BR112017004774B1 - Sistema para controle de múltiplos compressores de ar em uma composição de locomotiva e método de controle de compressores de ar em uma composição de locomotiva - Google Patents

Sistema para controle de múltiplos compressores de ar em uma composição de locomotiva e método de controle de compressores de ar em uma composição de locomotiva Download PDF

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Abstract

CONTROLE ÓTIMO DE COMPRESSORES DE AR EM UMA COMPOSIÇÃO COM LOCOMOTIVA. A presente invenção refere-se a um sistema para controle de compressores de locomotiva em uma composição de locomotiva múltipla para a otimização da vida do compressor, operação em clima frio e programações de manutenção. Cada compressor está associado a um controlador que pode se comunicar através de uma interface com uma rede com os controladores correspondentes dos outros compressores que também têm uma interface com a rede. Um controlador de compressor principal então pode emitir comandos para o outro controlador de compressor para restaurar de forma mais eficiente a pressão para o sistema, para a implementação de programações de uso melhoradas, ou para o gerenciamento de intervalos de manutenção para a maximização do uso de cada compressor durante intervalos de manutenção periódicos.

Description

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO CAMPO DA INVENÇÃO
[001] A presente invenção refere-se a sistemas de compressor de locomotiva e, mais particularmente, a um sistema para controle de compressores de locomotiva em uma composição.
DESCRIÇÃO DA TÉCNICA RELACIONADA
[002] Em operações de trem de carga de transporte de massa, há frequentemente múltiplas locomotivas na cabeceira do trem, das quais todas estão provendo um esforço de tração para movimento do trem sob um controle principal a partir da locomotiva mais à frente. As locomotivas tipicamente são interconectadas em um sistema de unidade múltipla (MU) por quatro tubos de ar, consistindo no tubo de freio, no tubo 20, no tubo 13 e no tubo de MR (reservatório principal) e um cabo de interligação de "27 pinos" padrão. Esta combinação permite que o condutor na locomotiva principal acione as locomotivas de reboque como escravas com um controle de MU de propulsão e frenagem.
[003] Em uma configuração de MU, os reservatórios principais em cada uma das locomotivas são interconectados através da mangueira de extremidade de tubo de MR, tornando o volume de MR combinado disponível para a composição de locomotiva. Cada locomotiva também inclui um compressor de ar que é usado para a pressurização dos reservatórios principais. Além disso, a linha de trem de 27 pinos inclui uma linha de trem para controle de compressor de MU (usualmente, a linha de trem N° 22). Isto permite que o governador de compressor na locomotiva principal simultaneamente dê a partida e pare os compressores em todas as locomotivas, resultando em um preenchimento muito rápido do sistema de MR interconectado. Além disso, a operação de MU dos compressores assegura um suprimento de ar adequado e ininterrupto, mesmo se o compressor na locomotiva principal falhar.
[004] Embora o preenchimento rápido com sistema de MR seja desejável, se todos os MRs estiverem em um estado baixo de carga, ou se o sistema de freio do trem estiver descarregado, devido ao fato de, nestas condições, a capacidade de ar total mais alta de múltiplos compressores poder ser plenamente utilizada. Contudo, na maior parte do tempo, o sistema de ar nas locomotivas e os freios de trem estão carregados, e o compressor de ar está em ciclo entre os limites de controle superior e inferior de governador de compressor, tipicamente entre 827,37 kPa (120 psi) e 965,27 kPa (140 psi) . Como resultado, a capacidade plena dos compressores na MU geralmente não é necessária.
