液压挖掘机作为一种被广泛应用于土方作业的工程机械,具有功率大、工作环境复杂和工作范围大等特点。现有挖掘机普遍采用发动机驱动液压泵,为液压系统提供高压油,高压油经控制阀分配给各液压执行器。由于施工环境多样化,且作业形式多变,挖掘机负载波动大且变化频繁,使得挖掘机整体能效低,排放差,造成了大量的浪费和污染。在挖掘机作业中,回转机构频繁启动和制动,回转系统工作周期占挖掘机整个工作周期的50%左右,制动过程中,大量回转制动动能经控制阀节流转换为热能浪费掉,据统计,回转系统发热量占挖掘机液压系统总发热量的30%~40%。因此,回收再利用挖掘机回转系统制动能量对提高液压挖掘机整体能量能效,减小系统发热和降低排放具有十分重大的意义。针对上述问题,国内外学者对回转系统的节能进行了大量的研究。目前,节能型液压回转系统主要有二次调节回路、闭式泵控回路、进出口独立控制回路;回收利用回转制动动能主要有液压回收(采用蓄能器作为储能单元)和电气式回收(采用超级电容或蓄电池作为储能单元)两种方案。采用上述方案驱动挖掘机回转机构,达到了一定的节能效果。但是,蓄能器回收再利用制动能量时,受蓄能器非线性压力特性影响,再利用过程中,只能驱动比蓄能器压力低的负载;电气式回收方案中,能量传递链长,转换环节多,能量回收利用效率低,且液压马达-发电机组的响应相对慢,且会影响到挖掘机回转系统的稳定性。针对上述问题,本文提出了一种大惯量回转机构制动能量电液回收利用系统(下文中简称电液回收利用系统),使用液压蓄能器与超级电容同时回收储能,通过控制发电机扭矩,实时匹配蓄能器的压力,实现回转系统制动能量回收效率最大化的同时,保证回转机构的制动平稳性。具体研究工作如下:第一章从液压挖掘机回转系统工作时间和发热比说明了挖掘机回转系统节能的重要性;总结了国内外液压挖掘机回转系统节能的研究现状和主要方法,针对现有研究的不足提出了液压挖掘机回转系统制动能量电液回收利用系统。第二章分析了现有液压挖掘机回转系统的工作原理,建立了回转加速启动、匀速运行和减速制动阶段的数学模型,分析了能量的损耗形式和回收可行性;确定了回收系统设计原则并提出回收方案,建立了主要元件的数学模型和系统控制策略,为仿真工作提供了理论基础。第三章在仿真软件SimulationX中分别构建了20 t液压挖掘机现有回转系统模型和电液回收利用系统模型,分别在典型回转角度90°、120°和180°情况下,对空载工况下挖掘机回转系统的特性进行仿真研究。仿真结果表明,采用所提出的电液回收利用系统可实现制动能的高效回收利用。并分析了蓄能器容积和初始压力对系统运行特性和能量回收特性的影响。仿真表明,回收液压马达入口设定压力值越小,系统回收能量越多,但回转系统制动时间也随着增加;当液压蓄能器公称容积、最高工作压力与最低工作压力一定时,系统回收利用能量的特性受液压蓄能器预充压力的影响较大,蓄能器回收利用能量效率随着预充压力的增大而减小,超级电容回收利用能量效率随着预充压力的增大而增大,系统回收利用能量的效率与蓄能器的预充压力成反比;当液压蓄能器预充压力、最高工作压力与最低工作压力一定时,系统回收利用能量的特性受液压蓄能器额定容积的影响较大,蓄能器回收利用能量效率随着额定容积的增大而减小,超级电容回收利用能量效率随着额定容积的增大而增大,系统回收利用能量的效率与蓄能器的额定容积成反比。第四章在仿真软件SimulationX中分别构建6 t液压挖掘机现有回转系统模型和电液回收利用系统模型,分析了小型挖掘机回转系统原理,在现有挖掘机回转系统的基础上增加了液压蓄能器、回收液压马达、电动/发电机、双向DC-DC变换器和超级电容等元件,对小型挖掘机空载工况进行仿真研究。仿真结果表明,采用该系统可实现6 t液压挖掘机回转制动能量的高效回收和在中小型液压挖掘机上的通用性。第五章总结了论文的主要研究内容和不足,提出了对下一步研究工作的展望。