一種礦用三防手機的結構設計與實現

摘 要：針對目前煤礦井下通訊系統穩定性不佳，手機“三防”即防水、防塵、防震性能不強等問題，闡述了影響手機結構設計的幾個關鍵因素，并提出了一種新型的礦用手機結構。簡要介紹了礦用手機的防水、防塵設計，材質選擇，抗沖擊能力和注塑成形等內容，以期為日后的相關工作提供參考?，F場實驗表明，新型礦用手機的防水、防塵等級能達到IP65以上。

關鍵詞：礦用手機；防水防塵；注塑；抗沖擊能力

中圖分類號：TQ320.66 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.11.117

文章編號：2095-6835（2016）11-0117-02

隨著礦用監控和調度技術的不斷發展，利用簡單、廉價的無線技術監控和調度煤礦井下的工作已經成為了可能，它能保證井下正常通訊。井下無線通訊技術的發展離不開礦用手機。目前，礦用手機的應用率越來越高，人們對其設計也提出了更高的要求。

礦用手機是一種智能調度終端，它可以實時采集數據，遠程監督煤礦的生產安全，實現人員信息的上傳下達。手機設計主要包括功能、材質、界面、結構和外觀等。其外觀和結構是消費者首先接觸的一部分，它不僅要反映手機的品位和定位，還關系著手機的防水、防震、防塵等特殊性能，甚至還會影響通訊質量等。本文簡要分析了影響礦用手機結構設計中的關鍵因素，提出了一種新型的礦用手機結構，以期為礦用手機結構設計方案的選擇提供理論依據。

1 礦用手機的外形結構

一般情況下，手機分為直板、翻蓋、旋轉這幾類，根據造型的不同，還能衍生出很多其他類型。直板手機是最早出現的，它主要是由遙控器、電話分機等造型演變而來的。這類手機主要是由天線接收、語音接收和采集、操作按鍵盤、顯示屏等組成的。

鑒于煤礦用戶使用手機環境的特殊性，手機按鍵設計必須要方便操作。操作實驗數據顯示，建議按鍵長度在10 mm以上才能滿足普通礦工手指操作方便的要求。煤礦用戶在井下工作時，體力勞動偏多，工作環境相對較差，手機不可避免地會被摔擊、碰撞，遇到灰塵滴水入侵等情況，因此，礦用手機必須具有較強的抗摔性能和防水、防塵性能。當煤礦用戶使用手機時，往往是一只手拿著它，所以，能夠單手操作也成為設計礦用手機時必須考慮的問題之一。

直板手機的形狀比較固定，一般為長方形，顯示屏在上方，操作按鍵在下方，很難在外觀設計上有所突破。而且它的屏幕和按鍵均暴露在外，容易劃傷屏幕，誤操作。由于聽筒和麥克設計在直板手機上，所以，環境噪聲的采集對語音通話音質的影響也比較大。

綜上所述，為了達到礦用手機的設計要求，結合現代地面手機的更新換代速度和時尚要求，有效避免傳統礦用手機因按鍵造成的防水、防塵方面的困擾，本設計選用特殊玻璃材料設計大屏智能手機。具體如圖1所示。覆蓋在手機外側的一圈是硅橡膠，當手機遭到碰撞、摔擊時，它能起到一定的緩沖作用；彩屏是用鍵盤鎖鎖定，能有效防止誤操作；語音采集采用的是先進的自適應濾波方式，能保證采集到的語音的清晰度和可靠度。整個設計的外觀給人一種結實、耐用、抗磨耐摔、時尚、美觀的感覺。

2 礦用手機的防水、防塵設計

礦用手機主要是在煤礦井下使用，那里環境十分惡劣。為了達到礦用產品的安全規定，手機必須為本安型設備，抗摔性能，防水、防塵性能必須可靠。傳統的礦用手機防水、防塵等級要求必須在IP54以上，即防止有害的粉塵堆積，避免液體由任何方向潑到外殼上對其造成傷害。此次設計的礦用手機防水、防塵等級達到了IP65，能夠完全防止粉塵進入，用水沖洗也無任何傷害。礦用手機的密封設計是礦用手機結構設計中最關鍵的一部分。

2.1 上蓋與下蓋的防水設計

通常情況下，礦用手機的上蓋和下蓋采用的是正壓密封或側壓密封。而此次設計的礦用手機為正壓密封，密封圈是用丁腈橡膠制成的，適用溫度為-30～100 ℃。在此，選用矩形密封圈，其老化速度比O形密封圈慢。為了取得較好的密封效果，要合理確定壓縮量。一般認為，壓縮量超過30%容易引起永久性變形。如果矩形密封圈的壓縮量為8%～25%，則20%左右為最佳。壓縮量計算公式為：

