基于节水型坐便器的一种排水阀设计*

文少洪 苏樟忠 陈学锦

(1 潮州市潮安区大耀卫浴设备实业有限公司 广东 潮州 515646)(2 潮州市建筑卫生陶瓷行业协会 广东 潮州 521000)

前言

节水，一般是指提高水的利用效率、增加废水的处理回用量、防止和杜绝水的浪费等技术和措施。随着经济发展，建筑行业、卫浴产业的技术进步和生产力的提升，人们对居家生活品质的追求提高，而马桶作为如厕环境舒适干净，生活质量提高的标志，价格降低，其使用普及率越来越高。节水工作应融入国民经济发展和人民群众的日常生活中，提高个人的节水意识，养成良好的用水习惯，推广使用节水型用水器具，淘汰不符合节水要求的生活器具。而节水型坐便器是指在现有普通坐便器的基础上通过技术革新达到节水目的的一种新型坐便器。使用节水型坐便器是实现节水的主要途径。目前，越来越多的卫浴企业开始积极研发节水型坐便器，节约坐便器用水量，使之达到合理的范围，这也是未来坐便器发展的必然方向。

1 我国水资源使用现状

作为全球人口最多的国家，我国水资源总量约为2.81万亿m3，占全球资源总量近7%，人均水资源量为2125m3，不到世界平均水平的三分之一，是世界人均水资源贫乏的国家之一。

各地区城镇家庭用水水平不一，据国家统计局对全国5万多户城镇居民家庭进行抽样调查的结果显示，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%的家庭每月用水量达到20 t以上，其中3%的家庭每月用水量甚至在30 t以上。以西安市为例，其水资源总量为23.47亿m3，人均占有量仅277m3，不到全国平均水平的七分之一。

当今社会水污染主要来源于工业废水的排放，而水资源浪费却集中在居民家庭用水上，其中卫生间用水量占在居民家庭总用水量的60%～70%，而马桶则是卫生间用水量最大的设施，约占居民生活用水的1/3。以一家三口为例，按传统马桶一个月用水量约为4m3，按节水马桶3/6 L计算一个月用水量约为2.7m3，使用节水马桶可节省约1/3。

2 坐便器概述

在人们的日常生活中，以马桶为主的便器是不可或缺的卫生设施，它改善了人民的如厕条件，由原始的旱厕向着更现代化更整洁的方向转变，提高了人民生活品质和如厕舒适度，有利于家庭和公共场所的环境卫生，因其表面干净光洁易清洗、排污功能优良，被誉为人类最伟大的发明之一。便器的起源要追溯到16世纪的英国，1597年，贵族约翰哈灵顿发明了的第一个现代意义的抽水马桶，并安装进伊丽莎白女王的宫廷里。1775年，英国的钟表师卡明斯对哈林顿马桶的储水器进行了改进，使其每次用完储水器里的水后能自动关住阀门，并让水自动灌满水箱，提高了其自动化程度。

便器常见的有坐便器、小便器和蹲便器。以坐便器为例，按产品类型可分为分体坐便器和连体坐便器；按其结构可分为冲落式和虹吸式；按智能化可分为普通坐便器与智能坐便器。按操作方式可分为机械式和感应式等。

十几年来，我国建筑卫生陶瓷的研发水平和生产设备得到了明显的提高。产品质量水平得到极大改善，已成为了人民居家装修消费的主要对象。卫浴产业得以长足发展，国内卫浴品牌声名鹊起，并逐渐发展壮大且形成了独有的技术特点，随着一些国际知名的卫浴品牌加入，在一定程度上促进了国内卫浴市场的竞争激烈程度也利于国内卫浴企业的技术水平、产品质量的不断提高。

2019年全国卫生洁具产量达到1 851.07万件，比2018年增长3.58%，坐便器产品约占便器类产品的80%左右，坐便器市场需求量每年在4000万件以上。

尽管坐便器的品类日渐繁多、产品档次参差不齐，但在总体结构上还是采用本体、水箱配件或冲洗阀等部件组合。水箱配件作为坐便器的核心部件，业内称之为“马桶心脏”，由进水阀，排水阀和按钮组成，是最常见的自动控制水箱进排水的洁具配件。

大致可以分成连体式和分体式的两大类，分别适用于连体马桶和分体马桶。进水阀有侧进水和底进水，也有少数后进水；排水阀部分有双按式、吊链式和桶式；按钮部分可分成侧面按钮、顶部按钮和前面按钮。

