水平定向钻机综合分析.docx
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水平定向钻机综合分析
水平定向钻机综合分析
2006-1-1214:
45:
00中国路面机械网
6550
水平定向钻机（第一部分）
◇徐工研究院张启君
概述
水平定向钻机是在不开挖地表面的条件下，铺设多种地下公用设施（管道、电缆等）的一种施工机械，它广泛应用于供水、电力、电讯、天然气、煤气、石油等管线铺设施工中，它适用于沙土、粘土、卵石等地况，我国大部分非硬岩地区都可施工。
工作环境温度为-15℃~+45℃。
水平定向钻进技术是将石油工业的定向钻进技术和传统的管线施工方法结合在一起的一项施工新技术，它具有施工速度快、施工精度高、成本低等优点，广泛应用于供水、煤气、电力、电讯、天然气、石油等管线铺设施工工程中。
水平定向钻进设备，在十几年间也获得了飞速发展，成为发达国家中新兴的产业。
目前其发展趋势正朝着大型化和微型化、适应硬岩作业、自备式锚固系统、钻杆自动堆放与提取、钻杆连接自动润滑、防触电系统等自动化作业功能、超深度导向监控、应用范围广等特征发展。
该种设备一般适用于管径φ300~φ1200mm的钢管、PE管，最大铺管长度可达1500m，适应于软土到硬岩多种土壤条件，应用前景广阔。
下面因此对水平定向钻的研究意义十分重要！
1水平定向钻机的相关产品与关键技术及分类
1.1国内外相关产品的发展特点
国内有徐工的ZD1245/ZD1550/ZD2070/ZD25100系列水平定向钻机，ZD系列水平定向钻机在国内首次采用了电液比例控制技术、机电液一体化PLC控制技术、动力头闭式回路节能、防触电报警等多项先进技术。
在钻杆自动装卸钻杆、自动锚固、自动润滑、自动钻进和回拖、触电保护等方面具有创新点，主要技术性能指标达到了国外同类产品的先进水平，在提高工作效率，安全防护，减轻劳动强度等方面居国内同类型产品的领先水平。
为目前国内技术最先进，自动化程度最高的钻机。
中国地质科学院勘探技术研究所、连云港黄海机械厂、北京土行孙非挖技术有限公司生产的DDW80、DDW100、DDW200系列水平定向钻、中联重科、深圳钻通公司生产的ZT10，ZT12、ZT15、ZT20系列水平定向钻。
在以上的国内钻机中目前以徐工的ZD系列水平定向钻机的配备为最好，该系列产品在国内首次采用了电液比例控制技术、机电液一体化PLC控制技术、动力头闭式回路节能、防触电报警等多项先进技术。
在钻杆自动装卸钻杆、自动锚固、自动润滑、自动钻进和回拖、触电保护等方面领先，主要技术性能指标达到了国外同类产品的先进水平，在提高工作效率，安全防护，减轻劳动强度等方面居国内同类型产品的领先水平。
国外的DitchWitch公司是世界上生产非开挖定向钻机较先进的公司，具有先进的控制技术和良好的通讯设备，技术性能先进、操作性能良好，目前生产的系列产品有JT520、JT920L、JT1720MI、JT4020MI、JT7020MI和广普型钻机JT2720AT、JT4020AT等中小型钻机。
DitchWitch的钻孔资料处理系统，可进行钻孔轨迹设计，进行相关钻孔数据的记录。
其中DitchWitch公司JT2720/JT2720M、JT4020/JT4020M型定向钻是其在我国销售的主导产品。
VERMEER公司是世界上另一非开挖设备的著名生产厂家，其水平定向钻机从迷你型钻机到大型钻机有多种型号，主要有：
PL8000、D7*11A、D10*15A、D16*20A、D18*22、D24*26、D24*40、D33*44、D40*40、D50*100、D80*120、D100*120、D150*300、D200*300、D300*500等；美国CASE公司生产的60系列五种型号，美国凯斯公司是发展水平定向钻产业较晚的公司，产品有凯斯6010、凯斯6030等型号的新型定向钻，但生产的产品性能先进，尤其是在PLC控制，自动更换钻杆等方面有其独特的先进性和优越性。
