CN101688546A - 具有外部压力补偿器的液压系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于机器(10)的液压系统(22)。该液压系统具有加压流体源(24)和具有第一室(50)的液压缸(16)。该液压系统还具有能够使所述源与第一室选择性流体连通的第一阀(26)。第一阀还包括能够在流体通过位置和流体阻塞位置之间移动的第一元件(261)和能够选择地排放与第一元件相关联的控制通道(62a)的第二元件(262)，在流体通过位置，流体从所述源流至第一室，在流体阻塞位置，阻止流体从所述源向第一室流动。该液压系统还具有能够根据控制通道的压力控制被引导在所述源和第一阀之间的流体压力的比例压力补偿阀(36)。

Description

具有外部压力补偿器的液压系统
技术领域
本发明整体涉及液压系统，更具体地涉及具有外部压力补偿器的液压系统。
背景技术
例如推土机、装载机、挖掘机、平地机等机器以及其他类型的重型机器使用一个或多个液压致动器来完成各种任务。这些致动器与机器上的泵流体连接，泵向致动器内的室提供加压流体。电动液压阀装置通常流体连接在泵和致动器之间，以控制流至和流自致动器的室的加压流体的流速和方向。
将多个致动器流体连接至通用泵的机器液压线路在致动器操作期间会经历线路内不希望的压力波动。特别是，供应至一个致动器的流体的压力会响应于流体连接至同一液压线路的不同致动器的操作而不希望地波动。这些压力波动会导致不一致和/或不期望的致动器运动。另外，压力波动可能会非常严重和/或经常发生而导致液压线路部件发生故障或过早失效。
1999年3月9日授予Wilke等人的美国专利No.5878647(‘647专利)中描述了一种减少供应至液压致动器的流体内的这些压力波动的方法。‘647专利描述了一种液压线路，其具有两对电磁阀、变量泵、储液罐和液压致动器。其中一对电磁阀包括头端供应阀和将液压致动器的头端连接至变量泵或者储液罐的头端回流阀。另一对电磁阀包括杆端供应阀和将液压致动器的杆端连接至变量泵或者储液罐的杆端回流阀。这四个电磁阀的每一个都与不同的压力补偿单向阀相关联。每个压力补偿单向阀连接在相关联的电磁阀和致动器之间，以控制相关联的阀和致动器之间的流体压力。
尽管‘647专利中描述的液压线路的多个压力补偿阀可以减少液压线路中的压力波动，但它们也增加了液压线路的成本和复杂性。另外，‘647专利的压力补偿阀不能足够精确地控制液压线路中的压力而使相关联的致动器的性能最佳。
发明内容
本发明的液压系统旨在克服上述的一个或多个问题。
在一个方面，本发明涉及一种液压系统。该液压系统包括加压流体源、罐和具有第一室的流体致动器。该液压系统还包括能够使所述源与第一室选择性流体连通的第一阀。第一阀包括能够在流体通过位置和流体阻塞位置之间移动的第一阀元件，在流体通过位置，流体从所述源流至第一室，在流体阻塞位置，阻止流体从所述源向第一室流动。第一阀还包括能够选择地排放与第一阀元件相关联的控制通道以使得第一阀元件运动的第二元件。液压系统还包括被定位成控制在所述源和第一阀之间被引导的流体的压力的比例压力补偿阀。
在另一方面，本发明涉及一种操作液压系统的方法。该方法包括对流体进行加压并将加压流体经第一阀引导至致动器的第一室。该方法还包括选择性地操作第一阀以移动致动器。该方法还包括响应第一阀的控制通道处的压力移动比例压力补偿阀，从而将第一阀两端的压差保持在希望压差的预定范围内。
附图说明
图1是根据一种示例性公开的实施方式的机器的侧视图；和
图2是一种示例性公开的液压线路的示意图。
具体实施方式
图1示出了一种示例性机器10。机器10可以是执行与例如采矿、建筑、农业等行业或者本领域已知的任何其他行业相关的一些类型的操作的固定或者移动机器。例如，机器10可以是例如推土机、装载机、反铲挖土机、挖掘机、平地机、自卸卡车等土方机器或者任何其他的土方机器。机器10还可以体现为发电机组、泵、船舶或者任何其他合适的操作执行机器。机器10可包括机架12、至少一个作业工具14和将作业工具14连接到机架12的液压致动器16。
