鐵路車(chē)軸過(guò)盈配合結(jié)構(gòu)微動(dòng)磨損與微動(dòng)疲勞研究

劉為亞，陳一萍，李亞波，楊凱，史玉杰

鐵路車(chē)軸過(guò)盈配合結(jié)構(gòu)微動(dòng)磨損與微動(dòng)疲勞研究

劉為亞，陳一萍，李亞波，楊凱，史玉杰

（中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司，山東 青島 266111）

采用比例車(chē)軸試樣進(jìn)行了微動(dòng)疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)后觀察了車(chē)軸微動(dòng)區(qū)的微動(dòng)磨損與微動(dòng)疲勞損傷，并測(cè)量了車(chē)輪、車(chē)軸配合面磨損輪廓。試驗(yàn)結(jié)果表明，車(chē)軸輪座邊緣微動(dòng)區(qū)的磨損機(jī)理主要是磨粒磨損、剝層和氧化磨損。車(chē)軸微動(dòng)疲勞裂紋萌生于微動(dòng)區(qū)內(nèi)部，初始裂紋角度與車(chē)軸徑向方向成29°。隨著裂紋的擴(kuò)展，裂紋角度逐漸減小。此后，基于測(cè)量的磨損輪廓建立了有限元模型，仿真研究了微動(dòng)磨損對(duì)鐵路車(chē)軸微動(dòng)疲勞的影響。研究發(fā)現(xiàn)，微動(dòng)磨損移除了輪座邊緣材料，緩解了輪座邊緣的應(yīng)力集中。同時(shí)，微動(dòng)磨損在微動(dòng)區(qū)內(nèi)部磨損/未磨損邊界引入新的應(yīng)力集中，促進(jìn)了微動(dòng)區(qū)內(nèi)部的裂紋萌生。

鐵路車(chē)軸；微動(dòng)磨損；微動(dòng)疲勞；應(yīng)力集中

輪軸是鐵路車(chē)輛系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，關(guān)系著列車(chē)運(yùn)行的安全[1-2]。輪軸由車(chē)軸與車(chē)輪經(jīng)過(guò)盈配合組成，幾乎承載著列車(chē)全部的重量。在旋轉(zhuǎn)彎曲載荷作用下，輪軸配合面上會(huì)發(fā)生微米級(jí)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，即微動(dòng)。微動(dòng)會(huì)導(dǎo)致輪軸接觸邊緣區(qū)域出現(xiàn)微動(dòng)磨損，并可能引發(fā)微動(dòng)疲勞，威脅車(chē)軸的服役安全。

