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滑动轴承-风电能源相关(轴承座与轴承间隙常规是多少)

发布时间:2022-10-27 11:24:43 作者:行业大咖秀 点击:634

近关于这篇陈年的旧文章相联系的发生了一些趣事,想来增加一些内容,让对此感兴趣的人可能进一步学习下

风电装机呈现明显的大容量化。风机容量大型化是未来风电成本降低的重要手段, 根据金风科技的数据,2020H1,公司在手订单中 3MW 以上占比超过 40%。近 期招标的大基地项目单机容量超过 4MW。海上风电的容量较陆上风电进一步增 加。明阳智能 2020H1 半年报数据显示,新增订单中 3MW 及以上的占比超过 97%。我们预计 2021 年,3MW 以上风机将成为主流,由于行业金风科技、明 阳智能等再大容量风机中处于地位,预计风机大型化将推动龙头市占率进一 步提升。

大容量占比提升将提升风电轴承的市场空间。风机轴承一般由主轴轴承、3 个变 桨轴承、1 个偏航轴承以及变速箱和电机轴承组合而成。

大容量的主轴轴承价格较小容量大幅提升。以明阳智能为例,变桨轴承在风机成 本中占比约 3%,3MW 主轴轴承在风机成本中的占比从 2MW 的 1%-2%提升至 7%,主要由于大容量的主轴轴承在国内供应不足。3MW 以上的轴承价值量占比 预计进一步升高,风电主轴和偏航变桨轴承在风机成本中占比将接近 10%。在 目前的招标价,以目前风机成本 2600 元/kw 计算,国内风电轴承的市场空间为 80-100 亿元,全球近 200 亿元。大容量风机占比提升,将进一步提高市场空间。

众所周知,轴承是风力发电机组整机中的核心部件,分布在风机的偏航、变桨、传动链、发电机各个分系统中,包括偏航轴承、变桨轴承、主轴轴承、增速机轴承、发电机轴承。

由于风机在空中运行,面临高低温,湿热以及沙尘等恶劣使用环境,同时故障维修成本高,因此对轴承的可靠性要求非常高。

滚动领域的话,每台风力发电机设备用偏航轴承(回转支承)1套,变桨轴承(回转支承)3套(部分兆瓦级以下的风力发电机为不可调桨叶,可不用变桨轴承),发电机轴承(深沟球轴承、圆柱滚子轴承)3套主轴轴承(调心滚子轴承)2套,共计9套。

此外还有变速箱轴承,而变速箱有三种结构形式,种形式需装用轴承15套,第二种形式需装用轴承18套,第三种形式需装用轴承23套。这样,风力发电机组轴承数量平均值为27套。

风力发电机用轴承的结构形式主要有四点接触球轴承、交叉滚子轴承、圆柱滚子轴承、调心滚子轴承、深沟球轴承等。偏航轴承安装在塔架与座舱的连接部,变桨轴承安装在每个叶片的根部与轮毂连接部位。

据披露,仅风电领域轴承就拥有近百亿的市场规模。现有的风电主轴轴承和齿轮箱轴承都是滚动轴承,且普遍采用进口,无法自主可控。齿轮箱轴承要求可靠性高、运转时间长(20-25 年)、运转平稳、噪音低、体积小、质量轻、使用生命周期内不可更换(更换费用超过整体齿轮箱费用)。

鉴于滚动轴承具有尺寸标准化、选型方便、质量稳定、互换性好的优点,所以在实践中大量使用。但同时存在使用寿命有限、体积大的缺点。这时采用滑动轴承成本低,可靠性高。

国内厂商供应集中于偏航和变桨,大容量主轴轴 承供应能力偏弱

风电机组长期矗立在荒野外,运转环境恶劣,对轴承的性能要求很高,同时要求 轴承 20 年免维护。根据中国轴承协会在高端轴承技术路线图中的介绍,目前风 电主轴轴承主要被 SKF、FAG、TIMKEN、罗泰艾德等国外公司垄断。国内企业, 尤其对于大容量主轴轴承大部分还处于试制阶段。国内公司风电轴承出货主要集 中在门槛稍低的偏航和变桨轴承。

