CN113482673B - 一种预紧加压膨胀式特大顶管止水装置及操作方法 - Google Patents
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Abstract
一种预紧加压膨胀式特大顶管止水装置，铁质芯棒共有上下两根，位于保护套筒内，钢套环套在顶管管节外一圈；活塞固定在铁质芯棒上，弹簧串联起上下两个芯棒组成电磁式伸缩臂，电磁式伸缩臂位于顶管管节的管节凹槽的装置预留槽道上，电磁式伸缩臂与活塞固定的一端伸入六通气压平衡腔室电磁式伸缩臂；加压阀门位于加压管上，六通气压平衡腔室位于顶管管节的管节凹槽的装置预留槽道上；中空橡胶止水带整体被夹在电磁式伸缩臂内，中空橡胶止水带底部通过加压孔与六通气压平衡腔室上的气嘴套在一起，并套有一圈密封圈，鼓风机通过加压管对其进行加压；出水口位于储水管上。以及提供一种止水操作方法。本发明耐久性高并能够有效监测装置是否正常运行。
Description
技术领域
本发明属于特大顶管止水领域，涉及一种预紧加压膨胀式特大顶管止水装置及操作方法，适用于特大顶管止水。
背景技术
随着我国经济持续稳定地增长，城市化进程的进一步加快，我国地下管线的需求量也在逐年增加，加之人们对环境保护意识的增强，顶管技术将在我国地下管线的施工中起到越来越重要的地位和作用。伴随着顶管技术的不断发展，顶管机的口径越来越大，一些特大顶管机相继面世并得到普遍应用。由此，在顶管施工时对止水装置的要求越来越高，而传统的顶管止水装置仅仅是依靠管节接口凹槽处粘贴的橡胶止水带起到防渗止水效果。但是，橡胶止水带在管节施工过程中易发生翻转、移位和断裂，导致橡胶止水带减弱甚至失去止水效果；再者由于管节接口处不透明，即使橡胶止水带发生翻转、移位和断裂的现象情况时，施工人员无法及时获知和修补，影响止水防渗的效果，达不到设计目的。
发明内容
为了克服现有特大顶管止水装置易在管节对接时橡胶止水带易发生翻转、移位和断裂，影响止水防渗的效果，本发明提供一种预紧加压膨胀式特大顶管止水装置及操作方法，能够有效避免上述常规特大顶管止水方式的缺点，本发明不但可以有效的止水防渗，而且耐久性高并能够有效监测装置是否正常运行。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种预紧加压膨胀式特大顶管止水装置，包括铁质芯棒、钢套环、上导线、保护套筒、弹簧、工字活塞、单向阀门、气嘴、下导线、顶管管节、活塞、电磁式伸缩臂、限位挡板、连接杆、加压阀门、六通气压平衡腔室、加压管、中空橡胶止水带、加压孔、鼓风机、出水口和储水管；
所述铁质芯棒共有上下两根，位于保护套筒内，上导线以从朝上往下看逆时针方式缠绕在上铁质芯棒上，下导线以从朝上往下看顺时针的方式缠绕在下铁质芯棒上，由固定在活塞的弹簧连接成一个整体；
所述钢套环套在顶管管节外一圈；
所述活塞固定在铁质芯棒上，弹簧串联起上下两个芯棒组成电磁式伸缩臂，在腔室内与加压管平行；工字活塞的一端位于储水管内，另一端位于六通气压平衡腔室内，受限于限位挡板；单向阀门位于六通气压平衡腔室上，使得气体只能从外界进入腔室内，而不能从腔室内离开；气嘴位于六通气压平衡腔室上，通过加压孔伸入中空橡胶止水带中，并在周围缠绕密封圈；
电磁式伸缩臂位于顶管管节的管节凹槽的装置预留槽道上，电磁式伸缩臂与活塞固定的一端伸入六通气压平衡腔室电磁式伸缩臂；限位挡板位于储水管内，限制工字活塞只能往管内推进而不能外移，连接杆位于储水管内，连接工字活塞上的两个活塞；加压阀门位于加压管上，六通气压平衡腔室位于顶管管节的管节凹槽的装置预留槽道上；中空橡胶止水带整体被夹在电磁式伸缩臂内，中空橡胶止水带底部通过加压孔与六通气压平衡腔室上的气嘴套在一起，并套有一圈密封圈，鼓风机通过加压管对其进行加压；
