液压剪切机设计.docx
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液压剪切机设计
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液压剪切机设计
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本套设计有全套图纸,有意者联系,522192623@
第一章绪论
1.1剪切机的类型、特点及选型
用于对轧件进行切头,切尾或剪切成规定尺寸(定尺)的机械称为剪切机。
根据剪切机刀片形状,配置以及剪切方式等特点,剪切机可分为平行刀片剪切机,斜刀片剪切机,圆盘式剪切机和飞剪机。
按驱动力来分,可分为电动和液压两类剪切机。
平行刀片剪切机:
两个刀片彼此平行。
用于横向热剪初轧坯(方坯,板坯)和其它方形和矩形断面的钢坯,故又称为钢坯剪切机。
有时,也用两个成型刀片来冷轧管坯及小型圆钢等。
斜刀片剪切机:
两个刀片中有一个刀片相对于另一刀片是成某一角度倾斜布置的,一般是上刀片倾斜,其倾斜角为1°~6°。
它用来横向冷剪或热剪钢板,带钢,薄板坯,故又称为钢板剪切机。
有时,也用于剪切成束的小型钢材。
圆盘式剪切机:
两个刀片均成圆盘状。
用来纵向剪切运动中的钢板(带钢)的边,或将钢板(带钢)剪成窄条。
一般均布置在连续式钢板轧机的纵切机组的作业线上。
飞剪机;剪切机刀片在剪切轧件时跟随轧件一起运动。
用来横向剪切运动中的轧件(钢坯,钢板,带钢和小型型材,线材等),一般安装在连续式轧机的轧制线上或横切机组作业线上。
平行刀片剪切机
根据剪切轧件时刀片的运动特点,平行刀片剪切机可分为上切式和下切式两大类。
1.上切式平行刀片剪切机
这种剪切机的特点实际下刀固定不动,上刀则是上下运动的。
剪切轧件的动作由上刀来完成,其剪切机构由最简单的曲柄连杆机构组成。
除了剪切机本体之外,一般还配有定尺机构,切头收集与输送装置等。
由于下刀固定不动,为使剪切工作顺利进行,剪切的轧件厚度大于30~60mm时,需在剪切机后装设摆动台或摆动辊道,其本身无驱动装置。
剪切时,上刀压着轧件下降,迫使摆动台也下降。
当剪切完毕,上刀上升时,摆动台在其平衡装置作用下也回升至原始位置。
此类剪切机由于结构简单,广泛用于剪切中小型钢坯。
此外,随着快速换刀的生产需要,也出现了能快速换刀的上切式平行刀片剪切机,用来剪切初轧钢坯和轧板。
当然,其设备重量会有较大的增加,结构也稍复杂些。
2.下切式平行刀片剪切机
这种剪切机的特点是:
上下刀都运动,但剪切轧件的动作由下刀来完成,剪切时上刀不运动。
由于剪切时下刀台将轧件抬离辊道,故在剪切机后不设摆动台,而且这种剪切机的机架不承受剪切力。
由于上述两个特点,下切式平行刀片剪切机普遍用来剪切中型和大型钢坯和板坯,以减轻整个剪切机组的设备重量。
第二章液压剪切机的设计计算
设计参数
剪切机型式:
油压小车移动式
被剪钢坯断面尺寸:
□180×180mm×mm
□165×225mm×mm
代表钢种:
Q235-A27SiMn
剪切温度:
≥750℃
拉坯速度:
2m/min
剪切小车及横移辊道重量:
17.8T
钢坯定尺长度:
2.5m
2.1剪切机结构参数的确定
2.1.1刀片行程
刀片计算公式
H=h+f+q1+q2+s(2-1)
式中:
H—刀片行程(指刀片的最大行程);
h—被切钢坯的断面高度,这里取h=180mm;
f—是为了保证钢坯有一些翘头时,仍能通过剪切机的必要储备,通常50~75,这里取60;
q1—为了避免上刀片受钢坯冲撞,而使压板低于上刀的距离,q1=5~50mm,
取q1=20mm;
