高速电气化铁路自动过电分相的研究.docx
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高速电气化铁路自动过电分相的研究
接触网技术课程设计报告
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2011年3月10日
1.基本题目
1.1题目
高速电气化铁道自动过电分相的研究。
1.2题目分析
随着列车提速及高速电气化铁路的发展,自动过电分相就愈加显得重要。
因为能不能快速安全通过电分相,直接关系到列车的运行性能。
特别是对当前的高速电气化铁路,平稳安全的通过电分相是对列车高速行驶的必然要求。
因此,对于高速电气化铁路自动过电分相问题的研究就变得相当必要。
本课题针对当前高速铁路的发展以及对以往电气化铁路自动过电分相的分析研究,并对当前已有的高速电气化铁道自动过电分相的方式进行比较,得出了各自的优缺点,并提出改进方案。
2.现有高速电气化铁道自动过电分相的研究
2.1车载断电自动转换电分相装置
2.1.1系统概要
车载断电自动转换电分相装置,是在电力机车控制室内及电分相区域安装必要的装置和设备,以至于不需要人为干预而实现电力机车自动转换的电分相装置。
车载断电自动转换电分相装置是目前世界上所出现的三种自动过的电分相形式的一种,这种装置由广州铁路(集团)公司研制成功,并且通过技术鉴定。
车载断电自动转换电分相装置包括四种设备:
(1)地面感应装置,简称地感器,它安装在电分相区域中的相应位置,能准确为电力机车进行断电过电分相提供准确的位置信息。
(2)车载感应接收装置,也称信号接收器,它是安装在电力机车上,专门用于接收地感信息的装置。
(3)主电路设备,它是实现过电分相时断开、分合主电路电源的主体设备。
(4)控制设备,它是实现自动化及智能化的主体设备。
2.1.2车载断电自动转换电分相装置的工作原理
1)地面感应器
本系统采用在轨道上埋设磁性感应器的方式对分相区间进行定位,地感器采用三点交错定位,其布置如图1所示,其中图(a)为单线区段地面感应器布置图;图(b)为复线区段地面感应器平面布置图。
(a)单线路区段地面感应器的埋设方式
复线路区段地面感应器的埋设方式
图1地面感应器的定位
1#地面感应器是机车过电分相的预备信号(单线反向时4#地面感应器),当机车接收到该信号时,控制装置根据即时时速计算延时动作时间,一直延时到执行自动过电分相的系列动作。
2#地面感应器是过电分相时的即时断电信号,同时也是机车反向运行时的恢复信号,为了防止没有接收到过电分相的预备信号,它还起到应有的保护作用。
当机车收到该信号时,控制装置立即执行自动过电分相的全部动作。
3#地面感应器是机车通过电分相后的自动恢复信号,同时是机车反向运行时的立即断电信号。
当机车上感应器接收到该信号时,控制装置自动执行合主断路器、合辅机等系列动作。
其中,以机车运行方向为基准(以单线为例说明),1#、3#地面感应器埋设在轨道右侧,2#、4#地面感应器埋设在轨道左侧;1#、2#地面感应器相距70m,2#地面感应器与分相区首段相距45m,3#、4#地面感应器的分布类似1#、2#地面感应器的分布,如图1所示。
1#地面感应器是车载断电自动转换过电分相系统的延时断电信号发生器(即反方向4#地面感应器),当机车感应器接收到该信号时,控制装置根据即时速度,计算延时时间,继而执行自动过电分相的系列动作。
该设计考虑到最大运行速度为160km/h,而控制装置在执行断开主断路器前,指令劈相机和各辅机的顺序动作时间为1.5s,据此确定1#地面感应器与2#地面感应器距离为:
160×1000×1.5÷3600=66.7(m)。
为了保证当机车感应器可靠接收到1#地面感应器的信号后,在接收到2#地面感应器信号前,控制装置可靠分断主断路器,应选择1#、2#地面感应器相距70m。
2#地面感应器是车载过电分相系统的立即断电信号发生器(或机车反方向运行时的恢复信号,即反方向3#地面感应器)。
