CN112196923B - 基于二阶浮力原理的磁性液体阻尼减振器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于二阶浮力原理的磁性液体阻尼减振器，该磁性液体阻尼减振器包括外壳、永磁体和磁性液体。外壳限定出密封空腔，永磁体位于密封空腔中，永磁体包括至少一个永磁单元，永磁单元包括本体和多个齿部，多个齿部沿本体的周向间隔开地设在本体上，永磁体与外壳之间限定出磁性液体腔。磁性液体填充于磁性液体腔中。根据本发明实施例提供的基于二阶浮力原理的磁性液体阻尼减振器通过设置包括至少一个具有本体和多个齿部的永磁单元的永磁体，增大了磁性液体与永磁体的接触面积，从而提高了磁性液体阻尼减振器的减振效果和减振效率。

Description

基于二阶浮力原理的磁性液体阻尼减振器
技术领域
本发明涉及机械工程振动控制领域，尤其是涉及一种基于二阶浮力原理的磁性液体阻尼减振器。
背景技术
磁性液体减振器是一种利用了磁性液体特殊浮力特性的被动式惯性减振器，具有结构简单、安全可靠、节省能源等优点，尤其适用于太空这种对可靠性要求高、能耗要求小的复杂环境，广泛应用于太空中飞行器的太阳能帆板、天线等部件的小振幅低频率的减振中。而当相关技术中的磁性液体减振器由于多种结构缺陷容易造成减振效果不理想、永磁体运动困难、永磁体易倾斜碰壁导致永磁体碎裂等问题，使得磁性液体减振器无法在工程实际中得到应用。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种基于二阶浮力原理的磁性液体阻尼减振器，通过增大永磁体与磁性液体的接触面积，提高了磁性液体阻尼减振器的减振效果和减振效率。
根据本发明实施例的基于二阶浮力原理的磁性液体阻尼减振器包括：外壳，所述外壳限定出密封空腔；永磁体，所述永磁体位于所述密封空腔中，所述永磁体包括至少一个永磁单元，所述永磁单元包括本体和多个齿部，多个所述齿部沿所述本体的周向间隔开地设在所述本体上，所述永磁体与所述外壳之间限定出磁性液体腔；和磁性液体，所述磁性液体填充于所述磁性液体腔中。
根据本发明实施例提供的基于二阶浮力原理的磁性液体阻尼减振器通过设置包括至少一个具有本体和多个齿部的永磁单元的永磁体，增大了磁性液体与永磁体的接触面积，从而提高了磁性液体阻尼减振器的减振效果和减振效率。
由此，本发明实施例提供的基于二阶浮力原理的磁性液体阻尼减振器具有减振效果优异、减振效率高的优点。
另外，根据本发明的基于二阶浮力原理的磁性液体阻尼减振器还具有如下附加技术特征：
在一些实施例中，所述本体为柱状，所述本体的横截面为旋转对称图形，可选地，多个所述齿部沿所述本体的周向等间隔地设在所述本体上。
在一些实施例中，所述永磁体包括一个所述永磁单元，所述本体设有沿其轴向延伸的一个第一通孔，所述第一通孔的中心轴线与所述本体的中心轴线重合；或者所述永磁体包括一个永磁单元，所述本体设有沿其轴向延伸的多个第一通孔，多个所述第一通孔沿所述本体的周向绕所述本体的中心轴线均匀设置。
在一些实施例中，所述永磁体包括连接部和多个所述永磁单元，多个所述永磁单元同轴，相邻两个所述永磁单元通过连接部相连。
在一些实施例中，所述连接部为圆柱状，所述连接部与多个所述永磁单元同轴，所述永磁体设有第二通孔，所述第二通孔沿所述永磁体的轴向贯通所述连接部和多个所述本体，所述第二通孔的中心轴线、所述连接部的中心轴线和所述本体的中心轴线重合；或者所述连接部为圆柱状，所述连接部与多个所述永磁单元同轴，所述永磁体设有多个第二通孔，多个所述第二通孔沿所述永磁体的轴向贯通所述连接部和多个所述本体，多个所述第二通孔沿所述本体的周向绕所述本体的中心轴线均匀设置。
在一些实施例中，所述本体为圆柱状，所述连接部的外径小于等于所述本体的外径。
在一些实施例中，多个所述永磁单元的所述齿部的数量彼此相等，多个所述永磁单元的多个所述齿部在所述永磁体的轴向上一一相对。
