CN113958485A - 一种应用于气量调节的电磁执行装置 - Google Patents

Abstract

一种应用于气量调节的电磁执行装置属于往复式压缩机气量调节领域。现有的往复式压缩机气量调节执行机构大多采用液压的方式，存在油路管路众多维护不便等问题，本文提出了一种电磁执行装置，通过直流电磁铁产生的电磁力代替液压力，使整个气量调节系统大大简化，降低了制造成本，并且易于维护。通过对电磁铁结构尺寸的合理设计，保证了电磁铁能够产生足够大的电磁力来推动负载，并且保证了电磁铁的温升满足工作要求，结合正反电压的控制策略保证了电磁铁的响应速度，使其动作频次能够很好的满足往复式压缩机的转速要求。

Description

一种应用于气量调节的电磁执行装置

技术领域

本发明属于往复式压缩机气量调节领域，涉及一种可以依靠电磁力驱动气阀的电磁执行装置，该电磁执行装置通过电磁铁结构参数的合理设计，结合正反电压驱动的控制策略，可以满足往复式压缩机气量调节的要求。

背景技术

往复式压缩机作为一种气体输送设备，应用领域广泛，压缩机在实际的生产过程中，因为生产需求在不断的发生着变化，所以整个生产过程工艺用气量也在无时无刻的随之发生变化，大部分情况下，都不满足满负荷运行的工况条件，同时压缩机在设计制造时对其容积设计都考虑了一定的设计余量，这些因素都导致了往复式压缩机往往都是在低于设计工况下运行的，造成了较大的能源浪费，提高了工业生产成本，为此往复式压缩机应具备气量调节装置，根据实际负荷需求进行气量调节，达到节能省功的目的。

现有往复式压缩机气量调节技术，基于部分行程顶开气阀原理的无级气量调节技术由于其高效性而被广泛应用，即在气缸的压缩过程中，根据上游用气量的需求使气阀打开一段时间，只压缩所需气体的体积，达到节流省功的目的，现在国内大多数无级气量调节系统，都是通过液压执行机构将气阀顶开，液压执行机构油路管路众多，成本较高，维护不便，且油质有泄露的风险，会对压缩介质造成污染，通过电磁装置代替液压机构可以有效的降低成本，且维护方便，本文提出了一种电磁执行装置，通过采用正反电压的驱动方式以及对电磁铁关键参数的合理设计，可以很好的满足往复式压缩机的气量调节要求。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是设计一种应用于往复式压缩机气量调节的电磁执行装置。

本发明通过以下技术方案解决上述技术问题：

一种应用于气量调节的电磁执行装置，其特征在于：

包括直流电磁铁、控制器和卸荷器，直流电磁铁由电磁铁外壳、底座、衔铁、线圈、上限位环和下限位片组成，其主体结构采用平面柱挡板中心管式；

初始安装时，先将电磁执行机构的底座与阀盖的上表面固定，并以卸荷器顶杆中心轴为对称轴对称布置。其次再将电磁铁的其余部分与底座进行装配，其中电磁铁的外壳通过六个横向的螺栓与底座实现固定。衔铁与顶杆通过螺纹连接，共同构成电磁执行机构的活动部件。通过调整上限位环和下限位片的厚度，可实现电磁铁顶杆的行程位移调节。同时，电磁铁上端留有传感器孔，可以通过安装电涡流传感器对电磁铁顶杆位移进行观测。

控制器接受PLC的信号，产生正反激励电压对电磁铁进行充电和放电，直流电磁铁充电时产生电磁力，衔铁在电磁力的驱动下向下运动直至吸合。顶杆与压叉依次受到衔铁传递过来的电磁力，从而向下运动将吸气阀阀片顶开，使压缩机多余气体回流。当工作腔内剩余气体达到生产所要求的气量时，电磁铁放电，电磁力快速消失，卸荷器中的弹簧推动顶杆和衔铁复位撤回，进气阀关闭。

所述控制器可以产生不同时间的正反电压，该正反电压作用于电磁铁上满足电磁铁的温升要求。

所述电磁铁需产生电磁力大小范围的计算方法如下：

卸荷器气阀顶出过程力学模型:

式中，F_C为电磁力；

F_T为卸荷器中弹簧所产生的作用力；

f为系统摩擦力；

G为衔铁和顶杆这些活动部件重力；

m为衔铁和顶杆这些活动部件质量；

x为卸荷器位移；

x_l为卸荷器行程；

t为卸荷器顶出过程时间；

卸荷器气阀顶出保持过程力学模型:

F_c+G＝F_T+F_P(x＝x_lmm)

式中，F_P为气缸中气体压力；

则电磁铁产生的电磁力F_c需满足：

F_c-F_T-f+G≥0

F_c-F_T-F_P+G≥0

F_T＝k(x+l)

式中，k为弹簧的劲度系数；

l为弹簧预压缩量；

联立以上各式可以确定特定工况下电磁力F_c的设计范围，为确保该电磁铁能够在该负载下将顶杆快速顶出，且能够适应多种工况，设计电磁力的取值应留有一定的余量，在这里选取临界电磁力F_c的1.5倍取整后的值作为设计电磁力F_d，即：

F_d＝round(1.5×F_c)

所述的直流电磁铁其特征在于衔铁、外壳和线圈各结构参数的合理设计以保证电磁铁性能满足往复式压缩机气量调节需求，衔铁、外壳、线圈各结构参数的具体计算方法如下：

1)衔铁直径d_x的确定：

Ⅰ.由衔铁行程位移x，以及设计电磁力F_d，则可求电磁铁的结构因数，

Ⅱ.根据结构因数K，查《电磁铁结构因数与型式关系表》中选取工作气隙磁感应强度曲线，确定磁感应强度B_δ的大小；

Ⅲ.由电磁吸力公式确定衔铁直径d_x的大小，电磁吸力公式如下：

2)外壳内径D_n的确定：

螺管式电磁铁产品中，外壳内径D_n由衔铁直径d_x确定，其表达式如下：

D_n＝2.65×d_x

3)线圈参数的确定，线圈参数包括，整个线圈的厚度b、高度h、单根导线直径d_l、线圈匝数N、线圈电阻R各参数的确定，合理的线圈参数设计是保证直流电磁铁电磁力大小，以及发热情况的重要条件；线圈各参数的计算方法如下：

Ⅰ.线圈厚度b的确定：

线圈厚度b通过外壳内径D_n、衔铁直径d_x以及线圈骨架及绝缘厚度

确定，其计算表达示如下：

其中线圈厚度b与线圈骨架及绝缘厚度

满足以下关系：

联立以上两式，确定线圈厚度b和线圈骨架及绝缘厚度

的大小；

Ⅱ.线圈高度h的确定：

在确定线圈厚度b的前提下，根据以下公式，确定线圈高度h的大小，即：

h＝2.45×b

Ⅲ.单根导线直径d_l的确定：

导线直径的计算表达式：

式中：ρ_T为电磁铁可以经受的最大工作温度T时的电阻率；

D_P为衔铁直径与线圈厚度之和，D_P＝d_x+b；

U_额为控制器给电磁铁的额定工作电压；

IN为电磁铁的总磁势。

Ⅳ.线圈匝数N的确定：

根据下式确定容许电流密度j：

将电流密度j代入下式，求出线圈匝数：

I_额为线圈工作时的额定电流；

Ⅴ.线圈电阻的确定：

线圈的平均匝长：

l_p＝π×(d_x+b)

则线圈电阻计算如下：

4)特性验算

Ⅰ.电磁力大小特性：在确定完电磁铁的各项结构参数后，利用Maxwell软件进行建模仿真计算，确定电磁力是否满足要求即大于等于设计电磁力F_d；

Ⅱ.电磁力响应特性：利用Maxwell软件和Amesim软件，设计正反驱动电压，确定电磁铁的响应特性是否满足往复压缩机的周期要求即能在工况周期时间T内完成顶出、保持和撤回动作，同时顶出动作时间和撤回动作时间应保证在一定时间范围，参考液压气量调节系统，顶出动作时间应小于50ms，撤回动作时间应小于25ms，否则将会对气量调节的控制效果产生影响；

