CN109060467B - 一种升降式原状土三轴试样制样器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种升降式原状土三轴试样制样器，属于土木工程学科的室内土工测试领域，包括支撑机构、升降机构、切削机构、限位机构、承样机构；本发明通过一个液压升降台带动土样的升降，一个环形可转动的切削刀片代替手动切削，由于采用环形切削刀片，故在切削过程中，能直接将土体切成圆柱形试样。这样，根据土样资料，判断土样的硬度，确定不同的切削转速；土样可在液压升降台的带动下上升，通过切削刀片自身旋转对逐渐上升的土样进行切削，完成三轴试样的初步制作；本发明解决了现有的制样设备在制样过程中存在操作步骤繁琐、受制样人员操作熟练程度影响大、制样效率低、制样过程中对土样扰动大、制样成功率不高等问题。

Description

一种升降式原状土三轴试样制样器

技术领域

本申请涉及一种升降式原状土三轴试样制样器，属于土木工程学科的室内土工测试技术领域。

背景技术

目前，随着建筑行业的不断发展，工程之初就需要对现场原状土进行力学性质的确定，通常采用三轴力学试验，以便为建筑结构设计提供资料。原状土进行三轴力学试验测试时，需把现场取得的直径150mm高200mm的圆柱形土体制成标准试样，标准试样通常为直径39.1mm高80mm的圆柱体；为了减少制样过程对试样的扰动，必须使用合适的制样设备，通常被称为切土器或制样器。目前，实验室中的制样器虽然拥有结构简单的优点，但也存在需要人工多、受制样人员操作熟练程度影响大、制样成功率低等问题。针对这些问题研究人员做出了两种改进方式：一种是手动式制样器，例如“一种扩大下钉盘的切土器-

CN201520528779.4”通过对下钉盘进行扩大，减少人为因素的影响，但没有克服受制样人员操作熟练程度影响大，制样成功率低的缺点。另一种是电动式制样器，例如“一种电动切土器-CN201320305738.X”通过一个旋转底盘带动土样旋转，简化了操作步骤，但在制样过程中底座一直带动土样转动，极易导致土样变形，制样成功率低；双轴切削多尺寸切土器-CN201710665814.0通过增加组装配件，完成多种尺寸试样的制作，但需要更换制样工具，对操作人员的熟练度要求高，土样制作易失败。综上所述，目前，原状土制样设备存在操作步骤繁琐、受制样人员操作熟练程度影响大、制样效率低、制样过程中对土样扰动大、制样成功率不高等需要解决的问题。

基于此，做出本申请。

发明内容

本发明提供一种升降式原状土三轴试样制样器，以解决现有的制样设备在制样过程中存在操作步骤繁琐、受制样人员操作熟练程度影响大、制样效率低、制样过程中对土样扰动大、制样成功率不高等问题。

本发明采取的技术方案如下：

一种升降式原状土三轴试样制样器，其特征在于：包括支撑机构、升降机构、切削机构、限位机构、承样机构；

支撑机构包括下底座，上底座设置于下底座的上方，调平螺母位于下底座与上底座之间，水准气泡安装于上底座上表面外边缘，警示灯安装于水准气泡右侧；

升降机构包括液压升降台，液压升降台通过液压升降柱与上底座相连，液压升降台随液压升降柱上下升降运动，升降控制开关和速度控制开关并排安装在液压升降台前侧面，钉盘安装在液压升降台上表面；

切削机构包括左侧固定钢架、右侧固定钢架；左侧固定钢架与右侧固定钢架对称固接于上底座上，控制室固定在右侧固定钢架中部，转速开关位于控制室的前侧面，控制室内设有转动马达，转动轴安装于右侧固定钢架内部，转动轴一端与控制室内部的转动马达相连，另一端与连接齿轮相连，从而带动连接齿轮转动，连接齿轮与切削转盘内部的转动链条连接，切削刀片固接于切削转盘内的转动链条上；

限位机构包括限位筒；限位筒固接于切削转盘正上方，限位筒上顶盖安放在限位筒上顶面，限位圆盘安放在限位筒内部，限位杆一端固接于限位圆盘上表面，另一端通过限位筒上顶盖中心处孔洞。

