CN110671436B - 轴悬式安装直驱电机用联轴器及其刚度设计方法 - Google Patents
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Abstract
轴悬式安装直驱电机用联轴器，包括与轮轴同轴固定的轮轴侧连接盘和与电机转子轴同轴固定的电机侧连接盘，其特征在于还包括弹性支撑转动组件，弹性支撑转动组件连接在轮轴侧连接盘和电机侧连接盘径向之间，使轮轴侧连接盘和电机侧连接盘同轴可转动连接，并通过弹性支撑转动组件沿径向承载电机重量，轮轴侧连接盘和电机侧连接盘周向弹性连接。本发明在满足径向大承载的同时可获得更好的减振缓冲效果，降低了失效风险，延长金属橡胶件的使用寿命，提高联轴器的使用可靠性，容易实现轮轴侧连接盘和电机侧连接盘的对中连接，提高联轴器的安装可靠性和便利性，安装过程方便简单，便于检修更换。本发明还提供轴悬式安装直驱电机用联轴器的刚度设计方法。
Description
技术领域
本发明涉及一轴悬式安装直驱电机用联轴器及其刚度设计方法，属于联轴器技术领域。
背景技术
轨道交通车辆动力转向架主要是通过牵引电机提供动力，实现车轮滚动运动。为了满足下一代轨道车辆动力转向架小型化、传动效率高效化需求，牵引电机直驱传动系统成为各大公司及研究机构争先研究的热点。该系统去除了齿轮箱等传动装置，牵引电机将直接与轮轴进行连接驱动，具有传动效率高、维护量小、噪声低等优点，但同时电机也需要承受与轮轴一体化后来自轮轨产生的更大量级振动冲击。为降低振动冲击对牵引电机的影响，目前国内大部分牵引电机都是采用弹性悬挂安装，安装方式可分为将电机通过弹性悬挂装置直接安装轮轴上的“轴悬式”，以及将电机安装在转向架构架上再通过弹性悬挂装置与轮轴连接的“架悬式”。其中，“轴悬式”凭借结构简洁、紧凑、经济性好等特点受到关注，但由于该方式下牵引电机的大部分重量将通过弹性悬挂装置落在轮轴上，因此对弹性悬挂装置的结构可靠性及性能稳定性都是很大的考验。专利CN106364496A公开了一种抱轴安装电机用弹性悬挂装置，包括与抱轴电机转子输出端连接的电机端连接环、与车轴连接的车轴端连接环和弹性元件，电机端连接环和车轴端连接环的外围周壁间隔设置有交错分布的凸台，弹性元件包裹固定于所述凸台的外围，并且具有插入相邻凸台间隙的楔形块。专利CN110027575A公开了一种连接器，包括具有两个待连接件的弹性体单元，其中，待连接件均具有朝待连接件的轴线定向的、呈环形环绕的方式布置的连接块。两个待连接件相对地且沿轴向相互错开角度地设置，连接块的外围上套设有弹性环。
上述专利中径向承载均由楔形橡胶块剪切受力，其径向承载能力不足，橡胶块易损坏，使用寿命短。且长时间大载荷会使得橡胶块出现蠕变，增加电机系统失效风险； 另外，以上专利电机侧连接结构与轮轴侧连接结构均无法对中定位，并且由于橡胶块需要预压安装，导致弹性环中的各橡胶块难以同时安装到位，需要借助复杂的专用工装夹具才能进行安装，存在安装及检修极其不方便的问题。
发明内容
本发明提供的轴悬式安装直驱电机用联轴器及其刚度设计方法，在满足径向大承载的同时可获得更好的减振缓冲效果，降低了失效风险，延长金属橡胶件的使用寿命，提高联轴器的使用可靠性，容易实现轮轴侧连接盘和电机侧连接盘的对中连接，提高联轴器的安装可靠性和便利性，安装过程方便简单，便于检修更换。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