在一些实施例中，所述密封空腔的壁面上设置有弹性垫。
在一些实施例中，所述密封空腔为圆柱状，所述永磁体和所述密封空腔同轴，所述永磁体在其轴向上的长度与所述密封空腔在其轴向上的长度之比为0.5-0.7，多个所述齿部的外侧面位于第一圆周上，所述第一圆周的直径与所述密封空腔的直径之比为0.6～0.8。
在一些实施例中，多个齿部与所述本体的周面相连。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的磁性液体阻尼减振器的示意图。
图2是图1中的永磁体的A-A剖面图。
图3是根据本发明另一个实施例的永磁体的俯视图。
图4是图3永磁体的C-C剖面图。
图5是图3的永磁体的三维示意图。
附图标记：
磁性液体阻尼减振器100；
外壳1；壳体11；端盖12；密封圈13；永磁体2；永磁单元21；本体211；齿部212；外侧面22；第一通孔23；第二通孔24；磁性液体3；连接部4；弹性垫5；第一弹性垫51；第二弹性垫52；第三弹性垫53。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考图1至图5来描述根据本发明实施例的基于二阶浮力原理的磁性液体阻尼减振器。
如图1至图5所示，本发明实施例的基于二阶浮力原理的磁性液体阻尼减振器100包括外壳1、永磁体2和磁性液体3。
外壳1限定出密封空腔。永磁体2位于该密封空腔中。永磁体2包括至少一个永磁单元，该永磁单元包括本体211和多个齿部212。多个齿部212沿本体211的周向间隔开地设在本体211上。永磁体2与外壳1之间限定出磁性液体腔。磁性液体3填充于磁性液体腔中。
根据磁性液体的二阶浮力原理，当磁性液体阻尼减振器100处于太空工况中，且不受外界扰动的情况下，永磁体2在磁性液体3的作用下悬浮于外壳1的密封空腔内(例如密封空腔的中部)。此时由于没有受到振动机械能的影响，永磁体2与外壳1处于相对静止的状态，永磁体2周围的磁场对称分布，此时永磁体2所处的位置可称为其平衡位置。
磁性液体阻尼减振器100在减振过程中，永磁体2作为减振质量块参与减振。当本发明实施例提供的磁性液体阻尼减振器100在被减振物体发生机械振动时，永磁体2在惯性的作用下与外壳1发生相对位移。即永磁体2会相对外壳1运动。永磁体2与磁性液体3之间以及外壳1与磁性液体3之间会产生摩擦以消耗振动的能量，同时磁性液体3内部因挤压产生摩擦和粘性剪切以消耗能量，从而起到减振的效果。永磁体2偏离其平衡位置后，由于永磁体2产生的磁场对称性被打破，磁性液体3对永磁体2产生回复力，该回复力能够使永磁体2回到其平衡位置。因此，永磁体2在发生多次相对运动后，永磁体2与外壳1回到相对静止的状态，振动机械能被转化为热量等，即完成减振。
本体211和多个齿部212的结构设置使得永磁体2与磁性液体3的接触面积增大，接触面积的增加能够增大摩擦耗能，使得磁性液体阻尼减振器100得以更快地将振动的机械能转化为热能等，进而更快地将永磁体2的振动幅度降低并使其回到平衡位置，即提高了磁性液体阻尼减振器100的减振效果和减振效率。
根据本发明实施例提供的基于二阶浮力原理的磁性液体阻尼减振器通过设置包括至少一个具有本体和多个齿部的永磁单元的永磁体，增大了磁性液体与永磁体的接触面积，从而提高了磁性液体阻尼减振器的减振效果和减振效率。
由此，本发明实施例提供的基于二阶浮力原理的磁性液体阻尼减振器具有减振效果优异、减振效率高的优点。
在一些实施例中，磁性液体3可以选用酯基或机油基磁性液体。磁性液体阻尼减振器100在太空工况下使用时，磁性液体3可以选用硅油基磁性液体。
在一些实施例中，多个齿部212绕本体211的周面间隔设置并与本体211的周面相连。
在一些实施例中，如图1所示，本体211为柱状。可以理解的是，柱状的本体211的横截面可以为圆，也可以为多边形。优选地，本体211的横截面为旋转对称图形，由此使得永磁体2的结构更加合理。例如，本体211的横截面为正多边形或圆。