机架12可包括支承机器10运动的任何结构单元。机架12例如可以是将机器10的功率源(未示出)连接到牵引设备18的固定底座、联动系统的活动框架或者本领域已知的任何其他机架。
作业工具14可包括用于执行任务的任何设备。例如，作业工具14可包括刮板、铲斗、铲子、粗齿锯、倾卸台、推进设备或者本领域已知的任何其他任务执行设备。作业工具14可借助直接枢轴20、借助联动系统(液压缸16形成联动系统中的一个构件)或者以任何其它合适的方式连接到机架12。作业工具14可以本领域已知的任何其他方式相对于机架12枢转、旋转、滑动、摆动或者移动。
如图2所示，液压致动器16可以是液压系统22内相互配合移动作业工具14的各种部件中的一个。液压系统22的一些其他部件可包括加压流体源24、罐34、头端供应阀26、头端排流阀28、杆端供应阀30和杆端排流阀32。
尽管在公开的实施方式中，液压致动器16可体现为具有管46和设置在管46内的活塞组件48的缸，但液压致动器16可以仅仅简单实施为旋转马达。管46和活塞组件48中的一个可枢转连接至机架12，而管46和活塞组件48中的另一个可枢转连接至作业工具14。可以想到，管46和/或活塞组件48可替代地固定连接至机架12或者作业工具14。液压致动器16可包括被活塞组件48分开的第一室50和第二室52。第一室50和第二室52可被选择性地供应通过源24加压的流体并与罐34流体连接，以引起活塞组件48在管46内移位，由此改变液压致动器16的有效长度。液压致动器16的伸展和收缩可帮助移动作业工具14。
活塞组件48可包括设置在管46内且与管46轴向对准的活塞54和能够连接到机架12或者作业工具14的活塞杆56(参照图1)。活塞54可包括第一液压表面58和与第一液压表面58相对的第二液压表面59。流体压力在第一和第二液压表面58、59上引起的不平衡力可造成活塞组件48在管46内移动。例如，第一液压表面58上的力大于第二液压表面59上的力可导致活塞组件48移位而增加液压致动器16的有效长度。类似地，当第二液压表面59上的力大于第一液压表面58上的力时，活塞组件48可在管46内缩回而减小液压致动器16的有效长度。例如O型圈的密封构件(未示出)可连接到活塞54，以限制流体在管46的内壁和活塞54的外圆柱表面之间流动。
源24可产生加压流体流并包括泵，例如变量泵、定量泵或者本领域已知的任何其他加压流体源。源24可以例如通过副轴(未示出)、带(未示出)、电路(未示出)或者以任何其他合适的方式能够驱动地连接至机器10的功率源(未示出)。源24可以专用于仅向液压系统22供应加压流体，或者替代地，可以向机器10内的其它液压系统(未示出)供应加压流体。
罐34可构成能够保持流体供应的容器。流体可包括例如专用的液压油、发动机润滑油、变速器润滑油或者本领域已知的任何其他流体。机器10内的一个或多个液压系统可从罐34吸取流体并向罐34返回流体。还可以想到，液压系统22可连接至多个单独的流体罐。
头端和杆端供应阀和排流阀26-32可相互连接。具体来说，头端和杆端供应阀26、30可并联连接至上游的共用流体通道60并分别连接至下游的室通道61、63。头端和杆端排流阀28、32可并联连接至共用排流通道64。头端供应阀和排流阀26、28可并联连接至第一室流体通道61。杆端供应阀和排流阀30、32可并联连接至共同的第二室流体通道63。
头端供应阀26可设置在共用流体通道60和第一室流体通道61之间以调节加压流体从源24至第一室50的流动。具体来说，头端供应阀26可体现为具有第一阀元件261和第二阀元件262的双向力反馈提升阀。第一阀元件261可具有与共用流体通道60连通的第一端口263和与第一室流体通道61连通的第二端口264。第一阀元件261能够响应于打开位置和闭合位置之间的流体压力而滑动以控制源24和第一室50之间的流体流动。第二阀元件262可以由螺线管致动并能够滑动以通过头端控制通道62a内的流体压力以及将第一阀元件261连接至第二阀元件262的弹簧来控制第一阀元件261的运动。当第二阀元件262向打开或者流体通过位置移动时，第一阀元件261也朝打开位置移动。当第二阀元件向关闭位置移动时，第一阀元件也朝关闭位置移动。
