📌 1. 研究背景与问题动机
液压挖掘机长期存在 能耗高、能量利用率低（通常低于 30%） 的问题，主要原因包括：
- 工况复杂、负载大、功率波动剧烈
- 液压系统固有的节流损失、溢流损失
- 传统动臂下降时，重力势能全部在阀口转化为热量并浪费（文中指出：“the gravitational potential energy is converted into heat energy and dissipates at the valve port”）
虽然已有燃油-电混、燃油-液压混等方案，但存在成本高、结构复杂、控制协调困难等问题。相比之下，蓄能器为核心的燃油-液压混动具有成本低、响应快、效率高的优势。
研究指出：挖掘机可回收能量中，动臂势能占比超过 51%，因此动臂势能回收是最具价值的节能方向。
📌 2. 现有系统对比：CBS 与 EARUS
2.1 传统动臂系统 CBS（Conventional Boom-driving System）
文中给出两种结构：
- 非节能型（Fig.1a）：结构简单，但动臂下降时势能全部变热损失；提升时泵流量常常过大导致溢流损失。
- 流量再生型（Fig.1b）：部分高压油经再生阀回流至有杆腔，但大部分势能仍在阀口损失。
结论：CBS 的势能回收能力极弱。
2.2 多缸式 EARUS（Energy Alternate Recovery and Utilization System）
EARUS 采用 三缸结构：
- 中间缸为能量利用缸
- 两侧缸为能量回收缸
- 中间缸面积 = 两侧缸面积之和
动臂下降 → 回收缸将势能压入蓄能器 动臂上升 → 蓄能器经利用缸辅助主泵提升
已有研究表明：
- 势能回收效率：65.9%
- 综合节能率：41.6%
但存在：
- 阀组复杂、切换频繁
- 节流损失大
- 控制难度高、易产生冲击
📌 3. 本文提出的 BPERS：基于液压变换器 HT 的新型动臂势能回收系统
BPERS（Boom Potential Energy Regeneration System）核心创新：
3.1 引入液压变换器 HT（Hydraulic Transformer）
HT 由两台泵/马达刚性联轴组成，可实现：
- 压力变换
- 流量变换
- 高效率能量传递（文中指出 HT 可达 >0.9 的能量转换效率）
3.2 关键连接方式
- HT 两个入口 → 动臂无杆腔
- HT 两个出口 → 主阀 & 蓄能器
3.3 工作原理
- 动臂下降（能量回收） 无杆腔油液经 HT 增压 → 蓄能器 即使无杆腔压力低于蓄能器压力，也能回收（HT 的关键优势）
- 动臂上升（能量释放） 蓄能器经 HT 向主阀输出高压油 → 辅助主泵提升动臂
3.4 BPERS 的优势
- 结构比 EARUS 简单
- 阀口节流损失显著降低
- 能量传递链更短
- 可在低腔压条件下回收势能
- 与原机兼容性高
📌 4. 数学模型（含关键公式）
文中建立了完整的系统模型，包括：
4.1 动臂液压缸动力学
力平衡方程：
mx¨=PAAA−PBAB−Bmx˙−FL
可回收势能：
Er=∫t1t2PAQAdt
4.2 HT 力矩平衡
(PA−PT)Vh1+(PA−Px)Vh2=Jω˙+Bmω+Tf
摩擦力矩：
Tf=Cr(PA−PT)Vh1+Cr(PA−Px)Vh2
HT 能量转换效率：
ηtrans=∫(PTQT+PxQx)dt∫PAQAdt
4.3 蓄能器模型（绝热过程）
P0V0n=P01V01n=P02V02n
蓄能器能量变化：
Eacc=P0V01−n[(V01V0)1−n−(V02V0)1−n]
势能回收效率：
ηrec=EaccEr
📌 5. 参数影响分析（HT 与蓄能器）
5.1 HT 位移与压力对效率的影响
仿真结果（Fig.5–6）显示：
- HT 效率随压力先升后降（高压下泄漏与摩擦增大）
- 在较宽范围内效率可 >0.9
- 增大 HT 排量可提高效率，但受成本与安装空间限制
5.2 蓄能器体积与预充压力
结论（Fig.7）：
- 体积越小 → 单位体积能量密度越高 → 回收效率越高
- 预充压力越高 → 回收效率越低
- 但体积太小或预充压力太低会导致蓄能器过早饱和
最佳区间需综合能量、成本、控制稳定性。
📌 6. 仿真验证（Amesim）
基于 50t 挖掘机实测参数建立模型。
6.1 CBS 仿真结果
- 动臂下降势能：612.4 kJ
- 全部在阀口损失
- 动臂上升主泵输出：923.0 kJ
- 全周期主泵能量：1021 kJ
6.2 BPERS 仿真结果
- 回收势能：487.4 kJ
- 回收率：79.1%
- 全周期主泵能量：463.1 kJ
- 节能率：54.6%
主阀节流损失从 869.7 kJ → 195.6 kJ，下降 77%。
📌 7. 实机试验（50t 混动挖掘机）
试验平台包括：
- HT + 蓄能器
- 高精度压力/流量传感器
- 拉绳位移传感器
- IMC STUDIO 数据采集系统
7.1 CBS 实测
- 可回收势能：605.7 kJ（全部损失）
- 全周期主泵能量：1039 kJ
7.2 BPERS 实测
- 可回收势能：650.7 kJ
- 实际回收：560.4 kJ
- 回收率：86.1%
- 全周期主泵能量：576.1 kJ
- 节能率：44.6%
对比文献：
| 系统 | 回收效率 | 综合节能率 |
|---|---|---|
| EARUS | 65.9% | 41.6% |
| 文献[32] | 75.9% | 41.8% |
| BPERS（本文） | 86.1% | 44.6% |
BPERS 性能最优。
📌 8. 结论
本文提出的 BPERS 具有以下优势：
- 可在低腔压条件下回收势能（HT 的关键能力）
- 结构简单、能量链短、节流损失小
- 高回收效率（仿真 79.1%，实测 86.1%）
- 显著节能（仿真 54.6%，实测 44.6%）
- 与现有液压系统兼容性强，适合工程应用
https://doi.org/10.1109/ACCESS.2024.3386741 (doi.org in Bing)