CN110761789A - 采掘机 - Google Patents

Abstract

本申请涉及采掘机。一种采掘机，具有操作该采掘机的控制系统，该控制系统具有振动监控器。该采掘机包括：感测该采掘机组件振动的传感器和振动模块。该振动模块确定采掘机何时在预定周期运动，基于确定该采掘机在预定周期运动获取来自传感器的振动传感器数据，处理该振动传感器数据以生成处理的振动数据，并输出该处理的振动数据。

Description

采掘机

分案说明

本申请是申请日为2013年1月18日、申请号为201310079425.1、发明名称为“采掘机”的中国专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年1月18日的美国临时申请61/587,890及2012年2月2日的美国临时申请61/594,234的优先权，在此，将它们的全部内容并入本文。

技术领域

本发明涉及电动采掘铲的振动监控。

发明内容

振动监控确保了所有轴承的监控和电动采掘铲的轴安全性。

在一个实施例中，本发明提供了一种采掘机，其具有用来操作该采掘机的控制系统，该控制系统具有振动监控器。该采掘机包括：感测采掘机组件振动的传感器和振动模块。该振动模块确定采掘机何时在预定的周期运动，基于确定该采掘机在预定周期运动来获得来自传感器的振动传感器数据，处理振动传感器数据以产生处理的振动数据并输出该处理的振动数据。

在另一个实施例中，本发明提供了一种测试采矿设备的方法。本方法包括采掘机的监控操作；确定采掘机组件是在预定周期运动；确定采掘机组件是以预定速度范围内恒速运动；基于确定该采掘机组件是在预定周期和以在预定速度范围内恒速的运动来获得采掘机的振动数据；处理该振动数据以便产生处理的振动数据；并输出该处理的振动数据。

在一些实施例中，本发明包括采掘机，其包括模拟转速计和振动监控模块。该模拟转速计可包括电压监控器，或者电压监控器和电压至脉冲变换器，其用于确定采掘机组件的速度以生成感测速度，该速度输出到振动模块。基于该感测速度，该振动模块感测采掘机组件的振动，并生成振动数据。该振动模块然后处理该振动数据以生成频谱波形。在收集振动数据过程中，该处理可包括傅里叶变换，并部分地基于感测速度对组件的速度变化进行调整。该组件可能是升降电机、推压电机(crowd motor)、回转电机、升降变速箱、推压变速箱(crowd gearbox)和回转变速箱中的一个。

参考发明内容和附图，本发明的其它方面将变得显而易见。

附图说明

图1示出电动采掘铲。

图2示出图1的采掘铲的控制系统的方框图。

图3示出采掘铲的振动数据收集系统的方框图。

图4示出振动频谱分析。

图5a-5d示出控制系统的用户界面。

图6示出收集振动数据程序。

图7示出采掘铲的模拟转速计。

具体实施方式

在详细说明本发明任何实施例之前，应当理解，本发明并不局限于下文说明或示出的组件的具体构造和布置。

本发明能够用其它实施方式并能够以多种方式操作或者实施。应当理解，此处使用的措辞和术语仅用于描述的目的，不应看作为限制。此处使用的“包括”、“包含”或“具有”及其它们的变形意味着包含其后所列的项目和等同物以及附加项目。术语“安装”、“连接”和“耦接”被广泛使用并包含两者直接和间接安装、连接和耦接。另外，“连接”和“耦接”不是局限于物理或机械地连接或耦接，并可以包括电连接或耦接，无论直接或间接。此外，电子通信和通知可以通过任何已知的方法执行，包括直接连接、无线连接等等。

也应注意到多个基于硬件和软件的装置，以及多个不同的结构组件可用来实施本发明。另外，应当理解本发明的实施例可包括硬件、软件、和电子组件或模块，出于讨论的目的，其可能示出和描述成仿佛大多数组件在硬件中独自实现。然而，本领域技术人员基于阅读具体说明，将认识到至少一个实施例中，本发明的基于电子的方面可在由一个或多个处理器可执行的软件中实现(例如，存储在非瞬态计算机可读介质上)。因而，应当注意到，多个基于硬件和软件的装置，以及多个不同的结构组件可以用来实施本发明。此外，如下面段落中描述的，图中所示的具体机械结构用来例示本发明的实施例以及其他可替换地机械结构是可行的。例如，在说明书中描述的“控制器”可以包括标准处理组件，比如一个或多个处理器，一个或多个计算机可读介质模块，一个或多个输入/输出接口，和各种连接组件的连接(例如，系统总线)。

