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设计 巷道 自动化 立体车库 升降 部分 毕业设计

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1 第十五章 自动化立体仓库巷道堆垛机结构 第一节 自动化仓库系统简介 自动化仓库系统(AS/RSAutomated Storage and Retrieval System)是在不直接进行人工处理的情况下能自动地存储和取出物料的系统。如图151所示。 图15- 1 自动化仓库平面布置示意图 它主要包括: A 货架。立体多层式，用于存放货箱（单元）。 Bi 巷道堆垛机。 在货架巷道内任何货位能自动存入和取出货物。i为巷道堆垛机台数。 Cj 出入库系统。联结货架巷道口和出入库台口的货物输送及缓冲调节设备。j为独立的链、辊段数。 Dk AGV（自动地面搬运车辆）或其它地面搬运车辆。用于联结出入库台口和仓库外部运输车辆（或自动运输线）的货物搬运和装卸。为搬运车台数。 E管理控制中心。包括整个仓库的信息、数据处理的管理计算机、监控终端、货物形状重量检测显示、条形码阅读设备及有关主要电气控制操作台等。 第二节 巷道堆垛机 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 2 巷道堆垛机是立体仓库中用于搬运和存取货物的主要设备。是随立体仓库的使用而发展起来的专用起重机。巷道堆垛机起重量一般不超过2吨，特殊情况可达45吨， 起升高度最高到40米， 大多数在20米左右， 堆垛机正常的作业过程是：在高层货架区的巷道内沿纵向往返运行（运行机构），载货台沿立柱高度方向升降（起升卷绕机构），货叉从巷道横向伸入货格或缩回（货叉伸缩机构）。堆垛机由以上三个机构运行，可以从巷道口到巷道内两侧任何一个货格位置完成货物的存取作业。因此，堆垛机具有整机结构高而窄，其金属结构设计时强度、刚度及稳定性均有很高要求的特点。另外依据结构形式可分为单立柱和双立柱两种类型。如图152所示。 图152 堆垛机结构简图 (a) 单立柱形式；(b)双立柱形式。 第三节 单立柱巷道堆垛机结构计算 目前多数立体仓库采用的是单立柱结构的巷道堆垛机，如图153所示。它的优点是构造简单，横向尺寸紧凑，巷道宽度可以小，而且围绕立柱可以选用不同载货台。它的缺点是受力情况比较复杂，特别是在大型立体仓库里，立柱高达20米以上， 载货重量达1500公斤， 立柱难以保证具有足够的强度、 刚度和稳定性。下面应用极限状态法，按照钢结构设计新规范的有关规定，对堆垛机结构进行强PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 3 度、刚度和稳定性分析计算，为有关设计计算提供理论依据。 1、 结构计算简图 （1） 外载荷计算 巷道堆垛机沿巷道内的地面轨道运行，视为Y轴向运行，立柱上的载货台沿导轨升降，视为Z轴向运行；载货台的货叉对巷道两边货架进行存取作业，视为X轴向运行。图153是堆垛机正常作业的示意图。 图153 单立柱堆垛机结构示意图 1- 立柱; 2-货叉机构; 3-载货台; 4-导轨; 5-地面轨道; 6-提升机构; 7-钢丝绳; 8-滑轮; 9-上部导轨。 当载荷处于最高位置时，立柱的受力状况最为不利，这时各部分的载荷位置及尺寸示于图154。参看图154，由力学平衡条件可求得载货台滚轮对立柱导轨的作业力和提升总拉力。 图中 Q 额定起重量（kN）； Gt 载货台自重（kN）； Gs包括司机体重在内的司机室自重（kN）； Gc货叉机构自重（kN）； PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 4 图154 载货台受力分析简图 cG伸出部分货叉自重（kN）； L1、L2、L3、L0、Ls、e各种载荷作用位置（mm）； Pz 、Pc 分别为导轨对正滚轮和侧滚轮的反作用力（kN）； T提升总拉力（kN）。 载货台滚轮压力 由图154(a)，= 0M ，得正滚轮压力 )(1321TeLGLGLGQLPstcsz+= （151） 由图154(b)，= 0M， 得侧滚轮压力 0)(1LGQLPcsc+= （152） 总提升力 由图154(a)，= 0xF， 得 stcGGGQT+= （153） 立柱顶部作用力 利用图155表示堆垛机载货台提升卷绕系统的力学简图，由此确定立柱顶部上横梁上的作用力F，即立柱的轴向压力。 