摘 要：針對(duì)目前煤礦井下通訊系統(tǒng)穩(wěn)定性不佳，手機(jī)“三防”即防水、防塵、防震性能不強(qiáng)等問(wèn)題，闡述了影響手機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的幾個(gè)關(guān)鍵因素，并提出了一種新型的礦用手機(jī)結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)要介紹了礦用手機(jī)的防水、防塵設(shè)計(jì)，材質(zhì)選擇，抗沖擊能力和注塑成形等內(nèi)容，以期為日后的相關(guān)工作提供參考?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明，新型礦用手機(jī)的防水、防塵等級(jí)能達(dá)到IP65以上。

關(guān)鍵詞：礦用手機(jī)；防水防塵；注塑；抗沖擊能力

中圖分類號(hào)：TQ320.66 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.11.117

文章編號(hào)：2095-6835（2016）11-0117-02

隨著礦用監(jiān)控和調(diào)度技術(shù)的不斷發(fā)展，利用簡(jiǎn)單、廉價(jià)的無(wú)線技術(shù)監(jiān)控和調(diào)度煤礦井下的工作已經(jīng)成為了可能，它能保證井下正常通訊。井下無(wú)線通訊技術(shù)的發(fā)展離不開(kāi)礦用手機(jī)。目前，礦用手機(jī)的應(yīng)用率越來(lái)越高，人們對(duì)其設(shè)計(jì)也提出了更高的要求。

礦用手機(jī)是一種智能調(diào)度終端，它可以實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程監(jiān)督煤礦的生產(chǎn)安全，實(shí)現(xiàn)人員信息的上傳下達(dá)。手機(jī)設(shè)計(jì)主要包括功能、材質(zhì)、界面、結(jié)構(gòu)和外觀等。其外觀和結(jié)構(gòu)是消費(fèi)者首先接觸的一部分，它不僅要反映手機(jī)的品位和定位，還關(guān)系著手機(jī)的防水、防震、防塵等特殊性能，甚至還會(huì)影響通訊質(zhì)量等。本文簡(jiǎn)要分析了影響礦用手機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素，提出了一種新型的礦用手機(jī)結(jié)構(gòu)，以期為礦用手機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的選擇提供理論依據(jù)。

1 礦用手機(jī)的外形結(jié)構(gòu)

一般情況下，手機(jī)分為直板、翻蓋、旋轉(zhuǎn)這幾類，根據(jù)造型的不同，還能衍生出很多其他類型。直板手機(jī)是最早出現(xiàn)的，它主要是由遙控器、電話分機(jī)等造型演變而來(lái)的。這類手機(jī)主要是由天線接收、語(yǔ)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(jī)環(huán)境的特殊性，手機(jī)按鍵設(shè)計(jì)必須要方便操作。操作實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，建議按鍵長(zhǎng)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(shí)，體力勞動(dòng)偏多，工作環(huán)境相對(duì)較差，手機(jī)不可避免地會(huì)被摔擊、碰撞，遇到灰塵滴水入侵等情況，因此，礦用手機(jī)必須具有較強(qiáng)的抗摔性能和防水、防塵性能。當(dāng)煤礦用戶使用手機(jī)時(shí)，往往是一只手拿著它，所以，能夠單手操作也成為設(shè)計(jì)礦用手機(jī)時(shí)必須考慮的問(wèn)題之一。

直板手機(jī)的形狀比較固定，一般為長(zhǎng)方形，顯示屏在上方，操作按鍵在下方，很難在外觀設(shè)計(jì)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(tīng)筒和麥克設(shè)計(jì)在直板手機(jī)上，所以，環(huán)境噪聲的采集對(duì)語(yǔ)音通話音質(zhì)的影響也比較大。

