工程机械的现状及未来发展趋势_燕来荣

综述
工程机械的现状及未来发展趋势
燕来荣
(东风汽车公司,湖北442001)
摘要:本文对工程机械的现状及未来的发展方向进行了介绍。

采用新技术与新结构设计工程机械产品,提高整机可靠性。

开发智能化、多功能、多机型的产品,提高电子信息技术含量,完善产品的成套化,系列化和通用化,并向安全舒适的操作环境和节能环保的/绿色0型工程机械方向发展。

关键词:工程机械;智能化;节能与环保
中图分类号:TH248文献标识码:A
Present S ituati on&Fut ure D evel op i ng T rend of Eng i n eeri ng M achi nery
Yan La irong
Abstract:The present sit uation and f uture developi ng trend o f eng i neeri ng m ach i nery hav e been desc ri bed in this paper.N e w techno l ogy and struct ure are adopted t o desi gn eng ineer i ng m ach i nery product i n order to i m prove t he reli a-b ilit y o f t he co m plete m ach i ne.It w ill dev elop products of intellect ua liza tion,m ult-i f unction and mu lt-imode,l and i n-crease t he techno logy content o f t he electron ic i n f o r m ati on,and pe rfect the co m plete set,ser i a liza ti on and gene ra liza ti on o f the products,and i n the future w ill dev elop i nto the sa fe&com fortable opera ti ng env iron m ent and"green co lor"type eng i nee ri ng machinery w ith energy sav i ng&environmenta l protection.
K ey word s:eng ineer i ng m achi nery;intell ec t ua lization;energy sav i ng&env iron m enta l protection
1工程机械的现状及未来的发展方向
随着现代社会经济建设的快速发展,工程机械车辆使用的普及率越来越高。

它已从过去的港口码头和基建工地,进入到了整个社会,成为当今社会生产和人们生活中不可缺少的工具。

工程机械车辆在我国有一定的市场需求,并愈来愈显示出它的重要作用。

近年来,国家和地方性工程建设项目投资来源呈多元化发展趋势,国家投资、地方投资、世行贷款、国际财团、民营资本等为国产工程机械车辆发展提供了良好的外部环境。

近几年我国工程机械车辆销售出现了/井喷0现象,各主要类型产品的销售均出现了较大的增幅。

工程机械车辆在工程建设领域代替了人的体力劳动,并扩展了人的手脚功能。

尤其是现代化的工程机械车辆都被赋予了灵性,智能化的工程机械车辆是具有/思维头脑0(微电脑)、/感觉器官0(传感器)、/神经网络0(电子传输),/五脏六腑0(动力与传动)及/手足骨骼0(工作机构与行走装置)的机电信一体化系统。

新的工程机械车辆产品在工作效率、作业质量、环境保护、操作性能及自动化程度诸多方面都是以往的车辆产品所不可比拟的,并且在向着进一步的智能化和机器人化方向迈进。

在基础建设中,新材料、新结构和新问题的出现,必将带来建筑工程施工工艺技术的发展和变化,还会对工程机械产品提出新的要求,促使工程机械行业的新技术不断出现。

因此工程机械行业的技术变革将成为今后机械产品技术进步比较活跃的一个因素。

为了提高工程机械产品的作业生产率,近年来,国外工程机械生产厂商以信息技术为先导,在广泛采用新技术、新结构的基础上,经过努力,相继研制出许多超强功能的系统。

在发动机燃料燃烧与电控、液压控制系统、自动操纵、可视化驾驶、精确定位与作业、故障诊断与监控、节能与环保等方面,进行了大量的研究,开发出许多新结构(或新系统)和新产品。

提高了工程机械的高科技含量,促进了工程机械的发展。

随着微电子技术向工程机械的渗透,现代工程机械日益向智能化和机电一体化方向发展。

进入21世纪以来,国外工程机械进入了一个新的发展时期,在广泛应用新技术的同时,不断涌现出了新结构和新产品。

继完成提高整机可靠性任务之后,技术发展的重点放在增加产品的电子信息技术含量和智能化程度,努力完善产品的标准化、系列化和通用化,改善驾驶人员的工作条件,向节能、环保方向发展。