图1示出电动采掘铲100。图1中所示的实施例示出作为绳铲(rope shovel)的电动采掘铲100，然而在其它实施例中，电动采掘铲100可以是不同类型的采掘机，比如混合采掘铲、拉铲挖掘机等。采掘铲100包括履带105，其用来向前和向后推进绳铲100、以及用来转动绳铲100(即，通过改变左右履带相对彼此的速度和/或方向)。该履带105支撑包含驾驶室115的基座110。该基座110能够绕着回转轴125回转或者旋转，例如，从挖掘位置运动至倾卸位置。履带105的运动不是回转运动所必需的。该绳铲进一步包括铲斗轴130，其支撑可枢转的铲斗柄135(柄135)和铲斗140。该铲斗140包括门145，用于将铲斗140中的装载物倾卸至比如料斗车或自动倾卸卡车的倾卸位置。

该绳铲100此外包括耦接在基座110和铲斗轴130之间的拉紧的吊索150，用于支撑该铲斗轴130；升降缆索155附接至基座110内的绞车(未示出)，用来卷绕该缆索155以升降铲斗140；以及附接至另一绞车(未示出)的铲斗门缆索160，用于打开铲斗140的门145。在有些情况下，该绳铲100是

4100系列铲，其由P&H采矿设备公司生产，然而电动采掘铲100可以是其它类型或型号的电动采掘设备。

当采掘铲100的履带105静止时，该铲斗140基于三个控制动作升降、推压和回转来可操作的运动。该升降控制通过卷绕和展开升降索155来升降铲斗140。该推压控制伸展和缩回柄135和铲斗140的位置。在一个实施例中，柄135和铲斗140通过使用齿条和齿轮系统来推压。在另一个实施例中，该柄135和铲斗140使用液压驱动系统来推压。该回转控制相对于回转轴125转动柄135。在倾卸装载物之前，该铲斗140被操纵至适当的升降、推压和回转位置，以便1)确保装载物不会错过倾卸位置；2)当释放时，门145不会碰撞倾卸位置；和3)该铲斗140不会太高从而释放的装载物不会损伤该倾卸位置。

如图2所示，该采掘铲100包括控制系统200。该控制系统200包括控制器205、操作员控制210、铲斗控制215、传感器220、用户界面225，和输入/输出230。该控制器205包括处理器235和存储器240。该存储器240存储处理器235可执行的指令和用于比如允许控制器205和操作员之间或者控制器205和传感器220之间通讯的各种输入/输出。在有些情况下，该控制器205包括一个或多个微处理器、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)等等。

控制器205接收来自操作员控制210的输入。该操作员控制210包括推压控制245、回转控制250、升降控制255和门控制260。该推压控制245、回转控制250、升降控制255、和门控制260包括比如操作员控制的输入装置，如操纵杆、杆、脚踏板及其他致动器。该操作员控制210通过输入装置接收操作员输入并将数字运动命令输出至控制器205。该运动命令包括，比如，上升、下降、推压伸展、推压收回、顺时针回转、逆时针回转、铲斗门释放、左履带向前、左履带反转、右履带向前和右履带反转。

在接收运动命令后，控制器205通常如操作员所命令地控制铲斗控制215。该铲斗控制215包括一个或多个推压电机265、一个或多个回转电机270、和一个或多个升降电机275。例如，如果操作员通过回转控制250指示逆时针方向旋转柄135，则控制器305将通常控制回转电机270逆时针方向旋转柄135。然而，在本发明的一些实施例中，控制器205可操作来限制操作员运动命令并产生独立于操作员输入的运动命令。

控制器205还与许多传感器220通信来监控铲斗140的位置和状态。例如，控制器205与一个或多个推压传感器280、一个或多个回转传感器285、和一个或多个升降传感器290通信。推压传感器280向控制器205指示出铲斗140伸展或缩回的程度。回转传感器285向控制器205指示出柄135的回转角度。升降传感器290基于升降索155的位置向控制器205指示出铲斗140的高度。在其它实施例中，除其他之外，门闩锁传感器指示出铲斗门145是否开启或关闭，并测量包含在铲斗140内的载荷的重量。

