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1、5-1 概述概述5-2 螺纹联接的类型螺纹联接的类型5-3 螺纹联接的预紧和防松螺纹联接的预紧和防松第五章第五章 螺纹联接和螺旋传动螺纹联接和螺旋传动第二篇第二篇 联接联接5-4 螺栓组结构设计与受力分析螺栓组结构设计与受力分析5-5 单个螺栓强度计算单个螺栓强度计算5-6 提高螺纹联接强度的措施提高螺纹联接强度的措施5-7 螺旋传动螺旋传动5-1 概述概述5-1 5-1 概述概述 一一. .螺纹的主要参数螺纹的主要参数dd大径大径d d1 1小径小径d d2 2中径中径(公称直径)(公称直径)PP螺距螺距nn线数线数SS导程,导程, S=nPS=nP升角,升角,2dStan牙型角牙型角旋向旋

2、向F5-1 概述概述 二二. .螺纹副的受力、效率和自锁螺纹副的受力、效率和自锁效率效率 拧紧力拧紧力F F轴向载荷轴向载荷QQN N拧紧时:拧紧时:松开时:松开时:)tan(QFv)tan(QFvcosfftanvv拧紧时:拧紧时:松开时:松开时:vtantantan)tan(v自锁条件:自锁条件:vv5-1 概述概述 三三. .螺纹的类型和特点螺纹的类型和特点1.1.三角螺纹(普通螺纹)三角螺纹(普通螺纹)2.2.管螺纹管螺纹主要用于联接。主要用于联接。自锁性好,效率低,强度高自锁性好,效率低,强度高粗牙粗牙细牙细牙 用于水、煤气、润滑管道用于水、煤气、润滑管道等的联接。等的联接。5-1

3、概述概述 3.3.矩形螺纹矩形螺纹4.4.梯形螺纹梯形螺纹5.5.锯齿形螺纹锯齿形螺纹 矩形螺纹尚未标准化,其它螺矩形螺纹尚未标准化,其它螺纹已标准化。纹已标准化。 用于传动,效率最高,强度低,用于传动,效率最高,强度低,间隙不能调整。间隙不能调整。 用于传动,效率略低于矩形螺用于传动,效率略低于矩形螺纹,强度高,间隙可调,常用。纹,强度高,间隙可调,常用。 用于单向传动。用于单向传动。5-2 螺纹联接的类型螺纹联接的类型5-2 5-2 螺纹联接的类型螺纹联接的类型 一一. .螺栓联接螺栓联接普通螺栓联接普通螺栓联接铰制孔用螺栓联接铰制孔用螺栓联接两被联接件都较薄且都是通孔。两被联接件都较薄且

4、都是通孔。MdMdd d0 0=d+1=d+1d dMdMd5-2 螺纹联接的类型螺纹联接的类型 二二. .双头螺栓联接双头螺栓联接两被联接件两被联接件一个较薄一个较薄光光孔孔一个较厚一个较厚螺纹螺纹孔孔用于常拆时用于常拆时5-2 螺纹联接的类型螺纹联接的类型 三三. .螺钉联接螺钉联接两被联接件两被联接件一个较薄一个较薄光光孔孔一个较厚一个较厚螺纹螺纹孔孔用于不常拆时用于不常拆时5-2 螺纹联接的类型螺纹联接的类型 四四. .紧定螺钉联接紧定螺钉联接5-3 螺纹联接的预紧和防松螺纹联接的预紧和防松5-3 5-3 螺纹联接的预紧和防松螺纹联接的预紧和防松 一一. .预紧力预紧力F F0 0和拧

5、紧力矩和拧紧力矩T T 拧紧拧紧后后被联接件受压被联接件受压螺栓受拉螺栓受拉 拧紧的目的拧紧的目的 拧紧力矩:拧紧力矩:T=TT=T1 1+T+T2 20.2F0.2F0 0dd式中:式中:T T1 1螺纹副中摩擦力矩螺纹副中摩擦力矩T T2 2螺母与支承面间的摩擦力矩螺母与支承面间的摩擦力矩2dtanFT2v01202030300c2dDdDFf31T5-3 螺纹联接的预紧和防松螺纹联接的预紧和防松 控制控制T T的方法的方法力矩法力矩法测螺栓变形量测螺栓变形量 若采用若采用不控制不控制拧紧力矩,则螺栓直径不宜小于拧紧力矩,则螺栓直径不宜小于M12M12。二二. 防松防松 松动的原因松动的原