[005] Todo o fluxo de ar para o tubo de freio de trem é controlado pelo sistema de freio a ar na locomotiva principal. Sistema de freio a ar da locomotiva inclui um estrangulador de diâmetro nominalmente de 7,54 mm (19/64 polegadas) restringindo o fluxo entre a saída de MR2 e a entrada do circuito de controle de pressão de tubo de freio. A pressão de tubo de freio tipicamente está plenamente carregada a 620,53 kPa (90 psi) . Uma redução de tubo de freio de serviço pleno é tipicamente de 179,26 kPa (26 psi) , o que corresponde a uma pressão de tubo de freio de 441,26 kPa (64 psi) . Para liberação dos trens de freio, o tubo de freio é recarregado para 620,53 kPa (90 psi) . Devido ao fato de o tubo de freio no trem ser do comprimento do trem, frequentemente além de 1828,8 m (6000 pés) , e devido ao efeito de atrito no tubo, o tubo de freio na frente do trem se carrega bem antes do tubo de freio na traseira do trem. Como resultado, o dispositivo de regulagem de tubo de freio (relé de tubo de freio) no sistema de freio de locomotiva começa a estrangular o fluxo de ar com base na pressão de tubo de freio na cabeceira do trem, antes de o tubo de freio no trem estar plenamente carregado. A combinação líquida da pressão principal baixa no recarregamento, a qual é uma pressão de MR de 827,37 kPa (120 psi) a 965,27 kPa (140 psi) fluindo para um tubo de freio de 441,26 kPa (64 psi) a 620,53 kPa (90 psi) , o estrangulador carregando 7,54 mm (19/64 polegadas) , e o estrangulamento do relé de tubo de freio significa que a taxa de fluxo de ar requerido é muito menor do que a capacidade de fluxo de ar do compressor em apenas uma locomotiva.
[006] Em uma composição de MU, a capacidade de fluxo de ar combinada a partir dos compressores em cada uma das locomotivas assim é muito maior do que o requerido, e, como resultado, o ciclo de carga de compressor é muito curto. Por exemplo, em alguns casos, o recarregamento de MR de 827,37 kPa (120 psi) para (140 psi) pode levar menos de 30 segundos. Isto é indesejável por várias razões. Em primeiro lugar, a partida de compressor inclui uma corrente de surto na alimentação muito alta, altas acelerações e alto torque nos componentes, todos os quais sendo, finalmente, danosos para o compressor. Em segundo lugar, devido ao fato de o compressor funcionar por um tempo tão curto, não é capaz de obter uma temperatura de operação estável e ótima. Como resultado, há um desgaste acelerado nas partes frias, devido a problemas de expansão térmica transiente, e o compressor frio é mais propenso à acumulação de água condensada a partir do ar de produto. Finalmente, além de problemas de corrosão, a acumulação de água líquida pode congelar em uma operação no inverno, desse modo causando um bloqueio do pós-resfriador e de linhas de descarga do compressor.
[007] Preferencialmente, o compressor tem um ciclo de carga mais longo, de modo que o compressor e os componentes relacionados sejam aquecidos devido ao calor de compressor para mais ou menos a mesma temperatura que o ar descarregado. A temperatura de operação normal do compressor resulta em muito menos condensação no sistema de compressor, e calor suficiente no pós-resfriador e nas linhas de descarga para se evitar que qualquer água líquida congele naquelas localizações críticas. Assim, embora um controle síncrono de todos os compressores na composição de locomotiva pudesse ser uma vantagem durante um carregamento a servidor, ou no caso de uma falha do compressor na locomotiva principal, um controle síncrono é claramente prejudicial para a vida do compressor e problemático durante uma operação em clima frio, porque o ciclo de carga de compressor é curto demais.
[008] Em algumas circunstâncias, uma locomotiva principal em uma composição poderia ser configurada para permitir um controle de compressor independente, de modo que o governador de pressão em cada locomotiva ligue e desligue aquele compressor independentemente. Este esquema de controle se dirige ao problema de capacidade de carga em demasia, porque todos os reservatórios principais são conectados pelo tubo de MR e, portanto, a pressão de MR em cada locomotiva é nominalmente a mesma e porque há uma tolerância natural nas regulagens de governador de pressão em cada controle de compressor de locomotiva. Contudo, neste esquema, um compressor na composição de locomotiva se ativará a uma pressão mais alta do que os outros compressores na composição, devido a variações de tolerância dos governadores de pressão e proverá todo o ar para o trem e, como resultado, a utilização de compressor e a demanda de manutenção de compressor são desequilibradas. Tipicamente, uma manutenção de compressor é feita em uma programação periódica e planejada, com certas ações de manutenção ocorrendo em intervalos regulares de calendário. Assim, os compressores sujeitos a este esquema de controle terão feito mais trabalho durante o intervalo de ma- nutenção do que outros, de modo que alguns compressores terão manutenção tarde demais e alguns terão serviços executados mais cedo do que o necessário.
