DE1807351A1 - Underground tunneling device - Google Patents
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Description
Untergrund-Vortriebege rät Die Erfindung betrifft ein Untergrund-Vortriebsgerät mit geschoßartiger Ausbildung, welches z.B. mit Seibstantrieb arbeitend für die Untergrundverlegung von elektrischen Kabeln und dergleichen eingesetzt werden kann. Underground propulsion device The invention relates to an underground propulsion device with bullet-like training, which e.g. working with self-propulsion for the Underground laying of electrical cables and the like can be used.
Elektrische Stronversorgungs- und Fernmeldekabel bzw. -Leitungen werden vielfach oberirdisch verlegt, wodurch bei der steigenden Anzahl derart verlegter Kabel und Leitungen Unzuträglichkeiten verechiedener Art verursacht werden, nicht zuletzt auch eine Beeinträchtigung des Landschaftsbildes. Der somit erwünschten Untergrundverlegung von Kabeln und Leitungen stehen hauptsächlich die bei Anwendung üblicher Vorrichtungen und Verfahren unterhKltnistnäßig hohen Kosten entgegen.Electric power supply and telecommunication cables or lines are often laid above ground, which means that with the increasing number of them laid in this way Cables and lines cause inconveniences of various kinds, not finally also an impairment of the landscape. The one thus desired Underground laying of cables and lines are mainly used Conventional devices and methods are usually expensive.
Bei der Untergrundverlegung von Kabeln und dergleichen besteht z.Z. vorallem Bedarf an einem Vortriebsgerflt zur Herstellung von -Kabelkanälen oder dergleichen im Erdreich, wobei dieses Gerät lenkbar sein sollte, um Hindernisse wie Gebäude, Straßen und Wege oder dergleichen unterqueren zu können. Da in diesen und ähnlichen Fällen das Ausheben eines Grabens für die Kabelverlegung nicht in Betracht kommt, so muß im Allgemeinen zur Verwendung von Vortriebsgeräten mit Bohrköpfen geschritten werden, die nach Art eines Schraubbohrere arbeiten und einen entsprechenden Drehantrieb für das Vordringen im Erdreich benötigen.' Nachteilig ist hierbei die Notwendigkeit von starren Antriebswellen zur Ubertragung des Drehmomentes auf den Bohrkopf, die eine Veränderung bzw. Korrektur der Vortriebsrichtung und die Herstellung von anderen als im wesentlichen geradlinigen Verlegungekanälen nicht zulassen.When laying cables and the like underground, there is currently especially a need for a jacking device for the production of cable ducts or like in the ground, whereby this device should be steerable to obstacles like to be able to cross under buildings, streets and paths or the like. Because in these and similar cases, digging a trench for laying cables is not possible Considered, so must in general for the use of jacking equipment with drill heads be paced that after Kind of a screwdriver work and need a corresponding rotary drive for penetration into the ground. ' Disadvantageous here is the need for rigid drive shafts to transmit the torque on the drill head, which changes or corrects the direction of advance and the production of laying ducts other than essentially straight ducts is not allow.
Ferner sind neuerdings bereits Vortriebegeräte entwickelt worden, welche die Nachteile der üblichen Grabenverlegung einerseits und des Bohrvortriebs andererseits überwinden sollen. Es handelt sich hierbei um Geräte mit einem Vortriebskörper, der einen vergleichsweise stumpfkonischen Vorderabschnitt aufweist und durch ein angebrachtes Antriebsaggregat gelenkt wird. Der Vortriebekörper dringt hierbei unter der Wirkung von durch die Antrieb vorrichtung eingeleiteten,periodischen Stößen bzw. Schlägen in das Erdreich ein.In addition, tunneling devices have recently been developed which the disadvantages of the usual trench laying on the one hand and the drilling drive on the other hand should overcome. These are devices with a propulsion body, which has a comparatively truncated conical front section and through a attached drive unit is steered. The propulsion body penetrates here the effect of device initiated by the drive, periodic shocks or impacts in the ground.
