2000米潜水表的结构设计与研制

撰文/乐天献 张克来

2000米潜水表的结构设计与研制

撰文/乐天献 张克来

随着国内海洋资源开发的兴起、潜水运动的普及，一些日常的防水手表已经不能满足市场的需求，由此可见此领域的开发存在相当可观的商业价值。此论文即是关于此领域的一款潜水表，详述了2000米潜水表的研发与试制过程，在此过程中运用了平面设计图像处理软件coreidraw/photoshop及AutoCAD和3D建模软件Solidworks等数字化设计制造系统软件进行设计分析开发潜水表的结构图，并通过数控应用软件CAD/masterCAM，控制CNC数控设备进行组合加工、复合加工等工艺的研发。现阶段我们已经完成了2000米潜水表的样品制作和相关发明专利的申请并已取得证书，专利名称为“一种机械表壳前圈结构及其潜水表”，专利号为ZL201410143353.7。并且生产的潜水表成品在2015深圳钟表展上参展，获得了同行业以及参观人员的高度肯定。

2000米 潜水表 专利 O令 底盖 表玻璃 TA2

一、2000米潜水表的结构设计

对于潜水表来说，顾名思义最重要的就是防水结构的设计，而潜水表的防水部位主要包括表玻璃、底盖、柄头。其中，底盖和柄头部位的结构相对于表玻璃要容易的多，因为前者都是金属件，采用螺纹和防水胶圈配合使用就能起到很好的防水效果，这里就不详细论述了；而表玻璃部位却不行，因表玻璃是脆性材料，所以得思考其它办法。传统的表玻璃与I令的配合使用只适合于3ATM-10ATM的防水，本设计突破常规，在传统设计的基础之上增加了E令、金属垫片和金属锁圈。这样表玻璃与I令形成第一道防水结构，E令、金属垫片和金属锁圈形成第二道防水结构，二者相辅相成，可靠性完全可达到200ATM的防水要求，具体结构可参考下图1：

图1 潜水表结构

图2 潜水表发明专利证书

二、2000米潜水表零件尺寸的设计和材料的选用

（一） 表玻璃设计

1、2500米水深处的压力计算

按照潜水表标准GB/T 18828-2013/ISO 6425：1996的要求，2000米潜水表实际要求在2500米水深的压力下实验。2500m水深处的压强计算：

2、表玻璃材料的选用和尺寸设计

因为2500米（250bar）水深的压力，普通的合成玻璃和矿物玻璃若要能在如此压力的环境下无法抗拒，厚度必须设计在20mm以上，这样手表完全不切合实际佩戴。从经济成本和可靠性两方面考虑蓝宝石材料比较适合，人造水晶蓝宝石（A）材料莫氏硬度9级，因蓝宝石抗压强度400MPa，比普通玻璃的硬度高1.5倍左右。

表玻璃可简化为周边简支的圆板物理模型来计算。根据实际生产中的许可变形，初定表玻璃的半径a为18mm，人造水晶蓝宝石的断裂强度为400MPa即400N/m，厚度为t mm，弹性模量E为380000N/mm，载荷分布范围半径b为 18mm，安全系数取1.2，则玻璃的许用应力δ为400/1.2=333.33N/m，玻璃面受到的外部载荷P为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、表玻璃进行仿真模拟

采用表玻璃最大厚度d=5.50mm，球面半径为157.00mm，表玻璃直径D=36.00mm进行3D模型受力分析，仿真结果如下图3、图4、图5：

图3 蓝宝石玻璃仿真模拟位移图

图4 蓝宝石玻璃仿真模拟最大应力图

图5 蓝宝石玻璃仿真模拟应力图

（二）底盖材料的选用和尺寸的设计

从成本和可靠性两方面考虑，我们备选的材料有316L和TA2，下面分别对两种材料进行理论分析、3D模拟、样品试验。

1、底盖材料选316L

同表玻璃设计原理，底盖材料选316L，半径a为21.25mm，316L的断裂强度为170MPa即170N/m，厚度为t mm，弹性模量E为200000N/mm，载荷分布范围半径b为21.25mm，安全系数取1.2，则底盖的许用应力δ为 170/1.2=141.67N/m，底盖面受到的外部载荷P为25N/m。

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

从实际情况考虑，如果底盖厚度做到10mm左右，整表的厚度将达到25mm左右，可行性不大。因理论计算与实际生产试验存在差距，现阶段采用两种规格的样板进行试验，试验方法和结果如下——

下图为底盖试验的载体CAD图和采用316L为材料的底盖图6、图7、图8：

图6 底盖载体试验

图7 316L底盖厚度尺寸（1）

图8 316L底盖厚度尺寸（2）

2、底盖材料选TA2

底盖材料选钛材TA2，半径a为21.25mm，TA2的断裂强度为441MPa即441N/m，厚度为t mm，弹性模量E为 107800N/mm，载荷分布范围半径b为21.25mm，安全系数取1.2，则底盖的许用应力δ为441/1.2=367.5N/m，底盖面受到的外部载荷P为25N/m。

