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50立方抓斗式挖泥船抓斗液压驱动控制系统分析设计(全套含CAD图纸和说明书)

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50 立方 抓斗 挖泥船 液压 驱动 控制 系统分析 设计 全套 CAD 图纸 说明书
资源描述:
50立方抓斗式挖泥船抓斗液压驱动控制系统分析设计(全套含CAD图纸和说明书),50,立方,抓斗,挖泥船,液压,驱动,控制,系统分析,设计,全套,CAD,图纸,说明书
内容简介:
摘 要中国江河湖泊众多,海岸线长,航运历来是交通运输的重要方式,因此中国疏浚业对于挖泥船工作性能的要求日益增长,不仅要求生产率高,而且对于特定的工作环境,对于挖泥船也有特殊的性能要求,比如港珠澳大桥所用抓斗式挖泥船,就有自动平挖的功能要求。为了实现挖泥船疏浚航道、挖泥清污的功能,液压控驱动控制系统则是必须有的。本文通过对各种挖泥船的学习和分析,依据抓斗挖泥船施工运行功能和操控要求,设计出了一种50立方抓斗式挖泥船抓斗液压驱动控制系统,该系统能实现抓斗的开闭,以及抓斗各种工位下的起升与下降,以及可靠制动,并具有缓冲措施;能实现回转台左右旋回以及起重臂的变幅运动;具有单独的液压马达与卷筒制动回路。起升、回转以及变幅回路均采用闭式液压系统,执行元件都选用液压马达 。本设计考虑了抓斗式挖泥船工作过程中的各种工况,根据其工作要求,通过设计计算完成系统的设计选型。关键词:抓斗式挖泥船;液压驱动控制,闭式液压系统。IIABSTRACTChina, which country has many rivers, lakes and long coastline, that is also the reason why shipping has been the mainly transport mode. Thus, demand of dredger working performance is gradually increased in China dredge section, it includes not only the high productivity, but also requires special performance in given work environment. For instance, the grab dredger, which was used to construct Hong Kong-Zhuhai-Macau Bridge demands automatic surface digging. In order to achieve the function of dredge mud and dredging trash-removal, that hydraulic drive control system is definitely the necessary condition,This paper according to studying and analysis of various dredger, in terms of dredgers working function and operating requirement, this paper designs one 50 Stere Grab Dredger hydraulic drive control systems in order to operate and lift it, reliability of braking with impact mitigation; turning around of rotary table and variable traverse motion of cargo boom; individual hydraulic motor and brake circuit of coiling block. Lifting, rotation and trolleying loop recommend closed type hydraulic system, actuator uses hydraulic motor. This system design and model selection was finished by had taking all working condition of dredger into consideration, according to the working requirement and calculation.Keywords: Grab dredger; hydraulic drive control system; Closed hydraulic system目 录摘 要IABSTRACTII1绪论11.1挖泥船的发展现状及其前景11.1.1挖泥船的应用11.1.2挖泥船的分类21.2 本文主要内容和结构52 液压系统设计62.1工况分析及功能要求62.2液压系统的主要设计参数62.4制定系统原理图72.4.1起升机构与回转机构液压原理图设计72.4.2变幅机构液压原理图的设计82.4.3液压马达与卷动制动回路的设计92.4.4油源部分102.4.5整体系统原理图102.5选择的液压系统类型122.6调压方式的选择122.7顺序动作的选择132.8调速方式的选择132.9执行元件的选择133液压系统设计计算及元件选型143.1起升回路的设计计算143.2回转回路的设计计算173.3变幅回路的设计计算193.3补油回路的设计计算223.4选择联轴器型号233.5液压控制阀的选型243.6液压辅件的计算及选型283.7油箱设计333.8液压控制装置的设计363.9 液压泵的安装形式364系统性能验算384.1液压系统压力损失验算384.2系统温升的验算405集成块设计435.1块体结构435.2集成块结构尺寸的确定435.2.1抓斗起升回路集成块设计435.2.2抓斗开闭及液压马达制动集成块设计466结束语486.1总结486.2展望486.3心得体会48参考文献50致 谢51武汉理工大学毕业设计(论文)1绪论1.1挖泥船的发展现状及其前景1.1.1挖泥船的应用中国江河湖泊众多,海岸线长,水资源南多北少,水土流失严重,航运历来是交通运输的重要方式,同时就人口现状与增长而言,已无法再论地大物博,沿海地带吹填造地及治理、向海洋发展亦势在必行。