，但同時也適用于油的工作；這個階段所申請的軸向柱塞泵主要是借鑒國外的技術(shù)并作出局部改進(jìn)，而此時的軸向柱塞泵雖然以水作為工作介質(zhì)，但是由于粘度低，潤滑性能差等因素，水液壓軸向柱塞泵的發(fā)展遇到嚴(yán)重阻礙，我們把這個階段稱之為萌芽階段；從2000-2010年，在這個10年的時間里，專利申請的量有了穩(wěn)步的增加，尤其在07年達(dá)到了12件的申請量，在這個階段當(dāng)中，借鑒于以礦物油作為工作介質(zhì)的國外液壓柱塞泵的專利申請，我國的液壓軸向柱塞泵技術(shù)得到顯著發(fā)展，同時在已有技術(shù)的基礎(chǔ)上又做出新的嘗試，自主研發(fā)液壓軸向柱塞泵，經(jīng)歷了油水分離閥配流到全水潤滑端面配流結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的發(fā)展階段，浙江大學(xué)在2003年12月26日就申請了名稱為“全水潤滑端面配流的純水液壓軸向柱塞泵或馬達(dá)”，該純水液壓柱塞泵采用純水作為工作介質(zhì)，所有摩擦副均直接用水潤滑和冷卻，完全擺脫了潤滑油的限制，而且當(dāng)前國內(nèi)市場上大部分的樣機都是在這個階段開發(fā)出來的，我們把這個階段稱之為穩(wěn)定發(fā)展階段；從圖1可以看出，從2011年到2016年這6年內(nèi)，專利申請量逐年迅速增加，從2014年開始，更是每年超過20件的專利申請，其中這些專利申請涵蓋了液壓柱塞泵的減振降噪、潤滑抗磨、耐腐蝕，氣蝕等幾大技術(shù)領(lǐng)域，而且還研發(fā)出了新的研究方向，我們把這個階段稱之為快速發(fā)展階段。

四、國內(nèi)發(fā)展形勢

在VEN數(shù)據(jù)庫中經(jīng)過分析可知，關(guān)于水液壓軸向柱塞泵的專利申請量排名前五的國家分別是中國、美國、日本、德國和英國，相對于西方發(fā)達(dá)國家，我國液壓傳動技術(shù)的研究起步較晚，但是申請量不比其他國家少，這主要是由于近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，海洋開發(fā)力度不斷加大，對沿海島嶼、遠(yuǎn)洋艦船上使用的小型反滲透海水淡化系統(tǒng)需求日益旺盛，對環(huán)境污染問題的日益重視，極大的促進(jìn)了對液壓傳動技術(shù)的研究。

通過在CNABS數(shù)據(jù)庫中對水液壓軸向柱塞泵的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，在中國，關(guān)于水液壓軸向柱塞泵的申請總量排行前六的分別是浙江大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、燕山大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、羅伯特.博世有限公司，其中浙江大學(xué)的申請總量最多，也是研究最全面的，而華中科技大學(xué)是國內(nèi)最早開展水液壓傳動技術(shù)研究的單位，且于1996年研制出國內(nèi)第一臺油水分離中低壓軸向柱塞式海水泵[3]；雖然我國水液壓傳動技術(shù)起步晚，但是從專利中可以分析出研究方向涵蓋了水液壓柱塞泵的減振降噪、潤滑抗磨、耐腐蝕，氣蝕等幾大關(guān)鍵技術(shù)，而且，近年來隨著材料學(xué)、電磁學(xué)、自動化控制等學(xué)科的發(fā)展，還出現(xiàn)了電磁液壓柱塞泵等新的研究發(fā)展方向，國內(nèi)的各大高校，如北京工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)等高校正積極開展電磁直驅(qū)式水液壓柱塞泵的相關(guān)研究；雖然現(xiàn)在國內(nèi)水液壓傳動技術(shù)還不成熟，但是由于國防、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等各方面的迫切需求，水液壓傳動技術(shù)已經(jīng)成為我國的重點研究領(lǐng)域。雖然我國在水液壓軸向柱塞泵方面取得了不少研究成果并且在市場上已經(jīng)具有比較成熟的產(chǎn)品，但是與國外成熟產(chǎn)品在性能方面還存在不小的差距，還需要進(jìn)行系統(tǒng)深入的理論和實驗研究，以加快和推動國產(chǎn)水液壓柱塞泵的技術(shù)發(fā)展。

結(jié)束語：

隨著水液壓傳動技術(shù)逐漸成為流體傳動領(lǐng)域的研究熱點，國內(nèi)針對水液壓傳動技術(shù)的相關(guān)研究也已全面展開，本文通過對水液壓相關(guān)專利申請的統(tǒng)計，淺析當(dāng)前水液壓傳動技術(shù)的主要配流形式、國內(nèi)發(fā)展歷程以及發(fā)展形勢，為我國的水液壓傳動技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供重要的借鑒意義。