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    拖拉機(jī)前軸懸架參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

    2018-03-03 03:50:26袁加奇周永清
    噪聲與振動(dòng)控制 2018年1期
    關(guān)鍵詞:前軸平度質(zhì)心

    袁加奇,范 駿,周永清

    (1.江蘇開放大學(xué) 江蘇城市職業(yè)學(xué)院,南京 210036; 2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院,南京 210031)

    車輛在行駛過程中,車輪受到路面不平度激勵(lì)而激起的車體振動(dòng)是較為劇烈的,尤其是輪式農(nóng)用拖拉機(jī)經(jīng)常行駛在較差的路面條件下。路面不平度所激起的拖拉機(jī)振動(dòng)不僅會(huì)讓駕駛員身體感到不適,危害到駕駛員的身心健康,而且容易讓駕駛員產(chǎn)生駕駛疲勞從而降低工作效率,更嚴(yán)重的還會(huì)影響到拖拉機(jī)的操縱安全性,容易導(dǎo)致拖拉機(jī)事故的發(fā)生,所以對(duì)拖拉機(jī)的振動(dòng)特性研究尤為重要[1–2]。

    由于受到國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及制造水平的制約,國(guó)產(chǎn)拖拉機(jī)的減振技術(shù)水平相對(duì)落后,也并沒有引起足夠的重視,目前我國(guó)生產(chǎn)的大多數(shù)拖拉機(jī)基本上是無懸架剛性結(jié)構(gòu),沒有任何的減振裝置,拖拉機(jī)的振動(dòng)較為劇烈,乘坐舒適性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于道路車輛。而在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家,由于在拖拉機(jī)上同時(shí)安裝了駕駛員座椅懸架、駕駛室懸架、前軸懸架、后軸懸架以及全懸架等減振裝置,大大降低了拖拉機(jī)的振動(dòng)強(qiáng)度,乘坐舒適性、行駛平順性和操縱穩(wěn)定性等性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)產(chǎn)拖拉機(jī)。座椅懸架是拖拉機(jī)上的重要減振裝置,它是拖拉機(jī)與駕駛員直接接觸的部件,座椅懸架為駕駛員提供舒適乘坐環(huán)境和操縱穩(wěn)定安全的工作條件[3]。前軸懸架是直接影響拖拉機(jī)前輪與地面接觸情況的部件,對(duì)于拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)向性能和操縱安全有十分重要的作用。意大利Martelli等運(yùn)用ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真軟件平臺(tái)對(duì)安裝前軸懸架輪式農(nóng)用拖拉機(jī)的行駛安全性和乘坐舒適性進(jìn)行了仿真研究分析,研究結(jié)果表明裝有前軸懸架的拖拉機(jī)可以改善拖拉機(jī)的行駛安全性和乘坐舒適性,但效果并不明顯,而且改善效果取決于拖拉機(jī)的實(shí)際行駛條件[4]。Mazhei等的研究結(jié)果表明,當(dāng)拖拉機(jī)的前端懸掛農(nóng)具工作時(shí),安裝前軸懸架拖拉機(jī)的減振效果較為明顯,并且減振效果的好壞還取決于前軸懸架剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)的匹配情況[5]。Lehtonen等的研究結(jié)果表明在拖拉機(jī)上安裝前軸懸架能夠明顯降低拖拉機(jī)的橫向振動(dòng)強(qiáng)度,而對(duì)于拖拉機(jī)垂向和縱向的振動(dòng)強(qiáng)度影響并不明顯[6]。

    本文通過理論分析建立拖拉機(jī)的平面振動(dòng)數(shù)學(xué)模型,運(yùn)用MATLAB/SIMULINK仿真平臺(tái)建立拖拉機(jī)的振動(dòng)仿真模型,主要研究拖拉機(jī)前軸懸架的剛度和阻尼參數(shù)對(duì)輪式農(nóng)用拖拉機(jī)振動(dòng)特性的影響,并利用MATLAB優(yōu)化工具箱仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)前軸懸架的剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)的匹配。為提高國(guó)產(chǎn)拖拉機(jī)的減振技術(shù)水平,降低拖拉機(jī)在較差路面條件下行駛時(shí)的振動(dòng)強(qiáng)度以及為國(guó)產(chǎn)輪式農(nóng)用拖拉機(jī)前軸懸架系統(tǒng)的參數(shù)匹配設(shè)計(jì)提供重要的理論研究基礎(chǔ)。

