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滾刀式鍘草機(jī)設(shè)計(jì)
學(xué) 生: 劉 科
指導(dǎo)老師：湯楚宙
（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院 長沙 410128）
摘 要：本文綜述了鍘草機(jī)對于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中草料秸稈資源的利用的背景，以及滾刀式鍘草機(jī)設(shè)計(jì)相關(guān)的理論和方法，概括了滾刀式鍘草機(jī)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，探索現(xiàn)代CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的試驗(yàn)方法。對滾刀式鍘草機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括其鍘切原理，繪制工作原理圖和對主要零、部件進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)和校核。得出滾刀式鍘草機(jī)各零、部件的參數(shù)，并繪制出零件圖和裝配圖。通過應(yīng)用現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行滾刀式鍘草機(jī)的設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化研究，對機(jī)器量產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了一定的指導(dǎo)意義，研究成果具有重要的理論指導(dǎo)和實(shí)踐應(yīng)用意義。
關(guān)鍵詞：滾刀；鍘草機(jī)；原理；設(shè)計(jì)；
The Design of Hob Type Hay Cutter
Student: Liu Ke
Tutor: Tang Chuzhou
(Oriental Science &Technology College of Hunan Agricultural University,Changsha 410128)
Abstract: This paper reviews hob type hay cutter for modern agricultural production in the use of straw resource of forage hob background, and hob type hay cutter design of related theory and hay cutter, summarized the hob type of grass machine will be reviewed, a modern CAD technology in mechanical design of the test method. On the hob type forage cutter design, including its hay cutter principle drawing schematic diagram and the main parts for analysis and design and the school where, that hob type grass cutting machine parts parameters, and draw the part drawing and assembly drawing.Through the application of modern machinery design technology of the hob type hay cutter design and parameter optimization study of machine, mass-production achieved certain guiding significance, the study has important theoretical guidance and practical application meaning.
Key Words: Hobbing cutter；Hay Cutter；Principle；Design；
1 前言
1.1 滾刀式鍘草機(jī)設(shè)計(jì)的目的和意義
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的逐步提高，對畜產(chǎn)品的需求有了較大的增加．大力加強(qiáng)和發(fā)展畜牧業(yè)將是中國農(nóng)業(yè)的主要發(fā)展方向。我國具有豐富的農(nóng)作物秸稈資源,每年生產(chǎn)的農(nóng)作物秸稈約5.7 億噸,其中可作飼料的有3. 5 億噸,它是我國廣大農(nóng)區(qū)飼養(yǎng)牲畜的主要飼料。秸稈中含有可消化干物質(zhì)35 %～50 %,粗蛋白3 %～8 % ,特別適合于喂飼牛、羊等反芻動(dòng)物。改革開放以來,我國糧食總產(chǎn)量提高很快,但是我國人口多,人均耕地少,每年人均占有糧食一直低于400 千克,距世界公認(rèn)的糧食過關(guān)標(biāo)準(zhǔn)500千克相差甚遠(yuǎn)，與發(fā)達(dá)國家相比差距更大，不可能提供大量糧食用作飼料。顯然對我國而言，僅僅依靠糧食生產(chǎn)飼料來發(fā)展畜牧業(yè)這條路是行不通的。目前，減少畜牧用糧的辦法有：1)發(fā)展配合飼料并改良畜禽品種，以提高飼料轉(zhuǎn)化率；2)調(diào)整畜牧業(yè)結(jié)構(gòu)，發(fā)展飼草料轉(zhuǎn)化率高的家禽生產(chǎn)；3)加強(qiáng)防疫滅病，減少畜禽因死亡造成的飼料損失；4)飼、糧分流，以一部分耕地種植優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)飼草料作物：5)大量開發(fā)利用非常規(guī)飼草料資源。其中前四點(diǎn)己經(jīng)受到重視，第五點(diǎn)對于減少飼料糧消耗有重要的意義，卻一直未被重視。在“非常規(guī)飼草料”中，農(nóng)作物秸稈等數(shù)量最大、分布最廣，自然成為發(fā)展畜牧業(yè)的首選突破口。秸稈作為一種資源，已受到世界各國的關(guān)注和開發(fā)利用。我國人口眾多，而耕地面積有限，為了減少畜牧業(yè)對糧食的依賴,更要充分利用和開發(fā)農(nóng)作物秸稈飼料,發(fā)展“節(jié)糧型畜牧業(yè)”,特別是對于發(fā)展農(nóng)區(qū)秸稈養(yǎng)牛,具有十分重要的意義。
