真空負壓式廁所方艙的設計與研究

肖巖平，孫 暉，劉 偉，閆金業，劉宇奇

（1.軍事科學院系統工程研究院，北京 100000；2.遼寧陸平機器股份有限公司，遼寧 鐵嶺 112001；3.湖南真創環?？萍加邢薰?，湖南 長沙 412000）

0 引言

自然災害的發生往往會給正常生活帶來極大影響，如何在災害環境下提供良好的如廁環境，滿足人們的如廁需求成為亟待解決的問題之一。此外，隨著大眾生活態度的轉變，野外徒步、拓展的人們越來越多，在野外環境下提供如廁保障，也成為制約旅游發展的一大難題。

美國國家公園管理局將真空負壓式廁所方艙應用于野外露營區，取得了成功。這種廁所方艙能夠快速部署，不需要接通水源和排污管道，避免了對環境的破壞。又如，日本的一些公共場所和旅游景點也開始采用真空負壓式廁所方艙，以提供更加舒適和環保的如廁環境。這些方艙設計精巧，能夠自動清潔和消毒，減少了污染物的排放。真空負壓式廁所方艙在解決野外如廁難題方面具有廣泛的應用前景，將在未來得到更多的關注和研究。目前，國內公共區域或野外環境主要有固定公共廁所、簡易露天廁所、廁所帳篷、箱組式廁所、旱廁等，這些保障形式存在不環保、舒適性弱、私密性差、不便于移動部署等問題，在綜合分析野外廁所使用環境和條件的基礎上，提出了一種真空負壓式廁所方艙設計方案，以標準運輸方艙為依托，能夠實現多種運輸方式的快速機動和靈活部署，具有能耗低、無異味、耐高寒、易安裝、靈活部署等優勢，滿足人們在野外生活中的如廁要求。

1 廁所方艙的結構設計

廁所方艙主要由真空工作站模塊、水增壓模塊、真空便器、洗手盆、控制系統、管路系統、取暖裝置、通風裝置、供配電系統、輔助設備等組成。其核心技術是采用真空水沖集便方式，將臭氣、污物一路排出。排管具有防凍、保溫措施，可在-50 ℃的低溫環境及海拔4500 m 高原環境下正常使用。

廁所方艙系統組成如圖1 所示。

圖1 系統組成圖

廁所方艙整體結構是依托CAF60 標準方艙，外形尺寸（長×寬×高）為廁所方艙采用先進的粘接鋼骨架式大板方艙結構，方艙艙體由11 塊壁板通過內外包邊、鋼質包角組成，采用抽芯鉚釘、焊接和膠接而成的腔體結構?？蚣懿糠钟? 個集裝箱角件、4 個主立柱、頂框架、底框架組焊成型。艙體壁板由外蒙皮、骨架、夾芯材料和內蒙皮粘接而成。內、外蒙皮為1.2 mm 厚硬質鋁板，骨架采用管型鋁型材和鋼骨架復合結構，夾芯材料為高密度硬質聚氨酯泡沫。艙體前后均設對開門，左右兩側設有百葉窗。其外部布局圖如圖2 所示。

圖2 外部布局三維圖

廁所方艙共設置8 個蹲便位和3 個小便位，自備的污物收集囊收集能力約900 人次/日。艙內前部為小便間，方艙中部設置獨立蹲便間，方艙后部為設備間。其內部布局如圖3 所示。

圖3 內部布局三維圖

2 廁所方艙的工作原理

真空排水技術是近年來快速發展的一種依靠真空負壓來實現污物收集及轉儲的高效環保技術。最初在國際上被運用于飛機等高科技交通工具，現已在船舶、鐵路等公共交通領域和民用領域得到大規模普及應用。

為保持野外如廁環境干凈衛生，實現耐高寒、耐高溫、節能環保等野外如廁保障優勢，廁所方艙采用真空排水技術，其真空排水系統分為“真空終端、真空工作站、真空管路”三大部分（圖4）。真空終端主要包括真空蹲便器、真空小便斗、真空提升器等。真空工作站主要指各種原理及功率大小不同的真空產生源，本系統真空工作站根據實際情況設計采用真空在線式形式，以提供滿足設計要求的最優化工作站方案。真空管路主要指從連接終端到真空工作站之間的真空負壓污水輸送管路。

圖4 工作原理

真空排水技術在廁所方艙中的應用使得污物（水）的收集和轉儲都處于密閉環境中，有效防止糞尿中病原菌的傳播，沖洗耗水量也從傳統水沖廁所6L/次的國家標準降至0.6L/次。同時，真空負壓對污物具有撕裂、粉碎和攪拌的作用，通過真空泵粉碎后，污物（水）在管道內形成均勻而細膩的黏稠狀流體直排至污物箱，無堵塞之虞，污物箱中形成高濃度污物（水），還可資源化利用。

3 廁所方艙艙體剛強度計算

野外環境使用對廁所方艙運輸的快速性、可靠性、穩定性等提出較高要求，因此，廁所方艙的剛強度需具備快速機動和靈活部署要求，經凹凸不平路運輸后可正常工作，同時需具備叉裝、吊裝能力以滿足裝卸載要求。

3.1 叉裝、吊裝強度計算

（1）分析工況

廁所方艙艙體剛強度需滿足以下工況：

①在吊裝過程中，艙體剛強度需滿足使用要求。

②在叉裝過程中，艙體剛強度需滿足使用要求。

（2）邊界條件

①載荷邊界條件

艙體及設備重量見表1。

表1 艙體及設備質量表

在吊裝工況中，根據《機械設計手冊》第1 卷第1章第5 節起吊裝置的載荷系數取為1.5，載荷按1.5倍沖擊載荷施加[2]；在叉裝工況中，參考吊裝工況載荷系數1.5，載荷按1.5 倍沖擊載荷施加。經過Adams 機械系統動力學軟件對整個裝載動作進行分析，艙體底部與自裝卸車尾部滾輪/履帶接觸且艙體后部離開地面瞬間工況下最惡劣，此時地面對艙體的支撐力轉移至吊鉤臂與滾輪，艙體后部懸空，對自裝卸工況進行分析。

