弹簧储能式高效节水冲刷平台研究*

江长发

(厦门优胜卫厨科技有限公司 福建 厦门 361022)

前言

18世纪末期，欧洲出现的坐便器，就真正意义上具有了最简陋的冲刷平台：三球阀、U型弯管等。随着时间的推移，慢慢出现了浮球控制的进水阀、拍盖排水阀等；后面又发展出了塑料浮筒进水阀、桶式排水阀等常压式的冲刷平台。用水量也是从12 L的慢慢演变到本世纪的6 L左右。

淡水稀缺，是世界性的问题，这也可以从上述坐便器冲刷水量的变化可以看出。我国为了全世界的节水事业，从来都是不遗余力的。我们陶瓷行业，更是节水先锋。在2017年颁布的GB 25502-2017《坐便器水效限定值及水效等级》[1]中更是详细划分了节水型坐便器的不同等级。图1为坐便器水效等级。

图1 坐便器水效等级

1 研究目标

众所周知，近十年以来，市面上流行的坐便器已经从原来的傻、大、粗的外观变成了智、小、平的一体坐便器了。

传统的常压式冲刷平台的工作原理，主要是将自来水用进水阀控制储存于高水箱，再通过排水阀以每秒2.0 L左右排向坐便器，从而使污物排到下水道的。这种储存水的势能只有0.5～1.0 m左右，冲刷的水量是不少，但是冲力却不大。在一体坐便器来临的时代，对坐便器的外观有了较高的要求，长度基本控制在0.7～0.75 m，而坐便器的整体高度，需要从原来的1.0 m左右调整到0.5 m左右，常压式冲刷平台储存的水的势能，就只有0.2～0.4 m的空间。如此一来，冲力就更小了，在满足节能水效等级的情况下，排污能力受到了严重的影响。市面上有些产品，为了将产品的水效等级提高到二级，将排污管道的内孔设计的比较小，虽然可以从表面上节约了一点水，但由于一次冲不干净，还需要冲第二次，而且由此诱发管道被堵塞的频率升高很多。

市场急切需求高效节水而且冲力更大的冲刷平台已经是显而易见的了。而要想冲力比常压式冲刷平台大很多，就必然要研究新的储能式冲刷平台，而弹簧储能，原理比较可靠，安全性更好。

如此一来，研究目标已经非常明确：设计弹簧储能式高效节水冲刷平台，在一级水效用水量的情况下，达到强劲的冲刷能力。

2 研究项目的液压缸原理计算

参照《机械设计手册》[2]油液作用在单位面积上的压强

P=F/APa

其中，F为作用在活塞上的载荷，N；

A为活塞的有效工作面积，m2。

从上式可知，压力值的建立是因为载荷的存在而产生的。在同一个活塞的有效工作面积上，载荷越多，克服载荷所需要的压力就越大。换句话说，如果活塞的有效工作面积一定，油液压力越大，活塞产生的作用就越大。

该研究项目的需求，储存的能量需在常压式冲刷平台的十倍左右，所以设计的储存能量为0.03 MPa，相当于3 m高度的水势能。考虑到未来的一体坐便器的趋势，项目中的单个小型弹簧增压装置的活塞有效工作面积设计在0.01 m2左右。根据上述公式，就可以得出设计的弹簧力值F=P×A=300 N。这样基本明确了液压缸的主要技术参数。

3 弹簧储能式冲刷平台技术突破创新

理论计算只是解决冲刷平台中的小型弹簧增压装置液压缸部分，其实在有限的空间尺寸内集成进水控制组件、排水活塞组件等也是一种创新。

该冲刷平台主要由一个坐便器和2个小型的弹簧增压装置以及一些管件所组成。主要的技术突破创新如下：

(1)一个小型弹簧增压装置负责洗圈，另一个小型弹簧增压装置负责喷射，实现了能量的点对点输送，属于首创。

(2)整个冲刷平台的每周期用水量4 L以内，实现了最高的节能需求，也就是国标规定的一级水效。

(3)由于造型小巧，这两个小型弹簧增压装置可以放置于670 mm×390 mm×380 mm的坐便器内，由此，我们就首创了超薄一体坐便器的冲刷平台。

(4)每个小型弹簧增压装置内都储存了0.03 MPa左右的能量水，相当于2～4 m势能高度的能量水，与常压式冲刷平台一体坐便器的势能0.2～0.4 m相比，基本是十倍之多！冲力必然十分强劲！

4 弹簧储能式高效节水冲刷平台的工作原理简介

主要构成为：1进水控制组件，11进水管；211大活塞组和212大弹簧都属于排水活塞组件，箱体与大活塞组构成的压力腔22；背压腔31、活动机构32(包括活塞组321，第二弹性件322)、固定座34为排水阀组件，33是排水管；阀体41、阀杆42、第一弹性件43、密封件44、与压力腔22连通的接口411都属于排水控制组件；连接通道5，开启阀组件6等。

初始状态时，大活塞211在大弹簧212的作用下处于下限位置，此时，阀杆42被大活塞 211推动下移(或同级相斥下移)，阀体接口411开启，连接通道5打开；当进水组件1开启进水时，压力腔22的压力水经连接通道5不断进入背压腔31，驱使膜片组/活塞组321上移密封排水管33，箱体组件2开始蓄水。

在进水管11往压力腔22不断进水过程中，大活塞211持续上移，阀杆42受第一弹性件43的作用上移，阀杆42上的密封件44密封阀体的接口411，连接通道5关闭，直至箱体组件2的压力腔22进满水。

需要排水时，启动开启组件6，将排水阀组件背压腔31中的压力水泄出。此时，压力腔22内的压力水将膜片组/活塞组321推动到下限位置，膜片组/活塞组321打开排水管33，压力水从排水管33不断排出。

在排水快结束的瞬间，大活塞到达最下限的位置，将排水阀关闭，此时又重新开始进水、蓄水，水进满后，整个工作周期结束(见图2)。

图2 节水冲刷平台结构图

5 测试验证

从表1数据可以看出，由于弹簧储能式冲刷平台的洗圈是单个小型弹簧增压装置独立供水，所以洗圈冲力强劲无残留；人造试体的冲出数量，也比常压式冲刷平台多了150 g。而且用水量还节约了1 L左右。这就明显证明了弹簧储能式冲刷平台的先进性。

表1 弹簧储能式冲刷平台的测试模型与常压式冲刷平台的性能对比测试[3]

6 研究总结

通过该弹簧储能式高效节水冲刷平台的研究，真正实现了单冲一级水效的用水量要求，坐便器的冲刷强劲有力，比常压式冲刷平台的坐便器的冲刷功能有明显提升。该冲刷平台结构尺寸小巧，非常适合一体坐便器的小而美的发展趋势。