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機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書
院系：
班級(jí)：
姓名：
學(xué)號(hào)：
指導(dǎo)教師：
年 月 日
目錄
一．摘要…………………………………………….. ……2
二. 課程設(shè)計(jì)的目的………………………………………3
三. 課程設(shè)計(jì)題目主要設(shè)計(jì)參數(shù)和技術(shù)要求……………3
四. 運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì) …………………………………………….5
五. 動(dòng)力計(jì)算…………………………. ….………………..8
六. 主要零部件的選擇……………………………………15
七. 校核…………………………………………………..16
八．潤(rùn)滑與密封..………………………………………..18
九．結(jié)論…..………………………………………………19
十．參考文獻(xiàn)……………………………………………..19
一．摘要
設(shè)計(jì)機(jī)床得主傳動(dòng)變速系統(tǒng)時(shí)首先利用傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法求出理想解和多個(gè)合理解。根據(jù)數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)及主軸功率與轉(zhuǎn)矩特性要求，分析了機(jī)電關(guān)聯(lián)分級(jí)調(diào)速主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和方法。從主傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)網(wǎng)入手，確定最佳機(jī)床主軸功率與轉(zhuǎn)矩特性匹配方案，計(jì)算和校核相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)。本說(shuō)明書著重研究機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟和設(shè)計(jì)方法，根據(jù)已確定的運(yùn)動(dòng)參數(shù)以變速箱展開(kāi)圖的總中心距最小為目標(biāo)，擬定變速系統(tǒng)的變速方案，以獲得最優(yōu)方案以及較高的設(shè)計(jì)效率。在機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)中，為減少齒輪數(shù)目，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，縮短軸向尺寸，用齒輪齒數(shù)的設(shè)計(jì)方法是試算，湊算法，計(jì)算麻煩且不易找出合理的設(shè)計(jì)方案。本文通過(guò)對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)中三聯(lián)滑移齒輪傳動(dòng)特點(diǎn)的分析與研究，繪制零件工作圖與主軸箱展開(kāi)圖及剖視圖。
二．課程設(shè)計(jì)目的及內(nèi)容
《機(jī)械系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)是在學(xué)完本課程后，進(jìn)行一次學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)的綜合性練習(xí)。通過(guò)課程設(shè)計(jì)，使學(xué)生能夠運(yùn)用所學(xué)過(guò)的基礎(chǔ)課、技術(shù)基礎(chǔ)課和專業(yè)課的有關(guān)理論知識(shí)，及生產(chǎn)實(shí)習(xí)等實(shí)踐技能，達(dá)到鞏固、加深和拓展所學(xué)知識(shí)的目的。通過(guò)課程設(shè)計(jì)，分析比較機(jī)械系統(tǒng)中的某些典型機(jī)構(gòu)，進(jìn)行選擇和改進(jìn)；結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算并編寫技術(shù)文件；完成系統(tǒng)主傳動(dòng)設(shè)計(jì)，達(dá)到學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)步驟和方法的目的。通過(guò)設(shè)計(jì)，掌握查閱相關(guān)工程設(shè)計(jì)手冊(cè)、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和資料的方法，達(dá)到積累設(shè)計(jì)知識(shí)和設(shè)計(jì)技巧，提高學(xué)生設(shè)計(jì)能力的目的。通過(guò)設(shè)計(jì)，使學(xué)生獲得機(jī)械系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)技能的訓(xùn)練，提高分析和解決工程技術(shù)問(wèn)題的能力，并為進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)創(chuàng)造一定的條件。
