拖拉機安全舒適座椅設(shè)計全套圖紙

畢業(yè)設(shè)計說明書論文(全套CAD圖紙) QQ 36396305 編號（學(xué)號）：12254013畢 業(yè) 論 文 （設(shè) 計）（ 2012 屆本科）題 目： 拖拉機安全舒適座椅設(shè)計 學(xué) 院： 工程學(xué)院 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 姓 名： 指導(dǎo)教師： 完成日期： 2013 年 6 月 4 日畢業(yè)論文(設(shè)計)任務(wù)書論文(設(shè)計)題目拖拉機安全舒適座椅設(shè)計下發(fā)任務(wù)日期2013.05.01學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 教授一. 論文（設(shè)計）主要內(nèi)容對座椅的設(shè)計包括總體設(shè)計和部分零部件的設(shè)計，總體設(shè)計包括對座椅的設(shè)計最優(yōu)方案選擇、座椅設(shè)計內(nèi)容的確定；部分零部件的設(shè)計可分為座椅底座設(shè)計、座椅靠背設(shè)計、座椅減震系統(tǒng)設(shè)計。利用Ansys軟件對減震系統(tǒng)的截錐螺旋壓縮彈簧進行分析，得出它在受到載荷時應(yīng)力的分布、共振頻率，然后根據(jù)這些數(shù)據(jù)指導(dǎo)座椅的設(shè)計。并且建立人座椅模型來模擬駕駛員的工作狀態(tài)，得出座椅的仿真運動，以此指導(dǎo)座椅的設(shè)計內(nèi)容。二.論文（設(shè)計）的基本要求1.有關(guān)資料的收集：要求盡量收集第一手資料，資料要真實、可靠、有代表性。2 資料的整理與分析：要求條理清晰，數(shù)據(jù)分析詳盡。3 查閱相關(guān)文獻：要求貼近主題，有參考價值。4 認(rèn)真撰寫論文，字?jǐn)?shù)在10000字以上。三.論文（設(shè)計）工作進度安排階段論文（設(shè)計）各階段名稱日期1座椅在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀的資料收集2012.4.12012.4.152查閱相關(guān)文獻2012.4.162012.4.203座椅總體設(shè)計2012.4.212012.5.14撰寫論文初稿2012.5.12012.5.105集合總體設(shè)計，對座椅的零件進行設(shè)計2012.5.102012.5.256論文完成2012.5.26 2012.6.12備注：四.應(yīng)收集的資料及主要參考文獻（指導(dǎo)教師指定）1、拖拉機駕駛座椅的人機工程學(xué)設(shè)計文獻2、自動控制原理文獻3、拖拉機座椅系統(tǒng)動態(tài)舒適性的設(shè)計綜述研究資料說明：此任務(wù)由指導(dǎo)教師填寫一式兩份，一份發(fā)給學(xué)生，一份發(fā)給指導(dǎo)教師留存。沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計）選題審批表選題名稱拖拉機安全舒適座椅設(shè)計題目來源指導(dǎo)老師提供學(xué)號12254013姓名余東專業(yè)機械設(shè)計制造及其自動化指導(dǎo)教師張本華職稱教授研 究內(nèi) 容1.座椅底座尺寸設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計。2.座椅靠背尺寸設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計。3.座椅減震系統(tǒng)設(shè)計。4.座椅關(guān)鍵零件分析。研 究計 劃 1.先從網(wǎng)絡(luò)、圖書館和指導(dǎo)老師處收集與拖拉機座椅安全舒適設(shè)計相關(guān)的文獻資料，對這些文獻資料進行篩選、歸納，總結(jié)自己所需要的文獻資料。2.對座椅進行總體設(shè)計，最優(yōu)方案選擇、零部件設(shè)計，及其減震系統(tǒng)的設(shè)計。3.對座椅的設(shè)計編寫任務(wù)說明書，對照任務(wù)說明書對座椅的零件進行校核。4.對關(guān)鍵零部件進行進一步分析，校核。5.對設(shè)計說明書進行修改，對整個設(shè)計進行論證。6.設(shè)計完成。特 色 1.利用截錐螺旋壓縮彈簧對座椅進行非常有效的減震設(shè)計。 2.座椅靠背和座椅底座采用凹凸面設(shè)計。指 導(dǎo) 教 師 意 見教 研 室 意 見學(xué) 院 意 見畢業(yè)論文（設(shè)計）指導(dǎo)記錄學(xué)生姓名余東專業(yè)機械設(shè)計制造及其自動化指導(dǎo)教師姓名張本華職稱教授本年度指導(dǎo)畢業(yè)生人數(shù)論文（設(shè)計）題目拖拉機安全舒適座椅設(shè)計時間地點指導(dǎo)內(nèi)容學(xué)生簽字：年 月 日 指導(dǎo)教師簽字：年 月 日教研室主任簽字：年 月 日沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計）考核表論文題目：拖拉機安全舒適座椅設(shè)計姓名：余東 學(xué)號：12254013 專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化指導(dǎo)教師評語：指導(dǎo)教師（簽字）：  年 月 日評閱人評審意見： 評閱人（簽字）：  年 月 日答辯委員會意見：主任委員（簽字）：    年 月 日注：答辯委員會意見除填寫簡要評語、給出成績外，還要提出是否授予學(xué)位的建議。