可选地，本体211为圆柱状，即本体211的横截面为圆。
优选地，多个齿部212沿本体211的周向等间隔地设在本体211的周面上。换言之，多个齿部212绕本体211的周面均匀设置，由此使得永磁单元的横截面为旋转对称图形，从而使得永磁体2的结构更加合理，还可以使永磁单元为对称结构以便永磁体2受力均匀，使其在运动时不容易因发生偏转碰壁而造成破裂和减振失效。
在一些实施例中，永磁体2包括一个永磁单元21，本体211设有沿其轴向延伸的一个第一通孔23。第一通孔23的中心轴线与本体211的中心轴线重合。本体211的轴向即为永磁体2的轴向。第一通孔23位于本体211的中部并沿本体211的轴向贯穿本体211。第一通孔23的设置能够进一步增加磁性液体3与永磁体2的接触面积，增大摩擦耗能，从而提高磁性液体阻尼减振器的减振效率。此外，第一通孔23的设置还能降低永磁体2减振运动时所受的阻力，使永磁体2更容易运动以便与磁性液体3之间产生摩擦。还能尽可能减小永磁体2的质量，使其在密封空腔中的运动更加灵活，摩擦耗能效果更好。使第一通孔23的中心轴线与本体211的中心轴线重合的目的是为了使得永磁体2的结构对称，以便使永磁体2受力均匀，避免了永磁体2在减振时发生偏转与外壳碰撞导致减振失效，甚至导致永磁体2破裂，影响磁性液体阻尼减振器100的使用寿命。
在另一些实施例中，如图1和图2所示，永磁体2包括一个永磁单元21，本体211设有沿其轴向延伸的多个第一通孔23，多个第一通孔23沿本体211的周向绕本体211的中心轴线均匀设置。换言之，多个第一通孔23均沿本体211的轴向贯穿本体211。多个第一通孔23沿本体211的周向绕本体211的中心轴线均匀设置是指多个第一通孔23的对称中心线与本体211的中心轴线重合。设置多个第一通孔23的目的是为了进一步增大磁性液体3与永磁体2的接触面积，从而进一步提高提高磁性液体阻尼减振器的减振效率。多个第一通孔23沿本体211的周向绕本体211的中心轴线均匀设置的目的是为了使得永磁体2的结构对称以便使永磁体2受力均匀。
通过在永磁体2上设置有第一通孔23可以减轻永磁体2的重量，永磁体2重量的减轻有利于永磁体2的悬浮，可以使其更好地悬浮于密封空腔中，进而有利于磁性液体阻尼减振器100的减振，此外，由于永磁体2重量的减轻，当受到外界振动时，永磁体2更容易发生位移运动，与磁性液体3产生摩擦，因此磁性液体阻尼减振器100的减振效果得以进一步提升。
在一些实施例中，如图3-图5所示，永磁体2包括连接部4和多个永磁单元21，多个永磁单元21同轴，相邻两个永磁单元21通过连接部4相连。多个永磁单元21同轴是指多个永磁单元21的中心轴线相互重合。对单个永磁单元21而言，永磁单元21的中心轴线即其本体211的中心轴线。因此，多个永磁单元21的多个本体211的中心轴线重合。使多个永磁单元21的中心轴线相互重合以便使得永磁体2的结构更加合理。
在一些实施例中，连接部4为圆柱状。连接部4具有沿其轴向相对的第一端和第二端。对于相邻的两个永磁单元21而言，连接部4的第一端与该两个永磁单元21的一者相连，连接部4的第二端与该两个永磁单元21的另一者相连。例如，连接部4的第一端与该两个永磁单元21的一者的本体211相连，连接部4的第二端与该两个永磁单元21的另一者的本体211相连。由此，连接部4将多个永磁单元21在其轴向上串联起来。在一些实施例中，连接部4包括多个。
优选地，连接部4与多个永磁单元21同轴。换言之，连接部4的中心轴线、多个永磁单元21的中心轴线、多个永磁单元21的多个本体211的中心轴线重合。连接部4的中心轴线、多个永磁单元21的中心轴线、多个本体211的中心轴线即永磁体2的中心轴线。连接部4的轴向、多个永磁单元21的轴向、多个本体211的轴向与永磁体2的轴向相同。使连接部4与多个永磁单元21同轴以便使得永磁体2的结构更加合理。