其中凯斯6030型定向钻是其在我国销售的主导产品，主轴最大扭矩5423N.m，主轴三速旋转，最大进给力与回拖力均为13.6T，满载钻杆整机重量7.8T，可满足一般施工工程的需要。
典型的施工工程有上海信息港工程、黄埔江工程等。
另外，生产水平定向钻机的国外公司还有美国的AU_GERS公司，INGERSOLL—RAND公司，德国的FLOWTEX、HUTTE公司，英国的POWERMOLE、STEVEVICK公司，瑞士的TER_RA公司，加拿大的UTILX公司和意大利的TECNIWELL公司等。
目前国外水平定向钻的产品大都具有以下几个技术特点：
主轴驱动齿轮箱采用高强度钢体结构，传动扭矩大，性能可靠；全自动的钻杆装卸存取装置；大流量的泥浆供应系统和流量自动控制装置；先进的液压负载反馈，多种电气逻辑控制系统，高质量的PLC电子电路系统确保长时间地工作可靠性；高强度整体式钻杆以及钻进和回拖钻具；快速锚固定位装置；先进的电子导向发射和接收系统。
综合国外水平定向钻机的特点，主要有：
1）中小型定向钻机多采用橡胶履带底盘，具有自行走功能，减小对人行道和草坪的损坏。
带钻杆自动装卸装置，可方便地装卸钻杆，减轻操作者的劳动强度，提高工作效率；大型钻机带随车吊，便于吊装钻杆；
2）系列化程度高，从2T到600T，适合不同口径和长度，各类地层的施工；具有多种硬岩施工方法，如泥浆马达、顶部冲击、双管钻进，能进行软、硬岩层的施工。
3）液压系统采用电液比例控制技术，或负荷传感系统，液压元件采用了国际先进成熟的产品；
4）应用先进的PLC控制和电液比例控制技术，主要实现四个方面的自动控制功能：
自动钻进，自动回拖、自动锚固，和行走时的无级变速控制和转向控制，自动化程度高。
5）作业安全和舒适，具有驾驶室，具有无线（或有线）导向控制系统、地下电缆与管道探测技术、防触电安全保护技术、远程控制紧急停机技术等安全措施，确保机器和人员的安全。
6）先进的钻进规划设计软件：
如VERMEER公司的ATLASBOREPLANNER软件和美国十方公司的DRILLSMART软件等，专为HDD（水平定向钻进）施工而开发，可根据施工要求和资料，模拟生成设计施工路线和报告。
国内外同类技术及厂家比较表如表1、表2下：
表1国内外同类技术比较表
CASE6030
沟神JT2720
威猛D24×40A
廊坊GPS10
徐工ZD1245
最大回拖/进给力（KN）
136/136
120/120
108/108
150/70
122/108
动力头最大扭矩（Nm）
5423
3660
5415
6000
4500
主轴最大转速（r/min）
三速
215
260
80
210
自动装卸钻杆
有
有
有
无
有
最大钻进长度（m）
300
300
300
300
300
自动锚固
有
有
有
无
有
表2国内外同类厂家比较表
企业
主要产品
目前的规模
特点
北京土行孙公司
DDW80、DDW100、DDW150、DDW200、DDW250、DDW320
已形成系列化、批量化，年产量已达160余台
拖式、自行走式均有，液控，钻杆手工装卸，无自动化
深圳钻通
ZT-8、ZT-10、ZT-15、ZT-20、ZT-25
已形成系列化，批量化，年产量已达130余台
拖式、自行走式均有，液控，钻杆手工装卸，无自动化
中联重科
KSD15、KSD25
已批量生产，年产量达20余台
自行走，动力系与主机两单元体，干湿两用，全负荷敏感控制，英国技术，回拖力15~25吨
连云港黄海机械厂
回拖力8~36吨
已形成系列化，批量化，年产量已达50余台
拖式、自行走式均有，液控，钻杆手工装卸，无自动化
