曹天培,魯寨軍,鐘睦,劉東潤(rùn)
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客車振動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)方法在瞬變風(fēng)環(huán)境下的應(yīng)用
曹天培1, 2, 3,魯寨軍1, 2, 3,鐘睦1, 2, 3,劉東潤(rùn)1, 2, 3
(1. 中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院 軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410075;2.中南大學(xué) 軌道交通安全關(guān)鍵技術(shù)國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410075;3. 中南大學(xué) 軌道交通列車安全保障技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心,湖南 長(zhǎng)沙 410075)
瞬變風(fēng)環(huán)境下鐵道客車的振動(dòng)情況較為復(fù)雜,為準(zhǔn)確評(píng)估旅客乘坐感受,采用動(dòng)力學(xué)仿真與實(shí)車試驗(yàn)相結(jié)合的方法,對(duì)瞬變風(fēng)環(huán)境下客車振動(dòng)情況與舒適性進(jìn)行評(píng)價(jià)。分析蘭新客專線實(shí)車試驗(yàn)中乘客對(duì)振動(dòng)的感覺(jué)及仿真得到的舒適性值后發(fā)現(xiàn),隨著車速以及外部氣動(dòng)載荷變化次數(shù)的增加,車輛振動(dòng)越來(lái)越劇烈,舒適性指標(biāo)有變差的趨勢(shì);各工況中當(dāng)車輛以200 km/h速度運(yùn)行且受到連續(xù)瞬變氣動(dòng)載荷作用時(shí)振動(dòng)舒適性指標(biāo)最差。在瞬變風(fēng)環(huán)境下,GB5599,ISO2631和UIC513方法的評(píng)價(jià)結(jié)果有一定差異,原因部分來(lái)源于各方法頻率加權(quán)的差別,導(dǎo)致各指標(biāo)對(duì)橫、垂向加速度頻域峰值的放大作用不同。
客車;振動(dòng)舒適性;評(píng)價(jià)方法;標(biāo)準(zhǔn);瞬變風(fēng)環(huán)境
隨著交通工具的現(xiàn)代化程度越來(lái)越高,舒適性與安全性、快捷性一樣成為旅客對(duì)交通工具的重點(diǎn)要求之一[1],如何提高振動(dòng)舒適性一直是軌道車輛動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)??陀^而準(zhǔn)確地評(píng)估乘坐舒適性,對(duì)于提高客車運(yùn)行品質(zhì),增強(qiáng)鐵路客運(yùn)的競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。但對(duì)于振動(dòng)舒適性的評(píng)價(jià)方面,始終存在評(píng)價(jià)方法過(guò)多,特殊情況下評(píng)價(jià)結(jié)果與乘員感受不完全相符的問(wèn)題[2?4]。越來(lái)越多的實(shí)際案例表明,振動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)方法應(yīng)朝著特殊化、專門化的方向發(fā)展。隨著近年來(lái)我國(guó)高速鐵路網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)陸化拓展以及動(dòng)車組在各種運(yùn)行環(huán)境下的廣泛開行,出現(xiàn)了許多影響乘車舒適性的新問(wèn)題,其中復(fù)雜風(fēng)環(huán)境下的振動(dòng)情況尤為突出[5?7]。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者從空氣動(dòng)力學(xué)和車輛動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析等方面對(duì)大風(fēng)下的列車運(yùn)行安全性問(wèn)題進(jìn)行了廣泛而深入的研究,但對(duì)列車在強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下晃動(dòng)并影響乘坐舒適性的問(wèn)題研究較少。