一级水效节水型坐便器排水阀的开发研究*

李龙勇

(厦门铱科卫浴科技有限公司 福建 厦门 361000)

前言

伴随着我国经济发展进入快速上行通道，人民生活水平也大幅提高，科技的进步及生产率的提高，马桶坐便器的价格大幅下降，其普及率越来越高。2019年全国卫生洁具产量达到1 851.07万件，比2018年增长3.58%，在日常生活中，卫生间用水量占家庭用水大部分，而马桶坐便器更是其中的“用水大户”。

虽然我国水资源总量约为2.81万亿m3，占全球资源总量近7%，但我国人口基数大，人均水资源量为2 125 m3，实际可使用的更少，不到世界平均水平的三分之一，被列为世界人均水资源贫乏国家之一。据测算，以一家三口为例，按传统马桶一个月用水量约为4 m3，按节水马桶3/6 L计算一个月用水量约为2.7 m3，使用节水马桶可节省约1/3。

在此基础之上，推广普及节水马桶使用对我国水资源的节约利用起到非常重要的作用。而马桶节水功能的实现，对配件也提出了更高的要求，笔者以其中关键的配件排水阀的设计做分析研究。

1 行业现状分析

目前我国主要卫浴产区为广东、河北、福建、浙江、河南，大部分马桶产商生产陶瓷，水箱配件则是分开采购安装。马桶节水等级的实现不仅要靠马桶的优良的设计制造，更需要配件精确的排量实现，水箱配件一级水效配件提供商主要有ECO、R&T和吉博力。

据了解，GB 25502-2017标准将对潮州、河南等产区的企业产生重大的影响，目前潮州、河南等地部分企业生产的坐便器用水量效率主要为7 L，特别是小微企业，原来只关注冲刷性能，未过多地关注用水量，而新标准3级用水效率最低要求提高到6.4 L，直接体现在水效标识上，冲刷功能一样要满足国标。潮州地区的企业也迅速行动了起了，致力于达到国家水效标准，甚至是一级标准提高竞争力。接下来国家监管机构将不定时对市布的产品做质量抽检。这就对企业的生产制造提出了更高的要求。对于终端客户相近的价格更希望购买1级、2级的产品，低等级排量大的马桶将很快退出市场。规则实施之后，对于未贴标生产者、进口商以及销售者都有明确的处罚规定。

2 坐便器排后水位稳定性研究

2.1 国家标准解析

国家标准GB 25502-2017要求各等级坐便器的用水量应符合表1的规定。

表1 坐便器水效等级指标

其中，用水效率规定了一级水效和二级水效的标准相差1 L，这样扣除马桶自身管道的稳定性差异，要保证冲刷效果，不同压力下每次排水量的差值需控制在小于0.3 L。故要满足国家GB 25502-2017用水效率一级水效标准，排水阀配套需达到以下目标：

(1)在标准水箱中，同一套排水阀同一档位排水水位差值需控制在≤3 mm，不同套之间差值需控制在≤6 mm；

(2)在标准水箱中，同一套排水阀同一档位在同一压力下排水量单值差值需控制在≤0.1 L，不同套之间在三个压力下(0.14 MPa、0.35 MPa和0.55 MPa)单值差值需控制在≤0.2 L。

2.2 市场上主要排水阀排后水位稳定性分析

2.2.1 R&T

(1)2寸A2423：单套稳定性测试3套，每档测试25次；批量稳定性测试5套，每档测试5次，排后水位稳定性结果如图1、图2、图3、图4所示。

图1 单套半排极差

图2 单套全排极差

图3 全排5套极差

图4 半排5套极差

(2)2寸A2419：单套稳定性测试3套，每档测试25次；批量稳定性测试20套，每档测试3次，排后水位稳定性结果如图5、图6、图7、图8所示。

图5 R&T2寸单套稳定性测25次极差

图6 R&T2寸在不同装置下排后水位极差

图7 R&TA2419半排各档位极差

图8 R&TA2419全排各档位极差

(3)3寸A2417：单套稳定性测试3套，每档测试25次；批量稳定性测试20套，每档测试3次，排后水位稳定性结果如图9、图10、图11、图12、图13所示。

图9 R&T3寸单套稳定性测25次极差

图10 R&T3寸在不同装置下排后水位极差

图11 R&TA2417三寸全排20套极差

图12 R&TA2417三寸全排20套半排(下)极差

图13 R&TA2417三寸全排20套半排(上)极差

2.2.2 吉博力

(1)二寸Impuls 250S：单套稳定性测试3套，每档测试25次；批量稳定性测试20套，每档测试3次，排后水位稳定性结果如图14、图15、图16、图17所示。

