CN110907173A - 一种旋转机械转动副间隙故障模拟的实验台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转机械转动副间隙故障模拟的实验台，包括支架，支架上设有动力模块、实验模块及测量模块；所述实验模块包括曲柄、销轴、滑条、滑轨及滑块，所述销轴的一端固定于曲柄上，销轴的另一端与滑条滑动连接，所述滑轨滑动设置于滑块上，滑轨的一端与滑条固定连接；所述动力模块驱动曲柄旋转，曲柄带动销轴绕曲柄的中心轴转动，销轴在滑条上滑动，从而使得与滑条相接的滑轨沿滑块的长度方向移动；所述测量模块用于测量滑轨和曲柄的位移状态。本发明可准确模拟旋转机械转动副间隙存在时的故障情况，结构简单、制造成本低且易于实施。

Description

一种旋转机械转动副间隙故障模拟的实验台

技术领域

本发明涉及一种实验设备，特别是涉及一种旋转机械转动副间隙故障模拟的实验台。

背景技术

随着智能制造时代的到来，机械零件的复杂程度和时代对企业高效生产的要求不断提高，现今的企业生产中，加工设备主传动机构的两两构件间的配合间隙在长期工作下因磨损而日益增大，尤其是旋转类构件。增大的配合间隙造成传动机构的运行不稳定，导致加工设备加工的产品质量不达标令生产成本增大，因此传动机构配合间隙的检测是一个重要的问题。然而大多数加工设备主传动机构均处于密闭或者半密闭的工作环境，加工设备不易拆卸，故障诊断困难。而在实际加工设备上直接测量和研究传动机构的配合间隙，过于耗费人力物力，实施困难。故若有相应的间隙故障模拟实验台便可以在不拆卸原生产设备的情况下，在实验台上自行模拟间隙故障的发生，并采集和研究该情况下的系列变化的数据，最后在实际原生产设备上进行验证，相对来说省时省力。而现有的旋转机械故障模拟实验台基本上应用于工业生产及科研等领域中，其整机较为成熟，制造成本较高，并且大部分旋转机械实验台针对的是齿轮、轴承、摩擦等常见故障的模拟，功能具有局限性，难以模拟旋转机械转动副间隙存在时的故障情况。

针对上述问题，本专利提出了一种旋转机械转动副间隙故障模拟的实验台。

发明内容

本发明的目的在于提供一种旋转机械转动副间隙故障模拟的实验台，本发明可准确模拟旋转机械转动副间隙存在时的故障情况，结构简单、制造成本低且易于实施。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种旋转机械转动副间隙故障模拟的实验台，包括支架，支架上设有动力模块、实验模块及测量模块；所述实验模块包括曲柄、销轴、滑条、滑轨及滑块，所述销轴的一端固定于曲柄上，销轴的另一端与滑条滑动连接，所述滑轨滑动设置于滑块上，滑轨的一端与滑条固定连接；所述动力模块驱动曲柄旋转，曲柄带动销轴绕曲柄的中心轴转动，销轴在滑条上滑动，从而使得与滑条相接的滑轨沿滑块的长度方向移动；所述测量模块用于测量滑轨和曲柄的位移状态。

优选的，所述滑条为长圆环形状，滑条上设有滑孔，所述销轴的端部安装有第一轴承，并且第一轴承滑动设置于滑孔内。

优选的，所述滑条的侧部开设有卡座，卡座上开设有卡槽，所述滑轨的一端嵌入卡槽内并与卡槽过盈配合，并且滑轨的端部经锁紧螺丝锁紧在卡槽内。

优选的，所述支架上设有滑块安装座，滑块安装座上开设有滑块安装槽，所述滑块嵌设于滑块安装槽内，并且滑块经锁紧螺丝固定于滑块安装槽中。

优选的，所述动力模块包括调速电机、主动带轮、从动带轮、同步带及传动轴，所述调速电机经螺丝固定于支架上，调速电机的电机轴与主动带轮相连，所述支架上还设有轴承座，轴承座上安装有第二轴承，所述传动轴贯穿第二轴承，传动轴的一端与曲柄相连，传动轴的另一端与从动带轮相连，所述同步带包覆在主动带轮和从动带轮上。