2采用新技术与新结构打造工程机械产品
2.1纯水介质作液压传动
以液压油为介质的液压传动在工程机械中得到了广泛应用,但液压油的渗漏会对主机和环境
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产生污染。

这一问题一直困扰着研究人员和使用者。

美国一家公司试验研究采用纯水代替液压油作传动介质,并取得了阶段性的研究成果。

现已将其应用到道路清扫车的侧刷和卧刷驱动、垃圾料箱的倾卸及箱门的关闭等系统上。

清扫车的功率为50k W,行走为机械驱动,集尘方式为机械式。

纯水传动技术必将会对工程机械行业带来新的技术变革。

2.2H I PAC沥青路面压实机
沥青路面面层的压实要求优质高效,须达到规定的压实度和平整度,进而改善面层表面结构,使路面抗滑防渗。

澳大利亚试验出的一种大型热熨平橡胶带沥青路面压实机,即H I PAC压实机,主要用于沥青路面摊铺层压实。

H I P AC沥青路面压实机的出现是对传统压实技术的一个挑战,也是一次压实技术的创新。

其主导技术是通过延长压实力的作用时间达到路面的压实密度。

2.3高压水射流切割机械技术
高压水射流切割机械技术首次出现于2000年美国拉斯维加斯工程机械博览会上,被评为公路维修作业中的一个创新。

切割机器在路桥的维修中采用高压水射流为切割动力,完成对水泥构件的切割。

其主要特点是作业中对相邻的无需维修的构件不造成损害,且施工噪声低、无灰尘。

2.4乳化沥青道路养护机械
乳化沥青道路养护机械主要用于减少路面损坏和路面磨损的养护作业。

乳化沥青道路养护机械的施工材料为破碎的级配合理的石料、沥青乳化剂和水搅拌成的混合料。

也可使用一些添加剂,如矿物质添加剂、破乳剂和阻延剂等。

乳化沥青道路养护机械的选用主要是根据路面损坏的型式,并制定相应的施工工艺路线。

该类型的机械主要包括6类设备,即乳化沥青制作设备、乳化沥青的储运设备、路面再生拌和机和路面喷补机。

乳化沥青道路养护机械作业的优点有:维修迅速、交通中断时间短,可延长道路的使用寿命,维修路面后降低了道路交通噪声,可增大路表面附着力系统,恢复路面平整度、减少路面变形,填补路面的空隙,路面无疏松的散料,形成路面防水层,减少车辆的能量消耗,路表面结构组织优良。

3一机多用、作业功能多样化和机型超小型化、微型化
3.1一机多用、作业功能多样化
一机多用、作业功能多样化是近年来工程机械装备的一个新技术亮点。

工程机械主机作业功能的尽可能扩大,单一功能向多功能转化,将扩大工程机械的应用领域。

如液压挖掘机的作业机具的多样化使同一主机就可完成挖掘、装载、破碎、剪切和压实等作业。

具有清扫、除雪、挖掘、破碎及压实功能的高速公路养护机械一直是工程机械行业关注的热点之一。

多功能化作业装置改变了以往单一作业方式,多种作业已突破大、中型工程机械应用的局限,在小型和微型工程机械上也开始了应用。

如Caterp illar公司在926G型轮式装载机基础上开发出的I T62G就具有快速连接装置。

驾驶员可在驾驶室里完成更换不同作业装置的动作,如更换铲叉、抓斗、卸载斗、扫雷装置、路面清扫装置、破碎装置等。

3.2机型向多用途、超小化、微型化发展
为了全方位地满足不同用户的需求,国外工程机械在朝着系列化、特大型化方向发展的同时,也进入了多用途、超小型化、微型化的发展阶段。

推动这一发展的首个因素是液压技术的发展)))通过对液压系统的合理设计,使得工作装置能够完成多种作业功能。

其次是快速可更换连接装置的诞生)))安装在工作装置上的液压快速可更换连接器,能在作业现场完成各种附属作业装置的快速装卸及液压软管的自动连接,使得更换附属作业装置的工作在司机室通过操纵手柄即可快速完成。

一方面,工作机械通用性的提高,可使用户在不增加投资的前提下充分发挥设备本身的效能,能完成更多的工作;另一方面,为了尽可能地用机器作业替代人力劳动,提高生产效率,适应城市狭窄施工场所以及在货栈、码头、仓库、舱位、农舍、建筑物层内和地下工程作业环境的使用要求,小型及微型工程机械有了用武之地,并得到了较快的发展。