承样机构包括弧形抓片、把手、衔接螺丝；弧形抓片两侧对称安装把手，把手中间处通过衔接螺丝连接。

进一步的设置在于：

所述的下底座为一个直径320mm、高度55mm的圆柱体，所述的上底座为一个直径220mm、高度35mm的圆柱体，通过调平螺母与下底座相连，上底座的中心与下底座的中心对齐。

所述的调平螺母共三个，均匀等距分布在下底座上，通过旋转调平螺母，进行调平；所述的水准气泡上有一个准心，观察水准气泡中气泡与准心的相对位置，判断仪器是否水平；所述的警示灯有红色、绿色两个颜色，用于确定升降速度。

所述的液压升降台为一个直径120mm、厚度20mm的圆饼；所述的液压升降柱为一个垂直可伸缩的圆柱体，其下端与上底座固接，上端与液压升降台固接，液压升降柱与上底座、液压升降台中心在一条直线上；所述的钉盘为一个直径120mm、厚度10mm的圆饼，上表面均匀布有间距10mm的钢钉，钉盘固接于液压升降台的上表面，中心与液压升降台中心对齐。

所述的升降控制开关安装在液压升降台前侧面，控制液压升降柱的升降，分为上、中、下三个档位；开关位于中间档位时，为关闭状态；开关位于上档位时，为上升状态；开关位于下档位时，为下降状态；所述的速度控制开关与升降控制开关并排安装在液压升降台前侧面，用于控制液压升降柱的速度；分为上、中、下三个档位；开关位于中间档位时，为关闭状态；开关位于上档位时，为快速状态；开关位于下档位时，为慢速状态。

所述的左侧固定钢架为一根圆柱形实心钢柱，直径10mm，高度与试样高度匹配，底端固接于上底座上，所述的右侧固定钢架为一根圆柱形空心钢柱，内径8mm，壁厚2mm，高度与左侧固定钢架一致，底端固接于上底座上。

所述的转动轴为一个可转动的圆柱体，位于右侧固定钢架内部，直径与右侧固定钢架相匹配，下端与控制室内部的转动马达相连；所述的连接齿轮为一个厚度为5mm的齿轮，固接于转动轴上端；所述的切削转盘为一个圆环形结构，内部装有转动链条，转动链条与连接齿轮连接，当连接齿轮旋转时，带动切削转盘内的转动链条转动；所述的切削刀片为由12根细长的针状钢钉所围成的上端直径为80mm、下端直径为39.1mm的环形刀片，等距固接于切削转盘内的转动链条上，当转动链条转动时，带动切削刀片的转动。

所述的限位筒为一个内直径为40.1mm、壁厚为3mm的空心圆筒，高度与试样高度匹配，下端固接于切削转盘上；所述的限位筒上顶盖为一个直径为40.1mm、厚度为3mm的圆饼，中心处有一个直径为4mm的孔洞；所述的限位圆盘为一个直径为40mm、厚度为3mm的圆饼，下表面均匀布有间距10mm的钢钉；所述的限位杆为一个直径为3.5mm的圆柱形长杆，下端固接于限位圆盘上表面的中心，上端通过限位筒上顶盖中心处孔洞。

所述的弧形抓片为两个相同的内直径为39.5mm、厚度为2mm的半圆筒；所述的把手为L型构件，长边中心处有带螺纹的孔洞，把手共两个，短边一端对称固接于弧形抓片侧面；所述的衔接螺丝，直径与把手的长边中心处的孔洞匹配，两个把手通过衔接螺丝连接。

本发明的工作原理：

本发明通过一个液压升降台带动土样的升降，一个环形可转动的切削刀片代替手动切削，由于采用环形切削刀片，故在切削过程中，能直接将土体切成圆柱形试样。这样，根据土样资料，判断土样的硬度，确定不同的切削转速；然后，将土样安放在液压升降台上，土样可在液压升降台的带动下上升，通过切削刀片自身旋转对逐渐上升的土样进行切削，完成三轴试样的初步制作；最后，降低液压升降台高度，取出试样，按所需高度进行处理，完成试样制备。

