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專業(yè)文獻(xiàn)綜述
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倉儲(chǔ)中紙箱打包機(jī)的研究
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倉儲(chǔ)中紙箱打包機(jī)的研究
摘要: 本文闡述了紙箱打包機(jī)的分類、國內(nèi)外紙箱打包機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r。介紹了一款目前國內(nèi)常用的全自動(dòng)紙箱打包機(jī)工作原理及機(jī)構(gòu)組成。分析了為實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)紙箱打包機(jī)的自動(dòng)化，高效率，而需具備的七個(gè)主要模塊。提出了全自動(dòng)紙箱打包機(jī)全自動(dòng)化，多樣化，環(huán)?；陌l(fā)展趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞：紙箱打包機(jī)；打包機(jī)原理；發(fā)展趨勢(shì)及問題
Storage in the research of carton packing machine
Abstract:This paper expounds the classification of carton packing machine, carton packing machine at home and abroad, the development of the situation. Introduces a current domestic commonly used automatic carton packing machine principle of work. Analyzed to realize automation, high efficiency, reliable function and to have seven major modules.Put forward the automatic carton packing machine automatic, diversification, the development trend of environmental protection.
Key words:Carton packing machine;Baling press principle;The development trend and problems
目前急需研究開發(fā)出、高性價(jià)比、高可靠、高適應(yīng)性，高性能的國產(chǎn)紙箱打包機(jī)。倉儲(chǔ)中紙箱包裝應(yīng)用廣泛，紙箱打包機(jī)也隨之需求增加。紙箱打包機(jī)適用于紙箱打包、紙張打包、包裹信函打包、輕工業(yè)打包、五金工具打包、陶瓷制品打包、汽車配件打包、機(jī)器配件打包、元器件打包等。
1紙箱打包機(jī)的分類
紙箱打包機(jī)按工作方式不同主要分為四大類：
（1）機(jī)械式的手動(dòng)紙箱打包機(jī)，即通過杠桿等機(jī)構(gòu)，先按住打包帶，再由工打包，工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，且操作不能規(guī)范，打包效果差，見圖1-1。
（2）半自動(dòng)打紙箱包機(jī)，工作時(shí)需要要人工手動(dòng)將打包帶插入機(jī)器后，機(jī)器才會(huì)完成收緊帶、粘合、切斷、出帶等一系列打包過程，由于每次打包都需人工手動(dòng)操作[7]，所以工作效率較低，勞動(dòng)強(qiáng)度高，見圖1-2。
（3）全自動(dòng)紙箱打包機(jī)，即由工作人員把包裝箱送到工作臺(tái)上，觸發(fā)打包開關(guān)后，自動(dòng)完成全部的打包動(dòng)作，人工參與較少，故效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度較低。