《機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)內(nèi)容由理論分析與設(shè)計(jì)計(jì)算、圖樣技術(shù)設(shè)計(jì)和技術(shù)文件編制三部分組成。
1.2.1 理論分析與設(shè)計(jì)計(jì)算：
（1）機(jī)械系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)方案的分析，最佳功能原理方案的確定。
（2）根據(jù)總體設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)和計(jì)算。
（3）根據(jù)設(shè)計(jì)方案和零部件選擇情況，進(jìn)行有關(guān)動(dòng)力計(jì)算和校核。
1.2.2 圖樣技術(shù)設(shè)計(jì)：
（1）選擇系統(tǒng)中的主要機(jī)件。
（2）工程技術(shù)圖樣的設(shè)計(jì)與繪制。
1.2.3編制技術(shù)文件：
（1）對(duì)于課程設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行自我經(jīng)濟(jì)技術(shù)評(píng)價(jià)。
（2）編制設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書。
三．課程設(shè)計(jì)題目，主要設(shè)計(jì)參數(shù)和技術(shù)要求
1 課程設(shè)計(jì)題目和主要技術(shù)參數(shù)
題目11：分級(jí)變速主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
技術(shù)參數(shù)：Nmin=35.5r/min；Nmax=560r/min；Z=9級(jí)；公比為1.41；電動(dòng)機(jī)功率P=3KW；電機(jī)轉(zhuǎn)速n=1430r/min
2 技術(shù)要求
1. 利用電動(dòng)機(jī)完成換向和制動(dòng)。
2. 各滑移齒輪塊采用單獨(dú)操縱機(jī)構(gòu)。
3. 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)采用單獨(dú)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。
四．運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)
1 運(yùn)動(dòng)參數(shù)及轉(zhuǎn)速圖的確定
（1） 轉(zhuǎn)速范圍。Rn===15.77
（2） 轉(zhuǎn)速數(shù)列。首先找到35.5r/min、然后每隔5個(gè)數(shù)取一個(gè)值（1.41=1.066），故得出主軸的轉(zhuǎn)速數(shù)列為：
35.5 r/min、50 r/min、71 r/min、100 r/min、140 r/min、200 r/min，280 r/min，400 r/min，560r/min共9級(jí)。
（3） 確定傳動(dòng)組數(shù)和傳動(dòng)副數(shù)。
因?yàn)閆=9，可分解為：Z=31×33。這種結(jié)構(gòu)式可以使傳動(dòng)組結(jié)構(gòu)緊湊，再設(shè)計(jì)時(shí)不至于使整體結(jié)構(gòu)過(guò)大。
（4）寫傳動(dòng)結(jié)構(gòu)式,畫結(jié)構(gòu)圖。
根據(jù)“前多后少” , “先降后升” , “前密后疏”,“升2降4”的原則,選取傳動(dòng)方案 Z=31×33,易知第一擴(kuò)大組的變速范圍r=φp1(x1-1)=1.416=7.85〈8符合“升2降4”原則，其 結(jié) 構(gòu) 網(wǎng) 如 圖
圖2-1 結(jié)構(gòu)網(wǎng) Z=31×33
（5） 畫轉(zhuǎn)速圖。轉(zhuǎn)速圖如下圖
圖2-2 系統(tǒng)轉(zhuǎn)速圖
（6）畫主傳動(dòng)系統(tǒng)圖。根據(jù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速圖及已知的技術(shù)參數(shù)，畫主傳動(dòng)系統(tǒng)圖如圖：
圖2-3 主傳動(dòng)系統(tǒng)圖
（7）齒輪齒數(shù)的確定。變速組內(nèi)取模數(shù)相等，據(jù)設(shè)計(jì)要求Zmin≥17,齒數(shù)和Sz≤100～120，根據(jù)各變速組公比，可得各傳動(dòng)比和齒輪齒數(shù)，各齒輪齒數(shù)如表：
齒輪齒數(shù)
傳動(dòng)比
基本組
第一擴(kuò)大組
1:1.41
1:2
1:2.79
2：1
1:1.41
1：4
代號(hào)
Z
Z
Z
Z
Z
Z
Z
Z
Z
Z
Z
Z
齒數(shù)
30
42
24
48
19
53
66
33
41
58
20
79
2核算主軸轉(zhuǎn)速誤差
實(shí)際傳動(dòng)比所造成的主軸轉(zhuǎn)速誤差，一般不應(yīng)超過(guò)±10(-1)％,即
