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磁力起重設(shè)備可分為電磁起重和永磁起重兩種。他們各有優(yōu)缺點，但現(xiàn)在永磁起重更受青睞，前景廣闊。然而，現(xiàn)在一些大型廠礦起業(yè)，也仍然用到電磁起重設(shè)備。比如，橋式電磁起重機現(xiàn)仍然廣泛應(yīng)用于各工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)中，擔負著各種物料的運輸和吊裝任務(wù)，是工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的重要設(shè)備�，F(xiàn)在，一些發(fā)達國家的這種設(shè)備，在出廠前就已經(jīng)安裝了防斷電物料墜落裝置。防止了斷電時墜落事故的發(fā)生。另外在一些特殊場合，電磁起重設(shè)備也又增設(shè)一定程度上的應(yīng)用。下面就寬厚鋼板電磁起重設(shè)備進行一下簡要地介紹。
電磁起重設(shè)備
在寬厚板起重技術(shù)的研究和應(yīng)用方面，我國還處在起步階段。寬厚板的特點是大而重。由此給電磁起重系統(tǒng)的設(shè)計帶來一系列特殊問題。其中最值得關(guān)注的是，該系統(tǒng)采用了耐高溫專用線性電磁鐵的設(shè)計思路和電控子系統(tǒng)的工作原理;特別是在電磁起重技術(shù)領(lǐng)域引人了精確調(diào)磁的概念。
1系統(tǒng)組成
起重電磁鐵是以被吸物作為銜鐵的一種直流電磁鐵。將n臺電磁鐵通過電控系統(tǒng)有機地組合在一起，便形成了電磁起重系統(tǒng)。電磁起重系統(tǒng)的工作原理相對簡單，工作時根據(jù)上層網(wǎng)絡(luò)的指令，電控系統(tǒng)控制全部或部分電磁鐵協(xié)同工作，達到吸放鋼板的目的。
電磁起重系統(tǒng)由電磁鐵、電控子系統(tǒng)和機械組件構(gòu)成，如圖1所示。電控主電路由PLC主控單元、變壓器、可控整流模塊和接觸器組成。PLC主控單元通過控制可控整流模塊實現(xiàn)電磁鐵調(diào)磁，而各吸盤通斷電選擇由PLC控制接觸器實現(xiàn)。由這些主電路構(gòu)成調(diào)磁保磁控制屏和自動充電屏，加上免維護蓄電池組，構(gòu)成了三位一體的電控子系統(tǒng)，該系統(tǒng)能自動切換、互為備用，能實現(xiàn)恒充、浮充、自動跟蹤和自動調(diào)整。
2電磁鐵總體布局的原則
電磁鐵的總體布局，基本原則是:用最少的電磁鐵個數(shù)，安全可靠地滿足起重要求，并確保板材的變形量最小。
1）為確保電磁鐵在高溫下能正常工作，既要把內(nèi)部線圈產(chǎn)生的電阻熱散發(fā)出去，又要阻止外部鋼板的熱量傳進來。所采取的措施有:采用耐高溫的電磁線;增加導(dǎo)熱絕緣層和外部傳導(dǎo)熱阻斷層;采用防輻射隔熱層;加大散熱面積并設(shè)計了外部散熱風道。鑒于每次只吊運單張鋼板，而鋼板規(guī)格的變化范圍很大，針對不同厚度的鋼板，電磁鐵需要輸出不同的電磁力，因此需要對電磁鐵進行無級調(diào)磁。為此，提出了“精確調(diào)磁”的概念，并開發(fā)了相應(yīng)的技術(shù)。要實現(xiàn)無級精確調(diào)磁，
2)電磁鐵性能一致性：為確保精確調(diào)磁、準確吸吊對應(yīng)的鋼板，要求成組電磁鐵之間性能具有高度的一致性。對同一臺吊車所用的電磁鐵，經(jīng)分析其電磁性能一致性要求為98%。
