CN109072675B - 具有适配器的矿用钻机系统 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于将不同的第一钻具和第二钻具固定到钻头的系统，该钻头包括套座。该系统包括卡盘，该卡盘适于至少部分地定位在钻头的套座内，该卡盘包括用于接收第一钻具的第一开口。适配器被构造为用于在卡盘的第一开口内形成选择性锁定接合，该适配器包括用于接收第二钻具的第二开口。所述选择性锁定接合可以包括“扭转锁定”接合，并且该适配器可以布置成用于接收顶板锚杆。还公开了相关的方法。

Description

具有适配器的矿用钻机系统

本申请要求美国临时专利申请No. 62/436,908的优先权，该美国临时专利申请的公开内容通过引用的方式并入本文。

技术领域

本公开涉及采矿技术，更具体地，涉及一种系统，该系统用于选择性地钻孔到矿井巷道的工作面（顶板或侧壁）中。

背景技术

地下矿井中的典型钻孔操作使用包括套座（socket）的钻头，该套座适于接收钻钢的近端，并因而施加旋转驱动力来形成钻孔。与具有整体的可调节卡盘的传统手持式钻机不同，该套座通常是固定尺寸结构，并且适于与可移除卡盘相连地工作，该可移除卡盘被设计成承受很大的驱动力和恶劣的操作条件。因此，钻钢必须被专门改动（例如，具有特定的形状和尺寸）以装配在特定的卡盘中，否则，钻钢将可能在钻孔操作期间（特别是钻孔一形成就从钻孔中撤回钻钢期间）松动。

过去，其他人已经提出了所谓的“扭转锁定”系统，通过该“扭转锁定”系统，钢可以插入在卡盘中并被扭转以实现选择性锁定的构造（例如参见美国专利No. 4,226,290，该美国专利的公开内容通过引用的方式并入本文）。虽然该系统适用于其预期目的，但它不能可靠地容纳超出特定范围的不同尺寸的钢，例如具有较小的最大直径的钢或者不具有扭转锁定能力的钢。在不存在扭转锁定设备的情况下（例如，六角接收器和六角钻钢），用于钻孔的驱动可以不受约束地进行，但是，操作者然后必须非常小心地从钻孔中撤回该钢。这通常是通过减慢旋转速度和撤回速度来完成的，二者都导致效率的缺乏。扭转锁定设备也需要提供钻钢（它是磨损部件，具有昂贵的锻造端以形成接合），由于显然的原因，这是不利的。

因此，确定需要如下一种系统：通过该系统，可以通过单个钻头容纳各种不同尺寸和形状的钻钢或其它钻孔工具（例如锚杆），而不会妨碍钻孔操作的效率。特别地，该设备通过允许使用具有单个卡盘的各种工具来增强操作的灵活性，并且还通过确保使用不需要以任何方式改动的常规“现成的”部件建立牢固的锁定接合来提高效率。所提供的这些改进将引起成本的大大降低。

发明内容

公开了一种用于将不同的第一钻具和第二钻具固定到钻头的系统，该钻头包括套座。该系统包括卡盘，该卡盘适于至少部分地定位在钻头的套座内，该卡盘包括第一开口，该第一开口适于接收第一钻具。适配器被构造成在卡盘的第一开口内形成选择性锁定接合，该适配器包括第二开口，该第二开口用于接收第二钻具。

在一个实施例中，卡盘包括多个键，所述多个键用于接合钻头的套座中的键槽。卡盘还可以包括在第一开口内的多个内部突起，并且所述适配器包括多个外部突起，所述外部突起与内部突起在位置上交替，以形成选择性锁定接合。所述多个外部突起可以为适配器提供花瓣形横截面形状。

所述多个内部突起可以包括第一组突起，该第一组突起具有第一周向尺寸；以及第二组突起，该第二组突起具有大于第一周向尺寸的第二周向尺寸。因此，当适配器在卡盘内被扭转以形成用于相联的钻具的牢固驱动的所述选择性锁定接合时，适配器上的所述多个外部突起可以穿过第一组突起并在第二组突起内移动。

在一些实施例中，第一开口具有多边形形状，例如六边形形状。第一开口可以具有可变的直径。例如，所述适配器可以包括拼合环，该拼合环形成第一开口。适配器也可以包括定位器，该定位器适于插入在卡盘中。

