小型旋转式扫雪机设计【包含CAD图纸、说明书】
XX 大学 XX 学院全 日 制 普 通 本 科 生 毕 业 设 计小型旋转式扫雪机设计学生姓名:学 号:年级专业及班级:指导老师及职称:学 部:提交日期: 年 05 月XX 大学东方 XX 学院全日制普通本科生毕业设计诚信声明本人郑重声明:所呈交的本科毕业论文是本人在指导老师的指导下,进行研究工作所取得的成果,成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外,本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。同时,本论文的著作权由本人与 XX 大学东方 XX 学院、指导教师共同拥有。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。毕业设计作者签名:年 月 日 目 录 摘要 1关键词 11 引言21.1 研究的目的和意义31.2 国内外研究现状32 总体方案设计42.1 设计任务与要求42.2 系统工作原理42.3 主要技术参数53 具体方案设计及加工53.1 动力参数53.2 链与链轮53.2.1 确定链条节数63.2.2 确定节距63.2.3 确定中心距63.2.4 验算链速63.2.5 压轴力64 传动轴的设计与校核74.1 轴的设计计算74.2 确定各轴的直径和长度74.3 轴的校核85 涡轮与蜗杆85.1 按接触强度计算85.1.1 确定蜗杆头数、蜗杆齿数85.1.2 确定涡轮转矩95.1.3 确定条件95.1.4 初定中心距、模数、倒程角95.1.5 计算传动效率95.2 验算齿面接触强度95.3 计算传动的主要尺寸105.4 弯曲强度验算106 搅龙轴设计与校核116.1 轴的设计计算116.2 确定各轴段的直径和长度126.3 轴的校核127 键的选择与校核148 螺旋叶片的设计149 结论 159.1 设计完成情况159.2 结论16参考文献 16致谢 17摘 要:本文在分析了目前国内外的主要除雪方法的基础上,提出一种适合中国国情的小型机械旋转式扫雪机的设计方案。本设计由汽油机提供动力。经输出轴输出动力,通过链传动传递动力,带动其他工作。该扫雪机的工程是利用搅龙旋转将雪集中并向后推送,通过搅龙的向后推力及螺旋桨产生的吸力使其到达螺旋桨。由于螺旋桨高速旋转产生巨大的作用力,雪被高速推向弯管,再通过与弯管壁撞击折射出去。从而达到清除积雪的目的和最佳效果。关键词:扫雪机 ;搅龙 ;传动轴Abstract: After analyzing the various means of snow-clearings in the world at present, the project of a sort of snow-blower fit for China is put forward in this paper. Based on the theory study and applied structural design.This designis provided power by the petrol machine. It is outputted power by outputaxis, anddelivering power though a chain transmission, and arousing other work piece operations. Should in addition to the operate process of mini snow bloweris take advantage of stir revolution dragon to concentrate snow and push it backward, pass stir a dragon bckeward the vacuum force of thrust and aerofoil generate make it arrive aerofoil. Because of aerofoil with the top speed revolution generate enormous action force, and snow with top speed is pushed to the conduit bend, then collide with conduit bend wall and project out the conduit bend after refracting, thus hit the purpose Keywords: Snow-blower; auger;transmission shaft1 引言中国有句古话叫做“瑞雪兆丰年” ,冬季一场大雪能带来明年的好收成。但是积雪给城市交通带来巨大的麻烦,尤其是在我国的东北,内蒙古和一带冬季道路积雪给车辆和行人带来极大不便,甚至造成车祸,严重地影响了人们正常的生产和生活秩序,这已成为北方各个城市急需解决的问题。目前我国清雪方法比较原始,主要是依靠人力,用铁锹和扫把清理积雪,这种方式不但浪费了较大的人力和物力,而且清雪的效率低,往往不能及时清除积雪,而积雪被车辆压实后更加难以清除。因此,寻找一种既有较高效率,成本又比较低的清雪方法就成为当务之急。目前,各国普遍采用的除雪方法是机械除雪法和融雪法两种基本方法。机械除雪法是通过机械对冰雪的直接作用而解除冰雪危害的一种方法。积雪按状态可分成三种类型:(1) 松散雪,即降雪不久且未经人员和车辆碾压的雪,质地松散;,体积大,流动性好;(2)压实雪,即降雪后经人踩和车压而形成的冰雪混合物,有不同程度的硬层,不易清除;(3)冰层,是积雪因阳光暴晒或车辆碾压融化成水后又冻结成冰,冰层中除水分外还有大量尘土和泥沙,质地坚硬,和地面粘接牢固。所以除雪机械包括除雪机和除冰机两种。根据工作原理的不同,除雪机可分为推移式、抛雪式和吹雪式三种。推移式除雪机是将推雪铲刀,除雪犁等装置安装在推土机或其它车辆上,将雪推走,开出通道,然后用卡车将积雪运走。这种方法只能将积雪推到路边,不具备集雪能力,且只适用于新鲜雪或破碎后的压实雪,效率较低,容易划伤地面。抛雪式除雪机配有抛雪泵,将收集到的积雪抛到路边或送入运输车辆。其中以螺旋式最为常见。吹雪式除雪机一般配备航空发动机,产生强大的高压空气流由喷口吹除地面积雪。