微動(dòng)疲勞失效是車(chē)軸的主要失效形式[3]。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，鐵路車(chē)軸會(huì)發(fā)生各類疲勞破壞，其中，過(guò)盈配合部位的疲勞破壞占車(chē)軸疲勞破壞的90%以上[4]。近年來(lái)，我國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)部門(mén)在檢修維護(hù)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)鐵路車(chē)軸微動(dòng)疲勞仍偶有發(fā)生。2008－2010年間，DF21型米軌機(jī)車(chē)在返廠進(jìn)行輪對(duì)檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)輪座內(nèi)側(cè)普遍存在微動(dòng)疲勞裂紋，此后運(yùn)營(yíng)部門(mén)將車(chē)軸材料由JZ45鋼更換為EA4T車(chē)軸鋼，并優(yōu)化了車(chē)軸突懸量、過(guò)盈量和卸荷槽尺寸[5]。2016年，國(guó)內(nèi)某機(jī)車(chē)車(chē)軸輪座上檢測(cè)到了微動(dòng)疲勞裂紋，最終更換了600多根車(chē)軸[6]。顯然，鐵路車(chē)軸微動(dòng)疲勞的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失。學(xué)者們?yōu)檠芯寇?chē)軸微動(dòng)疲勞做了大量工作。黃夢(mèng)妮等[7]對(duì)失效的RD2型車(chē)軸進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)車(chē)軸輪座邊緣存在一個(gè)寬度約20 mm的環(huán)狀磨損區(qū)域，該區(qū)域附著有黑色和紅褐色的氧化磨屑，并伴有微動(dòng)疲勞裂紋，Song等[8]在失效的鐵路車(chē)軸輪座面上也發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象。Gürer等[9]發(fā)現(xiàn)，失效車(chē)軸的微動(dòng)疲勞裂紋總是出現(xiàn)在車(chē)軸輪座內(nèi)側(cè)距邊緣18～22 mm的內(nèi)部，過(guò)早的微動(dòng)疲勞失效與材料機(jī)械性能劣化有關(guān)，Zhu等[10]則認(rèn)為微動(dòng)疲勞裂紋是由位錯(cuò)擴(kuò)散和堆積引起的嚴(yán)重應(yīng)力集中導(dǎo)致。學(xué)者們研究了車(chē)軸的微動(dòng)疲勞，但是始終無(wú)法對(duì)微動(dòng)疲勞裂紋萌生于微動(dòng)區(qū)內(nèi)部這一現(xiàn)象作出合理解釋。微動(dòng)失效車(chē)軸總是同時(shí)存在嚴(yán)重的微動(dòng)磨損和微動(dòng)疲勞，但研究人員經(jīng)常將二者孤立。牧野泰三等[11]認(rèn)為，微動(dòng)磨損與微動(dòng)疲勞密切相關(guān)，微動(dòng)磨損導(dǎo)致的輪座邊緣材料移除可能會(huì)影響該區(qū)域的應(yīng)力分布，但尚無(wú)文獻(xiàn)對(duì)此進(jìn)行報(bào)道。實(shí)際車(chē)軸服役載荷復(fù)雜，以往的車(chē)軸失效分析難以直接用于研究微動(dòng)磨損對(duì)微動(dòng)疲勞的影響。因此，有必要在恒定載荷條件下進(jìn)行車(chē)軸微動(dòng)疲勞試驗(yàn)，系統(tǒng)地研究鐵路車(chē)軸微動(dòng)磨損與微動(dòng)疲勞。

本文采用比例車(chē)軸試樣進(jìn)行微動(dòng)疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)后對(duì)車(chē)軸的微動(dòng)區(qū)進(jìn)行觀察，并對(duì)車(chē)軸微動(dòng)磨損機(jī)理進(jìn)行分析。此后，研究人員對(duì)車(chē)軸微動(dòng)磨損輪廓進(jìn)行測(cè)量，并基于測(cè)量的磨損輪廓建立有限元模型，仿真研究了微動(dòng)磨損前后車(chē)軸微動(dòng)區(qū)應(yīng)力分布，從受力的角度揭示車(chē)軸微動(dòng)疲勞機(jī)理。

1 微動(dòng)疲勞試驗(yàn)

1.1 試樣與材料

本次試驗(yàn)所用比例車(chē)軸試樣如圖1所示。該試樣輪座部位形狀尺寸是根據(jù)某國(guó)產(chǎn)高速動(dòng)車(chē)組非動(dòng)力車(chē)軸嚴(yán)格縮比得到。車(chē)軸輪座直徑50.065 mm，車(chē)輪輪轂孔直徑50 mm，輪軸間過(guò)盈量0.065 mm，滿足TB/T 1463－2015[12]對(duì)輪軸裝配過(guò)盈量的要求。車(chē)軸軸身直徑43.2 mm，車(chē)軸輪座與軸身間的過(guò)渡圓弧由半徑分別為3.9 mm和19.6 mm的兩段圓弧組成。輪軸過(guò)盈配合時(shí)，首先采用液氮對(duì)車(chē)軸進(jìn)行冷卻收縮，待冷卻到合適尺寸時(shí)組裝車(chē)輪與車(chē)軸，此后對(duì)車(chē)軸進(jìn)行靜置，直至車(chē)軸冷卻變形恢復(fù)即完成裝配。

圖1 比例車(chē)軸試樣

比例車(chē)軸材料為EA4T車(chē)軸鋼，車(chē)輪材料為ER8車(chē)輪鋼，材料力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

