CN107201969A - 一种双作用斯特林发动机的摆盘传动机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种双作用斯特林发动机的摆盘传动机构,其特征是;缸体(2)与传动箱体(3)固定一起,静止不动,活塞(1)在缸体分度圆半径R上气缸腔(2‑1)内作往复直线运动,通过球头弯杆端关节轴承(4),推动或拉动摆盘(5)。摆盘(5)周边安装一对滚轮滚针轴承(5‑1)沿箱体(3)外壳上开出的减振直线导槽(3‑1)内轴向移动,约束着摆盘(5)不能转动;故驱使斜切圆柱体斜盘(6)转动,带动主轴(7)输出扭矩。它的结构很简单,制造零件很少,运动副除活塞以外,全部采用球面运动副标准件,磨损少,振动小,噪音低,寿命长,价格便宜。不仅适用于双作用斯特林发动机,还适用于气体压缩机,轴向柱塞泵及水下兵器等动力装置。

Description

一种双作用斯特林发动机的摆盘传动机构
技术领域
本发明涉及斜盘传动机械技术领域,具体涉及一种双作用斯特林发动机的摆盘传动装置。
背景技术
双作用斯特林发动机:双作用是指气缸中的活塞上端为一组循环系统的热端,下端为另一组循环系统的冷端,一个活塞上下端分别属于两个独立的循环系统,其压差和温差都比较大,工作条件十分恶劣。这不仅给密封造成极大的困难,而且,当活塞所处位置,是热腔工质对活塞的作用力大于冷腔工质对活塞的作用力时,则循环工质对活塞的合力为推力;当活塞所处位置,是热腔工质对活塞的作用力小于冷腔工质对活塞的作用力时,则循环工质对活塞的合力为拉力。所以,双作用斯特林发动机的传动机构,必须要满足能承受活塞作往复直线运动的推力和拉力,而且也要尽量避免让活塞承受侧向压力。
双作用斯特林发动机的传动机构:最具有实用价值的,是曲轴连杆机构和斜盘传动机构两种:而斜盘传动机构,是碟式太阳能斯特林发动机机型传动机构的最佳选择,是斯特林发动机主机唯一的运动总成部件,受力较为复杂,是机械磨损,机械振动,噪音来源的关键部位。目前,受到人门的高度重视。其实,早在1820年英国工厂业主爱德华.詹姆斯制造的液压发动机,就开始运用了斜盘传动机构。到1860年英国科学家William.Siemens在双作用斯特林发动机机型中,引入了的双柱导向半球滑靴式的斜盘传动机构。这种斜盘传动机构的旋转斜盘在两个半球滑靴中间滑动,承受着双作用活塞往复直线运动的推力和拉力,同时。两个导向柱又避免了活塞推动斜盘旋转时受到的侧向压力,是双作用斯特林发动机传动机构受力的理想机构,发展至今的碟式太阳能斯特林发动机机型仍在使用这种半球滑靴式斜盘传动机构,甚至当今的气体压缩机,轴向柱塞泵也在使用这种半球滑靴式斜盘传动机构。但是,这种双柱导向半球滑靴式斜盘传动机构使用的双柱导向结构,或目前改进使用的十字导槽结构都很复杂,轴向滑动副很多;而在斜盘上滑动的半球和滑靴之间又形成了多个滑动磨损副,噪音大,在高速下磨损严重,影响斯特林发动机的整体寿命,也增加制造和装配的难度与成本。
