基于SolidWorks深埋式垃圾桶底部結構設計

朱芒，高翔

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

0 引言

面對國內現有垃圾收運存在的不足和垃圾收運的迫切性，亟需一種新的收運模式來解決現垃圾收運行業遇到的困境，在此背景下，引進了歐美發達國家經過近30 a實踐經驗的生活垃圾處理體系“深埋式垃圾桶直收直運體系”。根據中國城鎮環境的實際情況進行了針對性的改進及創新，現已在國內多個區域使用，真正實現了“車桶對接、密閉運輸”，達到“收集清運全封閉，生活垃圾不落地”的目標，徹底解決了垃圾收運存在的問題。

深埋式垃圾桶直收直運模式起源于歐洲，在多個國家已廣泛使用近30 a，21世紀初期被引進國內使用。該模式打破了傳統垃圾收運模式的固化思維，通過深埋式垃圾桶、自裝卸式垃圾車和智慧環衛系統的功能組合，將垃圾直接從垃圾收集點進行壓縮處理后運送至終端處理場所，全程無任何拋灑滴漏現象，既簡化了垃圾收運環節，又能有效避免二次環境污染。該模式無需通水通電，適用于各類社區、居民小區、公園、景點垃圾收集及公路清掃保潔的定點收集。

深埋式垃圾桶是生活垃圾直收直運系統的核心組成部分，主要對生活垃圾起到分類、收集、儲存作用。深埋式垃圾桶主要由外桶體、內桶體、桶蓋3部分組成，圖1為深埋式垃圾桶結構示意圖。

圖1 深埋式垃圾桶結構示意圖

外桶體主要用于放置內桶體及內桶體內部收集的生活垃圾，并將生活垃圾與周邊環境隔離，防止收集生活垃圾污染周邊環境。內桶體主要用于生活垃圾的收集、儲存；桶蓋采用可開啟機構，主要作為生活垃圾的投料口，并與外桶體構成一個相對密閉的空間，防止雨水、蚊蟲與內桶體生活垃圾接觸，污染環境。

本文以深埋式垃圾桶為研究對象，對深埋式垃圾桶底部采用不同的結構設計方式，利用SolidWorks有限元分析工具，對不同結構設計進行分析，并結合深埋式垃圾桶滾塑成型工藝，選出優化方案。

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，是因為在其加工成型塑料制品的過程中，模具一直處于翻滾旋轉狀態，所以也有人把滾塑稱為旋塑、旋轉模塑、旋轉成型等[1]。

由于滾塑工藝的特性，滾塑成型最主要是用來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。

滾塑成型的整個制造工藝原理和過程主要分為4步：投料、加熱、冷卻、脫模[1]。滾塑工藝在成本、設計和性能方面具有很多優勢。與注射成型或吹塑模具相比，滾塑模具造價只有注射成型或吹塑模具造價的1/4～1/5，尤其適用于多品種小批量新產品開發。滾塑成型可以制作復雜的中空類產品，產品造型不受模具限制，尤其適合于中空異型復雜產品的生產，可以拓寬設計人員思路。

在性能方面，制品在成型過程中沒有壓力，制品內應力??；滾塑材料主要為線性低密度聚乙烯，該種材料耐候性好、化學性能穩定，適合在戶外環境使用。

目前，滾塑成型技術發展迅速，已經成為繼注射成型、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家基本采用半埋方式進行安裝，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，歐美國家實施垃圾分類比較早，相對生活垃圾配套設施比較齊全，居民生活垃圾分類意識比較高，且有相關法律規定。在這種情況下，深埋式垃圾桶的主要作用是由居民個人將生活垃圾投遞至深埋式垃圾桶內。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

國內由于生活垃圾配套處理設施建設配套不齊，居民生活垃圾產生量隨季節性波動較大等各方面影響。深埋式垃圾桶在國內主要是起到一個生活垃圾中轉站的作用，主要是由環衛保潔員到各街道、小區、村組進行生活垃圾收集，然后再由環衛保潔員將生活垃圾轉運至深埋式垃圾桶設置點，通過環衛保潔車或三輪車將生活垃圾倒入深埋式垃圾桶內；該種模式下，深埋式垃圾桶直接對接的不是居民，而是環衛保潔員。因此在國內深埋式垃圾桶安裝方面無法完全參照歐美安裝方式。針對國內實際使用情況，提出了深埋式垃圾桶深埋式安裝方式，以適應國內生活垃圾轉運需求。