    1 拖拉機(jī)振動(dòng)模型的建立

    輪式農(nóng)用拖拉機(jī)振動(dòng)系統(tǒng)的空間自由度較為復(fù)雜,為了簡(jiǎn)化振動(dòng)特性的理論研究,將拖拉機(jī)整體結(jié)構(gòu)及懸架系統(tǒng)簡(jiǎn)化為關(guān)于拖拉機(jī)中心面的左、右對(duì)稱結(jié)構(gòu),并且假設(shè)拖拉機(jī)的左、右車輪在同一路面不平度條件下行駛,只是前、后車輪的路面激勵(lì)存在一定的時(shí)間差△t,即拖拉機(jī)的后車輪受到的路面不平度激勵(lì)比前車輪受到的路面不平度激勵(lì)滯后一個(gè)時(shí)間差??紤]到拖拉機(jī)車輪和路面不平度激勵(lì)之間是弱耦合系統(tǒng)[7–8],理論研究和軟件仿真研究時(shí)可以忽略動(dòng)彎沉量對(duì)拖拉機(jī)各部位振動(dòng)特性的影響。

    由于考慮到拖拉機(jī)整機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,可以將裝有前軸懸架和座椅懸架系統(tǒng)的輪式農(nóng)用拖拉機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為二分之一整車的4自由度平面振動(dòng)模型如圖1所示。

    根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律可得前軸懸架拖拉機(jī)4自由度系統(tǒng)的平面振動(dòng)微分方程式(1)。

    圖1 前軸懸架拖拉機(jī)4自由度平面振動(dòng)模型

    式中mc、ms、mf—拖拉機(jī)整車總質(zhì)量、座椅懸架的簧上質(zhì)量和前軸系統(tǒng)的質(zhì)量,kg;Jc—拖拉機(jī)機(jī)身繞質(zhì)心處的俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg?m2;kf、kr、ks、kq—前輪胎剛度系數(shù)、后輪胎剛度系數(shù)、座椅懸架剛度系數(shù)和前軸懸架剛度系數(shù),N?m-1;cf、cr、cs、cq—前輪胎阻尼系數(shù)、后輪胎阻尼系數(shù)、座椅懸架阻尼系數(shù)和前軸懸架阻尼系數(shù),N?s?m-1;lf、lr、ls—拖拉機(jī)前、后車軸中心位置和座椅質(zhì)心位置至拖拉機(jī)機(jī)身質(zhì)心處的水平距離,m;hf、hr—拖拉機(jī)前、后車輪受到的隨機(jī)路面不平度激勵(lì)的垂直方向位移,m;zc、φc、zs、zf—拖拉機(jī)機(jī)身質(zhì)心處垂直方向位移、機(jī)身質(zhì)心處俯仰方向角位移、座椅質(zhì)心處垂直方向位移、前軸懸架垂直方向位移,m。

    將式(1)的振動(dòng)微分方程式轉(zhuǎn)換為矩陣形式

    將式(2)改寫成控制狀態(tài)空間方程形式

    2 拖拉機(jī)參數(shù)的獲取

    為獲取常發(fā)CF700型輪式農(nóng)用拖拉機(jī)的主要振動(dòng)特性性能參數(shù),在自主研制的測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)架上對(duì)拖拉機(jī)尺寸參數(shù)、質(zhì)量參數(shù)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量參數(shù)、輪胎剛度系數(shù)以及阻尼系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量、測(cè)試和計(jì)算[9–10],得到拖拉機(jī)的主要性能參數(shù)如表1所示。

    依據(jù)文獻(xiàn)研究中關(guān)于車輛懸架偏頻及靜撓度的選擇原則[11–12],并結(jié)合常發(fā)CF700型輪式農(nóng)用拖拉機(jī)的實(shí)際工作條件,選取拖拉機(jī)前軸懸架的偏頻為1.5~3.0 Hz,由車輛懸架的偏頻公式可得式(4)。

    表1 CF700型拖拉機(jī)主要參數(shù)

    式中m——前軸懸架的簧上質(zhì)量,kg

    由式(4)可得

    根據(jù)車輛的振動(dòng)理論研究和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn),當(dāng)路面不平度激勵(lì)等級(jí)為D級(jí)時(shí),一般選擇懸架系統(tǒng)的阻尼比ζ=0.15~0.45,則可得拖拉機(jī)前軸懸架系統(tǒng)減振器的阻尼系數(shù)為

