液压挖掘机是应用最为广泛的工程机械机种之一,具有销量大、装机功率大、能效低等特点。这在消耗海量燃料的同时,也给环保带来了巨大压力。随着国家“双碳”战略目标的提出,节能降耗成为了挖掘机行业发展的一个重要方向。为了提高挖掘机的能效,能量回收技术得到了工程机械行业和相关研究单位的广泛关注。根据能量存储形式的不同,现有的能量回收技术主要可以分为电气式、液压式和机械式三种。当前在挖掘机领域应用的能量回收技术主要是前两种。基于飞轮储能的机械式能量回收技术目前主要应用在车辆技术领域,用于制动能量的回收。受此启发,为实现对动臂势能的回收和再利用,本文提出了使用飞轮作为储能元件,液压泵马达（又称液压二次元件）作为能量转换元件的液压挖掘机飞轮储能式动臂能量回收系统,并对其进行理论分析与实验研究。本文的主要研究内容有:（1）分析了挖掘机的典型工况和动臂可回收能量。针对存在的动臂势能浪费问题,在常规负载敏感系统的基础上,提出了一种基于飞轮储能原理的新型动臂能量回收系统。该系统使用飞轮作为能量回收系统的储能元件,液压泵马达作为能量转化元件。在动臂下落时,该系统可以回收动臂势能,避免能量浪费;在动臂提升时,该系统可以将回收能量进行再利用,降低了系统能量消耗。从使用工况、能量转化次数、储能元件性能等三个角度,论证了飞轮储能式能量回收技术用于回收挖掘机动臂势能的可行性。同时,结合挖掘机的工况特点,提出了以降低飞轮质量和减小占用空间作为飞轮的双优化目标,利用NSGA-Ⅱ算法对飞轮的结构形状做了优化设计。（2）建立了常规动臂系统与飞轮储能式能量回收系统的数学模型,分析了能量回收系统的特性。为了获得更好的控制性能,提出了一种改进型果蝇算法用于优化PID控制器的参数。对比分析了提出的改进型果蝇算法、常规果蝇算法和遗传算法优化后PID控制器的效果,以验证提出算法的有效性。结果表明,采用本文提出的改进型果蝇算法的PID控制器具有响应快、无超调等优点。研究了液压泵马达排量、飞轮转动惯量这两个关键参数对系统性能的影响,研究表明,液压泵马达的排量越小,系统的能量效率越高;飞轮的转动惯量越大,系统的能量效率越高。（3）以挖掘机中广泛应用的常规负载敏感系统为参照,研究了本文所提出的新型飞轮储能式负载敏感系统的能量回收及再利用效率。分别对常规负载敏感系统和新系统在空载和满载工况进行了仿真,并对能量回收效率和再利用效率进行了分析。根据能量消耗数据,绘制了两个系统在不同工况下的能量流图。仿真结果表明,新系统在空载和满载工况下,较常规负载敏感系统可以实现节能45.7%和27.6%。对于发动机的燃油消耗情况,新系统在空载和满载工况下可以实现为30.4%和20.4%的节油率。（4）针对回收能量的再利用,制定了基于模糊规则的流量分配控制策略,提高了能量再利用效率。该策略可以根据动臂的负载大小和飞轮内储能多少进行综合判断,确定发动机与飞轮之间的能量分配系数。结果表明,使用此模糊策略的新系统在空载和满载工况下,较常规负载敏感系统可以分别实现节能51.9%和30.3%。与使用此策略前相比,在空载和满载工况下节能效率分别提高了11.5%和3.8%。到发动机端,使用此模糊策略的新系统在空载和满载工况下较常规负载敏感系统可以实现32.6%和22.2%的节油率,与使用此策略前相比节油率分别提高了3.1%和2.3%。（5）在前述理论分析的基础之上,对某型4 t液压挖掘机进行了改造,增设了液压系统、飞轮储能单元及测控系统,作为实验台架对本文提出的飞轮储能式动臂能量回收系统及控制策略进行实验验证,评估系统的节能效果及操控性能。实验结果表明,本文提出的新系统使用了基于模糊规则的控制策略后,其操控性在较常规负载敏感系统相当的情况下,实现了液压泵能耗降低约13.7%的效果。本文提出的飞轮储能式动臂能量回收系统,为以液压挖掘机为代表的工程机械能量回收提供了一种新的解决方案。该论文有图160幅,表31个,参考文献217篇。