中南大學(xué)通過(guò)實(shí)車試驗(yàn),積累了大量瞬變風(fēng)環(huán)境下動(dòng)車組的振動(dòng)數(shù)據(jù),對(duì)大風(fēng)條件下動(dòng)車組的滾擺振動(dòng)特性以及復(fù)雜區(qū)段內(nèi)車體的橫向振動(dòng)特性進(jìn)行了相關(guān)研究[8?11],但對(duì)于客車振動(dòng)舒適性還缺乏系統(tǒng)性的研究。中國(guó)鐵道科學(xué)院以列車在大風(fēng)下通過(guò)防風(fēng)設(shè)施過(guò)渡段的某次試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對(duì)EN 12299中離散事件發(fā)生時(shí)的舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行改進(jìn),提出了大風(fēng)環(huán)境下的瞬態(tài)乘坐舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)[12],但未對(duì)振動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)方法在瞬變風(fēng)環(huán)境下的應(yīng)用情況進(jìn)行系統(tǒng)研究。本文以蘭新客專線實(shí)車試驗(yàn)得到的氣動(dòng)載荷(包含大風(fēng)環(huán)境以及列車運(yùn)行引起的氣動(dòng)力)為依據(jù),對(duì)客車在無(wú)風(fēng)情況和瞬變風(fēng)環(huán)境下的振動(dòng)舒適性進(jìn)行仿真分析,將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)車試驗(yàn)人體感受進(jìn)行對(duì)比,對(duì)各舒適性評(píng)價(jià)方法的適用情況進(jìn)行分析,研究各舒適性指標(biāo)在相同工況下出現(xiàn)差異的原因。
為了獲得特定瞬變風(fēng)環(huán)境下的客車振動(dòng)情況,首先需建立客車動(dòng)力學(xué)模型。
按照某型高速列車動(dòng)力學(xué)參數(shù),使用SIMPACK建立車輛多剛體動(dòng)力學(xué)模型,如圖1所示。以車體重心為原點(diǎn),車輛前進(jìn)方向?yàn)檩S正向,垂直指向軌面方向?yàn)檩S正向,建立右手坐標(biāo)系。模型包含1個(gè)車體、2個(gè)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、4個(gè)輪對(duì)和8個(gè)軸箱,共15個(gè)部件。其部件中輪對(duì)、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架和車體具有橫移、伸縮、浮沉及點(diǎn)頭、搖頭和側(cè)滾6個(gè)自由度;軸箱具有點(diǎn)頭自由度;整車系統(tǒng)共有50個(gè)自由度。車輛模型懸掛系統(tǒng)包括軸箱與構(gòu)架間的一系懸掛和構(gòu)架與車體間的二系懸掛。一系懸掛包含軸箱彈簧、垂向液壓減震器及轉(zhuǎn)臂定位橡膠套。二系懸掛包含空氣彈簧、中心牽引拉桿、橫向彈性止檔、抗側(cè)滾扭桿、橫向液壓減震器和抗蛇行減震器。軌道不平順采用與我國(guó)高速鐵路狀況接近的德國(guó)低干擾譜。
圖1 車輛動(dòng)力學(xué)模型
振動(dòng)舒適性評(píng)估的主要依據(jù)是加速度。車體上任意點(diǎn)的加速度與測(cè)試點(diǎn)的位置有關(guān),因此加速度測(cè)量點(diǎn)的布置會(huì)直接影響舒適性評(píng)價(jià)結(jié)果。GB5599和UIC513明確規(guī)定了振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的位置,而ISO2631只建議在車輛的中間和兩端測(cè)量。因此,按照各舒適性評(píng)價(jià)方法的規(guī)定,并考慮不同評(píng)價(jià)結(jié)果的對(duì)比方便,布置地板面上的測(cè)點(diǎn)如圖2所示。