斜盘传动机构有两种型式:转缸式(缸体旋转,斜盘不动)和静缸式(缸体不动,斜盘旋转);这两种斜盘传动机构的共同特点;是斜盘传动机构输出轴与活塞运动方向平行,输出运动特性好,结构紧凑等优点,广泛的应用到轴向柱塞泵.压缩空气机等动力领域。目前,转缸式轴向柱塞泵的结构设计与制造水平,已经相当成熟,市场上充满了其廉价的总成和零配件。当今,双作用斯特林发动机使用的半球滑靴式斜盘传动机构,是一种静缸式斜盘传动结构。七十年代美国研制成功又一种静缸式的斜盘传动结构,叫做摆盘发动机,其工作原理;是燃料在燃烧室中生成高温气体,并经配气机构将高温气体分配至各气缸,推动活塞沿其轴线作往复运动,再经球头连杆,推动一个摆盘,摆盘只摆动而不转动,摆盘上的园周分力驱动旋转斜盘,带动主轴旋转输出功率。将它用作热动力鱼雷的动力装置。目前也被汽车制造商广泛地采用于压缩机。转缸式和静缸式斜盘传动结构对气缸的布置及活塞往复运动的热力过程极其类似,二者的运动也都是可逆的,但由于其机构运动原理的差异,使其结构设计及动力性能可就存在了较大的差别。转缸式斜盘传动机构的运动分析,理论很成熟。而静缸式的摆盘发动机的传动机构,是由缸体,活塞,球头连杆,摆盘,斜切园柱旋转体(旋转斜盘),主轴及滚动轴承组成,属于空间复合运动机构,其中,有曲柄连杆机构,有凸轮机构,有球体连接与旋转斜面驱动,其运动关系十分复杂。用单一的空间机构数学模型难以全面真实的数值求解,各个零部件的作用力就更难以用解析的方法加以描述。近几年来,对摆盘运动的分析,提出许多不同的数学模型,对其进行解析求解,数值计算,或模拟仿真运算。都难以做出肯定的结论,目前,多数文献认为摆盘运动的转角δ与主轴的转角φ,二者不相等,计算结果,当φ角在0°.90°.180°.270°.位置时是相等的,即φ=δ。此时摆盘不产生附加力矩,当φ角不在0°.90°.180°.270°.位置时是φ角与δ角不相等的,即φ≠δ。摆盘必产生附加力矩,就难以达到自平衡,要达到自平衡一个办法是修改φ角,理论计算直导槽改为“∞”字型导槽比较理想,但是,“∞”字型导槽,加工和安装调试比较难,也不适用于奇数缸。有人用弹簧支承直导槽代替刚性直导槽,这种形式改变了约束机构运动的条件,但理论分析结果,并不能减小所引起的斜盘的激振。并且,由于约束导槽中弹簧的存在,使摆盘和旋转斜盘主轴的相对运动变得不确定。
目前,在军工领域中建造非核动力的第五代AIP潜艇中,以低噪音著称的斯特林发动机将成为其主要的机型。但是,在水下兵器,热动力鱼雷用的发动机,斯特林发动机却让位于摆盘发动机,究其原因是:热动力鱼雷的自导装置,要求超低噪音,而且鱼雷的存放发动机空间有限,要求功率质量比很大,而当今双作用斯特林发动机使用的半球滑靴式斜盘传动机构,满足不了热动力鱼雷的要求,因此影响了双作用斯特林发动机在水下兵器上的应用。
鉴于上述现有技术中所存在的问题,应对双作用斯特林发动的半球滑靴式斜盘传动机构,进行换代的设计。取消其滑动磨擦副,研究出一种理论分析可靠,结构简单,磨损少,噪音低,价格低廉,维修方便的,双作用斯特林发动机斜盘传动机构的新型产品,是十分必要的。
发明内容
本发明的目的:首先,根据对摆盘传动机构主要零件轴线在几何空间的位置,选择其座标互相最佳的配合关系,作出主要零件的3D实体装配图,进行图解运动的分析,优化取得可靠的参数。再考虑到当今批量制造业生产水平与标准件市场供应情况,并针对上述现有技术中所存在的问题,设计出了一种结构简单,制造零件少,运行平稳,噪音低,耐磨损,成本低廉的新型双作用斯特林发动机的摆盘传动机构。
本发明的目的是通过以下技术方案实现。