吹雪式除雪机运行速度较高,有很高的生产率,但它只适用于新鲜雪,只能在机场、桥梁和高速路上应用,成本很高,不适合开发小型产品 。由以上两种主要除雪方法的对比与分析,我们得出结论,除雪应以机械除雪为主1.1 研究的目的和意义我国的东北、华北和内蒙东北部的部分地区,冬季的积雪和积冰常常造成严重的交通障碍,在有些路段如坡道、转弯、交叉路口、机场跑道等,路面有积雪和积冰则影响更为严重,常常引发交通事故冬季降雪覆盖在路面上给人们的出行带来诸多不便。传统的人工除雪方式劳动强度大,工作效率低。北方城市往往采用专业的大型除雪机除雪,但是由于其购置及使用成本高、工作幅宽大,往往只适用于城市马路的清扫。而在中部及南方部分城市,由于一年中降雪的天数不多,往往不会配置除雪设备。本设计的目的在于设计一种小型低成本的除雪设备,可以广泛用于各种小面积的除雪需求环境。1.2 国内外研究现状利用机械清雪是把人从繁重的扫雪工作中解放出来的一种最好的途径,并大大提高了清雪效率和速度。因此,科学工作者一直在探索如何研制出安全、可靠和实用的清雪机械。在国外,最初的清雪机械是采用推土机或装载机,利用其推土板和装载斗将积雪集中在一起,这后来发展成犁式除雪机。早在 1943 年日本就开始把 V 型犁装在载重卡车上用于除雪,经过多年的发展,国外犁式除雪机已具有较高的技术水平。犁式除雪机出现以后,又出现了将用合成材料制成的指向圆周不同方向排列的棒装在滚筒上作为清雪专用器械,但只对没冻的积雪效果好,直到后来出现了连续快速的大型旋转式清雪机后,清理积雪的工作才变得简单。旋转式除雪机一般具有切削、集中、推移和抛投的功能,具有结构复杂、功能多的特点。俄罗斯和日本是生产旋转式除雪机的主要国家,技术成熟。其产品性能居世界领先水平。除雪机在国外已经发展了几十年,特别是在瑞典、芬兰等北欧国家已经相当成熟。根据我国国情,国内应加强雪的力学性质研究,建立道路气象系统,除雪机械应向小型化、高速度的方向发展,向多功能、机电液一体化的方向发展,同时注意提高安全性和舒适性。简言之,与其它类型的除雪机械相比,抛雪式除雪机一般具有对积雪的切削、集中、推移和抛投功能,其应用较广,是一种现代化、高效率的除雪机械。国内有关这方面的研究很少,据了解目前国内没有厂家在生产小型抛投式清雪机。所以对这种小型的清雪机的研究、设计和开发必然有很大的现实意义 (1) 。2 总体设计方案2.1 设计任务与要求冬季降雪覆盖在路面上给人们的出行带来诸多不便。传统的人工除雪方式劳动强度大,工作效率低。北方城市往往采用专业的大型除雪机除雪,但是由于其购置及使用成本高、工作幅宽大,往往只适用于城市马路的清扫。而在中部及南方部分城市,由于一年中降雪的天数不多,往往不会配置除雪设备。本设计的目的在于设计一种小型低成本的除雪设备,可以广泛用于各种小面积的除雪需求环境 (2) 。2.2 系统工作原理工作时由原动机提供动力,经由链传动将动力传递到工作部分。积雪由集雪装置收集到一个腔体内,再由抛雪装置清除出机体,抛雪叶轮利用高速旋转时的离心力将积雪抛出;风机叶片利用气流将积雪吹出。这样在人力推动(手推式)下,清雪车不断前进,就能实现连续的清除积雪。机械式扫雪机结构示意图如下:原动机 传动装置车架行走装置抛雪装置集雪装置积雪图 1 扫雪机结构示意图Fig1 Snowplow structure schematic drawing本设计通过利用搅龙旋转将雪集中向后推送,再利用离心式风机叶片高速旋转产生的作用力将雪高速推向弯管,再通过和弯管壁撞击折射扬出弯管,从而达到除雪目的。动力传递过程为:发动机传动轴涡轮蜗杆减速器驱动轴搅龙结构简图如下:1. 搅龙 2. 清雪铲 3. 抛雪筒 4. 传动系统 5. 发动机6. 操作装置 7. 车轮 8. 车架 9. 抛雪轮图 2 扫雪机结构简图Fig2 Total diagrammatic drawing2.3 主要技术参数设计的基本参考数见表 1、表 2 表 1 技术参数 Table1 Rechnnique parmeter型号 铲雪宽(mm) 铲雪高(mm) 抛雪距离(m) 驱动功(kw)1000 200250 23 2 表 2 技术参数Tabe2 Rechnnique parmeter 自重(kg) 清除率(%) 搅龙直径( mm) hkm/作 业 时 间 m高宽长尺 寸 100kg 22.5 95 360 1200110011003 具体方案设计及加工3.1 动力参数发动机型号:EM100发动机型式:单缸、风冷、四冲程缸的容积:163cm 3排量:87最大输出:2.2kw/2500净重:27kg3.2 链轮、链链轮和链条将发动机的动力输给传动轴以实现整个机构的运转。为了既能保证动力的平 稳传递,又能保证转速要求,链轮的设计和在整个机构中的作用也就显得尤为重要。暂选齿数为 21,传动比 1:1 链轮,链条暂选型号 06B。功率 Pc=KAP=1.32=2.6kw(KA=1.3 根据查表得) (3) (1)3.2.1 定链条节数假定中心距 a=35p ,则链节数位apZZpaL2211(2)9135352p所以,L p 取 91 节3.2.2 确定节距 P单根链传递功率为 P0 (4) 。按照转速估计,根据相应条件和公式得出;lpzCk(3),1.9218.8. Zkz(4)75.0026.26.plL单排链条排数系数 =1 。则 P0 =2.4 kw (5)pklpzck975.01.62根据链轮的转速 和 ,查表选链号 06B。得出节距 p=9.525mm。1n03.2.3 确定中心距 a初定中心距,其最小中心距 0.2Z1 8.4p, 。min0apipa350(6) 212121 84 ZZLZLpaP=233.38mm(取整数 234) 3.2.4 验算链速链的平均速度: (7)106npzv=8.331m/sV 小于 1215m/s, 可用。3.2.5 压轴力 FQ有效圆周力为 (8)NVP1.2403.810取 ,则压轴力为 (9)25.1QK 3.5FKQ4 传动轴的设计与校核传动轴是整个机构转动的重点,动力由汽油机输出后直接通过链轮将动力向传动轴,带动传动轴上的螺旋桨高速转动的同时还要连接涡轮蜗杆转动并将动力传给涡轮,以此实现方向的变化和动力的传输。轴的设计过程如下:轴的工作情况:无腐蚀条件轴的转速:n 1=2500r/min轴的输入功率: P1=P kW8.90转矩:T=T d (10) mNn4.8225/7.5.6所设计的轴选用是实心轴,材料牌号: 45 正火,回火。硬度(HB): 230MPa,抗拉强度:600MPa (5) 。