鐘錶

鐘錶

鐘錶:鍾和表的統稱。鍾和表都是計量和指示時間的精密儀器。鍾和表通常是以內機的大小來區別的。按國際慣例,機心直徑超過50毫米、厚度超過12毫米的為鍾;直徑37~50毫米、厚度4~6毫米者,稱為懷表;直徑37毫米以下為手錶;直徑不大於20毫米或機心面積不大於314平方毫米的,稱為女表。手錶是人類所發明的最小、最堅固、最精密的機械之一。

基本信息

基本概述

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現代 鐘錶的原動力有機械力電力兩種。機械鐘錶是一種用重錘或彈簧的釋放能量為動力,推動一系列齒輪運轉,借擒縱調速器調節輪系轉速,以指針指示時刻和計量時間的計時器;電子鐘錶是一種用電能為動力,液晶顯示數字式和石英指針式的計時器。

原始人憑天空顏色的變化、太陽的光度來判斷時間。古埃及發現影子長度會隨時間改變,發明日晷在早上計時,他們亦發現水的流動需要的時間是固定的,因此發明了水鍾。古代中國人亦有以水來計時的工具——銅壺滴漏,他們亦會用燒香計時。將香橫放,上面放上連有鋼珠的繩子,有報時功能。

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1283年在英格蘭的修道院出現史上首座以砝碼帶動的機械鐘。
13世紀義大利北部的僧侶開始建立鐘塔(或稱鐘樓),其目的是提醒人禱告的時間。
16世紀中在德國開始有桌上的鐘。那些鍾只有一支針,鐘面分成四部分,使時間準確至最近的15分鐘。
1657年,惠更斯發現擺的頻率可以計算時間,造出了第一個擺鐘。1670年英國人威廉·克萊門特(WilliamClement)發明錨形擒縱器。
1797年,美國人伊萊·特里(EliTerry)獲得一個鐘的專利權。他被視為美國鐘錶業的始祖。

歷史發展

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公元1300年以前,人類主要是利用天文現象和流動物質的連續運動來計時。例如,日晷是利用日影的方位計時;漏壺和沙漏是利用水流和沙流的流量計時。

東漢張衡製造漏水轉渾天儀,用齒輪系統把渾象和計時漏壺聯結起來,漏壺滴水推動渾象均勻地鏇轉,一天剛好轉一周,這是最早出現的機械鐘。北宋元祜三年(1088)蘇頌和韓公廉等創製水運儀象台,已運用了擒縱機構。

1350年,義大利的丹蒂製造出第一台結構簡單的機械打點塔鍾,日差為15~30分鐘,指示機構只有時針;1500~1510年,德國的亨萊思首先用鋼發條代替重錘,創造了用冕狀輪擒縱機構的小型機械鐘;1582年前後,義大利的伽利略發明了重力擺;1657年,荷蘭的惠更斯把重力擺引入機械鐘,創立了擺鐘。

1660年英國的胡克發明遊絲,並用後退式擒縱機構代替了冕狀輪擒縱機構;1673年,惠更斯又將擺輪遊絲組成的調速器套用在可攜帶的鐘表上;1675年,英國的克萊門特用叉瓦裝置製成最簡單的錨式擒縱機構,這種機構一直沿用在簡便擺錘式掛鍾中。

1695年,英國的湯姆平發明工字輪擒縱機構;1715年,英國的格雷厄姆又發明了靜止式擒縱機構,彌補了後退式擒縱機構的不足,為發展精密機械鐘錶打下了基礎;1765年,英國的馬奇發明自由錨式擒縱機構,即現代叉瓦式擒縱機構的前身;1728~1759年,英國的哈里森製造出高精度的標準航海鍾;1775~1780年,英國的阿諾德創造出精密表用擒縱機構。

18~19世紀,鐘錶製造業已逐步實現工業化生產,並達到相當高的水平。20世紀,隨著電子工業的迅速發展,電池驅動鍾、交流電鐘、電機械錶、指針式石英電子鐘錶、數字式石英電子鐘錶相繼問世,鐘錶的日差已小於0.5秒,鐘錶進入了微電子技術與精密機械相結合的石英化新時期。

發展演變

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大致可以分為三個演變階段,那就是:

一、從大型鐘向小型鐘演變。
二、從小型鐘向袋錶過渡。
三、從袋錶向腕錶發展。每一階段的發展都是和當時的技術發明分不開的。

1088年,宋朝的科學家蘇頌韓工廉等人製造了水運儀象台,它是把渾儀、渾象和機械計時器組合起來的裝置。它以水力作為動力來源,具有科學的擒縱機構,高約12米,七米見方,分三層:上層放渾儀,進行天文觀測;中層放渾象,可以模擬天體作同步演示;下層是該儀器的心臟,計時、報時、動力源的形成與輸出都在這一層中。雖然幾十年後毀於戰亂,但它在世界鐘錶史上具有極其重要的意義。由此,中國著名的鐘表大師、古鐘錶收藏家矯大羽先生提出了“中國人開創鐘錶史”的觀點。

14世紀在歐洲的英、法等國的高大建築物上出現了報時鐘,鐘的動力來源於用繩索懸掛重錘,利用地心引力產生的重力作用。15世紀末、16世紀初出現了鐵制發條,使鐘有了新的動力來源,也為鐘的小型化創造了條件。1583年,義大利人伽利略建立了著名的等時性理論,也就是鐘擺的理論基礎。

1656年,荷蘭的科學家惠更斯套用伽利略的理論設計了鐘擺,第二年,在他的指導下年輕鐘匠S.Coster製造成功了第一個擺鐘。1675年,他又用遊絲取代了原始的鐘擺,這樣就形成了以發條為動力、以遊絲為調速機構的小型鐘,同時也為製造便於攜帶的袋錶提供了條件。

18世紀期間發明了各種各樣的擒縱機構,為袋錶的進一步產生與發展奠定了基礎。英國人GeorgeGraham在1726年完善了工字輪擒縱機構,它和之前發明的垂直放置的機軸擒縱機構不同,所以使得袋錶機芯相對變薄。

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1757年左右英國人ThomasMudge發明了叉式擒縱機構,進一步提高了袋錶計時的精確度。這期間一直到19世紀產生了一大批鐘錶生產廠家,為袋錶的發展做出了貢獻。19世紀後半葉,在一些女性的手鐲上裝上了小袋錶,作為裝飾品。那時人們只是把它看成是一件首飾,還沒有完全認識到它的實用價值。直到人類歷史進入20世紀,隨著鐘錶製作工藝水平的提高以及科技和文明的巨大變革,才使得腕錶地位的確立有了可能。

20世紀初,護士為了掌握時間就把小袋錶掛在胸前,人們已經很注重它的實用性,要求方便、準確、耐用。尤其是第一次世界大戰的爆發,袋錶已經不能適應作戰軍人的需要,腕錶的生產成為大勢所趨。1926年,勞力士表廠製成了完全防水的手錶表殼,獲得專利並命名為oyster,第二年,一位勇敢的英國女性MercedesGleitze佩帶著這種表完成了個人游泳橫渡英倫海峽的壯舉。這一事件也成為鐘錶歷史上的重要轉折點。從那以後,許多新的設計和技術也被套用在腕錶上,成為真正意義上的帶在手腕上的計時工具。緊接著的二戰使腕錶的生產量大幅度增加,價格也隨之下降,使普通大眾也可以擁有它。腕錶的年代到來了。

從中國水運儀像台的發明到現在各國都在研製的原子鐘這幾百年的鐘表演變過程中,我們可以看到,各個不同時期的科學家和鐘錶工匠用他們的聰明的智慧和不斷的實踐融合成了一座時間的隧道,同時也為我們勾勒了一條鐘錶文化和科技發展的軌跡。關於中國的鐘表史,得從三乾多年前說起,中國祖先最早發明了用土和石片刻製成的“土圭”與“日規”兩種計時器,成為世界上最早發明計時器的國家之一。到了銅器時代,計時器又有了新的發展,用青銅製的“漏壺”取代了“土圭”與“日規”。東漢元初四年張衡發明了世界第一架“水運渾象”,此後唐高僧一行等人又在此基礎上借鑑改進發明了“水運渾天儀”、“水運儀象台”。至元明之時,計時器擺脫了天文儀器的結構形式,得到了突破性的新發展。元初郭守敬、明初詹希元創製了“大明燈漏”與“五輪沙漏”,採用機機械結構,並增添盤、針來指示時間,其機械的先進性便明顯地顯示出來,時間性電益見準確。

