CN101782469B - 一种单机车定置滚动试验台 - Google Patents

Abstract

一种单机车定置滚动试验台，包括2个反力架及1座上车桥，与单台机车轮对数目相同的测试单元构成的测试单元组，其中：测试单元的组成是，支撑机车轮对的轨道轮对的轴与绕线异步电机轴连接；且：测试单元组中各绕线异步电机的定子绕组通过定子三相母排并联到电网；转子三相母排通过三相开关四星形连接三个调速电阻；转子三相母排中的两相通过开关五与可控整流器直接相连，转子三相母排中的另一相在相邻两台绕线异步电机转子绕组连接点之间，串接有开关六，轨道轮对的轴的中部，安装有飞轮。该种试验台同步方便、可靠、结构简单，投资低、占用空间小、安装调试容易、试验方便简单。

Description

一种单机车定置滚动试验台

技术领域

本发明涉及一种铁路内燃机车、电力机车、干线动车以及地铁动车的定置滚动试验台。

背景技术

铁路电力或内燃机车的功能是牵引列车运行，主要工况是牵引和制动，干线动车以及地铁动车的主要工况也是牵引和制动：

一、牵引工况：电力机车从电网取得的电能经变流器转换成适当的电压(还可能包括频率)后，由牵引电机转换成机械动能，在不同的速度下均可输出可由司机控制的牵引力，使列车加速或稳速运行；内燃机车则是由内燃机先将燃油的化学能转换成机械能带动交流同步发电机发电，再经过变流器后，驱动牵引电机牵引列车运行。

二、制动工况：电力机车由牵引电机将列车的动能转换成电能，经过变流器等转换后，回馈到电网。在不同的速度下，输出可由司机控制的制动阻力，从而使列车减速或稳速。内燃机车则是将机械能通过牵引电机转换成电能，通过电阻发热消耗，使列车减速或稳速。

铁路机车为功率超过2000kW的移动机电设备，其使用周期一般为30年，其间要经过多次检修。机车一旦出现故障，将会破坏铁路的正常运行秩序，为保证机车走行与牵引、制动性能，新车和检修车均必须进行线路试运行试验后，方可投入正式运行。

采用线路试运行试验方式，对牵引和制动性能进行试验的最简单方法是：采用2～3台机车编组，一台机车牵引、另1或2台机车做为陪试机车进行制动，被试验机车操作手柄由司机固定在相应级位(有时仅仅试验最高级位)，通过改变陪试机车制动力的大小，控制列车速度，当速度稳定后，从司机室的仪表系统上，得出对应级位的运行速度和牵引力信息；改变陪试机车的制动力可得到另外八个左右不同速度点的速度——牵引力数组，就得到一条牵引特性曲线；再改变被试机车的手柄级位，则可得到另一级位下的牵引特性曲线；多条牵引特性曲线可以清晰描述被试机车的牵引性能。

制动试验时，陪试机车则输出牵引力带动被试机车前进；而被试机车则处于制动工况，手柄在特定级位，由牵引电机将机械能转换成电能实现制动。同样从司机室的仪表系统上可得出被试机车运行速度和制动力的信息；陪试机车调节车组的牵引力，得到十个左右的速度——制动力数组，即得到一条制动特性曲线；改变被试机车手柄级位，则可得到另外一条制动特性曲线，多条制动特性曲线可以清晰描述被试机车的制动性能。

机车低速试验可在厂段所属的几公里的试验线或环行试验线上进行，额定速度的试验则需要较长的线路里程，只能正线试验，正线试验给繁忙的路网造成很大的压力。因此，采用定置滚动试验台代替线路运行试验是必然的选择。

机车定置滚动试验台的主要结构和工作原理是：机车两端被反力架固定，对应机车的每个轮对由配置有直流电机驱动的轨道轮对支撑，为了适应支撑不同轴距机车的要求，一对轨道轮及电机等设备组成一个机械测试单元。

牵引工况试验时，牵引电机驱动机车轮对旋转，进而带动轨道轮旋转，与轨道轮相连的直流电机、大功率电气负载设备消耗机械能，为轨道轮提供旋转阻力，调节电气负载也即调节旋转阻力的大小，使机车轮稳定到不同的速度点，可读取十个左右的速度——牵引力数组，可以得到一条牵引特性曲线，改变机车的牵引级位，可以得到多条牵引特性曲线，根据测得的牵引特性曲线，可以判断被试机车的牵引性能是否合格。