BREVE SUMÁRIO DA INVENÇÃO
[009] A presente invenção compreende um sistema para controle de múltiplos compressores em uma composição de locomotiva, em que o compressor de ar de cada locomotiva está associado a um controlador em rede que pode enviar ou receber comandos relacionados à operação do compressor associado. Um controlador predeterminado tem problemas programados e comanda os outros controladores, de modo que cada compressor seja operado de forma mais eficiente. Por exemplo, cada compressor pode ser sequencialmente habilitado para recompletar o sistema de MR a cada vez em que precisar de um reabastecimento. O controlador principal também pode monitorar a utilização total dos outros compressores desde um ponto predeterminado no tempo ou uso, de modo que o controlador principal possa implementar uma programação de uso de compressor que maximize a utilização de cada compressor, desse modo se garantindo que cada compressor seja plenamente utilizado durante seu período de manutenção programado. O controlador principal também pode ser acoplado a termômetros ou outros sensores para controle do uso de compressor, para se evitar congelamento ou outros problemas relacionados à temperatura.
BREVE DESCRIÇÃO DAS VÁRIAS VISTAS DO(S) DESENHO(S)
[0010] A presente invenção será mais plenamente entendida e apreciada pela leitura da Descrição Detalhada a seguir em conjunto com os desenhos associados, nos quais:
[0011] A figura 1 é uma composição de unidade múltipla que tem um sistema de controle de compressor de acordo com a presente invenção;
[0012] a figura 2 é um esquema de um sistema de controle de compressor para cada locomotiva em uma composição de acordo com a presente invenção;
[0013] a figura 3 é um esquema de um sistema de controle de compressor em rede de acordo com a presente invenção;
[0014] a figura 4 é um fluxograma de controle de compressor de acordo com a presente invenção; e
[0015] a figura 5 é um fluxograma de um sistema de controle de compressor de acordo com a presente invenção.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
[0016] Com referência, agora, aos desenhos, em que números de referência iguais se referem a partes iguais por todos eles, é visto na figura 1 um sistema de controle de compressor de locomotiva distribuído e inteligente 10 que otimiza a vida do compressor, a operação em clima frio e equilibra a utilização para otimização de manutenção. O sistema 10 interconecta o compressor 12 de cada locomotiva 14 em uma composição de unidade múltipla. Em uma composição de unidade múltipla, uma locomotiva 14 pode ser projetada como uma locomotiva principal 14a, enquanto as locomotivas subsequentes 14b a 14n atuam como escravas. Embora a figura 1 represente a locomotiva principal 14a na cabeceira da composição, a locomotiva 14 projetada para atuar como a locomotiva principal 14a poderia estar localizada em qualquer posição ao longo da composição.
[0017] Conforme visto na figura 2, o sistema 10 é uma série de sistemas de controle de locomotiva individuais, cada um dos quais tendo um controlador individual 16 associado a cada compressor 12 de cada locomotiva 14 em uma composição. O controlador 16 é ligado em rede com outras locomotivas na composição de trem através de uma interface 18 que interconecta o controlador 14 a uma rede 20 cobrindo a composição. A rede 20 pode compreender uma rede sem fio, tal como IEEE 802.11 ou uma rede celular 3G ou 4G, ou uma rede com fio, tal como uma Ethernet ou a IEEE 802.5, ou mesmo uma rede personalizada empregando um fio avulso nas linhas de trem de 27 pinos usadas para comunicações intra-trem. Preferencialmente, a interface 18 inclui um sinal de rede de portadora de linha de potência que é sobreposto no fio de controle de compressor de linha de trem de 27 pinos, o que tipicamente é um fio de número 22.