    3 仿真模型的建立與驗(yàn)證

    3.1 隨機(jī)路面激勵(lì)模型

    拖拉機(jī)行駛路面的隨機(jī)輸入是分析無懸架拖拉機(jī)在時(shí)域或頻域內(nèi)的性能的重要參數(shù)。本文采用MATLAB/SIMULINK仿真軟件產(chǎn)生的積分白噪聲隨機(jī)路面模型作為路面不平度激勵(lì),當(dāng)拖拉機(jī)以恒定速度行駛時(shí),拖拉機(jī)行駛速度的時(shí)域功率譜密度即為白噪聲信號(hào),時(shí)域功率譜密度為常數(shù)4π2Gq(n0)n02v,因此隨機(jī)路面不平度激勵(lì)的輪廓可由時(shí)域功率譜密度為的白噪聲信號(hào)通過積分器產(chǎn)生得到,即

    w(t)——單位白噪聲。

    當(dāng)拖拉機(jī)行駛的隨機(jī)路面不平度激勵(lì)等級(jí)為D級(jí)時(shí),隨機(jī)路面的不平度系數(shù)為Gq(n0)=1 024×10-6m2,隨機(jī)路面不平度激勵(lì)信號(hào)的方差為n0=0.1 m-1,當(dāng)拖拉機(jī)行駛速度為10 km/h時(shí),利用MATLAB/SIMULINK仿真軟件構(gòu)造出隨機(jī)路面不平度激勵(lì)的白噪聲信號(hào)模型,通過白噪聲信號(hào)仿真模型產(chǎn)生的隨機(jī)路面不平度激勵(lì)的垂直方向位移輪廓如圖2所示。

    圖2 積分白噪聲隨機(jī)路面輪廓

    3.2 仿真模型的驗(yàn)證

    為驗(yàn)證所建立的拖拉機(jī)系統(tǒng)平面振動(dòng)仿真模型的可靠性,在GB/T 10910-2004規(guī)定修建的100 m較平滑標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)路面跑道上進(jìn)行拖拉機(jī)勻速行駛時(shí)的振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)。振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)時(shí)拖拉機(jī)在二檔位工況速度下行駛,通過測(cè)試測(cè)得拖拉機(jī)二檔位工況下行駛的前進(jìn)速度為7 km/h。拖拉機(jī)振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)包括用于采集并記錄振動(dòng)測(cè)試信號(hào)的LMS SCADAS Mobile便攜式動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)量?jī)x一臺(tái)。CA-YD-185TNC型壓電式單向加速度傳感器3個(gè),單向加速度傳感器通過磁盤吸力分別安裝固定在拖拉機(jī)前軸中心位置正下方、后軸中心位置正下方以及座椅底板中心位置處。測(cè)試用安裝LMS測(cè)試軟件的筆記本電腦一臺(tái)用于分析振動(dòng)信號(hào)。拖拉機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)以及加速度傳感器在拖拉機(jī)機(jī)身上的安裝部位如圖3所示。

    圖3 拖拉機(jī)振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

    圖4所示為輪式農(nóng)用拖拉機(jī)各部位垂直方向位移幾何關(guān)系的平面模型,可以得到拖拉機(jī)前軸中心位置的垂直方向位移zf、后軸中心位置的垂直方向位移zr和拖拉機(jī)機(jī)身質(zhì)心處的垂直方向位移zc存在以下關(guān)系式(6)所示[13]。

    式中zf—拖拉機(jī)前軸中心位置的垂直方向位移,m;zr—拖拉機(jī)后軸中心位置的垂直方向位移,m;zc—拖拉機(jī)機(jī)身質(zhì)心位置的垂直方向位移,m;zs—座椅底板位置的垂直方向位移,m。lsr—座椅質(zhì)心處至后軸中心位置的水平距離。

    圖4 垂直位移的幾何關(guān)系

    由于拖拉機(jī)機(jī)身俯仰方向的振動(dòng)角位移φc較小,可近似 tanφc≈φc,則式(6)可簡(jiǎn)化寫為

    由式(7)可知,通過振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)得拖拉機(jī)前、后車軸中心位置的垂向振動(dòng)加速度可近似計(jì)算出拖拉機(jī)質(zhì)心處垂向振動(dòng)加速度和俯仰方向角振動(dòng)加速度。拖拉機(jī)各部位的振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果見圖5-圖8。

    圖5 前、后軸垂向振動(dòng)加速度變化曲線

    圖6 機(jī)身質(zhì)心處垂向振動(dòng)加速度變化曲線

    圖7 機(jī)身質(zhì)心處俯仰角振動(dòng)加速度變化曲線

    圖8 座椅垂向振動(dòng)加速度變化曲線

    將拖拉機(jī)行駛在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)路面上的振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與在同等條件下的振動(dòng)模型仿真結(jié)果對(duì)比見表2。仿真時(shí)拖拉機(jī)振動(dòng)模型的主要參數(shù)為表1中沒有安裝前軸懸架輪式農(nóng)用拖拉機(jī)的主要性能參數(shù)。

