CN113417897B - 变排量串联泵控电动静液执行器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变排量串联泵控电动静液执行器，其包括动力模块、串联泵切换模块、补油模块、安全溢流模块、压力温度检测模块、执行机构模块和位置检测模块和用于各个元件之间连接的液压阀块，串联泵切换模块、压力温度检测模块和补油模块的一部分连接于液压阀块的上表面，安全溢流模块和补油模块的另一部分连接于液压阀块的右侧表面，执行机构模块连接于液压阀块的前表面，并基于此提出一种控制方法。本发明采用一体化的连接方式提高了系统的集成度，采用串联泵控系统解决方案提高了系统可靠性，有效避免了位置控制过程出现系统低速压力流量脉动现象，采用逻辑控制、位置闭环控制和系统报警控制三个部分组成的控制方法保证了系统高可靠性。

Description

变排量串联泵控电动静液执行器

技术领域

本发明属于电液伺服控制技术，具体涉及一种变排量串联泵控电动静液执行器。

背景技术

电液伺服控制系统目前典型的控制系统有两种，一种是电液伺服阀控液压系统，另一种是电液伺服泵控液压系统(以下称电动静液执行器)。

其中，电液伺服阀控液压系统中需要精密的液压伺服阀，对工作介质品质要求高，所以系统本身的抗污染能力差，造成后期维护不便；液压动力元件、执行元件、控制元件、液压辅件之间依靠管路连接，所以集成度低，装机占地面积大；阀控液压系统本身大量的溢流损失导致能源浪费严重，系统发热严重；电动静液执行器相较于阀控液压系统，具有设备体积小，管路布置简单，无溢流损失，高可靠、高安全、高精度等特点，能有效解决阀控液压系统存在的固有缺陷，如抗污染能力差、集成度低、能源浪费严重、设备装机成本高以及维护不便等问题。此外，电动静液执行器相较于阀控液压系统成本降低50％，占用空间减小80％，能耗比降低80％，功重比提高60％，设备节能、降噪，安装方便，维护简单。

电动静液执行器控制非对称缸，目前一般是采用伺服电机驱动单个双向泵对缸的两腔进行供油，如果非对称缸两腔活塞的有效作用面积相差较大，在双向泵进行伺服油缸两腔间的供油切换时，因两腔流量相差较大，系统中容易产生低速压力流量脉动，从而影响系统的稳定性和控制性能。因此，设计一种变排量串联泵控电动静液执行器以实现油缸的精确位置控制是十分必要且又相当迫切的。

发明内容

针对以上情况，本发明提供一种变排量串联泵控电动静液执行器，其包括动力模块、串联泵切换模块、补油模块、安全溢流模块、压力温度检测模块、执行机构模块和位置检测模块和用于各个元件之间连接的液压阀块，串联泵切换模块、压力温度检测模块和补油模块的一部分连接于液压阀块的上表面，安全溢流模块和补油模块的另一部分连接于液压阀块的右侧表面，执行机构模块连接于液压阀块的前表面，并基于此提出一种控制方法。本发明采用一体化的连接方式提高了系统的集成度，采用串联泵控系统解决方案提高了系统可靠性，有效避免了位置控制过程出现系统低速压力流量脉动现象，采用逻辑控制、位置闭环控制和系统报警控制三个部分组成的控制方法保证了系统高可靠性。

本发明提供一种变排量串联泵控电动静液执行器，其包括动力模块、串联泵切换模块、补油模块、安全溢流模块、压力温度检测模块、执行机构模块和位置检测模块和用于各个元件之间连接的液压阀块，串联泵切换模块、压力温度检测模块和补油模块的一部分连接于液压阀块的上表面，安全溢流模块和补油模块的另一部分连接于液压阀块的右侧表面，执行机构模块连接于液压阀块的前表面，所述动力模块包括伺服电机、大排量液压泵和小排量液压泵，所述大排量液压泵和小排量液压泵串联布置，所述伺服电机通过联轴器与所述大排量液压泵和小排量液压泵连接；