目 錄中文摘要（關(guān)鍵詞）1Abstract2前言31 拖拉機安全舒適座椅總體設(shè)計 41.1 拖拉機安全舒適座椅理論設(shè)計思路41.2 座椅的設(shè)計內(nèi)容51.3 座椅設(shè)計方案比較51.3.1 座椅采用普通壓縮彈簧與座椅采用截錐壓縮彈簧方案比較61.3.2 座椅采用整體式與座椅采用框架式方案比較 102 拖拉機座椅零部件設(shè)計122.1 座椅底座設(shè)計 122.1.1 座椅底座主動振動仿真分析 122.1.2 座椅底座高度、寬度、長度、傾角的尺寸設(shè)計 152.2 座椅靠背結(jié)構(gòu)設(shè)計 162.3 座椅靠背寬度、高度、傾角尺寸設(shè)計 163 拖拉機座椅截錐螺旋壓縮彈簧分析19 3.1 截錐螺旋壓縮彈簧實體模型的建立 19 3.2 截錐螺旋壓縮彈簧靜力分析 19 3.3 截錐螺旋壓縮彈簧的自振頻率計算 214 結(jié)論22參考文獻 23致謝 25附錄 26鍵入文字鍵入文字鍵入文字摘 要拖拉機座椅是拖拉機駕駛員工作的第一環(huán)境，以往的拖拉機座椅都是直接采用座墊保證座椅的安全舒適，但本篇論文是通過對拖拉機駕駛員的身體幾何尺寸的分析，設(shè)計出拖拉機座椅的合適座椅底座寬度，座椅底座長度，座椅底座高度，座椅靠背寬度，座椅靠背高度靠背與座椅底座角度及座椅底座自身角度。利用solidworks軟件對座椅整體進行模擬繪制，確定座椅整體及零部件尺寸；利用cad軟件對座椅整體裝配圖進行繪制及座椅的重要零部件繪制，確定部分零部件的精確尺寸及裝配條件；在整個設(shè)計過程中，對于座椅最重要的零件截錐彈簧，采用ANSYS軟件對截錐螺旋壓縮彈簧進行靜力分析和模態(tài)分析，通過ANSYS的建模、加載、求解、結(jié)果分析等的過程，并與理論解進行比較，判斷求解精度; 利用前饋型自適應(yīng)控制系統(tǒng)的最小均方值算法,對座椅振動實施主動控制,以改善座椅的動態(tài)舒適性。建立六自由度人體座椅系統(tǒng)模型和主動振動控制系統(tǒng)模型,并在Simulink 下進行仿真。關(guān)鍵詞：設(shè)計；模擬繪制；靜力分析；主動振動控制仿真分析Abstract Tractor seat is the first work environment to Tractor driver , the traditional tractor seat directly uses seat cushion to ensure the seat safe and comfortable . In this article , through the analysis of the tractor drivers body geometry size , designing the right seat base width of the tractor seat, seat base length , seat base height , the seat back width and height , the angle of the seat back and seat base. Use solidworks software to simulate drawing the whole seat , determine the seat parts and the whole s sizes of the seat . Use CAD software to draw the whole seat assembly and important paint components ,determine the exact dimensions of the seat parts and the assembly conditions to the seat . In the designing process , for the seat the most important seat parts is the cut cone helical spring , use ansys software to analysis the cut cone helical springs static and modal characteritics , through the process of ansys modeling, loading, solving, result analysis, etc,then compared with the theoretical solution,judge the precision . Based on the minimum mean square value filter of feedforward adaptive control system,and take active controlment for the implementation of seat vibration in order to improve the dynamic comfort seat . Set up six degrees of freedom, human body -seat system model and active vibration control system model ,and simulated in Simulink. Key words: Design; Simulation draw；Static analysis；Active vibration control simulation analysis前言駕駛座椅設(shè)計的良好與否直接影響著駕乘者的健康。長時間坐在拖拉機座椅中，若是脊椎得不到應(yīng)有的支持，則腰部就會因弓彎而造成椎骨、椎盤、肌腿的負荷，進而導(dǎo)致慢性肌肉疲勞并產(chǎn)生酸痛;再加上長時間維持相同坐姿，還會造成脊椎壓力過大而導(dǎo)致椎間盤突出，若是壓迫到神經(jīng)，容易發(fā)生麻痹的想象。