CN101427002A - 控制岩石凿钻设备的工作的方法以及岩石凿钻设备 - Google Patents

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Abstract

一种控制岩石凿钻设备(1)的方法以及岩石凿钻设备(1)。确定岩石凿钻设备(1)的冲洗介质的流速(FLOW)，并且基于通过影响冲洗介质的压力(p_FLOW)确定的流速(FLOW)控制岩石凿钻设备(1)的工作。

Description

控制岩石凿钻设备的工作的方法以及岩石凿钻设备
技术领域
本发明涉及一种控制岩石凿钻设备的工作的方法，其中确定岩石凿钻设备的冲洗介质的流速并且基于所述冲洗介质的流速控制岩石凿钻设备的工作。
本发明进一步涉及一种岩石凿钻设备，所述岩石凿钻设备包括用于将冲洗介质送给到钻孔内的装置以将在凿钻期间产生的钻屑移除出钻孔，用于确定待被送给到钻孔内的冲洗介质的流速的测量装置，和至少一个用于基于待被送给到钻孔内的冲洗介质的流速控制岩石凿钻设备的工作的控制单元。
背景技术
岩石凿钻设备和设置在其内的岩石凿钻机用于例如在地下矿山、采石场和地面建筑工地的岩石凿钻和挖掘。典型地，凿钻同时涉及使用四个不同的功能或部分，即在被凿钻的钻孔内旋转钻杆，通过由冲击装置经由从该冲击装置延伸的柄和钻杆在钻头上的冲击而在岩石上冲击，和将该岩石凿钻机在被凿钻的钻孔内向前送给，以及冲洗以将凿钻废物，即钻屑，从被凿钻的钻孔内移除。在被称为旋转式应用中，又仅使用了三个部分，这是因为这些应用不包括通过由冲击装置在柄上的冲击而冲击岩石。此外，使用被称为DTH(向下钻孔)应用，其中位于在孔底部的钻管内且并非在柄上的冲击活塞直接在钻头上进行冲击。因此，岩石的破碎主要由于冲击的影响而发生，而旋转的目的主要是保证钻头的镶齿或钻头的位于钻杆的最外端的其他工作零件总是在岩石内在新点上施加冲击。该送给使得在钻头和岩石之间能维持充分的接触。
对于所涉及的有效凿钻，成功的冲洗，即将钻屑从被凿钻的钻孔内的成功的移除，是非常重要的。在凿钻期间，如果在冲洗中发生问题，则成功的凿钻很快地受到危险。US 6 637 522披露了用于控制凿钻期间岩石凿钻设备的工作的解决方案。在US 6 637 522中披露的解决方案中，冲洗流动被测量且基于测量到的冲洗流动控制送给速度和/或旋转速度。根据公布的实施例，当冲洗流动降低时，送给和/或旋转停止，以避免凿钻过载情况。WO 2005/064111又披露了一种解决方案，其中目的是至少部分地基于被凿钻的孔的深度来控制冲洗动力，使得不将大于被凿钻的孔的深度所必需的动力用于冲洗。该解决方案的目的因此是控制总动力，这至少包括由凿钻所消耗的冲击动力和/或旋转动力和冲洗动力。
发明内容
本发明的目的是提供一种新颖的基于冲洗介质的流速来控制岩石凿钻设备的工作的解决方案。
根据本发明的方法的特征在于，基于通过影响冲洗介质的压力确定的流速控制岩石凿钻设备的工作。
根据本发明的岩石凿钻设备的特征在于，控制单元被构造为基于通过影响冲洗介质的压力确定的流速控制岩石凿钻设备的工作。
确定岩石凿钻设备的冲洗介质的流速并且基于所述冲洗介质的流速控制岩石凿钻设备的工作。岩石凿钻设备的工作基于通过影响冲洗介质的压力的所述冲洗介质的流速来控制。根据实施例，岩石凿钻设备的工作通过增加冲洗介质的压力来控制。
通过由影响冲洗介质的压力而控制岩石凿钻设备的工作，目的是清除形成在岩石凿钻设备的冲洗通道系统内的阻塞而不影响凿钻的其他部分。当阻塞将要形成在冲洗通道系统内时，在冲洗通道系统内的冲洗介质的流速降低，但目的是通过增加冲洗介质的压力来清除阻塞，并维持冲洗介质的流速至少处于为其设定的设定值组，而同时维持正常凿钻工作。同时，冲洗的功能得以保证且降低了施加在凿钻装置上的应变。
附图说明
