设计一台专用卧式钻床的液压系统《液压传动与气压传动_1

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1、 摘 要 液压系统是以电机提供动力基础，使用液压泵将机械能转化为压力，推动液压油。通过控制各种阀门改变液压油的流向，从而推动液压缸做出不同行程、不同方向的动作。完成各种设备不同的动作需要。液压系统已经在各个工业部门及农林牧渔等许多部门得到愈来愈广泛的应用，而且愈先进的设备，其应用液压系统的部分就愈多。所以像我们这样的大学生学习和亲手设计一个简单的液压系统是非常有意义的。关键词：液压传动、稳定性、液压系统 一设计目的、要求及题目 设计的目的 液压传动课程设计是本课程的一个综合实践性教学环节，通过该教学环节，要求达到以下目的：1.巩固和深化已学知识，掌握液压系统设计计算的一般方法和步骤，培养学生工

2、程设计能力和综合分析问题、解决问题能力；2.正确合理地确定执行机构，选用标准液压元件；能熟练地运用液压基本回路、组合成满足基本性能要求的液压系统；3.熟悉并会运用有关的国家标准、部颁标准、设计手册和产品样本等技术资料。对学生在计算、制图、运用设计资料以及经验估算、考虑技术决策、CAD 技术等方面的基本技能进行一次训练，以提高这些技能的水平。设计的要求 1.设计时必须从实际出发，综合考虑实用性、经济性、先进性及操作维修方便。如果可以用简单的回路实现系统的要求，就不必过分强调先进性。并非是越先进越好。同样，在安全性、方便性要求较高的地方，应不惜多用一些元件或采用性能较好的元件，不能单独考虑简单、经

3、济；2.独立完成设计。设计时可以收集、参考同类机械的资料，但必须深入理解，消化后再借鉴。不能简单地抄袭；3.在课程设计的过程中，要随时复习液压元件的工作原理、基本回路及典型系统的组成，积极思考。不能直接向老师索取答案。4.液压传动课程设计的题目均为中等复杂程度液压设备的液压传动装置设计。具体题目由指导老师分配，题目附后；5.液压传动课程设计一般要求学生完成以下工作：（1）设计计算说明书一份；（2）液压传动系统原理图、装配图、零件图、三维图各一份。（3）设计题目 设计一台专用卧式钻床的液压系统，要求液压系统完成“快进工进快退停止”的工作循环。已知：最大轴向钻削力为 30000N，动力滑台自重为2

4、5000N，工作台快进行程为 100mm，工进行程为 50mm，快进、快退速度为 6m/min，工进速度为 30900mm/min，加、减速时间为 0.1s，动力滑台为平导轨，静摩擦系数为 0.2，动摩擦系数为 0.1。1.负载分析 1.切削力：Ft=30000N 2.导轨摩擦阻力 静摩擦力：fsF=WfS=0.2 25000=5000N 动摩擦力：fdF=Wfd=0.125000=2500N 3.惯性阻力 动力滑台快进惯性阻力mF,动力滑台启动加速、反向启动加速和快退减速制动的加速度相等，0.1ts，6/vm s 2500062548.429.810.1 60mwvFNgt 液压缸各动作阶段

5、负载列表如下：工况 计算公式 液压缸负载 F（N）液压缸推力（mFF）启动 F=WfS 5000 5555 加速 F=Wfd+mF 5048.42 5608 快进 F=Wfd 2500 2777 工进 F=tF+Wfd 32500 36111 快退 F=Wfd 2500 2777 制动 F=Wfd mF 48.42 53.8 注：液压缸机械效率：0.9m。2.绘制液压工况（负载速度）图 根据计算的液压负载和各阶段工作行程、速度，可绘制液压缸的FT 与 Vt 图 快进 t1=vL11=0.11660s 工进 2min2max0.053.30.960LtVs 2max2min0.051000.03

6、60LtVs 快退 t3=vL33=2 图 1 液压缸负载图和速度图 3.初步确定液压缸的参数 3.1.初选液压缸的工作压力：组合机床液压系统工作压力，一般为（3050）510Pa,这里选1P=44510Pa,为防止钻通孔时动力滑台发生前冲，液压缸回油腔应有背压，背压2P=2510Pa。初步定快进快退回油压力损失2P=5510Pa 5556 5608 2777 55555-5556-2777 l/mm F/N 150 0 6 -6 0.99 l/mm 150 60图0 3.2.计算液压缸尺寸：选定液压缸前、后腔有效面积比为2：1，则液压缸无杆腔工作面积1A 工进时液压缸的推力计算公式为1122