当机车感应器接收到信号时,控制装置立即同时执行自动过电分相的全部动作,考虑到主断路器的可靠分断及装置本身继电器的动作时间,控制装置设计的“主断分”脉冲宽度为1.0s,从而可以确定出2#地面感应器距分相区首端距离为:
160×1000×1.0÷3600=44.4(m)。
为了保证当机车感应器可靠接收到2#地面感应器的信号后,控制装置在分相区前可靠分断主断路器,应正确选择2#地面感应器与分相区的首端距离。
3#地面感应器是车载过电分相系统通过分相区后的自动恢复信号发生器(或机车反方向运行时的立即断电信号,即反方向2#地面感应器),当机车感应器接收到该信号时,控制装置自动执行合主断、合辅机等系列动作。
4#地面感应器是车载过电分相系统反方向运行时的延时断电信号。
1#、2#、3#、4#地面感应器采用的为永久性磁性体。
通过综合磁铁性能、价格和系统可靠性等方面的因素,选用了钕铁硼永磁铁型号为GLRM-30,它是一块强磁性钕铁硼材料的永磁铁,体积为150mm×150mm×60mm,其性能指标如下:
·密度7.4g/cm3;
·硬度550HV;
·抗压强度800MPa;
·最大磁能积(BHmax)230KT/m3;
·剩余磁感应强度BR1.1T。
这种装置方法的优点是安全可靠,既能保证信息准确,又具有安全防范的效果。
2)车载感应接收器
车载感应接收器主要用于接收地面感应器的信号。
为便于控制,地面感应器采用三点式布置,这就要求车上感应器必须分别安装在机车的两侧。
4个车载感应器分别固定在Ⅰ、Ⅱ端排障器下方两侧,感应信号采用屏蔽线直接送入控制盒。
在机车以前进方向为基准方向时,2#、4#车载感应接收装置应能最早接收到1#地面感应器的信号,这个信号是预备信号,控制装置自动启动、计算延时等一系列动作。
在机车继续前进时,1#、3#车载感应器应能先后接收到3#地面感应器的信号,此时,控制装置应无条件执行断电过电分相的一系列动作。
另外,反向运行时,动作过程类似。
3)控制装置
控制装置通过航空插座与机车的控制电路、速度信号和感应接收信号接通。
各点的信号经过控制装置的各路信号调理电路调整,再通过可编程控制器进行信息处理。
在控制装置中,处理较多的是感应接收信息和速度信息,要求控制装置应准确接收分相区地面感应器的信号以及运行速度信号,以计算断电、延时时间,因此也严格要求控制装置本身的可靠性高,工作时不得对机车控制电路的运行产生影响。
控制装置获取各种信号的方法是将各检测点的信号和控制信号引入控制装置的接线端子。
控制装置的主要功能是根据机车的运行方向、机车运行速度、主断路器的工作状态及机车运行位置进行自动控制机车通过分相区间。
在控制装置的工作期间,当机车在非分相区运行时,司机可按照正常操作程序进行操作,当机车接近分相区间时,可由装置自动控制通过分相区,也可由司机手动控制通过,无需进行人为转换。
车载断电自动转换过电分相系统的一个重要组成部分是分布在每个分相点的地面感应器。
装置通过地面感应器接收到的分布在分相点轨道两边的地面感应器信号,来判断是临近分相点还是已经过了分相点,并发出相应的控制信号。
为了保证车载断电自动转换过电分相控制装置的正常工作,机车的合主断路器信号会使控制装置初始化,并使各状态标志位为等待过电分相点的状态。
2.1.3系统特点
实践和实验均证明,车载断电自动转换过电分相装置具有良好的工作性能,能可靠地执行一系列过电分相的操作,同时具有下述特点:
(1)该系统采用PLC作为控制单元,除完成自动过电分相的控制功能以外,还可以记录并储存若干信息,包括自动分合主断路器时,机车的通过速度、主断路器的分合时间、前后弓的升降状态、1#~4#车载感应器接收1#~4#地面感应器信号的情况、机车Ⅰ端(或Ⅱ端)是向“前”位还是向“后”位等信息。
(2)PLC存储的数据可在DOS状态下进行转储,并可在DOS或Windows状态下生成的报表以16进制表示状态意义,在Windows状态下生成的报表则一目了然,对自动过电分相时从接收到执行完成各环节是否正常具有重要的参考意义。