所述串联泵切换模块包括第一二位三通电磁换向阀、第二二位三通电磁换向阀和三位四通电磁换向阀，所述执行机构模块包括非对称油缸，所述第一二位三通电磁换向阀将所述大排量液压泵的出油口、所述小排量液压泵的进油口与所述非对称油缸的无杆腔连接，所述第二二位三通电磁换向阀将所述大排量液压泵的进油口、所述小排量液压泵的出油口与所述非对称油缸的有杆腔连接，所述三位四通电磁换向阀将所述大排量液压泵和小排量液压泵的进、出油口连接，所述第一二位三通电磁换向阀、第二二位三通电磁换向阀和三位四通电磁换向阀相互配合，能实现所述大排量液压泵向所述非对称油缸无杆腔供油和所述小排量液压泵向所述非对称油缸有杆腔供油的切换，驱动所述非对称油缸缸杆伸出或缩回，控制油缸缸杆位置；所述第一二位三通电磁换向阀、第二二位三通电磁换向阀和三位四通电磁换向阀连接于所述液压阀块的上表面，非对称油缸连接于液压阀块的前表面；

所述补油模块包括补油蓄能器、二位二通电磁换向阀、第一单向阀和第二单向阀，所述补油蓄能器不仅通过所述二位二通电磁换向阀与所述非对称油缸无杆腔相连接，还通过所述第一单向阀和第二单向阀与所述非对称油缸的有杆腔、无杆腔相连，所述补油蓄能器、二位二通电磁换向阀连接于所述液压阀块的上表面，所述第一单向阀和第二单向阀连接于所述液压阀块的右侧表面。

进一步，所述安全溢流模块包括第一安全溢流阀和第二安全溢流阀，所述第一安全溢流阀和第二安全溢流阀的进油口分别与所述非对称油缸的有杆腔、无杆腔相连，其出油口分别通过所述第一单向阀和第二单向阀与主油路相连，第一安全溢流阀和第二安全溢流阀连接于液压阀块的右侧表面。

可优选的，所述压力温度检测模块包括温度传感器、第一压力传感器和第二压力传感器，所述温度传感器与所述非对称油缸的有杆腔相连，所述第一压力传感器与所述非对称油缸的无杆腔相连，所述第二压力传感器与所述非对称油缸的有杆腔相连；所述温度传感器、第一压力传感器和第二压力传感器连接于液压阀块的上表面。

可优选的，所述位置检测模块包括位移传感器，所述位移传感器连接于所述非对称油缸缸杆末端，用于实时监测缸杆的位置并反馈给控制器。

本发明的另一方面，提供一种利用前述的变排量串联泵控电动静液执行器的控制方法，采用逻辑控制、位置闭环控制和系统报警控制三个部分，通过总线或硬件线缆信号，实现上位机与控制器的位置指令给定与位置信号反馈，并实时监测系统的报警等故障信息，确保系统稳定运行与信号传输的稳定可靠；同时，控制器能实现系统的逻辑控制和高性能的位置闭环控制，并通过总线或模拟量将控制信号给伺服驱动器，实现伺服电机的快速、稳定运行。

可优选的，所述逻辑控制具体包括以下步骤：

S11、当系统开机之后，首先通过压力温度检测模块监测系统的压力与系统的温度是否正常，如果出现低压腔压力过低时，或者出现当高压腔压力过高时，或者温度过低或者温度过高时，系统调用电机开环控制子程序，电机处于待机状态；

S12、当压力温度检测模块反馈系统压力温度正常时，如果系统出现报警，系统调用串联泵切换子程序紧急卸荷；

S13、如果以上全部正常，系统开始正常工作，给定控制指令，调用电机闭环控制子程序和串联泵切换子程序，油缸缸杆未处于控制指令位置，伺服油缸按照规划曲线，快速到达指定位置，油缸缸杆的位置保持。

可优选的，所述位置闭环控制具体包括以下步骤：

S21、给定指定的位置指令，油缸缸杆的位置通过位移传感器实时反馈给控制器，通过电机闭环控制子程序，控制器将反馈的位置信号与给定的位置指令进行对比，通过系统程序进行处理后，输出转速控制信号，控制伺服电机的转动；