    表2 試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

    由表2中試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比情況可知,振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果中拖拉機(jī)各部位的振動(dòng)加速度均方根值略高于振動(dòng)模型的仿真結(jié)果,試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的平均誤差率為16.8%。由于在建立振動(dòng)仿真模型時(shí)并未考慮到拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)傳遞到機(jī)身,拖拉機(jī)左、右車輪受到路面不平度激勵(lì)不同所引起的拖拉機(jī)的橫向振動(dòng)以及車輪在實(shí)際工作過程中由于輪胎氣壓的變化而引起的剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)的變化等多方面因素,振動(dòng)模型的仿真結(jié)果與實(shí)際振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果的誤差在可接受的范圍內(nèi),且振動(dòng)模型的仿真結(jié)果能夠真實(shí)地反映拖拉機(jī)的振動(dòng)強(qiáng)度和振動(dòng)趨勢(shì)。

    4 前軸懸架參數(shù)優(yōu)化

    4.1 目標(biāo)函數(shù)

    懸架系統(tǒng)簧上質(zhì)量的振動(dòng)加速度、懸架動(dòng)行程以及輪胎動(dòng)載荷是評(píng)價(jià)車輛懸架系統(tǒng)性能好壞的最重要的三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。因此分別選取拖拉機(jī)機(jī)身質(zhì)心處垂向振動(dòng)加速度均方根值、拖拉機(jī)機(jī)身質(zhì)心處俯仰方向角振動(dòng)加速度均方根值、前軸懸架簧上質(zhì)量垂向振動(dòng)加速度均方根值、座椅質(zhì)心處垂向振動(dòng)加速度均方根值、前軸懸架動(dòng)行程均方根值以及前輪胎動(dòng)載荷均方根值等6個(gè)參數(shù)指標(biāo)作為前軸懸架系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的子目標(biāo)函數(shù)。

    4.2 設(shè)計(jì)變量

    本文主要研究前軸懸架的剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)對(duì)拖拉機(jī)平順性的影響,只有在懸架系統(tǒng)中選配恰當(dāng)?shù)膹椈珊蜏p振器,懸架系統(tǒng)才能起到有效抑制車身振動(dòng)的作用,并保證拖拉機(jī)具有較好的行駛平順性。因此,在對(duì)前軸懸架系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),選取前軸懸架剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)為優(yōu)化配置的設(shè)計(jì)變量。

    4.3 約束條件

    綜上所述常發(fā)CF700型輪式農(nóng)用拖拉機(jī)前軸懸架剛度系數(shù)和阻尼比的取值范圍約束條件為

    在剛度系數(shù)和阻尼比的約束條件范圍內(nèi),采用逐步選優(yōu)求解法,取剛度系數(shù)的步長(zhǎng)Δk=1 kN/m,阻尼比的步長(zhǎng)Δζ=0.05,并循環(huán)計(jì)算求解,逐步選優(yōu)獲得拖拉機(jī)前軸懸架剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)的最佳配置。

    4.4 仿真模型的建立

    本文選擇MATLAB/SIMULINK優(yōu)化工具箱作為拖拉機(jī)前軸懸架剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)的優(yōu)化工具,并對(duì)拖拉機(jī)整機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)振動(dòng)特性進(jìn)行仿真分析。通過MATLAB/SIMULINK仿真軟件產(chǎn)生積分白噪聲隨機(jī)路面不平度激勵(lì)模型,建立安裝有前軸懸架系統(tǒng)的常發(fā)CF700型輪式農(nóng)用拖拉機(jī)系統(tǒng)四自由度平面振動(dòng)仿真模型,如圖9所示。振動(dòng)仿真模型中的輸入矢量為前、后車輪受到的隨機(jī)路面不平度激勵(lì),即狀態(tài)方程式(3)中的A、B、C、D 4個(gè)矩陣,振動(dòng)仿真模型的輸出量依次是拖拉機(jī)機(jī)身質(zhì)心處垂向振動(dòng)加速度、俯仰方向角振動(dòng)加速度、座椅位置垂向振動(dòng)加速度、前軸懸架垂向振動(dòng)加速度、前軸懸架動(dòng)行程、前輪胎動(dòng)載荷等六個(gè)振動(dòng)特性參數(shù)。