s—上下刀片的重叠量,取s=5~20mm,这里取s=10;
q2—下刀低于辊道表面的距离,q2=5~20mm,这里取q2=20;
故有:
H=180+60+20+20+20=300mm
刀片行程关系如图2-1所示
图2-1平行刀片剪切机刀片行程
1-上刀;2-下刀;3-轧件;4-压板
2.1.2刀片尺寸的确定
刀刃长度
因为所设计的方坯剪切机,且属于中型剪切机(P=2.5~8.0),所以剪刃长度按如下公式计算:
L=(2~2.5)bmax (2-2)
式中:
L—刀刃长度,mm;
bmax—被切钢坯横断面的最大宽度,mm;取bmax=225mm;
则:
L=(2~2.5)bmax=(2~2.5)×225=450~562.5mm,取L=500mm
刀片断面高度及宽度
h′=(0.65~1.5)h(2-3)
b′=h′/(2.5~3)(2-4)
式中:
h′—刀片断面高度,mm;
h—被切钢坯断面高度,mm;
b′—刀片断面高度,mm;
由钢坯断面尺寸:
□180×180mm×mm
□165×225mm×mm
则:
h′=(0.65~1.5)h=(0.65~1.5)×180=117~270mm,取h′=210mm
b′=h′/(2.5~3)=70~84mm;取b′=70mm
最后根据表8-2(《轧钢机械》(第三版)P259)
剪切刀片的尺寸最后确定为
b′×h′×L=70×210×800
由(表8-2)确定的热钢坯剪切机基本参数。
如下表:
表2-1热轧剪切机基本参数
2.1.3剪切机理论空行程次数
剪切机的每分钟理论空行程次数代表了剪切机的生产率。
理论空行程次数的提高受到电动机功率和剪切机结构形式的限制。
理论剪切次数是指每分钟内剪刃能够不间断的上下运动的周期次数。
因此,实际剪切次数小于理论空行程次数。
依据设计要求和《轧钢机械》(第三版)P259表8-2,选择理论空行程次数为:
12~16次/min。
2.2剪切机能力参数计算
2.2.1剪切过程分析
轧件的整个剪切过程可氛围两个阶段,即刀片压入金属与金属滑移。
压入阶段作用在轧件的力,如图2-2所示。
图2-2轧件的剪切过程
当刀片压入金属时,上下刀片对轧件的作用力P组成力矩Pa,此力矩是轧件沿图方向转动,而上下刀片侧面对轧件的作用力T组成的力矩Tc将力图阻止轧件的转动,随着刀片的逐渐压入,轧件转动角度不断增大,当转过一个角度γ后便停止转动,此时力矩平衡,即Pa=Tc。
轧件停止转动后,刀片压入达到一定深度时,为克服了剪切面上金属的剪切阻力,此时,剪切过程由压入阶段过渡到滑移阶段,金属沿剪切面开始滑移,直到剪断为止。
2.2.2平行刀片剪切机的剪切力与剪切功
剪切公称能力的确定
剪切机的力能参数包括剪切力和电机功率。
剪切力是剪切机的主要参数,驱动剪切机的电机功率及剪切机主要零件尺寸的确定,完全使用或充分发挥剪切机的能力都与剪切力有关。
在设计剪切机时,首先要根据所剪轧件最大断面尺寸来确定剪切机公称能力,它是根据计算的最大剪切力并参照有关标准和资料来确定的。
1).当轧件材料为Q235-A时
最大剪切力为:
Pmax=K·τmax·Fmax(2-5)
式中:
Fmax—被剪轧件最大的原始断面面积,mm
τmax—被剪轧件材料在相应剪切温度下最大的单位剪切阻力,MPa根据图8-7.a(《轧钢机械》),取τmax=100MPa;
考虑由于刀刃磨钝、刀片间隙增大而使剪切力提高的系数,其数值根据剪切机能力选择,中型剪切机,K=1.2。
按钢坯断面尺寸:
□180×180mm×mm
Fmax=180×180=32400mm2
按钢坯断面尺寸:
□165×225mm×mm
Fmax=165×225=37125mm2
故:
Pmax=K·τmax·Fmax=1.2×100×165×225=3.89MN