3)電磁鐵吊掛高度一致性：電磁鐵與掛梁的聯(lián)接采用鏈條聯(lián)接方式。對成組電磁鐵的基本要求是:保證磁極的底平面處在同一平面內(nèi)。為此采取措施:①電磁鐵裝配完成后，對磁極底面進行精加工，確保每個電磁鐵的底平面平整;②為保證電磁鐵的吊掛高度一致，采用高度可調(diào)的懸掛裝置，該裝置系螺栓式機構(gòu)。在現(xiàn)場調(diào)試安裝時，對成組吸盤進行高度調(diào)節(jié)，盡可能使成組電磁鐵的底平面在同一水平面里。
3電控子系統(tǒng)設(shè)計
I)工作原理系統(tǒng)的程序控制采用西門子S7-200PLC主控單元(CPU226)。 CPU226通過DP接口模塊EM277接到Profibus總線，與行車主PLC通訊。人機界面采用254 mm觸摸屏，采用SIMATICProTool組態(tài)軟件進行組態(tài)，各控制功能在觸摸屏上顯示為菜單，只需簡單觸摸，即可完成控制;觸摸屏通過通訊電纜聯(lián)接到CPU226的MP1接口。為確�？刂葡到y(tǒng)在掉電時保持正常工作，系統(tǒng)的程序控制部分采用UPS不間斷電源供電。
調(diào)磁系統(tǒng)采用智能三相全控整流模塊，將主電路與觸發(fā)電路集成為一體。系統(tǒng)設(shè)有電壓傳感器和電流傳感器，實時檢測模塊輸出電壓、電流，電壓傳感器和電流傳感器輸出通過A/D模塊讀人PLC。 PLC將整流模塊輸出電流值與給定電流值進行比較，根據(jù)比較結(jié)果調(diào)整D/A輸出。整個系統(tǒng)對工作電流閉環(huán)控制，控制精度高，確保電磁鐵的吸力穩(wěn)定，從而保證按設(shè)定方式吊運。調(diào)磁系統(tǒng)為邏輯無環(huán)流可逆系統(tǒng)，充磁時正組可控硅導(dǎo)通，電能正向饋人電磁鐵;退磁時PLC首先控制正組整流模塊移相至逆變狀態(tài)，將電磁鐵能量大部份回饋到電網(wǎng);PLC檢測電流值為0時，確認正組整流模塊關(guān)斷，再觸發(fā)導(dǎo)通反組整流模塊，對電磁鐵反向去磁。系統(tǒng)取消了外接電阻器強制去磁的方式，充磁退磁快，退磁效果好，實現(xiàn)了無觸點控制。
2)電磁鐵選擇控制
PLC的輸出通過接觸器控制各電磁鐵通斷電，每個電磁鐵分3段控制，并對各電磁鐵的工作狀態(tài)進行檢測，發(fā)現(xiàn)故障立即報警。由于調(diào)流模塊僅在吊運時輸出電流，所有接觸器都可以在主電路無電時由PLC控制其通斷，接觸器觸點不易損壞，使用壽命長。
3)停電保磁系統(tǒng) 采用免維護蓄電池作為備用電源，由自動充電屏對電池自動恒充、浮充，也可通過按鈕手動控制主充、浮充。自動充電屏對電池欠電壓、過電壓自動檢測、報警，根據(jù)檢測結(jié)果實現(xiàn)浮充、主充自動切換，并對電池定期活化放電。自動充電屏能自動限制充電電流，防止電流過大損壞蓄電池，系統(tǒng)自動跟蹤主電源狀態(tài)，保證在主電源斷電時蓄電池自動投人使用。
4)系統(tǒng)保護電路 電源進線采用過壓自動脫扣斷路器保護，變壓器次級采用快速熔斷器限流保護，吊運時若斷路器脫扣或熔斷器熔斷，蓄電池自動投人工作，確保安全吊運，同時發(fā)出警報。 PLC通過電壓傳感器和電流傳感器實時監(jiān)測直流輸出電壓、電流，并與給定值進行比較，當偏離限定值過大時(過壓或欠壓),PLC自動關(guān)斷整流模塊輸出，并控制蓄電池自動投入工作。多個吸盤聯(lián)用時，當某個電磁鐵發(fā)生故障導(dǎo)致其電流異常上升時，斷路器自動切斷這個電磁鐵的電源，避免連鎖反應(yīng)而影響其余電磁鐵的工作，同時發(fā)出警報。整流模塊有完善的阻容保護和防雷擊防浪涌電壓沖擊的壓敏電阻保護。
