CN101855435B - 用于包括挖掘机悬臂回转动力管理的电动液压回路和系统的工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制电动液压系统的方法，该电动液压系统具有驱动变量泵的发动机，液压阀和液压致动器，以便实现更有效的发动机操作。监测电动液压系统中的压力，并接收指示液压致动器的期望运动的命令。根据所述压力和命令，确定机器正在执行的操作，且将发动机设定到对于机器操作的特定区段有效的设置。

Description

用于包括挖掘机悬臂回转动力管理的电动液压回路和系统的工艺

技术领域

本专利公开一般涉及电动液压动力/功率(power)管理，更具体地说，涉及动力管理系统及方法，以使发动机效率最大和液压机器的工作循环时间最少。

背景技术

液压机器，例如液压挖掘机，利用发动机来驱动变量泵，所述变量泵给气缸提供液压动力。发动机经常在固定的高速下工作，而不管机器的实际瞬时动力需求如何。因此，即使当动力需求低时，发动机也在效率低的高速下运转，而造成比必要的燃料消耗更高的燃料消耗和发动机磨损。然而，当动力需求高时，发动机已经在高速下运转，且必需的动力能被输送到液压系统。因此，发动机对高动力需求的任务是在最佳速度下运转，但对较低动力需求的任务来说是在效率低的速度下运转。

一种示例性的液压机器是液压挖掘机，该液压挖掘机对许多任务有用，所述许多任务能评定作为截然不同的步骤。挖掘机经常用来挖掘沟渠。在典型的挖掘循环期间，挖掘机通过将其铲斗挖掘到土壤中以挖掘步骤开始。接下来，在举升和回转步骤期间，挖掘机将土壤举升到空中，并朝卸斜位置，例如正在等候的自卸卡车回转。在倾卸步骤期间，机器在倾卸位置处倾卸土壤。最后，在返回步骤期间，挖掘机回转到挖掘位置，同时降下铲斗，并因此准备下一个挖掘循环。在整个挖掘循环期间，机器在最大功率下运转。然而，只有挖掘步骤及举升和回转步骤需要高发动机功率。倾卸和返回步骤需要较少的功率，但机器通常在高速下运转，因此不必要地消耗燃料。

已经实施一些简单的控制方案来降低液压机器的发动机速度，并因此在低动力需求操作期间节省燃料。例如，在持续等待的时间里，发动机速度已减小到空转以节省燃料。然而，当需要低于全发动机速度和液压泵流量时，这种控制方案在有效工作循环期间不改变发动机速度。

已经采用了更复杂的控制方案来在有效工作循环期间改变发动机速度。在授予Devier等人的美国专利5967756中公开了一种用于在有效工作循环期间控制发动机速度的示例性方法和设备。所公开的方法根据期望的泵排量和期望的发动机速度改变液压机器的发动机速度。根据期望的泵排量将发动机速度减小到有效的发动机速度。尽管这种方法提供了更有效的机器，但它没有根据机器所执行的实际工作优化机器的效率。因此，所公开的方法没有实现最佳优化。

上述背景讨论仅用于帮助读者。它不打算限制本发明，因此不应被认为是表明现有技术系统的任何具体元件不适合于在本发明的范围内使用，也不表明任何要素(包括解决动机问题)在实施本文所述的发明中是必不可少的。本文所述发明的实施和应用由所附权利要求书限定。

发明内容

本发明一方面说明了一种有效地操纵电动液压机器的方法。该机器包含发动机，该发动机驱动至少一个变量泵。该泵连接到至少一个液压致动器。操作人员能通过将标度盘(dial)设定到期望的发动机速度来控制发动机速度。系统监测电动液压系统中的压力。此外，系统监测指示液压致动器的期望运动的命令信号。基于发动机速度、液压系统中的压力、及所述指示液压致动器的期望运动的命令信号，系统确定机器正在执行的当前操作。最后，在确定正在执行的操作之后，控制发动机在对于该具体操作有效的速度下工作。