2)当轧件材料为27SiMn时
因为该剪切材料无单位剪切阻力实验数据,所以最大剪切力为:
Pmax=0.6K·σbt·Fmax(2-6)
式中:
K—同轧件材料Q235-A一样,K=1.2;
σbt—被剪轧件材料在相应剪切温度下的强度极限,MPa,根据表8-4(《轧钢机械》),取σbt=200MPa;
Fmax—轧件最大的原始断面面积,mm2,根据上述1)中计算可知,
Pmax=0.6×1.2×200×165×225=5.35MN
综合以上计算结果,并考虑到今后剪切轧件品种的扩大,且结合我国国标所规定的系列标准,将剪切机公称剪切力确定为6.3MN。
而实际工程中,考虑到我们设计结构的要求,确定为5.0MN,相当于500T液压键切机。
剪切功的计算
根据剪切功可以近似而方便的计算出键切机功率。
剪切功与剪切力和刀片行程有关,当不考虑刀片磨钝等因素时,可按以下公式计算:
A=Pmax·h(2-7)
式中:
剪切功,N·m
h—钢坯厚度,m
Pmax—最大剪切力,N
则:
A=Pmax·h=5.35×180×1000=963000N·m
第三章液压传动系统的设计与计算
液压系统是液压机械的一个组成部分,液压系统的设计要同主机的总体设计同时进行。
着手设计时,必须从实际情况出发,有机地结合各种传动形式,充分发挥液压传动的优点,力求设计出结构简单、工作可靠、成本低、效率高、操作简单、维修方便的液压传动系统。
3.1液压系统的设计步骤与设计要求
3.1.1设计要求
设计要求是进行每项工程设计的依据。
在制定基本方案并进一步着手液压系统各部分的设计之前,必须把设计要求以及与该设计内容有关的其他方面了解清楚。
1)剪体结构比较简单,最大的剪切力受工作液体压力限制,且要能够保证不致过载和损坏。
2)液压剪切机工作循环:
上刀下降,锁紧小车右移下刀上升,剪切钢坯下刀下降(快退)上刀升起小车左移(快退)。
3)剪切运动要平稳,为使机构具有所要求的精确运动,需要依靠上下刀台的平稳和附加的约束来获得,这均需由液压系统来控制。
3.1.2设计参数
剪切机型式:
油压小车移动式
被剪钢坯断面尺寸:
□180×180mm×mm
□165×225mm×mm
代表钢种:
Q235-A27SiMn
剪切温度:
≥750℃
拉坯速度:
2m/min
剪切小车及横移辊道重量:
17.8T
钢坯定尺长度:
2.5m
3.2进行工况分析,确定液压系统的主要参数
3.2.1液压缸的载荷计算
如图3-1表示一个液压缸简图。
各有关系数标注图上,其中FW是作用在活塞杆上的外部载荷,Fm是活塞与缸壁以及活塞杆与导向套之间的密封阻力。
作用在活塞杆上的外载荷包括工作载荷Fg,导轨的摩擦力Ff,由于速度变化而产生的惯性力Fa。
图3-1液压缸受力情况
剪切缸的载荷力
工矿分析:
剪切缸运动分为启动、工进、快退三个动作循环。
当剪切缸启动时,液压缸负载只有下刀台本身的重力,
Fw=G=4100N式中:
G---下刀台重量;
工进时,活塞杆承受剪切力,其外载荷是剪切力及下刀台自重。
Fw=Pmax+G=5.35×106+4100≈5.35×106N;
快退时,工作负载主要是下刀台本身重力,其值为负。
Fw=-G=-4100N。
横移缸的载荷力
横移缸在启动过程中,其外载荷主要是小车和横移辊道对导轨的摩擦力。
Fw=μsG(3-1)
式中:
μs—静摩擦系数,μs=0.15;由表3-1查的
G—小车及剪体总重,N;
表3-1摩擦系数μ
G=G1+G2+G3;
G1—小车及横移辊道重量,G1=17800N;
G2—钢坯重量,G2=7239N;
G3—剪体重量,G3=40000N;
G=G1+G2+G3=225239N;
