液壓同步回路專利申請分析

經驗人：沈金峰 丁向華

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液壓同步回路專利申請分析

經驗人：沈金峰 丁向華

液壓同步回路是液壓系統最重要的回路之一，本文通過檢索專利數據，對國內外液壓同步回路專利申請情況進行了分析，獲得了在華和全球液壓同步回路專利的隨年代發展的申請趨勢、發展歷程以及技術路線，重點分析了該領域專利申請目標國和原創來源國概況，并對國內外該領域的重點申請人進行了數據統計分析和技術類型剖析，為我國該領域的申請人提供了專利布局參考。

概述

液壓系統作為先進的執行控制系統已經廣泛應用于各個行業中，在液壓系統中同步控制系統是不可或缺的一部分，如履帶式挖掘機的行走機構、起重機伸縮臂同步伸縮機構等都有同步要求，但是高精度多執行機構的同步問題一直是本領域的一個難題，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最重要的回路之一，其是指在各類機器、設備、裝置中，實現同步運行功能，由液壓元件、管路按一定規律組合，并以液流介質傳遞，控制驅動兩個以上的執行器產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：機械液壓同步回路、節流調速同步回路、同步閥同步回路、液壓缸串聯同步回路。以下就針對國內外關于液壓同步回路專利申請的狀況進行分析。

數據庫的選擇和檢索

液壓同步系統在IPC中的分類號為F15B11/22。根據數據庫收集的文獻量以及分布特點對中文和外文數據庫進行選擇，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），外文數據庫選擇虛擬數據庫VEN（SIPOABS、DWPI 組成），考慮到液壓同步系統的分類號較準確，本文以分類號為主，關鍵詞為輔檢索，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的專利出現在1985年（CN85103699），1985-2005年間一直處于穩定上升階段，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域的發展概況，由于重工業起步較晚，早期液壓同步系統的研究甚少。而2006-2010年我國正處于經濟飛速增長的階段，同時也是工業飛速發展的階段，液壓領域逐漸被重工業企業重視起來，到了2011年后，我國許多重工企業掌握的技術已經在世界范圍內領先，以三一重工、徐州重型機械及中聯重科為主要代表。

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年就已經對液壓同步系統進行了研究（US19210484266）。從1960年開始，申請量增長較快，1971-1980年間的申請量達到高峰，而從1981年后，申請量逐漸下降，目前降至最低點。可見，國外對液壓同步回路的研究高峰期在1971-1990這20年間，同時也是液壓領域發展最快的時間段，液壓動力裝置逐漸取代機械動力裝置。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，落后其他發達國家30年左右的時間，以全球專利申請的發展趨勢，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　液壓同步回路全球專利申請趨勢

圖3　目標國專利分布

圖4　原創來源國專利分布

向主要國家和地區申請量

下圖為液壓同步回路專利申請向主要國家和地區申請量的百分比，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展狀況，這一數據還會不斷增加。向日局的專利申請量達到了33.3%，這也側面反映了日本液壓領域的發展狀況，其重工業發達，其中以日立建機、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在該領域的發展狀況。由圖可知，以日本為優先權的專利申請達到了31%，可見日本在液壓領域的技術處于領先地位；美國次之，達到了21%，以卡特彼勒和伊頓等企業為代表，美國在液壓同步領域的技術也相當領先；以中國為優先權的專利申請為16%，而歐洲僅為13%，可見，中國在液壓同步領域的發展迅速，值得一提的是，三一重工已經強勢進入美國市場，而其進入美國市場的主要依靠即為專利布局。

國內主要申請人及掌握的主要技術

國內液壓同步系統申請人主要以徐州重型機械有限公司和三一重工為代表。

國內目前掌握的技術主要以節流調速同步和同步閥同步控制為主，以徐州重型機械有限公司為例，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成，通過壓力傳感器監測油缸的內腔壓力反饋至電磁閥，但結構復雜且成本高；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現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）中提出了對傳統分流集流閥的改進，根據雙缸同步起或落時承受的負載大小不等而產生的不同步性，通過在分流集流閥中設置節流元件消除同步誤差；但實現分流集流閥功能時由于被切斷的油路進油量非常小，系統會憋壓溢流導致發熱，基于上述問題，申請人在后又提出了一種實現雙缸同步獨立控制的油路系統（CN2012100424654），在分流集流閥下游設置雙缸同步獨立控制閥，使單缸控制時分流集流閥的一路油路直接進入油箱，防止憋壓溢流。