據(jù)資料統(tǒng)計(jì)：我國每年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中所遺留的各種農(nóng)作物秸稈大約有6億多噸，其中約30％為玉米秸稈。如果充分利用秸稈加工技術(shù)，如切碎、揉碎和粉碎以及青貯與氨化等，把秸稈加工成飼草料，不但可以節(jié)約大量的糧食，還可以過腹還田，充分利用氮、磷以及各種有機(jī)物成分，提高微量元素的循環(huán)利用率，達(dá)到培育地力、提高土壤的肥力、改善土壤土粒結(jié)構(gòu)的目的，起到防止土壤風(fēng)蝕、沙化和退化的作用。因此，80年代以來，我國對農(nóng)作物秸稈處理進(jìn)行了許多研究工作。應(yīng)用最廣泛的是粉碎和鍘切機(jī)械加工，因?yàn)?，無論是化學(xué)處理還是生物處理，其第一道工序需要將秸稈粉碎或鍘切。然而，我國目前農(nóng)作物秸稈的利用率還很低，很多農(nóng)民將收獲后的農(nóng)作物秸稈燒掉，既造成資源浪費(fèi)又污染了環(huán)境。因此，不斷研制飼草加工機(jī)械，提高農(nóng)作物秸稈的利用率，對發(fā)展節(jié)糧效益型畜牧業(yè)具有非常重要的意義。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
鍘草機(jī)是我國使用最早和生產(chǎn)量較多的飼草加工機(jī)械之一。由參考文獻(xiàn)[7]知，早在三十年代，我國廣大農(nóng)村開始應(yīng)用手壓鍘刀，來實(shí)現(xiàn)長草短喂飼方法。中華人民共和國成立以來，先在農(nóng)村推廣了手搖鍘草機(jī)，六十年代推廣應(yīng)用了電動(dòng)鍘草機(jī)，進(jìn)入六十年代中期到七十年代，各省市相繼開始自行研制了不同類型的鍘草機(jī)，經(jīng)國家鑒定部門投產(chǎn)了一批不同型號的鍘草機(jī)。從此鍘草機(jī)無論從數(shù)量上還是型號上開始增多，而三化程度不高，進(jìn)入八十年代，鍘草機(jī)開始進(jìn)行了系列設(shè)計(jì)并制定了全國性的系列型譜。進(jìn)入九十年代，國務(wù)院提出了利用秸稈養(yǎng)畜，這是發(fā)展我國畜牧業(yè)的重大舉措。
2 研究的主要內(nèi)容
1)根據(jù)我國的玉米秸稈，稻草等各種農(nóng)作物秸稈資源對鍘草機(jī)的性能要求，通過對滾刀式鍘草機(jī)的工作原理,傳功方案及理論分析，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及重要零部件及傳動(dòng)的相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算及其校核。設(shè)計(jì)一臺適合廣大農(nóng)戶的的小型鍘草機(jī)，其設(shè)計(jì)的對象主要包括鍘草機(jī)的輸送機(jī)構(gòu)，喂入機(jī)構(gòu)，鍘切拋送機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
2)寫一份設(shè)計(jì)說明書并繪制出滾刀式鍘草機(jī)CAD平面圖紙，包括裝配圖和部分重要零件圖。
3 總體方案確定
3.1 傳動(dòng)方案確定
在初步設(shè)計(jì)鍘草機(jī)時(shí)，無法確定其相關(guān)的參數(shù)，也不好假定，故參考某型號滾刀式鍘草機(jī)的技術(shù)規(guī)格如下表1：
表1已有滾刀式鍘草機(jī)的技術(shù)規(guī)格
Table 1 The hob type forage cutter specifications
型號
切碎器類型
動(dòng)刀片數(shù)
切碎段長度
(mm)
配套動(dòng)力(kW)
機(jī)質(zhì)量
(kg)
生產(chǎn)率
（kg/h）
ZC-3
直刃斜裝滾刀
6
20-80
3
120
1500-3000
本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)將選擇性的借鑒上表1中ZC-3滾刀式鍘草機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)并擬定傳動(dòng)方案為：初選電機(jī)轉(zhuǎn)速為1430r/min，動(dòng)刀片數(shù)為3。
1）電機(jī)通過一級帶傳動(dòng)將動(dòng)力傳到主軸。在主軸另一端通過兩對圓柱齒輪減速后，動(dòng)力到達(dá)下喂入輥。主軸的轉(zhuǎn)速為715r/min。
2）上喂入輥通過草層與下喂入輥之間的摩擦帶動(dòng)，為了滿足上喂入輥能夠浮動(dòng)，以保證不同負(fù)荷情況下有一定的壓緊力，所以在上輸入輥?zhàn)笥叶烁鞑捎靡粡椈珊突瑝K輔佐固定。
3)壓草輥的轉(zhuǎn)動(dòng)是由下喂草輥通過一對齒輪和一個(gè)萬向聯(lián)軸器而傳動(dòng)，同時(shí)在兩端也加上彈簧與滑塊，為避免被卡死。
4)為了保證自動(dòng)進(jìn)料的要求，采用了鏈板式輸送器。鏈板式輸送器的主動(dòng)鏈輪是由下喂入輥通過一對鏈輪傳動(dòng)而獲得動(dòng)力。下圖1為鍘草機(jī)的傳動(dòng)簡圖。
1 電機(jī) 2 帶輪 3 風(fēng)扇 4 定刀 5 鏈輪 6 下喂入輥 7 上喂入輥
8 壓草輥 9 主鏈輪 10 萬向聯(lián)軸器 11 齒輪 12 換向裝置
13 安全離合器 14 滾刀
圖1 滾刀式鍘草機(jī)傳動(dòng)簡圖
Fig.1 Hob type forage cutter transmission diagram
