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流体传动理论与应用报告
摘要:
相对于模拟系统,数字系统具有成本低、可靠性好、性能优越、易于程序化等优越性。
随着计算机技术在液压系统中的大量应用,流体控制元件的数字化成为一种必然趋势。
目前可实现数字化的液压元件有液压泵、液压缸、液压阀及各种数字式的液压测试装置等。
实际上大多数液压泵和液压缸的数字化也主要通过内置各种数字式的液压阀来实现。
关键词:
数字系统、液压泵、液压缸、液压阀、数字式的液压测试装置
前言:
流体传动与控制技术的主要代表液压技术自上世纪初面世以来,即“融合”到装备制造业中,成为其一个十分重要的基础领域,同时,液压技术将装备制造业作为其主要的应用领域,曾经引领着装备制造业一系列的技术进步。
因此液压技术对装备制造业而言,从来就有着较强的推动和影响作用,对装备制造业等诸多领域有着前置和后置效应,扮演着重要而关键的角色。
[1]
21世纪初,中国装备制造业得益予国民经济持续发展的历史机遇,在诸多领域取得了重要的发展和技术进步,其中中国液压技术也扮演了重要的角色,并反映了它与时俱进的技术进步。
计算机的日益发展和普及,对液压元件的发展产生了前所未有的促进作用,各种功用的数字化液压元件不断出现,液压行业的数字化和微机化已成为发展潮流。
同样,数字化液压元件的良好使用性一方面满足了用户们的需要,另一方面也对液压元件的研制提出了全新的理念。
数字化控制早在20世纪80年代已被开始研究和应用,在液压元件与系统方面的应用也在逐步扩大,液压系统也逐渐从传统开关型控制方式向数字式可控方向发展。
目前,数字液压控制系统常可分为泵控式系统和阀控式系统两类。
阀控系统可划分为伺服控制与直接数字控制两类,本文将通过介绍有关液压元件数字化来阐述最近液压数字化发展和液压缸数字化与液压微机控制的概念。
传统液压系统中液压元件主要是开关式或电液比例式,为达到较高的控制精度和响应速度目前经常采用伺服控制方式或直接数字控制方式。
其中伺服控制一般采用闭环控制方式,其精度高、频率响应快,但价格较贵,主要通过微机经转换和伺服放大来控制伺服阀或比例阀,达到液压系统数字化控制的目的。
直接数字化控制是目前研究较多的液压控制方式,可分为两种类型:
一种是采用微机脉宽调制(源于电机的控制)的方式经放大后控制液压元件阀芯的移动来实现;另一种是采用通过微机处理运算经驱动电源放大后由步进电机驱动液压元件的方式。
以上两种控制方式均称作直接数字控制,是目前国内外数字化液压元件与数字化液压系统控制的发展方向。
1.液压伺服系统的特点
同电机伺服系统、气动伺服系统相比,液压伺服系统具有下列突出的优点,以致成为采用液压系统而不采用其它控制新系统的主要原因:
①功率—重量比大。
这意味着同样功率的控制系统,液压系统体积小,重量轻。
这是因为对电机元件,例如电动机而言,由于受到磁体材料饱和作用的限制,单位质量的设备所能输出的功率比较小。
液压液压系统可以提高系统的压力来提高输出功率,这时仅受机械强度和密封技术的限制。
在典型情况下,发电机和电动机功率—重量比仅为16.8W/N,而液压泵和液压马达功率的功率—重量比为168W/N,是机电元件的10倍。
在航空、航天技术领域应用的液压马达的功率—重量比为675W/N,稀土单机功率的功率—重量比为225W/N。
直线运动的动力装置更加悬殊。
这个特点,在许多场合下是采用液压伺服而不采用其他伺服系统的主要原因,也是直线运动控制系统中多采用液压伺服系统的重要原因。
例如在航空,特别是在导弹、飞行器的控制系统中,因为每发射单位重量的有效载荷,都要耗费巨大资金,因此对弹上设备的重量有严格的要求。
正因如此,几乎所有的中、远程导弹的控制系统,都采用液压控制系统。