4.1 传动轴的设计计算按照扭矩初算轴径,轴选用 45 钢调质,硬度 317-255HBS。根据机械设计基础 P262(14-2)式,并查表 14-3,取 c=118输入轴 11.256mm (11) 33112507.8nCd4.2 确定各轴段的直径和长度(根据设计要求)轴的总长为 615mm,轴的段数位 4,各段的直径及长度见表 3。 表 3 各轴段长度及直径Table 3 Each shaft segment length and diameter长度 直径 备注30mm 20mm 装配深沟球轴承191mm 34mm 轴肩76mm 26mm 装配链轮 243mm 20mm 深沟球轴承235mm 14mm 连接螺旋桨轴段的载荷信息见表 4:表 4 各轴段的载荷信息Table4 Carries a benelux information20mm 15mm -13.07 0N mm 0N 0N mm 6494N mm 20mm 418.5mm -46.89N 0N mm 0N 0N mm 6494N mm轴所受支撑的信息如表所示:表 5 轴的支撑信息Table5 The backing infrmationof shaft直径 距左端距离20mm 15mm20mm 418.5mm4.3 轴的校核4.3.1 垂直支反力计算距左端距离 15mm,垂直支反力 FA,距左端距离 418.5mm,垂直支反力 FBFQ=FA+FB , 又因 ,则有0A解得,F B=183.8N, , (12) ,5.418209 NA8.134.3.2 截面 C 左侧弯矩(13)(09.4mNMAV直径 距左端距离 垂直面剪力 垂直面弯矩 水平面剪力 水平面弯矩 轴向扭矩截面 C 右侧弯矩(14)(10487.4 mNFMBV 5 涡轮蜗杆由于动力在传递过程中其传递方向要发生改变,同时也需要将转速降低,所以在设计中使用了涡轮蜗杆减速器。所选类型是蜗杆作为动力输入端,安装位置处于涡轮上方 (6) 。选择材料:蜗杆用 45 钢,表面硬度 45-50HCRC。涡轮材料采用 ZCuSn10Pb1,金属型铸造 (7) 。5.1 按接触强度计算5.1.1 确定蜗杆头数、蜗杆齿数查表, (15)1Z3012Zn5.1.2 确定涡轮转矩初 估 计,8.05.92162PT= 9.55106 (16)5.1.3 确定条件确定载荷系数 =1.1(8) ,确定弹性系数 ZE =155AKMPa转速系数 (17)85.01212nZ寿命系数 接触系数查图得,3.80356n 85.2Z接触疲劳极限由表得, 接触强度安全系数,256limMPaH3.1minHS5.1.4 初定中心距、模数、倒程角 (18)3253 2limn2 65.13.8014. HhnEASZTKa=29.95 (a 取 35mm)M=(1.41.7 ) , 取 m=1.6 .2512(19)07.tan1dZmN51043.1545.1.5 计算传动效率当量摩擦角 ,6V啮合效率 , (20)91.06154tantan1 v传动效率 (9) (取 ,因查 时考虑轴承的摩擦损耗,8.0321 2v,考虑蜗杆转速较高)98.035.2 验算齿面接触强度 2162162 05.905.9nPnPT= (21)mN564.3.8.(22)3253 2limn2 653.1.8019. HhnEASZTKa=30.335mm ( 原参数强度足够)5.3 计算传动的主要尺寸中心距 (23)mzda3806.128)(21蜗杆的分度园直径 ,m1蜗杆齿顶圆直径 , (24)haa 2.蜗杆齿根圆直径 ,(25)mcdf 16.24.061821 蜗杆轴向齿距 , (26) mmpx04.56蜗杆轮齿螺纹部分长度 (27)281.73.取 为zb涡轮分度圆直径 , (28)d43062涡轮齿顶圆直径 , mhaa .516.涡轮齿根圆直径 ,mchdaf 16.4.206.14822 涡轮外圆直径 ,mae 53.5.1涡轮轮齿宽度 16.8.0612.02b=15.36mm (取为 16mm)涡轮齿宽角 5.4 弯曲强度验算齿形系数查表得, ,螺旋角系数124.F 89.014极限弯曲应力查表得, MPa5lim许用弯曲应力 (取 SFmin=1.4)SF824.1inl弯曲应力 10) YdTKAF217.(29)(满 足 要 求 )(82.1089.014.69.MPampA6 搅龙轴设计与校核搅龙轴是整个系统运转的核心,通过连接涡轮和装有螺旋叶片的圆筒来实现其功能。轴的中间与涡轮相连接,依次往两边在通过轴承固定在箱体上,然后连接圆筒,是整个机构运转顺畅。搅龙轴的加工,先车一根 长 670mm 材料,然后将左右两端车到 ,再根2517据设计要求车出所需要的大小、长度以及精度,最后铣出花键。整个加工过程不算是很复杂,但是需要反复的加工以及把握好精度的控制 (11) 。轴的设计过程如下:轴的工作情况:无腐蚀条件轴的转速 n2=83.3 mir轴输入功率 kWP53.182.091转矩 T=9.55 6=9.55 ./53.5.98arcsinarcsi2d=1.49 mN510所设计的轴是实心轴,材料牌号为 45 正火、回火 (12) 。6.1 轴的设计计算按扭矩初算轴径,轴选用 45 钢调质,硬度 217-255HBS。根据机械设计基础(14-2)式,并查表 14-3,取 c=11826P输入轴 (30)mnPCd26.13.871322 考虑有键槽,将直径增大 5%,则m.6%50.16所以选择 d=17mm6.2 确定各轴的直径和长度轴的总长为 615mm, 轴的段数为 7,各段的直径及长度见表 6表 6 各轴段长度及直径T able6 Each shaft segment length and diameter长度 直径 备注30mm 17mm 装配轴承252.5mm 19.2mm 装配搅龙滚筒15mm 20mm 装配轴承10mm 24mm 轴肩252.5mm 19.2mm 装配搅龙轴承30mm 17mm 装配轴承6.3 轴的校核1、求水平面支反力根据涡轮蜗杆传动的受力分析,蜗杆径向力 NdTFt 352 102.6489.1涡轮受径向力 t 3.an涡轮受轴向力 dTa 5.417286512轴支撑的跨度为 620mm 所以;(13) (31)NFTBHA 3321062、水平弯矩:(32)(6.9210.325mLMAC 3、求垂直面支反力, 由 得: (33)21FdAVa则有:(34)NLaAV32104. 