為便于對(duì)比各標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果,采樣時(shí)間統(tǒng)一設(shè)置為5 min,采樣頻率為1 024 Hz。根據(jù)實(shí)車試驗(yàn)的真實(shí)運(yùn)行環(huán)境設(shè)置4種仿真工況,包括運(yùn)行速度為100 km/h和200 km/h的無(wú)風(fēng)工況,以及200 km/h時(shí)分別加載2種不同的氣動(dòng)載荷。加載的氣動(dòng)載荷①在前50 s內(nèi)線性緩慢增長(zhǎng),第50 s時(shí)發(fā)生劇烈突變,55~300 s時(shí)線性緩慢下降,以模擬列車頭車在平穩(wěn)運(yùn)行中受到短暫突變風(fēng)載荷的情況;氣動(dòng)載荷②采用動(dòng)車組在蘭新客專線強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下運(yùn)行時(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),持續(xù)時(shí)間為5 min,期間氣動(dòng)載荷多次在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)較大波動(dòng)。2種氣動(dòng)載荷均包括橫向力、升力、傾覆力矩和搖頭力矩,其最大值水平大致相當(dāng)。圖3(a)和圖3(b)分別為氣動(dòng)載荷①部分和氣動(dòng)載荷②全程的橫向力時(shí)間歷程曲線。
圖2 振動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中加速度采集點(diǎn)的布置
(a) 氣動(dòng)載荷①;(b) 氣動(dòng)載荷②
目前,國(guó)際上通行的客車振動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)方法主要有ISO2631[13],UIC513[14]和EN12299[15]等。我國(guó)與振動(dòng)平穩(wěn)性有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)為GB5599[16],該標(biāo)準(zhǔn)參考Sperling指標(biāo)。高速列車動(dòng)力學(xué)性能暫行規(guī)定要求采用與UIC相同的MV指標(biāo)評(píng)價(jià)舒適性。本文分別采用ISO2631,UIC513和GB5599進(jìn)行振動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)。
按照1.3中的設(shè)置進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析。根據(jù)各振動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)方法的計(jì)算流程,在振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上得到舒適性評(píng)價(jià)指數(shù)。其中GB5599指標(biāo)的取值是橫向和垂向指標(biāo)中的較大值,其余2種指標(biāo)為橫、垂和縱3個(gè)方向加權(quán)得到。圖4所示為各測(cè)點(diǎn)位置處的舒適性指標(biāo),測(cè)點(diǎn)5,2,3,1和4分別對(duì)應(yīng)圖2中的前部、前側(cè)、后部、后側(cè)和中部測(cè)點(diǎn)。按照各振動(dòng)舒適性方法的評(píng)定等級(jí),對(duì)應(yīng)得到不同的舒適性評(píng)價(jià)結(jié)果如表1所示。
從圖4中可以看出,按照100,200和200 km/h時(shí)分別加載氣動(dòng)載荷①和②的順序,ISO舒適性指標(biāo)基本上呈遞增趨勢(shì),GB5599和UIC指標(biāo)的遞增趨勢(shì)較不明顯。對(duì)于相同工況下的同一指標(biāo),側(cè)部位置處的舒適性指標(biāo)均稍大于相應(yīng)的前部或后部中心位置或與之持平;除100 km/h外,其他工況中前部位置處舒適性指標(biāo)大于后部。GB5599指標(biāo)的波動(dòng)程度較小,但反映在評(píng)價(jià)等級(jí)上仍有一定的區(qū)分;200 km/h加載氣動(dòng)載荷②時(shí)GB5599和ISO2631指標(biāo)在前側(cè)位置處最大;UIC513前部/前側(cè)及后部/后側(cè)的舒適性指標(biāo)值基本一致,且200 km/h加載氣動(dòng)載荷②時(shí)指標(biāo)值有一定幅度的增大。
(a) GB5599;(b) ISO2631;(c) UIC513
表1 各舒適性指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果
注:GB5599標(biāo)準(zhǔn)使用測(cè)點(diǎn)1和2進(jìn)行評(píng)價(jià),ISO2631和UIC513標(biāo)準(zhǔn)使用測(cè)點(diǎn)3~5進(jìn)行評(píng)價(jià),非標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的其余測(cè)點(diǎn)指標(biāo)值作為參考