（4）全自動(dòng)無人化紙箱打包機(jī)，就是把自動(dòng)打包機(jī)集成到生產(chǎn)線上，成為一個(gè)打包單元，由生產(chǎn)線把包裝物送至打包位置，傳感器感應(yīng)到后發(fā)送信號(hào)到打包單元，打包單元自動(dòng)完成全部的打包動(dòng)作。倉儲(chǔ)中的紙箱打包機(jī)更適合用全自動(dòng)打包機(jī)，成本低，技術(shù)難度小,適合用于倉儲(chǔ)打包[6]，見圖1-3。
圖1-1機(jī)械式的手動(dòng)紙箱打包機(jī) 圖1-2半自動(dòng)紙箱打包機(jī)
圖1-3 全自動(dòng)紙箱打包機(jī)生產(chǎn)流水線
2國內(nèi)外紙箱打包機(jī)的發(fā)展
2.1國外紙箱打包機(jī)的發(fā)展
國外打包機(jī)機(jī)械的發(fā)展與應(yīng)用起始二十世紀(jì)初,其中有美國的SIGNODE公司、德國的CYKLOP公司,日本的下島株式會(huì)社等,但其生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)技術(shù)能力,水平都還較落后。直到二十世紀(jì)中葉,由于塑料材料的問世,致使以塑料帶作為打包材料成為現(xiàn)實(shí)[6]。
日本，最早涉足打包機(jī)械的有下島株式會(huì)社，日魯工業(yè)株式會(huì)社等。美國 SIGNODE 公司早在1915年便涉足打包機(jī)行業(yè)，是一家主要生產(chǎn)鋼帶打包機(jī)，同時(shí)也生產(chǎn)塑料帶，聚酯帶的跨國紙箱打包機(jī)生產(chǎn)企業(yè)。國外在五十年代采用光電管等自控元件,實(shí)現(xiàn)了紙箱打包機(jī)械初級(jí)自動(dòng)化。六十年代,在紙箱打包機(jī)中廣泛采用各種新型電子元件組成的控制系統(tǒng),采用機(jī)械、電氣、液壓、氣動(dòng)等綜合技術(shù),實(shí)現(xiàn)了專用的自動(dòng)紙箱打包作業(yè)線。七十年代將微電子技術(shù)引入自動(dòng)紙箱打包機(jī),實(shí)現(xiàn)了由電子計(jì)算機(jī)控制打包過程，使打包機(jī)向高度自動(dòng)化、高速生產(chǎn)化方向發(fā)展。八十年代初期開始,將微機(jī)和機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用紙箱打包機(jī)中，使的紙箱打包機(jī)器械正在實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)化方向發(fā)展，并向“無人化”自動(dòng)打包車間工廠過渡,使紙箱打包機(jī)械性能優(yōu)良,使打包產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高、成本低。目前，國外市場(chǎng)上已普遍存在一種摩擦焊接式打包機(jī)，它將對(duì)接的打包帶表面相互接觸旋轉(zhuǎn)，通過摩擦生熱使接觸面受熱熔融，進(jìn)而在壓力作用下焊接在一起，摩擦焊接快速靈活、焊接過程穩(wěn)定、清潔環(huán)保。此外，國外還將超聲波焊接技術(shù)應(yīng)用于打包機(jī)中，超聲波粘接技術(shù)通過高頻的超聲振動(dòng)把能量傳送到焊區(qū)，使打包帶接觸面迅速熔化，施加一定壓力后，熔接成一體。與傳統(tǒng)的直接加熱熔接相比，超聲波粘接技術(shù)具有熔接速度快、強(qiáng)度高、清潔無污染等優(yōu)點(diǎn)。為了降低紙箱打包機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)對(duì)生產(chǎn)的影響，國外紙箱打包機(jī)生產(chǎn)公司如美國 SIGNODE 公司對(duì)紙箱打包機(jī)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，將紙箱打包機(jī)分為機(jī)架模塊、機(jī)頭模塊、帶槽模塊 、進(jìn)退帶張緊模塊、送帶模塊、帶卷模塊 、帶欄模塊 、控制模塊，在某個(gè)模塊發(fā)生故障時(shí)，只需替換故障模塊即可，節(jié)省了維修時(shí)間，大大提高了生產(chǎn)率，見圖2-1。
