CN107703030B - 一种能满足极端条件测量需要的可视化测试系统 - Google Patents
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Abstract
一种能满足极端条件测量需要的可视化测试系统属内燃机技术领域，本发明中定容弹系统经端盖与压力边界测控系统连接；定容弹系统经端盖Ⅰ、可视窗口和光路与润湿特性测试系统连接；定容弹系统经底部端盖与温度边界测控系统连接；定容弹系统的上端盖既可换滴定器端盖总成中的滴定器端盖与燃料滴定系统的滴定器连接，又可换为喷油器端盖与燃料喷射系统的喷油器连接；本发明定容弹结构简单，加工方便，可配合接触角测量仪测量滴定器滴出的液滴或喷油器喷出的喷雾在与被测样本之间不同倾角、不同温度、不同压力等情况下液滴的接触角，能有效提高实验精度和效率，且能解决以往定容弹使用电热丝加热，导致定容弹体温度高、密封难度大的问题。
Description
技术领域
本发明属内燃机技术领域，具体涉及一种能满足极端条件测量需要的可视化测试系统。
背景技术
由于能源危机，环境污染以及排放法规日趋严格，使得现代社会对于内燃机的动力，经济以及排放性能有了更高的要求。因此，需要对现有发动机工作过程进行优化的同时寻找性能优良，经济实用，来源广泛的新型代用燃料。
而要实现这些目标，就要从根本上研究燃料在进入气缸之后的理化性质的变化。在不同的温度和压力下，不同的燃料以不同的角度与缸壁接触时的浸润特性是不同的。气缸内壁被燃料“润湿”会使得内燃机的未燃HC、PM排放升高，排放性能严重恶化。同时燃油撞击缸套表面会造成机油飞溅进入燃油中参与燃烧，改变了缸内的燃烧和排放。另一方面，燃油附着于缸套表面之后，会有很大一部分随机油一同进入到曲轴箱中，造成机油稀释严重，机油性能受到明显影响。
目前现有的定容弹设计大多集中在研究喷雾形态、燃烧及燃烧产物的生成，仅依靠喷油器作为燃油注入设备，用以实现不同条件下喷雾锥角、贯穿距的测量，结构相对简单。因液滴接触角这一润湿特性参数需结合接触角测量仪测出液滴与壁面接触角，故现有多数定容弹设计无法满足液滴在不同材料壁面上浸润特性的测量需要。并且多数定容弹总体结构固定，无法实现喷雾特性测量与润湿特性测量间的灵活切换，导致实验设备利用率较低。目前绝大多数定容弹的设计需要考虑之后燃料的燃烧，因此结构上会有关于排气，清洁等方面的考虑，结构相对复杂，并不适用于液滴接触角测量等实验。
发明内容
本发明的目的是解决现有定容弹设计方案无法配合接触角测量仪滴定器进行液滴接触角测量且无法进行滴定器和喷油器的自由互换以满足实际试验需要的问题。提供一种能够满足极端条件下液滴湿润性测量需要的可视化测试系统。
本发明由定容弹系统Ⅰ、润湿特性测试系统Ⅱ、压力边界测控系统Ⅲ、燃料滴定系统Ⅳ、燃料喷射系统Ⅴ、温度边界测控系统Ⅵ组成，其中：润湿特性测试系统Ⅱ中接触角测量仪7分别与计算机8和摄像头6连接；接触角测量仪7可以测量不同成分液滴滴到不同粗糙度或不同材料表面的接触角，还可以测量样本金属板58倾斜时的液滴滚动角。压力边界测控系统Ⅲ中三通12的三个口分别与压力表9、高压气瓶11和调压阀门13连接；压力边界测控系统Ⅲ用来控制定容弹内部的压力。燃料滴定系统Ⅳ包含滴定器14；燃料喷射系统Ⅴ中喷油器16、高压油轨17、油泵18、油箱19串联连接，喷油器16、高压油轨17和油泵18的信号均由ECU15控制；温度边界测控系统Ⅵ中电源20与温控表21连接；温度边界测控系统Ⅵ用来控制定容弹内部的温度。其特征在于，定容弹系统Ⅰ经端盖Ⅲ36与压力边界测控系统Ⅲ连接；定容弹系统Ⅰ经端盖Ⅰ25、可视窗口24和光路1与润湿特性测试系统Ⅱ连接；定容弹系统Ⅰ经底部端盖40与温度边界测控系统Ⅵ连接；定容弹系统Ⅰ的上端盖既可换滴定器端盖总成B中的滴定器端盖67与燃料滴定系统Ⅳ的滴定器14连接，又可换为喷油器端盖52与燃料喷射系统Ⅴ的喷油器16连接。