根據(jù)瞬變風(fēng)環(huán)境下行車安全專項(xiàng)試驗(yàn)報(bào)告[9],實(shí)車試驗(yàn)時(shí)不同工況下人體的舒適性感受為:無(wú)風(fēng)環(huán)境下100 km/h運(yùn)行時(shí)車輛運(yùn)行平穩(wěn),人體基本無(wú)明顯不舒適感受;200 km/h運(yùn)行時(shí)車輛振動(dòng)加劇,人體能感受到橫向與垂向上的持續(xù)性振動(dòng);200 km/h運(yùn)行且受到短暫瞬變氣動(dòng)載荷作用時(shí),車輛動(dòng)力學(xué)參數(shù)有突變,車體運(yùn)行姿態(tài)有較大幅度的瞬間改變,人體感受到一定的不舒適;200 m/h且受到連續(xù)瞬變氣動(dòng)載荷作用時(shí),車輛晃動(dòng)劇烈,人體感受到較明顯的不舒適(測(cè)點(diǎn)2垂向加速度時(shí)間歷程如圖5所示)。
圖5 列車時(shí)速200 km/h且受到氣動(dòng)載荷②影響時(shí)測(cè)點(diǎn)2垂向加速度時(shí)間歷程
從表2可以看出,在乘客振動(dòng)感受不劇烈的100 km/h工況下,3種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致。在乘客能感受到持續(xù)振動(dòng)的200 km/h工況下,GB5599的評(píng)價(jià)結(jié)果偏向優(yōu)良;ISO2631和UIC513評(píng)價(jià)結(jié)果相一致,基本處于沒(méi)有不舒適和還算舒適的等級(jí)。列車在氣動(dòng)載荷①的作用下,GB5599的評(píng)價(jià)結(jié)果有一定降低,但仍在合格以上;UIC513和ISO2631的評(píng)價(jià)結(jié)果基本處于較為不舒適的范圍。當(dāng)列車受到氣動(dòng)載荷②作用時(shí),GB5599指標(biāo)值稍有增長(zhǎng),但仍在合格范圍內(nèi);ISO2631指標(biāo)有較大幅度的增長(zhǎng);UIC513指標(biāo)有一定程度的增長(zhǎng)。
從以上分析可以看出,相同工況下各振動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)方法得到的結(jié)果不盡相同。首先分析各方法頻率加權(quán)函數(shù)差異造成的影響。
以列車時(shí)速200 km/h且受到氣動(dòng)載荷②作用的工況為例,圖6所示為測(cè)點(diǎn)2橫向與垂向加速度頻譜。從圖6可見,橫向加速度頻率大值集中在0.8~4 Hz;垂向加速度頻率主頻集中在0.8~3.4 Hz,3.5~6 Hz區(qū)間也有一定幅值,加速度頻譜大值整體上集中在0.5~8 Hz的頻段內(nèi)。
圖6 列車時(shí)速200 km/h且受到氣動(dòng)載荷②影響時(shí)測(cè)點(diǎn)2橫向與垂向加速度頻譜
ISO2631,GB5599及UIC513的垂向和橫向權(quán)函數(shù)曲線分別與測(cè)點(diǎn)2垂、橫向加速度頻譜的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖7所示。由圖7可見,ISO2631和UIC513的橫向振動(dòng)加速度在0.6~4 Hz內(nèi)對(duì)舒適性的影響占較大比例;而對(duì)于垂向振動(dòng)加速度,4~12 Hz為ISO2631的敏感頻率范圍,UIC513則認(rèn)為人體對(duì)0.6~4 Hz頻率范圍內(nèi)垂向加速度的感受較為強(qiáng)烈。GB5599的垂向和橫向權(quán)重大值點(diǎn)集中在1~10 Hz的頻率范圍。綜合測(cè)點(diǎn)加速度頻譜和各方法頻率加權(quán)分布可以看出,測(cè)點(diǎn)2橫向加速度主頻基本落在ISO2631和UIC513的橫向權(quán)重大值點(diǎn)集中范圍,該頻段內(nèi)加速度對(duì)舒適性的影響占較大比例。由于測(cè)點(diǎn)2橫向振動(dòng)加速度主頻與GB5599橫向權(quán)重大值集中范圍有一定的錯(cuò)位,致使該工況下GB5599指標(biāo)增長(zhǎng)幅度較小。同樣地,垂向加速度主頻與UIC513垂向頻率加權(quán)曲線的大致分布較為一致,而其他2種方法的主峰值與垂向加速度的次峰值對(duì)應(yīng)。這表明各評(píng)價(jià)方法對(duì)加速度在頻域內(nèi)的篩選有所不同,導(dǎo)致了各舒適性指標(biāo)有一定差異。
