液壓傳動(dòng)課程設(shè)計(jì)_第1頁(yè)
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1、摘要液壓傳動(dòng)是用液體作為來傳遞能量的,液壓傳動(dòng)有以下優(yōu)點(diǎn):易于獲得較大的力或力矩,功率重量比大,易于實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng),易于實(shí)現(xiàn)較大范圍的無級(jí)變速,傳遞運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),可實(shí)現(xiàn)快速而且無沖擊,與機(jī)械傳動(dòng)相比易于布局和操縱,易于防止過載事故,自動(dòng)潤(rùn)滑、元件壽命較長(zhǎng),易于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。液壓傳動(dòng)的基本目的就是用液壓介質(zhì)來傳遞能量,而液壓介質(zhì)的能量是由其所具有的壓力及力流量來表現(xiàn)的。而所有的基本回路的作用就是控制液壓介質(zhì)的壓力和流量,因此液壓基本回路的作用就是三個(gè)方面:控制壓力、控制流量的大小、控制流動(dòng)的方向。所以基本回路可以按照這三方面的作用而分成三大類:壓力控制回路、流量控制回路、方向控制回路。 第一章

2、液壓傳動(dòng)設(shè)計(jì)任務(wù)1.1設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)一臺(tái)專用銑床,工作臺(tái)要求完成快進(jìn)工作進(jìn)給快退停止的自動(dòng)工作循環(huán)。銑床上工作臺(tái)重量4000N,工件及家具重量1500N,銑削阻力最大為9000N,工作臺(tái)快進(jìn)、快退速度為4.4m/min,工作進(jìn)給熟讀為0.061m/min,往復(fù)運(yùn)動(dòng)加、減速時(shí)間為0.05s,工作臺(tái)采用平導(dǎo)軌,靜動(dòng)摩擦分別為=0.2,=0.1,工作臺(tái)快進(jìn)行程為0.3m.,工進(jìn)行程為0.1m,試設(shè)計(jì)該機(jī)床的液壓系統(tǒng)。1.2 設(shè)計(jì)目的 液壓傳動(dòng)課程設(shè)計(jì)是本課程的一個(gè)綜合實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié),通過該教學(xué)環(huán)節(jié),要求達(dá)到以下目的;(1) 鞏固和深化已學(xué)知識(shí),掌握液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算的一般方法和步驟,培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計(jì)能

3、力和綜合分析問題、解決問題能力; (2)正確合理地確定執(zhí)行機(jī)構(gòu),選用標(biāo)準(zhǔn)液壓元件;能熟練地運(yùn)用液壓基本回路、組合成滿足基本性能要求的液壓系統(tǒng);(3)熟悉并會(huì)運(yùn)用有關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)手冊(cè)和產(chǎn)品樣本等技術(shù)資料。對(duì)學(xué)生在計(jì)算、制圖、運(yùn)用設(shè)計(jì)資料以及經(jīng)驗(yàn)估算、考慮技術(shù)決策、CAD技術(shù)等方面的基本技能進(jìn)行一次訓(xùn)練,以提高這些技能的水平。第二章 負(fù)載與運(yùn)動(dòng)分析(1)工作負(fù)載對(duì)于金屬切削機(jī)床液壓系統(tǒng)來說,沿液壓缸軸線方向的切削力即為工作負(fù)載即: Ft=21000N (2)慣性負(fù)載已知啟動(dòng)換向時(shí)間為0.05s,工作臺(tái)最大移動(dòng)速度,即快進(jìn)、快退速度為4.2m/min,因此慣性負(fù)載可表示為 ( 3)阻力

