彈簧儲(chǔ)能式高效節(jié)水沖刷平臺(tái)研究*

江長發(fā)

(廈門優(yōu)勝衛(wèi)廚科技有限公司 福建 廈門 361022)

前言

18世紀(jì)末期，歐洲出現(xiàn)的坐便器，就真正意義上具有了最簡(jiǎn)陋的沖刷平臺(tái)：三球閥、U型彎管等。隨著時(shí)間的推移，慢慢出現(xiàn)了浮球控制的進(jìn)水閥、拍蓋排水閥等；后面又發(fā)展出了塑料浮筒進(jìn)水閥、桶式排水閥等常壓式的沖刷平臺(tái)。用水量也是從12 L的慢慢演變到本世紀(jì)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(jié)水事業(yè)，從來都是不遺余力的。我們陶瓷行業(yè)，更是節(jié)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(jí)》[1]中更是詳細(xì)劃分了節(jié)水型坐便器的不同等級(jí)。圖1為坐便器水效等級(jí)。

圖1 坐便器水效等級(jí)

1 研究目標(biāo)

眾所周知，近十年以來，市面上流行的坐便器已經(jīng)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(tǒng)的常壓式?jīng)_刷平臺(tái)的工作原理，主要是將自來水用進(jìn)水閥控制儲(chǔ)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(chǔ)存水的勢(shì)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(shí)代，對(duì)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(diào)整到0.5 m左右，常壓式?jīng)_刷平臺(tái)儲(chǔ)存的水的勢(shì)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(jié)能水效等級(jí)的情況下，排污能力受到了嚴(yán)重的影響。市面上有些產(chǎn)品，為了將產(chǎn)品的水效等級(jí)提高到二級(jí)，將排污管道的內(nèi)孔設(shè)計(jì)的比較小，雖然可以從表面上節(jié)約了一點(diǎn)水，但由于一次沖不干凈，還需要沖第二次，而且由此誘發(fā)管道被堵塞的頻率升高很多。

市場(chǎng)急切需求高效節(jié)水而且沖力更大的沖刷平臺(tái)已經(jīng)是顯而易見的了。而要想沖力比常壓式?jīng)_刷平臺(tái)大很多，就必然要研究新的儲(chǔ)能式?jīng)_刷平臺(tái)，而彈簧儲(chǔ)能，原理比較可靠，安全性更好。

如此一來，研究目標(biāo)已經(jīng)非常明確：設(shè)計(jì)彈簧儲(chǔ)能式高效節(jié)水沖刷平臺(tái)，在一級(jí)水效用水量的情況下，達(dá)到強(qiáng)勁的沖刷能力。

2 研究項(xiàng)目的液壓缸原理計(jì)算

參照《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[2]油液作用在單位面積上的壓強(qiáng)

P=F/APa

其中，F(xiàn)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?yàn)檩d荷的存在而產(chǎn)生的。在同一個(gè)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(chǎn)生的作用就越大。

該研究項(xiàng)目的需求，儲(chǔ)存的能量需在常壓式?jīng)_刷平臺(tái)的十倍左右，所以設(shè)計(jì)的儲(chǔ)存能量為0.03 MPa，相當(dāng)于3 m高度的水勢(shì)能。考慮到未來的一體坐便器的趨勢(shì)，項(xiàng)目中的單個(gè)小型彈簧增壓裝置的活塞有效工作面積設(shè)計(jì)在0.01 m2左右。根據(jù)上述公式，就可以得出設(shè)計(jì)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(shù)參數(shù)。

3 彈簧儲(chǔ)能式?jīng)_刷平臺(tái)技術(shù)突破創(chuàng)新

理論計(jì)算只是解決沖刷平臺(tái)中的小型彈簧增壓裝置液壓缸部分，其實(shí)在有限的空間尺寸內(nèi)集成進(jìn)水控制組件、排水活塞組件等也是一種創(chuàng)新。

該沖刷平臺(tái)主要由一個(gè)坐便器和2個(gè)小型的彈簧增壓裝置以及一些管件所組成。主要的技術(shù)突破創(chuàng)新如下：

(1)一個(gè)小型彈簧增壓裝置負(fù)責(zé)洗圈，另一個(gè)小型彈簧增壓裝置負(fù)責(zé)噴射，實(shí)現(xiàn)了能量的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)輸送，屬于首創(chuàng)。

(2)整個(gè)沖刷平臺(tái)的每周期用水量4 L以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了最高的節(jié)能需求，也就是國標(biāo)規(guī)定的一級(jí)水效。

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

(4)每個(gè)小型彈簧增壓裝置內(nèi)都儲(chǔ)存了0.03 MPa左右的能量水，相當(dāng)于2～4 m勢(shì)能高度的能量水，與常壓式?jīng)_刷平臺(tái)一體坐便器的勢(shì)能0.2～0.4 m相比，基本是十倍之多！沖力必然十分強(qiáng)勁！

4 彈簧儲(chǔ)能式高效節(jié)水沖刷平臺(tái)的工作原理簡(jiǎn)介

主要構(gòu)成為：1進(jìn)水控制組件，11進(jìn)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(gòu)成的壓力腔22；背壓腔31、活動(dòng)機(jī)構(gòu)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(tài)時(shí)，大活塞211在大彈簧212的作用下處于下限位置，此時(shí)，閥桿42被大活塞 211推動(dòng)下移(或同級(jí)相斥下移)，閥體接口411開啟，連接通道5打開；當(dāng)進(jìn)水組件1開啟進(jìn)水時(shí)，壓力腔22的壓力水經(jīng)連接通道5不斷進(jìn)入背壓腔31，驅(qū)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(jìn)水管11往壓力腔22不斷進(jìn)水過程中，大活塞211持續(xù)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(guān)閉，直至箱體組件2的壓力腔22進(jìn)滿水。

需要排水時(shí)，啟動(dòng)開啟組件6，將排水閥組件背壓腔31中的壓力水泄出。此時(shí)，壓力腔22內(nèi)的壓力水將膜片組/活塞組321推動(dòng)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(jié)束的瞬間，大活塞到達(dá)最下限的位置，將排水閥關(guān)閉，此時(shí)又重新開始進(jìn)水、蓄水，水進(jìn)滿后，整個(gè)工作周期結(jié)束(見圖2)。

圖2 節(jié)水沖刷平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

5 測(cè)試驗(yàn)證

從表1數(shù)據(jù)可以看出，由于彈簧儲(chǔ)能式?jīng)_刷平臺(tái)的洗圈是單個(gè)小型彈簧增壓裝置獨(dú)立供水，所以洗圈沖力強(qiáng)勁無殘留；人造試體的沖出數(shù)量，也比常壓式?jīng)_刷平臺(tái)多了150 g。而且用水量還節(jié)約了1 L左右。這就明顯證明了彈簧儲(chǔ)能式?jīng)_刷平臺(tái)的先進(jìn)性。

表1 彈簧儲(chǔ)能式?jīng)_刷平臺(tái)的測(cè)試模型與常壓式?jīng)_刷平臺(tái)的性能對(duì)比測(cè)試[3]

6 研究總結(jié)

通過該彈簧儲(chǔ)能式高效節(jié)水沖刷平臺(tái)的研究，真正實(shí)現(xiàn)了單沖一級(jí)水效的用水量要求，坐便器的沖刷強(qiáng)勁有力，比常壓式?jīng)_刷平臺(tái)的坐便器的沖刷功能有明顯提升。該沖刷平臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸小巧，非常適合一體坐便器的小而美的發(fā)展趨勢(shì)。