除各標(biāo)準(zhǔn)在頻率加權(quán)曲線方面的差異外,測(cè)點(diǎn)選擇以及數(shù)據(jù)處理也存在著差異。GB5599規(guī)定每20 s輸出一次平穩(wěn)性指標(biāo),其反映的是各計(jì)算時(shí)間段內(nèi)的振動(dòng)舒適性,如圖8中測(cè)點(diǎn)橫向加速度在20~40 s區(qū)間內(nèi)振動(dòng)劇烈,得到平穩(wěn)性極值;ISO2631采用2 s滑動(dòng)時(shí)間窗輸出舒適性值,極值出現(xiàn)在36~38 s;而UIC513綜合考慮5 min內(nèi)的加權(quán)加速度置信值,其評(píng)價(jià)結(jié)果更接近于長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)振動(dòng)水平的平均。另外,各振動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)在評(píng)價(jià)量級(jí)方面的寬松度也有所不同。綜合來(lái)看,這些原因共同導(dǎo)致各舒適性指標(biāo)在不同工況下出現(xiàn)上述 差異。
(a) 橫向;(b) 垂向
雖然在指標(biāo)定義和具體實(shí)施步驟方面各振動(dòng)舒適性標(biāo)準(zhǔn)有諸多不一致,但這些標(biāo)準(zhǔn)共同的評(píng)價(jià)理念都是通過(guò)獲取列車車體或座椅某些具體位置在一定時(shí)間段內(nèi)的各向加速度數(shù)據(jù),在此基礎(chǔ)上進(jìn)行加權(quán)平均等數(shù)學(xué)處理,得出一段時(shí)間內(nèi)的舒適度值?,F(xiàn)有舒適性評(píng)價(jià)方法基本都是對(duì)橫向、垂向和縱向的平動(dòng)加速度進(jìn)行考察,但列車?yán)@3個(gè)中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)也會(huì)在相當(dāng)程度上影響人體舒適性,例如橫向瞬間變化的氣動(dòng)載荷造成的車體側(cè)滾運(yùn)動(dòng)和搖頭運(yùn)動(dòng)等會(huì)導(dǎo)致車體角速度與角加速度的突變,這種突變的影響效果部分可以被橫向(測(cè)點(diǎn)2橫向加速度時(shí)間歷程曲線見圖8)和垂向加速度涵蓋。而實(shí)際中可能會(huì)出現(xiàn)側(cè)滾運(yùn)動(dòng)幅度較大但橫、垂向指標(biāo)并未達(dá)到限值的情況。這時(shí)可以采用更有針對(duì)性體現(xiàn)側(cè)滾、搖頭等運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)量來(lái)進(jìn)行輔助評(píng)價(jià)。如當(dāng)車輛以200 km/h時(shí)速運(yùn)行且受到連續(xù)瞬變氣動(dòng)載荷時(shí)測(cè)點(diǎn)2角加速度(如圖9所示)的極值分布較線加速度來(lái)說(shuō)更加明顯。所以對(duì)于未來(lái)舒適性評(píng)價(jià)方法的研究,可針對(duì)振動(dòng)舒適性標(biāo)準(zhǔn)在特定工況下的應(yīng)用情況進(jìn)行補(bǔ)充和完善,使現(xiàn)有的列車振動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)方法更加全面。
圖8 車輛時(shí)速200 km/h且受到瞬態(tài)風(fēng)載荷②影響時(shí)測(cè)點(diǎn)2車體橫向加速度時(shí)間歷程
圖9 車輛時(shí)速200 km/h且受到瞬態(tài)風(fēng)載荷②影響時(shí)測(cè)點(diǎn)2車體角加速度時(shí)間歷程
1) 短暫?jiǎn)未嗡矐B(tài)氣動(dòng)載荷與連續(xù)多次瞬態(tài)氣動(dòng)載荷作為外部激勵(lì)都會(huì)對(duì)運(yùn)行車輛的振動(dòng)造成較大影響,在本文分析的工況中,車輛運(yùn)行速度為200 km/h且受到持續(xù)瞬態(tài)風(fēng)載荷作用時(shí)振動(dòng)舒適性指標(biāo)最差。
2) 在本文所仿真的瞬變風(fēng)環(huán)境下,各振動(dòng)舒適性方法的評(píng)價(jià)結(jié)果出現(xiàn)一定的差異,當(dāng)GB5599評(píng)價(jià)結(jié)果為良好或合格時(shí),ISO2631與 UIC513的評(píng)價(jià)結(jié)果為較不舒適。
3) 各振動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)方法的頻率加權(quán)曲線峰值與加速度主頻的分布位置不同,這是造成各指標(biāo)在瞬變風(fēng)環(huán)境下的評(píng)價(jià)結(jié)果出現(xiàn)差異的原因之一。
