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文檔簡介

機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)(陳定國版)第九章

蝸桿傳動(dòng) By:秦霆 Time:2013.11.01本章主要內(nèi)容:9.1概述9.2普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)和幾何尺寸9.3蝸桿傳動(dòng)的工況分析9.4蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)§9-1概述9.1.1

蝸桿傳動(dòng)的類型和特點(diǎn)

蝸桿傳動(dòng)由蝸桿、蝸輪和機(jī)架組成,用于傳遞空間兩交錯(cuò)軸間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。

通常由蝸桿(主動(dòng)件)帶動(dòng)蝸輪(從動(dòng)件)轉(zhuǎn)動(dòng),蝸桿蝸輪1.蝸桿結(jié)構(gòu)

一個(gè)齒輪,當(dāng)它只具有一個(gè)或幾個(gè)螺旋齒并且與蝸輪嚙合而組成交錯(cuò)軸齒輪副時(shí),稱為蝸桿。蝸桿通常與軸合為一體。2.蝸輪結(jié)構(gòu)

一個(gè)齒輪,它作為一個(gè)交錯(cuò)軸齒輪副中的大齒輪而與配對蝸桿相嚙合時(shí),稱為蝸輪。蝸輪常采用組合結(jié)構(gòu)

蝸桿傳動(dòng)時(shí),蝸輪的回轉(zhuǎn)方向不僅與蝸桿的回轉(zhuǎn)方向有關(guān),而且與蝸桿的旋向有關(guān)。第一步:判斷蝸桿或蝸輪的旋向第二步:判斷蝸輪的回轉(zhuǎn)方向二、蝸輪回轉(zhuǎn)方向的判定

第一步:判斷蝸桿或蝸輪的旋向右手法則:

手心對著自己,四指順著蝸桿或蝸輪軸線方向擺正,若齒向與右手拇指指向一致,則該蝸桿或蝸輪為右旋,反之則為左旋。圖例解析(一)左、右手法則:

左旋蝸桿用左手,右旋蝸桿用右手,用四指彎曲表示蝸桿的回轉(zhuǎn)方向,拇指伸直代表蝸桿軸線,則拇指所指方向的相反方向即為蝸輪上嚙合點(diǎn)的線速度方向。第二步:判斷蝸輪的回轉(zhuǎn)方向右旋圖例解析(一)向左(逆時(shí)針)圖例解析(二)12.1.2蝸桿傳動(dòng)的特點(diǎn)蝸桿傳動(dòng)的最大特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)比大。傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小??芍瞥删哂凶枣i性的蝸桿。蝸桿傳動(dòng)的主要缺點(diǎn)是效率較低。蝸輪的造價(jià)較高。12.1蝸桿傳動(dòng)的類型和特點(diǎn)

12.1蝸桿傳動(dòng)的類型和特點(diǎn)

其齒面一般是在車床上用直線刀刃的車刀切制而成,車刀安裝位置不同,加工出的蝸桿齒面的齒廓形狀不同。阿基米德蝸桿(ZA型)漸開線蝸桿(ZI型)法向直廓蝸桿(ZN型)錐面包絡(luò)圓柱蝸桿(ZK型)圓柱蝸桿傳動(dòng)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)錐蝸桿傳動(dòng)普通圓柱蝸桿傳動(dòng)圓弧圓柱蝸桿傳動(dòng)其蝸桿的螺旋面是用刃邊為凸圓弧形的車刀切制而成的。其蝸桿體在軸向的外形是以凹弧面為母線所形成的旋轉(zhuǎn)曲面,這種蝸桿同時(shí)嚙合齒數(shù)多,傳動(dòng)平穩(wěn);齒面利于潤滑油膜形成,傳動(dòng)效率較高;12.1.1