制动试验时，直流电机驱动轨道轮，进而为机车轮提供旋转动力，而通过操作机车使其处于特定的制动级位，由牵引电机将机车轮的动能转换成电能回馈到电网或由电阻消耗，并从司机室的仪表系统上读出该制动级位下的速度——制动力数组；并通过调节直流电机的动力，可得到十个左右速度——制动力数组，进而得到一条制动特性曲线；改变机车的制动级位，再通过调节试验台电机的动力可得到另外一条制动特性曲线，通过多条制动特性曲线，可以判断被试机车的牵引性能是否合格。

定置滚动试验方便，试验条件可控，重复性好，高速试验安全，试验周期短，参加人员少，获得试验结果快，还可方便地改变模拟的轨距。因此定置滚动试验台在近半个世纪的机车车辆，特别是高速车辆的开发过程中得到了广泛运用。定置滚动试验台试验和环行道试验、线路试验并列，成为机车试验的三种方式。

尽管试验台经过多年的发展，有了长足的进步，但仍存在如下问题：

1)、设置于生产和检修单位的试验台，一般采用上车桥以走轮缘的方法上下车，机车轮对的轮缘与上车桥刚性接触，轮缘的应力集中，容易产生变形和裂纹；而采用走踏面的方式上下车，则需要非常复杂的辅助设备，才能适应机车不同轴距的放置要求。

2)、机车的转矩总有5％以上的波动。机车在试验台上试验，其速度仅由机车轮转速体现，车体并不运动，因此体现在牵引电机旋转动力学方程中的等效转动惯量减小到线路运行的大约1/20，受其影响，根据线路运行状况设计的机车闭环控制系统，在定置滚动试验中可能出现速度不稳定的情况。这种机车的动态不稳定是实现电气同步调节精度的主要障碍，许多试验台的方案设计对此没有认识，更没有对应的结构措施。

3)、定置滚动试验台通过相互独立的多个轨道轮对，在模拟两根无限长直钢轨完成试验的过程中，多方面的因素会引起各个轨道轮对的转速不同，使机车误认为某些轮对发生空转而对其停止力矩输出，随后又再对其恢复输出，使机车运行不稳定；尤其在机车启动时将导致输出力矩频繁停止，使机车不能正常启动。为保证各轨道轮对旋转角度同步，现有的试验台多采用锥齿轮将所有的轨道轮轴联结起来，这使其机械部件多，中间连接轴长、试验设备复杂、可靠性降低。同时为了对齐不同轴距的机车，众多的机械连接部件也使其机械调整工作量大，长轴还是导致附加振动和不安全的因素。

鉴于机械同步方案的问题，国内有的定置滚动试验台采用调节各直流电机的励磁电流，而使轨道轮对旋转速度趋于一致的方案，如1981年的《内燃机车试验台测功装置调速系统》，这种方案需额外增加测控闭环系统，同时由于机车的各个牵引电机之间在“车控”模式全部牵引电机并联，而架控时2～3台电机并联，由公共电源驱动，这些电机在速度、转矩之间存在共用电源带来的耦合关系，试验台调节一个轨道轮对的转速时，有耦合关系的其它动轮速度也会发生变换，产生交叉干扰。在实际应用时，这种方案至少需要针对具体机车反复调整，使用很不方便，同时又有前述转动惯量减小带来的机车轮速度不稳定问题，要实现满意的同步旋转很困难。

4)、机车定置滚动试验台的牵引性能试验，需要采用大功率直流电机；且因为直流电机工作速度范围小，必须采用齿轮箱换档才能满足交流传动机车试验速度宽范围的要求。换档齿轮箱的存在既使试验台的设备复杂，成本高，又使安装、调整复杂。

5)、复杂的同步机械连接部件、换挡齿轮箱及驱动轨道轮的电机均只能安装在轨道轮对的侧面，从而使其安装区域需要6米以上的宽度。并且机车上台前，要移走地面上竖立的反力架，机车纵向移动到试验台位后，又要安装反力架；反力架的移动均需要行车，而行车和接触网之间又需要设置连锁。因此对试验厂房要求高，试验操作复杂，受场地限制，定置滚动试验台难以在现有的检修厂、段建造。