用户界面225，比如操作员用户界面，向操作员提供关于采掘铲100的状态及与采掘铲100通信的其他系统的信息。用户界面225包括下列一个或多个：显示器(例如液晶显示器(LCD))；一个或多个发光二极管(LED)或其它照明装置；头顶显示器(例如投射到驾驶室115的窗上)；用于声音反馈的扬声器(例如嘟嘟声、语音信息等等)；比如振动装置的触觉反馈装置，其引起操作员座位或者操作员控制210的振动；或其他反馈装置。

图3示出采掘铲100的振动数据收集系统300的方框图。该振动数据收集系统300包括一个或多个加速计传感器305、一个或多个转速计307、振动频谱分析处理器310和服务器315。该数据收集系统300进一步与控制器205电耦接。

当采掘铲100运行时，加速计传感器305收集采掘铲100的振动数据。该加速计传感器305测量结构的振动。振动引起的力产生了在加速计传感器305内的压电材料上的力。该压电材料产生电荷，其与施加于其上的力成比例。该加速计传感器305可以是径向加速计传感器或轴向加速度计传感器。该径向加速计传感器测量采掘铲100轴承上的加速度。该轴向加速度计传感器测量测采掘铲的100的轴上的加速度。加速计传感器305位于采掘铲100的不同位置，除其它位置之外，所述位置包括一个或多个推压电机265、一个或多个回转电机270、一个或多个升降电机275、升降变速箱、推压变速箱、和回转变速箱。

转速计307测量采掘铲100的各个电机的转速。每个转速计307可以是物理转速计或模拟转速计。物理转速计是物理地测量电机转速的仪器，例如，利用光学或磁性传感器。模拟转速计将在下面更详细地描述。

该振动频谱分析处理器310处理加速计传感器305的振动数据并输出处理的振动数据。在一些实施例中，该振动频谱分析处理器310随处理的振动数据一起输出原始振动数据。该振动频谱分析处理器310包括处理器和存储器。该处理器执行存储在存储器中的指令来分析并处理从加速计传感器305接收的数据。在有些情况下，该振动频谱分析处理器310是微处理器、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)等。在一些实施例中，该振动频谱分析处理器310处理通过创建振动数据的声音文件来处理振动数据。该振动频谱分析处理器310然后对创建的声音文件进行傅里叶变换以生成振动频谱。在其它实施例中，其它频谱分析算法被用于生成频谱的不同变化或以另一方式分析数据。

图4示出由振动频谱分析处理器310创建的示例性的振动频谱320。单个振动频谱320对应于被监控的采掘铲100的一部分，比如冷却风扇、变速箱、变速器、或者电机(例如升降电机275)。因此，该振动频谱分析处理器310为采掘铲100的每个监控部分生成了多个振动频谱320。频谱320包括若干峰值325。具有非正常地高振幅的振动频谱320的峰值325表明了机械故障的可能性或者采掘铲100对应部分(例如，排风机、或者一个升降电动机275)上将要发生故障的可能性。振动数据可被获得和周期性地处理(例如一周)来为采掘铲100的每个监控部分产生多个频谱320。当对于特定频率下的峰值325显示出正随时间增加时(例如，在少许周期性地创建的频谱320上)，表明发生了或即将发生故障。

该服务器315用于将包括一个或多个振动频谱320的处理的和/或原始的振动数据，从振动频谱分析处理器310至中央单元地进行通信，以用于进一步的分析。服务器315可经由局域网、广域网、无线网络、因特网等来与振动频谱分析处理器310进行通信。

在一些实施例中，为收集有效振动测量结果，振动数据收集系统300在被测试采掘铲100组件以预定速度范围的恒速(即，铲斗以恒速进行比如回转、推压、升降等运动)运动的同时获取振动数据。在一些实施例中，速度确定为恒定，而速度可以按照50rpm、100rpm、300rpm、或高达600rpm变化。当该速度变化时，使用算法来考虑速度的变化。在一些实施例中，为了精确的振动分析，在范围内的恒速运动期间，捕获振动数据的一至三秒。在一些实施例中，采掘铲100的组件的速度不必须在预定速度范围内。在操作期间，通过各式各样的下面详细披露的方法可以保持或识别恒速。