Zum Antrieb von Geräten der letztgenannten Art wurden bisher linear arbeitende Schlagvorrichtungen verwendet, wobei im Falle des Antriebs durch ein Druckmittel die kinetische Energie der Schlag- bzw. Stoßmasse unter Voraussetzung gleichen Arbeitsdrucks nur durch Verlängerung des Beschleunigungsweges, d.h. der Hängenausdehnung des Vortriebskörpers, erhöht werden kann. Durch eine erhöhte Längenausdehnung wird aber die Lenkbarkeit, d.h.To drive devices of the last-mentioned type have been linear working impact devices are used, with in the case of propulsion by a Pressure medium the kinetic energy of the impact or impact mass under the prerequisite same working pressure only by lengthening the acceleration path, i.e. the Extension of the slope of the propulsion body can be increased. Due to an increased linear expansion but the controllability, i.e.
das Maß der erreichbaren Änderung der Vortriebsrichtung, vermindert.the extent of the achievable change in the direction of advance is reduced.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines demgegenüber verbesserten Vortriebsgerätes. Das erfindungsgemäße Gerät zur Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich hauptsächlich durch einen drehbaren Bohrkopf mit im Innenraum angeordneten »aIelementen und eine Schlagvorrichtung zur Erzeugung von aufeinanderfolgenden, Bei einem solchen Vortriebsgerät besteht praktisch keine Beschränkung hinsichtlich der übertragbaren Stoßenergie, da der Drehwinkel der rotierenden Stoßmasse während der Beschleunigung ohne Konflikt mit räumlichen Beschränkungen bzw. Geräteabmessungen weitgehend beliebig groß gestaltet werden kanne Ferner erlaubt das erfindungsgemäße Konstruktionsprinzip eine Vervielfachung des Antriebsdrehmomentes, so daß auch ein hoher, dem Vortrieb entgegenwirbender Bodenwiderstand durch Speicherung von Schwungmoment in einer rotierenden Masse mit Hilfe eines innerhalb des Vortriebskörpers angeordneten Antriebsmotors von vergleichsweise geringem Drehmoment und anschließende, kurzzeitig-impulsförmige Energieabgabe zur Drehung des Bohrkopfes überwunden werten kanne Ein besonderer Vorteil einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Gerätes mit est rn rotierenden Schlagbohrkopf besteht darin, daß die Antriebsleistung über eine flexible Leitung, und zwar sowohl eine elektrische Leitung oder auch eine Druckmittelleitung, zugeführt werden kann0 In Verbindung mit der vergleichsweise geringen Länge des erfindungsgemäßen Vortriebskörpers erhebt sich hierdurch eine wesentlich verbesserte Lenkbarkeit.The object of the invention is to create a propulsion device that is improved in comparison. The device according to the invention for solving this problem is mainly characterized by a rotatable drill head with elements arranged in the interior and an impact device for generating successive, In such a jacking device there is practically no restriction in terms of the impact energy that can be transmitted, since the angle of rotation of the rotating impact mass during acceleration can largely be made as large as desired without conflicting with spatial restrictions or device dimensions high ground resistance that counteracts propulsion by storing momentum in a rotating mass with the aid of a drive motor with a comparatively low torque arranged inside the propulsion body and subsequent, short-term pulse-shaped energy output for rotating the drill head A rotating percussion drill head means that the drive power is supplied via a flexible cable, both an electrical cable and a pressure central line, can be supplied0 In connection with the comparatively short length of the propulsion body according to the invention, this results in a significantly improved steerability.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der Sclgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels hervor, das in den Zeichnungen veranschaulicht ist, Hierin zeigt Figur 1 eine perspektivische Teilschnittansicht eines erfindungsgemäßen Vortriebsgerätes und Figur 2 eine ebenfalls perspektivische Teilschnittdarstellung der Antriebsvorriohtung des Gerätes, während die Figuren 3A bis 3D Querschnitte der Antriebsvorrichtung in verschiedenen Arbeitsstellungen wiedergeben.Further features and advantages of the invention are evident from the following Description of an embodiment illustrated in the drawings FIG. 1 shows a perspective partial sectional view of a device according to the invention Driving device and FIG. 2 is also a perspective partial sectional view the drive device of the device, while Figures 3A to 3D cross sections the drive device in different working positions.