总之，现有的试验台采用直流电机提供动/阻力转矩，电气同步主要是依靠直流电机进行电枢或励磁调节，调节效果始终不如人意，采用机械同步在调整时工作量又很大。

发明内容

本发明的目的是提供一种单机车定置滚动试验台，该种试验台同步设备简单、可靠，占用空间小、安装调试容易、试验便捷。

本发明实现其发明目的，所采用的技术方案是：一种单机车定置滚动试验台，包括2个反力架及1座上车桥，与单台机车轮对数目相同的测试单元构成的测试单元组，其结构特点是：

所述测试单元的组成是，支撑机车轮对的轨道轮对的轴与绕线异步电机轴连接；且：

测试单元组中各测试单元的绕线异步电机的定子绕组通过定子三相母排并联，定子母排通过三相开关一与电网相连；同时定子三相母排的还通过开关二连接三个星接的能耗电阻一，通过开关三连接三个星接的电容一；

测试单元组中，各测试单元的绕线异步电机的转子绕组并联到转子三相母排上；转子三相母排通过三相开关四连接到三个星接的调速电阻；转子三相母排还通过开关五与可控整流器直接相连。

测试单元组中，轨道轮对的轴的中部安装有飞轮。

该种技术方案适合于单台机车的定置试验，其工作过程和原理是：

一、同步启动

将定子母排上的三相开关一闭合，从而使测试单元组中各测试单元的绕线异步电机的定子绕组通过定子三相母排及三相开关一与电网相连。这样各绕线异步电机的转子绕组相互并联，而定子绕组则并联到电网上，形成电轴电路，可保证轨道轮同步旋转。

电轴电路工作原理是：各绕线异步电机的三相定子绕组并联到电网，电机气隙中产生旋转磁场，如各个绕线异步电机转子的三相对称绕组旋转位置相同，则产生的感应电势大小相等相互抵消，转子绕组回路不产生电流，绕线异步电机均空载运行，不产生同步调节转矩。如某一电机轴系的动力转矩增加或负载转矩减少，相对其余的电机，转子产生超前转角θ，合成电势不为零，转子绕组回路产生电流的有功分量，形成的同步调节转矩将使该电机减速，其余电机加速，最终建立新的平衡，使各电机轴的转速相同，但转角差θ。因此，当三相开关一及开关六导通，而其余开关断开，电轴电路工作时，即可确保各绕线异步电机的转速相同，也即各轨道轮的旋转速度相同，简单有效的保证了各轨道轮对的同步旋转。

有电轴电路作保证，同时绕线异步电机的直径/长度比大于1，使测试单元有较大的转动惯量，可有效抑制机车因转矩脉动导致的转速波动，将机车牵引手柄置于适当的牵引低档位后，车轮同步平稳地加速到对应低转速，比如50r/min，检查轨道轮轴线相对机车轮对轴线的冲角，并调正，再通过调节机车手柄，适当提高轮对转速，并维持此转速，即完成试验准备工作。

二、牵引工况试验：试验准备工作完成后，司机手柄位置保持不动，将定子母排上的三相开关一断开，而将定子三相母排上的三相开关二和三相开关三闭合，从而使各绕线异步电机的定子绕组与星形连接的三个能耗电阻一和三个电容一连通，而与电源断开。同时开关四保持断开，而将转子三相母排中与可控整流器相连的开关五闭合，从而使各绕线异步电机的转子绕组中2相并联再和另一相串联，通过可控整流器向各绕线异步电机的转子绕组统一提供直流励磁电流，使绕线异步电机运行在同步发电机状态，机车的动能，经过同步化运行的绕线异步电机转化成电能后，通过与定子绕组连通的三个能耗电阻消耗掉，由此组成同步测功电路。此电路在轨道轮转速达到一定数值后，在电机的定子绕组中产生较大的感应电势，如电机转子旋转角度有误差，则并联的定子电路中有环流产生，可形成良好的保证轨道轮同步旋转的转矩，通过调节转子绕组上的励磁电流，调节发电机的轴端旋转阻力，使机车稳定在不同的速度或牵引力数值上，并从机车的仪表系统得出该牵引级位下的牵引特性曲线，操作机车使其处于不同的牵引级位，重复操作励磁电流，记录数据，从而完成牵引工况的试验。