另一方面，公开了一种计算机可读介质，该介质具有用于控制电动液压系统的计算机可执行的指令。计算机可执行的指令包括用于监测液压系统的压力的指令。计算机可执行的指令还包括用于接收指示至少一个液压致动器的期望运动的命令的指令。计算机可执行的指令还包含逻辑指令，所述逻辑指令根据液压系统的压力和指示至少一个液压致动器的期望运动的命令确定作业机器正在执行的操作。最后，计算机可执行的指令包含使发动机在对于正在执行的操作有效的速度下工作的指令。

附图说明

图1A是发动机速度和负荷比与示例性机器工作循环的关系曲线图，其中发动机速度保持恒定；

图1B是发动机速度和负荷比与示例性机器工作循环的关系曲线图，其中在机器工作循环的较低负荷比区段期间发动机速度减小到较低速度；

图1C是发动机速度和负荷比与示例性机器工作循环的关系曲线图，其中在机器工作循环的较高负荷比区段期间发动机速度增加到较高速度；

图1D是发动机速度和负荷比与示例性机器工作循环的可选择的关系曲线图，其中在机器工作循环的较高负荷比区段期间发动机速度增加到较高速度，然而，在较低负荷比区段期间将发动机速度设定为比图1C中对照区段的发动机速度低的值；

图2是机器电动液压系统的示意图；

图3是用于机器电动液压系统的控制系统的逻辑方框图；

图4是示出图1D所示的用于控制电动液压机器的发动机速度的工艺/过程(process)的流程图。

具体实施方式

本发明涉及用于控制电动液压机器的发动机速度的系统和方法。所说明的技术包括监测液压系统中的压力和接收指示系统中至少一个液压致动器的期望运动的命令。基于所述液压系统中的压力和指示所述至少一个液压致动器的期望运动的命令，确定由机器执行的当前操作。然后基于所执行的操作将发动机设定为在有效的速度下操作。

现在参见附图，图1A示出由一机器例如挖掘机所执行的实例操作的负荷比。所述操作包括中性操作(neutral)100。在中性操作100期间，机器开动和处于准备好的状态，但不执行具体任务。在中性操作100期间，液压系统的负荷比112低。然而，在中性操作100期间，液压系统的负荷比112可以不是零。例如，机器的重量可能必须由液压系统支承。

在所示的实例中，下一个操作是挖掘操作102。挖掘操作102可以包括将土壤或别的材料挖到一装置如铲斗中。该装置能附装到机器上或者能是机器的整体部分。在挖掘操作102期间，液压系统的负荷比112高。图1A示出在挖掘操作102期间液压系统的负荷比112为100％。然而，负荷比112能小于100％。例如，如果被挖掘的材料轻或者没有紧密地堆积，则液压系统的负荷比112可小于100％。

在图1A所示的实例中，下一个操作是举升和回转操作104。在这个实例中，在举升和回转操作104期间，已加载的装置如铲斗被举升到空中并远离挖掘地点回转。在所示的实例中，在举升和回转操作104期间，液压系统的负荷比112为100％。然而，如果装置未装满或者如果它装载有轻质材料，则在举升和回转操作104期间，液压系统的负荷比112可小于100％。

在举升和回转操作104之后，下一个例证性的操作是倾卸操作106。举升和回转操作将装有挖出的材料的装置定位以待排空。倾卸操作106将装有挖出的材料的装置排空。在该实例中所示的倾卸操作106具有为大约60％的相关的负荷比112。然而，倾卸操作的实际负荷比112可以根据许多因素改变，所述因素包括挖出的材料的重量和机器的重量。

如果在倾卸操作106之后，机器将执行另一个循环，则机器进入返回操作108。然而，如果机器不执行另一个循环，则机器可以直接转到中性操作100。在这个实例中，在返回操作108期间，机器返回到挖掘地点，以便能开始下一个挖掘操作110。在这个实例中，在返回操作108期间，液压系统的负荷比112为40％。负荷比与许多因素有关，其中包括机器的重量。

因此，在这个实例中，机器执行周期性的工作，每个操作都按已知顺序进行。然而，在另一些实施例中，机器不执行周期性的工作，且机器操作能按操作人员期望的任何顺序进行。

在图1A所示的实例中，发动机速度114保持在恒速10下，该恒速10是最大容许发动机速度。然而，在另一些实施例中，例如在图1B所示的实施例中，发动机速度随机器所执行的操作不同而改变。在图1B所示的实施例中，发动机速度116默认/缺省为10，即最大容许发动机速度。因此，在中性循环100期间，发动机速度116设定为10。默认发动机速度能是任何合适的值。例如，发动机默认速度可以为9、8、7、6、5等等。此外，机器的操作人员可能够选择默认速度。