4、負(fù)載導(dǎo)軌的正壓力等于動(dòng)力部件的重力,設(shè)導(dǎo)軌的靜摩擦力為,則 靜摩擦阻力 動(dòng)摩擦阻力 如果忽略切削力引起的顛覆力矩對(duì)導(dǎo)軌摩擦力的影響,并設(shè)液壓缸的機(jī)械效率=0.9,根據(jù)上述負(fù)載力計(jì)算結(jié)果,可得出液壓缸在各個(gè)工況下所受到的負(fù)載力和液壓缸所需推力情況,如表1所示。 表1 液壓缸在各工作階段負(fù)載表(單位:N)工況負(fù)載組成負(fù)載值F推力F/起動(dòng)20002222.22加速13501500快進(jìn)10001111.11工進(jìn)2200024444.44快退10001111.11 第三章 負(fù)載圖和速度圖的繪制 根據(jù)負(fù)載計(jì)算結(jié)果和已知的幾個(gè)階段的速度,可繪制出工作循環(huán)圖如圖1(a)所示,已知快進(jìn)和快退速度,快進(jìn)行程l1=

5、100mm工進(jìn)行程l2=20mm、快退行程l3=l1+l2=120mm,工進(jìn)速度。 快進(jìn)、工進(jìn)和快退的時(shí)間可由下式分析求出。 快進(jìn) : 工進(jìn) : 快退 : 根據(jù)上述已知數(shù)據(jù)繪制組合機(jī)床動(dòng)力滑臺(tái)液壓系統(tǒng)繪制負(fù)載圖(F-t)如圖1(b),速度循環(huán)圖(v-t)如圖1(c)所示。 圖1 速度負(fù)載循環(huán)圖 a)工作循環(huán)圖 b)負(fù)載速度圖 c)負(fù)載速度圖 第四章 確定液壓系統(tǒng)主要參數(shù)4.1確定液壓缸工作壓力 由液壓傳動(dòng)(第2版)表11-2和表11-3可知,組合機(jī)床液壓系統(tǒng)在最大負(fù)載約為22000 N時(shí)宜取P1=4MP。4.2計(jì)算液壓缸主要結(jié)構(gòu)參數(shù)由于工作進(jìn)給速度與快速運(yùn)動(dòng)速度差別較大,且快進(jìn)、快退速度要求相

6、等,從降低總流量需求考慮,應(yīng)確定采用單桿雙作用液壓缸的差動(dòng)連接方式。這種情況下,A(無活塞)=2A(有活塞)即活塞桿直徑d與缸筒直徑D呈d=0.707D的關(guān)系。液壓缸的回油腔應(yīng)設(shè)置一定的背壓(通過設(shè)置背壓閥的方式),根據(jù)現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)選取此背壓值為P2=0.8MPa。快進(jìn)時(shí)液壓缸雖然作差動(dòng)連接(即有桿腔與無桿腔均與液壓泵的來油連接),但連接管路中有壓降存在,有桿腔的壓力必須大于無桿腔,估算時(shí)取0.5MPa??焱藭r(shí)回油腔中也是有背壓的,這時(shí)選取被壓值=0.6MPa。工進(jìn)時(shí)液壓缸的推力:,式中:F 負(fù)載力 hm液壓缸機(jī)械效率 A1液壓缸無桿腔的有效作用面積 A2液壓缸有桿腔的有效作用面積 p

7、1液壓缸無桿腔壓力 p2液壓有無桿腔壓力因此,根據(jù)已知參數(shù),液壓缸無桿腔的有效作用面積可計(jì)算為 液壓缸缸筒直徑為 mm由于有前述差動(dòng)液壓缸缸筒和活塞桿直徑之間的關(guān)系,d=0.707D,因此活塞桿直徑為d=0.70789.46=63.32mm,將這些直徑圓整成就近標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)得:D=110mm,活塞桿直徑為d=80mm。由此求得,液壓缸兩腔的實(shí)際有效面積分別為: 經(jīng)檢驗(yàn),活塞桿的強(qiáng)度和穩(wěn)定性均符合要求。工作臺(tái)在快進(jìn)過程中,液壓缸采用差動(dòng)連接,此時(shí)系統(tǒng)所需要的流量為工作臺(tái)在快退過程中所需要的流量為 工作臺(tái)在工進(jìn)過程中所需要的流量為q工進(jìn) =A1v工進(jìn)=0.34L/min表2 各工況下的主要參數(shù)值工 況