對(duì)Nmax=560r/min，Nmax`=1430*95/335*30/42*66/33=575.5r/min
則有
=2.76％〈4.1％
因此滿足要求。
各級(jí)轉(zhuǎn)速誤差
n
560
400
280
200
140
100
71
50
35.5
n`
575.5
402.8
287.7
203.3
142.38
102.08
72.84
50.99
36.56
誤差
2.76%
0.71％
2.76%
1.70%
1.70％
2.08％
2.59％
1.98％
2.99％
各級(jí)轉(zhuǎn)速誤差都都小于4.1％，因此不需要修改齒數(shù)。
五．動(dòng)力計(jì)算
1 帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)
(1) 直徑計(jì)算
計(jì)算功率Pd=Ka*P=1.1*3=3.3KW
查普通V帶選型圖，可得d=80~100mm
初取小帶輪直徑d： 取 d=95mm A型V帶
大帶輪直徑D； D===339.625mm
根據(jù)V帶帶輪基準(zhǔn)直徑系列，取D=335mm
（2）計(jì)算帶長(zhǎng)
求Dm Dm=(D+D)/2=(95+335)/2=215mm
求△ △=（D-D）/2=（335-95）/2=120mm
根據(jù)0.7（D1+D2）≤a≤2（D1+D2）
即，301≤a0≤860mm
初取中心距，a0=450mm
帶長(zhǎng) L=×Dm+2×a0+△/a0=1650.84 mm
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表3.2選取標(biāo)準(zhǔn)Ld 得：Ld=1600mm
（3）求實(shí)際中心距和包角
實(shí)際中心距a≈a0+(Ld-L)/2=450-25.42=424.58mm
中心距調(diào)整范圍 amax=a+0.03Ld=472.58mm
amin=a-0.015Ld=400.58mm
小輪包角 =180-（D-D）/a×57.3=145.6>120
（4）求帶根數(shù)
驗(yàn)算帶速 ： =πDn/60×1000=3.14×95×1430/(60×1000)= 7.11m/s
5≤≤25，合格
計(jì)算傳動(dòng)比i并驗(yàn)算傳動(dòng)比相對(duì)誤差：
理論傳動(dòng)比 i0=3.575
實(shí)際傳動(dòng)比 i=n/n=335/95=3.53
確定V帶根數(shù)Z：由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表3.6，P=1.30KW；由表3.8，K=0.91；
由表3.9，K=0.99；由表3.7，△P=0.17KW；
所以Z≥P/｛（P+△P）×K×K｝
=3.3/(1.30+0.17)×0.91×0.99=2.49
取Z=3根
2.計(jì)算轉(zhuǎn)速的計(jì)算
（1）主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速nj，由公式n=n得，主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速nj=71r/min。
（2）確定各傳動(dòng)軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速。Ⅱ軸共有3級(jí)轉(zhuǎn)速：140 r/min、200r/min、280 r/min。若經(jīng)傳動(dòng)副Z/ Z傳動(dòng)主軸，全部傳遞全功率，其中140r/min是傳遞全功率的最低轉(zhuǎn)速， 故其計(jì)算轉(zhuǎn)速nⅡj=140 r/min；Ⅰ 軸有1級(jí)轉(zhuǎn)速，且都傳遞全功率，所以其計(jì)算轉(zhuǎn)速nⅠj=400 r/min。各計(jì)算轉(zhuǎn)速入表。
各軸計(jì)算轉(zhuǎn)速
軸 號(hào)
Ⅰ 軸
Ⅱ 軸
Ⅲ 軸
計(jì)算轉(zhuǎn)速 r/min
400
140
71
（3） 確定齒輪副的計(jì)算轉(zhuǎn)速。齒輪Z裝在主軸上并具有35.5、50、71r/min共3級(jí)轉(zhuǎn)速，其中只有71r/min傳遞全功率，故Zj=71 r/min。
齒輪Z裝在Ⅱ軸上，有140-280 r/min共4級(jí)轉(zhuǎn)速，但經(jīng)齒輪副Z/ Z傳動(dòng)主軸，則只有280r/min傳遞全功率，故Zj=280r/min。依次可以得出其余齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)速，如表
齒輪副計(jì)算轉(zhuǎn)速
序號(hào)
Z1
Z1`
Z2
Z2`
Z3
Z3`
Z4`
Z4`
Z5
Z5`
Z6
n
400
280
400
200
400
140
280
140
140
112
280
3.齒輪模數(shù)計(jì)算及驗(yàn)算
（1）模數(shù)計(jì)算。一般同一變速組內(nèi)的齒輪取同一模數(shù)，選取負(fù)荷最重的小齒輪，按簡(jiǎn)化的接觸疲勞強(qiáng)度公式進(jìn)行計(jì)算，即mj=16338可得各組的模數(shù)
式中 mj——按接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的齒輪模數(shù)（mm）；
——驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率（kW）；
——被計(jì)算齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)速（r/min）；
——大齒輪齒數(shù)與小齒輪齒數(shù)之比，外嚙合取“+”，內(nèi)嚙合取“-”；
——小齒輪的齒數(shù)（齒）；
——齒寬系數(shù)，（B為齒寬，m為模數(shù)），；
——材料的許用接觸應(yīng)力（）。
得：基本組的模數(shù)mj=3.5 第一擴(kuò)大組的模數(shù)mj=3.5
（2）基本組齒輪計(jì)算。
基本組齒輪幾何尺寸見(jiàn)下表
齒輪
Z1
Z1`
Z2
Z2`
Z3
Z3`
齒數(shù)
30
42
24
48
19
53
分度圓直徑
105
147
84
168
66.5
185.5
齒頂圓直徑
108.5
150.5
87.5
171.5
70
189
齒根圓直徑
100.6
142.6
79.6
163.6
62.12
181.1
齒寬
24.5
24.5
24.5
24.5
24.5
24.5
按基本組最小齒輪計(jì)算。小齒輪用40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度241HB～286HB，平均取260HB，大齒輪用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度229HB～286HB，平均取240HB。計(jì)算如下：
① 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算：
接觸應(yīng)力驗(yàn)算公式為
彎曲應(yīng)力驗(yàn)算公式為：
式中 N----傳遞的額定功率（kW），這里取N為電動(dòng)機(jī)功率，N=3kW;
-----計(jì)算轉(zhuǎn)速（r/min）. =400（r/min）;
m-----初算的齒輪模數(shù)（mm）, m=3.5（mm）;
B----齒寬（mm）;B=24.5（mm）;
z----小齒輪齒數(shù)；z=19;
u----小齒輪齒數(shù)與大齒輪齒數(shù)之比,u=2.79;
-----壽命系數(shù)；
=
----工作期限系數(shù)；
T------齒輪工作期限，這里取T=15000h.;
-----齒輪的最低轉(zhuǎn)速（r/min）, =400（r/min）
----基準(zhǔn)循環(huán)次數(shù)，接觸載荷取=，彎曲載荷取=
m----疲勞曲線指數(shù)，接觸載荷取m=3；彎曲載荷取m=6;
----轉(zhuǎn)速變化系數(shù)，取=0.60
----功率利用系數(shù)，取=0.78
-----材料強(qiáng)化系數(shù)， =0.60
-----工作狀況系數(shù)，取=1.1
-----動(dòng)載荷系數(shù)，取=1
------齒向載荷分布系數(shù)， =1
Y------齒形系數(shù)， Y=0.386；
----許用接觸應(yīng)力（MPa）,取=650 Mpa；
---許用彎曲應(yīng)力（MPa），取=275 Mpa；
根據(jù)上述公式，可求得及查取值可求得：
=639.47 Mpa
=78.72 Mpa
（3）擴(kuò)大組齒輪計(jì)算。
擴(kuò)大組齒輪幾何尺寸見(jiàn)下表
齒輪
Z4
Z4`
Z5
Z5`
Z6
Z6`
齒數(shù)
66
33
41
58
20
79
分度圓直徑
231
115.5
143.5
203
70
276.5
齒頂圓直徑
234.5
119
147
206.5
73.5
280
齒根圓直徑
226.6
111.12
139.12
198.6
65.6
272.12
齒寬
28
28
28
28
28
28
按擴(kuò)大組最小齒輪計(jì)算。小齒輪用40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度241HB～286HB，平均取260HB，大齒輪用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度229HB～286HB，平均取240HB。
同理根據(jù)基本組的計(jì)算，
可得 =0.62， =0.77，=0.60，=1.1，
=1，=1，m=3.5，=280；
可求得：
=620.73 Mpa
=136.24Mpa
3傳動(dòng)軸最小軸徑的初定
傳動(dòng)軸直徑按扭轉(zhuǎn)剛度用下式計(jì)算：
d=1.64（mm）
或 d=91（mm）
式中 d---傳動(dòng)軸直徑（mm）
Tn---該軸傳遞的額定扭矩（N*mm） T=9550000；
N----該軸傳遞的功率（KW）
----該軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速
---該軸每米長(zhǎng)度的允許扭轉(zhuǎn)角，=0.5~。
各軸最小軸徑如表：
軸 號(hào)
Ⅰ 軸
Ⅱ 軸
最小軸徑mm
35
40
4執(zhí)行軸軸頸直徑的確定：
執(zhí)行軸的前軸勁D1尺寸由教材4-9表得到：D1=50mm
后軸勁D2=（0.7~0.9）D1 所以取D2=0.8D1=40mm
初步計(jì)算，取當(dāng)量外徑D=0.5（D1+D2）=45mm