阶段测试

阶段测试是振动数据收集的一个实施例。阶段测试包括采掘铲100在各种预定模式中运动，而振动数据由数据收集系统300收集。通过在预定模式中运动，当采掘铲100在恒速操作时，在已知点捕获振动数据。该预定模式包括，但是不限于：向上向下升降该铲斗140、向内和向外推压该铲斗140、以及左右回转柄135。例如，当向上升降铲斗140时，铲斗140将以预定速度范围内的恒速运动约一至三秒。一旦铲斗140一直向上升起，铲斗140在顶端停止并下降。当铲斗140下降时，铲斗140将以范围内的恒速运动约一至三秒直至铲斗140一直下降。一直重复直到收集到足够的振动数据。在有些情况下，比如当上下升降该铲斗140时，该预定速度范围是1000rpm至1500rpm。其它组件或其它预定模式的预定速度范围可能不同。

图5a-5d示出在一个实施例中显示在比如操作员用户界面的用户界面225上的阶段测试操作员指令。尽管所述的显示在用户界面225上，但在其它实施例中，阶段测试指令被显示和/或可听见地生成在独立的用户界面上。

如图5a所示，利用用户界面225，操作员通过选择开始特定的阶段测试而开始进行阶段测试操作。例如，操作员使用用户界面225来选择升降阶段测试330、推压阶段测试335、回转阶段测试340或其它各种阶段测试。

如图5b所示，一旦该操作员已经选择特定的阶段测试，该用户界面225通知操作员开始该测试所需的步骤。例如，如图5b所示，该用户界面225通过指令操作员“推压铲斗至完全伸出然后快速向上向下升降运动”来通知操作员开始测试。

如图5c所示，一旦该操作员开始测试，则该用户界面225将继续给出操作指令，比如“继续向上和向下升降”。该用户界面225进一步包括进度条342和速度计345。该进度条342在阶段测试期间告知操作员他的进度。在其它实施例中，除进度条之外，可视的或声音的进度指示器在阶段测试期间用来指示操作员的进度。速度计345告知操作员采掘铲100的运动组件的速度。该速度计345包括目标范围350，其指示操作员为捕获数据采掘铲100的运动组件必须以此进行运动的预定的速度范围。在一些情况下，运动组件的速度不必须在预定的速度范围之内，速度计345从用户界面225中省略。如图5d所示，一旦阶段测试完成，用户界面225指令操作员“停止升降”。

当采掘机100在各个阶段测试期间操作时，该振动数据被加速计传感器305获取并保存在(例如加速计传感器305的或者振动频谱分析处理器310的)存储器中。该记录数据然后被振动频谱分析处理器310处理以产生一个或多个频谱320，其与采掘铲100的各个组件(处理的振动数据)相对应。该处理的数据然后被发送给非现场位置(例如，服务器315)来进一步分析或者比如在用户界面225上本地地显示。另外，该振动频谱分析处理器310、服务器315、控制器205、或者其它装置可分析处理的数据以确定采掘铲100的组件是否已经发生故障或者即将发生。换句话说，分析频谱峰值325来确定它们是否超过预定阈值或者以过度的速率随时间增加。该预定的阈值和速率对具体的组件也可以是特定的。因此，对应于一个组件的一个频谱320的峰值325是可接受的，但是对应于另一个组件的另一个频谱320的类似的峰值325一定程度表明了问题。

采掘铲操作期间的振动数据收集

另一个收集振动数据的方法包括在采掘铲100在正常操作而不是在阶段测试期间收集该振动数据。在正常操作期间，该采掘铲100以特定周期操作，比如，挖掘、向倾卸位置回转和卷起。这些周期具有与他们相关的特定速度和转距。在采掘铲100操作的各个周期部分期间，采掘铲100将具有在预定范围内的恒速和在预定范围内的恒定转矩。在具体的时间段期间保持为正或者保持为负(即不越过零-转矩阈值)的转矩被认为在该时间段期间是恒定的。该控制系统200使用算法来识别采掘铲100正在执行的周期。在一个实施例中，该算法使用速度、转矩、和位置来识别该周期和触发数据收集。在另一个实施例中，该算法使用增加或减少的速率来触发数据收集。在另一个实施例中，该算法仅仅使用速度和位置来触发数据收集。

