基于SolidWorks深埋式垃圾桶底部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

朱芒，高翔

（1.上海龍澄環(huán)境集團(tuán)有限公司，上海 201707；2.武漢龍澄環(huán)境裝備有限公司，武漢 430400）

0 引言

面對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有垃圾收運(yùn)存在的不足和垃圾收運(yùn)的迫切性，亟需一種新的收運(yùn)模式來(lái)解決現(xiàn)垃圾收運(yùn)行業(yè)遇到的困境，在此背景下，引進(jìn)了歐美發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)過(guò)近30 a實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的生活垃圾處理體系“深埋式垃圾桶直收直運(yùn)體系”。根據(jù)中國(guó)城鎮(zhèn)環(huán)境的實(shí)際情況進(jìn)行了針對(duì)性的改進(jìn)及創(chuàng)新，現(xiàn)已在國(guó)內(nèi)多個(gè)區(qū)域使用，真正實(shí)現(xiàn)了“車桶對(duì)接、密閉運(yùn)輸”，達(dá)到“收集清運(yùn)全封閉，生活垃圾不落地”的目標(biāo)，徹底解決了垃圾收運(yùn)存在的問(wèn)題。

深埋式垃圾桶直收直運(yùn)模式起源于歐洲，在多個(gè)國(guó)家已廣泛使用近30 a，21世紀(jì)初期被引進(jìn)國(guó)內(nèi)使用。該模式打破了傳統(tǒng)垃圾收運(yùn)模式的固化思維，通過(guò)深埋式垃圾桶、自裝卸式垃圾車和智慧環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)的功能組合，將垃圾直接從垃圾收集點(diǎn)進(jìn)行壓縮處理后運(yùn)送至終端處理場(chǎng)所，全程無(wú)任何拋灑滴漏現(xiàn)象，既簡(jiǎn)化了垃圾收運(yùn)環(huán)節(jié)，又能有效避免二次環(huán)境污染。該模式無(wú)需通水通電，適用于各類社區(qū)、居民小區(qū)、公園、景點(diǎn)垃圾收集及公路清掃保潔的定點(diǎn)收集。

深埋式垃圾桶是生活垃圾直收直運(yùn)系統(tǒng)的核心組成部分，主要對(duì)生活垃圾起到分類、收集、儲(chǔ)存作用。深埋式垃圾桶主要由外桶體、內(nèi)桶體、桶蓋3部分組成，圖1為深埋式垃圾桶結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 深埋式垃圾桶結(jié)構(gòu)示意圖

外桶體主要用于放置內(nèi)桶體及內(nèi)桶體內(nèi)部收集的生活垃圾，并將生活垃圾與周邊環(huán)境隔離，防止收集生活垃圾污染周邊環(huán)境。內(nèi)桶體主要用于生活垃圾的收集、儲(chǔ)存；桶蓋采用可開(kāi)啟機(jī)構(gòu)，主要作為生活垃圾的投料口，并與外桶體構(gòu)成一個(gè)相對(duì)密閉的空間，防止雨水、蚊蟲(chóng)與內(nèi)桶體生活垃圾接觸，污染環(huán)境。

本文以深埋式垃圾桶為研究對(duì)象，對(duì)深埋式垃圾桶底部采用不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式，利用SolidWorks有限元分析工具，對(duì)不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，并結(jié)合深埋式垃圾桶滾塑成型工藝，選出優(yōu)化方案。

1 深埋式垃圾桶外桶體成型工藝

深埋式垃圾桶外桶體采用滾塑成型工藝。滾塑是滾塑成型工藝的簡(jiǎn)稱，它與注射成型、擠塑成型、吹塑成型等一樣，也是塑料制品的加工成型方法之一。人們之所以把這種成型方法稱為滾塑，是因?yàn)樵谄浼庸こ尚退芰现破返倪^(guò)程中，模具一直處于翻滾旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，所以也有人把滾塑稱為旋塑、旋轉(zhuǎn)模塑、旋轉(zhuǎn)成型等[1]。

由于滾塑工藝的特性，滾塑成型最主要是用來(lái)成型制造中空塑料制品。目前，滾塑成型不僅是中、大型中空塑料制品的主要成型方法之一，而且是超大型和異型中空塑料制品的最主要加工方法。