本发明通过换上端盖的方式，实现燃料滴定功能和燃料喷射功能的互换，既可以测量单液滴滴定时的接触角和滚动角，也可测量燃料高压喷射时的接触角和滚动角。其中的燃料喷射系统Ⅴ可以精确控制喷油压力、喷油量和喷油时间，而且可通过更换喷油器端盖和喷油器的方式实现不同喷油器喷油状态的测量。
所述的定容弹系统Ⅰ由定容弹体23、可视化端盖组A、滴定器端盖总成B、通气端盖组C、载物台系统D和底部端盖总成E组成，其中定容弹体23为空心正方体，其六个表面上设有通孔，端盖安装台组47的六个端盖安装台分别固接于定容弹体23的六个表面；端盖安装台组47的左右端盖安装台对称连接可视化端盖组A的两个可视化端盖，可视化端盖组A由橡胶垫圈Ⅰ28、石英玻璃Ⅰ27、硅胶垫圈Ⅰ26和设有可视窗口24的端盖Ⅰ25组成，且自橡胶垫圈Ⅰ28至端盖Ⅰ25顺序安装；石英玻璃Ⅰ27与可视窗口24之间通过硅胶垫圈Ⅰ26进行连接，防止石英玻璃Ⅰ27直接与端盖Ⅰ25进行接触导致破坏。端盖安装台组47的上端盖安装台经橡胶垫圈Ⅱ29连接滴定器端盖67或喷油器端盖52；端盖安装台组47的下端盖安装台连接底部端盖总成E的底部端盖40，底部端盖总成E由橡胶垫圈Ⅴ37和设有螺杆安装孔38及火花塞接线柱安装孔组39的底部端盖40顺序连接而成；端盖安装台组47的前后端盖安装台对称连接通气端盖组C的两个通气端盖，通气端盖组C由橡胶垫圈Ⅳ34和设有孔Ⅰ35的端盖Ⅲ36连接而成；载物台系统D通过载物台高度调节螺杆53与底部端盖40固接。载物台高度调节杆可以调节载物台与定容弹的相对高度。
所述的底部端盖总成E由火花塞接线柱安装孔组39、孔Ⅱ41、角度调节螺栓组44、孔Ⅲ46、定容弹支撑板43、导线孔组45、底部端盖40和火花塞接线柱组42组成，其中角度调节螺栓组44的4个螺栓经螺母连接于定容弹支撑板43四角的孔Ⅱ41的4个孔中；角度调节螺栓组44配合定容弹支撑板43可以精确调节测量所需角度。火花塞接线柱组42的4个火花塞接线柱安装于底部端盖40的火花塞接线柱安装孔组39的4个孔中；底部端盖40经孔Ⅲ46与定容弹支撑板43固接；与火花塞接线柱组42连接的导线通过导线孔组45引出。因为高温陶瓷加热片57和K型热电偶59在定容弹内部，温控表21在定容弹外部，试验时定容弹内部是一个高温高压的环境，而火花塞本身就是在高温高压的环境中使用的，在高温高压环境中具有良好的密封特性，所以使用火花塞作为接线柱。
所述的能满足极端条件下测量需要的可视化测试系统，其特征在于，所述载物台系统D由载物台高度调节螺杆53、载物台54、加热片接线柱55、楔形块56、高温陶瓷加热片57、样本金属板58、K型裸头热电偶59和热电偶接线柱60组成，其中载物台高度调节螺杆53、载物台54、楔形块56、高温陶瓷加热片57、样本金属板58自下而上顺序排列，载物台54下面与载物台高度调节螺杆53螺纹连接；载物台54上面与楔形块56底部固接；可以通过准备多种角度梯度的楔形块并通过更换楔形块粗略调节测量所需的角度，弥补通过角度调节螺栓组44调节范围不足的缺点，两者相配合实现粗调和精调相结合。