本公开的另一方面涉及一种用于使用包括套座的钻头来钻孔的设备。该设备包括钻具，该钻具具有近端和远端。适配器包括可变直径的开口，该开口用于接收钻具的近端。

在一个实施例中，适配器包括拼合环，该拼合环形成所述开口。钻具的近端具有六边形横截面。适配器中的所述开口可以具有六边形形状。

该设备还可以包括卡盘，该卡盘适于至少部分地定位在钻头的套座内。卡盘包括用于接收钻具的开口。所述适配器可以被构造成接合卡盘的该开口。

卡盘可以包括多个键，所述多个键用于接合钻头的套座中的键槽。卡盘还可以包括在所述开口内的多个内部突起，并且所述适配器包括多个外部突起，所述外部突起与内部突起在位置上交替，以形成牢固的驱动接合。所述多个外部突起为适配器提供花瓣形横截面形状。

对于卡盘，所述多个内部突起可以包括第一组突起，该第一组突起具有第一周向尺寸；以及第二组突起，该第二组突起具有大于第一周向尺寸的第二周向尺寸。因此，当适配器在卡盘内被扭转以形成牢固的锁定接合时，适配器上的所述多个外部突起可以穿过第一组突起并在第二组突起内移动。

卡盘可以包括在所述开口内的多个内部突起。钻具可以包括多个外部突起，所述外部突起与内部突起在位置上交替，以形成牢固的驱动接合。所述多个外部突起为适配器提供花瓣形横截面形状。

在一个实施例中，所述多个内部突起包括第一组突起，该第一组突起具有第一周向尺寸。第二组突起具有大于第一周向尺寸的第二周向尺寸。当钻具在卡盘内被扭转以形成选择性的可释放锁定接合时，所述外部突起可以穿过第一组突起并在第二组突起内移动。适配器还可以包括定位器，该定位器适于插入在卡盘中。

本公开还涉及一种操作钻机的方法。该方法包括将第一钻具定位在钻头的套座中的卡盘内。该方法还包括移除第一钻具并将与第二钻具相联的适配器定位在卡盘中的步骤。

在一个实施例中，该方法还包括在定位步骤之后相对于卡盘扭转所述适配器以形成牢固的锁定接合的步骤。第一钻具可以包括具有方形横截面形状的锚杆，并且该方法包括将锚杆插入到卡盘中的开口内，该开口具有向内指向的突起，从而为卡盘提供花瓣形横截面形状。

本公开的另一方面还涉及一种操作钻机的方法。该方法包括将第一钻具定位在适配器中并将适配器定位在与钻头的套座相联的卡盘中。该方法还包括将适配器从卡盘移除并将第二钻具定位在卡盘中。

该方法还可以包括在定位步骤之后相对于卡盘扭转所述适配器以形成牢固的锁定接合的步骤。再进一步，该方法还可以包括在定位步骤之后相对于卡盘扭转第二钻具以形成可释放但牢固的锁定接合的步骤。

还公开了一种套件，该套件用于使用不同形状或几何结构的第一钻具和第二钻具对矿井巷道的工作面进行钻孔。该套件包括第一适配器，该第一适配器具有用于接收第一钻具的第一开口。该套件还包括第二适配器，该第二适配器具有与第一开口不同的第二开口，该第二开口用于接收第二钻具。

在一个实施例中，所述套件还包括卡盘，该卡盘适于至少部分地定位在钻头的套座内。第一适配器和第二适配器均可以构造成接合所述卡盘。所述卡盘可以包括在第一开口内的多个内部突起，并且第一适配器和第二适配器中的每一个均可以包括多个外部突起，所述外部突起与内部突起在位置上交替，以形成牢固的驱动接合。

在一个实施例中，所述多个内部突起包括第一组突起，该第一组突起具有第一周向尺寸。第二组突起具有大于第一周向尺寸的第二周向尺寸。因此，当适配器被扭转以形成牢固的锁定接合时，每个适配器上的所述多个外部突起均可以穿过第一组突起并在第二组突起内移动。