所述出水口位于储水管上。
进一步，所述装置还包括原电池反应池，所述原电池反应池由锌片、硫酸铜溶液和铜片组成，所述原电池反应池镶嵌在铁质芯棒内侧，锌片位于原电池反应池左侧，充当原电池的负极，硫酸铜溶液位于原电池反应池内，铜片位于原电池反应池右侧，充当原电池的正极。
再进一步，所述装置还包括装置预留槽道和可视化幕板，顶管管节处设有管节凹槽，储物容器和储水管位于装置预留槽道，储物容器与储水管顺序拼接，储物容器内装有无水硫酸铜晶体和可视化幕板，可视化幕板位于储物容器上，可透过幕板观察无水硫酸铜晶体是否变蓝，以此判断装置是否正常工作。
一种预紧加压膨胀式特大顶管止水装置的操作方法，包括以下步骤：
步骤1、围绕特大顶管管节的管节凹槽处设置装置预留槽道，确保整个装置能贴合管节，便于装置在使用过程的正常运转；
步骤2、把无水硫酸铜晶体放入储物容器，内推工字活塞将储水管中的气体挤出，再往外拉动工字活塞将储水管装满水，之后放入储物容器但出水口与无水硫酸通晶体不接触，中间预留孔隙；
步骤3、在工字活塞和连接杆交接处设置有限位挡板，使得工字活塞只能在六通气压平衡腔室的影响下外力挤压储水管，而不能外拉；最后将工字活塞的另一端伸入六通平衡器腔室，保证紧密接触无缝隙；
步骤4、上导线和下导线分别缠绕在铁质芯棒上，通电后相对的两端产生的磁极异极相吸，之后把两块活塞分别固定在两根铁质芯棒上，之后整个装置放入装置预留槽道，再用弹簧固定在两块活塞上，串联其上下两根铁质芯棒；
步骤5、在特大顶管准备顶进施工前，将原点池反应池嵌入铁质芯棒中，之后将保护套筒套在外围，起到保护作用，防止钢套环在顶进时扯断导线和磨损铁质芯棒，影响装置工作；最后往两侧撑开电磁式伸缩臂，让中孔橡胶止水带能放入装置内，止水带的加压孔对准气嘴并套上密封圈，气体只能从单向阀门中进入，待腔室气压内外平衡后，气体便不再进入；
步骤6、原电池反应池内发生化学反应产生电流，通电的导线缠绕在铁质芯棒上，成为简易的电磁铁；此时，中空橡胶止水带受到磁力和弹簧的作用；
步骤7、在钢套环顶进过程中，如果中空橡胶止水带被破坏，则电磁式伸缩臂在磁力和弹簧弹力的作用下迅速回位；腔室内气体收到挤压，使得强室内气压大于外界气压，而单向阀门处气体不能向外排出，只能推动工字活塞挤压储水管，造成管内气压变化，管内的水0在气压的作用下，从出水口中被挤到储物容器，无水硫酸铜晶体与水接触变蓝，透过可视化幕板观察到晶体变蓝，则可判断中空橡胶止水带受到破坏，需要停止施工，更换止水带；
步骤8、若没有观察到晶体变蓝色，则在施工结束后，对中空橡胶止水带进行加压，先打开加压阀门再使用鼓风机通过加压管对止水带进行加压；待加压完毕后，移开鼓风机，关闭阀门，此时止水带受压膨胀，装置内缝隙进一步减少。
进一步，所述步骤1中，围绕特大顶管管节的管节凹处等角度设置个装置预留槽道分别位于管节的四方。
更进一步，所述步骤4中，上导线从上往下逆时针缠绕，下导线则是从上往下顺时针缠绕，保证通电后相对的两端产生的磁极异极相吸。
本发明的有益效果主要表现在：
(1)本装置具有预紧加压，连接牢靠的优点。本申请装置通过电磁式伸缩臂17中的原电池10，上下导线3和9以及铁质芯棒1构成简易的电磁铁产生磁力，同时加上弹簧5的收缩弹力，共同作用在中空橡胶止水带25上，预紧加压双重保护。橡胶止水带为“凸”型，装入电磁式伸缩臂组成凹槽中后会卡住前者，不易在顶进时翻转、移位和断裂，连接牢靠。