本发明的有益效果为：

本发明可以针对不同硬度的土选择不同的切削转速，从而减少在机械切削过程中产生的切削不均匀或者切裂等现象。仪器上安装的水准气泡和调平螺母可确保整个切削过程在水平面上工作，避免土体产生倾斜变形。警示灯在关键时刻提醒操作人员注意观察切削过程，减少不确定性因素的影响。限位机构保障了在切削过程中，土样始终在竖直方向上升或下降，土样上下部位均受力，不会产生左右晃动，减小切削过程中对土样的扰动。液压升降台和切削转盘的结合即把手动制样转换成机械制样，解放了人力，同时可以在原有切土器操作步骤的基础上减少近一倍的切土操作，避免了由于人为因素导致的制样失败，极大的提高了制样成功率和速率。环形切削刀片通过转动切削土体，即加快了切削效率，又避免现存切土器在切土过程中由于不断的旋转土体，对原状土产生的巨大扰动，提高了制样的成功率。承样机构则解决了在土样制作完成后难以取出或在取出过程中对原状土产生极大扰动的问题，承样机构通过一个空心圆桶与切削后的试样接触，然后将承样机构的把手相互压缩，从而固定好待取试样，最后向上拔出即可。本发明极大简化操作步骤，不会在切削过程中对原状土产生扰动，避免切土过程中的不确定因素和人为因素的影响，且精准高效的完成制样。本发明相较于现有实验室中的原状土切土器，其制样效率提高2.5倍左右，制样时间约为10分钟。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2是本发明支撑机构的结构示意图；

图3是本发明升降机构的结构示意图；

图4是本发明切削机构的结构示意图；

图5是本发明限位机构的结构示意图；

图6是本发明承样机构的结构示意图；

图7是本发明准备切削的示意图；

图8是本发明切削过程的示意图；

图9是本发明切削完成后的示意图。

图中标号：1支撑机构，11下底座，12调平螺母，13上底座，14水准气泡，15警示灯；2升降机构，21液压升降台，22液压升降柱，23升降控制开关，24速度控制开关，25钉盘；3切削机构，31左侧固定钢架，32右侧固定钢架，33控制室，34转速开关，35转动轴，36连接齿轮，37切削转盘，38转动链条，39切削刀片；4限位机构，41限位筒，42限位筒上顶盖，43限位圆盘，44限位杆，45钢钉；5承样机构，51弧形抓片，52把手，53衔接螺丝，6待切削原状土，7试样。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。

结合图1-图9所示，本发明中的一种升降式原状土三轴试样制样器，包括支撑机构1、升降机构2、切削机构3、限位机构4、承样机构5。

支撑机构1，包括下底座11、调平螺母12、上底座13、水准气泡14、警示灯15。下底座11位于最下面，上底座13设置于下底座11的上方，调平螺母12位于下底座11与上底座13之间，水准气泡14安装于上底座13上表面外边缘，警示灯15安装于水准气泡14右侧。

所述的下底座11为一个直径320mm、高度55mm的圆柱体。

所述的调平螺母12共三个，均匀等距分布在下底座11上，通过旋转调平螺母，进行调平。

所述的上底座13为一个直径220mm、高度35mm的圆柱体，通过调平螺母与下底座11相连，上底座13的中心与下底座11的中心对齐。

所述的水准气泡14上有一个准心，观察水准气泡中气泡与准心的相对位置，判断仪器是否水平。

所述的警示灯15有红色、绿色两个颜色，帮助确定升降速度。

本发明中的升降机构2，包括液压升降台21，液压升降柱22，升降控制开关23，速度控制开关24，钉盘25，液压升降台21通过液压升降柱22与上底座13相连，升降控制开关23和速度控制开关24并排安装在液压升降台22前侧面，钉盘25安装在液压升降台22上表面。

所述的液压升降台21为一个直径120mm、厚度20mm的圆饼。

所述的液压升降柱22为一个垂直可伸缩的圆柱体，其下端与上底座13固接，上端与液压升降台21固接，液压升降柱22与上底座13、液压升降台21中心在一条直线上。

所述的升降控制开关23安装在液压升降台22前侧面，控制液压升降柱22的升降，分为上、中、下三个档位；开关位于中间档位时，为关闭状态；开关位于上档位时，为上升状态；开关位于下档位时，为下降状态。

