CN113669520B - 一种非对称环槽轴向合力诱导冷流的管接头与连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种非对称环槽轴向合力诱导冷流的管接头及方法，涉及管接头技术领域，包括管接头本体，管接头本体上设置有内孔，内孔能够使导管的端部进入，内孔内设置有若干个环形凹槽；环形凹槽包括非对称环槽，非对称环槽包括槽底，槽底的一侧通过第一槽壁连接有第一槽顶，另一侧通过第二槽壁连接有第二槽顶，第一槽壁和第二槽壁与内孔的轴向之间的夹角不同，形成非对称设置，对塑性变形冷流形成轴向推挤合力，诱导冷流产生定向流动从而降低径向挤压载荷峰值，还能充分提升冷流内部几何必需位错密度，形成梯度高强纳米微结构，可大幅提高连接可靠性。本发明能够使得管接头和金属导管的连接工艺性提高，并大幅提升管接头的连接强度和疲劳寿命。

Description

一种非对称环槽轴向合力诱导冷流的管接头与连接方法

技术领域

本发明涉及管接头技术领域，具体涉及一种非对称环槽轴向合力诱导冷流的管接头与连接方法。

背景技术

在飞机的液压系统、燃油系统、环控系统和航空发动机燃油、滑油管路系统中，金属导管是输送系统介质的重要载体。管接头通常在金属导管的末端与导管通过冷变形、焊接、螺接和记忆合金等方法进行连接，进而方便将导管各段互相连接并形成各类管路系统。一种基于金属冷变形机理的机械连接方法因其简便经济被广泛使用，其本质是通过冷流，即低温金属塑性流动变形，对接头环槽的填充实现连接，涉及径向内滚压式、径向外挤压式、轴向挤压式、梁式和记忆合金等连接方式。

为实现冷流连接，上述多种管路接头形式通常均包含2-5个凹槽的内孔，内孔尺寸可以使金属导管的端部自由进入其中。通过使用机械扩张或压缩装置，将导管逐步膨胀或压缩到与接头内孔紧密的密封接合，并使导管材料在常温下流动至至内孔的凹槽内，从而使导管有效地与各种管接头实现连接。

关于上述技术的专利有US3428338A(机械连接)、US3967840A、US4076287A(卡特彼勒)；上述专利关注于传统机械领域的应用，对基于冷流的机械连接方式进行了改进。但面临航空、航天、航海、核能、深海探测和深空探测等领域的导管应用存在振动、疲劳、极端环境和高可靠性应用等挑战，现有专利技术在连接可靠性方面存在不足。

在现有技术方案中，如图1所示，管接头一般设置2-5个对称环槽。图1中显示了常用的三道内槽的结构，图示为管接头和导管旋转体截面的局部，较厚的部分为管接头截面，处于旋转轴的外侧；较薄的部分为导管，处于旋转轴的内侧；

现有技术实施管接头和导管连接工艺时，导管材料在承受径向挤压作用下向环槽内流动。由于每个环槽的边缘都和导管紧密贴合，其间的摩擦力阻碍了导管材料的流动。未与环槽贴合的部位材料逐步向环槽内流动，其运动方向为径向向外。初始阶段流动阻力主要来自于环槽边缘的阻碍；随着导管材料的逐步深入，接触到环槽底部之后，冷流开始沿轴向左右两侧对称流动，此时变形阻力急剧增大，使得继续变形控制十分困难，变形工具的损耗提高了成本和风险。挤压变形的过程的挤压力的控制成为了连接工艺的难点问题。同时，导管内表面的变形损伤也增加了疲劳断裂的风险。