7、1112/(/2)mFA pA pA pAp 所以21210.00932mFAmPP 液压内径 D=14A=0.34477m 取标准值 D=0.34m 活塞杆直径 d=0.7D0.24m 液压缸尺寸取标准值之后的有效工作面积 无杆腔面积 1A=42D=4x0.342=0.09082m 有杆腔面积 2A=4 22dD=4(223424)42100.0455m 活塞杆面积 3A=1A-2A=20.0453m 3.3.计算液压缸在工作循环中各阶段的压力、流量及功率：表中0F为液压缸的驱动力。液压缸工作循环中各阶段的压力、流量及功率见下表 工况 计算公式 0F（N）2P（510Pa）1P（510Pa）

8、Q（3103m/s）功率 p/kw 快进 启动 加速 快进 1P=30AF+2P Q=3A1v P=1PQ 5555 5608 0 11.25 6.25 6.25 0.2 0.283 2777 10.61 5.61 工进 1P=10AF+2P Q=1A2v P=1PQ 36111 614.61 8.61 0.00465 0.14 0.392 快退 启动 加速 快退 制动 1P=20AF+22P 5555 5608 2777-2777 0 11.71 7.21 7.18 6.71 0.3 0.304 3.4.绘制液压缸工况图 图 3-液压缸的工况图 液压缸工况图 4.拟定液压系 4.1.选择液压

9、回路（1）调速方式的选择 5.89 9.18 l/mm 150 60 0 1.698 2.054 1.629 0.226 2.406 1.089 1.801 1.259 0.160 0.0091 0.23 q P 钻孔床工作时，要求低速运动平稳性好；速度负载性好，从图 a 中可看出液压缸快进和工进时功率都较小，负载变化也较小，因此采用调速阀的的进油节流调速回路。为防止工作负载突然消失（钻通孔）引起前冲现象，在回油路上加背压阀。（2）快速回路和速度换接方式的选择 我们选用差动液压缸实现“快，慢，快”的回路。图 b 进口节流一次进给回路。（3）油源的选择：系统特点从图 a 可看出快进时低压大流量时

10、间短，工进时高压小流量时间长。所以采用双联叶片泵或限压式变量泵。4.2.液压系统的组合 选择基本回路后，按拟定液压系统图的几个注意点，可以组成一个完整的系统图。图中为了使液压缸快进时实现差动连接，工进时主油路和回油路隔离，在系统中增设一个单向阀 11 及液控顺序阀 8，在液压泵和电磁换向阀 3 的出口处，分别增设单向阀 9 和 12，以免当液压系统较长时间不工作时，压力油流回油箱，形成真空。为了过载保护或行程终了利用压力继电器13。组合成液压系统图组合的液压系统图。如图所示。液压系统图 1-双联叶片泵 2-三位五通电液阀 3-行程阀 4-调速阀 5、6、10、13-单向阀 7-顺序阀 8-背压

11、阀 9-溢流阀 11-过滤器 12-压力表开关 14-压力继电器 动作名称 信号来源 1YA 2YA 背压阀 8 换向阀 2 电磁阀 3 快进 启动按钮+-关闭 左位 下位 工进 挡块压下行程阀 7+-打开 左位 下位 停留 滑块靠压死在挡块处+-打开 左位 上位 快进 时间继电器 14 发出信号-+关闭 右位 下位 停止 挡块压下终点开关-+关闭 中位 下位 六选择液压元件（1）液压泵的工作压力和流量计算。进油的压力损失取 0.5Mpa，压力继电器调整压力高出系统最大工作压力之值为 0.5Mpa，则小流量泵的最大工作压力为:大流量泵在快速运动时才向液压缸输油的，快退时液压缸中的工作夜里比快进