还公开了一种钻孔的方法。该方法包括：提供适配器，该适配器包括多个向外的突起、以及附属部分，并且被插入到卡盘中，该卡盘包括多个凹槽，用于接合所述突起。该方法还包括将适配器的附属部分至少部分地插入到卡盘中，并旋转卡盘以使所述突起与凹槽对准。该方法还包括将适配器进一步插入卡盘中。

本发明还描述了一种用于钻机的卡盘，该卡盘具有多个内部突起，所述多个内部突起形成具有花瓣形横截面形状的开口，用于接收和驱动方形锚杆或具有非方形横截面的适配器。该适配器具有多个突起，所述多个突起形成花瓣形横截面形状。该卡盘适于具有扭转锁定构造。

该卡盘还可以包括多个内部突起，并且其中，所述适配器包括多个外部突起，所述外部突起与内部突起在位置上交替，以形成牢固的驱动接合。所述多个内部突起可以包括：第一组突起，该第一组突起具有第一周向尺寸；以及第二组突起，该第二组突起具有大于第一周向尺寸的第二周向尺寸，由此，当适配器在卡盘内被扭转以形成牢固的锁定接合时，每个适配器上的所述多个外部突起均可以穿过第一组突起并在第二组突起内移动。

本公开的又一方面是一种钻钢，该钻钢具有近端部分，该近端部分具有花瓣形横截面形状。该钻钢的远端部分的横截面为多边形的。该近端部分包括多个外部突起，所述多个外部突起形成花瓣形横截面形状。

附图说明

通过参考以下结合附图进行的描述，可以更好地理解本发明的上述及其它优点，其中：

图1是钻头的透视图；

图2是图1的钻头的俯视图；

图3是卡盘和适配器的局部分解透视图，该卡盘和适配器用于将钻孔元件或顶板锚杆（roof bolt）与钻头相联；

图4A是卡盘的透视图；

图4B是卡盘的侧视图；

图4C是卡盘的俯视图；

图4D是沿着图4B的线4D-4D截取的卡盘的剖视图；

图5是适配器的透视图；

图5A是适配器的透视图；

图5B是适配器的侧视图；

图5C是适配器的俯视图；

图6是示出了顶板锚杆在卡盘中的定位的俯视图；

图7是适配器的俯视图；

图8示出了具有“扭转锁定”特征的钻钢；并且

图9和图10示出了适配器的替代形式的俯视图。

这些附图不一定是成比例或按比例绘制的。例如，为了清楚起见，可能相对于其它元件夸大一些元件的尺寸，或者一个功能块或元件中可以包括数个物理部件。此外，附图标记有时可能在多个附图中重复，以指示对应或类似的元件。

具体实施方式

现在参照图1至图10，本公开涉及一种系统10，该系统10用于将钻孔元件或钻钢固定在钻头D（例如与地下采矿机（例如“锚杆钻机”）相关联的钻头）的套座S中。该锚杆钻机可以是其公开内容通过引用的方式并入本文的美国专利No. 7,381,012中描述和示出的类型，但也可以不受限制地采用其它形式。

在图1所示的实施例中，系统10包括第一部件，例如卡盘12，该卡盘12适合与钻头D的套座S相接。系统10还包括第二部件，例如适配器14，该适配器14适合与卡盘12及钻孔元件或钻钢16相接。因此，在最简单的形式中，如图1所示，卡盘12的下端或公端12a接合套座S（例如通过用于接合对应的键槽W的径向延伸键K），并且，与钻钢16连接的适配器14的公的下端14b接合该卡盘的上端或母端12b。

参考图3至图5，示出了卡盘12和适配器14装配在一起以形成用于驱动钻钢16的牢固接合的方式。首先转到图3，可以理解的是，卡盘12包括多个向内指向的内部突起或瓣12c。瓣12c形成交替的凹槽，用于接收适配器14的下端14b上的对应的外部突起或瓣14c，并因而在配合时形成牢固的驱动接合。如可能从图4C和图4D最好地理解的，因此可以提供花瓣形构造（例如具有花瓣形横截面形状，使得其横向剖切面大致看起来像一朵花），其具有多个瓣（在所示出的示例中有八个），使得适配器14为了被可旋转地驱动而以牢固但可释放的方式保持在卡盘12中。虽然在一个实施例中八个瓣是优选且重要的布置以增加驱动接合的表面积，但其它实施例可以包括更多或更少的瓣。

