基于SolidWorks深埋式垃圾桶底部结构设计

朱芒，高翔

（1.上海龙澄环境集团有限公司，上海 201707；2.武汉龙澄环境装备有限公司，武汉 430400）

0 引言

面对国内现有垃圾收运存在的不足和垃圾收运的迫切性，亟需一种新的收运模式来解决现垃圾收运行业遇到的困境，在此背景下，引进了欧美发达国家经过近30 a实践经验的生活垃圾处理体系“深埋式垃圾桶直收直运体系”。根据中国城镇环境的实际情况进行了针对性的改进及创新，现已在国内多个区域使用，真正实现了“车桶对接、密闭运输”，达到“收集清运全封闭，生活垃圾不落地”的目标，彻底解决了垃圾收运存在的问题。

深埋式垃圾桶直收直运模式起源于欧洲，在多个国家已广泛使用近30 a，21世纪初期被引进国内使用。该模式打破了传统垃圾收运模式的固化思维，通过深埋式垃圾桶、自装卸式垃圾车和智慧环卫系统的功能组合，将垃圾直接从垃圾收集点进行压缩处理后运送至终端处理场所，全程无任何抛洒滴漏现象，既简化了垃圾收运环节，又能有效避免二次环境污染。该模式无需通水通电，适用于各类社区、居民小区、公园、景点垃圾收集及公路清扫保洁的定点收集。

深埋式垃圾桶是生活垃圾直收直运系统的核心组成部分，主要对生活垃圾起到分类、收集、储存作用。深埋式垃圾桶主要由外桶体、内桶体、桶盖3部分组成，图1为深埋式垃圾桶结构示意图。

图1 深埋式垃圾桶结构示意图

外桶体主要用于放置内桶体及内桶体内部收集的生活垃圾，并将生活垃圾与周边环境隔离，防止收集生活垃圾污染周边环境。内桶体主要用于生活垃圾的收集、储存；桶盖采用可开启机构，主要作为生活垃圾的投料口，并与外桶体构成一个相对密闭的空间，防止雨水、蚊虫与内桶体生活垃圾接触，污染环境。

本文以深埋式垃圾桶为研究对象，对深埋式垃圾桶底部采用不同的结构设计方式，利用SolidWorks有限元分析工具，对不同结构设计进行分析，并结合深埋式垃圾桶滚塑成型工艺，选出优化方案。

1 深埋式垃圾桶外桶体成型工艺

深埋式垃圾桶外桶体采用滚塑成型工艺。滚塑是滚塑成型工艺的简称，它与注射成型、挤塑成型、吹塑成型等一样，也是塑料制品的加工成型方法之一。人们之所以把这种成型方法称为滚塑，是因为在其加工成型塑料制品的过程中，模具一直处于翻滚旋转状态，所以也有人把滚塑称为旋塑、旋转模塑、旋转成型等[1]。

由于滚塑工艺的特性，滚塑成型最主要是用来成型制造中空塑料制品。目前，滚塑成型不仅是中、大型中空塑料制品的主要成型方法之一，而且是超大型和异型中空塑料制品的最主要加工方法。

滚塑成型的整个制造工艺原理和过程主要分为4步：投料、加热、冷却、脱模[1]。滚塑工艺在成本、设计和性能方面具有很多优势。与注射成型或吹塑模具相比，滚塑模具造价只有注射成型或吹塑模具造价的1/4～1/5，尤其适用于多品种小批量新产品开发。滚塑成型可以制作复杂的中空类产品，产品造型不受模具限制，尤其适合于中空异型复杂产品的生产，可以拓宽设计人员思路。

在性能方面，制品在成型过程中没有压力，制品内应力小；滚塑材料主要为线性低密度聚乙烯，该种材料耐候性好、化学性能稳定，适合在户外环境使用。

目前，滚塑成型技术发展迅速，已经成为继注射成型、挤出成型、吹塑成型外的第四大成型工艺。

2 深埋式垃圾桶安装方式

深埋式垃圾桶在欧美国家基本采用半埋方式进行安装，桶体约有1/3～1/2高度位于地表以上。造成这种安装方式比较普遍的原因是，欧美国家实施垃圾分类比较早，相对生活垃圾配套设施比较齐全，居民生活垃圾分类意识比较高，且有相关法律规定。在这种情况下，深埋式垃圾桶的主要作用是由居民个人将生活垃圾投递至深埋式垃圾桶内。半埋的方式适合居民投递生活垃圾，符合居民投递垃圾的生活习惯。图2为欧美深埋式垃圾桶安装方式。

图2 欧美深埋式垃圾桶安装方式

国内由于生活垃圾配套处理设施建设配套不齐，居民生活垃圾产生量随季节性波动较大等各方面影响。深埋式垃圾桶在国内主要是起到一个生活垃圾中转站的作用，主要是由环卫保洁员到各街道、小区、村组进行生活垃圾收集，然后再由环卫保洁员将生活垃圾转运至深埋式垃圾桶设置点，通过环卫保洁车或三轮车将生活垃圾倒入深埋式垃圾桶内；该种模式下，深埋式垃圾桶直接对接的不是居民，而是环卫保洁员。因此在国内深埋式垃圾桶安装方面无法完全参照欧美安装方式。针对国内实际使用情况，提出了深埋式垃圾桶深埋式安装方式，以适应国内生活垃圾转运需求。