本发明提供的双作用斯特林发动机摆盘传动机构的工作原理。是根据对摆盘传动机构主要零件轴线在几何空间的位置,选择其座标互相最佳的配合关系,作出主要零件的3D实体装配图,进行图解运动分析的结果。在气缸体的分度园上,布置多个气缸腔,气缸体与筒形传动机构箱体固定在一起,静止不动;筒形传动机构箱体的园柱面上铣出平行与箱体主轴线对称的一副直线型导向槽。气缸腔内的高压气体推动活塞沿气缸腔的轴线作直线往复运动,平行与筒形箱体主轴线和直线型导向槽,这样多个气缸腔和活塞的轴线,与筒形传动机构箱体及其导槽的轴线互相平行,都集中在一个分度园轴线上,制造也容易保证其精度。又依据当今批量制造业生产水平与标准件市场供应情况,选用球头弯杆端关节轴承(行业标准件),连接活塞与摆盘,活塞通过球头弯杆端关节轴承推动或拉动摆盘,摆盘又通过一个止推轴承安装到斜切园柱旋转体(旋转斜盘)斜轴颈上,旋转斜盘与主轴锁成一体,锻制成一整体式的模锻件,其主轴轴线与筒形传动机构箱体轴线重合,但主轴轴线的中段有一斜轴颈为L形的折线(称L形斜轴颈),主轴两端支撑在传动机构箱体中心的滚珠轴承上。摆盘装配在L形的斜轴颈上,摆盘的轴线与L斜轴颈重合,当主轴旋转时,L斜轴颈的轴线,以L顶点为中心形成一个园锥形曲面,摆盘受这一个园锥形曲面的约束,绕L斜轴颈的轴线进动和章动。而摆盘周边安装一对滚轮滚针轴承,约束着摆盘只能沿着箱体园柱面上铣出的导向槽,作平行与气缸体轴线的移动,而不会转动。摆盘受力非常复杂,分解为两部分,一部分平行于摆盘轴线,另一部分垂直于摆盘轴线的园周分力,后者又通过一个止推轴承作用到斜切园柱旋转体(旋转斜盘)的L斜轴颈上,由于斜切园柱旋转体的斜面与传动机构箱体的主轴线相交倾角为α;将使摆盘作用在斜切园柱旋转体斜面上的力,又进一步分解为,平行于主轴线的分力,和垂直与斜切园柱旋转体斜轴颈为L形轴线的园周分力,前者由轴向止推轴承承担,后者对旋转斜盘产生转矩,带动主轴旋转输出功率。
根据本发明的摆盘传动机构的工作原理:当活塞1通过球头弯杆端关节轴承对摆盘作用一拉力的时侯,为了要平衡这一拉力,必须在旋转斜盘的L形斜轴颈上,设置一个止推球轴承保持器,再用螺帽轴档端盖压紧,以平衡其拉力。迫使旋转斜盘与摆盘相对转动,带动主轴转动起来,输出扭矩。
但是,活塞通过弯杆端关节轴承,推动摆盘分解垂直于摆盘轴线的园周分力,如果对摆盘不加以约束,摆盘就会绕L斜轴颈转动,而无法传递旋转力矩,就不能使旋转斜盘带动主轴旋转起来,输不出功率。如果,摆盘约束滚轮的轴线与L形轴线相交的位置不合适,会引起摆盘的进动和章动。摆盘滚轮质心的转角δ与主轴的转角φ,二者就不会相等,摆盘滚轮的质心就会在传动机构箱体筒形壳上走出“∞”字形的迴转曲线,此时,在传动机构箱体筒形壳上开直线型导槽约束着摆盘滚轮走直线,必然产生附加力矩,就难以达到自平衡。本发明:将摆盘滚轮的轴线与气缸分度园的轴线,筒形传动机构箱体的轴线,旋转斜盘的主轴线,交汇一点;这个交汇点制造上容易保证,关键是这个交汇一点,必须与本发明设计的斜切园柱体斜轴颈L形轴线的顶点相重合。才能消除摆盘的进动,和最大限度的减小摆盘的章动。使摆盘滚轮质心的转角δ与主轴的转角φ相等,即φ=δ。此时摆盘不产生附加力矩,而实现自平衡,斜切园柱旋转体(旋转斜盘)绕主轴的惯性力,可以通过旋转斜盘上的平衡块,低消旋转斜盘转动惯性力和惯性力矩引起的不平衡。
本发明的旋转斜盘(斜切园柱旋转体)斜轴颈L形轴线的结构参数与旋转斜盘倾角α,有一个理论关系式必须尊守,取斜切斜园柱的旋转体斜轴颈L形轴线的长度为SP,L形轴线的曲柄为r,在结构设计时三者要保持r=SPtanα.的几何关系
结构设计时保持了r=SPtanα的几何关系;但在制造时,摆盘滚轮的轴线与气缸分度园的轴线,筒形传动机构箱体的轴线,旋转斜盘的主轴线交汇;并与本发明设计的斜切园柱体斜轴颈L形轴线的顶点的重合,这些轴线交汇一点,难免要产生一定的制造误差,及活塞往复运动产生的惯性力,使摆盘运动不平稳。本发明在传动机构箱体筒形外壳上的直线导槽中,设计了一副镶板,镶板与导槽中间,夹一层高弹性橡胶减震垫。以平衡上述误差和惯性力引起振动,消除其噪音。
