液压挖掘机是一种重要的工程机械设备,集机械、液压、电气于一体,作业工况复杂。传统液压挖掘机由发动机驱动,发动机受负载波动影响较大,工作点常处于低效率区,且在能量传递过程中损耗较大。虽然在液压挖掘机发动机与液压泵的功率匹配、混合动力及能量回收、阀控系统的节能等方面进行了卓有成效的研究,但发动机固有的能量转化率低、噪声大、震动大、污染排放等问题依然限制着液压挖掘机总体效率的提升。随着社会的发展,对于在矿井巷道中、部分大型建筑的室内等空间有限的场地进行灵活的装载、挖掘工作提出了零排放,低噪声的新要求,传统挖掘机已不能适应这些场合。将节能、高效、噪声低、抗震性好的变转速电动机技术与高能量密度的液压系统相结合应用于挖掘机液压控制系统是一个重要的研究方向。本文在国家自然基金“分腔容积直驱电液控制系统能量高效转换利用的理论与方法”(51575374)和国家自然科学基金重点项目“露天煤矿大型挖掘装备高能效运行基础研究”(U1510206)资助下,对变转速-变排量液压动力源在液压挖掘机中的应用做了系统地研究,对电驱动的液压挖掘机整机系统的运动特性和能效特性的提高做了有益地探索。在研究过程中,主要完成了以下内容:首先综述了电铲和液压挖掘机动力源系统的演进过程,液压挖掘机动力源系统的功率匹配和混合动力节能技术的国内外研究现状。结合当前社会对挖掘机零污染、低噪声的要求,提出将抗震性好,性价比高的电驱动变转速电动机替代原有的发动机,得到高效、节能的新型液压挖掘机动力源系统的思路。同时阐述了进出口独立控制技术研究现状,提出将泵阀复合流量匹配控制策略应用于电驱动液压挖掘机液压缸驱动大惯量负载过程中以提高运行稳定性,同时进一步降低系统能耗。其次建立了电动机两相旋转坐标系和矢量控制算法数学模型,在数学模型分析的基础上建立了simulation X仿真模型,通过仿真和试验研究了三相异步电动机的转速,转矩等静态特性以及启动和负载扰动等动态特性。针对三相异步电动机启动速度慢的问题,应用变转速——变排量结构优化动力源动态响应,提出动态使用电液比例柱塞变量泵摆角控制的高响应速度进行液压源控制,稳态使用变转速控制进行能耗匹配的策略,提高了液压源整体的动态响应和能效特性。再次论文针对三相异步电动机、液压泵的能耗进行了理论分析、仿真和试验研究。确定了电动机和液压泵的高能效工作点,设计了变转速-变排量功率匹配方案。结合低空转能耗液压动力源的专利,设计了变转速电动机自动怠速控制策略。相比于工频转速空载状态,自动怠速策略可使总输入功率从4.141k W减少至0.727k W,节能率达82.4%。进一步论文中应用泵阀复合流量匹配进出口独立控制专利技术,抑制液压缸驱动大惯性负载起动时的压力波动。如动臂驱动大惯性负载过程中,阻抗伸出时,采用流量匹配基础上叠加压力控制的控制策略;超越回缩时,采用回油调速和流量再生的方法进行控制。基于多体动力学仿真软件simulation X建立了应用进出口独立控制回路的电驱动液压挖掘机机电液联合仿真模型,仿真研究了电驱动液压挖掘机的运动特性和节能特性。建立了以d SPACE为核心的挖掘机试验平台,试验证明采用泵阀复合流量匹配策略仅在动臂上就可获得15%的节能效果。总体上,控制策略改善了系统动态稳定性,进一步降低了系统能耗。最后总结了论文的主要工作及创新点,并对今后的研究方向进行了展望。