何 磊，劉鑫宇，劉春旭

（武漢理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

1 項目背景

傳統(tǒng)的便池為了使沖洗污物受到的阻力小，將便池設(shè)計得較為圓滑，使用材料多為衛(wèi)生陶瓷中的高溫陶瓷。這種陶瓷結(jié)構(gòu)呈極致密的玻璃相，吸水率低于0.2%，釉面容易干燥。而直沖式蹲便器雖然有積水坑，但腔底平坦，腔面形狀復(fù)雜，有倒坡段，沖水阻力大，排污效果差，耗水量大，現(xiàn)在使用較少。研究表明，釉面是否濕潤是影響沖廁效果的一個重要因素，干燥的釉面加上干燥的排泄物都會導(dǎo)致沖廁效果差，造成二次或多次沖水，從而導(dǎo)致水資源的浪費。

基于以上背景和原因，筆者設(shè)計了這款潤濕型節(jié)水蹲便器，以提高一次沖廁效果，減少或避免多次沖廁。

2 系統(tǒng)設(shè)計

本文主要研究內(nèi)容是設(shè)計一種新型的基于人們上廁所習(xí)慣的節(jié)水型蹲便器，以解決現(xiàn)有的蹲便器沖廁效果差、需反復(fù)沖洗、浪費水等問題，主要包括便池內(nèi)部結(jié)構(gòu)改造設(shè)計、水箱按鈕改造設(shè)計、壓力傳動潤濕模塊設(shè)計、自動復(fù)位開關(guān)模塊設(shè)計。

2.1 便池結(jié)構(gòu)改進設(shè)計

在傳統(tǒng)的蹲便器的基礎(chǔ)上，在蹲便器的后方加上一個儲水空間。這個儲水空間安裝在靠近原后方出水口的下方位置，并通過彈性閥門開關(guān)與原流水通道相隔開。這樣設(shè)計的目的是當(dāng)水流按照原來的方式?jīng)_下時，這個儲水空間不會對水流起到阻礙作用，從而不會影響沖廁效果。這個空間的設(shè)計為光滑橢圓形，容量設(shè)計為100 mL，盡可能地減少空氣將儲水空間中的水壓出時容器壁對水的阻力，容量稍大于廁所便池最后階段流出的緩水流，稍小于壓力模塊傳送過來的空氣量，因此可以完全將緩水流儲存起來用來潤濕便池。

對便池左右兩側(cè)的底部進行一定加厚處理，留出一個空腔，用以放置排出濕潤水流時不會對原有水流通道造成任何阻礙的橡膠軟管。蹲便器側(cè)壁與原出水口并列處開有小孔，用以排出橡膠軟管中的水流，從而潤濕釉面。

2.2 壓力板氣囊模塊設(shè)計

氣囊壓力板氣囊模塊由上方防滑陶瓷及下方氣囊陣列共同組成，人站上防滑陶瓷上，用人自身的勢能提供高壓氣流。對現(xiàn)有的便池防滑陶瓷處進行一定的改造，例如將防滑陶瓷位置墊高，下方留出空間，而防滑陶瓷墊高的銜接位置采用橡膠材料進行銜接密封，實現(xiàn)軟性防水的性能。相關(guān)資料顯示，彈性好的橡膠材料能夠重復(fù)使用上百萬次。

下方留出的空間用來安裝導(dǎo)向滑架，從而將氣囊固定住。氣囊采用橡膠材料，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，橡膠氣囊現(xiàn)在廣泛用于支撐頂?shù)装搴透綦x采空區(qū)的支護構(gòu)筑物，因此材料強度能夠達到相關(guān)要求。

如圖1所示，氣囊采用陣列分布，氣囊陣列可保證有效受力面積，更大程度地利用人的自重，氣囊之間有支撐柱，支撐柱高度的設(shè)計要能實現(xiàn)每個氣囊和防滑陶瓷只發(fā)生微小變化，既避免氣囊的過度壓縮導(dǎo)致爆炸，同時也避免了陶瓷的上下運動對銜接處材料的損傷和影響人們的上廁所的體驗。

圖1 氣囊陣列分布

氣囊恢復(fù)由氣囊內(nèi)部的彈簧和位于氣囊另一側(cè)的單向閥門共同實現(xiàn)。氣囊的內(nèi)部安裝有彈簧，有利于氣囊的恢復(fù)。采用單向閥門，通過軟管傳送氣體，軟管安置在便池下方加厚的空腔內(nèi)，進而從側(cè)壁與原出水口壁開口，進行換氣。使壓縮和彈回兩個過程能夠從兩個通道分開進行，避免氣囊將儲水空間中的水吸入到氣囊中。

2.3 自動復(fù)位開關(guān)模塊設(shè)計

自動復(fù)位開關(guān)模塊由位于水箱內(nèi)的自動復(fù)位開關(guān)、滑塊、定位珠和位于儲水空間上方的彈性閥門以及起連接作用的細繩共同組成，主要用于控制儲水空間彈性閥門在沖廁的高速水流階段一直保持關(guān)閉狀態(tài)，不影響水流的流出，在沖廁最后的緩水流階段打開，使緩慢水流不流入便池中去，能夠直接流入到儲水空間中儲存起來。