4) 可以增加側(cè)滾角加速度等反映側(cè)滾運(yùn)動(dòng)的參數(shù)來(lái)對(duì)瞬態(tài)風(fēng)環(huán)境下的客車振動(dòng)舒適性進(jìn)行 評(píng)價(jià)。
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Application of passenger car vibration comfort evaluation method under transient wind
CAO Tianpei1, 2, 3, LU Zhaijun1, 2, 3, ZHONG Mu1, 2, 3, LIU Dongrun1, 2, 3
(1. School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University, Key Laboratory of Traffic Safety on Track, Ministry of Education, Changsha 410075, China; 2. Joint International Research Laboratory of Key Technology for Rail Traffic Safety, Changsha 410075, China; 3. National & Local Joint Engineering Research Center of Safety Technology for Rail Vehicle, Changsha 410075, China)
The vibration of railway passenger car is complicated under transient wind. To evaluate passengers’ feeling on railway vehicles under transient wind, the vibration and comfort of the passenger car under complex wind were evaluated by the method of field test and dynamic simulation. Comparing the passengers' feeling in the field test with the comfort level obtained from the simulation, it was found that with the increase of the speed and the intensity of the aerodynamic load, the vibration of the vehicle is becoming more intense and the comfort index tends to decrease. The worst condition of vibration comfortableness happens when the vehicle runs at 200 km/h speed and is subjected to the continuous transient wind load. Under transient wind condition, the evaluation results of GB5599, ISO2631 and UIC513 method were a little bit different, resulting from the difference in the frequency weighted curves of each method partly, leading to their differences in the amplification effect on frequency domain peak of lateral and vertical accelerations.
passenger train; vibration comfort; evaluation method; standard; transient wind
10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.02.027
U270.1
A
1672 ? 7029(2019)02 ? 0487 ? 07
2018?03?15
高速鐵路基礎(chǔ)研究聯(lián)合基金資助項(xiàng)目(U1534210)
魯寨軍(1975?),男,湖南醴陵人,教授,博士,從事軌道車輛動(dòng)力學(xué)方面的研究;E?mail:qlzjzd@csu.edu.cn
(編輯 陽(yáng)麗霞)