高空作业车结构轻量化设计与强度优化研究

一、引言

高空作业车在建筑、电力、市政等领域关键。传统设计多用重材料以确保强度，导致整车过重，增加能耗与成本，且限制机动性。轻量化设计通过优化结构和选材，提升强度的同时实现减重。以捷尔杰450AJ 为研究对象，本研究探索其轻量化与强度优化，推动技术创新和行业竞争力提升。

二、JLG 450AJ 结构设计概述

（一）总体结构与作业性能分析

捷尔杰（JLG）450AJ 高空作业车采用折臂式结构设计，由底盘系统、回转机构、臂架系统、作业平台及液压控制系统等核心部分构成。底盘系统搭载高性能动力单元与先进传动装置，确保设备在复杂地形环境下具备良好的移动性能与通过性。回转机构采用高精度回转支承与液压驱动装置，实现作业平台 360° 全周向回转，拓展了作业范围。臂架系统由多节伸缩臂与折叠臂组合而成，通过液压油缸驱动，可实现最大作业高度 45 米、最大作业幅度 22 米的高空作业需求。作业平台配备智能调平系统与安全防护装置，能够在动态作业过程中保持水平状态，保障操作人员的作业安全与舒适性。该车型的作业性能参数在同类产品中处于领先水平，但其结构设计的质量冗余与材料利用率不足问题，为轻量化设计与强度优化提供了改进空间。

（二）关键部件结构构型

JLG 450AJ 的关键部件包括臂架、回转支承、液压油缸及作业平台。臂架采用高强度合金钢焊接成型，其截面形状为矩形箱式结构，内部设置多道加强筋板，以增强结构的抗弯与抗扭性能。回转支承作为连接底盘与上部工作装置的关键部件，采用双排异径球式回转支承，具备承载能力强、回转精度高的特点，能够有效传递倾覆力矩与轴向载荷。液压油缸作为臂架运动的执行元件，采用高强度无缝钢管制造，内部表面经过精密加工与特殊涂层处理，以提高密封性能与耐磨性。作业平台采用框架式结构，四周设置防护栏与安全门，底部铺设防滑绝缘材料，其结构设计兼顾了强度、轻量化与操作人员舒适性需求。这些关键部件的结构构型对整车的性能与安全性起着决定性作用，也是轻量化设计与强度优化的重点研究对象。

三、高空作业车结构轻量化设计分析

（一）轻量化设计基本原则与方法

高空作业车结构轻量化设计遵循 “功能优先、强度保障、材料适配、工艺可行” 的基本原则。在设计过程中，综合运用拓扑优化、形状优化、尺寸优化等数值计算方法，结合有限元分析技术，对结构进行多目标优化设计。拓扑优化通过在给定设计空间内寻找材料的最佳分布形态，去除冗余材料，实现结构轻量化；形状优化针对结构的几何形状进行调整，改善应力分布，提高材料利用率；尺寸优化则对结构部件的尺寸参数进行精细化设计，在满足强度要求的前提下减小部件质量。

（二）臂架结构截面优化设计路径分析

基于有限元分析结果，对臂架结构的应力分布进行详细研究，发现其在变截面处与铰接部位存在应力集中现象。针对这一问题，提出两种截面优化设计路径： 一是采用渐变式截面设计，将臂架截面尺寸从根部到端部逐渐减小，使结构应力分布更加均匀，降低材料冗余；二是优化加强筋板布局，通过拓扑优化算法确定加强筋板的最佳位置与形状，在保证结构刚度与强度的同时，减少加强筋板数量与厚度。

（三）液压软管与配重系统的轻量化优化可能性

液压软管作为高空作业车液压系统的重要组成部分，其质量与布置方式对整车轻量化具有一定影响。通过选用新型轻质高压软管材料，如增强型聚四氟乙烯软管，可在保证耐压性能的前提下降低软管质量。同时，优化液压软管的布置路径，减少软管长度与弯曲次数，降低流动阻力与压力损失，提高液压系统效率，间接实现轻量化目标。配重系统是保障高空作业车稳定性的关键部件，但现有配重设计往往存在质量过大问题[2]。通过对配重布局进行优化设计，采用可变配重方案，根据作业工况动态调整配重质量与位置，在满足稳定性要求的同时减少配重总量。