比例車(chē)軸微動(dòng)疲勞試驗(yàn)在圖2所示微動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。該試驗(yàn)機(jī)為懸臂梁式旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速與加載力可通過(guò)微機(jī)控制并實(shí)時(shí)監(jiān)控。試驗(yàn)轉(zhuǎn)速1500 r/min，對(duì)應(yīng)車(chē)軸運(yùn)行速率260 km/h。由于EA4T車(chē)軸鋼全尺寸車(chē)軸的微動(dòng)疲勞極限為145 MPa[13]，考慮到尺寸效應(yīng)，推測(cè)比例車(chē)軸輪座的微動(dòng)疲勞極限大于145 MPa。試驗(yàn)時(shí)，首先對(duì)車(chē)軸施加載荷，使車(chē)軸輪座邊緣的名義彎曲應(yīng)力為150 MPa，試驗(yàn)周次為1×107。試驗(yàn)后對(duì)車(chē)軸輪座進(jìn)行檢測(cè)，若沒(méi)有觀察到微動(dòng)疲勞裂紋，則以10 MPa為間隔進(jìn)行升載，并重復(fù)上述試驗(yàn)，直到車(chē)軸輪座出現(xiàn)微動(dòng)疲勞裂紋。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 微動(dòng)磨損

試驗(yàn)后，研究人員采用電火花線切割機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行切割取樣。此后，采用酒精和超聲波清洗機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行清洗，清洗時(shí)間為10 min。清洗完成后，采用體視顯微鏡（OLYMPUS- DSX100）對(duì)圖3所示切割完的試樣進(jìn)行觀察。觀察結(jié)果表明：當(dāng)車(chē)軸輪座邊緣的名義彎曲應(yīng)力為170 MPa時(shí)，車(chē)軸輪座出現(xiàn)微動(dòng)疲勞裂紋。

考慮到本文的目的在于研究鐵路車(chē)軸微動(dòng)磨損與微動(dòng)疲勞，因此，后續(xù)將針對(duì)出現(xiàn)微動(dòng)疲勞裂紋的車(chē)軸進(jìn)行研究。車(chē)軸微動(dòng)區(qū)的宏觀形貌如圖4所示，可知，車(chē)軸微動(dòng)區(qū)寬度約為24 mm，越靠近輪座邊緣，車(chē)軸表面損傷越嚴(yán)重。對(duì)輪座邊緣區(qū)域進(jìn)行局部放大，可看到輪座邊緣區(qū)域沿周向出現(xiàn)了一條干凈且狹窄的微動(dòng)損傷帶，寬度約0.5 mm。隨著位置向內(nèi)部移動(dòng)，車(chē)軸表面出現(xiàn)了黑色和紅褐色的氧化磨屑。

表1 車(chē)軸與車(chē)輪材料力學(xué)參數(shù)

圖2 微動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī)

圖3 觀察試樣取樣流程

采用掃描電子顯微鏡（SEM，JSM-6610LV）觀察圖4三個(gè)典型損傷位置（A、B、C），并用X射線能譜分析儀（EDS，Oxford X-MAX50 INCA-250）分析各位置材料的化學(xué)成分。

圖5為圖4中A、B、C三個(gè)位置的SEM微觀形貌及EDS能譜分析結(jié)果?？芍?，A位置表面粗糙，這說(shuō)明該位置微動(dòng)磨損非常嚴(yán)重，Zhang等[14]指出該位置存在嚴(yán)重的磨粒磨損。雖然該位置出現(xiàn)大量氧元素，但并沒(méi)有明顯的氧化磨屑，因此，推測(cè)氧元素是內(nèi)部磨屑排出時(shí)引入。B位置表面損傷以材料剝層為主，由EDS能譜圖可以看到該位置的氧元素含量最高。由圖4可知，B位置存在大量紅褐色和黑色的氧化磨屑，因此該位置還存在嚴(yán)重的氧化磨損。C位置表面宏觀損傷輕微，但仍然存在剝層損傷，EDS結(jié)果顯示該位置同樣存在氧化磨損。綜上，輪軸微動(dòng)區(qū)的微動(dòng)磨損機(jī)理主要是磨粒磨損、剝層和氧化磨損。

