彈簧儲能式高效節水沖刷平臺研究*

江長發

(廈門優勝衛廚科技有限公司 福建 廈門 361022)

前言

18世紀末期，歐洲出現的坐便器，就真正意義上具有了最簡陋的沖刷平臺：三球閥、U型彎管等。隨著時間的推移，慢慢出現了浮球控制的進水閥、拍蓋排水閥等；后面又發展出了塑料浮筒進水閥、桶式排水閥等常壓式的沖刷平臺。用水量也是從12 L的慢慢演變到本世紀的6 L左右。

淡水稀缺，是世界性的問題，這也可以從上述坐便器沖刷水量的變化可以看出。我國為了全世界的節水事業，從來都是不遺余力的。我們陶瓷行業，更是節水先鋒。在2017年頒布的GB 25502-2017《坐便器水效限定值及水效等級》[1]中更是詳細劃分了節水型坐便器的不同等級。圖1為坐便器水效等級。

圖1 坐便器水效等級

1 研究目標

眾所周知，近十年以來，市面上流行的坐便器已經從原來的傻、大、粗的外觀變成了智、小、平的一體坐便器了。

傳統的常壓式沖刷平臺的工作原理，主要是將自來水用進水閥控制儲存于高水箱，再通過排水閥以每秒2.0 L左右排向坐便器，從而使污物排到下水道的。這種儲存水的勢能只有0.5～1.0 m左右，沖刷的水量是不少，但是沖力卻不大。在一體坐便器來臨的時代，對坐便器的外觀有了較高的要求，長度基本控制在0.7～0.75 m，而坐便器的整體高度，需要從原來的1.0 m左右調整到0.5 m左右，常壓式沖刷平臺儲存的水的勢能，就只有0.2～0.4 m的空間。如此一來，沖力就更小了，在滿足節能水效等級的情況下，排污能力受到了嚴重的影響。市面上有些產品，為了將產品的水效等級提高到二級，將排污管道的內孔設計的比較小，雖然可以從表面上節約了一點水，但由于一次沖不干凈，還需要沖第二次，而且由此誘發管道被堵塞的頻率升高很多。

市場急切需求高效節水而且沖力更大的沖刷平臺已經是顯而易見的了。而要想沖力比常壓式沖刷平臺大很多，就必然要研究新的儲能式沖刷平臺，而彈簧儲能，原理比較可靠，安全性更好。

如此一來，研究目標已經非常明確：設計彈簧儲能式高效節水沖刷平臺，在一級水效用水量的情況下，達到強勁的沖刷能力。

2 研究項目的液壓缸原理計算

參照《機械設計手冊》[2]油液作用在單位面積上的壓強

P=F/APa

其中，F為作用在活塞上的載荷，N；

A為活塞的有效工作面積，m2。

從上式可知，壓力值的建立是因為載荷的存在而產生的。在同一個活塞的有效工作面積上，載荷越多，克服載荷所需要的壓力就越大。換句話說，如果活塞的有效工作面積一定，油液壓力越大，活塞產生的作用就越大。

該研究項目的需求，儲存的能量需在常壓式沖刷平臺的十倍左右，所以設計的儲存能量為0.03 MPa，相當于3 m高度的水勢能。考慮到未來的一體坐便器的趨勢，項目中的單個小型彈簧增壓裝置的活塞有效工作面積設計在0.01 m2左右。根據上述公式，就可以得出設計的彈簧力值F=P×A=300 N。這樣基本明確了液壓缸的主要技術參數。

3 彈簧儲能式沖刷平臺技術突破創新

理論計算只是解決沖刷平臺中的小型彈簧增壓裝置液壓缸部分，其實在有限的空間尺寸內集成進水控制組件、排水活塞組件等也是一種創新。

該沖刷平臺主要由一個坐便器和2個小型的彈簧增壓裝置以及一些管件所組成。主要的技術突破創新如下：

(1)一個小型彈簧增壓裝置負責洗圈，另一個小型彈簧增壓裝置負責噴射，實現了能量的點對點輸送，屬于首創。

(2)整個沖刷平臺的每周期用水量4 L以內，實現了最高的節能需求，也就是國標規定的一級水效。

(3)由于造型小巧，這兩個小型彈簧增壓裝置可以放置于670 mm×390 mm×380 mm的坐便器內，由此，我們就首創了超薄一體坐便器的沖刷平臺。

(4)每個小型彈簧增壓裝置內都儲存了0.03 MPa左右的能量水，相當于2～4 m勢能高度的能量水，與常壓式沖刷平臺一體坐便器的勢能0.2～0.4 m相比，基本是十倍之多！沖力必然十分強勁！

4 彈簧儲能式高效節水沖刷平臺的工作原理簡介

主要構成為：1進水控制組件，11進水管；211大活塞組和212大彈簧都屬于排水活塞組件，箱體與大活塞組構成的壓力腔22；背壓腔31、活動機構32(包括活塞組321，第二彈性件322)、固定座34為排水閥組件，33是排水管；閥體41、閥桿42、第一彈性件43、密封件44、與壓力腔22連通的接口411都屬于排水控制組件；連接通道5，開啟閥組件6等。

初始狀態時，大活塞211在大彈簧212的作用下處于下限位置，此時，閥桿42被大活塞 211推動下移(或同級相斥下移)，閥體接口411開啟，連接通道5打開；當進水組件1開啟進水時，壓力腔22的壓力水經連接通道5不斷進入背壓腔31，驅使膜片組/活塞組321上移密封排水管33，箱體組件2開始蓄水。

在進水管11往壓力腔22不斷進水過程中，大活塞211持續上移，閥桿42受第一彈性件43的作用上移，閥桿42上的密封件44密封閥體的接口411，連接通道5關閉，直至箱體組件2的壓力腔22進滿水。

需要排水時，啟動開啟組件6，將排水閥組件背壓腔31中的壓力水泄出。此時，壓力腔22內的壓力水將膜片組/活塞組321推動到下限位置，膜片組/活塞組321打開排水管33，壓力水從排水管33不斷排出。

在排水快結束的瞬間，大活塞到達最下限的位置，將排水閥關閉，此時又重新開始進水、蓄水，水進滿后，整個工作周期結束(見圖2)。

圖2 節水沖刷平臺結構圖

5 測試驗證

從表1數據可以看出，由于彈簧儲能式沖刷平臺的洗圈是單個小型彈簧增壓裝置獨立供水，所以洗圈沖力強勁無殘留；人造試體的沖出數量，也比常壓式沖刷平臺多了150 g。而且用水量還節約了1 L左右。這就明顯證明了彈簧儲能式沖刷平臺的先進性。

表1 彈簧儲能式沖刷平臺的測試模型與常壓式沖刷平臺的性能對比測試[3]

6 研究總結

通過該彈簧儲能式高效節水沖刷平臺的研究，真正實現了單沖一級水效的用水量要求，坐便器的沖刷強勁有力，比常壓式沖刷平臺的坐便器的沖刷功能有明顯提升。該沖刷平臺結構尺寸小巧，非常適合一體坐便器的小而美的發展趨勢。