卷扬是一类提升或牵引重物的工作装置,作业过程中上下往复运行,在提升过程中集聚大量重力势能,下放过程中电动卷扬通过制动电阻消耗电机发电能,液压卷扬则经过阀口节流作用以热能耗散。此外,液压驱动卷扬系统由阀控液压马达驱动,作业过程中系统存在非常大的效率与节流损失。能效低与重力势能浪费造成卷扬装置能源消耗大,能量利用率低。随着能源危机与环境恶化等的加剧以及动力系统电动化的发展趋势下,加快发展高效环保的节能技术与装备具有重大意义。针对上述问题,各种节能系统与能量回收技术被国内外学者广泛研究,采用进出口独立控制、闭式泵控、泵阀复合控制等技术降低液压系统阀口能量损失,进行能量回收如直接回馈电网、超级电容与各类蓄电池储能以及蓄能器及其相关辅件储能以提高能量利用率。对比国内外的解决方案与节能技术研究,研究团队提出电液混合驱动卷扬系统。该节能系统采用永磁同步电机作为主驱动,控制卷扬运行速度与位移;利用液压泵/马达与蓄能器组成能量回收系统对卷扬产生的重力势能进行回收与利用。电液混合驱动系统充分利用电机的高能效与高控制精度以及液压驱动系统的高功率密度,蓄能器进行能量存储与利用技术成熟,电机作为主驱动有效避免了液压系统的节流损失。论文主要研究工作如下:1.分析了电液混合驱动系统的工作原理与工作模式,该节能系统相较于液压卷扬系统,效率与能量利用率更高,相较于普通电动卷扬系统则可以对再生能量进行回收与利用。选择某型号65吨中型旋挖钻机为研究对象,对主卷扬系统中钻杆受力及液压驱动系统原理进行了分析,其钻杆重力势能回收潜力非常巨大,尤其随着钻孔深度的增加。2.建立了旋挖钻机主要工作部件的三维模型,导入Simulation X软件中搭建机械仿真模型,通过仿真结果与理论计算对比验证了机械仿真模型的准确性。对液压驱动卷扬系统的主要元件进行了详细建模与模型验证。搭建电动与电液混合驱动卷扬系统中电机模型、液压泵/马达模型与蓄能器模型并进行了参数匹配设计。电液混合驱动系统双动力源控制采用电机控制转速,液压泵/马达自适应电机转速;液压泵/马达控制转矩,电机自动补偿剩余转矩。液压泵/马达转矩控制通过改变排量实现,在排量控制中设置了排量影响因子,使能量回收系统下放过程中最大程度回收卷扬重力势能而提升过程中只输出一定比例的辅助转矩以实现全程辅助电机驱动。根据各元件模型及卷扬系统工作原理与控制方式,完成了液压卷扬、电动卷扬与电液混合驱动卷扬系统联合仿真模型的构建。3.根据钻杆结构特点对卷扬运行速度进行了仿真研究,在钻杆有效重量变化处降低运行速度对减小冲击动载荷具有重要意义。在泥浆护壁成孔作业中,对三种卷扬驱动系统不同下放距离下的运行与能耗特性进行仿真分析,结果表明,电液混合驱动卷扬系统对比电动卷扬与液压卷扬系统可以保证卷扬动作的操控性并且高效地回收利用重力势能,可降低系统能耗25.8%～62.6%。随着下放距离的增加,电液混合驱动卷扬系统节能效果呈下降趋势,但总体上能耗最低,节能效果显著。4.通过仿真验证了液压泵/马达转矩控制中设置排量影响因子的重要性。相同工况下,分析了电液混合驱动能量回收系统中不同排量液压泵/马达与蓄能器容积对系统能效的影响。在选择小排量液压泵/马达的基础上,提出采用高低压蓄能器方案来降低蓄能器容积,设计了高低压蓄能器控制方式并与常规单蓄能器方案的系统能耗进行仿真对比。结果表明,高低压蓄能器可以很好地完成势能的回收与利用,相应的系统能耗有所增加。5.在液压泵/马达转矩控制中提出双传感器转矩闭环控制方式进一步优化转矩匹配,利用卷筒高速轴转矩（作为反馈值）与低速轴转矩（除以减速比作为目标值）的差值作为控制器输入信号。仿真结果证明该控制方式可以提高卷扬下放过程中的转矩匹配,提高了系统能效。