在冶金工业中,有许多大功率的往复运动控制系统,也广泛采用液压伺服系统控制。
②力矩惯量比大(对直线运动的马达来说,力—质量比大)。
一般回转式液压马达的力矩惯量比是同容量电动机的10倍至20倍,一般液压马达为61×1015Nm/㎏㎡,同液压马达相当。
力矩惯量比大,意味着液压系统能够产生大的加速度,也意味着时间常数小,响应速度快,具有优良的动态性能。
因为液压马达或者电动机消耗功率一部分用来克服负载,另一部分消耗在液压马达或者电动机本身的转子,所以一个执行机构能否产生所希望的加速度,能否输给负载已以足够的实际功率,主要受到它的力矩惯量比的限制。
这个特点也是许多场合下采用液压系统,而不采用其他控制系统的重要原因。
例如在导弹武器仿真系统中,要求平台具有极大的加速度,具有很高的响应频率,这个任务只能由液压伺服系统完成。
③液压马达的调速范围宽。
所谓调速范围宽是指马达的最大转速与最小平稳转速之比。
液压伺服马达的调速范围一般在400左右,好的上千,通过良好的速度回路设计,闭环系统的调速范围更宽。
这个指标也常常是采用液压系统的主要原因。
例如跟踪导弹、卫星等飞行器的雷达、光学跟踪装置,在导弹起飞的初始段,视场半径很大,要求跟踪的角速度很小,因此要求系统的整个跟踪速度范围很大。
④液压伺服系统很容易通过液压缸实现大功率的直线伺服驱动,而且结构很简单。
若采用以电动机为执行元件的电机驱动系统,则需要齿轮、齿条等装置,将旋转运动变换成直线运动,从而结构复杂,而且会因传动链的间隙而带来很多问题,若用直线式电机,体积重量将大大增加。
从力—质量比来说,直流直线式电动机的伺服系统中,液压伺服系统比机电系统明显优越。
正因如此,在冶金工业中,伺服系统得到广泛应用。
[2]
还有其他很多优点,诸如系统刚度比较大,润滑性能好等。
但是液压控制伺服系统也存在很多严重的缺点,在研制、生产和使用过程中,引起很多问题,影响液压系统的声誉,成为与其他系统竞争中丧失市场的主要原因。
概括起来,有以下几个方面:
①使用不方便,维护困难。
在研制过程中,经常需要增添或更换,甚至去掉一些元件,修改一些管路;使用过程中,一旦出现故障,需要检测和排除故障,不可避免地要拆卸管路,更换元件,这时需要动钳子、扳手,大动干戈,甚至弄得满地油污。
机电系统,可以方便地用三用表、示波器等电子仪器来查找故障,需要修改线路、更换元件时,只需一把电烙铁、一把镊子就能解决问题,十分方便、十分干净。
②泄露。
液压系统常常难以保证没有泄露,总是或多或少有些油泄露出来,严重的甚至满地都是。
这是在电子设备、医疗器械、食品加工机械、工艺品加工机械中丧失市场的重要原因。
通常,电子设备、医疗设备安放的环境都是十分干净的,这些设备即使几滴油在地板上也是不行的。
食品加工机械、工艺品加工机械更是如此。
③过载能力低。
若液压系统的额定工作电压为140×105Pa;而电动机,例如无槽电机允许的瞬时(比如说1S)过载功率是额定功率的7~8倍。
这个缺点在某些场合下限制了液压伺服系统的使用,例如在舰载武器系统中,为了对付掠海飞行器,要求雷达、发射架、火炮以及各种跟踪装置迅速调转180°,其加载速度达15rad/s2,需要消耗很大的功率,但是在正常跟踪状态下,负载消耗的功率是很小的,由于液压系统的瞬时过载能力很差,不得不选用大容量的系统。
④对油污比较敏感。
有人统计,液压伺服系统中大部分故障与油污有关。
⑤噪音比较大,这是液压伺服系统的又一大缺点,在许多场合这是妨碍选用液压伺服系统的重要原因,连丽如机床。
⑥不宜作远距离传输,因为一方面由于铺设管道带来诸多不便,另一方面,控制点远离油源还会降低系统的动态性能。
在控制系统设计中,除了一般地了解液压伺服系统的以上缺点外,还需根据具体对象做更深入的分析、比较,这对于正确地选择何种类型的控制系统是至关重要的。
