空气循环机、用于其的可调变速驱动组件及飞机制冷装置的制作方法

1.本实用新型涉及飞行器空气循环领域，特别涉及一种空气循环机、用于其的可调变速驱动组件及飞机制冷装置。


背景技术：

2.无论是在空中或者地面，飞机内部环境都需要通过飞机空调系统来保持一定的温度、湿度、压力，进而保证身在其中的乘客和飞行员的舒适性。现代民用飞机空调系统需同时具备向座舱提供制冷(制热)功能、向机组和乘客提供足够的新鲜空气并且向座舱提供足够的供气量用于座舱压力控制。为了同时满足上述需求，现代民用飞机空调系统均采用空气循环方式进行制冷，而空气循环机则是空调系统实现空气循环制冷功能的最核心部件。
3.目前民用飞机空调系统最常用的空气循环机有tcf(涡轮+压气机+风扇)三轮式和ttcf(涡轮+涡轮+压气机+风扇)四轮式等形式，其基本功能是将经过初级换热器预冷的气体送入压气机增压，再供入主换热器进行中间级冷却，然后回热冷凝高压除水，最后送入动力涡轮膨胀冷却，其中，初级换热器和主换热器冷路使用风扇抽引外界环境空气作为冷源，动力涡轮除了冷却降温外，还向同轴压气机和风扇输出膨胀功，起到涡轮驱动作用。
4.风扇压气机组合式空气循环机的本质是对涡轮膨胀功进行了重新分配，这种空气循环机同时兼顾了中间级冷却增压和冲压空气风扇抽引能力，使得空调系统对冷边无冲压空气压头的低速工况和中低等引气压力工况具备了较广泛的适应性。
5.但由于上游气源系统(发动机/apu)引气压力限制，且现代民用飞机运行温度高度范围(-70℃到55℃，-2000ft到40000ft)和制冷量需求变化范围较大，现有的组合式空气循环机常出现制冷量需求与引气压力需求不匹配的场景，例如：
6.1)地面热天发动机/apu供气，受限于发动机慢车状态或apu供气能力，引气压力较小，空气循环机出口温度较高，制冷量不足，影响座舱热舒适性；
7.2)巡航阶段为了降低发动机油耗，由发动机的中压级作为空调系统的引气时，由于低引气压力限制可能造成空调系统供气量不足；
8.3)在其他飞行阶段，由发动机的高压级作为空调系统的引气时，通常发生由于高引气压力造成供气量大于空调系统的供气需求量，这种过多的引气会导致无谓的燃油及能量浪费。
9.上述问题中的前两点可通过切换发动机高压级引气或提升apu引气压力得到有效解决，但由于引气方式直接提取发动机/apu功率的效率较低，虽然解决了空调系统制冷或供气量问题，但产生的燃油代偿损失较大；而上述问题中的第三点，现有技术中并没有给出比较有效的解决方案。
10.有鉴于此，实有必要开发一种空气循环机、用于其的可调变速驱动组件及飞机制冷装置，用以解决上述问题。


技术实现要素：

11.本技术的实施例提供一种空气循环机、用于其的可调变速驱动组件及飞机制冷装置，以解决因引气压力不足或引气压力过大而导致空调系统制冷供气量不足或燃油浪费的技术问题。
12.为了解决上述技术问题，本技术的实施例公开了如下技术方案：
13.一方面，提供了一种空气循环机，包括：
14.压气机；
15.以串联方式机械耦接至所述压气机的至少一个涡轮；
16.压气机轴，其连接至所述压气机并被配置为接收转动载荷；
17.至少一根涡轮轴，每根所述涡轮轴连接至相应一个所述涡轮并被配置为提供部分转动载荷；以及
18.可调变速驱动组件，其机械耦接至所述压气机轴和/或所述涡轮轴；
19.其中，所述可调变速驱动组件将其自身产生的附加转动载荷选择性地传递至所述压气机轴以调节所述压气机的转速。
20.除了上述公开的一个或多个特征之外，或者作为替代，空气循环机还包括在所述压气机的上游与所述压气机流体连通的一级热交换器。
21.除了上述公开的一个或多个特征之外，或者作为替代，空气循环机还包括在所述压气机和涡轮之间流体连通的二级热交换器。
22.另一方面，进一步公开了一种用于空气循环机的可调变速驱动组件，除了上述公开的一个或多个特征之外，或者作为替代，所述可调变速驱动组件包括：
23.驱动器；
