一級水效節(jié)水型坐便器排水閥的開發(fā)研究*

李龍勇

(廈門銥科衛(wèi)浴科技有限公司 福建 廈門 361000)

前言

伴隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入快速上行通道，人民生活水平也大幅提高，科技的進(jìn)步及生產(chǎn)率的提高，馬桶坐便器的價格大幅下降，其普及率越來越高。2019年全國衛(wèi)生潔具產(chǎn)量達(dá)到1 851.07萬件，比2018年增長3.58%，在日常生活中，衛(wèi)生間用水量占家庭用水大部分，而馬桶坐便器更是其中的“用水大戶”。

雖然我國水資源總量約為2.81萬億m3，占全球資源總量近7%，但我國人口基數(shù)大，人均水資源量為2 125 m3，實際可使用的更少，不到世界平均水平的三分之一，被列為世界人均水資源貧乏國家之一。據(jù)測算，以一家三口為例，按傳統(tǒng)馬桶一個月用水量約為4 m3，按節(jié)水馬桶3/6 L計算一個月用水量約為2.7 m3，使用節(jié)水馬桶可節(jié)省約1/3。

在此基礎(chǔ)之上，推廣普及節(jié)水馬桶使用對我國水資源的節(jié)約利用起到非常重要的作用。而馬桶節(jié)水功能的實現(xiàn)，對配件也提出了更高的要求，筆者以其中關(guān)鍵的配件排水閥的設(shè)計做分析研究。

1 行業(yè)現(xiàn)狀分析

目前我國主要衛(wèi)浴產(chǎn)區(qū)為廣東、河北、福建、浙江、河南，大部分馬桶產(chǎn)商生產(chǎn)陶瓷，水箱配件則是分開采購安裝。馬桶節(jié)水等級的實現(xiàn)不僅要靠馬桶的優(yōu)良的設(shè)計制造，更需要配件精確的排量實現(xiàn)，水箱配件一級水效配件提供商主要有ECO、R&T和吉博力。

據(jù)了解，GB 25502-2017標(biāo)準(zhǔn)將對潮州、河南等產(chǎn)區(qū)的企業(yè)產(chǎn)生重大的影響，目前潮州、河南等地部分企業(yè)生產(chǎn)的坐便器用水量效率主要為7 L，特別是小微企業(yè)，原來只關(guān)注沖刷性能，未過多地關(guān)注用水量，而新標(biāo)準(zhǔn)3級用水效率最低要求提高到6.4 L，直接體現(xiàn)在水效標(biāo)識上，沖刷功能一樣要滿足國標(biāo)。潮州地區(qū)的企業(yè)也迅速行動了起了，致力于達(dá)到國家水效標(biāo)準(zhǔn)，甚至是一級標(biāo)準(zhǔn)提高競爭力。接下來國家監(jiān)管機(jī)構(gòu)將不定時對市布的產(chǎn)品做質(zhì)量抽檢。這就對企業(yè)的生產(chǎn)制造提出了更高的要求。對于終端客戶相近的價格更希望購買1級、2級的產(chǎn)品，低等級排量大的馬桶將很快退出市場。規(guī)則實施之后，對于未貼標(biāo)生產(chǎn)者、進(jìn)口商以及銷售者都有明確的處罰規(guī)定。

2 坐便器排后水位穩(wěn)定性研究

2.1 國家標(biāo)準(zhǔn)解析

國家標(biāo)準(zhǔn)GB 25502-2017要求各等級坐便器的用水量應(yīng)符合表1的規(guī)定。

表1 坐便器水效等級指標(biāo)

其中，用水效率規(guī)定了一級水效和二級水效的標(biāo)準(zhǔn)相差1 L，這樣扣除馬桶自身管道的穩(wěn)定性差異，要保證沖刷效果，不同壓力下每次排水量的差值需控制在小于0.3 L。故要滿足國家GB 25502-2017用水效率一級水效標(biāo)準(zhǔn)，排水閥配套需達(dá)到以下目標(biāo)：

