起重臂的伸縮機構專利技術綜述

劉冬梅 章華 龍銀萍 黃磊

摘要：本文回顧了起重臂伸縮機構技術的起源、專利申請趨勢，梳理了伸縮機構技術領域的主要技術分支和各個分支的專利技術發展趨勢，繪制了起重臂伸縮機構技術領域的專利技術路線圖。對該技術領域的國內的主要申請人也進行了簡要分析，探討了他們所擅長的技術領域和申請趨勢。

關鍵詞：起重臂；伸縮機構；技術路線

引言

隨著經濟建設的發展和制造技術的提高，施工現場對大噸位起重機的需求日益增加，而伸縮臂式起重機越來越廣泛應用于高層建筑經濟建設領域，伸縮臂為起重機的核心部件，它是起重機吊載作業最重要的承重結構件；起重臂一般包括基本臂以及依次套設于基本臂中多節伸縮臂。由于伸縮臂的性能至關重要，直接影響著起重機整體的起重性能。然而，起重機的伸縮臂是通過伸縮機構來實現各級臂架的伸縮，而伸縮機構是伸縮臂的關鍵部件，它制約著主臂伸縮和吊重承載能力；因此，對伸縮機構技術的研究至關重要。

1.伸縮機構專利申請趨勢

起重臂伸縮機構領域全球申請量總體呈增長態勢。最早的伸縮機構專利為1964年德馬格公司申請的技術方案（DE1217041B），此后40多年里，專利申請增長緩慢，從2005年以后進入快速增長期。全球該專利技術的申請主要來源國是日本、德國、美國、中國和蘇聯；其中申請量最多的是日本，1993年以后進入快速增長時期，1995-1996年出現短期回落，進入調整期，1997年再次進入增長期，1998-2002年處于基本穩定時期，而2002年之后申請量有所下降，此時伸縮機構技術已趨于基本成熟。

中國的伸縮機構專利申請自2008年以來，申請量增幅較快，年均增幅已超國外專利申請量的年均增幅。雖然早期專利技術的來源是美國、德國和日本，并且國外的技術相對較成熟，但在2000年之后，尤其是近幾年，中國的徐工、三一和中聯重科的發展非常迅速，在世界范圍內也處于主導地位。從其專利申請的數量，也可在一定程度上反映這一情況（參見圖1）。

圖1 伸縮機構專利申請趨勢

2.起重臂的伸縮機構技術發展路線

在伸縮機構專利技術領域，為了便于研究根據驅動機構的技術特征將其主要劃分為兩個技術分支：油缸繩排機構和油缸插銷式機構。然而，為了獲得其他特殊性能，還相繼出現了螺旋傳動機構、多級油缸機構、油缸齒輪齒條機構、繩排與油缸插銷相結合機構、卷揚繩排機構。這五個技術分支的申請量較少，但具有自己的技術特色，因此也需加以關注。

通過檢索、閱讀專利文獻繪制了該技術發展路線圖（參見圖2）。通過技術路線圖可發現，伸縮機構不僅在每一個技術分支上不斷發展，在各個技術分支之間隨著時間的推移也存在相互繼承、互相推動的發展規律；因此通過對各個分支的發展路線進行研究，有助于了解該技術的發展歷史和現狀，明確其未來發展方向。

圖2 起重臂伸縮機構技術發展路線

2.1 油缸繩排機構

早在1973年，美國LOED公司就提出了采用油缸加繩排的伸縮機構實現起重臂的伸縮（US3836025A）。為了降低起重臂的彎曲力，尺寸及重量，1975年，美國提出在臂節之間設置滑塊的技術方案（US4004695A）。1977年，美國JLG IND公司提供一種伸縮臂成線性伸縮的技術方案（US4132040A）。1980年，美國FMC公司提供了一種兩個液壓油缸加繩排的伸縮機構方案（US4352434A）。1982年，美國COLES公司提供了一種油缸、滑輪和鏈條的伸縮機構，以及伸縮臂的安全系統（US4588347A）。1985年，日本KATO SEISAKUSHO KK提供了油缸加繩排式的伸縮機構的技術方案（JPS6246897A ）。1986年，蘇聯提供了將伸縮油缸設置在起重臂外部的油缸繩排式伸縮機構（SU1463707A1）。1987年，日本TADANO公司提供了采用一個油缸、滑輪和鋼絲繩實現五節臂的同步伸縮（JPH08337392A）。為了減少多級伸縮臂的截面積，1991年，日本FURUKAWA公司提供油缸繩排結構的布置方式（JPH04327496A）。1998年，日本神鋼公司提出了臂長檢測裝置的技術方案（JP2000034092A）。為了防止油缸繩排式伸縮臂中的伸縮纜索的損壞，2001年，日本AICHI公司采用一種滑輪以事先抓住纜索的技術方案（JP2002226191A ）。2005年，AICHI公司還提供了在伸縮油缸上設置導軌裝置，以確保伸縮臂在伸縮過程中的平穩性（JP2006199407A ）。