外载荷:
Fw=μsG=33786N;
小车右移时,横移缸外载荷为小车钢坯、剪体、横移辊道的重力和剪切力对导轨产生的摩擦阻力,即车轮踏面在轨道上的滚动摩擦阻力和车轮轴承的摩擦阻力。
摩擦阻力矩:
Mn=(G+G4)(KDc/2+μd/2);(3-2)
式中:
G—辊道车,剪体,钢坯总重,G=225239N;
G4—剪切力,G4=5.35×;
K—滚动摩擦系数,K=0.01;
μ—车轮轴承摩擦系数,μ=0.004;
Dc—车轮外径,Dc=250mm;
d—轴承内径,d=70mm;
故:
Mn=(225239+5.36×)(0.05×250/2+0.003×70/2)
=7.76×N/mm
外载荷:
Fw==7.76×/125=62080N(3-3)
小车左移时,小车受剪体及横移辊道的重力对导轨产生的摩擦阻力,即车轮踏面在轨道上的滚动摩擦阻力和车轮轴承的摩擦阻力。
同上.摩擦阻力矩:
Mn=(G1+G3)(KDc/2+μd/2)
=(178000+40000)(0.01×250/2+0.004×70/2)
=303020N/mm;
外载荷:
Fw==303020/125=2424.2N。
抬升缸的负载力
抬升缸在抬升和下降过程均只受上刀台及其相连机构的自重相对于轴心向下的转矩.其最大转矩约
T=G×Sm=7800×0.18=1404N·m(3-4)
式中:
G—上刀台及其相连机构自重,G=7800N;
Sm—上刀台重心到轴心距离,约为Sm=0.18m;
故上刀台下降时,抬升缸抬升,其外载荷
Fw===3265N;(3-5)
同理,上刀台上升时,抬升缸下降,其外载荷
Fw=-=-=-3265N;
各液压缸的外载荷力计算结果列于表3-1
由公式:
活塞上载荷力F=(3-6)
―液压缸的机械效率,一般取0.90~0.95,这里取=0.95;
求得相应的作用于活塞上的载荷力,并列于表3-2
表3-2各液压缸载荷力
3.2.2初选系统的工作压力
压力的选择要根据载荷的大小和设备的类型来定,还要考虑执行元件的装配空间、经济条件及元件供应情况等的限制。
在载荷一定的情况下,工作压力低,势必要加大执行元件的结构尺寸,对某些元件的结构尺寸,对某些设备来说,尺寸要受到限制,从材料消耗角度看也不经济,反之,压力选得太高,对泵、缸、阀等元件的材质、密封、制造精度也要求很高,必须要提高设备成本。
一般来说,对于固定的尺寸不太受限制的设备,压力可以选的低一些。
具体选择可参考下表3-3和表3-4
表3-3按载荷选择工作压力
表3-4各种机械常用的系统工作压力
500T液压剪切机属中型剪切机,其剪切缸最大载荷达5.63MN。
剪切系统为高压系统,依据上述表格初步确定系统工作压力为21MPa。
横移缸最大负载65347N,抬升缸3437N,均为低压系统。
初步确定系统工作压力为6.3Mpa。
(参考文献《机械设计手册单行本液压传动与控制》表3—2及表3—3)(参考文献《机械设计手册》表19-6-3)
3.2.3计算液压缸的主要结构尺寸
剪切缸
剪切缸最大载荷时,为剪切缸剪切工作状态,其载荷力为F=5.63×106N
参考文献《机械设计手册》。
缸筒内径:
(3-7)
式中:
D—缸筒内径
F—最大载荷力,F=5.63×106N
—活塞杆径比,依据下表选=0.7
P1—供油压力,取21MPa
P2—回油背压,依据下表选P2=1MPa
表3-5按工作压力选取径比参考表
表3-6执行元件背压力选择参考表
本表摘自《机械设计手册单行本液压传动与控制》表23.4-5及23.4-4
故有:
取D=600mm
活塞杆直径:
d=0.7D=420mm,取标准值d=500mm
则液压缸有效面积(3-8)
(3-9)
液压缸行程L=H=300㎜.