本发明的一些实施例在附图中更详细地描述，其中：
图1是示出了岩石凿钻设备的示意性侧视图；
图2和图3是示出了用于测量冲洗介质的流速和用于测量控制压力的系统的示意性视图。
为清晰起见，附图以简化方式示出了本发明的实施例。在附图中，相同的参考数字表示相同的元件。
具体实施方式
图1示意性地示出了岩石凿钻设备1的结构。岩石凿钻设备1包括可移动的承载器2，承载器2设置有臂3，臂3的自由端设置有送给梁4。此外，送给梁4设置有岩石凿钻机5，岩石凿钻机5能够相对于送给梁4移动。岩石凿钻设备1包括连接到其的装置通过由设置在承载器2上的发动机6产生的动力驱动，使得岩石凿钻设备1是独立移动和工作的单元。典型地，发动机6是内燃发动机，例如柴油发动机。根据图1的岩石凿钻设备1进一步包括由发动机6驱动的压缩机7，使得由压缩机7生成的压缩空气被用于冲洗钻孔8以将凿钻废物，即钻屑，从钻孔8移除。在此情况中，被用作冲洗介质的压缩空气通过从冲洗通道系统从压缩机7通过岩石凿钻机的工具10被送给到钻孔8，以此压缩空气将钻屑从岩石移除出钻孔8。冲洗通道系统包括冲洗管线9，冲洗管线9从压缩机7通向岩石凿钻机5，且在岩石凿钻机5内冲洗通道通过柄、钻杆和钻头，为清晰起见，所述柄、钻杆和钻头在图1中未示出，但其基本结构和原理对于本领域的技术人员是显见的。从钻孔的口处通过包括在收集系统内的软管将钻屑抽吸出到灰尘分离器11。岩石凿钻设备1和岩石凿钻机5的基本结构和工作本质上对于本领域的技术人员是已知的，所以在此不对其进行进一步详述。
当待凿钻的岩石是坚硬的岩石时，冲洗的需要非常小。而对于软岩石，特别是当凿钻大尺寸孔时，极为需要冲洗，且从岩石移除的钻屑的量大，这意味着存在冲洗通道系统被阻塞的风险。除岩石性质和孔尺寸外，冲洗的需要受到例如钻杆和钻头类型以及钻孔的深度的影响。
图2和图3示意性地示出了实施解决方案的实施例。图2示出了与岩石凿钻设备1的冲洗管线9相连接地设置的测量装置12，测量装置12用于测量在冲洗通道系统内流动的冲洗介质的流速FLOW，即在图1中示出的情况中用于测量压缩空气的体积流速。作为冲洗管线9的替代，所述测量装置也可以被不同地放置在冲洗通道系统内。用于冲洗介质的流速的测量装置12可以包括例如基于Venturi管的测量装置，用于以本质上已知的方式测量在Venturi管上剩余的压力差。然而，测量装置12可以通过多种不同的方式实施，使得在一个方式中或另外的方式中可以测量在冲洗通道系统内流动的冲洗介质的流速FLOW或与之成比例的量。作为使用Venturi管的替代，在冲洗通道系统内的任何两个不同的点处测量的压力之间的差异可以用于测量冲洗介质的流速。因此，冲洗介质的流速可以例如基于作用在方向控制阀的相对侧上的压力之间的差异、或基于作用在冲洗通道系统的极端处的压力之间的差异来确定。典型地，用于冲洗介质的流速的单位是m3/min。描述冲洗介质的流速的信息FLOW被传输到控制单元13，该控制单元13可以是仅控制冲洗的控制单元，或是控制整个岩石凿钻设备1的工作的控制单元。此外，冲洗介质的流速可以在岩石凿钻设备1的使用者界面上通过图形或以数值呈现给使用者。
将从冲洗通道系统测量到的冲洗介质的流速FLOW与为冲洗介质的流速设定的第一极限值FLOWLIMIT1进行比较。当通过冲洗通道系统内的冲洗介质的流速FLOW下降到冲洗介质的流速的所述第一极限值FLOWLIMIT1以下时，这被解释为在冲洗通道系统内形成了阻塞。在这样的情况中，在图2中示出的情形中，控制单元13发出控制信息CTRL到压力控制阀15，所述压力控制阀15包括在冲洗通道系统内且位于压缩机7和方向控制阀14之间以增加阀的控制值，从而增加在冲洗通道系统内流动的冲洗介质的压力p_FLOW，并因此将冲洗介质以较高的压力送给，以清除可能形成在冲洗通道系统内的任何阻塞。