620/485.7652/由 得:FMAVBVB3110.4、垂直弯矩:截面 C 左侧弯矩 截面右侧弯矩mNLFMBV 5 104.326105、合成弯矩:根据 得 (14) ,2CVHMmNCVHC 625252 10.104.3106.946、转矩:mNdFTt 532 8.24.67、当量弯矩:(35)2TMe6.0LFAVC 5134214由当量弯矩图和轴的结构图可知,C 和 D 处都有可能是危险截面,分别计算其当量弯矩 (15) 。C 截面:mNTMce 62526 108.1048.0104.ce 625622 4.D 截面:mNTMFDVVHAV 622 56104.39.5.6010|8、校核危险截面处的强度: C 截面: (36)MPaPadWbceCceeb 585.120.1.01363 D 截面: (37)MbDeee 94. 1363所以轴的强度足够。7 键的选择与校核已知涡轮处的轴径 d=20mm,涡轮齿宽 16mm,需要传递扭矩为 。1492TmN1、选择键链接的类型和尺寸选用平键连接。且选用圆头普通平键(A 型) 。根据 d=20mm, 查表得键的截面尺寸,键宽=6mm ;键高 h=6mm。根据参考键长系列,选键长 L=18mm(16) 。2、校核键连接的强度键、轴的材料都是钢,涡轮材料为 ZCuSn10Pb1,查表得键的许用应力,取 。工作长度 ,键与轮MPap120Pap10 mbLl1268毂键槽的高度 (17) 。于是可求得:mhk35.(38)ppMPaT38.41203该键标记为取件标记为:键 6 19706/TAGB8 螺旋叶片的设计搅龙的螺旋叶片是整个结构的重要组成部分,它的工作直接影响的除雪的效果。而且设计和安装都比较困难,其动力输入部分在中间,搅龙也要讲雪向中间集中并向后输送,所以,搅龙叶片左右旋向相反。螺旋叶片成型后的节距 P、叶片内径 d、叶片外径 D(18) 。节距 P:相邻两叶片上对应点间的轴向距离;叶片内经 d:3 等于空心圆筒的外径,可从圆筒上直接量取;叶片外径 D:根据设计尺寸来定。一般情况下,叶片是搅龙上易损的部分。开始阶段,叶片的外侧被磨成刃口状,这时并不会影响其工作性能。但慢慢地叶片的外径越磨越小,直至无法运输,严重影响运转效果 (19) 。再者,同一根轴上叶片的磨损速度也不一样,旋转无序状态,对叶片的磨损最为严重(尤其是负载较大或使用次 6 数过多) 。往往一根轴上只有一端的三五篇叶片磨损需要更换,由此而废弃整根轴很可惜,我们将叶片设计成可以互换的,这样大大减少成本 (20) 。螺旋叶片的下料尺寸其尺寸可通过计算得,计算式:(39)(14.23sin2.7360)(2.59)(165.3120475.1361204)(22mhCLlLhmdDPdlMDL式中:L 外螺旋线实长(mm) ; l 内螺旋线实长(mm) ;h 叶片高(mm) ;r 叶 片展开里口径(mm) ; 切口角度(度)C 切口弦长(mm)P 节距( mm) 9 结论9.1 设计完成情况通过一个学期的努力,终于顺利完成了扫雪机的设计工作,进行了工程图的绘制、传动的计和重要零件的校核。基本完成了设计要求。当然其中还有些不足之处,在以后的学习工作中要注意。9.2 结论通过此次扫雪机的设计过程中的理论分析和设计得出以下结论:1通过研究目前国内外该种设备的发展情况提出了一种清雪设备的工作原理。2设计出了该种清雪设备,并进行了工程图的绘制,确定了其基本参数。3针对现有扫雪机的不足进行改进,完善了其中的一些细节,使设计出的产品更新颖、美观、适用。4通过对扫雪机的进一步研究和完善,为以后生产出适合中国情的清雪设备奠定了基础。参考文献1 吾布利,小型清雪机研制J,农机化,2000:6-122 朱彩霞, 夏智武,QX700 型庭院清雪机的研制J,农机化, 2002:31-323 刘清,张宏光,陈玉清,DQX1.2 型道路积雪清除机的实验研究J,农机化研究,1995:23-254 杜明清,小型螺杆式清雪车研究D,南京理工大学,2004:68-815 李晶,小型旋转式清雪车的总体设计和三维绘图D,大连铁道学院,2003:45-52 6 耿志凌,鲍侠,吉尔 133 除雪车增加救援装置的研究J,黑龙江交通科技,2006:60-617 朱志坚,凌波,多功能道路剁冰清雪机液压系统抗冲击措施J,液压与气动,2001:33-348 凌波,朱志坚,多功能道路清雪机的液机联合传动J,液压与气动,2003:43-449 朱志坚, 吴金强, 凌波,多泵分级调速回路在多功能道路剁冰清雪机液压系统J,机床与液 压,2001:81-8210 荆宝德,赵刚,马文星,殷涌光,多功能路面清雪车电液比例阀系统的模糊-PID 控制J,建筑机械,2005:94-9711 王承惠,经济实用的永江牌清雪除冰车J,商用汽车,2001:28-2912 魏东,精巧的秀灵 R_600 扬雪车J,商用汽车,2001:32-3313翁杰,多功能的 AM 除雪车J,商用汽车,2001-12 :3414李建功.机械设计M.4 版.北京工业出版社,2007:15-2215张淑娟,全腊珍.画法几何与机械制图M.北京:中国农业出版社,2007:5-816 赵韩.机械设计M.北京:高等教育出版社,2005:89-9217黄建求.机械制造技术基础M.北京:机械工业出版社,2006:108-12118孙建益.机械原理M.北京:机械工业出版社,2003:74-8819Kuroiwa.et al ,Overload prevention device for a snow removing machineD, 2006:22-2420Michael Hoerle, Snow removal machine with system for applying a surface treatment materialD, 2003:10-15致 谢本次设计能顺利完成,首先要感谢 XX 教授和熊瑛老师的耐心指导。通过这次毕业设计,我对以前所学习的内容进行了巩固,让我学会了知识对实际的应用。在半年多的毕业设计中,XX 副教授和 XX 老师认真负责的治学态度和丰富的专业知识令我受益非浅。并使我学到了许多进行科学研究的有益方法。在毕业设计过程中,其他老师也给予我很多帮助,在此向各位老师表示崇高的敬意和衷心的感谢。在完成设计的过程中,得到了很多关心、支持和帮助,再一次对各位老师同学表示感谢。 