因此，为进一步提高导管和接头连接的服役可靠性，本发明提供一种新的非对称环槽轴向合力诱导冷流的管接头与连接方法，以解决上述现有技术存在的问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有专利技术存在的工艺和强度问题，通过改变流变金属受力方向，设计一种非对称环槽轴向合力诱导冷流的管接头与连接方法，有效提高制造的工艺性和产品的强度和寿命。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种非对称环槽轴向合力诱导冷流的管接头，包括管接头本体，所述管接头本体上设置有内孔，所述内孔能够使导管的端部进入，所述内孔内设置有若干个环形凹槽；所述环形凹槽包括非对称环槽，所述非对称环槽包括槽底，所述槽底的一侧通过第一槽壁连接有第一槽顶，所述槽底的另一侧通过第二槽壁连接有第二槽顶，所述第一槽壁和所述第二槽壁与所述内孔的轴向之间的夹角不同，从而形成非对称设置。

优选的，所述第一槽壁与所述内孔的轴向之间的夹角大于所述导管与所述管接头本体材料摩擦副的对应摩擦角，所述第一槽壁与所述内孔的轴向之间的夹角小于90°；

所述第二槽壁与所述管接头本体的轴向之间的夹角大于等于90°。

优选的，所述第一槽壁与所述内孔的轴向之间的夹角为

优选的，所述第一槽壁、所述第一槽顶、所述槽底、所述第二槽壁、所述第二槽顶之间的四个交界处的一处或多处存在曲面平滑过渡；

所述曲面平滑过渡的旋转剖面的形状为椭圆弧、抛物线、渐开线或贝塞尔曲线。

优选的，所述非对称环槽设置有1-5个，当所述非对称环槽设置有两个及以上时，部分所述非对称环槽诱导冷流的方向能够反向设置。

优选的，所述导管采用铝管、钛管或不锈钢管，所述管接头本体采用形状记忆合金材料制成。

本发明还公开一种基于上述非对称环槽轴向合力诱导冷流的管接头的连接方法，包括以下步骤：

步骤一、将所述管接头本体与所述导管安装在加工工装的工作位置；

步骤二、启动所述加工工装，使所述导管与所述管接头本体的内孔承载接合，所述导管的材料在常温下流动至所述内孔的非对称环槽内，并在所述非对称环槽的侧壁诱导下实现；

步骤三、所述加工工装停止工作。

优选的，所述步骤一中，在将所述导管安装在所述加工工装的工作位置之前，对所述导管进行裁切，并对所述导管的裁切边缘进行去毛刺和倒钝处理；所述加工工装采用内滚压工装、外挤压工装或形状记忆合金工装。

优选的，所述加工工装采用内滚压工装，所述内滚压工装为机械扩张装置，包括一根芯轴和围绕所述芯轴分布的若干滚针；

所述步骤一中，将所述导管安装至所述加工工装的工作位置之后，将所述机械扩张装置推入导管，使得所述滚针和所述导管的内壁接触；

所述步骤二中，启动电机，驱动所述芯轴旋转，所述芯轴带动所述滚针挤压所述导管，使所述导管与所述管接头本体的内孔密封接合；

所述步骤三中，随着转动的深入，所述导管变形的阻力从所述滚针传递至所述芯轴，所述芯轴转动阻力逐渐增大，当力矩传感器到达设定的力矩值时，所述电机停止转动，挤压停止。

优选的，启动所述加工工装时，改变所述管接头本体以及所述导管的环境条件；

所述步骤二中，所述导管的材料轴向冷流包括以下阶段：

阶段1、所述导管开始变形；

阶段2、所述导管的材料逐步向所述非对称环槽挤入；

阶段3、由于所述非对称环槽和所述导管的材料之间的导向结构的存在，所述非对称环槽的第一槽壁存在针对所述导管材料的反作用力与挤压力形成轴向合力，使得所述导管的材料沿轴向移动；

阶段4、所述导管的材料接触到所述非对称环槽的槽底后，所述导管的材料仍然向轴向流动；

阶段5、所述导管的材料冷流结束。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明的一种非对称环槽轴向合力诱导冷流的管接头与连接方法，对流动路径进行改进，通过环槽截面形状的优化，降低了流动阻力；另一方面通过环槽形状的改进，使得管接头和导管的截面得到了优化的附加效果；在承受轴向拉伸载荷的情况下，悬臂梁的根部更加厚实，应力分布更加合理，减少了悬臂梁根部的应力集中。