S22、伺服电机的实际转速信号实时反馈到控制器，通过串联泵切换子程序，控制电磁换向阀的通断，最终控制缸杆运动到指定位置，实现精确的位置控制；

S23、当系统出现异常时，上位机给控制器发送信号，串联泵切换单元发挥作用，在短时间内完成系统的卸荷，起到保护系统作用。

本发明的特点和有益效果是：

1、本发明提供的变排量串联泵控电动静液执行器，由伺服电机同轴驱动两个串联的大、小排量液压泵，串联液压泵高低压油口通过电磁换向阀连接伺服油缸两负载油口；大排量泵负责向无杆腔供油，小排量泵负责向有杆腔供油，通过控制器输出控制信号给伺服驱动器，伺服驱动器控制伺服电机，改变串联液压泵的转速，从而实现油缸的精确位置控制。

2、本发明提供的变排量串联泵控电动静液执行器，具备传统阀控设备控制精度高等优点，同时避免了抗污染能力差、集成度低、能源浪费严重、设备装机成本高以及维护不便等缺点，在非对称缸液压系统中，可以有效避免位置控制过程中出现的系统低速压力流量脉动现象，提高了系统的稳定性。

3、本发明提供的变排量串联泵控电动静液执行器，采用一体化的连接方式，极大提高了系统的集成度；采用串联泵控系统解决方案，解决了系统对工作介质油品清洁度要求高的问题，提高了系统的可靠性；采用逻辑控制、位置闭环控制和系统报警控制三个部分组成的控制系统保证了系统的高可靠性。

附图说明

图1为本发明变排量串联泵控电动静液执行器液压控制原理图；

图2是本发明变排量串联泵控电动静液执行器位置控制框图；

图3是本发明变排量串联泵控电动静液执行器逻辑控制流程图；

图4是本发明变排量串联泵控电动静液执行器实物设备示意图。

图中：

1-伺服电机；21-大排量液压泵；22-小排量液压泵；3-三位四通电磁换向阀；41-二位三通电磁换向阀一；42-二位三通电磁换向阀二；5-补油蓄能器；6-二位二通电磁换向阀；71-单向阀一；72-单向阀二；81-安全溢流阀一；82-安全溢流阀二；9-温度传感器；101-压力传感器一；102-压力传感器二；11-非对称油缸；12-位移传感器；13-阀块；10-动力模块；20-串联泵切换模块；30-补油模块；40-安全溢流模块；50-压力温度检测模块；60-执行机构模块；70-位置检测模块。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。

本发明提供的变排量串联泵控电动静液执行器，如图1所示，其包括动力模块10、串联泵切换模块20、补油模块30、安全溢流模块40、压力温度检测模块50、执行机构模块60和位置检测模块70和用于各个元件之间连接的液压阀块13，动力模块10包括伺服电机1、大排量液压泵21和小排量液压泵22，大排量液压泵21和小排量液压泵22串联布置，伺服电机1通过联轴器与大排量液压泵21和小排量液压泵22连接，作为系统的动力源，为系统提供所需要的压力与流量。

串联泵切换模块20包括第一二位三通电磁换向阀41、第二二位三通电磁换向阀42和三位四通电磁换向阀3，执行机构模块60包括非对称油缸11，第一二位三通电磁换向阀41将大排量液压泵21的出油口、小排量液压泵22的进油口与非对称油缸11的无杆腔连接，第二二位三通电磁换向阀42将大排量液压泵41的进油口、小排量液压泵42的出油口与非对称油缸11的有杆腔连接，三位四通电磁换向阀3将大排量液压泵21和小排量液压泵22的进、出油口连接，第一二位三通电磁换向阀41、第二二位三通电磁换向阀42和三位四通电磁换向阀3相互配合，能实现大排量液压泵21向非对称油缸11无杆腔供油和小排量液压泵22向非对称油缸11有杆腔供油的切换，驱动非对称油缸缸杆11伸出或缩回，控制油缸缸杆位置。

补油模块30包括补油蓄能器5、二位二通电磁换向阀6、第一单向阀71和第二单向阀72，补油蓄能器5不仅通过二位二通电磁换向阀6与非对称油缸11无杆腔相连接，还通过第一单向阀71和第二单向阀72与非对称油缸11的有杆腔、无杆腔相连，从而保证补油蓄能器5能够实现在系统需要时进行补油或储油，补油模块30起到两方面作用，一是补偿系统的外泄漏，二是解决泵控非对称油缸11流量非对称问题。