執(zhí)行軸選用階梯狀中空結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑直徑d=0.4D=0.4*45=18mm
5軸承的選擇:
一軸：深溝球軸承，代號(hào)6007,6008
二軸：深溝球軸承，代號(hào)6008
三軸：深溝球軸承，代號(hào)6010
圓錐滾軸承，代號(hào)30211
雙列圓柱滾子軸承，代號(hào)N220E
軸承布置見(jiàn)展開(kāi)圖
6花鍵的選擇
一軸：N*d*D*B=8*36*40*7
二軸：N*d*D*B=8*42*46*8
六、主要零部件的選擇
一、擺桿式操作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
（1）幾何條件；
（2）不自鎖條件。
具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)CAD圖
二、電動(dòng)機(jī)的選擇
選擇Y系列封閉自扇冷式鼠籠型三相異步電動(dòng)機(jī)。
由文獻(xiàn)【3】附錄2得：電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Y100L2-4，額定功率3KW。
由附錄3得：安裝尺寸A=160mm，AB=205mm，HD=245mm。
七、校核
一 、Ⅱ軸剛度校核
（1）П軸撓度校核
單一載荷下，軸中心處的撓度采用文獻(xiàn)【5】中的公式計(jì)算：:
L-----兩支承的跨距；
D-----軸的平均直徑；
X=/L；-----齒輪工作位置處距較近支承點(diǎn)的距離；
N-----軸傳遞的全功率；
校核合成撓度
-----輸入扭距齒輪撓度；
-------輸出扭距齒輪撓度
；
---被演算軸與前后軸連心線夾角；=144°
嚙合角=20°，齒面摩擦角=5.72°。
代入數(shù)據(jù)計(jì)算得：=0.022；=0.081；=0.120；
=0.198；=0.093；=0.065。
合成撓度 =0.202
查文獻(xiàn)6，帶齒輪軸的許用撓度=5/10000*L
即=0.268。
因合成撓度小于許用撓度，故軸的撓度滿足要求。
（2） П軸扭轉(zhuǎn)角的校核
傳動(dòng)軸在支承點(diǎn)A，B處的傾角可按下式近似計(jì)算：
將上式計(jì)算的結(jié)果代入得：
由文獻(xiàn)6，查得支承處的=0.001
因〈0.001，故軸的轉(zhuǎn)角也滿足要求。
二 、軸承壽命校核。
由П軸最小軸徑可取軸承為6208深溝球軸承,壽命指數(shù)ε=3；P=XFr+YFa
X=1，Y=0。
對(duì)Ⅱ軸受力分析
得：前支承的徑向力Fr=2541.33N。
由軸承壽命的計(jì)算公式：預(yù)期的使用壽命 [L10h]=15000h
L10h=×=×=93123.82h≥[L10h]=15000h
軸承壽命滿足要求。
八．潤(rùn)滑與密封
潤(rùn)滑與密封：減摩抗磨，降低摩擦阻力以節(jié)約能源，減少磨損以延長(zhǎng)機(jī)械壽命，提高經(jīng)濟(jì)效益；冷卻，要求隨時(shí)將摩擦熱排出機(jī)外； 密封，要求防泄漏、防塵、防竄氣； 清凈沖洗，要求把摩擦面積垢清洗排除；應(yīng)力分散緩沖，分散負(fù)荷和緩和沖擊及減震； 動(dòng)能傳遞，液壓系統(tǒng)和遙控馬達(dá)及摩擦無(wú)級(jí)變速等。
由于帶輪轉(zhuǎn)速為560r/min故，采用油潤(rùn)滑，可以減少摩擦阻力和減輕磨損。密封是為了阻止灰塵水分等雜物進(jìn)入軸承，防止?jié)櫥瑒┑牧魇?。采用密封圈密封即可滿足要求。
九、結(jié)論
經(jīng)過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，使我對(duì)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)這門課當(dāng)中許多原理公式有了進(jìn)一步的了解，并且對(duì)設(shè)計(jì)工作有了更深入的認(rèn)識(shí)。懂得了.理論和實(shí)踐同等重要。理論能指導(dǎo)實(shí)踐，使你能事半功倍，實(shí)踐能上升成為理論，為以后的設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。? 從校門走出后,一定要重視實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累,要多學(xué)多問(wèn)。把學(xué)校學(xué)習(xí)的專業(yè)知識(shí)綜合的應(yīng)用起來(lái)，這非常重要。體會(huì)到把技術(shù)搞好就必須安心的學(xué)習(xí)，虛心向別人請(qǐng)教，耐心的對(duì)待每一個(gè)問(wèn)題，不放過(guò)任何一個(gè)自己遇到的問(wèn)題，要善于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。
在設(shè)計(jì)過(guò)程中，得到老師的精心指導(dǎo)和幫助，由于經(jīng)驗(yàn)尚淺，知識(shí)把握不熟練，設(shè)計(jì)中定有許多地方處理不夠妥當(dāng)，有些部分甚至可能存在錯(cuò)誤，望老師多提寶貴意見(jiàn)。
十、參考文獻(xiàn)
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