本发明减少机械扩张工具的安装力矩(扭转力矩)，从而降低了对导管的加工应力，降低了导管内壁损伤的几率；由于导管加工应力的减小，导管过渡段的损伤减少，提高导管连接部位的疲劳强度。

本发明在相同的安装力矩下，导管向管接头内槽的冷流更加充分，能充分提升冷流内部几何必需位错密度，形成梯度高强纳米微结构，可大幅提高连接可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术方案-组装状态示意图；

图2为实施例一中导管材料轴向冷流第一阶段示意图；

图3为实施例一中导管材料轴向冷流第二阶段示意图；

图4为实施例一中导管材料轴向冷流第三阶段示意图；

图5为实施例一中导管材料轴向冷流第四阶段示意图；

图6为实施例一中导管材料轴向冷流第五阶段示意图；

图7为实施例一中管接头的结构示意图；

其中，1为第一槽顶，2为第一槽壁，3为槽底，4为第二槽壁，5为第二槽顶；

图8为实施例一中导管材料受力分析示意图；

图9为实施例一中管接头内孔环槽的特征尺寸示意图；

图10为实施例二中管接头内孔环槽的特征尺寸示意图；

图11为扭矩-行程变化趋势图；

图12为实施例三中管接头与导管连接示意图；

图13为实施例四中管接头与导管连接示意图。

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。

本发明的目的是提供一种非对称环槽轴向合力诱导冷流的管接头与连接方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够使得管接头和金属导管的连接工艺性提高，并大幅提升连接强度和疲劳寿命。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图2至图9所示，本发明提供一种非对称环槽轴向合力诱导冷流的管接头，包括管接头本体，所述管接头本体上设置有内孔，所述内孔能够使导管的端部进入，所述导管内设置有若干个环形凹槽；所述环形凹槽包括非对称环槽，所述非对称环槽包括槽底3，所述槽底3的一侧通过第一槽壁2连接有第一槽顶1，所述槽底3的另一侧通过第二槽壁4连接有第二槽顶5，所述第一槽壁2和所述第二槽壁4与所述内孔的轴向之间的夹角不同，从而形成非对称设置。其中，所述第一槽壁2倾斜设置，倾斜是指槽壁与所述内孔的轴向之间的夹角不等于90°。

本实施例中，将传统的对称环形凹槽全部或部分改为非对称环槽，管接头本体的内孔通常具有1～5个非对称环槽。

在本实施例中，当冷流与不对称斜槽壁接触后，应实现径向应力与偏角反力形成轴向合力，引导冷流沿轴向非对称流动，诱导冷流轴向填充非对称环槽；为实现引导冷流的功能，第一槽壁2倾斜角度应大于导管与管接头本体材料摩擦副的对应摩擦角，并应该具有足够小的表面粗糙度，从而减小摩擦力而导致流动阻力；非对称环槽截面的基本形状为倾斜的不对称梯形，所述梯形倾斜方向指向冷流方向。

在本实施例中，不对称斜槽壁形成偏角反力，降低了冷流与非对称环槽径向阻力，便极大地提高了连接的工艺性；

通过冷流终止端(第二槽壁4)超直角结构设计，形成反向牙扣提高抗拉强度；

减少应力集中的内槽设计，包括但不限于槽边交界处优化为圆弧过渡。

如图2-6所示，本实施例中导管材料轴向冷流的5个阶段：

1：开始变形；

2：导管材料逐步向非对称环槽的挤入；

3：由于非对称环槽内槽和导管材料之间的导向结构的存在，非对称环槽斜面存在针对导管材料的反作用力，塑性变形冷流形成轴向推挤合力，所述轴向推挤合力能诱导冷流产生定向流动，流动方向如图4、图5、图6中箭头所示轴向；