合理的電磁鐵總體布局、耐高溫的線性電磁鐵、精確調(diào)磁技術(shù)以及無觸點電控系統(tǒng)，都是技術(shù)關(guān)鍵。
電磁鐵耗電大、自重大、價格高、維修量大及有不安全隱患等一系列缺點。近年來,隨著永磁材料的飛速發(fā)展,尤其自20世紀80年代出現(xiàn)了磁性能優(yōu)異而又價廉的第三代稀土永磁材料——釹鐵硼以來,利用不耗電的永磁鐵制成永磁吸盤來代替電磁鐵受到普遍關(guān)注。永磁吸盤的技術(shù)關(guān)鍵是:磁路設(shè)計與選材、充、退磁方法及控制。
永磁起重技術(shù)
永磁起重技術(shù),是永磁材料應(yīng)用的新領(lǐng)域之一,也是起重技術(shù)發(fā)展中的一個新方向。永磁起重裝置的基本特征是:在起重作業(yè)過程中,不需要通電流,靠強大的永磁體的磁力把鋼鐵等鐵磁性物件吸吊起來。因此,相對于傳統(tǒng)的電磁式起重而言,永磁起重的最大優(yōu)點,是節(jié)省能源。因為不存在因停電而發(fā)生事故的問題,所以永磁起重裝置的另一個優(yōu)點是安全可靠。又由于不需要防斷電裝置,因此有利于降低成本。一般而言,永磁起重裝置的體積和重量,要比同級的電磁式的裝置小而輕。
永磁起重技術(shù),要解決的基本問題有二:第一是如何選用永磁材料及其最佳方案的設(shè)計問題;第二是怎樣解決卸重問題�？梢哉f,卸重問題更為重要,否則,起重量再大也沒有意義。我國從80年代末就開始了永磁起重技術(shù)的研究,取得了可喜的成果,
一、永磁起重裝置的類型與實例
對永磁起重裝置的基本要求是:在起重時,吸頭處具有強大的磁場,此時,磁力線通過了被吸的鋼鐵件,即被吸物是主磁路中重要組成部分;在卸重時,吸頭處沒有磁場(含磁場被抵消的情形),此時,被吸鋼鐵件中無磁力線通過。為達到這個基本要求,人們進行了各種的設(shè)計,研制出一系列裝置。我們可以從卸重方法的角度去分類敘述;同時,我們還應(yīng)當注意到為適應(yīng)特殊作業(yè)場合而設(shè)計的異型永磁起重裝置。
1電脈沖充退磁式永磁起重
所謂電脈沖充退磁式永磁起重,其基本原理就是,起重時,永磁體被飽和充磁,使吸頭處呈現(xiàn)強磁場;卸重時,永磁體被退磁,使吸頭處的磁場為零。這種設(shè)計思想,出現(xiàn)比較早[1]。圖1為原理示意圖。把一定匝數(shù)的線圈繞在永磁體上,當線圈通以一定的直流電脈沖電流時,永磁體被飽和充磁,此時為起重狀態(tài);當通以一定的反向直流電脈沖電流時,永磁體被退磁,為卸重狀態(tài)。為了便于充退磁和獲得較強的剩磁狀態(tài),應(yīng)采用低矯頑力和高剩磁的永磁材料,如柱狀晶的AlNiCo5永磁合金或與其具有相似磁性能的Fe-Cr-Co系永磁合金。但是,由于AlNiCo5和Fe-Cr-Co系永磁材料的最大磁能積比較小,所以其起重效果就不太理想。
圖1 電脈沖充退磁式永磁起重原理
2。 轉(zhuǎn)動位移式永磁起重