头端排流阀28可设置在第一室流体通道61和共用罐通道64之间以调节加压流体从第一室50向罐34的流动。具体来说，头端排流阀28可包括单向两位弹簧偏置阀机构，其由螺线管致动以在允许流体从第一室50流向罐34的第一位置和阻止流体从第一室50流动的第二位置之间运动。可以想到，头端排流阀28可包括另外的或不同的阀机构，例如比例阀元件或者本领域已知的任何其他阀机构。还可以想到，头端排流阀28可替代地由液压致动、机械致动、气体致动或者以任何其他合适的方式致动。
杆端供应阀30可设置在共用流体通道60和第二室流体通道63之间以调节加压流体从源24向第二室52的流动。具体来说，杆端供应阀30可实施为具有第一阀元件301和第二阀元件302的双向力反馈提升阀。第一阀元件301可具有与共用流体通道60连通的第一端口303和与第二室流体通道63连通的第二端口304。第一阀元件301可响应于流体压力而在打开位置和闭合位置之间滑动，从而控制源24和第二室52之间的流体流动。第二阀元件302可由螺线管致动并且能够滑动以通过杆端控制通道62b内的流体压力以及将第一阀元件301连接到第二阀元件302的弹簧来控制第一阀元件301的运动。当第二阀元件302向打开或者流体通过位置移动时，第一阀元件301也可朝打开位置移动。当第二阀元件302向闭合位置移动时，第一阀元件301也朝闭合位置移动。
杆端排流阀32可设置在第二室流体通道63和共用排流通道64之间并能够调节加压流体从第二室52向罐34的流动。具体来说，杆端排流阀32可包括单向两位弹簧偏置阀机构，其由螺线管致动以在允许流体从第二室52向罐34流动的第一位置和阻止流体从第二室52流动的第二位置之间运动。可以想到，杆端排流阀32可包括另外的或者不同的阀机构，例如比例阀元件或者本领域已知的任何其他阀机构。还可以想到，杆端排流阀32可替代地由液压致动、机械致动、气体致动或者以任何其他合适的方式致动。
头端和杆端控制通道62a、62b可进行连接以影响梭阀74的运动，从而具有更低压力的通道使流体流经梭阀74以控制比例压力补偿阀36的移动。头端控制通道62a可将第一和第二阀元件261、262流体连接至梭阀73，同时还向梭阀74流体传递共同压力。杆端控制通道62b可将第一和第二阀元件301、302流体连接至梭阀75，同时还向梭阀74流体传递共同压力。
梭阀73可将第一和第二端口263、264的具有较高流体压力的那个流体连接至头端控制通道62a，并将第一和第二端口263、264的具有较低流体压力的那个流体连接至第二阀元件262。这样，梭阀73可从从第一端口263和第二端口264获取压力信号，以允许两个端口的较高流体压力向头端控制通道62a施压。头端供应阀26还可包括设置在第一端口263和梭阀73之间的限流孔265，以使流体通道60内的压力和/或流动振荡最小。
梭阀75可将第一和第二端口303、304的具有较高流体压力的那个流体连接至头端控制通道62b，并将第一和第二端口303、304的具有较低流体压力的那个流体连接至第二阀元件302。这样，梭阀75可从第一端口303和第二端口304获取压力信号，以允许两个端口的较高流体压力向头端控制通道62b施压。杆端供应阀30还可包括设置在第一端口303和梭阀75之间的限流孔305，以使流体通道60内的压力和/或流动振荡最小。
梭阀74可设置在头端和杆端流体通道62a、62b下游之间。响应于来自头端或者杆端流体通道62a、62b的较高流体压力，梭阀74可将头端和杆端流体通道62a、62b的具有较低流体压力的那个流体连接至比例压力补偿阀36。这样，梭阀74可从头端和杆端流体通道62a、62b获取压力信号，以允许两者中的较低压力影响比例压力补偿阀36的移动。液压系统22还可包括设置在比例压力补偿阀36和上游的流体通道60之间的单向阀76。