12、时大，如取进油路上的压力损失为 0.5Mpa，则大流量泵的最高工作压力为：两个泵的总流量为 由于溢流阀的最小稳定溢流量为 3L/min，而工进时输入液压缸的流量为0.5L/min，有小流量液压泵单独供油，所以小液压泵的流量规格最少为3.5L/min。根据以上压力和流量的数值查阅产品样本，最后确定选取 PV2R12-6/8 型双联叶片泵。若取液压泵的容积效率，则当泵的转速时，液压泵的实际输出流量 当取时，则液压泵驱动电动机所需的功率 根据此数值按 JB/T 9616-1999，查阅电机产品样本取 Y100L-6 型电动机。（2）阀类元件及辅助元件如表 3（3）确定油管直径 当油液在压力管中流速取

13、 3m/min 时，算得与液压缸无杆腔和有杆腔相连的油管内径分别为 这两根容积按式 GB/T2351-2005 选用外径为 14mm、内径为 8mm 的无缝钢管。（4）油箱 油箱容积估算，当取为 7 时，求得其容积为 按 JB/T7938-1999 规定，取标准值 V=100L。序号 元件名称 估计通过流量/额定流量 额定压力/Mpa 额定压降/Mpa 型号、规格 1 双联叶片泵-5.076+6.768 16/14 PV2R12-6/8 Vp=（6+8）ml/r 2 三位五通电液阀 50 80 16 0.5 35DYF3Y-E10B 3 行程阀 60 63 16 0.3 AXQF-E10B 4

14、 调速阀 0.5 0.0750 16-（单向行程调速阀）5 单向阀 60 63 16 0.2 qmax=100L/min 6 单向阀 25 63 16 0.2 AF3-Ea10B qmax=80L/min 7 液控顺序阀 22 63 16 0.3 XF3-E10B 8 背压阀 0.3 63 16-YF3-E10B 9 溢流阀 5.1 63 16-YF3-E10B 10 单向阀 22 63 16 0.2 AF3-Ea10B qmax=80L/min 11 过滤器 30 63-0.02 XU-63*80-J 12 压力表开关-16-KF3-E3B 3 测点 13 单向阀 60 63 16 0.2

15、AF3-Ea10B qmax=80L/min 14 压力继电器-10-HED1Ka/10 表 3-元件的型号及规格 七、液压系统性能的验算（1）验算系统压力损失并确定压力阀的调整值 由于系统的管路布置未具体确定，整个系统的压力损失无法全面估算，故只能先估算阀类元件的压力损失，待设计好管路布局图后，加上管路的沿程损失和局部损失即可。但对于中小型液压系统，管路的压力损失甚微，可以忽略不计。1.快进 滑台快进时，液压缸差动连接，进油路上的总压降为 此值不大，不会使压力阀开启，故能确保两个泵的流量全部进入液压缸。快进时有杆腔压力 P2 与无杆腔压力 P1 之差 此值小于原估计值 0.5Mpa，所以安全

16、。2.工进 工进时，液压缸回油腔的压力 P2 为 可见此值小于原估计值 0.8Mpa。故可重新计算工进时液压缸进油腔压力 P1，即 此值与 2.406Mpa 相近。考虑到压力继电器可靠动作需要压差p_e=0.5Mpa，故溢流阀 9 的调压为 3.快退 快退时，进油路上总压降为 此值较小，所以液压泵驱动电动机的功率是足够的。回油路上总压降为 此值与估计值相近，故不必重算。所以，快退时液压泵的最大工作压力 Pp 因此大流量液压泵卸荷的顺序阀 7 的调压应大于 1.836Mpa。（2）油液温升验算 工进在整个工作循环中所占的时间比例达 95%，所以系统发热和油液温升可用工进时的情况来计算。工进时液压

17、缸的有效功率为 这时流量泵通过顺序阀 7 卸荷，小流量阀在高压下供油，所以两个泵的总输入功率为 由此的液压系统的发热量为 求油液温升近似值 温升没有超过允许范围，液压系统中不需设置冷却器。八 液压缸的主要尺寸的设计计算 1 液压缸主要尺寸的确定 由元件参数计算与设计中液压缸的内径 D=34.5mm，活塞杆直径 d=24mm 已确定。2 液压缸壁厚和外径的计算 液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。液压缸的壁厚一般指缸体结构中最薄处的厚度。从参考文献可知，承受内压力的圆筒，其内应力的圆筒，其内应力分布规律因壁厚的不同而各异，一般计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。当缸体壁厚与内径之比小于 0.1 时

