趙宇晨，羅旦，李從祥，郭平

鋼軌打磨綜合試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

趙宇晨，羅旦，李從祥，郭平

（株洲時(shí)代電子技術(shù)有限公司，湖南 株洲 412007）

打磨裝置作為鋼軌打磨車的核心作業(yè)機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)功能對(duì)整車性能具有重要影響?；诖蚰パb置機(jī)構(gòu)、液壓、控制等系統(tǒng)相對(duì)鋼軌打磨整車獨(dú)立，且具有獨(dú)立輪對(duì)、能夠完成自走行，本文設(shè)計(jì)了一種軌道可移動(dòng)的綜合打磨試驗(yàn)臺(tái)，用于鋼軌打磨裝置各系統(tǒng)功能驗(yàn)證及調(diào)試。設(shè)計(jì)了試驗(yàn)臺(tái)的滑動(dòng)軌道系統(tǒng)、試驗(yàn)臺(tái)架、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及限位系統(tǒng)，并對(duì)試驗(yàn)臺(tái)分別進(jìn)行了靜態(tài)提升工況和打磨試驗(yàn)工況下的靜力學(xué)分析。實(shí)際應(yīng)用證明，該打磨試驗(yàn)臺(tái)能夠應(yīng)用于多種打磨裝置調(diào)試試驗(yàn)，為打磨裝置設(shè)計(jì)研究提供了較好的獨(dú)立試驗(yàn)平臺(tái)。

試驗(yàn)臺(tái)；打磨裝置；滑動(dòng)軌道；靜強(qiáng)度；模態(tài)分析

鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)是運(yùn)輸體系的重要組成。鋼軌直接承受運(yùn)行車輛的載荷，是組成鐵路系統(tǒng)安全高效運(yùn)行的關(guān)鍵部件，也是軌道系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)[1]。常見的鐵路線路傷損有波磨、魚鱗裂紋、車輪擦傷、肥邊等[2]。鋼軌打磨設(shè)備通過預(yù)防性、修復(fù)性打磨功能，能夠有效消除鋼軌病害、改善輪軌關(guān)系、延長(zhǎng)鋼軌使用壽命，由此獲得較為廣泛的應(yīng)用[3-5]。打磨裝置為鋼軌打磨車的核心作業(yè)機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)性能對(duì)于整車性能具有重要影響。

打磨裝置的主要組成如圖1所示。其中提升機(jī)構(gòu)、牽引機(jī)構(gòu)為打磨裝置上部安裝接口，與打磨車車體底部連接；走行輪為打磨裝置下部支撐部件，與鋼軌接觸實(shí)現(xiàn)打磨裝置沿鋼軌方向的走行運(yùn)動(dòng)。相較于一體式大型養(yǎng)路設(shè)備，鋼軌打磨車作業(yè)裝置為獨(dú)立走行的四輪小車結(jié)構(gòu)[6]，其特有的自走行小車式結(jié)構(gòu)使得打磨裝置能夠脫離鋼軌打磨車車體進(jìn)行試驗(yàn)。

目前針對(duì)打磨裝置結(jié)構(gòu)功能的調(diào)試主要依靠鋼軌打磨車整車進(jìn)行，即打磨裝置生產(chǎn)裝配完成后安裝于整車車體下方，對(duì)完整狀態(tài)下的鋼軌打磨車開展試驗(yàn)。整車運(yùn)行試驗(yàn)的主要目的是驗(yàn)證鋼軌打磨車的總體性能，如運(yùn)行性能、作業(yè)性能及動(dòng)力學(xué)性能等[7]，對(duì)于結(jié)構(gòu)功能較為復(fù)雜的打磨裝置，僅依靠整車平臺(tái)來進(jìn)行調(diào)試存在以下不足：

（1）根據(jù)TB/T 3520－2018[8]，打磨裝置各系統(tǒng)需要滿足多項(xiàng)動(dòng)靜態(tài)性能要求，而現(xiàn)有打磨裝置生產(chǎn)裝配過程中只能檢查具有配合關(guān)系零部件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)及配合精度，無法進(jìn)行完整結(jié)構(gòu)性能測(cè)試，由此導(dǎo)致裝車之后調(diào)試難度加大、試驗(yàn)周期延長(zhǎng)；