式中:
H—刀片行程,H=300㎜;
活塞杆强度校核
(3-10)
式中:
Fmax—活塞杆所受的最大载荷,Fmax=5.63×106;
d—活塞杆直径,d=420mm。
所以有:
活塞杆材料为碳钢故=100~120MPa
∴强度符合,校核完毕。
横移缸
当横移缸右移时,在其启动时负载最大,F=65347N,此时,横移缸受拉
由上述的公式可得下式:
(3-11)
式中:
—活塞杆的径比,=0.65;
—供油压力,=6.3MPa;
—回油背压,=0.5MPa。
则:
由文献《机械设计手册》取标准内径:
D=160mm,
所以活塞杆直径为d=0.65D=104mm取标准值d=110mm;
则液压缸有效面积:
活塞杆强度校核
所以强度符合要求,校核完毕。
抬升缸
当抬升缸抬升时,其负载F=3628N,此时,活塞杆受压
式中:
—活塞杆的径比,=0.65;
—供油压力,=6.3MPa;
—回油背压,=0.5MPa。
则:
0.027m=27㎜
由文献《机械设计手册》,取标准内径D=32mm,
活塞杆直径为d=0.65D=19.8mm取标准值d=20㎜
则液压缸有效面积
活塞杆强度校核
所以强度符合要求,校核完毕。
3.2.4.计算各工况所需时间及速度
剪切钢坯工作循环周期
T==1.25min
式中:
2.5m—钢坯定尺长度
2m/min—拉坯速度.
故剪切工作全过程应在1.25min之内完成。
由钢坯接触定尺装置触球为剪切周期开始,横移缸,抬升缸开始动作,抬升缸抵达指定位置后剪切缸动作,剪断钢坯即剪切缸触发行程开关上触点,为剪切缸,抬升缸,横移缸反向行程开始时间。
待各缸全部退回,剪切一周期结束,等待下一周期开始,依次循环。
由小车行程约800mm,即0.8m,得
t==0.4min=24s
即在t=24s时剪断钢坯。
抬升缸:
抬升缸抬升即上刀台下降时间约取t1=5s
v1===5.4m/min
抬升缸下降即上刀台上升时间约取t2=3s
v2===9m/min
式中:
L=450m=0.45㎜,液压缸行程。
剪切缸:
抬升缸自锁后,剪切缸即开始动作。
工进时间t3=t-t1=19s
工进速度v3===0.95m/min
快退时间t4=6s
快退速度v4===1.8m/min
横移缸:
右移时间t5=24s
右移速度v5=2m/min
左移时间t6=6s
左移速度v6===8m/min
式中:
L—小车行程。
3.2.5计算液压执行元件实际所需流量
根据已经确定的液压缸的结构尺寸,可以计算出各个执行元件在各个工作阶段的实际所需流量。
表3-7各工况所需流量
3.2.6计算液压执行元件的实际工作压力
由于液压系统工作时回油路安装有背压阀,所以系统的实际工作压力需要将其考虑进去,如下表所示为各个缸的实际工作压力。
表3-8各工况工作压力
3.2.7拟定液压系统工况图
图3-1各缸位移时间图
图3-2各缸速度时间图
图3-3各液压缸的压力循环图
3.3制定液压系统基本方案和拟定液压系统图
3.3.1制定基本方案
确定剪切机液压系统的总组成及作用
用于将轧件剪切成规定尺寸的机械称为剪切机。
由液压作为主传动的剪切机叫做液压剪切机。
一个完整的液压系统由五部分组成,即动力组件、执行组件、控制组件、辅助组件和液压油。
在小方坯液压剪切机系统中都将被设计到。
剪切机动力组件的作用是将原动机的机械能转化为液体的压力能,指液压系统中的油泵,它向整个液压系统提供动力。
在本套系统中采用一个定量泵和一个变量泵供油。
执行组件(如液压缸和液压马达)的作用是将液体的压力能转化为机械能,驱动负载做直线往复运动。
小方坯液压剪切机主要采用三个执行组件,剪切缸、上刀台抬升缸和辊道小车横移缸,对于单纯且简单的直线运动机构可以采用液压缸直接驱动,由剪切机的特点决定,可采用单活塞杆液压缸,其有效工作面积大,双向不对称,往返不对称的直线运动。
剪切机控制组件(即各种液压阀)在液压系统中控制和调节液体的压力、流量、和方向。