Ⅲ.电磁温升特性：电磁铁长期工作下的温升特性可利用牛顿公式计算：

式中，ΔT为长期通电后线圈的稳定温升，K_T为散热系数，S为线圈散热面积，I为电磁铁工作中的实际电流，线圈散热面积S的表达式如下；

S＝S_n+2.4S_w

式中S_n为线圈的内表面面积，S_w为线圈的外表面面积，S_n、S_w通过衔铁直径d_x、线圈骨架及绝缘厚度

线圈厚度b和线圈高度h确定；

根据线圈绝缘等级确定线圈最高容许温度T_max，取环境温度为30℃，规定电磁铁温升应小于等于(T_max-30)℃，由此确定长期工作下电磁铁的温升是否满足要求。

与现有技术相比，本方法设计了一种可用往复式压缩机气量调节的电磁执行装置，通过对电磁铁结构参数的合理设计结合正反电压驱动的控制方法，可以很好满足往复式压缩机气量调节要求。

附图说明

图1为电磁执行装置整体示意图；

图2为直流电磁铁结构示意图；

图3为直流电磁铁主要结构参数示意图；

图4为结构参数确定后，利用Maxwell软件进行建模计算后的电磁力瞬态图；

图5为控制器产生的驱动电压波形图；

图6为在图5驱动电压波形图下得到的位移波形图；

附图标记说明：

1：直流电磁铁

2：控制器

3：卸荷器

4：阀片

5：阀盖

11：电磁铁外壳

12：线圈

13：下限位片

14：顶杆

15：下衔铁

16：上衔铁

17：上限位环

18：传感器安装孔

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明方法进一步说明：

如图1所示，一种应用于往复式压缩机气量调节的电磁执行装置，包括直流电磁铁1、控制器2、和卸荷器3，初始安装时，先电磁铁1的底座与阀盖5的上表面固定，并以卸荷器3顶杆中心轴为对称轴对称布置。其次再将电磁铁1的其余部分与底座进行装配，其中电磁铁的外壳11通过六个横向的螺栓与底座实现固定。衔铁16与顶杆通过螺纹连接，共同构成电磁执行机构的活动部件。通过调整上限位环17和下限位片13的厚度，可实现电磁铁顶杆14的行程位移调节。同时，电磁铁1上端留有传感器孔18，可以通过安装电涡流传感器对电磁铁顶杆14位移进行观测。

控制器2接受PLC的信号，产生正反激励电压对电磁铁1进行充电和放电，直流电磁铁1充电时产生电磁力，衔铁16在电磁力的驱动下向下运动直至吸合。顶杆14与压叉依次受到衔铁16传递过来的电磁力，从而向下运动将吸气阀阀片4顶开，使压缩机多余气体回流。当工作腔内剩余气体达到生产所要求的气量时，电磁铁1放电，电磁力快速消失，卸荷器3中的弹簧推动顶杆14和衔铁16复位撤回，进气阀关闭。

本实施实例中，系统工况条件给定如下：

系统参数名称	符号	大小
			卸荷器复位弹簧刚度系数	k	45000N/m
气体压力	F<sub>P</sub>	562N(5MPa)
			卸荷器行程	x<sub>l</sub>	3mm
压缩机转速	n	300r
			系统摩擦力	f	30N
卸荷器重力	G	70N
			弹簧预压缩量	l	4.5mm
电磁铁额定工作电压	U<sub>额</sub>	110V
			电磁铁额定工作电流	I<sub>额</sub>	1A

根据系统参数计算电磁铁电磁力：

1)电磁铁1所需面对的最大弹簧负载力：

F_T＝k(x+l)＝45000×0.0075＝337.5N

2)电磁力需满足的条件：

F_c-337.5-30+70≥0

F_c-337.5-562+70≥0

联立以上两式可以确定此种工况下电磁力的设计范围F_c≥829.5N，为确保该电磁铁1能够在该负载下将顶杆14快速顶出，且能够适应多种工况，设计电磁力的取值应留有一定的余量，在这里选取临界电磁力F_c的1.5倍取整后的值作为设计电磁力F_d，即：

F_d＝round(1.5×F_c)＝1200N

如图2所示为直流电磁铁1的结构示意图，主体结构采用平面柱挡板中心管式；包括电磁铁外壳11，衔铁15、16，线圈12、上限位环17和下限位片13，通过调整上限位环18和下限位片13的厚度可以调整电磁铁顶杆14的行程位移，电磁铁1上端留有传感器孔18可以通过安装电涡流传感器对电磁铁顶杆14位移进行观测；