（2）如圖2所示，打磨裝置前后安裝有轉(zhuǎn)向架、集塵通道、油箱等部件，頂部為大車橫梁和底板，操作、觀察、測(cè)試空間局限；

（3）打磨裝置作業(yè)狀態(tài)、控制策略等打磨試驗(yàn)線路占用時(shí)間長(zhǎng)[9]、對(duì)周邊環(huán)境影響較大，利用整車進(jìn)行調(diào)試成本較高，且實(shí)際使用的軌道線路受使用條件限制，無法充分滿足打磨裝置試驗(yàn)要求。

圖1 打磨裝置結(jié)構(gòu)圖

圖2 某型鋼軌打磨車示意圖

對(duì)打磨裝置設(shè)計(jì)研發(fā)過程中的獨(dú)立試驗(yàn)需求，本文設(shè)計(jì)了一種可移動(dòng)軌道式鋼軌打磨綜合試驗(yàn)臺(tái)，通過有限元法對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行仿真分析，得到不同工作情況下試驗(yàn)臺(tái)的強(qiáng)度和剛度，保證試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)功能的可靠性與安全性。最后通過打磨裝置在試驗(yàn)臺(tái)上的實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證試驗(yàn)臺(tái)能夠滿足不同結(jié)構(gòu)形式打磨裝置應(yīng)用需求，具有較好的使用價(jià)值及推廣意義，能夠?yàn)楹罄m(xù)打磨裝置設(shè)計(jì)開發(fā)提供試驗(yàn)基礎(chǔ)平臺(tái)。

1 綜合試驗(yàn)臺(tái)整體方案及工作原理

1.1 整體方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)廠區(qū)內(nèi)能夠鋪設(shè)的鋼軌長(zhǎng)度有限，且打磨裝置試驗(yàn)過程中需要安裝液壓管路、閥組和電氣線纜等連接件。若采用移動(dòng)臺(tái)架式結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)過程中打磨裝置相對(duì)電氣柜、液壓泵等固定組件移動(dòng)，走線難度大，管路、線纜容易相互干涉造成混亂；而采用固定臺(tái)架式結(jié)構(gòu)，無法開展打磨裝置走行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。

為了解決線纜、管路等布置問題，同時(shí)兼顧動(dòng)態(tài)打磨需求，試驗(yàn)臺(tái)采用固定臺(tái)架與滑動(dòng)軌道相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，如圖3所示。試驗(yàn)臺(tái)架、滑動(dòng)底座均固定在地面上，打磨裝置安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上，相對(duì)臺(tái)架固定。打磨作業(yè)試驗(yàn)時(shí)，由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)鋼軌沿軌道方向滑動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)打磨裝置相對(duì)鋼軌的走行運(yùn)動(dòng)。

1.2 試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

1.2.1 滑動(dòng)軌道系統(tǒng)

滑動(dòng)軌道系統(tǒng)的組成如圖4所示，其中軌枕和基座為固定件，滑動(dòng)平臺(tái)及固定在平臺(tái)上的鋼軌組成運(yùn)動(dòng)部件，可沿基座導(dǎo)軌方向滑動(dòng)?；瑒?dòng)軌道系統(tǒng)的主要功能為支撐打磨裝置重力；移動(dòng)鋼軌使走行輪與鋼軌產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，模擬打磨裝置運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

1.2.2 試驗(yàn)臺(tái)架

試驗(yàn)臺(tái)架的主要組成如圖5所示，其整體為對(duì)稱龍門結(jié)構(gòu)，通過螺栓固定在地面上。連接座為試驗(yàn)臺(tái)架與打磨裝置的連接組件，承受打磨裝置運(yùn)動(dòng)時(shí)的牽引力及提升下放時(shí)的重力?？v梁和連接座均采用長(zhǎng)度方向可調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)形式，以滿足不同尺寸及安裝接口打磨裝置的需求。頂部設(shè)有走踏板，為試驗(yàn)人員提供頂部活動(dòng)空間，保障人員操作安全。

圖3 綜合試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

圖4 滑動(dòng)軌道系統(tǒng)

圖5 試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)圖

1.2.3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

試驗(yàn)臺(tái)采用電機(jī)－減速機(jī)－鋼絲繩卷筒的組合形式，實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)平臺(tái)組件的運(yùn)動(dòng)控制。動(dòng)態(tài)打磨試驗(yàn)時(shí)，滑動(dòng)平臺(tái)由電機(jī)與鋼絲繩牽引沿導(dǎo)向軌做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。電機(jī)牽引功率主要由滑動(dòng)平臺(tái)與基座之間摩擦力和打磨裝置走行磨削阻力組成。試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)供電電壓AC 380 V/50 Hz，打磨試驗(yàn)要求鋼軌移動(dòng)速度3～5 km/h，初步選用50 Hz、30 kW的三相異步交流電機(jī)。