根据控制功能的不同,其液压阀可分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。
压力控制阀又可分为溢流阀(安全阀)、减压阀、顺序阀、压力继电器等;流量控制阀包括节流阀、调整阀、分流阀、集流阀等;方向控制阀包括单向阀、液控单向阀、梭阀、换向阀等。
根据控制方式不同液压阀可分为开关式控制阀、定值控制阀和比例控制阀。
系统中将用到大部分常见的控制组件,实现系统的最优化。
系统的辅助组件包括油箱、滤油器、油管及管接头、密封圈、压力表、油位温度计等,起连接、输油、贮油、过滤、贮存压力和测量等的作用。
液压油是液压系统中传递能量的工作介质。
有各种矿物油、乳化油和合成型液压油几大类。
系统选用20号机械油。
拟定液压执行组件运动控制回路
1、剪切缸基本回路的确定
1)容积节流调速回路
容积节流调速回路一般用变量泵供油,用流量控制阀调节调节输入或输出液压执行元件的流量,并使其供油量与所需油量相适应。
液压缸慢进速度由变量泵调节,以减少功率损耗和系统发热;快退时由调速阀调节。
此种调速回路效率也较高,速度稳定性较好,但结构较复杂。
因剪切缸回程时,所受负载为负,故调速阀装在回程回油路上。
2)压力控制方案
剪切缸在剪断钢坯时剪切力突然消失,使活塞由于惯性突然前冲,引起液压冲击,故在液压缸端部安装蓄能器,吸收多余能量,减少液压冲击,实现缓冲。
此回路用变量泵供油,故在回路中设置安全阀起安全保护作用。
为减小回路中液压冲击,采用电液换向阀。
图3-4剪切缸基本回路
2、抬升缸基本回路确定
双液控单向阀锁紧回路:
由于上刀台在剪切时承受极大的载荷,为了在极大冲击下仍具有较好的剪切效果,上刀台必须具有高的位置精度,采用双液控单向阀锁紧回路。
它能在液压缸不工作时使活塞迅速平稳、可靠且长时间地被锁紧,不为向上的剪切力所移动。
当液压缸上腔不进油时液控单向阀关闭,液压缸下腔不能回油,活塞被锁紧不能下落。
但由于液控单向阀有一定泄露,因此,锁紧时间不能太长。
但因抬升缸所需锁紧时间仅为19s。
故满足要求。
图3-5抬升缸基本回路
3、横移缸基本回路的确定
为实现同步剪切运动,必须使小车移动速度与钢坯运动速度相等,这就需要用速度传感器将钢坯的运动速度与横移缸的运动速度测出,然后进行比较,将差值快速的转变为电信号传给横移缸的主控阀,使液压小车的横移速度迅速达到钢坯的运动速度,并且与它同步运动;而当剪切机将钢坯剪断后,小车有需要快速的退回,因此,有必要选用高控制精度的比例阀。
由于横移缸和抬升缸共用定量泵,且横移缸负载远大于抬升缸,要求两缸互不干扰动作,故在横移缸回路加减压阀,以控制抬升缸回路压力,达到两缸同时动作。
图3-6比例阀调速回路
制定顺序动作方案
钢坯断面接触定尺装置触球时,发出电信号,启动抬升缸和横移缸电磁铁开始动作→抬升缸完成预定动作时触发行程开关,关闭抬升缸电磁铁,使抬升缸自锁,并启动剪切缸电磁铁使其动作→当剪切缸剪切钢坯完毕,刀片移动到上行程时,通过上行程开关发出电信号,使剪切缸,抬升缸和横移缸均反向动作→剪切缸触发下行程开关时,停止动作→横移缸触发左侧行程开关时,停止动作→抬升缸触发行程开关时,停止动作→等待下一周期运行。
液压源的选择
剪切缸承受负载压力大,属于高压系统,。
而柱塞泵的柱塞与缸体内孔均为圆柱表面,易得到高精度的配合,可在高压下工作,故选用柱塞泵。
横移缸和抬升缸所承受负载不是很大,属于中压系统,可使用定量叶片泵为动力源。
3.3.2拟定液压系统图
图3-7液压原理图
表3-9剪切机电磁铁工作循环表
3.4液压元件的选择
3.4.1液压泵的选择
高压液压泵的选择
1).确定液压泵的最大工作压力Pp
(3-12)
式中:
—液压缸最大工作压力;=20.2MPa
—进油路上总压力损失,=0.8MPa
则:
=20.0+1.0=21.0MPa
∵所选泵的额定压力一般要比最大工作压力大25%~60%
∴选取的液压泵要求额定压力为
2).液压泵流
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