本发明将摆盘传动机构中的运动环节,全部设计成滚动运动副,并选择市场上容易购到的滚珠轴承通用标准件,及杆端关节轴承行业标准件。
本发明设计的批量制造定做的零件只有三件:传动机构箱体铸铁件一个,摆盘模锻件一个,旋转斜盘与主轴模锻件一个。所以结构非常简单紧凑。
本发明的优点及有益效果是:
本发明结构简单紧凑,功率与质量比大,噪音小,运行可靠平稳。
本发明定制零件易工业批量生产,标准件易购,价格低廉,制造成本低,维修方便。
本发明不仅适用于双作用斯特林发动机,也适用于气体压缩机.水泵,轴向柱塞泵及水下兵器等领域。
附图说明
图1.为本发明摆盘传动机构的工作原理示意图
图2.为本发明摆盘传动机构的整体立体结构剖视图
图3.为本发明摆盘传动机构的斜盘转子立体结构示意图
图4.为本发明摆盘传动机构的箱体立体结构示意图,
图5.为本发明摆盘传动机构的叉头弯杆端关节轴承立体示意图
图6.为本发明摆盘传动机构的鱼眼弯杆端关节轴承立体示意图
图中:1.活塞,2.气缸体,2-1,气缸体腔,3.传动机构箱体,4.球头弯杆端关节轴承,4-1.叉头弯杆端关节轴承,4-2.鱼眼弯杆端关节轴承,5.摆盘,5-1.滚轮滚针轴承,6.斜切园柱体旋转斜盘,6-1园柱锥轴承,6-2止推滚球保持器,6-3.主止推轴承,6-4.副主止推轴承,6-5.,深沟球轴承,7.输出主轴。
具体实施方示
下面结合附图和实施例,对本发明的一种双作用斯特林发动机摆盘传动机构的技术方案,作进一步的描述。
图1为本发明摆盘传动机构工作原理示意图:它是由活塞1,缸体2,传动机构箱体3,球头弯杆端关节轴承4,摆盘5,旋转斜盘6,主轴7所组成。在缸体2半径为R的分度园周上均匀分布开有两个以上的气缸腔2-1,每个气缸腔2-1内都安装一个活塞1,活塞1能够在分度园周上气缸腔2-1内,平行与缸体2上分度园中心轴线AO0作往复运动;传动机构箱体3做成筒形,在筒形外壳上开有轴线平行与传动机构箱体3中心轴线AO开出直线型导槽3-1;缸体2与传动机构箱3固定在一起,静止不动,缸体2分度园中心轴线AO0要与传动机构箱体3的中心轴线AO重合。活塞1通过球头弯杆端关节轴承4与摆盘5半径为R的分度园周上凸台5-2对应的C点连接起来,摆盘5周边装有一副对称的滚轮滚针轴承5-1,滚轮滚针轴承5-1只能在直线型导槽3-1内,作平行与传动机构箱体3的中心轴线AO作往复运动,约束着摆盘5不能转动;摆盘5安装在旋转斜盘6的斜切园柱体L形轴线O0Q的轴颈上;二者可以有相对的转动。旋转斜盘6与主轴7固定在一起,当活塞1的推力作用在摆盘凸台C点时,由于摆盘受约束不能转动,分解出来园周切向力,经过主止推轴承6-3推动旋转斜盘6转动,而主轴7与旋转斜盘6固定在一起的,所以主轴也转动起来,输出扭矩。
参照图1所示的摆盘传动机构工作原理:当活塞1的拉力作用在摆盘凸台的C点时,由于摆盘受约束不能转动,但必须在旋转斜盘6的L形斜轴颈上,设置一止推球轴承保持器6-2,用螺帽轴档端盖压紧,以平衡其拉力。迫使旋转斜盘6与摆盘5相对转动,带动主轴7转动起来,输出扭矩。
