基于節(jié)水型坐便器的一種排水閥設(shè)計*

文少洪 蘇樟忠 陳學(xué)錦

(1 潮州市潮安區(qū)大耀衛(wèi)浴設(shè)備實業(yè)有限公司 廣東 潮州 515646)(2 潮州市建筑衛(wèi)生陶瓷行業(yè)協(xié)會 廣東 潮州 521000)

前言

節(jié)水，一般是指提高水的利用效率、增加廢水的處理回用量、防止和杜絕水的浪費等技術(shù)和措施。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，建筑行業(yè)、衛(wèi)浴產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和生產(chǎn)力的提升，人們對居家生活品質(zhì)的追求提高，而馬桶作為如廁環(huán)境舒適干凈，生活質(zhì)量提高的標(biāo)志，價格降低，其使用普及率越來越高。節(jié)水工作應(yīng)融入國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民群眾的日常生活中，提高個人的節(jié)水意識，養(yǎng)成良好的用水習(xí)慣，推廣使用節(jié)水型用水器具，淘汰不符合節(jié)水要求的生活器具。而節(jié)水型坐便器是指在現(xiàn)有普通坐便器的基礎(chǔ)上通過技術(shù)革新達(dá)到節(jié)水目的的一種新型坐便器。使用節(jié)水型坐便器是實現(xiàn)節(jié)水的主要途徑。目前，越來越多的衛(wèi)浴企業(yè)開始積極研發(fā)節(jié)水型坐便器，節(jié)約坐便器用水量，使之達(dá)到合理的范圍，這也是未來坐便器發(fā)展的必然方向。

1 我國水資源使用現(xiàn)狀

作為全球人口最多的國家，我國水資源總量約為2.81萬億m3，占全球資源總量近7%，人均水資源量為2125m3，不到世界平均水平的三分之一，是世界人均水資源貧乏的國家之一。

各地區(qū)城鎮(zhèn)家庭用水水平不一，據(jù)國家統(tǒng)計局對全國5萬多戶城鎮(zhèn)居民家庭進(jìn)行抽樣調(diào)查的結(jié)果顯示，20.9%的家庭每月用水量在5 t以下，69.6%的家庭每月用水5～19.99 t，10%的家庭每月用水量達(dá)到20 t以上，其中3%的家庭每月用水量甚至在30 t以上。以西安市為例，其水資源總量為23.47億m3，人均占有量僅277m3，不到全國平均水平的七分之一。

當(dāng)今社會水污染主要來源于工業(yè)廢水的排放，而水資源浪費卻集中在居民家庭用水上，其中衛(wèi)生間用水量占在居民家庭總用水量的60%～70%，而馬桶則是衛(wèi)生間用水量最大的設(shè)施，約占居民生活用水的1/3。以一家三口為例，按傳統(tǒng)馬桶一個月用水量約為4m3，按節(jié)水馬桶3/6 L計算一個月用水量約為2.7m3，使用節(jié)水馬桶可節(jié)省約1/3。

2 坐便器概述

在人們的日常生活中，以馬桶為主的便器是不可或缺的衛(wèi)生設(shè)施，它改善了人民的如廁條件，由原始的旱廁向著更現(xiàn)代化更整潔的方向轉(zhuǎn)變，提高了人民生活品質(zhì)和如廁舒適度，有利于家庭和公共場所的環(huán)境衛(wèi)生，因其表面干凈光潔易清洗、排污功能優(yōu)良，被譽為人類最偉大的發(fā)明之一。便器的起源要追溯到16世紀(jì)的英國，1597年，貴族約翰哈靈頓發(fā)明了的第一個現(xiàn)代意義的抽水馬桶，并安裝進(jìn)伊麗莎白女王的宮廷里。1775年，英國的鐘表師卡明斯對哈林頓馬桶的儲水器進(jìn)行了改進(jìn)，使其每次用完儲水器里的水后能自動關(guān)住閥門，并讓水自動灌滿水箱，提高了其自動化程度。