廊坊华元机电
HY-3000、HY-2000、HY-1300、HY-800
主要从事大型定向钻机的生产，已形成小规模
行走方式拖式，液压系统进口，动力系统与主机两单元体，回拖力在80~300吨
凯斯（美国）
CASE6010、CASE6030、CASE6060、CASE6080、CASE60100、CASE60120
批量进口，年销量20~30台
电子控制，自动化程度高，动力强劲，可靠性高。
DitchWitch（美国）
JT920、JT1720、JT2720、JT4020、JT7020
批量进口，年销量20~30台
电子控制，自动化程度最高，动力强劲，可靠性高；钻岩技术先进，注重人身保护
VERMEER公司
PL8000、D7*11A、D10*15A、D16*20A、D18*22、D24*26、D24*40、D33*44、D40*40、D50*100、D80*120、D100*120、D150*300、D200*300、D300*500
批量进口，年销量20~30台
电子控制，自动化程度高，动力强劲，可靠性高。
德国海瑞克
回拖力100~600吨
进口数台
成熟技术，底盘分模块式、拖式、履带式多种
1.2水平定向钻机分类
按照水平定向钻机所提供的推拉力和扭矩的大小，可将定向钻机分为大、中、小型三大类。
各类钻机的主要性能参数和应用范围见表3
表3水平定向钻机分类
分类
小型
中型
大型
推拉力（KN）
<100
100~450
>450
扭矩（KN·m）
<3
3~30
>30
功率（KW）
<100
100~180
>180
钻杆长度（m）
1.5~3.0
3.0~9.0
9.0~12.0
铺管直径（mm）
50~350
350~600
600~1200
铺管长度（m）
<300
300~600
600~1500
铺管深度（m）
<6
6~15
>15
1.3水平定向钻的关键技术
1.3.1中空动力头
中空动力头的设计的实现：
中空动力头是水平定向钻的关键作业部件，其可靠性及质量的好坏将直接影响整机的正常使用，该部件应实现钻进和输送泥浆的功能，同时要考虑齿轮的润滑，泥浆输送系统的密封等。
动力头一般由低速大扭矩马达驱动减速机，由减速机驱动减速箱机构，由减速箱输出轴驱动钻杆转动，输出轴中空，输出轴一端接有旋转接头，通过旋转接头注入泥浆。
另外目前在国内市场上12到15吨级的水平定向钻机，进口的主要有美国凯斯公司的6030、威猛公司的D24X40A、沟神公司的JT2720，国内厂家有北京土行孙的DDW-150、连云港黄海的FDP-15、深圳钻通的ZT-15、徐工集团的ZD1245等。
其国内外动力头性能参数对比见表4：
从上面的动力头的性能参数对比来看，国内动力头在推拉力、旋转扭矩、转速及泥浆通流量等参数基本相同，国外各厂家为了适应不同的用户市场，主要参数各有所差别，有的侧重于大的旋转扭矩，有的侧重于大的推拉力。
一般而言，最大输出扭矩的多少决定了钻机扩孔能力的大小，最大拉力的大小决定了拖拉管道的长度。
事实上如果扩孔质量好，钻机不需要很大的拉力就能将管线拉动。
还应清楚动力头采用的中、低速液压马达驱动，驱动方式；目前主要有三种：
选用通孔式低速大扭矩马达直接驱动，泥浆直接从中间通孔输入，输出轴直接连接钻具。
此种方式受液压马达的限制，仅限于小型钻机中应用；选用低速大扭矩液压马达经齿轮箱驱动，根据回转扭矩的需要可以由一个液压马达驱动，也可以由两个、甚至是三个液压马达驱动。
液压马达可以在齿轮箱的前后对称，也可以环绕输出轴成环形或扇形布置。
马达有选用法国波克兰公司的径向柱塞马达，如CASE、威猛的钻机；由于摆线马达价格较低，国内厂家多选用摆线马达。
齿轮箱一般需一级齿轮减速。
此种方式应用较普遍；液压马达通过减速机再经齿轮减速箱驱动。
液压马达为高速马达，可以是一个或两个，减速机选用行星齿轮减速机。