6、因在冲击、振动或温度变化大时,螺纹在冲击、振动或温度变化大时,螺纹副中摩擦力可能瞬时消失。副中摩擦力可能瞬时消失。 防防松的根本问题松的根本问题防止螺母与螺栓相对转动。防止螺母与螺栓相对转动。5-3 螺纹联接的预紧和防松螺纹联接的预紧和防松 常见的常见的防松装置防松装置1.摩擦防松摩擦防松使螺纹副中始终存在不随外载变化的正压力。使螺纹副中始终存在不随外载变化的正压力。弹簧垫圈弹簧垫圈优点:优点:简单,方便。简单,方便。缺点:缺点:偏载,在冲击振偏载,在冲击振动下不可靠。动下不可靠。5-3 螺纹联接的预紧和防松螺纹联接的预紧和防松 双螺母双螺母优点:优点:结构简单,防松可靠。结构简单,防松可靠。

7、缺点:缺点:尺寸大,不美观。尺寸大,不美观。横向锁紧螺母横向锁紧螺母5-3 螺纹联接的预紧和防松螺纹联接的预紧和防松 2.2.机械防松机械防松利用机械装置将螺母与螺栓联成一体。利用机械装置将螺母与螺栓联成一体。开口销与槽形螺母开口销与槽形螺母工作可靠,装拆方便,用于有振动的机械上,但销易断。工作可靠,装拆方便,用于有振动的机械上,但销易断。5-3 螺纹联接的预紧和防松螺纹联接的预紧和防松 圆螺母圆螺母与与带翅垫片带翅垫片 工作可靠,常用于滚动轴承的轴向定位。工作可靠,常用于滚动轴承的轴向定位。止动垫圈止动垫圈结构简单结构简单, ,使用方便使用方便, ,防松可靠。防松可靠。5-3 螺纹联接的预紧

8、和防松螺纹联接的预紧和防松 串联钢丝串联钢丝3.3.永久防松永久防松5-4 螺栓组结构设计与受力分析螺栓组结构设计与受力分析 5-4 5-4 螺栓组结构设计与受力分析螺栓组结构设计与受力分析一一. .结构设计结构设计二二. .受力分析受力分析 目的目的求出受力最大的螺栓,以进行单个螺栓强求出受力最大的螺栓,以进行单个螺栓强 度计算。度计算。 假设:假设:各螺栓直径、长度、材料和预紧力各螺栓直径、长度、材料和预紧力F F0 0相同;相同;受载后结合面仍为平面;受载后结合面仍为平面;螺栓的变形在弹性范围内。螺栓的变形在弹性范围内。5-4 螺栓组结构设计与受力分析螺栓组结构设计与受力分析 1.1.螺

9、栓组受横向载荷螺栓组受横向载荷F FR R采用普通螺栓采用普通螺栓F FR RF FR RF FR RF FR R 靠结合面的摩擦平衡外载荷靠结合面的摩擦平衡外载荷F FR R,而螺栓仅受预紧力和,而螺栓仅受预紧力和力矩作用。力矩作用。Rs0FKizFf2i 1i izfFKFRs05-4 螺栓组结构设计与受力分析螺栓组结构设计与受力分析 靠剪切和挤压平衡外载荷靠剪切和挤压平衡外载荷F FR R铰制孔用螺栓铰制孔用螺栓zFFRS单个螺栓工作载荷:单个螺栓工作载荷:F FR RF FR R512O634TTr r1 1r r2 2r r3 35-4 螺栓组结构设计与受力分析螺栓组结构设计与受力分

10、析 2.2.螺栓组受转矩螺栓组受转矩T T底板底板绕绕中心中心OO转动。转动。采用普通螺栓采用普通螺栓 靠结合面的摩擦力矩平衡外载荷靠结合面的摩擦力矩平衡外载荷T T,而螺栓仅受预紧力和,而螺栓仅受预紧力和力矩作用。力矩作用。TKrFfrFfrFfsz02010 is0rfTKF0Ff 0Ff 0Ff 5-4 螺栓组结构设计与受力分析螺栓组结构设计与受力分析 采用铰制孔用螺栓采用铰制孔用螺栓 靠剪切、挤压力矩平衡外载荷靠剪切、挤压力矩平衡外载荷T T。TrFrFrFzTZ22T11T ZTZ22T11TrFrFrF imaxmaxTTirrFF 2imaxmaxTrrTFOT21512O63T