压力控制阀15用于设定压缩机7的希望的压力。压力控制阀15可以例如是无级可调节的电控阀，或可以由数个已被预先设定为不同的压力值的压力控制阀构成。当然，在冲洗通道系统内的阻塞本身增加了冲洗介质上的压力，但根据该解决方案，冲洗介质的压力增加到明显高于对应于这样的压力增加的水平。可以增加冲洗介质的压力p_FLOW，例如使得冲洗介质的流速FLOW增加到对应于冲洗介质的流速的原始设定值FLOWSET的水平或对应于冲洗介质的压力的最大允许值p_FLOWMAX的水平，如在图3所示。岩石凿钻设备1的使用者界面例如可以通过图形或以数值连续地示出冲洗介质的真实的瞬时流速以及前述的极限值，使得使用者能监测凿钻的过程如何。另外，使用者界面可以设置有控制元件等以使得使用者能够在任何时间影响前述的极限值。
根据该解决方案，目的因此是维持冲洗流动至少处于设定值，以保证冲洗的工作。当阻塞即将形成在冲洗通道系统内时，即在实际中更典型地形成在钻头的冲洗通道内时，冲洗通道系统内的冲洗介质的流速下降，在此情况中，通过增加冲洗介质的压力保持冲洗通道系统的开放。目的因此是使冲洗介质的流速FLOW至少返回到为其设定的设定值FLOWSET，因此防止冲洗通道系统被阻塞，同时维持正常的凿钻工作。因此根据该解决方案的方式以简单的方式实现了防止冲洗装置在凿钻期间被阻塞。
替代压力控制阀15，冲洗介质的压力也可以通过改变压缩机7的转子的旋转速度来增加。在此情况中，例如控制单元13向压缩机7发出用于增加转子的旋转速度的控制信息，这引起空气的体积流量的增加，因此也引起压力的增加。
此外，冲洗介质的压力可以通过调节压缩机的进气来控制。通过例如将位置伺服器连接到移动抽吸阀板的芯轴，压缩机的输出压力可以受到限制或打开抽吸阀的影响。
与仅在冲洗介质的流速FLOW下降到第一极限值FLOWLIMIT1以下后增加冲洗介质的压力不同，可以在冲洗介质的流速开始下降时立即增加压力。在每个情况中，冲洗介质的压力可以逐步地增加或与冲洗介质的流速降低成比例地增加。
如果增加冲洗介质的冲洗压力p_FLOW未成功地将冲洗介质的流速FLOW返回到正常速度而是冲洗介质的流速保持降低，则可以将冲洗介质的流速FLOW的第二极限值FLOWLIMIT2引入到装置，使得当冲洗介质的流速FLOW降低到此第二极限值FLOWLIMIT2以下时，通过控制单元13的控制，停止岩石凿钻设备1的送给工作，在此情况中，凿钻不再前进且不产生钻屑。当必需时，通过控制单元13的控制，凿钻装置也可以在钻孔8内被向后拉，以使得冲洗介质的流动返回。
作为冲洗介质的流速FLOW的替代或添加，也可以监测冲洗介质的流速FLOW的改变率dFLOW，这使得任何当前发生的冲洗阻塞，在实际中典型地为钻头阻塞，在测量到的流速FLOW下降到第一极限值FLOWLIMIT1之前，已经能非常快速地基于冲洗介质的流速FLOW的突变被观察到。冲洗介质的流速FLOW的改变率dFLOW能够例如在控制单元13处，例如基于冲洗介质的流速FLOW的两个或多个相继的测量的差异来确定。改变率dFLOW的此值与为冲洗介质的流速的改变率设定的第一极限值dFLOWLIMIT1进行比较。当流速FLOW的改变率dFLOW超过第一极限值dFLOWLIMIT1时，这被解释为在冲洗中形成了阻塞，在此情况中，控制单元3控制冲洗通道系统内的压力阀15增加压力p_FLOW。
类似于关于冲洗介质的流速所使用的方式，也可以为冲洗介质的流速的改变率确定第二极限值dFLOWLIMIT2，使得当改变率超过所述极限值时通过控制单元13的控制停止岩石凿钻设备的送给功能，在此情况中，凿钻不再前进且不产生钻屑。也在此情况中，当需要时，也由控制单元13控制的凿钻装置可以在钻孔8内被向后拉，以使得冲洗介质的流动返回。