②約束邊界條件

a.吊裝工況約束

模擬在起吊工作時吊具與艙體上包角連接，左前包角施加X、Y、Z三個方向的固定約束、右前包角施加X、Y兩個方向的固定約束、左后包角施加Y、Z兩個方向的固定約束、右后包角施加Y個方向的固定約束。吊裝工況約束如圖5 所示。

圖5 吊裝工況約束圖

b.叉裝工況約束

左前插車孔處施加X、Y、Z三個方向的固定約束、右前插車孔處施加X、Y兩個方向的固定約束、左后插車孔處施加Y、Z兩個方向的固定約束、右后插車孔及插車孔中間處施加Y個方向的固定約束。叉裝工況約束如圖6 所示。

圖6 叉裝工況約束圖

圖7 吊裝工況整艙應力云圖

圖8 吊裝工況主框架應力云圖

圖9 吊裝工況主框架位移云圖

圖10 叉裝工況整艙應力云圖

圖11 叉裝工況主框架應力云圖

圖12 叉裝工況主框架位移云圖

（3）分析結果

①吊裝工況

如圖7-9 可知，吊裝工況主框架所受最大應力為52.62 MPa，分布在鋼骨架框口處；最大位移量為0.7276 mm，分布在鋁骨架底壁后部處。經分析所受最大應力處材質為700# 鋼，安全系數為680/52.62 =12.9。強度無破壞，變形為彈性變形，滿足使用要求。

②叉裝工況

如圖10-12 可知，叉裝工況主框架所受最大應力為59.39 MPa，分布在鋼骨架框口處；最大位移量為0.6128 mm，分布在鋁骨架底壁后部處。經分析所受最大應力處材質為700# 鋼，安全系數為680/59.39 =11.45。強度無破壞，變形為彈性變形，滿足使用要求。

（4）結論

采用Abaqus 有限元軟件對廁所方艙進行有限元剛強度分析，有限元單元類型為實體四面體單元。通過Abaqus 有限元分析軟件對各工況分析，廁所方艙能夠適用吊裝作業和叉裝作業。

3.2 運輸強度計算

（1）分析工況

經凹凸不平路運輸后，廁所方艙艙體剛強度滿足運輸及使用要求。

（2）邊界條件

①載荷邊界條件

在運輸工況中，對艙體在上下沖擊、急轉彎和緊急制動3 種狀態進行分析。經查《汽車設計》機械工業出版社（第二版），艙體在上下沖擊狀態的載荷系數為3g，在急轉彎和緊急制動狀態的載荷系數為0.9g，按此工況進行分析[3]。

②約束邊界條件

車輛行駛路況過程中，艙體與車架連接，左前包角施加X、Y、Z三個方向的固定約束、右前包角施加X、Y兩個方向的固定約束、左后包角施加Y、Z兩個方向的固定約束、右后包角及框架中間兩點施加Y個方向的固定約束。運輸工況約束如圖13 所示。

圖13 運輸工況約束圖

（3）分析結果

①上下沖擊

如圖14-16 可知，運輸時上下沖擊工況主框架所受最大應力為92.57 MPa，分布在鋼骨架框口處；最大位移量為1.39 mm，分布在鋁骨架底壁后部處。經分析所受最大應力處材質為700#鋼，安全系數為680/92.57 = 7.3。強度無破壞，變形為彈性變形，滿足使用要求。

②緊急轉彎

如圖17-19 可知，運輸時緊急轉彎工況主框架所受最大應力為98.6 MPa，分布在鋼骨架框口處；最大位移量為1.04 mm，分布在鋁骨架底壁后部處。經分析所受最大應力處材質為700#鋼，安全系數為680/98.6 = 6.9。強度無破壞，變形為彈性變形，滿足使用要求。

圖14 運輸時上下沖擊工況整艙應力云圖

圖15 運輸時上下沖擊工況主框架應力云圖

圖16 運輸時上下沖擊工況主框架位移云圖

圖17 運輸時緊急轉彎工況整艙應力云圖

圖18 運輸時緊急轉彎工況主框架應力云圖

圖19 運輸時緊急轉彎工況主框架位移云圖

③緊急制動

如圖20-22 可知，運輸時緊急制動工況主框架所受最大應力為78.96 MPa，分布在鋼骨架框口處；最大位移量為0.8093 mm，分布在鋁骨架頂壁處。經分析所受最大應力處材質為700# 鋼，安全系數為680/78.96 = 8.6。強度無破壞，變形為彈性變形，滿足使用要求。

圖20 運輸時緊急制動工況整艙應力云圖

圖21 運輸時緊急制動工況主框架應力云圖

圖22 運輸時緊急制動工況主框架位移云圖

（4）結論

通過Abaqus 有限元分析軟件對各工況分析，廁所方艙能夠滿足凹凸不平路的運輸要求。

4 結語

基于新一代在線式真空負壓技術設計的廁所方艙，布局緊湊合理、衛生環保，具備節水低耗、無異味、耐高寒、易安裝、靈活部署等特點。為滿足廁所方艙快速機動和靈活部署的要求，通過Abaqus 有限元對廁所方艙艙體剛強度進行分析計算，結果驗證了艙體設計充分滿足叉裝、吊裝及凹凸不平路的運輸要求。廁所方艙的設計與研究有效解決了野外環境中舒適性弱、私密性差、衛生條件不佳等現實問題，改善野外環境下的如廁環境。