3.2 結(jié)構(gòu)方案確定
滾刀式鍘草機(jī)由喂入機(jī)構(gòu)、切割拋送機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及防護(hù)裝置和機(jī)架等部分組成。其中喂入機(jī)構(gòu)主要由鏈板式輸送器、壓草輥以及上、下喂入輥等部分所組成；切割拋送機(jī)構(gòu)主要由定刀片、動(dòng)刀片以及拋送葉片等部分所組成；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要三角皮帶、皮帶輪、齒輪、萬向節(jié)及張緊輪等部分所組成；防護(hù)裝置主要由電動(dòng)機(jī)防護(hù)罩、傳動(dòng)防護(hù)罩、齒輪防護(hù)罩等部分組成；機(jī)架系由左右支架、方架等部分所組成。
由于鏈板式輸送器和壓草輥的作用，鏈板上的草料被不斷的壓緊并向喂入輥輸送，上下喂入輥將輸送器送來的材料再一次壓緊被喂給切刀。由于動(dòng)定刀片的相對作用，將草料不斷切碎，碎段由排除槽排出或由風(fēng)扇吹至指定地點(diǎn)。
4 主要零、部件的選擇和設(shè)計(jì)
4.1 電動(dòng)機(jī)的選擇
1）電動(dòng)機(jī)類型的選擇：根據(jù)電源及工作機(jī)工作條件，選用Y系列三相交流異步電動(dòng)機(jī)。
2）電動(dòng)機(jī)功率的選擇：采用ZC-3相關(guān)數(shù)據(jù)，主軸轉(zhuǎn)速為715r/min，配套動(dòng)力的設(shè)計(jì)要求是2.2～3kW，由參考文獻(xiàn)[2]表1-7可知V帶傳動(dòng)的效率為0.96，故可選用額定功率為3kW的電動(dòng)機(jī)。
3）電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的選擇：為了便于選擇電動(dòng)機(jī)，可先推算出電動(dòng)機(jī)的可選范圍。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊表1-8可知V帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比，又主軸轉(zhuǎn)速為715r/min，所以電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速須滿足715 r/min≤n=≤5005 r/min。
綜合上述，選擇型號為Y100L2-4電動(dòng)機(jī)，其參數(shù)如表2。
表2 電動(dòng)機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)
Table 2 Motor technical date
電機(jī)型號
額定功率/kw
滿載轉(zhuǎn)速/(r/min)
額定轉(zhuǎn)距
質(zhì)量/kg
Y100L2-4
3
1430
2.2
38
4.2 喂入輥
喂入輥由HT200鑄造，其作用是壓緊和喂送秸稈草料。其喂入性能與喂草輥的直徑、形狀以及安裝位置直接有關(guān)。根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]可知，常用的喂入輥按外型可分為棘齒形和溝齒形：棘齒形輥?zhàn)ト∧芰?qiáng)，但容易纏草，如加梳齒板則增加成本并導(dǎo)致安裝困難；溝齒形輥?zhàn)ト∧芰σ草^強(qiáng)，纏草情況較棘齒形好，一般小型鍘草機(jī)上多用此型。喂入輥直徑對喂入性能的影響：直徑過大會(huì)使喂入的飼草不能靠近切割點(diǎn)；直徑過小則會(huì)阻礙飼草喂入并易纏草。常用的喂入輥直徑為80到100mm。下喂入輥上平面應(yīng)與定刀處于同一水平面或略高。對喂入輥的要求是：1）為便于切割，要求上下輥有一定的壓緊力；2）為防止秸稈、草料被動(dòng)刀拉出而形成長草，要求喂入輥表面帶齒或溝槽；3）由于喂入量可能有變化，要求上喂入輥能上下活動(dòng)。為了適應(yīng)秸稈或草料層厚薄的變化，以及為了使秸稈或草料層壓緊均勻，應(yīng)采用上喂入輥的壓緊機(jī)構(gòu)。常用的壓緊機(jī)構(gòu)為彈簧式。在滾刀式鍘草機(jī)中，一般由切割滾筒用齒輪帶動(dòng)下喂入輥，再由后者帶動(dòng)上喂入輥。由參考文獻(xiàn)[5]知，上下喂草輥的直徑由下公式確定。
(1)
其中為草層厚度，為草層通過喂草輥時(shí)的壓縮系數(shù)，常用，為草層與輥之間的摩擦角，通常取。一般地，鍘草機(jī)常用mm。本設(shè)計(jì)取=0.7， =30°，t=70mm,則
取。
喂入輥的直徑和長度可由下式確定：
(2)
式中：
——鍘草機(jī)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)率（Kg/h）；
——喂入口的充滿系數(shù)，=0.4～0.6；
——秸稈飼草的切斷長度（m）；
——切刀數(shù)，=3；
——刀架轉(zhuǎn)速，=715 r/min；
——壓緊后的秸稈飼草體積質(zhì)量，=120～160 。
乘積確定后，按=1/3～1/4求出、值。
由于加工或收獲的實(shí)際生產(chǎn)率為理論生產(chǎn)率的70%，本次設(shè)計(jì)為1.5 t/h，所以
(3)
取=3，=715 r/min，=140，得：
(4)
取=0.0158m2，又=1/3～1/4，則取=80mm，=240mm。
實(shí)際進(jìn)草高度h=（0.3~0.6）a=（0.3~0.6）80mm=24~48mm，取h初=45mm；
實(shí)際進(jìn)草寬度c=（0.3~0.6）b=（0.3~0.6）240mm=72204mm，取c=150mm。
4.3 動(dòng)刀螺旋角的確定
