浅析水液压传动技术及相关专利申请概况

戴小伟

摘要：水液压传动技术以其介质的安全、节能、不燃烧和无污染等突出优点，在世界各国得到了迅猛发展，已成为当前国际上流体传动领域的前沿性研究课题。本文重点对国内的相关专利申请进行了统计分析，阐述了国内水液压传动技术的发展状况。

关键词：轴向柱塞泵；水液压：专利

一.水液压传动技术的演变

液压传动技术最初是以水为工作介质，18世纪末Joseph Bramah申请的水压机专利（GB178501478A）标志着液压传动技术开始在工业中进行应用，随着19世纪50年代工业革命的兴起，水压传动技术得到广泛应用。但是由于水的枯度低、润滑性能差、对金属的腐蚀性强、水液压元件存在着磨损、气蚀、腐蚀、泄漏等严重问题，水液压传动技术的发展遇到了严重困难。到了20世纪初，随着石油工业的兴起，人们逐渐开始考虑以矿物油作为液压传动的介质，到目前为止，85%的液压传动系统中所使用的工作介质是矿物油。进入20世纪70年代以后，高速发展的现代工业导致全球环境问题日益严重，矿物油作为液压系统工作介质时的带来的污染问题使油液压传动技术的发展面临严峻的挑战。20世纪80年代以来，世界主要发达国家的工业开始呈现绿色发展趋势，面向环境、面向能源、面向材料的绿色设计和制造技术成为工业界研究的热点。此外，随着工程材料、摩擦学、润滑理论、计算技术等相关学科的发展，水作为工作介质时液压元件和系统的一些技术难点得到突破，绿色无污染的水液压传动技术重新受到人们的关注。

二.水液压传动技术的配流形式

水压泵是水液压传动系统的核心动力元件，而水液压轴向柱塞泵是目前水压泵的主流结构形式。根据对国内外水液压轴向柱塞泵相关专利的分析发现，目前国内外的水液压柱塞泵根据配流形式的不同主要分为阀配流液压柱塞泵、轴配流液压柱塞泵和端面配流液压柱塞泵，且以阀配流液压柱塞泵和端面配流液压柱塞泵为主，其中阀式配流水液压柱塞泵在早期的申请量中是主流形式，根据专利文献的分析可知，配流阀的密封性能好，易于获得高压，且具有良好的抗污染性能，因此广泛应用于高压、超高压液压柱塞泵中，但此类柱塞泵具有工作过程不可逆、不能做水压马达使用、且功率密度比较小的缺点；端面配流方式相比于阀配流方式自吸能力较好，转速较高，结构较为紧凑，具有可逆性，可作为水压马达使用；但配流盘在高压时的泄露较大，因而这种配流方式更加适用于中高压液压柱塞泵的场合；在我国，端面配流形式的水液压轴向柱塞泵出现于2000年以后，其中较早的相关技术就是浙江大学于2003年11月6日申请的“全水润滑的纯水液压轴向柱塞泵/马达”的发明专利。

三、国内水液压轴向柱塞泵专利申请的发展历程

上图为国内关于水液压轴向柱塞泵在不同年份的申请量情况，从上图可知，在2000年以前关于水液压轴向柱塞泵的申请量极少，只有零星的1.2件，其中较早的专利申请“具有滑动轴承自定位套的轴向柱塞泵”是华中工学院在1985年9月30日申请的，该专利是在美国VICKERS公司生产的PFB泵的基础上进行的改进，是一种适应“高水基流体”工作的泵，但同时也适用于油的工作；这个阶段所申请的轴向柱塞泵主要是借鉴国外的技术并作出局部改进，而此时的轴向柱塞泵虽然以水作为工作介质，但是由于粘度低，润滑性能差等因素，水液压轴向柱塞泵的发展遇到严重阻碍，我们把这个阶段称之为萌芽阶段；从2000-2010年，在这个10年的时间里，专利申请的量有了稳步的增加，尤其在07年达到了12件的申请量，在这个阶段当中，借鉴于以矿物油作为工作介质的国外液压柱塞泵的专利申请，我国的液压轴向柱塞泵技术得到显著发展，同时在已有技术的基础上又做出新的尝试，自主研发液压轴向柱塞泵，经历了油水分离阀配流到全水润滑端面配流结构转变的发展階段，浙江大学在2003年12月26日就申请了名称为“全水润滑端面配流的纯水液压轴向柱塞泵或马达”，该纯水液压柱塞泵采用纯水作为工作介质，所有摩擦副均直接用水润滑和冷却，完全摆脱了润滑油的限制，而且当前国内市场上大部分的样机都是在这个阶段开发出来的，我们把这个阶段称之为稳定发展阶段；从图1可以看出，从2011年到2016年这6年内，专利申请量逐年迅速增加，从2014年开始，更是每年超过20件的专利申请，其中这些专利申请涵盖了液压柱塞泵的减振降噪、润滑抗磨、耐腐蚀，气蚀等几大技术领域，而且还研发出了新的研究方向，我们把这个阶段称之为快速发展阶段。

四、国内发展形势

在VEN数据库中经过分析可知，关于水液压轴向柱塞泵的专利申请量排名前五的国家分别是中国、美国、日本、德国和英国，相对于西方发达国家，我国液压传动技术的研究起步较晚，但是申请量不比其他国家少，这主要是由于近年来，随着我国经济的高速发展，海洋开发力度不断加大，对沿海岛屿、远洋舰船上使用的小型反渗透海水淡化系统需求日益旺盛，对环境污染问题的日益重视，极大的促进了对液压传动技术的研究。

通过在CNABS数据库中对水液压轴向柱塞泵的统计分析发现，在中国，关于水液压轴向柱塞泵的申请总量排行前六的分别是浙江大学、西安交通大学、华中科技大学、燕山大学、北京工业大学、罗伯特.博世有限公司，其中浙江大学的申请总量最多，也是研究最全面的，而华中科技大学是国内最早开展水液压传动技术研究的单位，且于1996年研制出国内第一台油水分离中低压轴向柱塞式海水泵[3]；虽然我国水液压传动技术起步晚，但是从专利中可以分析出研究方向涵盖了水液压柱塞泵的减振降噪、润滑抗磨、耐腐蚀，气蚀等几大关键技术，而且，近年来随着材料学、电磁学、自动化控制等学科的发展，还出现了电磁液压柱塞泵等新的研究发展方向，国内的各大高校，如北京工业大学、华中科技大学等高校正积极开展电磁直驱式水液压柱塞泵的相关研究；虽然现在国内水液压传动技术还不成熟，但是由于国防、环境、经济等各方面的迫切需求，水液压传动技术已经成为我国的重点研究领域。虽然我国在水液压轴向柱塞泵方面取得了不少研究成果并且在市场上已经具有比较成熟的产品，但是与国外成熟产品在性能方面还存在不小的差距，还需要进行系统深入的理论和实验研究，以加快和推动国产水液压柱塞泵的技术发展。

结束语：

随着水液压传动技术逐渐成为流体传动领域的研究热点，国内针对水液压传动技术的相关研究也已全面展开，本文通过对水液压相关专利申请的统计，浅析当前水液压传动技术的主要配流形式、国内发展历程以及发展形势，为我国的水液压传动技术的进一步发展提供重要的借鉴意义。