相对其它船舶来说,工程船舶特别是挖泥船在设计和建造上多年来相对较弱,但近年有提高,现有市场需求和潜在市场大,亟待进一步发展。 中国疏浚治理史并不短,但手段落后,规模小,特别是以前水利清淤疏浚欠债较多,致使河道和入海口淤塞严重,水患频繁,航道和港深标准偏低,水库面积和库容萎缩普遍。仅依照水利规划,近期2002年前我国各大主要江河年清淤疏浚量为1.81亿立方米,远期20032010年年清淤疏浚量为2.71亿立方米,而目前国内挖泥船总的年清淤疏浚能力只有约1亿立方米。 上述现状决定了中国水利、河湖航道及海域清淤疏浚施工量大,中国有广大的疏浚市场和挖泥船需求,这是中国挖泥船及其疏浚业迅猛发展的最重要的先决条件。 多年以来在施工实践中,中国疏浚业形成了以航道、水利和地方疏浚实业为主的行业框架,拥有主要自我发展积累的疏浚施工技术和国产及部分引进的挖泥船等施工设备,这是中国疏浚业的现状和进一步发展的基础。迄今为止中国疏浚施工的主要目的任务是解决单一工程问题,大量工程属于初期治理、大规模和基础性建设,施工环境和工况条件相对恶劣,近两年有了复合功能的疏浚工程和专门的环保主题的疏浚施工项目,疏浚工程已呈现向专业化、多元化、系统化、综合性发展趋势。 挖泥船的主要工作,是负责清挖水道与河川淤泥,以便其他船舶顺利通过。挖泥船的工作能力是以每小时能挖多少立方米泥土来表示的,挖泥船有机动和非机动之分,按施工特点又可分为耙吸式、绞吸式和抓斗式等。上世纪90年代初期,亚洲经济强劲复苏,推动了世界疏浚市场蓬勃发展。1994年,世界上第一艘超大型耙吸式挖泥船17 000 立方“Pearl River”应运而生。由此至2000年的七年时间内,世界上共建成以33 000 立方巨无霸型耙吸船为首的超大型耙吸船11艘,顺应了经济建设的需求。直至二十世纪之初,前后这十年被国际疏浚界誉为“黄金十年”,也是世界疏浚装备取得辉煌业绩的十年。新世纪之初,随着世界经济形势的进一步好转,疏浚界权威人士断言第二个“黄金十年”将伴之而来。有了第一个“黄金十年”资金和经验的积累,素有世界疏浚市场“晴雨表”之称的世界四大疏浚公司(它们是范奥德集团(Van Oord)、 波斯卡利斯集团(Boskalis)、 杨德努集团(JDN)和 德米集团(DEME)),前几年来以更大的底气、不失时机地投入了新一轮装备竞赛高潮,这新一轮的发展决非十年前的简单重复,不论是发展规模还是技术内涵方面都将留下全新的印记。四大公司装备发展除了规模上的超大型化(耙吸)和远海自航化(绞吸)以外,在技术层面上概括起来说还有如下特点:浅吃水船型特征日益突出;疏浚机具功率配备显著加大、功效更高;浚驾合一的控制技术13益完善;单边耙吸船广受欢迎;绿色造船、持续发展理念深入人心等等图1.1 2009年初交付的JDN集团最新巨无霸46 000 立方“Cristobal Colon”近年来国外疏浚装备和技术的发展,充分体现了高效一节能一环境友好的宗旨,给人以深刻印象。1.1.2挖泥船的分类 挖泥船分为抓斗式挖泥船、耙吸式挖泥船和绞吸式挖泥船等。(1)耙吸式挖泥船 耙吸式挖泥船是吸扬式中的一种。它通过置于船体两舷或尾部的耙头吸入泥浆,以边吸泥、边航行的方式工作。是利用泥耙松土,船中设开底泥舱,舱容积表示船的大小。有单耙或对耙,分别布置于船中或两侧。耙吸式挖泥船机动灵活,效率高,抗风浪力强,适宜在沿海港口、宽阔的江面和船舶锚地作业,在风浪大又无掩护的滨海和河口地区,宜选用自航式耙吸挖泥船。适于松散和低于粘土硬度的土质作业2008年11月28日,“新海凤”号自航耙吸式挖泥船在广州正式交付使用。上航局投资6.5亿建造的“新海凤”轮总长165米,型宽27米,型深11.7米,载泥量23750吨,舱容16888立方米,具有耙吸装舱、吹岸、艏喷以及低浓度自动排放功能,采用综合集成平台控制系统、驾驶室单人遥控推进系统、单人遥控挖泥系统。图1.2“新海风”号自航粑吸式挖泥船此外绞吸式挖泥船、绞耙吸双重功能自航工程船的研究开发,也使得挖泥船事业蓬勃发展。(2)抓斗式挖泥船 抓斗式挖泥船是利用旋转式挖泥机的吊杆及钢索来悬挂泥斗;在抓斗本身重量的作用下,放入海底抓取泥土。然后开动斗索绞车,吊斗索即通过吊杆顶端的滑轮,将抓斗关闭,升起,再转动挖泥机到预定点(或泥驳)将泥卸掉。挖泥机又转回挖掘地点,进行挖泥,如此循环作业。抓斗式挖泥船主要用于挖取粘土、淤泥、孵石、宜抓取细砂、粉砂。图1.3金雄抓斗式挖泥船2009年6月,上海振华重工建造的27立方抓斗挖泥船“新海蚌”正式交付中交上航局使用。这是目前我国自行设计、建造的最先进抓斗式挖泥船。27立方抓斗挖泥船“新海蚌”总长65.8米,型宽24米,型深4.8米,设计吃水2.7米,最大挖深56米,标准工况下挖泥能力为747立方/小时。27立方抓斗挖泥船“新海蚌”采用全回转、吊臂可变幅的抓斗挖泥机,配置不同形式、不同斗容的抓斗,适用于各种土质及岩石。27立方抓斗挖泥船“新海蚌”具备先进的疏浚监控系统,并同时配有锚泊和钢桩两套移船定位系统,能高效地实现船舶的移动定位。图1.4“新海蚌”抓斗挖泥船(3)绞吸式挖泥船 绞吸式挖泥船是疏滩工程中运用较广泛的一种船舶,它是利用吸水管前端围绕吸水管装设旋转绞刀装置,将河底泥沙进行切割和搅动,再经吸泥管将绞起的泥沙物料,借助强大的泵力,输送到泥沙物料堆积场,它的挖泥、运泥、卸泥等工作过程,可以一次连续完成,它是一种效率高、成本较低的挖泥船,是良好的水下挖掘机械。图1.5绞吸式挖泥船1.2 本文主要内容和结构本文所设计的是50立方抓斗式挖泥船抓斗液压驱动控制系统。