轴悬式安装直驱电机用联轴器，包括与轮轴同轴固定的轮轴侧连接盘和与电机转子轴同轴固定的电机侧连接盘，其特征在于还包括弹性支撑转动组件，所述的弹性支撑转动组件连接在轮轴侧连接盘和电机侧连接盘径向之间，使轮轴侧连接盘和电机侧连接盘同轴可转动连接，并通过弹性支撑转动组件沿径向承载电机重量，轮轴侧连接盘和电机侧连接盘周向弹性连接。
优选的，所述的轮轴侧连接盘包括过盈配合套在轮轴上的轮轴套筒、用于与电机侧连接盘周向弹性连接的连接块一和径向连接环，连接块一沿轮轴套筒外周均匀分布，且与轮轴套筒通过径向连接环连接。
优选的，所述的电机侧连接盘包括与电机转子轴同轴固接的连接筒和用于与轮轴侧连接盘周向弹性连接的连接块二，连接块二固定在连接筒的外周且与连接块一一一对应，在连接筒外周均匀分布，连接块二与相对应的连接块一沿周向隔开且弹性连接。
优选的，所述的连接块二与相对应的连接块一通过金属橡胶件弹性连接，金属橡胶件沿周向压缩在连接块二与相对应的连接块一之间。
优选的，所述的金属橡胶件包括圆弧形状的橡胶块和硫化粘结在橡胶块圆弧两端的金属连接件，连接块一和连接块二分别与金属连接件轴向定位并通过螺栓固接，橡胶块沿周向设置且压缩在两个金属连接件之间。
优选的，所述的金属连接件与连接块一和连接块二均为直角贴合接触，金属连接件上具有径向凸起，连接块一和连接块二上均具有与径向凸起配合的径向凹槽，径向凹槽与径向凸起凹凸配合将金属连接件分别与连接块一和连接块二轴向定位，所述的橡胶块中硫化有径向设置的隔板。
优选的，所述的连接筒上套装有径向支撑定位筒，连接块二设置在径向支撑筒的外周面上，且与径向支撑筒一体成体，径向支撑定位筒的轴向高度大于连接筒的轴向高度，弹性支承组件同轴装在径向支撑定位筒的内腔中，且套装在轮轴套筒上。
优选的，所述的弹性支撑组件包括周向定位配合装在径向支撑定位筒内腔中的弹性支撑筒、周向定位配合装在弹性支撑筒内腔中的轴承座和压装在轴承座中的轴承，轴承的内圈套装在轮轴套筒上。
优选的，所述的弹性支撑筒的外壁上具有沿轴向的定位凸起一，径向支撑定位筒上内壁上具有与定位凸起一凹凸配合的轴向凹槽一，弹性支撑筒的内壁上具有沿轴向的定位凸起二，轴承座上具有与定位凸起二凹凸配合的轴向槽二，定位凸起一与轴向凹槽凹凸配合将弹性支撑筒与径向支撑定位筒周向定位配合，定位凸起二与轴向槽二凹凸配合将弹性支撑筒与轴承座周向定位配合，定位凸起一与定位凸起二沿弹性支撑筒周向均匀交替分布，弹性支撑筒为弹簧钢材质。
以上所述的轴悬式安装直驱电机用联轴器的刚度设计方法，其特征在于根据所述的轴悬式安装直驱电机用联轴器使用时扭转方向的减振缓冲需求，设计轮轴侧连接盘与电机侧连接盘周向弹性连接的初始刚度，根据所述的轴悬式安装直驱电机用联轴器使用时径向承载及减振需求，设计弹性支撑转动组件的刚度。
发明的有益效果是：
本发明中轮轴侧连接盘与电机侧连接盘通过弹性支撑转动组件径向连接，周向弹性连接，通过弹性支撑转动组件沿径向承载电机重量，提高了径向承载能力，并且对扭转方向不影响。解决了现有联轴器径向承载能力偏小，无法适用于轴悬式安装的直驱电机的问题，通过弹性支撑转动组件来提高联轴器的径向承载能力，同时利用弹性支撑转动组件来保证径向的减振效果，在满足径向大承载的同时可获得更好的减振缓冲效果。
轮轴侧连接盘与电机侧连接盘周向弹性连接，利用两者周向的弹性连接进行扭转方向减振缓冲，解决了现有联轴器利用橡胶弹性体难以同时兼顾两个方向承载与减振缓冲的问题，周向弹性连接通过金属橡胶件与连接件一和连接件二的连接实现，用弹性支撑转动组件来承载电机重量并减缓径向振动，用金属橡胶件对扭转方向进行减振，使联轴器两个方向的承载及减振缓冲分开设置，互不干扰，电机不工作时橡胶块不受力， 减小了橡胶块的蠕变和老化程度，电机工作时，橡胶块仅受挤压力，不受剪切力，从而使得橡胶体的蠕变量减小，降低了系统失效风险，延长金属橡胶件的使用寿命，提高联轴器的使用可靠性。