所述的速度控制开关24与升降控制开关23并排安装在液压升降台22前侧面，用于控制液压升降柱22的速度；分为上、中、下三个档位；开关位于中间档位时，为关闭状态；开关位于上档位时，为快速状态；开关位于下档位时，为慢速状态。

所述的钉盘25为一个直径120mm、厚度10mm的圆饼，上表面均匀布有间距10mm的钢钉，钉盘25固接于液压升降台21的上表面，中心与液压升降台21中心对齐。

本发明中的切削机构3，包括左侧固定钢架31、右侧固定钢架32、控制室33、转速开关34、转动轴35、连接齿轮36、切削转盘37、切削刀片38；左侧固定钢架31与右侧固定钢架32对称固接于上底座13上，控制室33固定在右侧固定钢架32中部，转速开关34位于控制室33的前侧面，控制室33内设有转动马达，转动轴35安装于右侧固定钢架32内部，转动轴35一端与控制室33内部的转动马达相连，一端与连接齿轮36相连，从而带动连接齿轮36转动，连接齿轮36与切削转盘37内部的转动链条38连接，切削刀片39固接于转动链条38上，当转动链条38转动时，带动切削刀片39的转动。

所述的左侧固定钢架31为一根圆柱形实心钢柱，直径10mm，高度与试样高度匹配，底端固接于上底座13上。所述的右侧固定钢架32为一根圆柱形空心钢柱，内径8mm，壁厚2mm，高度与左侧固定钢架31一致，底端固接于上底座13上。

所述的控制室33固接于右侧固定钢架32中部，里面安放有电源、电路和转动马达。

所述的转速开关34位于控制室33的前侧面，分为上、中、下三个档位。开关位于中间档位时，为关闭状态；开关位于上档位时，为快速状态；开关位于下档位时，为慢速状态。

所述的转动轴35为一个可转动的圆柱体，位于右侧固定钢架32内部，直径与右侧固定钢架32相匹配，下端与控制室33内部的转动马达相连。

所述的连接齿轮36为一个厚度为5mm的齿轮，固接于转动轴35上端。

所述的切削转盘37为一个圆环形结构，内部装有链条轨道。

所述的转动链条38为圆环形链条，放置于切削转盘37内部的链条轨道上，与连接齿轮36连接，当连接齿轮36旋转时，带动转动链条38转动。

所述的切削刀片39为由12根细长的针状钢钉所围成的上端直径为80mm、下端直径为39.1mm的环形刀片，等距固接于切削转盘37内的转动链条38上，当转动链条转动时，带动切削刀片39的转动。

本发明中的限位机构4，包括限位筒41、限位筒上顶盖42、限位圆盘43、限位杆44；限位筒41固接于切削转盘37正上方，限位筒上顶盖42安放在限位筒41上顶面，限位圆盘43安放在限位筒41内部，限位杆44一端固接于限位圆盘43上表面，一端通过限位筒上顶盖42中心处孔洞。

所述的限位筒41为一个内直径为40.1mm、壁厚为3mm的空心圆筒，高度与试样高度匹配，下端固接于切削转盘37上。

所述的限位筒上顶盖42为一个直径为40.1mm、厚度为3mm的圆饼，中心处有一个直径为4mm的孔洞。

所述的限位圆盘43为一个直径为40mm、厚度为3mm的圆饼，下表面均匀布有间距10mm的钢钉45。

所述的限位杆44为一个直径为3.5mm的圆柱形长杆，下端固接于限位圆盘43上表面的中心，上端通过限位筒上顶盖42中心处孔洞。

本发明中的承样机构5，包括弧形抓片51、把手52、衔接螺丝53；弧形抓片51两侧对称安装把手52，把手52中间处通过衔接螺丝53连接。

所述的弧形抓片51为两个相同的内直径为39.5mm、厚度为2mm的半圆筒。

所述的把手52为L型构件，长边中心处有带螺纹的孔洞，把手52共两个，短边一端对称固接于弧形抓片51侧面。

所述的衔接螺丝53，直径与把手52的长边中心处的孔洞匹配，两个把手52通过衔接螺丝53连接。

采用本发明升降台式转盘切削制样器的制样方法，包括如下步骤：

1、确定切削转速：

根据所需切削的原状土的液性指数来判断土的硬度。如本实施例中，所需切削原状土为河南地区硬质黏土，经检测其天然含水量为2.019％、液限为1.267％、塑限为0.632。代入液性指数计算公式得，液性指数为0.249＞0，故属于软土，切削转速采用慢速挡。