綜上所述，為了達(dá)到礦用手機(jī)的設(shè)計(jì)要求，結(jié)合現(xiàn)代地面手機(jī)的更新?lián)Q代速度和時(shí)尚要求，有效避免傳統(tǒng)礦用手機(jī)因按鍵造成的防水、防塵方面的困擾，本設(shè)計(jì)選用特殊玻璃材料設(shè)計(jì)大屏智能手機(jī)。具體如圖1所示。覆蓋在手機(jī)外側(cè)的一圈是硅橡膠，當(dāng)手機(jī)遭到碰撞、摔擊時(shí)，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(yǔ)音采集采用的是先進(jìn)的自適應(yīng)濾波方式，能保證采集到的語(yǔ)音的清晰度和可靠度。整個(gè)設(shè)計(jì)的外觀給人一種結(jié)實(shí)、耐用、抗磨耐摔、時(shí)尚、美觀的感覺(jué)。

2 礦用手機(jī)的防水、防塵設(shè)計(jì)

礦用手機(jī)主要是在煤礦井下使用，那里環(huán)境十分惡劣。為了達(dá)到礦用產(chǎn)品的安全規(guī)定，手機(jī)必須為本安型設(shè)備，抗摔性能，防水、防塵性能必須可靠。傳統(tǒng)的礦用手機(jī)防水、防塵等級(jí)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(duì)其造成傷害。此次設(shè)計(jì)的礦用手機(jī)防水、防塵等級(jí)達(dá)到了IP65，能夠完全防止粉塵進(jìn)入，用水沖洗也無(wú)任何傷害。礦用手機(jī)的密封設(shè)計(jì)是礦用手機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的一部分。

2.1 上蓋與下蓋的防水設(shè)計(jì)

通常情況下，礦用手機(jī)的上蓋和下蓋采用的是正壓密封或側(cè)壓密封。而此次設(shè)計(jì)的礦用手機(jī)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(rèn)為，壓縮量超過(guò)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(jì)算公式為：

如圖2所示，將密封圈裝配到B殼的密封槽內(nèi)，A殼設(shè)計(jì)長(zhǎng)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(guī)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(qiáng)度為620 kg/cm2，材料收縮率約為0.5%. 其強(qiáng)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(gè)手機(jī)殼的4個(gè)角落，密封圈材料的流動(dòng)性比較差，容易形成高點(diǎn)，導(dǎo)致密封失敗。該產(chǎn)品是專用于煤礦井下等特殊環(huán)境中的，要具有較強(qiáng)的防靜電、防腐蝕、防摔等特性，所以，必須通過(guò)抗沖擊實(shí)驗(yàn)和抗跌落實(shí)驗(yàn)等。運(yùn)用計(jì)算機(jī)有限元分析后得出，普通ABS不足以承受環(huán)境溫度為（20±5）℃時(shí)質(zhì)量為1 kg的重物，最高下落高度為2 m，最低0.7 m的機(jī)械危險(xiǎn)抗沖擊實(shí)驗(yàn)和7 J的能量沖擊實(shí)驗(yàn)。

目前，市場(chǎng)上的機(jī)殼材料從最先的ABS材料漸漸變?yōu)榱薖C材料，現(xiàn)在大量使用的是PC+ABS材料。本設(shè)計(jì)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(duì)模具造成的損傷，而且還能滿足礦用手機(jī)對(duì)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(qiáng)度。它采用的是6個(gè)均勻的分布螺釘，AB殼分型線在曲率變化處采用大圓角過(guò)渡。在很大程度上避免了分型線不在同一平面引發(fā)的密封問(wèn)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(shè)計(jì)

通常情況下，普通民用手機(jī)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(méi)有特別的防水、防塵措施。如果需特別防水，市面上改進(jìn)后的手機(jī)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(cè)壓2種。普通的礦用手機(jī)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(huì)增加手機(jī)的體積。因此，通常選用在下蓋上設(shè)計(jì)卡扣的方式，一體開(kāi)模成形。實(shí)驗(yàn)證明，此類設(shè)計(jì)的防水效果一般，并且經(jīng)過(guò)老化性實(shí)驗(yàn)后，其防水效果更差。