便器常見的有坐便器、小便器和蹲便器。以坐便器為例，按產(chǎn)品類型可分為分體坐便器和連體坐便器；按其結(jié)構(gòu)可分為沖落式和虹吸式；按智能化可分為普通坐便器與智能坐便器。按操作方式可分為機械式和感應(yīng)式等。

十幾年來，我國建筑衛(wèi)生陶瓷的研發(fā)水平和生產(chǎn)設(shè)備得到了明顯的提高。產(chǎn)品質(zhì)量水平得到極大改善，已成為了人民居家裝修消費的主要對象。衛(wèi)浴產(chǎn)業(yè)得以長足發(fā)展，國內(nèi)衛(wèi)浴品牌聲名鵲起，并逐漸發(fā)展壯大且形成了獨有的技術(shù)特點，隨著一些國際知名的衛(wèi)浴品牌加入，在一定程度上促進(jìn)了國內(nèi)衛(wèi)浴市場的競爭激烈程度也利于國內(nèi)衛(wèi)浴企業(yè)的技術(shù)水平、產(chǎn)品質(zhì)量的不斷提高。

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%，坐便器產(chǎn)品約占便器類產(chǎn)品的80%左右，坐便器市場需求量每年在4000萬件以上。

盡管坐便器的品類日漸繁多、產(chǎn)品檔次參差不齊，但在總體結(jié)構(gòu)上還是采用本體、水箱配件或沖洗閥等部件組合。水箱配件作為坐便器的核心部件，業(yè)內(nèi)稱之為“馬桶心臟”，由進(jìn)水閥，排水閥和按鈕組成，是最常見的自動控制水箱進(jìn)排水的潔具配件。

大致可以分成連體式和分體式的兩大類，分別適用于連體馬桶和分體馬桶。進(jìn)水閥有側(cè)進(jìn)水和底進(jìn)水，也有少數(shù)后進(jìn)水；排水閥部分有雙按式、吊鏈?zhǔn)胶屯笆?；按鈕部分可分成側(cè)面按鈕、頂部按鈕和前面按鈕。

3 水箱配件行業(yè)現(xiàn)狀分析

我國衛(wèi)浴產(chǎn)區(qū)目前主要分布在為廣東、河北、福建、浙江、河南等地，水箱配件通常需要分開采購和安裝。要達(dá)到合理的節(jié)水等級，減少水資源浪費，不僅要靠便器本體的優(yōu)良設(shè)計制造，更需要水箱配件精確的排量控制。一級水效配件的提供商主要有ECO、R&T和吉博力。

隨著國內(nèi)衛(wèi)浴企業(yè)的技術(shù)水平、產(chǎn)品質(zhì)量的不斷提高，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)制定工作也如火如荼地進(jìn)行。目前便器產(chǎn)品水效相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)有：GB 28377-2019《小便器水效限定值及水效等級》、GB 30717-2019《蹲便器水效限定值及水效等級》、GB 25502-2017《坐便器水效限定值及水效等級》、GB 38448-2019《智能坐便器能效水效限定值及等級》。

其中國家標(biāo)準(zhǔn)GB 25502-2017《坐便器水效限定值及水效等級》規(guī)定了坐便器的水效等級指標(biāo)如表1所示。

表1 坐便器水效等級指標(biāo)

在國家標(biāo)準(zhǔn)GB 25502-2017《坐便器水效限定值及水效等級》中，坐便器平均用水量和雙沖坐便器全沖用水量的用水效率規(guī)定了一級水效和二級水效相差1 L，在排除坐便器自身管道的穩(wěn)定性差異，還要保證沖刷的性能穩(wěn)定發(fā)揮，在不同壓力下每次排水量的差值需控制在≤0.3 L的水平。

故要達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)GB 25502-2017《坐便器水效限定值及水效等級》中用水效率一級水效等級，排水閥的配套要求需達(dá)到以下標(biāo)準(zhǔn)：

(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的水平，不同套排水閥之間差值需控制在≤6 mm的水平；

(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的水平，不同套排水閥之間在三個不同壓力下(0.14 MPa、0.35 MPa和0.55 MPa)單值差值需控制在≤0.2 L的水平。