所謂轉(zhuǎn)動位移式永磁起重,就是在磁路結(jié)構(gòu)中,具有兩個磁系統(tǒng),一個為轉(zhuǎn)動的,另一個為固定的。通過轉(zhuǎn)動磁系統(tǒng)使磁路分別處于起重或卸重狀態(tài)。這里又有兩種情況第一,通過一個系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動,當磁路接通,并且被起重鋼鐵件成為磁路的一部分時,即為起重狀態(tài);當含被起重鋼鐵件的磁路斷開時,即為卸重狀態(tài)。第二,通過一個系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動,一種狀態(tài)使磁路接通并出現(xiàn)磁場疊加的狀態(tài),此即為起重狀態(tài);另一種狀態(tài)使磁路產(chǎn)生反向磁場,原磁場被抵消,此為卸重狀態(tài)。在各個具體實例中,又各有不同之處。圖2是其中一個實例[2],是通過轉(zhuǎn)動鑲嵌永磁體的圓餅形載體來實現(xiàn)起重和卸重的。當鑲嵌永磁體載體轉(zhuǎn)到圖2a位置時,形成了有磁力線通過被起重鋼鐵件的主磁路,此時為起重狀態(tài);當載體轉(zhuǎn)到圖2b位置時,形成了磁力線不經(jīng)過起重物的分磁路,此時為卸重狀態(tài)。當然,載體必須通過外力來實現(xiàn)轉(zhuǎn)動。一般而言,當起重量不太大時,可依杠桿原理用手柄來操作;當起重量大時,就要用電動機來帶動了。
該裝置的優(yōu)點是:克服了磁場疊加原理裝置所要求的機加工精度高、磁體性能一致性好以及吸力對吸物表面與其磁軛工作極面間間隙特別敏感的缺點,從而使永磁體的利用系數(shù)顯著提高。在此要提一下以下二項專利設(shè)計,一種設(shè)計是利用磁分路原理,通過轉(zhuǎn)動磁短路磁軛,可以使工作磁通短路,卸掉吸物。當轉(zhuǎn)到使工作磁通接通的位置時,工作磁軛上不吸有鐵屑,致使吸物被牢固吸住,作業(yè)安全可靠,造價大大降低。另一種設(shè)計利用磁場疊加原理,在磁路設(shè)計上分為上下兩個磁系,通過驅(qū)動裝置,使上磁系相對下磁系轉(zhuǎn)動,以實現(xiàn)磁場加倍(吸物)、相消(卸物),工作磁軛上可完全不吸有鐵屑,致使吸物被吸牢固,作業(yè)十分安全可靠。另外，還有人研制的轉(zhuǎn)動式永磁起重裝置,包括有殼體、傳動裝置及可轉(zhuǎn)動磁路可轉(zhuǎn)動部分裝有永磁體,固定部分也裝有永磁體及磁極頭。通過轉(zhuǎn)動磁路部分實現(xiàn)磁性的變換,使磁場疊加或抵消以解決對工件的吸重或卸重問題。
3。 平動位移式永磁起重
平動位移式永磁起重裝置的基本原理是:設(shè)計有2個磁系統(tǒng)(甲磁系統(tǒng)和乙磁系統(tǒng)),它們貼放在一起,并且可以相互之間平移。比如,通過甲磁系統(tǒng)的平移,可以使極頭處出現(xiàn)磁場(即起重狀態(tài))或無磁場(即卸重狀態(tài))。至于其中的具體結(jié)構(gòu),各家可能有所不同。由于平移時要克服強大的磁力,所以平移必須借助于外力,如用電動機來拖動就是常用的一種方法。平移式稀土永磁起重吊裝置,就很典型。該裝置中有由永磁體和磁軛組成的“上磁組”和“下磁組”。兩磁組之間有平移導(dǎo)向滑軌,框架兩端有限位傳感器,還有驅(qū)動電機、齒輪、齒條、鏈條等,其外為無磁鋼吊殼。當平移上磁組時,上下兩組磁場疊加,則為起重狀態(tài),若形成的磁路不經(jīng)過被吸重物時,則為卸重狀態(tài)。具體可參看圖3。
4。 磁開關(guān)式永磁起重