18、，称为薄壁缸体，薄壁缸体的壁厚按材料力学中计算公式：2PD(m)式中：缸体壁厚（m）P液压缸的最大工作压力（Pa）D缸体内径（m）缸体材料的许用应力（Pa）查参考文献5可得常见缸体材料的许用应力：铸钢：=（10001100）510Pa 无缝钢管：=（10001100）510 Pa 锻钢：=（10001200）510 Pa 铸铁：=（600700）510 Pa 选用铸钢作为缸体材料：656.25 100.12.842 2 1100 10PDmm 在中低压机床液压系统中，缸体壁厚的强度是次要的，缸体壁厚一般由结构，工艺上的需要而定，只有在压力较高和直径较大时，才由必要校核缸体最薄处的壁厚强度。当缸

19、体壁厚与内径 D 之比值大于 0.1 时，称为厚壁缸体，通常按参考文献中第二强度理论计算厚壁缸体的壁厚：56560.4121.31100 100.4 3.75 100.1121100 101.3 3.75 100.001491.49PDPmmm 因此缸体壁厚应不小于 1.7mm，又因为该系统为中低压液压系统，所以不必对缸体最薄处壁厚强度进行校核。缸体的外径为：34.5+2*1.7=37.9mm 3 液压缸工作行程的确定 液压缸的工作行程长度，可根据执行机构实际工作的最大行程来确定。以液压左滑台为例，因为左滑台的最大行程为 150mm,由查参考文献液压缸活塞行程参数（GB2349-80），选择液

20、压缸的工作行程为 160mm。4 缸盖厚度的确定 缸筒底部（即缸盖）有平面和拱形两种形式，由于该系统中液压缸工作场合的特点，缸盖宜选用平底形式，查参考文献可得其有效厚度 t 按强度要求可用下面两式进行近似计算：缸盖有孔时：20.433()PtDm 缸盖无孔时：22200.433()()PDtDmDd 式中：t缸盖有效厚度（m）P液压缸的最大工作压力（Pa）缸体材料的许用压力（Pa）2D缸底内径（m）0d缸底孔的直径（m）查参考文献5缸盖的材料选用铸铁，所以：缸盖有孔时：20.433()PtDm t=10.2mm 缸盖无孔时：22200.433()()PDtDmDd t=18.972mm 缸盖的

21、宽度：110mm 5 最小导向长度的确定 当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到缸盖滑动支撑面中点的距离H称为最小导向长度，如果最小导向长度过小将使液压缸的初始挠度增大，影响液压缸的稳定性，因此设计时必须保证有一定的最小导向长度。对一般的液压缸最小导向长度 H 应满足以下要求：202LDH =120mm 式中：L-液压缸的最大行程 D-液压缸的内径 6 缸体长度的确定 液压缸的缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和，缸体外形长度还要考虑到两端端盖的厚度，一般液压缸缸体长度不大于内径的 2030 倍,即在本系统中缸体长度不大于 2000-3000mm,现取缸体长度为 450mm。7.液压缸

22、的结构设计 液压缸主要尺寸确定以后，就进行各部分的结构设计。主要包括：缸筒与缸盖的连接结构、活塞杆与活塞的连接结构、活塞杆导向部分结构、密封装置、缓冲装置、排气装置、及液压缸的安装连接结构等。8缸筒与缸盖的连接形式 缸筒与缸盖的连接形式有多种，如法兰连接、外半环连接、内半环连接、外螺纹连接、拉杆连接、焊接、钢丝连接等。该系统为中低压液压系统，缸体材料为铸钢，液压缸与缸盖可采用拉杆式连接，该连接方式具有结构简单加工装配方便等特点。9活塞 活塞在液体压力的作用下沿缸筒往复滑动，因此它于缸筒的配合应适当，即不能过紧，也不能间隙过大。设计活塞时，主要任务就是确定活塞的结构形式，其次还有活塞与活塞杆的连