11、4r r1 1r r2 2r r3 3F FT3T3F FT2T2F FT1T1变形协调条件:变形协调条件:最大工作载荷:最大工作载荷:5-4 螺栓组结构设计与受力分析螺栓组结构设计与受力分析 3.3.螺栓组受轴向载荷螺栓组受轴向载荷F FQQpFQZFFQ总载荷总载荷F FQ Q:单个螺栓单个螺栓工作载荷工作载荷:注意:只能用普通螺栓,不能用铰制孔用螺栓。注意:只能用普通螺栓,不能用铰制孔用螺栓。p p螺栓受预紧力螺栓受预紧力F F0 05-4 螺栓组结构设计与受力分析螺栓组结构设计与受力分析 4.4.螺栓组受倾覆力矩螺栓组受倾覆力矩MMMLFLFLFzZ2211 ZZ2211LFLFLF

12、imaxmaxiLLFF 2imaxmaxLLMF1 1 2 23 3 4 48 8 7 76 6 5 5底板绕底板绕O-OO-O轴线轴线转动转动拧紧后,工作前:拧紧后,工作前:受受MM后后左侧螺栓被拉紧左侧螺栓被拉紧, ,轴向力轴向力右侧螺栓被放松右侧螺栓被放松, ,轴向力轴向力变形协调条件:变形协调条件:最大工作拉力:最大工作拉力:注意:只能用普通螺栓,不能用铰制孔用螺栓。注意:只能用普通螺栓,不能用铰制孔用螺栓。5-4 螺栓组结构设计与受力分析螺栓组结构设计与受力分析小结:小结:外载横向力FR扭矩T轴向力FQ倾覆力矩M普通螺栓铰制孔用螺栓iZfFKFRS0ZFFRSiS0rfTKF2im

13、axmaxrrTFZFFQ2imaxmaxLLMF受拉受拉受剪受剪5-4 螺栓组结构设计与受力分析螺栓组结构设计与受力分析 ZFFRScosFF2FFF2TS22T2Smax 5.5.螺栓组受复合载荷作用螺栓组受复合载荷作用1 1)铰制孔用螺栓受)铰制孔用螺栓受F FR R+T+TF FR R1 12 23 34 4F FR RF FR RT T2imaxmaxTrrTFF FS SF FT TT T关键:受力图一定要画对。关键:受力图一定要画对。5-4 螺栓组结构设计与受力分析螺栓组结构设计与受力分析 2 2)普通螺栓)普通螺栓ifFKFmaxS0受受F FR R+T+TZFFRScosFF

14、2FFF2TS22T2Smax F FR RF FR RT T2imaxmaxTrrTF1 12 23 34 4F FR RT TF FT T螺栓螺栓2 2、3 3处横向力最大:处横向力最大:F FS SF FQ QF FQ QMM5-4 螺栓组结构设计与受力分析螺栓组结构设计与受力分析 受受F FQ Q+M+MZFFQ2imaxQmaxLLMZFF F FQ QMM2imaxmaxLLMFF FQQ工作拉力工作拉力5-4 螺栓组结构设计与受力分析螺栓组结构设计与受力分析受受F FR R(或(或T T)+F+FQQZFFQFFFFF012 F FQ QF FQ QF FQ QF FR RiZf

15、FKFRS1F FR R残余预紧力残余预紧力单个螺栓受的总拉单个螺栓受的总拉力力FFF02工作拉力工作拉力5-4 螺栓组结构设计与受力分析螺栓组结构设计与受力分析 受受F FR R(或(或T T)+M+M2imaxmaxLLMFFFF02 MMiZfFKFRS0F FR R预紧力预紧力受力最大螺栓的总拉力受力最大螺栓的总拉力max02FFF工作拉力工作拉力F FR RMMF FR RMMF FR RF FQ Q5-4 螺栓组结构设计与受力分析螺栓组结构设计与受力分析 受受F FR R(或(或T T)+F+FQQ+M+M2imaxQmaxLLMZFFFFFFF0max12 F FQQ+M+MF