十九世紀末期,中國造鐘工藝達到了一個嶄新的水平。1875年由上海“美利華”作坊製造的南京鐘,屏風式樣,鐘面鍍金,鐫刻花紋,以造型古樸典雅、民族風格鮮明和報時清脆、走時準確而聞名于海內外,曾於1903年在巴拿馬國際博覽會上獲特別獎。中國手錶是1955年由天津、上海先後試製出來的。現較為出名的有東風上海、寶石花、海鷗等牌號。

運行原理

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鐘錶的套用範圍很廣,品種甚多,可按振動原理、結構和用途特點分類。按振動原理可分為利用頻率較低的機械振動的鐘表,如擺鐘、擺輪鍾等;利用頻率較高的電磁振盪和石英振盪的鐘表,如同步電鐘、石英鐘錶等;按結構特點可分為機械式的,如機械鬧鐘、自動、日曆、雙歷、打簧等機械手錶;電機械式的,如電擺鐘、電擺輪鐘錶等;電子式的,如擺輪電子鐘錶、音叉電子鐘錶、指針式和數字顯示式石英電子鐘錶等。

機械鐘錶有多種結構形式,但其工作原理基本相同,都是由原動系、傳動系、擒縱調速器、指針系和上條撥針系等部分組成。機械鐘錶利用發條作為動力的原動系,經過一組齒輪組成的傳動系來推動擒縱調速器工作;再由擒縱調速器反過來控制傳動系的轉速;傳動系在推動擒縱調速器的同時還帶動指針機構,傳動系的轉速受控於擒縱調速器,所以指針能按一定的規律在錶盤上指示時刻;上條撥針系是上緊發條或撥動指針的機件。

此外,還有一些附加機構,可增加鐘錶的功能,如自動上條機構、日曆(雙歷)機構、鬧時裝置、月相指示和測量時段機構等。原動系是儲存和傳遞工作能量的機構,通常由條盒輪、條盒蓋、條軸、發條和發條外鉤組成。發條在自由狀態時是一個螺鏇形或S形的彈簧,它的內端有一個小孔,套在條軸的鉤上。它的外端通過發條外鉤,鉤在條盒輪的內壁上。上條時,通過上條撥針系使條軸鏇轉將發條卷緊在條軸上。發條的彈性作用使條盒輪轉動,從而驅動傳動系。

傳動系是將原動系的能量傳至擒縱調速器的一組傳動齒輪,它是由二輪(中心輪)、三輪(過輪)、四輪(秒輪)和擒縱輪齒軸組成,其中輪片是主動齒輪,齒軸是從動齒輪。鐘錶傳動系的齒形絕大部分是根據理論擺線的原理,經過修正而製作的修正擺線齒形。

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擒縱調速器是由擒縱機構和振動系統兩部分組成,它依靠振動系統的周期性震動,使擒縱機構保持精確和規律性的間歇運動,從而取得調速作用。叉瓦式擒縱機構是套用最廣的一種擒縱機構。它由擒縱輪、擒縱叉、雙圓盤和限位釘等組成。它的作用是把原動系的能量傳遞給振動系統,以便維持振動系統作等幅振動,並把振動系統的振動次數傳遞給指示機構,達到計量時間的目的。

振動系統主要由擺輪、擺軸、遊絲、活動外樁環、快慢針等組成。遊絲的內外端分別固定在擺軸和擺夾板上;擺輪受外力偏離其平衡位置開始擺動時,遊絲便被扭轉而產生位能,稱為恢復力矩。擒縱機構完成前述兩動作的過程,振動系在遊絲位能作用下,進行反方向擺動而完成另半個振動周期,這就是機械鐘錶在運轉時擒縱調速器不斷和重複循環工作的原理。