Gemäß Figur 1 umfaßt das erfindungsgemäße Gerät einen Vortriebskörper 10 mit einem Bohrkopf 11, der einen spritz zulaufenden Vorderabschnitt mit Bohrrippen 12 aufweist. Der Bohrkopf besteht zeBo vorteilhaft aus Gußeisen, wobei die Bohrrippen angegossen oder eingearbeitet werden können. Der spitz zulaufende Vorderabschnitt des Bohrkopfes wird zweckmEßig massiv ausgeflihrt, wäh rend der rückwärtige Abschnitt des Vortriebskörpers zur Aufnahme verschiedener Vorrichtungsteile hohl ausgebildet ist. Im übrigen ist der Bohrkopf 11 mittels Wälzlagern 15 und 16 auf einem vorderen Mantelabschnitt 13 eines Gehäuses 14 des Vortriebskörpers um seine Längsachse drehbar gelagert.According to Figure 1, the device according to the invention comprises a propulsion body 10 with a drill head 11, which has an injection-tapered front section with drilling ribs 12 has. The drill head is advantageously made of cast iron, with the drilling ribs can be cast or incorporated. The tapering front section of the drill head is expediently solid, while the rear section of the propulsion body designed to accommodate various device parts hollow is. In addition, the drill head 11 is by means of roller bearings 15 and 16 on a front Jacket section 13 of a housing 14 of the propulsion body rotatable about its longitudinal axis stored.
Innerhalb des Mantelabschnitts 13 ist drehfest ein elektrischer oder hydraulischer Motor 17 angeordnet, der zwecks maximaler Leistungsabgabe vorteilhaft mit konstantem Drehmoment arbeitet.Within the jacket section 13 is an electrical or non-rotatable arranged hydraulic motor 17, which is advantageous for the purpose of maximum power output works with constant torque.
Hinter dem Mantelrbschnitt 13 und dem Motor 17 ist das Gehäuse 14 des Vortriebskörpers zweckmäßig massiv ausgefUllt. Die Lenkung des Vortriebskörpers erfolgt mit Hilfe eines am rückwärtigen Ende des Gehäuses 14 angeordneten Abschlußteils 20 in noch näher zu erläuternder Weise.The housing 14 is located behind the jacket section 13 and the motor 17 of the propulsion body expediently solidly filled. The steering of the propulsion body takes place with the aid of a terminating part arranged at the rear end of the housing 14 20 in a manner to be explained in more detail.