高温陶瓷加热片57经高温导热密封胶固接于楔形块56的斜面，样本金属板58经高温导热密封胶固接于高温陶瓷加热片57上面，K型裸头热电偶59经高温导热密封胶固接于样本金属板58前端中间；加热片接线柱55固接于高温陶瓷加热片57两侧中间；热电偶接线柱60固接于高温陶瓷加热片57前端中间。本发明采用MCH工业级高温陶瓷加热片配合高温导热密封胶进行加热，MCH工业级高温陶瓷加热片具有升温快而且加热均匀的特性，特别适合于加热板状物体，而接触角测量就是要在样本金属板上进行。但由于高温陶瓷加热片57容易因为局部高温产生断裂，故使用高温导热密封胶作为传热介质防止在加热过程中产生局部高温。传统的使用电热丝加热的定容弹加热方式，其中热量传递方式是通过加热丝传递给空气，然后由空气再传递给要加热的样本板，加热效率低，升温慢，而且空气在给样本板加热的同时也在给定容弹外壁加热，导致定容弹外壁温度过高，容易造成密封圈软化密封效果下降。而使用高温陶瓷加热片57通过高温导热密封胶加热的方式属于固体传热，传热效率高，升温快，样本金属板达到试验所需温度时，定容弹外壁温度增加不大，对密封极其有利。本发明还采用了体积小易于安装的K型裸头热电偶59，占用样本金属板极小的空间不至于影响测量区域，且通过高温导热密封胶连接可以强化传热保证温度测量的准确性。并且通过温控表21连接高温陶瓷加热片57和K型裸头热电偶59，实现温度精确的闭环调节。
所述的滴定器端盖总成B由滴定器锁紧套61、活塞驱动套62、活塞驱动套保持盖63、活塞环64、活塞65、滴定器端盖67组成，其中滴定器锁紧套61、活塞驱动套62、活塞驱动套保持盖63、活塞环64、活塞65、滴定器端盖67自上而下顺序排列，活塞驱动套62上端与滴定器锁紧套61下端螺纹连接，活塞驱动套62下部插于活塞驱动套保持盖63的中心孔，活塞驱动套62下端与活塞65螺纹连接，活塞65置于滴定器端盖67的孔Ⅴ68中，并与孔Ⅴ68壁滑动连接；活塞环64套于活塞65下部，活塞驱动套保持盖63下端与滴定器端盖67上端经螺栓固接。活塞65上设有中心孔66。滴定器端盖总成B解决了滴定器14和滴定针管与定容弹之间的运动密封问题。活塞驱动套62可以通过与活塞驱动套保持盖63之间的螺纹传动，驱动活塞65沿滴定端盖轴向移动。其中活塞65、活塞驱动套62、滴定器锁紧套61一同将滴定器14保护起来防止滴定器14由于压力过大发生意外。另外，活塞环64形成了定容弹内部高温高压的一级密封，活塞驱动套62与活塞驱动套保持盖63之间的螺纹形成了定容弹内部高温高压的二级密封。
与现有技术相比，本发明有如下有益效果：
由于针对研究液滴浸润性，测量其接触角而设计，因此该定容弹结构相对简单，加工方便，可以配合接触角测量仪测量滴定器滴出的液滴或喷油器喷出的喷雾在与被测样本之间不同倾角、不同温度、不同压力等情况下液滴的接触角，可以有效提高实验精度以及实验效率，且使用高温陶瓷加热片，能解决以往定容弹使用加热丝加热，导致定容弹体温度较高、密封难度较大的问题。
附图说明
图1为能满足极端条件测量需要的可视化测试系统的结构示意图
图2为定容弹系统轴测系统结构图
图3为定容弹系统轴测零件标注图
图4为喷油器端盖总成的结构示意图
图5为载物台系统的结构示意图
图6为滴定器端盖总成的结构示意图
