CN1603582A - 一种液压式变气门控制系统 - Google Patents
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Abstract
一种液压式变气门控制系统,其包括液压供给装置、液压作动件、气门和弹簧,液压作动件又包括油缸、活塞及活塞杆,其特征在于:还包括带有压力口、控制口、泄油口和比例信号发生装置的三通比例减压阀,上述活塞将油缸分成左腔和右腔,液压供给装置通过进油管与三通比例减阀的压力口相连,而其压力由比例信号发生装置比例减压控制的控制口与油缸左腔相通,油缸右腔和泄油口则与回流箱相连。由于采用三通比例减压阀作为核心控制元件,因此只需改变三通比例减压阀中的电信号就能改变油缸左腔的压力,从而达到气门按需随时进行变升程和正时的目的,使得系统响应速度快,控制简单,成本低,可靠性好,干扰小;同时活塞杆与缸体之间密封容易,系统流量和压力损失小,因此本发明值得推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种内燃机气门的控制系统,尤其指一种液压式控制的内燃机变气门的控制系统。
背景技术
气门装置是发动机配气机构的一个组成部分,由于内燃发动机的工作运转由进气、压缩、作功和排气四个工作过程组成,其中进气和排气过程,需要依靠发动机的配气机构准确地按各气缸的工作顺序输送可燃混合气(汽油发动机)或新鲜空气(柴油发动机)以及排出燃烧后的废气,而负责上述工作的机件就是配气机构中的气门,因此气门装置在发动机的工作中起着非常重要的作用。可传统的气门机构是由凸轮轴、气门摇臂、气门弹簧、气门导管、气门本体及气门座组成,实践证明,上述结构的气门机构运作比较固定,工作时,气门的正时(时序控制)和升程无法按工作要求随时改变,因此无法同时满足高、低转速的需求。为此,一种变气门控制机构(VVA)便因应运而生,按其作动机构原理可分为机械式、机电式和液压式三种。在机械式变气门控制系统中,发动机气门仍是由凸轮系统驱动,只是在机构中增加了相位器、凸轮的连合,如在保时捷的新911涡轮发动机上,通过一个油压驱动凸轮相位器取得了变正时和有两种设定的离散的升程控制,通过一个油驱动的推杆开关装置来切换。采用上述气门机构,虽然其可节省燃料消耗,降低废气排放量,并可显著地改善了发动机的性能,但由于变正时和变升程仍无法独立控制,因此,发动机的性能仍不十分的理想。而在机电式VVA系统中,初始的作动件是电一机作动件,采用一对带弹簧的电磁铁,即电磁作动件,虽然在实验室的试验中节省燃料可高至18%,并能降低碳氢化合的产生,但在使用过程中发现,当衔铁接近挡铁时,磁力升得很快,而避免碰撞的控制较难完善,因此,其控制的可靠性、牢固性较差,且无法提供可变的升程,另外,为了提高其作动力,往往在原有的12V电瓶上,增加电瓶量,但现有的狭窄空间已无法提供更多的场合供额外电瓶的安装,这势必以增加外壳的体积来达到目的,因此,这种结构限制了机电式变气门控制系统的广泛应用。而液压式变气门控制系统中,其初始作动件为液压作动件,如美国公开号为US2002/0184996A1的《Variable life actuator》就是这样一种方案,在其公开的方案中包括气门、液压供给装置、压力控制调节装置、液压作动件和换向阀,所述的液压作动件又包括油缸筒和位于油缸筒内的上下同轴分布的动作活塞、控制活塞以及控制弹簧,动作活塞和控制活塞将油缸筒分成动作腔、控制腔和回油腔,动作腔通过换向阀后分别与液压供给装置或油箱相连,而控制腔通过压力控制调节装置与液压供给装置相连,回油腔则通过回程流量限制器与油箱相连,活塞杆一端与作动活塞相连,另一端与气门中的气门头相固定,控制活塞可随活塞杆轴向移动,控制弹簧位于回油腔内,其两端分别抵于作动活塞下端与油缸筒底部内壁之间。