目前国内涉足风电轴承的公司数十家,瓦轴和洛轴 LYC 为国内早进入此行业 的大型公司。民营企业主要是浙江天马、大冶轴、新强联等。从公开信息可知, 目前在国内厂家供应风电主轴轴承方面,新强联处于地位。

风电主轴及齿轮箱滑动轴承替代滚动轴承是风电行业的发展趋势之一,随着滑动轴承在风电轴承中的使用比例逐步提升,其对应市场规模也将迅速增长。

下面我对风电上运用到滑动类型产品做一个简述,如果想要更加深入的了解,欢迎私信我;

1.风电主轴滑动轴承;

国内风电主机企业具备相关专利的主要是金风,上海电气,远景,明阳,威能;

如今安装的所有风力发电机中,75%~80%均采用主轴轴承支撑原理,也就是主轴承的内圈安装在旋转的主轴上。主轴起支承轮毂及叶片,传递扭矩到增速器的作用,主轴轴承主要承受径向力,其性能的好坏不仅对传递效率有影响,而且也决定了主传动链的维护成本,所以要求具有良好的调心性能、抗振性能和运转平稳性。在主轴上,采取双轴承的配置是比较常用的一种轴承配置形式,采用的轴承类型根据设计要求的不同而有所不同,但较为常见的轴承配置为调心滚子轴承或者圆锥滚子搭配圆柱滚子轴承的配置,大功率风力发电机采用大锥角双列圆锥滚子轴承或三列圆柱滚子轴承。

当使用主轴轴承支撑结构时,几乎所有的结构都毫无例外地使用了调心滚子轴承。事实上,采用单独轴承座的结构,由于对圆锥滚子轴承或圆柱滚子轴承来说,轴承位置处轴的角位移太大了,所以采用调心滚子轴承是必须的。在风力发电机应用中,径向力和轴向力的比值对采用调心滚子轴承相对来说是不利的,因此选择适合的轴承系列非常必要。尤其对调心滚子轴承来说,保证充分的润滑——合适的润滑剂、足够的润滑量和再润滑,也是很重要的。在使用宽系列的轴承时,由于旋转主轴的角度偏斜会导致摩擦腐蚀,必须采用紧的配合,这一点也是非常重要的。浮动轴承必须补偿它相对于固定轴承位置的距离变化(例如由于热膨胀产生的)。圆柱滚子轴承由于在轴承内部能够补偿这种变化,所以它们是理想的浮动轴承。其他类型的轴承采用滑动配合来实现,在这里是外圈滑动。如果在此采用调心滚子轴承,经常可以选用具有较低额定载荷的轴承,在这种情况下,轴承外圈的滑动通常是不会发生的。只要固定轴承具有小的轴向游隙,浮动轴承内部的游隙一般是足够的。

单个轴承的解决方案在大约3MW级以上的风力发电机中出现的越来越多。整合概念的运行时间长的3MW风电设备装有位置非常接近齿轮箱的、承受所有来自转子的载荷的主轴承。还有其他的3~5MW的设备也采用这种轴承配置。把传统主轴轴承概念应用到多兆瓦级的风电设备中通常也是可行的,例如采用两个主轴轴承——两个调心滚子轴承。另外一种配置结构是采用一个预设过游隙并带有能使安装简化的特殊结构的双列圆锥轴承。浮动端包含一个设计有避免应力集中结构的圆柱滚子轴承。作为一种规律,那些在小型风电设备方面有很好经验的公司在新的大型风电设备上也采用与小型风电设备相同的基本布置,这一点对那些使用轮毂轴承支撑原理的风电设备制造商也是适用的。

舍弗勒的研究还产生了一种新的球面滚子轴承设计,用于风力涡轮机主轴应用,具有高耐磨性,并且与传统标准相比,摩擦扭矩和工作温度要低得多。因此,这项创新有可能显著延长涡轮机的使用寿命。舍弗勒通过在滚子上涂覆公司专有的 Triondur® C 涂层来优化标准轴承设计。Triondur C 是一种含金属的氢无定形碳涂层,可提供高水平的防磨蚀和粘合磨损保护(见图 3)。由于其高延展性涂层结构,Triondur C 可以承受滚动轴承应用中经常出现的高接触压力。因此,使用 Triondur C(见图 4)完成的滚子可显著减少滑动摩擦,并大限度地减少滑动引起的损坏。为了进一步降低滑动的可能性,舍弗勒升级后的轴承使用两件式黄铜保持架,使每个滚子行能够独立旋转。舍弗勒为风力涡轮机主轴轴承开发了一种新的轴承设计并申请了专利:非对称球面滚子轴承。术语"不对称"是指轴承的不同接触角,用于改善两个轴承列之间的载荷分布,降低接触压力和摩擦扭矩,并将轴向刚度提高约50%。此外,轴承的独特设计可防止由于转子轴在运行期间周期性弯曲或风力涡轮机机舱内初始装配时产生的精度误差而产生滚子到滚道的接触应力峰值。