滑動(dòng)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率核算如下：

（1）滑動(dòng)組件摩擦功耗

鋼軌移動(dòng)過程中，有：

F＝(m＋m＋m) （1）

1＝·F·（2）

式中：F為滑動(dòng)組件負(fù)載總質(zhì)量，N；m為打磨裝置重量，t；m為鋼軌重量，t；m為滑動(dòng)板重量，t；1為導(dǎo)向軌與滑動(dòng)支撐架之間的摩擦力功耗，kW；為摩擦系數(shù)；為鋼軌最大移動(dòng)速度，km/h。

根據(jù)文獻(xiàn)[10]，?。?i>m＝8 t，m＝1.5 t，m＝2.1 t，＝0.05，＝5 km/h。

計(jì)算得：F＝1.16×105N，1＝8.06 kW。

（2）打磨裝置走行打磨阻力

F＝·(F＋F) （3）

F＝1F（5）

式中：F為打磨作業(yè)時(shí)的磨頭阻力，N；為磨頭總數(shù)；F為單個(gè)磨頭切削力的縱向分力，N；

計(jì)算得：F＝10.70 N，F＝1.04×103N，F＝1.05×104N。

又因?yàn)椋?/p>

F＝m··1＋F（6）

2＝F·（7）

式中：F打磨裝置所需輪周牽引力，N；1為單位基本阻力，N/kN；2為驅(qū)動(dòng)打磨裝置走行磨削所需功率，kW。

根據(jù)文獻(xiàn)[12-13]，?。?＝1.93 N/kN。

計(jì)算得：F＝1.067×104N，2＝14.82 kW。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)載為：

＝1＋2（8）

計(jì)算得：＝22.88 kW。

根據(jù)上述核算可知，所選電機(jī)滿足打磨試驗(yàn)需求。

1.2.4 限位系統(tǒng)

限位系統(tǒng)采用雙重限位形式，包含電氣控制限位和機(jī)械結(jié)構(gòu)限位兩部分。電氣控制方面，在導(dǎo)向軌兩側(cè)安裝限位開關(guān)，當(dāng)滑動(dòng)架移動(dòng)到限位開關(guān)對(duì)應(yīng)位置，限位開關(guān)控制信號(hào)改變，滑動(dòng)平臺(tái)減速；機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，在試驗(yàn)臺(tái)底座的行程極限位置安裝限位止擋，當(dāng)限位開關(guān)失效時(shí)，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)限制滑動(dòng)板移動(dòng)，避免滑動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制失效對(duì)周邊試驗(yàn)設(shè)備造成損壞。

2 綜合試驗(yàn)臺(tái)靜力學(xué)分析

綜合試驗(yàn)臺(tái)各個(gè)系統(tǒng)、部件之間的連接形式、位置關(guān)系不盡相同，為了減少仿真計(jì)算工作量，同時(shí)保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足產(chǎn)品安全性、可靠性要求，將主要承載且安裝部分結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱的試驗(yàn)臺(tái)架提取出來進(jìn)行分析計(jì)算。

試驗(yàn)臺(tái)架多由方管、H型鋼組成，整體結(jié)構(gòu)較為規(guī)則，因此使用六面體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分[14]，設(shè)置單元尺寸20 mm、關(guān)鍵接觸面及安裝座單元尺寸12 mm，打磨試驗(yàn)臺(tái)架網(wǎng)格劃分共有節(jié)點(diǎn)1928682個(gè)，單元394674個(gè)。

由于打磨裝置只有下放在鋼軌位置時(shí)才會(huì)進(jìn)行打磨作業(yè)，因此分別針對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架靜態(tài)提升和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)兩種工況進(jìn)行分析計(jì)算。

2.1 靜態(tài)提升工況

靜態(tài)提升工況時(shí)，提升油缸縮回，試驗(yàn)臺(tái)架通過前后安裝座固定打磨裝置，承受裝置的垂向靜載荷。定義各部分接觸和約束，臺(tái)架立柱處添加固定支撐，并在四個(gè)提升油缸安裝位置分別添加2×104N的垂向載荷。得到靜態(tài)提升工況下的分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 靜態(tài)提升工況下的分析結(jié)果

打磨裝置提升過程中，可能出現(xiàn)油缸運(yùn)動(dòng)不同步，導(dǎo)致提升過程試驗(yàn)臺(tái)架承受一定沖擊載荷。為保證試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)可靠性，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 1335－1996[14]，計(jì)算垂向兩倍沖擊載荷情況下試驗(yàn)臺(tái)架極限應(yīng)力情況，如圖7所示。