在一些实施例中，如图3-图5所示，永磁体2设有第二通孔24，第二通孔24沿永磁体2的轴向贯通连接部4和多个本体211。第二通孔24的中心轴线、连接部4的中心轴线和多个本体211的中心轴线重合。即第二通孔24位于永磁体2的中部并沿永磁体2的轴向贯通永磁体2。第二通孔24的设置能够进一步增加磁性液体3与永磁体2的接触面积，增大摩擦耗能，从而提高磁性液体阻尼减振器100的减振效率。此外，第二通孔24的设置还能降低永磁体2减振运动时所受的阻力，使永磁体2更容易运动以便与磁性液体3之间产生摩擦。还能尽可能减小永磁体2的质量，使其在密封空腔中的运动更加灵活，摩擦耗能效果更好。使第二通孔24的中心轴线、连接部4的中心轴线和本体211的中心轴线重合的目的是为了使得永磁体2的结构对称。
在另一些实施例中，永磁体2设有多个第二通孔24，多个第二通孔24沿永磁体2的轴向贯通连接部4和多个本体211。即多个第二通孔24均沿永磁体2的轴向贯穿永磁体2。多个第二通孔24沿本体211的周向绕本体211的中心轴线均匀设置。即多个第二通孔24的对称中心线与永磁体2的中心轴线重合。设置多个第二通孔24的目的是为了进一步增大磁性液体3与永磁体2的接触面积，并且进一步提高磁性液体阻尼减振器100的减振效率。
第二通孔24与第一通孔23类似，也可以起到减轻永磁体2的重量的效果，进而有利于永磁体2的悬浮，以及磁性液体阻尼减振器100的减振效果的进一步提升。
在一些实施例中，如图5所示，本体211为圆柱状，连接部4的外径小于等于本体211的外径，以使得永磁体2与磁性液体3的接触面积的最大化，进而使得磁性液体阻尼减振器100的减震效果最优。
在一些实施例中，如图5所示，多个永磁单元21的齿部212的数量彼此相等。多个永磁单元21的多个齿部212在永磁体2的轴向上一一相对。换言之，任意两个永磁单元21的多个齿部212在永磁体2的轴向上一一相对。如此设置的目的是为了在增大永磁体2与磁性体3的接触面积的同时，尽量减小永磁体2在减振时的位移阻力，从而使得磁性液体阻尼减振器100的减震效果和减振效率最大化。此外，如此设置还能最大程度保持永磁体2的悬浮稳定性，避免其在减振运动过程中发生偏转碰壁的现象。
优选地，永磁体2为轴向充磁。可选地，永磁体2选用钕铁硼材料。
在一些实施例中，密封空腔为圆柱状，当永磁体2位于平衡位置时，永磁体2和密封空腔同轴。可选地，永磁体2在其轴向上的长度与密封空腔在其轴向上的长度之比为0.5-0.7，使得永磁体2在密封空腔内具有足够的运动空间，以及永磁体2在密封腔内的可运动幅度足够大，从而有利于摩擦耗能，进而有利于提高减振器的减振效果和减振效率，此外还能避免永磁体2发生径向偏转与外壳1发生碰撞。
可选地，如图2和3所示，多个齿部212的外侧面22位于第一圆周上，该第一圆周的直径与密封空腔的直径之比为0.6～0.8，在保证永磁体2的运动空间的同时，可以进一步避免永磁体2发生径向偏转与外壳1发生碰撞。也就是说，每个齿部212的外侧面22为圆弧面，多个齿部212的外侧面22位于同一圆柱面上。换言之，多个齿部212可以看做是：圆柱状的永磁体块的外周面围绕其周向设置有多个沿其轴向延伸的齿槽，相邻两个齿槽之间形成齿部212。
在一些实施例中，如图1所示，密封空腔的壁面上设置有弹性垫5。弹性垫5的设置用于保护永磁体2，防止永磁体2在减振过程中与密封空腔的壁面发生刚性碰撞，破坏永磁体2，甚至影响减振效果，缩短减振器的使用寿命。此外，弹性垫5还能起到一定的缓冲吸振作用,使磁性液体阻尼减振器100达到快速减振的目的。
作为示例，如图1所述，外壳1包括壳体11和端盖12。外壳1限定出圆柱状的密封空腔。密封空腔的壁面包括周壁面和在密封空腔的轴向上相对的第一壁面和第二壁面。壳体11具有顶部开口。端盖12覆盖于该顶部开口处并与壳体11相连。可选地，端盖12与壳体11通过固定螺栓相连接。壳体11的内壁面包括周壁面和底壁面。密封空腔的周壁面即壳体11的周壁面，密封空腔的第一壁面即壳体11的底壁面，密封空腔的第二壁面即端盖12的朝向密封空腔一侧的壁面。可选地，外壳1为非导磁材料。