然而，在駕乘拖拉機的過程中，脊椎除了不一定保持停滯狀態(tài)外，也會跟著路況的變化而改變，這些情況下，脊椎的變化也就更加復(fù)雜，其所導(dǎo)致坐姿不良的狀況，會引起腰酸背疼或慢性的肌肉發(fā)炎，加上拖拉機工作環(huán)境比較惡劣，所以駕乘拖拉機時，對人體健康影響很大1。拖拉機座椅是影響駕駛與乘坐舒適程度的重要因素。舒適而操作方便的駕駛座椅, 可以減少駕駛員疲勞程度,降低故障的發(fā)生率，拖拉機駕駛員座椅設(shè)計優(yōu)劣與否直接關(guān)系到駕駛質(zhì)量2。拖拉機中的座椅是人與車接觸的界面,人們駕駛拖拉機的舒適性主要與座椅有關(guān)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)力的提高,人們對工作、生活、休息質(zhì)量的要求不斷提高,以前的那種從拖拉機座椅到拖拉機座椅設(shè)計模式已不能滿足日益豐富的工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)以及廣大消費者對它的期望3。這就要求拖拉機座椅設(shè)計者在設(shè)計產(chǎn)品的時候能充分將人的因素、產(chǎn)品使用的環(huán)境因素甚至整個社會的文明文化合理地、科學(xué)地運用其中。在設(shè)計中必須始終將人的因素貫穿在整個設(shè)計的始終。技術(shù)的發(fā)展要圍繞人的需求來展開,產(chǎn)品和環(huán)境的設(shè)計要更好地適應(yīng)和滿足人類的生理和心理的特點,這已逐漸在產(chǎn)品的設(shè)計生產(chǎn)者和消費者中形成共識4。因為靠背主要是駕駛員放松時用來承載力的，所以座椅靠背設(shè)計寬些5?，F(xiàn)代的工業(yè)設(shè)計師意識到:產(chǎn)品是否能夠被用戶接受及被接受的程度不但取決于產(chǎn)品的市場因素如技術(shù)特征、價格和服務(wù),而且越來越多地取決于產(chǎn)品的外觀造型和人機工程學(xué)設(shè)計6。隨著我國農(nóng)業(yè)機械化的提高，越來越多的拖拉機已走進千家萬戶。拖拉機座椅設(shè)計的好壞直接影響著駕駛員身體的健康狀況。因此設(shè)計出一種能夠適合我國廣大拖拉機駕駛員的拖拉機座椅意義很大7。1 拖拉機座椅總體設(shè)計1.1 拖拉機安全舒適座椅理論設(shè)計思路拖拉機座椅安全舒適設(shè)計原理：通過一套從座椅底座到座墊的減震裝置使拖拉機在行駛時，將拖拉機自身及其外部對拖拉機作用產(chǎn)生的震動消除，通過拖拉機座椅左邊的拉桿向里壓，使座椅底座和座椅靠背連接處空套連接，這時就可以調(diào)節(jié)座椅靠背的傾角，此外，通過調(diào)節(jié)座椅在滑道上前后位置以滿足體型不同的駕駛員，對座椅進行四向調(diào)節(jié)，使駕駛員舒適駕駛；在駕駛過程中，在座椅兩側(cè)加上擋板，避免拖拉機側(cè)翻將駕駛員壓住，使駕駛員安全駕駛，座椅初步設(shè)計圖1，如下圖1 座椅整體設(shè)計拖拉機座椅的設(shè)計要考慮靜態(tài)和動態(tài)性能要求8。一個舒適的拖拉機座椅要求如下:(1)座椅底座應(yīng)該提供一個舒適的坐姿和控制姿勢。(2)它應(yīng)該降對低操作員的機械沖擊和振動。(3)它應(yīng)該穩(wěn)固操作員并提供容易控制機器的作用。(4)它的位置相對于拖拉機,為駕駛員提供足夠的視野,讓駕駛員安全快速的完成工作。(5)座椅底座支持大腿的重量和上身，座椅底座和座椅靠背須支撐體重大部分。圖2 股骨在正常位置的縮略圖(6)一個好座椅應(yīng)該支持脊柱姿勢接近正確的曲率（圖2）。不應(yīng)該是軟的靠背調(diào)整到后面,防止疾病。(7)座墊前面的膝蓋和臀部肌肉應(yīng)該去改變駕駛員的位置,這樣來緩解壓力和對肌肉的擠壓。(8)拖拉機座椅能為身體在連續(xù)工作時間內(nèi)提供舒適環(huán)境。這就要求調(diào)整座位以適應(yīng)不同的人群。拖拉機上發(fā)生的大量的運動都是由駕駛員用不同的身體部位承擔(dān)26。其中一個例子是轉(zhuǎn)向的拖拉機,座椅和控制機器的執(zhí)行和操作離合器、制動器、液壓控制杠桿有一定的運動時間差，這時，這些不同的機構(gòu)分別將運動作用給駕駛員的臀部、腿等不同身體部位。而拖拉機座椅是影響這些組成部分之一的因素，拖拉機座椅設(shè)計可以用來作為一種手段來修改荷載結(jié)構(gòu)來減輕操作人員身體的不適。盡管拖拉機處于振動的動態(tài)環(huán)境中，但農(nóng)業(yè)拖拉機的駕駛要求駕駛員維持一個穩(wěn)定的姿態(tài)。可以發(fā)現(xiàn)舒適的拖拉機座椅上的應(yīng)變對拖拉機駕駛員在運行過程中產(chǎn)生的作用，與傳統(tǒng)拖拉機座椅相比：人體能量消耗將會減少13 - 29%來進行駕駛拖拉機。結(jié)果表明, 提高正確設(shè)計的拖拉機安全舒適座椅對保證駕駛員的工作效率和舒適的操作有很大的幫助，進行各方面的主觀試驗拖拉機座椅設(shè)計,從而使它適合不同的環(huán)境27。1.2 座椅的設(shè)計內(nèi)容座椅的設(shè)計內(nèi)容主要是從座椅機構(gòu)和座椅結(jié)構(gòu)這兩個方面考慮，主要內(nèi)容：（1）在座椅底部與座椅靠背連接支撐桿上加上一個拉桿機構(gòu)來將靠背調(diào)整一定的角度，適應(yīng)不同的人群，使拖拉機駕駛員以舒適的姿勢進行操作。（2）在座椅底部即承載駕駛員重量的下方采用網(wǎng)狀支架，不僅可以在拖拉機震動時，均勻承載，緩慢卸去受力，使駕駛員有震感，而不會出現(xiàn)不舒服的感覺，從心理上設(shè)計可以提高駕駛員的注意力。此外，采用這種結(jié)構(gòu)還可以減少座椅的材料及其制作費用，降低座椅制作的成本。（3）座椅靠背采用下寬上窄的結(jié)構(gòu)，駕駛員在操作過程中腰部和背部受力較大并且不均勻，靠背下方的部分將卸去大部分沖擊，（4）座椅底部盤向后傾斜一定角度。