为适应市场的需求,各生产厂商都相继推出了多用途的小型和微型工程机械。

如卡特彼勒公司生产的汀系列综合多用机、克拉克公司生产的/山猫0牌产品等。

目前国际上推出微型工程机械的公司主要有K o m atsu、Textron等公司。

Cater p illar公司是国际微型工程机械的带头人,其涉及的产品主要有:挖掘机、挖掘装载机、振动压路机、冲击锤、高空作业车等。

4工程机械的成套化、系列化和特大型化
成套化和系统化是工程机械发展的主要趋势。

国外著名大公司已逐步实现了其产品系列化进程,形成了从微型到特大型不同规格的产品。

与此同时,产品更新换代的周期明显缩短。

特大型工程机械是指其装备的发动机额定功率超过746k W(1000H P)。

它们主要用于大型露天矿山或大型水电工程工地。

产品特点是科技含量高,
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研制与生产周期较长,投资大,市场容量有限,市场竞争主要集中在少数几家公司。

以装载机为例,目前仅有马拉松#勒图尔勒、卡特彼勒和小松)德雷塞三家公司能够生产特大型装载机。

4.1起重机组合集成系统
在起重机单机自动化的基础上,通过计算机把各种起重运输机械组成一个物料搬运集成系统。

这个系统通过中央控制室的控制,与生产设备有机结合,与生产系统协调配合。

这类起重机的特点是:(1)自动化程度高,具有信息处理功能。

可将传感器检测出来的各种信息实施存储、运算、逻辑判断、变换等处理加工,进而向执行机构发出控制指令。

(2)具有较好的信息输入、输出接口。

能实现信息全部、准确可靠的在整个物料搬运集成系统中的传输。

起重机通过集成系统能形成不同机种的最佳匹配和组合,取长补短,发挥最佳效用。

目前重点发展的有工厂生产搬运自动化系统、柔性加工制造系统、商业货物配送集散系统、集装箱装卸搬运系统,交通运输和邮电部门行包货物的自动分拣与搬运系统等。

例如生产工程机械的美国卡特皮勒公司金属结构厂购置了一条以桥式起重机为主的物料自动搬运系统,用于钢板的喷丸处理、切割和入库的自动装卸搬运作业,比原先采用单机操作工作效率提高了65%。

日本东芝浜川崎工厂用全自动桥式起重机组成的物料输送系统搬运柔性加工线上的夹具和工件,为机床运送毛坯或将加工好的零件送到下一工序或仓库。

这些在空间移动的起重机搬运系统代替了过去通常使用的自动导向搬运车,使车间的地面面积得到充分利用。

4.2履带起重机
履带起重机是将起重作业部分装在履带底盘上、行走依靠履带装置的流动式起重机,可以进行物料起重、运输、装卸和安装等作业。

履带起重机具有接地比压小、转弯半径小、可适应恶劣地面、爬坡能力大、起重性能好、吊重作业不需打支腿、可带载行驶等优点,并可借助更换吊具或增加特种装置成为抓斗起重机、电磁起重机或打桩机等,进行桩工、土石方作业,实现一机多用。

其在电力建设、市政建设、桥梁施工、石油化工、水利水电等行业应用广泛。

履带起重机的带载行驶、臂长组合多、起重性能好、作业高度和幅度大是其独有的特点,是其他起重设备无法替代的。

随着经济的高速发展,国家基础建设的规模越来越大,需要吊运的物品的质量、体积和起升高度越来越大,履带起重机愈来愈显示其优越性,市场需求迅速上升,引起了国内外厂商的关注和积极开发。

5工程机械的自动化、智能化、模块化和组合化
5.1车载计算机辅助土方作业系统技术
20世纪90年代中期,国外开始研究工程机械车载计算机辅助土方作业系统技术。

这项技术的核心的是研究土方机械动力学控制系统,运用车辆的行驶理论,通过数学算法和控制逻辑,监测行走系统的滑转率及发动机的功率输出。

系统利用电子计算机技术,将土方机械的作业工况、作业介质和机器状况,由计算机进行动态的评估计算,实现土方机械作业的最佳输出功率,并通过显示器提供给驾驶员,达到最佳的作业生产率控制。