采用螺旋動(dòng)刀主要是使鍘草機(jī)工作時(shí)有一個(gè)合理的滑切角，減少切碎物料時(shí)的剪切功率，同時(shí)延長每一把動(dòng)刀的切割時(shí)間，使整個(gè)工作過程負(fù)荷均勻，減少機(jī)器的震動(dòng)，提高切碎質(zhì)量。根據(jù)參考文獻(xiàn)[8]知，我國目前螺旋動(dòng)刀的螺旋角一般取值范圍為~鍘草機(jī)動(dòng)刀的螺旋角與滑切角相等，螺旋角越大滑切速度越大，切斷物料愈省里。為滿足動(dòng)刀與定刀能穩(wěn)定鉗住莖稈實(shí)現(xiàn)切割，螺旋角不能超過極限鉗住叫。影響鉗住角的主要因素為作物品種﹑莖稈含水率和動(dòng)定刀的鋒利程度。通過測定，動(dòng)定刀鋒利時(shí)，干谷草的極限鉗住角為：有包葉時(shí)~，無包葉時(shí)~。干麥草的極限鉗住角為：有包葉時(shí)~，無包葉時(shí)~；青貯玉米稈（含水率65%~78%）的極限鉗住角為：有包葉時(shí)~，無包葉時(shí)~。當(dāng)動(dòng)刀刃磨鈍時(shí)，以上作物秸稈的極限鉗住角一般減小8°~12°。由于我國目前生產(chǎn)的滾筒式鍘草機(jī)一般以切碎干飼草為主，兼顧青飼草加工，所以動(dòng)刀的螺旋角應(yīng)以干飼草加工的極限鉗住角進(jìn)行設(shè)計(jì)。
通過對螺旋角為、、和的動(dòng)刀進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)，從綜合性能分析，螺旋角去較為合適，可兼顧干，青飼草的加工，超長率和破壞率均可以滿足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
4.4 定刀的設(shè)計(jì)
4.4.1 定刀刃口形狀確定
由參考文獻(xiàn)[3]知，我國滾刀式鍘草機(jī)的定刀有兩種形式，一種為開刃定刀，另一種為矩形定刀。開刃定刀由4mm～6mm錳鋼板制成，工作刃角～；另一種為矩形定刀，由白口鐵或工具鋼制成，斷面為矩形，矩形定刀的主要特點(diǎn)是四條棱邊均可作為定刀刃，當(dāng)一條定刀刃磨鈍后，通過翻轉(zhuǎn)定刀用另一棱邊作為定刀刃。因矩形定刀的工作刃角為，刃口不鋒利，切割功消耗大，工作質(zhì)量差。通過相關(guān)的資料和實(shí)驗(yàn)表明，矩形定刀比開刃定刀的性能要差。所以在本設(shè)計(jì)中采用開刃定刀。
4.4.2 定刀高度確定
鍘草機(jī)工作時(shí)，物料由喂入輥壓縮并夾持送入切碎滾筒，物料壓縮后的厚度與生產(chǎn)率和物料的品種有關(guān)。壓縮后的物料有一中間面，理論分析，若滾筒軸中心的安裝面剛好與物料的中間面重合，則中間面以上的物料切割時(shí)首先被動(dòng)刀向外推送，處于中間面的物料被動(dòng)刀直接切割，而中間面一下的物料被動(dòng)刀向下拉送，推來物料的情況等，切草平均長度較均勻?；疽陨戏治?，定刀刃的位置高于物料的中心面時(shí)動(dòng)刀對物料的推送作用大于拉送作用，定刀刃的位置低于物料的中心面線時(shí)動(dòng)刀對物料的拉送作用大于推送作用，這兩種情況都會(huì)引起超長率和剪切率上升。
由于影響超長率的因素很多，難于用于純理論分析方法解決定刀的配置高度，因此進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。動(dòng)刀刃位于滾筒中心線一下為20mm，30mm，40mm，50mm四種情況，切碎干飼草的生產(chǎn)率為0.4～1.2t/h，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在以上情況下，定刀的最佳位置為20mm，此時(shí)功率消耗低，綜合性能指示最好。
4.5 超負(fù)荷安全裝置的設(shè)計(jì)
由于鍘草機(jī)工作時(shí)均采用人工送料，喂入的不均勻性必然存在，易出現(xiàn)滾筒堵塞，造成機(jī)件損壞，因此，鍘草機(jī)應(yīng)有超負(fù)荷安全裝置。目前，我國生產(chǎn)的大型鍘草機(jī)都有設(shè)置超負(fù)荷安全保護(hù)裝置，型式一般為離合器及喂入輥反轉(zhuǎn)裝置，出現(xiàn)超負(fù)荷時(shí)，扳動(dòng)離合器手柄，停止喂入輥轉(zhuǎn)動(dòng)，再扳動(dòng)離合器手柄使喂入輥反轉(zhuǎn)，將堵塞物料退出。為簡化機(jī)構(gòu)，我國小型鍘草機(jī)一般不設(shè)置安全保護(hù)裝置，給用戶帶來很大不便，若采用超負(fù)荷安全裝置，多為安全保護(hù)鍵，當(dāng)負(fù)荷到達(dá)某一值時(shí)，保護(hù)鍵會(huì)自動(dòng)切斷，要重新更換新的保護(hù)鍵后才能開機(jī)工作，該方式費(fèi)事費(fèi)力，影響生產(chǎn)率的提高。
為了克服以上缺點(diǎn)，在喂入輥主軸的傳入軸上設(shè)置牙嵌式安全離合器，動(dòng)力經(jīng)牙嵌式安全離合器傳給下喂入輥，喂入量超負(fù)荷時(shí)牙嵌式離合器自動(dòng)打滑，切斷喂入輥的傳動(dòng)力，對不同物料的切碎作業(yè)調(diào)節(jié)方便，機(jī)構(gòu)制造成本低，便于用戶使用。其超負(fù)荷安全作用的牙嵌式安全離合器圖2。
圖2 牙嵌式安全離合器
Fig.2 The jaw type safety clutch
在喂入輥或壓草輥被卡死時(shí)，能把物料及時(shí)不費(fèi)力的退出來。因此設(shè)計(jì)了一個(gè)反向裝置，在安全離合器斷開后，扳動(dòng)手柄，使其反轉(zhuǎn)把卡死在里的物料退出，能正常的工作。其示意圖如圖3，介齒輪1 2和大齒輪為一固定的整體，此時(shí)四個(gè)齒輪都在工作。當(dāng)出現(xiàn)卡死時(shí)，把手柄往下扳動(dòng)。此時(shí)小齒輪與介齒輪2嚙合，再與大齒輪嚙合，而介齒輪1沒有參與工作，在空轉(zhuǎn)。此時(shí)的大齒輪方向已經(jīng)改變。
圖3 反向裝置
Fig.3 The reverse device
4.6 聯(lián)軸器的確定
在設(shè)計(jì)壓草輥時(shí)，壓草輥能實(shí)現(xiàn)自轉(zhuǎn)和上下的移動(dòng)，所以要求用到聯(lián)軸器。根據(jù)其要求選用無彈性元件的撓性聯(lián)軸器中的萬向聯(lián)軸器。為消除從動(dòng)軸的速度波動(dòng)，選用兩個(gè)向聯(lián)軸器，并使中間軸的兩個(gè)叉子位于同一平面上，同時(shí)，還使主、從動(dòng)軸與中間軸的軸線間的斜偏角α相等，即，從而主、從動(dòng)軸的角速度相等，即雙萬向聯(lián)軸器。