（5）座椅底部采用凹面形式，使駕駛員在座椅上不易打滑。（6）座椅靠背與座椅底部形成一定角度。（7）座椅靠背采用凹面形式，使駕駛員腰部和背部較為均勻的接觸。1.3 座椅設(shè)計方案比較座椅的設(shè)計主要分為兩個部分：座椅機構(gòu)設(shè)計和座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計。座椅機構(gòu)設(shè)計中最重要設(shè)計之一是座椅底座設(shè)計，座椅底座是拖拉機駕駛員第一工作環(huán)境，對駕駛員的操作有著第一影響力的作用，設(shè)計出安全舒適的座椅從座椅底座的安全舒適出發(fā)就很重要了。由于拖拉機的振動較為劇烈，對于座椅舒適性的設(shè)計，結(jié)合大學(xué)所學(xué)的知識，我采用了彈簧減震元件，但彈簧種類不同，其性能差異也比較大，因此，結(jié)合彈簧中的兩種類型進行全面分析，做出最佳彈簧方案的選擇。對于現(xiàn)代工業(yè)來講，各種機械之間互換性配合是很重要的，而裝配時，由專業(yè)技術(shù)人員裝配和出廠后的裝配在整個裝配精度上有時會相差很大，對座椅的安全舒適性就會產(chǎn)生巨大影響，因此，對于座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計采用座椅整體裝配出廠和零部件出廠的方案進行全面分析，選擇最佳方案。1.3.1 座椅減震彈簧采用圓柱壓縮彈簧與座椅采用截錐壓縮彈簧方案比較（1）圓柱壓縮彈簧彈簧的材料參數(shù)為9：彈簧采用油淬火回火碳素彈簧鋼絲 E彈性模量，2e11 Pa泊松比，0.3材料密度，7800kg/m3圓柱壓縮彈簧剛度: 表1 彈簧參數(shù)：組別D(mm)d(mm)NNzt(mm)1（圓）256.541+111.5圓柱彈簧受載后的軸向變形量 ：=8FD23 n/Gd4=8FC3n/Gd式中n為彈簧的有效圈數(shù)；G為彈簧的切變模量。這樣彈簧的圈數(shù)及剛度分別為 ：n=Gd4/8FD23=Gd/8FC3k=F/=Fd4/8D23n=Gd/8C3n對于拉伸彈簧，n1>20時，一般圓整為整圈數(shù)，n1<20時，可圓整為1/2圈；對于壓縮彈簧總?cè)?shù)n1的尾數(shù)宜取1/4、1/2或整圈數(shù)，常用1/2圈。為了保證彈簧具有穩(wěn)定的性能，通常彈簧的有效圈數(shù)最少為2圈。C值大小對彈簧剛度影響很大。若其它條件相同時，C值愈小的彈簧，剛度愈大，彈簧也就愈硬；反之則愈軟。不過，C值愈小的彈簧卷制愈困難，且在工作時會引起較大的切應(yīng)力。此外，k值還和G、d、n有關(guān)，在調(diào)整彈簧剛度時，應(yīng)綜合考慮這些因素的影響10。將彈簧參數(shù)帶入可得彈簧剛度：k=31500N/M圓柱壓縮彈簧穩(wěn)定性計算： 壓縮彈簧的長度較大時，受載后容易發(fā)生圖3)所示的失穩(wěn)現(xiàn)象，所以還應(yīng)進行穩(wěn)定性的驗算。 圖3 圓柱彈簧受力失穩(wěn)為了便于制造和避免失穩(wěn)現(xiàn)象出現(xiàn)，通常建議彈簧的長徑比b=H0/D2按下列情況取為：彈簧兩端均為回轉(zhuǎn)端時，b2.6；彈簧兩端均為固定端時，b5.3 ；彈簧兩端一端固定而另一端回轉(zhuǎn)時，b3.7。如果b大于上述數(shù)值時，則必須進行穩(wěn)定性計算，并限制彈簧載荷F小于失穩(wěn)時的臨界載荷Fcr。一般取F=Fcr/(22.5)，其中臨界載荷可按下式計算：Fcr=CBkH0式中，CB為不穩(wěn)定系數(shù)，由下圖查取。如果F>Fcr，應(yīng)重新選擇有關(guān)參數(shù)，改變b值，提高Fcr的大小，使其大于Fmax之值，以保證彈簧的穩(wěn)定性11。表2 圓柱彈簧不穩(wěn)定系數(shù)彈簧兩端均為固定端,所以，當(dāng)圓柱壓縮彈簧在受力時，b>=5.3 此時臨界載荷Fcr=0.5X31500X63=992N因此，所受力F=496N(2)截錐螺旋彈簧：彈簧的材料參數(shù)為：彈簧采用油淬火回火碳素彈簧鋼絲 E彈性模量，2e11 Pa泊松比，0.3材料密度，7800kg/m3設(shè)計模型中的各物理參數(shù)：a、b截錐渦卷螺旋彈簧彈簧板材料厚度和寬度（截面為矩形）d截錐螺旋壓縮彈簧材料直徑（截面為圓形）R2為彈簧最外層的半徑R1為彈簧最內(nèi)層的半徑， t為彈簧節(jié)距n為彈簧的有效圈數(shù)nz彈簧支撐圈數(shù)G質(zhì)量塊m重力等節(jié)距截錐螺旋壓縮彈簧（較小，不自鎖）；彈簧剛度表3 彈簧參數(shù)：組別R1(mm)R2(mm)d(mm)Nnzt(mm)1（圓）20306.541+111.5由于截錐螺旋壓縮彈簧的螺旋角比較小，當(dāng)彈簧受到軸向荷載作用時，可近似地看做各彈簧圈材料截面受到如下扭矩 （1）在單位軸向荷載作用時，材料截面所受扭矩 （2）將上兩式代入彈簧軸向變形的一般積分公式得： （3）又 又根據(jù)截錐螺旋壓縮彈簧的彈簧圈半徑表達式可得 （4）從而得 （5）將此式代入（3）式，并改取積分限由到，得變形計算式 （6）對于圓形截面材料，極慣性矩，代入上式，得 （7）由此可得截錐螺旋彈簧的剛度計算式為 （8）其中，將彈簧參數(shù)代入可求得彈簧剛度為：F=33010N/m。截錐螺旋彈簧穩(wěn)定性：變剛度彈簧以其獨特的剛度特性在工業(yè)各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，截錐螺旋彈簧是這種非線性特性螺旋彈簧的典型代表11。這種彈簧在受荷載初期，特性線是直線，即剛度不變，當(dāng)荷載逐漸增大時，彈簧從大圈開始逐漸接觸，有效工作圈數(shù)隨之減少，而剛度逐漸增大，直到所有彈簧圈壓并為止。