齿轮箱一般需两级齿轮减速。
由于高速马达、行星减速机比较成熟，二者结合使动力头的转速范围更宽，且其价格和低速大扭矩方案差不多，径向尺寸相对较小。
表4国内外动力头性能参数对比表
钻机型号
最大扭矩（N.m）
最大转速（rpm）
最大回拖力（KN）
泥浆流量（L/min）
黄海FDP-15
0~4500
120
150
150
土行孙DDW-150
4200
80
150
250
钻通ZT-15
5000
100
150
250
凯斯6030
5420
245
135
151
威猛D33X44A
5957
260
149
189
沟神JT2720MI
4338
225
122
180
徐工ZD1245
4500
210
122
180
1.3.2导向定位
导向定位检测与控制系统：
导向定位检测与控制系统是该钻机的主要辅助作业部件，该部件采用无线或有线探头发射装置及地面接收显示装置，探测深度一般为10~15M，且可连续显示测量顶角及钻头面向角。
1.3.3自动装卸装置
钻杆柔性自动装卸装置及控制：
该装置可较方便地装卸钻杆，减轻操作者的劳动强度，提高工作效率。
该装置采用柔性进给装置，协调性要求较高。
需对钻杆的升降、梭臂的伸缩、动力头的位置、装卸完成的检测等功能进行逻辑控制，实现多动作间的自动切换，提高整机的机械自动化程度。
1.3.4钻进导向仪
定向钻进导向仪：
该装置是一套完整的信息系统。
它包括智能型的无线抗干扰双频探头或有线探头发射装置，手提液晶显示仪及远距离同步显示器，探测深度一般为10~16M，可连续显示钻头的深度、面向角、温度，电池状况等信号。
以保证施工的顺利完成。
1.3.5管线探测仪
地下管线探测仪（探地雷达）；地下管线探测仪是一种重要的辅助探测设备，它由一台发射机和一台接收机构成。
用于探测工作区内的地下管线分布情况，为用户设计钻进轨迹提供重要的参考依据。
目前，国内外普遍采用的探测方式有：
激光、GPS、超声波、CT（X光断层扫描）、CCTV同轴电缆可视化检测、陀螺仪等。
进口探测仪采用了双水平线圈和垂直线圈电磁技术、以超声波的形式对地下管线进行断层扫描，根据多点探测结果可立体地绘制出地下管线分布图。
1.3.6电气系统与液压系统
液压系统的先进性与可靠性：
关键件选用国外先进、可靠的液压元件，以确保液压系统的可靠性。
水平定向钻的电气系统主要分为：
发动机部分、油门控制、泥浆泵控制、自动润滑控制、地面行走控制、虎钳控制、钻杆的自动装卸控制、自动钻进控制、动力头双速控制、钻机的故障诊断功能、防高压电保护、钻进监控等几个部分。
电器件一般由左控制台、右控制台、继电器箱、辅助控制台、设置控制台、行走控制盒、备用控制盒组成。
2水平定向钻机常用结构
水平定向钻整机主要有底盘、动力头、钻架、发动机系统、钻杆自动存取装置、钻杆自动润滑装置、虎钳、锚固装置、钻具、液压系统、电气系统及泥浆系统等部件组成。
2.1底盘的结构
水平定向钻机的底盘是指机体与行走机构相连接的部件，它把机体的重量传给行走机构，并缓和地面传给机体的冲击，保证水平定向钻机行驶的平顺性和工作的稳定性，底盘是水平定向钻机的骨架，用来安装所有的总成和部件，使整机成为一个整体。
水平定向钻机底盘目前的结构一般为液压驱动，刚性连接式车架，底盘主要包括车架及行走装置，车架为框架焊接结构，上面有发动机、油水散热器、燃油及液压油箱、操纵装置等的安装支架；底盘的行走装置主要包括驱动轮、导向轮、支重轮、托链轮、履带总成、履带涨紧装置及行走减速机、纵梁等组成、行走装置中左、右纵梁分别整体焊接后，与中间整体框架式车架用高强度螺栓连接成为一个整体车架。
底盘的车架后端可两个蛙式支腿或两个垂直的支腿，可有效降低支腿部分重量及简化结构，水平定向钻机工作时支腿支起，增强整车的稳定性。