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 5 图155 提升卷扬系统力学简图 (a) 起升载荷 )(22stcGGGQTW+= （154） 式中 2动力系数，一般可取2=1.051.1。 (b) 滚动摩擦力 fPPFczf+=)(2 （155） 式中 f 滚动摩擦系数，钢制滚轮取f =0.08。 (c) 提升绳张力 )()(mFWSf+= （156） 式中 m绕绳倍率，图中m2； 提升系统效率，可取0.980.99。 (d) 立柱顶部压力 lhGGSF+= 3 （157） 式中 hG、lG分别为顶部滑轮与上横梁的自重。 通过以上分析可知，立体在两个平面内分别承受外载荷作用，对立柱进行受力分析亦应分两个平面考虑。 （2） 沿巷道纵向平面（即YOZ平面） YOZ平面内计算简图 当载货台满载位于最高位置，以最大加（减）速度起（制）动，立柱受力处于最不利情况。 此时的YOZ平面结构计算简图如图156。 图中H和B分别为堆垛机总高与走轮间距；PH为水平惯性力，h为上滚轮距立柱顶端的距离，b1和b2分别为立柱截面X方向中性轴到下横梁两支点（车轮中心线）的距离。图中的轴向压力FPDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 6 可用式（157）计算，立柱横向力矩用下式计算： szzLPM= （158） 以公式（15-1）代入上式，则 TeLGLGLGQMstcz+=321)( （159） 立柱横向力HP用下式计算 weHaSmP = （1510） 式中 a最大加（减）速度(m/s2)； me 由各部分质量换算得出的等效质量(kg),按下式计算： 式中 ml 、mh 、mt 、mts 、mlz分别为上部横梁质量、滑轮质量、包括货物在内的载货台总质量、提升机构质量和立柱均布质量。 Sw 立柱振动系数，1cos=tSnw, Sw的最大绝对值取2。 其中 n 立柱振动圆频率。 弯矩放大系数 由图156可见，在YOZ平面内，立柱承受轴向压力F、横向力PH 和横向力矩Mz的共同作用，是压弯构件，它可以简化认为：轴向压力始终平行于Z轴，并在顶端作用有弯矩，因而立柱弯曲变形可用图157表示。图中f0 是由横向载荷PH与Mz 的作用在顶端产生的挠度。在轴向力F的作用下，挠度由f0 增大为f，根据弹性分析和有关公式： )1 (0=ff （1511） 式中 kFF=, Fk 是立柱中心受压的临界载荷。)1 (1称为挠度放大系数。 ()lztsthlemmHHmHhHmmm41212+=PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 7 图156 YOZ平面内结构受力简图 图 15-7 结构挠曲变形示意图 由图157，立柱任意截面Z的弯矩为： zHMzHPyfFzM+=)()()( （1512） 令 zHxMzHPzM+=)()( （1513） 并称)(zMx为横向弯矩，则有 )()()(zMyfFzMx+= （1514） 在式（15-13）、（15-14）中，当z=0，y=0，立柱根部有最大弯矩： （1515） 式中 kxkmFFMfF+=110，称为等效弯矩系数，它和横向载荷作用方式有关； )1 (=mx称为弯矩放大系数。 对于图157所示结构，0 . 1=m，则 ()xxxmxkxxxxxxyMMMfFMMFfMFfMFfMM=+=+=+=+=111111100000maxPDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 8 )1 (1=x （15-16） 立柱结构临界载荷 参看图158，当立柱顶端作用有临界力Fk ，产生侧位移时，下端由于下横梁的抗弯刚度阻碍其自由产生转角,因此下横梁是立柱的弹性支座,弹性转角为,kF11=是支座截面上作用单位载荷( 1=m)时引起的弹性变形。 根据压杆稳定计算的基本假定,从图158可得立柱任意截面(图示的Z截面)上的力学平衡方程: )()(yFzMk= 平衡微分方程 22nyny=+ 式中 )(12xkEIFn = 通解 +=)sin()cos(nsBnsAy 边界条件 z=0处 y=0 ,得 A+=0 z=0处 kFy11=，得 0121111=xkEInnBFnB z=H处 y=，得 Acos(nH)+Bsin(nH)=0 以表示求解以A、B、为未知数的三元一次方程组的系数行列式，该方程组是由边界条件确定的。即 由0可得到两种情况，() AB0，它对原微分方程无意义； () A、B、有无穷多解。