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

以下为三种规格的TA2底盖图9、图10、图11：

图9 Ta2底盖厚度尺寸（1）

图10 TA2底盖厚度尺寸（2）

图11 TA2底盖厚度尺寸（3）

下表为采用TA2和316L做板测出的实验数据：

表2

表3

由以上试验数据，厚度为5.0和6.0mm的316L底盖，经过试验后，厚度均发生了过量的变形，所以316L不可用。底盖采用TA2作为原材料，厚度为3.9mm和3.4mm的样板未变形，而厚度为2.9mm的样板变形。试验效果理想，可用于潜水表底盖材料。

（三）表壳设计

表壳简化为厚壁圆筒物理模型来计算，表壳材料选TA2，初定圆筒的内半径为18mm，外半径为24mm，所求点半径R为24mm，弹性模量E为107800N/mm，泊松比u为0.30，最大变形量为W，

由理论计算可知表壳的厚度取6.0mm时，变形量非常小，可忽略不计。底盖试验的载体中，（ΦD4-ΦD1）/2=5.5mm，经过与底盖配合的实验测得此尺寸下的圆筒没有发生变形。因钛材断裂强度比316L高的多，此处表壳不做单独试验。

（四）底密封圈（又称O令）材料的选用和尺寸设计

对于底密封圈O令我们选用的材料是有机透明硅橡胶材料，硅橡胶耐热老化、耐寒性在-70～-100℃、耐高温在-70～350℃性能等化学性能稳定的一种橡胶，普通的丁氰橡胶和氟胶都不符合要求，确定密封O令圈的线径为1.5mm，轴向压缩量为0.60mm。

三、潜水表的制作和试验

参考以上分析、计算、试验的数据，潜水表壳壁厚、玻璃厚度、底盖厚度以及关键密封圈材料和关键防水零部件设计如下：

1.表玻璃采用蓝宝石材料，最大厚度d=5.5mm，弧面半径R=157.52mm；

2.底盖采用TA2材料，最大厚度d=4.0mm，弧面半径R=180mm；

3.表壳采用TA2材料，壁厚为7.0mm；

4.密封圈（又称O令圈）采用透明硅胶，线径1.5mm；

5.耐高压防水柄头试制省略；

6.排气阀试制省略；

按照以上参数，经过历时几个月上百次试验和真水测试，先从100bar、200bar、300bar直到400bar、500bar不同压力和材料分多组测试和试验等分析工作，经过几个月研制工作，已掌握了不同深度压力的潜水表的特性和关键参数，同时根据潜水表标准GB/T 18828-2013/ISO 6425：1996的要求进行反复试验、测试验证，完全符合国际潜水表标准的主要八项指标（即时间测量装置、能见度、耐热冲击性能、盐雾试验、水下可靠性、耐冲击性能、抗外力性能、功能装置防水性）。

据了解国内没有测试高度潜水表试水设备，最高仅能测试50bar（500米潜水表）的测试设备；为做潜水表试验公司投资几十万与香港专业制造手表防水仪设备公司合作研制一台测试500bar试水设备，目前国内仅有这一台WF-380 可测试500bar防水测试仪设备如图12、图13，并经过持有计量认定资质的“广州特种承压设备检测研究院”检测合格。

图12 WF-380 500bar手表试水机

图13 WF-380试水机操作界面

结论

2000米潜水表从2014年10月正式开始设计研发，历经一年半的时间从结构设计-计算、仿真模拟-试制-测试-问题分析-多次改进结构和选材-仿真模拟、多次验算-再试制-经数十次测试，每只试制品经8～10次疲劳测试和试验；表壳和底盖最终选择纯钛TA2材料较为理想，整体表壳体积和厚度大大减小减薄，成表最大直径φ50.0mm、厚度17.5mm，水晶蓝宝石玻璃厚5.5mm，底盖片后3.5mm，完全满足适合爱好潜水表人群的佩戴。尤其是潜水表柄头保护装置安全可靠性，我们用近半年的时间进行设计、数次改进，最终设计较为满意的结构，并申请国家发明专利，专利申请号：201510700389.5，各方面难点和加工工艺已完全解决，现已正式投入生产限量版潜水表，左图是2000米潜水表实物照片如图14；

图14 2000米潜水表实物照片

1.陆明炯.实用机械工程材料手册.沈阳:辽宁科学技术出版社 2004: 10.

2.李春胜,黄德彬.机械工程材料手册(上册).北京: 电子工业出版社 2006: 31.

3.陈家昌，郑定华.手表大全.上海科学技术出版社 1990: 01.

4.天津大学精仪系计时教研室.天津科学技术出版社 1980: 11.

5.潜水表标准GB/T 18828-2013/ISO 6425：1996.