工作时,给出一定的电信号给换向阀和压力控制调节装置,使换向阀得电或失电,压力控制调节装置调节控制腔内的压力,最终使得作动腔与液压供给装置或油箱相连通,推动作动活塞按需上下移动,从而达到控制气门升程和正时的目的。但上述专利尚无应用,经研究分析:①由于随着技术的发展,汽车发动机的转速已经越来越高,完成四个工作过程只需0.005秒的时间,因此要求换向阀的响应时间很快,而要满足这样短的响应时间,使得换向阀的制造成本很高,最终导致产品过于昂贵,而无法进行工业化生产。②由于其在油缸筒内设有控制活塞、控制腔和控制弹簧,在液压回路中设有电液压力调节器等元件,使得其系统相对复杂,可靠性差。③其气门的开启高度与液压系统的压力有关,因此受系统的干扰较大,具有脉动大等缺陷。④同时,受油缸体积的影响,控制弹簧的性能受到一定的限制,使得其频响不高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状,提供一种结构简单、成本低、响应速度快的液压式变气门控制系统。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为:该液压式变气门控制系统包括液压供给装置、液压作动件、气门和弹簧,所述的液压作动件又包括油缸、活塞及活塞杆,所述的活塞杆与气门相联动,而所述的弹簧套在活塞杆上并使活塞始终具有背向气门移动的趋势,其特征在于:还包括带有压力口、控制口、泄油口和比例信号发生装置的三通比例减压阀,所述的活塞将油缸分成左腔和右腔,所述的液压供给装置通过进油管与上述三通比例减阀的压力口相连,所述的控制口与所述的油缸左腔相通,而该控制口的压力由所述的比例信号发生装置比例控制,所述的油缸右腔和泄油口则与回流箱相连。
所述的三通比例减压阀包括有阀体和阀芯,所述的阀芯为带有至少两个台肩的圆柱棒体,且其容纳在阀体的主要孔道内,并在该主要孔道上设有与上述台肩相对应的沉割槽,所述的阀体与阀芯装配后的主要孔道上形成五个腔室,其中有三个腔室分别与压力口、控制口及泄油口相通而称为P腔、A腔和T腔,其余两个腔室分布在所述阀芯的两端,所述的比例信号发生装置装于阀芯的一端并与其相贴接,且该端的腔室称为X腔,而相反一端的腔室称为Y腔,所述的X腔经第一油路与T腔相沟通,所述的Y腔经第二油路与A腔相沟通,所述的阀芯与阀体之间有且仅有第一控制边和第二控制边,且第一控制边位于P腔与A腔之间,而第二控制边位于A腔与T腔之间,所述的比例信号发生装置在自然状态下,所述的第一控制边关闭,而第二控制边开启。
所述的台肩可以为二个,其中邻近Y腔的台肩为第一台肩,而邻近X腔的台肩为第二台肩,所述的第一控制边和第二控制边分别分布在第一、第二台肩的相对端面与各自沉割槽侧边之间,而所述的P腔由第一台肩处的沉割槽形成,所述的T腔由第二台肩处的沉割槽形成,所述的A腔由位于P腔和T腔之间的主要通道形成。
所述的台肩也可以为三个,其中邻近X腔的台肩为右台肩,而邻近Y腔的台肩为左台肩,位于阀芯中部的台肩为中间台肩,所述的第一控制边和第二控制边分别分布在中间台肩的两侧端面与其沉割槽的相应侧边之间,而所述的A腔由中间台肩处的沉割槽形成,所述的T腔由左台肩与中间台肩之间的主要通道形成,所述的P腔则由中间台肩与右台肩之间的主要通道形成。
所述的比例信号发生装置可以为比例电磁铁,或为力矩马达或为电-机械转换器。
所述的第一油路可以为位于所述的阀体上的第一工艺油孔,也可以为位于所述的阀体外的第一管道。
所述的第二油路可以为位于所述的阀芯上的油孔或位于所述阀体上的第二工艺油孔或位于阀体外的第二管道。
所述的Y腔内最好设有一端抵于阀芯端面上,另一端抵于阀体上的压缩弹簧。