4.7 拋送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
物料經(jīng)刀切碎后，一般由拋送裝置拋出外，以減輕人工清理的勞動(dòng)量。滾刀式鍘草機(jī)長用的拋送裝置有兩種形式，一種是在滾筒上安裝拋送葉片，滾筒在切碎物料的同時(shí)將把切碎物料拋出。另一種方式是子啊滾筒軸的另一側(cè)串聯(lián)一個(gè)風(fēng)機(jī)，切碎的物料由滾筒下方滑至風(fēng)機(jī)后由風(fēng)扇葉片拋出，為了保證物料的跑送距離，風(fēng)機(jī)直徑較大。
本設(shè)計(jì)采用滾筒，風(fēng)扇一體式。雖然滾筒的結(jié)構(gòu)相對比較的復(fù)雜，為保證物料的拋送距離，要求滾筒轉(zhuǎn)速較高，功率消耗大，但在很大程度上縮小了機(jī)器的空間體積和設(shè)計(jì)成本，而且經(jīng)過多次試驗(yàn)表明，在此電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速下，完全可以達(dá)到本設(shè)計(jì)的拋送距離大于1米，故此機(jī)構(gòu)在此設(shè)計(jì)中可行。
5 工作過程分析與計(jì)算
鍘草機(jī)的整個(gè)工作過程：物料由鏈板式輸送器送入，經(jīng)壓草輥第一次壓緊。由于物料的不均性可能會(huì)造成卡死，所以在壓草輥兩端設(shè)置彈簧滑塊機(jī)構(gòu)和經(jīng)萬向聯(lián)軸器輸入動(dòng)力。物料經(jīng)壓緊后，到達(dá)上下喂入輥被夾持。其中上喂入輥由下喂入輥帶動(dòng)，主要靠物料與喂入輥之間的摩擦傳動(dòng)。上喂入輥同樣實(shí)用彈簧和滑塊輔助固定，以避免過載卡死。物料經(jīng)喂入輥到達(dá)定刀上，再由動(dòng)刀切碎，經(jīng)拋送機(jī)構(gòu)送出。
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，刀刃線速度8~11m/s，主軸的轉(zhuǎn)速為715r/min。由此可設(shè)計(jì)出滾筒的大小與刀片的位置。由公式
V==8~11m/s (5)
可得出刀刃到主軸中心的距離d：213.8~294.0mm。取d=230mm。
電機(jī)的轉(zhuǎn)速為1430r/min，經(jīng)一級帶傳動(dòng)后到達(dá)主軸，轉(zhuǎn)速為715r/min，傳動(dòng)比i1=2。
從主軸到軸2，通過一對錐齒輪減速，轉(zhuǎn)速為311r/min，傳動(dòng)比為i2=2.3。經(jīng)離合器到達(dá)差速器，再次減速，得轉(zhuǎn)速205r/min，傳動(dòng)比為i3=1.52,及下喂入輥軸的轉(zhuǎn)速。下喂入輥通過一對齒數(shù)相同的齒輪把動(dòng)力傳給壓草輥，通過鏈傳動(dòng)把動(dòng)力傳到主鏈輪，完成物料的輸送過程。為滿足其物料的供應(yīng)，其鏈輪的轉(zhuǎn)速要求大于壓草輥和下喂入輥的轉(zhuǎn)速i=0.625，轉(zhuǎn)速為328r/min。
為防止其被物料卡死，能上下的浮動(dòng)，并在正常工作時(shí)，上喂入輥和壓草輥對物料有一定的壓力，所以在上喂入輥和壓草輥兩側(cè)都按有彈簧滑塊機(jī)構(gòu)。為防止彈簧失穩(wěn)，加裝導(dǎo)套。如圖3所示：其彈簧相關(guān)的參數(shù)設(shè)計(jì)：
圖4 彈簧失穩(wěn)防止
Fig.4 Spring instability prevention
1）根據(jù)工作條件選擇材料并確定其許用應(yīng)力
因彈簧在一般載荷條件下工作，可以按第Ⅱ類彈簧來考慮?，F(xiàn)選用彈簧鋼絲B級。估算其最大載荷為400N，最小載荷為150N，最大行程20mm。估取彈簧鋼絲直徑為4ｍｍ。由參考文獻(xiàn)[10]得[τ]=0.5σB。G=80000MPa， 得
[τ]=0.5×1460=730MPa
2）按強(qiáng)度計(jì)算求彈簧鋼絲直徑：取彈簧外徑D=35mm，故D2=35-4=31mm
彈簧指數(shù)
由式得有曲度系數(shù)
(6)
由式得
(7)
查參考文獻(xiàn)[10]取d=4mm，與估計(jì)值符合。
3）按形變計(jì)算彈簧有效工作圈數(shù)z：
(8)
故 mm
mm
(9)
按表取z=7 圈。由于z取7圈，為保證最大工作載荷F2和行程h不變，必須重新求最小工作載荷F1。
mm (10)
mm (11)
N (12)
4）求工作極限載荷：由表知Ⅱ類載荷彈簧的工作極限剪切應(yīng)力
(13)
由式得 N (14)
5）求工作極限載荷下的變形：
mm (15)
6）求彈簧的幾何尺寸：
彈簧鋼絲直徑 d=4mm
彈簧中徑 D2=31mm
彈簧內(nèi)經(jīng) D1=D2-d=27mm
彈簧外徑 D=D2+d=35mm
有效工作圈數(shù) z=7
總?cè)?shù) z1=z+2=9
節(jié)距 p=d+=4+=12.6mm
自由高度（YI型z1=z+2） H0=p z+1.5d=12.6×7+1.5×4=94.2mm
工作高度 H1=H0－λ1=94.2－12.6=81.6mm
H2=H0－λ2=94.2－32.6=61.6mm
壓并高度 Hb=H0－=94.2－60.3=33.9mm
兩圈的間隙 mm
螺旋升角
彈簧展開長度 883.4mm
7）驗(yàn)算穩(wěn)定性：高徑比為
<5.3
滿足穩(wěn)定性要求。
6 主要零、部件的計(jì)算與校核
6. 1 帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)
6.1.1 確定計(jì)算功率
由參考文獻(xiàn)[10]表7.6查得工作情況系數(shù)，故
(16)
6.1.2 選擇V帶的類型
根據(jù)、 由參考表7.11選用A型。
6.1.3 確定帶輪的基準(zhǔn)直徑并驗(yàn)算帶速
1）初選小帶輪的基準(zhǔn)直徑：由參考文獻(xiàn)[10]表7.7，取小帶輪的基準(zhǔn)直徑=90mm。
2）驗(yàn)算帶速：
帶的速度
(17)
因?yàn)?，故帶速合適。
3）計(jì)算大帶輪的基準(zhǔn)直徑：
根據(jù)式
(18)
計(jì)算大帶輪的基準(zhǔn)直徑