國家標(biāo)準(zhǔn)GB 25502-2017《坐便器水效限定值及水效等級》自實施以來對我國衛(wèi)浴企業(yè)的研發(fā)生產(chǎn)有著重大影響，尤其是對于潮州、河南等地的衛(wèi)浴產(chǎn)區(qū)部分企業(yè)，特別是小微企業(yè)，原來只關(guān)注沖刷能力是否干凈，未過多地關(guān)注用水量浪費的多少，生產(chǎn)的坐便器用水量效率主要為7 L，而新標(biāo)準(zhǔn)3級用水效率最低要求提高到6.4 L，這就對企業(yè)的研發(fā)和生產(chǎn)制造能力提出了更高的要求。同時相關(guān)的國家監(jiān)管機構(gòu)將不定期不定量對市場上的已流通的產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量抽檢，對于普通消費者而言，在價格相近的條件下，出于環(huán)保意識和節(jié)省經(jīng)濟(jì)開支的想法，更希望購買水效等級更高的產(chǎn)品。在多重因素的影響下，水效等級低水量排量大的坐便器將逐漸被淘汰出市場。

4 滿足國標(biāo)一級水效排水閥的設(shè)計

圖1 傳統(tǒng)水箱配件

我國衛(wèi)浴產(chǎn)業(yè)經(jīng)多年研發(fā)，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)力的提高，目前水箱配件種類齊全，能滿足各種坐便器的配套所需。但傳統(tǒng)的排水閥同套之間差值僅能控制在10 mm左右，最多只能達(dá)國家二級水效標(biāo)準(zhǔn)，不能滿足一級水效要求。為了在提高排水量的穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，能生產(chǎn)滿足國家一級水效標(biāo)準(zhǔn)且具有競爭性產(chǎn)品，需要開發(fā)出單套最大極差3 mm、批量最大極差6 mm的排水閥。

4.1 傳統(tǒng)排水閥設(shè)計

傳統(tǒng)排水閥設(shè)計為：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，這種設(shè)計的缺點為：本體為關(guān)鍵零件，本體上的導(dǎo)向尺寸難以測量，且本體和底板配合后的定位尺寸不精確(見圖 1) 。

圖2 集成水箱配件

4.2 改善排水閥集成設(shè)計

改善排水閥集成設(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)更簡單，排水閥閥體結(jié)構(gòu)更為緊湊，更有利于大規(guī)模生產(chǎn)，使排水量的穩(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排水閥，有利于產(chǎn)品的系列化和標(biāo)準(zhǔn)化(見圖 2) 。

4.3 材料的選用

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3)。

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，會加速零件間的破壞。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。普通ABS材料是難以滿足要求，基于這種需求，需要開發(fā)出耐摩潤滑ABS改性材料。

首先添加硅酮潤滑劑，極大改善了ABS材料的潤滑性能，在與導(dǎo)槽的相對運動中做到低磨耗；再添加部分尼龍?zhí)岣逜BS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)套管的磨損失效已大幅提升到15萬次以上，遠(yuǎn)超于原本的5萬次～7萬次，同時排水量穩(wěn)定性增強。

圖3 排水閥內(nèi)套管

5 結(jié)語

通過以上排水閥的集成化設(shè)計并結(jié)合ABS改性材料的使用，其主要性能指標(biāo)良好，排水性能更加穩(wěn)定，滿足節(jié)水型坐便器的適配性。隨著缺水問題的日益突出、國家節(jié)水政策和相關(guān)措施的不斷落實解決、國家水效標(biāo)準(zhǔn)的實施將推動我國衛(wèi)浴產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，同時也能有效促進(jìn)企業(yè)研發(fā)和生產(chǎn)能力的提升，建立節(jié)水型坐便器產(chǎn)品水效的長效機制，進(jìn)一步推動環(huán)保型生產(chǎn)方式和消費模式，在一定程度上規(guī)范了衛(wèi)浴市場，促進(jìn)了行業(yè)的良性發(fā)展，確保我國水資源的高效利用，建設(shè)節(jié)約型社會。