23、接、活塞材料、活塞尺寸及加工公差等。(1)活塞的结构形式 活塞的结构形式分为整体活塞和组合活塞，根据密封装置形式来选用活塞结构形式，查参考文献活塞及活塞杆的密封圈使用参数，该系统液压缸中可采用 O 形圈密封。所以，活塞的结构形式可选用整体活塞，整体活塞在活塞四周上开沟槽，结构简单。(2)活塞与活塞杆的连接 查参考文献活塞杆与活塞的连接结构分整体式结构和组合式结构，组合式结构又分为螺纹连接、半环连接和锥销连接。该系统中采用螺纹连接，该连接方式结构简单，在振动的工作条件下容易松动，必须用锁紧装置，多在组合机床上与工程机械的液压缸上使用。（3）活塞的密封 查参考文献活塞与缸筒的密封采用O形圈密封活塞

24、与缸体的密封采用O形圈密封，O 形圈的代号为：64.54GB/T3452.1-1992。查参考文献活塞与活塞杆的密封采用 O 形圈密封，因该系统为中低压液压系统(P32aMp),所以活塞杆上的密封沟槽不设挡圈,其沟槽尺寸与公差由GB/T3452.3-98 确定,O 形圈代号为：487 G GB/T3452.1-92，具体说明从略。（4）活塞材料 因为该系统中活塞采用整体活塞，无导向环结构，参考文献所以活塞材料可选用 HT200HT300 或球墨铸铁，结合实际情况及毛坯材料的来源，活塞材料选用 HT200。（5）活塞尺寸及加工公差 查参考文献活塞的宽度一般取 B=(0.61.0)D,缸筒内径为

25、80mm,现取B=0.680=48,活塞的外径采用 f9,外径对内孔的同轴度公差不大于 0.02mm,活塞的内孔直径 D1设计为 48mm，精度为 H8，查参考文献可知端面 T 对内孔 D1轴线的垂直度公差值按 7 级精度选取，活塞外径的圆柱度公差值按 9 级、10 级或 11级精度选取。外表面的圆度和圆柱度一般不大于外径公差之半，表面粗糙度视结构形式不同而各异。活塞的详细结构见附图。10.缸筒 缸筒材料一般要求有足够的强度和冲击韧性，对焊接的缸体还要求有良好的焊接性能，结合该系统中液压缸的参数、用途和毛坯的来源等，缸筒的材料可选用铸钢。在液压缸主要尺寸设计与计算中已设计出液压缸体壁厚最小厚度

26、应不小于 1.7mm，缸体的材料选用铸钢，查参考文献，缸体内径可选用H8、H9 或 H10配合，现选用 H9 配合，内径的表面粗糙度因为活塞选用O 形圈密封取aR为0.3m，且需珩磨，缸筒内径的圆度和圆柱度可选取8 级或 9 级精度具体结构见附图。缸筒与缸盖之间的密封采用 O 形圈密封，O 形圈的代号为 804 G GB/T3452.1-1992，密封沟槽及其公差可按 GB/T3452.3-1988 确定。见所附零件图。、11.缓冲装置 液压缸的行程终端缓冲装置可使带着负载的活塞，在到达行程终端减速到零，目的是消除因活塞的惯性力和液压力所造成的活塞与端盖的机械撞击，同时也为了降低活塞在改变运动

27、方向时液体发出的噪声。因为该系统为液压动力滑台液压系统速度换接平稳，进给速度稳定，且工进完毕采用死挡铁停留，所以液压缸上可不设置缓冲装置。12.后缸盖 查参考文献并参考同类型液压缸，后缸盖的材料选用 HT200。缸盖与缸体采用拉杆式连接，选用的螺栓的代号为:GB/T5782-86 M12140。查参考文献参照液压缸螺纹连接的油口系列（GB/T2878-93），液压缸的进油口螺纹选用 M121.5，出油口螺纹选用 M122。具体结构尺寸见所附零件图。13.前缸盖及与活塞杆的密封、防尘 查参考文献并参考同类型的液压缸，前缸盖的材料选用35 钢，缸盖与缸筒采用的连接方式和后缸盖与缸筒的连接方式一致。