由圖6（a）、圖7可知，試驗(yàn)臺(tái)架沖擊載荷工況下最大等效應(yīng)力遠(yuǎn)大于靜態(tài)提升工況。沖擊載荷時(shí)打磨裝置最大應(yīng)力為211.88 MPa，為出現(xiàn)在安裝座與縱梁接觸邊緣的集中應(yīng)力，關(guān)鍵承載縱梁最大應(yīng)力為95 MPa，出現(xiàn)在橫梁中部。試驗(yàn)臺(tái)架主要材料Q235的許用應(yīng)力為168 MPa，屈服強(qiáng)度為235 MPa，即極限沖擊載荷條件下的最大應(yīng)力小于材料屈服強(qiáng)度，且關(guān)鍵承載縱梁最大應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力。由圖6（b）可知，試驗(yàn)臺(tái)架最大變形為2.0 mm，出現(xiàn)在橫梁中部。此時(shí)橫梁的變形處于材料彈性變形范圍內(nèi)，而提升狀態(tài)時(shí)打磨裝置為靜態(tài)測(cè)試，因此該變形不會(huì)對(duì)調(diào)試試驗(yàn)產(chǎn)生影響。

綜上，靜態(tài)提升工況下，試驗(yàn)臺(tái)架強(qiáng)度、剛度均滿足要求。

圖7 沖擊載荷應(yīng)力云圖

2.2 打磨試驗(yàn)工況

打磨試驗(yàn)工況時(shí)，打磨裝置相對(duì)鋼軌運(yùn)動(dòng)，處于走行打磨狀態(tài)，此時(shí)試驗(yàn)臺(tái)架承受打磨裝置牽引系統(tǒng)帶來的牽引力。試驗(yàn)臺(tái)接觸及約束定義與靜態(tài)工況相同，在臺(tái)架立柱處添加固定支撐。根據(jù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分計(jì)算結(jié)果，在左側(cè)牽引桿安裝座位置處添加橫向牽引載荷。

計(jì)算得到打磨工況下的分析結(jié)果如圖8所示。可知，試驗(yàn)臺(tái)架最大應(yīng)力67.85 MPa，小于材料許用應(yīng)力168 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在牽引安裝座部位；試驗(yàn)臺(tái)架最大變形2.21 mm，出現(xiàn)在牽引機(jī)構(gòu)安裝座延伸板處。其中最大變形分量為沿鋼軌方向的變形2.18 mm，該方向變形對(duì)打磨單元偏轉(zhuǎn)、下壓等動(dòng)作影響較小。

因此，打磨試驗(yàn)工況下試驗(yàn)臺(tái)架強(qiáng)度、剛度均滿足要求。

圖8 打磨試驗(yàn)工況下的分析結(jié)果

2.3 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

有限元模態(tài)分析用于得到結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，是評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的重要指標(biāo)之一[15]。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，應(yīng)盡量避免結(jié)構(gòu)固有頻率與工作頻率重合，避免發(fā)生共振，對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)造成破壞。

在靜力強(qiáng)度基礎(chǔ)上進(jìn)行模態(tài)分析，試驗(yàn)臺(tái)立柱添加固定約束，定義關(guān)鍵接觸部分約束。由于在結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性中低階模態(tài)和高階模態(tài)所占百分比呈指數(shù)分布關(guān)系，即低階模態(tài)能比較準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)自然振動(dòng)特性，因此提取試驗(yàn)臺(tái)架前六階模態(tài)進(jìn)行分析，各階頻率大小及主振型如表1、圖9所示。

表1 試驗(yàn)臺(tái)架前六階模態(tài)固有頻率

打磨電機(jī)的轉(zhuǎn)速為3600 r/min，電機(jī)實(shí)際工作頻率在55～60 Hz范圍內(nèi)，根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果，試驗(yàn)臺(tái)前六階頻率為7～15 Hz。

因此打磨電機(jī)工作頻率不會(huì)與試驗(yàn)臺(tái)架產(chǎn)生共振。但該打磨試驗(yàn)臺(tái)整體固有頻率偏低，后續(xù)可通過調(diào)整試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)布局改善其結(jié)構(gòu)剛度。

