优尚丰B6000矿用三防手机的设计与实现

随着矿用监控和调度技术的不断发展，利用简单、廉价的无线技术监控和调度煤矿井下的工作已经成为了可能，它能保证井下正常通讯。井下无线通讯技术的发展离不开矿用三防手机。目前，矿用三防手机的应用率越来越高，人们对其设计也提出了更高的要求。

矿用手机是一种智能调度终端，它可以实时采集数据，远程监督煤矿的生产安全，实现人员信息的上传下达。手机设计主要包括功能、材质、界面、结构和外观等。其外观和结构是消费者首先接触的一部分，它不仅要反映手机的品位和定位，还关系着手机的防水、防震、防尘等特殊性能，甚至还会影响通讯质量等。本文简要分析了影响矿用手机结构设计中的关键因素，提出了一种新型的矿用手机结构，以期为矿用手机结构设计方案的选择提供理论依据。

1 矿用手机的外形结构

一般情况下，手机分为直板、翻盖、旋转这几类，根据造型的不同，还能衍生出很多其他类型。直板手机是最早出现的，它主要是由遥控器、电话分机等造型演变而来的。这类手机主要是由天线接收、语音接收和采集、操作按键盘、显示屏等组成的。

鉴于煤矿用户使用手机环境的特殊性，手机按键设计必须要方便操作。操作实验数据显示，建议按键长度在10 mm以上才能满足普通矿工手指操作方便的要求。煤矿用户在井下工作时，体力劳动偏多，工作环境相对较差，手机不可避免地会被摔击、碰撞，遇到灰尘滴水入侵等情况，因此，矿用手机必须具有较强的抗摔性能和防水、防尘性能。当煤矿用户使用手机时，往往是一只手拿着它，所以，能够单手操作也成为设计矿用手机时必须考虑的问题之一。

直板手机的形状比较固定，一般为长方形，显示屏在上方，操作按键在下方，很难在外观设计上有所突破。而且它的屏幕和按键均暴露在外，容易划伤屏幕，误操作。由于听筒和麦克设计在直板手机上，所以，环境噪声的采集对语音通话音质的影响也比较大。

综上所述，为了达到矿用手机的设计要求，结合现代地面手机的更新换代速度和时尚要求，有效避免传统矿用手机因按键造成的防水、防尘方面的困扰，本设计选用特殊玻璃材料设计大屏智能手机。具体如图1所示。覆盖在手机外侧的一圈是硅橡胶，当手机遭到碰撞、摔击时，它能起到一定的缓冲作用；彩屏是用键盘锁锁定，能有效防止误操作；语音采集采用的是先进的自适应滤波方式，能保证采集到的语音的清晰度和可靠度。整个设计的外观给人一种结实、耐用、抗磨耐摔、时尚、美观的感觉。

2 矿用手机的防水、防尘设计

矿用手机主要是在煤矿井下使用，那里环境十分恶劣。为了达到矿用产品的安全规定，手机必须为本安型设备，抗摔性能，防水、防尘性能必须可靠。传统的矿用手机防水、防尘等级要求必须在IP54以上，即防止有害的粉尘堆积，避免液体由任何方向泼到外壳上对其造成伤害。此次设计的矿用手机防水、防尘等级达到了IP65，能够完全防止粉尘进入，用水冲洗也无任何伤害。矿用手机的密封设计是矿用手机结构设计中最关键的一部分。

2.1 上盖与下盖的防水设计

通常情况下，矿用手机的上盖和下盖采用的是正压密封或侧压密封。而此次设计的矿用手机为正压密封，密封圈是用丁腈橡胶制成的，适用温度为-30～100 ℃。在此，选用矩形密封圈，其老化速度比O形密封圈慢。为了取得较好的密封效果，要合理确定压缩量。一般认为，压缩量超过30%容易引起永久性变形。如果矩形密封圈的压缩量为8%～25%，则20%左右为最佳。压缩量计算公式为：

