肖岩平，孙 晖，刘 伟，闫金业，刘宇奇

（1.军事科学院系统工程研究院，北京 100000；2.辽宁陆平机器股份有限公司，辽宁 铁岭 112001；3.湖南真创环保科技有限公司，湖南 长沙 412000）

0 引言

自然灾害的发生往往会给正常生活带来极大影响，如何在灾害环境下提供良好的如厕环境，满足人们的如厕需求成为亟待解决的问题之一。此外，随着大众生活态度的转变，野外徒步、拓展的人们越来越多，在野外环境下提供如厕保障，也成为制约旅游发展的一大难题。

美国国家公园管理局将真空负压式厕所方舱应用于野外露营区，取得了成功。这种厕所方舱能够快速部署，不需要接通水源和排污管道，避免了对环境的破坏。又如，日本的一些公共场所和旅游景点也开始采用真空负压式厕所方舱，以提供更加舒适和环保的如厕环境。这些方舱设计精巧，能够自动清洁和消毒，减少了污染物的排放。真空负压式厕所方舱在解决野外如厕难题方面具有广泛的应用前景，将在未来得到更多的关注和研究。目前，国内公共区域或野外环境主要有固定公共厕所、简易露天厕所、厕所帐篷、箱组式厕所、旱厕等，这些保障形式存在不环保、舒适性弱、私密性差、不便于移动部署等问题，在综合分析野外厕所使用环境和条件的基础上，提出了一种真空负压式厕所方舱设计方案，以标准运输方舱为依托，能够实现多种运输方式的快速机动和灵活部署，具有能耗低、无异味、耐高寒、易安装、灵活部署等优势，满足人们在野外生活中的如厕要求。

1 厕所方舱的结构设计

厕所方舱主要由真空工作站模块、水增压模块、真空便器、洗手盆、控制系统、管路系统、取暖装置、通风装置、供配电系统、辅助设备等组成。其核心技术是采用真空水冲集便方式，将臭气、污物一路排出。排管具有防冻、保温措施，可在-50 ℃的低温环境及海拔4500 m 高原环境下正常使用。

厕所方舱系统组成如图1 所示。

图1 系统组成图

厕所方舱整体结构是依托CAF60 标准方舱，外形尺寸（长×宽×高）为厕所方舱采用先进的粘接钢骨架式大板方舱结构，方舱舱体由11 块壁板通过内外包边、钢质包角组成，采用抽芯铆钉、焊接和胶接而成的腔体结构。框架部分由8 个集装箱角件、4 个主立柱、顶框架、底框架组焊成型。舱体壁板由外蒙皮、骨架、夹芯材料和内蒙皮粘接而成。内、外蒙皮为1.2 mm 厚硬质铝板，骨架采用管型铝型材和钢骨架复合结构，夹芯材料为高密度硬质聚氨酯泡沫。舱体前后均设对开门，左右两侧设有百叶窗。其外部布局图如图2 所示。

图2 外部布局三维图

厕所方舱共设置8 个蹲便位和3 个小便位，自备的污物收集囊收集能力约900 人次/日。舱内前部为小便间，方舱中部设置独立蹲便间，方舱后部为设备间。其内部布局如图3 所示。

图3 内部布局三维图

2 厕所方舱的工作原理

真空排水技术是近年来快速发展的一种依靠真空负压来实现污物收集及转储的高效环保技术。最初在国际上被运用于飞机等高科技交通工具，现已在船舶、铁路等公共交通领域和民用领域得到大规模普及应用。

为保持野外如厕环境干净卫生，实现耐高寒、耐高温、节能环保等野外如厕保障优势，厕所方舱采用真空排水技术，其真空排水系统分为“真空终端、真空工作站、真空管路”三大部分（图4）。真空终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种原理及功率大小不同的真空产生源，本系统真空工作站根据实际情况设计采用真空在线式形式，以提供满足设计要求的最优化工作站方案。真空管路主要指从连接终端到真空工作站之间的真空负压污水输送管路。

图4 工作原理

真空排水技术在厕所方舱中的应用使得污物（水）的收集和转储都处于密闭环境中，有效防止粪尿中病原菌的传播，冲洗耗水量也从传统水冲厕所6L/次的国家标准降至0.6L/次。同时，真空负压对污物具有撕裂、粉碎和搅拌的作用，通过真空泵粉碎后，污物（水）在管道内形成均匀而细腻的黏稠状流体直排至污物箱，无堵塞之虞，污物箱中形成高浓度污物（水），还可资源化利用。

3 厕所方舱舱体刚强度计算

野外环境使用对厕所方舱运输的快速性、可靠性、稳定性等提出较高要求，因此，厕所方舱的刚强度需具备快速机动和灵活部署要求，经凹凸不平路运输后可正常工作，同时需具备叉装、吊装能力以满足装卸载要求。

3.1 叉装、吊装强度计算

（1）分析工况

厕所方舱舱体刚强度需满足以下工况：

①在吊装过程中，舱体刚强度需满足使用要求。

②在叉装过程中，舱体刚强度需满足使用要求。

（2）边界条件

①载荷边界条件

舱体及设备重量见表1。

表1 舱体及设备质量表

在吊装工况中，根据《机械设计手册》第1 卷第1章第5 节起吊装置的载荷系数取为1.5，载荷按1.5倍冲击载荷施加[2]；在叉装工况中，参考吊装工况载荷系数1.5，载荷按1.5 倍冲击载荷施加。经过Adams 机械系统动力学软件对整个装载动作进行分析，舱体底部与自装卸车尾部滚轮/履带接触且舱体后部离开地面瞬间工况下最恶劣，此时地面对舱体的支撑力转移至吊钩臂与滚轮，舱体后部悬空，对自装卸工况进行分析。