安全溢流模块40包括第一安全溢流阀81和第二安全溢流阀82，第一安全溢流阀81和第二安全溢流阀82的进油口分别与非对称油缸11的有杆腔、无杆腔相连，其出油口分别通过第一单向阀71和第二单向阀72与主油路相连，可在系统运行出现压力过载时，将系统压力稳定在安全范围内。

压力温度检测50模块包括温度传感器9、第一压力传感器101和第二压力传感器102，温度传感器9与非对称油缸11的有杆腔相连，第一压力传感器101与非对称油缸11的无杆腔相连，第二压力传感器102与非对称油缸11的有杆腔相连；通过实时检测系统的系统压力与系统的温度，保证系统安全运行。

位置检测模块60包括位移传感器12，位移传感器12连接于非对称油缸11缸杆末端，用于实时监测缸杆的位置并反馈给控制器。

具体实现流程如下：

大排量液压泵21在伺服电机1的驱动下开始向非对称油缸11供油时，小排量液压泵22通过三位四通电磁换向阀3卸荷，高压液压油通过液压阀块中的孔道和第一二位三通电磁换向阀41进入非对称油缸11的无杆腔，驱动非对称油缸11缸杆伸出或缩回，控制油缸缸杆位置。非对称油缸11有杆腔内的低压油以及蓄能器内的部分液压油通过第二二位三通电磁换向阀42进入大排量液压泵21的吸油口。

小排量液压泵22在伺服电机1的驱动下开始工作时，大排量液压泵21通过三位四通电磁换向阀3卸荷，高压液压油通过液压阀块中的孔道和第二二位三通电磁换向阀42进入非对称油缸11的有杆腔，驱动非对称油缸11缸杆伸出或缩回，控制油缸缸杆位置。非对称油缸11无杆腔内的低压油一部分通过第一二位三通电磁换向阀41进入小排量液压泵22的吸油口，一部分通过电磁换向阀6进入补油蓄能器5。

第一压力传感器101和第二压力传感器102与温度传感器9检测系统的压力与温度。当系统遇到紧急情况需要卸荷时，电磁换向阀3得电，使大排量液压泵21和小排量液压泵22的进出油口接通，实现卸荷。

本发明变排量串联泵控电动静液执行器的实施例结构示意图，如图4所示，液压阀块13将液压系统中的各个部件连接在一起，第一二位三通电磁换向阀41、第二二位三通电磁换向阀42、三位四通电磁换向阀3、补油蓄能器5、二位二通电磁换向阀6、温度传感器9，第一压力传感器101和第二压力传感器102连接于阀块13的上表面；第一单向阀71、第二单向阀72、第一安全溢流阀81和第二安全溢流阀82连接于阀块13的右侧表面；执行机构模块60连接于液压阀块13的前表面。三位四通电磁换向阀3负责串联泵进出油口之间的通断，必要时接通大排量液压泵21和小排量液压泵22的进出油口，使其卸荷；第一二位三通电磁换向阀41和第二二位三通电磁换向阀42连接大排量液压泵21和小排量液压泵22与非对称油缸11的工作腔，实现油路的通断；补油蓄能器5通过与第一单向阀71和第二单向阀72连接可以实现向非对称油缸11有杆低压腔一侧补油，同时与二位二通电磁换向阀6连接，可以对非对称油缸11无杆腔一侧的低压油进行部分储存。第一安全溢流阀81进油口连接于非对称油缸11无杆腔一侧，出油口通过第二单向阀72连接于有杆腔一侧，当无杆腔一侧高压油压力过大时，会产生溢流，从而保护系统的安全；第二安全溢流阀82进油口连接于非对称油缸11有杆腔一侧，出油口通过第一单向阀71连接于无杆腔一侧，当有杆腔一侧高压油压力过大时，会产生溢流，从而保护系统的安全。位移传感器12与非对称油缸11的末端连接。该发明中元件通过液压阀块13进行连接，提高了设备集成度，减少了系统设备泄漏，提高了设备抗污染能力。