作为示例，弹性垫5包括第一弹性垫51、第二弹性垫52和第三弹性垫53。第一弹性垫51设于密封空腔的第一壁面(壳体11的底壁面)上。第二弹性垫52设于密封空腔的周壁面(壳体11的周壁面)上。第三弹性垫53密封空腔的第二壁面(端盖12的朝向密封空腔一侧的壁面)上。
可选地，如图1所示，第一弹性垫51的横截面为梯形，即第一弹性垫51为圆台状，第一弹性垫51的母线与密封空腔的第一壁面的夹角为θ。可选地，夹角θ的范围为10°～30°。进一步可选地，第三弹性垫53为与第一弹性垫51结构类似的圆台状。
可选地，如图1所示，第二弹性垫52的截面为梯形，该梯形斜边与密封空腔的周壁面的夹角为α，可选地，夹角α的范围为5°～25°。
可选地，第一弹性垫51、第二弹性垫52和第三弹性垫53均为非导磁性橡胶材料。
在一些实施例中，外壳1还包括密封圈13，密封圈13位于端盖12与壳体11的连接处，用于提高外壳1的密封性能。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (11)

1.一种基于二阶浮力原理的磁性液体阻尼减振器，其特征在于，包括：
外壳，所述外壳限定出密封空腔；
永磁体，所述永磁体位于所述密封空腔中，所述永磁体包括至少一个永磁单元，所述永磁单元包括本体和多个齿部，多个所述齿部沿所述本体的周向间隔开地设在所述本体上，所述永磁体与所述外壳之间限定出磁性液体腔；和
磁性液体，所述磁性液体填充于所述磁性液体腔中。
2.根据权利要求1所述的磁性液体阻尼减振器，其特征在于，所述本体为柱状，所述本体的横截面为旋转对称图形。
3.根据权利要求2所述的磁性液体阻尼减振器，其特征在于，
所述永磁体包括一个所述永磁单元，所述本体设有沿其轴向延伸的一个第一通孔，所述第一通孔的中心轴线与所述本体的中心轴线重合；或者
所述永磁体包括一个所述永磁单元，所述本体设有沿其轴向延伸的多个第一通孔，多个所述第一通孔沿所述本体的周向绕所述本体的中心轴线均匀设置。
4.根据权利要求2所述的磁性液体阻尼减振器，其特征在于，所述永磁体包括连接部和多个所述永磁单元，多个所述永磁单元同轴，相邻两个所述永磁单元通过连接部相连。
5.根据权利要求4所述的磁性液体阻尼减振器，其特征在于，
所述连接部为圆柱状，所述连接部与多个所述永磁单元同轴，所述永磁体设有第二通孔，所述第二通孔沿所述永磁体的轴向贯通所述连接部和多个所述本体，所述第二通孔的中心轴线、所述连接部的中心轴线和所述本体的中心轴线重合；或者
所述连接部为圆柱状，所述连接部与多个所述永磁单元同轴，所述永磁体设有多个第二通孔，多个所述第二通孔沿所述永磁体的轴向贯通所述连接部和多个所述本体，多个所述第二通孔沿所述本体的周向绕所述本体的中心轴线均匀设置。
6.根据权利要求5所述的磁性液体阻尼减振器，其特征在于，所述本体为圆柱状，所述连接部的外径小于等于所述本体的外径。
7.根据权利要求4所述的磁性液体阻尼减振器，其特征在于，多个所述永磁单元的所述齿部的数量彼此相等，多个所述永磁单元的多个所述齿部在所述永磁体的轴向上一一相对。
8.根据权利要求1所述的磁性液体阻尼减振器，其特征在于，所述密封空腔的壁面上设置有弹性垫。
9.根据权利要求2所述的磁性液体阻尼减振器，其特征在于，所述密封空腔为圆柱状，所述永磁体和所述密封空腔同轴，所述永磁体在其轴向上的长度与所述密封空腔在其轴向上的长度之比为0.5～0.7，多个所述齿部的外侧面位于第一圆周上，所述第一圆周的直径与所述密封空腔的直径之比为0.6～0.8。
10.根据权利要求1所述的磁性液体阻尼减振器，其特征在于，多个齿部与所述本体的周面相连。
11.根据权利要求2所述的磁性液体阻尼减振器，其特征在于，多个所述齿部沿所述本体的周向等间隔地设在所述本体上。
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