圖4 車(chē)軸表面損傷區(qū)宏觀形貌及局部放大圖

圖5 位置A、B、C表面SEM形貌及EDS結(jié)果

Mccoll等[15]采用圓柱－平板微動(dòng)試驗(yàn)裝置對(duì)材料的微動(dòng)損傷進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，微動(dòng)磨損導(dǎo)致的磨損輪廓變化會(huì)影響配合面應(yīng)力分布，從而影響微動(dòng)疲勞。車(chē)軸配合邊緣存在嚴(yán)重的微動(dòng)磨損，這可能會(huì)改變輪軸配合面的表面輪廓，從而影響配合面的應(yīng)力分布。為研究微動(dòng)磨損對(duì)車(chē)軸微動(dòng)疲勞的影響，有必要獲取試驗(yàn)后輪軸配合面磨損輪廓。為此，采用激光共聚焦顯微鏡（CLSM，OLYMPUS OLS4100）對(duì)磨損后輪軸配合面進(jìn)行測(cè)量，如圖6所示。首先，采用CLSM對(duì)輪軸配合面進(jìn)行掃描，獲取損傷表面的三維輪廓。然后，分別提取車(chē)軸和車(chē)輪的軸向二維磨損輪廓。對(duì)于車(chē)軸和車(chē)輪試樣，沿周向在18個(gè)截面分別獲得二維磨損輪廓，此后將這些測(cè)得的輪廓進(jìn)行疊加平均，最終將均值定義為最終磨損曲線，如圖7所示。車(chē)軸和車(chē)輪的最大磨損深度幾乎一致，磨損深度在輪座邊緣處達(dá)到最大值，隨著評(píng)估位置向輪座內(nèi)側(cè)移動(dòng)逐漸減小。

2.2 微動(dòng)疲勞

圖8（a）為車(chē)軸配合部位表面的微動(dòng)疲勞裂紋，可見(jiàn)，裂紋出現(xiàn)在距輪座邊緣約0.5 mm位置，沿車(chē)軸周向分布。

據(jù)圖7可知，裂紋位于車(chē)軸磨損/未磨損邊界附近。

圖8（b）顯示微動(dòng)疲勞裂紋初始角度與車(chē)軸徑向成29°。裂紋角度隨著裂紋的擴(kuò)展逐漸減小，并逐漸與軸向垂直，這一現(xiàn)象與在現(xiàn)場(chǎng)微動(dòng)疲勞失效車(chē)軸中觀察到的一致[8,10]。

圖6 采用CLSM測(cè)量配合面形貌的過(guò)程

圖7 輪軸微動(dòng)磨損形貌

圖8 車(chē)軸微動(dòng)疲勞裂紋

3 有限元仿真

3.1 有限元模型

根據(jù)圖1所示比例車(chē)軸試樣的形狀尺寸，采用ABAQUS軟件建立有限元模型，如圖9所示。為得到準(zhǔn)確計(jì)算結(jié)果，模型建立時(shí)保證輪軸配合面的節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)，并對(duì)輪座邊緣網(wǎng)格尺寸進(jìn)行細(xì)化，模型的最小網(wǎng)格尺寸為0.02 mm，單元類型為八節(jié)點(diǎn)六面體單元（C3D8）。仿真采用接觸對(duì)的形式實(shí)現(xiàn)過(guò)盈配合，將車(chē)輪輪轂孔表面設(shè)置為主面，車(chē)軸輪座面設(shè)置為從面。接觸面間的摩擦行為遵循庫(kù)倫摩擦定律，摩擦系數(shù)取0.6[14]。仿真為了考慮磨損輪廓變化的影響，通過(guò)改變節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的方式實(shí)現(xiàn)磨損輪廓的建模。有限元仿真采用線性隨動(dòng)硬化模型來(lái)考慮輪座邊緣由接觸引起的塑性變形。EA4T車(chē)軸鋼和ER8車(chē)輪鋼的屈服應(yīng)力分別為552 MPa和584 MPa，硬化模量分別為5.4 GPa和8.0 GPa。