所述的活塞顶部可以设有一凸起,相对应地,在所述的油缸上盖处设有与其相匹配的缓冲腔,并在油缸上设有一端与缓冲腔相贯通的油道,该油道的另一端则通过允许液压油流入油缸左腔的单向阀与所述的控制口相连。
所述的弹簧可以套在位于油缸右腔内的活塞杆上,也可以套在位于油缸之外的活塞杆上。
与现有技术相比,本发明的优点在于:由于采用三通比例减压阀作为核心控制元件,因此气门开启的高度与系统的压力无关,只取决于三通比例减压阀中控制口的压力,因而无需利用位移传感器进行闭环控制,而只需改变三通比例减压阀中比例信号发生装置中的信号就能改变油缸左腔的压力,从而保证了在50HZ以上气门开启时能按任意给定的规律运动,气门油缸复位时,气门能迅速的关闭,即达到了气门按需随时进行变升程和正时的目的,因此,用三通比例减压阀替代换向阀,使得系统响应速度快,控制简单,成本低,可靠性好,干扰小。同时由于油缸右腔直接连于回油箱,这一方面使得油缸的右腔油压为常压(油箱压力),从而有利于活塞杆与油缸体之间的密封,以保证其可靠工作的同时延长了油缸使用寿命;另一方面使得油缸左腔的工作压力相对较低,从而可降低系统压力,并且同时使得工作压力可与系统压力尽可能的接近,以减小系统压力的损失。再者,活塞头部的缓冲装置,可避免气门关闭时发生碰撞。另外,采用本发明的三通比例减压阀,在工作过程中始终只有一个控制边在工作,因此没有附加的流量损失;而将比例信号发生装置侧的X腔连于泄油口,使得比例信号发生装置内部不再承受高压,故其工作可靠。因此,本发明可满足内燃发动机的更高工作速度要求,可在内燃发动机上推广应用。
附图说明
图1为本发明第一实施例的系统示意图;
图2为第一实施例中阀芯的立体示意图;
图3为本发明第二实施例系统示意图;
图4为第二实施例中阀芯的立体示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
第一实施例,如图1所示,该液压式变气门控制系统包括液压供给装置(图中未视)、液压作动件、气门、弹簧7和三通比例减压阀,其中,液压供给装置由常规的液压泵和压力调节阀等组成,而液压作动件又包括油缸6、活塞8及活塞杆,活塞8将油缸6分成左腔和右腔,活塞杆一端与活塞8相固联,另一端伸出油缸6缸体后与气门中的气门头9相联动,上述弹簧7套在位于油缸6右腔内的活塞杆上(也可装在活塞缸外的活塞杆上),使活塞8始终具有背向气门移动的趋势。所述的三通比例减压阀包括阀体1、阀芯2和位于阀体外部的压力口P、控制口A、泄油口T以及比例信号发生装置,而在本实施例中,该比例信号发生装置采用常规的比例电磁铁。上述液压供给装置通过进油管与三通比例减阀的压力口P相连,而三通比例减压阀的控制口A压力由比例电磁铁的电信号比例减压控制,且其与油缸6的左腔相通,油缸6右腔和三通比例减压阀的泄油口T则与回流箱相连。
考虑到气门关闭时,避免活塞8与油缸6顶部内壁发生碰撞,在活塞8顶部设有一凸起,在这里,该凸起采用锥形凸肩81,相对应地,在油缸上盖处设有与其相匹配的锥形缓冲腔62,并在油缸上设有一端与缓冲腔相贯通的油道61,该油道61的另一端则通过允许液压油流入油缸左腔的单向阀5后,与三通比例减压阀的控制口A相连;当然,所述的凸起也可以采用如圆柱形的凸肩等形状,只要能起到缓冲作用即可。
