2000米潛水表的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研制

撰文/樂(lè)天獻(xiàn) 張克來(lái)

2000米潛水表的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研制

撰文/樂(lè)天獻(xiàn) 張克來(lái)

隨著國(guó)內(nèi)海洋資源開(kāi)發(fā)的興起、潛水運(yùn)動(dòng)的普及，一些日常的防水手表已經(jīng)不能滿足市場(chǎng)的需求，由此可見(jiàn)此領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)存在相當(dāng)可觀的商業(yè)價(jià)值。此論文即是關(guān)于此領(lǐng)域的一款潛水表，詳述了2000米潛水表的研發(fā)與試制過(guò)程，在此過(guò)程中運(yùn)用了平面設(shè)計(jì)圖像處理軟件coreidraw/photoshop及AutoCAD和3D建模軟件Solidworks等數(shù)字化設(shè)計(jì)制造系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)分析開(kāi)發(fā)潛水表的結(jié)構(gòu)圖，并通過(guò)數(shù)控應(yīng)用軟件CAD/masterCAM，控制CNC數(shù)控設(shè)備進(jìn)行組合加工、復(fù)合加工等工藝的研發(fā)。現(xiàn)階段我們已經(jīng)完成了2000米潛水表的樣品制作和相關(guān)發(fā)明專利的申請(qǐng)并已取得證書(shū)，專利名稱為“一種機(jī)械表殼前圈結(jié)構(gòu)及其潛水表”，專利號(hào)為ZL201410143353.7。并且生產(chǎn)的潛水表成品在2015深圳鐘表展上參展，獲得了同行業(yè)以及參觀人員的高度肯定。

2000米 潛水表 專利 O令 底蓋 表玻璃 TA2

一、2000米潛水表的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于潛水表來(lái)說(shuō)，顧名思義最重要的就是防水結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，而潛水表的防水部位主要包括表玻璃、底蓋、柄頭。其中，底蓋和柄頭部位的結(jié)構(gòu)相對(duì)于表玻璃要容易的多，因?yàn)榍罢叨际墙饘偌?，采用螺紋和防水膠圈配合使用就能起到很好的防水效果，這里就不詳細(xì)論述了；而表玻璃部位卻不行，因表玻璃是脆性材料，所以得思考其它辦法。傳統(tǒng)的表玻璃與I令的配合使用只適合于3ATM-10ATM的防水，本設(shè)計(jì)突破常規(guī)，在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上增加了E令、金屬墊片和金屬鎖圈。這樣表玻璃與I令形成第一道防水結(jié)構(gòu)，E令、金屬墊片和金屬鎖圈形成第二道防水結(jié)構(gòu)，二者相輔相成，可靠性完全可達(dá)到200ATM的防水要求，具體結(jié)構(gòu)可參考下圖1：

圖1 潛水表結(jié)構(gòu)

圖2 潛水表發(fā)明專利證書(shū)

二、2000米潛水表零件尺寸的設(shè)計(jì)和材料的選用

（一） 表玻璃設(shè)計(jì)

1、2500米水深處的壓力計(jì)算

按照潛水表標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18828-2013/ISO 6425：1996的要求，2000米潛水表實(shí)際要求在2500米水深的壓力下實(shí)驗(yàn)。2500m水深處的壓強(qiáng)計(jì)算：

2、表玻璃材料的選用和尺寸設(shè)計(jì)

因?yàn)?500米（250bar）水深的壓力，普通的合成玻璃和礦物玻璃若要能在如此壓力的環(huán)境下無(wú)法抗拒，厚度必須設(shè)計(jì)在20mm以上，這樣手表完全不切合實(shí)際佩戴。從經(jīng)濟(jì)成本和可靠性兩方面考慮藍(lán)寶石材料比較適合，人造水晶藍(lán)寶石（A）材料莫氏硬度9級(jí)，因藍(lán)寶石抗壓強(qiáng)度400MPa，比普通玻璃的硬度高1.5倍左右。

表玻璃可簡(jiǎn)化為周邊簡(jiǎn)支的圓板物理模型來(lái)計(jì)算。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中的許可變形，初定表玻璃的半徑a為18mm，人造水晶藍(lán)寶石的斷裂強(qiáng)度為400MPa即400N/m，厚度為t mm，彈性模量E為380000N/mm，載荷分布范圍半徑b為 18mm，安全系數(shù)取1.2，則玻璃的許用應(yīng)力δ為400/1.2=333.33N/m，玻璃面受到的外部載荷P為25N/m。