底盘的行走减速机目前一般用进口的内藏式行星减速机（包括马达）或两点式变量马达减速机，可进口帝人或其它厂家的产品，行走时能够实现行走快慢双速，输出扭矩大、结构紧凑。
底盘的行走装置主要包括履带张紧装置、橡胶履带总成、驱动轮、导向轮、支重轮及行走减速机等组成。
底盘的橡胶履带有两种结构方式可选择，一可采用BRIGESTONE公司的整体式橡胶履带；二可采用BERCO公司的组合式橡胶履带的结构，二者相比前者结构简单，节距较小，车架高度较低，但后者强度高，可承受更大的载重量，损坏后可以更换，驱动轮、导向轮、支重轮、履带张紧装置都可直接配套。
底盘的履带张紧装置由张紧油缸、张紧弹簧、导向轮、油杯等组成。
2.2发动机系统的结构
水平定向钻机的发动机系统一般包括发动机、散热器，空滤器，消音器，燃油箱等。
一般水平定向钻机设计时发动机选用国外的JohnDeere增压水冷发动机或选用美国康明斯公司的增压中冷发动机，为了适应不同用户的需求，也可选装国内的二汽东风的康明斯发动机及玉柴等厂的发动机。
其水散热器、空滤器等附件选用国产配套件，燃油箱自制。
2.3动力头的结构
水平定向钻的动力头的结构一般由一个高速马达驱动减速机，由减速机驱动动力头，由减速箱输出轴驱动钻杆转动，输出轴中空。
动力头有以下功能：
驱动钻杆钻头回转；承受钻进、回拖过程中产生的反力；泥浆进入钻杆的通道。
目前国内水平定向钻的动力头结构基本一样，不同点在于：
减速机的选型不一样：
同吨位的水平定向钻选不到完全相同的减速机，所以各厂家的该减速比和性能参数有所变动。
动力头的减速比不一样：
由于减速机传动比的改变，所以动力头的减速比也有变动。
目前，动力头的传动方式主要有链传动和齿轮传动；如CASE钻机的动力头的传动方式为链传动：
链传动的优点是结构简单，制造容易，缺点是传动平衡性差、寿命短、输出扭矩小。
DITCHWITCH公司钻机的动力头的传动方式为齿轮传动；齿轮传动的优点是传动平衡、使用寿命长、输出扭矩大；缺点是制造要求精度高。
另外动力头推拉装置是动力头回拉或进给运动的执行机构，一般由一对低速大扭矩马达驱动一对减速机，由减速机驱动链轮链条机构，由链轮链条机构向动力头提供进给力或回拉力。
动力头推拉装置目前各厂家不同，如DITCHWITCH公司的链轮条机构；该机构的优点是工作速度快，工作平稳，结构紧凑，成本适中。
缺点是链轮链条受力较大；CASE公司的链轮链条倍力机构；该机构的优点是链条受力是推拉的一半，工作平稳；缺点是工作速度慢，结构尺寸大，成本高；国内廊坊双油缸机构。
该机构的优点是回拖力大于钻进力，成本较低；缺点是结构尺寸太大，工作的平稳性差，使用寿命低，不能用于自动化要求高和自行走的机型上等。
2.4钻杆装卸的结构
目前水平定向钻机钻杆装卸机构：
该机构一般由钻杆、钻杆箱、钻杆起落、能伸出缩回的梭臂、钻杆列数自动选择装置等组成。
国内外各厂家的结构不尽相同，主要在钻杆的存取、输送上有差别，有的采用人工存取钻杆，人工装卸钻杆方式作业不仅效率低而且增加了操作人员的劳动强度；有的采用四连杆机构存取钻杆，但它们普遍利用弹簧的回缩力作为夹紧力，经常出现钻杆脱落等事故，工作不可靠，不但影响作业效率，而且可能引起已钻孔的坍塌、埋钻等重大事故；有的采用旋转结构输送钻杆，该机构可较方便地装卸钻杆，减轻操作者的劳动强度，提高工作效率。
该机构采用柔性进给装置，协调性较高。
需对钻杆的升降、梭臂的伸缩、动力头的位置、装卸完成的检测等功能进行逻辑控制，实现多动作间的自动切换，控制系统采用先进的PLC控制；总之，上述的动作过程及逻辑控制基本相似，以DITCHWITCH公司的最为先进，沟神的液压抓手、梭臂液压止动、丝扣油自动涂抹、列数自动选择装置等功能，已被作为钻杆存取的速度、可靠性、效率方面的行业标准。
2.5虎钳的结构
水平定向钻的虎钳位于钻机的前部，由前、后虎钳组成。