控制单元13也可以进一步包括比如比较元件的装置，用于比较冲洗介质的流速FLOW与相应的设定值FLOWSET。在此情况中，在已清除阻塞后且在冲洗介质的流速FLOW已返回到相应的设定值FLOWSET后，可以控制控制单元13使得冲洗介质的压力p_FLOW返回到在正常凿钻状态期间作用的冲洗介质的压力的设定值p_FLOWSET。
为提高冲洗介质的流动返回，也可以使用一种装置，其中当凿钻送给被中止时或在凿钻装置在钻孔内被向回拉动的同时，将冲击装置用于在凿钻装置上施加冲击，以在凿钻装置内产生振动。这样的振动的目的是增强粘附到冲洗通道系统的钻屑的从冲洗通道系统的松脱。冲击装置因此用于在岩石钻的柄上施加冲击。为在拉回凿钻装置期间防止在柄和冲击装置之间有过长的距离，这防碍了冲击装置在柄上的有效冲击，比如牵拉活塞的牵拉元件可以被设置为与柄连接。牵拉元件保持冲击装置和柄之间的距离恒定地最佳，使得冲击装置能够有效地在柄上冲击并在凿钻装置内产生明显的振动，以促进钻屑的移除。
因此，岩石凿钻设备1可以包括一个或多个控制单元13，使得控制单元13可以控制整个岩石凿钻设备的工作，或凿钻的每个部分的可以设置有其自己的控制单元。控制单元例如可以是包括微处理器和/或信号处理器的装置，且该装置可能地包括从外部连接到该装置的存储容量，以通过包含在该存储容量内的软件执行必需的计算和比较过程。控制单元也可以是仅包括多种电子电路且具有用于产生两个或多个量之间的差异的必需元件的装置，例如用于确定所述冲洗介质的流速的改变率，且用于将确定的流速或流速的改变率与相应的极限值进行比较，所述极限值可以通过岩石凿钻设备1的使用者设定。这样的控制单元和装置的一般结构和工作原理本质上对于本领域的技术人员是已知的。
冲洗流动的流速FLOW的知识也可以应用于自动标定冲洗监测。在标定中的主要目标是确认由凿钻装置导致的损失，即由柄、钻杆和钻头导致的损失，也就是确定当凿钻装置不凿钻时，即当冲洗通道系统完全开放时，通过凿钻装置的冲洗介质的流速。在标定中，由测量冲洗介质的流速的测量装置12提供的测量结果确定为真实的零流动，即当根本不提供冲洗流动时，和确定为真实的完全冲洗流动。然而，除这两个测量点外，也可以在标定中使用其他的测量点。因此获得的标定测量结果能够直接被传递到实施冲洗监测的单元，以考虑到小的工作差异，该差异例如由于在包括在测量冲洗流动的流速的测量装置中的装置内的生产公差导致。这样的自动标定可以利用于在工厂标定中和在凿钻现场进行的标定中。在工厂标定中，由于不同的凿钻装置导致的变化能够在冲洗介质的流速的测量结果中被考虑到。在凿钻现场的标定又可以在任何希望时执行，以补偿测量装置内随时间发生的漂移，或以考虑到由于凿钻过程的凿钻条件或冲洗介质的流速的测量值的变化所导致的可能影响，所述流速的测量值的变化由凿钻装置中的变化导致，例如由钻头的替换导致。
在附图中示出了关于岩石凿钻设备的解决方案，其中，通过压缩机7或另一个适合于产生压缩空气的装置产生的压缩空气用作冲洗介质。然而，该解决方案也可以利用在其中例如可以是水、水和空气的混合物或水和化学物的混合物的压力流体用作冲洗介质的岩石凿钻设备内。当压力流体用作冲洗介质时，压缩机被泵等替换，所述泵等通过由发动机6产生的动力直接或间接地将冲洗介质通过冲洗通道系统送给到岩石凿钻机5，并且通过岩石凿钻机5的工具10送给到钻孔8内，以此，所述冲洗介质将从岩石移除的钻屑从钻孔8推出。在此情况中，岩石凿钻设备然后自然也必须设置有特殊的存储器或连接，用于将冲洗流体输送到岩石凿钻设备。冲洗介质的压力然后可以通过大体上类似于结合以上例子示出的方式增加，然而考虑到对于本领域的技术人员显见的在压缩机和泵的工作中的差异，以及在装置内由于通过流体替换空气而作为冲洗介质导致的改变。
在一些情况中，在本申请中披露的特征可以如此使用，而与其他特征无关。另一方面，当需要时，在本申请中披露的特征可以组合以产生不同的组合。