上條撥針系的作用是上條和撥針。它由柄頭、柄軸、立輪、離合輪、離合桿、離合桿簧、拉檔、壓簧、撥針輪、跨輪、時輪、分輪、大鋼輪、小鋼輪、棘爪、棘爪簧等組成。上條和撥針都是通過柄頭部件來實現的。上條時,立輪和離合輪處於嚙合狀態,當轉動柄頭時,離合輪帶動立輪,立輪又經小鋼輪和大鋼輪,使條軸卷緊發條。棘爪則阻止大鋼輪逆轉。撥針時,拉出柄頭,拉檔在拉檔軸上鏇轉並推動離合桿,使離合輪與立輪脫開,與撥針輪嚙合。此時轉動柄頭便撥針輪通過跨輪帶動時輪和分輪,達到校正時針和分針的目的。

鐘錶要求走時準確,穩定可靠。但一些內部因素和外界環境條件都會影響鐘表的走時精度。內部因素包括各組成系統的結構設計、工作性能、選用材料、加工工藝和裝配質量等。例如,發條力矩的穩定性,傳動系工作的平穩性,擒縱調速器的準確性等都影響走時精度。外界環境條件包括溫度、磁場、濕度、氣壓、震動、碰撞、使用位置等。例如,溫度變化會引起鐘錶內潤滑油和擺輪遊絲性能的變化,從而引起走時性能的變化;環境的磁場強度大於60奧斯特時,會引起部分零件磁化而走慢;濕度大會引起部分零件氧化和腐蝕等等。

精度影響

鐘錶鐘錶
機械手錶的走時精度受到很多因素的影響,一般來說,主要是以下8大因素:

外部影響

就是來自鐘錶外部的各種影響,取決於鐘錶的工作環境。常採用的措施有:防震設計、防水設計、防磁設計、附加保護外殼等。精密航海鐘上常採用萬向節,使航海鍾在顛簸中能夠保持水平。

摩擦力

摩擦力通常有正反兩方面的作用,它有積極的一方面,如摩擦分輪、自動表發條與條盒間的摩擦、螺釘自鎖等;另一方面,摩擦會導致傳動效率的降低和零件的摩損,從而影響計時。常用的解決方法:改善潤滑條件,根據不同的要求,選用不同的潤滑油;採用寶石軸承或墊片;改善齒輪的齒麵條件,包括採用科學的共軛齒形和提高表面光潔度等,但一般齒面無潤滑(在這種情況下,潤滑油粘性所產生的阻力可能高於摩擦力)。

快慢針

快慢針是一種便於校時的經濟結構,但理論和實踐都證實它會影響系統的等時性,也可能產生位差,這些計時誤差隨機性比較大,無法補償或抵消。解決方法有:儘量減少內外快慢針間距;但最好的辦法是沒有快慢針,通過調節擺輪的慣量來調節快慢,如勞力士公司的Mircrostella調節系統。

擒縱機構

擒縱機構的影響主要是能量傳遞過程中對擺輪遊絲系統產生的影響,擺輪遊絲系統只有在自由震盪的情況下,才能維持固定的震盪頻率,顯然,擒縱機構的能量傳遞過程會影響震盪頻率。理論表明,傳遞過程接近擺輪平衡點時,這種影響會減小。解決方法有:採用精密擒縱機構,如爪式擒縱機構,它的能量傳遞過程發生在平衡點附近,傳沖的角度也非常小,影響也比較小,而且,它的單向傳沖使擺輪遊絲系統有更多的自由震盪空間(就這一點,其相對誤差可減小一半!)。當然,瑞士槓桿式擒縱機構有工藝性好、易於調整的優點,是目前國際機械錶的主流擒縱機構,但在設計中,應儘量減小傳沖的角度瑞士歐米茄公司為減小擒縱機構對計時基準的影響,推出了同軸擒縱機構,這是英國喬治·丹尼爾博士的發明,但從工作原理來看,它是槓桿式擒縱機構和爪式擒縱機構的混合物。

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溫度影響

溫度的影響主要表現在兩個方面:首先,溫度變化會遊絲的工作長度,同時改變擺輪的慣量,可直接影響到計時精度;其次,溫度變化會影響潤滑油的粘度,影響傳動效率,從而影響計時。對此可以採取以下方法:採用開口雙金屬溫度補償擺輪遊絲系統;採用特殊合金材料製作遊絲和擺輪,使之在工作溫度區(8°-38°)有一定的溫度補償;採用移動快慢針溫度補償。採用標準的潤滑油,對於極限溫度情況,如歐米茄的登月表,採用無潤滑或固體潤滑。

