新型高分子材料模塑成型地埋式垃圾桶研究与实践

费长利 刘军 王超

摘要：随着我国经济飞速的发展，城市垃圾，生活垃圾，医疗垃圾等等越来越难处理，对垃圾桶的需求也越来越大，同时对垃圾桶的要求也越来越高。垃圾桶设计与制造应在遵循投放简便、省时耐用的基础上充分考虑垃圾桶造型，设计出富有人情味、具有城乡融合特性的产品，真正实现功能特性與人文特性的统一。

关键字：垃圾处理;垃圾桶;地埋桶;环保;单桶;四合一桶

1、前言

造型设计是垃圾桶设计的主体之一，在其设计过程中不仅要体现它的实用功能，同样需要适合当前地区的实际人文及环境情况。当前城市公共垃圾桶就存在不可或缺却又造型死板，千篇一律的问题。它们多以矩形和方形为主，存在四个死角，在垃圾清理过程中给清洁带来较大难度且通常位于地表，影响城乡容貌。这种垃圾桶仅是作为存放垃圾的容器而存在，还很难谈得上造型设计，并且这种垃圾桶造型设计并没有考虑到当地的实际情况。我国地区人口分布密度不均，城市面积差别较大。人口较多的城市垃圾产出较大，设计垃圾桶时主要考虑生产便捷，易处理，易分布。而地埋式对于人口较少的地区就要考虑垃圾能够集中，便捷处理。本文所介绍的产品环保垃圾收集站（地埋桶）适用于每日垃圾较少，距离垃圾中转站较远的地区。因该地区垃圾量少，一次运转成本较高，选择该环保地埋式收集站后可以实现垃圾集中运转，有效降低运转成本。并且有两种结构的产品可供选择，能够满足各个地区不同的需求，同时能够响应国家垃圾分类的号召，符合绿色环保的理念。

2、地埋桶垃圾收集站（地埋桶）总体描述

环保地埋式垃圾收集站（以下简称地埋桶）是一种将零散垃圾收集到一起，通过大型垃圾转运车辆集中转运的短暂垃圾存储容器。我公司的深埋桶收集站由成套护栏、收集站平台及成套地埋式垃圾桶三大部分组成。

（1）收集平台：方便配套车辆的倒料，便于保持收集站的清洁;负责区域边界明确，便于维护和管理。

（2）成套地埋式垃圾桶：生活垃圾临时储存工具，生活垃圾的收集运转工具。是垃圾收集系统最重要的组成部分。

（3）成套护栏：保护设施设备的安全，保护他人及小动物安全，责任区域边界明确，易于维护和管理。也可以在护栏的设计上进行进一步加工美化，使得整套收集系统更加的美观。

3、地埋桶的结构及功能分析

3.1地埋桶原材料性能分析

地埋桶主要件的材料均为高密度聚乙烯（HDPE），产品开发初期，我们按照模制聚乙烯塑料的标准规范，对我们产品生产的材料进行了大量的性能测试。将高密度聚乙烯制成五种相对比例的狗骨拉伸试样如图1所示。

它们都符合2.38毫米的坯料厚度，并且表面光洁度没有改变。每个几何图形有10个测试样本，总共50个样本。在测试之前，每个样品在沿厚度和宽度的仪表长度的三个不同位置进行测量。平均值报告为样品的厚度和宽度，用作应力计算的输入参数。准静态拉伸性能在环境条件下使用15 千牛伺服液压加载框架在位移控制模式下进行测试，每秒记录10个数据点。应变控制设定为0.1。高密度聚乙烯的力学性能测量如下。

由表可以看出五个样品的屈服应力和屈服应变及弹性模数均未超过允许值，即完全符合材料试验标准

许多塑料的应力-应变关系在整个弹性范围内都不符合胡克定律，因此在低应力下应力-应变曲线的切线斜率通常被视为弹性模量。高密度聚乙烯中存在真正的比例极限是有疑问的，随着时间和温度的变化，这种材料具有非瞬时弹性响应。在这些变量固定的情况下，实现了在固定应变点的弹性模量的比较。

由上述实验数据对比可知高密度聚乙烯具有良好的耐热性和耐寒性，化学稳定性好，还具有较高的刚性和韧性，机械强度好。耐磨性、电绝缘性、韧性及耐寒性均较好;在室温条件下，不溶于任何有机溶剂，耐酸、碱和各种盐类的腐蚀;薄膜对水蒸气和空气的渗透性小、吸水性低。适合储存垃圾时复杂，苛刻的环境。

3.2地埋桶的结构分析

如图2所示，该桶设计采用外桶、中桶、内桶、桶盖四个模块集成结构，从而确保垃圾渗滤液及时溢出外桶也不会进入土壤产生土壤污染，内桶下部设计280升污水收集槽，是按照中国垃圾成分设计的，不会溢出到外桶，即使特殊情况，污水也只能进入到中桶，通过吊装式垃圾运输车的吸污泵吸入吊车。

如图3所示，四合一桶是将四个单桶式合并排列，适当的减少单桶容量，主要功能在于垃圾的分类，且便于单个更换及作业，适合产生垃圾种类较多较杂地区，如生活小区、学校等。

3.3地埋桶组成模块功能分析

砼制基础桶：混泥土基础为一次成型预制件，为最外层桶体，因具有足够强度和刚度，实际埋桶施工时操作简单，大大缩短施工周期，具有较强的抗漂浮能力。

随着产品技术开发能力的不断提升，目前已成功开发出具有较强抗压、抗漂浮能力的高分子外桶能装置，合二为一替代砼制基础桶。

PE外桶：放置于混凝土基础内，起到分离塑料内桶和混凝土基础基础的作用，减少塑料内桶在提升或放下与桶壁的摩擦，保护内桶，同时防止污水与混凝土基础接触，避免二次污染。