通过液压系统的设计,完成对系统的各个零部件的选用和设计,并对系统进行相关验算。主要内容如下:第一章 绪论。主要说明了选题的目的和意义以及翻车机的发展现状和前景。第二章 液压系统的方案确定。介绍了本次设计的技术要求和相应的技术方案,并依此确定系统的的原理图,并介绍了液压系统工作原理。第三章 液压系统设计。详细的介绍了系统的设计过程和其中的一些计算,并为系统选择或设计所需元器件。第四章 集成块的设计计算。确定需要集成的液压元件,并完成集成块的设计。第五章 系统的性能验算。对系统的压力损失和温升进行验算,验算系统是否满足要求。第六章 结束语。主要对本次设计作出总结以及展望。2 液压系统设计2.1工况分析及功能要求抓斗式挖泥船是利用旋转式挖泥机的吊杆及钢索来悬挂泥斗;在抓斗本身重量的作用下,放入海底抓取泥土。然后开动斗索绞车,吊斗索即通过吊杆顶端的滑轮,将抓斗关闭,升起,再转动挖泥机到预定点(或泥驳)将泥卸掉。挖泥机又转回挖掘地点,进行挖泥,如此循环作业。抓斗式挖泥船主要用于挖取粘土、淤泥、孵石、宜抓取细砂、粉砂。工况条件工作环境:水温1045;抗风等级蒲式7级;波浪高度1.5m2.0m;航区:港珠澳遮蔽海区作业,沿海调遣及港口作业。挖泥船主体工作装置的如图1.3 所示,因此其功能为(1)由液压马达控制实现抓斗的开闭动作,挖取淤泥,如果系统加入平挖控制箱(里面是精密的集成器)则能实现自动平挖功能。(2)液压马达控制卷筒将抓斗升起到指定工作行程位置,液压马达抱紧制动,实现抓斗在空中的停留。(3)由液压马达实现回转台的左右转动到指定位置时,液压马达控制卷筒转动实现抓斗降落,并在稳定后开启抓斗放下挖取的淤泥。2.2液压系统的主要设计参数确定系统主要参数的目的是为了拟订系统原理图以及选择或设计液压元件提供依据。这些参数主要是系统工作压力、液压执行元件的工作压力和流量、负载力等。确定主要参数的依据是液压执行元件的负载和速度;可供元件的种类、质量和价格。技术指标:(1)抓斗 ;(2)最大提升力 280t;(3)提升速度 060m/min;(4)最大作业半径 24m;(5)回转台半径 8m;(6)下方速度 070m/min;(7)旋回速度 01.0rpm;(8)主机功率 4800Ps ;(9)开闭钢缆行程 28.2m;(10)开闭钢缆的长度 63.5m;(11)臂架角度 6070;(12)挖深 75m。2.3 设计的基本内容根据上述性能要求,本次设计将完成以下设计内容:(1)液压系统型式、控制原理及其详细设计计算,要求满足上述技术参数;(2)液压系统总回路图制图,各液压元器件的计算选型;(3)液压系统性能验算;(4)液压系统主要非标元器件的设计、计算与制图;(5)液压系统阀块的设计及制图;(6)液压系统液压泵站油箱的设计、计算及制图。2.4制定系统原理图拟定液压系统原理图是整个设计工作中最重要的步骤,对系统的性能以及设计方案的经济性与合理性具有决定性地影响,它能清楚地表示出各元件之间的关系、动作原理、操纵和控制方式等。拟定液压系统原理图的一般方法是,根据各执行机构动作和性能要求先分别选择和拟定基本回路,然后将各个基本回路组合成一个完整的系统。2.4.1起升机构与回转机构液压原理图设计起升机构作为抓斗升降的机构,具有以下特点:(1)方向控制(起升/下降)。(2)能在起升和下降阶段保持一定的压力。(3)能在行程范围内随时停机制动,即能可靠制动。(4)必须限制放下重物的速度,以防止重物在重力作用下快速坠落。回转机构能够实现回转台的左右旋回,且限制回转速度,使其具有可靠制动。因为此系统要求的功率很大,则将起升下降阶段与回转阶段分时工作,且利用插装阀控制油路使起升液压泵与回转液压泵同时为同一回路提供液压油来进行工作。系统起升回路与回转回路如图2.1所示,图2.1 起升与回转回路原理图当起升回路与回转回路的三位四通电液换向阀处于左工位时,左边二位四通电磁换向阀处于右工位,而右边的二位四通电磁换向阀处于左工位时,则高压油经梭阀通电磁换向阀控制插装阀的开闭,使回转液压泵为起升回路提供液压油;在回转阶段时,同理使得起升液压泵与回转液压泵为回转液压马达提供动力。2.4.2变幅机构液压原理图的设计将抓斗起吊、闭紧后,通过抓斗起重臂的变幅机构运动来完成起重臂的变幅,变幅机构具有的特点是:将抓斗起吊、锁紧后,通过抓斗起重臂的变幅机构运动来完成起重臂的变幅。针对变幅机构具有的特点,所设计的液压系统如图2.2所示图2.2 变幅机构液压原理图液压马达为双向作用,通过减速箱和联轴器带动变幅卷筒转动,利用钢绳来控制变幅机构完成变幅运动,且由控制油路来启动制动器,使液压马达得到可靠制动。2.4.3液压马达与卷动制动回路的设计此回路的设计是要保证各回路的液压马达都能得到可靠的制动,具有能及时制动且可靠的特点,其液压原理图如2.3所示图2.3 液压马达及卷筒制动液压原理图2.4.4油源部分液压源的核心是液压泵。系统采用闭式液压系统回路,选用容积调速回路来调节执行元件,系统调节选用变量液压泵定量液压马达,且闭式液压系统需要补油泵来补偿系统液压油的泄漏。2.4.5整体系统原理图此次系统的设计起升回路采用液压马达带动卷筒转动来实现抓斗的起升、下降动作,抓斗的开闭动作是由电机带动分动箱经联轴器来使开闭卷筒转动控制来实现的。回转回路是由回转液压马达带动回转装置使回转台左右旋回的。变幅回路也是有液压马达带动卷筒转动实现变幅的。其系统原理图如下:图2.4 液压系统原理图 1油箱 2温度计 3液位计 4回油过滤器 5截止阀 6吸油过滤器 7冷却器 8单向阀 9补油电动机 10、11、19、20、21液压泵 12、18溢流阀 13板式单向阀 14压力继电器 15蓄能器 16减压阀 17二位四通电磁换向阀 22、23压力表 24三位四通电液换向阀25插装阀 26梭阀 27平衡阀 28液压缓冲器 29起升马达 30回转马达 31变幅马达 32二位二通电磁换向阀 33节流阀按照动力元件、执行元件、控制调节元件及辅助元件的顺序说明元件的功能及用途。(1)动力元件:2个变量泵,为整个液压系统提供稳定的油源。