蝸桿傳動(dòng)的類型同時(shí)嚙合齒數(shù)多,重合度大;傳動(dòng)比范圍大(10~360);承載能力和效率較高;可節(jié)約有色金屬。②漸開線圓柱蝸桿(ZI型)如圖所示蝸桿齒面為漸開線螺旋面,端面齒廓為漸開線,軸向剖面I-I上具有凸廓。蝸桿通常為車制,也可以用齒輪滾刀滾銑,并可磨削。這種蝸桿加工精度容易保證,傳動(dòng)效率高。一般用于蝸桿頭數(shù)較多(3頭以上)、轉(zhuǎn)速較高和要求較精密的傳動(dòng),如滾齒機(jī)、磨齒機(jī)上的精密蝸桿副等。③法向直廓圓柱蝸桿(ZN型)如圖所示,亦稱延伸漸開線蝸桿。蝸桿的法向剖面N-N上具有直線齒廓,軸向剖面I-I具有外凸曲線。端面齒廓為延伸漸開線。蝸桿可以車制,車削時(shí)刀具法向放置,有利于車削>15°的多頭蝸桿,還可以磨削加工。這種蝸桿加工簡單,加工精度容易保證,常用于機(jī)床的多頭精密蝸桿的傳動(dòng)。④錐面包絡(luò)圓柱蝸桿(ZK型)如圖所示,蝸桿齒廓在各截面均呈曲線形狀,故又稱“曲紋面蝸桿傳動(dòng)”。蝸桿螺旋面由錐面盤狀銑刀或砂輪包絡(luò)而成,刀具軸線與蝸桿軸線在空間交錯(cuò)成導(dǎo)程角。這種蝸桿容易加工,精度較高,應(yīng)用漸廣。(2)圓弧圓柱蝸桿傳動(dòng)(ZC蝸桿)如圖所示,蝸桿在軸向平面內(nèi)具有凹圓弧齒廓,與蝸輪組成凹凸嚙合傳動(dòng)形式。這種蝸桿傳動(dòng)承載能力大、效率高、耐磨,在冶金、建筑、化工等機(jī)械中得到廣泛的應(yīng)用。點(diǎn)此觀看動(dòng)畫演示2.環(huán)面蝸桿傳動(dòng)環(huán)面蝸桿傳動(dòng)如圖所示。蝸桿螺紋段的外形是以凹圓弧為母線所形成的旋轉(zhuǎn)曲面。該傳動(dòng)同時(shí)嚙合的齒對數(shù)增多,承載能力為普通圓柱蝸桿的2~4倍,齒間潤滑油膜易形成和保持,效率高,體積小,壽命長,但制造、安裝復(fù)雜。3.錐蝸桿傳動(dòng)如圖所示,蝸桿為一等導(dǎo)程的錐形螺紋,故稱錐蝸桿。渦輪像一個(gè)曲線齒圓錐齒輪,故稱錐輪。他們的軸線在空間交錯(cuò),交錯(cuò)角通常為90°。錐蝸桿傳動(dòng)的特點(diǎn)是:嚙合齒數(shù)多,重合度大,故傳動(dòng)平穩(wěn),承載能力高,渦輪能用淬火鋼制造,可節(jié)省有色金屬。9.2

普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)和幾何尺寸

在中間平面內(nèi)蝸桿與蝸輪的嚙合就相當(dāng)于漸開線齒條與齒輪的嚙合。在蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算中,均以中間平面上的基本參數(shù)和幾何尺寸為基準(zhǔn)。點(diǎn)擊觀看動(dòng)畫演示中間平面:包含蝸桿軸線并垂直蝸輪軸線的平面稱為中間平面。普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)1.模數(shù)m和壓力角2.蝸桿分度圓直徑d1