XX 大学 XX 学院全 日 制 普 通 本 科 生 毕 业 设 计小型旋转式扫雪机设计学生姓名:学 号:年级专业及班级:指导老师及职称:学 部:提交日期: 年 05 月XX 大学东方 XX 学院全日制普通本科生毕业设计诚信声明本人郑重声明:所呈交的本科毕业论文是本人在指导老师的指导下,进行研究工作所取得的成果,成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外,本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。同时,本论文的著作权由本人与 XX 大学东方 XX 学院、指导教师共同拥有。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。毕业设计作者签名:年 月 日 目 录 摘要 1关键词 11 引言21.1 研究的目的和意义31.2 国内外研究现状32 总体方案设计42.1 设计任务与要求42.2 系统工作原理42.3 主要技术参数53 具体方案设计及加工53.1 动力参数53.2 链与链轮53.2.1 确定链条节数63.2.2 确定节距63.2.3 确定中心距63.2.4 验算链速63.2.5 压轴力64 传动轴的设计与校核74.1 轴的设计计算74.2 确定各轴的直径和长度74.3 轴的校核85 涡轮与蜗杆85.1 按接触强度计算85.1.1 确定蜗杆头数、蜗杆齿数85.1.2 确定涡轮转矩95.1.3 确定条件95.1.4 初定中心距、模数、倒程角95.1.5 计算传动效率95.2 验算齿面接触强度95.3 计算传动的主要尺寸105.4 弯曲强度验算106 搅龙轴设计与校核116.1 轴的设计计算116.2 确定各轴段的直径和长度126.3 轴的校核127 键的选择与校核148 螺旋叶片的设计149 结论 159.1 设计完成情况159.2 结论16参考文献 16致谢 17摘 要:本文在分析了目前国内外的主要除雪方法的基础上,提出一种适合中国国情的小型机械旋转式扫雪机的设计方案。本设计由汽油机提供动力。经输出轴输出动力,通过链传动传递动力,带动其他工作。该扫雪机的工程是利用搅龙旋转将雪集中并向后推送,通过搅龙的向后推力及螺旋桨产生的吸力使其到达螺旋桨。由于螺旋桨高速旋转产生巨大的作用力,雪被高速推向弯管,再通过与弯管壁撞击折射出去。从而达到清除积雪的目的和最佳效果。关键词:扫雪机 ;搅龙 ;传动轴Abstract: After analyzing the various means of snow-clearings in the world at present, the project of a sort of snow-blower fit for China is put forward in this paper. Based on the theory study and applied structural design.This designis provided power by the petrol machine. It is outputted power by outputaxis, anddelivering power though a chain transmission, and arousing other work piece operations. Should in addition to the operate process of mini snow bloweris take advantage of stir revolution dragon to concentrate snow and push it backward, pass stir a dragon bckeward the vacuum force of thrust and aerofoil generate make it arrive aerofoil. Because of aerofoil with the top speed revolution generate enormous action force, and snow with top speed is pushed to the conduit bend, then collide with conduit bend wall and project out the conduit bend after refracting, thus hit the purpose Keywords: Snow-blower; auger;transmission shaft1 引言中国有句古话叫做“瑞雪兆丰年” ,冬季一场大雪能带来明年的好收成。但是积雪给城市交通带来巨大的麻烦,尤其是在我国的东北,内蒙古和一带冬季道路积雪给车辆和行人带来极大不便,甚至造成车祸,严重地影响了人们正常的生产和生活秩序,这已成为北方各个城市急需解决的问题。目前我国清雪方法比较原始,主要是依靠人力,用铁锹和扫把清理积雪,这种方式不但浪费了较大的人力和物力,而且清雪的效率低,往往不能及时清除积雪,而积雪被车辆压实后更加难以清除。因此,寻找一种既有较高效率,成本又比较低的清雪方法就成为当务之急。目前,各国普遍采用的除雪方法是机械除雪法和融雪法两种基本方法。机械除雪法是通过机械对冰雪的直接作用而解除冰雪危害的一种方法。积雪按状态可分成三种类型:(1) 松散雪,即降雪不久且未经人员和车辆碾压的雪,质地松散;,体积大,流动性好;(2)压实雪,即降雪后经人踩和车压而形成的冰雪混合物,有不同程度的硬层,不易清除;(3)冰层,是积雪因阳光暴晒或车辆碾压融化成水后又冻结成冰,冰层中除水分外还有大量尘土和泥沙,质地坚硬,和地面粘接牢固。所以除雪机械包括除雪机和除冰机两种。根据工作原理的不同,除雪机可分为推移式、抛雪式和吹雪式三种。推移式除雪机是将推雪铲刀,除雪犁等装置安装在推土机或其它车辆上,将雪推走,开出通道,然后用卡车将积雪运走。这种方法只能将积雪推到路边,不具备集雪能力,且只适用于新鲜雪或破碎后的压实雪,效率较低,容易划伤地面。抛雪式除雪机配有抛雪泵,将收集到的积雪抛到路边或送入运输车辆。其中以螺旋式最为常见。吹雪式除雪机一般配备航空发动机,产生强大的高压空气流由喷口吹除地面积雪。吹雪式除雪机运行速度较高,有很高的生产率,但它只适用于新鲜雪,只能在机场、桥梁和高速路上应用,成本很高,不适合开发小型产品 。