2、仪器准备：

将本仪器平放在一个平整的平台上，观察水准气泡14，调整调平螺母12使仪器处于水平状态。将承样机构5放置在仪器一侧，待切削完成后将试样取出。

3、固定原状土：

将待切削的原状土6安放在钉盘25的中心处。将限位杆44向下移动，直至限位圆盘43下表面与安放好的原状土接触。

4、切削土样：

①启动转速开关34。由⑴可知，需慢速切削，将转速开关34调至下档位。切削转盘37开始工作，带动切削刀片38低速转动。

②启动升降控制开关23和速度控制开关24。将升降控制开关23和速度控制开关24均调至上档位，警示灯开始工作，亮绿色，液压升降台21开始快速上升。

③调节速度控制开关24。当液压升降台21上升高度超过40mm时，警示灯亮红色，此时待切削原状土顶部即将接触切削刀片39，调节速度控制开关24至下档位，液压升降台21转为慢速上升。

④暂停切削。当原状土被切削三分之一时，先调节升降控制开关23至中间档位，警示灯15熄灭，液压升降台21停止升高，再调节转速开关34至中间档位，转动链条38停止工作，切削刀片39不再转动。

⑤切割残余土体。用钢丝锯切割已经被切削，但还连接在未切削处的残余土体。

⑥继续切削。将转速开关34调至下档位，切削转盘37开始工作，切削刀片39慢速转动。将升降控制开关23调至上档位，液压升降台21继续缓慢上升，在土样与切削刀片39接触处，继续切削土样。

⑦重复操作。每当原状土被切削三分之一时，重复④、⑤、⑥三步，共两次。

⑧停止切削。当原状土被切削完全后，先调节升降控制开关23至中间档位，警示灯15熄灭，液压升降台21停止升高，再调节转速开关34至中间档位，切转动链条38停止工作，切削刀片39不再转动。

5、液压升降台21复位：

先调节速度控制开关24至上档位，再调节升降控制开关23至下档位，警示灯15开始工作，液压升降台21开始快速下降。当液压升降台21降至最初位置时，将升降控制开关23调至中间档位，警示灯15熄灭，液压升降台停止升降。同时，将速度控制开关24调制中间档位。

6、取出土样：

将限位筒上盖42取下，拔出限位杆44，使限位圆盘43与切削后的土样顶部分离。用弧形抓片51包裹住切削后的土样，合拢把手52向上拔，把切削完成后的土样从钉盘25上拔出，对取出后的土样进行处理，切掉多余部分，仅保留80mm的高度，即完成了一个原状土试样7的制作，将切削好的原状土试样放置在养护箱中以待使用。

以上内容是结合本发明创造的优选实施方式对所提供技术方案所作的进一步详细说明，不能认定本发明创造具体实施只局限于上述这些说明，对于本发明创造所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明创造的保护范围。

Claims (7)

1.一种升降式原状土三轴试样制样器，其特征在于：包括支撑机构、升降机构、切削机构、限位机构、承样机构；

支撑机构包括下底座，上底座设置于下底座的上方，调平螺母位于下底座与上底座之间，水准气泡安装于上底座上表面外边缘，警示灯安装于水准气泡右侧；

升降机构包括液压升降台，液压升降台通过液压升降柱与上底座相连，液压升降台随液压升降柱上下升降运动，升降控制开关和速度控制开关并排安装在液压升降台前侧面，钉盘安装在液压升降台上表面；

所述的液压升降台为一个直径120mm、厚度20mm的圆饼；所述的液压升降柱为一个垂直可伸缩的圆柱体，其下端与上底座固接，上端与液压升降台固接，液压升降柱与上底座、液压升降台中心在一条直线上；所述的钉盘为一个直径120mm、厚度10mm的圆饼，上表面均匀布有间距10mm的钢钉，钉盘固接于液压升降台的上表面，中心与液压升降台中心对齐；