(2)执行元件:2个液压马达,实现抓斗起升和下降动作; 4个液压马达,实现回转台旋回动作; 1个液压马达,实现臂架变幅;控制调节元件: 2个三位四通电液换向阀,控制液压液压马达的正反转动作; 7个两位四通电磁换向阀,2个控制插装阀开启以及5个控制刹车回路油液换向; 8个插装阀,控制液压油供给回路; 15个单向阀,补油以及保护液压泵; 7个溢流阀,补油回路卸荷以及起升回转回路作安全阀作用; 5个减压阀,使刹车回路得到低于其他回路的压力; 12个单向节流阀,起到回油节流调速的作用; 1个压力继电器,其检测补油压力的作用。辅助元件: 7个滤油器,过滤油液; 1个冷却器,给回油箱的液压液冷却散热; 1个油箱,储存油液 1个油位计、温度计,起到检测油箱油液的容积和温度。其动作顺序如下表所示:表2.1 动作顺序表动 作 磁铁DT1DT2DT3DT4DT5DT6DT7DT8DT9起升-+-+-起升停止-+-左回转+-+-+-右回转+-+-+-回转至零位停止-+-下降-+-+-2.5选择的液压系统类型液压传动系统可分为开式系统和闭式系统,开式系统的工作油液在油箱中冷却、分离空气及沉淀杂质后再进入工作循环,系统结构简单;但因油箱内的油液直接与空气接触,空气易进入系统,导致工作机构运动不平稳并产生其它不良后果。闭式回路的油液都在闭合回路中循环,油液温升较高,但所用的油箱容积小,系统结构紧凑,闭式系统的结构复杂,成本较高,通常用于功率较大的液压系统。本系统采用闭式系统。液压源的核心是液压泵。系统采用闭式液压系统回路,选用容积调速回路来调节执行元件,系统调节选用变量液压泵定量液压马达,且闭式液压系统需要补油泵来补偿系统液压油的泄漏。油液的净化装置是液压源中不可缺少的。一般泵的入口要装有吸油过滤器,为防止系统中杂质流回油箱,可在回油路上设置磁性过滤器或其他形式的回油过滤器。根据液压设备所处环境及对温升的要求,还要考虑冷却等措施。2.6调压方式的选择液压执行元件工作时,要求系统保持一定的工作压力或在一定压力范围内工作,也有的需要多级或无级连续地调节压力。本次设计中,泵出口采用溢流阀作安全阀作用调定系统起升回路以及回转回路,起升回路马达进油路上还装有自动调节背压的平衡阀。2.7顺序动作的选择顺序动作的方式很多,工程机械的操纵机构多为手动,一般用手动的多路换向阀控制,加工机械的各执行机构的顺序动作多采用行程控制,当工作部件移动到一定位置时,通过电气行程开关发出电信号给电磁铁推动电磁阀或直接压下行程阀来控制连续的动作;另外还有时间控制、压力控制等。本系统的顺序动作采用电液换向阀以及插装阀控制动作顺序。2.8调速方式的选择液压缸和液压马达速度控制通过改变输入或输出液压执行元件的流量或者利用密封空间的容积变化来实现。相应的调速方式有节流调速、容积调速以及二者的结合容积节流调速。节流调速一般采用定量泵供油,用流量控制阀改变输入或输出也压制性元件的流量来调节速度。此种调速方式结构简单,由于这种系统必须用溢流阀,故效率低、发热量大,多用于功率不大的场合。容积调速是靠改变液压泵或液压马达的排量来达到调速的目的。其优点是没有溢流损失和节流损失,效率较高。但为了散热和补充泄露,需要有辅助泵。此种调速方式适用于功率大流量大的系统。容积节流调速一般是用变量泵供油,用流量控制阀调节输入或输出液压执行元件的流量。此种调速回路效率较高,速度稳定性较好,但其结构比较复杂。本系统采用容积调速。2.9执行元件的选择液压执行机构包括液压缸和液压马达。本次设计起升回路采用两个液压马达作为执行元件,回转回路采用四个液压马达作为执行元件,变幅回路采用一个液压马达作为执行元件。3液压系统设计计算及元件选型3.1起升回路的设计计算(1)技术指标减速器传动比=99,机械效率,滑轮组倍率,卷筒直径,钢丝绳层数,钢丝绳直径。起升回路采用变量液压泵驱动两台双排量液压马达。(2)起升液压马达的确定1)起升卷筒扭矩为 (3.1)其中 (3.2)式中: 卷筒所受的最大拉力; 卷筒机械效率,可根据起重机设计手册表8-7查得,;卷筒直径,为1.8m,钢丝绳层数为3,钢丝绳直径为0.06m。2)起升马达的扭矩 (3.3)式中:起升马达到减速器输出端的机械效率,一般0.90.97,此处取为0.94。 卷筒传动比,。 3)起升液压马达排量的确定 初选液压马达的进出口压力为 。按满负载时起升液压马达负载扭矩为来计算所需要的液压马达的排量,其计算式为 (3.4) 式中 起升液压马达机械效率,取值为0.96.根据计算结果,选取液压马达型号H2V 226 SL2R2EM,意大利Brevini公司生产,主要技术如下:(a)液压马达最大排量,最小排量;(b)额定压力35Mpa,最高压力45Mpa ;(c)控制方式:电两位控制,控制电压DV 24V。4)系统补油压力及马达进出油口压力的确定 系统补油压力设定为,起升液压马达进油口压力为 (3.4)5)额定负载时,起升液压马达所需要流量的 起升卷筒的转速 (3.5) 式中 卷筒单绳最大速度,为70m/min。 起升液压马达转速 (3.6) 则起升液压马达输入流量 (3.7) 式中 液压马达容积效率,取值为0.96; 液压马达进油管路容积效率,取值为0.99.(3)液压泵的确定1)电动机转速及分动齿轮箱的确定电动机电制:AC 400V ,50Hz,额定转速为。分动齿轮箱型号:A4387-02,德国生产,其主要技术参数如下:(a) 传动比;(b) 最大输入功率380kw,最大输入转速2500r/min;(c) 单泵功率250kw,最大扭矩1100Nm。 2)起升液压泵转速为 (3.8) 3)起升液压泵排量的确定按额定负荷时,起升马达所需要流量计算,起升液压泵所需排量为 (3.9)因为回转回路液压泵也会向起升回路提供油液,故根据计算结果,起升液压泵初定为135mL/r,选定型号为HPV135-02,德国林德公司生产,主要技术参数如下:(a)额定排量为135mL/r;(b)连续工作压力()为25Mpa,最大工作压力42Mpa,瞬时最大工作压力50Mpa。(4)起升液压泵最大驱动扭矩 额定负荷时,起升液压泵排量为,补油压力,起升马达进油压力为,起升液压泵驱动扭矩为 (3.10) 式中 起升液压泵机械效率,取值为0.96.