三、制动工况试验：在试验准备工作完成后，或者在牵引工况试验后，通过手柄使机车同步加速到适当的速度，通过开关转换使试验台电机工作在电轴电路状态，再将转子绕组上的三相开关四闭合；这样，转子绕组与调速电阻相连，绕线异步电机工作在电动机状态，通过轨道轮驱动机车轮旋转，为机车制动试验提供动力；最后将机车手柄放置在适当的制动级位，从而完成机车的制动功能性试验。

无论牵引还是制动试验的电路转换期间，测试单元有较大的转动惯量可以减小车轮间速度差异，维持机车牵引传动系统的正常工作环境。

总之，本发明通过电路转换使绕线异步电机分别工作在三种状态，即启动时的同步电轴电路状态、牵引工况时的同步发电机状态、制动工况时的电动机状态；分别为机车试验时提供启动各轨道轮的同步保证、牵引工况时为机车提供负载、制动工况时为机车提供动力。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、直接采用绕线异步电机通过电路转换直接构成同步电轴电路，简单有效的实现了启动时各轨道轮的可靠同步，省掉了复杂的机械轴连接同步系统或者直流电机的同步电机控制调节系统，其结构简单，调试方便，可靠性好。尤其是针对不同机车的不同轴距，机械轴连接同步需要进行复杂的调整，而本发明各测试单元的电机通过电缆连接，针对不同轴距，试验台的调整量大大减少，从而缩短了试验准备时间。

二、通过电路转换绕组连接，使异步电机工作于既作同步发电机作为机车牵引工况试验的负载，又作电动机为制动工况时的机车轮提供驱动力；并且由于交流绕线异步电机的功率大、工作速度范围宽，还省掉了直流电机因为转矩小而必须采用的齿轮箱，进一步使其结构简单，成本低，安装、调整容易。

三、绕线异步电机的直径/长度比大于1，其轴可直接安装于轨道轮一侧的轴端上，或者做成空心轴等形式通过胀套联轴器安装在轨道轮的轴中间，进一步减小测试单元即试验台的宽度，所需安装区域的宽度为4米或2.4米，占地面积小，试验厂房要求低，可以直接在现有的检修厂、段方便地建造。

上述的轨道轮对的轴还同时与同步电机的轴连接，同步电机的直径/长度比大于1；

上述的测试单元组中，各测试单元的同步电机的电气连接方式是：同步电机的定子绕组并联到同步电机定子三相母排上；同步电机定子三相母排通过开关七连接到三个星接的电容二，还通过开关八连接到三个星接的能耗电阻二，同步电机的转子绕组相互串接后，再与可控整流器连接。

这种连接有同步电机的单机车定置试验台，其工作过程和原理是：

一、同步启动：首先将所有的绕线异步电机按以上的同步启动操作，将其连成电轴电路，电轴电路可保证各轨道轮进行同步旋转；再操作被试机车，使其处于低档牵引级位，机车的各轮对被牵引电机驱动，电轴电路同步，加速到对应低转速，完成各轨道轮的同步旋转启动。再由可控整流器对所有串接在一起的同步电机的转子绕组进行励磁，使其工作在同步发电机状态。

二、牵引工况试验：操作机车使其处于特定牵引级位，将同步电机定子母排上的开关七、八闭合，从而接通电容器二和能耗电阻二，再通过可控整流器调节同步电机的励磁电流，使机车的动能被工作于发电机状态的同步电机转换成电能后，由能耗电阻二消耗，以模拟机车的牵引负载及坡道阻力，励磁电流大则机车负载大；这样就可得出牵引力特性曲线，改变牵引级位，重复调节励磁电流，则可得到多条牵引力特性曲线，从而完成牵引性能试验。

如果在同步电机转速达到适当数值后，施加满励磁的同步电机有足够的同步能力时，还可将绕线异步电机也转换成同步发电机电路，即通过其定子母排上的开关将定子绕组与三相星接的能耗电阻一及电容一联通，转子绕组由可控硅励磁电源供电，则绕线异步电机也工作于发电机状态，可为轨道轮提供双倍的可调阻力，增强牵引试验的能力。

