大型矿用液压挖掘机主要用于露天矿开采和大型基建工程,其特点是工作重量大、装机功率大、工作环境恶劣、能量消耗大。液压挖掘机采用的液压系统运行时能量效率很低,平均效率只能达到30%~40%,因此具有巨大的节能潜力。为了改变这一现状,本研究对大型矿用液压挖掘机电液控制系统设计和节能控制的关键技术进行了全面研究。研究依托项目中设计的15 m3液压挖掘机为这一吨位的国内首台机器,缺乏相关设计经验和依据。针对这一现状,利用机电液联合仿真虚拟样机模型,对新机型使用的电液控制系统进行了仿真设计,全面分析了其工作性能。最后对生产的15 m3液压挖掘机物理样机进行测试,分析测试结果并与仿真结果进行对比,得到完整的大型矿用液压挖掘机虚拟样机建模方法。在全面分析大型液压挖掘机能耗和控制问题的基础上,提出将进出口独立控制系统引入大型液压挖掘机。为了便于验证和分析该控制系统,首先建立了基于6 t液压挖掘机的进出口独立控制系统试验平台,在该平台基础上进行了进出口独立控制液压系统的控制策略和节能效果的分析验证。在此基础上,以76 t级挖掘机为平台,设计了以目前挖掘机常用的负流量控制系统为基础的进出口独立控制系统,并设计了基于液-气储能平衡原理的动臂势能回收系统。新系统全面考虑了大型工作装置重量大、启动惯性大的特点。通过了实验和仿真分析,证明新系统全面提高了挖掘机能效。进一步的,针对目前挖掘机动臂能量回收系统的工作特点,建立了基于多物理场耦合方法的蓄能器热固流耦合模型。得到蓄能器工作过程气体容腔内部的动态压力分布、温度分布和气体运动规律,并分析了蓄能器参数对系统效率的影响。利用建立的模型进行蓄能器选型参数优化并通过实际机器验证选型的有效性。在前文研究的基础上,将进出口独立控制的电液比例控制系统和液-气储能平衡的动臂势能回收系统推广到了更大吨位的20 m3液压挖掘机的设计中,并通过虚拟样机仿真验证了系统的可行性。本文主要研究成果为:(1)利用电液联合仿真虚拟样机设计了国内第一台斗容15 m~3的大型矿用液压挖掘机样机电液控制系统。(2)提出了泵阀复合控制的进出口独立控制液压系统并建立了实验平台,通过实验验证了新系统的控制策略。(3)提出了基于液-气储能平衡原理的大型液压挖掘机势能回收系统,并在76 t挖掘机样机上验证。(4)将进出口独立控制的电液控制系统和液-气储能平衡的动臂势能回收系统进行了推广,设计了采用在20 m3液压挖掘机原型机上的新型系统。