24.变速器，其机械耦接至所述压气机轴和/或所述涡轮轴；
25.离合器，其设于所述驱动器与变速器之间；
26.其中，所述离合器用于将所述驱动器与变速器进行选择性地机械耦接；所述变速器将所述驱动器产生的附加转动载荷传递至所述压气机轴以调节所述压气机的转速。
27.除了上述公开的一个或多个特征外，或者作为替代，所述变速器包括：
28.太阳轮轴，其一端固定连接有主动太阳轮，另一端固定连接有从动太阳轮；
29.至少两根行星轮轴，其围绕所述太阳轮的外周轴向布置，并且，每根行星轮轴的一端固定连接有主行星齿轮，另一端固定连接有辅行星齿轮；
30.驱动输入轴，其与其中一根所述行星轮轴机械耦接；
31.涡轮驱动输入轴，其一端固定连接有耦接齿轮，所述耦接齿轮与所述从动太阳轮的轴向端面相对且间隔布置以形成位于两者之间的耦接空间；以及
32.至少两根传动轮轴，每根所述传动轮轴的两端分别固定连接有第一传动齿轮及第二传动齿轮；
33.其中，每根所述传动轮轴的第一传动齿轮与相应一根行星轮轴的辅行星齿轮相啮合，每根所述传动轮轴的第二传动齿轮对接入所述耦接空间中并分别与所述从动太阳轮及所述耦接齿轮相啮合。
34.除了上述公开的一个或多个特征外，或者作为替代，所述变速器还包括动力输出轴，所述动力输出轴机械地耦接至所述太阳轮。
35.除了上述公开的一个或多个特征外，或者作为替代，所述压气机轴机械耦接至所述动力输出轴。
36.除了上述公开的一个或多个特征外，或者作为替代，所述变速器还包括内部中空的太阳轮箱，所述主动太阳轮沿轴向转动自由地布置于所述太阳轮箱中；
37.其中，所述太阳轮箱的内侧壁固定设置有一圈支持环，每根所述行星轮轴均转动自由地穿过所述支持环，使得所述主行星齿轮布置于所述太阳轮箱中并与所述太阳轮相啮合。
38.除了上述公开的一个或多个特征外，或者作为替代，所述变速器还包括内部中空的耦合轮箱，所述耦接齿轮沿轴向转动自由地布置于与所述耦合轮箱中；每根所述传动轮轴转动自由地穿过所述耦合轮箱后将所述第二传动齿轮维持在所述耦合轮箱中。
39.另一方面，进一步公开了一种飞机制冷装置，除了上述公开的一个或多个特征之外，或者作为替代，飞机制冷装置包括：
40.如上任一项所述的空气循环机；
41.发动机引气流道，其接收来自发动机的引气流；
42.冲压空气流道，其接收飞机在飞行过程中由相对运动产生的冲压空气；以及
43.布置于所述冲压空气流道中的一级热交换器与二级热交换器；
44.其中，所述一级热交换器在所述压气机的上游与所述压气机流体连通，所述压气机从所述一级热交换器的出口接收一级冷却空气；所述二级热交换器在所述压气机和涡轮之间流体连通，至少一个所述涡轮从所述二级热交换器的出口接收二级冷却空气；所述可调变速驱动组件将其自身产生的附加转动载荷选择性地传递至所述压气机轴以调节所述压气机的转速。
45.除了上述公开的一个或多个特征之外，或者作为替代，飞机制冷装置还包括冷凝器及布置在所述冲压空气流道中的风扇单元，所述风扇单元与所述压气机轴机械耦接，从至少一个所述涡轮流出的冷却空气流经所述冷凝器；所述风扇单元将冲压空气的一部分引流至所述冷凝器以作为所述冷凝器的冷却剂。
46.除了上述公开的一个或多个特征之外，或者作为替代，飞机制冷装置还包括水分离器，从冷凝器流出的冷凝空气流经所述水分离器。
47.上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：由于其能够根据引气压力大小实时调整可调变速驱动组件的附加转动载荷大小，并将附加转动载荷传递给压气机，从而不仅能够在低引气压力是通过提高压气机转速来提高压气效率、增大引气量，还能够在高引气压力时通过降低压气机的转速来降低压气效率。
48.上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：由于其在高引气压力时，在降低压气机的转速来降低压气效率同时，还能够过多的转动能量转化成电能进行存储，避免了能源浪费，提高了燃油利用率。