16、FR R受力最大螺栓的总拉力受力最大螺栓的总拉力max02FFF工作拉力工作拉力iZfFKFRS1残余预紧力残余预紧力5-4 螺栓组结构设计与受力分析螺栓组结构设计与受力分析螺栓组受力分析步骤:螺栓组受力分析步骤:1.1.判别螺栓类型判别螺栓类型普通螺栓普通螺栓铰制孔用螺栓铰制孔用螺栓不能受不能受F FQ Q、MM2.2.外载荷是否作用在形心外载荷是否作用在形心是是正交分解正交分解否否将外载荷向形心简化将外载荷向形心简化3.3.分析螺栓组受几种载荷作用?哪些螺栓受力最大?分析螺栓组受几种载荷作用?哪些螺栓受力最大?4.4.求最大载荷求最大载荷普通螺栓普通螺栓铰制孔用螺栓铰制孔用螺栓max12F

17、FFcosFF2FFFTS2T2SmaxF FQQ、M FM FmaxmaxF FR R、T FT F1 1F FR R、T T 5-4 螺栓组结构设计与受力分析螺栓组结构设计与受力分析讨论:讨论:请分析图示螺栓组受几种外载荷作用?请分析图示螺栓组受几种外载荷作用? F FR R、T T 、 F FQQ、MM螺栓组仅受螺栓组仅受T T作用作用5-5 单个螺栓强度计算单个螺栓强度计算 5-5 5-5 单个螺栓强度计算单个螺栓强度计算一一. .失效形式和设计准则失效形式和设计准则 普通螺栓普通螺栓静载:杆断静载:杆断, ,牙坏或塑变牙坏或塑变保证静拉伸强度保证静拉伸强度变载:疲劳断裂变载:疲劳断裂

18、保证疲劳强度保证疲劳强度 铰制孔用螺栓:剪断、压溃铰制孔用螺栓:剪断、压溃保证剪切、挤压强度保证剪切、挤压强度5-5 单个螺栓强度计算单个螺栓强度计算 二二. .螺栓静强度计算螺栓静强度计算1.1.普通螺栓普通螺栓仅受工作载荷仅受工作载荷例:性能等级例:性能等级 5.65.6表示表示松联接松联接 S4dFAFs21MPa500BMPa3001065S螺栓材料螺栓材料 F4d1取标准取标准MdMd例:例:d d1 117.123mm17.123mm取取 M20M20:d=20mmd=20mm, d d1 1=17.294mm=17.294mm5-5 单个螺栓强度计算单个螺栓强度计算 仅受预紧力仅

19、受预紧力F F0 04dF2105 . 016d2dtanFWT312v0T13 . 14332222ca 01F3 . 14d取标准取标准MdMdF F0 0T T1 1当量应力当量应力 S4dF3 . 1s2101.31.3的意义的意义考虑扭剪应力的影响考虑扭剪应力的影响, ,把拉应力增大把拉应力增大30% 30% 。5-5 单个螺栓强度计算单个螺栓强度计算 受预紧力受预紧力F F0 0和工作载荷和工作载荷F F 主要问题:求螺栓受的总拉力主要问题:求螺栓受的总拉力F F2 2= =?FFF02 原因:属静不定问题。原因:属静不定问题。bmbFbmbcmcm5-5 单个螺栓强度计算单个螺栓

20、强度计算 拧紧后,工作前拧紧后,工作前栓受拉:栓受拉:0Fb被联接件受压:被联接件受压:0Fm合并两图:合并两图: 受工作载荷受工作载荷F F栓:栓:0F被联接件:被联接件:0FFF01Fbbmm变形协调条件:变形协调条件:mb1F5-5 单个螺栓强度计算单个螺栓强度计算 变形协调条件:变形协调条件:mbFFF02FF1FcccFmbbFcccFFmbm01mbbccc相对刚度系数相对刚度系数bmbmFF1F2Fbcmc螺栓静力平衡条件:螺栓静力平衡条件:5-5 单个螺栓强度计算单个螺栓强度计算 强度计算:强度计算: 21F3 . 14d 4dF3 . 1212取标准取标准MdMd5-5 单个