在中性操作100之后，机器进入挖掘操作102。在挖掘操作102期间，负荷比112高。因此，系统将发动机速度116设定到高值。在这个实例中，发动机速度116被设定到最大值或10。在所示的实例中，下一个操作是举升和回转操作104。在举升和回转期间，负荷比112高。根据高负荷比，系统将发动机速度116设定到高值。下一个实例操作是倾卸操作106。在倾卸期间，液压系统的负荷比112减小到约60％。因此，当机器进入倾卸操作106时，发动机速度116减小。在图1B所示的实例中，在倾卸操作106期间，系统将发动机速度116从最大值或10减小到较低的值8。然而，任何合适的减小的值都可以使用。在某些系统中，为9、8、7、6、5等等的减小的值也许是合适的。

在倾卸操作106之后，机器进入返回操作108。在返回操作108期间，液压系统的负荷比112低。在这个实例中，负荷比112为约40％。因此，在所示的实例中，在返回操作108期间，系统将发动机速度116设定到数值为8。然而，任何适合的减小的发动机速度116值都可以使用。在该实例中，在返回操作108之后，机器进入挖掘操作110。如上所述，在挖掘操作110期间负荷比112高。因此，在挖掘操作110期间，系统将发动机速度116设定到高值。

图1C示出一示例性实施例，此处发动机速度默认为低值，而在高负荷比112操作期间增加。例如，在中性操作100期间，负荷比112低。系统将发动机速度118设定为默认值/缺省值。在这个实例中，发动机速度118的默认值为9。挖掘操作102对液压系统产生高负荷比112。因此，在挖掘操作102期间，系统将发动机速度118设定到高值10。同样，举升和回转操作104对液压系统产生高负荷比112。因此，系统保持在挖掘操作期间所设定的高发动机速度118。如上所述，倾卸操作106产生较低的负荷比112。因此，在图1C所示的实例中，在倾卸操作106期间，系统将发动机速度118减小到数值9。返回操作108也具有低负荷比112。在返回操作106期间，系统将发动机速度118设定到低值9。在返回操作106之后，系统进入下一个循环，且挖掘操作110开始。在挖掘操作110期间，液压系统中的负荷比112高，且发动机速度118增加。

在图1C所示的实例中，默认的发动机速度118的数值为9。发动机速度设定为9能根据具体的机器产生不同的发动机RPMs(转数/分)。图1D示出与图1C类似的系统，不过发动机速度120默认值设定为8。例如，在中性操作100期间，负荷比112低，发动机速度120设定到默认值8。在挖掘操作102期间，负荷比高，且发动机速度120设定到最大值10。同样，在举升和回转操作104期间，负荷比112保持高，因此发动机速度120保持处于最大值10。在倾卸操作106期间，负荷比下降到约60％。因此，发动机速度120从最大值减小到较低的默认值8。在返回操作108期间，发动机速度120保持处于默认值8。最后，机器以挖掘操作110开始下一个循环。

默认值能视任务和机器而改变。由于机器可能够更快地完成某些操作，所以较高的默认值可导致生产率稍微增加。例如，图1C中的返回操作108使用的发动机速度118为9，而图1D中的返回操作108使用的发动机速度120为8。图1C中的返回操作可以比图1D中的返回操作更快地完成。然而，由于图1C保持较高的发动机速度118，所以图1C中所示的实施方案可能比图1D中所示的实施方案使用更多的燃料。在某些实施例中，操作人员选择默认最小发动机速度，并甚至可以超越系统，强制使机器总是在特定速度下工作，如图1A中所示。在另一些实施例中，用户不能设定默认发动机速度。设定默认发动机速度的方法包括在工厂设定速度或者根据所完成的工作利用算法确定速度。