    4.5 優(yōu)化結(jié)果分析

    當(dāng)拖拉機(jī)在路面不平度等級(jí)為D級(jí)路面上以前進(jìn)速度為10 km/h行駛時(shí),通過建立的前軸懸架拖拉機(jī)系統(tǒng)4自由度平面振動(dòng)仿真模型,以及結(jié)合上述確定的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計(jì)變量以及約束條件等,在MATLAB平臺(tái)下編寫優(yōu)化函數(shù)的M文件[14],優(yōu)化仿真獲得拖拉機(jī)前軸懸架系統(tǒng)的剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)的最佳配置參數(shù)值。

    優(yōu)化仿真結(jié)果得到當(dāng)前軸懸架剛度系數(shù)kq=334 kN/m,ζ=0.35,即cq=12 665 N?s/m時(shí),拖拉機(jī)系統(tǒng)的振動(dòng)特性綜合性能達(dá)到最優(yōu)。優(yōu)化結(jié)果見表3。

    表3 前軸懸架拖拉機(jī)優(yōu)化結(jié)果

    改變拖拉機(jī)系統(tǒng)振動(dòng)仿真模型中的狀態(tài)方程矢量,在同等條件下,建立沒有安裝前軸懸架的剛性輪式農(nóng)用拖拉機(jī)3自由度平面振動(dòng)模型,仿真得到拖拉機(jī)機(jī)身質(zhì)心處垂向振動(dòng)加速度均方根值、俯仰方向角振動(dòng)加速度均方根值、座椅底板位置垂向振動(dòng)加速度均方根值和拖拉機(jī)前輪胎動(dòng)載荷均方根值分別為 1.089 9 m?s-2、1.084 2 rad?s-2、1.829 3 m?s-2和2.016 8 kN,安裝前軸懸架拖拉機(jī)的各部位振動(dòng)參數(shù)較沒有安裝前軸懸架時(shí)分別下降14.57%、34.31%、4.42%和17.76%,在一定程度上改善了拖拉機(jī)的乘坐舒適性和操縱安全性等多方面性能。

    圖9 前軸懸架拖拉機(jī)平面振動(dòng)仿真模型

    將沒有安裝前軸懸架拖拉機(jī)的性能參數(shù)和優(yōu)化配置后獲得的前軸懸架剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)代入振動(dòng)仿真模型中對(duì)比仿真分析,仿真結(jié)果得到拖拉機(jī)機(jī)身質(zhì)心處垂向振動(dòng)加速度值、俯仰方向角振動(dòng)加速度值、座椅底板位置垂向振動(dòng)加速度值以及前輪胎動(dòng)載荷值隨時(shí)間變化曲線分別如圖10-圖13所示。

    圖10 拖拉機(jī)質(zhì)心處垂向振動(dòng)加速度變化曲線

    圖11 拖拉機(jī)質(zhì)心處俯仰角振動(dòng)加速度變化曲線

    圖12 拖拉機(jī)座椅垂向振動(dòng)加速度變化曲線

    圖13 拖拉機(jī)前輪胎動(dòng)載荷變化曲線

    5 結(jié)語

    本文以常發(fā)CF700型輪式農(nóng)用拖拉機(jī)前軸懸架系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)為研究目標(biāo),運(yùn)用MATLAB/SIMULINK仿真平臺(tái)建立前軸懸架拖拉機(jī)系統(tǒng)四自由度平面振動(dòng)仿真模型,仿真研究拖拉機(jī)整機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)振動(dòng)特性,在GB/T 10910—2004規(guī)定修建的100 m較平滑標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)路面跑道上進(jìn)行了無懸架剛性拖拉機(jī)的振動(dòng)試驗(yàn),并與同等條件下的振動(dòng)模型仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,得到試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的平均誤差率為16.8%,綜合考慮其它因素誤差范圍可接受,仿真結(jié)果具有一定的可靠性。在此基礎(chǔ)上,利用MATLAB優(yōu)化工具對(duì)拖拉機(jī)前軸懸架的剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),得到優(yōu)化配置后的前軸懸架剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)分別為334 kN/m和12 665 N?s/m。安裝有前軸懸架拖拉機(jī)的乘坐舒適性、行駛平順性以及操縱安全性等各方面性能都有明顯的改善。本文的研究結(jié)論為后期國(guó)產(chǎn)輪式農(nóng)用拖拉機(jī)前軸懸架的參數(shù)匹配設(shè)計(jì)提供重要的理論研究基礎(chǔ)。

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