比例压力补偿阀36可以是设置在源24和上游的共用流体通道60之间的水力-机械致动的比例控制阀，以控制供应至上游的共用通道60的流体的压力。具体来说，比例压力补偿阀36可包括阀元件36a，该阀元件36a是弹簧且被朝着流体通过位置液压偏置并能够通过液压朝流体阻塞位置运动。在一种实施方式中，比例压力补偿阀36能够通过从比例压力补偿阀36和上游的共用流体通道60之间的点经由流体通道78引导的流体的压力朝着流体阻塞位置移动。限流孔80可设置在流体通道78内以使流体78内的压力和/或流动振荡最小。单向阀76可位于比例压力补偿阀36和上游的共用流体通道60之间，以确保流体自源24向液压致动器16的单向流动。
比例压力补偿阀36能够通过从梭阀74经由流体通道82引导的流体朝流体通过位置移动。限流孔84可设置在流体通道82以使流体通道82内的压力和/或流动振荡最小。可以想到，比例压力补偿阀36的阀元件36a可替代地是朝流体阻塞位置偏置的弹簧，来自通道82的流体可替代地将阀元件36a朝流体通过位置偏置，和/或来自通道78的流体可替代地将阀元件36a朝流动阻塞位置移动。还可以想到，比例压力补偿阀36可替代地位于头端和杆端供应阀26、30下游或者位于任何其他合适的位置。还可以想到，如果需要可省去限流孔80和84。
可以设置一个或多个压力释放阀来使液压系统22内的压力峰值最小。例如，头端压力释放阀38可流体连接到第一室50和头端供应和排流阀26、28之间的第一室流体通道61。头端压力释放阀38可具有阀元件，该阀元件被朝着阀闭合位置弹簧偏置且能够响应于第一室流体通道61内的流体压力高于预定压力而运动到阀打开位置。这样，头端压力释放阀38可通过允许流体从第一室50泻流至罐34而降低由作用在作业工具14和活塞54上的外力引起的液压系统22内的压力峰值。杆端压力释放阀42可流体连接到第二室52和杆端供应和排流阀30、32之间的第二室流体通道63。杆端压力释放阀42可具有阀元件，其被朝着阀闭合位置弹簧偏置且能够响应于第二室流体通道63内的流体压力高于预定压力而运动到阀打开位置。这样，杆端压力释放阀42可通过允许流体从第二室52泻流至罐34而降低由作用在作业工具14和活塞54上的外力引起的液压系统22内的压力峰值。
可设置一个或多个补给阀来补充液压系统22的损失。例如，头端补给阀40可流体连接至第一室50和头端供应和排流阀26、28之间的第一室流体通道61。头端补给阀40可具有阀元件，该阀元件能够响应于第一室流体通道61内的流体压力低于罐34内的流体压力允许流体从罐34流入第一室流体通道61。这样，头端补给阀40能够通过允许来自罐34的流体填充第一室50而减少由作用在作业工具14和活塞54上的外力引起的液压系统22内的压降。杆端补给阀44可流体连接至第一室52和头端供应和排流阀30、32之间的第二室流体通道63。杆端补给阀44可具有阀元件，其能够响应于第二室流体通道63内的流体压力低于罐34内的流体压力而允许流体从罐34流入第二室流体通道63。这样，杆端补给阀44能够通过允许来自罐34的流体填充第二室52而减少由作用在作业工具14和活塞54上的外力引起的液压系统22内的压降。
工业实用性
本发明的液压系统能够应用于包括流体致动器的任何机器，其中希望对供应至致动器的流体的压力波动和/或不一致流动进行补偿。本发明的液压系统可提供保护液压系统部件的高响应压力调节并且以成本低且结构简单的方式提供稳定的致动器性能。现在将解释液压系统22的操作。
液压缸16响应于操作者输入通过流体压力而移动。流体可通过源24加压并被引导到头端和杆端供应阀26和30。响应于相对管46延伸或缩回活塞组件48的操作者输入，头端和杆端供应阀26和30中的一个可向打开位置移动，以将加压流体引导到第一室50和第二室52中适当的一个。几乎同时，头端和杆端排流阀28、32中对应的一个可向打开位置移动，以将流体从第一室50和第二室52中适当的一个引导到罐34，以在活塞54两端形成压差，导致活塞组件48移动。例如，如果要求液压缸16伸展，则头端供应阀26可向打开位置移动，从而将加压流体从源24引导到第一室50。基本与加压流体被引导至第一室50同时，杆端排流阀32可向打开位置移动，允许流体从第二室52泻流至罐34。如果要求液压缸缩回，则杆端供应阀30可向打开位置移动，以将加压流体从源24引导至第二室52。基本与流体被引导至第二室52同时，头端排流阀28向打开位置移动，允许流体从第一室50泻流至罐34。