其中：Ⅰ.定容弹系统 Ⅱ.润湿特性测试系统 Ⅲ.压力边界测控系统 Ⅳ.燃料滴定系统 Ⅴ.燃料喷射系统 Ⅵ.温度边界测控系统 A.可视化端盖组 B.滴定器端盖总成 C.通气端盖组 D.载物台系统 E底部端盖总成 1.光路 2.导管Ⅰ 3.导管Ⅱ 4.导管Ⅲ 5.导线Ⅰ6.摄像头 7.接触角测量仪 8.计算机 9.压力表 10.导线Ⅱ 11.高压气瓶 12.三通 13.调压阀门 14.滴定器 15.ECU 16.喷油器 17.高压油轨 18.油泵 19.油箱 20.电源 21.温控表 22.导线Ⅲ 23.定容弹体 24.可视窗口 25.端盖Ⅰ 26.硅胶垫圈Ⅰ 27.石英玻璃Ⅰ 28.橡胶垫圈Ⅰ 29.橡胶垫圈Ⅱ 30.橡胶垫圈Ⅲ 31.石英玻璃Ⅱ 32.硅胶垫圈Ⅱ 33.端盖Ⅱ 34.橡胶垫圈Ⅳ 35.孔Ⅰ 36.端盖Ⅲ 37.橡胶垫圈Ⅴ 38.螺杆安装孔 39.火花塞接线柱安装孔组 40.底部端盖 41.孔Ⅱ 42.火花塞接线柱组 43.定容弹支撑板 44.角度调节螺栓组45.导线孔组 46.孔Ⅲ 47.端盖安装台组 48.孔Ⅳ 49.U型压板 50.喷油器安装孔 51.螺栓孔 52.喷油器端盖 53.载物台高度调节螺杆 54.载物台 55.加热片接线柱 56.楔形块57.高温陶瓷加热片 58.样本金属板 59.K型裸头热电偶 60.热电偶接线柱 61.滴定器锁紧套 62.活塞驱动套 63.活塞驱动套保持盖 64.活塞环 65.活塞 66.中心孔 67.滴定器端盖 68.孔Ⅴ
具体实施方式
下面结合附图描述本发明。
如图1所示，本发明由定容弹系统Ⅰ、润湿特性测试系统Ⅱ、压力边界测控系统Ⅲ、燃料滴定系统Ⅳ、燃料喷射系统Ⅴ、温度边界测控系统Ⅵ组成，其中：润湿特性测试系统Ⅱ中接触角测量仪7分别与计算机8和摄像头6连接；压力边界测控系统Ⅲ中三通12的三个口分别与压力表9、高压气瓶11和调压阀门13连接；燃料滴定系统Ⅳ包含滴定器14；燃料喷射系统Ⅴ中喷油器16、高压油轨17、油泵18、油箱19串联连接，喷油器16、高压油轨17和油泵18的信号均由ECU15控制；温度边界测控系统Ⅵ中电源20与温控表21连接。
定容弹系统Ⅰ经端盖Ⅲ36与压力边界测控系统Ⅲ连接；定容弹系统Ⅰ经端盖Ⅰ25、可视窗口24和光路1与润湿特性测试系统Ⅱ连接；定容弹系统Ⅰ经底部端盖40与温度边界测控系统Ⅵ连接；定容弹系统Ⅰ的上端盖既可换滴定器端盖总成B中的滴定器端盖67与燃料滴定系统Ⅳ的滴定器14连接，又可换为喷油器端盖52与燃料喷射系统Ⅴ的喷油器16连接。
如图2和图3所示，所述的定容弹系统Ⅰ由定容弹体23、可视化端盖组A、滴定器端盖总成B、通气端盖组C、载物台系统D和底部端盖总成E组成，其中定容弹体23为空心正方体，其六个表面上设有通孔，端盖安装台组47的六个端盖安装台分别固接于定容弹体23的六个表面。端盖安装台组47的左右端盖安装台对称连接可视化端盖组A的两个可视化端盖，可视化端盖组A由橡胶垫圈Ⅰ28、石英玻璃Ⅰ27、硅胶垫圈Ⅰ26和设有可视窗口24的端盖Ⅰ25组成，且自橡胶垫圈Ⅰ28至端盖Ⅰ25顺序安装。端盖安装台组47的上端盖安装台经橡胶垫圈Ⅱ29连接滴定器端盖67或喷油器端盖52。端盖安装台组47的下端盖安装台连接底部端盖总成E的底部端盖40，底部端盖总成E由橡胶垫圈Ⅴ37和设有螺杆安装孔38及火花塞接线柱安装孔组39的底部端盖40顺序连接而成。端盖安装台组47的前后端盖安装台对称连接通气端盖组C的两个通气端盖，通气端盖组C由橡胶垫圈Ⅳ34和设有孔Ⅰ35的端盖Ⅲ36连接而成。载物台系统D通过载物台高度调节螺杆53与底部端盖40固接。