滾塑成型的整個(gè)制造工藝原理和過(guò)程主要分為4步：投料、加熱、冷卻、脫模[1]。滾塑工藝在成本、設(shè)計(jì)和性能方面具有很多優(yōu)勢(shì)。與注射成型或吹塑模具相比，滾塑模具造價(jià)只有注射成型或吹塑模具造價(jià)的1/4～1/5，尤其適用于多品種小批量新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。滾塑成型可以制作復(fù)雜的中空類產(chǎn)品，產(chǎn)品造型不受模具限制，尤其適合于中空異型復(fù)雜產(chǎn)品的生產(chǎn)，可以拓寬設(shè)計(jì)人員思路。

在性能方面，制品在成型過(guò)程中沒(méi)有壓力，制品內(nèi)應(yīng)力?。粷L塑材料主要為線性低密度聚乙烯，該種材料耐候性好、化學(xué)性能穩(wěn)定，適合在戶外環(huán)境使用。

目前，滾塑成型技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)成為繼注射成型、擠出成型、吹塑成型外的第四大成型工藝。

2 深埋式垃圾桶安裝方式

深埋式垃圾桶在歐美國(guó)家基本采用半埋方式進(jìn)行安裝，桶體約有1/3～1/2高度位于地表以上。造成這種安裝方式比較普遍的原因是，歐美國(guó)家實(shí)施垃圾分類比較早，相對(duì)生活垃圾配套設(shè)施比較齊全，居民生活垃圾分類意識(shí)比較高，且有相關(guān)法律規(guī)定。在這種情況下，深埋式垃圾桶的主要作用是由居民個(gè)人將生活垃圾投遞至深埋式垃圾桶內(nèi)。半埋的方式適合居民投遞生活垃圾，符合居民投遞垃圾的生活習(xí)慣。圖2為歐美深埋式垃圾桶安裝方式。

圖2 歐美深埋式垃圾桶安裝方式

國(guó)內(nèi)由于生活垃圾配套處理設(shè)施建設(shè)配套不齊，居民生活垃圾產(chǎn)生量隨季節(jié)性波動(dòng)較大等各方面影響。深埋式垃圾桶在國(guó)內(nèi)主要是起到一個(gè)生活垃圾中轉(zhuǎn)站的作用，主要是由環(huán)衛(wèi)保潔員到各街道、小區(qū)、村組進(jìn)行生活垃圾收集，然后再由環(huán)衛(wèi)保潔員將生活垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)至深埋式垃圾桶設(shè)置點(diǎn)，通過(guò)環(huán)衛(wèi)保潔車或三輪車將生活垃圾倒入深埋式垃圾桶內(nèi)；該種模式下，深埋式垃圾桶直接對(duì)接的不是居民，而是環(huán)衛(wèi)保潔員。因此在國(guó)內(nèi)深埋式垃圾桶安裝方面無(wú)法完全參照歐美安裝方式。針對(duì)國(guó)內(nèi)實(shí)際使用情況，提出了深埋式垃圾桶深埋式安裝方式，以適應(yīng)國(guó)內(nèi)生活垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)需求。

深埋式垃圾桶外桶體高度在2.0～2.4 m間，深埋式垃圾桶外桶體采用深埋式安裝方式，外桶體桶身大約有1/3～1/4高度位于地表以上，2/3～3/4位于地表以下。圖3為深埋式垃圾桶安裝后實(shí)景圖。

圖3 深埋式垃圾桶安裝實(shí)景圖

3 深埋式垃圾桶三維建模

通過(guò)查閱文獻(xiàn)[1]～[4]發(fā)現(xiàn)，采用滾塑成型工藝制作加強(qiáng)筋時(shí)需要遵循一定的基本原則，結(jié)合滾塑成型工藝、滾塑模具制作及脫模難易程度等方面，利用SolidWorks軟件繪制深埋式垃圾桶3種不同的三維模型。

3.1 設(shè)計(jì)方案一：深埋式垃圾桶外桶體（平底）

原有深埋式垃圾桶采用的是平底結(jié)構(gòu)形式。平底結(jié)構(gòu)形式具有加工制作簡(jiǎn)單、模具制作成本低、產(chǎn)品脫模簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。但是平底結(jié)構(gòu)底部強(qiáng)度較低，沒(méi)有結(jié)構(gòu)作支撐，該方案作為對(duì)比方案。

圖4為深埋式垃圾桶桶底（平底）整體圖，圖5為深埋式垃圾桶桶底（平底）局部圖。

圖4 深埋式垃圾桶桶底（平底）整體圖

圖5 深埋式垃圾桶桶底（平底）局部圖

3.2 設(shè)計(jì)方案二：深埋式垃圾桶外桶體（方格狀加強(qiáng)筋）

深埋式垃圾桶方格加強(qiáng)筋方案是在原有平底桶基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化而來(lái)；底部安裝縱橫交錯(cuò)狀加強(qiáng)筋，起到提升桶底強(qiáng)度作用。該種方案模具制作復(fù)雜，模具成本高；方格狀加強(qiáng)筋產(chǎn)品脫模困難。