我们确定临界载荷时需求其最小值或称本征值。 展开后整理得 ()xnEInHtg1111= （1517） 变化公式（15-17）得 ()()00sincos01011211=nHnHEInnxPDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 9 ()nHEIHnHtgx1111= 令=nH，则 或写成 （1518） 图158 立柱临界载荷作用示意图 为了确定11值， 先计算下横梁和立柱连接处截面产生单位转角的力矩。 根据位移法，由于节点单位位移引起的附加约束反力矩11r（见图158b）等于节点各杆由于单位位移产生的杆端弯矩之和（见图158c）。图中i1、i2分别表示两段下横梁的线性刚度，即 121bEIix=； 222bEIix= 则： +=+=+=212122122111311333bbbbEIbbEIiirxx 由11r和11的物理含义可得如下关系式： （15-19） 1111=xEIHtg =HEIctgx111 ()21221111131bbEIbbrx+=PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 10将（1519）式代入（1518）式得 ()CHIbbIbbctgxx=+=2211213 （1520） 式中 I1x 、I2x 分别是立柱和下横梁截面X方向的惯性矩； HIbbIbbCxx221121)(3+=是由结构尺寸确定的常数。 C值确定后，公式的ctg可利用图159求值，交点P所对应的0就是式（1520）的解。确定0值后由Hn00=可得立柱中心受压临界力 xkEInF120= （1521） E是结构材料的弹性模量。 图159 0值求解曲线 图1510 XOZ平面内结构受力简图 （3） 沿巷道横向平面（即XOZ平面） 参看图153，在XOZ平面内由于上部导轨的导向作用，计算简图如图1510所示。在此平面内立柱也是压弯构件，轴向压力为F，横向弯矩 scyLPM= （1522） 由公式（15-2）得 0)(LGQLPMcscy+= （1523） PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 11弯矩放大系数 kyFF=11 （1524） kF是中心受压杆件临界载荷，按下式计算 22HEIFyk= （1525） 2结构强度计算 结构或结构的一部分在受载后达到某种特定状态便不能满足规定的功能要求，称此特定状态为符合该功能的极限状态。对最大内力在支承处的压弯构件，当截面出现塑性铰时便达到强度极限。在利用材料的塑性过程中，应受到一定的限制。限制的办法是在结构强度计算中引入塑性发展系数，即采用塑性从局部深入截面的弹塑性工作阶段作为设计准则。 （1） 强度计算公式 在新钢结构设计规范中， 应用极限状态法的设计准则， 提出了双向压弯构件的强度计算公式： （1526） 式中 N轴向压力； A截面积； Mx、My X轴和Y轴的最大弯矩； Wnx、WnyX轴和Y轴的净截面抗弯模量； x、yX向和Y向塑性发展系数，它与截面形式、塑性发展深度、翼缘板与腹板截面积比值以及应力状态有关。规范规定： +nyyynxxxWMWMAN PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 12 箱形截面 05. 1=yx 工字形截面 05. 1=x, 20. 1=y 圆管截面 15. 1=yx 格形构件的虚轴不考虑塑性深入截面0 . 1= 直接承受动载荷的构件0 . 1=,为材料许用应力，Q235-A的=180MPa，16Mn的=240MPa。 （2）堆垛机结构的强度计算 通过上述分析，立柱结构属于双向压弯构件，按照式（15-26）并兼顾在两个平面内的弯矩放大系数x和y，立柱的强度校核计算可分别选用以下公式： 底部截面 （15-27） 中部截面 （15-28） 式中的轴向压力F由式（15-7）确定，立柱在X轴方向的底部和中部截面上的横向弯矩xM和xM由式（15-13）确定，yM是在Y轴方向立柱中部截面作用的横向弯矩， 由式 （15-23） 确定，x和y是弯矩放大系数， 分别由式 （15-16） 和 （15-24）确定，x和y是箱形截面立柱的截面塑性发展系数，05. 1=yx。 3结构整体稳定性计算 （1） 极限状态法的稳定性计算公式 双向压弯构件整体失稳时呈现出弯曲和扭转并存的变形状态。