附图说明
49.下面结合附图，通过对本技术的具体实施方式详细描述，将使本技术的技术方案及其它有益效果显而易见。
50.图1为可实施本实用新型实施例的飞机的轴测图，图中示出了飞机的各主要零部
件；
51.图2为可实施本实用新型实施例的飞机的轴测图，图中示出了空气循环机在飞机中可能的布局方式；
52.图3为本技术实施例提供的飞机制冷装置的结构示意图；
53.图4为本技术实施例提供的空气循环机的结构示意图；
54.图5为本技术实施例提供的空气循环机的另一结构示意图。
55.附图部件标识如下：
56.1、飞机；
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11、客舱；
57.111、飞机驾驶舱；
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12、机翼；
58.121、襟翼；
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122、副翼；
59.123、前缘缝翼；
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124、扰流板；
60.13、引擎舱；
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14、垂直尾翼；
61.141、方向舵；
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15、水平安定面；
62.151、水平安定面前缘配平片；
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152、升降舵；
63.16、空气循环机；
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161、引流管；
64.162、压气机；
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1621、压气机轴；
65.163、涡轮；
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1631、涡轮轴；
66.164、冲压流道；
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165、风扇单元；
67.166、热交换组件；
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1661、第一热交换器；
68.1662、第二热交换器；
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167、回热器；
69.168、冷凝器；
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169、水分离器；
70.17、发动机；
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18、可调变速驱动组件。
具体实施方式
71.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
72.图1说明了可实施本实用新型实施例的飞机的特征。图1为利用了根据本实用新型实施例所述空气循环机的飞机结构图，该飞机的发动机被引擎舱13所容纳，具体地，飞机的发动机可以为燃气涡轮发动机。飞机1包括客舱11及两片机翼12，每片机翼12都可以包括一个或多个前缘缝翼123和一个或多个襟翼121。进一步地，机翼12还可以包括副翼122、扰流板124、垂直尾翼14、方向舵141、水平安定面15、水平安定面前缘配平片151、升降舵152，通常，垂直尾翼14及水平安定面15被统称为尾翼。