[0018] O controlador 16 pode monitorar a taxa de aumento de pressão no sistema de MR, enquanto o compressor 12 estiver operando usando um sensor 22 acoplado ao sistema de MR, tal como um primeiro reservatório principal 28. O reservatório principal 28 pode ser conectado ao tubo de reservatório principal 36 da locomotiva. O primeiro reservatório principal 28 também pode ser conectado através de uma válvula de retenção 30 a um segundo reservatório principal 32. O segundo reservatório principal 32 pode ser conectado ao sistema de fre- nagem 34, o qual também é conectado ao tubo de freio 40. Uma fonte de potência 44 pode ser acoplada ao sistema 10 através de um comutador 42 que opera em resposta a uma pressão no reservatório 28.
[0019] O sistema 10 também pode ser configurado de modo que cada controlador 16 inclua um módulo de monitoração 24 que rastreia a utilização total de seu compressor correspondente 12 desde um ponto predeterminado no tempo ou uso, tal como uma última revisão ou uma grande manutenção. O módulo de monitoração 24 assim pode reportar uma informação de uso para o controlador principal 16, o qual então pode estabelecer e implementar uma programação de uso de compressor que, preferencialmente, comanda o uso de compressores na composição que têm a utilização acumulada mais baixa. O sistema 10 ainda pode ser otimizado pela adição de um relógio de tempo real a cada controlador 16 e pela comparação da utilização de compressor acumulada com o tempo remanescente, até a próxima manutenção programada (ou o tempo desde a última manutenção), de modo que o sistema 10 possa almejar um uso de compressor alvo para a obtenção de uma utilização de 100 por cento de cada compressor 12 pelo fim do intervalo de manutenção programada. Por exemplo, um compressor tendo 75 por cento de utilização acumulada que está a 95 por cento do caminho através de seu intervalo de manutenção seria usado preferencialmente em relação a um compressor tendo 10 por cento de utilização que está a apenas 10 por cento do caminho através de seu intervalo de manutenção. A adição de um sensor de temperatura 26 ao sistema 10 ainda permitirá que o sistema 10 gerencie as temperaturas de compressor e evite problemas relacionados. Por exemplo, o esquema de controle de compressor poderia preferencialmente operar apenas um compressor na composição para otimização da temperatura de compressor durante o uso do compressor, quando a temperatura ambiente estiver abaixo do congelamento.
[0020] Conforme visto na figura 3, o sistema 10 inclui qualquer nú mero de locomotivas individuais, cada uma das quais incluindo um sistema de controle de compressor, conforme visto na figura 2. Como resultado, um controlador principal designado 16a de uma locomotiva principal 14a pode controlar de forma assíncrona cada um dos compressores nas locomotivas remanescentes 14b a 14n na composição para a otimização de uma taxa de carga, uma temperatura de compressor e uma utilização de compressor de equilíbrio. Os elementos correspondentes no sistema individual de cada locomotiva, com três escolhidos para fins de ilustração, são indicados usando-se os índices (a, b, c).
[0021] De modo a se evitarem problemas de intervalo de manu tenção, o sistema 10 pode ser programado para o gerenciamento de uma utilização de compressor de várias formas diferentes. Por exemplo, sob o controle de um controlador de compressor principal 16a, o reabastecimento do sistema de reservatório principal pode ser feito ao se habilitar sequencialmente cada compressor 12b a 12n na composi- ção. No primeiro momento em que o sistema de MR na composição precisa ser reabastecido, o compressor 12a na primeira locomotiva é utilizado. No momento seguinte, para o compressor 12b na segunda locomotiva é enviado o comando para reabastecimento do sistema de MR, com o sistema 10 sequencialmente em ciclo através de cada um dos compressores remanescentes 12n. Desta forma, todos os compressores 12a a 12n na composição de locomotiva passarão pela mesma quantidade de utilização e terão um ciclo de carga otimizado.