(19)
其中為滑動(dòng)率（≈1%～2%），這里取為2%。根據(jù)表7.3，取為180mm。
6.1.4 確定V帶的中心距和基準(zhǔn)長度
1）根據(jù)式初步確定中心距
因要求結(jié)構(gòu)緊湊，故取偏小值=300mm。
2）由式
計(jì)算帶所需的基準(zhǔn)長度= (20)
由參考續(xù)表7.2選帶的基準(zhǔn)長度=1120mm。
3）按式
(21)
計(jì)算實(shí)際中心距
考慮到帶輪的制造誤差、帶長誤差、帶的彈性以及因帶的松弛而產(chǎn)生的補(bǔ)充張緊 的需要，中心距的變動(dòng)范圍為， ，故中心距的變化范圍為。
6.1.5 驗(yàn)算小帶輪上的包角
(22)
6.1.6 計(jì)算帶的根數(shù)
由參考文獻(xiàn)[10]式11-21可知
(23)
對于A型帶，查參考文獻(xiàn)[10]表7.3由線性插值法可得當(dāng)和時(shí)， ；查參考文獻(xiàn)[10]表7.4，彎曲影響系數(shù)Kb=0.7725×10-3 ；查參考文獻(xiàn)[10]表7.5，Ki=1.1373；由線性插值法可得當(dāng)，；查參考文獻(xiàn)[10]表7.8，由線性插值法可得當(dāng)時(shí)，小帶輪包角修正系數(shù)；查參考文獻(xiàn)[10]續(xù)表7.2可知，帶長修正系數(shù)；于是，
取z=3
6.1.7 計(jì)算單根V帶的初拉力的最小值
==139N
其中由參考表7.1得m=0.1kg/m，應(yīng)使帶的實(shí)際初拉力。
6.1.8 計(jì)算壓軸力
壓軸力的最小值為:
==826.9N (24)
6.1.9 帶輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
輪觳和輪輻的尺寸參見參考文獻(xiàn)，輪槽截面尺寸按照GB/T13575.1—92中A型槽型的規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。取槽型A基準(zhǔn)寬度為,基準(zhǔn)線上槽深,基準(zhǔn)線下槽深, , , 。
此外，V帶傳動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間以后，會(huì)因?yàn)閹У乃苄宰冃魏饶p而松弛。為了保證帶傳動(dòng)正常工作，采用張緊輪的張緊裝置。
6.2 齒輪的設(shè)計(jì)和校核
在正常工作時(shí)，主軸到下喂入輥之間由三對齒輪傳動(dòng)，一級是小齒輪與介齒輪1嚙合完成一次減速傳動(dòng)。介齒輪1與介齒輪2嚙合完成反向的傳動(dòng)，在此不減速。介齒輪2與大齒輪嚙合完成另一次減速運(yùn)動(dòng)，在整個(gè)過程中實(shí)現(xiàn)二次減速。初定出草得長度l=24mm，由公式：
(25)
可得到下喂入輥的轉(zhuǎn)速n3=205r/min。其傳動(dòng)比I=3.49
分配其傳動(dòng)比i2=2.30，i3=1.52，其另一軸的轉(zhuǎn)速為311r/min。直齒錐齒輪的軸交角Σ=90。，軸2經(jīng)v帶傳動(dòng)和一對軸承傳動(dòng)后的功率p2=p×η1×η2=3×0.96×0.99=2.85 kw。
6.2.1 選擇齒輪材料、精度等級及齒數(shù)
按傳動(dòng)方案，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。工作機(jī)速度不高，故選7級精度。由表10-1選小齒輪的材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），齒面硬度為280 HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），齒面硬度為240HBS，二者材料硬度差為40 HBW。選小齒輪齒數(shù)z1=24，介齒輪的齒數(shù)為，取z2=55，大齒輪的齒數(shù)為83.6，取z3=84。
6.2.2 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行試算，即
(26)
1）確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值。
①試選載荷系數(shù)Kt=1.3。
②計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩。
T1=9.55×106=9.55×106=38467 N·mm
③由參考文獻(xiàn)[10]表10-7選取齒寬系數(shù)φd=1。
④由參考文獻(xiàn)[10]表10-6查得材料的彈性影響系數(shù)ZE=189.8。
⑤由參考文獻(xiàn)[10]圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限=600MPa；大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限=550MPa。
⑥由公式計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。
N1=60n1jLh=60×715×1×(2×8×300×15)=3.089×109 （27）
N2= =1.343×108
⑦由參考文獻(xiàn)[10]圖10-19取接觸疲勞強(qiáng)度壽命系數(shù)KHN1=0.89；KHN2=0.95。
⑧計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力。取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，由公式得：
[σ]H1=534MPa （28）
[σ]H2=522.5MPa
2)計(jì)算。
①試算小齒輪分度圓直徑d1t，代入[σ]H中較小的值。
==48.94mm
②計(jì)算圓周速度v。
=1.83 m/s （29)
③計(jì)算齒寬b。
48.94 mm
④計(jì)算齒寬與齒高之比。
模數(shù) 2.04 mm
齒高 h=2.25mt=2.25×2.04=4.59 mm
=10.66