(5)起升回路最大驱动功率 额定负荷时,起升液压泵最大驱动扭矩为,起升液压泵转速为,起升回路最大驱动功率为 (3.11) 根据计算结果,起升回路所需最大的驱动功率为123.8kw,因此选择主电机功率为160kw,型号为M2BAT 315SMC-4,主要技术参数如下:(a) 功率:160kw;(b) 额定转速1486r/min;(c) 电制:400V,50Hz,3P。3.2回转回路的设计计算(1)主要技术指标回转减速器传动比,机械效率,回转最大速度1.0r/min,回转总阻力矩。(2)回转液压马达的确定本次设计的回转回路采用四台双向变量马达驱动回转装置。1) 回转马达阻力矩 (3.12)式中 回转总阻力矩,; 回转减速器传动比,; 回转机械传动效率,取值为0.92。 2)回转液压马达排量的确定 初选液压马达进出油口压差,则回转液压马达的排量为 (3.13) 式中 回转马达机械效率,取值为0.95.根据计算结果,选取回转液压马达型号H2V 75 SL2,意大利Brevini公司生产,主要技术参数如下:(a)液压马达最大排量,最小排量;(b)额定压力35Mpa,最高压力45Mpa(c)控制方式:电两位控制,控制电压 DV 24V。(3)系统补油压力及马达进油口压力的确定 系统补油压力设定为,回转液压马达进油口压力为 (3.14)式中 回转马达机械效率,取值为0.92.(4)额定负载时,回转马达所需流量 (3.15) 式中 液压马达转速,取; 液压马达容积效率,取值为0.96; 液压马达进油管路容积效率,取值为0.99。(5)回转液压泵的确定1)电动机转速及分动齿轮箱的确定电动机电制:AC 400V ,50Hz,额定转速为。分动齿轮箱型号:A4387-02,德国生产,其主要技术参数如下:(a)传动比;(b)最大输入功率380kw,最大输入转速2500r/min;(c)单泵功率250kw,最大扭矩1100Nm。 2)回转液压泵转速为 (3.16) 3)回转液压泵排量的确定按额定负荷时,回转马达所需要流量计算,回转液压泵所需排量为 (3.17)因为系统是由起升液压泵与回转液压泵一起给起升回路和回转回路提供液压油,故根据计算结果,起升液压泵初定为135mL/r,选定型号为HPV135-02,德国林德公司生产,主要技术参数如下:(a)额定排量为135mL/r;(b)连续工作压力(P)为25Mpa,最大工作压力42Mpa,瞬时最大工作压力50Mpa。 则根据起升回路与回转回路计算结果可知,起升回路与回转回路所选取的液压泵是符合条件而可行的。 (6)回转液压泵主电机的确定计算同起升回路相同,不再赘述。选取的主电机率为160kw,型号为M2BAT 315SMC-4,主要技术参数如下:(a) 功率:160kw;(b) 额定转速1486r/min;(c) 电制:400V,50Hz,3P。3.3变幅回路的设计计算 (1)主要技术指标:传动比,机械效率,变幅液压马达最大负载扭矩,最高转速。(2)变幅液压马达的确定 1)变幅液压马达排量的确定 初选液压马达进出油口压差,则变幅液压马达的排量为 (3.18) 式中 变幅马达机械效率,取值为0.96.根据计算结果,选取变幅液压马达型号H2V 226 SL2,意大利Brevini公司生产,主要技术参数如下:(a)液压马达最大排量,最小排量;(b)额定压力35Mpa,最高压力45Mpa(c)控制方式:电两位控制,控制电压 DV 24V。(3)系统补油压力及马达进油口压力的确定 系统补油压力设定为,变幅液压马达进油口压力为 (3.19)式中 变幅马达机械效率,取值为0.96. (4)变幅液压马达所需流量为 (3.20)式中 液压马达转速,取; 液压马达容积效率,取值为0.96; 液压马达进油管路容积效率,取值为0.99。(5)变幅液压泵的确定1)电动机转速及分动齿轮箱的确定电动机电制:AC 400V ,50Hz,额定转速为。分动齿轮箱型号:A4387-02,德国生产,其主要技术参数如下:(a) 传动比;(b) 最大输入功率380kw,最大输入转速2500r/min;(c) 单泵功率250kw,最大扭矩1100Nm。2)变幅液压泵转速为 (3.21) 3)变幅液压泵排量的确定按额定负荷时,变幅回路马达所需要流量计算,变幅液压泵所需排量为 (3.22)根据计算结果,变幅液压泵排量初定为75mL/r,选定型号为HPV210-02,德国林德公司生产,主要技术参数如下:(a) 额定排量为210mL/r;(b) 连续工作压力()为25Mpa,最大工作压力42Mpa,瞬时最大工作压力50Mpa。(6)变幅液压泵最大驱动扭矩 额定负荷变幅时,变幅液压泵排量为,补油压力,变幅液压马达进油压力为,变幅液压泵驱动扭矩为 (3.23) 式中 变幅液压泵机械效率,取值为0.96.(7)变幅回路最大驱动功率 额定负荷变幅时,变幅液压泵最大驱动扭矩为,变幅液压泵转速为,变幅回路最大驱动功率为 (3.24)选取的主电机率为160kw,型号为M2BAT 315SMC-4,主要技术参数如下:(a) 功率:160kw;(b) 额定转速1486r/min;(c) 电制:400V,50Hz,3P。此系统中抓斗的开闭是机械带动开闭卷筒转动来实现抓斗的开闭。开闭卷筒的刹车装置使用液压控制的,参考同类系统,其刹车控制液压泵的排量选取为94mL/r,型号为PV2R3-94叶片泵,技术参数如下:(a) 额定排量为93.6mL/r;(b) 额定压力为17.5Mpa,最大工作压力21Mpa。(c)最高转速1800r/min。 则选取电机型号为M2QA160 M6A,主要技术参数如下:(a) 额定功率为7.5kw;(b) 额定转速为970r/min;(c) 电制:400V ,50Hz,3P。3.3补油回路的设计计算(1)补油压力的确定 为补偿闭式回路中液压泵、马达和管路的泄漏,防止因供油不足而导致吸空,以及补偿液压泵和马达瞬时排量的不均,回路中必须设置低压补油泵。除补偿系统泄漏外,补油泵主要还具有以下三个方面的作用:通过冲洗阀更换主回路的热油,对系统进行强制冷却;为变量泵控制机构、液压马达刹车回路提供压力油;保证系统低压管道的压力恒定,防止出现气穴现象和空气渗入系统。