(2)本装置具有中空止水带加压膨胀，止水效果更好的优点。本申请装置通过加压阀门22，利用鼓风机27直接对中空橡胶止水带25内部加压，止水带受压膨胀，挤压钢套环2等周边相邻构件，使得更加贴合管节14，减少缝隙，提高装置止水效率。
(3)本装置具有耐久性高的优点。本申请装置通过套在电磁式伸缩臂17的保护套筒4，使得在管节顶进施工与钢套环2的摩擦挤压中，上导线3、下导线9和铁质芯棒1不会被顶进的钢套环2所破坏，增加装置耐久性。
(4)本装置具有实时监测橡胶止水带状况的优点。本申请装置通过可视化幕板21可随时监控的装置内无水硫酸铜晶体16的颜色变化，以此来判断装置的状况。倘若在顶进时装置内的中空橡胶止水带25发生翻转、移位和断裂，工字活塞6会推动储水管3中的气体，使得水20会从出水口32中挤出。透过可视化幕板21观察到晶体由白色变成蓝色，则可判断装置受到破坏，不能正常工作，需要及时停止施工进行整修。
附图说明
图1为预紧加压膨胀式特大顶管止水装置的主剖面图。
图2为预紧加压膨胀式特大顶管止水装置的布置图。
图3为预紧加压膨胀式特大顶管止水装置的正视图。
图4为橡胶止水带脱落、扯断装置收缩图。
图5为中空橡胶止水带加压图。
图6为图1所示装置的剖面图，其中，(a)是A-A截面剖面图，(b)是B-B截面剖面图。
图7为储水管详图.
图8为储物容器详图。
图9为六通气压平衡腔室详图。
图10为电磁式伸缩臂详图。
图11为装置详图。
图12为活塞和原电池反应池详图。
图13为橡胶止水带详图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图13，一种预紧加压膨胀式特大顶管止水装置，包括铁质芯棒1、钢套环2、上导线3、保护套筒4、弹簧5、工字活塞6、单向阀门7、气嘴8、下导线9、原电池反应池10、锌片11、硫酸铜溶液12、铜片13、顶管管节14、活塞15、无水硫酸铜晶体16、电磁式伸缩臂17、限位挡板18；连接杆19、水20、可视化幕板21；加压阀门22；六通气压平衡腔室23、加压管24、中空橡胶止水带25、加压孔26、鼓风机27、装置预留槽道28、管节凹槽29、密封圈30、储物容器31、出水口32、储水管33。
铁质芯棒1，共有上下两根，位于保护套筒4内，在顶进时受其保护，不易破坏。上导线3和下导线9分别以从朝上往下看逆时针和顺时针的方式缠绕在芯棒上。由固定在活塞15的弹簧5连接成一个整体。
钢套环2，套在顶管管节外一圈。
上导线3，以从上往下看逆时针的方式缠绕在铁质芯棒上。
保护套筒4，位于铁质芯棒1外侧。起到保护芯棒的导线的作用，可与铁棒共同移动。
弹簧5，固定在活塞15上，活塞15固定在铁质芯棒1上，弹簧串联起上下两个芯棒组成电磁式伸缩臂17。在腔室内与加压管24平行，工作时互不干扰。
工字活塞6，一端位于储水管33内另一端位于六通气压平衡腔室23内，受限于限位挡板18，只能往储水管33内推进而不能外移。
单向阀门7，位于六通气压平衡腔室23上，使得气体只能从外界进入腔室内，而不能从腔室内离开。
气嘴8，位于六通气压平衡腔室23上，通过加压孔26伸入中空橡胶止水带25中，并在周围缠绕密封圈30，打开加压阀门21，利用鼓风机27即可对止水带进行加压。
下导线9，以从上往下看顺时针的方式缠绕在铁质芯棒上。
原电池反应池10，由锌片11、硫酸铜溶液12和铜片13组成，装置镶嵌在铁质芯棒1内侧。
锌片11，位于原电池反应池10左侧，充当原电池的负极。
硫酸铜溶液12，于原电池反应池10内，是原电池反应的电解质溶液。
铜片13，位于原电池反应池10右侧，充当原电池的正极。
顶管管节14，位于钢套环2的内侧。