1 機(jī)架模塊 2機(jī)頭模塊 3帶槽模塊 4進(jìn)退帶張緊模塊
5送帶模塊 6 帶卷模塊 7帶欄模塊 8控制模塊
圖2-1 全自動(dòng)紙箱打包機(jī)模塊化設(shè)計(jì)
2.2國內(nèi)紙箱打包機(jī)得發(fā)展現(xiàn)狀
中國紙箱打包機(jī)發(fā)展開始于1976年，與國外相比，發(fā)展較晚。最初只在書籍、報(bào)刊發(fā)行部門有所突破，獲得發(fā)展，這幾年來發(fā)展異常迅速，已廣泛應(yīng)用于輕工、食品、外貿(mào)、百貨、印刷、醫(yī)藥、化工、郵電、紡織等行業(yè)。目前紙箱打包機(jī)控制方面主要采用 PLC 實(shí)現(xiàn)，粘合方式普遍采用熱熔接，打包速度處于20-30 道／分鐘。國內(nèi)紙箱打包機(jī)生產(chǎn)企業(yè)上有百家，其中半自動(dòng)紙箱打包機(jī)的整機(jī)性能已接近國外先進(jìn)水平,但是自動(dòng)紙箱打包機(jī)仍與國外有較大的差距。曲阜華圣機(jī)械有限公司，北京鼎盛日高包裝機(jī)械有限公司，深圳凱洛威都是中國比較有實(shí)力的紙箱打包機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，其中凱洛威是一家專注包裝機(jī)械研究與生產(chǎn)的企業(yè)，凱洛威生產(chǎn)的KLW-201A高臺(tái)全自動(dòng)紙箱打包機(jī)，KLW-LA豪華型低臺(tái)紙箱打包機(jī)是公司最新設(shè)計(jì)研制的紙箱打包機(jī)，其特點(diǎn)是可靠性高，具有手動(dòng)、自動(dòng)、連續(xù)三種功能，打包速度為2.5秒/道。
2.3目前紙箱打包機(jī)存在的問題
（1）智能化程度低。國內(nèi)大部分全自動(dòng)紙箱打包機(jī)，如KLW-201A高臺(tái)全自動(dòng)紙箱打包機(jī)，KLW-LA豪華型低臺(tái)紙箱打包機(jī)雖然都是由PLC控制，但是其操作部分還是比較定式化的，控制面板還是就只有幾個(gè)按鈕來操作，沒有能夠自定設(shè)定的人機(jī)界面，因此用戶如果想使用紙箱打包機(jī)就必須要程序中的固有模式使用，不可自定設(shè)定。局限了人的能力。
（2）故障率高。使用過紙箱打包機(jī)的用戶都知道，紙箱打包機(jī)的故障率在眾多的包裝機(jī)械中是比較高的，原因在于它擁有比較復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，如何使用更簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)來替代目前的打包方式也是紙箱打包機(jī)發(fā)展中不可不提的重要工作。
（3）仿造較多。我國紙箱打包機(jī)在當(dāng)前全自動(dòng)打包機(jī)行業(yè)高速的發(fā)展歷程中，國內(nèi)的很多中、小型的包裝機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)在技術(shù)力量上比較薄弱，生產(chǎn)出來的紙箱打包機(jī)大部分質(zhì)量較差、性能不穩(wěn)定、效率低，更甚有一些紙箱打包機(jī)生產(chǎn)企業(yè)在刻意模仿國外企業(yè)的產(chǎn)品,自斷創(chuàng)新發(fā)展的道路。致使競(jìng)爭(zhēng)力弱、高仿成為了當(dāng)今紙箱打包機(jī)行業(yè)普遍存在的怪異現(xiàn)象,經(jīng)濟(jì)增長緩慢、效益微弱,成為了紙箱打包機(jī)行業(yè)的發(fā)展的難以跨越的鴻溝。
3目前常用的全自動(dòng)紙箱打包機(jī)的機(jī)構(gòu)組成及其工作原理
3.1全自動(dòng)紙箱打包機(jī)的機(jī)構(gòu)組成
圖3-1全自動(dòng)紙箱打包機(jī)機(jī)構(gòu)組成
3.1.1帶盤單元