前、后虎钳都可由液压油缸径向推动卡瓦来夹持钻杆，且后虎钳可在液压油缸的作用下与前虎钳产生相对旋转，前后配合以便钻杆拆卸。
国内除沟神公司外各厂家的结构相似，沟神公司的整个虎钳是装在浮动支撑座上，以保护虎钳在钻杆装卸时免受冲击。
2.6锚固装置的结构
水平定向钻的锚固装置的作用是在作业时对整机起稳定、锚固作用，提高整机作业稳定性，该部件位于整机的前端。
目前各厂家普遍采用的是螺旋钻进机构；用低速大扭矩马达驱动螺旋杆，用液压油缸施加推、拉力进行钻进或钻出，各厂家在具体结构上略有差别。
另外，水平定向钻机锚固装置配合整机外形的设计上，一般采用了两种方案：
地锚阀放在锚固装置，结构布置方便，布管容易；后者地锚阀另行放置如放在发动机罩内等，但彻底改变了主机的造型和外观。
2.7导向系统
水平定向钻的目前导向系统有手持式跟踪系统和有缆式导向系统。
前者经济，使用方便，但要操作人员直接到达钻头上方的地面，易受地形、电磁干扰及探测深度的限制，多在中小型钻机上使用；后者可跨越任意地形，不受电磁干扰，但复杂，使用麻烦，效率低，价格高。
目前国内市场上主要有DCI公司的Digitrak导向装置、雷迪公司的RD386型导向仪等，以DCI的应用最为广泛，精度和数据处理速度更快，技术较为先进，用户反应较好。
2.8泥浆系统的结构
水平定向钻的泥浆系统由随车泥浆系统与泥浆搅拌系统组成；泥浆搅拌系统用于泥浆混配、搅拌、向随车泥浆系统提供泥浆，随车泥浆系统将泥浆加压，通过动力头、钻杆、钻头打入孔内，以稳定孔壁，降低回转扭矩、拉管阻力，冷却钻头。
发射探头，清除钻进产生的土屑等。
随车泥浆泵采用液压马达驱动方式，选用FMC公司的活塞泥浆泵或国产的衡阳的活塞泥浆泵，最大流量450L/min，泥浆流量大，可确保泥浆要求：
泥浆搅拌系统的要求：
搅拌系统应具有搅拌快速均匀、提供大流量泥浆、可调节泥浆配比、搅拌与输送同时进行等功能，搅拌系统装置包括料斗、汽油机泵、搅拌罐、车载泥浆泵、相关管路等，泥浆搅拌泵可选用日本等公司的产品。
泥浆罐容量为500加仑和1000加仑两种泥浆系统，用户还可选用两个泥浆罐并联，一个搅拌一个供应泥浆。
3水平定向钻机的施工工艺
水平定向钻机施工工艺顺序是：
现场勘察工艺；钻进轨迹设计工艺；钻进先导孔工艺；扩孔铺管工艺。
3.1现场勘察工艺
3.1.1首先对施工工程及工地的已有相关资料进行查阅，勘察现场。
主要检查工地的进场路径、土质和地层条件、地表地形、有无障碍物、地下管线分布、交通状况、跟踪定位系统的干扰源（如钢筋条，铁轨等）、供水条件等情况。
3.1.2详细检查施工图纸及作业步骤，确保在回扩钻孔和回拉管线作业中考虑到钻孔孔径会扩大这一影响因素。
检查设计中有关参数，如：
开孔倾角、最小深度、最小造斜距离等。
3.1.3与其它公用管线公司联系，让其对地下现有管线进行定位并做上标记。
3.1.4检测回拖材料的重量和刚性，了解该材料弯曲半径，是否与设计路径有出入。
再检查一下是否有合适的回拖器具。
3.1.5做好安全保护措施，如交通管制，紧急救护措施，验明地下危险物，明确划定工地范围，避免围观者入内。
3.1.6选择开孔、终孔位置时应考虑以下情况
（1）泥浆搅拌站应置于水平位置。
应考虑开孔角度会影响钻机的安装、钻杆的弯曲、不会导致泥浆流出孔外。
（2）必须注意周围的机动车和行人，在开孔、终孔位置周围应留有至少3米的缓冲区。
（3）检查开孔、终孔位置周围是否有足够的空地保证钻杆逐渐弯曲。
（4）考虑荫地、风向、烟雾和场地其它特性。
尽量向下坡方向钻孔，以免泥浆倒流。
3.2钻进轨迹设计
导向孔的轨迹一般由三段组成：
第一造斜段AB、直线段BC、和第二造斜段CD，如图1
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