优选的，所述传动轴靠近曲柄的一端设有螺纹部，螺纹部的内端设有限位台阶，所述曲柄上设有第一固定孔和第二固定孔，所述传动轴的螺纹部贯穿第一固定孔，并且螺纹部上螺纹连接有锁紧螺母，曲柄经锁紧螺母压固于传动轴的限位台阶上，所述销轴的一端贯穿第二固定孔并与第二固定孔过盈配合。

优选的，所述支架上设有第一探头座、第二探头座及相机座，所述测量模块包括安装于第一探头座上的第一激光位移传感器、安装于第二探头座上的第二激光位移传感器及安装于相机座上的红外热成像仪，并且所述第一激光位移传感器位于曲柄旋转过程中离水平面最高位置的上方，第二激光位移传感器位于滑轨水平位移左极限处的上方，红外热成像仪正对滑条及第一轴承；所述第一激光位移传感器、第二激光位移传感器及红外热成像仪均与PC端电连接。

优选的，所述第一探头座上安装有第三轴承，并且所述传动轴贯穿第三轴承。

优选的，所述第一探头座上设有沿竖向延伸的第一条形孔，所述第一激光位移传感器连接有第一滑座，第一滑座上穿设有第一调节螺丝，第一调节螺丝的底端同第一条形孔固定在一起；所述第二探头座上设有沿竖向延伸的第二条形孔，所述第二激光位移传感器连接有第二滑座，第二滑座上穿设有第二调节螺丝，第二调节螺丝的底端同第二条形孔固定在一起；所述相机座上设有沿竖向延伸的第三条形孔，所述红外热成像仪连接有滑板，滑板上穿设有第三调节螺丝，第三调节螺丝的底端同第三条形孔固定在一起。

优选的，所述支架上沿横向开设有第四条形孔，第二探头座上穿设有第四调节螺丝，第四调节螺丝的底端同第四条形孔固定在一起。

本发明的技术效果和优点：

1、本发明的试验台主要包括设置在支架上的动力模块、实验模块及测量模块，实验模块中的曲柄、销轴、滑条、滑轨及滑块组成正弦机构，销轴的一端固定于曲柄上，销轴的另一端与滑条滑动连接，滑条与销轴的配合间隙可自行控制，滑轨滑动设置于滑块上，滑轨的一端与滑条固定连接。通过动力模块驱动曲柄旋转，曲柄带动销轴绕曲柄的中心轴转动，销轴在滑条上滑动，从而使得与滑条相接的滑轨沿滑块的长度方向移动，通过测量模块用于测量滑轨和曲柄的位移状态，即在可控的间隙条件下，可以通过测量模块获得滑轨和曲柄的位移曲线，方便之后的相应位移曲线后处理工作，从而准确模拟旋转机械转动副间隙存在时的故障情况，并且本发明具有结构简单、制造成本低且易于实施的优点。

2、本发明销轴与滑条间的配合由第一轴承来实现，传动轴的动力使曲柄和连接在曲柄上的销轴进行同步旋转运动，安装在销轴上的轴承在滑条间滑动，从而使得与滑条相接的滑轨能够在滑块中进行水平移动。同时为了实现自行控制转动副的配合间隙，由于第一轴承是标准件，其外圈是个固定尺寸，加工了不同滑孔尺寸的滑条达到准确自行控制转动副配合间隙的效果。

3、本发明滑轨的端部嵌入滑条侧部卡座的卡槽中，并通过锁紧螺丝将滑轨的端部紧固于卡座的卡槽内，从而实现滑轨与滑条的固定连接，该连接方式固定效果好并且拆装十分方便。

4、本发明在滑块安装座上开设有滑块安装槽，将滑块嵌设在滑块安装槽中进行预定位，能使滑块的安装位置更加准确，再通过锁紧螺丝将滑块固定在滑槽中，从而实现滑块的准确安装，使滑轨的滑动轨迹被准确测量，降低系统误差。

5、本发明的调速电机带动主动带轮、同步带及从动带轮运转，达到将调速电机动力传送带转动轴上的效果。且调速电机本身的调频调速与不同传动比的两个带轮可实现多级别的转速调整，可进行不同速度情况下对具有间隙的旋转机械转动副的影响。