4：导管材料接触到槽底3后，导管材料在推挤合力的作用下仍然可以向轴向流动；

5：导管材料冷流结束，非对称环槽内保持了较高的填充率。

为实施上述技术方案，本实施例中使用如下零件和设备：管接头本体、导管、滚压连接设备和滚压工装。

管接头本体：可用的管路接头通常包括一个含环形凹槽的内孔，所述内孔尺寸可以使金属导管的端部自由进入其中，环形凹槽用于容纳导管变形后的材料挤入。

导管：可实施的导管包括：铝管、钛管、不锈钢管；常见材料有：5A02铝合金、6061铝合金、TA18钛合金、0Cr18Ni9不锈钢、1Cr18Ni10Ti不锈钢、21-6-9不锈钢。

滚压连接设备：整体工作平台用于产生可控的滚动加载，使得滚压工装转动；由基座、控制和显示面板、控制电路、电机、减速机、扭矩传感器等构成。所述设备也被称为挤压成型机，滚压工装是滚压连接设备的核心工作部分。

滚压工装：本实施例中滚压工装优先采用内滚压工装，其中，内滚压工装为机械扩张装置，由一根芯轴和围绕其分布若干滚针等构成；芯轴具备一定锥度，使得在旋转过程中可以对滚针施加向外扩张的挤压动作。随着转动和挤压动作的进行，芯轴不断向深入方向运动，滚针呈螺旋形前进，并对导管内壁进行挤压，使得导管整体壁厚逐渐减薄，并且导管外表面的材料逐步被挤入管接头本体内孔的凹槽内。

本实施例中，以外径8mm奥氏体不锈钢管(材料0Cr18Ni9)和马氏体不锈钢管接头(材料1Cr17Ni2)的滚压连接过程为例，实施步骤如下：

1：对不锈钢导管进行裁切，并对导管裁切边缘进行去毛刺和倒钝处理。上述作业可在导管切割机、管端加工机设备上进行。

2：将导管安装至内滚压工装的工作位置，将机械扩张装置推入导管，使得滚针和导管内壁接触。

3：启动电机，驱动芯轴旋转，芯轴带动滚针，滚针进而挤压导管；导管受滚针挤压膨胀后与接头内孔紧密的密封接合，导管材料在常温下流动(冷流)至内孔的非对称环槽内，从而使导管正确地机械连接到各种管接头上。

4：随着转动的深入，导管变形的阻力从滚针传递至芯轴，芯轴转动阻力逐渐增大，当滚压连接设备的力矩传感器到达设定的力矩值5N·m，电机停止转动，挤压停止。

在上述过程中，由于管接头本体内孔的槽壁形状的改变，使得导管变形的阻力特性发生了根本变化。

如图11所示，现有技术采用槽壁与导管轴向垂直的设计，导管材料沿径向冷流，冷流过程中的一个主要阻碍在槽底3，当材料垂直接触槽底3时，材料在摩擦角内移动受困，进入了槽底3材料流动“死区”；这种现象导致了在冷流的最后阶段，安装力矩出现急剧上升。

本实施例中，随着槽壁形状的改变，导管材料的冷流转向了轴向，避免了材料与槽底3的垂直接触，规避了材料冷流的“死区”，使得材料流动更加合理。在相同条件下的扭矩对比试验结果表明：扭矩曲线更加平滑，如图11所示，减少连接过程的扭矩峰值载荷达60％，减少了滚压工具的磨损，减少了变形损伤，最终降低了导管疲劳断裂的风险。

由于材料流动更加合理，使得滚压过程能充分进行，从而能充分提升冷流内部几何必需位错密度，有利于形成梯度高强纳米微结构，可大幅提高连接可靠性。

本实施例中，管接头本体内孔的环形凹槽的特征尺寸A、B、H、a、b如图9所示，

其中A是槽底3宽度，B是槽顶宽度，H是槽深；a、b表示在槽壁与轴向夹角及其角度，上述夹角指的是第一槽壁2、第二槽壁4、槽底3所围成的梯形平行边的长边一侧的内角，图9中以对顶角形式标注该梯形长边内角；a＜90°＜b，所诱导的冷流的方向由角a指向角b。