附图和相关的描述仅意在说明本发明的构思。本发明在其细节中可以在权利要求的范围内变化。

Claims (21)

1.一种控制岩石凿钻设备(1)的工作的方法，其中确定岩石凿钻设备(1)的冲洗介质的流速(FLOW)并且基于所述冲洗介质的流速(FLOW)控制岩石凿钻设备(1)的工作，其特征在于，
基于在岩石凿钻设备(1)的冲洗通道系统内流动的冲洗介质的流速(FLOW)确定岩石凿钻设备(1)的冲洗介质的流速(FLOW)，
将冲洗介质的流速(FLOW)与为冲洗介质的流速设定的极限值(FLOWLIMIT1)进行比较，和
当冲洗介质的流速(FLOW)下降到所述极限值(FLOWLIMIT1)以下时，增加冲洗介质的压力(p_FLOW)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
确定冲洗介质的流速(FLOW)的改变率(dFLOW)，
将冲洗介质的流速(FLOW)的改变率(dFLOW)与相应的第一极限值(dFLOWLIMIT1)进行比较，和
当冲洗介质的流速(FLOW)的改变率(dFLOW)超过所述第一极限值(dFLOWLIMIT1)时，增加冲洗介质的压力(p_FLOW)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过增加冲洗介质的压力(p_FLOW)使得冲洗介质的流速(FLOW)增加到对应于冲洗介质的流速的设定值(FLOWSET)的值。
4.根据前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，将冲洗介质的压力(p_FLOW)增加到为其所设定的最大允许值(p_FLOWMAX)。
5.根据前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，通过增加包括在冲洗系统内的压力控制阀(15)的控制值来增加冲洗介质的压力(p_FLOW)。
6.根据前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，
将冲洗介质的流速(FLOW)与为冲洗介质的流速设定的第二极限值(FLOWLIMIT2)进行比较，和
当冲洗介质的流速(FLOW)下降到所述第二极限值(FLOWLIMIT2)以下时，停止岩石凿钻设备(1)的送给功能。
7.根据前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，
将冲洗介质的流速(FLOW)的改变率(dFLOW)与相应的第二极限值(dFLOWLIMIT2)进行比较，和
当冲洗介质的流速(FLOW)的改变率(dFLOW)超过所述第二极限值(dFLOWLIMIT2)时，停止岩石凿钻设备(1)的送给功能。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，进一步在钻孔(8)内向后拉岩石凿钻设备(1)的凿钻装置。
9.根据前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，将冲洗介质的流速(FLOW)与为其设定的设定值(FLOWSET)进行比较，并且在冲洗介质的流速(FLOW)已返回到相应的设定值(FLOWSET)之后，将冲洗介质的压力(p_FLOW)返回到在正常凿钻状态期间作用的冲洗介质的压力的设定值(p_FLOWSET)。
10.根据前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，冲洗介质是压缩空气、压力流体或其混合物。