图6示出用于在采掘铲的操作期间收集电子数据的过程400。过程400从监控采掘铲100的操作开始(步骤405)。该数据收集系统300确定采掘铲100是否在正确的周期，其中速度将保持恒定一至三秒(步骤410)。如果采掘铲100不是在正确的周期，该数据收集系统300返回到步骤405。如果该采掘铲100在正确周期，该数据收集系统300确定采掘铲100的组件是否在预定速度范围内恒速运动(步骤415)。如果该采掘铲100的组件不是以恒速运动并不在预定速度范围内，该数据收集系统300返回到步骤405。如果该采掘铲100的组件是恒速的，该数据收集系统300确定转矩是否是恒定的且在预定扭矩范围内(步骤420)。如果该转矩不是恒定的并且不在预定扭矩范围内，该数据收集系统300返回到步骤405。如果该转矩是恒定的并且在该预定扭矩范围内，该数据收集系统300开始收集振动数据(步骤425)。该数据收集系统300接下来确定振动数据是否已经被充分地收集(步骤430)。如果振动数据没有被充分地收集，该数据收集系统300返回到步骤405。振动数据可能是在若干周期上收集的。如果已经充分地收集到振动数据，该振动数据被振动频谱分析处理器310处理(步骤435)。接下来，该数据收集系统300或者技术人员确定处理的振动数据是否表明了机械问题(步骤440)。如果没有问题，该数据收集系统300返回到步骤405。如果存在问题，该数据收集系统300生成警报(步骤445)。一旦该振动数据被处理，该处理的振动数据可被发送给非现场位置，比如服务器315用于进一步分析。在一些实施例中，步骤420是过程400中的旁路，使得数据获取不会基于转矩而触发。

模拟转速计

正如以上的讨论，为了数据收集系统300收集有效的振动测量，被测试的采掘铲100的组件的速度应该保持相对恒定并且在预定速度范围内。如此，该转速计307可能用来监控采掘机100的组件的速度。在一些实施例中，比如采掘铲100包括直流电机，该采掘铲100使用模拟转速计而不是物理转速计作为该转速计307。

如图6所示，模拟转速计450被用来确定速度。该模拟转速计450包括电流监视器455、电压至脉冲变换器465、和模拟转速计分析处理器460。该模拟转速计450然后可与振动数据收集系统300电耦接。

该电压监控器455监控采掘铲100的电机电压。这个被监控的电压与电机的速度成比例。在一些实施例中，该采掘铲100的电机电压由控制系统200监控，并且不需要单独的电压监控器455。该监控的电压被输出至转速计分析处理器460，其然后输出电压模拟信号。在一些实施例中，转速计分析处理器460将该电压模拟信号输出至电压至脉冲变换器465。该电压至脉冲变换器465将该电压模拟信号(例如，24伏特)转换至频率(例如，1000赫兹)。该频率，其表示采掘机100的电机速度，然后被输出到该振动数据收集系统300、该用户界面225、或者两者。在一些实施例中，该电压模拟信号被直接输出到振动数据收集系统300、用户界面225、或者两者，并且电压至脉冲变换器465不是必要的。在一些实施例中，模拟转速计450利用电机电流连同电机电压一起确定采掘机100的电机速度。

如此，本发明尤其提供了用于电采掘铲的振动测试的方法和系统。本发明的各种特征和优点在下面权利要求中阐明。

Claims (25)