由以上两种主要除雪方法的对比与分析,我们得出结论,除雪应以机械除雪为主1.1 研究的目的和意义我国的东北、华北和内蒙东北部的部分地区,冬季的积雪和积冰常常造成严重的交通障碍,在有些路段如坡道、转弯、交叉路口、机场跑道等,路面有积雪和积冰则影响更为严重,常常引发交通事故冬季降雪覆盖在路面上给人们的出行带来诸多不便。传统的人工除雪方式劳动强度大,工作效率低。北方城市往往采用专业的大型除雪机除雪,但是由于其购置及使用成本高、工作幅宽大,往往只适用于城市马路的清扫。而在中部及南方部分城市,由于一年中降雪的天数不多,往往不会配置除雪设备。本设计的目的在于设计一种小型低成本的除雪设备,可以广泛用于各种小面积的除雪需求环境。1.2 国内外研究现状利用机械清雪是把人从繁重的扫雪工作中解放出来的一种最好的途径,并大大提高了清雪效率和速度。因此,科学工作者一直在探索如何研制出安全、可靠和实用的清雪机械。在国外,最初的清雪机械是采用推土机或装载机,利用其推土板和装载斗将积雪集中在一起,这后来发展成犁式除雪机。早在 1943 年日本就开始把 V 型犁装在载重卡车上用于除雪,经过多年的发展,国外犁式除雪机已具有较高的技术水平。犁式除雪机出现以后,又出现了将用合成材料制成的指向圆周不同方向排列的棒装在滚筒上作为清雪专用器械,但只对没冻的积雪效果好,直到后来出现了连续快速的大型旋转式清雪机后,清理积雪的工作才变得简单。旋转式除雪机一般具有切削、集中、推移和抛投的功能,具有结构复杂、功能多的特点。俄罗斯和日本是生产旋转式除雪机的主要国家,技术成熟。其产品性能居世界领先水平。除雪机在国外已经发展了几十年,特别是在瑞典、芬兰等北欧国家已经相当成熟。根据我国国情,国内应加强雪的力学性质研究,建立道路气象系统,除雪机械应向小型化、高速度的方向发展,向多功能、机电液一体化的方向发展,同时注意提高安全性和舒适性。简言之,与其它类型的除雪机械相比,抛雪式除雪机一般具有对积雪的切削、集中、推移和抛投功能,其应用较广,是一种现代化、高效率的除雪机械。国内有关这方面的研究很少,据了解目前国内没有厂家在生产小型抛投式清雪机。所以对这种小型的清雪机的研究、设计和开发必然有很大的现实意义 (1) 。2 总体设计方案2.1 设计任务与要求冬季降雪覆盖在路面上给人们的出行带来诸多不便。传统的人工除雪方式劳动强度大,工作效率低。北方城市往往采用专业的大型除雪机除雪,但是由于其购置及使用成本高、工作幅宽大,往往只适用于城市马路的清扫。而在中部及南方部分城市,由于一年中降雪的天数不多,往往不会配置除雪设备。本设计的目的在于设计一种小型低成本的除雪设备,可以广泛用于各种小面积的除雪需求环境 (2) 。2.2 系统工作原理工作时由原动机提供动力,经由链传动将动力传递到工作部分。积雪由集雪装置收集到一个腔体内,再由抛雪装置清除出机体,抛雪叶轮利用高速旋转时的离心力将积雪抛出;风机叶片利用气流将积雪吹出。这样在人力推动(手推式)下,清雪车不断前进,就能实现连续的清除积雪。机械式扫雪机结构示意图如下:原动机 传动装置车架行走装置抛雪装置集雪装置积雪图 1 扫雪机结构示意图Fig1 Snowplow structure schematic drawing本设计通过利用搅龙旋转将雪集中向后推送,再利用离心式风机叶片高速旋转产生的作用力将雪高速推向弯管,再通过和弯管壁撞击折射扬出弯管,从而达到除雪目的。动力传递过程为:发动机传动轴涡轮蜗杆减速器驱动轴搅龙结构简图如下:1. 搅龙 2. 清雪铲 3. 抛雪筒 4. 传动系统 5. 发动机6. 操作装置 7. 车轮 8. 车架 9. 抛雪轮图 2 扫雪机结构简图Fig2 Total diagrammatic drawing2.3 主要技术参数设计的基本参考数见表 1、表 2 表 1 技术参数 Table1 Rechnnique parmeter型号 铲雪宽(mm) 铲雪高(mm) 抛雪距离(m) 驱动功(kw)1000 200250 23 2 表 2 技术参数Tabe2 Rechnnique parmeter 自重(kg) 清除率(%) 搅龙直径( mm) hkm/作 业 时 间 m高宽长尺 寸 100kg 22.5 95 360 1200110011003 具体方案设计及加工3.1 动力参数发动机型号:EM100发动机型式:单缸、风冷、四冲程缸的容积:163cm 3排量:87最大输出:2.2kw/2500净重:27kg3.2 链轮、链链轮和链条将发动机的动力输给传动轴以实现整个机构的运转。为了既能保证动力的平 稳传递,又能保证转速要求,链轮的设计和在整个机构中的作用也就显得尤为重要。暂选齿数为 21,传动比 1:1 链轮,链条暂选型号 06B。功率 Pc=KAP=1.32=2.6kw(KA=1.3 根据查表得) (3) (1)3.2.1 定链条节数假定中心距 a=35p ,则链节数位apZZpaL2211(2)9135352p所以,L p 取 91 节3.2.2 确定节距 P单根链传递功率为 P0 (4) 。按照转速估计,根据相应条件和公式得出;lpzCk(3),1.9218.8. Zkz(4)75.0026.26.plL单排链条排数系数 =1 。则 P0 =2.4 kw (5)pklpzck975.01.62根据链轮的转速 和 ,查表选链号 06B。得出节距 p=9.525mm。1n03.2.3 确定中心距 a初定中心距,其最小中心距 0.2Z1 8.4p, 。min0apipa350(6) 212121 84 ZZLZLpaP=233.38mm(取整数 234) 3.2.4 验算链速链的平均速度: (7)106npzv=8.331m/sV 小于 1215m/s, 可用。3.2.5 压轴力 FQ有效圆周力为 (8)NVP1.2403.810取 ,则压轴力为 (9)25.1QK 3.5FKQ4 传动轴的设计与校核传动轴是整个机构转动的重点,动力由汽油机输出后直接通过链轮将动力向传动轴,带动传动轴上的螺旋桨高速转动的同时还要连接涡轮蜗杆转动并将动力传给涡轮,以此实现方向的变化和动力的传输。轴的设计过程如下:轴的工作情况:无腐蚀条件轴的转速:n 1=2500r/min轴的输入功率: P1=P kW8.90转矩:T=T d (10) mNn4.8225/7.5.6所设计的轴选用是实心轴,材料牌号: 45 正火,回火。硬度(HB): 230MPa,抗拉强度:600MPa (5) 。4.1 传动轴的设计计算按照扭矩初算轴径,轴选用 45 钢调质,硬度 317-255HBS。