由 K=b/a=18/18=1，查附表1的α=1.238，β=0.696

K 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 α 0.060 0.185 0.344 0.519 0.697 0.865 1.013 1.313 1.209 1.238 β 0.017 0.066 0.141 0.235 0.339 0.444 0.542 0.622 0.676 0.696

3、表玻璃進(jìn)行仿真模擬

采用表玻璃最大厚度d=5.50mm，球面半徑為157.00mm，表玻璃直徑D=36.00mm進(jìn)行3D模型受力分析，仿真結(jié)果如下圖3、圖4、圖5：

圖3 藍(lán)寶石玻璃仿真模擬位移圖

圖4 藍(lán)寶石玻璃仿真模擬最大應(yīng)力圖

圖5 藍(lán)寶石玻璃仿真模擬應(yīng)力圖

（二）底蓋材料的選用和尺寸的設(shè)計(jì)

從成本和可靠性兩方面考慮，我們備選的材料有316L和TA2，下面分別對(duì)兩種材料進(jìn)行理論分析、3D模擬、樣品試驗(yàn)。

1、底蓋材料選316L

同表玻璃設(shè)計(jì)原理，底蓋材料選316L，半徑a為21.25mm，316L的斷裂強(qiáng)度為170MPa即170N/m，厚度為t mm，彈性模量E為200000N/mm，載荷分布范圍半徑b為21.25mm，安全系數(shù)取1.2，則底蓋的許用應(yīng)力δ為 170/1.2=141.67N/m，底蓋面受到的外部載荷P為25N/m。

由 K=b/a=21.25/21.25=1，查附表1的α=1.238，β=0.696

從實(shí)際情況考慮，如果底蓋厚度做到10mm左右，整表的厚度將達(dá)到25mm左右，可行性不大。因理論計(jì)算與實(shí)際生產(chǎn)試驗(yàn)存在差距，現(xiàn)階段采用兩種規(guī)格的樣板進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)方法和結(jié)果如下——

下圖為底蓋試驗(yàn)的載體CAD圖和采用316L為材料的底蓋圖6、圖7、圖8：

圖6 底蓋載體試驗(yàn)

圖7 316L底蓋厚度尺寸（1）

圖8 316L底蓋厚度尺寸（2）

2、底蓋材料選TA2

底蓋材料選鈦材TA2，半徑a為21.25mm，TA2的斷裂強(qiáng)度為441MPa即441N/m，厚度為t mm，彈性模量E為 107800N/mm，載荷分布范圍半徑b為21.25mm，安全系數(shù)取1.2，則底蓋的許用應(yīng)力δ為441/1.2=367.5N/m，底蓋面受到的外部載荷P為25N/m。

由 K=b/a=21.25/21.25=1，查附表1的α=1.238，β=0.696

以下為三種規(guī)格的TA2底蓋圖9、圖10、圖11：

圖9 Ta2底蓋厚度尺寸（1）

圖10 TA2底蓋厚度尺寸（2）

圖11 TA2底蓋厚度尺寸（3）

下表為采用TA2和316L做板測(cè)出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：

表2

表3

由以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)，厚度為5.0和6.0mm的316L底蓋，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)后，厚度均發(fā)生了過(guò)量的變形，所以316L不可用。底蓋采用TA2作為原材料，厚度為3.9mm和3.4mm的樣板未變形，而厚度為2.9mm的樣板變形。試驗(yàn)效果理想，可用于潛水表底蓋材料。

（三）表殼設(shè)計(jì)

表殼簡(jiǎn)化為厚壁圓筒物理模型來(lái)計(jì)算，表殼材料選TA2，初定圓筒的內(nèi)半徑為18mm，外半徑為24mm，所求點(diǎn)半徑R為24mm，彈性模量E為107800N/mm，泊松比u為0.30，最大變形量為W，

由理論計(jì)算可知表殼的厚度取6.0mm時(shí)，變形量非常小，可忽略不計(jì)。底蓋試驗(yàn)的載體中，（ΦD4-ΦD1）/2=5.5mm，經(jīng)過(guò)與底蓋配合的實(shí)驗(yàn)測(cè)得此尺寸下的圓筒沒(méi)有發(fā)生變形。因鈦材斷裂強(qiáng)度比316L高的多，此處表殼不做單獨(dú)試驗(yàn)。

（四）底密封圈（又稱O令）材料的選用和尺寸設(shè)計(jì)

對(duì)于底密封圈O令我們選用的材料是有機(jī)透明硅橡膠材料，硅橡膠耐熱老化、耐寒性在-70～-100℃、耐高溫在-70～350℃性能等化學(xué)性能穩(wěn)定的一種橡膠，普通的丁氰橡膠和氟膠都不符合要求，確定密封O令圈的線徑為1.5mm，軸向壓縮量為0.60mm。