2.液压数字系统
数字液压系统技术按照数字技术实现的方式,可分为间接式数字液压技术和直接式数字液压技术两种。
间接式数字液压技术和直接式数字液压技术各有优缺点。
间接式数字液压技术由于技术线路和硬件条件成熟,因此成为目前普遍采用的数字化液压技术,直接式数字液压技术虽然还有待于进一步发展和完善,但由于具有可靠性高、结构简单等特点,因此正逐渐被应用。
[3]
2.1间接式数字液压传动技术
间接式数字液压传动技术是指采用传统的液压比例阀或伺服阀等模拟信号控制元件,通过数字量和模拟量转换接口(D/A接口),把数字控制信号转换成模拟控制信号,从而实现比例阀或伺服阀等控制元件动作的控制方式。
利用这一技术,所有的液压比例阀或伺服阀都可以进行数字化改造,因此实现原理比较简单。
间接式数字液压传动技术的实现原理如图1.1所示。
[4]
间接式数字液压技术存在以下缺点:
①由于控制器中存在着模拟电路,容易产生温漂和零漂,这不仅仅使得系统容易受到温度变化的影响,同时,也使得控制器对阀本身的非线性因素,如死区、滞环等难以实现彻底补休;
②增加了D/A接口电路,增加了成本和故障发生率;
③用于驱动比例阀和伺服阀的比例电磁铁和力矩马达存在着固有的磁滞现象,导致阀的外控特性表现出2%~8%的滞环,采用阀芯位置检测和反馈等封闭环控制的方法可以基本消除比例阀的滞环,但却使阀的造价大大增加。
④由于结构特点所决定,比例电磁铁的磁路一般只有整体式磁铁材料构成,在高频信号作用下,由铁损而引起的温升较为严重。
2.2直接式数字液压传动技术
直接式数字液压传动技术是指不需要数字量和模拟量转换接口(D/A接口),直接利用数字信号来控制液压元件动作的控制方式。
目前,直接式数字液压传动技术主要可分为开关式数字液压技术、阀组式数字液压技术以及步进式数字液压技术等几种。
2.2.1开关式数字液压技术
开关式数字化方式是通过控制高速开关元件的通断时间比,以获得在某一段时间内流量或压力的平均值,进而对下一级液压执行机构进行控制的控制方式。
在液压系统中,这种控制方式的控制信号是开关量,因此本质上是直接数字控制。
该方法通常采用脉宽调制方式控制高速开关元件的动作,因此该数字液压传动技术的性能很大程度上取决于高速开关元件的性能。
传统的液压开关控制系统主要靠开关阀来进行信号转换与放大,从而控制液压系统的压力、流量和方向,开关阀主要控制的是执行元件的运行方向,而只有与节流装置相配合才能对执行元件的速度做一般调节,因此,传统的液压开关控制系统通常只适合于对工作性能要求不高的液压传动系统。
随着流通开关响应速度的不断提高以及微机在液压系统中的广泛应用,高速开关阀不仅能够直接利用数字信号进行控制,而且能通过与数字脉冲调制技术的结合,开关控制已成为液压系统直接数字化的一种重要方式。
[5]
通过脉冲调节控制方法来控制高速开关阀的动作,可以达到数字化流量控制的目的。
产生脉冲调制的方法有如下几种:
控制脉冲宽度的脉宽调制法(PWM)、控制脉冲交变频率的脉冲频率调制法(PEM)、脉冲数调制法(PNM)、控制脉冲的脉冲振幅调制法(PAM)以及用1或0将PNM的脉冲数分段并符号化的脉冲符号调制法(PCM)等,而液压系统中的高速开关阀常采用的控制方法是时间比率式脉宽调制法(PWM)。
因此,目前大多数开关式数字液压技术采用的是脉宽调制法(PWM)控制高速开关阀的技术。
(一)液压PWM技术的特点
与传统采用伺服阀的电液伺服控制系统相比,液压系统PWM控制方式具有不堵塞、抗污染能力强以及结构简单等优点,但也有缺点:
①由于高速开关阀的PWM控制最终表现为一种机械信号的调制,因此噪音大,易于诱发管路中的压力脉动和冲击;
②元件输入与输出之间没有严格的比例关系,一般不能用于开环控制;