本发明的另一方面，提供一种利用前述的变排量串联泵控电动静液执行器的控制方法，采用逻辑控制、位置闭环控制和系统报警控制三个部分，通过总线或硬件线缆信号，实现上位机与控制器的位置指令给定与位置信号反馈，并实时监测系统的报警等故障信息，确保系统稳定运行与信号传输的稳定可靠；同时，控制器能实现系统的逻辑控制和高性能的位置闭环控制，并通过总线或模拟量将控制信号给伺服驱动器，实现伺服电机的快速、稳定运行。

如图2所示，逻辑控制具体包括以下步骤：

S11、当系统开机之后，首先通过压力温度检测模块监测系统的压力与系统的温度是否正常，如果出现低压腔压力过低时，或者出现当高压腔压力过高时，或者温度过低或者温度过高时，系统调用电机开环控制子程序，电机处于待机状态。

S12、当压力温度检测模块反馈系统压力温度正常时，如果系统出现报警，系统调用串联泵切换子程序紧急卸荷。

S13、如果以上全部正常，系统开始正常工作，给定控制指令，调用电机闭环控制子程序和串联泵切换子程序，油缸缸杆未处于控制指令位置，伺服油缸按照规划曲线，快速到达指定位置，油缸缸杆的位置保持。

如图3所示，所述位置闭环控制具体包括以下步骤：

S21、给定指定的位置指令，油缸缸杆的位置通过位移传感器实时反馈给控制器，通过电机闭环控制子程序，控制器将反馈的位置信号与给定的位置指令进行对比，通过系统程序进行处理后，输出转速控制信号，控制伺服电机的转动。

S22、伺服电机的实际转速信号实时反馈到控制器，通过串联泵切换子程序，控制电磁换向阀的通断，最终控制缸杆运动到指定位置，实现精确的位置控制。

S23、当系统出现异常时，上位机给控制器发送信号，串联泵切换单元发挥作用，在短时间内完成系统的卸荷，起到保护系统作用。

本发明提供的变排量串联泵控电动静液执行器，由伺服电机同轴驱动两个串联的大、小排量液压泵，串联液压泵高低压油口通过电磁换向阀连接伺服油缸两负载油口；大排量泵负责向无杆腔供油，小排量泵负责向有杆腔供油，通过控制器输出控制信号给伺服驱动器，伺服驱动器控制伺服电机，改变串联液压泵的转速，从而实现油缸的精确位置控制；具备传统阀控设备控制精度高等优点，同时避免了抗污染能力差、集成度低、能源浪费严重、设备装机成本高以及维护不便等缺点，在非对称缸液压系统中，可以有效避免位置控制过程中出现的系统低速压力流量脉动现象，提高了系统的稳定性；采用一体化的连接方式，极大提高了系统的集成度；采用串联泵控系统解决方案，解决了系统对工作介质油品清洁度要求高的问题，提高了系统的可靠性；采用逻辑控制、位置闭环控制和系统报警控制三个部分组成的控制系统保证了系统的高可靠性。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种变排量串联泵控电动静液执行器，其特征在于，其包括动力模块、串联泵切换模块、补油模块、安全溢流模块、压力温度检测模块、执行机构模块和位置检测模块和用于各个元件之间连接的液压阀块，串联泵切换模块、压力温度检测模块和补油模块的一部分连接于液压阀块的上表面，安全溢流模块和补油模块的另一部分连接于液压阀块的右侧表面，执行机构模块连接于液压阀块的前表面，

所述动力模块包括伺服电机、大排量液压泵和小排量液压泵，所述大排量液压泵和小排量液压泵串联布置，所述伺服电机通过联轴器与所述大排量液压泵和小排量液压泵连接；

所述串联泵切换模块包括第一二位三通电磁换向阀、第二二位三通电磁换向阀和三位四通电磁换向阀，所述执行机构模块包括非对称油缸，所述第一二位三通电磁换向阀将所述大排量液压泵的出油口、所述小排量液压泵的进油口与所述非对称油缸的无杆腔连接，所述第二二位三通电磁换向阀将所述大排量液压泵的进油口、所述小排量液压泵的出油口与所述非对称油缸的有杆腔连接，所述三位四通电磁换向阀将所述大排量液压泵和小排量液压泵的进、出油口连接，所述第一二位三通电磁换向阀、第二二位三通电磁换向阀和三位四通电磁换向阀相互配合，能实现所述大排量液压泵向所述非对称油缸无杆腔供油和所述小排量液压泵向所述非对称油缸有杆腔供油的切换，驱动所述非对称油缸缸杆伸出或缩回，控制油缸缸杆位置；所述第一二位三通电磁换向阀、第二二位三通电磁换向阀和三位四通电磁换向阀连接于所述液压阀块的上表面，非对称油缸连接于液压阀块的前表面；