8、推力F/N回油腔壓力P2/MPa進(jìn)油腔壓力P1/MPa輸入流量q/L min-1輸入功率P/Kw計(jì)算式快進(jìn)啟動(dòng)2222.2200.888加速15001.2440.744快速1111.111.1660.66621.10.234工進(jìn)24444.440.82.950.4750.0233 快退起動(dòng)2222.2200.497 加速15000.61.609快退1111.110.61.52218.80.339制動(dòng)6500.61.42注:。圖2 組合機(jī)床液壓缸工況圖第五章 液壓系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與所有液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求一樣,該組合機(jī)床液壓系統(tǒng)應(yīng)盡可能結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低,節(jié)約能源,工作可靠。5.1選用執(zhí)行元件為了實(shí)現(xiàn)快

9、進(jìn),快退速度相等,因此選用單活塞桿液壓缸,快進(jìn)時(shí)差動(dòng)連接,無桿腔面積A1等于有桿腔面積A2的兩倍。5.2 液壓回路的選擇5.2.1選擇調(diào)速回路從工況圖中可以清楚地看到,在這個(gè)液壓系統(tǒng)的工作循環(huán)內(nèi),液壓要求油源交替地提供低壓大流量和高壓小流量的油液。最大流量與最小流量之比約為44,而快進(jìn)快退所需的時(shí)間和工進(jìn)所需的時(shí)間分別為亦即是/=8因此從提高系統(tǒng)效率、節(jié)省能量角度來看,選用單個(gè)定量泵作為整個(gè)系統(tǒng)的油源,液壓系統(tǒng)會(huì)長(zhǎng)時(shí)間處于大流量溢流狀態(tài),從而造成能量的大量損失,這樣的設(shè)計(jì)顯然是不合理的。宜選用大、小兩個(gè)液壓泵自動(dòng)并聯(lián)供油的油源方案,由雙聯(lián)泵組成的油源在工進(jìn)和快進(jìn)過程中所輸出的流量是不同的,此時(shí)

10、液壓系統(tǒng)在整個(gè)工作循環(huán)過程中所需要消耗的功率估大,但選用雙聯(lián)液壓泵供油方案,有利于降低能耗和生產(chǎn)成本,如圖3所示。圖3 雙泵供油油源5.2.2選擇快速運(yùn)動(dòng)和換向回路 本設(shè)計(jì)采用二位二通電磁閥的速度換接回路,控制由快進(jìn)轉(zhuǎn)為工進(jìn),即快進(jìn)時(shí),由大小泵同時(shí)供油,液壓缸實(shí)現(xiàn)差動(dòng)連接,所以它的快進(jìn)快退換向回路采用圖4所示的形式。 圖4 換向回路5.2.3選擇速度換接回路所設(shè)計(jì)多軸鉆床液壓系統(tǒng)對(duì)換向平穩(wěn)性的要求不高,流量不大,壓力不高,所以選用價(jià)格較低的電磁換向閥控制換向回路即可。為便于實(shí)現(xiàn)差動(dòng)連接,選用三位五通電磁換向閥。為了調(diào)整方便和便于增設(shè)液壓夾緊支路,應(yīng)考慮選用Y型中位機(jī)能。由組合機(jī)床液壓缸工況圖及

11、前述計(jì)算可知,當(dāng)工作臺(tái)從快進(jìn)轉(zhuǎn)為工進(jìn)時(shí),輸入液壓缸的流量由21.1L/min降0.475 L/min,滑臺(tái)速度變化較大,可選二位二通行程換向閥來進(jìn)行速度換接,以減少速度換接過程中的液壓沖擊。選用雙作用葉片泵雙泵供油,調(diào)速閥進(jìn)油節(jié)流閥調(diào)速的開式回路,溢流閥做定壓閥。為了換速以及液壓缸快退時(shí)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性,回油路上設(shè)置背壓閥,初定背壓值Pb=0.8MPa。 圖5 速度換接回路5.3組成液壓系統(tǒng)原理圖選定調(diào)速方案和液壓基本回路后,再增添一些必要的元件和配置一些輔助性油路,如控制油路、潤(rùn)滑油路、測(cè)壓油路等,并對(duì)回路進(jìn)行歸并和整理,就可將液壓回路合成為液壓系統(tǒng),即組成如圖6所示的液壓系統(tǒng)圖,在后面進(jìn)行介紹