②约束边界条件

a.吊装工况约束

模拟在起吊工作时吊具与舱体上包角连接，左前包角施加X、Y、Z三个方向的固定约束、右前包角施加X、Y两个方向的固定约束、左后包角施加Y、Z两个方向的固定约束、右后包角施加Y个方向的固定约束。吊装工况约束如图5 所示。

图5 吊装工况约束图

b.叉装工况约束

左前插车孔处施加X、Y、Z三个方向的固定约束、右前插车孔处施加X、Y两个方向的固定约束、左后插车孔处施加Y、Z两个方向的固定约束、右后插车孔及插车孔中间处施加Y个方向的固定约束。叉装工况约束如图6 所示。

图6 叉装工况约束图

图7 吊装工况整舱应力云图

图8 吊装工况主框架应力云图

图9 吊装工况主框架位移云图

图10 叉装工况整舱应力云图

图11 叉装工况主框架应力云图

图12 叉装工况主框架位移云图

（3）分析结果

①吊装工况

如图7-9 可知，吊装工况主框架所受最大应力为52.62 MPa，分布在钢骨架框口处；最大位移量为0.7276 mm，分布在铝骨架底壁后部处。经分析所受最大应力处材质为700# 钢，安全系数为680/52.62 =12.9。强度无破坏，变形为弹性变形，满足使用要求。

②叉装工况

如图10-12 可知，叉装工况主框架所受最大应力为59.39 MPa，分布在钢骨架框口处；最大位移量为0.6128 mm，分布在铝骨架底壁后部处。经分析所受最大应力处材质为700# 钢，安全系数为680/59.39 =11.45。强度无破坏，变形为弹性变形，满足使用要求。

（4）结论

采用Abaqus 有限元软件对厕所方舱进行有限元刚强度分析，有限元单元类型为实体四面体单元。通过Abaqus 有限元分析软件对各工况分析，厕所方舱能够适用吊装作业和叉装作业。

3.2 运输强度计算

（1）分析工况

经凹凸不平路运输后，厕所方舱舱体刚强度满足运输及使用要求。

（2）边界条件

①载荷边界条件

在运输工况中，对舱体在上下冲击、急转弯和紧急制动3 种状态进行分析。经查《汽车设计》机械工业出版社（第二版），舱体在上下冲击状态的载荷系数为3g，在急转弯和紧急制动状态的载荷系数为0.9g，按此工况进行分析[3]。

②约束边界条件

车辆行驶路况过程中，舱体与车架连接，左前包角施加X、Y、Z三个方向的固定约束、右前包角施加X、Y两个方向的固定约束、左后包角施加Y、Z两个方向的固定约束、右后包角及框架中间两点施加Y个方向的固定约束。运输工况约束如图13 所示。

图13 运输工况约束图

（3）分析结果

①上下冲击

如图14-16 可知，运输时上下冲击工况主框架所受最大应力为92.57 MPa，分布在钢骨架框口处；最大位移量为1.39 mm，分布在铝骨架底壁后部处。经分析所受最大应力处材质为700#钢，安全系数为680/92.57 = 7.3。强度无破坏，变形为弹性变形，满足使用要求。

②紧急转弯

如图17-19 可知，运输时紧急转弯工况主框架所受最大应力为98.6 MPa，分布在钢骨架框口处；最大位移量为1.04 mm，分布在铝骨架底壁后部处。经分析所受最大应力处材质为700#钢，安全系数为680/98.6 = 6.9。强度无破坏，变形为弹性变形，满足使用要求。

图14 运输时上下冲击工况整舱应力云图

图15 运输时上下冲击工况主框架应力云图

图16 运输时上下冲击工况主框架位移云图

图17 运输时紧急转弯工况整舱应力云图

图18 运输时紧急转弯工况主框架应力云图

图19 运输时紧急转弯工况主框架位移云图

③紧急制动

如图20-22 可知，运输时紧急制动工况主框架所受最大应力为78.96 MPa，分布在钢骨架框口处；最大位移量为0.8093 mm，分布在铝骨架顶壁处。经分析所受最大应力处材质为700# 钢，安全系数为680/78.96 = 8.6。强度无破坏，变形为弹性变形，满足使用要求。

图20 运输时紧急制动工况整舱应力云图

图21 运输时紧急制动工况主框架应力云图

图22 运输时紧急制动工况主框架位移云图

（4）结论

通过Abaqus 有限元分析软件对各工况分析，厕所方舱能够满足凹凸不平路的运输要求。

4 结语

基于新一代在线式真空负压技术设计的厕所方舱，布局紧凑合理、卫生环保，具备节水低耗、无异味、耐高寒、易安装、灵活部署等特点。为满足厕所方舱快速机动和灵活部署的要求，通过Abaqus 有限元对厕所方舱舱体刚强度进行分析计算，结果验证了舱体设计充分满足叉装、吊装及凹凸不平路的运输要求。厕所方舱的设计与研究有效解决了野外环境中舒适性弱、私密性差、卫生条件不佳等现实问题，改善野外环境下的如厕环境。