切削机构包括左侧固定钢架、右侧固定钢架；左侧固定钢架与右侧固定钢架对称固接于上底座上，控制室固定在右侧固定钢架中部，转速开关位于控制室的前侧面，控制室内设有转动马达，转动轴安装于右侧固定钢架内部，转动轴一端与控制室内部的转动马达相连，另一端与连接齿轮相连，从而带动连接齿轮转动，连接齿轮与切削转盘内部的转动链条连接，切削刀片固接于切削转盘内的转动链条上；

所述的转动轴为一个可转动的圆柱体，位于右侧固定钢架内部，直径与右侧固定钢架相匹配，下端与控制室内部的转动马达相连；所述的连接齿轮为一个厚度为5mm的齿轮，固接于转动轴上端；所述的切削转盘为一个圆环形结构，内部装有转动链条，转动链条与连接齿轮连接，当连接齿轮旋转时，带动切削转盘内的转动链条转动；所述的切削刀片为由12根细长的针状钢钉所围成的上端直径为80mm、下端直径为39.1mm的环形刀片，等距固接于切削转盘内的转动链条上，当转动链条转动时，带动切削刀片的转动；

限位机构包括限位筒；限位筒固接于切削转盘正上方，限位筒上顶盖安放在限位筒上顶面，限位圆盘安放在限位筒内部，限位杆一端固接于限位圆盘上表面，另一端通过限位筒上顶盖中心处孔洞；

承样机构包括弧形抓片、把手、衔接螺丝；弧形抓片两侧对称安装把手，把手中间处通过衔接螺丝连接。

2.根据权利要求1所述的一种升降式原状土三轴试样制样器，其特征在于：所述的下底座为一个直径320mm、高度55mm的圆柱体，所述的上底座为一个直径220mm、高度35mm的圆柱体，通过调平螺母与下底座相连，上底座的中心与下底座的中心对齐。

3.根据权利要求1所述的一种升降式原状土三轴试样制样器，其特征在于：所述的调平螺母共三个，均匀等距分布在下底座上，通过旋转调平螺母，进行调平；所述的水准气泡上有一个准心，观察水准气泡中气泡与准心的相对位置，判断仪器是否水平；所述的警示灯有红色、绿色两个颜色，用于确定升降速度。

4.根据权利要求1所述的一种升降式原状土三轴试样制样器，其特征在于：所述的升降控制开关安装在液压升降台前侧面，控制液压升降柱的升降，分为上、中、下三个档位；开关位于中间档位时，为关闭状态；开关位于上档位时，为上升状态；开关位于下档位时，为下降状态；所述的速度控制开关与升降控制开关并排安装在液压升降台前侧面，用于控制液压升降柱的速度；分为上、中、下三个档位；开关位于中间档位时，为关闭状态；开关位于上档位时，为快速状态；开关位于下档位时，为慢速状态。

5.根据权利要求1所述的一种升降式原状土三轴试样制样器，其特征在于：所述的左侧固定钢架为一根圆柱形实心钢柱，直径10mm，高度与试样高度匹配，底端固接于上底座上，所述的右侧固定钢架为一根圆柱形空心钢柱，内径8mm，壁厚2mm，高度与左侧固定钢架一致，底端固接于上底座上。

6.根据权利要求1所述的一种升降式原状土三轴试样制样器，其特征在于：所述的限位筒为一个内直径为40.1mm、壁厚为3mm的空心圆筒，高度与试样高度匹配，下端固接于切削转盘上；所述的限位筒上顶盖为一个直径为40.1mm、厚度为3mm的圆饼，中心处有一个直径为4mm的孔洞；所述的限位圆盘为一个直径为40mm、厚度为3mm的圆饼，下表面均匀布有间距10mm的钢钉；所述的限位杆为一个直径为3.5mm的圆柱形长杆，下端固接于限位圆盘上表面的中心，上端通过限位筒上顶盖中心处孔洞。

7.根据权利要求1所述的一种升降式原状土三轴试样制样器，其特征在于：所述的弧形抓片为两个相同的内直径为39.5mm、厚度为2mm的半圆筒；所述的把手为L型构件，长边中心处有带螺纹的孔洞，把手共两个，短边一端对称固接于弧形抓片侧面；所述的衔接螺丝，直径与把手的长边中心处的孔洞匹配，两个把手通过衔接螺丝连接。

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