PE内桶：储存垃圾的容器，桶口向外翻边，遮盖整个外桶，可以起到防止倾倒垃圾时垃圾垃圾掉入外桶的现象发生。

PE桶盖：桶盖开启方式为侧开式，桶盖的气弹簧装置使得操作省力。

3.4主要参数及设计标准

4、地埋桶的结构稳定性试验与分析

4.1实验目的

蠕变，一种在一定的温度和恒应力作用下，材料的形变随时间而逐渐发展的现象。此外力可以是拉伸力，也可以是剪切力或压缩力。一定条件下，陶瓷、金属、高聚物都可以发生蠕变，但是其形变机理各不相同。对于聚乙烯这类高聚物来说蠕变行为尤为明显，它受材料本身的凝聚态结构、外力、温度、环境影响显著，是高聚物一种典型的松弛过程。材料的蠕变破坏机件的运行、影响工程结构正常工作。本次实验目的是在各种垃圾污染物环境下，测量深埋桶的耐蠕变性能。

4.2试验方法

本次蠕变试验是参照ASTM D2990-09和GB/T 11546.1-2008进行的。实验方法为从深埋桶上切割14种不同尺寸的样品，通过拉伸断裂强度的测定，确定蠕变试验样条所受固定载荷的大小，本次试验分别选取 14.350MPa（71%）、13.940MPa（67%）、13.325MPa（64%）、13.120MPa（63%）、12.505Mpa（60%）、12.300MPa（59%）、10.865MPa（52%）七种不同的应力水平进行拉伸蠕变。

4.3结果分析

上述实验进行了 14.350MPa、13.940MPa、13.325MPa、13.120MPa、12.505Mpa、12.300MPa、10.865MPa七种不同应力下的拉伸蠕变试验，累积试验时间将近 21730 小时，得到七种应力下的蠕变断裂时间、断裂拉伸应变，通过分析 7 种应力水平下的蠕变曲线可知：本次蠕变试验的蠕变曲线走向与典型的蠕变试验曲线相符，蠕变第二阶段的某段对应的位置跟屈服位置非常接近。发现高应力对应的蠕变速率大，更快进入蠕变加速阶段。不同应力下的断裂拉伸形变没有变化规律，断裂拉伸变形在 120.78mm到 190.17mm之间，同一应力下的断裂拉伸形变也有差别，这与试样的不均匀性有很大的关系。

4.4地埋桶桶体理化性能特性

地埋桶塑料件采用高密度聚乙烯，添加剂含量不应超过 5%。本产品通过大量实验和改进，桶身及桶盖材料可达到如下表5所示理化性能，性能优于标准DB34/T 2417-2015《大容量地埋式垃圾桶技术条件》。涉及试验标准有：GB/T1633-2000、GB/T 1043-1993 、GB/T16422.2-1999、GB/T16422.2-1999、GB/T 2411。

4.5深埋桶的机械性能

同样，通过对本产品的机械性能进行标准化实验研究和改进，桶身及桶盖可达到如下表6所示的机械性能，优于标准DB34/T 2417-2015《大容量地埋式垃圾桶技术条件》。

5、产品特色

（1）数字化无人化管理：通过数字化中央转运平台控制，转运车辆可以自动获得数字化深埋桶收集点的满桶信号，合理规划收集、转运路线，降低成本。

（2）模块化集成化设计：采用单桶模块化，包括外桶、内桶、基础桶、桶盖等，便于更换桶体的任何一部分，同时四桶集成化设计，便于更换任一单元的桶体，同时实现垃圾分类收集与转运，高效便捷，符合环保政策。

（3）自动化智能化监测：通过桶体内质量、温度、仓位等检测，完成对深埋桶的检测，保证生活垃圾在深埋桶中长时间存储且不会散发异味，一方面可以提高设备的容积效率，一方面展示了设备的环保特能。

（4）免人工低成本：地埋桶的建设可以有效减少一级中转站的数量，尤其是吞吐量不饱和的中转站，单位垃圾转运成本大大降低;同时整个系统机械化程度较高，有效降低了人工，深埋桶收集点完全不需要人工，大大降低了单位垃圾的转运。

6、总结

从地埋桶的材料性能分析，结构分析，功能分析到产品的成型后的总体的理化性能和机械性能测试，用大量的实验数据说明了该产品的实用性以及质量的耐久性和可靠性。本产品经过自动化及智能化改造后，无论在生产成本、运营成本的控制、环保指标上都能够达到理想的效果，且结构设计采用单品模块化，多桶集成化组合，可适应垃圾四分类的高要求，大大提高了产品的应用场合及垃圾处理水平;同时本产品结构设计可与城乡地区进行深度融合，不再格格不入，营造良好的人文环境且达到了优异的环保特性，应用广泛，具有良好的社会价值，社会推广价值大。

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作者简介：费长利，安徽爱迪滚塑科技股份有限公司总工程师，本科学历，定远县科技创新人才，申请专利20余项;

刘军，安徽爱迪滚塑科技股份有限公司总经理，研究生，定远县科技创新人才;

王超，安徽理工大学教师，博士，副教授，研究生导师，申请专利30余项，论文10余项。

基金项目：2019年滁州市科技计划项目：《生活垃圾无害化处理装置及工艺节能降耗技术研究》，项目编号：2019ZN017。