21、螺栓强度计算单个螺栓强度计算 2.2.铰制孔用螺栓铰制孔用螺栓受横向力受横向力F F S4dFs20 F4d0取标准取标准MdMd 剪切强度:剪切强度: pspmin0pSLdF 挤压强度:挤压强度:LFdpmin0取大值取大值取最小值取最小值例:例:d d0 012.67mm12.67mm取取 M12M12:d=12mm,dd=12mm,d0 0=13mm=13mm5-5 单个螺栓强度计算单个螺栓强度计算小结:小结:单个螺栓单个螺栓强度计算强度计算普通螺栓普通螺栓铰制孔用螺栓铰制孔用螺栓松联接松联接紧联接紧联接 F4d1取标准取标准MdMd仅受预紧力仅受预紧力受预紧力受预紧力+ +工作载荷工

22、作载荷 01F3 . 14d 21F3 . 14d剪切剪切挤压挤压 F4d0d d0 0取大值,取大值,取标准取标准MdMdLFdpmin0作业一作业一作业:作业:P98/6.P98/6.修改:已知修改:已知。现有如图。现有如图5-515-51所示的三所示的三种种螺螺栓布置型式,设采用铰制孔用螺栓联接,栓布置型式,设采用铰制孔用螺栓联接,其其=136MPa=136MPa,求:求:1.1.哪一种布置方式最合理,为什么?哪一种布置方式最合理,为什么? 2.2.三种方案中螺栓直径各为多大?三种方案中螺栓直径各为多大?12512512525012512560KNC)5-6 提高螺纹联接强度的措施提高螺

23、纹联接强度的措施 5-6 5-6 提高螺纹联接强度的措施提高螺纹联接强度的措施一一. .改善螺纹牙间载荷分配不均的现象改善螺纹牙间载荷分配不均的现象 原因:原因:螺栓杆受拉,螺距增大螺栓杆受拉,螺距增大螺母受压,螺距减小螺母受压,螺距减小变形不协调变形不协调靠螺纹牙来协调靠螺纹牙来协调5-6 提高螺纹联接的措施提高螺纹联接的措施 提高螺纹联接的措施提高螺纹联接的措施钢丝螺套钢丝螺套均载螺母均载螺母F2F5-6 提高螺纹联接的措施提高螺纹联接的措施 二二. .减小螺栓应力幅减小螺栓应力幅 变载荷:变载荷:0 F 0 F 0 F 0 F 4dF210min4dF212maxma 、注意:螺栓注意:

24、螺栓 maxmax一定时,一定时, a a越小,疲劳强度越高。越小,疲劳强度越高。脉动循环脉动循环非对称循环非对称循环 螺栓所受总载荷:螺栓所受总载荷:F F0 0 F F2 2 F F0 0 F F2 2 5-6 提高螺纹联接的措施提高螺纹联接的措施 强度条件:强度条件: a21mbb212102minmaxadFccc2dF22dFF2 减小减小 a a的措施:的措施: 1. cb5-6 提高螺纹联接的措施提高螺纹联接的措施 2. cm5-6 提高螺纹联接的措施提高螺纹联接的措施 三三.避免螺栓产生附加弯曲应力避免螺栓产生附加弯曲应力5-6 提高螺纹联接的措施提高螺纹联接的措施 四四.减小

25、应力集中减小应力集中五五.合理的制造工艺合理的制造工艺习题课习题课习题课习题课 目的目的 特点特点 步骤步骤 :1.定联接类型,合理布局螺栓;定联接类型,合理布局螺栓;2.受力分析,求受力最大螺栓的载荷;受力分析,求受力最大螺栓的载荷;3.强度计算;强度计算;4.校核螺栓组安全工作条件。校核螺栓组安全工作条件。对于普通螺栓联接:对于普通螺栓联接:螺栓要有足够的强度(不断);螺栓要有足够的强度(不断);底板不滑移(不滑);底板不滑移(不滑);底板与基座不分离(不松);底板与基座不分离(不松);底板与基座不压溃(不碎)。底板与基座不压溃(不碎)。 RS1FKiZfF0minppmaxp习题课习题课