6、本发明传动轴的螺纹部贯穿曲柄上的第一固定孔，通过将锁紧螺母旋入传动轴的螺纹部并且将曲柄压固于传动轴的限位台阶上实现曲柄与传动轴的联动，销轴贯穿曲柄的第二固定孔并与第二固定孔过盈配合实现销轴与曲柄的固定连接，上述连接方式简单可拆卸，拆装十分方便。

7、本发明在实验台中设置了两个激光位移传感器的测量点。其中一个放置在曲柄转动过程中距离水平最高处的上方，测量曲柄的位移曲线。另一个放置在滑轨水平位移左极限处的上方，测量滑轨的位移曲线，两个激光位移传感器连接PC端，可以实时监测以及保存相应的位移曲线参数，方便之后的相应位移曲线后处理工作。而本发明销轴上的轴承与滑条的联动是非密闭环境，且间隙的大小影响第一轴承与滑条间的碰撞和运动引发的热量传递，可以由红外热成像仪进行红热成像图的信息采集，采集的图像信息为之后的机器学习做数据准备。

8、本发明在第一探头座上安装第三轴承，并且传动轴贯穿第三轴承，第二轴承和第三轴承为传动轴两端的支点，能够使传动轴旋转更加平稳，并且传动轴在轴承上旋转能大大减小摩擦损耗，具有更加节能的优点。

9、本发明的第一激光位移传感器、第一激光位移传感器以及红外热成像仪分被通过对应的调节螺丝即可进行上下位置的调节，从而方便各自调整到最合适的角度，准确测量实验数据。

10、本发明通过调整第四调节螺丝即可根据滑轨的左极限位置改变第二探头座的安装位置，从而使第二探头座上的第二激光位移传感器准确地安装在滑轨的左极限位置的正上方，进而准确地测量滑轨的位移曲线。

附图说明

图1为本发明整体的结构示意图；

图2为本发明的后视图；

图3为图1中A部的放大结构示意图；

图4为传动轴与曲柄配合时的剖视图；

图5为本发明第一激光位移传感器的安装结构示意图；

图6为本发明第二激光位移传感器的安装结构示意图；

图7为本发明相机座的安装结构示意图；

图8为本发明实验模块的运动简图；

图9为本发明去掉支架后的左视图；

图10为发明用于检测旋转机械转动副配合间隙故障的流程图。

图中：1、支架；2、万向轮；3、调速电机；4、同步带；5、轴承座；6、第二轴承；7、传动轴；8、第一探头座；9、第三轴承；10、曲柄；11、销轴；12、滑条；13、第一轴承；14、滑块安装座；15、滑块；16、滑轨；17、第二探头座；18、第一激光位移传感器；19、第二激光位移传感器；20、相机座；21、红外热成像仪；22、主动带轮；23、从动带轮；24、滑孔；25、卡座；26、卡槽；27、第一固定孔；28、第二固定孔；29、螺纹部；30、限位台阶；31、锁紧螺母；32、第一滑座；33、第一条形孔；34、第一调节螺丝；35、第二滑座；36、第二调节螺丝；37、第四条形孔；38、第四调节螺丝；39、滑板；40、第三条形孔；41、第三调节螺丝；42、滑块安装槽；43、锁紧螺丝；44、第二条形孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

本发明提供了如附图1-10所示的一种旋转机械转动副间隙故障模拟的实验台，包括支架1，支架1为型材支架1，支架1的顶部具有支撑板，支架1相应高度的搭建符合人性化的设计需求，支架1的底部设置万向轮2可以帮助实验者完成试验台的搬运工作。支架1上设有动力模块、实验模块及测量模块；所述实验模块包括曲柄10、销轴11、滑条12、滑轨16及滑块15，曲柄10、销轴11、滑条12、滑轨16及滑块15组成正弦机构，所述销轴11的一端固定于曲柄10上，销轴11的另一端与滑条12滑动连接，滑条12与销轴11的配合间隙可自行控制，所述滑轨16滑动设置于滑块15上，滑轨16的一端与滑条12固定连接；所述动力模块驱动曲柄10旋转，曲柄10带动销轴11绕曲柄10的中心轴转动，销轴11在滑条12上滑动，从而使得与滑条12相接的滑轨16沿滑块15的长度方向移动；所述测量模块用于测量滑轨16和曲柄10的位移状态，即在可控的间隙条件下，可以通过测量模块获得滑轨16和曲柄10的位移曲线，方便之后的相应位移曲线后处理工作，从而准确模拟旋转机械转动副间隙存在时的故障情况，并且本发明具有结构简单、制造成本低且易于实施的优点。