自動復(fù)位開關(guān)模塊由上方按動水箱按鈕繼而通過連桿和細繩提供動力，按動上方水箱按鈕，連桿帶動細繩拉動自動復(fù)位開關(guān)，使復(fù)位開關(guān)發(fā)生位移，自動復(fù)位開關(guān)拉動細繩從而將連接有細繩的滑塊拉動，滑塊沿固定的滑軌中發(fā)生位移，（滑塊底部設(shè)計有凹槽，兩端設(shè)計為圓弧型，滑塊在細繩的拉動下凹槽能夠更容易卡入定位珠），在細繩的拉動下滑塊底部凹槽卡入位于滑軌的定位珠中，滑塊帶動細繩拉動儲水空間的彈性閥門關(guān)閉（定位珠產(chǎn)生的阻力大于彈性閥門恢復(fù)的彈力）。

自動復(fù)位開關(guān)緩慢恢復(fù)到原狀態(tài)（設(shè)計為自動復(fù)位開關(guān)恢復(fù)原狀態(tài)時間與高速水流時間段相同），滑塊受到定位珠的阻力作用始終保持在定位珠位置處，直到自動復(fù)位開關(guān)頂桿將滑塊從定位珠出頂出，彈性閥門不受阻力，恢復(fù)到打開狀態(tài)。

自動復(fù)位開關(guān)是在彈簧開關(guān)中加入阻尼從而使彈簧能夠緩慢的彈回，從而控制自動復(fù)位開關(guān)復(fù)位的時間。

定位珠是是一種由殼體、彈簧、球珠或柱體組成的負載設(shè)備，廣泛用于一些醫(yī)療器械設(shè)備、潤滑設(shè)備、氣動工具等產(chǎn)品中。借助一定壓力的彈簧能推動球體的運動，使得設(shè)備順利運行。

3 使用流程

使用該型蹲便器時，人站上防滑陶瓷部分，在人的重力作用下，此防滑陶瓷部分向下發(fā)生一段微小位移，壓縮位于陶瓷下方的氣囊部分，氣囊陣列將產(chǎn)生的壓縮氣體匯集后壓入到儲水空間上方中，而位于氣囊另一側(cè)的單向閥門因受到氣體壓力所以會關(guān)閉，壓縮氣體產(chǎn)生的壓力全都作用于出水空間的上方，空間內(nèi)的高壓將彈性閥門壓到處于關(guān)閉狀態(tài)，將出水空間中的水全壓入到下方管道，通過軟管和便池側(cè)面的開口，進而流入到便池中起到提前潤濕便池的作用。當(dāng)如廁結(jié)束后，按動沖水按鈕，按鈕同時帶動水箱中的壓蓋和自動復(fù)位開關(guān)，壓蓋控制水箱中的水流流下；自動復(fù)位開關(guān)帶動細繩從而帶動出水空間的閥門關(guān)閉，高速水流流下，沖洗便池中的污物，不流入儲水空間中。有效水流結(jié)束后，水管中開始流緩水流，此時自動復(fù)位開關(guān)已經(jīng)恢復(fù)到最初狀態(tài)，將滑塊頂出定位珠，儲水空間處的閥門在不受阻力的情況下彈回，恢復(fù)到開放狀態(tài)，緩水流流下直接流入到儲水空間中，人走后氣囊陣列在彈簧的作用下通過另一側(cè)的單向閥實現(xiàn)充氣，整個過程結(jié)束。

4 總結(jié)

通過調(diào)查問卷顯示，使用傳統(tǒng)蹲便器，20%以上的用戶經(jīng)常會遇到由于便池干燥而導(dǎo)致的污物沖不下去的情況。而發(fā)生上述情況時用戶常會多沖二三次廁所，既浪費了大量的水，也使用戶的如廁體驗較差。也有約占30%的用戶在如廁之前會提前沖一次廁所或再墊上一張衛(wèi)生紙來避免之后沖不干凈的情況。不管是上述哪一種情況，都造成了資源的巨大浪費。問卷顯示，如果本裝置能夠達到預(yù)期效果，80%以上的用戶愿意選擇使用本新型蹲便器。

根據(jù)建筑中水設(shè)計規(guī)范估算表，每一次沖廁所的水量6 L，傳統(tǒng)的蹲便器每次沖廁后會有一段5～6 s的緩水流，至少有60 mL水被直接浪費掉，而使用該型蹲便器可將這段緩水流儲存起來。按人們的沖廁習(xí)慣，沖廁所之前先沖一遍水用來濕潤便池表面，如果使用這種新式自重壓縮潤濕節(jié)水型蹲便器，每人每次排遺可節(jié)約6 L水。據(jù)調(diào)查研究，成人每天排遺2次，兒童每天排遺1次。

按每人每天平均排遺1.5次計算，則使用該型蹲便器每天可以節(jié)水2.25 L，以武漢市2016年常住人口1 076萬為例，保守估計200萬用戶使用本新型蹲便器，可推算出武漢市每天可節(jié)水4.5×106L。可見該裝置有較大的應(yīng)用前景。