基于圖2所示比例車(chē)軸的試驗(yàn)條件對(duì)有限元模型施加邊界條件及載荷，具體邊界條件如圖9所示。有限元計(jì)算時(shí)，在分析步1中實(shí)現(xiàn)輪軸過(guò)盈配合，過(guò)盈量2＝0.065 mm。在分析步2中，在參考點(diǎn)沿軸施加集中力（F＝0）。在分析步3～5中，分別將兩個(gè)隨計(jì)算時(shí)間變化的力F()和F()施加到參考點(diǎn)。通過(guò)這種方式，在仿真時(shí)將旋轉(zhuǎn)彎曲載荷施加到車(chē)軸上。

3.2 仿真結(jié)果

3.2.1 von Mises應(yīng)力

磨損與未磨損時(shí)，車(chē)軸受拉側(cè)的von Mises應(yīng)力云圖如圖10所示。

可知，未磨損時(shí)車(chē)軸輪座邊緣由于邊緣效應(yīng)出現(xiàn)應(yīng)力集中，von Mises應(yīng)力的最大值為436.3 MPa。當(dāng)考慮微動(dòng)磨損后，應(yīng)力集中位置由車(chē)軸輪座邊緣轉(zhuǎn)移至微動(dòng)區(qū)內(nèi)部，von Mises應(yīng)力的最大值為675.2 MPa。這說(shuō)明試驗(yàn)過(guò)程中，微動(dòng)磨損導(dǎo)致的材料移除改變了車(chē)軸表面輪廓，使得車(chē)軸微動(dòng)區(qū)的應(yīng)力發(fā)生重分布，加劇了輪座配合面的應(yīng)力集中。

圖9 比例車(chē)軸有限元模型

圖10 車(chē)軸微動(dòng)區(qū)von Mises應(yīng)力分布

3.2.2 裂紋萌生分析

研究表明，車(chē)軸微動(dòng)區(qū)承受著以軸向應(yīng)力和剪應(yīng)力為主的多軸應(yīng)力作用[6,9]，簡(jiǎn)單的應(yīng)力分析不適用于車(chē)軸微動(dòng)疲勞分析。Pourheidar等[16]指出車(chē)軸的微動(dòng)疲勞裂紋萌生主要由剪應(yīng)力控制，為II型裂紋。因此，本文采用Fatemi和Socie[17]提出的F-S多軸疲勞準(zhǔn)則對(duì)車(chē)軸微動(dòng)區(qū)的裂紋萌生進(jìn)行評(píng)估。F-S多軸疲勞準(zhǔn)則認(rèn)為，疲勞損傷由最大剪應(yīng)變幅值Δ和最大法向應(yīng)力σ,max共同確定，具體表達(dá)式為：

F-S參數(shù)計(jì)算時(shí)，將多軸疲勞準(zhǔn)則同Sum等[18]提出的臨界平面法結(jié)合，具體在MATLAB中執(zhí)行。計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)述如下：首先，獲取有限元計(jì)算時(shí)配合面最表層單元中心的應(yīng)力、應(yīng)變信息；然后，采用三維轉(zhuǎn)換方程（Mohr圓）計(jì)算得到各單元所有備選平面（180×180個(gè)備選平面）上的剪應(yīng)變，并計(jì)算各備選平面的剪應(yīng)變幅，剪應(yīng)變幅最大的平面為臨界平面；最后，獲取臨界平面上的最大法向應(yīng)力σ,max，代入式（1）求解。

車(chē)軸輪座邊緣附近F-S多軸疲勞參數(shù)的分布如圖11所示?？梢钥闯?，對(duì)于未磨損的車(chē)軸，F(xiàn)-S參數(shù)的最大值出現(xiàn)在輪座邊緣，意味著微動(dòng)疲勞裂紋最有可能在此處萌生。這與試驗(yàn)結(jié)果不符。對(duì)于磨損的車(chē)軸，F(xiàn)-S參數(shù)的最大值轉(zhuǎn)移至距輪座邊緣約0.7 mm處（磨損/未磨損邊界位置）?？梢钥闯?，當(dāng)考慮微動(dòng)磨損時(shí)，F(xiàn)-S多軸疲勞參數(shù)最大值的位置（0.7 mm）與觀察到的裂紋萌生位置（0.5 mm）較為吻合。