可以从图4A和图4D一起来理解，瓣12c的下部L被布置成使得瓣12c的下部L之间的间隙和所产生的凹槽相对于上部U的瓣12c被周向扩大（比较距离D₁和D₂）。因此，适配器14的公的下端14b可以完全插入到卡盘12中，使得瓣14c的上边缘沿着上部U越过所导致的偏移瓣12c的下边缘。此时，适配器14可以沿顺时针方向旋转或扭转以形成锁定接合，该锁定接合能够阻止在钻孔方向上的移动（即，前进以形成钻孔或从钻孔中撤出的方向）。因此，所述扭转的反向转动（例如逆时针）允许适配器14被自由地移除。

适配器14的上端部14a则适于牢固地接合钻钢16。如从图3和图5C可以理解的，适配器14包括用于接收钻钢16的下端的开口14d，并且可以相应地成形（通常是六边形构造）。开口14d实际上可以形成完全贯穿适配器14延伸的通道，以便适配器14完全安装在钻钢16的下端部上。

如从图5A和5B可以理解的，适配器14中的开口14d也可以设有可变的直径，以适应钻钢16的尺寸的相对变化（钻钢16有时可能是由于钻孔操作期间造成的损坏而产生的新切口，因此可能具有外周毛刺等）。这可以通过方式来实现：以两个可连接的区段14e、14f提供适配器14的上端部14a，以便形成一个拼合环。由区段14e、14f形成的该环还具有超尺寸（oversized）的表面，用于在接合状况下接合卡盘12的上表面，并且有助于防止碎屑渗入且有助于分配竖直的钻孔力，以延长卡盘12和适配器14的使用寿命。

区段14e、14f的相对定位可以由定位在孔口14g中的横向紧固件（未示出）设定，这因此可以有助于将钻钢16挤压并固定到适配器14（因此当适配器与卡盘12相联时，也将钻钢16固定到卡盘12）。这有助于确保形成用于以高速撤回钻钢16的牢固布置，并且也允许在不损失安全性的情况下适应钻钢的近端中的适度变化。

从图5A中，还可以理解的是，适配器14可以设有在瓣12c的末端下方延伸的、较小尺寸的圆形附属部分14h。该部分14h帮助操作者将适配器14正确地定位在卡盘12的敞口上端内。如果未对准，则可以简单地在卡盘12内部分地旋转适配器14，直到瓣12c与对应的凹槽对准。从该图中还可以理解，适配器14的瓣部分特别长（例如4英寸或更长），以允许与“深套座”卡盘12结合使用，并且还提供了很大的用于传递驱动力的接触区域。

转到图6和图7，可以理解的是，卡盘12可以接收具有足以接合所述突起或瓣12c并因而向其传递驱动力的主尺寸或直径的物体，例如顶板锚杆B。当希望使用钻钢时，可以在将适配器14固定到钻钢16之前或之后将适配器14插入到卡盘12中。以这种方式，适配器14为钻头D提供了增强的、适应未改动的各种不同物体（即，“现成的”部件）的能力，同时维持与卡盘产生所期望的锁定接合的能力。

图8还示出了钻钢16可适于例如通过使用上述“扭转锁定”布置而与卡盘12相连地工作，以形成选择性锁定接合。具体地，钻钢16的上部16a可以是常规的、具有多边形形状（例如六边形）的，而下部16b可以设有与卡盘12的瓣12c对应的突起或瓣16c。与适配器14一样，钻钢16因此可以插入到卡盘12中，使得瓣16c进入下部L中并且可以被扭转或旋转以允许形成牢固的锁定接合。然而，可以理解的是，卡盘12也容易适于接收没有瓣16c的钻钢，只要该钻钢具有适当的尺寸即可。

还可以理解的是，可以提供多个适配器14以对应于共同的卡盘12，并且所述多个适配器14也具有开口14d，该开口14d具有用于容纳不同尺寸和形状的钻钢16的尺寸。因此，如图9中所示，适配器114可以具有一种尺寸的方形开口114d，而另一适配器114可以具有不同尺寸的开口214d。以这种方式，可以持有适配器114、214的套件以及其它具有不同尺寸或形状的适配器，以适应各种钻钢尺寸或几何结构。