磁場

磁場影響最大的遊絲,可改變其彈性模量,也使遊絲在磁場的作用下變形,產生附加應力,嚴重時,磁場可導致遊絲粘連,嚴重影響走時。解決方法是:採用防磁材料。

遊絲平衡

一般的盪框遊絲,其重心隨擺輪擺角的變化而變化,在重力作用下,它會產生位置誤差。解決方法是:採用寶璣遊絲,中心收縮,重心不隨擺角改變;採用菲利普末端曲線的圓柱遊絲並上下對稱使用;採用直線遊絲;歷史上有人用過球形遊絲,性能優越,但工藝性很差,很少實際套用。

擺輪平衡

擺輪元件的平衡問題直接影響位元差,擺輪元件的靜平衡是一個基本要求。如果在上述因素都比較理想,手錶的走時又比較穩定,通過手錶的動平衡,可綜合改善走時性能。有一種非常特別的方法:原理是當擺輪擺幅達220度時,各種傳遞到擺輪上的衝力對頻率無影響,曾有人採用安裝在擒縱輪上的衡力機構,來控制擺幅在220附近,這也不失為一種方法。

影響因素

簡介
機械手錶的走時精度受到很多因素的影響,一般來說,主要是以下8大因素:
外部影響
就是來自鐘錶外部的各種影響,取決於鐘錶的工作環境。常採用的措施有:防震設計、防水設計、防磁設計、附加保護外殼等。精密航海鐘上常採用萬向節,使航海鍾在顛簸中能夠保持水平。
摩擦影響
摩擦力通常有正反兩方面的作用,它有積極的一方面,如摩擦分輪、自動表發條與條盒間的摩擦、螺釘自鎖等;另一方面,摩擦會導致傳動效率的降低和零件的摩損,從而影響計時。常用的解決方法:改善潤滑條件,根據不同的要求,選用不同的潤滑油;採用寶石軸承或墊片;改善齒輪的齒麵條件,包括採用科學的共軛齒形和提高表面光潔度等,但一般齒面無潤滑(在這種情況下,潤滑油粘性所產生的阻力可能高於摩擦力)。
調節擺輪
快慢針是一種便於校時的經濟結構,但理論和實踐都證實它會影響系統的等時性,也可能產生位差,這些計時誤差隨機性比較大,無法補償或抵消。解決方法有:儘量減少內外快慢針間距;但最好的辦法是沒有快慢針,通過調節擺輪的慣量來調節快慢,如勞力士公司的Mircrostella調節系統。
擒縱機構
擒縱機構的影響主要是能量傳遞過程中對擺輪遊絲系統產生的影響,擺輪遊絲系統只有在自由震盪的情況下,才能維持固定的震盪頻率,顯然,擒縱機構的能量傳遞過程會影響震盪頻率。理論表明,傳遞過程接近擺輪平衡點時,這種影響會減小。解決方法有:採用精密擒縱機構,如爪式擒縱機構,它的能量傳遞過程發生在平衡點附近,傳沖的角度也非常小,影響也比較小,而且,它的單向傳沖使擺輪遊絲系統有更多的自由震盪空間(就這一點,其相對誤差可減小一半!)。當然,瑞士槓桿式擒縱機構有工藝性好、易於調整的優點,是目前國際機械錶的主流擒縱機構,但在設計中,應儘量減小傳沖的角度。瑞士歐米茄公司為減小擒縱機構對計時基準的影響,推出了同軸擒縱機構,這是英國喬治·丹尼爾博士的發明,但從工作原理來看,它是槓桿式擒縱機構和爪式擒縱機構的混合物。
溫度影響
溫度的影響主要表現在兩個方面:首先,溫度變化會遊絲的工作長度,同時改變擺輪的慣量,可直接影響到計時精度;其次,溫度變化會影響潤滑油的粘度,影響傳動效率,從而影響計時。對此可以採取以下方法:採用開口雙金屬溫度補償擺輪遊絲系統;採用特殊合金材料製作遊絲和擺輪,使之在工作溫度區(8°-38°)有一定的溫度補償;採用移動快慢針溫度補償。採用標準的潤滑油,對於極限溫度情況,如歐米茄的登月表,採用無潤滑或固體潤滑。
磁場影響
磁場影響最大的遊絲,可改變其彈性模量,也使遊絲在磁場的作用下變形,產生附加應力,嚴重時,磁場可導致遊絲粘連,嚴重影響走時。解決方法是:採用防磁材料。
遊絲平衡
一般的盪框遊絲,其重心隨擺輪擺角的變化而變化,在重力作用下,它會產生位置誤差。解決方法是:採用寶璣遊絲,中心收縮,重心不隨擺角改變;採用菲利普末端曲線的圓柱遊絲並上下對稱使用;採用直線遊絲;歷史上有人用過球形遊絲,性能優越,但工藝性很差,很少實際套用。
擺輪平衡
擺輪元件的平衡問題直接影響位元差,擺輪元件的靜平衡是一個基本要求。
如果在上述因素都比較理想,手錶的走時又比較穩定,通過手錶的動平衡,可綜合改善走時性能。有一種非常特別的方法:原理是當擺輪擺幅達220度時,各種傳遞到擺輪上的衝力對頻率無影響,曾有人採用安裝在擒縱輪上的衡力機構,來控制擺幅在220附近,這也不失為一種方法。