73.参照图2，由引擎舱13内的燃气涡轮发动机17提供动力的飞机还包括飞机制冷装置，该制冷装置可包括至少一个空气循环机(acm)16与相应的一个acm控制器。空气循环机16飞机的空气调节系统，通常被称为空调组。空气循环机16可接收来自一条或多条引气流道161的引气，该引气流道161连接至引擎舱13内相应的一台或多台燃气涡轮发动机17。经空气循环机16调节后的的调节空气可以被送到客舱11中。空气可以通过客舱11分布在飞行器系统中,以冷却飞机系统的电子设备并为飞机1上的其他可居住空间提供经过调节的空气，例如飞机驾驶舱111。使用后的或者多余的空气也可以通过飞机的排气口排出。
74.参照图3，其示出了空气循环机16。图3所示的空气循环机16包括压气机162、一个或多个涡轮163、风扇165。可以理解的是，涡轮163的布置数量可以根据实际工况及飞机参数来进行调整，如在图3、图4示出的实施例中涡轮163布置有1个，而在图5示出的实施例中，涡轮163串联地布置有两个，且彼此机械耦合。
75.在传统配置中，类似压气机162、涡轮163及风扇165旋转部件连接到同一个旋转轴上，当其中旋转部件的尺寸及性能发生调整或优化设计时，也会导致其他旋转部件作出适应性调整，由此则导致传统空气循环机16的设计参数一旦固定，其各性能将是一个固定且不可调节的值，这越来越不能满足日益增多的飞行工况需求。
76.继续参照图3，根据图3所公开的实施例，压气机162及涡轮163与可调变速驱动组件18机械地转动耦合，从而彼此交换转动载荷。因此，该配置可以允许空气循环机16中的压气机162和涡轮163彼此独立的优化设计，从而可以按照各个旋转部件当前所需的转速来进行独立调整，从而提高飞机运行过程中，空气循环机16的制冷效率。也就是说，在本实施例中，压气机162及涡轮163彼此转动耦合至可调变速驱动组件18，而不是像在传统配置中那样，通过空气循环机内部的公共轴直接彼此机械耦合。具体地，压气机轴1621连接至所述压气机162并被配置为接收转动载荷；每根涡轮轴1631连接至相应一个所述涡轮163并被配置为提供部分转动载荷；可调变速驱动组件18将其自身产生的附加转动载荷选择性地传递至所述压气机轴1621以调节所述压气机162的转速。由于能够根据引气压力大小实时调整可调变速驱动组件18的附加转动载荷大小，并将附加转动载荷传递给压气机162，从而不仅能够在低引气压力是通过提高压气机162的转速来提高压气效率、增大引气量，还能够在高引气压力时通过降低压气机162的转速来降低压气效率。
77.此外，此类空气循环机16还包括布置在冲压流道164中的热交换模组166，在图3示出的实施例中，热交换模组166包括一级热交换器1661和二级热交换器1662，两者均为空气对空气热交换器。具体而言，引气161被引导至一级热交换器1661，冲压流道164中的外界空气可用作该热交换模组166的冷却剂。经一级热交换器1661预冷却后的空气进一步地被压气机162压缩，通过一级热交换器1661的预冷却可以提高空气循环机16的效率，因为它降低了进入压气机162的空气的温度，因此压缩给定的空气质量需要更少的能量。经压气机162压缩后的空气同时会进一步加热并被输送至二级热交换器1662，二次热交换器1662可再次使用冲压流道164中的外界空气作为冷却剂。而后，经二次冷却后的空气流经涡轮163，涡轮163在空气膨胀时从中提取能量并输出部分转动载荷，部分转动载荷经可调变速驱动组件18的传递后被最终传递给压气机162，作为压气机162的压气动力。在另一实施例中，从涡轮163的出风口流出的低温空气流经冷凝器168进行进一步冷却，冷却后的空气输入客舱11、飞机系统电子设备舱、飞机驾驶室111或者舱外。在图3示出的实施例中可以看出，冲压流道