瓣12c可以围绕圆等距地间隔开，以产生通过同时增加拐角半径并形成与所述圆的切线成大角度的扭矩传递表面来减小负载和应力的构造。瓣12c可以被确定尺寸、确定形状以及以其它方式被构造成接受1又1/8英寸的方形矿用工业锚杆头尺寸。可以足够地拉长瓣12c以满足“无人钻孔”的深卡盘的要求。适配器14上的瓣14c可以足够大，以形成用于收集干燥灰尘的中空构造，并且接受7/8英寸的六角形的或7/8英寸的圆形的杆，因此该适配器可以用作传统钻钢管的适配器。

提供各种实施例的前述描述是出于说明的目的，并非旨在是穷尽的或限制性的。根据上述教授内容，还可以进行修改或变型。例如，不是用于钻孔的钻钢，而是适配器14或卡盘12可以容易地容纳不同的部件，例如工具（扳手）、用于接合钻钢的延伸器、或者顶板锚杆或其它形式的锚固件，如所附权利要求中使用的，用术语“钻具”来统称这些部件。选择上述实施例以提供最佳的应用，从而允许本领域普通技术人员以各种实施例以及适合于预期的特定用途的各种修改来利用所公开的发明。所有这些修改和变型均在本发明的范围内。

如本文中所用的，以单数语法形式书写的以下术语中的每一个：“一”、“一个”和“该”是指“至少一个”或“一个或多个”。本文中使用短语“一个或多个”不会改变“一”、“一个”或“该”的预期含义。因此，除非本文中另外具体限定或陈述，或者另有上下文清楚地规定，否则，本文中所用的术语“一”、“一个”和“该”也可以指代并且包含多个所述实体或对象。例如，本文中所用的短语“一单元”、“一装置”、“一组件”、“一机构”、“一部件”、“一元件”以及“一步骤或过程”也可以分别指代并且包含多个单元、多个装置、多个组件、多个机构、多个部件、多个元件以及多个步骤或过程。

本文中所用的以下术语“包括”、“囊括”、“具有”、“带有”、“包含”和“涵盖”中的每一个以及它们的语言/语法的变体、衍生词或/和同根词是指“包括但不限于”，并且应被视为具体说明所述部件（多个）、特征（多个）、特性（多个）、参数（多个）、整数（多个）或步骤（多个），并且不排除添加一个或多个附加的部件（多个）、特征（多个）、特性（多个）、参数（多个）、整数（多个）或步骤（多个）或者它们的组。这些术语中的每一个被认为与短语“基本由...组成”的含义相同。本文中所用的短语“由...组成”和“由...构成”意指“包括且限于”。短语“基本由......组成”意指所述实体或项目（系统、系统单元、系统子单元装置、组件、子组件、机构、结构、部件或元件，或者外围设备设施、附件，或者材料、方法或过程、步骤或程序、子步骤或子程序），所述实体或项目是所公开的发明的示例性实施例的全部或一部分，或者/并且，用于实施所公开的发明的示例性实施例可以包括至少一个附加的“特征或特性”（其是系统单元、系统子单元装置、组件、子组件、机构、结构、部件或元件，或者外围设备设施、附件，或者材料、步骤或程序、子步骤或子程序），但前提是每个这样的附加的“特征或特性”不会实质上改变所要求保护的项目的基本新颖性和创造性的特性或特殊技术特征。

本文中所用的术语“方法”是指用于完成给定任务的步骤、程序、方式、手段或/和技术，包括但不限于所公开的发明的相关领域的从业者已知或易于根据已知的步骤、程序、方式、手段或/和技术而开发的那些步骤、程序、方式、手段或/和技术。

如本文中所用，近似的术语例如术语“约”、“基本”、“近似”等是指所述数值的±10％。

应充分理解，为了清楚起见，本发明的某些方面、特性和特征在多个单独实施例的上下文或格式中被说明性地描述和呈现，它们也可以在单个实施例的上下文或格式中以任何适当的组合或子组合的形式被说明性地描述和呈现。反之，在单个实施例的上下文或格式中以组合或子组合的形式说明性地描述和呈现的本发明的各个方面、特性和特征也可以在多个单独实施例的上下文或格式中被说明性地描述和呈现。