3.蝸桿頭數(shù)z1

4.導(dǎo)程角5.傳動(dòng)比i6.蝸輪齒數(shù)z2

7.中心距a1.模數(shù)m和壓力角a蝸桿與蝸輪嚙合時(shí),蝸桿的軸面模數(shù)、壓力角應(yīng)與蝸輪的端面模數(shù)、壓力角相等,即ma1=mt2=m

aa1=at2=20°9.2.1

蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)及其選擇式中、為標(biāo)準(zhǔn)值。ZA型蝸桿,ZI、ZN型蝸桿的法向壓力角。2.蝸桿分度圓直徑d1和蝸桿直徑系數(shù)q由于蝸輪是用與蝸桿尺寸相同的蝸輪滾刀配對加工而成的,為了限制滾刀的數(shù)目,國家標(biāo)準(zhǔn)對每一標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)規(guī)定了一定數(shù)目的標(biāo)準(zhǔn)蝸桿分度圓直徑d1。蝸桿主要參數(shù)常用值及其匹配表

直徑d1與模數(shù)m的比值稱為蝸桿的直徑系數(shù)。當(dāng)模數(shù)m一定時(shí),q值增大則蝸桿直徑d1增大,蝸桿的剛度提高。因此,對于小模數(shù)蝸桿,規(guī)定了較大的q值,以保證蝸桿有足夠的剛度。

3.蝸桿導(dǎo)程角γ和蝸輪螺旋角β在m和d1為標(biāo)準(zhǔn)值時(shí),z1↑→γγ↑由右圖得tanγ====或=點(diǎn)此觀看動(dòng)畫演示對于普通圓柱蝸桿傳動(dòng),為了保證正確嚙合,還應(yīng)保證γ與β大小相等,旋向相同,即γ=β。γ角的范圍為,不同z1時(shí)所用的值見下表。4.蝸桿的頭數(shù)z1、蝸輪齒數(shù)z2和傳動(dòng)比i較少的蝸桿頭數(shù)(如:單頭蝸桿)可以實(shí)現(xiàn)較大的傳動(dòng)比,但傳動(dòng)效率較低;蝸桿頭數(shù)越多,傳動(dòng)效率越高,但蝸桿頭數(shù)過多時(shí)不易加工。通常蝸桿頭數(shù)取為1、2、4、6。蝸輪齒數(shù)主要取決于傳動(dòng)比,即z2=iz1。z2不宜太?。ㄈ鐉2<26),否則將使傳動(dòng)平穩(wěn)性變差。z2也不宜太大,否則在模數(shù)一定時(shí),蝸輪直徑將增大,從而使相嚙合的蝸桿支承間距加大,降低蝸桿的彎曲剛度。傳動(dòng)比i4.蝸桿傳動(dòng)中心距a標(biāo)準(zhǔn)中心距為:變位中心距為:12.2.2

蝸桿傳動(dòng)的幾何尺寸計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)中心距徑向間隙蝸輪螺旋角蝸桿導(dǎo)程角齒根圓直徑齒頂圓直徑齒根高齒頂高分度圓直徑蝸輪蝸桿計(jì)算公式符號名稱蝸桿傳動(dòng)變位的方法與齒輪傳動(dòng)相同,也是在切削時(shí)將刀具移位。生產(chǎn)中常用變位蝸桿傳動(dòng)。變位的目的主要是湊配中心距或傳動(dòng)比,使之符合推薦值。但在蝸桿傳動(dòng)中,由于切制蝸輪的蝸輪滾刀的參數(shù)尺寸與蝸桿相一致,為了保持刀具尺寸不變,故蝸桿尺寸不變,只對蝸輪進(jìn)行變位。蝸輪變位系數(shù)的范圍為-0.5≤≤+0.5,最好取為正值。9.3蝸桿傳動(dòng)的工作情況分析1.齒面間相對滑動(dòng)速度