該彈簧的變剛度特性引起了彈簧自振頻率變化，使得在不同外擾頻率作用力下彈簧變剛度運行，從而實現(xiàn)較寬頻率范圍內(nèi)為共振峰，可以有利于消除或緩和共振。圖4為截錐螺旋壓縮彈簧及其特性線12。這種彈簧在受力后特性線的OA段是直線，當(dāng)荷載逐漸增大時彈簧的大圈開始逐漸接觸，有效工作圈數(shù)減少而剛度逐漸增大，一直到所有的彈簧圈完全壓并為止。其特性線AB段為漸增型。這種彈簧的剛度是變值，所以自振頻率也是變值，有利于防止發(fā)生共振，因而多用于需要減振的場合。 圖4 截錐螺旋彈簧及其特性曲線經(jīng)過上面的比較可以得出以下結(jié)論：選擇剛度接近的圓柱壓縮彈簧和截錐螺旋彈簧，圓柱壓縮彈簧可承載受力值為50kg,這不能滿足廣大駕駛員的身體尺寸值，此外，截錐螺旋彈簧的穩(wěn)定性比圓柱壓縮彈簧的強，所以，選擇截錐螺旋彈簧方案較好。1.3.2 座椅采用整體式與座椅采用框架式方案比較從理論上分析，座椅采用框架式可以使得部件到了一個地方進行裝配，這樣可以在運送過程中將總的座椅質(zhì)量分成幾部分，減輕每次的運送量；如果座椅的零部件壞了，可以直接拆卸，重新購買零部件裝配，這些都是整體式座椅不能實現(xiàn)的。但整體式座椅在使用時，可以方便準(zhǔn)確的安裝，它安裝精度較高。從受力方面進行分析（圖5）： （a）框架式 (b) 整體式圖5 座椅結(jié)構(gòu)比較受力圖圖中框架式結(jié)構(gòu)將座椅所受的力的轉(zhuǎn)移到座椅支撐結(jié)構(gòu)上，而整體式結(jié)構(gòu)中座椅受力都分給了座椅座墊等機構(gòu)上，由于框架式中的支撐機構(gòu)采用的都是強度較大構(gòu)件，其支撐能力大，而整體式結(jié)構(gòu)中座椅座墊等主要受力構(gòu)件其強度不大，對其毀壞作用較大。但采用整體式可以將駕駛員的作用力減弱，提高其座椅舒適性。經(jīng)過上面的比較可以得出以下結(jié)論：座椅安裝不需較高的精度，有截錐螺旋彈簧進行主要減震工作，整體式結(jié)構(gòu)就沒有框架式結(jié)構(gòu)明顯，所以，采用框架式結(jié)構(gòu)為最優(yōu)方案。與傳統(tǒng)拖拉機座椅相比，本次設(shè)計的座椅主要是在座椅底座加了兩側(cè)板防止拖拉機側(cè)翻直接壓住駕駛員造成駕駛員的傷害（圖6）；取消拖拉機座椅頭枕，簡化拖拉機結(jié)構(gòu)，降低座椅制造成本(圖7)；采用截錐螺旋壓縮彈簧元件，將提高了座椅的舒適性。圖6 本次設(shè)計拖拉機座椅（a）(b)圖7 傳統(tǒng)拖拉機座椅2 拖拉機座椅零部件設(shè)計根據(jù)不同身體尺寸數(shù)據(jù)得出座椅的幾何參數(shù)，即座位尺寸(長度、寬度)及其曲率和傾角,靠背的大小(高度和寬度)及其曲率與傾角,設(shè)計出一個安全舒適的座椅28。座椅的特點會影響駕駛員的姿勢和靜態(tài)的舒適性。座墊和封裝材料也會極大地影響駕駛員的舒適性感覺。根據(jù)對農(nóng)業(yè)工人人體測量數(shù)據(jù)(圖8)設(shè)計適合的拖拉機座椅高度、臀部寬度、 座椅寬度、座椅靠背寬度和高度以及座椅靠背傾角。座椅的幾何參數(shù)是通過在我國拖拉機座椅設(shè)計的基礎(chǔ)上編制完成人體測量數(shù)據(jù),回顧相關(guān)文獻,遵循是ISO(4253)標(biāo)準(zhǔn)29 ，確定的。圖8為人體測量的尺寸，在設(shè)計拖拉機座椅時，根據(jù)人體測量資料書可獲得：(一) 拖拉機座椅高度、座椅長度、 座椅寬度、座椅靠背寬度和高度以及座椅靠背傾角。結(jié)果和討論顯示，我國拖拉機駕駛員的平均年齡是33歲，選男性受試者±10年，平均身高和體重分別為1633±67毫米和54.5±8.7公斤。通過在設(shè)計原則的基礎(chǔ)上，拖拉機座椅人體測量數(shù)據(jù)可以通過我國駕駛員每15分座椅底座和靠背座位后改變一次，他們得到的最優(yōu)值是拖拉機座椅寬度、座椅長度,靠背的寬度,座椅高度和靠背傾角。圖8 人體測量的尺寸2.1 座椅底座設(shè)計座椅底座的設(shè)計是整個設(shè)計的重點，它是駕駛員工作過程中一直接觸的第一工作環(huán)境，因此，它是影響駕駛員安全舒適駕駛的直接的、關(guān)鍵性的因素，對座椅進行仿真分析以獲得實際的數(shù)值和真實的工作狀況是至關(guān)重要的。2.1.1 座椅主動振動仿真分析拖拉機乘坐舒適性包括靜態(tài)舒適性和動態(tài)舒適性,前者主要與尺寸參數(shù)、表面質(zhì)量、調(diào)節(jié)特性等有關(guān),后者主要與振動特性有關(guān)。在3個減振環(huán)節(jié)中, 座椅系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)的改變對拖拉機的實用性能不會有明顯影響。設(shè)計表明,就坐時人體模型的動態(tài)特性對拖拉機座椅的動態(tài)性能有很大的影響,因此,結(jié)合科學(xué)合理的人體模型來綜合設(shè)計和改善座椅的動態(tài)性能及隔振效果,對于提高拖拉機乘坐舒適性有著十分重要的意義12 。（a） 人體座椅系統(tǒng)模型由于乘員所受到的振動沖擊當(dāng)中,影響最大的是垂直方向的振動,為此,設(shè)計人員建立了許多種垂直方向的人體線性模型。雖然建立的模型越來越復(fù)雜,但模型性能并沒有顯示出比簡單模型有更大的改進13 。1997 年Boileau14 提出了四自由度人體模型,根據(jù)該模型計算出的理論曲線,在頻域中與實驗結(jié)果無論在幅值上還是在相位上都比較吻合,所以本文采用了該模型。該模型將座椅上的人體分為4 個質(zhì)量塊: 頭部質(zhì)量塊,主要包括頭部和頸部; 上軀干質(zhì)量塊,包括手臂、肩部和胸部; 下軀干質(zhì)量塊,包含上軀干和臀部之間的各個器官; 臀部質(zhì)量塊,包括臀部和大腿。4 個質(zhì)量塊間通過剛度阻尼系統(tǒng)連接,如圖7所示。