3 水箱配件行业现状分析

我国卫浴产区目前主要分布在为广东、河北、福建、浙江、河南等地，水箱配件通常需要分开采购和安装。要达到合理的节水等级，减少水资源浪费，不仅要靠便器本体的优良设计制造，更需要水箱配件精确的排量控制。一级水效配件的提供商主要有ECO、R&T和吉博力。

随着国内卫浴企业的技术水平、产品质量的不断提高，相关的标准制定工作也如火如荼地进行。目前便器产品水效相关的国家标准有：GB 28377-2019《小便器水效限定值及水效等级》、GB 30717-2019《蹲便器水效限定值及水效等级》、GB 25502-2017《坐便器水效限定值及水效等级》、GB 38448-2019《智能坐便器能效水效限定值及等级》。

其中国家标准GB 25502-2017《坐便器水效限定值及水效等级》规定了坐便器的水效等级指标如表1所示。

表1 坐便器水效等级指标

在国家标准GB 25502-2017《坐便器水效限定值及水效等级》中，坐便器平均用水量和双冲坐便器全冲用水量的用水效率规定了一级水效和二级水效相差1 L，在排除坐便器自身管道的稳定性差异，还要保证冲刷的性能稳定发挥，在不同压力下每次排水量的差值需控制在≤0.3 L的水平。

故要达到国家标准GB 25502-2017《坐便器水效限定值及水效等级》中用水效率一级水效等级，排水阀的配套要求需达到以下标准：

(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的水平，不同套排水阀之间差值需控制在≤6 mm的水平；

(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的水平，不同套排水阀之间在三个不同压力下(0.14 MPa、0.35 MPa和0.55 MPa)单值差值需控制在≤0.2 L的水平。

国家标准GB 25502-2017《坐便器水效限定值及水效等级》自实施以来对我国卫浴企业的研发生产有着重大影响，尤其是对于潮州、河南等地的卫浴产区部分企业，特别是小微企业，原来只关注冲刷能力是否干净，未过多地关注用水量浪费的多少，生产的坐便器用水量效率主要为7 L，而新标准3级用水效率最低要求提高到6.4 L，这就对企业的研发和生产制造能力提出了更高的要求。同时相关的国家监管机构将不定期不定量对市场上的已流通的产品进行质量抽检，对于普通消费者而言，在价格相近的条件下，出于环保意识和节省经济开支的想法，更希望购买水效等级更高的产品。在多重因素的影响下，水效等级低水量排量大的坐便器将逐渐被淘汰出市场。

4 满足国标一级水效排水阀的设计

图1 传统水箱配件

我国卫浴产业经多年研发，科学技术的发展和生产力的提高，目前水箱配件种类齐全，能满足各种坐便器的配套所需。但传统的排水阀同套之间差值仅能控制在10 mm左右，最多只能达国家二级水效标准，不能满足一级水效要求。为了在提高排水量的稳定性的基础上，能生产满足国家一级水效标准且具有竞争性产品，需要开发出单套最大极差3 mm、批量最大极差6 mm的排水阀。

4.1 传统排水阀设计

传统排水阀设计为：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，这种设计的缺点为：本体为关键零件，本体上的导向尺寸难以测量，且本体和底板配合后的定位尺寸不精确(见图 1) 。

图2 集成水箱配件

4.2 改善排水阀集成设计

改善排水阀集成设计：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，从而使本体结构更简单，排水阀阀体结构更为紧凑，更有利于大规模生产，使排水量的稳定性更可控，另外组件实配不同高度的本体可形成不同高度的排水阀，有利于产品的系列化和标准化(见图 2) 。

4.3 材料的选用

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3)。

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，会加速零件间的破坏。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。普通ABS材料是难以满足要求，基于这种需求，需要开发出耐摩润滑ABS改性材料。

首先添加硅酮润滑剂，极大改善了ABS材料的润滑性能，在与导槽的相对运动中做到低磨耗；再添加部分尼龙提高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，内套管的磨损失效已大幅提升到15万次以上，远超于原本的5万次～7万次，同时排水量稳定性增强。

图3 排水阀内套管

5 结语

通过以上排水阀的集成化设计并结合ABS改性材料的使用，其主要性能指标良好，排水性能更加稳定，满足节水型坐便器的适配性。随着缺水问题的日益突出、国家节水政策和相关措施的不断落实解决、国家水效标准的实施将推动我国卫浴产业的健康发展，同时也能有效促进企业研发和生产能力的提升，建立节水型坐便器产品水效的长效机制，进一步推动环保型生产方式和消费模式，在一定程度上规范了卫浴市场，促进了行业的良性发展，确保我国水资源的高效利用，建设节约型社会。