图14 吉博力2寸单套测25次极差

图15 吉博力2寸不同装置下5套极差

图16 吉博力2寸排水阀全排20套档位极差图

图17 吉博力2寸排水阀半排各档位极差图

(2)三寸Impuls 225：单套稳定性测试3套，每档测试25次；批量稳定性测试20套，每档测试3次，排后水位稳定性结果如图18、图19、图20所示。

图18 吉博力3寸单套测25次极差

图19 吉博力3寸不同装置下排后水位极差

图20 吉博力3寸13套各档位极差分布图

综合以上竞品2寸、3寸数据，R&T最好的1款阀为A2417：单套0～4 mm；批量半排4～7 mm，全排3～9 mm；吉博力最好的1款阀为2寸Impuls 250S：单套1～5 mm；批量半排4～8 mm，全排6～7 mm(只有1档)。

2.3 满足国标一级水效排水阀的设计

ECO经过多年发，水箱配件门类齐全，但传统水件的排水阀同套之间差值控制在10 mm，仅能满足二级水效，不能满足国标一级水效要求。为提高排水稳定性及满足国标一级水效且具有竞争性产品，需开发单套最大极差3 mm；批量最大极差6 mm的排水阀。

2.3.1 传统设计

半排控制安装在底板上，全排控制安装在本体上，再组合装配——缺点为：本体为关键零件，本体上的导向尺寸不好测量，且本体和底板配合后的定位尺寸不准确。

2.3.2 改善集成设计

通过将本体的上导向槽分离出来做成一个导向板零件，将全排、半排控制机构都装置在底板上，导向板零件也装置在底板上，这样与止水机构组件一起集成设计组成阀体的核心组件——“阀芯”，排水阀的排水量稳定性变成只与“阀芯”相关，从而使本体结构较简单，阀体结构较紧凑，更利于生产，使排水稳定性更可控；另外组件实配不同高度的本体可形成不同高度的阀，有利于产品的系列化和标准化。

图21 传统水箱配件

图22 集成水箱配件

2.3.3 材料选用

在排水阀内部结构件中，有一个起导向作用的关键零件，排水阀内套管。该零件在按压排水阀的过程中，顺着导槽上下滑动，在按钮按压力作用下牵引止水盖打开关闭(见图23)。

图23 排水阀内套管

由于导向要求，该零件在100 mm的长度上有较高的垂直度要求，否则弯曲的管件会加剧内套管和导槽间的摩擦，加速零件的破坏。同时，由于与导槽间滑动，要求该零件拥有较好的润滑性和耐磨性能。这在普通ABS材料上，是难以满足要求的。

基于此，开发出耐摩润滑ABS改性材料。首先，通过硅酮润滑剂的添加，大大改善了ABS材料的润滑性能，在与导槽的相对运动中做到低磨耗。然后，通过部分尼龙的添加，提高ABS材料的硬度，大幅度改善材料的耐摩性能。在排水阀的寿命测试中，内套管的磨损失效，从原本的5～7万次，大幅度提升到15万次以上，同时提高排量稳定性。

3 排水稳定性理论计算

3.1 排水阀从提起止水机构后开始

排水过程可段：

(1)挂架通过浮桶浮力挂住止水机构不掉落，对挂架力矩分析如图24所示。

图24 挂架力矩图

此时G×L3<

至水位下降到挂架处于力矩平衡时G×L3=F1×L2+f1×L1，浮桶开始下落的平衡点，该平衡点位置差异由浮桶h引起差异；

(2)挂架从平衡点到完全脱离开止水机构挂钩点，即挂架的脱开行程(用偏转角度θ表示)，转化至浮桶高度上的行程(用H表示)，这段时间的排水位置差异由浮桶行程差H引起。