参照图1所示的摆盘传动机构工作原理:活塞1的轴线与缸体分度圆中心轴线AO0平行;直线型导槽3-1的轴线与传动机构箱体3中心轴线AO平行;主轴线AB与缸体中心轴线AO0重合,最关键的是摆盘5周边安装的约束滚轮滚针轴承的轴线DO0,要交与旋转斜盘6的斜切园柱体L形轴线O0Q轴颈的顶点O0上,各球头弯杆端关节轴承4的后球中心C点与O0顶点连线CO0,要与DO0连线在一个平面里,并都汇交与顶点O0上。否则,要引起摆盘5绕L形轴线O0Q段进动和章动,引起附加力矩而产生振动。
参照图1所示的摆盘传动机构工作原理:旋转斜盘6的斜切园柱旋转体斜轴颈L形轴线的长度为Sp,L形轴线的曲柄为r,旋转斜盘倾角为α,三者有一个理论关系式必须尊守,即r=Sptanα.的几何关系。
图2为本发明摆盘传动机构整体立体结构剖视图:它是由活塞1,缸体2,箱体3,叉头弯杆端关节轴承4-1,摆盘5,旋转盘6,及主轴7组成。参照图1,图2;缸体2上每个气缸腔内都安装一个活塞1,活塞1能够在分度园周上气缸腔内,平行与缸体2上分度园中心轴线AO0作往复运动;传动机构箱体3做成筒形,在筒形外壳上开有轴线平行与传动机构箱体3中心轴线AO的直线型导槽3-1;缸体2与传动机构箱3固定在一起,静止不动,缸体2分度园中心轴线AO0要与传动机构箱体3的中心轴线AO重合。活塞1通过叉头弯杆端关节轴承4-1与摆盘5半径为R的分度园周上的凸台5-2对应的C点连接起来,摆盘5周边装有一副对称的滚轮滚针轴承5-1,滚轮滚针轴承5-1只能在直型导槽3-1内,作平行与传动机构箱体3的中心轴线AO作往复运动,约束着摆盘5不能转动;摆盘5安装在旋转斜盘6的斜切园柱体L形轴线O0Q的轴颈上;二者可以有相对的转动。旋转斜盘6与主轴7固定在一起,当活塞1的推力作用在摆盘凸台5-2对应C点时,由于摆盘受约束不能转动,分解出来园周切向力,经过主止推轴承6-4推动旋转斜盘6转动,而主轴7与旋转斜盘6固定在一起的,所以主轴也转动起来,输出扭矩。
参照图1和图2所示:当活塞1的拉力作用在摆盘凸台C点时,由于摆盘受约束不能转动,但必须在旋转斜盘6的L形斜轴颈上,设置一止推球轴承保持器6-2,用园螺帽轴档端盖压紧,以平衡其拉力。迫使旋转斜盘6与摆盘5相对转动,带动主轴7转动起来,输出扭矩。
图3为本发明摆盘传动机构的斜盘转子立体结构示意图:包括摆盘5,斜园柱体旋转斜盘6和输出主轴7三个运动构件组成,小功率摆盘传动机构,斜园柱体旋转斜盘6和输出主轴7做成一个整体铸件或模锻件。大功率摆盘传动机构做成两个零件。本发明摆盘传动机构的斜盘转子是高速旋转运动的构件,要进行静动配重平衡。本发明将斜盘转子所有相对运动的磨擦副,采用滚动磨擦副,使用了五个通用的标准件;园柱锥轴承6-1,止推轴承保持器6-2.主止推轴承6-3,副主止推轴承6-4,及深沟球轴承。两个行业标准件;叉头弯杆端关节轴承4-1,及滚轮滚针轴承5-1。
图4为本发明摆盘传动机构的箱体立体结构示意图:包括箱体3,直条镶板3-2及高弹性橡胶减振垫3-3.虽然,本发明摆盘传动机构结构设计时,尊守了摆盘滚轮的轴线DO0与气缸分度园的轴线AO0,筒形传动机构箱体的轴线AO,旋转斜盘的轴线O0Q与主轴线AB要交汇与斜切园柱体L形轴线的顶点O0一点,并尊守了r=Stanα的几何关系;理论上摆盘能够自平衡,但是制造装配时,要产生一定的制造误差,而引起的振动,是难免的,但制造装配时的误差可以控制在比较小的范围,本发明特意在传动机构箱体3筒形外壳上的直线导槽3-1中,设计了一副镶板3-2,并在镶板与导槽中间,夹一层高弹性橡胶减震垫3-3。以平衡上述误差和惯性力引起振动,消除其噪音。
图5为本发明摆盘传动机构的叉头弯端杆关节轴承立体结构示意图:活塞允许转动时,可使用如图5所的叉头弯杆端关节轴承。
