楊德濟(jì)

(廈門優(yōu)勝衛(wèi)廚科技有限公司 福建 廈門 361022)

前言

隨著國家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB 25502-2017《坐便器水效限定值及水效等級(jí)》[1]的頒布實(shí)施，節(jié)能節(jié)水成為坐便器必備的性能。而時(shí)代進(jìn)步，生活審美的發(fā)展，純平外觀的坐便器在市場上深受消費(fèi)者喜愛，所以節(jié)水型純平坐便器是我們的產(chǎn)品發(fā)展趨勢。

常規(guī)坐便器需要重力勢能，無法做到純平。市場上現(xiàn)有的純平坐便器是將儲(chǔ)存水箱放置在坐便器內(nèi)部，利用電泵技術(shù)、壓力蓄能技術(shù)或射流技術(shù)實(shí)現(xiàn)沖刷功能。電泵技術(shù)，依賴電力，密封要求高，出水流量要足夠大，造價(jià)最高，難以普及；壓力蓄能技術(shù)成本相比略低，沖刷力度大，可滿足一級(jí)水效標(biāo)準(zhǔn)；射流技術(shù)是利用射流原理對坐便器洗圈沖刷，靠重力勢能主沖輔助虹吸，雖然成本最低，但因勢能較低，無法滿足一級(jí)水效標(biāo)準(zhǔn)。其中，廈門優(yōu)勝衛(wèi)廚科技有限公司生產(chǎn)的蓄能水箱坐便器[2]利用進(jìn)水管道的水壓壓縮彈簧，把水儲(chǔ)存在壓力水箱內(nèi)，壓縮彈簧蓄積能量實(shí)現(xiàn)有壓沖刷，產(chǎn)品用水量3.8 L，符合國家一級(jí)水效標(biāo)準(zhǔn)。考慮安全因素，水箱產(chǎn)品要求較高強(qiáng)度以及嚴(yán)格的密封要求，構(gòu)造復(fù)雜，工藝要求高，成本較貴。

1 研究與開發(fā)目標(biāo)

在彈簧蓄能坐便器中，因坐便器空間結(jié)構(gòu)限制，采用兩個(gè)水箱布局。兩個(gè)水箱分別放置于坐便器虹吸管道與側(cè)壁之間，以減小坐便器尺寸。一個(gè)水箱提供洗圈水，一個(gè)水箱接主沖噴口輔助虹吸。水箱容積1.5 L,加上補(bǔ)水0.8 L，總用水量3.8 L。根據(jù)過往研發(fā)經(jīng)驗(yàn)以及現(xiàn)有的射流技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對于雙壓力水箱系統(tǒng)來說，洗圈的水量及壓力不是必須的，存在著浪費(fèi)水現(xiàn)象。坐便器的洗圈水箱可降低壓力及更少的水即可完成洗圈功能。這樣就確立了研發(fā)目標(biāo)：研制一個(gè)自成系統(tǒng)，可取代洗圈壓力水箱的常壓水箱；該水箱需要自動(dòng)完成按壓沖洗排水、水箱補(bǔ)水等工作循環(huán)，重點(diǎn)為它是非重力排水的常壓水箱。

根據(jù)過往研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，可定義常壓水箱系統(tǒng)的基本要求：

(1)在性能及安全性上超過或滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求[3]；

(2)減少動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)品良品率與可靠性；

(3)成本要大幅度降低；

(4)產(chǎn)品在使用中可能遇到的一些異常情況處理考量，如耐壓或水壓過低時(shí)，不能漏水，如關(guān)鍵零部件止水失效，水要流到坐便器里，而不是漏在地板上等。

2 研究與開發(fā)過程及關(guān)鍵性問題的突破

2.1 研究項(xiàng)目可行性及用水量的確認(rèn)

分析確認(rèn)原壓力水箱布置空間對比已有射流洗圈坐便器發(fā)現(xiàn)工況不佳，工作水位到出水口距離要比舊射流系統(tǒng)低8 cm，應(yīng)用原有射流組件初步測試，洗圈效果極差，需重新調(diào)定射流結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)。引用陸宏圻《射流泵技術(shù)的理論及應(yīng)用》[4]中噴嘴的計(jì)算公式：