永磁起重吸盤，如圖4所示,是屬于磁開關(guān)式永磁起重裝置。基本設(shè)計思想是:系統(tǒng)做成主磁路和副磁路的耦合體。主磁路用強磁性的NdFe-B系合金組成,副磁路用低矯頑力高剩磁的Fe-Cr-Co系合金組成。主磁路是起重的主體,副磁路起磁開關(guān)作用,同時,在起重狀態(tài)下副磁路對起重量也有貢獻(約占總起重量的1/3)。當副磁路中永磁體的極性與相鄰的主磁路中永磁體的極性相同時,則兩個磁路磁場相疊加,同時磁力線經(jīng)過了被起重的鋼鐵件(被起重物是磁路中的一部分)此即為起重狀態(tài);當副磁路中永磁體的極性與相鄰的主磁路中的永磁體的極性相反時主磁路斷,副磁路通,被起重物中沒有磁力線通過,此即為卸重狀態(tài)。要保證吸頭處在卸重時為零磁場,其關(guān)鍵是要找出最佳設(shè)計參數(shù)來。副磁路(磁開關(guān))中的永磁體上要繞上一定匝數(shù)的線圈。線圈中通以一定大小的不同方向的脈沖電流,就可實現(xiàn)副磁路中永磁體的N、S極換向。即此時的永磁體的磁狀態(tài)在正飽和磁感(+Bs)和負飽和磁感(-Bs)之間變化。至于磁路結(jié)構(gòu)形式及其尺寸、永磁體的形狀及其尺寸、線圈匝數(shù)、脈沖電流等技術(shù)參數(shù),要通過理論計算和實驗來確定,即都存在個最佳條件問題。圖4中的1和2分別為Nd-Fe-B和Fe-Cr-Co永磁體,3、4、5和6為磁軛。磁軛3和5下端就是吸頭。當通以脈沖電流(0。1秒)時,永磁體
2下端的極性(S)與相鄰的永磁體1右端的極性(N)相反,則副磁路通(1→5→2→6→3→4→1),主磁路斷,被吸物中無磁力線通過,此即為卸重狀態(tài);當脈沖電流換向時,則永磁體2下端的極性改變(N),主磁路中磁場(1→5→被吸物→3→4→1)和副磁路中的磁場(2→5→被吸物→3→6→2)同向,吸頭端(磁軛5和3的下端)的磁場疊加,即為起重狀態(tài)。副磁路的磁力對起重的貢獻大小與永磁體2的剩磁(Br)有關(guān),剩磁越大效果越好。整體設(shè)備是由20個相同的單元起重磁路組合而成的。它們是用無磁鋼桿被緊固在一塊大頂軛中,各單元磁路是彼此獨立的。最大起重量為3。5噸,節(jié)能率為98%以上,起重量的大小是由單元磁路的多少決定的。脈沖電流是由脈沖電路中的電力電容器提供的。
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這種裝置的基本特征就是,在裝置中同時設(shè)計有永磁磁路和電磁磁路。起重時,靠永磁磁路產(chǎn)生的磁力去吸起重物;卸重時,由電磁磁路產(chǎn)生的等值反向磁場去抵消永磁磁路產(chǎn)生的磁場。
采用在普通的起重電磁鐵中嵌裝釹鐵硼稀土永磁的結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的控制線路,實現(xiàn)永磁體產(chǎn)生吸力吸重、線圈瞬間通電產(chǎn)生反向磁場卸重,是一種不需斷電保護裝置就可實現(xiàn)安全運行的起重設(shè)備。其原理如圖5所示。
另一項也是屬于電磁反磁場抵消式永磁裝置,所不同的是不用外接電源,而是內(nèi)裝蓄電池。利用嵌裝在鐵心中的釹鐵硼永磁體產(chǎn)生吸力吸重,利用蓄電池自動或手動控制裝置,瞬間向線圈通電進行卸重,是一種具有報警、安全顯示及不需斷電保護的起重設(shè)備。
6。其它永磁起重裝置
高溫永磁起重裝置,采用高居里點稀土永磁體,可吸600℃左右的鋼鐵件,是利用磁場疊加原理,把磁路設(shè)計成兩個磁系,并在驅(qū)動裝置作用下相對運動,以實現(xiàn)磁場加倍(吸物)、相消(卸物)。 “矩陣式永磁吸盤”,采用多磁極的平板吸盤,它將多個磁極集中在一起,充分利用了磁體在磁極附近磁場強度最高的特點,應(yīng)用上述的兩塊圓吸盤組成的圓吸盤對具有產(chǎn)生無接觸式振動源的功能,給制造大型振動臺、振動篩等提供了一種全新的振動源,由矩形平板吸盤及純鐵矩陣板組成的起重吸盤,可提升厚度僅為2mm的薄鋼板。
二、設(shè)計中的幾個問題
1、永磁材料的選用問題