四、高空作业车结构轻量化设计与强度优化

（一）局部加固与载荷路径调整

在实现轻量化设计的同时，为确保结构强度不降低，需对关键部位进行局部加固与载荷路径调整。通过有限元分析确定结构应力集中区域与薄弱环节，采用 式进行加固处理。例如，在臂架铰接部位采用高强度衬套与加强垫板， 回转支承连接区域增加斜撑结构，增强结构的抗扭性能。同时，优化结 路径， 匀地分布到各承载部件，避免局部过载现象。通过合理设计结构连接方式与支撑布局，引导载荷沿着最优路径传递，提高结构整体强度与可靠性。

（I） 疲劳寿命评估与结构冗余设计

高空作业车在长期使用过程中，结构部件承受交变载荷作用，易发生疲劳破坏。因此，对结构进行疲劳寿命评估与冗余设计至关重要。采用基于应力 - 寿命（S - N）曲线的疲劳分析方法，结合有限元计算得到的应力时间历程，对臂架、回转支承等关键部件进行疲劳寿命预测。根据疲劳寿命评估结果，对疲劳寿命较低的部件进行结构改进，如优化表面加工工艺、采用应力集中系数较小的结构形式等，提高部件的疲劳性能。

（三）支撑系统稳定性计算与平台抗倾覆

支撑系统是保障高空作业车作业稳定性的重要组成部分。通过建立支撑系统的力学模型，运用静力学与动力学分析方法，对支撑腿的受力状态、变形情况及整车稳定性进行计算分析。优化支撑腿的结构尺寸与布置方式，提高支撑系统的承载能力与稳定性。同时，针对作业平台的抗倾覆问题，设计抗倾覆控制系统，通过安装倾角传感器、力传感器等检测装置，实时监测平台姿态与受力情况。当检测到平台出现倾覆趋势时，系统自动调整支撑腿压力或臂架姿态，确保平台保持稳定。

（四）极端作业环境下的结构安全性提升

高空作业车在高温、低温、高海拔等极端作业环境下，结构材料性能与力学行为会发生显著变化。为提升极端环境下的结构安全性，需对材料进行特殊处理与选用[3]。例如，在低温环境下，选用具有良好低温韧性的钢材，避免材料发生脆性断裂；在高温环境下，采用耐高温合金材料，保证结构在高温下的强度与稳定性。同时，优化结构设计，考虑极端环境因素对结构受力与变形的影响，加强关键部位的防护与隔热措施。针对高海拔地区气压低、氧气含量少的特点，对液压系统与动力系统进行适应性改进，确保设备在极端环境下能够正常运行，保障结构安全性与作业可靠性。

五、结语

本研究以捷尔杰（JLG）450AJ 高空作业车为研究对象，系统开展了结构轻量化设计与强度优化研究。通过对其结构设计概述、轻量化设计分析及强度优化策略的深入研究，提出了一系列有效的设计方法与技术措施。在轻量化设计方面，通过优化臂架结构截面、探索液压软管与配重系统轻量化途径，实现了结构质量的有效降低；在强度优化方面，运用局部加固、疲劳寿命评估、支撑系统稳定性计算等手段，保障了轻量化后结构的强度与可靠性。展望未来，可进一步探索碳纤维复合材料、纳米材料等新型材料在高空作业车结构中的应用，结合增材制造技术实现复杂结构的轻量化设计。

参考文献

[1] 曹国智， 熊新红， 朱春东， 等. 基于响应面法的高空作业车伸缩臂轻量化分析[J]. 起重运输机

械，2023，（07）：39-44.

[2] 金弘睿， 王国贤， 朱春东， 等. 基于 NSGA-Ⅱ的高空作业车伸缩臂截面优化分析[J]. 起重运输机

械，2024，（15）：33-39.

[3] 曹国智.高空作业车车臂轻量化设计及参数优化[J].起重运输机械，2024，（04）：46-51.