164中布置有风扇165，该风扇165与压气机162同轴连接，从而压气机162转动过程中也同步带动风扇165转动，风扇165转动过程中将冲压流道164的外界空气引导至冷凝器168中以作为冷凝器168的冷却剂。在又一实施例中，经二级热交换器1662冷却的空气在输入涡轮163之前还需流经回热器167。在又一实施例中，经冷凝器168冷却的空气在输入客舱11前，还需流经水分离器169，水分离器169能够将空气中的水分出去已降低空气湿度。
78.接下来参照图4，在图4示出的实施例中可以看出，所述可调变速驱动组件18包括：
79.驱动器181；
80.变速器，其机械耦接至所述压气机轴1621和/或所述涡轮轴1631；
81.离合器182，其设于所述驱动器181与变速器之间；
82.其中，所述离合器182用于将所述驱动器181与变速器进行选择性地机械耦接；所述变速器将所述驱动器181产生的附加转动载荷传递至所述压气机轴1621以调节所述压气机的转速。
83.再次参照图4，所述变速器包括：
84.太阳轮轴1841，其一端固定连接有主动太阳轮184，另一端固定连接有从动太阳轮1843；
85.至少两根行星轮轴185，其围绕所述太阳轮184的外周轴向布置，并且，每根行星轮轴185的一端固定连接有主行星齿轮1851，另一端固定连接有辅行星齿轮1852；
86.驱动输入轴，其与其中一根所述行星轮轴185机械耦接；
87.涡轮驱动输入轴188，其一端固定连接有耦接齿轮1881，所述耦接齿轮1881与所述从动太阳轮1843的轴向端面相对且间隔布置以形成位于两者之间的耦接空间；以及
88.至少两根传动轮轴186，每根所述传动轮轴186的两端分别固定连接有第一传动齿轮1861及第二传动齿轮1862；
89.其中，每根所述传动轮轴186的第一传动齿轮1861与相应一根行星轮轴185的辅行星齿轮1852相啮合，每根所述传动轮轴186的第二传动齿轮1862对接入所述耦接空间中并分别与所述从动太阳轮1843及所述耦接齿轮1881相啮合。
90.进一步地，所述变速器还包括动力输出轴1842，所述动力输出轴1842机械地耦接至所述主动太阳轮184。
91.进一步地，所述压气机轴1621机械耦接至所述动力输出轴1842。
92.进一步地，所述变速器还包括内部中空的太阳轮箱183，所述主动太阳轮184沿轴向转动自由地布置于所述太阳轮箱183中；
93.其中，所述太阳轮箱183的内侧壁固定设置有一圈支持环1831，每根所述行星轮轴185均转动自由地穿过所述支持环1831，使得所述主行星齿轮1851布置于所述太阳轮箱183中并与所述主动太阳轮184相啮合。
94.进一步地，所述变速器还包括内部中空的耦合轮箱187，所述耦接齿轮1881沿轴向转动自由地布置于与所述耦合轮箱187中；每根所述传动轮轴186转动自由地穿过所述耦合轮箱187后将所述第二传动齿轮1862维持在所述耦合轮箱187中。
95.参照图3，图3示出的实施例公开了一种飞机制冷装置，包括：
96.空气循环机16；
97.发动机引气流道，其接收来自发动机的引气流161；
98.冲压空气流道164，其接收飞机在飞行过程中由相对运动产生的冲压空气；以及
99.布置于所述冲压空气流道164中的一级热交换器1661与二级热交换器1662；
100.其中，所述一级热交换器1661在所述压气机162的上游与所述压气机162流体连通，所述压气机162从所述一级热交换器1661的出口接收一级冷却空气；所述二级热交换器1662在所述压气机162和涡轮163之间流体连通，至少一个所述涡轮163从所述二级热交换器1662的出口接收二级冷却空气；所述可调变速驱动组件16将其自身产生的附加转动载荷选择性地传递至所述压气机轴1621以调节所述压气机162的转速。
101.进一步地，飞机制冷装置还包括冷凝器168及布置在所述冲压空气流道164中的风扇单元165，所述风扇单元165与所述压气机轴1621机械耦接，从至少一个所述涡轮163流出的冷却空气流经所述冷凝器168；所述风扇单元165将冲压空气的一部分引流至所述冷凝器168以作为所述冷凝器168的冷却剂。