如圖2所示，將密封圈裝配到B殼的密封槽內，A殼設計長筋正壓密封圈，依靠螺釘緊固形成正壓密封。密封圈寬度為2.6 mm，高4.3 mm，壓縮后高度為3.5 mm。

常規的正壓密封具有一定的局限性，普通ABS洛氏硬度108 R抗彎強度為620 kg/cm2，材料收縮率約為0.5%. 其強度較差，易變形，用于正壓密封容易使密封圈變形，且難以保證密封圈能夠均勻變形。特別是在4個手機殼的4個角落，密封圈材料的流動性比較差，容易形成高點，導致密封失敗。該產品是專用于煤礦井下等特殊環境中的，要具有較強的防靜電、防腐蝕、防摔等特性，所以，必須通過抗沖擊實驗和抗跌落實驗等。運用計算機有限元分析后得出，普通ABS不足以承受環境溫度為（20±5）℃時質量為1 kg的重物，最高下落高度為2 m，最低0.7 m的機械危險抗沖擊實驗和7 J的能量沖擊實驗。

目前，市場上的機殼材料從最先的ABS材料漸漸變為了PC材料，現在大量使用的是PC+ABS材料。本設計采用的是最新型材料PC+纖維。在此，合理控制纖維的比例能夠有效避免對模具造成的損傷，而且還能滿足礦用手機對材料提出的特殊要求。這種新型材料耐沖擊、耐疲勞、耐腐蝕，在一定程度提高了其抗彎強度。它采用的是6個均勻的分布螺釘，AB殼分型線在曲率變化處采用大圓角過渡。在很大程度上避免了分型線不在同一平面引發的密封問題，有效保證了分型面受力的均勻性和密封的可靠性。

2.2 下蓋與電池蓋的防水設計

通常情況下，普通民用手機的下蓋與電池蓋采用的都是在電池蓋上加卡扣的密封方式，直接將其卡在下蓋上，沒有特別的防水、防塵措施。如果需特別防水，市面上改進后的手機下蓋與電池蓋一般是用密封條密封的，密封方式分為正壓和側壓2種。普通的礦用手機下蓋采用的是正壓方式。由于電池蓋的體積比較小，材料比較薄，如果使用螺釘緊固其與下蓋，則會增加手機的體積。因此，通常選用在下蓋上設計卡扣的方式，一體開模成形。實驗證明，此類設計的防水效果一般，并且經過老化性實驗后，其防水效果更差。

如圖3所示，本設計選用在電池蓋上套O形密封圈的方式進行側壓密封。該方式依靠的是電池蓋硬度和卡扣緊鎖進行密封，大大減小了需要螺釘固定的體積，并能在一定程度上防止水從正面沖擊至電池腔，較好地解決了電池腔防塵、防水的問題。

選用10組手機進行6 h的潛水試驗，將其放在水深1 m的地方浸泡，少量進水的有2組，不進水的有8組。結果表明，側壓密封的電池蓋剖面具有較好的密封效果，但是，O形密封圈與殼體的接觸面比較小，壓縮量不夠，導致有少量水滲入。微調封圈的大小和卡扣的松緊度后，選用10組手機繼續進行6 h的潛水試驗。結果顯示，手機密封效果良好，達到了設計要求。

對于手機的防震設計，在此不做詳述。

3 礦用手機結構的注塑設計要求

一般情況下，礦用手機的模具沒有側抽芯結構，但是，因為礦用手機的卡扣比較多，尺寸比較精細，所以，結構設計也較為精細。在此過程中，最主要的是注塑問題，因此，對設計師的設計提出了較為嚴格的要求。

最常見的注塑問題就是有毛刺，即材料溢出模具結合部分時固化的現象。這種問題的出現大大降低了礦用手機表面的光潔度，破壞了其外觀的美感，嚴重時還會引發零件之間的安裝結合障礙，進而影響礦用手機的防水性和防塵性。這種情況的出現通常與注塑機的噴嘴溫度、注塑時間和模具重合面有關，所以，需要在設計產品和模具時提出相關要求。

另外，很多注塑模采用的都是嵌件成形的方式，即在模具內裝入預先準備好的異性材料嵌件后注入樹脂，融溶的材料與嵌件鑲嵌后固化，制作成一體化產品的方式。礦用手機不同于一般手機僅用卡扣將上下蓋結合在一起，它采用的是在上蓋內嵌件成形，下蓋螺絲緊固的方式。

當手機殼內加入嵌件后，金屬嵌件成形后就會阻礙產品的正常收縮，產生體積收縮差。這樣，在觀察手機表面時就會發現坑洼不平的情況。因此，在設計手機時，不能采用常規塑模的收縮率，要根據金屬嵌件的尺寸占外殼尺寸的比例選擇相應的收縮率，并根據X，Y，Z3個空間方向單獨計算。

4 結束語

本文介紹了一種新型的礦用手機結構，闡述了影響其結構設計的各項關鍵因素，并說明了上蓋與下蓋、下蓋與電池蓋的防水、防塵設計，外殼材料的選擇，抗沖擊能力的提高，注塑設計的要求等內容。當礦用手機與其關聯設備配套使用時，可構成煤礦行業功能最全的調度通訊系統。目前，該系統已在重慶某煤礦進行工業性試驗，其工作性能穩定、可靠，通訊效果良好，完全達到了設計要求。

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作者簡介：黃倩（1983—），女，重慶人，工程師，碩士研究生，主要從事煤礦監控技術和儀器儀表方面的研究。

〔編輯：白潔〕