圖9 人體座椅系統(tǒng)模型六自由度人體座椅模型如圖9 所示,其中,mh 為頭部質(zhì)量; kh 為頸部等效剛度; ch 為頸部等效阻尼; mu 為上部軀干質(zhì)量; ku 為上下軀干間等效剛度; cu 為上下軀干間等效阻尼; ml 為下部軀干質(zhì)量; kl 為下部軀干與臀部間等效剛度; cl 為下部軀干與臀部間等效阻尼; mt 為臀部及大腿質(zhì)量; kt 為臀剛度; ct 為臀部阻尼; kc 為座墊剛度; cc 為座墊阻尼; ms 為座椅質(zhì)量; ks 為座椅剛度; cs 為座椅阻尼; zh 為頭部質(zhì)量塊垂直位移; zu為上部軀干質(zhì)量塊垂直位移; zl 為下部軀干質(zhì)量塊垂直位移; zt 為臀部質(zhì)量塊垂直位移; zc 為座墊垂直位移; zs 為座椅質(zhì)量塊垂直位移; z0 為車身垂直位移;AVC 為主動振動控制器。經(jīng)過對座椅結(jié)構(gòu)的設(shè)計,建立了二自由度的座椅系統(tǒng)模型,在模型當(dāng)中將質(zhì)量集中為一個座椅質(zhì)量塊,座墊抽象為無質(zhì)量模塊,通過剛度阻尼系統(tǒng)與座椅質(zhì)量塊相連,同時座椅質(zhì)量塊也通過彈簧和阻尼系統(tǒng)與車身相連。如圖7所示。(b) 座椅座墊震動仿真分析在人體座椅AVC 系統(tǒng)仿真中, 人體模型各項數(shù)據(jù)如下15 :mh = 5.131kg , kh =310kN/ m , ch = 014kN ·s/ m , mu = 28.149kg ,ku =183 kN ·s/ m , cu = 4175 kN ·s/ m , ml =8162kg , kl = 16218kN/ m , cl = 41585 kN ·s/ m ,mt = 12178kg , kt = 90kN/ m , ct = 21064kN ·s/ m。座墊質(zhì)量mc = 0 , 座墊的剛度kc一般為718 1118kN/ m , 這里取kc = 8kN/ m ,cc =01357 kN ·s/ m。座椅質(zhì)量一般取為人體質(zhì)量的5/ 716 ,所以取ms = 40kg ; 座椅剛度ks =34kN/ m、阻尼cs = 0125 kN ·s/ m。根據(jù)以上數(shù)據(jù),在Simulink 下建立Gs 、Gsh 、Gsu 、Gsl 、Gst 傳遞函數(shù)模塊。AVC 系統(tǒng)通過提前編制好的程序?qū)崿F(xiàn)。(c) 座椅座墊震動的性能仿真由于人體的共振峰值一般處于46Hz 頻率區(qū)間17 ,所以這里采用頻率為5Hz 的正弦信號作為車身的振動輸入,振幅取為15mm。仿真得到人體4 個質(zhì)量塊的加速度曲線,如圖10所示。由圖10可知,在沒有AVC 系統(tǒng)的情況下,人體各個部分的振動加速度幅值幾乎都在5m/ s2 以上。所以說,普通的被動隔振座椅的隔振效果較差;相對而言,加入AVC 系統(tǒng)后,頭部和上軀干的振動加速度幅值在1s 后降到了115m/ s2 以下,下軀干的加速度幅值也幾乎都在3m/ s2 以下,臀部和大腿質(zhì)量塊的振動加速度幅值雖沒有前3個質(zhì)量塊降低明顯,但也有約20 %的降低。所以加入AVC 后,身體各部分的振動有了明顯的降低,主動振動控制座椅的隔振效果明顯。(d) 座椅座墊震動得出的結(jié)論(1)仿真結(jié)果表明,采用AVC 系統(tǒng),可有效降低車身振動對人體的影響,提高了拖拉機座椅的動態(tài)舒適性。(2) 仿真結(jié)果同時表明,目前拖拉機上普遍采用的被動隔振座椅的隔振效果較差,直接影響了拖拉機座椅的動態(tài)舒適性。（a) 頭部加速度曲線(b) 上軀干加速度曲線（c) 下軀干加速度曲線（d) 臀部和大腿加速度曲線圖10 仿真結(jié)果(3) 由仿真結(jié)果也可以看出,AVC 系統(tǒng)的收斂速度不快,幾乎都是在1s 后才有較好的控制效果,而且系統(tǒng)對臀部質(zhì)量塊的減振效果并不明顯,這些將是系統(tǒng)進一步完善解決的問題。2.1.2 座椅底座高度、寬度、長度、傾角的尺寸設(shè)計座椅高度應(yīng)該足夠,這樣可以避免過度的壓力壓在下方的大腿上。而這種壓力可能會降低小腿血液循環(huán)。座椅高度應(yīng)低于距離下方的腳凳腿當(dāng)駕駛員坐在座椅上即通過座椅高度來減少過多的壓力。我國標(biāo)準(zhǔn)建議座椅高度不能超過540毫米。座椅高度理想值對我國農(nóng)業(yè)工人應(yīng)為366毫米。因此, 即使駕駛員穿上鞋子，在我國拖拉機最佳座椅高度（圖11）應(yīng)為380毫米30。 圖11 座椅底座高度 圖12 座椅底座寬度和長度為了保證駕駛員舒適、方便姿勢變化,座位寬度應(yīng)大于駕駛員臀部寬度。它不應(yīng)小于400毫米。我國的農(nóng)業(yè)工人的理想值介于362和396毫米之間。根據(jù)統(tǒng)計局的資料，我國標(biāo)準(zhǔn)(GB),這個座椅寬度（圖12）應(yīng)不少于450毫米18。因此,基于這個值應(yīng)該考慮人體測量420 - 450毫米,包括保障操作工作的波動幅度。 座椅長度要大于臀部長度值，應(yīng)該有足夠間隙的小腿與背前沿的位置。座椅長度不應(yīng)太長了,讓駕駛員雙腿支撐抵抗振動。我國西部的男農(nóng)業(yè)工人臀部長度介于379和362毫米之間。因此,這個座位長度（圖12）不應(yīng)低于362 mm。國際推薦的座位長度為400±50毫米。Zander推薦的座椅長度為380毫米，我國男性的身材有1750毫米，因此,座位長度為370±10毫米的適合我國拖拉機駕駛員19。 一個座位向后傾斜,會產(chǎn)生兩個方面的作用。第一,重力的作用使背走向座椅靠背,從而支持背部肌肉。第二,稍微傾斜的座位將有助于防止打滑的漸進的駕駛員的座位。