由上述分析可知，微動(dòng)磨損使得輪座邊緣材料被移除，緩解了輪座邊緣的應(yīng)力集中。同時(shí)，微動(dòng)磨損導(dǎo)致微動(dòng)區(qū)內(nèi)部磨損/未磨損邊界幾何不連續(xù)，應(yīng)力集中位置轉(zhuǎn)移至微動(dòng)區(qū)內(nèi)部，應(yīng)力集中加劇，促進(jìn)了微動(dòng)疲勞裂紋在微動(dòng)區(qū)內(nèi)部萌生。

圖11 車(chē)軸輪座邊緣附近F-S多軸疲勞參數(shù)分布

4 結(jié)論

本文對(duì)比例車(chē)軸試樣進(jìn)行了微動(dòng)疲勞試驗(yàn)，觀察了車(chē)軸微動(dòng)區(qū)的微動(dòng)磨損和微動(dòng)疲勞損傷，并測(cè)量了磨損輪廓。此后，基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立了有限元模型，仿真研究了微動(dòng)磨損對(duì)鐵路車(chē)軸微動(dòng)疲勞的影響。得到如下結(jié)論：

（1）車(chē)軸輪座邊緣存在微動(dòng)區(qū)，損傷區(qū)微動(dòng)磨損機(jī)理主要是磨粒磨損、剝層和氧化磨損。

（2）車(chē)軸微動(dòng)疲勞裂紋萌生于距輪座邊緣0.5 mm的微動(dòng)區(qū)內(nèi)部，裂紋角度與車(chē)軸徑向成29°。隨著裂紋的擴(kuò)展，裂紋角度逐漸減小。

（3）微動(dòng)磨損使得輪座邊緣材料被移除，緩解了輪座邊緣的應(yīng)力集中。同時(shí)，微動(dòng)磨損導(dǎo)致微動(dòng)區(qū)內(nèi)部磨損/未磨損邊界幾何不連續(xù)，應(yīng)力集中位置由輪座邊緣轉(zhuǎn)移至微動(dòng)區(qū)內(nèi)部，應(yīng)力集中加劇，促進(jìn)微動(dòng)疲勞裂紋在內(nèi)部萌生。

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Investigation on Fretting Wear and Fretting Fatigue of Interference Fitted Structure of Railway Axles

LIU Weiya，CHEN Yiping，LI Yabo，YANG Kai，SHI Yujie

(CRRC Qingdao Sifang Co., Ltd., Qingdao 266111, China )

In this paper, fretting fatigue tests were conducted on scaled railway axles. After the tests, the fretting wear and fretting fatigue of the fretted zone were observed, and the wear profiles of the wheel and axle were measured. The experimental data showed that the wear mechanisms of the fretted zone were mainly abrasive wear, oxidative wear, and delamination. The fretting fatigue cracks formed inside the fretted zone, and the initiation angle was 29°to the radial direction of the axle, and the angle gradually decreased as the cracks propagated. Then, the finite element models were established based on the measured wear profile, and the effect of fretting wear on the fretting fatigue of railway axles was investigated. The simulated results showed that the material near the wheel seat edge were removed owing to the fretting wear, which alleviated the stress concentration at the wheel seat edge. Meanwhile, the fretting wear resulted in a new stress concentration near the worn/unworn boundary in the fretted zone, which greatly promoted the fretting fatigue crack initiation.

railway axle；fretting wear；fretting fatigue；stress concentration

U279.4

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.02.007

1006-0316 (2022) 02-0047-08

2021-05-14

劉為亞（1981－），男，山東青島人，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要從事鐵路車(chē)輛試驗(yàn)、仿真和設(shè)計(jì)研發(fā)工作，E-mail：liuweiya1981@163.com。