在本实施例中,上述三通比例减压阀的阀芯是采用带有二台肩的圆柱棒体,如图2所示,阀芯2容纳在阀体1的主要孔道内,并在该主要孔道上设有与上述两台肩相对应的两沉割槽,这样阀体1与阀芯2装配后,在主要孔道上形成五个腔室,其中两个腔室分别由位于阀芯两端的主要通道形成,上述比例电磁铁装于阀芯的一端,比例电磁铁的顶杆4与该端的阀芯2端面相贴接,且该端的腔室称X腔15;而相反一端的腔室称Y腔11,并在Y腔11内设有比较软的压缩弹簧3,该压缩弹簧3一端与阀芯2左端面相低,另一端与弹簧座相抵,而弹簧座与阀体1密封连接,使得阀芯2始终具有向比例电磁铁侧移动的趋势,从而保证工作过程中阀芯2与比例电磁铁的顶杆4始终处于相接触的状态。而其余三个腔室分别与压力口P、控制口A及泄油口T相通而称为P腔12、A腔13和T腔14,且所述的X腔15经第一油路与T腔14相沟通,所述的Y腔11经第二油路与A腔13相沟通,在这里第一油路采用加工在阀体上的第一工艺油孔16,而第二油路采用位于阀芯上的油孔23来实现。当然第一油路也可以通过增设位于阀体外部的第一管道来实现,而第一油路采用加工在阀体上的第二工艺油孔或位于阀体外的第二管道来达到目的。在上述两台肩中,邻近Y腔的台肩为第一台肩21,而邻近X腔的台肩为第二台肩22,所述的P腔12则由第一台肩21处的沉割槽形成,T腔14由第二台肩22处的沉割槽形成,所述的A腔由位于P腔和T腔之间的主要通道形成。并在第一台肩21、第二台肩22的相对端面与各自沉割槽侧边之间形成第一控制边C1和第二控制边C2,所述的比例电磁铁在自然状态下(即初始状态下),比例电磁铁的输入电流为零,由于压缩弹簧3的预压缩以及P腔到A腔存在泄漏造成的A腔残余压力的共同作用下,使阀芯被推向电磁铁所在一侧,使所述的第一控制边C1关闭,而第二控制边C2开启,且A腔的油压力为零。
工作时,给三通比例减压阀的比例电磁铁通入一定的电流,则在电磁铁上产生与电流成正比的电磁推力F,该电磁推力F克服压缩弹簧3的作用力,使阀芯2及两台肩向Y腔侧移动,从而使第一控制边C1打开,第二控制边C2关闭,此时压力油P依次经过压力口、P腔、第一控制边C1、A腔后流向控制口,即压力口A与控制口P相通,控制口的压力PA升高,同时压力PA通过阀芯上的油孔23通到Y腔,即作用在阀芯2的左端面上,此力对电磁铁而言是反馈作用力,在该反馈作用力及压缩弹簧3的共同作用下,降低了阀芯2向Y腔移动的速度,当控制口的压力PA升高到与电磁推力F相等时,阀芯2达到一个动态平衡。
上述阀芯2平衡位置的调节过程是自动实现的,阀芯2运动受到控制口压力、弹簧力、电磁推力及摩擦力的共同作用,平衡位置满足如下方程式:
式中:d-阀芯直径
pA-A腔压力
FS-弹簧力
F-电磁推力
Ff-摩擦力
由于压缩弹簧3选的很软,其力远小于电磁推力,摩擦力通常比电磁推力小的多,由于电磁推力与电磁铁的输入电流信号成比例关系,则在一定意义下调节的结果实现了控制口压力PA与电磁铁的输入电流信号成比例地控制。
由于三通比例减压阀的控制口A通过进油管与油缸6的左腔相连通,而油缸的右腔直接连于回油箱,因此随着电信号的变化,控制口A的压力PA变化将直接施加到油缸6的左腔,若控制口的压力PA增大,则遂渐压缩弹簧7,活塞8向油缸右腔运动,通过活塞杆带动气门头9向右运动,直至控制口的压力PA与弹簧7的作用力相平衡。同理,若控制口的压力PA减小,则在弹簧7回复力的作用下,活塞8向油缸左腔运动,带动气门头9向左运动,也直至合力与弹簧7的回复力相平衡;在上述两种平衡状态下,活塞8静止不动,气门头与气门座之间得到一个与之相应的间距。
若在上述动态平衡的状态下,当比例电磁铁的电流信号增大时,则比例电磁铁的电磁推力F随之增大,电磁推力F推动阀芯2向Y腔侧移动,使第一控制边C1的开口增大,则控制口A的压力PA上升,其通过阀芯2上的油孔23作用在阀芯的左端面上,推动阀芯2向X腔侧移动,最终与电磁推力F达到又一次的动态平衡。此时,使得油缸6左腔的压力也随之增大,克服弹簧7的作用力,使活塞8向油缸右腔移动,直至与弹簧7建立新的平衡为止,则此时活塞8也又一次处于静止状态,气门头9与气门座之间也得到一个与之相应的合适间距。