如圖3所示，本設(shè)計(jì)選用在電池蓋上套O形密封圈的方式進(jìn)行側(cè)壓密封。該方式依靠的是電池蓋硬度和卡扣緊鎖進(jìn)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(wèn)題。

選用10組手機(jī)進(jìn)行6 h的潛水試驗(yàn)，將其放在水深1 m的地方浸泡，少量進(jìn)水的有2組，不進(jìn)水的有8組。結(jié)果表明，側(cè)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(dǎo)致有少量水滲入。微調(diào)封圈的大小和卡扣的松緊度后，選用10組手機(jī)繼續(xù)進(jìn)行6 h的潛水試驗(yàn)。結(jié)果顯示，手機(jī)密封效果良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

對(duì)于手機(jī)的防震設(shè)計(jì)，在此不做詳述。

3 礦用手機(jī)結(jié)構(gòu)的注塑設(shè)計(jì)要求

一般情況下，礦用手機(jī)的模具沒(méi)有側(cè)抽芯結(jié)構(gòu)，但是，因?yàn)榈V用手機(jī)的卡扣比較多，尺寸比較精細(xì)，所以，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也較為精細(xì)。在此過(guò)程中，最主要的是注塑問(wèn)題，因此，對(duì)設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)提出了較為嚴(yán)格的要求。

最常見(jiàn)的注塑問(wèn)題就是有毛刺，即材料溢出模具結(jié)合部分時(shí)固化的現(xiàn)象。這種問(wèn)題的出現(xiàn)大大降低了礦用手機(jī)表面的光潔度，破壞了其外觀的美感，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引發(fā)零件之間的安裝結(jié)合障礙，進(jìn)而影響礦用手機(jī)的防水性和防塵性。這種情況的出現(xiàn)通常與注塑機(jī)的噴嘴溫度、注塑時(shí)間和模具重合面有關(guān)，所以，需要在設(shè)計(jì)產(chǎn)品和模具時(shí)提出相關(guān)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(nèi)裝入預(yù)先準(zhǔn)備好的異性材料嵌件后注入樹(shù)脂，融溶的材料與嵌件鑲嵌后固化，制作成一體化產(chǎn)品的方式。礦用手機(jī)不同于一般手機(jī)僅用卡扣將上下蓋結(jié)合在一起，它采用的是在上蓋內(nèi)嵌件成形，下蓋螺絲緊固的方式。

當(dāng)手機(jī)殼內(nèi)加入嵌件后，金屬嵌件成形后就會(huì)阻礙產(chǎn)品的正常收縮，產(chǎn)生體積收縮差。這樣，在觀察手機(jī)表面時(shí)就會(huì)發(fā)現(xiàn)坑洼不平的情況。因此，在設(shè)計(jì)手機(jī)時(shí)，不能采用常規(guī)塑模的收縮率，要根據(jù)金屬嵌件的尺寸占外殼尺寸的比例選擇相應(yīng)的收縮率，并根據(jù)X，Y，Z3個(gè)空間方向單獨(dú)計(jì)算。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種新型的礦用手機(jī)結(jié)構(gòu)，闡述了影響其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)關(guān)鍵因素，并說(shuō)明了上蓋與下蓋、下蓋與電池蓋的防水、防塵設(shè)計(jì)，外殼材料的選擇，抗沖擊能力的提高，注塑設(shè)計(jì)的要求等內(nèi)容。當(dāng)?shù)V用手機(jī)與其關(guān)聯(lián)設(shè)備配套使用時(shí)，可構(gòu)成煤礦行業(yè)功能最全的調(diào)度通訊系統(tǒng)。目前，該系統(tǒng)已在重慶某煤礦進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，其工作性能穩(wěn)定、可靠，通訊效果良好，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

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

〔編輯：白潔〕