这样可使土方机械在环境恶劣的作业场地中产生最大的驱动力。

5.2推土机定位系统与虚拟推土
近年来,国外装载机公司已经研制出或者正在研制一些能够帮助司机更有效地进行操作的辅助操作系统,用计算机编制作业循环就是其中的一种。

轮式装载机上安装的电子计算机可编制作业循环程序,使铲装作业全部自动化或部分自动化。

例如从一个碎石料堆向卡车铲装碎石作业的一个循环为:放下动臂)驶向料堆)铲入料堆)提升动臂并收斗)转向后驶向卡车)卸料。

司机将此循环全部或部分编程后,装载机的作业即可全部或部分自动化,从而大大减少司机的操作量。

卡特彼勒的DOZSI M1.5,是一种极易使用的可计算推土机的作业生产率的计算机程序。

该软件包与W i n do w s兼容,采用3D模拟技术分析推土机距离、坡度、工场设计参数,并可输出总土方量(压实或松散)、每次移走的土方量、每小时移走的土方量、每次总耗时、每次总成本、总系统生产率等大量信息。

计算机精度高于C AD系统。

Leica采用GPS技术的Dozer2000导航系统,在无需勘察标桩的情况下,允许司机精确地控制推土机的铲刀板和机器的位置,实现虚拟推土作业。

模块采矿系统公司的推土机定位系统有助于司机完成诸如坡度与推土任务。

驾驶室内安装有图像控制台,向司机显示机器在作业区内的位置,并实时显示关键作业参数,如铲刀角度或被移动的土方体积。

Tri m ble的产品是Site V ision GPS,可实现坡度的精确控制。

驾驶室内可视化显示系统指导司机精确作业,精度可达c m级。

5.3遥控与无人驾驶工程机械
遥控与无人驾驶工程机械主要用于完成有害及危险环境下的施工作业。

美国及日本均拥有此类产品并仍在研究该项技术。

在垃圾填埋场的压
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实推土机械中,美国一工程机械公司采用了无线遥控技术及卫星定位系统,控制机械设备的作业。

采用该技术可提高作业效率,保障了人身安全与健康。

日本一工程机械公司最近研制成功出一种在断崖体上作业的挖掘机。

机器体积较小,采用了遥控驾驶技术,可彻底避免人身伤害,提高了作业效率。

5.4卡特彼勒的采矿铲土运输技术系统
卡特彼勒的采矿铲土运输技术系统(METS)利用了GPS(全球定位系统)、GIS和GS M技术。

M ETS包括多种的技术产品,如无线电数据通信、机器监测、诊断、工作与业务管理软件和机器控制等装置。

M ETS由三部分组成:(1)计算机辅助铲土运输系统(CAES)。

其中包括机载计算、c m级GPS微波定位和高速无线电通信三项技术。

在运行中,机载系统通过无线电接收整个无线网络中的铲土运输数据、工程数据或现场规划数据。

这些数据都显示在驾驶室内的一个屏幕上,司机在驾驶室内能直观地了解机器的作业位置,并准确地判断出需要挖掘、回填或装载的土方量。

(2)关键信息管理系统(V I M S)。

V I M S负责监测机器中极其关键的性能与作业参数,再通过无线电将数据从该机器传送到业主办公室。

这样可立即分析数据,估量机器的当前状态,或收集和整理数据,显示机器的作业趋势。

(3)CAES office软件。

这种软件与来自装有C AES的机器的数据相结合,产生一个集成的现时作业模型,使业主能在接近实时条件下监控现场或远处的各种作业。

GPS 导航系统与电子地图、无线电通信网络及计算机车辆管理信息系统相结合,可以实现车辆跟踪和交通管理等多项功能。

这些功能包括:¹利用GPS和电子地图实时显示出车辆的实际位置,并任意放大、缩小、还原、换图。

º随目标移动,使目标始终保持在屏幕上。

»实现多窗口、多车辆、多屏幕同时跟踪。

利用该功能可对重要车辆进行跟踪。

¼完成施工工地信息的地貌高精度测量、多目标采集数据的事后回放、显示记录。

5.5沃尔沃公司的C ontr onic监控系统
沃尔沃建筑设备公司推出的B系列自行式平地机操作环境的神经中枢是C ontr onic监控系统,它是VOLVO独有的多功能系统。