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景圖。

圖3 深埋式垃圾桶安裝實景圖

3 深埋式垃圾桶三維建模

通過查閱文獻[1]～[4]發現，采用滾塑成型工藝制作加強筋時需要遵循一定的基本原則，結合滾塑成型工藝、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 設計方案一：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構形式。平底結構形式具有加工制作簡單、模具制作成本低、產品脫模簡單等優點。但是平底結構底部強度較低，沒有結構作支撐，該方案作為對比方案。

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 設計方案二：深埋式垃圾桶外桶體（方格狀加強筋）

深埋式垃圾桶方格加強筋方案是在原有平底桶基礎上進行改進優化而來；底部安裝縱橫交錯狀加強筋，起到提升桶底強度作用。該種方案模具制作復雜，模具成本高；方格狀加強筋產品脫模困難。

圖6為方格狀加強筋整體圖，圖7為方格狀加強筋局部圖。

圖6 方格狀加強筋整體圖

圖7 方格狀加強筋局部圖

3.3 設計方案三：深埋式垃圾桶外桶體（輻射狀加強筋）

深埋式垃圾桶輻射狀加強筋是在方格狀加強筋基礎上發展而來，將加強筋改為輻射狀，通過圓周方向加強筋進行連接，外桶體中間底部設計一個與加強筋等高的圓盤，用以減輕變形對內桶體的影響。該方案模具制作也較復雜，模具成本高；采用輻射狀加強筋脫模脫模也較困難。

圖8為輻射狀加強筋整體圖，圖9為輻射狀加強筋局部圖。

圖8 輻射狀加強筋整體圖

圖9 輻射狀加強筋局部圖

4 有限元分析

SolidWorks Simulation是SolidWorks自帶的有限元分析軟件，功能雖然不如專業的有限元分析軟件ANSYS、ABAQUS等功能強大，但是SolidWorks Simulation具有易學易用、效率高、功能強、精度相對較高、使用場景多、自身環境閉環、減少其他軟件容易出現的兼容錯誤，以及對電腦配置需求相對不高等諸多優點。

SolidWorks Simulation有限元分析的主要作用是為工程師在設計階段提供方向指引和參考，為產品結構設計提供理論依據。

4.1 參數設置

上述3個方案建模完成后，利用SolidWorks軟件進行有限分析分析，分析前設置如下參數：桶底承受壓強P。深埋式垃圾桶外桶體承受地下水對其產生浮力作用，并產生壓強，壓強直接與水位高度成正比，按照極限情況假設全部在水中，水位高度為h=2.4 m（桶高），桶底部受到壓強為P=ρgh，式中：ρ為水的密度；h為水位高度。通過代入公式后可得桶底所受壓強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），通過查詢相關資料[5]，材料屬性如表1所示。

表1 材料屬性

4.3 分析結果

1）方案一：深埋式垃圾桶外桶體（平底）。

外桶底部無加強筋時，底部最大變形量為67.253 mm，平底加強筋變形量圖如圖10所示。

圖10 平底加強筋變形量圖

2）設計方案二：深埋式垃圾桶外桶體（方格狀加強筋）。

外桶底部網狀加強筋時，底部最大變形量為14.784 mm，如圖11所示。

圖11 方格狀加強筋變形量圖

3）設計方案三：深埋式垃圾桶外桶體（輻射狀加強筋）。

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

圖12 輻射狀加強筋變形量圖

5 結語

經Solid-Works有限元分析，模擬深埋式垃圾桶工作環境，針對3種結構設計方案進行分析模擬，得出深埋式垃圾桶桶底中心點處變形量最大，采用輻射狀加強筋外桶體底部抗變形能力最好，變形量為10.808 mm，相比平底結構變形量67.253 mm，變形量減小約83.9%，為后續產品研發設計及改進提供了堅實的理論基礎和研發方向。