102.进一步地，飞机制冷装置还包括水分离器169，从冷凝器168流出的冷凝空气流经所述水分离器169。
103.还公开一种飞机制冷控制方法，包括以下步骤：
104.将转动载荷传递给压气机轴，所述压气机轴与空气循环机的压气机连接；
105.将至少一根涡轮轴与空气循环机的相应一个涡轮连接，所述涡轮轴被配置为提供部分转动载荷；以及
106.将可调变速驱动组件机械耦接至所述压气机轴和/或所述涡轮轴；
107.其中，所述可调变速驱动组件将其自身产生的附加转动载荷选择性地传递至所述压气机轴以调节所述压气机的转速。
108.进一步地，飞机制冷控制方法还包括以下步骤：
109.布置发动机引气流道，其用于接收来自发动机的引气流；
110.布置冲压空气流道，其用于接收飞机在飞行过程中迎面而来的冲压空气；以及
111.在冲压空气流道中布置的一级热交换器与二级热交换器，所述一级热交换器在所述压气机的上游与所述压气机流体连通，所述二级热交换器在所述压气机和涡轮之间流体连通；
112.其中，当发动机引气流道中的引气气压或者冲压空气流道中的冲压气压低于设定的气压阈值时，所述可调变速驱动组件将其自身产生的附加转动正载荷传递至所述压气机轴以提高所述压气机的转速；
113.当发动机引气流道中的引气气压或者冲压空气流道中的冲压气压高于设定的气压阈值时，所述可调变速驱动组件将其自身产生的附加转动负载荷传递至所述压气机轴以降低所述压气机的转速；
114.当发动机引气流道中的引气气压和冲压空气流道中的冲压气压均处于标准值范围内时，所述可调变速驱动组件与所述压气机轴断开机械耦接。
115.进一步地，所述可调变速驱动组件包括：
116.驱动器；
117.变速器，其机械耦接至所述压气机轴和/或所述涡轮轴；
118.离合器，其设于所述驱动器与变速器之间；
119.所述飞机制冷控制方法还包括以下步骤：
120.控制所述离合器使得所述驱动器与变速器选择性地机械耦接；
121.所述变速器将所述驱动器产生的附加转动载荷传递至所述压气机轴以调节所述压气机的转速。
122.进一步地，所述驱动器为电机，所述电机具有放电模式和充电模式；
123.当发动机引气流道中的引气气压或者冲压空气流道中的冲压气压低于设定的气压阈值时，将所述电机切换至放电模式并输出附加转动正载荷，所述离合器将所述电机与变速器进行机械耦接，使得附加转动正载荷传递至所述压气机轴以提高所述压气机的转速；
124.当发动机引气流道中的引气气压或者冲压空气流道中的冲压气压高于设定的气压阈值时，将所述电机切换至充电模式并输出附加转动负载荷，所述离合器将所述电机与变速器进行机械耦接，使得附加转动负载荷传递至所述压气机轴以降低所述压气机的转速。从而。在高引气压力时，在降低压气机的转速来降低压气效率同时，还能够过多的转动能量转化成电能进行存储，避免了能源浪费，提高了燃油利用率。
125.进一步地，所述变速器从构造成第一传动比的涡轮驱动输入轴接收来自涡轮轴的部分转动载荷，并从构造成第二传动比的驱动输入轴接收来自驱动器的附加转动载荷之后，通过构造成第三传动比的动力输出轴向压气机轴输出所述转动载荷。
126.进一步地，飞机制冷控制方法还包括：将从至少一个所述涡轮流出的冷却空气引导至冷凝器进行冷却。
127.进一步地，飞机制冷控制方法还包括：将从冷凝器冷流出的冷凝空气引导至水分离器进行水气分离。
128.进一步地，飞机制冷控制方法还包括：将水气分离后的空气导入客舱、驾驶舱和飞机电子设备舱中的一个或多个。
129.以上对本技术实施例所提供的一种吸收体成型装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的技术方案及其核心思想；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例的技术方案的范围。