液压挖掘机是一种应用最为广泛的工程作业设备,由于施工环境复杂,负载波动范围大且变化频繁,发动机常工作于低效区,能效低,排放差。同时采用多路阀作为控制元件进行动力分配,造成了严重的节流损失,进一步增大了挖掘机的整机能耗。在柴油发动机所有输出功率中,仅有20%的功率用于执行器实际做功。随着全球能源危机和环境污染等问题日益凸显,液压挖掘机能耗大和排放差的问题亟需解决,如何实现液压挖掘机的节能减排一直是多年来的研究热点。目前,虽然采用混合动力、电液负载敏感控制等技术在一定程度上改善了液压挖掘机的能效特性,但是柴油发动机和四边联动多路阀的固有特性制约了液压挖掘机节能减排的发展。为解决上述问题,本文以伺服电机驱动定量泵作为动力源、结合容腔独立控制技术,组成变转速动力源及容腔独立控制液压挖掘机。采用纯电驱动技术提高了液压挖掘机的动力源能效,避免了柴油发动机废气排放对环境的污染;进一步采用容腔独立控制技术,减小了液压系统节流损失;并设计了泵阀协同流量匹配控制策略,对液压挖掘机运行特性和能耗特性进行了研究。具体研究内容如下:首先,对比分析不同动力源和液压控制回路的特点,选择交流永磁同步伺服电机驱动定量泵作为变转速动力源,容腔独立控制系统作为液压回路。建立了交流永磁同步伺服电机和容腔独立控制系统数学模型,分析电机矢量控制调速过程和容腔独立控制系统的能耗特性,为后续仿真模型的构建和系统分析提供理论指导。然后,在SimulationX软件中构建了液压挖掘机多体动力学模型;根据实际伺服电机工作原理及参数,构建了永磁同步伺服电机调速系统仿真模型;并根据容腔独立控制技术原理,构建了挖掘机液压系统仿真模型。在此基础上,构建了变转速动力源及容腔独立控制液压挖掘机整机联合仿真模型,并通过与试验数据对比验证了伺服电机和整机仿真模型的准确性。最后,设计泵阀协同流量匹配控制策略,分别对变转速动力源及容腔独立控制液压挖掘机各执行器单动作、复合动作以及整机挖掘的运行特性进行仿真分析和试验研究;在相同运行条件下,对提出的液压挖掘机与传统抗流量饱和(LUDV)液压挖掘机的液压系统能耗和运行成本进行了对比分析。研究结果表明:采用变转速动力源及容腔独立控制技术和泵阀协同流量匹配控制策略,液压挖掘机各执行器在单动作、复合动作和整机挖掘时均能保持良好的运行特性;与传统LUDV液压挖掘机相比,本文所提液压挖掘机在整机挖掘时液压系统能耗降低了32.9%,整机运行成本降低了59.4%,显著提升了液压挖掘机整机能效。