钢结构规范已给出适用于工字形和箱形截面双向压弯构件由极限状态设计准则确定的整体稳 +=nxxxxWMAF +=nyyyynxxxxWMWMAFPDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 13定性计算公式为： （15-29） +ybyyytykxxxxxmxxWMFFWMAF118 . 01 （15-30） 式中 W1x、W1yX轴和Y轴方向毛截面抗弯模量； m、t截面某一方向弯矩作用平面内和平面外的等效弯矩系数； b均布弯矩作用的受弯构件整体稳定性系数； x、y截面X轴和Y轴方向的中心压杆稳定性系数； kxF、kyF构件在X轴和Y轴方向的欧拉临界力。 （2） 堆垛机结构的整体稳定性计算 承受双向压弯的立柱结构整体稳定性可按式（15-29）和式（15-30）进行计算校核。根据堆垛机受力情况及结构特点，按有关规范的规定，式中各参数和系数选用方式如下： F、xM、yM分别由公式（15-7）、（15-13）、（15-23）确定； kxF、kyF分别由公式（15-21）、（15-25）确定； 塑性发展系数 05. 1=yx 等效弯矩系数 0 . 1=tytxmymx 整体稳定性系数箱形截面取 4 . 1=bybx +kyyyyymyxbxxxtxxFFWMWMAF8 . 0111 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 14 中心压杆稳定性系数x、y分别根据立柱的长细比x、y查表。其中xxxrl=，yyyrl=， lx 与 ly 分别是立柱在X轴和Y轴方向的计算长度，xr与yr分别是立柱截面X轴和Y轴方向的回转半径，AIrxx1=，AIryy1=，xI1和yI1分别是X轴和Y轴方向的截面惯性矩。 计算长度lx和ly的确定 立柱在YOZ平面内的临界载荷由（15-21）式知为 xkEInF120=，根据压杆稳定性理论，不同边界条件压杆的欧拉临界载荷计算通式为： （15-31） 比较式（15-21）和（15-31）可知lx 的计算式为： （15-32） 式中 n0 利用图15-9确定。 由图15-10的计算简图可知，两端铰接的中心压杆计算长度为： ly = H （15-33） 4下横梁强度计算 参看图15-3，下横梁在YOZ平面内可以简化为如图15-11所示的计算简图。图中Gd为电气柜自重载荷，xlq是下横梁自重均布载荷，M是立柱底部截面的最大弯矩，由式（15-13）确定，P0是额定起重量和上部结构自重载荷的总和，由此可确定下横梁和立柱联接处的截面为危险截面。则 =xWMmax （15-34） ()2222jxlEIlEIF=nlx=PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 15式中 Mmax 危险截面弯矩； xW下横梁X轴方向的抗弯模量。 图1511 下横梁计算简图 图1512 堆垛机结构载荷简图 5结构刚度计算 由计算机管理和控制的自动化仓库，货物的搬运和存取全部自动进行，它要求堆垛机在作业时平稳可靠，停位准确，一般货叉与托盘孔的对位偏差不应大于10mm。由于载货台和货物重量对立柱的偏心作用以及堆垛机走行起、制动和加、减速时的水平惯性作用，立柱在巷道纵向平面内会产生一定的挠度，水平惯性力PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 16还使立柱连同载货台处于最高位置时，柱端的挠度和振动幅度最大，其值超过许用值时,难以保证堆垛机停位。立柱的动、静刚度是影响堆垛机停位精度和工作平稳性的决定因素，其刚度计算便成为堆垛机设计计算的重要环节之一。现结合我国自动化仓库中应用最多的单立柱型巷道堆垛机的立柱进行静、动刚度计算。 （1）静刚度计算 立柱的静刚度是以载货台满载位于立柱最高位置时，顶端在巷道纵向平面内的挠度来表征。设计挠度应小于许用值，即 ff 。 当载货台升至立柱最高位置时，各种载荷位置及结构尺寸如图1512所示。载货台通过一对滚轮作用在升降导轨上的力为（图1512b） 321)(1LGLGLGQLPtscs+= （1535） 可以认为，立柱在距顶端h截面上受力矩M的作用，即： 321)(LGLGLGQPLMtscs+= （1536） 立柱在力矩M作用下，端部产生的水平位移f主要由三部分组成： (a) 在M作用下，立柱端部产生的水平位移 f0 ； (b) 在M作用下，下滚轮处截面转角1引起的顶部水平位移 hf11=； (c) 下横梁和立柱联接处截面转角2引起的立柱顶部水平位移 Hf22=。 