;蝸桿傳動(dòng)中,在蝸桿與蝸輪齒面間會(huì)產(chǎn)生很大的滑動(dòng)速度,由圖得設(shè)計(jì)初,的概略值見右圖。蝸桿傳動(dòng)的失效形式蝸桿傳動(dòng)齒輪的受力情況與齒輪傳動(dòng)基本相同,故蝸桿傳動(dòng)的失效形式也與齒輪傳動(dòng)相似。但是,由滑動(dòng)速度計(jì)算公式可知,蝸桿傳動(dòng)齒面間具有很大的滑動(dòng)速度,同時(shí),傳動(dòng)效率低,發(fā)熱量大,因此,蝸桿傳動(dòng)的主要失效形式是膠合和磨損。閉式蝸桿傳動(dòng)以膠合為主要失效形式,開式蝸桿傳動(dòng)主要是齒面磨損。由于目前對膠合和磨損的計(jì)算尚無成熟的方法,故仍按齒面接觸疲勞強(qiáng)度和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行條件性計(jì)算,只在許用應(yīng)力數(shù)值中適當(dāng)考慮膠合和磨損的影響。設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對閉式蝸桿傳動(dòng),一般按齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算,并進(jìn)行熱平衡校核,只有當(dāng)或蝸輪負(fù)變位時(shí),才進(jìn)行蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核;對于開式渦輪傳動(dòng),通常只須按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)。蝸桿通常為細(xì)長軸,過大的彎曲變形將導(dǎo)致嚙合區(qū)接觸不良,因此,當(dāng)蝸桿軸的支撐跨距較大時(shí),應(yīng)校核其剛度是否足夠。蝸桿材料的強(qiáng)度通常比蝸輪材料高,且蝸桿齒為連續(xù)的螺旋齒,故蝸桿副的失效一般出現(xiàn)在蝸輪上。通常只對蝸輪進(jìn)行承載能力計(jì)算。9.3.2蝸桿傳動(dòng)的受力分析

普通蝸桿傳動(dòng)的承載能力計(jì)算2蝸桿傳動(dòng)的受力分析與斜齒圓柱齒輪相似,輪齒在受到法向載荷Fn的情況下,可分解出徑向載荷Fr、周向載荷Ft、軸向載荷Fa。在不計(jì)摩擦力時(shí),有以下關(guān)系:在分析蝸桿和蝸輪受力方向時(shí),必須先指明主動(dòng)輪和從動(dòng)輪(一般蝸桿為主動(dòng)輪);蝸桿或蝸輪的螺旋方向:左旋或右旋;蝸桿的轉(zhuǎn)向和位置。蝸桿與蝸輪輪齒上各方向判斷如下:②徑向力的方向:由嚙合點(diǎn)分別指向各自軸心;③軸向力的方向:蝸桿主動(dòng)時(shí),蝸桿軸向力的方向由“主動(dòng)輪左、右手定則”判斷,即右旋蝸桿用右手(左旋用左手),四指順著蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)方向彎曲,大拇指指向即蝸桿軸向力的方向。蝸輪軸向力的方向與蝸桿圓周力方向相反。①圓周力的方向:主動(dòng)輪圓周力與其節(jié)點(diǎn)速度方向相反,從動(dòng)輪圓周力與其節(jié)點(diǎn)速度方向相同;9.3.3

蝸桿傳動(dòng)的效率閉式蝸桿傳動(dòng)的功率損耗包括三部分:輪齒嚙合時(shí)的摩擦損耗、軸承摩擦損耗和攪油損耗,故蝸桿傳動(dòng)的總效率為式中——蝸桿傳動(dòng)的嚙合效率,其計(jì)算方法與螺旋傳動(dòng)的計(jì)算方法相同。當(dāng)蝸桿為主動(dòng)件時(shí):(其中為蝸桿導(dǎo)程角,為當(dāng)量摩擦角,查表)。——攪油效率,一般。

——軸承效率。每對滾動(dòng)軸承,每對滑動(dòng)軸承。蝸桿傳動(dòng)效率主要取決于,一般隨的增大而提高,但后,提高已不明顯,而且大導(dǎo)程角的蝸桿制造困難,所以實(shí)用為。9.3.3