(3)地面感应器和车载感应接收器应采用多套冗余控制模式,通过根据速度计算断电和强迫断电相结合,以确保自动过电分相安全可靠。
车载控制装置执行机构与PLC集中放置在控制盒里,安装较简单,所占空间小,维修保养方便。
车载感应接收器采用屏蔽线直接接入控制盒,避免了电磁干扰。
(4)进入自动过电分相区域时采用短暂蜂鸣提示,速度小于或大于5km/h时采用不同颜色灯来提示,自动过电分相装置故障采用蜂鸣和闪红灯长时间提示,确保自动过电分相时给司机的提示直观明显,又不至于对司机造成太大的干扰。
(5)控制装置具有自检功能,每自动过完一次电分相区,装置本事自行检查一次,检查是否有故障,确保下一个分相区准确可靠地自动过电分相。
(6)车载自动过电分相系统在每一种原件选型方面都进行了细致的研究,充分利用冗余量,与机车电气联结尽量简单明了,不对机车控制回路产生任何不良影响,保留了原有手动过电分相的功能;当自动过电分相失效时,可转为手动操作过电分相。
2.2地面电分相自动转换装置
2.2.1系统组成
该系统是采用地面开关组成的自动转换装置,工作原理如图2所示。
图2地面自动转换电分相装置工作原理图
地面过电分相自动转换装置设在锚段关节的分相区,在锚段关节的分相区处嵌入一个中性段,其两端分别由空气绝缘器间隙1JY、1JY与两相绝缘网绝缘。
两台真空负荷开关1ZK、2ZK分别跨接在1JY、1JY上,使绝缘网两相能通过1ZK及2ZK分别向中性段供电;在线路边设置四台机车位置传感器1CG、2CG、3CG、4CG。
无车通过时两台真空负荷开关均断开,中性段无电。
当机车从A相驶来,到1CG处时,真空负荷开关1ZK闭合,中性段接触网由A相供电,待机车进入中性段,到3CG处时,1ZK分断,2ZK随即迅速闭合,完成中性段供电的换相交换。
由于此时中性段已由B相供电,机车可以在不用任何附加操纵、负荷基本不变的条件下通过电分相区段,带机车驶离4CG处后,2ZK分断,装置回零,各项设备恢复到无机车通过时的状态。
当反向来车时,由控制系统自动识别,控制两台真空负荷开关以相反顺序轮流断开与闭合。
2.2.2工作原理
该系统的关键技术,是在硬件设备上要研制出长寿命的真空负荷开关,从相间转换上要采用可靠的逻辑控制系统,从软件技术上则要解决变电所、电力机车和自动转换装置之间的兼容配合问题。
1)真空负荷开关
真空负荷开关是该系统的关键设备,它的任务是每当机车通过电分相区段时迅速地完成对机车供电相位的切换,它不同于真空断路器,也不同于V停反行用的真空负荷线路开关,它所运用的特殊性决定了对它运用的特殊要求。
①为压缩开关切换过程中的瞬间断电时间,减轻对机车的机电冲动,在大波距的情况下,要求其分合闸速度快并有较高的响应速度;
②要求据有较强的机械和电气寿命。
由于需要频繁动作,要求其工作寿命长,且抗震动。
新型真空负荷开关,在真空灭弧室中选用了大口径、大波距的冲压型波纹管,并采用预拉伸装置技术,以减小波纹管大为面积的形变,提高其使用寿命。
还采用了新型高压消汽剂和可阀焊封装等新技术、新工艺,在开关整体装配设计上加强减震环节,开关机构采用既简单又实用的电磁合拍式。
由于采取了一系列有效的技术措施,使开关的机械和电气寿命超过6万次。
真空负荷开关的主要技术参数如下:
·额定工作电压27.5kV(工频有效值);
·工频耐压95kV,持续1min(断口间及本地对地);
·额定关合电压流20kA;
·额定工作电流1000kA;
·合闸时间不大于70ms;
·分闸时间不大于40ms;
·冲击耐压185kV(1.5/40μS全波);
·电气寿命大于5万次;
·机械寿命大于5万次;
·安装形式小车式、带固定锁。
2)控制系统
转换装置控制系统是实现对各执行部件精确可靠的自动控制和状态监视,系统控制原理如图3所示。
该系统据有如下功能:
①有足够的逻辑运算及控制功能,以实现装置运行的自动化;
②能自动检出装置运行中出现的各种故障并分类报警,便于查找排除;
③有较高的响应速度,以压缩开关切换时的瞬间断电时间;
④有较强的抗干扰性能,能在强电磁干扰条件下可靠工作;
⑤能适应长时间无间歇的连续工作。
控制装置采用了以可编程序控制器为核心的控制系统。
可编程控制器是以微处理器为核心的机电一体化的自动控制装置,它把计算机技术、控制技术和通信技术融为一体,它与被控制设备的连接适应性好,采用简明的逻辑语言,具有很强的抗干扰能力,适用于工业控制的工业环境,功能强、性能优。
同时,再加上机车位置传感器、输入信号隔离、输出驱动、电源、显示、报警、试验等部分,组成装置的控制系统,使系统工作更加稳定、可靠。
机车位置传感器是设置在电分相处的信号装置,它要为机车提供准确的位置信息,对于电分相自动转换装置而言,对机车位置的准确判断是系统成功转换的关键。
我们选用的机车位置传感器,应能在电气化区段与其他闭塞信号轨道电路叠加使用,互不干扰,并且每台为两套电路双机热备用,以满足系统无故障连续运行的要求。
电动断电标是报警环节的一部分,它的“新”标及“准备断电”标均有互成90°的两个位置,即显示位和非显示位。
当装置正常运行时,它处于非显示位,司机不断电带负荷过电分相;当装置因故障检修撤出运行时,它自动转到显示位,提示司机按断电过电分相操作。
图3控制系统原理图
2.2.3系统软件特点
①选用可编程控制器作为控制系统的核心部件,使系统可靠工作;
②将输出指令和执行结果的反馈信号随时比较,进行闭环监控;
③对连接在两相上的真空负荷开关的合闸命令采用软件和硬件的双重连锁,以确保不出现两相同合的敌对状态;
④程序设计注重功能及优化,使之既能满足监控要求,又尽可能压缩程序扫描时间;
⑤利用加强型程序控制器的高速输入端,提高关键信号的响应速度;
⑥采用硬件隔离和软件识别双重措施进一步提高抗干扰能力。
2.3.柱上式网上断载自动过电分相装置
柱上式网上断载自动过电分相装置,是三种自动转换过电分相装置的一种模式。
它的特点是其自动转换过电分相的设备在支柱上;其次在过电分相的瞬间,对电力机车实行断电;另外是设备简单,节省地面空间,且减少维护费用。
网上断载自动过电分相装置,是在接触网的电分相中性区域安装相应实现自动过电分相的装置设备,实现在无人为干扰的情况下,机车自动通过电分相区域。
其基本原理如图4。
图4网上断载自动过电分相装置示意图
图4中L1、L2为磁控线包,K1、K2为真空灭弧室,MDA为过电压吸收器,x—y段为中性段绝缘滑道,2、3为两个分段绝缘器。
假使机车由左至右行驶,由A相驶入,依次经过ab、cd、xy、ef、gh各区段,进入B相。
当机车行驶到1—2的位置,即进入线包受流区时,机车通过磁控线包L1受流,真空灭弧室K1合闸,2—x区段带电。
当机车驶过2以后,离开了控制线包受流区,进入K1供电的分短区,真空灭弧室分闸,机车断载。
此时机车不带电通过2—3之间的电分相x—y主绝缘区。
通过了3以后,机车通过B相的受流线包L2得到B相的电流,经过4以后,由B相供电。
机车反方向行驶时,同理,依次由B相过渡到A相。
2.3.1过渡过程中的过电压
在网上断载自动转换过电分相的系统中,过电压的出现有两种不同的类型:
一是载流过电压,二是重燃过电压。
在高压供电电路中产生载流过电压是必然的,但高压防护的常规技术及设施也比较成熟,大多采用的是过电压出现后用RC回路活氧化锌能量吸收装置。
该装置中采用了在电流零点上截流的方法,通过改善过电压的变化率或降低峰值的方法以使过电压得到缓解。
上述设计中,把电磁控制回路能量的释放确定在一个恒定的时间范围内,用设定几何结构的分段绝缘器进行配合,与分合时间为20~25ms的开关主回路进行组合。
通过对电力机车受电弓受流滑板的滑动调节,形成一个电磁系统控制能量负反馈回路,同步与跟踪主回路电流过零点的封闭反馈网络,由网络自身的负反馈使装置精确的截流在电流的过零点上。