反之,在上述动态平衡的状态下,当比例电磁铁的电流信号减小时,比例电磁铁推力随之减小,则阀芯在压力PA的作用下,阀芯2带动两台肩向X腔侧移动,使第一控制边C1的开口减小,则控制口的压力PA也随之减小,该减小后的压力PA作用到阀芯的左端,使阀芯2停止向X腔侧移动,最终与电磁推力F达到再一次的动态平衡。同时也使得油缸左腔的压力减小,在弹簧7回复力的作用下,活塞8向油缸6左腔移动,直至与弹簧7建立新的平衡,此时的活塞8再一次处于静止不动,气门头9与气门座之间重新得到一个与之相对应的合适间距。
就这样,活塞8随着外界电信号的变化,随之快速的左右移动,使气门头9与气门座之间得到一个相应的开口。欲使气门关闭时,令比例电磁铁的电流突降至零或者较小的初值,阀芯靠电磁铁端的作用力消失,这时在复位弹簧的作用下,油缸的左腔、三通比例减压阀的A腔以及阀芯的左端的Y腔仍有一定的压力,在此压力的作用下,阀芯迅速向电磁铁一侧运动,第一控制边C1关闭,第二控制边C2开口最大,油缸左腔排除油液的阻力最小,气门得以迅速关闭。
当活塞8在运动过程中,接近油缸6左腔的行程终点时,活塞8上的台肩81伸入至环形缓冲腔62内,因油道61被单向阀5封闭,缓冲腔62内的油只能经过缝隙,再经上油口流出,以形成制动阻力。而当活塞8向右运动时,压力油经上油口进入油缸的左腔,压力油同时通过单向阀5、油道61进入缓冲腔62内,使活塞向下运动时不受阻碍。
第二实施例:如图3和图4所示,其与上述第一实施例不同之处在于:阀芯2为带有三个台肩的圆柱棒体,其中,邻近X腔的台肩为右台肩22’,邻近Y腔的台肩为左台肩21’,阀芯2中部的台肩为中间台肩24,上述第一控制边C1和第二控制边C2则分别分布在中间台肩24的两侧端面与其沉割槽的相应侧边之间,而上述A腔由中间台肩24处的沉割槽形成,T腔由左台肩21’与中间台肩24之间的主要通道形成,P腔则由中间台肩24与右台肩22’之间的主要通道形成。同理在比例电磁铁的输入电流为零时,由于压缩弹簧的预压缩以及P腔到A腔存在泄漏造成的A腔残余压力的共同作用下,使阀芯2被推向电磁铁所在一侧,使所述的第一控制边C1关闭,而第二控制边C2开启,A腔的油压为零,其动作原理与上述第一实施例相同,在这里不再累述。
由此可见,选用三通比例减压阀在阀作为气门油缸的控制元件,既能实现气门油缸的左右运动,完成气门的打开与关闭。同时,由于与油缸复位弹簧相对的油缸左腔的压力大小可由三通比例减压阀调节,因此气门开启的行程也随之得以灵活的调节。
本发明的保护范围不局限于所提供的实施例,既使对实施例结构方案作些变动,比如将比例电磁铁替换成力矩马达或电-机械转换器;或对控制边的开口形状进行变化,即在邻近其端面的台肩侧面环带上加工出三角形的斜槽,或方形或梯形的缺口,这样随着阀芯的移动,该斜槽或缺口与阀体之间形成了所述的第一控制边C1和第二控制边C2;或取消上述压缩弹簧,或将弹簧套在位于油缸之外的活塞杆上,这样的方案仍属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1、一种液压式变气门控制系统,其包括液压供给装置、液压作动件、气门和弹簧(7),所述的液压作动件又包括油缸(6)、活塞(8)及活塞杆,所述的活塞杆与气门相联动,而所述的弹簧(7)套在活塞杆上并使活塞(8)始终具有背向气门移动的趋势,其特征在于:还包括带有压力口(P)、控制口(A)、泄油口(T)和比例信号发生装置的三通比例减压阀,所述的活塞(8)将油缸(6)分成左腔和右腔,所述的液压供给装置通过进油管与上述三通比例减阀的压力口(P)相连,所述的控制口(A)与所述的油缸(6)左腔相通,而该控制口(A)的压力由所述的比例信号发生装置比例控制,所述的油缸(6)右腔和泄油口(T)则与回流箱相连。