(3)挂架完全脱开，止水结构靠自重和所受压力下落至止水面，这段时间在同个环境下水位差异同排水阀本身零件的差异基本无关系。

3.2 排水第一阶段分析计算

对挂架进行受力分析：f1=G×μ；

当挂架处于力矩平衡时：G×L3=F1×L2+f1×L1=>G*L3=F1×L2+G×μ×L1

=>F1=G×(L3-μ×L1)/L2

其中G=止水机构自重及所受压力，μ=POM-POM的摩擦系数；

(忽略不计挂架转轴处和浮桶调节杆转轴处摩擦力矩)；

而F1=h×S/1 000-G(调节杆+浮桶)，其中G(调节杆+浮桶)为调节杆+浮桶的总重量；

其中S为外浮桶轮廓截面积。

故h=[G×(L3-μ×L1)/L2+G(调节杆+浮桶)]×1 000/S。

由此可知，h的差异同G、μ、L1、L2、L3、S、G(调节杆+浮桶)有关；

3.3 排水第二阶段分析计算

挂架脱开表示如图25所示。

图25 挂架脱形图

转化为三角形，如图26所示。

图26 脱架转换为三角形

浮桶行程H=L2×sinθ

3.4 综上：水位稳定性差值Δ H1可认为近似等于Δh+ ΔH；

Δh同ΔG、Δμ、ΔL1、ΔL2、ΔL3、ΔS、Δh1 有关；

(在计算中为方便将m调节杆设为常值，m浮桶=0.32S×h1/1 000)

ΔH同ΔL1、ΔL2、ΔL3、ΔL4有关；

且经过计算，在只改变各自值的情况下，ΔG、Δμ、ΔL1、ΔL2、ΔL3、ΔL4、ΔS、Δh1 变化越大，ΔH1越大。

所以，要使稳定性好即ΔH1越小，需控制ΔG、Δμ、ΔL1、ΔL2、ΔL3、ΔL4、ΔS、Δh1 的变化值越小。

而我们所说的同一套极差和不同套极差来说，因为都是 在马桶或者水箱同一环境中对比，ΔG基本不变化；ΔL1、ΔL2、ΔL3、ΔS、Δh1 为挂架和浮桶本身的零件公差造成，Δμ为不同零件间的粗糙度差异。ΔL4为挂量的公差。

ΔG、Δμ、ΔL1、ΔL2、ΔL3、ΔL4、ΔS、Δh1间有交互作用。

模拟计算：L1=14.5 mm、L2=25.4 mm、L3=4 mm、L4=1.5 mm，μ=POM-POM的摩擦系数=0.15(假定)，S=500 mm2，G=120 g(假定)，h1=50 mm;代入公式计算可得右表。

从表2可知：ΔL1、ΔL1、ΔL3在一样的公差下，ΔL3影响ΔH1最大；摩擦系数Δμ的影响非常大；ΔL3、ΔL4、Δμ、ΔS、ΔG影响相对较大，且控制摩擦系数Δμ，可以很大的提高稳定性(见图27)。

表2 水位稳定性差值表

图27 挂架力矩分析图

4 结语

通过以上研究和分析，排水阀集成化设计结合ABS改性料的使用，其主要性能指标优良，排水能更稳定，更适合节能马桶的配套，能更好地节约水资源具有更好的适配性。

(1)如图28所示，采用其中一款B4920L排水阀进行验证；

图28 B4920L排水阀

(2)取产品30套进行测试，每套各档均测5次。测试标准为批量极差≤6 mm，单套极差≤3 mm。

测试结果为：

①全排各档位批量极差分布如下：结果均<目标6 mm，OK(见图29)。

图29 B4920L全排各档批量极差

②半排各档位批量极差分布如下：结果均<目标6 mm，OK(见图30)。

图30 B4920L半排各档批量极差

③全排单套共有150个档位极差，结果所有档位极差均≤目标3 mm(见图31)；

图31 B4920L单套极差全排的直方图

④半排单套共有180个档位极差，结果所有档位极差均≤目标3 mm(见图32)。

图32 B4920L单套极差半排的直方图

5 结语

水效的实施及节水标识的张贴在一定程度上规范了洁具市场，促进了行业的良性发展。国家发改委环资司副司长赵鹏高在坐便器水效标识全国实施启动会上表示，坐便器实施水效标识管理是提高坐便器产品水效的一项重要市场化管理制度，水效标识的实施将推动我国用水产品产业的健康发展，促进我国水资源的高效利用。同时也能有效促进企业对标国际、国内先进水效标准，建立提升坐便器产品水效的长效机制，进一步推动形成节水型生产方式和消费模式。