随着日益严苛的非道路工程机械节能减排标准发布,各种液压挖掘机动臂势能回收与利用系统开始得到应用。为减少当前各式动臂势能回收与利用系统的能量转换环节,提高系统工作效率及能量利用率,以某20吨级液压挖掘机为研究对象,提出一种基于流量再生与平衡单元的挖掘机动臂势能回收与利用系统,并对其进行设计,通过理论分析、AMESim软件仿真模型的建立,对动臂可回收能量、结构方案、节能效率以及动臂速度特性进行了研究,具体内容如下:(1)介绍液压挖掘机及其工作装置的结构与工作原理、典型挖掘工况的基础上,建立了该挖掘机动臂液压回路AMESim仿真模型,并在典型挖掘工况下,对动臂可回收能量进行了分析,得出该挖掘机动臂可回收能量约为268.16kJ,其约占主泵输出能量的18%;在流量再生回路、平衡单元动臂势能回收与利用系统工作原理的基础上,提出了基于流量再生与平衡单元的挖掘机动臂势能回收与利用系统,并对该系统中液压蓄能器充气压力、额定体积及平衡油缸主要参数进行了匹配。(2)分别建立了原动臂、流量再生与平衡单元系统动臂液压回路的分段线性数学模型,分析了液压蓄能器充气压力、额定体积、平衡单元容腔体积以及调节动臂油缸无杆腔回油压力的节流阀阀口面积等参数对系统固有频率与阻尼比的影响。结果表明:流量再生与平衡单元系统动臂液压回路的固有频率与阻尼比随液压蓄能器充气压力的增大或平衡单元容腔体积、液压蓄能器额定体积的减小而增大,而可忽略阀口面积对系统固有频率与阻尼比的影响。(3)利用AMESim软件建立流量再生与平衡单元系统动臂液压回路仿真模型,在PID控制策略以及典型挖掘工况下,分析了液压蓄能器充气压力、额定体积、平衡单元容腔体积以及阀口面积等参数对系统节能效率、动臂速度特性的影响,得出系统最优参数。(4)在液压蓄能器充气压力、额定体积、平衡单元容腔体积以及阀口面积等最优参数下,对动臂的运行情况及节能性进行了分析。结果表明:与原动臂液压回路相比,流量再生与平衡单元系统在工作过程中稳定性更高,且主泵输出能量、供油量分别占原动臂液压回路的58.4%和45.1%。