因此,补油回路的压力和流量对主回路的正常工作至关重要。 若补油压力过低,在压力出现波动时容易造成控制回路失压,且由于主回路低压侧压力和补油压力基本相当,无法打开冲洗阀对主回路进行有效地冲洗冷却;若补油压力过高,则会造成液压马达出油口压力过大,整个回路所需功率变大,系统效率降低,发热严重,造成不必要的能量浪费。 由于补油压力直接影响变量泵控制机构的响应时间,若系统负载变化大或要求反应迅速,则选择较高的补油压力,反之则选择较低的补油压力。参照同类系统及样本中所给出的参考值,系统补油压力设定为2.5Mpa。(2)补油流量的确定补油流量可根据系统的容积效率和对冷却的要求来选择,一般取主回路液压泵最大流量的20至30,冷却要求较高时可取至最大流量的40。本次设计液压系统设置了独立的冷却回路,为提高冷却效果,取补油泵的流量为30的主回路液压泵最大流量。因为起升液压泵与回转液压泵的排量相同,且最高转速也相同,则补油量为 (3.25)式中 补油泵容积效率。取值为0.96; 补油泵进油管路容积效率,取值为0.99.设补油电动机转速,则补油泵排量为 (3.26) 根据计算结果,选取补油泵型号为PV2R3-94叶片泵,德国力士乐公司生产,其主要技术参数如下:(a) 额定排量93.6mL/r;(b) 额定压力17.5Mpa,最高压力21Mpa;(c) 最高转速1800r/min。 由于液压马达制动回路的开启压力约为3Mpa,设补油泵出口压力,由此得补油泵所需最大驱动功率为 (3.27) 根据计算结果选取补油电机型号为M2QA 160 M6A,主要技术参数为(a) 额定功率为7.5kw;(b) 额定转速为970r/min;(c) 电制:400V ,50Hz,3P。3.4选择联轴器型号 为了补偿液压泵和电动机在安装时两轴的同轴度误差,通常采用弹性联轴器联接。 根据所选电机,可以查得电机轴径。根据电机的额定功率和转速,可以计算出电机扭矩。查机械设计手册5,选择LM型梅花型联轴器。查得起升与回转液压泵主电机轴径:D=65mm变幅回路液压泵主电机轴径:D=65mm补油泵主电机轴径:D=42mm 计算电机转矩: (3.28) (3.29)选择LM6型和LM8型梅花型联轴器,具体参数见表3.1。 表3.1 联轴器参数型号公称扭矩 轴孔直径、 mmLM640042.45.48LM8112060.63.653.5液压控制阀的选型选用液压阀件主要是根据系统所需的阀件的功能及其在系统中的工作压力和流量来确定。同时要注意以下两点:1.阀的规格,根据系统的工作压力和实际通过该阀的最大流量,选择有定型产品的阀件。溢流阀按液压泵的最大流量选取;控制阀的流量一般要选得比实际通过的流量大一些。2.阀的形式,按安装和操作方式选择。在本系统中,分别用到了溢流阀、平衡阀、电磁换向阀、插装阀、减压阀、梭阀、电液换向阀、单向阀等。其中选用的阀件的作用如下:(1)溢流阀的选型溢流阀在不同的场合有不同的用途,如在定量泵节流调速系统中,溢流阀用来保持液压系统的压力恒定,并将液压泵多余的流量溢流回油箱,这时溢流阀做定压阀用;在容积节流调速系统中,溢流阀在液压系统正常工作时处于关闭状态,只是系统压力大于或等于溢流阀调定压力时才开启溢流,对系统起过载保护作用,这时溢流阀做安全阀用;此外溢流阀还可以做卸荷阀作用等等。对于本系统,根据液压泵的压力和流量要求,查机械设计手册4,主回路选择RF-G06-3-30型(卸荷)和RF-G10-3-30型(安全阀)溢流阀。补油回路溢流阀选择型号为RF-G04-3-30,其技术参数如下表:型号通径额定流量(L/min)调压范围(MPa)重量(kg)生产厂家RF-G04-3-30101007-255.6涌镇实业RF-G06-3-30202007-256.9涌镇实业RF-G10-3-30324007-2510.5涌镇实业表3.2 溢流阀参数(2)单向阀的选型单向阀常被安置在液压泵的出油口,可防止系统压力突然升高时损坏液压泵。另外拆卸泵时系统中的油不会流失。单向阀还可做保压阀用,对开启压力大的单向阀,还可以做背压阀用。系统里一共使用了19个单向阀,除在起升回路与回转回路中的6个单向阀使用板式连接外,其余单向阀都是管式连接。查机械设计手册4 P433表3.3 单向阀参数型号最高压力MPa通径连接方式允许流量L/min质量kg生产厂家S20P5O 31.520板式18-150001.0上海立新液压件厂S20A5O 31.520管式18-150001.0上海立新液压件厂(3) 电磁换向阀的选型系统采用了7个两位四通电磁换向阀和一个两位两通电磁球阀。其中两位四通换向阀的作用控制起升回路与回转回路插装阀的通断,实现两泵为同一回路供油以及控制起升回路与回转回路马达刹车及抓斗开闭卷筒刹车的启闭;而两位两通阀的作用在于控制变幅回路补油的通断。电磁换向阀在液压系统中的作用是用来实现液压油路的换向、顺序动作及卸荷等。它利用电磁铁通电吸合后产生的吸力推动阀心来改变阀的工作位置,是电气系统与液压系统之间的信号转换元件。电磁换向阀按电磁铁使用的电源不同,有交流型和直流型两种。按电磁铁内部是否有油浸入,又分为干式和湿式两种。查机械设计手册P460:控制插装阀通断与刹车启闭的两位四通电磁换向阀选择DSG-03-2B2-D24-N-50。其参数如下表所示:表3.4 电磁换向阀参数型号最高工作压力 MPa最大流量L/minT口允许背压MPa最高换向频率次/min质量kg生产厂家DSG-03-2B2-D24-N-50 31.5 12016AC、DC:3002.2榆次油研液压件厂(4)泵用三位四通电液换向阀因为本系统回路中液压油流量很大,不能采用电磁换向阀来控制油路,故起升回路与回转回路选用两个电液换向阀来控制油路的换向,查机械设计手册P491 选择三位四通电液换向阀的型号为WEH25G154/08,其参数如下表所示:表3.5 三位四通电液换向阀参数型号压力范围MPa通径连接方式额定流量L/min质量kg生产厂家 WEH25G154/08283525板式3005北京化德液压阀(6)平衡阀的选择 FD型平衡阀主要用在起重液压系统中,使液压马达和液压缸运动速度不受载荷变化的影响,保持稳定。