⑤計(jì)算載荷系數(shù)。根據(jù)v=1.83m/s，7級精度，由圖10-8查得動(dòng)載荷系數(shù)=1.09；
直齒輪，；
由參考文獻(xiàn)[10]表10-2查得使用系數(shù)=1；
由表10-4用插值法查得7級精度、小齒輪相對支承非對稱布置時(shí)，=1.418。
由10.66，=1.418查圖10-13得=1.35；故載荷系數(shù)：
==1.546
⑥按實(shí)際的載荷系數(shù)校正算得得分度圓直徑，由公式得：
=51.85 mm (30)
⑦計(jì)算模數(shù)。
=2.16 mm
3)按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)。由公式得彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為：
(31)
確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值。
①由參考文獻(xiàn)[10]圖10-20c查得小齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度極限=500MPa；大齒輪的彎曲強(qiáng)度極限=380MPa；
②由參考文獻(xiàn)[10]圖10-18取彎曲疲勞壽命系數(shù)；；
③計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力。取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由式10-12得：
=303.57MPa (32)
=238.86MPa
④計(jì)算載荷系數(shù)。
=1×1.09×1×1.35=1.472
⑤查取齒形系數(shù)。
由表10-5查得 =2.65；=2.30。
⑥查取應(yīng)力校正系數(shù)。
由表10-5查得 =1.58；=1.715。
⑦計(jì)算大、小齒輪的并加以比較。
==0.01379
==0.01651
大齒輪的數(shù)值大。
設(shè)計(jì)計(jì)算：
=1.48 mm
對比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)大于由齒根彎曲強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，可取由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)1.48并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=1.5，接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑d1=51.84mm，算出小齒輪的齒數(shù)。
=34.56，取z1=35
大齒輪齒數(shù)z2=2.3×35=80.5，取z2=81。
這樣設(shè)計(jì)出的齒輪傳動(dòng)，既滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，又避免浪費(fèi)。
4）幾何尺寸計(jì)算。
①計(jì)算分度圓直徑
mm
mm
②計(jì)算中心距
mm
③計(jì)算齒輪寬度
mm
取B2=53mm，B1=55mm 。
介齒輪2與大齒輪之間的傳在此不做校核，只計(jì)算其相關(guān)尺寸。
123.12， 取z3=123
分度圓直徑 d3=z3m=184.5 mm
中心距
齒輪寬度取B3=50 mm。四個(gè)齒輪的相關(guān)參數(shù)如表3。
表3 齒輪相關(guān)參數(shù)
Table3 Gear parameters
名 稱
齒 數(shù)
模 數(shù)（mm）
分度圓直徑（mm）
材 料
齒輪寬度（mm）
小齒輪
35
1.5
52.5
40Cr
55
介齒輪1
81
1.5
121.5
45鋼
53
介齒輪 2
81
1.5
121.5
45鋼
53
大齒輪
123
1.5
184.5
45鋼
50
6.3 鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì)
1）選取鏈輪齒數(shù)。取小鏈輪齒數(shù)z2=19，大鏈輪的齒數(shù)為z1==30
2）確定計(jì)算功率。由參考文獻(xiàn)[14]表9-7查得KA=1.0，由圖9-13查得KZ=0.82，則計(jì)算功率為
2.46kw (33)
3）選擇鏈條型號和節(jié)距。根據(jù)=2.46kw，及n1=205r/min查圖9-11,10A-1。查參考文獻(xiàn)[14]表9-1，鏈條節(jié)距為：P=15.875mm。
4）計(jì)算鏈節(jié)數(shù)和中心距。初選中心距：
a0= （30~50）p=（30~50）×15.875=476.25~793.75mm
取a0=500mm。相應(yīng)的鏈長節(jié)數(shù)為：
87.55 (34)
取鏈長節(jié)數(shù)=88節(jié)。
查表9-7查得中心距計(jì)算系數(shù)f1=0.24931，則鏈輪的最大中心距為：
502.64mm (35)
5）計(jì)算鏈速，確定潤滑方式。
=1.6m/s (36)
由v=1.6m/s和鏈號10A-1，查圖9-14可應(yīng)采用滴油潤滑。
6）計(jì)算軸力Fp 。有效圓周力為：
Fe=1000==1537.5N
鏈輪水平布置是的壓軸力系數(shù)，則壓軸力為：
1768 N
6.4 對主軸進(jìn)行設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核
6.4.1 求主軸上的功率和轉(zhuǎn)矩
設(shè)滑動(dòng)軸承在工作過程中潤滑正常，則查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊表1-7取V帶傳動(dòng)的效率為,電動(dòng)機(jī)額定功率，則主軸上的功率：
。
主軸轉(zhuǎn)矩：
6.4.2 初步確定軸的最小直徑
先按式初步估算軸的最小直徑。根據(jù)鍘草機(jī)的一般實(shí)際情況，選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。取A=112，于是得
