工程机械是装载机、挖掘机、叉车、起重机等所有施工和建筑机器的统称,被广泛应用于工程建设、应急驰援、抢险救灾等领域,是衡量一个国家工业水平的重要标志。经过数十年发展,我国已成为工程机械制造第一大国,保有量和年产量均居世界第一,该产业也成为我国最有可能率先跻身全球最先进行列的产业。工程机械普遍采用液压系统分配与传递动力,其高能效传动与流量高精度控制决定了整机的先进性和核心竞争力。工程机械的电动化可显著提高整机能量效率,但仍处于起步阶段,仅采用电动机代替内燃机,虽然消除了排放污染,但液压系统仍普遍采用集中动力源供能,多路阀组分配与传递动力的多执行器并联驱动方案,使得液压系统能效极低,液压泵的输出能量仅有25～35%左右真正做功,整机能效提升有限。以工程机械中应用最为广泛的装载机为例,2021年我国装载机保有量180万辆,年消耗燃油将近1500万吨,碳排量约4500万吨。若将液压系统能量效率提升10%,则将从源头减少内燃机驱动装载机的燃油消耗28.6%,少排放二氧化碳1300万吨,双碳效益显著,还可突破电池容量对全电驱装载机推广与应用的限制,相同的电池容量主机拥有更多的工作时长。装载机的液压系统主要由转向、举升和转斗系统组成,除液压阀在分配动力过程中产生严重的能量损耗外,三个功率需求不同的系统采用同一集中动力源供能,在只有小功率需求系统工作时,动力源与负载功率不匹配,工作于低效率工况;在举升系统下降工况,大量重力势能经阀口节流作用转化为热能耗散到系统中,不仅造成了能量损失还需耗能降温;在举升和转斗系统共同作业的过程中,两个执行器载荷差异进一步增加了阀口节流损失,降低了系统的能量效率。因此,提出采用分布式闭式泵控转向、举升和转斗系统驱动装载机,实现集中式动力源的解耦,消除系统中的节流损失和多执行器间的载荷差异,回收利用举升系统重力势能。系统中,分别通过组合两个液压缸和设计非对称液压泵,实现闭式泵控单出杆液压缸系统的流量平衡;采用液压方式对系统重力势能进行回收利用;设计集成驱动与储能一体化液压缸,增设举升系统势能储用与自重平衡腔,提高重力势能回收利用效率与输出功率,扩大直线执行器应用范围;引入电机械直线执行器,高精度高能效控制系统运动,促进装载机电动化发展进程。进一步将所提系统应用到其他内燃机驱动或全电驱动工程机械中,可从根源上降低整机能源消耗,加快我国工程机械领域的高能效化、绿色化、电气化和智能化发展步伐,助力我国“双碳”战略目标的实现。本文在国家自然科学基金（NO.51875385）和NSFC-山西煤基低碳联合基金（NO.U1910211）的支持下,对高能效直线驱动系统与控制技术的研究工作,所取得的主要创新成果如下:（1）针对小功率需求的直线驱动系统,提出闭式泵控组合液压缸驱动转向系统。移除原有转向系统的液压阀,消除了阀控系统的节流损失;采用两个液压缸,分别将液压泵的进出油口与一个液压缸的无杆腔和另一个液压缸的有杆腔相连,通过液压缸组合的方式实现闭式泵控单出杆液压缸的流量平衡;通过电控方向盘以位移闭环方式控制伺服电机,设计了高效率的变转速比转向和自动转向控制策略。通过理论分析、仿真优化和试验测试可知,采用所提系统可显著减少转向过程中的压力冲击和波动,通过调节方向盘转角与装载机转向角度间的转向比,不仅可成倍提高装载机的转向工作效率,还节省转向时间和操作者体力消耗,相同转向工况下,相较于原有阀控转向系统可降低能量消耗46%。（2）针对中、高功率需求的直线驱动系统,提出闭式非对称泵控液压缸驱动举升和转斗系统,在实现闭式泵控单出杆液压缸流量平衡的基础上,还可对举升系统的重力势能进行回收利用。系统中将柱塞泵中的配油口设计为三个,其中两个配油口通流面积比与单出杆液压缸两腔室的有效面积比相同,实现闭式泵控单出杆液压缸的流量平衡,第三个配油口则与蓄能器相连,用于平衡非对称配油口的流量差,同时回收举升系统的重力势能。分别将闭式非对称泵控液压缸系统用于驱动装载机举升和转斗系统,通过仿真分析和试验测试表明,系统重力势能回收效率为42%,与原有阀控系统相比,在举升和下降工况中举升系统最高可降低液压泵能量消耗47%,在卸料和转斗工况中转斗系统可降低能量消耗42%。（3）设计集成驱动与储能一体化液压缸,进一步提高系统重力势能的回收利用效率和直线执行器的输出功率。柱塞腔和有杆腔面积设计相等,两腔室直接与液压泵相连实现闭式泵控系统的进出口流量平衡,第三腔室则直接与蓄能器相连,平衡重载举升系统自重并直接回收利用系统重力势能。对所提系统在不同载荷、不同位移、不同速度工况下进行仿真分析和试验测试,结果表明,执行器可迅速而精确的按照设定曲线完成相应动作,系统控制精度高、响应速度快;举升系统的重力势能回收效率可达52%,与原有阀控系统相比可降低系统举升过程中的能量消耗58%。（4）设计电-液双动力混合直线执行器,进一步提高系统的能量效率和电动化程度。提出电动缸驱动为主、液压缸-蓄能器为辅的双动力混合驱动直线执行器,充分利用电机械传动高能量效率和液压传动高功率密度的优点,通过电动缸控制举升系统运动状态,采用液压缸-蓄能器平衡系统自重并高效率回收利用系统重力势能。试验测试表明,通过对双动力源功率配比的优化,相较于原有阀控系统,所提系统最高可降低举升过程中能量消耗63%,系统重力势能回收利用效率为47%。