它附加的单向阀功能,密封性好,在管路损坏或制动失灵时,可防止重物自由下落造成事故。FD型平衡阀还具有旁路阀的功能,反向油流可快速退回。查查机械设计手册P386,本系统所选用的FD型平衡阀的型号为FD25PA10B30,其参数如下表:表3.6 FD型平衡阀参数型号压力范围MPa通径连接方式额定流量L/min质量kg生产厂家FD25PA10B30031.525板式2809上海立新(7)插装阀的选择 插装阀是一种用小流量来控制大流量工作油液的开关式阀。它是把作为主控元件的锥阀插装于油路块中,故得名插装阀。 插装阀发展到现在主要分两类:第一类是传统的盖板式插装阀。插装阀不仅能实现普通液压阀的各种功能,而且具有流动阻力小、通流能力大、动作速度快、密封性好、制造简单、工作可靠等优点。第二类是在工程机械多路阀中安全阀基础上,迅速发展起来的螺纹式插装阀,正好弥补了盖板式插装阀不适应用于小流量不足,主要用于小流量场合。 本系统中所用的八个插装阀用于主回路大流量液压油的流通开闭,所选型号为LC32A10E,其技术参数如下表:表3.7 液控单向阀参数型号工作压力MPa通径连接方式带缓冲节流口额定流量L/min生产厂家LC32A10E 31.5 32 管式 400 北京华德液压插装阀盖板选用型号为LFA32D/FX。(8)减压阀的选择减压阀是通过调节,将进口压力减至某一需要的出口压力,并依靠介质本身的能量,使出口压力自动保持稳定的阀门。本系统采用了五个减压阀,查机械设计手册5 P367,选择XG2V-06G型减压阀,技术参数如下表:表3.8 减压阀参数型号可调压力MPa通径连接方式允许流量L/min生产厂家XG2V-06G 0.5-1420板式265榆次液压件厂(9)节流阀的选择节流阀是利用改变阀中节流口的过流面积,来调节油液流过节流口时所受到的局部阻力大小,从而实现对流量的控制。本系统选用MG型节流阀,它是直接安装在管路上的管式节流阀,该阀节流口采用轴向三角槽结构,用于控制油液流量。查机械设计手册5,选择节流阀型号为MG25G1.2型,其技术参数如下表:表3.9 节流阀参数型号最大工作压力MPa通径连接方式允许流量L/min质量kg生产厂家MG25G1.231.525管式3003.2上海立新液压件厂(10)梭阀的选择本系统所采用的三个梭阀是用来控制插装阀的通断属于控制油路,查梭阀样本选取的型号为SF20GM362,其技术参数如下表:表3.10 梭阀参数型号最大工作压力MPa通径连接方式允许流量L/min质量kg生产厂家SF20GM363220管式10350(11)压力继电器的选型压力继电器是将某一定值的液体压力信号转变为电气信号的元件。查机械设计手册4 P392,选择HED2A20型单向节流阀。表3.11 压力继电器参数型号最大工作压力MPa连接方式电源电压/v切换频率次/min生产厂家HED2A2020管式2430力士乐因为选择的液压阀件使用环境在海上,故需要一些防腐蚀措施来保护液压阀件,例如液压阀件的材料选用不锈钢,以及外表喷漆等措施。3.6液压辅件的计算及选型(1)管道尺寸的确定液压系统中的管路按其不同的作用分为:主管路:包括吸油管路、压油管路和回油管路,用来实现压力能传递。泄油管路:将液压元件的泄露油液导入油箱的管路。控制管路:用来实现液压元件的控制或调节以及与检测仪表连接的管路。油管内径尺寸一般可参照选用的液压元件接口尺寸而定,也可按管路允许流速进行计算。由 (3.30) 式中 d管道内径(mm); q油液的流量(L/min); v管内油液的流速,对吸油管取v2.5m/s,压油管取v=5m/s,回油管取v2.5m/s。根据工作条件中管路可能出现的最大流量来确定管道内的油液流量。起升回路液压泵与回转回路液压泵的额定流量均为285.75L/min,合流处的流量最大为;变幅回路液压泵的额定流量为305L/min,补油回路液压泵与抓斗开闭刹车回路液压泵额定流量为86.6L/min。按上式计算得:起升、回转回路:吸油管内径:49.3mm,压力油管内径1:34.85mm,压力油管内径2(合流处):49.3mm,回油管内径:49.3mm。变幅回路:吸油管内径:50.9mm,压力油管内径:36mm,回油管内径:46.5mm。补油回路与刹车回路:吸油管内径:27.1mm,压力油管内径19.2mm,回油管内径:24.8mm。考虑油泵的吸、排油孔的直径,并且由于经集成块的过渡,现取油管内径:起升、回转回路:吸油管内径:50mm,压力油管内径1:32mm,压力油管内径2(合流处):50mm,回油管内径:50mm。变幅回路:吸油管内径:50mm,压力油管内径:32mm,回油管内径:40mm。补油回路与刹车回路:吸油管内径:25mm,压力油管内径20mm,回油管内径:25mm。其技术参数如下表:起升、回转回路:表3.12 油管参数公称通径Dgmm钢管外径mm管接头连接螺纹mm管子厚度mm推荐管路通过流量L/min5063M6026.56303242M42252505063M6026.5630变幅回路表3.13 油管参数公称通径Dgmm钢管外径mm管接头连接螺纹mm管子厚度mm推荐管路通过流量L/min5063M6026.56303242M42252504050M4825.5400补油回路与刹车回路表3.14 油管参数公称通径Dgmm钢管外径mm管接头连接螺纹mm管子厚度mm推荐管路通过流量L/min2534M33221602028M2722 1002534M3322160由于系统的布局安装尚未确定,所以管路的长度现无法确定。(2) 过滤器的选型选择过滤器的一般原则:1)具有足够大的通油能力,压力损失小;2)过滤精度满足设计要求;3)滤芯应有足够的硬度;4)滤芯抗腐蚀性好,能在规定的温度下长期工作;5)滤芯的更换,清洗及维护方便。