我國標(biāo)準(zhǔn)推薦一個座椅底座傾角（圖13）介于3 - 12°之間。最佳座位向后傾斜傾角=5 - 7°，這樣舒適性和安全性是適合拖拉機駕駛員31。圖13 座椅底座傾角2.2 座椅靠背設(shè)計 座椅靠背設(shè)計主要考慮駕駛員的舒適性，由于拖拉機駕駛速度較慢，不易發(fā)生車禍，可以不設(shè)計靠背頭枕，但拖拉機駕駛環(huán)境較差，因此，座椅靠背的設(shè)計是至關(guān)重要的。2.21 座椅靠背寬度、高度、傾角尺寸設(shè)計一個座椅靠背的功能是維持一個輕松的脊髓的姿勢。一定形狀和傾斜的靠背都是非常重要的20。該尺寸很簡單聯(lián)系座椅靠背上腰椎地區(qū)距離下方的臀部和座椅寬度。我國農(nóng)業(yè)工人座椅靠背寬度值（圖14）介于253和357毫米之間。梯形形狀可以提供座位靠背上具有較小寬度等因素對拖拉機的上方有操作工的空閑的那只手的運動。因此,建議的座位靠背寬度在底部和頂部應(yīng)為380 - 400和270 - 290毫米,分別包括補助給操作工的波動幅度21。如果有座椅襯墊，背墊高度測量壓縮在座位上面。許多設(shè)計人員建議靠背的一個開放的地方應(yīng)該至少容納125 - 200毫米的部分及臀部上方座椅里,讓腰部很好地靠上。一個高靠背防止全面的移動手臂和肩膀后面和運行期間觀看在拖拉機上液壓控制杠桿。國際推薦的座位靠背最低高度為260毫米。我國駕駛員座椅靠背低于448毫米。因此,靠背的高度應(yīng)該是348毫米(350毫米),減去100毫米自由座椅高度。拖拉機座椅應(yīng)該支持的背腰部,只應(yīng)獨立可調(diào)21。 圖14 座椅靠背寬度 圖15 座椅靠背傾角座椅靠背的傾角有兩個目的。首先,它防止了駕駛員打滑；其次,它使駕駛員靠著背墊(腰部)與下他的背和臀部部分的支持。為了使這些拖拉機座椅的角度在舒適區(qū)域,該角度應(yīng)該在95 - 105°之間。最好有一個可調(diào)靠背傾角（圖15）該傾角定為100°，提供更好的拖拉機座椅傾角支持21。調(diào)整方法：通過駕駛員壓座椅左杠桿與座椅底座的相對軸向位置來使座椅靠背和座椅底座相對運動，而座椅左套手與座椅底座與靠背連接桿通過圓柱螺旋拉伸彈簧固定靠背連接桿或者使靠背連接桿浮動的作用來（如圖16）產(chǎn)生一定的角度，座椅右套手通過旋轉(zhuǎn)彈簧在5°的范圍使的靠背的旋轉(zhuǎn)角度在95-105°變換，從而達到調(diào)整座椅靠背傾角的目的。拉伸彈簧的選擇：表4 螺旋拉伸彈簧參考資料所選彈簧的節(jié)距t=（H0-D）/n=(15.5-7)/8.5=1圓柱螺旋拉伸彈簧的結(jié)構(gòu)： 圖a 圖b圖16 座椅底座與靠背連接桿作用圖示連接原理：座椅左套手通過拉伸彈簧與座椅底座和座椅靠背連接桿連接，如圖b所示，座椅底座和座椅靠背連接示意圖，座椅左套手只能在軸的軸向方向進行運動，因此，通過左套手上的8個棘與座椅底座側(cè)面的8個空進行棘條拔出與插入的轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)，即可實現(xiàn)座椅靠背轉(zhuǎn)動獲得所需功能。3 拖拉機座椅截錐螺旋壓縮彈簧分析分析的意義：拖拉機駕駛員駕駛過程中，由于路面的不平整，拖拉機主動震動的因素，使駕駛員感覺在座椅上顛簸，本次設(shè)計的座椅旨在消除這些因素，讓駕駛員安全舒適的駕駛。座椅主要采用截錐螺旋壓縮彈簧減震系統(tǒng)來實現(xiàn)其功能要求。 3.1 截錐螺旋壓縮彈簧實體模型的建立阿基米德螺線 ，亦稱“等速螺線”。當(dāng)一點P沿動射線OP一等速率運動的同時，這射線有以等角速度繞點O旋轉(zhuǎn)，點P的軌跡稱為“阿基米德螺線，它的極坐標(biāo)方程為：r = a22。中心線同時在z方向上勻速上升。為了便于加載，約束，我們將彈簧分為三段建模：下部支撐段，有效工作圈，上部支撐段。這3段在z方向上分別上升d，nt，d。通過*do循環(huán)命令，建立中心線上的481個關(guān)鍵點，然后利用BSPLIN語句光滑連接各個關(guān)鍵點形成空間曲線，最后通過lcomb命令將每個工作段內(nèi)的線加成一整條線，以便于拖拉形成體。利用ANSYS分析軟件，生成實體模型圖17：圖 17 截錐螺旋壓縮彈簧實體模型3.12 截錐螺旋壓縮彈簧靜力分析對于接觸問題，應(yīng)該考慮接觸非線性影響23。調(diào)用上部所得有限元模型，通過接觸向?qū)ВO(shè)置目標(biāo)面單元targe170，接觸面單元contac174，并設(shè)置單元實參，控制法向接觸剛度因子FKN為0.1，最大滲透范圍FTLON為0.1，將目標(biāo)面單元和接觸面單元附屬到所有面上，進行接觸網(wǎng)格劃分，然后進行靜力求解24。因為求解的問題是從線性到非線性的變化過長，激活自動時間步長以便根據(jù)需要自動調(diào)整時間步長。對有限元模型下部支撐段下面的線的節(jié)點進行所有方向的約束，在加載時通過選中上部支撐段線上的節(jié)點，將1000N的集中力均布加到各個節(jié)點上。結(jié)果如下：圖18 彈簧荷載-變形曲線圖19 彈簧剛度-變形曲線由此可得ANSYS模擬的變剛度彈簧的剛度曲線基本符合實際規(guī)律，在線性階段剛度基本不變。由于所加荷載較小，所以剛度曲線的上升段不是很明顯。圖20 彈簧變形圖圖21 彈簧應(yīng)力圖通過壓并圖，可以發(fā)現(xiàn)彈簧壓并后并不是所有的簧圈都落在一平面上，而是重重疊加在一起。根據(jù)實際經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時，彈簧可以壓并在同一平面內(nèi)，否則彈簧不能被壓并到同一面上，在該題中，所以不能被壓并到一平面上，擬合效果與實際一致。