圖9 模態(tài)分析前六階主振型圖

3 應(yīng)用分析

上述設(shè)計(jì)開發(fā)方案得到的綜合試驗(yàn)臺(tái)，現(xiàn)已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。圖10為打磨裝置落于試驗(yàn)臺(tái)鋼軌上，且電氣控制、液壓系統(tǒng)、集塵系統(tǒng)等均已配置完成后的試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)?；诖藸顟B(tài)分別進(jìn)行了打磨裝置提升下放、打磨裝置走行、打磨單元功能驗(yàn)證、液壓系統(tǒng)調(diào)試、打磨程序調(diào)試等試驗(yàn)。打磨裝置試驗(yàn)過程圖11所示，鋼軌打磨前后效果如圖12所示。

通過實(shí)際使用驗(yàn)證，利用試驗(yàn)臺(tái)具有以下特點(diǎn)：

（1）移動(dòng)軌道式試驗(yàn)臺(tái)能夠模擬低速走行情況下打磨裝置運(yùn)動(dòng)和實(shí)際打磨作業(yè)工作，在滿足試驗(yàn)需求的情況下減少了試驗(yàn)所需線路長(zhǎng)度，能夠在室內(nèi)廠房環(huán)境下對(duì)打磨裝置進(jìn)行裝車前的全面功能驗(yàn)證和調(diào)試，能夠有更加合理地調(diào)配試驗(yàn)安排時(shí)間及資源，容錯(cuò)率較高，避免了實(shí)際使用中線路受天窗時(shí)間、氣候、安全性等因素限制。

（2）采用龍門式結(jié)構(gòu)，液壓閥組、電氣控制系統(tǒng)等走線布置空間充足，且不受鋼軌打磨車車體高度限制，有利于打磨裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整和檢測(cè)測(cè)量，能有效提高打磨試驗(yàn)效率。

（3）能夠通過較完整的液壓、電氣系統(tǒng)進(jìn)行控制調(diào)試，綜合考察打磨裝置結(jié)構(gòu)性能。避免裝車后由于功能部件問題出現(xiàn)的整體拆卸修正問題，降低試驗(yàn)成本。

綜合打磨試驗(yàn)臺(tái)目前應(yīng)用于國(guó)鐵、地鐵、道岔等多種車型的打磨裝置調(diào)試試驗(yàn)，實(shí)際使用過程中也在不斷改進(jìn)優(yōu)化試驗(yàn)臺(tái)配套設(shè)施，如層架頂部防護(hù)欄、臺(tái)架兩側(cè)增加防護(hù)網(wǎng)、配套安裝集塵裝置等，減少打磨試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的鐵屑、粉塵對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地工作環(huán)境的影響，進(jìn)一步保障試驗(yàn)人員安全。

圖10 打磨裝置安裝圖

圖11 打磨試驗(yàn)圖

圖12 打磨前后鋼軌對(duì)比圖

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)制造了一種綜合打磨試驗(yàn)臺(tái)，通過移動(dòng)式軌道與固定打磨裝置的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)打磨裝置動(dòng)態(tài)作業(yè)模擬。實(shí)際應(yīng)用表明，該打磨裝置綜合試驗(yàn)臺(tái)適用于多種類型的打磨裝置，能夠滿足打磨裝置結(jié)構(gòu)性能測(cè)試使用需求，提高了打磨裝置結(jié)構(gòu)可靠性和安全性，可以有效減少裝車后的調(diào)試時(shí)間，提高工作效率。

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Design and Application of Rail Grinding Comprehensive Test-Bed

ZHAO Yuchen，LUO Dan，LI Congxiang，GUO Ping

( Zhuzhou Times Electronic Technology Co., Ltd., Zhuzhou412007, China)

The structure and function of grinding device, which is the core operating mechanism of rail grinding vehicles, has an important impact on the performance of the vehicle. Based on the fact that the mechanism, hydraulic and control systems of the grinding device are independent of the vehicle with independent wheel sets, a track movable comprehensive grinding test-bed used for functional verification and the commissioning of each system of the rail grinding device is designed. The sliding track system, test-bed, driving system and limit system of the test-bed are designed, and the static analysis of the test-bed under static lifting condition and grinding test condition is carried out. The application shows that the modified grinding test-bed can be applied to the commissioning test of a variety of grinding devices, and provides a better independent experimental platform for the design and research of grinding devices.

test bed；grinding device；sliding track；static strength；modal analysis

TH69；U216.65

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.05.011

1006-0316 (2022) 05-0068-07

2021-11-24

趙宇晨（1994－），女，湖南常德人，碩士研究生，主要從事鋼軌打磨車等軌道工程機(jī)械結(jié)構(gòu)研發(fā)工作，E-mail：yuan824377563@126.com。