12、。第六章 液壓元件的選擇6.1確定液壓泵本設(shè)計(jì)所使用液壓元件均為標(biāo)準(zhǔn)液壓元件,因此只需確定各液壓元件的主要參數(shù)和規(guī)格,然后根據(jù)現(xiàn)有的液壓元件產(chǎn)品進(jìn)行選擇即可。6.1.1計(jì)算液壓泵的最大工作壓力 由于本設(shè)計(jì)采用雙聯(lián)泵供油方式,根據(jù)液壓系統(tǒng)的工況圖,大流量液壓泵只需在快進(jìn)和快退階段向液壓缸供油,因此大流量泵工作壓力較低。小流量液壓泵在快速運(yùn)動(dòng)和工進(jìn)時(shí)都向液壓缸供油,而液壓缸在工進(jìn)時(shí)工作壓力最大,因此對(duì)大流量液壓泵和小流量液壓泵的工作壓力分別進(jìn)行計(jì)算。 對(duì)于調(diào)速閥進(jìn)口節(jié)流調(diào)速回路,液壓缸在整個(gè)工作循環(huán)中的最大工作壓力為2.95MPa,由液壓傳動(dòng)(第2版)選取進(jìn)油路上的總壓力損失為0.8MPa,同時(shí)考

13、慮到壓力繼電器的可靠動(dòng)作要求壓力繼電器動(dòng)作壓力與最大工作壓力的壓差為0.5MPa,則小流量泵的最高工作壓力為:由組合機(jī)床液壓缸工況圖2可知,快退時(shí)液壓缸中的工作壓力比快進(jìn)時(shí)大,如取進(jìn)油路上的壓力損失為0.5MPa,則大流量泵的最高工作壓力為:6.1.2計(jì)算總流量 在整個(gè)工作循環(huán)過程中,兩個(gè)液壓泵應(yīng)向液壓缸提供的最大流量為21.1L/min,若整個(gè)回路中總的泄漏量按液壓缸輸入流量的10%計(jì)算,則液壓油源所需提供的總流量為: 工作進(jìn)給時(shí),輸入液壓缸流量約為0.475L/min,但由于溢流閥的最小穩(wěn)定溢流量3 L/min,故小流量泵的供油量最少應(yīng)為3.475L/min。據(jù)據(jù)以上液壓油源最大工作壓力和

14、總流量的計(jì)算數(shù)值查閱產(chǎn)品樣本,選取PV2R12-6/26型雙聯(lián)葉片泵,其中小泵的排量為6mL/r,大泵的排量為26mL/r,若取液壓泵的容積效率=0.9,則當(dāng)泵的轉(zhuǎn)速=940r/min時(shí),液壓泵的實(shí)際輸出流量為 由于液壓缸在快退時(shí)輸入功率最大,這時(shí)液壓泵工作壓力為1.92MPa、流量為23.21r/min。取泵的總效率,則液壓泵驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)所需的功率為:根據(jù)上述功率計(jì)算數(shù)據(jù),此系統(tǒng)選取Y100L-6型電動(dòng)機(jī),其額定功率,額定轉(zhuǎn)速。6.2確定其它元件及輔助元件6.2.1閥類元件及輔助元件根據(jù)閥類元件及輔助元件系統(tǒng)油路的最高工作壓力和通過各閥類元件及輔件的實(shí)際流量,查閱產(chǎn)品樣本,選出的閥類元件和輔件

15、規(guī)格如表6所列。表3 液壓元件規(guī)格及型號(hào)序號(hào)元件名稱估計(jì)通過流量q/L/min型號(hào)、規(guī)格額定流量qn/L/min額定壓力Pn/MPa額定壓降Pn/MPa1雙聯(lián)葉片泵PV2R12-6/26(5.1+22)16/142三位五通電液換向閥5035DYF3YE10B80160.53行程閥60AXQFE10B63160.34調(diào)速閥1AXQFE10B6165單向閥60AXQFE10B63160.26單向閥25AF3-Ea10B63160.27液控順序閥22XF3E10B63160.38背壓閥0.3YF3E10B63169溢流閥5.1YF3E10B631610單向閥22AF3-Ea10B63160.0211