根据所执行的任务和默认发动机速度值，确定有效的发动机速度。如后面所使用的，有效发动机速度改变机器所用的燃料量和完成工作循环的时间。系统可以按需要将有效发动机速度偏向燃料效率或偏向工作循环时间。例如，图1C中所示的系统保持有效发动机速度至少为9，而图1D所示的系统保持有效发动机速度至少为8。因此，图1C中所示的系统可以标定为突出循环时间超过燃料效率，而仍然达到超过图1A所示稳态发动机速度的燃料效率增益。图1D中所示的系统可以标定为突出燃料效率超过循环时间，而仍然提供给用户易于响应的机器。此外，在某些实施例中，操作人员可以改变燃料效率和循环时间的关系，以便实现适合于特定操作人员需要的有效发动机速度。

图2示出用于一机器的示例性电动液压控制系统122，不过不同的控制系统可适用于电动液压机器。控制系统122包括若干装置，如所示的操纵杆124，所述装置用于指示至少一个液压致动器126的期望的运动。传感器128检测操纵杆124的运动，并将与操纵杆124运动有关的数据传送到机器电子控制模块(ECM)130。根据所需的运动数据，机器ECM 130对阀ECM 132、变量泵134和发动机136发出命令。变量泵134的输出能在集流阀142处结合。可选择地，变量泵134的输出能传送到另外的致动器系统143。

阀ECM 132用任何合适的通信机构与机器ECM 130通信。在所示的实例中，利用CAN总线138在机器ECM 130和阀ECM 132之间传递信息。能有任何数量的电子控制模块，每个电子控制模块都对执行机器的软件代码负责。在所示的实例中，示出了两个电子控制模块，但能够使用任何数量的控制模块(包括一个)。如上所述，机器ECM 130控制泵134、发动机136和阀ECM 132。阀ECM 132对计量元件140a、140b、140c和140d发出命令，所述计量元件140a、140b、140c和140d控制液压流体在系统中的流量。然而，在一些可选择的实施例中，能有任何数量的计量阀。此外，阀ECM用传感器144a和144b监测液压系统中的压力。机器ECM用传感器144c和144d监测液压系统中的压力。机器ECM监测泵传感器。机器ECM 130和阀ECM 132在必要时共享传感器信息，且如果需要能访问CAN总线138。每个电子控制模块都能被独立地实施。适合于实施电子控制模块的示例性构造包括通用处理器、特定应用集成电路和可编程逻辑装置。

利用操纵杆124，操作人员能控制机器的电动液压系统。图2示出一个液压致动器126。然而，为完成任务能在一台机器上实施多个液压致动器。利用操纵杆124，操作人员能指示液压致动器126应当延伸。例如，观察图1D，从中性循环100转到挖掘循环102可能需要一个或多个液压致动器延伸，而同时将发动机速度从标度盘数字8增加到标度盘数字10。为了完成这个任务，用户操纵操纵杆124。操纵杆传感器128检测操纵杆124的运动，并将信息传送到机器ECM 130。机器ECM 130还从阀ECM 132获得压力数据，该阀ECM 132监测压力传感器144a和144b以及如果需要监测泵压力传感器。根据液压系统中增加的压力和操纵杆124的运动，机器ECM判明机器正进入新的循环，例如挖掘循环102。

响应于进入挖掘循环102，机器ECM将信息传送到发动机136以便增加它的速度。因此，在这个实例中，发动机进入速度10。机器ECM 130还将命令传送到变量泵134，以使其移位到合适的值。最后，机器ECM 130通过CAN总线138将命令传送到阀ECM 132，指示液压致动器126应当伸展或缩进。响应于来自机器ECM 130的命令，阀ECM 132打开头端阀P-C HE 140b。阀ECM 132还保持杆端阀140d和头端阀140a关闭并打开杆端阀140c。因此，泵134的输出可以在集流阀142处结合，并穿过阀P-CHE 140b，然后到达液压缸126的头端146，且液压缸杆端侧的液流到达箱150。因此，液压致动器伸展。这代表阀操作的一种示例性方式。

当进入下一个循环例如倾卸循环106时，用户用操纵杆124指示期望的机器运动。操纵杆124的运动由传感器128检测。传感器128将所述运动传送到机器ECM 130。机器ECM 130判明机器进入倾卸循环。因此，机器ECM 130将信息传送到发动机136，以便降低它的速度。因此，在这个实例中，发动机进入速度8。机器ECM 130还将命令传送到变量泵134，以便减少它们的排量。机器ECM 130还通过CAN总线138将命令传送到阀ECM 132，指示液压致动器126的合适运动。