Die im einzelnen in Figur 2 dargestellte Antriebsvorrichtung des Gerätes ist als rotierende Schlagvorrichtung ausgebildet und umfaßt einen rotierenden Schläger 21, der mittels Wälzlagern 22 und 23 im Innenraum des Bohrkopfes 11 gelagert ist. Das Massenträgheitsmonient des Schlägers wird zweckmäßig etwa im Verhältnis 1:4 zu derjenigen des Bohrkopfes 11 bemessen. Das rückwärtige Ende des Schlägers 21 bildet einen Flansch, dessen innere Umfangsfläche als Zahnkranz 24 ausgebildet bzw. mit einem solchen versehen ist. Im Innenraum des hohl ausgebildeten Schlägers 21 ist ferner ein Nocken 25 angeordnet, der auf einer Abtriebswelle 26 des Motors 17 sitzt. Die Antriebsverbindung swischen Motor 17 und Schläger 21 erfolgt gemäß Figur 2 über ein Getriebe, welches aus einem auf der AbIriebswelle 26 sitzenden Antriebsrad 27 mit Zwischenrad 28 und auf einer Welle 31 sitzenden Abtriebsradern 29 und 30 besteht, wobei letzteres mit dem Zahnkranz'24 des Schlägers 21 kommt. Zur Lagerung der verschiedenen Wellen und Zahnräder sind zwei innerhalb des Bohrkopfes 11 befestigte Scheiben 32 und 33 vorgesehen.The drive device of the device shown in detail in FIG is designed as a rotating striking device and comprises a rotating bat 21, which is mounted in the interior of the drill head 11 by means of roller bearings 22 and 23. The mass moment of inertia of the racket is expediently about 1: 4 dimensioned to that of the drill head 11. The rear end of the racket 21 forms a flange, the inner circumferential surface of which is designed as a toothed ring 24 or is provided with such. In the interior of the hollow racket 21 a cam 25 is also arranged, which is mounted on an output shaft 26 of the motor 17 sits. The drive connection between motor 17 and racket 21 takes place according to FIG 2 via a transmission, which consists of a drive wheel seated on the output shaft 26 27 with intermediate gear 28 and driven gears 29 and 30 seated on a shaft 31 exists, the latter coming with the gear rim 24 of the racket 21. For storage of the various shafts and gears are two fastened within the drill head 11 Disks 32 and 33 are provided.
Wie aus den Figuren 2 sowie 3A bis 3D hervorgeht, sind in gegeneinander um 180° versetzten Längsschlitzen des Sch@ägers 21 langgestreckte Hammerklauen 34 und 35 radial verschiebbar gelagert. Ferner sind an der inneren Umfangsfläche des Bohrkopfes 11 sich ebenfalls in Kopflängsrichtung erstreckende, rippenförmige Prallorgane 38 und 39 angegossen, deren Länge etwa mit derwenigen der Hammerklauen 34 und 35 übereinstimmt. Letztere werden durch paarweise in entsprechenden Ausnehmirngen des Schlägers 21 angeordnete, blattförmige Rückstellfedern 96 und 37 in Ruhezustand in der Radialstellung gemäß Figur 3C gehalten. In dieser Stellung liegen die Hammerklauen auf den dargestellten, radial einwärts versetzten Umfangsabsohnitten des Nockens 25, während sie in ihrer radial angehobenen Stellung gemäß Figur 3A (siehe auch Figur 1 und 2) auf den Erhebungen des Nockens 25 sitzen und ihre Schlagstellung bezüglich der Prallrgane 38,39 einnehmen.As can be seen from FIGS. 2 and 3A to 3D, they are mutually exclusive Longitudinal slots of the hammer 21, which are offset by 180 °, have elongated hammer claws 34 and 35 mounted so as to be radially displaceable. Furthermore, on the inner peripheral surface of the Drill head 11 also extending in the longitudinal direction of the head, rib-shaped impact organs 38 and 39, the length of which is approximately equal to the few of the hammer claws 34 and 35 matches. The latter are made in pairs in corresponding recesses of the Bat 21 arranged, leaf-shaped return springs 96 and 37 in the rest state held in the radial position according to Figure 3C. The hammer claws are in this position on the illustrated, radially inwardly offset circumferential subsections of the cam 25, while in their radially raised position according to Figure 3A (see also Figure 1 and 2) sit on the elevations of the cam 25 and their striking position occupy 38,39 with respect to the baffles.
Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Vortriebsgeräts ergibt sich wie folgt: Bei der Vortriebsarbeit innerhalb des Bodens wird der Schläger 21 durch den Motor 17 über einen groß bemessenen Drehwinkel beschleuzeigt und enthält eine entsprechend hohe kinetische Energie. Die Beschleunigung erfolgt bei radial zurückgezogenen Hammerklauen 34 und 35, welch letztere anschließend durch den Nocken 25 in ihre Schlagstellung bezüglich der Prallorgane 38 und 39 ausgefahren werden. Das Übersetzungsverhältnis der Zahnräder 27729S30 und des Zahnkranzes 24 ist so bemessen, daß die Hammerklauen durch den Nocken während je einer Periode von mehreren aufeinanderfolgenden Umdrehungen des Schlägers 21 einmal ausgefahren werden.The mode of operation of the driving device according to the invention results as follows: When driving within the ground, the club 21 is through the motor 17 accelerates over a large angle of rotation and contains a correspondingly high kinetic energy. The acceleration takes place with radially withdrawn Hammer claws 34 and 35, the latter then by the cam 25 in their Impact position with respect to the impact members 38 and 39 are extended. The gear ratio of gears 27729S30 and of the ring gear 24 is dimensioned so that the hammer claws by the cam for one period each of several successive ones Revolutions of the racket 21 are extended once.
Wie sich aus Figur 3B ergibt, entfernen sich die Erhebungen des Nockens 25 bei oder kurz vor der Stoßberührung zwischen den Hammerkauen und den Prallorganen von den Hammerklauen, so daß diese anschließend radial nachgeben können. Die Arbeitsperiode dee Schlägers 21 kann z.B. auch gerade eine Umdrehung umfassen. Im einzelnen ergibt sich im Beispielsfall folgender Arbeitsablauf: In der Ausgangsstellung gemäß Figur 3A sind die Hammerklauer 34, 35 durch Berührung mit den Erhebungen des Nockens 25 in ihre Schlagstellung bezüglich der Prallorgane 38, 39 ausgefahren, und zwar gegen die Wirkung der Rückstellfedern 36,37. In dieser Arbeitsphase ist der Schläger 21 auf den Maximalwert der kinetischer Energie beschleunigt. Gemäß Figur 3B entfernen sich die Erhebungen des Nockens 25 vor dem Stoßvorgang von den Hammerklaven 34 und 35, wobei die Rückstellfedern 36 und 37 die Rückzugsbewegung der Hammerklauen eingeleitet haben. Beim Stoßvorgang unterliegt der Schläger 21 und der damit gekuppelte Motor 17 einer entsprechenden Rückprallung, die jedoch gegenüber dem Antriebsdrehmoment des Motors zurücktritt. In der Stellung gemäß Figur 30 nehmen die Vorrichtungsteile ihre Lage bei abgebremstem Schläger, d.H. den Ausgangszustand für die erneute Beschleunigung ein, wobei die Hammerklauen 34,35 unter der Wirkung der Rückstellfedern 36,37 radial eingefahren sind und an den entsprechenden Umfangsabschnitten des Nockens 25 liegen0 Figur 3D veranschaulicht die anschließende Anfangsphase des nächstfolgenden Beschleunigungsvorganges.As can be seen from FIG. 3B, the elevations of the cam are removed 25 at or shortly before the impact contact between the hammer jaws and the impact organs from the hammer claws so that they can then give way radially. The working period The racket 21 can, for example, also encompass just one revolution. In detail results In the example, the following workflow is: In the starting position according to the figure 3A are the hammer claws 34, 35 by contact with the projections of the cam 25 extended into their impact position with respect to the impact members 38, 39, namely against the action of the return springs 36,37. At this stage of work the racket is 21 accelerated to the maximum value of the kinetic energy. Remove according to Figure 3B the elevations of the cam 25 before the pushing process of the hammer slaves 34 and 35, the return springs 36 and 37 initiating the retraction movement of the hammer claws to have. During the impact process, the striker 21 and the motor coupled with it are defeated 17 a corresponding rebound, however, compared to the drive torque of the engine backs off. In the position according to FIG. 30, the device parts take their position with the club braked, i.e. the initial state for renewed acceleration a, the hammer claws 34,35 under the action of the return springs 36.37 are retracted radially and at the corresponding circumferential sections of the cam Figure 3D illustrates the subsequent initial phase of the next one Acceleration process.