如附图3所示，所述滑条12为长圆环形状，滑条12上设有滑孔24，所述销轴11的端部安装有第一轴承13，并且第一轴承13滑动设置于滑孔24内。销轴11与滑条12间的配合由第一轴承13来实现，传动轴7的动力使曲柄10和连接在曲柄10上的销轴11进行同步旋转运动，安装在销轴11上的轴承在滑条12间滑动，从而使得与滑条12相接的滑轨16能够在滑块15中进行水平移动。同时为了实现自行控制转动副的配合间隙，由于第一轴承13是标准件，其外圈是个固定尺寸，加工了不同滑孔24尺寸的滑条12达到准确自行控制转动副配合间隙的效果，使得滑条12与轴承相配合可达到两者配合间隙0.05～1.00mm之间的变换。

如附图3所示，所述滑条12的侧部开设有卡座25，卡座25上开设有卡槽26，所述滑轨16的一端嵌入卡槽26内并与卡槽26过盈配合，并且滑轨16的端部经锁紧螺丝43锁紧在卡槽26内，从而实现滑轨16与滑条12的固定连接，该连接方式固定效果好并且拆装十分方便。

如附图2所示，所述支架1上设有滑块安装座14，滑块安装座14上开设有滑块安装槽42，所述滑块15嵌设于滑块安装槽42内进行预定位，能使滑块15的安装位置更加准确，并且滑块15经锁紧螺丝43固定于滑块安装槽42中，从而实现滑块15的准确安装，使滑轨16的滑动轨迹被准确测量，降低系统误差。

如附图1和附图2所示，所述动力模块包括调速电机3、主动带轮22、从动带轮23、同步带4及传动轴7，所述调速电机3经螺丝固定于支架1上，调速电机3的电机轴与主动带轮22相连，所述支架1上还设有轴承座5，轴承座5上安装有第二轴承6，所述传动轴7贯穿第二轴承6，传动轴7的一端与曲柄10相连，传动轴7的另一端与从动带轮23相连，所述同步带4包覆在主动带轮22和从动带轮23上。调速电机3的转速变换范围一定条件下，为了实验的条件可变性大，可通过如图主动带轮22与从动带轮23的传动比即主动带轮22与从动带轮23的有效圆直径调节来实现。

如附图3和附图4所示，所述传动轴7靠近曲柄10的一端设有螺纹部29，螺纹部29的内端设有限位台阶30，所述曲柄10上设有第一固定孔27和第二固定孔28，所述传动轴7的螺纹部29贯穿第一固定孔27，并且螺纹部29上螺纹连接有锁紧螺母31，曲柄10经锁紧螺母31压固于传动轴7的限位台阶30上，所述销轴11的一端贯穿第二固定孔28并与第二固定孔28过盈配合，上述连接方式简单可拆卸，拆装十分方便。

如附图1所示，所述支架1上设有第一探头座8、第二探头座17及相机座20，所述测量模块包括安装于第一探头座8上的第一激光位移传感器18、安装于第二探头座17上的第二激光位移传感器19及安装于相机座20上的红外热成像仪21，由于两个激光位移传感器的最大量程为8mm，所述第一激光位移传感器18位于曲柄10旋转过程中离水平面最高位置的上方，测量曲柄10的位移曲线，第二激光位移传感器19位于滑轨16水平位移左极限处的上方，测量滑轨16的位移曲线，两个激光位移传感器连接PC端，实验者可以通过自带的笔记本电脑设备即可以通过两个激光位移传感器相应的软件实时监测和保存测量到的位移曲线等信息，也可根据两个激光位移传感器的采样频率作为时间节点为之后的进一步数据处理做准备如将位移曲线换算成速度、加速度的曲线，多个数据角度来验证转动副间隙故障种类。