舍弗勒非对称球面滚子轴承的工作原理如下:轴承的转子侧设计用于承载应用中存在的正常径向载荷,而轴承的齿轮箱侧则通过增加接触角进行优化,以适应高推力。在运行过程中,潜在的破坏性推力安全地通过轴承传递到轴承座支撑(见图5)。创新的不对称设计确保了更均匀的内部载荷分布,从而改善了滚动运动,同时大限度地减少了滑动。结果:扭矩更小,摩擦更少,热量更少。此外,轴承的轴向位移也减少了。底线:系统的整体效率得到提高,这使得风力涡轮机能够产生更多的电力。

现阶段室外装机的主要是金风,其他几家都在设计试验上有过经验,短时间内上马并不是难事;

其设计想法都比较雷同,都是在设计上考虑易用性,共用性;

其分体的设计理念得到了大家的公示,相对主轴滚动轴承的体积重量,滑动类型的优势非常巨大!

从应用效果来看,金风科技新型轴系采用的滑动轴承为面接触,其轴系承载密度将提升超过20%,有力支撑了大功率机型的开发;此外,滑动轴承分瓣式设计,也可方便局部更换,令维护成本下降超过60%。日前,金风科技采用新型轴系的样机已经在新疆达坂城风电场并网发电。

自调心
分体式

该类滑动轴承在国内还是国内外首屈一指的企业,比如RENK、MIBA、OILESS、长盛CSB,三环,崇德等具备一定的研发能力的企业;

Aerodyn,这家鲜为人知的德国风机设计公司,是明阳风电此前十年的核心技术来源。2006年,风电新手张传卫在行业老前辈王文启的帮助下,与aerodyn旗下子公司aerodyn Energiesysteme GmbH签署委托设计开发合同,委托后者开发和设计1.5MW风力发电机组相关技术。

王文启是其中关键人物。他原是新疆水利水电研究所所长,是中国风电行业的奠基人之一,其“门徒”包括金风科技董事长武钢。谁也想不到的是,明阳智能和金风科技其实有这份渊源。

Aerodyn是全球著名风电机组设计公司,业务主要包含风电机组设计、叶片设计、技术咨询、工程服务等业务,拥有20多年的风电机组设计和工程服务经验。国内企业明阳智能、联合动力、电气风电、海装风电、华仪电气等整机厂家都曾通过引进Aerodyn公司技术或者联合设计的模式进行研发合作。

2.风电齿轮箱(增速箱)

随着世界经济的快速发展,能源紧张和环境问题凸现,很多国家加大了对环保新能源的开发利用力度,风能作为一种能源储量丰富和具有广阔市场前景的绿色新能源,越来越受到世界的重视。

滑动轴承(slidingbearing),在滑动摩擦下工作的轴承。滑动轴承工作平稳、可靠、无噪声。在液体润滑条件下,滑动表面被润滑油分开而不发生直接接触,还可以大大减小摩擦损失和表面磨损,油膜还具有一定的吸振能力。但起动摩擦阻力较大。轴被轴承支承的部分称为轴颈,与轴颈相配的零件称为轴瓦。为了改善轴瓦表面的摩擦性质而在其内表面上浇铸的减摩材料层称为轴承衬。轴瓦和轴承衬的材料统称为滑动轴承材料。滑动轴承应用场合一般在高速轻载工况条件下。