1.一种包括采掘机的系统，所述系统包括：

传感器，用于感测所述采掘机组件的振动；以及

振动模块，被配置为确定所述采掘机何时在预定周期运动，

响应于确定所述采掘机是在所述预定周期运动，触发从所述传感器的振动传感器数据的获得，

处理所述振动传感器数据以生成与所述采矿机组件的感测的振动相对应的振动数据频谱，

基于所述振动数据频谱，确定所述采矿机组件的潜在将要发生的故障，并且

输出与所述采矿机组件的所述潜在将要发生的故障相对应的警报。

2.根据权利要求1的采掘机，其中所述传感器是加速计。

3.根据权利要求1的采掘机，进一步包括转速计，其监控所述采掘机在所述预定周期操作时的速度。

4.根据权利要求3的采掘机，其中所述转速计是包括电压监控器的模拟转速计。

5.根据权利要求1的采掘机，其中所述采掘机进一步包括振动模块。

6.根据权利要求1的采掘机，其中所述振动模块远离所述采掘机。

7.根据权利要求1的采掘机，进一步包括用于对选自由所述振动数据、所述振动频谱和所述输出所组成的组中的至少一个进行通信的网络。

8.根据权利要求1的采掘机，其中所述振动模块进一步基于确定组件是在预定速度范围内以恒速运动来监控所述采掘机组件的速度和获取所述振动传感器数据。

9.根据权利要求1的采掘机，其中所述振动模块进一步基于确定组件具有预定范围内的恒定转矩来监控所述采掘机组件的转矩和获取所述振动传感器数据。

10.一种监控采掘设备的方法，所述方法包括：

监控采掘机的操作；

确定采掘机组件在预定周期运动；

响应于确定采掘机组件在所述预定周期运动，触发从传感器的振动传感器数据的获得；

经由电子处理器，处理所述振动传感器数据以生成与所述采矿机组件相对应的振动频谱，其中所述振动频谱包括一个或多个峰；

经由所述电子处理器，基于所述一个或多个峰，确定所述采矿机组件的潜在将要发生的故障；并且

输出与所述采矿机组件的所述潜在将要发生的故障相对应的警报。

11.根据权利要求10的方法，进一步包括确定所述采掘机组件以恒定转矩运动。

12.根据权利要求11的方法，其中所述采掘机组件以预定范围内的恒定转矩运动。

13.根据权利要求10的方法，其中所述采掘机组件以预定范围内的恒速运动。

14.一种采掘机，具有用于操作所述采掘机的控制系统，所述控制系统具有振动监控器，所述采掘机包括：

用户界面，提供指令以在预定模式操作所述采掘机的组件；

传感器，当在所述预定模式下运行时，所述传感器感测所述采掘机组件的振动，所述传感器输出振动传感器数据；以及

处理模块，

接收来自所述传感器的所述振动传感器数据，

处理所述振动传感器数据以生成包括一个或多个峰的振动频谱，

基于所述一个或多个峰，确定所述采矿机组件的潜在将要发生的故障，并且

输出与所述潜在将要发生的故障相对应的警报。

15.一种采掘机，具有用于操作所述采掘机的控制系统，所述采掘机包括：

用户界面，提供指令以在预定模式操作所述采掘机的组件；

所述采掘机，其在所述预定模式下运行；

传感器，当在所述预定模式下运行时，所述传感器感测所述采掘机的参数，所述传感器输出表示感测的参数的传感器数据；以及

处理模块，

接收来自所述传感器的所述感测的参数，

处理所述感测的参数以生成包括一个或多个峰的振动频谱，

基于所述一个或多个峰，确定所述采矿机组件的潜在将要发生的故障，并且

输出与所述潜在将要发生的故障相对应的警报。

16.根据权利要求15的采掘机，其中感测的所述参数是振动、转矩、或速度。

17.根据权利要求15的采掘机，其中所述传感器是感测振动的加速计。

18.根据权利要求15的采掘机，进一步包括在所述预定模式下运行时，监控所述采掘机的速度的转速计。

19.根据权利要求18的采掘机，其中所述转速计是包括电压监控器的模拟转速计。

20.根据权利要求15的采掘机，其中所述预定模式是向上和向下升降运动、向内和向外推压运动、和一侧至另一侧回转柄中的至少一个。

21.根据权利要求15的采掘机，其中所述参数是振动，并且其中处理所述传感器数据包括对所述传感器数据进行傅里叶变换。

22.根据权利要求15的采掘机，其中所述用户界面进一步指示出收集的所述传感器数据的量和由所述处理模块输出的经处理的传感器数据中的至少一个。

23.根据权利要求15的采掘机，其中所述采掘机在所述预定模式下运动直至收集的传感器数据的量超过阈值。

24.根据权利要求15的采掘机，进一步包括用于对由所述处理模块输出的所述感测的参数进行通信的网络。

25.权利要求24的采掘机，其中将所述感测的参数显示在远程位置。

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