(1)在標(biāo)準(zhǔn)水箱中，同一套排水閥同一檔位排水水位差值需控制在≤3 mm，不同套之間差值需控制在≤6 mm；

(2)在標(biāo)準(zhǔn)水箱中，同一套排水閥同一檔位在同一壓力下排水量單值差值需控制在≤0.1 L，不同套之間在三個壓力下(0.14 MPa、0.35 MPa和0.55 MPa)單值差值需控制在≤0.2 L。

2.2 市場上主要排水閥排后水位穩(wěn)定性分析

2.2.1 R&T

(1)2寸A2423：單套穩(wěn)定性測試3套，每檔測試25次；批量穩(wěn)定性測試5套，每檔測試5次，排后水位穩(wěn)定性結(jié)果如圖1、圖2、圖3、圖4所示。

圖1 單套半排極差

圖2 單套全排極差

圖3 全排5套極差

圖4 半排5套極差

(2)2寸A2419：單套穩(wěn)定性測試3套，每檔測試25次；批量穩(wěn)定性測試20套，每檔測試3次，排后水位穩(wěn)定性結(jié)果如圖5、圖6、圖7、圖8所示。

圖5 R&T2寸單套穩(wěn)定性測25次極差

圖6 R&T2寸在不同裝置下排后水位極差

圖7 R&TA2419半排各檔位極差

圖8 R&TA2419全排各檔位極差

(3)3寸A2417：單套穩(wěn)定性測試3套，每檔測試25次；批量穩(wěn)定性測試20套，每檔測試3次，排后水位穩(wěn)定性結(jié)果如圖9、圖10、圖11、圖12、圖13所示。

圖9 R&T3寸單套穩(wěn)定性測25次極差

圖10 R&T3寸在不同裝置下排后水位極差

圖11 R&TA2417三寸全排20套極差

圖12 R&TA2417三寸全排20套半排(下)極差

圖13 R&TA2417三寸全排20套半排(上)極差

2.2.2 吉博力

(1)二寸Impuls 250S：單套穩(wěn)定性測試3套，每檔測試25次；批量穩(wěn)定性測試20套，每檔測試3次，排后水位穩(wěn)定性結(jié)果如圖14、圖15、圖16、圖17所示。

圖14 吉博力2寸單套測25次極差

圖15 吉博力2寸不同裝置下5套極差

圖16 吉博力2寸排水閥全排20套檔位極差圖

圖17 吉博力2寸排水閥半排各檔位極差圖

(2)三寸Impuls 225：單套穩(wěn)定性測試3套，每檔測試25次；批量穩(wěn)定性測試20套，每檔測試3次，排后水位穩(wěn)定性結(jié)果如圖18、圖19、圖20所示。

圖18 吉博力3寸單套測25次極差

圖19 吉博力3寸不同裝置下排后水位極差

圖20 吉博力3寸13套各檔位極差分布圖

綜合以上競品2寸、3寸數(shù)據(jù)，R&T最好的1款閥為A2417：單套0～4 mm；批量半排4～7 mm，全排3～9 mm；吉博力最好的1款閥為2寸Impuls 250S：單套1～5 mm；批量半排4～8 mm，全排6～7 mm(只有1檔)。

2.3 滿足國標(biāo)一級水效排水閥的設(shè)計

ECO經(jīng)過多年發(fā)，水箱配件門類齊全，但傳統(tǒng)水件的排水閥同套之間差值控制在10 mm，僅能滿足二級水效，不能滿足國標(biāo)一級水效要求。為提高排水穩(wěn)定性及滿足國標(biāo)一級水效且具有競爭性產(chǎn)品，需開發(fā)單套最大極差3 mm；批量最大極差6 mm的排水閥。

2.3.1 傳統(tǒng)設(shè)計

半排控制安裝在底板上，全排控制安裝在本體上，再組合裝配——缺點為：本體為關(guān)鍵零件，本體上的導(dǎo)向尺寸不好測量，且本體和底板配合后的定位尺寸不準(zhǔn)確。