Claims (14)

1.一种用于将不同的第一钻具和第二钻具固定到钻头的系统，所述钻头包括套座，所述系统包括：

卡盘，所述卡盘适于至少部分地定位在所述钻头的所述套座内，所述卡盘包括第一开口，所述第一开口适于接收所述第一钻具；以及

适配器，所述适配器被构造成用于在所述卡盘的所述第一开口内形成选择性锁定接合，所述适配器包括第二开口，所述第二开口用于接收所述第二钻具,

其中，所述卡盘包括在所述第一开口内的多个内部突起，并且所述适配器包括多个外部突起，所述外部突起与所述内部突起在位置上交替，以形成所述选择性锁定接合；

其中，所述多个内部突起包括：第一组突起，所述第一组突起具有第一周向尺寸；以及第二组突起，所述第二组突起具有大于所述第一周向尺寸的第二周向尺寸，由此，当所述适配器在所述卡盘内被扭转以形成所述锁定接合时，所述适配器上的所述多个外部突起能够穿过所述第一组突起并在所述第二组突起内移动。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述卡盘包括多个键，所述多个键用于接合所述钻头的所述套座中的键槽。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个外部突起是花瓣形的。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二开口具有六边形形状。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二开口包括可变直径的开口。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述适配器包括拼合环，所述拼合环形成所述第二开口。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述适配器包括定位器，所述定位器适于插入在所述卡盘中。

8.一种用于使用包括套座的钻头来钻孔的设备，所述设备包括：

钻具，所述钻具具有近端和远端；

卡盘，所述卡盘适于至少部分地定位在所述钻头的所述套座内，所述卡盘包括用于接收所述钻具的开口；以及

适配器，所述适配器包括可变直径的开口，所述开口用于接收所述钻具的所述近端，其中，所述适配器被构造成接合所述卡盘的所述开口，

其中，所述卡盘包括在所述开口内的多个内部突起，并且所述适配器包括多个外部突起，所述外部突起与所述内部突起在位置上交替，以形成牢固的驱动接合，并且

其中，所述多个内部突起包括：第一组突起，所述第一组突起具有第一周向尺寸；以及第二组突起，所述第二组突起具有大于所述第一周向尺寸的第二周向尺寸，由此，当所述适配器在所述卡盘内被扭转以形成牢固的锁定接合时，所述适配器上的所述多个外部突起能够穿过所述第一组突起并在所述第二组突起内移动。

9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述适配器包括拼合环，所述拼合环形成所述可变直径的开口。

10.根据权利要求8所述的设备，其中，所述钻具的所述近端具有六边形横截面，并且所述适配器中的所述开口具有六边形形状。

11.根据权利要求8所述的设备，其中，所述卡盘包括多个键，所述多个键用于接合所述钻头的所述套座中的键槽。

12.根据权利要求8所述的设备，其中，所述多个外部突起为所述适配器提供花瓣形横截面形状。

13.根据权利要求8所述的设备，其中，所述适配器包括定位器，所述定位器适于插入在所述卡盘中。

14.一种套件，所述套件用于使用不同几何结构的第一钻具和第二钻具对矿井巷道的工作面进行钻孔，所述套件包括：

第一适配器，所述第一适配器具有第一开口，所述第一开口用于接收所述第一钻具；

第二适配器，所述第二适配器具有与所述第一开口不同的第二开口，所述第二开口用于接收所述第二钻具；以及

卡盘，所述卡盘适于至少部分地定位在钻头的套座内，所述第一适配器和第二适配器均被构造成用于接合所述卡盘，其中，所述卡盘包括在所述第一开口内的多个内部突起，并且所述第一适配器和第二适配器中的每一个均包括多个外部突起，所述外部突起与所述内部突起在位置上交替，以形成牢固的驱动接合，

其中，所述多个内部突起包括：第一组突起，所述第一组突起具有第一周向尺寸；以及第二组突起，所述第二组突起具有大于所述第一周向尺寸的第二周向尺寸，由此，当每一个适配器被扭转以形成牢固的锁定接合时，每一个适配器上的所述多个外部突起能够穿过所述第一组突起并在所述第二组突起内移动。

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