即 210ffff+= f0 的计算（图1513） 由外载荷弯矩图PM和单位载荷弯矩图1M进行图乘得： （15-37） () ()()2323122222211032322132211211BbbEIMHhHEIMMBbHbBbMBbHbBbEIhHhHMEIflzlz+=+=PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 17 图1513 堆垛机结构计算简图 式中 Iz立柱截面垂直纵向平面轴的惯性矩； Il 下横梁截面垂直纵向平面轴的惯性矩； E材料弹性模量。 图中P求立柱顶部水平位移的单位力； m求立柱截面转角的单位力偶。 f1 的计算（图1513） 由PM和单位载荷弯矩图2M进行图乘得： 而 （1538） f2 的计算 为求f2 单独取下横梁为研究对象，其计算简图如图1514，图中G0为下横梁支承的上部总重量。可用下式表示： dytslzstcGGGGGGGQG+=0 由外载荷弯矩图PM和单位载荷弯矩图 M图乘可得立柱和下横梁联接面转角2： ()()23231221321133221322111BbbEIMhHEIMMBbBbMBbBbEIMbHEIlzlz+=+=()22221113BbbEIMhhHEIMhhflz+PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 18 而 （1539） 根据已有的设计资料，立柱一般位于下横梁跨中附近，即b1b2，加之下横梁的截面设计总尽量避免出现明显的下挠，所以由下横梁变形引起的挠度f2 常忽略不计。 通过对宝钢和济南军区等单位立体仓库使用的堆垛机进行分析，载货升至最高位置时，h=1.62m,由式（1537）和式（1538）可得： f1=(0.10.2)f0 因此立柱顶部总挠度可按下式计算： f =(1.11.2)f0 在静刚度校核时，要求f f 。 挠度的许用值f 目前没有统一标准，根据设计单位的经验，通常取 2000Hf = 1000H , H 为立柱高度。 当立柱顶部挠度较大时，根据国外的经验，可以将行走的从动轮采用可调偏心定轴结构，在现场安装时为立柱预调后倾（图1515）,当立柱受载变形后基本保持垂直。 图1514 下横梁计算简图 （2）动刚度计算 ()21222210110212202123322132211bbBbbEIGBbbGBbbBbbGBbbEIll=()21222210223bbBbbEIHGHfl=PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 19堆垛机立柱的动刚度可用自振频率表征，要求该频率不低于许用值，即 f d fd （Hz） 堆垛机在运行过程中制动，各部分质量将受到惯性力作用。由于立柱是弹性构件，惯性冲击将引起堆垛机振动。这时堆垛机可简化为如图1516所示的多质量振动系统。 图1515 立柱预调后倾示意图 图1516 堆垛机结构振动简图 图1517 堆垛机结构振动力学模型 利用等效质量原理可将图1516的振动系统简化为图1517的单自由度系统。根据有关文献等效简化到立柱顶部的总等效质量为： 331210403021041)()()(mHHmmmmmmm+=+= （1540） PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 20图1517所示堆垛机走行至位置I制动，制动距离为aS，至位置时走行停止。此时振动力学方程为： 000=+amkxxm & & （1541） 式中 0m立柱顶部等效质量； k立柱顶部横向刚度； a堆垛机运行制动减速度； x、x & &分别为立柱顶部等效质量在水平方向的位移和加速度。 将式（1541）改写成： 00=+axmkx & & 令 02mkn=，并写成标准方程： axxn=+2& & 其解为：2cossin)(nnnatBtAtx+= 由 0)0(0= xx，0)0(0= xx& 得 010)0(2=+=naBAx，2naB= 00)0(=+=BAxn&， 故 A=0 代入方程得 ) 1(cos)(2=tatxnn 将 02mkn= 代入上式得 ) 1(cos)(0=tkamtxn （1542） （1）立柱静态变形为kam0； PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 21（2）立柱振动系数1cos=tSnw； （3）立柱振动圆频率0mkn=； （4）立柱振动频率2ndf=。 至此已确定了立柱的振动频率 dndfmkf=0212 式中 df立柱满载自振频率容许值，一般取Hzfd2=。 