2.3.2 改善集成設(shè)計

通過將本體的上導(dǎo)向槽分離出來做成一個導(dǎo)向板零件，將全排、半排控制機(jī)構(gòu)都裝置在底板上，導(dǎo)向板零件也裝置在底板上，這樣與止水機(jī)構(gòu)組件一起集成設(shè)計組成閥體的核心組件——“閥芯”，排水閥的排水量穩(wěn)定性變成只與“閥芯”相關(guān)，從而使本體結(jié)構(gòu)較簡單，閥體結(jié)構(gòu)較緊湊，更利于生產(chǎn)，使排水穩(wěn)定性更可控；另外組件實配不同高度的本體可形成不同高度的閥，有利于產(chǎn)品的系列化和標(biāo)準(zhǔn)化。

圖21 傳統(tǒng)水箱配件

圖22 集成水箱配件

2.3.3 材料選用

在排水閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)件中，有一個起導(dǎo)向作用的關(guān)鍵零件，排水閥內(nèi)套管。該零件在按壓排水閥的過程中，順著導(dǎo)槽上下滑動，在按鈕按壓力作用下牽引止水蓋打開關(guān)閉(見圖23)。

圖23 排水閥內(nèi)套管

由于導(dǎo)向要求，該零件在100 mm的長度上有較高的垂直度要求，否則彎曲的管件會加劇內(nèi)套管和導(dǎo)槽間的摩擦，加速零件的破壞。同時，由于與導(dǎo)槽間滑動，要求該零件擁有較好的潤滑性和耐磨性能。這在普通ABS材料上，是難以滿足要求的。

基于此，開發(fā)出耐摩潤滑ABS改性材料。首先，通過硅酮潤滑劑的添加，大大改善了ABS材料的潤滑性能，在與導(dǎo)槽的相對運(yùn)動中做到低磨耗。然后，通過部分尼龍的添加，提高ABS材料的硬度，大幅度改善材料的耐摩性能。在排水閥的壽命測試中，內(nèi)套管的磨損失效，從原本的5～7萬次，大幅度提升到15萬次以上，同時提高排量穩(wěn)定性。

3 排水穩(wěn)定性理論計算

3.1 排水閥從提起止水機(jī)構(gòu)后開始

排水過程可段：

(1)掛架通過浮桶浮力掛住止水機(jī)構(gòu)不掉落，對掛架力矩分析如圖24所示。

圖24 掛架力矩圖

此時G×L3<

至水位下降到掛架處于力矩平衡時G×L3=F1×L2+f1×L1，浮桶開始下落的平衡點，該平衡點位置差異由浮桶h引起差異；

(2)掛架從平衡點到完全脫離開止水機(jī)構(gòu)掛鉤點，即掛架的脫開行程(用偏轉(zhuǎn)角度θ表示)，轉(zhuǎn)化至浮桶高度上的行程(用H表示)，這段時間的排水位置差異由浮桶行程差H引起。

(3)掛架完全脫開，止水結(jié)構(gòu)靠自重和所受壓力下落至止水面，這段時間在同個環(huán)境下水位差異同排水閥本身零件的差異基本無關(guān)系。

3.2 排水第一階段分析計算

對掛架進(jìn)行受力分析：f1=G×μ；

當(dāng)掛架處于力矩平衡時：G×L3=F1×L2+f1×L1=>G*L3=F1×L2+G×μ×L1

=>F1=G×(L3-μ×L1)/L2

其中G=止水機(jī)構(gòu)自重及所受壓力，μ=POM-POM的摩擦系數(shù)；

(忽略不計掛架轉(zhuǎn)軸處和浮桶調(diào)節(jié)桿轉(zhuǎn)軸處摩擦力矩)；

而F1=h×S/1 000-G(調(diào)節(jié)桿+浮桶)，其中G(調(diào)節(jié)桿+浮桶)為調(diào)節(jié)桿+浮桶的總重量；

其中S為外浮桶輪廓截面積。

故h=[G×(L3-μ×L1)/L2+G(調(diào)節(jié)桿+浮桶)]×1 000/S。

由此可知，h的差異同G、μ、L1、L2、L3、S、G(調(diào)節(jié)桿+浮桶)有關(guān)；

3.3 排水第二階段分析計算

掛架脫開表示如圖25所示。

圖25 掛架脫形圖

轉(zhuǎn)化為三角形，如圖26所示。

圖26 脫架轉(zhuǎn)換為三角形

浮桶行程H=L2×sinθ

3.4 綜上：水位穩(wěn)定性差值Δ H1可認(rèn)為近似等于Δh+ ΔH；

Δh同ΔG、Δμ、ΔL1、ΔL2、ΔL3、ΔS、Δh1 有關(guān)；

(在計算中為方便將m調(diào)節(jié)桿設(shè)為常值，m浮桶=0.32S×h1/1 000)