如图2所示，将密封圈装配到B壳的密封槽内，A壳设计长筋正压密封圈，依靠螺钉紧固形成正压密封。密封圈宽度为2.6 mm，高4.3 mm，压缩后高度为3.5 mm。

常规的正压密封具有一定的局限性，普通ABS洛氏硬度108 R抗弯强度为620 kg/cm2，材料收缩率约为0.5%. 其强度较差，易变形，用于正压密封容易使密封圈变形，且难以保证密封圈能够均匀变形。特别是在4个手机壳的4个角落，密封圈材料的流动性比较差，容易形成高点，导致密封失败。该产品是专用于煤矿井下等特殊环境中的，要具有较强的防静电、防腐蚀、防摔等特性，所以，必须通过抗冲击实验和抗跌落实验等。运用计算机有限元分析后得出，普通ABS不足以承受环境温度为（20±5）℃时质量为1 kg的重物，最高下落高度为2 m，最低0.7 m的机械危险抗冲击实验和7 J的能量冲击实验。

目前，市场上的机壳材料从最先的ABS材料渐渐变为了PC材料，现在大量使用的是PC+ABS材料。本设计采用的是最新型材料PC+纤维。在此，合理控制纤维的比例能够有效避免对模具造成的损伤，而且还能满足矿用手机对材料提出的特殊要求。这种新型材料耐冲击、耐疲劳、耐腐蚀，在一定程度提高了其抗弯强度。它采用的是6个均匀的分布螺钉，AB壳分型线在曲率变化处采用大圆角过渡。在很大程度上避免了分型线不在同一平面引发的密封问题，有效保证了分型面受力的均匀性和密封的可靠性。

2.2 下盖与电池盖的防水设计

通常情况下，普通民用手机的下盖与电池盖采用的都是在电池盖上加卡扣的密封方式，直接将其卡在下盖上，没有特别的防水、防尘措施。如果需特别防水，市面上改进后的手机下盖与电池盖一般是用密封条密封的，密封方式分为正压和侧压2种。普通的矿用手机下盖采用的是正压方式。由于电池盖的体积比较小，材料比较薄，如果使用螺钉紧固其与下盖，则会增加手机的体积。因此，通常选用在下盖上设计卡扣的方式，一体开模成形。实验证明，此类设计的防水效果一般，并且经过老化性实验后，其防水效果更差。

如图3所示，本设计选用在电池盖上套O形密封圈的方式进行侧压密封。该方式依靠的是电池盖硬度和卡扣紧锁进行密封，大大减小了需要螺钉固定的体积，并能在一定程度上防止水从正面冲击至电池腔，较好地解决了电池腔防尘、防水的问题。

选用10组手机进行6 h的潜水试验，将其放在水深1 m的地方浸泡，少量进水的有2组，不进水的有8组。结果表明，侧压密封的电池盖剖面具有较好的密封效果，但是，O形密封圈与壳体的接触面比较小，压缩量不够，导致有少量水渗入。微调封圈的大小和卡扣的松紧度后，选用10组手机继续进行6 h的潜水试验。结果显示，手机密封效果良好，达到了设计要求。

对于手机的防震设计，在此不做详述。

3 矿用手机结构的注塑设计要求

一般情况下，矿用手机的模具没有侧抽芯结构，但是，因为矿用手机的卡扣比较多，尺寸比较精细，所以，结构设计也较为精细。在此过程中，最主要的是注塑问题，因此，对设计师的设计提出了较为严格的要求。

最常见的注塑问题就是有毛刺，即材料溢出模具结合部分时固化的现象。这种问题的出现大大降低了矿用手机表面的光洁度，破坏了其外观的美感，严重时还会引发零件之间的安装结合障碍，进而影响矿用手机的防水性和防尘性。这种情况的出现通常与注塑机的喷嘴温度、注塑时间和模具重合面有关，所以，需要在设计产品和模具时提出相关要求。

另外，很多注塑模采用的都是嵌件成形的方式，即在模具内装入预先准备好的异性材料嵌件后注入树脂，融溶的材料与嵌件镶嵌后固化，制作成一体化产品的方式。矿用手机不同于一般手机仅用卡扣将上下盖结合在一起，它采用的是在上盖内嵌件成形，下盖螺丝紧固的方式。

当手机壳内加入嵌件后，金属嵌件成形后就会阻碍产品的正常收缩，产生体积收缩差。这样，在观察手机表面时就会发现坑洼不平的情况。因此，在设计手机时，不能采用常规塑模的收缩率，要根据金属嵌件的尺寸占外壳尺寸的比例选择相应的收缩率，并根据X，Y，Z3个空间方向单独计算。