起重臂的伸缩机构专利技术综述

刘冬梅 章华 龙银萍 黄磊

摘要：本文回顾了起重臂伸缩机构技术的起源、专利申请趋势，梳理了伸缩机构技术领域的主要技术分支和各个分支的专利技术发展趋势，绘制了起重臂伸缩机构技术领域的专利技术路线图。对该技术领域的国内的主要申请人也进行了简要分析，探讨了他们所擅长的技术领域和申请趋势。

关键词：起重臂；伸缩机构；技术路线

引言

随着经济建设的发展和制造技术的提高，施工现场对大吨位起重机的需求日益增加，而伸缩臂式起重机越来越广泛应用于高层建筑经济建设领域，伸缩臂为起重机的核心部件，它是起重机吊载作业最重要的承重结构件；起重臂一般包括基本臂以及依次套设于基本臂中多节伸缩臂。由于伸缩臂的性能至关重要，直接影响着起重机整体的起重性能。然而，起重机的伸缩臂是通过伸缩机构来实现各级臂架的伸缩，而伸缩机构是伸缩臂的关键部件，它制约着主臂伸缩和吊重承载能力；因此，对伸缩机构技术的研究至关重要。

1.伸缩机构专利申请趋势

起重臂伸缩机构领域全球申请量总体呈增长态势。最早的伸缩机构专利为1964年德马格公司申请的技术方案（DE1217041B），此后40多年里，专利申请增长缓慢，从2005年以后进入快速增长期。全球该专利技术的申请主要来源国是日本、德国、美国、中国和苏联；其中申请量最多的是日本，1993年以后进入快速增长时期，1995-1996年出现短期回落，进入调整期，1997年再次进入增长期，1998-2002年处于基本稳定时期，而2002年之后申请量有所下降，此时伸缩机构技术已趋于基本成熟。

中国的伸缩机构专利申请自2008年以来，申请量增幅较快，年均增幅已超国外专利申请量的年均增幅。虽然早期专利技术的来源是美国、德国和日本，并且国外的技术相对较成熟，但在2000年之后，尤其是近几年，中国的徐工、三一和中联重科的发展非常迅速，在世界范围内也处于主导地位。从其专利申请的数量，也可在一定程度上反映这一情况（参见图1）。

图1 伸缩机构专利申请趋势

2.起重臂的伸缩机构技术发展路线

在伸缩机构专利技术领域，为了便于研究根据驱动机构的技术特征将其主要划分为两个技术分支：油缸绳排机构和油缸插销式机构。然而，为了获得其他特殊性能，还相继出现了螺旋传动机构、多级油缸机构、油缸齿轮齿条机构、绳排与油缸插销相结合机构、卷扬绳排机构。这五个技术分支的申请量较少，但具有自己的技术特色，因此也需加以关注。

通过检索、阅读专利文献绘制了该技术发展路线图（参见图2）。通过技术路线图可发现，伸缩机构不仅在每一个技术分支上不断发展，在各个技术分支之间随着时间的推移也存在相互继承、互相推动的发展规律；因此通过对各个分支的发展路线进行研究，有助于了解该技术的发展历史和现状，明确其未来发展方向。

图2 起重臂伸缩机构技术发展路线

2.1 油缸绳排机构

早在1973年，美国LOED公司就提出了采用油缸加绳排的伸缩机构实现起重臂的伸缩（US3836025A）。为了降低起重臂的弯曲力，尺寸及重量，1975年，美国提出在臂节之间设置滑块的技术方案（US4004695A）。1977年，美国JLG IND公司提供一种伸缩臂成线性伸缩的技术方案（US4132040A）。1980年，美国FMC公司提供了一种两个液压油缸加绳排的伸缩机构方案（US4352434A）。1982年，美国COLES公司提供了一种油缸、滑轮和链条的伸缩机构，以及伸缩臂的安全系统（US4588347A）。1985年，日本KATO SEISAKUSHO KK提供了油缸加绳排式的伸缩机构的技术方案（JPS6246897A ）。1986年，苏联提供了将伸缩油缸设置在起重臂外部的油缸绳排式伸缩机构（SU1463707A1）。1987年，日本TADANO公司提供了采用一个油缸、滑轮和钢丝绳实现五节臂的同步伸缩（JPH08337392A）。为了减少多级伸缩臂的截面积，1991年，日本FURUKAWA公司提供油缸绳排结构的布置方式（JPH04327496A）。1998年，日本神钢公司提出了臂长检测装置的技术方案（JP2000034092A）。为了防止油缸绳排式伸缩臂中的伸缩缆索的损坏，2001年，日本AICHI公司采用一种滑轮以事先抓住缆索的技术方案（JP2002226191A ）。2005年，AICHI公司还提供了在伸缩油缸上设置导轨装置，以确保伸缩臂在伸缩过程中的平稳性（JP2006199407A ）。