主要用于帶卷的安裝，其技術(shù)關(guān)鍵主要在于兩方面：帶卷轉(zhuǎn)動(dòng)阻力要小，帶卷轉(zhuǎn)動(dòng)阻力過大會(huì)造成送帶阻力大，送帶輪與打包帶之間由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)而摩擦，導(dǎo)致打包帶磨損，影響后續(xù)送帶動(dòng)作，甚至出現(xiàn)故障；帶盤要具有制動(dòng)功能，送帶結(jié)束時(shí)，由于帶卷具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣性，必須要通過制動(dòng)使其及時(shí)停轉(zhuǎn)，否則會(huì)造成打包帶纏繞。
3.1.2送帶單元
主要用于將帶卷中的打包帶輸送到儲(chǔ)帶單元中。送帶單元由送帶電機(jī)、送帶輪、送帶通道組成。送帶電機(jī)帶動(dòng)送帶主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，送帶主動(dòng)輪與送帶從動(dòng)輪為上下分布，且以合適的壓力相接觸，打包帶穿入兩輪之間接觸面時(shí)形成一定的壓力，在送帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在打包帶表面與兩送帶輪的表面產(chǎn)生摩擦力，從而使打包帶不斷向前輸送。
3.1.3儲(chǔ)帶單元
用于儲(chǔ)存送帶單元輸送來的打包帶，相當(dāng)于進(jìn)退帶張緊單元與送帶單元之間的緩沖帶。若打包帶直接由送帶單元進(jìn)入進(jìn)退帶張緊單元，則需要送帶速度與進(jìn)帶速度高度一致，否則會(huì)造成打包帶纏繞。儲(chǔ)帶室中的帶量一般為打包兩、三個(gè)周期的用帶量，帶量過多會(huì)造成打包帶在儲(chǔ)帶室中擠壓變形，導(dǎo)致后續(xù)向弓架單元中送帶不暢，帶量過少會(huì)造成送帶單元送帶電機(jī)頻繁啟停，影響電機(jī)壽命。
3.1.4退帶張緊單元
是將儲(chǔ)帶室中的打包帶向弓架單元輸送的機(jī)構(gòu)，并在進(jìn)帶結(jié)束后將多余的打包帶退回到儲(chǔ)帶室中使打包帶緊貼在貨物表面，稱為“一次張緊”。進(jìn)退帶動(dòng)作是由同一個(gè)電機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的，且要求轉(zhuǎn)速很快，這對(duì)電機(jī)性能要求很嚴(yán)苛[1]。在“一次張緊”完成后，張緊從動(dòng)輪將打包帶緊壓在張緊主動(dòng)輪上，電機(jī)帶動(dòng)張緊主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，進(jìn)一步把打包帶拉緊，稱為“二次張緊”，二次張緊力可根據(jù)貨物打包要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。
3.1.5弓架單元
是使打包帶纏繞在貨物表面的機(jī)構(gòu)。在這一單元中，打包帶輸送通道是否光滑順暢是關(guān)鍵。打包帶在輸送通道中前進(jìn)的動(dòng)力是推動(dòng)力而非牽引力，因此要使打包帶能快速通過通道，必須要保證通道內(nèi)無任何阻礙，且通道內(nèi)壁光滑。此外，打包帶在通道中的速度很快，為保證弓架單元的使用壽命，與打包帶接觸部件必須要經(jīng)久耐磨。弓架一般都采用鋁合金材料，拆卸方便。
3.1.6機(jī)頭單元
是打包機(jī)的核心單元，由凸輪系統(tǒng)、左頂?shù)赌K、中頂?shù)赌K、右頂?shù)赌K、熱燙頭模塊及機(jī)架組成。左頂?shù)赌K負(fù)責(zé)將張緊的打包帶從動(dòng)端夾緊，中頂?shù)赌K用于將打包帶頂緊在熱燙頭表面使其充分熔融，并在熔融后將上下兩層打包帶頂緊在一起，使其粘合牢固。機(jī)頭單元的一些列動(dòng)作如夾緊、切斷、燙合等都是由凸輪驅(qū)動(dòng)相應(yīng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)是機(jī)頭動(dòng)作快速精準(zhǔn)的關(guān)鍵，也是提高打包機(jī)機(jī)可靠性的關(guān)鍵。