活塞15，固定在铁质芯棒1上，另一端固定有弹簧5。侧面紧贴六通气压平衡腔室23，密闭腔室。
无水硫酸铜晶体16，位于储物容器31内，遇水20会变蓝色
电磁式伸缩臂17，位于顶管管节14的管节凹槽29的装置预留槽道28上。由铁质芯棒1、上导线3、保护套筒4、弹簧5、下导线9，原电池反应池10和活塞15组成。与活塞5固定的一端伸入六通气压平衡腔室23，由弹簧5串联成一个整体。
限位挡板18，位于储水管33内，限制工字活塞6只能往管内推进而不能外移。
连接杆19，位于储水管33内，连接工字活塞6上的两个活塞。
水20，位于储水管33内。
可视化幕板21，位于储物容器31上，可透过幕板观察无水硫酸铜晶体16是否变蓝，以此判断装置是否正常工作。
加压阀门22，位于加压管24上，打开阀门，则可利用鼓风机27给中空橡胶止水带25加压。
六通气压平衡腔室23，位于顶管管节14的管节凹槽29的装置预留槽道28上。由弹簧5、单向阀门7、气嘴8、活塞15、加压阀门22和加压管24组成。依靠工字活塞6、两个活塞15、单向阀门7和加压阀门22使得腔室形成密闭空间。
加压管24，位于六通气压平衡腔室内23内，在腔室内与弹簧5平行，工作时互不干扰。
中空橡胶止水带25，整体被夹在电磁式伸缩臂内17，底部通过加压孔26与六通气压平衡腔室23上的气嘴8套在一起，并套有一圈密封圈30。鼓风机27通过加压管24对其进行加压。
加压孔26，位于中空橡胶止水带25的底部，气嘴8从中进入止水带，套有密封圈30。
鼓风机27，位于加压阀门22外，顶进施工结束后，打开阀门，对止水带进行加压。
装置预留槽道28，在顶管管节14制作时，提前在管节凹槽29处预留槽道，装置位于槽道内。
管节凹槽29，位于顶管管节14处。
密封圈30，套在止水带加压孔26上，使得加压过程中，气体不会从中泄漏。
储物容器31，位于装置预留槽道28，与储水管33顺序拼接，装有无水硫酸铜晶体16和可视化幕板21。
出水口32，位于储水管33上，当止水带翻转、移位和断裂时，水20会从被挤出，使得无水硫酸铜晶体变色16。
储水管33，位于装置预留槽道28，与储物容器31顺序拼接，装有水20。
一种预紧加压膨胀式特大顶管止水装置的操作方法，包括以下步骤：
步骤1、围绕14.8m*9.426m特大矩形顶管管节14的管节凹槽29处等角度设置4个装置预留槽道28，分别位于管节的四方，确保整个装置能贴合管节，便于装置在使用过程的正常运转。
步骤2、把无水硫酸铜晶体16放入储物容器31。内推工字活塞6将储水管33中的气体挤出，再往外拉动工字活塞6将储水管33装满水20，之后放入储物容器31但出水口32与无水硫酸通晶体16不接触，中间预留孔隙，避免工作期间出水口32被堵住无法正常工作。
步骤3、为避免工字活塞6上移动导致水回流，在工字活塞6和连接杆19交接处设置有限位挡板18，使得工字活塞6只能在六通气压平衡腔室23的影响下外力挤压储水管33，而不能外拉。最后将工字活塞的另一端伸入六通平衡器腔室，保证紧密接触无缝隙。
步骤4、上导线3和下导线9分别缠绕在铁质芯棒1上，导线3从上往下逆时针缠绕，而导线9则是从上往下顺时针缠绕，保证通电后相对的两端产生的磁极异极相吸。之后把两块活塞15分别固定在两根铁质芯棒1上，之后整个装置放入装置预留槽道28，再用弹簧5固定在两块活塞15上，串联其上下两根铁质芯棒1。