根据机械设计基础 P262(14-2)式,并查表 14-3,取 c=118输入轴 11.256mm (11) 33112507.8nCd4.2 确定各轴段的直径和长度(根据设计要求)轴的总长为 615mm,轴的段数位 4,各段的直径及长度见表 3。 表 3 各轴段长度及直径Table 3 Each shaft segment length and diameter长度 直径 备注30mm 20mm 装配深沟球轴承191mm 34mm 轴肩76mm 26mm 装配链轮 243mm 20mm 深沟球轴承235mm 14mm 连接螺旋桨轴段的载荷信息见表 4:表 4 各轴段的载荷信息Table4 Carries a benelux information20mm 15mm -13.07 0N mm 0N 0N mm 6494N mm 20mm 418.5mm -46.89N 0N mm 0N 0N mm 6494N mm轴所受支撑的信息如表所示:表 5 轴的支撑信息Table5 The backing infrmationof shaft直径 距左端距离20mm 15mm20mm 418.5mm4.3 轴的校核4.3.1 垂直支反力计算距左端距离 15mm,垂直支反力 FA,距左端距离 418.5mm,垂直支反力 FBFQ=FA+FB , 又因 ,则有0A解得,F B=183.8N, , (12) ,5.418209 NA8.134.3.2 截面 C 左侧弯矩(13)(09.4mNMAV直径 距左端距离 垂直面剪力 垂直面弯矩 水平面剪力 水平面弯矩 轴向扭矩截面 C 右侧弯矩(14)(10487.4 mNFMBV 5 涡轮蜗杆由于动力在传递过程中其传递方向要发生改变,同时也需要将转速降低,所以在设计中使用了涡轮蜗杆减速器。所选类型是蜗杆作为动力输入端,安装位置处于涡轮上方 (6) 。选择材料:蜗杆用 45 钢,表面硬度 45-50HCRC。涡轮材料采用 ZCuSn10Pb1,金属型铸造 (7) 。5.1 按接触强度计算5.1.1 确定蜗杆头数、蜗杆齿数查表, (15)1Z3012Zn5.1.2 确定涡轮转矩初 估 计,8.05.92162PT= 9.55106 (16)5.1.3 确定条件确定载荷系数 =1.1(8) ,确定弹性系数 ZE =155AKMPa转速系数 (17)85.01212nZ寿命系数 接触系数查图得,3.80356n 85.2Z接触疲劳极限由表得, 接触强度安全系数,256limMPaH3.1minHS5.1.4 初定中心距、模数、倒程角 (18)3253 2limn2 65.13.8014. HhnEASZTKa=29.95 (a 取 35mm)M=(1.41.7 ) , 取 m=1.6 .2512(19)07.tan1dZmN51043.1545.1.5 计算传动效率当量摩擦角 ,6V啮合效率 , (20)91.06154tantan1 v传动效率 (9) (取 ,因查 时考虑轴承的摩擦损耗,8.0321 2v,考虑蜗杆转速较高)98.035.2 验算齿面接触强度 2162162 05.905.9nPnPT= (21)mN564.3.8.(22)3253 2limn2 653.1.8019. HhnEASZTKa=30.335mm ( 原参数强度足够)5.3 计算传动的主要尺寸中心距 (23)mzda3806.128)(21蜗杆的分度园直径 ,m1蜗杆齿顶圆直径 , (24)haa 2.蜗杆齿根圆直径 ,(25)mcdf 16.24.061821 蜗杆轴向齿距 , (26) mmpx04.56蜗杆轮齿螺纹部分长度 (27)281.73.取 为zb涡轮分度圆直径 , (28)d43062涡轮齿顶圆直径 , mhaa .516.涡轮齿根圆直径 ,mchdaf 16.4.206.14822 涡轮外圆直径 ,mae 53.5.1涡轮轮齿宽度 16.8.0612.02b=15.36mm (取为 16mm)涡轮齿宽角 5.4 弯曲强度验算齿形系数查表得, ,螺旋角系数124.F 89.014极限弯曲应力查表得, MPa5lim许用弯曲应力 (取 SFmin=1.4)SF824.1inl弯曲应力 10) YdTKAF217.(29)(满 足 要 求 )(82.1089.014.69.MPampA6 搅龙轴设计与校核搅龙轴是整个系统运转的核心,通过连接涡轮和装有螺旋叶片的圆筒来实现其功能。轴的中间与涡轮相连接,依次往两边在通过轴承固定在箱体上,然后连接圆筒,是整个机构运转顺畅。搅龙轴的加工,先车一根 长 670mm 材料,然后将左右两端车到 ,再根2517据设计要求车出所需要的大小、长度以及精度,最后铣出花键。整个加工过程不算是很复杂,但是需要反复的加工以及把握好精度的控制 (11) 。轴的设计过程如下:轴的工作情况:无腐蚀条件轴的转速 n2=83.3 mir轴输入功率 kWP53.182.091转矩 T=9.55 6=9.55 ./53.5.98arcsinarcsi2d=1.49 mN510所设计的轴是实心轴,材料牌号为 45 正火、回火 (12) 。6.1 轴的设计计算按扭矩初算轴径,轴选用 45 钢调质,硬度 217-255HBS。根据机械设计基础(14-2)式,并查表 14-3,取 c=11826P输入轴 (30)mnPCd26.13.871322 考虑有键槽,将直径增大 5%,则m.6%50.16所以选择 d=17mm6.2 确定各轴的直径和长度轴的总长为 615mm, 轴的段数为 7,各段的直径及长度见表 6表 6 各轴段长度及直径T able6 Each shaft segment length and diameter长度 直径 备注30mm 17mm 装配轴承252.5mm 19.2mm 装配搅龙滚筒15mm 20mm 装配轴承10mm 24mm 轴肩252.5mm 19.2mm 装配搅龙轴承30mm 17mm 装配轴承6.3 轴的校核1、求水平面支反力根据涡轮蜗杆传动的受力分析,蜗杆径向力 NdTFt 352 102.6489.1涡轮受径向力 t 3.an涡轮受轴向力 dTa 5.417286512轴支撑的跨度为 620mm 所以;(13) (31)NFTBHA 3321062、水平弯矩:(32)(6.9210.325mLMAC 3、求垂直面支反力, 由 得: (33)21FdAVa则有:(34)NLaAV32104. 