通過應(yīng)力圖分析，發(fā)現(xiàn)該彈簧模型在1000N的壓力作用下，大部分區(qū)域的mises應(yīng)力在500Mpa左右，在上部支撐段和下部支撐段，應(yīng)力較小，在幾十Mpa范圍內(nèi)，應(yīng)力最大的區(qū)域在彈簧下部支撐段頂點與工作圈接觸的地方，應(yīng)力達到上千Mpa，但是該區(qū)屬于應(yīng)力奇異區(qū)，對實際應(yīng)用影響不大，不作分析。根據(jù)實際受力分析可以發(fā)現(xiàn)，彈簧的上部支撐段和下部支撐段的截面上的應(yīng)力主要是有剪應(yīng)力引起的切應(yīng)力，而有效工作段除了受剪力引起的切應(yīng)力外，還包括扭矩引起的切應(yīng)力。由此可以發(fā)現(xiàn)ansys的應(yīng)力模擬效果基本與實際一致。因為本題建模時考慮的是將荷載均布到上部支撐圈頂端的節(jié)點上，所以偏心效果不明顯，基本看不到。3.13 截錐螺旋壓縮彈簧的自振頻率計算（1）、手算彈簧剛度及質(zhì)量彈簧系統(tǒng)在壓并前的自振頻率彈簧參數(shù)： 20 30 6.5 4 1+1 11.5 200（2）質(zhì)量彈簧系統(tǒng)在壓并前的自振頻率v = （9）式中 為彈簧的剛度，為當(dāng)量質(zhì)量。查得相關(guān)資料如下25：表5 彈簧數(shù)據(jù)資料彈簧的質(zhì)量ms=*=*s*L=*d*d/4*n*（R2+R1） 得到ms=1.626×10-4kg （10）質(zhì)量塊的質(zhì)量m=F/g=20kg （11）可見，ms/m =1.626x0.0001/20=18.13×10-6，從而由表（5）查得,=0.2故當(dāng)量質(zhì)量me=4* *(m+* ms)= 789.6kg （12）由（9）式可得質(zhì)量彈簧系統(tǒng)在壓并前的自振頻率為：=(33010/789.6)0.5=6.466Hz在實際應(yīng)用中，應(yīng)該盡量使外擾激勵避開這個自振頻率范圍67Hz，防止共振出現(xiàn)。分析得出結(jié)論:采用截錐螺旋壓縮減震彈簧可以在非共振頻率范圍內(nèi)，當(dāng)震動較為劇烈時，由截錐螺旋壓縮減震彈簧的線性區(qū)域特性進行快速減震；當(dāng)震動頻率高時，由截錐螺旋壓縮減震彈簧的非線性區(qū)域特性進行穩(wěn)穩(wěn)減震；因此，這將非常有效的減少座椅底部對駕駛員的震動作用，使駕駛員舒適駕駛。4 結(jié)論本次設(shè)計過程中，首先充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，對我國整個拖拉機市場進行調(diào)查，集合自己的農(nóng)業(yè)經(jīng)驗，并綜合老師給的資料，結(jié)果表明：我國拖拉機市場處于很大的缺口狀態(tài)，拖拉機座椅的安全舒適性較差。所以，對于拖拉機中的駕駛員駕駛座椅設(shè)計有著至關(guān)重要的意義。設(shè)計過程中，主要考慮拖拉機座椅的安全和舒適性（其中，舒適性為著中設(shè)計的內(nèi)容），對座椅的設(shè)計分總體設(shè)計和零部件設(shè)計。總體設(shè)計主要是對座椅設(shè)計的內(nèi)容選擇、座椅整體機構(gòu)的設(shè)計以及幾種方案的比較，然后選擇其中較為合理的。零部件設(shè)計主要是座椅底座和座椅靠背兩部分，座椅底座考慮到是駕駛員的第一工作環(huán)境，保證其對駕駛員的安全舒適性是整個設(shè)計中最關(guān)鍵的內(nèi)容之一。由于拖拉機不采用座椅安全帶，座椅底座采用兩個側(cè)板以保證拖拉機在側(cè)翻時對駕駛員的身體保護；拖拉機工作時，震動較為劇烈，采用好的減震系統(tǒng)就很必要了，設(shè)計中，對選擇截錐還是圓柱彈簧進行了一點的方案比較，結(jié)果表明最終采用截錐螺旋壓縮彈簧進行整個座椅第一減震體系較好；拖拉機工作環(huán)境不穩(wěn)定，因此，拖拉機工作環(huán)境中的震動作用在設(shè)計中也進行了仿真分析，得出了拖拉機座椅的震動自振頻率，對設(shè)計座椅舒適性起到指導(dǎo)性作用。參考文獻1龔錦編譯.人體尺度與室內(nèi)空間M.天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，1987:35-41.2中國農(nóng)機院，中國農(nóng)機學(xué)會.拖拉機與拖拉機駕駛員M.中國農(nóng)業(yè)機械出版社，1985：54-62.3許英，朱序璋等.拖拉機駕駛座椅的人機工程學(xué)設(shè)計N.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新雜志，2008，3:2-44王繼成.產(chǎn)品設(shè)計中的人機工程學(xué)M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：11-345中國農(nóng)機院,中國農(nóng)機學(xué)會.拖拉機拖拉機駕駛員J.中國農(nóng)機院，中國農(nóng)機協(xié)會，1985,1:3-86劉春榮.人機工程學(xué)應(yīng)用M.上海：上海人民美術(shù)出版社，2004:21-347孫凌玉，陳全世.人機工程學(xué)在轎車車身安全性設(shè)計中的應(yīng)用J.西安：“中國公路學(xué)報”，2001,1:3-58周一鳴.拖拉機人機工程學(xué)M.北京：機械工業(yè)出版社，1988，第一版:21-349張超勇，馮佩蘭，李峰.拖拉機制造工業(yè)工程M.北京：機械工業(yè)出版社，2009:11-2310程悅蓀.拖拉機設(shè)計M.北京：中國農(nóng)業(yè)機械出版社，1981，第一版:46-7111張祖立主編. 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