三、潛水表的制作和試驗(yàn)

參考以上分析、計(jì)算、試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，潛水表殼壁厚、玻璃厚度、底蓋厚度以及關(guān)鍵密封圈材料和關(guān)鍵防水零部件設(shè)計(jì)如下：

1.表玻璃采用藍(lán)寶石材料，最大厚度d=5.5mm，弧面半徑R=157.52mm；

2.底蓋采用TA2材料，最大厚度d=4.0mm，弧面半徑R=180mm；

3.表殼采用TA2材料，壁厚為7.0mm；

4.密封圈（又稱O令圈）采用透明硅膠，線徑1.5mm；

5.耐高壓防水柄頭試制省略；

6.排氣閥試制省略；

按照以上參數(shù)，經(jīng)過(guò)歷時(shí)幾個(gè)月上百次試驗(yàn)和真水測(cè)試，先從100bar、200bar、300bar直到400bar、500bar不同壓力和材料分多組測(cè)試和試驗(yàn)等分析工作，經(jīng)過(guò)幾個(gè)月研制工作，已掌握了不同深度壓力的潛水表的特性和關(guān)鍵參數(shù)，同時(shí)根據(jù)潛水表標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18828-2013/ISO 6425：1996的要求進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)、測(cè)試驗(yàn)證，完全符合國(guó)際潛水表標(biāo)準(zhǔn)的主要八項(xiàng)指標(biāo)（即時(shí)間測(cè)量裝置、能見(jiàn)度、耐熱沖擊性能、鹽霧試驗(yàn)、水下可靠性、耐沖擊性能、抗外力性能、功能裝置防水性）。

據(jù)了解國(guó)內(nèi)沒(méi)有測(cè)試高度潛水表試水設(shè)備，最高僅能測(cè)試50bar（500米潛水表）的測(cè)試設(shè)備；為做潛水表試驗(yàn)公司投資幾十萬(wàn)與香港專業(yè)制造手表防水儀設(shè)備公司合作研制一臺(tái)測(cè)試500bar試水設(shè)備，目前國(guó)內(nèi)僅有這一臺(tái)WF-380 可測(cè)試500bar防水測(cè)試儀設(shè)備如圖12、圖13，并經(jīng)過(guò)持有計(jì)量認(rèn)定資質(zhì)的“廣州特種承壓設(shè)備檢測(cè)研究院”檢測(cè)合格。

圖12 WF-380 500bar手表試水機(jī)

圖13 WF-380試水機(jī)操作界面

結(jié)論

2000米潛水表從2014年10月正式開(kāi)始設(shè)計(jì)研發(fā)，歷經(jīng)一年半的時(shí)間從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-計(jì)算、仿真模擬-試制-測(cè)試-問(wèn)題分析-多次改進(jìn)結(jié)構(gòu)和選材-仿真模擬、多次驗(yàn)算-再試制-經(jīng)數(shù)十次測(cè)試，每只試制品經(jīng)8～10次疲勞測(cè)試和試驗(yàn)；表殼和底蓋最終選擇純鈦TA2材料較為理想，整體表殼體積和厚度大大減小減薄，成表最大直徑φ50.0mm、厚度17.5mm，水晶藍(lán)寶石玻璃厚5.5mm，底蓋片后3.5mm，完全滿足適合愛(ài)好潛水表人群的佩戴。尤其是潛水表柄頭保護(hù)裝置安全可靠性，我們用近半年的時(shí)間進(jìn)行設(shè)計(jì)、數(shù)次改進(jìn)，最終設(shè)計(jì)較為滿意的結(jié)構(gòu)，并申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利，專利申請(qǐng)?zhí)枺?01510700389.5，各方面難點(diǎn)和加工工藝已完全解決，現(xiàn)已正式投入生產(chǎn)限量版潛水表，左圖是2000米潛水表實(shí)物照片如圖14；

圖14 2000米潛水表實(shí)物照片

1.陸明炯.實(shí)用機(jī)械工程材料手冊(cè).沈陽(yáng):遼寧科學(xué)技術(shù)出版社 2004: 10.

2.李春勝,黃德彬.機(jī)械工程材料手冊(cè)(上冊(cè)).北京: 電子工業(yè)出版社 2006: 31.

3.陳家昌，鄭定華.手表大全.上?？茖W(xué)技術(shù)出版社 1990: 01.

4.天津大學(xué)精儀系計(jì)時(shí)教研室.天津科學(xué)技術(shù)出版社 1980: 11.

5.潛水表標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18828-2013/ISO 6425：1996.