[0022] Conforme visto na figura 4, o sistema 10 pode ser progra mado para preferencialmente usar os compressores tendo o tempo de uso mais baixo. A primeira etapa envolve a identificação de todos os compressores na composição 50. Em seguida, um fator de utilização é calculado para cada compressor na composição 52 com base em uma hipótese de uso permitido total e uso real. Por exemplo, uma hipótese de uma vida útil de oito anos entre revisões e 1500 horas de uso ativado por ano resultaria em 12.000 horas de vida útil. Deve ser reconhecido que oito anos e 1500 horas são variáveis de exemplo, e outros valores poderiam ser usados pelo sistema 10. Uma vez que um fator de utilização seja calculado para cada compressor 52, os compressores podem ser classificados de acordo com a utilização 54, tal como a partir da utilização mais baixa para a mais alta. Quando um compressor no sinal ligado é requerido 56, tal como quando o reservatório principal primário está igual a ou acima de em torno de 999,74 kPa (145 psi) , todos os compressores podem ser desligados 62, e as horas de uso para cada compressor atualizadas de modo conforme 64.
[0023] No caso de uma demanda por um fluxo de ar alto, tal como durante uma carga seca do sistema de frenagem do trem, o controlador 16a da locomotiva principal 14a pode monitorar a taxa de aumento de pressão no sistema de MR enquanto o compressor 12a está operando usando um sensor 22a acoplado ao sistema de MR. O sensor 22a pode detectar a demanda de fluxo de ar alta com base na taxa baixa de aumento de pressão em um reservatório 28a do sistema de MR. Neste estado, o controlador 16a de compressor principal 12a pode enviar um comando através da interface 18a para compressores escravos 12b a 12n na rede 20 para ativar seus compressores correspondentes 12b a 12n até a demanda de ar ser satisfeita. Da mesma forma, usando-se a mesma metodologia, o controlador 16a de compressor principal 12a pode enviar um comando através da rede 20 que instrui um ou mais dos compressores 12b a 12n para pararem, quando a taxa de aumento de pressão de MR for rápida demais ou uma quan-tidade desejada tiver sido obtida. Conforme visto na figura 5, a primeira etapa de uma abordagem como essa é para determinar que a pressão no reservatório principal primário caiu abaixo de um limite 70, tal como de 861,84 kPa (125 psi) . O compressor de controle, tal como o compressor 12a, então pode ser ligado 72. Uma checagem é feita em 74 para se determinar se a pressão permanece abaixo de um segundo limite inferior, tal como de 827,37 kPa (120 psi) , o que pode indicar a necessidade de compressores adicionais serem ligados devido a uma pressão extremamente baixa. Se a checagem 74 determinar que a pressão está abaixo do segundo limite, uma checagem de taxa de re- carregamento 76 será feita para se determinar se a taxa de aumento de pressão está acima de uma taxa predeterminada. Caso não, um comando é enviado em 78 para se ligar um compressor adicional, tal como o compressor 12n. Se a checagem 74 determinar que a pressão não está abaixo de um segundo limite, contudo, não haverá necessidade de compressores adicionais serem ligados, e uma checagem 80 é feita para se determinar se o reservatório principal primário foi adequadamente repressurizado. Caso não, todos os compressores são desligados 82.

Claims (20)

1. Sistema para controle de múltiplos compressores de ar em uma composição de locomotiva, caracterizado pelo fato de compreender: um primeiro compressor de ar posicionado em uma primeira locomotiva; um primeiro controlador interconectado ao primeiro compressor de ar e controlando a operação do primeiro compressor de ar, em que o primeiro controlador inclui um primeiro monitor que rastreia um primeiro uso total acumulado do primeiro compressor de ar; uma primeira interface que interconecta o primeiro controlador a uma rede; um segundo compressor de ar posicionado em uma segunda locomotiva; um segundo controlador interconectado ao segundo compressor de ar e controlando a operação do segundo compressor de ar, em que o segundo controlador inclui um segundo monitor que rastreia um segundo uso total acumulado do segundo compressor de ar; uma segunda interface interconectando o segundo controlador à rede; e em que o referido primeiro controlador é programado para enviar um comando através da rede para o segundo controlador que tem uma segunda interface conectada à rede, que indica como o segundo controlador deve operar o segundo compressor controlado pelo segundo controlador com base no primeiro uso total acumulado do primeiro compressor de ar e no segundo uso total acumulado do segundo compressor de ar.