其中，μ1為噴嘴流量系數(shù)；α為喉管進(jìn)口函數(shù)；Δp0泵的工作壓力(MPa)；Qn為動(dòng)力液流量(m3/min)；γ0為動(dòng)力液重度(N/m3)。

擬定射流泵壓差△P0為0.08～0.015 MPa，進(jìn)水流量Qn取值0.2～0.3 m3/H，流量系數(shù)μ1取1，喉管函數(shù)取1.05，動(dòng)力液為水，代入計(jì)算得：

噴口直徑d徑取值范圍2.6～4.2 mm；

根據(jù)手冊查射流泵曲線表[5]：

表1 射流泵曲線

結(jié)合工況，要求最大流量，非最高效率，故取值流量比q=4，面積比m=24，根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式確定射流喉管直徑與長度[6]，然后確定擴(kuò)散管出口直徑。按不同結(jié)構(gòu)尺寸配置制作簡單模型分別測試，選取最優(yōu)參數(shù)系統(tǒng)。測試結(jié)果見表2。

表2 簡易射流匹配壓力水箱系統(tǒng)與雙壓力水箱系統(tǒng)坐便器沖刷性能對比測試[5]

從表2可以看出，新系統(tǒng)性能接近，省水10.5%。小顆粒項(xiàng)目略差，貼壁紙巾項(xiàng)目比較好。初步分析原因，原壓力水箱流速高，紙巾未打濕就結(jié)束沖刷，而新系統(tǒng)流速適中，故而提升。

2.2 新水箱系統(tǒng)構(gòu)建及難點(diǎn)

在新水箱系統(tǒng)的構(gòu)建設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)動(dòng)作邏輯是開啟-排水-到位切換-補(bǔ)水-進(jìn)滿停止等一系列動(dòng)作的自動(dòng)執(zhí)行及結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化，需要機(jī)械結(jié)構(gòu)在運(yùn)行中自我判斷執(zhí)行。圖1是定型產(chǎn)品透視圖。在設(shè)計(jì)階段遇到一些難點(diǎn)，對比較典型的問題以下予以著重說明。

圖1 定型產(chǎn)品透視圖

2.2.1 射流系統(tǒng)在低壓時(shí)長排水

在水壓0.045 MPa以下時(shí)(非工作水壓范圍)，水箱偶爾在某個(gè)水位高度時(shí)進(jìn)、排水流量平衡的現(xiàn)象。產(chǎn)品異常表現(xiàn)是低壓長流水，無法完成工作循環(huán)。

分析原因：異常時(shí)水位高度正好處于切換水位和進(jìn)水閥開啟水位之間，因進(jìn)、排水流量一致，水箱水位不再變化，無法到達(dá)切換水位，故系統(tǒng)狀態(tài)維持在長排水狀態(tài)。

問題改進(jìn)：設(shè)計(jì)改進(jìn)用倒置的切換浮力平衡系統(tǒng)(圖2)。與常規(guī)的帶配重水切換類浮筒不同，采用上方浮力，下方配重的方式，與帶小孔的外浮筒實(shí)現(xiàn)延時(shí)切換功能。

圖2 倒置的切換浮力平衡系統(tǒng)

工作機(jī)理：當(dāng)水箱在低壓狀態(tài)開啟后到達(dá)于平衡水位時(shí)，外浮筒的里的水由于小孔原因延遲10 s左右流空，進(jìn)而使平衡浮筒失去浮力，轉(zhuǎn)為重力效果，和切換平衡配重浮筒一起作用下推動(dòng)切換掛鉤裝置，提前產(chǎn)生切換動(dòng)作，使水箱停止排水，只能進(jìn)水，繼而到達(dá)工作水位后停止，水箱不會(huì)再長排水，而是進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)，問題得到徹底解決。

2.2.2 進(jìn)水閥的快速復(fù)位無法系統(tǒng)開啟問題

產(chǎn)品異常現(xiàn)象描述：低壓(非工作水壓范圍)時(shí)水箱即按即停，按壓開關(guān)后，水箱排水；松手后水箱即停止排水，坐便器沒有完成沖刷功能。