所述的底部端盖总成E由火花塞接线柱安装孔组39、孔Ⅱ41、角度调节螺栓组44、孔Ⅲ46、定容弹支撑板43、导线孔组45、底部端盖40和火花塞接线柱组42组成，其中角度调节螺栓组44的4个螺栓经螺母连接于定容弹支撑板43四角的孔Ⅱ41的4个孔中；火花塞接线柱组42的4个火花塞接线柱安装于底部端盖40的火花塞接线柱安装孔组39的4个孔中；底部端盖40经孔Ⅲ46与定容弹支撑板43固接；与火花塞接线柱组42连接的导线通过导线孔组45引出。
如图5所示，所述载物台系统D由载物台高度调节螺杆53、载物台54、加热片接线柱55、楔形块56、高温陶瓷加热片57、样本金属板58、K型裸头热电偶59和热电偶接线柱60组成，其中载物台高度调节螺杆53、载物台54、楔形块56、高温陶瓷加热片57、样本金属板58自下而上顺序排列；载物台54下面与载物台高度调节螺杆53螺纹连接；载物台54上面与楔形块56底部固接；高温陶瓷加热片57经高温导热密封胶固接于楔形块56的斜面；样本金属板58经高温导热密封胶固接于高温陶瓷加热片57上面；K型裸头热电偶59经高温导热密封胶固接于样本金属板58前端中间；加热片接线柱55固接于高温陶瓷加热片57两侧中间；热电偶接线柱60固接于高温陶瓷加热片57前端中间。
如图6所示，所述的滴定器端盖总成B由滴定器锁紧套61、活塞驱动套62、活塞驱动套保持盖63、活塞环64、活塞65、滴定器端盖67组成，其中滴定器锁紧套61、活塞驱动套62、活塞驱动套保持盖63、活塞环64、活塞65、滴定器端盖67自上而下顺序排列，活塞驱动套62上端与滴定器锁紧套61下端螺纹连接，活塞驱动套62下部插于活塞驱动套保持盖63的中心孔，活塞驱动套62下端与活塞65螺纹连接，活塞65置于滴定器端盖67的孔Ⅴ68中，并与孔Ⅴ68壁滑动连接；活塞环64套于活塞65下部，活塞驱动套保持盖63下端与滴定器端盖67上端经螺栓固接；活塞65上设有中心孔66。
Claims (2)
1.一种能满足极端条件测量需要的可视化测试系统，由定容弹系统(Ⅰ)、润湿特性测试系统(Ⅱ)、压力边界测控系统(Ⅲ)、燃料滴定系统(Ⅳ)、燃料喷射系统(Ⅴ)、温度边界测控系统(Ⅵ)组成，其中：所述的定容弹系统(Ⅰ)由定容弹体(23)、可视化端盖组(A)、滴定器端盖总成(B)、通气端盖组(C)、载物台系统(D)和底部端盖总成(E)组成，其中定容弹体(23)为空心正方体，其六个表面上设有通孔，端盖安装台组(47)的六个端盖安装台分别固接于定容弹体(23)的六个表面；端盖安装台组(47)的左右端盖安装台对称连接可视化端盖组(A)的两个可视化端盖，可视化端盖组(A)由橡胶垫圈Ⅰ(28)、石英玻璃Ⅰ (27)、硅胶垫圈Ⅰ (26)和设有可视窗口(24)的端盖Ⅰ(25)组成，且自橡胶垫圈Ⅰ(28)至端盖Ⅰ(25)顺序安装；端盖安装台组(47)的上端盖安装台经橡胶垫圈Ⅱ(29)连接滴定器端盖(67)或喷油器端盖(52)；端盖安装台组(47)的下端盖安装台连接底部端盖总成(E)的底部端盖(40)，底部端盖总成(E)由橡胶垫圈Ⅴ(37)和设有螺杆安装孔(38)及火花塞接线柱安装孔组(39)的底部端盖(40)顺序连接而成；端盖安装台组(47)的前后端盖安装台对称连接通气端盖组(C)的两个通气端盖，通气端盖组(C)由橡胶垫圈Ⅳ(34)和设有孔Ⅰ(35)的端盖Ⅲ(36)连接而成；载物台系统(D)通过载物台高度调节螺杆(53) 与底部端盖(40)固接； 所述的底部端盖总成(E) 