一級水效節水型坐便器排水閥的開發研究*

李龍勇

(廈門銥科衛浴科技有限公司 福建 廈門 361000)

前言

伴隨著我國經濟發展進入快速上行通道，人民生活水平也大幅提高，科技的進步及生產率的提高，馬桶坐便器的價格大幅下降，其普及率越來越高。2019年全國衛生潔具產量達到1 851.07萬件，比2018年增長3.58%，在日常生活中，衛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。據測算，以一家三口為例，按傳統馬桶一個月用水量約為4 m3，按節水馬桶3/6 L計算一個月用水量約為2.7 m3，使用節水馬桶可節省約1/3。

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

1 行業現狀分析

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

據了解，GB 25502-2017標準將對潮州、河南等產區的企業產生重大的影響，目前潮州、河南等地部分企業生產的坐便器用水量效率主要為7 L，特別是小微企業，原來只關注沖刷性能，未過多地關注用水量，而新標準3級用水效率最低要求提高到6.4 L，直接體現在水效標識上，沖刷功能一樣要滿足國標。潮州地區的企業也迅速行動了起了，致力于達到國家水效標準，甚至是一級標準提高競爭力。接下來國家監管機構將不定時對市布的產品做質量抽檢。這就對企業的生產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級的產品，低等級排量大的馬桶將很快退出市場。規則實施之后，對于未貼標生產者、進口商以及銷售者都有明確的處罰規定。

2 坐便器排后水位穩定性研究

2.1 國家標準解析

國家標準GB 25502-2017要求各等級坐便器的用水量應符合表1的規定。

表1 坐便器水效等級指標

其中，用水效率規定了一級水效和二級水效的標準相差1 L，這樣扣除馬桶自身管道的穩定性差異，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準，排水閥配套需達到以下目標：

(1)在標準水箱中，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)在標準水箱中，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定性分析

2.2.1 R&T

(1)2寸A2423：單套穩定性測試3套，每檔測試25次；批量穩定性測試5套，每檔測試5次，排后水位穩定性結果如圖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：單套穩定性測試3套，每檔測試25次；批量穩定性測試20套，每檔測試3次，排后水位穩定性結果如圖5、圖6、圖7、圖8所示。

圖5 R&T2寸單套穩定性測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：單套穩定性測試3套，每檔測試25次；批量穩定性測試20套，每檔測試3次，排后水位穩定性結果如圖9、圖10、圖11、圖12、圖13所示。

圖9 R&T3寸單套穩定性測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：單套穩定性測試3套，每檔測試25次；批量穩定性測試20套，每檔測試3次，排后水位穩定性結果如圖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：單套穩定性測試3套，每檔測試25次；批量穩定性測試20套，每檔測試3次，排后水位穩定性結果如圖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寸數據，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 滿足國標一級水效排水閥的設計

ECO經過多年發，水箱配件門類齊全，但傳統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，不能滿足國標一級水效要求。為提高排水穩定性及滿足國標一級水效且具有競爭性產品，需開發單套最大極差3 mm；批量最大極差6 mm的排水閥。

2.3.1 傳統設計

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：本體為關鍵零件，本體上的導向尺寸不好測量，且本體和底板配合后的定位尺寸不準確。

2.3.2 改善集成設計

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

圖21 傳統水箱配件

圖22 集成水箱配件

2.3.3 材料選用

在排水閥內部結構件中，有一個起導向作用的關鍵零件，排水閥內套管。該零件在按壓排水閥的過程中，順著導槽上下滑動，在按鈕按壓力作用下牽引止水蓋打開關閉(見圖23)。

圖23 排水閥內套管

由于導向要求，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套管和導槽間的摩擦，加速零件的破壞。同時，由于與導槽間滑動，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，在與導槽的相對運動中做到低磨耗。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，同時提高排量穩定性。

3 排水穩定性理論計算

3.1 排水閥從提起止水機構后開始

排水過程可段：

(1)掛架通過浮桶浮力掛住止水機構不掉落，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構掛鉤點，即掛架的脫開行程(用偏轉角度θ表示)，轉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，止水結構靠自重和所受壓力下落至止水面，這段時間在同個環境下水位差異同排水閥本身零件的差異基本無關系。

3.2 排水第一階段分析計算

對掛架進行受力分析：f1=G×μ；

當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=止水機構自重及所受壓力，μ=POM-POM的摩擦系數；

(忽略不計掛架轉軸處和浮桶調節桿轉軸處摩擦力矩)；

而F1=h×S/1 000-G(調節桿+浮桶)，其中G(調節桿+浮桶)為調節桿+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(調節桿+浮桶)]×1 000/S。

由此可知，h的差異同G、μ、L1、L2、L3、S、G(調節桿+浮桶)有關；

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

轉化為三角形，如圖26所示。

圖26 脫架轉換為三角形

浮桶行程H=L2×sinθ

3.4 綜上：水位穩定性差值Δ H1可認為近似等于Δh+ ΔH；

Δh同ΔG、Δμ、ΔL1、ΔL2、ΔL3、ΔS、Δh1 有關；

(在計算中為方便將m調節桿設為常值，m浮桶=0.32S×h1/1 000)

ΔH同ΔL1、ΔL2、ΔL3、ΔL4有關；

且經過計算，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=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Δμ，可以很大的提高穩定性(見圖27)。

表2 水位穩定性差值表

圖27 掛架力矩分析圖

4 結語

通過以上研究和分析，排水閥集成化設計結合ABS改性料的使用，其主要性能指標優良，排水能更穩定，更適合節能馬桶的配套，能更好地節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排水閥進行驗證；

圖28 B4920L排水閥

(2)取產品30套進行測試，每套各檔均測5次。測試標準為批量極差≤6 mm，單套極差≤3 mm。

測試結果為：

①全排各檔位批量極差分布如下：結果均<目標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：結果均<目標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，結果所有檔位極差均≤目標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，結果所有檔位極差均≤目標3 mm(見圖32)。

圖32 B4920L單套極差半排的直方圖

5 結語

水效的實施及節水標識的張貼在一定程度上規范了潔具市場，促進了行業的良性發展。國家發改委環資司副司長趙鵬高在坐便器水效標識全國實施啟動會上表示，坐便器實施水效標識管理是提高坐便器產品水效的一項重要市場化管理制度，水效標識的實施將推動我國用水產品產業的健康發展，促進我國水資源的高效利用。同時也能有效促進企業對標國際、國內先進水效標準，建立提升坐便器產品水效的長效機制，進一步推動形成節水型生產方式和消費模式。