风电增速齿轮箱是风力发电机组主要关键部件之一,它布置在风轮和发电机之间,将风轮动力传递给发电机发电,同时将风轮输入的很低的转速转变为满足发电机所需的转速。它安装在距地面几十米高塔架之上狭小的机舱内,其本身的体积和质量将会直接对风机造成较大的影响,因此,风电齿轮箱以追求高可靠性、小体积、小重量为目标。在风电增速齿轮箱中,轴承是重要的零件,其发生故障的比例较大,其失效常常会引起齿轮箱灾难性的破坏,同时轴承在齿轮箱中的价值较高的部件。滚动轴承具有尺寸标准化、选型方便、质量稳定、互换性好的优点,所以在风电齿轮箱中大量使用。

风电齿轮箱要求可靠性高、运转时间长(20~25年)、运转平稳、噪声低、体积小和质量轻,同时使用寿命期内不能更换(因为更换费用太高,更换费用比1台齿轮箱价值还高)。滑动轴承工作时发生的是滑动摩擦;滑动摩擦力的大小主要取决于制造精度;而滑动轴承摩擦力的大小主要取决于轴承滑动面的材料。

齿轮箱并不是风电的专属,其在机械领域具有广泛性,但是在设计上又对风电的要求做了侧重,国内齿轮箱的制造企业非常多,同质化也比较严重,性能上并没有很大的差距;

风力资源十分丰富,风能发电有着十分广阔的发展前景,因此,风机齿轮箱在未来有很广阔的发展空间。主要设计形式就两种,一种是平行轴类型,一种是行星轴类型;目前市场上的主要风力发电设备包括双反馈发电和直驱发电,其中双反馈发电是目前市场的主流发电技术,这种发电使用多重齿轮箱,承接风能推动叶片所带来的动力,之后齿轮箱提升转速进行发电。现在多级增速来说,行星轴类型现在是主流设计,其实也比较类似于AT变速箱和行走马达的形式;

当前,国内风场齿轮箱主要制造企业有:南京高精传动设备制造集团有限公司、宁波东力股份有限公司、浙江通力重型齿轮股份有限公司、重庆齿轮箱有限责任公司、杭州前进齿轮箱集团股份有限公司、三一重型能源装备有限公司、中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司、中车北京南口机械有限公司、中车福伊特传动技术(北京)有限公司、采埃孚(天津)风电有限公司、湖南南方宇航高精传动有限公司、大连华锐重工集团股份有限公司、重庆望江工业有限公司、天津华建天恒传动有限责任公司、太原重工股份有限公司、弗兰德传动系统有限公司(威能极)、秦川机床工具集团股份公司、宁夏银星能源股份有限公司、美闻达传动设备(苏州)有限公司等20家。

国内像中车,采埃孚天津等企业早就对齿轮箱滑动轴承有所涉及,在不远的未来,轴系内的一半数量的滚动轴承将会被滑动轴承所替代,其市场是非常可观的;

早前,拥有全球风电核心部件制造技术、总投资16亿元的天津华建天恒传动有限责任公司一期工程试生产,该公司在引进消化全球顶尖的德国RENK公司的大功率增速器(AEROGEAR)技术基础上,自主创新开发出7项专利,2MW-3MW大功率齿轮箱填补了国内高端产品空白,实现了风电核心部件天津制造,产品还应用到核电、海洋、油气、轨道交通等领域,直接代替进口并出口欧美发达国家。近年来,本市风电制造产业链渐成规模。由于风电机组大多安装在高山、荒野、海岛等风口处,大功率齿轮箱作为风力发电机组的核心部件,对设备的可靠性和使用寿命要求很高,而国内风电设备核心部件的2MW以上高可靠性增速器一直依赖进口,国家发改委已将其上升为“十二五”期间新能源与高端装备规划。由中科院旗下华建集团成立的天津华建天恒传动有限责任公司,2010年以中国许可方式引进消化全球的德国RENK公司技术,并落户宝坻建设大功率增速器新厂。同时,公司与德国RTS和中国的两所高校联合成立了天津市工程技术中心,为本市高精重载齿轮箱行业提供了技术平台、设备平台和交流平台,同时也为企业的发展技术孵化。据介绍,公司先后承接了东汽、南车风电、许继风电等著名品牌公司2-3MW产品开发订单,与金风科技(002202,股吧)、广东明阳等一流风机品牌公司正在洽谈3-5MW产品战略开发平台。一期投产后可实现年产值6亿元。