3.2全自動(dòng)紙箱打包機(jī)的工作原理
a進(jìn)帶過程 b退帶過程 c張緊過程 d切燙過程
1-弓架 2-止帶器 3-進(jìn)帶輪 4-打包帶 5-隔離臺(tái)
6-右頂?shù)?7-張緊臂 8-左頂?shù)?9-壓力塊 10-貨物
3-2全自動(dòng)紙箱打包機(jī)工作原理
全自動(dòng)紙箱打包機(jī)是使用打包帶纏繞在紙箱上、然后收緊打包帶并將兩端通過熱效應(yīng)熔融或使用包扣等材料連接的機(jī)器。我們將順序歸納成四步：
(1)進(jìn)帶過程
進(jìn)帶主動(dòng)輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，利用進(jìn)帶輪與打包帶之間的摩擦力使打包帶沿弓架向前輸送，直至帶的自由端碰到止帶器的微動(dòng)開關(guān)，觸發(fā)傳感器，使進(jìn)帶輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)。
(2)退帶過程
右頂?shù)渡仙龑⒋虬鼛ё杂啥思泳o，弓架打開，進(jìn)帶輪沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，同樣利用輪與帶之間的摩擦力使捆扎帶從弓架中退出，直至緊貼在貨物表面。
(3)張緊過程
打包帶退回至緊貼貨物表面后還無法將貨物捆緊，需要進(jìn)一步將打包帶拉緊以使捆扎牢固。張緊動(dòng)作是通過張緊輪的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，張緊時(shí)機(jī)頭單元中的凸輪通過連桿機(jī)構(gòu)使張緊從動(dòng)輪微動(dòng)，將打包帶緊壓在張緊主動(dòng)輪上，張緊主動(dòng)輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，將打包帶拉緊，這一過程稱為二次張緊。不同貨物所需捆緊力不同，通常情況下打包機(jī)機(jī)的張緊力是可以調(diào)節(jié)的，此處可通過調(diào)節(jié)張緊輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度來調(diào)節(jié)捆緊力的大小，張緊輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度越大，捆緊力越大，張緊輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度越小，捆緊力越小，不同的轉(zhuǎn)動(dòng)角度對(duì)應(yīng)不同的捆緊力度。
(4)切燙過程
打包帶二次張緊完成后左頂?shù)渡仙龑⒋虬鼛У膹膭?dòng)部分夾緊，中頂?shù)渡仙龑⒋虬鼛袛啵瑫r(shí)加熱燙頭進(jìn)入上下兩層打包帶之間，當(dāng)中頂?shù)渡仙潦股舷聝蓪哟虬鼛Ьo貼熱燙頭表面時(shí)，打包帶受熱熔融，中頂?shù)段?dòng)下降，熱燙頭退出，中頂?shù)哆M(jìn)一步上升使兩層打包帶熔融區(qū)域粘接在一起。待熔融區(qū)域冷卻后，整個(gè)打包周期完成，重復(fù)進(jìn)帶過程，為下一個(gè)打包周期做準(zhǔn)備。
4紙箱打包機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)
紙箱打包機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)在技術(shù)參數(shù)的優(yōu)化與提高。外形尺寸一般應(yīng)是越小越好,這樣可以極大地減小紙箱打包機(jī)占地面積,增強(qiáng)紙箱打包機(jī)的適應(yīng)能力。但也要考慮需打包產(chǎn)品的尺寸。在今后的十年中,紙箱打包機(jī)發(fā)展將會(huì)呈現(xiàn)出二個(gè)重要突破,一是使用對(duì)象不在僅僅局限于工業(yè)系統(tǒng),而將會(huì)向辦公、銀行、郵電，物流，快遞，電商等部門發(fā)展。打包的目的也不會(huì)再僅僅局限于保護(hù)商品,便于運(yùn)輸,同是也向美化商品發(fā)展,來增加商品的附加價(jià)值。如節(jié)日禮品的包裝打包，超市的小包裝打包。應(yīng)用多彩的打包帶給商品增添美感。增加商品價(jià)值。二是在打包用帶方面，不在局限于現(xiàn)在大量使用的聚丙烯塑料帶，而是將會(huì)有鋼帶打包，聚胺酯帶打包，機(jī)器配件等重型物品的打包。