红外热成像仪21正对滑条12及第一轴承13，而本发明销轴11上的轴承与滑条12的联动是非密闭环境，且间隙的大小影响第一轴承13与滑条12间的碰撞和运动引发的热量传递，实验者可通过外置的红外热成像仪21拍摄第一轴承13同滑条12的热量红外成像图，且实验者可以将已知控制好的第一轴承13同滑条12的转动副间隙作为标签，进行机器学习，达到机器视觉同旋转机械转动副间隙故障诊断相结合的目的。

如附图4所示，所述第一探头座8上安装有第三轴承9，并且所述传动轴7贯穿第三轴承9，第二轴承6和第三轴承9为传动轴7两端的支点，能够使传动轴7旋转更加平稳，并且传动轴7在轴承上旋转能大大减小摩擦损耗，具有更加节能的优点。

如附图5-7所示，所述第一探头座8上设有沿竖向延伸的第一条形孔33，所述第一激光位移传感器18固定在第一滑座32上，第一滑座32上穿设有第一调节螺丝34，第一调节螺丝34的底端同第一条形孔33固定在一起；所述第二探头座17上设有沿竖向延伸的第二条形孔44，所述第二激光位移传感器19固定在第二滑座35上，第二滑座35上穿设有第二调节螺丝36，第二调节螺丝36的底端同第二条形孔44固定在一起；所述相机座20上设有沿竖向延伸的第三条形孔40，所述红外热成像仪21固定在滑板39上，滑板39上穿设有第三调节螺丝41，第三调节螺丝41的底端同第三条形孔40固定在一起，第一激光位移传感器18、第一激光位移传感器18以及红外热成像仪21分被通过对应的调节螺丝即可进行上下位置的调节，从而方便各自调整到最合适的角度，准确测量实验数据。

如附图6所示，所述支架1上沿横向开设有第四条形孔37，第二探头座17上穿设有第四调节螺丝38，第四调节螺丝38的底端同第四条形孔37固定在一起，通过调整第四调节螺丝38即可根据滑轨16的左极限位置改变第二探头座17的安装位置，从而使第二探头座17上的第二激光位移传感器19准确地安装在滑轨16的左极限位置的正上方，进而准确地测量滑轨16的位移曲线。

本发明基于机械理论并结合信息采集技术，以由曲柄10、销轴11、滑条12、滑轨16及滑块15组成正弦机构作为基础的旋转机械转动副间隙故障模拟实验台，可模拟出一定范围内的转动副间隙效果，由于间隙过大的情况下，实验效果意义不大，因此将可控的间隙效果范围控制在0.05～1.00mm之间。在可控的间隙条件下，可以通过激光位移传感器获得滑轨16和曲柄10的位移曲线，且激光位移传感器的自带实施监测软件，在固定的采样频率下实验者可以不需要计时器即可对两者的位移曲线进一步的处理和分析。为了更贴近智能制造，设计的滑条12部分通过红外热成像仪21可提供实验者红热成像，进行机器视觉实验和进一步处理。

Claims (10)

1.一种旋转机械转动副间隙故障模拟的实验台，其特征在于：包括支架(1)，支架(1)上设有动力模块、实验模块及测量模块；所述实验模块包括曲柄(10)、销轴(11)、滑条(12)、滑轨(16)及滑块(15)，所述销轴(11)的一端固定于曲柄(10)上，销轴(11)的另一端与滑条(12)滑动连接，所述滑轨(16)滑动设置于滑块(15)上，滑轨(16)的一端与滑条(12)固定连接；所述动力模块驱动曲柄(10)旋转，曲柄(10)带动销轴(11)绕曲柄(10)的中心轴转动，销轴(11)在滑条(12)上滑动，从而使得与滑条(12)相接的滑轨(16)沿滑块(15)的长度方向移动；所述测量模块用于测量滑轨(16)和曲柄(10)的位移状态。

2.根据权利要求1所述的一种旋转机械转动副间隙故障模拟的实验台，其特征在于：所述滑条(12)为长圆环形状，滑条(12)上设有滑孔(24)，所述销轴(11)的端部安装有第一轴承(13)，并且第一轴承(13)滑动设置于滑孔(24)内。