③控制特性受机械调制频率限制,不易提高。
(二)PWM的应用
1.汽车防抱死制动控制
在汽车防抱死制动装置(简称ABS)中,液压调节器主要有一个二位三通高速开关电磁阀、液压泵、电机、单向阀和油箱组成。
当常规制动时,电子控制器没有发出信号,高速开关电磁阀线圈无电流,阀芯不动作,车轮制动靠的是人踩踏板,并通过主缸使制动缸中的油压增加而获得较大的制动力。
然而,在这种情况下往往会因为施加的制动力过大,使车轮被抱死而导致汽车失去操纵性、方向不稳而发生各种危险运动情况。
当ABS投入工作时,电子控制器会根据轮速传感器检测到的车轮转速,迅速计算出车轮速度和滑移率,并发出相应指令信号去控制三通高速开关电磁阀的通断,使得制动缸快速地与油箱和主缸交替相通,改变制动缸油压力,从而达到调节车轮制动力、防止车轮被抱死的目的。
例如,当车轮即将被抱死时,电子控制器迅速发出指令信号,使高速开关电磁阀快速动作,切断制动缸与主缸的油路,使制动缸与油箱直接连通,从而迅速降低制动缸中油的压力,以减小车轮制动力,防止车轮抱死。
与此同时,液压泵也迅速启动,将制动缸排至油箱的液压油再输送到主缸中,为下一次常规制动做好准备。
随后,系统进入常规制动状态。
[6]
2.汽车无级变速
其原理与上述汽车防抱死制动控制相类似。
汽车油门的踩踏量和汽车实时车速是变速控制器的输入变量,变速控制器的输出变量经过脉宽调制器的转换,用来控制高速开关电磁阀的流量,以形成脉冲流量,从而利用占空比的连续变化来对高速开关阀流量进行数字化连续控制。
高速开关供油时,高速开关阀系统压力作用于液压缸的无杆腔,使液压缸活塞受压产生位移,推动动力滚轮改变传动倾角,实现无级变速。
占空比越大,通过高速开关阀的流量越大,回路压力越高,缸的位移越大,传动比越小,汽车加速行驶;占空比越小,通过高速开关阀的流量越小,传动比越大,汽车减速行驶。
液压缸排油时,流量通过固定节流孔回流,由于节流阻尼的作用,形成系统回油压力,使液压缸动作平稳。
[7]
3.变量泵排量控制
在变量伺服机构中,以高速开关电磁阀作为先导控制阀,两个压力传感器测得的压力信号通过多功能数据采集卡传输给计算机,计算机经过计较和计算产生PWM控制信号,又经过多功能数据采集卡的I/O控制通道通过放大器作用于高速开关电磁阀,其输出电压控制信号直接作用于恒压变量泵的恒压控制阀,从而控制变量缸中变量活塞的工作位置,以控制斜盘倾角和泵的排量,变量活塞始终处于与弹簧力相平衡的某一位置。
因此,根据高速开关电磁阀输出先导压力的不同,可达到控制恒压变量泵输出电压的目的。
由于PWM控制高速开关电磁阀压力控制回路具有比例控制的功能,通过简单的电液控制系统就能实现其压力的比例控制,并且高速开关电磁阀本身具有数模转换功能,应用它作为接口元件,计算机可以直接控制恒压变量泵的输出压力,实现泵输出压力的数字化无级变化调节,以满足负载不同工况的需要。
2.2.2阀组式数字液压技术
阀组式数字液压技术的控制调节元件是由多个普通的液压阀组合而成,这些普通的液压阀可以是电磁换向阀、压力阀或流量阀,液压阀组中的每个阀具有不同的参数等级,组合起来形成一个阀组。
该阀组接受由微机编码的、经放大后的二进制电压信号,从而使阀组中具有不同参数的液压阀按编码方式工作或不工作,形成不同的工作组和,从而实现对液压系统压力或流量的数字化控制。
[8]
(一)阀组式数字液压技术具有以下优点:
①采用普通的液压阀,结构简单,成本低;
②控制电路简单;
③易于实现与计算机和PLC控制器的连接;
④可靠性高;
⑤线性好,不存在死区、非线性等特性;
⑥抗污染能力强;
⑦不需要阀芯位置反馈;
⑧通过采用锥阀或球阀形式,可以做到无泄漏。
但阀组数字液压技术的控制精度也受到以下几方面因素的影响:
①受最小阀调节参数影响,最小阀调节参数越小,调节精度越高,但液压阀的调节参数不可能无限小,调节参数太小的液压阀市场上不易买到;
②受阀组中每个阀调节精度影响,因此要求每个阀的调节精度高;
③对每个阀的某些关键部件要求高,例如为保证节流阀的调节精度,就要保证节流口截面尺寸,因此节流口加工精度要求高;
④最大阀和最小阀之间参数差别较大,各个阀的参数是成倍关系增大的,直接从市场上购买的液压元件有时不能够严格满足这一关系,因此调节精度会受到影响,有时只能采用非标准件。
2.2.3步进式数字液压技术
步进式数字液压技术是由步进电机作为驱动设备来实现的数字液压技术。
步进电机作为一种数字控制元件,利用步进电机加适当的旋转—直线运动转换电机来驱动液压阀新和液压缸、或有步进电机直接驱动转阀再控制液压马达,就可以实现数字控制。
由于这类控制方式是采用步进电机作为电—机械转换元件,将输入信号转换为步进电机的步数成比例的输出信号,因此具有重复精度高、无滞环、无需采用D/A转换盒和线性放大器等优点。
但又由于这种控制方式是通过步进运动方式将输入的信号量化为相应的步数(脉冲数),因此存在量化误差。
通过增加工布数可以减少量化误差,但响应速度会大大降低。
[9]
步进式数字液压阀具有以下特点:
①采用数字信号控制,符合现代工程控制数字化的发展要求,应用于电液数字控制系统,方便、直接。
②抗干扰能力强,这是由阀自身的结构特点所决定的。
③构成导控阀导控级的零位泄露(螺旋调压机构泄露)极小,其功率与流体动力控制系统的其它能量损失相比几乎可以不考虑。
④无理想的控制特性,包括无滞环、无死区以及良好的动静特性。
⑤结构简单。
步进式数字液压技术的应用:
步进式数字液压技术的成功应用之一是30t水泥强度试验机,该试验机是用于检验水泥强度的测试仪器。
为了保证加载速率的恒定,本控制系统中采用了步进式数字微小流量阀,通过步进式微小流量阀的控制来改变进入柱塞缸的流量大小,从而达到改变柱塞缸加载力的目的。
整个系统有一台PC机控制,加载力通过压力传感器检测后形成闭环,保证恒加载速率的要求。
步进式数字微小量阀为定差溢流型流量控制阀,工作原理与2D数字P—Q阀相同,只不过额定电流更小。
微小流量阀由主阀和导阀两部分组成,由于系统的工作流量很小(泵的流量为1L/min左右),因此主阀采用转阀结构,并且具有三通功能,当负载口和油箱联通时,柱塞缸在重力作用下下降。
压力补偿由定差溢流阀实现,加定差溢流压力补偿的主要目的有两方面:
①减少系统的压力损失(系统的压力在加载过程中是变化的,以减少油温升高);
②定差溢流阀通过合理的设计对柱塞泵因流量脉动而引起的系统压力脉动具有滤波作用。
3.数字液压元件
一般来说,液压元件按照液压传动系统中各个部分功能的不同,主要分为动力元件液压泵、执行元件液压缸或液压马达、控制元件液压阀等。
为了能使液压系统实现高速、高效、高可靠性及液压系统的数字化控制,需研制将电信号输入转换为液压输出的性能良好的数字元件。
这种数字液压元件通过把电子控制单元安装于传统泵、缸、马达或阀内,并进行集成化处理(如把传感器集成于液压缸的活塞杆上),便形成了种类繁多的数字元件,如数字泵、数字缸、数字马达、数字阀等。
[10]
3.1数字泵
数字泵通常由变量泵和微机控制器两部分组成,因泵的变量机构接受微机发送的数字信号而得名。
它具有抗介质污染强、滞环误差小、重复精度高、调节灵活、节能、便于与液压设备主机组成机电液一体化系统等特点,引起人们的广泛关注。
根据变量机构执行元件的不同,可归结为4种:
基于组合缸控制的数字泵,基于高速开关阀控制的数字泵,基于步进电机控制的数字泵和基于变频器控制的数字泵。
[11]
3.2数字液压缸
有关数字液压缸的研制,国外早在上世纪六七十年代就开始了,相比之下,国内的起步较晚。