ΔH同ΔL1、ΔL2、ΔL3、ΔL4有關(guān)；

且經(jīng)過計算，在只改變各自值的情況下，ΔG、Δμ、ΔL1、ΔL2、ΔL3、ΔL4、ΔS、Δh1 變化越大，ΔH1越大。

所以，要使穩(wěn)定性好即ΔH1越小，需控制ΔG、Δμ、ΔL1、ΔL2、ΔL3、ΔL4、ΔS、Δh1 的變化值越小。

而我們所說的同一套極差和不同套極差來說，因為都是 在馬桶或者水箱同一環(huán)境中對比，ΔG基本不變化；ΔL1、ΔL2、ΔL3、ΔS、Δh1 為掛架和浮桶本身的零件公差造成，Δμ為不同零件間的粗糙度差異。ΔL4為掛量的公差。

ΔG、Δμ、ΔL1、ΔL2、ΔL3、ΔL4、ΔS、Δh1間有交互作用。

模擬計算：L1=14.5 mm、L2=25.4 mm、L3=4 mm、L4=1.5 mm，μ=POM-POM的摩擦系數(shù)=0.15(假定)，S=500 mm2，G=120 g(假定)，h1=50 mm;代入公式計算可得右表。

從表2可知：ΔL1、ΔL1、ΔL3在一樣的公差下，ΔL3影響ΔH1最大；摩擦系數(shù)Δμ的影響非常大；ΔL3、ΔL4、Δμ、ΔS、ΔG影響相對較大，且控制摩擦系數(shù)Δμ，可以很大的提高穩(wěn)定性(見圖27)。

表2 水位穩(wěn)定性差值表

圖27 掛架力矩分析圖

4 結(jié)語

通過以上研究和分析，排水閥集成化設(shè)計結(jié)合ABS改性料的使用，其主要性能指標(biāo)優(yōu)良，排水能更穩(wěn)定，更適合節(jié)能馬桶的配套，能更好地節(jié)約水資源具有更好的適配性。

(1)如圖28所示，采用其中一款B4920L排水閥進(jìn)行驗證；

圖28 B4920L排水閥

(2)取產(chǎn)品30套進(jìn)行測試，每套各檔均測5次。測試標(biāo)準(zhǔn)為批量極差≤6 mm，單套極差≤3 mm。

測試結(jié)果為：

①全排各檔位批量極差分布如下：結(jié)果均<目標(biāo)6 mm，OK(見圖29)。

圖29 B4920L全排各檔批量極差

②半排各檔位批量極差分布如下：結(jié)果均<目標(biāo)6 mm，OK(見圖30)。

圖30 B4920L半排各檔批量極差

③全排單套共有150個檔位極差，結(jié)果所有檔位極差均≤目標(biāo)3 mm(見圖31)；

圖31 B4920L單套極差全排的直方圖

④半排單套共有180個檔位極差，結(jié)果所有檔位極差均≤目標(biāo)3 mm(見圖32)。

圖32 B4920L單套極差半排的直方圖

5 結(jié)語

水效的實施及節(jié)水標(biāo)識的張貼在一定程度上規(guī)范了潔具市場，促進(jìn)了行業(yè)的良性發(fā)展。國家發(fā)改委環(huán)資司副司長趙鵬高在坐便器水效標(biāo)識全國實施啟動會上表示，坐便器實施水效標(biāo)識管理是提高坐便器產(chǎn)品水效的一項重要市場化管理制度，水效標(biāo)識的實施將推動我國用水產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，促進(jìn)我國水資源的高效利用。同時也能有效促進(jìn)企業(yè)對標(biāo)國際、國內(nèi)先進(jìn)水效標(biāo)準(zhǔn)，建立提升坐便器產(chǎn)品水效的長效機(jī)制，進(jìn)一步推動形成節(jié)水型生產(chǎn)方式和消費(fèi)模式。