步骤5、为避免原电池10内锌片11和硫酸铜溶液12过早反应，提前被消耗。在特大顶管准备顶进施工前，将原点池反应池10嵌入铁质芯棒1中，之后将保护套筒4套在外围，起到保护作用，防止钢套环2在顶进时扯断导线和磨损铁质芯棒，影响装置工作。最后往两侧撑开电磁式伸缩臂17，让中孔橡胶止水带25能放入装置内，止水带的加压孔26对准气嘴8并套上密封圈30，保证加压时气体不发生泄漏。此时因为伸缩臂外移，气压平衡腔室内气压低于外界气压，而工字活塞6在限位挡板18的作用不会被外界气体推动。故气体只能从单向阀门7中进入，待腔室气压内外平衡后，气体便不再进入。
步骤6、原电池反应池10内发生化学反应产生电流，通电的导线缠绕在铁质芯棒1上，成为简易的电磁铁。此时，中空橡胶止水带25在磁力和弹簧的作用受到双重挤压基本不会翻转、移位和断裂。
步骤7、倘若在钢套环顶进过程中，中空橡胶止水带25被破坏，则电磁式伸缩臂17在磁力和弹簧弹力的作用下迅速回位。腔室内气体收到挤压，使得强室内气压大于外界气压。而单向阀门8处气体不能向外排出，只能推动工字活塞6挤压储水管33，造成管内气压变化。管内的水20在气压的作用下，从出水口32中被挤到储物容器31，无水硫酸铜晶体16与水接触变蓝。透过可视化幕板21观察到晶体变蓝，则可判断中空橡胶止水带25受到破坏，需要停止施工，更换止水带。
步骤8、若没有观察到晶体变蓝色，则在施工结束后，对中空橡胶止水带25进行加压。先打开加压阀门22再使用鼓风机27通过加压管24对止水带进行加压。待加压完毕后，移开鼓风机27，关闭阀门。此时止水带受压膨胀，装置内缝隙进一步减少。装置的止水效率大大提高。
某快速路环线下穿工程采用顶管法施工，矩形特大顶管规格为14.8m*9.426m，采用橡胶止水带进行止水防渗。用强力胶水将止水带粘贴于混凝土管口两道凹槽处，并在管节对接前涂上无腐蚀性润滑油。但在与钢套环的对接时易发生翻转、移位和断裂，影响装置的止水效果影响。且止水带被钢套环遮挡位置隐蔽不易监测其工作状况。而利用预紧加压膨胀式特大顶管止水装置不仅可以有提高止水效率，而且装置耐久性高不易破坏同时还能在线监控装置的运行。
本说明书的实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，仅作说明用途。本发明的保护范围不应当被视为仅限于本实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域的普通技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。
Claims (6)
1.一种预紧加压膨胀式特大顶管止水装置，其特征在于，所述装置包括铁质芯棒、钢套环、上导线、保护套筒、弹簧、工字活塞、单向阀门、气嘴、下导线、顶管管节、活塞、电磁式伸缩臂、限位挡板、连接杆、加压阀门、六通气压平衡腔室、加压管、中空橡胶止水带、加压孔、鼓风机、出水口和储水管；
所述铁质芯棒共有上下两根，位于保护套筒内，上导线以从朝上往下看逆时针方式缠绕在上铁质芯棒上，下导线以从朝上往下看顺时针的方式缠绕在下铁质芯棒上，由固定在活塞的弹簧连接成一个整体；所述钢套环套在顶管管节外一圈；所述活塞固定在铁质芯棒上，弹簧串联起上下两个芯棒组成电磁式伸缩臂，在腔室内与加压管平行；工字活塞的一端位于储水管内，另一端位于六通气压平衡腔室内，受限于限位挡板；单向阀门位于六通气压平衡腔室上，使得气体只能从外界进入腔室内，而不能从腔室内离开；气嘴位于六通气压平衡腔室上，通过加压孔伸入中空橡胶止水带中，并在周围缠绕密封圈；电磁式伸缩臂位于顶管管节的管节凹槽的装置预留槽道上，电磁式伸缩臂与活塞固定的一端伸入六通气压平衡腔室电磁式伸缩臂；限位挡板位于储水管内，限制工字活塞只能往管内推进而不能外移，连接杆位于储水管内，连接工字活塞上的两个活塞；加压阀门位于加压管上，六通气压平衡腔室位于顶管管节的管节凹槽的装置预留槽道上；中空橡胶止水带整体被夹在电磁式伸缩臂内，中空橡胶止水带底部通过加压孔与六通气压平衡腔室上的气嘴套在一起，并套有一圈密封圈，鼓风机通过加压管对其进行加压；所述出水口位于储水管上。