2、根据权利要求1所述的液压式变气门控制系统,其特征在于:所述的三通比例减压阀包括有阀体(1)和阀芯(2),所述的阀芯为带有至少两个台肩的圆柱棒体,且其容纳在阀体(1)的主要孔道内,并在该主要孔道上设有与上述台肩相对应的沉割槽,所述的阀体(1)与阀芯(2)装配后的主要孔道上形成五个腔室,其中有三个腔室分别与压力口(P)、控制口(A)及泄油口(T)相通而称为P腔(12)、A腔(13)和T腔(14),其余两个腔室分布在所述阀芯的两端,所述的比例信号发生装置装于阀芯(2)的一端并与其相贴接,且该端的腔室称为X腔(15),而相反一端的腔室称为Y腔(11),所述的X腔(15)经第一油路与T腔(14)相沟通,所述的Y腔(11)经第二油路与A腔(13)相沟通,所述的阀芯(2)与阀体(1)之间有且仅有第一控制边(C1)和第二控制边(C2),且所述的第一控制边(C1)位于P腔(12)与A腔(13)之间,而第二控制边(C2)位于A腔(13)与T腔(14)之间,所述的比例信号发生装置在自然状态下,所述的第一控制边(C1)关闭,而第二控制边(C2)开启。
3、根据权利要求2所述的液压式变气门控制系统,其特征在于:所述的台肩为二个,其中邻近Y腔(11)的台肩为第一台肩(21),而邻近X腔(15)的台肩为第二台肩(22),所述的第一控制边(C1)和第二控制边(C2)分别分布在第一、第二台肩的相对端面与各自沉割槽侧边之间,而所述的P腔(12)由第一台肩(21)处的沉割槽形成,所述的T腔(14)由第二台肩(22)处的沉割槽形成,所述的A腔(13)由位于P腔(12)和T腔(14)之间的主要通道形成。
4、根据权利要求2所述的液压式变气门控制系统,其特征在于:所述的台肩为三个,其中邻近X腔(15)的台肩为右台肩(22’),而邻近Y腔(11)的台肩为左台肩(21’),位于阀芯(2)中部的台肩为中间台肩(24),所述的第一控制边(C1)和第二控制边(C2)分别分布在中间台肩(24)的两侧端面与其沉割槽的相应侧边之间,而所述的A腔(13)由中间台肩(24)处的沉割槽形成,所述的T腔(14)由左台肩(21’)与中间台肩(24)之间的主要通道形成,所述的P腔(12)则由中间台肩(24)与右台肩(22’)之间的主要通道形成。
5、根据权利要求1至4任一权利要求所述的液压式变气门控制系统,其特征在于:所述的比例信号发生装置为比例电磁铁或力矩马达或电-机械转换器。
6、根据权利要求1至4任一权利要求所述的液压式变气门控制系统,其特征在于:所述的第一油路为位于所述的阀体上的第一工艺油孔(16)或位于所述的阀体外的第一管道。
7、根据权利要求1至4任一权利要求所述的液压式变气门控制系统,其特征在于:所述的第二油路为位于所述的阀芯上的油孔(23)或位于所述阀体上的第二工艺油孔或位于阀体外的第二管道。
8、根据权利要求1至4任一权利要求所述的液压式变气门控制系统,其特征在于:所述的Y腔(11)内设有一端抵于阀芯(2)端面上,另一端抵于阀体(1)上的压缩弹簧(3)。
9、根据权利要求1至4任一权利要求所述的液压式变气门控制系统,其特征在于:所述的活塞(8)顶部设有一凸起,相对应地,在所述的油缸(6)上盖处设有与其相匹配的缓冲腔(62),并在油缸上设有一端与缓冲腔(62)相贯通的油道(61),该油道(61)的另一端则通过允许液压油流入油缸(6)左腔的单向阀(5)与所述的控制口(A)相连。
10、根据权利要求1至4任一权利要求所述的液压式变气门控制系统,其特征在于:所述的弹簧(7)套在位于油缸(6)右腔内的活塞杆上或置于油缸外部的活塞杆上。
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