蝸桿傳動(dòng)中的自鎖9.4蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)9.4.1

蝸桿傳動(dòng)的失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則蝸桿傳動(dòng)齒輪的受力情況與齒輪傳動(dòng)基本相同,故蝸桿傳動(dòng)的失效形式也與齒輪傳動(dòng)相似。但是,由滑動(dòng)速度計(jì)算公式可知,蝸桿傳動(dòng)齒面間具有很大的滑動(dòng)速度,同時(shí),傳動(dòng)效率低,發(fā)熱量大,因此,蝸桿傳動(dòng)的主要失效形式是膠合和磨損。閉式蝸桿傳動(dòng)以膠合為主要失效形式,開式蝸桿傳動(dòng)主要是齒面磨損。由于目前對膠合和磨損的計(jì)算尚無成熟的方法,故仍按齒面接觸疲勞強(qiáng)度和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行條件性計(jì)算,只在許用應(yīng)力數(shù)值中適當(dāng)考慮膠合和磨損的影響。1.失效形式2.設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對閉式蝸桿傳動(dòng),一般按齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算,并進(jìn)行熱平衡校核,只有當(dāng)或蝸輪負(fù)變位時(shí),才進(jìn)行蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核;對于開式渦輪傳動(dòng),通常只須按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)。蝸桿通常為細(xì)長軸,過大的彎曲變形將導(dǎo)致嚙合區(qū)接觸不良,因此,當(dāng)蝸桿軸的支撐跨距較大時(shí),應(yīng)校核其剛度是否足夠。蝸桿材料的強(qiáng)度通常比蝸輪材料高,且蝸桿齒為連續(xù)的螺旋齒,故蝸桿副的失效一般出現(xiàn)在蝸輪上。通常只對蝸輪進(jìn)行承載能力計(jì)算。9.4.2

蝸桿和蝸輪的材料選擇蝸桿常用材料為碳鋼或合金鋼。高速重載的蝸桿常用15Cr、20Cr滲碳淬火,或45鋼、40Cr淬火。低速中輕載的蝸桿可用45鋼調(diào)質(zhì)。蝸輪常用材料有:鑄造錫青銅、鑄造鋁青銅、灰鑄鐵等。根據(jù)蝸桿傳動(dòng)的失效特點(diǎn),蝸桿副材料不但應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度,而且還應(yīng)具有良好的減磨性和抗膠合性能。實(shí)踐證明,較理想的蝸桿副材料是磨削淬硬的鋼制蝸桿匹配青銅蝸輪。9.4.3蝸桿傳動(dòng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)

蝸輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算蝸輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度的校核公式為

:適用于鋼制蝸桿對青銅或鑄鐵蝸輪渦輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為式中——載荷系數(shù),一般=1~1.4;

——彈性系數(shù),見右表;

——使用系數(shù),見右表;

——?jiǎng)虞d系數(shù),當(dāng)<3時(shí),;>3時(shí),;

——載荷分布系數(shù),載荷平穩(wěn)時(shí),;載荷變化時(shí),。12.5.2蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算蝸輪齒根彎曲強(qiáng)度的校核公式為:設(shè)計(jì)公式為:式中——蝸桿綜合齒形系數(shù),按及蝸輪變位系數(shù)查圖11-32;

——導(dǎo)程角系數(shù),。

蝸輪材料的許用應(yīng)力1.許用接觸應(yīng)力[sH]錫青銅和灰鑄鐵的許用接觸應(yīng)力見下表。各種蝸輪材料在時(shí)的許用接觸應(yīng)力見下表。

錫青銅的許用接觸應(yīng)力按下式計(jì)算式中——時(shí)蝸輪輪緣材料的許用接觸應(yīng)力,見表12-7。

——滑動(dòng)速度影響系數(shù),查圖。

——接觸強(qiáng)度計(jì)算的壽命系數(shù),查圖。

——應(yīng)力循環(huán)次數(shù),=60(其中為蝸輪轉(zhuǎn)速,r/min;j為蝸輪每轉(zhuǎn)一周,每齒單側(cè)嚙合次數(shù);為工作壽命,h)。2.蝸輪的許用彎曲應(yīng)力[sF]=式中——時(shí),蝸輪輪緣材料的許用彎曲應(yīng)力,