它可以使操作员了解该机所有功能的运行状况,其中包括发动机的转速和温度、燃料料位、地面速度、过滤器阻塞情况、差速器锁紧/脱开以及其它许多信息。

Contron ics不仅可以使操作员随时了解其操作的平地机出现的故障,而且还储存了所有的操作数据以供维修技术人员下载。

得到故障信息后,技术人员使用VCADSPro(VOLVO计算机辅助诊断系统专家)访问该数据,以便进行维修、诊断和性能分析。

采用这套系统,操作员可以在零部件失效前采取措施,并在发生故障时诊断出故障的原因。

这套系统的主要功能就是保持平地机处于最佳状态,从而延长机器的使用寿命。

在较长一段时间内,工程机械的发展方向是:广泛应用微电子技术与信息技术,完善计算机辅助驾驶系统、信息管理系统及故障诊断系统;采用单一吸声材料、噪声抑制方法等消除或降低机器噪声;通过不断改进电喷装置,进一步降低柴油发动机的尾气排放量;研制无污染、经济型、环保型的动力装置;提高液压元件、传感元件和控制元件的可靠性与灵敏性,提高整机的机)电)信一体化水平;在控制系统方面,将广泛采用电子监控和自动报警系统、自动换挡变速装置;用于物料精确挖(铲)、装、载、运作业的工程机械将安装GPS定位与重量自动称量装置;开发特种用途的/机器人式0工程机械等;转向变速集成控制系统和命令控制系统,总线技术;计算机控制的发动机管理系统,计算机管理及故障诊断、监控系统,电子自动换挡变速控制系统,转向变速集成控制系统和命令控制系统。

6安全、舒适、节能与环保的/绿色0工程机械
6.1安全环保型的作业环境和作业系统
工程机械驾驶室将逐步实施ROPS和FOPS 设计方法,配装冷暖空调。

全密封及降噪处理的安全环保型驾驶室,包括采用人机工程学设计的、(可全方位调节的司机座椅)以及功能集成的操纵手柄、全自动换挡装置及电子监控与故障自我诊断系统。

采取这些措施可以改善司机的工作环境,提高作业效率。

近几年来国外装载机的设计和制造进一步体现了以人为本的理念,为司机提供了一个更加舒适的环境,以达到全自动化型的工作环境。

根据人体工程学设计了座椅、操纵台、环保型的低噪声发动机,赏心悦目的流线型驾驶室。

大中型装载机驾驶室普遍采用翻车保护机构(ROPS)和落物撞击保护机构(FOPS)。

室内安装有空调装置,采用了防尘、减振和隔音材料,按人机工程学设计的司机座椅可全方位调节,座椅右侧设计有摆放常用物品的地方。

司机台上安装的AM/F M立体声盒式磁带收录机为司机安全作业提供音频和视频信号。

有的还安装有网络电话等,极大地提高了作业的舒适性。

在作业的安全性方面,大型工程机械安装有
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闭路监视系统以及超声波后障碍探测系统,为司机安全作业提供音频和视频信号。

微机监控和自动报警的集中润滑系统,大大简化了机器的维修程序,缩短了维修时间。

如卡特彼勒公司的F系列装载机日常维修时间只需3.45m in。

目前,大型工程机械的使用寿命达2.05万小时,最高可达2.5万小时。

6.2节能环保的工程机械
为提高产品的节能效果和满足日益严格的环保要求,国外工程机械公司主要从降低发动机排放、提高液压系统效率和减振、降噪等方面入手。

目前,卡特彼勒公司生产的功率为15k W~150 k W的柴油发动机中,6缸、7.2L、自重588Kg、功率为131k W~205k W的3126B型环保指标最好,满足了EPA T ierÒ和E U StageÒ排放标准。

卡特彼勒3516B型发动机装有电子喷射装置及ADE M模块,可提高22%的喷射压力,便于燃油完全高效的燃烧,燃烧效率可提高5%,No X下降40%,扭矩增加35%。