原因分析：水箱中使用的進(jìn)水閥是背壓腔式止水方式，需要背壓腔室的泄壓口完全打開才可正常進(jìn)水，而當(dāng)開關(guān)通過聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)把進(jìn)水閥浮筒按下去后，低壓排速低，水箱內(nèi)的水尚未排出到可以完全打開進(jìn)水閥泄壓口的位置時(shí)，短時(shí)間內(nèi)松手進(jìn)水閥浮筒會(huì)自動(dòng)浮起，關(guān)閉進(jìn)水，造成系統(tǒng)不工作。

解決辦法：在驅(qū)動(dòng)浮筒的聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)處(圖3)設(shè)計(jì)增加延時(shí)復(fù)位功能，在啟動(dòng)拉桿與箱體配合處用小間隙配合過水(圖4)，延時(shí)復(fù)位。

圖3 驅(qū)動(dòng)浮筒的聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)處

圖4 拉桿與箱體配合處用小間隙配合過水

工作原理：當(dāng)開關(guān)按壓后，外部水壓進(jìn)入開啟拉桿的薄膜與箱體之間，產(chǎn)生拉力帶動(dòng)聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)使浮筒下壓及切換結(jié)構(gòu)啟動(dòng)，因開啟拉桿與箱體之間的小間隙排水延時(shí)復(fù)位，使開啟拉桿在約5秒左右復(fù)位(相當(dāng)于按住開關(guān)5 s)，此過程中一直通過聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)拉住進(jìn)水閥浮筒，使其不能快速復(fù)位，讓水箱一直排水直至進(jìn)水閥完全開啟水位，以便水箱排水動(dòng)作繼續(xù)完成。由此問題點(diǎn)關(guān)閉。

2.3 技術(shù)突破

在多次調(diào)試測試中發(fā)現(xiàn)，如果坐便器洗凈面的洗凈水(常壓水箱內(nèi)的水)和壓力水箱如果能夠分別先后開啟，坐便器的沖刷的效果更好(其它系統(tǒng)都是同時(shí)開啟)。如能在洗凈面清洗水流到水封表面時(shí)開啟主沖壓力水箱，這樣沖刷效果又有所提升。這種類似電子編程式的順序開啟要用機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)是比較困難的。

本設(shè)計(jì)方案重大的技術(shù)突破點(diǎn)在于：用常壓水箱的液位高度控制實(shí)現(xiàn)順序開啟兩個(gè)水箱，提升系統(tǒng)沖刷性能。

工作原理：壓力水箱是通過泄壓控制水路內(nèi)水壓方法啟動(dòng)工作的，本案在常壓水箱內(nèi)設(shè)計(jì)了一處配重浮筒，通過杠桿增力后控制單向閥開啟閉合，使壓力水箱控制水路泄壓(圖5)。這樣通過改變配重浮筒開啟時(shí)的水位高度，即可調(diào)節(jié)壓力水箱的開啟時(shí)間。通過多個(gè)不同的尺寸模型測試系統(tǒng)沖刷性能，得到最理想的壓力水箱開啟水位高度，達(dá)成最優(yōu)效果。實(shí)現(xiàn)先洗圈，后噴射的坐便器沖刷模式，在坐便器沖刷效果提升時(shí)亦可減少水量。測試數(shù)據(jù)見附表3。

圖5 壓力水箱控制水路泄壓

從表3可以看出，優(yōu)化后的沖刷系統(tǒng)性能得到進(jìn)一步提升，且用水量比原雙壓力水箱系統(tǒng)節(jié)省15.7%的用水量。

表3 優(yōu)化后模型與舊模型坐便器沖刷系統(tǒng)性能對比測試

3 研究總結(jié)

通過此項(xiàng)目研究開發(fā)，確認(rèn)在彈簧蓄能沖刷系統(tǒng)中，產(chǎn)品可更高效節(jié)水，節(jié)省15.7%的用水量，同時(shí)沖刷性能略有提升。產(chǎn)品成本核算常壓水箱是壓力水箱的五分之一左右，大大降低了成本。由此可見優(yōu)化后射流系統(tǒng)在純平節(jié)水坐便器中應(yīng)用有很大的優(yōu)勢，無需動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)品的可靠性與穩(wěn)定性，延長產(chǎn)品使用壽命，更好的滿足產(chǎn)品使用需求。