圖6為方格狀加強(qiáng)筋整體圖，圖7為方格狀加強(qiáng)筋局部圖。

圖6 方格狀加強(qiáng)筋整體圖

圖7 方格狀加強(qiáng)筋局部圖

3.3 設(shè)計(jì)方案三：深埋式垃圾桶外桶體（輻射狀加強(qiáng)筋）

深埋式垃圾桶輻射狀加強(qiáng)筋是在方格狀加強(qiáng)筋基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，將加強(qiáng)筋改為輻射狀，通過(guò)圓周方向加強(qiáng)筋進(jìn)行連接，外桶體中間底部設(shè)計(jì)一個(gè)與加強(qiáng)筋等高的圓盤，用以減輕變形對(duì)內(nèi)桶體的影響。該方案模具制作也較復(fù)雜，模具成本高；采用輻射狀加強(qiáng)筋脫模脫模也較困難。

圖8為輻射狀加強(qiáng)筋整體圖，圖9為輻射狀加強(qiáng)筋局部圖。

圖8 輻射狀加強(qiáng)筋整體圖

圖9 輻射狀加強(qiáng)筋局部圖

4 有限元分析

SolidWorks Simulation是SolidWorks自帶的有限元分析軟件，功能雖然不如專業(yè)的有限元分析軟件ANSYS、ABAQUS等功能強(qiáng)大，但是SolidWorks Simulation具有易學(xué)易用、效率高、功能強(qiáng)、精度相對(duì)較高、使用場(chǎng)景多、自身環(huán)境閉環(huán)、減少其他軟件容易出現(xiàn)的兼容錯(cuò)誤，以及對(duì)電腦配置需求相對(duì)不高等諸多優(yōu)點(diǎn)。

SolidWorks Simulation有限元分析的主要作用是為工程師在設(shè)計(jì)階段提供方向指引和參考，為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

4.1 參數(shù)設(shè)置

上述3個(gè)方案建模完成后，利用SolidWorks軟件進(jìn)行有限分析分析，分析前設(shè)置如下參數(shù)：桶底承受壓強(qiáng)P。深埋式垃圾桶外桶體承受地下水對(duì)其產(chǎn)生浮力作用，并產(chǎn)生壓強(qiáng)，壓強(qiáng)直接與水位高度成正比，按照極限情況假設(shè)全部在水中，水位高度為h=2.4 m（桶高），桶底部受到壓強(qiáng)為P=ρgh，式中：ρ為水的密度；h為水位高度。通過(guò)代入公式后可得桶底所受壓強(qiáng)P=24 kPa。

4.2 外桶體材料屬性

外桶體采用滾塑工藝，所選用材料為線性低密度聚乙烯（LLDPE），通過(guò)查詢相關(guān)資料[5]，材料屬性如表1所示。

表1 材料屬性

4.3 分析結(jié)果

1）方案一：深埋式垃圾桶外桶體（平底）。

外桶底部無(wú)加強(qiáng)筋時(shí)，底部最大變形量為67.253 mm，平底加強(qiáng)筋變形量圖如圖10所示。

圖10 平底加強(qiáng)筋變形量圖

2）設(shè)計(jì)方案二：深埋式垃圾桶外桶體（方格狀加強(qiáng)筋）。

外桶底部網(wǎng)狀加強(qiáng)筋時(shí)，底部最大變形量為14.784 mm，如圖11所示。

圖11 方格狀加強(qiáng)筋變形量圖

3）設(shè)計(jì)方案三：深埋式垃圾桶外桶體（輻射狀加強(qiáng)筋）。

外桶底部加強(qiáng)筋以圓中心呈放射狀布置時(shí)，底部最大變形量為10.808 mm，如圖12所示。

圖12 輻射狀加強(qiáng)筋變形量圖

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)Solid-Works有限元分析，模擬深埋式垃圾桶工作環(huán)境，針對(duì)3種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析模擬，得出深埋式垃圾桶桶底中心點(diǎn)處變形量最大，采用輻射狀加強(qiáng)筋外桶體底部抗變形能力最好，變形量為10.808 mm，相比平底結(jié)構(gòu)變形量67.253 mm，變形量減小約83.9%，為后續(xù)產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和研發(fā)方向。