=17.8mm (37)
取=35mm。
6.4.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1）擬定軸上的裝配方案：主軸上中間安裝動(dòng)刀架和風(fēng)扇葉片結(jié)合體，動(dòng)刀架倆側(cè)為滑動(dòng)軸承，滑動(dòng)軸承一側(cè)為電動(dòng)機(jī)傳遞動(dòng)力給主軸的大帶輪，另一側(cè)是主軸傳遞動(dòng)力給鍘切機(jī)構(gòu)的小錐齒輪。
2）根據(jù)零件大小及軸向定位的要求確定軸的各段長度直徑和長度。
為滿足帶輪的軸向定位要求，Ⅰ-Ⅱ軸端需制出一軸肩，dⅠ-Ⅱ=35mm，由于dd≦300mm，帶輪采用腹板式，長度B=(z-1)e+2f=48mm，取l=45mm。
3）初步選擇滾動(dòng)軸承。因軸承同時(shí)受有徑向力和軸向力的作用，故選用單列圓錐滾子軸承，參照工作要求并根據(jù)dⅠ-Ⅱ= 35mm，由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取0基本游隙組，標(biāo)準(zhǔn)精度級得單列圓錐滾子軸承30208，其尺寸為d×D×T= 40mm×80mm×19.75mm，故dⅡ-Ⅲ=dⅤ-Ⅵ=40mm；端蓋的總寬度為20mm，軸承寬度為18，右端與帶輪距離42mm，故取lⅡ-Ⅲ=80mm。
4)由軸肩高度h>0.07d，而dⅡ-Ⅲ=40mm，取h=6mm，故取dⅢ-Ⅳ=52mm。滾筒右側(cè)有一軸肩，取其高度6mm，故的軸環(huán)處得直徑為dⅣ-Ⅴ=64mm。其長度lⅣ-Ⅴ=20mm。軸Ⅴ-Ⅵ段尺寸與軸Ⅱ-Ⅲ段尺寸一樣。軸Ⅵ-Ⅶ段，取dⅥ-Ⅶ=35mm，lⅥ-Ⅶ=40mm。具體結(jié)構(gòu)圖如圖4：
圖5 軸的具體結(jié)構(gòu)圖
Fig.5 The axis specific structure diagram
5)軸上零件的周向定位。齒輪，滾筒和帶輪的周向定位都采用平鍵連接。按dⅢ-Ⅳ由表6-1查得平鍵截面b×h=16mm×10mm,鍵槽用鍵槽銑刀加工，長為100mm，同時(shí)為了保證齒輪與軸配合有良好的對中性，故選擇配合為；同樣帶輪和錐齒輪與軸的鏈接，選用平鍵為10mm×8mm×35mm。滾動(dòng)軸承與軸的周向定位是由過度配合來保證的，此處選用軸的公差為m6.
6.4.4 按彎矩合成校核軸的強(qiáng)度
1)求軸上載荷。軸上受力的位置有大帶輪處，刀架處，軸承處和小錐齒輪處。其中，動(dòng)刀架對主軸的扭矩：
故動(dòng)刀架對主軸作用的圓周力：
(38)
動(dòng)刀架重，小帶輪對軸的作用力,分解為水平和豎直面上的兩個(gè)分力：
大帶輪對軸的作用力豎直向下為。
2)求水平面支反力。由得：
得；
由得
得。
3)計(jì)算水平面彎矩：
4)求垂直面支反力。由得：
得；
由得:
得。
5)計(jì)算垂直面彎矩：
6)計(jì)算合成彎矩：
(39)
7)計(jì)算扭矩：
根據(jù)其受力和計(jì)算出的彎矩、扭矩繪制成圖如圖5。
圖5 軸的彎矩圖和扭矩圖 1
Fig.5 Axial bending moment diagram and the diagram torque 1
⑧計(jì)算當(dāng)量彎矩 。可將軸的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力看作脈動(dòng)循環(huán)，取，觀察合成彎矩圖和扭矩圖可知，B和D處均可能是危險(xiǎn)截面，則
B截面：
D截面：
圖5 軸的彎矩圖和扭矩圖 2
Fig.5 Axial bending moment diagram and the diagram torque 2
⑨校核危險(xiǎn)截面強(qiáng)度。軸的材料選用45鋼，正火，由參考文獻(xiàn)［2］表14-1查得強(qiáng)度極限，由表14-5查得其需用彎曲應(yīng)力為，
故軸的強(qiáng)度足夠。
7 結(jié)束語
滾筒式鍘草機(jī)的設(shè)計(jì)既要考慮用戶使用的安全性，還要顧及到技術(shù)參數(shù)的先進(jìn)性機(jī)使用機(jī)具的經(jīng)濟(jì)性，要同時(shí)考慮上述條件，具有很大的難度。在設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮到以上因素，盡最大的努力，在設(shè)計(jì)方面把好第一關(guān)。但由于個(gè)人的能力有限，還有許多方面的因素沒有考慮到，可能在實(shí)際操作中遇到一些問題。希望能得到老師指點(diǎn)與幫助，能把機(jī)具不斷給予改進(jìn)完善。
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致 謝
在湯老師和謝老師的悉心指導(dǎo)和熱情關(guān)懷下，我經(jīng)過一個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí)和探索，終于完成本次設(shè)計(jì)任務(wù)。在設(shè)計(jì)過程中確實(shí)困難重重，許多知識是我不知道或者不明確的，許多數(shù)據(jù)是我茫然所措的，這個(gè)時(shí)候個(gè)人獨(dú)立處理問題的能力就顯得極為重要，既要查閱大量前人的文獻(xiàn)來吸取經(jīng)驗(yàn)，又要大膽敢于肯定自己的新想法。在此期間由于本人自身知識上的盲點(diǎn)和不足，致使設(shè)計(jì)工作走了許多彎路，幸好得到湯老師和謝老師的大力幫助和細(xì)心指導(dǎo)，許多問題才會(huì)迎刃而解。這不僅鞏固了我大學(xué)學(xué)到的各類專業(yè)知識，而且學(xué)到了許多新的知識。
當(dāng)然在本次設(shè)計(jì)中，由于本人知識水平有限，設(shè)計(jì)中難免存在許多錯(cuò)誤與不足，敬請各位老師與同學(xué)批評指正，我將汲取經(jīng)驗(yàn)努力改正，再次對各位老師和同學(xué)們表示衷心的感謝！
附錄
附錄1: （裝配圖 A0×1）
附錄2: （零件圖 A2×4）
附錄3: （零件圖 A4×1）
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