徐州重型機械對液壓同步回路的專利申請均為雙缸或多缸并聯，根據徐州重型機械有限公司專利申請的特點，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，徐州重型機械有限公司對雙缸同步回路的研究延續性較強，在后申請均是對其在前申請的改進，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同步技術為主，其于2010年的專利申請中（CN2010102016218）將兩個活塞桿油缸首尾相連實現串聯同步控制，2011年進行了改進（CN201120330272X），在雙缸串聯的基礎上，設置連接換向供油模塊，實現串聯油缸的單獨控制，適時補油；但串聯油缸易泄漏而導致精度差，其在后來的專利申請中主要以分流機構的同步控制方式為主，如2012年的CN2012101070885和CN2012105812285、2013年的CN201320074171X，均以分流機構的形式對液壓同步控制系統提出了改進；以串聯油缸或分流機構的同步控制方式實時性始終不高，三一重工于2013年又提出了（CN2013102328181）以兩個液壓缸為基準液壓缸，通過檢測隨動液壓缸的壓力反饋至控制單元，實時控制隨動液壓缸控制閥的開度，調節進油量實現同步。可見，三一重工早期集中于串聯同步，而后集中基于分流機構的并聯同步，相比徐州重型機械有限公司，其并聯同步的研究較晚。

國外主要申請人及掌握的主要技術

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

以日立建機為例，早在1982年提出的專利申請（JP特願昭57-165041）就已經通過換向閥將雙缸或三缸并聯實現同步了，并于1984年對并聯油缸同步提出了改進（JP特願昭59-52162），采用同步缸將工作缸并聯，液壓油分別通過同步缸的兩腔進入工作缸實現同步控制；但由于作為同步缸并聯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節閥過流截面積來控制雙缸實現同步；日立建機早期有關液壓同步系統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），其通過設定目標流量，檢測并修正馬達的負荷流量使之達到目標流量實現雙馬達同步；再后來的專利申請主要是對該同步控制方法的改進，如2005年的專利申請（JP特願2005-287052），檢測負荷誤差超出規定范圍時，調整負載的高度使負荷或流量調整為設定值。

根據日立建機的專利申請的特點，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，但之后對其改進并不多。此外，其他部分還包括機械液壓同步回路、安全閥溢流形式的同步回路、僅對油缸進行改進的液壓同步回路以及液壓同步回路控制方法等，可見，日立建機對液壓同步回路的研究涉及面廣而全面。

卡特彼勒有關液壓同步的專利申請主要集中于雙缸并聯后的同步控制，早在1974年就提出了對雙缸并聯同步的改進（US19730394192），通過節流孔使進入雙缸的流量同步，屬于早期的分流集流閥，但僅有分流功能；后于1978年提出了利用并聯雙缸的先導控制閥實現同步的控制方式（US19770804195），先導控制閥能夠根據油缸的反饋的壓力調整通路，達到雙缸同步；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雙缸前的電磁換向閥，實現精確的同步控制；于2006年的專利申請（US20060484155）中提出了利用溢流閥在設定壓力時的溢流回油，使超前液壓缸前的油路溢流，實現雙缸同步運行。

結束語

國外對于液壓同步系統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構或關系的改進，后期集中于對控制方法的改進。而國內主要集中在油路連接結構或關系的改進，以等同模式為主，而對控制方法的改進較少，這是因為主從模式的液壓系統結構及油路復雜，需要反饋與被反饋裝置，同時配以電氣系統來實現，這與目前液壓機械追求的整體結構簡單輕便的發展的路線相悖。目前等同模式的研究重點已不是如何設置油路關系來達到精確的同步，而是出現誤差時如何調整，現在主要采取的措施是對超前的執行機構停止供油，使落后的執行機構與超前執行機構并行，而通常液壓油路中只有一個供油系統，超前執行機構的油路同樣會被供以等同流量的液壓油，所以在切斷超前執行機構的供油時系統容易產生憋壓溢流進而導致油路發熱等問題。因此，如何解決超前油路的合理回油避免系統憋壓溢流是目前的技術難點，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的連接，因此如何實現反饋信號的準確傳遞及精確誤差信號是未來發展的重點。

沈金峰 丁向華

國家知識產權局專利局專利審查協作北京中心

沈金峰，男，碩士，國家知識產權局專利局專利審查協作北京中心機械發明審查部，專利審查研究實習員，；丁向華，女，碩士，國家知識產權局專利局專利審查協作北京中心實用新型審查部，專利審查研究實習員。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.01.037