16、濾油器30XU6380-J630.0212壓力表開關(guān)KF3-E3B 3測(cè)點(diǎn)16 13單向閥60AF3-Fa10B1006.30.2 14壓力繼電器PFB8L06.2.2 確定油管的直徑在選定了液壓泵后,由于液壓缸在實(shí)際快進(jìn)、工進(jìn)和快退運(yùn)動(dòng)階段的運(yùn)動(dòng)速度、時(shí)間以及進(jìn)、出流量,與原定數(shù)值不同,所以要重新計(jì)算的結(jié)果如表4所示。表中數(shù)值說明,液壓缸快進(jìn)、快退速度與設(shè)計(jì)要求相近。這表明所選液壓缸的型號(hào)、規(guī)格是適宜的。表4 液壓缸的進(jìn)、出流量和運(yùn)動(dòng)速度流量、速度快進(jìn)工進(jìn)快退輸入流量/(L/min) 排出流量/(L/min) 運(yùn)動(dòng)速度/(L/min) 根據(jù)表中數(shù)值,當(dāng)油液在壓力管中流速取3m/s時(shí),可算得與

17、液壓缸無桿腔和有桿腔相連的油管內(nèi)徑分別為:取標(biāo)準(zhǔn)值20mm;取標(biāo)準(zhǔn)值15mm。 因此與液壓缸相連的兩根油管可以按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T23512005選用公稱通徑為和的無縫鋼管。6.2.3 油箱的設(shè)計(jì)油箱的設(shè)計(jì)可先根據(jù)液壓泵的額定流量按照經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法計(jì)算油箱的體積,然后再根據(jù)散熱要求對(duì)油箱的容積進(jìn)行校核。油箱中能夠容納的油液容積按JB/T79381999標(biāo)準(zhǔn)估算,取時(shí),求得其容積為按JB/T79381999規(guī)定,取標(biāo)準(zhǔn)值V=250L第七章 液壓系統(tǒng)性能驗(yàn)算 7.1驗(yàn)算系統(tǒng)壓力損失并確定壓力閥的調(diào)整值由于整個(gè)系統(tǒng)的壓力損失無法全面估算,故只能先按液壓傳動(dòng)(第2版)式(3-46)估算閥類元件的壓力損失,待

18、設(shè)計(jì)好管路布局圖后,加上管路的沿程損失和局部損失即可。7.1.1 快進(jìn)滑臺(tái)快進(jìn)時(shí),液壓缸差動(dòng)連接,由表4和表5可知,進(jìn)油路上油液通過單向閥10的流量是22L/min,通過電液換向閥2的流量是27.1L/min,然后與液壓缸有桿腔的回油匯合,以流量51.24L/min通過行程閥3并進(jìn)入無桿腔。因此進(jìn)油路上的總壓降為此值不大,不會(huì)使壓力閥開啟,故能確保兩個(gè)泵的流量全部進(jìn)入液壓缸?;赜吐飞?,液壓缸有桿腔中的油液通過電液換向閥2和單向閥6的流量都是24.14L/min,然后與液壓泵的供油合并,經(jīng)行程閥3流入無桿腔。由此可算出快進(jìn)時(shí)有桿腔壓力p2與無桿腔壓力p1之差。此值小于原估計(jì)值0.5MPa(見表2

19、),所以是偏安全的。7.1.2 工進(jìn)工進(jìn)時(shí),油液在進(jìn)油路上通過電液換向閥2的流量為0.475L/min,在調(diào)速閥4處的壓力損失為0.5MPa;油液在回油路上通過換向閥2的流量是0.22L/min,在背壓閥8處的壓力損失為0.5MPa,通過順序閥7的流量為(0.22+22)L/min=22.24L/min,因此這時(shí)液壓缸回油腔的壓力為p2為 可見此值小于原估計(jì)值0.8MPa。故可按表2中公式重新計(jì)算工進(jìn)時(shí)液壓缸進(jìn)油腔壓力p1,即 此值與表2中數(shù)值2.95MPa相近??紤]到壓力繼電器可靠動(dòng)作需要壓差pe=0.5MPa,故溢流閥9的調(diào)壓pp1A應(yīng)為 7.1.3快退快退時(shí),油液在進(jìn)油路上通過單向閥10