2.如权利要求1所述的一种预紧加压膨胀式特大顶管止水装置，其特征在于，所述装置还包括原电池反应池，所述原电池反应池由锌片、硫酸铜溶液和铜片组成，所述原电池反应池镶嵌在铁质芯棒内侧，锌片位于原电池反应池左侧，充当原电池的负极，硫酸铜溶液位于原电池反应池内，铜片位于原电池反应池右侧，充当原电池的正极。
3.如权利要求1或2所述的一种预紧加压膨胀式特大顶管止水装置，所述装置还包括装置预留槽道和可视化幕板，顶管管节处设有管节凹槽，储物容器和储水管位于装置预留槽道，储物容器与储水管顺序拼接，储物容器内装有无水硫酸铜晶体和可视化幕板，可视化幕板位于储物容器上，可透过幕板观察无水硫酸铜晶体是否变蓝，以此判断装置是否正常工作。
4.一种如权利要求1所述的预紧加压膨胀式特大顶管止水装置的操作方法，其特征在于，所述操作方法包括以下步骤：
步骤1、围绕特大顶管管节的管节凹槽处设置装置预留槽道，确保整个装置能贴合管节，便于装置在使用过程的正常运转；
步骤2、把无水硫酸铜晶体放入储物容器，内推工字活塞将储水管中的气体挤出，再往外拉动工字活塞将储水管装满水，之后放入储物容器但出水口与无水硫酸通晶体不接触，中间预留孔隙；
步骤3、在工字活塞和连接杆交接处设置有限位挡板，使得工字活塞只能在六通气压平衡腔室的影响下外力挤压储水管，而不能外拉；最后将工字活塞的另一端伸入六通平衡器腔室，保证紧密接触无缝隙；
步骤4、上导线和下导线分别缠绕在铁质芯棒上，通电后相对的两端产生的磁极异极相吸，之后把两块活塞分别固定在两根铁质芯棒上，之后整个装置放入装置预留槽道，再用弹簧固定在两块活塞上，串联其上下两根铁质芯棒；
步骤5、在特大顶管准备顶进施工前，将原点池反应池嵌入铁质芯棒中，之后将保护套筒套在外围，起到保护作用，防止钢套环在顶进时扯断导线和磨损铁质芯棒，影响装置工作；最后往两侧撑开电磁式伸缩臂，让中孔橡胶止水带能放入装置内，止水带的加压孔对准气嘴并套上密封圈，气体只能从单向阀门中进入，待腔室气压内外平衡后，气体便不再进入；
步骤6、原电池反应池内发生化学反应产生电流，通电的导线缠绕在铁质芯棒上，成为简易的电磁铁；此时，中空橡胶止水带受到磁力和弹簧的作用；
步骤7、在钢套环顶进过程中，如果中空橡胶止水带被破坏，则电磁式伸缩臂在磁力和弹簧弹力的作用下迅速回位；腔室内气体收到挤压，使得强室内气压大于外界气压，而单向阀门处气体不能向外排出，只能推动工字活塞挤压储水管，造成管内气压变化，管内的水0在气压的作用下，从出水口中被挤到储物容器，无水硫酸铜晶体与水接触变蓝，透过可视化幕板观察到晶体变蓝，则可判断中空橡胶止水带受到破坏，需要停止施工，更换止水带；
步骤8、若没有观察到晶体变蓝色，则在施工结束后，对中空橡胶止水带进行加压，先打开加压阀门再使用鼓风机通过加压管对止水带进行加压；待加压完毕后，移开鼓风机，关闭阀门，此时止水带受压膨胀，装置内缝隙进一步减少。
5.如权利要求4所述的操作方法，其特征在于，所述步骤1中，围绕特大顶管管节的管节凹处等角度设置个装置预留槽道分别位于管节的四方。
6.如权利要求4或5所述的操作方法，其特征在于，所述步骤4中，上导线从上往下逆时针缠绕，下导线则是从上往下顺时针缠绕，保证通电后相对的两端产生的磁极异极相吸。
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