一般将粗过滤器(网式或线隙式)装在液压泵的吸油管路上,用以保护液压泵免遭较大颗粒杂质的直接伤害;根据系统的额定流量来选择过滤器的型号,查机械设计手册5,补油回路以及刹车控制回路吸油过滤器选择为TF-100100L-Y;回油过滤器选择为RFA-40010F型过滤器;空气过滤器选为EF2-32型空气过滤器。具体技术参数如下:表3.15 吸油过滤器参数型号流量L/min过滤精度m通径mm发讯器装置原始压力损失电压V电流ATF-100100L-Y100100322420.01表3.16 回油过滤器参数 型号流量L/min过滤精度m通径mm发讯器装置原始压力损失电压V电流ARFA-400X10F40010652422320 (4.5)式中水力直径,=4A/x;圆管=d A通流截面面积 X在通流截面上的湿周长度 v液体运动的平均速度 液体的运动粘度.表5.1 圆管沿程阻力系数的计算公式故液压液为紊流流动。流动区域雷诺数范围计算公式层流Re2320紊流水力光滑管区3000Re105105 Re108水力粗糙区 阻力平方区所以 起升液压泵部分 (4.6) 回转液压泵 (4.7)故 起升液压泵部分 (4.8) 回转液压泵部分 (4.9)初定系统压力损失为,所以满足使用需求。4.2系统温升的验算在闭式液压系统中,系统本身的散热主要是油箱散热、泵及马达壳体散热、管道表面散热等。相对于油箱散热,壳体及管道表面散热量极小,属于可忽略因素。因此,在计算系统本身散热时只考虑油箱散热功率。油箱的散热功率为 (4.10) 式中 油箱散热系数W/(K); 油箱温度(); 环境温度(); 油箱有效散热面积()。表3.20 油箱散热系数k W/(K)散热条件K散热条件K 通风很差 810风扇冷却2025 通风很好1420循环水强制冷却 110175因为在海域工作所以通风很好,油液温差取最大40,则油箱的散热功率为(1) 液压泵的发热功率 (4.11) 式中 液压泵进出口压力差,(Mpa); 液压泵的发热功率(kW); 液压泵机械效率,取值为0.96; 液压泵的容积效率,取值为0.99。由于补油泵本身排量及压力较主泵很小,其发热功率可以忽略不计。(2) 液压马达的发热功率 (4.12) 式中 液压马达进出口压力差,(Mpa); 液压马达的发热功率(kW); 液压马达机械效率,取值为0.96; 液压马达的容积效率,取值为0.99。 根据上面两式算出系统的发热功率 所需散热器的功率为 则系统需要配置冷却器来散热,选择多管式冷却器,冷却器散热面积为 (4.13)式中冷却器散热系数,取值为340;平均温升()。根据冷却器散热面积选择冷却器的型号为4LQGW-A6.0F。5集成块设计当液压控制阀采用板式连接时,将阀集成安装在专用的阀块上,这样不仅便于集中管理,而且可以减少连接管路,提高系统的工作可靠性。显然,液压阀集成块在液压系统设计中占有重要的地位。阀集成块的一些设计原则为:(1)阀块设计时,块内的油路应尽量简捷,尽量减少采用深孔、斜孔,阀块中的孔径与通过的流量相匹配,特别要注意相贯通的孔必须有足够的通流面积;(2)阀块设计时应注意进出油口的方向和位置,应与系统的总体布置和管道连接形式相匹配,并考虑安装操作方便;(3)阀块设计时要考虑有水平或垂直安装要求的阀,必须符合要求。需要调节的阀应放在便于操作的位置,需要经常检修的阀应安装在阀块的上方或外侧。5.1块体结构集成块的材料一般为锻钢或热轧钢及铸铁,低压固定设备可用铸铁,高压强振场合要用锻钢。块体加工成长方体或正方体。块体内部按系统图的要求,钻有沟通各阀的孔道。翻车机属于工程机械,故应采用热轧钢或锻钢,此处选用锻钢,块体结构选用长方体结构。5.2集成块结构尺寸的确定外形尺寸要求满足阀件的安装,孔道布置及其他工艺要求。各通油孔的内径要满足允许流速的要求,参照管道内径确定孔径。油孔之间的壁厚不能太小,防止因使用过程中压力冲击而击穿,并可防止加工误差造成的误通。对于中低压系统,不能小于3.5mm,高压系统应更大些。该集成块根据安全且简单紧凑的原则进行设计。从安全角度考虑,壁厚不小于6mm。5.2.1抓斗起升回路集成块设计本次设计中,将起升回路分成两个部分进行集成:八个插装阀与两个两位四通电磁换向阀成为第一个集成块,电液换向阀与溢流阀及三个单向阀为第二个集成块。根据液压系统的油路布置,把各阀件的油孔对应起来。阀之间保留足够的间隙,以便安装。考虑阀组的安装尺寸,则集成块的长、宽、高选定为 集成块1:长550 宽240 高150 集成块2:长400 宽220 高150使用Pro/E三维软件画立体集成块更直观,可以测量任意两点之间的距离,能有效保证集成块内部管路不相交叉或相距太小。立体图还可以直接转换成平面图,还可以把任意面剖视图转换成平面图。立体集成块如下图所示。 图4.1 集成块1正面图4.2集成块1侧面图4.3集成块2正面图4.4集成块2俯视图图4.5集成块2反面5.2.2抓斗开闭及液压马达制动集成块设计 此部分设计的集成块包括:五个减压阀、五个二位四通电磁换向阀、一个单向阀及溢流阀集成。根据阀组的安装尺寸集成块的长宽高选定为: 长550 宽150 高200其三维图如下:图4.6集成块3正面图4.7集成块3顶面6结束语6.1总结通过对50立方抓斗式挖泥船抓斗液压驱动控制系统的总体设计,整个工作主要包括系统的方案设计、各液压回路的设计、各零部件的设计计算和验算、集成块设计和绘制等。此系统是用于抓斗式挖泥船抓斗升降开闭及回转的系统,其工作特性要求系统具有压力补偿和缓冲的特性。总的来说,本文的成果有以下几点:1. 对挖泥船液压系统有了更多的认识。挖泥船在港口、内河等不同的应用领域,其工作原理基本上是相差不多。但是,就从不同的应用领域来说,挖泥船系统的性能要求是不一样的。2. 本次设计中的主要遇到了的问题在于液压阀件的选型上。由于系统给出了流量为285.75L/min(起升回路和回转回路)和85.3L/min(补油回路)的要求。故选用的阀件的允许流量需大于上述值,不仅如此,还需考虑进油、回油管路和压力管路的直径要求。但询问指导老师之后,查阅相关资料,最终都确定了所需的各类阀件。3. 本次设计过程中,对
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