有些厂家生产的工程机械产品,机外噪声已降至72dB(A)。

绿色环保型工程机械理念已经显露。

7装载机结构设计的新趋势
装载机工作装置已不再采用单一的/Z型0连杆机构。

继八杆平行结构和TP连杆机构出现后、卡特彼勒公司于1996年首次在矿用大型装载机上采用了单动臂铸钢结构的特殊工作装置,即/V ersa L i n k机构0。

这种机构替代了综合多用机上的八杆平行举升机构和传统的/Z型0连杆机构,可承受极大的扭矩载荷并具有卓越的可靠性(耐用性),驾驶室前端视野开阔。

为了减少燃油动力机械尾气排放对大气产生的污染,在城市交通车辆中广泛采用了混合动力和电动车辆。

首次采用燃气作动力的装载机已由日本一公司完成。

该样机吨位等级相当于我国ZL10型装载机。

样机发动机功率为35.2k W,转速3000r/m i n,采用静液压驱动,四轮转向,湿式液压制动,机器行走速度为25km/h,整机质量为5.2t。

样机已取得良好的阶段性成果,今后的研究重点是燃气存贮装置的安全性和可靠性。

为了提高装载机的作业生产率,采用了以下设计:(1)在动臂举升油缸液压回路中增加了一个蓄能器,以降低工作装置在机器行驶过程中产生的振动,减少装载机的颠簸。

(2)在每个车轮上安装一个速度传感器,自动将所需的制动力施加到车轮上,并将扭矩传给与之紧密相连的车轮,便于装载机直线行驶及转向。

(3)根据传动装置及液压系统的工作状态,自动调节发动机输出功率,以满足不同作业工况的需要,提高燃料的经济性。

当装载机处于非作业工况时,自动降低发动机转速,减少燃料消耗及发动机噪音。

(4)采用网络通讯技术,在办公室的控制中心实时监控装载机的作业状态,据此向司机提供基于文字提示的精确的故障诊断信息。

(5)取消传统的方向盘和变速杆,将转向与变速操纵装置集成为一个操纵手柄,并采用简单的触发式方向控制开发和选挡用的分装式加速按钮。

利用肘节的自然动作左右扳动操纵杆,实现转向;利用大拇指选择按钮,实现前进与后退、加速与减速行驶。

销轴润滑系统能为工作装置上的所有销轴提供为期200h的润滑服务,使销轴的润滑作业易于完成。

舒适驱动控制系统目的是提高司机的作业舒适性,减轻长时间作业司机的劳累,保持操作者的作业效率。

负载感应变速系统根据负载状态,自动调节车速及发动机飞轮扭矩,实现高速、小扭矩或低速、大扭矩的动力输出。

计算机故障诊断系统通过控制面板上的指示灯及听觉与视觉相结合的报警信号,提醒司机可能潜在的故障隐患。

这样,司机只需全神贯注地工作而无需不断查看仪表读数。

负载自动稳定器采用一对钢膜氮气蓄能器,安装在前车架中,与工作装置液压系统联通。

当作业或低速行驶时,系统自动断开;当车速超过4.8km/h时,由电子速度开关控制的电磁阀自动开启,蓄能器吸收工作装置液压系统的振动与冲击载荷,提高了操作的稳定性、安全性和舒适性。

自动运输控制系统可降低机器在凹凸不平路面上的振动,提高驾驶舒适性和作业效率。

JCB公司456BZX(18t)安装了此系统,最高车速达38k m/h。

燃油/空气比例控制系统提高燃料的利用率,确保发动机排出的废气符合环境控制法规要求。

计算机监控/管理系统连续监控/管理装载机的数十项性能指标参数。

在遇到突发或紧急情况时,很容易通过液晶仪表显示的听觉与视觉相结合的报警信号引起驾驶人员注意。

装载量称量系统自动称量并显示铲斗的净装载量,测量误差小于3%。

面板控制系统。

采用声、光、电及数字显示的控制面板,实现装载机仪器与仪表的报警与监控。

油泵电子管理系统自动监控油泵的运行状态。

柴油发动机先进管理系统进行燃油喷射控制及维护发动机最佳性能的电子控制模块,也可与监测系统进行通信,发生故障时提醒司机注意。

先进的转向系统替代传统的方向盘和控制手柄,安装在WA1200型设备上。

责任编辑杜敏
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