弹性支撑转动组件连接在轮轴侧连接盘和电机侧连接盘径向之间，可对轮轴侧连接盘和电机侧连接盘进行径向定位，容易实现轮轴侧连接盘和电机侧连接盘的对中连接，提高联轴器的安装可靠性和便利性。
联轴器中采用多个金属橡胶件，每个金属橡胶件分别通过径向凹槽与径向凸起的凹凸配合，实现安装定位，各位金属橡胶件独立安装互不连接，因为轮轴侧连接盘和电机侧连接盘可相对转动，在多个金属橡胶件的安装过程中只需最后一个安装的金属橡胶件需要进行预压处理，安装后通过周向弹性平稳，即可实现各金属橡胶件的预压缩，安装过程方便简单，且各金属橡胶件可单独拆装，便于检修更换。
附图说明
图1为具体实施方式中轴悬式安装直驱电机用联轴器的结构示意图。
图2为轮轴侧连接盘的结构示意图。
图3为电机侧连接盘的结构示意图。
图4为金属橡胶件的结构示意图。
图5为轴悬式安装直驱电机用联轴器的半剖图。
图6为弹性支撑筒的结构示意图。
图7为轴承座的结构示意图。
具体实施方式
下面结合图1至图7对本发明的实施例做详细说明。
轴悬式安装直驱电机用联轴器，包括与轮轴同轴固定的轮轴侧连接盘1和与电机转子轴同轴固定的电机侧连接盘2，其特征在于还包括弹性支撑转动组件3，所述的弹性支撑转动组件3连接在轮轴侧连接盘1和电机侧连接盘2径向之间，使轮轴侧连接盘1和电机侧连接盘2同轴可转动连接，并通过弹性支撑转动组件3沿径向承载电机重量，轮轴侧连接盘1和电机侧连接盘2周向弹性连接。
本发明中轮轴侧连接盘1与电机侧连接盘2通过弹性支撑转动组件3径向连接，周向弹性连接，通过弹性支撑转动组件3沿径向承载电机重量，提高了径向承载能力，并且对扭转方向不影响。解决了现有联轴器径向承载能力偏小，无法适用于轴悬式安装的直驱电机的问题，通过弹性支撑转动组件3来提高联轴器的径向承载能力，同时利用弹性支撑转动组件3来保证径向的减振效果，在满足径向大承载的同时可获得更好的减振缓冲效果。
轮轴侧连接盘1与电机侧连接盘2周向弹性连接，利用两者周向的弹性连接进行扭转方向减振缓冲，解决了现有联轴器利用橡胶弹性体难以同时兼顾两个方向承载与减振缓冲的问题，用弹性支撑转动组件来承载电机重量并减缓径向振动，用周向的弹性连接对扭转方向进行减振，使联轴器径向与周向两个方向的承载及减振缓冲分开设置，互不干扰，降低了系统失效风险，延长金属橡胶件的使用寿命，提高联轴器的使用可靠性。弹性支撑转动组件3连接在轮轴侧连接盘1和电机侧连接盘2径向之间，可对轮轴侧连接盘1和电机侧连接盘2进行径向定位，容易实现轮轴侧连接盘和电机侧连接盘的对中连接，提高联轴器的安装可靠性和便利性。
其中，所述的轮轴侧连接盘1包括过盈配合套在轮轴上的轮轴套筒11、用于与电机侧连接盘2周向弹性连接的连接块一12和径向连接环13，连接块一12沿轮轴套筒11外周均匀分布，且与轮轴套筒11通过径向连接环13连接。轮轴套筒11用于与轮轴连接，并与电机侧连接盘2径向连接，使轮轴侧连接盘1与电机侧连接盘2实现同轴连接。连接块一12与电机侧连接盘2周向弹性连接，结构简单使轮轴侧连接盘1的径向及周向连接都易于实现，
其中，所述的电机侧连接盘2包括与电机转子轴同轴固接的连接筒21和用于与轮轴侧连接盘1周向弹性连接的连接块二22，连接块二22固定在连接筒21的外周且与连接块一12一一对应，在连接筒2外周均匀分布，连接块二22与相对应的连接块一12沿周向隔开且弹性连接。连接筒21与电机转子轴同轴连接，连接块二22与连接块一12周向弹性连接，从而实现轮轴侧连接盘1与电机侧连接盘2的周向弹性连接。