11.一种岩石凿钻设备(1)，包括用于将冲洗介质送给到钻孔(8)内以将在凿钻期间所产生的钻屑移除出钻孔(8)的装置(7、9)、用于确定待被送给到钻孔(8)内的冲洗介质的流速(FLOW)的测量装置(12)、和至少一个用于基于待被送给到钻孔(8)内的冲洗介质的流速(FLOW)控制岩石凿钻设备(1)的工作的控制单元(13)，其特征在于，
测量装置(12)被构造为测量在岩石凿钻设备(1)的冲洗通道系统内流动的冲洗介质的流速(FLOW)，
控制单元(13)包括用于将冲洗介质的流速(FLOW)与为冲洗介质的流速(FLOW)设定的极限值(FLOWLIMIT1)进行比较的装置，和
当冲洗介质的流速(FLOW)降低到所述极限值(FLOWLIMIT1)以下时，控制单元(13)被构造为增加冲洗介质的压力(p_FLOW)。
12.根据权利要求11所述的岩石凿钻设备，其特征在于，所述岩石凿钻设备包括由控制单元(13)控制的用于影响冲洗介质的压力(p_FLOW)的装置(7、15)。
13.根据权利要求11或12所述的岩石凿钻设备，其特征在于，控制单元(13)包括：
用于确定冲洗介质的流速(FLOW)的改变率(dFLOW)的装置，
用于将冲洗介质的流速(FLOW)的改变率(dFLOW)与为所述冲洗介质的流速(FLOW)的改变率(dFLOW)设定的第一极限值(dFLOWLIMIT1)进行比较的装置，和
当洗介质的流速(FLOW)的改变率(dFLOW)超过所述第一极限值(dFLOWLIMIT1)时，控制单元(13)被构造为增加冲洗介质的压力(p_FLOW)。
14.根据权利要求11至13的任一项所述的岩石凿钻设备，其特征在于，控制单元(13)被构造为增加冲洗介质的压力(p_FLOW)使得冲洗介质的流速增加到对应于冲洗介质的流速(FLOW)的设定值(FLOWSET)的值。
15.根据权利要求11至14的任一项所述的岩石凿钻设备，其特征在于，控制单元(13)被构造为将冲洗介质的压力(p_FLOW)增加到为其设定的最大允许值(p_FLOWMAX)。
16.根据权利要求12至15的任一项所述的岩石凿钻设备，其特征在于，冲洗介质的压力(p_FLOW)被构造为通过增加包括在冲洗系统内的压力控制阀(15)的控制值而增加。
17.根据权利要求11至16的任一项所述的岩石凿钻设备，其特征在于，
控制单元(13)包括用于将冲洗介质的流速(FLOW)与相应的第二极限值(FLOWLIMIT2)进行比较的装置，和
当冲洗介质的流速(FLOW)下降到所述第二极限值(FLOWLIMIT2)以下时，控制单元(13)被构造为停止岩石凿钻设备(1)的送给功能。
18.根据权利要求11至17的任一项所述的岩石凿钻设备，其特征在于，
控制单元(13)包括将冲洗介质的流速(FLOW)的改变率(dFLOW)与相应的第二极限值(dFLOWLIMIT2)进行比较的装置，和
当冲洗介质的流速(FLOW)的改变率(dFLOW)超过所述第二极限值(dFLOWLIMIT2)时，控制单元(13)被构造为停止岩石凿钻设备(1)的送给功能。
19.根据权利要求17或18所述的岩石凿钻设备，其特征在于，控制单元(13)被构造为控制在钻孔(8)内待被向后拉的岩石凿钻设备(1)的凿钻装置。
20.根据权利要求11至19的任一项所述的岩石凿钻设备，其特征在于，控制单元(13)包括将冲洗介质的流速(FLOW)与为其设定的设定值(FLOWSET)进行比较的装置，以及在冲洗介质的流速(FLOW)已返回到相应的设定值(FLOWSET)之后，控制单元(13)被构造为将冲洗介质的压力(p_FLOW)返回到在正常凿钻状态期间作用的冲洗介质压力的设定值(p_FLOWSET)。
21.根据权利要求11至20的任一项所述的岩石凿钻设备，其特征在于，冲洗介质是压缩空气、压力流体或其混合物。
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