三、制动工况试验：在机车达到特定的运行速度后，断开与同步电机定子绕组相连的电阻与电容，保持适当的励磁，各个同步电机处于定子绕组并联的空载状态，可依靠其环流保证轨道轮旋转同步，同步能力得到进一步增强；将绕线异步电机转换成电轴电路，然后将绕线异步电机转子三相母排上的开关四闭合，接通绕线异步电机转子上的调速电阻，这样，绕线异步电机工作在电动机状态，通过轨道轮驱动机车轮旋转，为机车制动试验提供动力；机车则通过操作处于特定的制动级位，从而完成机车的制动工况试验。

总之，这种试验台仍然通过电路转换形式形成三种工作状态：一、同步启动，绕线异步电机工作在电轴电路状态，完成机车各轮对的同步启动；二、机车轮对同步启动至适当速度后，同步电机有足够的同步能力时，操作机车处于特定级位，进行牵引试验，由均工作在发电机状态的同步电机或绕线异步电机作为负载消耗牵引动力，其牵引试验性能优越。三、制动工况试验，机车运行至特定速度后，使绕线异步电机工作在电动机状态，而各个同步电机处于定子绕组并联的空载同步状态，机车进行制动试验。

这种增加了同步电机的单机车定置试验台，由于要安装同步电机，其所需安装区域的宽度更宽：为4米或5.8米，但其同样占地面积仍低于现有试验台6～8米的要求，对试验厂房要求仍不高，可以直接在现有的检修厂、段建造。

其优点是：在整个试验过程中，各测试单元的同步电机的转子均受到统一的励磁电流作用，异步电机在电网的励磁作用下，可保证全部速度范围内，轨道轮之间的同步能力，同时牵引工况试验时，绕线异步电机可工作在发电机状态，同步电机则一直工作在发电机状态，其试验能力成倍增加，特别适合于大功率重载低速机车的牵引试验。

上述的上车桥与机车轮对轮缘相接触的部位开有凹槽，在凹槽中嵌有硬度低于车轮的材料。这样试验开始前，机车上桥(驶上试验台)时，可减少机车轮轮缘的应力集中和变形，减少对机车轮缘的破坏。

上述的反力架整体置于与其适配的混凝土井中，在反力架的底板上，固定有垂向电动螺杆升降机，底板上开有供电动螺杆升降机的螺杆穿过的螺杆孔。

这样在试验开始前，反力架整体置于与其适配的混凝土井中，机车可以不受反力架的阻挡，直接驶入试验台的规定位置上，使车辆轮对与轨道轮对对中，再操作反力架上的升降机，使其螺杆向下伸出，顶住混泥土井底部。随着螺杆的不断伸长，反力架则向上伸出至规定位置，再将处于两个反力架中间的机车与反力架固定，即完成实验前的安装准备工作。试验完后，解除机车与反力架的固定，再操作垂向电动升降机，使螺杆缩回，反力架即沉入混泥土井中，将井盖上即可。较之现有的安装于地面的反力架，上车前需移走反力架，上车后又需将反力架移回并固定，本发明的反力架使试验准备工作，不需要行车，节省基建投资，操作简单、方便，降低对试验车间房屋的要求。

上述的轨道轮对的轴的中部，安装有飞轮。这样，飞轮与轨道轮共用轴承，简单、有效的增加了试验系统中轨道轮轴系的转动惯量，使其转动惯量与线路试验更接近，而且不增加试验台的体积。

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1为本发明实施例一(机车未上台)的俯视结构示意图。

图2为本发明实施例二(机车未上台)的俯视结构示意图。

图3为本发明图1、图2中的A-A剖视图。

图4为本发明实施例一(机车已上台且去掉反力架)的端面视图。

图5为本发明实施例二(机车已上台且去掉反力架)的端面视图。

图6为图4、图5中的I-I局部放大图。

图7为本发明实施例一的电气原理示意图。

图8为本发明实施例二的电气原理示意图。

具体实施方式

实施例一

图1、图3、图7示出，本发明的一种具体实施方式为：一种单机车定置滚动试验台，包括2个反力架1及1座上车桥2，与单台机车轮对41数目相同的测试单元构成的测试单元组，其中：所述测试单元的组成是，支撑机车轮对41的轨道轮对43的轴与绕线异步电机36轴连接；绕线异步电机的直径/长度比大于1，轨道轮对(43)的轴的中部，还安装有飞轮(38)，飞轮38与轨道轮对43共用轴承。