示例性的电动液压系统支持再生(正反馈，regeneration)。因此，当液压致动器126缩进时，来自头端146的流体能穿过头端阀140b、经过杆端阀140d到达杆端148，而不直接到达容器150。例如，流体能从致动器126的头端146，穿过P-C HE阀140b、穿过阀P-C RE 140d流动，然后流到致动器126的杆端148。利用再生需要较少的来自泵134的流量。因此，泵使用较少动力，且发动机136能更有效地工作，而同时节约燃料。

图3示出用于机器电动液压系统的控制系统的逻辑方框图。操作人员利用操纵杆124来向系统输入方向命令。机器ECM 130内的杆速度级(lever velocity stage)152确定期望的致动器运动的方向，并根据操纵杆124的位置计算运动的期望速度。操纵杆124位置还馈送(feed)阀状态逻辑级154。阀状态逻辑确定头端阀140a、140b及杆端阀140c和140d是否应当打开或关闭，以便达到期望的液压致动器的运动。此外，操纵杆124位置馈送循环逻辑级156。循环逻辑156确定机器执行哪一个操作循环。例如，根据图1中机器所完成的任务，循环是中性(循环)100、挖掘102、举升和回转104、倾卸106、返回108和挖掘110。为了确定循环，循环逻辑156还接收来自压力逻辑级158的压力传感器144的数据。压力逻辑158位于阀ECM 132内。

杆速度级152将所请求的来自操纵杆124的运动信息传送到所请求的流量级160。所请求的流量级160确定在期望的速度下移动液压致动器所需的液压流体量，并将所需的流量信号传送到求和级162。求和级162接收来自阀ECM 132中的再生级164的再生信息。求和级162从由所请求的流量级160计算的所需液压流量减去通过再生获得的液压流量。将必需的流量信号从求和级162传送到泵控制级166。泵控制级166计算必需的泵排量，并将数值传送到变量泵134。

通过发动机速度控制级168计算发动机速度。发动机速度控制级168根据机器的循环-所述机器的循环通过循环逻辑156计算-和当前发动机速度169计算正确的发动机速度。在这个实例中，发动机速度控制级168还接受用户速度设定170。用户速度控制170能用来超越计算得到的发动机速度。此外，用户速度控制170能用来设定发动机的基本速度。例如，在图1C中，发动机的基本速度为9，这能在中性循环100期间看到。在图1D中，发动机的基本速度为8，这也能在中性循环100期间看到。

图4是示出用于控制如图1D所示的电动液压机器的发动机速度的示例性工艺的流程图。该示例性工艺从机器处于中性级174、发动机速度为8开始。但是，该示例性工艺能从机器处于任何循环开始。判定点176确定操纵杆和铲斗杆是否已移动使得机器进入挖掘循环102。此外，判定点176监测压力传感器，以确定液压系统中的压力是否增加。如果机器没有进入挖掘循环102，则该工艺保持处于中性级174。如果机器进入挖掘循环102，则工艺运行到挖掘级178。在挖掘级178期间，将发动机速度设定为10。增加发动机速度允许液压系统利用更多的动力来挖掘。在判定点180处，系统监测悬臂杆和回转杆，以便确定悬臂是否吊离地面并且回转离开挖掘地点。系统还监测压力传感器(包括与悬臂、回转、和铲斗有关的传感器)，以便确定液压系统中的压力是否高——这表明悬臂正在举升且挖掘循环已结束。如果系统确定悬臂举升并回转远离挖掘地点，则系统进入举升和回转级182，否则系统保持在挖掘级178。在进入举升和回转级182之后，发动机速度保持为10。该工艺接下来在判定点184处监测铲斗杆和操纵杆。如果铲斗杆和操纵杆指示系统正在倾卸铲斗，则系统进入倾卸级186，否则系统保持处于举升和回转级182。