在2009年，中国三一提供了在基本臂和末节伸缩臂之外的任一节伸缩臂均固定连接有伸臂转轮的方案，以减少多节同步伸缩臂装置中伸缩油缸的使用数量（CN101575075A）。2012年，中国徐工提供了增加伸缩臂搭接长度的方案（CN102689846A）。2000年后，三一、徐工、中联的起重臂油缸绳排伸缩机构技术快速发展，申请量也大幅提升，并可真正应用到生产中，从而对起重机的起重性能有更大的提高。

2.2 油缸插销式机构

早在1964年，德马格公司就提出采用油缸插销式机构的技术方案（DE1217041B）。而在1974年美国提出一种插销的锁定机构（US3921819A）。为了降低起重臂的重量、提高其起升性能，1980年美国KIDDE公司提出了在伸缩油缸周围设置一雪橇构件（US4327533A）。1993年，德国LIEBHERR WERK EHINGEN公司提出了通过弹性销实现臂节之间的锁定（DE4344795A1）。为了减少锁定/解锁机构占用的空间以及防止臂的倾倒，1998年，日本TADANO公司提出了包括一互锁机构的伸缩机构方案（JP2000159483A）。进一步，为了使得臂销在紧急情况下容易释放，且在不增加主臂截面积的情况下防止元件与固定销干涉，2000年，TADANO公司提出了采用一级双作用液压缸实现多级臂的伸缩（JP2001278582A）。

2000-2011年，TADANO公司相继提出了多种插销伸缩机构的互锁机构，确保缸销和臂销互锁的安全可靠（JP2001294392A，JP2004244170A，JP2012096928A，JP2010184754A，JP2012166920A）。2012年，三一提供一种插拔机构，在缸销内设有可轴向滑动的顶杆，顶杆在伸出时推动摆杆的另一端，实现缸销的锁定状态与臂销的锁定状态的来回切换（CN102556859A）。

2.3 其他伸缩机构

虽然油缸绳排机构和油缸插销式机构是目前主要的两种伸缩机构，但其也存在缺点，因此出现了一些具有特色的伸缩机构。对于6节臂的伸缩方式，美国出现了采用多级油缸（US3807108A、 US3804262A）的驱动方式。中联出现了将伸缩机构形成由两个液压缸组成的“捆绑液压缸”，无需使用钢丝绳排（CN102774790A）；三一出现了采用绳排和油缸插销机构相结合的驱动方式（CN103058077A、CN101585491A）。美国提供一种采用两个油缸加齿轮齿条的伸缩机构实现三节臂的伸缩（US4132041A）。

目前普遍采用液压缸作为伸缩驱动装置，相应的液压管路布置繁杂，液压元件多存在泄漏的可能；液压缸的运动控制不精确等缺点，其无法与机械传动的精确性相比，因此，在早期美国和苏联就出现了螺旋传动式伸缩机构（US4337868A、SU1745669A1）；近两年中联也出现了螺旋传动式机构（CN103277474A），卷扬绳排机构（CN102050394A）；三一还提供了一种同步伸缩机构（CN103466473A），其包括伸臂绳、缩臂绳、卷扬；而无需设置油缸。

3.国内起重臂伸缩机构技术领域主要申请人分析

在伸缩机构技术领域，主要申请人主导了该技术的进步，其申请量占据了总申请量的50%以上；然而就国内的起重机厂商而言，三一公司在该技术方面的专利申请最多，占国内申请量的39%，徐工占27%，中联占21%，其他公司占13%，三一的申请主要集中在2009年之后，可见对于这项技术的改进相对来说是较新的，同时也表明该公司研究团队对现有技术进行了深入的研究，并认为已有的技术存在诸多缺陷。还提出了卷扬绳排伸缩机构、绳排与油缸插销式相结合的新形式的伸缩机构。

中国三一公司做出了多项技术改进，涉及的有对传统绳排的改进，以及对插拔机构的改进，使得插拔销动作能在短时间内完成，保证单缸插拔销机构的高效率和高可靠性；还提出了将绳排与油缸插销机构相结合的伸缩机构，使得起重臂能够在保证较大承载能力的同时提高伸缩速度。因此，三一公司的研发团队对起重臂伸缩机构这项技术的发展方向，把握的很全面，并为后续的深入研究夯实了基础。

徐工集团在起重臂的伸缩机构技术方面主要对单缸插销式伸缩机构做出了多项技术改进，减小整个伸缩机构的尺寸，并提升起重臂的吊重能力，以及稳定性；还针对插销机构的结构做了诸多改进，以提高互锁机构的可靠性。

4.结语

在初期，伸缩机构技术发展较缓，过程曲折，技术路线演进主要由德美日企业引领。2005年之后，伸缩机构技术研发相对成熟，该领域进入快速发展时期，更多企业加入到竞争当中，更多新方案被提出。通过对该伸缩机构技术领域的主要技术分支和各个分支的专利技术发展趋势进行梳理，并绘制了专利技术发展路线图，对该技术领域的发展有了更深刻、清晰的了解，从而为可持续性地提升技术竞争力打下良好的基础。

作者简介：

刘冬梅（1986—），女，江苏淮安人，硕士研究生，国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心 机械发明审查部，机械发明专利实质审查员，硕士，主要从事机械发明专利的实质审查。