液压挖掘机是一种市场保有量大、能耗高的工程机械,其各执行机构往往负载惯性大,在频繁举升和下放物料的过程中存在严重的能量损失。随着全球变暖和能源紧缺等问题日益突出,工程机械的节能问题尤其是势能回收问题已引起了人们的广泛关注。现有的势能回收方法根据储能元件的不同主要分为机械式、电气式和液压式三种。机械式能量回收系统主要以飞轮为储能元件,其存在能量密度低且不能长时间储能的缺点。电气式能量回收系统主要以蓄电池或超级电容作为储能元件。但蓄电池的功率密度低,不能快速回收和释放能量,而超级电容目前成本较高。以蓄能器为储能元件的液压式能量回收系统具有功率密度大,可适应负载波动剧烈的工况等优点。而液压式能量回收系统又可进一步分为有平衡结构和无平衡结构的能量回收系统。在无平衡结构的液压式能量回收系统中,由于执行器上升和下降所需的压力等级不同,蓄能器回收的能量难以从回收的途径反向直接释放,一般需要增加能量转换元件如液压变压器,因而增加了能量转换次数。基于以上分析,本研究提出了一种由三腔室平衡缸和蓄能器为主要构成,并兼有模式切换以及补油等功能的气液平衡势能回收单元(简称平衡单元),用于工程机械液压系统势能回收。在执行器下放负载的过程中,负载的势能通过蓄能腔转换为液压能储存在蓄能器中,并且蓄能器此时可提供一定的背压;而在提升负载的过程中,蓄能器储存的能量可以通过蓄能腔反向直接释放,从而辅助原系统共同驱动负载。由于蓄能腔的液压力能够平衡大部分负载,从而原系统只需提供一个较小的驱动功率,降低了系统的能耗。因此,本文的研究将为工程机械的势能回收问题提供一种新的技术途径。本文主要研究内容如下:(1)综述了现有的节能技术,其中包括动力系统节能技术、液压系统节能技术、功率匹配技术以及势能回收技术。分析归纳了三种不同形式的势能回收方案的优缺点,从而提出本文的研究课题及相关研究内容。(2)以70吨级大型液压挖掘机动臂势能回收为研究背景,分析其可回收能量。对挖掘机的基本动作以及特殊工况进行分析,从而为平衡单元控制方法的研究提出设计需求。结合负流量控制、全功率控制、气液平衡势能回收单元,提出了基于平衡单元的大型液压挖掘机液压系统整体方案。由于平衡单元会对主泵的输出流量具有一定影响继而影响操控性,因此本文对主泵的工作原理进行了分析并建立了主泵的数学模型,同时为仿真模型的建立奠定了理论基础。(3)建立了平衡单元的数学模型并进行了频域分析,从而得到了系统关键参数的基本调控规律(即蓄能器容积、预充压力以及平衡缸腔室面积对系统特性的影响)。基于此从操控性、节能性、蓄能器储能密度以及可靠性等多个方面进行分析,得到平衡单元参数的选取范围。继而采用模拟退火算法对平衡单元参数进行进一步优化设计,并对关键元件进行选型。由于在含有平衡单元的系统中,蓄能器可产生一定的回油背压,因此对原70吨级大型液压挖掘机动臂阀芯进行测绘,建立阀芯位移和阀口开度的函数关系,以降低动臂主阀在动臂下降段的回油背压为目标进行优化分析。(4)研究了一种基于双工作点的模式判断及切换规则,用来自动判断系统处于能量回收模式还是特殊工况模式(诸如撑车以及重载挖掘等工况);针对动臂操控性问题,研究并提出了动态平衡以及短时功率增强等方法;为了保证蓄能器工作压力在给定范围内变化即保证蓄能器的工作特性,同时提高补油效果,提出了一种基于惩罚函数的平衡单元能量管理策略。(5)在以上分析的基础上,利用AMESim建立了完整的系统机液仿真模型。首先对系统进行单动作仿真分析,并与单动作试验结果对比,验证了仿真的正确性,同时得到了动臂单动作下的能量回收率仿真结果;其次对系统进行了复合动作仿真,主要分析了系统的操控性。通过仿真分析可以减少试验样机的调试时间及成本。(6)在仿真分析结果的基础上,试制了70吨级大型液压挖掘机样机,进行了单动作、复合动作等试验,并从操控性和节能性的角度对系统进行分析。结果表明较同类型量产机,所研制样机的平均能量回收率为57%,而平均节油率约为18%,同时执行器操控性良好。仿真研究和样机试验表明,所提出的系统可以在保证操控性的基础上显著提高节能性。通过该研究将为类似大型液压挖掘机的工程机械提供一套较为完整的基于平衡思想的液压系统设计理论及设计方法。由于本文提出的系统不需要对原机型进行大量改造,因此具有较强的市场推广性,从而可以为提高国产大型挖掘机的市场竞争力提供一定的技术支持。