620/485.7652/由 得:FMAVBVB3110.4、垂直弯矩:截面 C 左侧弯矩 截面右侧弯矩mNLFMBV 5 104.326105、合成弯矩:根据 得 (14) ,2CVHMmNCVHC 625252 10.104.3106.946、转矩:mNdFTt 532 8.24.67、当量弯矩:(35)2TMe6.0LFAVC 5134214由当量弯矩图和轴的结构图可知,C 和 D 处都有可能是危险截面,分别计算其当量弯矩 (15) 。C 截面:mNTMce 62526 108.1048.0104.ce 625622 4.D 截面:mNTMFDVVHAV 622 56104.39.5.6010|8、校核危险截面处的强度: C 截面: (36)MPaPadWbceCceeb 585.120.1.01363 D 截面: (37)MbDeee 94. 1363所以轴的强度足够。7 键的选择与校核已知涡轮处的轴径 d=20mm,涡轮齿宽 16mm,需要传递扭矩为 。1492TmN1、选择键链接的类型和尺寸选用平键连接。且选用圆头普通平键(A 型) 。根据 d=20mm, 查表得键的截面尺寸,键宽=6mm ;键高 h=6mm。根据参考键长系列,选键长 L=18mm(16) 。2、校核键连接的强度键、轴的材料都是钢,涡轮材料为 ZCuSn10Pb1,查表得键的许用应力,取 。工作长度 ,键与轮MPap120Pap10 mbLl1268毂键槽的高度 (17) 。于是可求得:mhk35.(38)ppMPaT38.41203该键标记为取件标记为:键 6 19706/TAGB8 螺旋叶片的设计搅龙的螺旋叶片是整个结构的重要组成部分,它的工作直接影响的除雪的效果。而且设计和安装都比较困难,其动力输入部分在中间,搅龙也要讲雪向中间集中并向后输送,所以,搅龙叶片左右旋向相反。螺旋叶片成型后的节距 P、叶片内径 d、叶片外径 D(18) 。节距 P:相邻两叶片上对应点间的轴向距离;叶片内经 d:3 等于空心圆筒的外径,可从圆筒上直接量取;叶片外径 D:根据设计尺寸来定。一般情况下,叶片是搅龙上易损的部分。开始阶段,叶片的外侧被磨成刃口状,这时并不会影响其工作性能。但慢慢地叶片的外径越磨越小,直至无法运输,严重影响运转效果 (19) 。再者,同一根轴上叶片的磨损速度也不一样,旋转无序状态,对叶片的磨损最为严重(尤其是负载较大或使用次 6 数过多) 。往往一根轴上只有一端的三五篇叶片磨损需要更换,由此而废弃整根轴很可惜,我们将叶片设计成可以互换的,这样大大减少成本 (20) 。螺旋叶片的下料尺寸其尺寸可通过计算得,计算式:(39)(14.23sin2.7360)(2.59)(165.3120475.1361204)(22mhCLlLhmdDPdlMDL式中:L 外螺旋线实长(mm) ; l 内螺旋线实长(mm) ;h 叶片高(mm) ;r 叶 片展开里口径(mm) ; 切口角度(度)C 切口弦长(mm)P 节距( mm) 9 结论9.1 设计完成情况通过一个学期的努力,终于顺利完成了扫雪机的设计工作,进行了工程图的绘制、传动的计和重要零件的校核。基本完成了设计要求。当然其中还有些不足之处,在以后的学习工作中要注意。9.2 结论通过此次扫雪机的设计过程中的理论分析和设计得出以下结论:1通过研究目前国内外该种设备的发展情况提出了一种清雪设备的工作原理。2设计出了该种清雪设备,并进行了工程图的绘制,确定了其基本参数。3针对现有扫雪机的不足进行改进,完善了其中的一些细节,使设计出的产品更新颖、美观、适用。4通过对扫雪机的进一步研究和完善,为以后生产出适合中国情的清雪设备奠定了基础。参考文献1 吾布利,小型清雪机研制J,农机化,2000:6-122 朱彩霞, 夏智武,QX700 型庭院清雪机的研制J,农机化, 2002:31-323 刘清,张宏光,陈玉清,DQX1.2 型道路积雪清除机的实验研究J,农机化研究,1995:23-254 杜明清,小型螺杆式清雪车研究D,南京理工大学,2004:68-815 李晶,小型旋转式清雪车的总体设计和三维绘图D,大连铁道学院,2003:45-52 6 耿志凌,鲍侠,吉尔 133 除雪车增加救援装置的研究J,黑龙江交通科技,2006:60-617 朱志坚,凌波,多功能道路剁冰清雪机液压系统抗冲击措施J,液压与气动,2001:33-348 凌波,朱志坚,多功能道路清雪机的液机联合传动J,液压与气动,2003:43-449 朱志坚, 吴金强, 凌波,多泵分级调速回路在多功能道路剁冰清雪机液压系统J,机床与液 压,2001:81-8210 荆宝德,赵刚,马文星,殷涌光,多功能路面清雪车电液比例阀系统的模糊-PID 控制J,建筑机械,2005:94-9711 王承惠,经济实用的永江牌清雪除冰车J,商用汽车,2001:28-2912 魏东,精巧的秀灵 R_600 扬雪车J,商用汽车,2001:32-3313翁杰,多功能的 AM 除雪车J,商用汽车,2001-12 :3414李建功.机械设计M.4 版.北京工业出版社,2007:15-2215张淑娟,全腊珍.画法几何与机械制图M.北京:中国农业出版社,2007:5-816 赵韩.机械设计M.北京:高等教育出版社,2005:89-9217黄建求.机械制造技术基础M.北京:机械工业出版社,2006:108-12118孙建益.机械原理M.北京:机械工业出版社,2003:74-8819Kuroiwa.et al ,Overload prevention device for a snow removing machineD, 2006:22-2420Michael Hoerle, Snow removal machine with system for applying a surface treatment materialD, 2003:10-15致 谢本次设计能顺利完成,首先要感谢 XX 教授和熊瑛老师的耐心指导。通过这次毕业设计,我对以前所学习的内容进行了巩固,让我学会了知识对实际的应用。在半年多的毕业设计中,XX 副教授和 XX 老师认真负责的治学态度和丰富的专业知识令我受益非浅。并使我学到了许多进行科学研究的有益方法。在毕业设计过程中,其他老师也给予我很多帮助,在此向各位老师表示崇高的敬意和衷心的感谢。在完成设计的过程中,得到了很多关心、支持和帮助,再一次对各位老师同学表示感谢。
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