26、 图示为一钢支架,用四个普图示为一钢支架,用四个普通螺栓联接,固定在铸铁的基通螺栓联接,固定在铸铁的基座上,支架结构尺寸如图示,座上,支架结构尺寸如图示,f=0.15,试设计此螺栓联接。,试设计此螺栓联接。P4132N8485P 04550120150FRQF解:解:一一.螺栓组受力分析螺栓组受力分析N600045sinPF0QN600045cosPF0RFRNmm10350FM5R螺栓组受螺栓组受轴向力轴向力横向力横向力倾覆力矩倾覆力矩习题课习题课螺栓螺栓4受力最大,最大工作载荷:受力最大,最大工作载荷:N40006026010346000LLMZFF252imaxQmax首先保证底板不滑移

27、首先保证底板不滑移 讨论:讨论:1.若仅受若仅受FR作用:作用:二二.求预紧力求预紧力F0和总拉力和总拉力F2Rs0FKzFfzfFKFRs02.若同时受若同时受FR+FQ作用:作用:Rs1FKzFfzfFKFRs1zFcccFFQmbm01且:且: 3.若同时受若同时受FR+FQ+M作用:作用:M对摩擦力无影响,此时,支对摩擦力无影响,此时,支架对底板总压力仍为:架对底板总压力仍为:RsFKf)zFcccF(zQmbm00F习题课习题课三三.计算螺栓直径计算螺栓直径RSQmbm0FKf )zFcccF(zzFccczfFKFQmbmRS0N131254600075. 015. 0460002

28、 . 1最大总拉力:最大总拉力: 013125FcccFFmaxmbb02 21F3 . 14dmm088.12160141253 . 14式中:式中: SS选螺栓材料为选螺栓材料为Q235,4.6级级MPa1605 . 1240取取M16mm835.13d1M(M引起)引起)习题课习题课四四.校核螺栓组安全工作条件校核螺栓组安全工作条件1.底板与基座不分离底板与基座不分离WMAZFcccFzQmbm0MFminpMPa621. 3MFmaxpF(F0+FQ引起)引起)minpmaxp0MPa811. 1905. 0716. 2321501034150)4600075

29、. 013125(43522.底板与基座不压溃底板与基座不压溃MPa9020045. 045. 0Bp习题课习题课讨论:讨论:1.如何改进结构使螺栓受力减小?如何改进结构使螺栓受力减小?r22M4F45cosr445cosrM4FFQ200Qmax2.哪一种结构合理?哪一种结构合理?习题课习题课3.3.图示夹紧螺栓中图示夹紧螺栓中, ,已知螺栓数为已知螺栓数为2,2,螺纹为螺纹为M20,M20,螺栓材螺栓材料料为为3535纲纲,=126MPa,=126MPa,轴径轴径D=50mm,D=50mm,杠杆长杠杆长L=400mm,f=0.15,L=400mm,f=0.15,求求WW的允许值。的允许值。

30、WWD DL L解:解:不滑移条件:不滑移条件:WLK2D) izFf (s0LK2fziDFWs0强度条件:强度条件: 3 . 14dF210N5 .7113 . 144002 . 12126294.17502215. 023 . 14LK2dfziDWs21式中:式中:1dmm294.17作业二作业二作业:作业:P98/5-7P98/5-7; 5-85-8; 5-95-9; 5-105-10(修改:(修改:p=2MPap=2MPa,提示:螺栓间距见,提示:螺栓间距见P77/P77/ 表表5-55-5,扳手空间查手册。),扳手空间查手册。)思考:思考: 5-15-1;5-25-2;5-35-

31、3;5-45-4;5-55-5;5-105-10(p=0(p=01MPa)1MPa)。5-7 螺旋传动螺旋传动5-7 5-7 螺旋传动螺旋传动一一. .类型类型按用途分按用途分传力螺旋传力螺旋传导螺旋传导螺旋调整螺旋调整螺旋按摩擦状态分按摩擦状态分滑动螺旋滑动螺旋滚动螺旋滚动螺旋静压螺旋静压螺旋5-7 螺旋传动螺旋传动 二二. .滑动螺旋失效形式、设计准则和材料滑动螺旋失效形式、设计准则和材料1.1.工作情况工作情况传力螺旋传力螺旋2.2.失效形式失效形式断断牙磨损牙磨损杆失稳杆失稳杆断杆断牙断牙断强度强度耐磨性耐磨性稳定性稳定性3.3.设计准则设计准则传导螺旋传导螺旋按杆的强度设计按杆的强度设计, ,再校核耐磨性再校核耐磨性、牙的

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