目前，全自動(dòng)紙箱打包機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)集中表現(xiàn)為以下四個(gè)反面[3]：
(1)全自動(dòng)化
提高單機(jī)的自動(dòng)化程度來使包裝件從輸送機(jī)構(gòu)送來后，紙箱打包機(jī)能夠自動(dòng)定位、打包、轉(zhuǎn)位，進(jìn)行十字形、井字形等花樣打包，應(yīng)用微機(jī)控制，來實(shí)現(xiàn)無人操作的全自動(dòng)打包生產(chǎn)流水線。
(2)高級(jí)化
國外全自動(dòng)紙箱打包機(jī)已向 60 道／min 甚至是 70 道／min 的高速度打包的目標(biāo)發(fā)展。國內(nèi)紙箱打包機(jī)發(fā)展需要研制改進(jìn)捆緊力能夠隨著工作需要調(diào)節(jié)的紙箱打包機(jī)，來提高紙箱打包機(jī)的適應(yīng)能力(例如捆包規(guī)格、帶寬、打包能力、工作臺(tái)高、占地面積，能耗等)。
(3)多樣化
研制多種用途的打包機(jī)，例如壓縮打包機(jī)等；研制能夠代替鋼帶(或鋼絲)的重型帶，例如聚酯帶等；研制泡沫帶、軟帶以適應(yīng)臺(tái)式打包機(jī)的要求。
(4)打包帶環(huán)?；?
隨著人們對(duì)生活的要求越來越高，環(huán)保理念深入人心，研制開發(fā)以紙質(zhì)和無毒可降解的有機(jī)材料為主的打包帶代來替聚丙烯塑料。改變熱熔接方式，傳統(tǒng)的熱熔接的方式粘合打包帶會(huì)產(chǎn)生有毒有害氣體對(duì)操作者的健康及大氣環(huán)境造成不利影響，研究新的粘合技術(shù)來避免[6]。
結(jié)論
目前國內(nèi)市場(chǎng)上紙箱打包機(jī)打包速度一般處在20包/min到30包/min 左右，與國外大型紙箱打包機(jī)廠家如MOSCA達(dá)到58包/min,SIGNODE 達(dá)到70包/min存在一定差距[10]?？刂凭鹊蜔o法滿足國內(nèi)廣大的紙箱打包機(jī)使用廠家實(shí)現(xiàn)快速打包的要求，只能生產(chǎn)通用型紙箱打包機(jī)。國外全自動(dòng)紙箱打包機(jī)雖然性能好，能夠?qū)崿F(xiàn)快速打包，但價(jià)格昂貴。當(dāng)前我國生產(chǎn)的打包，包裝機(jī)械產(chǎn)品大都存在質(zhì)量不穩(wěn)定、性能單一、可靠性差、成本高、技術(shù)含量低的問題。與外國生產(chǎn)紙箱打包機(jī)械技術(shù)水平相比，國產(chǎn)紙箱打包機(jī)差距主要表現(xiàn)為：品種單一，生產(chǎn)力低[11]。我們應(yīng)該根據(jù)自己的特點(diǎn)，結(jié)合中國國情，準(zhǔn)確把握市場(chǎng)的發(fā)展規(guī)律，發(fā)揮自身的優(yōu)勢(shì)。包裝機(jī)械企業(yè)要想尋找更好的、長遠(yuǎn)的發(fā)展必須不斷開發(fā)新產(chǎn)品，準(zhǔn)確把握市場(chǎng)發(fā)展方向，提高產(chǎn)品的技術(shù)含金量以及機(jī)械的可靠性及降低產(chǎn)品成本來提高利潤以適應(yīng)當(dāng)前，提高紙箱打包機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的創(chuàng)新意識(shí)與能力。加之倉儲(chǔ)機(jī)械的基礎(chǔ)薄弱，倉儲(chǔ)紙箱紙箱打包機(jī)的發(fā)展也不容樂觀。
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