如图3所示，为电磁铁1结构参数示意图，主要通过对电磁铁1结构参数大小的合理设计，保证电磁铁1性能能够满足气量调节要求，各参数的具体设计如下：

1)衔铁直径d_x

Ⅰ.由气阀4行程位移x＝3mm，设计电磁力F_d＝1200N，确定电磁铁1的结构因数大小：

Ⅱ.根据结构因数K＝36.5，查《电磁铁结构因数与型式关系表》中选取工作气隙磁感应强度曲线，确定磁感应强度B_δ≈10500G_S，磁感应强度B_δ的大小还与衔铁材料有关，本实施实例中衔铁材料为DT4系列材料，查国标《GB/T 6983-2008:电磁纯铁》可知DT4系列材料的磁感应强度在1.2～1.8T之间，综合选取B_δ＝12000G_S；

Ⅲ.由电磁吸力公式确定衔铁直径大小：

2)外壳11内径D_n的确定：

螺管式电磁铁产品中，外壳内径D_n由衔铁直径d_x确定，其表达式如下：

D_n＝2.65×d_x

由1)中确定d_x＝53mm，则本实施实例中选取D_n≈140mm作为设计值。

3)线圈12参数的确定，

线圈12参数包括，整个线圈的厚度b、高度h、单根导线直径d_l、线圈匝数N、线圈电阻R各参数的确定，合理的线圈参数设计是保证直流电磁铁电磁力大小，以及发热情况的重要条件；线圈各参数的计算方法如下：

Ⅰ.线圈厚度b的确定：

线圈厚度b通过外壳内径D_n、衔铁直径d_x以及线圈骨架及绝缘厚度

确定，其计算表达示如下：

其中线圈厚度b与线圈骨架及绝缘厚度

满足以下关系：

联立以上两式，确定线圈厚度b和线圈骨架及绝缘厚度

的大小；

解得

则线圈厚度大小b＝37.5mm。

Ⅱ.线圈高度h的确定：

在确定线圈厚度b的前提下，根据以下公式，确定线圈高度h的大小，即：

h＝2.45×b＝2.45×37.5≈92mm

Ⅲ.单根导线直径d_l的确定：

导线直径的计算表达式：

式中：ρ_T为电磁铁可以经受的最大工作温度T时的电阻率，设定最大工作温度T＝120℃,导线材料选择为铜，根据《常用材料电阻率和电阻温度系数》，查得20℃时铜的电阻率ρ₂₀＝1.678×10^-8Ω.m和温度系数α_T＝0.00393^℃-1，从而确定工作温度T＝120℃下铜导线的电阻率：ρ₁₂₀＝ρ₂₀×(1+α_T×(120-20))＝0.023375Ω×(mm)²/m；

D_P为衔铁15直径与线圈12厚度之和，D_P＝d_x+b＝0.053+0.0375＝0.0905m；

U_额为控制器给电磁铁的额定工作电压，本实施实例中U_额＝110V；

IN为电磁铁的总磁势，计算表达式如下：

其中μ₀＝1.25×10^-8H/cm为空气导磁系数，

为总磁势消耗系数，表征消耗在铁芯和非工作气隙中的磁势的安匝数，经验取值范围为

为充分保证电磁铁性能，本实施实例中选取

β为压降系数，电磁铁实际应用时，电磁铁一般会降至额定电压的85％，故取β＝0.85，则

联立以上各式，求得导线直径

查线规表，依据国标《GB/T6109.1-2008漆包圆绕组线第一部分：一般规定》关于漆包线直径的规定，选择最接近的线径d_l1＝0.6mm,带绝缘后的直径d_l2＝0.698mm(3级)。

Ⅳ.线圈匝数N的确定：

根据下式确定容许电流密度j，本实施实例中额定工作电流给定为1A；

将电流密度j代入下式，求出线圈匝数：

Ⅴ.线圈电阻的确定：

线圈的平均匝长：

l_p＝π×(d_x+b)＝3.14×(53+37.5)＝284.17mm＝0.28417m

则线圈电阻计算如下：

4)电磁铁1特性验算

Ⅰ.电磁力大小特性：在确定完电磁铁1的各项结构参数设计后，利用Maxwell软件进行仿真计算，计算结果如图4所示，所得最大电磁力约为2000N，大于所要求的电磁力，因此满足要求；