图6为本发明摆盘传动机构的鱼眼弯端杆关节轴承立体结构示意图:活塞不允许转动时,可以使用如图6所示的鱼眼弯杆端关节轴承。
最后应说明的是,以上实例仅用以说明本发明技术方案,而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了祥细说明,本领域的技术人员应该理解,对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,都不脱离本发明技术方案的精神和范围。均涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.本发明的一种斯特林发动机摆盘传动机构,是由活塞(1),缸体(2),箱体(3),球头弯杆端关节轴承(4),摆盘(5),斜切园柱体斜盘(6),主轴(7)所组成。其特征是:在缸体(2)分度半径R上开有两个以上的气缸腔(2-1),并与箱体(2)固定在一起,斜切园柱体斜盘(6)与主轴(7)也固定在一起。气缸腔(2-1)内的高压气体或高压液体,驱动活塞(1)在气缸腔(2-1)内作往复直线运动。活塞(1)通过球头弯杆端关节轴承(4)与摆盘(5)分度半径R上凸台的C点连接,推动或拉动摆盘;摆盘安装在斜切园柱体斜盘(6)斜轴颈O0Q上,摆盘周边安装有一对滚轮轴承(5-1)受箱体(3)上的直线型减振导槽(3-1)的约束,不能转动;故驱动斜切园柱体斜盘(6)绕主轴(7)轴线中段L型轴线O0Q转动,带动主轴绕AB轴线转动,输出功率。其过程是可逆的,即旋转主轴(7)带动斜切园柱体斜盘旋转(6),驱动摆盘(5)作摇摆运动,通过球头弯杆端关节轴承(4),使活塞(1)在气缸腔(2-1)内作往复直线运动,产生高压气体或高压液体。
2.根据权利要求1所述的摆盘传动机构,其特征在于;大功率的斯特林发动机,斜切园柱体斜盘(6)与主轴(7)做成两个构件,但要固定在一起;小功率的斯特林发动机可以做成一件。斜切园柱体斜盘(6)的斜轴线与主轴的夹角为α(也称做斜盘倾角),主轴轴线AB与缸体(2)和箱体(3)轴线重合,但与斜切园柱体斜盘(6)的斜轴线相交L形的折线,斜轴线的长度O0Q取为SP,斜轴线的曲柄QO取为r,结构设计时要尊守r=SP,tanα的关系。
3.根据权利要求1所述的摆盘传动机构,其特征在于;摆盘周边约束滚轮的轴线与摆盘凸台分度园C,在一个平面里,并与主轴(7的轴线,缸体(2)的轴线,箱体(3)的轴线交汇于L形的折线的顶点O0上。
4.根据权利要求1所述的斯特林发动机摆盘传动机构,其特征在于;为了平衡活塞(1)通过球头弯杆端关节轴承(4)对摆盘(5)拉力,在斜切园柱体斜盘(6)的斜轴颈上,设置一止推球轴承保持器(6-2),用轴档端盖压紧以平衡其拉力。
5.根据权利要求1所述的摆盘传动机构,其特征在于;在传动机构箱体筒形外壳上的直线导槽中,设计了一副镶板,镶板与导槽中间,夹一层高弹性橡胶减震垫。以平衡上述误差和惯性力引起振动,消除其噪音。
6.根据权利要求1所述的摆盘传动机构,其特征在于;将摆盘传动机构中的运动环节,全部设计成滚动运动副。
7.根据权利要求1所述的摆盘传动机构,其特征在于;允许活塞(1)转动时,使用叉头弯杆端关节轴承。
8.根据权利要求1所述的摆盘传动机构,其特征在于;不允许活塞(1)转动时,使用鱼眼弯杆端关节轴承。
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