2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ainda compreender um primeiro sensor de pressão acoplado a um primeiro reservatório da primeira locomotiva e interconec- tado ao primeiro controlador para a provisão de um sinal correspondente ao aumento de pressão no primeiro resistor.
3. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de o primeiro controlador ser programado para instruir o segundo controlador quanto a como operar o segundo compressor com base no aumento de pressão no primeiro reservatório.
4. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ainda compreender um primeiro monitor associado ao primeiro compressor e interconectado ao primeiro controlador para a provisão de primeiros dados representando o uso do primeiro compressor.
5. Sistema, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de o primeiro controlador ser programado para operar o primeiro compressor com base nos primeiros dados representando o uso do primeiro compressor.
6. Sistema, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de o primeiro controlador ser programado para comparar os primeiros dados representando o uso do primeiro compressor durante um intervalo predeterminado para se determinar se é para operar o primeiro compressor.
7. Sistema, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de ainda compreender um segundo monitor associado ao segundo compressor e interconectado ao segundo controlador para prover segundos dados representando o uso do segundo compressor, em que o segundo controlador é programado para enviar os segundos dados representando o uso do segundo compressor para o primeiro controlador através da rede.
8. Sistema, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de o primeiro controlador ser programado para comparar os segundos dados representando o segundo uso total acumulado do se gundo compressor com uma programação para se determinar se é para operar o segundo compressor.
9. Sistema, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de o primeiro controlador ser programado para se determinar se é para operar um dentre os primeiro e segundo compressores com base no uso relativo dos primeiro e segundo compressores.
10. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o primeiro controlador ser programado para sequencialmente operar os primeiro e segundo compressores.
11. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ainda compreender um primeiro sensor para detecção de uma primeira temperatura associada ao primeiro compressor, em que o primeiro controlador é programado para operar apenas um dentre os primeiro e segundo compressores, quando a primeira temperatura estiver abaixo do congelamento.
12. Método de controle de compressores de ar em uma composição de locomotiva, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de: provisão de um primeiro controlador que tem um controle operacional por um primeiro compressor; provisão de um segundo controlador que tem um controle operacional por um segundo compressor; monitoramento do uso acumulado tanto do primeiro compressor quanto do segundo compressor ao longo de um período predeterminado; envio de um comando do primeiro controlador para o segundo controlador o qual é com base no uso acumulado do primeiro compressor e do segundo compressor do longo do período predeterminado; e operação do segundo compressor com base no comando recebido a partir do primeiro controlador.
13. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de ainda compreender a etapa de detecção do aumento de pressão em um reservatório sendo suprido pelo primeiro compressor ou pelo segundo compressor.
14. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de a etapa de envio de um comando a partir do primeiro controlador para o segundo controlador compreender o envio de uma instrução para o segundo controlador para operar o segundo compressor com base no aumento de pressão no reservatório.
15. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de ainda compreender a etapa de monitoração do uso do primeiro compressor e do segundo compressor por um período de tempo predeterminado.
16. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de a etapa de envio de um comando a partir do primeiro controlador para o segundo controlador compreender o envio de uma instrução para operação do segundo compressor, quando o uso do segundo compressor por um período de tempo predeterminado for menor do que o uso do primeiro compressor por um segundo período de tempo predeterminado.
17. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de a etapa de envio de um comando a partir do primeiro controlador para o segundo controlador compreender o envio de uma instrução para operar o segundo compressor de acordo com uma programação predeterminada.
18. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de a etapa de envio de um comando a partir do primeiro controlador para o segundo controlador ainda compreender o envio de uma instrução para operação do segundo compressor, quando o pri- meiro compressor não estiver operando.
19. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de ainda compreender a etapa de detecção da temperatura ambiente.
20. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracteriza-do pelo fato de apenas um dos primeiro e segundo compressores ser operado se a temperatura ambiente estiver abaixo do congelamento.
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