Ⅱ.电磁力响应特性：利用Maxwell软件和Amesim软件联合仿真，给定电磁铁1模型如图5所示驱动电压，其中正电时间120ms、反电时间75ms，断电时间5ms，所得位移波形如图6所示，从仿真结果看出，结合正反电压的驱动策略在给定负载下，在200ms工况周期内，电磁铁顶出动作时间为24ms,顶出保持时间为52ms,撤回动作时间为14ms,响应特性可以满足往复压缩机的周期要求；

Ⅲ.电磁温升特性：电磁铁1长期工作下的温升特性可利用牛顿公式计算：

式中，ΔT为长期通电后线圈的稳定温升，K_T为散热系数，取值范围在(0.7～1.5)×10^-3(w/cm².℃)，I为电磁铁工作中的实际电流，S为线圈散热面积，其表达式如下；

S＝S_n+2.4S_w

式中S_n为线圈的内表面面积，S_w为线圈的外表面面积，S_n、S_w通过衔铁直径d_x、线圈骨架及绝缘厚度

线圈厚度b和线圈高度h确定；

则：

S＝S_n+2.4S_w＝188+2.4×404＝1157.6cm²

考虑成本和使用条件，本实施实例中，取线圈绝缘等级为E级，查各级绝缘材料的最高容许温度表，确定线圈最高容许温度T_max＝120℃，取环境温度为35℃，则电磁铁温升应小于等于85℃，查线圈散热经验系数表，可知当线圈温升为85℃时，散热系数取1.28×10^-3(w/cm².℃)，则电磁铁温升计算为：

由此确定长期工作下电磁铁的温升满足要求。

结论：

本文设计了一种应用于往复式压缩机气量调节的电磁执行装置，通过对直流电磁铁关键结构尺寸的合理设计，结合正反电压驱动策略，利用Maxwell软件和Amesim软件仿真验证其性能能够满足往复式压缩机气量调节的需求。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实例进行修饰或改变。因此，凡属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明的精神与技术性思想下所完成的一切改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种应用于气量调节的电磁执行装置，其特征在于：

包括直流电磁铁、控制器和卸荷器，直流电磁铁由电磁铁外壳、底座、衔铁、线圈、上限位环和下限位片组成，其主体结构采用平面柱挡板中心管式；

初始安装时，先将电磁执行机构的底座与阀盖的上表面固定，并以卸荷器顶杆中心轴为对称轴对称布置；其次再将电磁铁的其余部分与底座进行装配，其中电磁铁的外壳通过六个横向的螺栓与底座实现固定；衔铁与顶杆通过螺纹连接，共同构成电磁执行机构的活动部件；通过调整上限位环和下限位片的厚度，实现电磁铁顶杆的行程位移调节；同时，电磁铁上端留有传感器孔，通过安装电涡流传感器对电磁铁顶杆位移进行观测；

控制器接受PLC的信号，产生正反激励电压对电磁铁进行充电和放电，直流电磁铁充电时产生电磁力，衔铁在电磁力的驱动下向下运动直至吸合；顶杆与压叉依次受到衔铁传递过来的电磁力，从而向下运动将吸气阀阀片顶开，使压缩机多余气体回流；当工作腔内剩余气体达到生产所要求的气量时，电磁铁放电，电磁力消失，卸荷器中的弹簧推动顶杆和衔铁复位撤回，进气阀关闭。

2.根据权利要求1所述的电磁执行装置，其特征在于，所述控制器产生不同时间的正反电压，该正反电压作用于电磁铁上满足电磁铁的温升要求。

3.根据权利要求1所述的电磁执行装置，其特征在于，所述电磁铁需产生电磁力大小范围的计算方法如下：

卸荷器气阀顶出过程力学模型:

式中，F_C为电磁力；

F_T为卸荷器中弹簧所产生的作用力；

f为系统摩擦力；

G为衔铁和顶杆这些活动部件重力；

m为衔铁和顶杆这些活动部件质量；

x为卸荷器位移；

x_l为卸荷器行程；

t为卸荷器顶出过程时间；

卸荷器气阀顶出保持过程力学模型：

F_c+G＝F_T+F_P(x＝x_lmm)