由于实现了电流过零开断,因此截流值趋向于零,克服了过电压的产生,同时也解决了重燃过电压的产生。
2.3.2涌流的限制
在网上断载自动过电分相装置的自动切换换向中,瞬间失电是不可避免的,而失电后另一相加电时,电力机车的涌流很大。
根据资料,日本制式的自动过电分相装置,其涌流值可达到正常工作电流的6~7倍,易造成电力机车主断路器和牵引变电所的跳闸。
在该装置的设计中加强了L1和L2的阻抗作用,使涌流得到了大幅度的限制。
经过实测和实验证明,涌流峰值在电力机车主变压器原边为正常工作电流的1.84~2.57倍,即在280~360A之间,没有超过400A的保护整定值。
而机车辅机电路的涌流值为正常工作电流的2.5~3.75倍,即在1160~2100A之间,也没有超过2800A的保护整定值。
为保护机车在过渡过程中有充分余量保障不跳闸,根据涌流时间短的特点,把机车主变电器过流保护与辅机电路过流保护,在电流整定值不变的的前提下,把原来快速灵敏的功能改为0.2s(机车主变压器过流保护)和0.4s(辅机电路过度保护)的延迟型保护,使机车保护回路延时问题得到了妥善解决。
2.3.3装置的机械﹑电气寿命的技术保障措施
1)机械寿命的技术保障
从工作原理图中可以看出,控制开关是一种特殊的结构,控制回路与灭弧室主回路都处在同一电位上,工作时控制回路直接串联在供电电路之内,由供电电流直接提供电磁能量控制主回路分合闸。
这一特殊形式就有一个重要的问题要解决,即每个电力机车的牵引电流变化很大,一般从几十安到250安之间,电流小了电磁力不足,电流过大了,装置的电磁吸合冲击力过大,对机械寿命影响很大。
该装置采用了利用电磁饱和来恒定电磁吸合范围的设计方法,在牵引电流达到30A时可具备正常的工作能力。
当牵引电流大于40A时,该装置进入饱和状态,保证电磁力恒定,这种设计方法实现了尽管电流有大范围的变化,但是电磁吸合力在恒定许可的范围内,保障了机械结构的可靠性。
2)电气寿命的技术保障
(1)从工作原理中可以看出,控制回路与主回路实现了等电位设计,避免了主电路高压对控制回路的绝缘冲击,降低了对控制回路电磁线包的绝缘要求。
(2)从原理图中可以看出,装置合闸时,真空灭弧室是空载无电流的,防止了合闸弹跳电弧烧损触头本身的问题,真空灭弧室只承担了分断电流的任务。
(3)该装置采用的是瞬时工作制,实现大冗余量的设计手段,在无机车通过时装置处于无任何电流的状态。
在机车通过时,自动过电分相的工作过程不到1s,而主回路真空灭弧室从受流到截流时间在20ms以内。
装置采用的真空灭弧室热稳定参数为4s﹑4kA,电力机车单机网测电流不会超过300A,可见电分相装置在工作时功率余量是很大的。
在工作时间为1s以内的瞬时工作制电路中,电热元件的功率余量可以扩大为额定时工作容量的10~12倍进行衡量,额定电流为400A,灭弧室可扩大为4kV以上。
2.3.4网上断载过电分相装置的适用范围及特点
(1)适应全天候和海拔2500m以下的电气化铁路。
(2)适应大坡度2%以下重载列车的上下坡运行,并能适应单机双机或三机各种牵引方式。
(3)装置能适应根据要求局部改造的各类电力机车,并能运行于常速重载线路。
(4)整体装置安装在支柱上,具有良好的安全防范效果,同时无需征用土地建房和配备值班人员,有利于降低投资和推广使用。
(5)装置的机械寿命和电气寿命均为10万次。
(6)装置结构简单,使用方便,维修简易。
2.4三种自动过电分相方式的比较
2.4.1车载断电自动转换电分相装置的优越性、实用性和待完善的问题
(1)采用自动过电分相代替传统的手动操作过电分相,较大地减轻了乘务员的劳动强度,能有效地避免由于乘务员疏忽、操作不当而引起的烧电分相绝缘器、变电所跳闸而中断供电等事故以及由此造成的经济损失。
(2)地面感应器采用免维护的材料,基本上可以达到一劳永逸,不仅提高了地面感应器的安全可靠性,还可以大大降低成本。