——彎曲強(qiáng)度計(jì)算壽命的系數(shù),查圖。12.6.1蝸桿傳動(dòng)的效率閉式蝸桿傳動(dòng)的功率損耗包括三部分:輪齒嚙合時(shí)的摩擦損耗、軸承摩擦損耗和攪油損耗,故蝸桿傳動(dòng)的總效率為式中——蝸桿傳動(dòng)的嚙合效率,其計(jì)算方法與螺旋傳動(dòng)的計(jì)算方法相同。當(dāng)蝸桿為主動(dòng)件時(shí):(其中為蝸桿導(dǎo)程角,為當(dāng)量摩擦角,查表)。——攪油效率,一般。

——軸承效率。每對滾動(dòng)軸承,每對滑動(dòng)軸承。蝸桿傳動(dòng)效率主要取決于,一般隨的增大而提高,但后,提高已不明顯,而且大導(dǎo)程角的蝸桿制造困難,所以實(shí)用為。12.6.2蝸桿傳動(dòng)的熱平衡計(jì)算由于傳動(dòng)效率較低,對于長期運(yùn)轉(zhuǎn)的蝸桿傳動(dòng),會(huì)產(chǎn)生較大的熱量。如果產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)散去,則系統(tǒng)的熱平衡溫度將過高,就會(huì)破壞潤滑狀態(tài),從而導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)一步惡化。系統(tǒng)因摩擦功耗產(chǎn)生的熱量為:自然冷卻從箱壁散去的熱量為:Ks——箱體表面的散熱系數(shù),可取Ks

=(8.15~17.45)W/(m2?℃);A

——箱體的可散熱面積(m2);t1——潤滑油的工作溫度(℃);t0——環(huán)境溫度(℃)。在熱平衡條件下可得:可用于系統(tǒng)熱平衡驗(yàn)算,一般t1≤70~90℃可用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)普通蝸桿傳動(dòng)的效率潤滑與熱平衡212.7.1

蝸桿傳動(dòng)的潤滑潤滑的主要目的在于減摩與散熱。具體潤滑方法與齒輪傳動(dòng)的潤滑相近。潤滑油潤滑油粘度及給油方式潤滑油量潤滑油的種類很多,需根據(jù)蝸桿、蝸輪配對材料和運(yùn)轉(zhuǎn)條件選用。一般根據(jù)相對滑動(dòng)速度及載荷類型進(jìn)行選擇。給油方法包括:油池潤滑、噴油潤滑等,若采用噴油潤滑,噴油嘴要對準(zhǔn)蝸桿嚙入端,而且要控制一定的油壓。潤滑油量的選擇既要考慮充分的潤滑,又不致產(chǎn)生過大的攪油損耗。對于下置蝸桿或側(cè)置蝸桿傳動(dòng),浸油深度應(yīng)為蝸桿的一個(gè)齒高;當(dāng)蝸桿上置時(shí),浸油深度約為蝸輪外徑的1/3。蝸桿傳動(dòng)的跑和和試運(yùn)轉(zhuǎn)蝸桿傳動(dòng)安裝蝸桿傳動(dòng)安裝要求精度高。應(yīng)使蝸輪的中間平面通過蝸桿的軸線。如右圖所示。為保證傳動(dòng)的正確嚙合,工作時(shí)蝸輪的中間平面不允許有軸向移動(dòng),因此蝸輪軸支撐應(yīng)采用兩端固定的方式。蝸桿傳動(dòng)的維護(hù)很重要,又注意周圍的通風(fēng)散熱情況。12.7蝸桿傳動(dòng)的安裝與維護(hù)

蝸桿傳動(dòng)裝配后,須經(jīng)跑合,以使齒面接觸良好。跑合時(shí)采用低速運(yùn)轉(zhuǎn),通常r/min,逐步加載至額定載荷,跑合1~5h。若發(fā)現(xiàn)蝸桿齒面上粘有青銅,應(yīng)立即停車,用細(xì)砂紙打去,在繼續(xù)跑合。跑合好后,應(yīng)清洗

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