压力控制邂逅式冲厕水阀

设计者：

指导教师：XXX

（兰州理工大学，xxx，甘肃省兰州市，邮编：730050 ）

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摘要

城市公厕在众多的城市基础设施中，起着不可替代的重要作用，但公民便后冲厕意识差导致的环境问题影响着人们的生活，所以我们设计了一款压力控制邂逅式冲厕水阀。该水阀由传动装置、永久性磁铁、移动支架，阀体和锥阀阀芯组成，其基本工作原理：在人体重力的作用下，通过传动装置使两块磁铁吸在一起，当重力消失时，传动装置在弹簧的带动下使两块磁铁移动，移动支架和锥阀阀芯离开出水口，进行冲厕；当移动支架和锥阀阀芯移动到挡板处被挡住，而传动装置继续移动，使两块磁铁分开；此时在弹簧拉力的作用下，移动支架和锥阀阀芯返回到初始位置，完成冲厕。该水阀结构简单，造价低廉；无需专人操作，便能自动完成冲厕；保护了公共场所的环境，因此该作品具有较高的市场推广价值。

关键字 传动装置永久性磁铁锥阀阀芯移动支架

作品内容简介

压力控制邂逅式冲厕水阀主要由传动装置、永久性磁铁、移动支架，阀体和锥阀阀芯组成，解决大型公共场所便后不冲厕所带来的环境污染问题。该水阀无需专人操作便能自动完成冲厕主要分为以下两部分：

第一部分：传动装置

传动装置的上端面接有脚踏板，右端面装有传动杆，脚踏板和传动杆成90度设计。脚踏板和传动装置中间的连接杆上装有压簧；传动杆和阀体之间用拉簧连接，并且顶端装有永久性磁铁。

第二部分：水平移动的锥阀阀芯

锥阀阀芯连接在水平移动架上，并且水平移动架的两端装有永久性磁铁；阀体里面设有挡板，控制阀芯移动的最大距离，同时控制出水量。

压力控制的邂逅式冲厕水阀解决了在大型公共场所便后不冲厕所带来的环境污染问题，并且结构简单、造价低廉，所有市场推广价值极大。

1 研制背景及意义

城市公厕是一面镜子，它反映出国民的卫生习惯、公德水准、审美意识、受教育程度和国家发展经济和科学文化水平。近年来，卫生部就强制性国家标准《公共厕所卫生标准（征求意见稿）》公开征求社会意见，公厕问题得到了公众前所未有的关注。随着经济的稳步发展，中国人对居住环境和城市卫生条件的要求在不断提高，就公共厕所本身来说，分布数量和卫生程度的保证是其必要条件，保证科学规划、建设步伐和后期维护资金即可做到。而现今唯一困扰各国的公厕问题便是除臭问题。

我国公共场合冲厕式水阀大多需要人为施加外力冲厕，而国民厕后冲漱意识薄弱直接导致了公厕臭味问题严重。

压力控制的邂逅式冲厕水阀主要应用于医院、学校等大型的公共场所。当人们大便后无需人为冲厕，走后便会自动冲厕。该水阀解决便后不冲厕带来严重的环境问题，使我们的大型公共场所变得更加环保，更加人性化。

2 设计方案

基于液压传动的压力控制邂逅式冲厕水阀主要应用于大众公共厕所，解决便后不冲厕所带来的环境问题及空气污染问题。现将该装置的设计方案介绍如下：

2.1液压传动装置和楔形块传动装置

2.1.1液压传动装置（图1）

该装置主要由脚踏板、压杆活塞、缸体、液体、传递杆及永久性磁铁组成。人给脚踏板以压力，使脚踏板带动压杆活塞向下移动；此时缸体是密封的，所以力通过液体传递给传递活塞，传递活塞带动永久性磁铁移动，完成力的传递。

图1

2.1.2 楔形块传动装置（图2）

该装置主要由脚踏板、楔形块、弹簧、滑轮、传递杆及永久性磁铁组成。人给脚踏板以压力，使脚踏板带动楔形块向下移动，推动滑轮和传递杆移动，从而带动永久性磁铁移动，完成力的传递。

图2

2.2 移动的锥阀阀芯

移动的锥阀阀芯（图3）由两个弹簧、两块磁铁、移动架、锥阀阀芯和阀体组成。图1中的磁体和该图中的磁铁吸在一块时，在图1中磁铁的带动下，该图中磁铁和移动架也作水平移动，同时锥阀阀芯离开阀体，当移动架被挡板挡住时，图1中磁体继续移动使图1和改图中的磁铁分离，同时在弹簧拉力的作用下锥阀阀芯回到原始位置，完成水阀的一次打开和关闭。

图3

3 工作原理

压力控制的邂逅式冲厕水阀是为解决共公场所人们便后不冲厕而引起的环境问题而设计的。该水阀的开关设计在人们脚踩的地方，无需人们刻意去操作，只要人们大便就会触动该水阀的开关，等人们脚离开该位置后，便会自动冲厕。