图7示出，测试单元组中各测试单元的绕线异步电机36的定子绕组通过定子三相母排53并联，定子母排53通过三相开关一63与电网相连；同时定子三相母排53的三相通过开关二54连接三个星接的能耗电阻一55，通过开关三56连接三个星接的电容一57；

图7还示出，测试单元组中，各测试单元的绕线异步电机的转子绕组并联到转子三相母排49上；转子三相母排49通过三相开关四48连接到三个星接的调速电阻47；转子三相母排49通过开关五50与可控整流器51直接相连。

图4、图6示出，上车桥1与机车轮对41轮缘相接触的部位开有凹槽，在凹槽中嵌有硬度低于车轮的材料42。

图1、3示出反力架1整体置于与其适配的混凝土井中，在反力架1的底板3上，固定有垂向电动螺杆升降机4，底板上开有供电动螺杆升降机4的螺杆5穿过的螺杆孔。

实施例二

图2、图3、图5、图6、图8示出，本例与实施例一的结构基本相同，所不同的是：轨道轮对43的轴还同时与同步电机30的轴连接，同步电机30的直径/长度比大于1；轨道轮对43上没有安装飞轮。

测试单元组中，各测试单元的同步电机30的电气连接方式是：同步电机30的定子绕组并联到同步电机定子三相母排61上；同步电机定子三相母排61通过开关七76连接到三个星接的电容二77，还通过开关八64连接到三个星接的能耗电阻二75，同步电机30的转子绕组相互串接后，再与可控整流器51连接。

本发明的轨道轮对的数目与被试机车的轮对数目相同，通常为4个或6个。当然，如果被试机车的轮对数目发生变化，轨道轮对43及相应的绕线异步电机36及同步电机30的数目也随同发生变化。

Claims (5)

1.一种单机车定置滚动试验台，包括2个反力架(1)及1座上车桥(2)，与单台机车轮对(41)数目相同的测试单元构成的测试单元组，其特征在于：

所述测试单元的组成是，支撑机车轮对(41)的轨道轮对(43)的轴与绕线异步电机(36)轴连接；绕线异步电机的直径/长度比大于1，且：

测试单元组中各测试单元的绕线异步电机(36)的定子绕组通过定子三相母排(53)并联，定子三相母排(53)通过三相开关一(63)与电网相连；同时定子三相母排(53)还通过开关二(54)连接三个星接的能耗电阻一(55)，通过开关三(56)连接三个星接的电容一(57)；

测试单元组中，各测试单元的绕线异步电机(36)的转子绕组并联到转子三相母排(49)上；转子三相母排(49)通过三相开关四(48)连接到三个星接的调速电阻(47)；转子三相母排(49)中还通过开关五(50)与可控整流器(51)直接相连。

2.根据权利要求1所述的一种单机车定置滚动试验台，其特征在于；

所述的轨道轮对(43)的轴还同时与同步电机(30)的轴连接，同步电机(30)的直径/长度比大于1；

测试单元组中，各测试单元的同步电机(30)的电气连接方式是：同步电机(30)的定子绕组并联到同步电机定子三相母排(61)上；同步电机定子三相母排(61)通过开关七(76)连接到三个星接的电容二(77)，还通过开关八(64)连接到三个星接的能耗电阻二(75)，同步电机(30)的转子绕组相互串接后，再与可控整流器(51)连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种单机车定置滚动试验台，其特征是：所述的上车桥(2)与机车轮对(41)轮缘相接触的部位开有凹槽，在凹槽中嵌有硬度低于车轮的材料(42)。

4.根据权利要求1或2所述的一种单机车定置滚动试验台，其特征是：所述的反力架(1)整体置于与其适配的混凝土井中，在反力架(1)的底板(3)上，固定有垂向电动螺杆升降机(4)，底板(3)上开有供电动螺杆升降机(4)的螺杆(5)穿过的螺杆孔。

5.根据权利要求1所述的一种单机车定置滚动试验台，其特征还在于：所述的轨道轮对(43)的轴的中部，安装有飞轮(38)。

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