由火花塞接线柱安装孔组(39)、孔Ⅱ(41)、角度调节螺栓组(44)、孔Ⅲ(46)、 定容弹支撑板(43)、导线孔组(45)、底部端盖(40)和火花塞接线柱组(42)组成，其中角度调节螺栓组(44)的4个螺栓经螺母连接于定容弹支撑板(43)四角的孔Ⅱ(41)的4个孔中；火花塞接线柱组(42)的4个火花塞接线柱安装于底部端盖(40)的火花塞接线柱安装孔组(39)的4个孔中；底部端盖(40)经孔Ⅲ(46)与定容弹支撑板(43)固接；与火花塞接线柱组(42)连接的导线通过导线孔组(45)引出；所述载物台系统(D)由载物台高度调节螺杆(53)、载物台(54)、加热片接线柱(55)、楔形块(56)、高温陶瓷加热片(57)、样本金属板(58)、K型裸头热电偶(59)和热电偶接线柱(60)组成，其中载物台高度调节螺杆(53)、载物台(54)、楔形块(56)、高温陶瓷加热片(57)、样本金属板(58)自下而上顺序排列；载物台(54)下面与载物台高度调节螺杆(53)螺纹连接；载物台(54)上面与楔形块(56)底部固接；高温陶瓷加热片(57)经高温导热密封胶固接于楔形块(56)的斜面；样本金属板(58)经高温导热密封胶固接于高温陶瓷加热片(57)上面；K型裸头热电偶(59)经高温导热密封胶固接于样本金属板(58)前端中间； 加热片接线柱(55) 固接于高温陶瓷加热片(57)两侧中间；热电偶接线柱(60)固接于高温陶瓷加热片(57)前端中间；润湿特性测试系统(Ⅱ)中接触角测量仪(7)分别与计算机(8)和摄像头(6)连接； 压力边界测控系统(Ⅲ)中三通(12)的三个口分别与压力表(9)、高压气瓶(11)和调压阀门(13)连接；燃料滴定系统(Ⅳ)包含滴定器(14)；燃料喷射系统(Ⅴ)中喷油器(16)、高压油轨(17)、油泵(18)、油箱(19)串联连接，喷油器(16)、高压油轨(17)和油泵(18)的信号均由ECU(15)控制；温度边界测控系统(Ⅵ)中电源(20)与温控表(21)连接，其特征在于，定容弹系统(Ⅰ)经端盖Ⅲ(36)与压力边界测控系统(Ⅲ)连接；定容弹系统(Ⅰ) 经端盖Ⅰ(25)、可视窗口(24)和光路(1)与润湿特性测试系统(Ⅱ)连接；定容弹系统(Ⅰ)经底部端盖(40)与温度边界测控系统(Ⅵ)连接；定容弹系统(Ⅰ)的上端盖既可换滴定器端盖总成(B)中的滴定器端盖(67)与燃料滴定系统(Ⅳ)的滴定器(14)连接，又可换为喷油器端盖(52)与燃料喷射系统(Ⅴ)的喷油器(16) 连接。
2.按权利要求1所述的能满足极端条件测量需要的可视化测试系统，其特征在于，所述的滴定器端盖总成(B)由滴定器锁紧套(61)、活塞驱动套(62)、活塞驱动套保持盖(63)、活塞环(64)、活塞(65)、滴定器端盖(67)组成，其中滴定器锁紧套(61)、活塞驱动套(62)、活塞驱动套保持盖(63)、活塞环(64)、活塞(65)、滴定器端盖(67)自上而下顺序排列，活塞驱动套(62) 上端与滴定器锁紧套(61)下端螺纹连接， 活塞驱动套(62)下部插于活塞驱动套保持盖(63)的中心孔，活塞驱动套(62)下端与活塞(65)螺纹连接，活塞(65)置于滴定器端盖(67)的孔Ⅴ(68)中，并与孔Ⅴ(68)壁滑动连接；活塞环(64)套于活塞(65)下部，活塞驱动套保持盖(63)下端与滴定器端盖(67)上端经螺栓固接；活塞(65)上设有中心孔(66)。
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