习 题 试确定图15-3所示单立柱堆垛机在巷道纵向平面（YOZ平面）和巷道横向平面（XOZ平面）内的结构计算简图。 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 -Pg1/27-JSCC AUTOMATION CO., LTD.DC500V100M50Hz60Hz1.5kV75KE120-10+4085%1205821590GK:6 40WGF:60200WGM:6033.6180HHERTRCGM708090100180HGK90YS061525406090200(W)GD6070809010090GV22YSX:300mmT:Y38:380VV11:110VV22:220VY22:220VK-Pg2/27-JSCC AUTOMATION CO., LTD.60GM1011060GKH6W6060mm10103NmWVHzAmNmr / minmNm60YS06DV1160YS06DV22110402204050605060660.23120040400.210.110.101500120015003850385060YS06GV1160YS06GV22ISO90011318050Hz60Hzr / minr / minNmNm0.127 3 0.420.500.600.670.700.901.11.440.300.400.500.600.720.79 0.81.91.62.42.02.92.432.73333333.6567.51012.515182025303650607590100 120 150 180350Hz : 1300r/min60Hz : 1550r/min8%43336126021717313010487726552433626221714.513517431310258207155124103867862524331262117.215.512.910.38.62.5F / 250 V0.6F / 500 V-Pg3/27-JSCC AUTOMATION CO., LTD.+1.3kg(12001800)6YS01+1.1kg(13180)CADCADCADCAD6YS020.8kg-Pg4/27-JSCC AUTOMATION CO., LTD.()CBB61(SW)CW(SW)CCWCWCCW-Pg5/27-JSCC AUTOMATION CO., LTD.10105 Nm15W7070mm70GM1011070GKH70YS15DV1170YS15DV22WVHzAmNmr / minmNm4F / 250 V1F / 500 V11065220655060506015150.3912001051050.350.200.17150012001500701257012570YS15GV1170YS15GV22ISO90011318050Hz60Hzr / minr / minNmNm0.300.260.310.43 0.510.640.902.83.50.360.510.610.761.02.04.1545555555555553.6567.51012.515182025303650607590100 120 150 180350Hz : 1300r/min60Hz : 1550r/min8%43336126021717313010487726552433626221714.513517431310258207155124103867862524331262117.215.512.910.38.6-Pg6/27-JSCC AUTOMATION CO., LTD.+1.9kg(12001800)15YS021.1kgCADCADCADCAD15YS01+1.6kg(13180)-Pg7/27-JSCC AUTOMATION CO., LTD.(SW)CW(SW)CCWCWCCW()CBB61-Pg8/27-JSCC AUTOMATION CO., LTD.80GM1011080GKH101080GKRT80GKRC25W8080mm80YS25DV1180YS25DV2280YS25DY2280YS25DY386F / 250 V1.5F / 500 VWV110HzAmNm120220120220380250250506050605050606025252525r 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