20、的流量為22L/min,通過換向閥2的流量為27.1L/min;油液在回油路上通過單向閥5、換向閥2和單向閥13的流量都是57.52L/min。因此進(jìn)油路上總壓降為 此值較小,所以液壓泵驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率是足夠的?;赜吐飞峡倝航禐?此值與表2的估計(jì)值相近,故不必重算。所以,快退時(shí)液壓泵的最大工作壓力pp應(yīng)為 因此大流量液壓泵卸荷的順序閥7的調(diào)壓應(yīng)大于1.604MPa。7.2油液溫升驗(yàn)算在工作時(shí),有壓力損失、容積損失和機(jī)械損失,這些損失所消耗的能量多數(shù)轉(zhuǎn)化為熱能,使油溫升高,導(dǎo)致油的粘度下降、油液變質(zhì)、機(jī)器零件變形等,影響正常工作。為此,必須控制溫升T在允許的范圍內(nèi),如一般機(jī)床D= 2530 ;數(shù)

21、控機(jī)床D25 ;粗加工機(jī)械、工程機(jī)械和機(jī)車車輛D= 3540 。 液壓系統(tǒng)的功率損失使系統(tǒng)發(fā)熱,單位時(shí)間的發(fā)熱量f(kW)可表示為式中 系統(tǒng)的輸入功率(即泵的輸入功率)(kW); 系統(tǒng)的輸出功率(即液壓缸的輸出功率)(kW)。 工進(jìn)時(shí)液壓缸的有效功率(即系統(tǒng)輸出功率)為這時(shí)大流量泵通過順序閥10卸荷,小流量泵在高壓下供油,所以兩泵的總輸出功率(即系統(tǒng)輸入功率)為:由此得液壓系統(tǒng)的發(fā)熱量為即可得油液溫升近似值:溫升小于普通機(jī)床允許的溫升范圍,因此液壓系統(tǒng)中不需設(shè)置冷卻器。7.3 液壓傳動(dòng)的回路系統(tǒng)的確定要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)作,即要求實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作順序?yàn)椋簡(jiǎn)?dòng)加速快進(jìn)減速工進(jìn)快退停止。則可得出液壓系統(tǒng)中各電

22、磁鐵的動(dòng)作順序如表3所示。表中“+”號(hào)表示電磁鐵通電或行程閥壓下;“-”號(hào)表示電磁鐵斷電或行程閥復(fù)位。表5 電磁鐵的動(dòng)作順序表工況 工件1YA2YA行程閥快進(jìn)+-工進(jìn)+-+快退-+圖6 液壓系統(tǒng)圖系統(tǒng)圖的原理:1.快速前進(jìn) 電磁鐵1YA通電,由泵輸出地壓力油經(jīng)2三位五通換向閥的右側(cè),這時(shí)的主油路為: 進(jìn)油路:雙聯(lián)泵單向閥10三位五通換向閥2(1YA得電)行程閥3液壓缸左腔。 回油路:液壓缸左腔三位五通換向閥2(1YA得電)單向閥6行程閥3液壓缸右腔。由此形成液壓缸兩腔連通,實(shí)現(xiàn)差動(dòng)快進(jìn),由于快進(jìn)負(fù)載壓力小,系統(tǒng)壓力低,變量泵輸出最大流量。2.工進(jìn)進(jìn)油路:雙聯(lián)泵單向閥10三位五通換向閥2(1YA得電)調(diào)速閥4液壓缸右腔?;赜吐罚阂簤焊鬃笄蝗晃逋〒Q向閥2背壓閥8液控順序閥7油箱。3.快退進(jìn)油路:雙聯(lián)泵單向閥10三位五通換向閥2(2YA得電)液壓缸左腔?;赜吐罚阂簤焊子仪粏蜗蜷y5三位五

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