收藏知識

一直以來都是國人喜愛古董鐘錶收藏。古董鐘錶也在收藏市場上占有了一定的比例。自新中國成立以來,國家投入大量資金科技用於發展鐘錶工業,使這一產業得以快速發展,此後,中國的改革開放以及經濟全球化發展給中國鐘錶業帶來了繁榮。
近幾年,隨著收藏熱的升溫,古董鐘錶收藏大有升值之勢,令人關注。時下,一些昔日名表在國內外收藏界的價格都不低,20年代百達菲麗鑽石首飾表價值60萬港元,20年代的卡地亞18石高檔表價值8萬英鎊,極品的勞力士·王子表價值7萬美元;1890年英國倫敦出品18K金的古老懷表,有金表蓋、32石、日月星、細三針,價值約80萬港元。
堪稱世界名表的約有50餘種。屬於高級名表的有百達菲麗、卡地亞、百里駒、愛彼、古柏靈、夏活、蕭邦、積家、伯爵、勞力士、第凡尼、宇宙、江詩丹頓等,都是收藏家渴求的品牌。其他名牌表還有名仕、浪琴、崑崙、非凡、芝柏、尊皇、美度、飛輪、雷達、帝陀、雅典、惠勒、白蘭克派、衣波路、百年靈、寶路華、愛爾琴、高路雲、美耐華、奧路堅等等,都是我們投資時留意的名牌表。
古董鐘錶收藏種類很多,真正具有收藏價值的主要是古董鐘錶。距今時間越久遠,越能吸引人們的收藏保值熱情;稀有的古老鐘錶、懷表、手錶升值較快,都值得收藏。當然,現代製作的、稀少的、定量定款的紀念表也具有收藏價值。
據收藏鐘錶的資深人士介紹,一般情況下,如果是同廠牌、同質量的手錶,方殼的要比圓殼的貴,長方殼的又比方殼的貴;表面上的指針字型也與保值有關,實心體阿拉伯字的最值錢,次之是羅馬字,再次之是條狀刻度,最次的是改刻字與重新繪寫字;表殼最珍貴的是鉑金,依次是18K金、14K金、9K金、銀、包金、包銀與鋼等;而K金中又以紅色金為最貴,其次是黃金與白金。但也有特殊的合金表殼價值比黃金殼要貴。
最後看錶盤是否完整,機芯的零件是否“拼盤”拼湊而成,看清楚表的機芯及零件質量很重要。“拼盤貨”表價值極低,收藏價值不大。
今天常見的普通舊懷表、手錶,市場價值約為30元左右一塊,有點名氣的舊錶約為200元左右;早期的高檔表,價格較高,可遇不可求,就看收藏者的運氣了。

世界名表

品牌
百達翡麗、寶璣、萬國、愛彼、卡地亞、勞力士、江詩丹頓、伯爵、積家、歐米茄

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