式中，F_P为气缸中气体压力；

则电磁铁产生的电磁力F_c需满足：

F_c-F_T-f+G≥0

F_c-F_T-F_P+G≥0

F_T＝k(x+l)

式中，k为弹簧的劲度系数；

l为弹簧预压缩量；

联立以上各式确定电磁力F_c的设计范围，选取临界电磁力F_c的1.5倍取整后的值作为设计电磁力F_d，即：

F_d＝round(1.5×F_c)。

4.根据权利要求1所述的电磁执行装置，其特征在于，衔铁、外壳、线圈各结构参数的具体计算方法如下：

1)衔铁直径d_x的确定：

Ⅰ.由衔铁行程位移x，以及所确定的设计电磁力F_d，则求电磁铁的结构因数，

Ⅱ.根据结构因数K，查《电磁铁结构因数与型式关系表》中选取工作气隙磁感应强度曲线，确定磁感应强度B_δ的大小；

Ⅲ.由电磁吸力公式确定衔铁直径d_x的大小，电磁吸力公式如下：

2)外壳内径D_n的确定：

螺管式电磁铁产品中，外壳内径D_n由衔铁直径d_x确定，其表达式如下：

D_n＝2.65×d_x

3)线圈参数的确定，线圈参数包括，整个线圈的厚度b、高度h、单根导线直径d_l、线圈匝数N、线圈电阻R各参数的确定，线圈各参数的计算方法如下：

Ⅰ.线圈厚度b的确定：

线圈厚度b通过外壳内径D_n、衔铁直径d_x以及线圈骨架及绝缘厚度

确定，其计算表达示如下：

其中线圈厚度b与线圈骨架及绝缘厚度

满足以下关系：

联立以上两式，确定线圈厚度b和线圈骨架及绝缘厚度

的大小；

Ⅱ.线圈高度h的确定：

在确定线圈厚度b的前提下，根据以下公式，确定线圈高度h的大小，即：

h＝2.45×b

Ⅲ.单根导线直径d_l的确定：

导线直径的计算表达式：

式中：ρ_T为电磁铁经受的最大工作温度T时的电阻率；

D_P为衔铁直径与线圈厚度之和，D_P＝d_x+b；

U_额为控制器给电磁铁的额定工作电压；

IN为电磁铁的总磁势；

Ⅳ.线圈匝数N的确定：

根据下式确定容许电流密度j：

将电流密度j代入下式，求出线圈匝数：

I_额为线圈工作时的额定电流；

Ⅴ.线圈电阻的确定：

线圈的平均匝长：

l_p＝π×(d_x+b)

则线圈电阻计算如下：

4)特性验算

Ⅰ.电磁力大小特性：在确定完电磁铁的各项结构参数后，利用Maxwell软件进行建模并仿真计算，确定电磁力大小是否满足要求即大于等于设计电磁力F_d；

Ⅱ.电磁力响应特性：利用Maxwell软件，设计正反驱动电压，确定电磁铁的响应特性是否满足往复压缩机的周期要求即能在工况周期时间T内完成顶出、保持和撤回动作，同时顶出动作时间和撤回动作时间应保证在一定时间范围，参考液压气量调节系统，顶出动作时间应小于50ms，撤回动作时间应小于25ms，否则将会对气量调节的控制效果产生影响；

Ⅲ.电磁温升特性：电磁铁长期工作下的温升特性利用牛顿公式计算：

式中，ΔT为长期通电后线圈的稳定温升，K_T为散热系数，S为线圈散热面积，I为电磁铁工作中的实际电流，线圈散热面积S的表达式如下；

S＝S_n+2.4S_w

式中S_n为线圈的内表面面积，S_w为线圈的外表面面积，S_n、S_w通过衔铁直径d_x、线圈骨架及绝缘厚度

线圈厚度b和线圈高度h确定；

根据线圈绝缘等级确定线圈最高容许温度T_max，取环境温度为30℃，规定电磁铁温升应小于等于(T_max-30)℃，由此确定长期工作下电磁铁的温升是否满足要求。

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