深埋式垃圾桶外桶体高度在2.0～2.4 m间，深埋式垃圾桶外桶体采用深埋式安装方式，外桶体桶身大约有1/3～1/4高度位于地表以上，2/3～3/4位于地表以下。图3为深埋式垃圾桶安装后实景图。

图3 深埋式垃圾桶安装实景图

3 深埋式垃圾桶三维建模

通过查阅文献[1]～[4]发现，采用滚塑成型工艺制作加强筋时需要遵循一定的基本原则，结合滚塑成型工艺、滚塑模具制作及脱模难易程度等方面，利用SolidWorks软件绘制深埋式垃圾桶3种不同的三维模型。

3.1 设计方案一：深埋式垃圾桶外桶体（平底）

原有深埋式垃圾桶采用的是平底结构形式。平底结构形式具有加工制作简单、模具制作成本低、产品脱模简单等优点。但是平底结构底部强度较低，没有结构作支撑，该方案作为对比方案。

图4为深埋式垃圾桶桶底（平底）整体图，图5为深埋式垃圾桶桶底（平底）局部图。

图4 深埋式垃圾桶桶底（平底）整体图

图5 深埋式垃圾桶桶底（平底）局部图

3.2 设计方案二：深埋式垃圾桶外桶体（方格状加强筋）

深埋式垃圾桶方格加强筋方案是在原有平底桶基础上进行改进优化而来；底部安装纵横交错状加强筋，起到提升桶底强度作用。该种方案模具制作复杂，模具成本高；方格状加强筋产品脱模困难。

图6为方格状加强筋整体图，图7为方格状加强筋局部图。

图6 方格状加强筋整体图

图7 方格状加强筋局部图

3.3 设计方案三：深埋式垃圾桶外桶体（辐射状加强筋）

深埋式垃圾桶辐射状加强筋是在方格状加强筋基础上发展而来，将加强筋改为辐射状，通过圆周方向加强筋进行连接，外桶体中间底部设计一个与加强筋等高的圆盘，用以减轻变形对内桶体的影响。该方案模具制作也较复杂，模具成本高；采用辐射状加强筋脱模脱模也较困难。

图8为辐射状加强筋整体图，图9为辐射状加强筋局部图。

图8 辐射状加强筋整体图

图9 辐射状加强筋局部图

4 有限元分析

SolidWorks Simulation是SolidWorks自带的有限元分析软件，功能虽然不如专业的有限元分析软件ANSYS、ABAQUS等功能强大，但是SolidWorks Simulation具有易学易用、效率高、功能强、精度相对较高、使用场景多、自身环境闭环、减少其他软件容易出现的兼容错误，以及对电脑配置需求相对不高等诸多优点。

SolidWorks Simulation有限元分析的主要作用是为工程师在设计阶段提供方向指引和参考，为产品结构设计提供理论依据。

4.1 参数设置

上述3个方案建模完成后，利用SolidWorks软件进行有限分析分析，分析前设置如下参数：桶底承受压强P。深埋式垃圾桶外桶体承受地下水对其产生浮力作用，并产生压强，压强直接与水位高度成正比，按照极限情况假设全部在水中，水位高度为h=2.4 m（桶高），桶底部受到压强为P=ρgh，式中：ρ为水的密度；h为水位高度。通过代入公式后可得桶底所受压强P=24 kPa。

4.2 外桶体材料属性

外桶体采用滚塑工艺，所选用材料为线性低密度聚乙烯（LLDPE），通过查询相关资料[5]，材料属性如表1所示。

表1 材料属性

4.3 分析结果

1）方案一：深埋式垃圾桶外桶体（平底）。

外桶底部无加强筋时，底部最大变形量为67.253 mm，平底加强筋变形量图如图10所示。

图10 平底加强筋变形量图

2）设计方案二：深埋式垃圾桶外桶体（方格状加强筋）。

外桶底部网状加强筋时，底部最大变形量为14.784 mm，如图11所示。

图11 方格状加强筋变形量图

3）设计方案三：深埋式垃圾桶外桶体（辐射状加强筋）。

外桶底部加强筋以圆中心呈放射状布置时，底部最大变形量为10.808 mm，如图12所示。

图12 辐射状加强筋变形量图

5 结语

经Solid-Works有限元分析，模拟深埋式垃圾桶工作环境，针对3种结构设计方案进行分析模拟，得出深埋式垃圾桶桶底中心点处变形量最大，采用辐射状加强筋外桶体底部抗变形能力最好，变形量为10.808 mm，相比平底结构变形量67.253 mm，变形量减小约83.9%，为后续产品研发设计及改进提供了坚实的理论基础和研发方向。