将嵌入槽内的导管材料作为分析对象，将区域受力合理简化，如图8所示。分析可知其主要受到三个方向力的作用，挤压力F₁、支持力F_N、摩擦力f。

挤压力F₁来自工装的挤压作用，支持力F_N来自槽壁的挤压，摩擦力f与侧壁的支持力和摩擦系数有关。当讨论初始状态时，适用静摩擦系数μ；当讨论连续移动时，适用动摩擦系数μ′。

定义材料的变形驱动力F为上述三力在平行于侧壁方向投影分量求和。

定义变形驱动力F在轴向(x方向)的分量为F_X，该驱动力作为材料沿轴向流动的核心因素。

上述可表示为：

F_N＝F₁·cosa

f＝μ·F₁·cosa

F＝F₁·sin a-f

F_x＝F·cosa＝F₁·cosa(sina-u·cosa)

保证材料变形驱动的联系，应保证F>0，即a>tan^-1μ；

由上述受力分析可知，为实现材料冷流的优化，同时能比较显著的体现优化效果，上述尺寸的优选范围是：

arctanμ＜a＜90°≤b＜a+90°

为满足初始冷流条件

当静摩擦系数μ＝0.3时，应有a＞17.5°；

当静摩擦系数μ＝1时，应有a＞45°。

将冷流轴向驱动效率η定义为驱动力轴向分量F_X和挤压力F₁的比值，η可表示为：(μ′为动摩擦系数)

可知当

时，η存在极大值。

即满足

时，可获得冷流轴向驱动效率η的最大值。

在μ′＝0.3条件下，当a角度为53.5°时，η最大值为0.37；

在μ′＝0.15条件下，当a角度为49.3°时，η最大值为0.43；

在μ′＝0.01条件下，当a角度为45.3°时，η最大值为0.50。

实施例二

本实施例是在实施例一的基础上进行的改进，其改进之处在于：

第一槽壁2和第一槽顶1之间存在圆弧R的过渡，如图10所示,在槽壁曲面和槽顶曲面之间形成圆弧旋转过渡面；

同样圆弧R过渡可以存在于第一槽壁2、第一槽顶1、槽底3、第二槽壁4、第二槽顶5之间的四个交界处的任一处或几处。众所周知，圆弧的过渡可减少局部应力集中，并有利于加工。

为实现材料冷流的优化，非对称环槽的特征尺寸A、B、H、a、b、R，如图11所示。

实施例三

本实施例是在实施例一的基础上进行的改进，其改进之处在于：

如图12所示，对第二槽壁4、第二槽顶5改进为便于加工的直角边(b＝90°)，在管接头本体结构中设置了三道同方向非对称环槽。

实施例四

本实施例是在实施例三的基础上进行的改进，其改进之处在于：

如图13所示，将三道非对称环槽其中的一道进行了换向，使得连接具备双向防松的特性。

实施例五

本实施例是在实施例一的基础上进行的改进，其改进之处在于：将滚压工装的机械扩张装置更换为使用外部径向挤压工具；显而易见，从外部挤压管接头使得管接头径向收缩，同样可以产生与机械扩张装置类似的效果，使得导管材料向环槽冷流。

实施例六

本实施例是在实施例一的基础上进行的改进，其改进之处在于：

将内滚压工装的机械扩张装置的方法更换为使用记忆合金的方法。

本实施例中，使用形状记忆合金材料(如：TiNiFe、TiNiNb)作为管接头材料，独立存储在低温环境。当需要使用时，将管接头安装在导管所需位置，恢复常温。随着存储环境改变，材料由低温上升至常温，管接头所使用的记忆合金(如：TiNiFe、TiNiNb)发生相变，使得管接头产生径向收缩。同样可以产生与机械扩张装置类似的效果，使得导管材料向环槽冷流。

实施例七

本实施例是在实施例二的基础上进行的改进，其改进之处在于：

圆弧R可以替换为其他类型曲线，如：椭圆弧、抛物线、渐开线、贝塞尔曲线。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种非对称环槽轴向合力诱导冷流的管接头，包括管接头本体，所述管接头本体上设置有内孔，所述内孔能够使导管的端部进入，所述内孔内设置有若干个环形凹槽；其特征在于：所述环形凹槽包括非对称环槽，所述非对称环槽包括槽底，所述槽底的一侧通过第一槽壁连接有第一槽顶，所述槽底的另一侧通过第二槽壁连接有第二槽顶，所述第一槽壁和所述第二槽壁与所述内孔的轴向之间的夹角不同，从而形成非对称设置；