所述补油模块包括补油蓄能器、二位二通电磁换向阀、第一单向阀和第二单向阀，所述补油蓄能器不仅通过所述二位二通电磁换向阀与所述非对称油缸无杆腔相连接，还通过所述第一单向阀和第二单向阀与所述非对称油缸的有杆腔、无杆腔相连，所述补油蓄能器、二位二通电磁换向阀连接于所述液压阀块的上表面，所述第一单向阀和第二单向阀连接于所述液压阀块的右侧表面。

2.根据权利要求1所述的变排量串联泵控电动静液执行器，其特征在于，所述安全溢流模块包括第一安全溢流阀和第二安全溢流阀，所述第一安全溢流阀和第二安全溢流阀的进油口分别与所述非对称油缸的有杆腔、无杆腔相连，其出油口分别通过所述第一单向阀和第二单向阀与主油路相连，第一安全溢流阀和第二安全溢流阀连接于液压阀块的右侧表面。

3.根据权利要求1所述的变排量串联泵控电动静液执行器，其特征在于，所述压力温度检测模块包括温度传感器、第一压力传感器和第二压力传感器，所述温度传感器与所述非对称油缸的有杆腔相连，所述第一压力传感器与所述非对称油缸的无杆腔相连，所述第二压力传感器与所述非对称油缸的有杆腔相连；所述温度传感器、第一压力传感器和第二压力传感器连接于液压阀块的上表面。

4.根据权利要求1所述的变排量串联泵控电动静液执行器，其特征在于，所述位置检测模块包括位移传感器，所述位移传感器连接于所述非对称油缸缸杆末端。

5.一种利用权利要求1至4之一所述的变排量串联泵控电动静液执行器的控制方法，其特征在于，采用逻辑控制、位置闭环控制和系统报警控制三个部分，通过总线或硬件线缆信号，实现上位机与控制器的位置指令给定与位置信号反馈，并实时监测系统的报警故障信息，确保系统稳定运行与信号传输的稳定可靠；同时，控制器能实现系统的逻辑控制和高性能的位置闭环控制，并通过总线或模拟量将控制信号给伺服驱动器，实现伺服电机的快速、稳定运行。

6.根据权利要求5所述的变排量串联泵控电动静液执行器的控制方法，其特征在于，所述逻辑控制具体包括以下步骤：

S11、当系统开机之后，首先通过压力温度检测模块监测系统的压力与系统的温度是否正常，如果出现低压腔压力过低时，或者出现当高压腔压力过高时，或者温度过低或者温度过高时，系统调用电机开环控制子程序，电机处于待机状态；

S12、当压力温度检测模块反馈系统压力温度正常时，如果系统出现报警，系统调用串联泵切换子程序紧急卸荷；

S13、如果以上全部正常，系统开始正常工作，给定控制指令，调用电机闭环控制子程序和串联泵切换子程序，油缸缸杆未处于控制指令位置，伺服油缸按照规划曲线，快速到达指定位置，油缸缸杆的位置保持。

7.根据权利要求5所述的变排量串联泵控电动静液执行器的控制方法，其特征在于，所述位置闭环控制具体包括以下步骤：

S21、给定指定的位置指令，油缸缸杆的位置通过位移传感器实时反馈给控制器，通过电机闭环控制子程序，控制器将反馈的位置信号与给定的位置指令进行对比，通过系统程序进行处理后，输出转速控制信号，控制伺服电机的转动；

S22、伺服电机的实际转速信号实时反馈到控制器，通过串联泵切换子程序，控制电磁换向阀的通断，最终控制缸杆运动到指定位置，实现精确的位置控制；

S23、当系统出现异常时，上位机给控制器发送信号，串联泵切换单元发挥作用，在短时间内完成系统的卸荷，起到保护系统作用。

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