其中，所述的连接块二22与相对应的连接块一12通过金属橡胶件4弹性连接，金属橡胶件4沿周向压缩在连接块二22与相对应的连接块一12之间。金属橡胶件4压缩在连接块二22与连接块一12之间，为联轴器的扭转提供周向弹性，电机不工作时金属橡胶件4不受力， 减小了橡胶的蠕变和老化程度，电机工作时，金属橡胶件4仅受挤压力，不受剪切力，从而使得橡胶的蠕变量减小，降低了系统失效风险，延长金属橡胶件的使用寿命，提高联轴器的使用可靠性。
其中，所述的金属橡胶件4包括圆弧形状的橡胶块41和硫化粘结在橡胶块41圆弧两端的金属连接件42，连接块一12和连接块二22分别与金属连接件42轴向定位并通过螺栓固接，橡胶块41沿周向设置且压缩在两个金属连接件42之间。金属连接件42分别与连接块一12和连接块二22，保证金属橡胶件4与轮轴侧连接盘1和电机侧连接盘2的连接结构的可靠性，橡胶块41硫化在两个金属连接件42之间，提供周向弹力，改变橡胶块42的初始刚度，即可改变联轴器的周向刚度，从而使联轴器满足不同的减振缓冲需求。电机不工作时橡胶块41不受力， 减小了橡胶块41的蠕变和老化程度，电机工作时，橡胶块41仅受挤压力，不受剪切力，从而使得橡胶体41的蠕变量减小，降低了系统失效风险，延长金属橡胶件的使用寿命，提高联轴器的使用可靠性。
其中，所述的金属连接件42与连接块一12和连接块二22均为直角贴合接触，金属连接件42上具有径向凸起42.1，连接块一12和连接块二22上均具有与径向凸起42.1配合的径向凹槽23，径向凹槽23与径向凸起42.1凹凸配合将金属连接件42分别与连接块一12和连接块二22轴向定位，所述的橡胶块41中硫化有径向设置的隔板43。如图所述在连接块一12和连接块二22上均具有径向凹槽23，而在金属连接件42为均具有径向凸起42.1，安装金属橡胶件4时，将径向凸起42.1与径向凹槽23对齐，将金属橡胶件4沿径向压入连接块一12和连接块二22之间，即实现了金属橡胶件4与连接块一12和连接块二22的轴向定位，再用螺栓进行紧固，径向凸起42.1与径向凹槽23的配合且金属连接件42与连接块一12和连接块二22均为直角贴合接触，可保证金属橡胶件4能快速安装到位，且安装结构牢固可靠，提高联轴器的结构稳定性和可靠性。隔板43的设置用于提高橡胶块41的刚度。
其中，所述的连接筒21上套装有径向支撑定位筒24，连接块二22设置在径向支撑筒24的外周面上，且与径向支撑筒24一体成体，径向支撑定位筒24的轴向高度大于连接筒21的轴向高度，弹性支承组件3同轴装在径向支撑定位筒24的内腔中，且套装在轮轴套筒11上。径向支撑定位筒42用于定位弹性支撑转动组件3，将弹性支撑转动组件3定位在轮轴套筒11与径向支撑定位筒42之间，径向支撑定位筒24的轴向高度大于连接筒21的轴向高度，使径向支撑定位筒24的内腔具有安装支撑转动组件3的空间，支撑转动组件3的安装方便简单，可有效提高联轴器的组装效率。
其中，所述的弹性支撑组件3包括周向定位配合装在径向支撑定位筒24内腔中的弹性支撑筒31、周向定位配合装在弹性支撑筒31内腔中的轴承座32和压装在轴承座32中的轴承33，轴承33的内圈套装在轮轴套筒11上。弹性支撑筒31、轴承座32和轴承33由外至内依次套装，弹性支撑筒31周向定位在径向支撑定位筒24的内腔中，保证弹性支撑组件3可随电机侧连接盘2的转动而转动，轴承33的设置使电机侧连接盘2与轮轴侧连接盘1可相对转动，因为轮轴侧连接盘1和电机侧连接盘2可相对转动，方便金属橡胶件4的安装，在多个金属橡胶件4的安装过程中只需最后一个安装的金属橡胶件需要进行预压处理，安装后通过周向弹性平稳，即可实现各金属橡胶件的预压缩，安装过程方便简单，且各金属橡胶件可单独拆装，便于检修更换。