通过与德国RENK公司1.5MW和5MW风电齿轮箱的技术合作,太重具有了系列化设计和制造风电增速器的能力。主要产品为:双馈和半直驱增速器,偏航变桨齿轮箱,主轴和其它传动件,规格为:1.0MW、1.5MW、2.0MW、2.5MW、3.0MW、3.6MW、5.0MW。目前,太重正在研发6MW、7MW、8MW风电增速器。太重生产的风电增速器主要有一级行星+两级平行轴、两级行星+一级平行轴、内齿圈驱动NW型行星传动等几种结构。产品具有结构先进、性能可靠、重量轻等特点。

华建天恒传动公司先后承接了东汽、南车风电、许继风电等著名品牌公司2-3MW产品开发订单,与金风科技、广东明阳等一流风机品牌公司正在洽谈3-5MW产品战略开发平台。一期投产后可实现年产值6亿元。

威能极的新滑动轴承技术,成功的完成场内测试后希望获得所有轴承风场实际数据,批量生产获得更多的实际经验。在样机做了一个样机实验在天上,这是两兆瓦的样机,其他全部都滑动轴承,终样机表现出来的性能是什么样呢?风机上表现非常优异,轴承温度非常稳定,发现没有任何磨损颗粒物,滑动轴承无需额外大量的润滑油,齿轮箱的噪音表现也非常好,风机例行检查的时候没有任何异常。滑动轴承试验,这是测试台的台架实验,对滑动轴承本身做一个台架实验,齿轮箱做加载加速过载实验,齿轮箱放到零下40度低温实验室,样机运行一年以后开始小批量,2015年到现在已经进入了批量的一个应用。

接下来是说多行星轮及多级行星技术,上面是两级行星的行星轮,下面是三级行星,大的技术特点,有什么区别,上面两级行星,大齿轮,大轴承,选用的材料利用率比较低,两级行星的总数比,被限制在155到160左右,下面三级行星有更多的行星,齿轮更小,轴承更小,选用的材料利用率更高,齿轮箱总数比可以达到200级以上,得出的结论,相同功率等级下可降低25%齿轮箱重量。

美国可再生能源实验室计划评估了带径向轴承的1兆瓦齿轮箱的耐用性。结果令人鼓舞,可以更广泛地使用和更可靠的变速箱。

技术人员将齿轮箱装配成四个径向轴承。

如果风力涡轮机齿轮箱在其行星阶段尚未配备升级的滚子轴承配置,那么很快就会进行维修,因为新的轴承设计具有更高的负载能力。近的设计偏好包括预紧圆锥滚子轴承或带有与行星齿轮集成滚道的圆柱滚子。但即使是这些安排终也会因滚动接触疲劳而遭受剥落损坏,需要更换。带径向轴承的齿轮箱是否有可能更好地承受风力涡轮机施加的恶劣条件?

下一代变速箱的一个目标是提高传动系统效率。

NREL和Romax Technology以及其他行业合作伙伴的工程师近完成了美国能源部支持的项目,以测试旨在降低能源平准化成本的下一代齿轮箱,发电机和功率转换器技术。齿轮箱布局结合了柔性销和径向轴承技术,以改善行星载荷共享,并进一步了解这种低速高负载应用中的轴颈。在该项目中,传动系统在国家风能技术中心的测功机中进行了设计,制造和测试。

风力齿轮箱中的径向轴承并不常见,尽管欧洲齿轮箱原始设备制造商(OEM)近提供了一些。

之前的NREL项目提供了用于改装的传动系统,主轴由两个圆锥轴承支撑,并包括一个中速发电机。传统的齿轮箱被一个安装在单级轴向轴承的齿轮箱所取代,四个行星安装在柔性或柔性销上。为了成本效益,测试变速箱有一个阶段,但在概念研究期间,NREL的项目负责人Jon Keller表示,该团队研究了一系列比率,发现使用比率约为30的两级变速箱可以实现低的能源成本。

插图 A 横截面显示了支撑主轴的太阳齿轮和柔性销,以及支撑行星的径向轴承。

主轴内的柔性销使其能够随着行星载荷的变化而略微平移。每个主轴上都有一个径向轴承。

在此应用中,行星在轴颈材料上的油膜上旋转,并且环是静止的。该材料是钢涂层特殊合金,由欧洲制造商专有。

径向轴承的另一个优点是成本更低,因为与滚动体轴承相比,它们更简单。Crowther的团队还怀疑这些类型的轴承将提高可靠性,因为它们由更少的零件制成,并且仍然需要长期的耐久性测试和现场试验。但是,该设计大大减少了零件的数量,在这方面,应该可以提高可靠性。例如,该设计从每个行星上移除了两到四排轴承(取决于设计),并用一个轴承替换它们。径向轴承可以在模拟的开始和停止年度,颗粒计数保持稳定。