28、在缸盖的顶部加工进油孔道，其孔道的的结构与形式参照后缸盖上的而定。查参考文献油管与缸盖接口处的尺寸配合确定为18H9/g9,具体结构见附图。为了清除活塞杆处外露部分粘附的灰尘，保证油液清洁及减少磨损，在端盖外侧增加防尘圈。活塞杆的防尘采用往复运动橡胶防尘密封圈（GB/T 10708.3-89）A 型液压缸活塞杆防尘圈。14.活塞杆（1）活塞杆结构尺寸的确定 活塞杆杆体分为实心杆和空心杆两种，实心杆加工简单，采用较多，该系统中采用实心杆。已知活塞杆的直径为 56mm,查参考文献活塞杆的材料选用 45 钢,根据液压缸的实际结构尺寸,活塞杆的总长度设计确定为 670mm,轴径为 56mm 的长度为

29、405mm，查参考文献活塞杆上安装活塞的部分即轴径为 40mm 的部分精度采用 h8,活塞杆与活塞的密封采用 O 形圈密封,代号为 487 G GB/T3452.1-92。活塞杆与活塞的密封前面已设计说明。活塞杆与活塞的连接结构采用螺纹连接,该连接方式结构简单,在振动的工作条件下容易松动,必须采用锁紧装置,该系统中采用垫圈锁紧。因为该液压系统采用标准液压动力滑台（HY40A-1）,查参考文献液压滑台的联系尺寸，活塞杆与液压滑台连接处螺纹采用 M12X2,螺纹长度 60（GB2350-80）。（2）活塞杆强度的计算 活塞杆在稳定的工况下，如果只是受轴向推力或拉力可以近似地用直杆承受拉压载荷的简单

30、强度计算公式进行计算：6210()(/4)pFMPad 6.81MPap 所以活塞杆满足强度要求。式中：F活塞杆作用力（N）d活塞杆直径（m）p材料许用应力（对中碳钢）p=400MPa 活塞杆上一般都设有螺纹、退刀槽结构，这些部位往往使活塞杆上的危险截面，也要进行计算，危险截面处的合成应力应满足：2221.8()npFMPad 式中：2d 危险截面的直径（m）2F 活塞杆的拉力(N)p材料许用应力（对中碳钢）p=400MPa 因为活塞杆上螺纹、退刀槽中直径最小的为27.8，此处的截面为危险截面，所以：2221.8nFd 2262221.80.0278n 61072925.83nPa 61.07

31、npMPa 活塞杆危险截面处满足强度要求。（3）活塞杆导向部分的结构 活塞杆导向部分的结构，包括活塞杆与端盖、导向套的结构，以及密封、防尘和锁紧装置等。导向套的结构可以做成端盖整体式直接导向，也可做成与端盖分开的导向套结构。后者导向套磨损后便于更换，所以应用较普遍。该系统为液压动力滑台液压系统的速度换接平稳，进给速度稳定，磨损不严重，所以导向套结构采用端盖整体式直接导向。5.结束语（1）综合运用液压传动课程及其它有关先修课程的理论知识和生产实际知识，进行液压传动设计实践，使理论知识和生产实际知识密切地结合起来，从而使这些知识得到进一步的巩固、加深和扩展。（2）在设计实践中学习和掌握通用液压元件

32、，尤其是各类标准元件的选用原则和回路的组合方法，培养设计技能，提高分析问题和解决生产实际问题的能力，为今后的设计工作打下初步基础。（3）通过设计，初步具备了设计简单液压系统的能力，同时也提高了自己查阅和运用有关手册、图表，运用 AUTOCAD 等软件及编写技术文件的技能，是很重要的一次实践环节。此次设计除了考察我们专业课的能力之外，还培养了我们发现问题、分析问题并解决问题的能力，为以后的工作奠定了良好的基础。由于能力所限，经验不足，设计中肯定有很多不足之处，希望 xxx 老师多加指导批评。6.参考文献：1、机械设计手册下册：液压传动和气动，北京：石油化学工业出版社，1983，机械设计手册联合编写组编 2、机械设计手册：单行本液压传动，北京：化学工业出版社，2004.1 成大先主编 3、机械设计手册上册：液压传动和气动，北京：石油化学工业出版社，1983，机械设计手册联合编写组编 4、液压传动，哈尔滨：黑龙江教育出版社，1995.10，武华，米伯林主编 5、液压传动辅导教材.北京：中央广播电视大学出版社，1986，中央电大液压传动辅导教材编写小组编 6、机床液压传动.哈尔滨工程大学出版社，1998.2，武华，米伯林主编