在永磁起重技術(shù)方面,需要首先考慮的,就是永磁材料的選用問題。在諸多的永磁材料中,當然,倍受矚目的就是具有高磁性能的Nd-Fe-B系永磁合金了。但Nd-Fe-B系合金的溫度穩(wěn)定性不好,一般高于80℃時,磁性便急劇惡化,所以它適合于常溫下使用。目前出現(xiàn)的可在100～250℃下使用的所謂高溫型Nd-Fe-B合金,乃是以大幅度的降低其基本磁性為代價的。Nd-Fe-B系合金的化學(xué)穩(wěn)定性也不佳,所以在使用時還得采取某些防護措施(如鍍膜等),人們雖然還從合金化角度做些改進,但依然是以犧牲磁性為代價的。
從發(fā)展永磁起重技術(shù)角度考慮,我們熱切地希望磁性優(yōu)異、居里點高、磁穩(wěn)定性好和價格適中的新型永磁材料能早日投入市場。
此外,對選用的永磁材料,還存在著合理使用問題。既要充分考慮材料本身的特點,也要考慮設(shè)計方案的整體要求,還要考慮到具體的使用環(huán)境,找出最佳設(shè)計參數(shù)這些問題,都有賴于理論計算和通過磁路設(shè)計去求得合理解決。當然,還得通過實踐去檢驗,在實踐中不斷求得完善。
2、單元永磁起重磁路及其組合體問題
電磁式起重裝置是以軟磁體為磁芯,并通過對繞在軟磁體上的線圈作通斷電操作,就可進行大型鋼鐵件的起吊作業(yè)了。但對永磁式起重而言,情況卻根本不同。首先,從所用材料上看,永磁材料不僅在磁性上,而且在制造工藝上也同軟磁材料有很大的差異。若想制造大塊永磁體,不論是鑄造法或是粉末冶金法,以及在其后的熱處理等環(huán)節(jié)上,都有相當?shù)碾y度�？梢�,那種期望用一塊或少數(shù)幾塊大型永磁體就能制成可吊運大型鋼鐵件的永磁起重設(shè)備,是難以實現(xiàn)的。第二,從磁路特點上看,既然永磁體的尺寸有一定限度,那么就決定了永磁起重磁路的尺寸也是有限度的。此外,從減少漏磁角度考慮,永磁磁路也不宜太大,應(yīng)盡量緊湊些。可見,永磁起重磁路,是一種單元磁路,單元磁路的起重量當然也是有限度的,它不能承擔起吊大型鋼鐵件的任務(wù)。
3、永磁起重中的卸重問題
所謂卸重狀態(tài),就是設(shè)法使吸頭處的磁場變?yōu)榱阒?人們?yōu)榇诉M行了種種設(shè)計。對永磁體直接進行充退磁的方法,雖比較簡捷,但有局限性,對高矯頑力的永磁體就不便采用。轉(zhuǎn)動位移式的和平動位移式的,不失為是兩種好方法。但也存在問題:第一,從磁路設(shè)計角度考慮,兩個磁系統(tǒng)之間的間隙越小越好,這樣一來場強也越大漏磁越小;但場強越大,位移阻力就越大。這是一個矛盾。第二,隨著位移次數(shù)的增加,磨損也會逐漸顯現(xiàn)出來,從而也就導(dǎo)致漏磁的增大。第三,位移要有外力作用才行,通常要用電動機來拖動,這樣,起重量越大,消耗的電能也越大。電磁反磁場抵消法,既消耗電能,又添加一套電控系統(tǒng),不經(jīng)濟。
綜上所述, 起重用電磁吸盤(即電磁鐵)用于吸運各類鋼鐵器材可省卻人工捆扎、掛裝吊鉤等繁重工作。其所產(chǎn)生的電磁吸力依賴于通電線圈的安匝數(shù),因而有耗電大、自重大、高溫壽命短、有不安全隱患、附屬設(shè)備多、價格高及維修量大等缺點。隨著工業(yè)與科技的不斷發(fā)展,不耗電的永磁鐵慢慢代替了電磁鐵進行吸運工作。然而，永磁起重技術(shù)中關(guān)鍵的卸重問題,目前還沒有圓滿解決。有關(guān)這方面的研究,依然是永磁起重技術(shù)研究中的“重頭戲”,研究者任重道遠。
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