还减轻了重量,并且与预装设计相比,它们的组装更容易。"因此,径向轴承有很多好处,尽管我们目前肯定不偏向于轴颈或滚子,

WINERGY已经在大型齿轮箱中使用径向轴承

齿轮箱制造商Winergy认识到,径向轴承已经在其他几个重工业中证明了它们的优势,那么为什么不在风能工业中呢?去年,该公司表示,自2013年3月以来,带有径向轴承的2兆瓦齿轮箱原型已在瑞典的维斯塔斯V90涡轮机上运行。

2021.4威能极与上海电气推出首套5.X兆瓦混合驱动传动链,传动链中威能极的齿轮箱使用了先进的滑动轴承技术,包含三个行星级,每一级搭载多个行星轮,作为面向未来设计的风机平台,进一步减轻了齿轮箱重量并增加了齿轮箱输出扭矩,在振动和噪音方面也作了进一步优化,具有更长的使用寿命、更高的可靠性和更低的成本。

3.风电偏航系统;

风力发电组的偏航系统由两部分组成,即主动偏航系统与被动偏航系统这两部分组成。依靠风力利用各种机构来完成的机组风轮对风的动作偏航方式就是我们所说的被动偏航系统,主动偏航指的是采用电力或者液压拖动来完成对风动作的偏航方式,一般有齿轮驱动与滑动两种方式。常用的是主动偏航的齿轮驱动形式。

偏航系统是风力发电机组重要的部件之一,位于塔筒与主机架之间,由驱动装置、 偏航轴承及偏航制动器组成。通常轴承外圈与塔筒紧固在一起,轴承内圈和偏航驱动装置与主机架连接在一起。当风向改变时,风速风向仪将信号传到控制装置,控制驱动装置工作,驱动装置上的小齿轮与大齿圈啮合,从而带动机舱旋转使得风轮对准风向。偏航轴承通常又分为滑动轴承和滚动轴承两种形式,滑动轴承则是由大齿圈及其上下及侧面布置滑动衬垫组成,滑动轴承以卡爪状结构将机舱定位在偏航大齿圈上,在偏航时机舱通过滑垫在齿圈上滑动实现机舱的旋转。滑动轴承在偏航系统中的作用如下 动力传递; 机舱在塔筒顶部的定位; 实现机舱转动。滑动轴承相对滚动轴承在风机中的应用有其自身的优点成本低,维护方便(更换时不需要吊起机舱),结构简单。

4.风电变桨系统:

风力发电机必须以佳方式对准风向,以防止极端载荷并实现经济高效的运行。由于主动系统带有方位驱动器和齿轮箱,风机可以自动调节。为优化风力发电机的功率曲线,必须始终根据风速调整叶片角度。转子叶片角度可通过电动或液压驱动进行调节。

4.偏航制动器

偏航制动器主要形式还是盘式制动器,也是一种较为常见的类型,在汽车等设备上都能看到,结构也是类似;

本身滑动轴承在制动器上的应用可以拓展到这里;电磁盘式(SE)、液压盘式(SH)和气动盘制动器.

主要产品为电磁盘式(SE)、液压盘式(SH)和气动盘式(SP)三大系列,四十多个品种的常闭、常开、安全等各种形式的制动器以及与其匹配的整流控制装置、液压站等产品。在使用过程中制动平稳、响应时间短,控制、操作和维护灵活、方便,工作性能完全可靠,降低了设备故障率,节能效果明显,各项技术性能指标均达到设计要求;盘式制动器具有体积小,结构紧凑,散热性能好,制动力矩大,一盘可装多个制动器,能减小主机转动惯量、节能等特点,产品已达国际同类产品水平,拥有国内的生产技术及制造工艺。

5.其他

例如轴承隔离器,流动传动的泵等,叶片驱动器,发电机组,滑动轴承都有相关的应用

如需更多的信息及咨询,请私信在下,谢谢

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