由于多个致动器与源24流体连接，致动器之一的操作可影响引导至液压缸16的流体的压力和/或流动。如果不进行调节，这些影响会造成液压缸16和作业工具14的不一致和/或不希望动作，且可能造成液压系统22的部件寿命变短。比例压力补偿阀36通过响应液压系统22内的流体压力而使阀元件36a在流体通过位置和流体阻塞位置之间按比例移动解决了这些影响，从而提供了液压系统22的所有供应阀两端基本固定的预定压降。为解释该操作，下面给出了关于头端供应阀26的例子。
源24可使流体加压并将加压流体经由共用流体通道60传递至第一端口63和梭阀73。当共用流体通道60的流体压力大于第二端口64的流体压力时，被引导至梭阀73的流体可向头端控制通道62a施压。为了允许流体流经头端供应阀26，第二阀元件262可借助螺线管运动，以将头端控制通道62a与第一室流体通道61经梭阀73流体连接。由于流体泻流至第一室流体通道61，这会造成头端控制室62a内的压降。头端控制室62a的该降低的压力可减小作用在第一元件261上使第一元件261偏向闭合位置的偏向力。头端控制通道62a的该降低的压力还可造成第一端口63和头端控制通道62a之间的压差增加。该增加的压差可造成第一阀元件261朝流体通过位置移动以平衡液压和弹簧力。当第二阀元件262打开以减小头端控制室62a的压力时，它还同时通过弹簧将阀元件261朝闭合位置偏置。第一阀元件261可达到新的平衡状态，此时，由第二阀元件262通过连接的弹簧施加的力和控制通道62a的压力构成的阀闭合力与第一端口261的压力构成的阀打开力相等。
为了使流体不再流经头端供应阀26，第二阀元件262可移动到闭合位置，以阻止流体从控制通道62a向第一室流体通道62a流动。控制通道62a内的流体压力由此增加，接近经梭阀73供应控制通道62a的第一端口263的压力。随着控制通道62a的压力增加，第一端口263和头端控制通道62a之间的压差减小。该减小的压差造成第一阀元件261朝流体阻塞位置移动，以达到新的平衡状态，此时，由第二阀元件262通过连接的弹簧施加的力和控制通道62a的压力构成的阀闭合力与第一端口162的压力构成的阀打开力相等。杆端供应阀30的操作基本上相同。
随着头端和杆端供应阀26、30中的一个向流体通过位置移动，与流体通过阀相关联的控制通道62a或者62b内的压力会低于与流体阻塞阀相关联的控制通道62a、62b内的压力。结果，梭阀74由较高的压力朝流体通过阀偏置，由此将较低的压力从流体通过阀传递至比例压力补偿阀36。该较低的压力然后与比例压力补偿阀的力一起作用，克服来自流体通道78的力。然后合力将使比例压力补偿阀的阀元件朝着流体阻塞位置或者流体通过位置移动。随着来自源24的压力降低，比例压力补偿阀36可朝流体通过位置移动并由此保持上游的共用流体通道60内的压力。类似地，随着来自源24的压力增加，比例压力补偿阀36可朝流体阻塞位置移动，由此保持上游的共用流体通到60内的压力。这样，比例压力补偿阀36可调节液压系统22内的流体压力。
由于比例压力补偿阀36可由水力-机械致动，液压系统22内的压力波动在严重影响液压缸16的动作或者液压系统22中部件的寿命之前可快速地被调和。另外，由于比例压力补偿阀36可由水力-机械致动而不是由电控制，因此可使液压系统22的成本最小。并且，由于比例压力补偿阀36可利用头端或杆端控制通道62a或者62b的压力而不是输出端口264或者304的压力，因此可获得更加稳定的压差，因为共有流体通道60和头端和杆端控制通道62a、62b之间几乎没有泄露路径。
本领域技术人员可对本发明的液压系统进行多种修改和改变。通过考虑说明书和本发明的液压系统的实践，本领域技术人员会想到其他实施方式。说明书和实施例仅仅应当作为示例考虑，真正的保护范围由权利要求及其等同范围指明。