3.根据权利要求1所述的一种旋转机械转动副间隙故障模拟的实验台，其特征在于：所述滑条(12)的侧部开设有卡座(25)，卡座(25)上开设有卡槽(26)，所述滑轨(16)的一端嵌入卡槽(26)内并与卡槽(26)过盈配合，并且滑轨(16)的端部经锁紧螺丝(43)锁紧在卡槽(26)内。

4.根据权利要求1所述的一种旋转机械转动副间隙故障模拟的实验台，其特征在于：所述支架(1)上设有滑块安装座(14)，滑块安装座(14)上开设有滑块安装槽(42)，所述滑块(15)嵌设于滑块安装槽(42)内，并且滑块(15)经锁紧螺丝(43)固定于滑块安装槽(42)中。

5.根据权利要求1所述的一种旋转机械转动副间隙故障模拟的实验台，其特征在于：所述动力模块包括调速电机(3)、主动带轮(22)、从动带轮(23)、同步带(4)及传动轴(7)，所述调速电机(3)经螺丝固定于支架(1)上，调速电机(3)的电机轴与主动带轮(22)相连，所述支架(1)上还设有轴承座(5)，轴承座(5)上安装有第二轴承(6)，所述传动轴(7)贯穿第二轴承(6)，传动轴(7)的一端与曲柄(10)相连，传动轴(7)的另一端与从动带轮(23)相连，所述同步带(4)包覆在主动带轮(22)和从动带轮(23)上。

6.根据权利要求5所述的一种旋转机械转动副间隙故障模拟的实验台，其特征在于：所述传动轴(7)靠近曲柄(10)的一端设有螺纹部(29)，螺纹部(29)的内端设有限位台阶(30)，所述曲柄(10)上设有第一固定孔(27)和第二固定孔(28)，所述传动轴(7)的螺纹部(29)贯穿第一固定孔(27)，并且螺纹部(29)上螺纹连接有锁紧螺母(31)，曲柄(10)经锁紧螺母(31)压固于传动轴(7)的限位台阶(30)上，所述销轴(11)的一端贯穿第二固定孔(28)并与第二固定孔(28)过盈配合。

7.根据权利要求5所述的一种旋转机械转动副间隙故障模拟的实验台，其特征在于：所述支架(1)上设有第一探头座(8)、第二探头座(17)及相机座(20)，所述测量模块包括安装于第一探头座(8)上的第一激光位移传感器(18)、安装于第二探头座(17)上的第二激光位移传感器(19)及安装于相机座(20)上的红外热成像仪(21)，并且所述第一激光位移传感器(18)位于曲柄(10)旋转过程中离水平面最高位置的上方，第二激光位移传感器(19)位于滑轨(16)水平位移左极限处的上方，红外热成像仪(21)正对滑条(12)及第一轴承(13)。

8.根据权利要求7所述的一种旋转机械转动副间隙故障模拟的实验台，其特征在于：所述第一探头座(8)上安装有第三轴承(9)，并且所述传动轴(7)贯穿第三轴承(9)。

9.根据权利要求7所述的一种旋转机械转动副间隙故障模拟的实验台，其特征在于：所述第一探头座(8)上设有沿竖向延伸的第一条形孔(33)，所述第一激光位移传感器(18)连接有第一滑座(32)，第一滑座(32)上穿设有第一调节螺丝(34)，第一调节螺丝(34)的底端同第一条形孔(33)固定在一起；所述第二探头座(17)上设有沿竖向延伸的第二条形孔(44)，所述第二激光位移传感器(19)连接有第二滑座(35)，第二滑座(35)上穿设有第二调节螺丝(36)，第二调节螺丝(36)的底端同第二条形孔(44)固定在一起；所述相机座(20)上设有沿竖向延伸的第三条形孔(40)，所述红外热成像仪(21)连接有滑板(39)，滑板(39)上穿设有第三调节螺丝(41)，第三调节螺丝(41)的底端同第三条形孔(40)固定在一起。

10.根据权利要求7所述的一种旋转机械转动副间隙故障模拟的实验台，其特征在于：所述支架(1)上沿横向开设有第四条形孔(37)，第二探头座(17)上穿设有第四调节螺丝(38)，第四调节螺丝(38)的底端同第四条形孔(37)固定在一起。

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