(3)在高速运行区段,自动过电分相更是显示出了其强大的优越性,不但避免了乘务员对过电分相的频繁操作,而且使过电分相区提高了安全度,并较大地减少了速度损失。
车载断电自动过电分相系统,从总体上讲是技术先进、设计合理、结构紧凑的一种较为理想的方案和系统,但从高速度、大坡道及更广泛的意义讲,也有不完善的地方及需要改进地方。
总结为以下几个方面:
(1)断电区较长,有一定速度损失,按目前的控制模式,用来使主断路器强迫断开和合闸所用的地面感应器距分相区还有45m,所以在大坡道低速行驶时,自动过电分相断电和合闸相距时间较长,机车速度损失多大,这种情况尚需完善改进。
拟根据接收到的不同地面感应器信号时的通过速度、升前弓和升后弓、接收感应器所处位置进行精确计算断电和合电。
如断主断路器时受电弓离分相绝缘器距离为10~15m;合主断路器时受电弓离分相绝缘器距离为20m左右,较大程度地减少了速度损失和断电距离。
(2)该系统是与机车其他控制系统分开的、独立的自动过电分相控制系统,虽在检修和运用方面具有较强的独立性,但也存在两个控制系统并存的资源上的浪费。
(3)若用于高速电气化铁路,有些电路还需进一步优化,并在高速线路上做相应的运行试验。
2.4.2地面电分相自动转换装置与供电设备、机车的兼容问题
地面型电分相自动转换装置的工作原理,就是将电力机车这一复杂的大功率负荷,在瞬间进行换相的前提下,实现带负荷转换。
这种带负载的切换势必产生较大的过渡过程,这对机车电气设备、供电系统电气设备及其运行安全危害极大。
因此,如何降低合闸电压时完善和提高该系统工作性能的方向,其有效手段就是选择合闸相位,使其电冲击达到最小。
通过研究、试验,研制成功了智能选项开关。
智能选相开关的研制成功不仅可以解决地面型电分相自动转换装置的过电压问题,并使该装置与相关设备的兼容问题圆满解决。
2.4.3柱上式网上断载自动过电分相装置改进与优化
(1)柱上式网上断载自动过电分相装置是一种结构简单的自动电分相方式,在实现消除截流过电压和重燃过电压时,是采用电流零点上截流的方法,在电磁控制回路能量释放研究方面,还需完善及优化,以消除明显的电弧及火花现象。
(2)在换相加电过程中,涌流的限制同样是一个待研究的问题,应合理确定L1和L2的阻抗作用。
(3)该设备目前只能满足100km/h的运行要求,为适应高速电气化铁路的需要,适应更高速度的运行要求,还需解决许多技术问题。
3.结论与体会
在本次设计过程中,经常会遇到这样那样的情况,我懂得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强,由于课本上的知识太多,平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能,而且考试内容有限,所以在这次课程设计过程中,我了解了很关于机车自动过电分相的原理和功能,并且对于其在实际运用中的生产实际有了更多的认识。
平时看课本时,有时问题老是弄不懂,做完课程设计,那些问题就迎刃而解了。
而且还可以记住很多东西。
认识来源于实践,实践是认识的动力和最终目的,实践是检验真理的唯一标准。
所以这个期末测试之后的课程设计对我们的作用是非常大的。
本次课程设计,说真的,要真正让我们研究一个机车自动过电分相的装置那确实难度相当大,基本上算是不可能。
但是我们没有放弃。
不能研究出一个可靠的方案,但是在学习前辈的经验过程中,借鉴他们的经验和路程,我们可以很好的掌握机车过电分相的原理,为今后的学习和发展打下基础,这一点是相当重要的。
经过一个星期的实习,过程曲折可谓一语难尽。
在此期间我们也失落过,也曾一度热情高涨。
从开始时满富盛激情到最后汗水背后的复杂心情,点点滴滴无不令我回味无长。
生活就是这样,汗水预示着结果也见证着收获。
劳动是人类生存生活永恒不变的话题。
通过实习,我才真正领略到“艰苦奋
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