所述第一槽壁、所述第一槽顶、所述槽底、所述第二槽壁、所述第二槽顶之间的四个交界处的一处或多处存在曲面平滑过渡；当所述非对称环槽设置有两个及以上时，部分所述非对称环槽诱导冷流的方向能够反向设置；

所述第一槽壁与所述内孔的轴向之间的夹角为

，其中，

为动摩擦系数；所述第一槽壁与所述内孔的轴向之间的夹角大于所述导管与所述管接头本体材料摩擦副的对应摩擦角，所述第一槽壁与所述内孔的轴向之间的夹角大于45°、小于90°。

2.根据权利要求1所述的非对称环槽轴向合力诱导冷流的管接头，其特征在于：所述第二槽壁与所述内孔的轴向之间的夹角大于或等于90°。

3.根据权利要求1所述的非对称环槽轴向合力诱导冷流的管接头，其特征在于：所述曲面平滑过渡的旋转剖面的形状为椭圆弧、抛物线、渐开线或贝塞尔曲线。

4.根据权利要求1所述的非对称环槽轴向合力诱导冷流的管接头，其特征在于：所述非对称环槽设置有1-5个。

5.根据权利要求1所述的非对称环槽轴向合力诱导冷流的管接头，其特征在于：所述导管采用铝管、钛管或不锈钢管，所述管接头本体采用形状记忆合金材料制成。

6.一种基于如权利要求1-5任一项所述的非对称环槽轴向合力诱导冷流的管接头的连接方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将所述管接头本体与导管安装在加工工装的工作位置；

步骤二、启动所述加工工装，使所述导管与所述管接头本体的内孔承载接合，所述导管的金属材料通过塑性变形流动至所述内孔的非对称环槽内，并在所述非对称环槽的侧壁诱导下实现所述导管与所述管接头本体的连接；

步骤三、所述加工工装停止工作。

7.根据权利要求6所述的连接方法，其特征在于：所述步骤一中，在将所述导管安装在所述加工工装的工作位置之前，对所述导管进行裁切，并对所述导管的裁切边缘进行去毛刺和倒钝处理；所述加工工装采用内滚压工装、外挤压工装或形状记忆合金工装。

8.根据权利要求7所述的连接方法，其特征在于：所述加工工装采用内滚压工装，所述内滚压工装为机械扩张装置，包括一根芯轴和围绕所述芯轴分布的若干滚针；

所述步骤一中，将所述导管安装至所述加工工装的工作位置之后，将所述机械扩张装置推入导管，使得所述滚针和所述导管的内壁接触；

所述步骤二中，启动电机，驱动所述芯轴旋转，所述芯轴带动所述滚针挤压所述导管，使所述导管与所述管接头本体的内孔密封接合；

所述步骤三中，随着转动的深入，所述导管变形的阻力从所述滚针传递至所述芯轴，所述芯轴转动阻力逐渐增大，当力矩传感器到达设定的力矩值时，所述电机停止转动，挤压停止。

9.根据权利要求6所述的连接方法，其特征在于：启动所述加工工装时，改变所述管接头本体以及所述导管的环境条件；

所述步骤二中，所述导管的材料轴向冷流包括以下阶段：

阶段1、所述导管开始变形；

阶段2、所述导管的材料逐步向所述非对称环槽挤入；

阶段3、由于所述非对称环槽和所述导管的材料之间的导向结构的存在，所述非对称环槽的第一槽壁存在针对所述导管材料的反作用力与挤压力形成轴向合力，使得所述导管的材料沿轴向移动；

阶段4、所述导管的材料接触到所述非对称环槽的槽底后，所述导管的材料仍然向轴向流动；

阶段5、所述导管的材料冷流结束。

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