其中，所述的弹性支撑筒31的外壁上具有沿轴向的定位凸起一31.1，径向支撑定位筒24上内壁上具有与定位凸起一31.1凹凸配合的轴向凹槽一24.1，弹性支撑筒31的内壁上具有沿轴向的定位凸起二31.2，轴承座32上具有与定位凸起二31.2凹凸配合的轴向槽二32.1，定位凸起一31.1与轴向凹槽24.1凹凸配合将弹性支撑筒31与径向支撑定位筒24周向定位配合，定位凸起二31.2与轴向槽二32.1凹凸配合将弹性支撑筒31与轴承座32周向定位配合，定位凸起一31.1与定位凸起二31.2沿弹性支撑筒31周向均匀交替分布，弹性支撑筒31为弹簧钢材质。如图6所示弹性支承筒31外壁上具有定位凸起一31.1，内壁上具有定位凸起二31.2，定位凸起一31.1和定位凸起二31.2均匀交替分布，即两个定位凸起一31.1之间具有一个定位凸起二31.2，两个定位凸起二31.2之间也具有一个定位凸起一31.1，相邻的定位凸起一与定位凸起二之间的间距距离相等，相邻定位凸起一和定位凸起二之间的形成一段弹性支撑梁，每个定位凸起一或定位凸起二均位于两段弹性支撑梁中间，对电机的重量进行有效承载，保证联轴器径向具有更大的径向承载能力，同时弹性支撑筒31为弹簧钢材质，具有一定的弹性缓冲能力，从而有效减小轮轴侧连接盘1与电机侧连接盘2的径向振动，在满足径向大承载的同时可获得更好的减振缓冲效果。
以上所述的轴悬式安装直驱电机用联轴器的刚度设计方法，根据所述的轴悬式安装直驱电机用联轴器使用时扭转方向的减振缓冲需求，设计轮轴侧连接盘1与电机侧连接盘2周向弹性连接的初始刚度，根据所述的轴悬式安装直驱电机用联轴器使用时径向承载及减振需求，设计弹性支撑转动组件3的刚度。
设计轮轴侧连接盘1与电机侧连接盘2周向弹性连接的初始刚度，是指设计金属橡胶件4的数量及初始刚度值，而设计金属橡胶件4初始刚度值是指设计橡胶块41的周向厚度，材质，预压缩量，并根据刚度需求在橡胶块41中增设隔板43；
设计弹性支撑转动组件3的刚度是指设计支撑转动组件中弹性支撑筒31的结构、轴向高度、径向厚度及材质，而设计弹性支撑筒31的结构是指确定位凸起一31.1和定位凸起二31.2的数量。以上所述的刚度设计方法，根据联轴器扭转方向的减振缓冲需求，来设计轮轴侧连接盘1与电机侧连接盘2周向弹性连接的初始刚度，根据联轴器的径向承载和减振需求，来设计弹性支撑转动组件3的刚度，满足联轴器在径向和转向方向不同的承载及减振需求，可有效提高联轴器的减振缓冲效果，并提高联轴器的径向承载能力，提高联轴器的可靠性，延长其使用寿命。
以上结合附图对本发明的实施例的技术方案进行完整描述，需要说明的是所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (4)
1.轴悬式安装直驱电机用联轴器，包括与轮轴同轴固定的轮轴侧连接盘（1）和与电机转子轴同轴固定的电机侧连接盘（2），其特征在于还包括弹性支撑转动组件（3），所述的弹性支撑转动组件（3）连接在轮轴侧连接盘（1）和电机侧连接盘（2）径向之间，使轮轴侧连接盘（1）和电机侧连接盘（2）同轴可转动连接，并通过弹性支撑转动组件（3）沿径向承载电机重量，轮轴侧连接盘（1）和电机侧连接盘（2）周向弹性连接；