3.1 液压传动式冲厕水阀（图4）

人给脚踏板1的压力使活塞3和连接杆2向下移动，通过液体4的压缩传递，此时缸体15密封良好，所以活塞14和活动杆6移动，并驱使活动杆6带动磁铁移动10，吸附于另一块磁铁7；当人的压力失去时，在弹簧13拉力作用，使活动杆6带动磁铁（7、10）、移动架8和锥阀阀芯17移动，此时锥阀阀芯17离开出水口19，此时达到出水的目的。

当移动架移动8到挡板16位置时，在弹簧13的拉力作用下活动杆6和磁体10继续移动，使两块磁铁（7、10）分离开；活动杆6和磁体7继续移动回到初始位置；而磁铁7、移动架8和锥阀阀芯17受到弹簧9的拉力作用下，返回到初始位置。此时锥阀阀芯17又返回到出水口19的位置，关闭出水口19，停止出水，此时完成一次冲厕。

该液压传动装置的两端装有移动活塞且成90度，满足力的传递方向，达到作用于水平方向磁铁的目的，且该装置里面装有液体水，缸体的密封性好，保证液体不外漏。从而实现了良好的传递活动。

图4

3.2 楔形块传动式冲厕水阀（图5）

该装置和（图4）中相比只有传动部分做了变化，其他部分一样。其传动部分的工作原理为：

人给脚踏板1施加压力使楔形块20在轨道26内向下运动，从而推动滑轮25和传动杆6在支架21和23内移动，使磁铁吸附在一起，同时弹簧27被压缩和弹簧22被拉伸。当压力消失时，在弹簧27的弹力作用下，楔形块20返回；在弹簧22的拉力作用下，活动杆6返回。

图5

4 理论设计计算

为了保证该水阀功能实现并良好的工作，我们主要对下面几个力进行计算并做文字说明。

　当压力作用脚踏板时，支架上弹簧的伸长量

　　　　原始位置时，移动架后面弹簧的伸长量

　　　　　　　　脚踏板下弹簧的弹性系数

　　　　　移动架后面弹簧的弹性系数

　两块磁铁的吸引力

水位的高度

挡板到移动架最前端原始位置的距离

　　　大气压强

重力加速度

水的密度

锥阀阀芯完成一次移动所用时间

水的流速

出水管口的面积

总的流量

为了保证原始位置水不外流：　

为了保证移动架可以灵活移动：

为了保证移动架和锥阀阀芯顺利返回原始位置：

列出刚出水时，出口的状态关系式（出口位置和最高水位的伯努利方程）：

　注释：以出水口位置为原始位置，两端都和大气接通，所以压强为大气压强P;并假设最高位置水的速的为0.

得:

由于阀芯运动时间短，所以我们假设水阀打开时为匀速运动；而关闭时最终速度为0，所以我们假设关闭时为匀减速。

锥阀阀芯和水一起移动，所以我们可以假设阀芯打开时的移动速度和水的流速一样，并且移动架和锥阀阀芯的质量非常小所以假设为质量1，所以等冲厕时间和锥阀阀芯完成一次移动所用时间相同则有：

完成一次冲厕所用水的流量：

5 创新点及应用

1）巧妙的运用了磁体，使水阀简单；

2）解决了便后不冲厕的社会热点问题；

3）做工简单，造价低廉；

4）无需专人操作，并无利用电等高技术、高耗能装置；

5）解决了厕后沖漱装置控制难的问题，可替代城市现行使用的定时循环冲水装置，从而减少了水资源的浪费。

目前国内外公共卫生间采用各种高低端产品作为冲水装置，高端产品主要以红外线照射控制冲水开关，这种方法快捷方便，能够及时处理便后废物，但需要消耗电来启动装置，安装成本也过高，且由于红外线过于敏感，当人体靠近即刻做出冲漱反应，一定程度上浪费了水资源，不利于节能。低端产品中主要是定时自定冲水装置，虽然便于安装，也能一定程度上改善厕所环境，但极大地浪费了水资源，且由于未能做到及时即刻的冲厕反应，使得便后废物处理效果不佳。而我们这款冲水装置，基于液压控制原理能够做到及时冲水反应，且由于液压装置的均匀稳定性，不会出现红外线等高端产品反应过度的浪费情况，且同样安装成本低，且简单易行，设备维修也较为容易，使得投入使用变成触手可及的事情，可以广泛的应用到各种公共卫生场所，来改善公共卫生环境。

参考文献

[1] 孔陇主编；《工程流体力学》，第三版：水利电力出版社，2000。

[2] 林建亚、何存兴主编：《液压元件》，机械工业出版社，2000。

[3] 李仁年、陆初觉、闵为编著：《液压流体动力学》，机械工业出版社，2000。

[4] 上海市绿化市容局市容刊物 2007.03.16