淺析水液壓傳動技術及相關專利申請概況

戴小偉

摘要：水液壓傳動技術以其介質的安全、節能、不燃燒和無污染等突出優點，在世界各國得到了迅猛發展，已成為當前國際上流體傳動領域的前沿性研究課題。本文重點對國內的相關專利申請進行了統計分析，闡述了國內水液壓傳動技術的發展狀況。

關鍵詞：軸向柱塞泵；水液壓：專利

一.水液壓傳動技術的演變

液壓傳動技術最初是以水為工作介質，18世紀末Joseph Bramah申請的水壓機專利（GB178501478A）標志著液壓傳動技術開始在工業中進行應用，隨著19世紀50年代工業革命的興起，水壓傳動技術得到廣泛應用。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、泄漏等嚴重問題，水液壓傳動技術的發展遇到了嚴重困難。到了20世紀初，隨著石油工業的興起，人們逐漸開始考慮以礦物油作為液壓傳動的介質，到目前為止，85%的液壓傳動系統中所使用的工作介質是礦物油。進入20世紀70年代以后，高速發展的現代工業導致全球環境問題日益嚴重，礦物油作為液壓系統工作介質時的帶來的污染問題使油液壓傳動技術的發展面臨嚴峻的挑戰。20世紀80年代以來，世界主要發達國家的工業開始呈現綠色發展趨勢，面向環境、面向能源、面向材料的綠色設計和制造技術成為工業界研究的熱點。此外，隨著工程材料、摩擦學、潤滑理論、計算技術等相關學科的發展，水作為工作介質時液壓元件和系統的一些技術難點得到突破，綠色無污染的水液壓傳動技術重新受到人們的關注。

二.水液壓傳動技術的配流形式

水壓泵是水液壓傳動系統的核心動力元件，而水液壓軸向柱塞泵是目前水壓泵的主流結構形式。根據對國內外水液壓軸向柱塞泵相關專利的分析發現，目前國內外的水液壓柱塞泵根據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，根據專利文獻的分析可知，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，轉速較高，結構較為緊湊，具有可逆性，可作為水壓馬達使用；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于2000年以后，其中較早的相關技術就是浙江大學于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”的發明專利。

三、國內水液壓軸向柱塞泵專利申請的發展歷程

上圖為國內關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”是華中工學院在1985年9月30日申請的，該專利是在美國VICKERS公司生產的PFB泵的基礎上進行的改進，是一種適應“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并作出局部改進，而此時的軸向柱塞泵雖然以水作為工作介質，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展遇到嚴重阻礙，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步的增加，尤其在07年達到了12件的申請量，在這個階段當中，借鑒于以礦物油作為工作介質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得到顯著發展，同時在已有技術的基礎上又做出新的嘗試，自主研發液壓軸向柱塞泵，經歷了油水分離閥配流到全水潤滑端面配流結構轉變的發展階段，浙江大學在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”，該純水液壓柱塞泵采用純水作為工作介質，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，而且當前國內市場上大部分的樣機都是在這個階段開發出來的，我們把這個階段稱之為穩定發展階段；從圖1可以看出，從2011年到2016年這6年內，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，氣蝕等幾大技術領域，而且還研發出了新的研究方向，我們把這個階段稱之為快速發展階段。

四、國內發展形勢

在VEN數據庫中經過分析可知，關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，相對于西方發達國家，我國液壓傳動技術的研究起步較晚，但是申請量不比其他國家少，這主要是由于近年來，隨著我國經濟的高速發展，海洋開發力度不斷加大，對沿海島嶼、遠洋艦船上使用的小型反滲透海水淡化系統需求日益旺盛，對環境污染問題的日益重視，極大的促進了對液壓傳動技術的研究。

通過在CNABS數據庫中對水液壓軸向柱塞泵的統計分析發現，在中國，關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、西安交通大學、華中科技大學、燕山大學、北京工業大學、羅伯特.博世有限公司，其中浙江大學的申請總量最多，也是研究最全面的，而華中科技大學是國內最早開展水液壓傳動技術研究的單位，且于1996年研制出國內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，氣蝕等幾大關鍵技術，而且，近年來隨著材料學、電磁學、自動化控制等學科的發展，還出現了電磁液壓柱塞泵等新的研究發展方向，國內的各大高校，如北京工業大學、華中科技大學等高校正積極開展電磁直驅式水液壓柱塞泵的相關研究；雖然現在國內水液壓傳動技術還不成熟，但是由于國防、環境、經濟等各方面的迫切需求，水液壓傳動技術已經成為我國的重點研究領域。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具有比較成熟的產品，但是與國外成熟產品在性能方面還存在不小的差距，還需要進行系統深入的理論和實驗研究，以加快和推動國產水液壓柱塞泵的技術發展。

結束語：

隨著水液壓傳動技術逐漸成為流體傳動領域的研究熱點，國內針對水液壓傳動技術的相關研究也已全面展開，本文通過對水液壓相關專利申請的統計，淺析當前水液壓傳動技術的主要配流形式、國內發展歷程以及發展形勢，為我國的水液壓傳動技術的進一步發展提供重要的借鑒意義。