1970年,德国力士乐公司研制出一种基于螺纹伺服机构的液压脉冲缸,但它在本质上还属于机液伺服机构,利用三通阀来控制差动缸,这种缸零件少,结构紧凑,但加工难度较高,不利于大规模推广应用。
1977年,日本东京计器公司推出一种电液脉冲缸,其原理是利用位置反馈把丝杆装在活塞杆里,使活塞位置直接机械反馈到阀芯,其特点是结构简单,定位精度高。
但这些国外产品的价格十分昂贵,还达不到工业应用的要求,所以没有得到广泛的应用。
国内研究人员对该技术的研究,则起步于上世纪70年代末,一直在进行不断的研究与改善,尤其是2002年纳入国家“十五”攻关项目后,更进一步的促进了该技术的发展。
其中,以北京亿美博有限公司为代表,该公司承担了“十五”国家科技攻关计划,该公司生产的数字缸已领先国际先进水平。
这种数字液压缸实质上是一种增量式电液步进液压缸,具有结构紧凑、可靠性高、使用维护简单等优点,只需一般的技术人员便可掌握,调试十分方便,发展潜力巨大。
它的基本思想是将油缸、数字阀、传感器设计成一个整体,全部封装在缸内,控制器是独立于缸体之外的部分,具有智能性,操作简单易懂。
目前开发出的数字缸及其智能型傻瓜控制器,已经可以完成从公斤级到千吨级的所有精确控制,其速度范围可以实现0.1~500mm/s,可以满足工业控制领域中绝大部分自动控制的要求。
[12]此类步进液压缸的控制原理图如图7所示:
3.3数字液压马达
早期,日本富士通公司就研制出一种由步进电机控制的电液脉冲马达,它又被称为步进液压马达或液压扭矩放大器,它在数控机床的进给传动中得到了广泛的应用。
它是一种阀控马达位置伺服机构,主要组成包括步进电机、液压马达、控制滑阀、螺杆螺母副和减速齿轮副,其中螺杆螺母副主要起位置反馈作用,使液压马达总能紧跟步进电机动作。
其工作原理是:
当步进电机接收控制脉冲信号而转过一定角度时,经减速齿轮副使阀芯旋转,由于阀芯端部的螺杆螺母副的作用,使阀芯产生轴向位移,于是阀口打开,压力油进入马达使马达转动,马达主轴旋转时,带动螺母转动,螺母转动方向与螺杆转动方向相同。
此时,当步进电机连续转动时,螺母和螺杆保持相对静止转动,即阀口保持一恒定开口量。
当步进电机停止转动时,螺杆停止转动,由于液压马达此时尚未停止转动,即螺母仍在转动,于是使阀芯轴向移动恢复原位,阀口重新关闭,液压马达也停止转动。
[13]
3.4数字阀
数字信息直接控制的阀,称电液数字阀,简称数字阀。
数字阀可直接与计算机接口,不需要D/A转换器。
与伺服阀、比例阀相比,这种阀结构简单,工艺性好,价廉,抗污染能力好,重复性好,工作稳定可靠,功耗小。
它的应用也最为广泛,将其与普通的液压缸、泵、马达组合起来,就可以得到不同的数字缸、数字泵、数字马达等。
在微机实时控制的电液系统中,它已部分取代了比例阀或伺服阀,为计算机在液压系统中的应用开拓了一条新的道路。
目前数控液压系统中应用的数字阀按控制方式的不同大致可以分为3种:
二进制组合阀,步进式阀和高速开关阀。
[14]
4.总结
机械及电力传动技术的优越性在某些领域已经超过液压技术,因此液压技术只有不断吸收电气和电子技术的新理论和新方法,与机械、电气、电子、计算机及网络等技术紧密结合,形成机电液一体化技术,才能不断克服液压技术本身的缺点,进一步发挥液压技术的优越性,从而在与机电技术竞争中保持强大优势。
液压技术在中国装备制造业乃至国民经济和国防建议的未来发展中,具有不可替代的重要地位,有着积极的带动作用和重要影响,是技术进步的基本元素和技术杠杆。
它有着无限宽广的应用前景。
中国要成为真正的名副其实的制造强国,必须同时成为液压强国,在这一点上,中国别无选择。
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