在2009年，中國三一提供了在基本臂和末節伸縮臂之外的任一節伸縮臂均固定連接有伸臂轉輪的方案，以減少多節同步伸縮臂裝置中伸縮油缸的使用數量（CN101575075A）。2012年，中國徐工提供了增加伸縮臂搭接長度的方案（CN102689846A）。2000年后，三一、徐工、中聯的起重臂油缸繩排伸縮機構技術快速發展，申請量也大幅提升，并可真正應用到生產中，從而對起重機的起重性能有更大的提高。

2.2 油缸插銷式機構

早在1964年，德馬格公司就提出采用油缸插銷式機構的技術方案（DE1217041B）。而在1974年美國提出一種插銷的鎖定機構（US3921819A）。為了降低起重臂的重量、提高其起升性能，1980年美國KIDDE公司提出了在伸縮油缸周圍設置一雪橇構件（US4327533A）。1993年，德國LIEBHERR WERK EHINGEN公司提出了通過彈性銷實現臂節之間的鎖定（DE4344795A1）。為了減少鎖定/解鎖機構占用的空間以及防止臂的傾倒，1998年，日本TADANO公司提出了包括一互鎖機構的伸縮機構方案（JP2000159483A）。進一步，為了使得臂銷在緊急情況下容易釋放，且在不增加主臂截面積的情況下防止元件與固定銷干涉，2000年，TADANO公司提出了采用一級雙作用液壓缸實現多級臂的伸縮（JP2001278582A）。

2000-2011年，TADANO公司相繼提出了多種插銷伸縮機構的互鎖機構，確保缸銷和臂銷互鎖的安全可靠（JP2001294392A，JP2004244170A，JP2012096928A，JP2010184754A，JP2012166920A）。2012年，三一提供一種插拔機構，在缸銷內設有可軸向滑動的頂桿，頂桿在伸出時推動擺桿的另一端，實現缸銷的鎖定狀態與臂銷的鎖定狀態的來回切換（CN102556859A）。

2.3 其他伸縮機構

雖然油缸繩排機構和油缸插銷式機構是目前主要的兩種伸縮機構，但其也存在缺點，因此出現了一些具有特色的伸縮機構。對于6節臂的伸縮方式，美國出現了采用多級油缸（US3807108A、 US3804262A）的驅動方式。中聯出現了將伸縮機構形成由兩個液壓缸組成的“捆綁液壓缸”，無需使用鋼絲繩排（CN102774790A）；三一出現了采用繩排和油缸插銷機構相結合的驅動方式（CN103058077A、CN101585491A）。美國提供一種采用兩個油缸加齒輪齒條的伸縮機構實現三節臂的伸縮（US4132041A）。

目前普遍采用液壓缸作為伸縮驅動裝置，相應的液壓管路布置繁雜，液壓元件多存在泄漏的可能；液壓缸的運動控制不精確等缺點，其無法與機械傳動的精確性相比，因此，在早期美國和蘇聯就出現了螺旋傳動式伸縮機構（US4337868A、SU1745669A1）；近兩年中聯也出現了螺旋傳動式機構（CN103277474A），卷揚繩排機構（CN102050394A）；三一還提供了一種同步伸縮機構（CN103466473A），其包括伸臂繩、縮臂繩、卷揚；而無需設置油缸。

3.國內起重臂伸縮機構技術領域主要申請人分析

在伸縮機構技術領域，主要申請人主導了該技術的進步，其申請量占據了總申請量的50%以上；然而就國內的起重機廠商而言，三一公司在該技術方面的專利申請最多，占國內申請量的39%，徐工占27%，中聯占21%，其他公司占13%，三一的申請主要集中在2009年之后，可見對于這項技術的改進相對來說是較新的，同時也表明該公司研究團隊對現有技術進行了深入的研究，并認為已有的技術存在諸多缺陷。還提出了卷揚繩排伸縮機構、繩排與油缸插銷式相結合的新形式的伸縮機構。

中國三一公司做出了多項技術改進，涉及的有對傳統繩排的改進，以及對插拔機構的改進，使得插拔銷動作能在短時間內完成，保證單缸插拔銷機構的高效率和高可靠性；還提出了將繩排與油缸插銷機構相結合的伸縮機構，使得起重臂能夠在保證較大承載能力的同時提高伸縮速度。因此，三一公司的研發團隊對起重臂伸縮機構這項技術的發展方向，把握的很全面，并為后續的深入研究夯實了基礎。

徐工集團在起重臂的伸縮機構技術方面主要對單缸插銷式伸縮機構做出了多項技術改進，減小整個伸縮機構的尺寸，并提升起重臂的吊重能力，以及穩定性；還針對插銷機構的結構做了諸多改進，以提高互鎖機構的可靠性。

4.結語

在初期，伸縮機構技術發展較緩，過程曲折，技術路線演進主要由德美日企業引領。2005年之后，伸縮機構技術研發相對成熟，該領域進入快速發展時期，更多企業加入到競爭當中，更多新方案被提出。通過對該伸縮機構技術領域的主要技術分支和各個分支的專利技術發展趨勢進行梳理，并繪制了專利技術發展路線圖，對該技術領域的發展有了更深刻、清晰的了解，從而為可持續性地提升技術競爭力打下良好的基礎。

作者簡介：

劉冬梅（1986—），女，江蘇淮安人，碩士研究生，國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心 機械發明審查部，機械發明專利實質審查員，碩士，主要從事機械發明專利的實質審查。