所述的轮轴侧连接盘（1）包括过盈配合套在轮轴上的轮轴套筒（11）、用于与电机侧连接盘（2）周向弹性连接的连接块一（12）和径向连接环（13），连接块一（12）沿轮轴套筒（11）外周均匀分布，且与轮轴套筒（11）通过径向连接环（13）连接；
所述的电机侧连接盘（2）包括与电机转子轴同轴固接的连接筒（21）和用于与轮轴侧连接盘（1）周向弹性连接的连接块二（22），连接块二（22）固定在连接筒（21）的外周且与连接块一（12）一一对应，在连接筒（21 ）外周均匀分布，连接块二（22）与相对应的连接块一（12）沿周向隔开且弹性连接；
所述的连接块二（22）与相对应的连接块一（12）通过金属橡胶件（4）弹性连接，金属橡胶件（4）沿周向压缩在连接块二（22）与相对应的连接块一（12）之间；
所述的连接筒（21）上套装有径向支撑定位筒（24），连接块二（22）设置在径向支撑定位筒（24）的外周面上，且与径向支撑定位筒（24）一体成体，径向支撑定位筒（24）的轴向高度大于连接筒（21）的轴向高度，弹性支承组件（3）同轴装在径向支撑定位筒（24）的内腔中，且套装在轮轴套筒（11）上；
所述的弹性支撑转动组件（3）包括周向定位配合装在径向支撑定位筒（24）内腔中的弹性支撑筒（31）、周向定位配合装在弹性支撑筒（31）内腔中的轴承座（32）和压装在轴承座（32）中的轴承（33），轴承（33）的内圈套装在轮轴套筒（11）上；
所述的弹性支撑筒（31）的外壁上具有沿轴向的定位凸起一（31.1），径向支撑定位筒（24）上内壁上具有与定位凸起一（31.1）凹凸配合的轴向凹槽一（24.1），弹性支撑筒（31）的内壁上具有沿轴向的定位凸起二（31.2），轴承座（32）上具有与定位凸起二（31.2）凹凸配合的轴向槽二（32.1），定位凸起一（31.1）与轴向凹槽一 （24.1）凹凸配合将弹性支撑筒（31）与径向支撑定位筒（24）周向定位配合，定位凸起二（31.2）与轴向槽二（32.1）凹凸配合将弹性支撑筒（31）与轴承座（32）周向定位配合，定位凸起一（31.1）与定位凸起二（31.2）沿弹性支撑筒（31）周向均匀交替分布，弹性支撑筒（31）为弹簧钢材质。
2.根据权利要求1所述的轴悬式安装直驱电机用联轴器，其特征在于所述的金属橡胶件（4）包括圆弧形状的橡胶块（41）和硫化粘结在橡胶块（41）圆弧两端的金属连接件（42），连接块一（12）和连接块二（22）分别与金属连接件（42）轴向定位并通过螺栓固接，橡胶块（41）沿周向设置且压缩在两个金属连接件（42）之间。
3.根据权利要求2所述的轴悬式安装直驱电机用联轴器，其特征在于所述的金属连接件（42）与连接块一（12）和连接块二（22）均为直角贴合接触，金属连接件（42）上具有径向凸起（42.1），连接块一（12）和连接块二（22）上均具有与径向凸起（42.1）配合的径向凹槽（23），径向凹槽（23）与径向凸起（42.1）凹凸配合将金属连接件（42）分别与连接块一（12）和连接块二（22）轴向定位，所述的橡胶块（41）中硫化有径向设置的隔板（43）。
4.权利要求1至3任一项所述的轴悬式安装直驱电机用联轴器的刚度设计方法，其特征在于根据所述的轴悬式安装直驱电机用联轴器使用时扭转方向的减振缓冲需求，设计轮轴侧连接盘（1）与电机侧连接盘（2）周向弹性连接的初始刚度，根据所述的轴悬式安装直驱电机用联轴器使用时径向承载及减振需求，设计弹性支撑转动组件（3）的刚度。
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