Claims (10)

1.一种液压系统(22)，包括：
加压流体的源(24)；
具有第一室(50)的流体致动器(16)；
能够使所述源与所述第一室选择性流体连通的第一阀(26)，该第一阀具有：
第一元件(261)，其能够在流体通过位置和流体阻塞位置之间移动，在所述流体通过位置，流体从所述源流至所述第一室，在所述流体阻塞位置，阻止流体从所述源向所述第一室流动；和
第二元件(262)，其能够选择地排放与所述第一元件相关联的控制通道(62a)，以引起所述第一元件移动；以及
比例压力补偿阀(36)，其能够根据所述控制通道的压力来控制在所述源和所述第一阀之间被引导的流体的压力。
2.根据权利要求1所述的液压系统，其中：
所述流体致动器还包括第二室(52)；且所述液压系统还包括：
第二阀(30)，其能够将所述源与所述第二室选择性地流体连通，所述第二阀具有：
第三元件(301)，其能够在流体通过位置和流体阻塞位置之间移动；和
第四元件(302)，其能够选择性地排放与所述第一元件相关联的控制通道(62b)，以引起所述第三元件移动。
3.根据权利要求2所述的液压系统，还包括设置在所述源与所述第一阀和所述第二阀之间的第一流体通道(60)，其中，所述第一阀和所述第二阀并联连接至所述第一流体通道，且所述比例压力补偿阀设置在所述源和所述第一流体通道之间。
4.根据权利要求3所述的液压系统，还包括第二流体通道(78)，其中，所述比例压力补偿阀包括能够在流体通过位置和流体阻塞位置之间移动的阀元件(36a)，且所述第二流体通道能够将来自所述比例压力补偿阀和所述第一流体通道之间的流体引导至所述比例压力补偿阀，以使所述阀元件朝所述流体通过位置和所述流体阻塞位置中的一个偏置。
5.根据权利要求4所述的液压系统，还包括：
设置在所述第一阀和第二阀下游的第三流体通道(62a、62b)，所述第一阀和第二阀与所述第三流体通道流体连通；和
梭阀(74)，其设置在所述第一阀和第二阀之间的第三流体通道内并能够在第一位置和第二位置之间移动，在所述第一位置，来自所述第一阀的加压流体流经所述梭阀，在所述第二位置，来自所述第二阀的加压流体流经所述梭阀。
6.根据权利要求5所述的液压系统，还包括第四流体通道(82)，其能够将来自所述第一阀和所述第二阀之一的加压流体经所述梭阀引导至所述比例压力补偿阀，以使所述阀元件朝所述流体通过位置和流体阻塞位置中的另一个偏置。
7.一种操作液压系统的方法，包括：
对流体进行加压；
将加压流体经第一阀(26)引导至致动器(16)的第一室(50)；
将加压流体经第二阀(30)引导至致动器(16)的第二室(52)；
选择性操作所述第一阀和第二阀的至少一个以移动所述致动器；以及
响应所述第一阀和第二阀中的一个的控制通道(62a、62b)处的压力移动比例压力补偿阀(36)，从而将所述第一阀和第二阀中的一个两端的压差保持在希望压差的预定范围内。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括：
经第三阀(28)从所述第一室排放加压流体；
经第四阀(32)从所述第二室排放加压流体；
结合所述第一阀和第二阀中的一个，选择性地操作所述第三阀和第四阀中的一个以移动所述致动器。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，将加压流体引导至所述第一室和第二室包括引导加压流体经过设置在所述第一阀和所述第二阀上游的第一流体通道(60)，所述第一阀和所述第二阀并联连接至所述第一流体通道，且所述比例压力补偿阀设置在所述第一流体通道和加压流体源(24)之间。
10.一种机器(10)，包括：
作业工具(14)；和
根据权利要求1-6中任一项所述的能够使压力波动对所述作业工具的影响最小的液压系统(22)。
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