在倾卸级186期间，系统将发动机速度减小到8，以便在低液压需求操作期间节省能量。在判定点188处，系统监测悬臂杆、回转杆和系统压力。如果机器开始回转离开倾卸地点，则系统进入返回级190，否则系统保持处于倾卸循环。在返回级190期间，系统将发动机速度设定为8以便节省燃料。最后，在判定点192处，系统监测操纵杆、铲斗杆和液压系统压力。如果操纵杆和铲斗杆下降且压力增加，则系统进入挖掘级178。如果操纵杆和铲斗杆停止运动且压力保持低，则系统进入中性级174。图4中所示的示例性工艺过程示出了一台机器实施一种可能的任务的一种可能的方法。能够实施许多方法以便各种各样的机器完成各种各样的任务。图4中所示的工艺是用于举例说明的目的，而不是用来限制本发明。在可选择的实施例中，系统还监测液压系统中的流量。通过监测流量和压力二者，系统能确定机器正在执行哪个操作级。

工业适用性

本文所说明的用于包括挖掘机动力管理的电动液压回路和系统的工艺的工业适用性从上述讨论很容易理解。本发明可适用于许多机器和许多由机器完成的任务。一种适合于本发明的示例性机器是挖掘机。挖掘机是常常在土壤中挖掘的电动液压机器。图4中提供的示例性方法举例说明了一种在以挖掘为任务的挖掘机上实施该工艺的方法。应该重申，上述讨论适用于许多完成各种各样任务的机器。

挖掘机具有多个由操作人员控制的操纵杆。利用上述方法，挖掘机监测操纵杆的运动和电动液压系统中的压力。如果操纵杆指示将要完成动力增强的任务且液压系统中的压力开始增加，则挖掘机增加发动机功率。增加发动机功率使用额外的燃料，因此当需要时机器更多产，但运转费用更高。当操纵杆的运动指示将要完成较低动力增强的任务且液压系统中的压力开始下降时，发动机功率同样减少，并因此机器的燃料效率提高。

同样，上述方法和系统能适用于各种各样的机器和任务。例如，反铲装载机、压实机、伐木归堆机、林业机器、工业装载机、滑动转向装载机、轮式装载机、及许多其它机器能从上述方法和系统中获益。

应该理解，上述说明提供了所公开的系统和技术的实例。然而，可以设想，本发明的其它实施方案在细节上可能与上述实例不同。所有对本发明或其实例的引用是对文中讨论的具体实例的引用，而不是意味着更广义地对本发明的范围的任何限制。所有对某些特征的区分和贬低的语言用于表明那些特征不是优选的，但除非另外指出，否则不把这些特征完全从本发明的范围中排除。

除非本文另外指出，本文所列举的数值范围仅打算用作单独引用落入该范围内的每个单独的值的简略方法，且每个单独的值都包括到说明书中，好像本文单独列举它一样。除非另外指出或者明显地与上下文相矛盾，本文所说明的所有方法都能用任何合适的次序执行。

因此，本发明包括如可适用法律允许的所附权利要求书中列举的主题的所有修改和等同物。另外，除非本文另外指出或者明显地与上下文矛盾，否则上述元素在其所有可能的变型中的任何组合都被本发明包括在内。

Claims (8)

1.一种控制电动液压系统(122)的方法，所述电动液压系统(122)具有发动机(136)，所述发动机(136)驱动至少一个变量泵(134)，所述变量泵(134)连接到至少一个液压致动器(126)上，所述方法包括以下步骤：

以第一预定速度操纵发动机(136)；

监测电动液压系统(122)中的压力；

接收至少一个指示所述至少一个液压致动器的期望运动的命令；

响应于电动液压系统的压力和所述至少一个指示所述至少一个液压致动器的期望运动的命令确定电动液压系统(122)正在执行的操作；

响应于所述正在执行的操作使发动机(136)在有效的速度下工作。

2.如权利要求1所述的方法，还包括保持至少预定的最小发动机(136)速度的步骤。

3.如权利要求2所述的方法，还包括利用用户输入装置(124)设定所述预定的最小发动机速度的步骤。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，监测电动液压系统中的压力还包括：

测量驱动所述液压系统的所述至少一个变量泵(134)的压力。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，监测电动液压系统的压力还包括：

测量液压致动器(126)的液压。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使发动机(136)在有效的速度下工作还包括：

响应发动机速度控制用户选择装置。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，自动地确定所述第一预定速度。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定正在执行的操作包括在第一电子控制模块(130)上执行计算机指令和在第二电子控制模块(132)上执行另外的计算机指令。

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