In Abhängigkeit von dem Massenträgheitsmoment des Schlägers und des Bohrkopfes sowie von der gewünschten Stoßenergietibertragung und dem verfügbaren Motordrehmoment kann die Anzahl der Umdrehungen einer Arbeitsperiode des Schlägers bis zum Jeweiligen Ausfahren der Hammerklauen durch die mit geringerer Drehzahl umlaufenden Nockenerhebungen zweckentsprechend eingestellt werden. Durch die während einer solchen Arbeitsperiode gespeicherte, beim Stoßvorgang zwischen den Hammerklauen und den Prall organen Ubertragenen kinetischen Energie wird der Bohrkopf und damit der gesamte Vortriebskörper in eine wirkungsvolle Schraub- und Vortriebsbewegung innerhalb des Bodens versetzt. Bei entsprechender Mctorleistung kann das Gerät z.B. für mehrere Stoßvorgänge pro Sekunde ausgelegt werden.Depending on the moment of inertia of the racket and the Drilling head as well as the desired impact energy transfer and the available Motor torque can be the number of revolutions of one working period of the racket up to the respective extension of the hammer claws by the lower speed circumferential cam lobes can be set appropriately. By the during of such a working period stored in the impact process between the hammer claws and the baffle organs transferred kinetic energy is the drill head and thus the entire propulsion body in an effective screwing and propulsion movement offset within the soil. With the appropriate motor power, the device can e.g. designed for several impact processes per second.
Im folgenden sind die Kenndaten eines typischen Ausführungsbeispiels angegeben: Bei einem Schlägergewicht von G = 8 kg und einem Schlägerdurchmesser 2 r = 5 cm ergibt sich ein Schwungmoment von I = 0,0264 kg cm sec2, und zwar nach der Gleichung B = 1/2 mr2.The following are the characteristics of a typical embodiment specified: With a club weight of G = 8 kg and a club diameter 2 r = 5 cm results in a moment of inertia of I = 0.0264 kg cm sec2, namely after the equation B = 1/2 mr2.
wobei r der Außendurchmesser des zylindrischen Schlägers, m = G/g die Masse des Schlägersind g die Gravitationskonstante ist Um mit einem derartigen Rotationskörper eine kinetische Energie Er = 22,2 mkg zu speichern, muß dieser auf eine Winkelgeschwindigkeit von 414 Bogeneinheiten pro Sekunde beschleunigt werden, und zwar gemäß der Beziehung Er = I . 2#2, wobei # die Winkelgeschwindigkeit ist. Mit den angegebenen Beispielswerten ergibt sich hiernach(» = 414.where r is the outside diameter of the cylindrical club, m = G / g the mass of the racket is g the constant of gravity is Um with such To store a body of revolution a kinetic energy Er = 22.2 mkg, this must be on an angular velocity of 414 arc units per second can be accelerated, namely according to the relation Er = I. 2 # 2, where # is the angular velocity. With the given example values, the following results (»= 414.
Ein Drehkörper mit den angegebenen Daten benötigt bei Antrieb mit einem Drehmoment von M = 0,23 . (1-(#5000)2)mkg etwa 54 Millisekunden zur Beschleunigung auf die angegebene Winkelgeschwindigkeit. Hieraus ergibt sich, daß bei derartigen Werten bis zu 20 Stoßvorgänge pro Sekunde erzielt werden können, Bei einem Bohrkopf mit einem Massenträgheitsmoment von etwa 4 I = 0o105 (cm kg sec2) ergibt dies eine Winkelgeschwindigkeit von etwa 1,35 Bogeneinheiten pro Sekunde und eine resultierende lineare Vortriebsgeschwindigkeit von etwa 25,4 cm pro Minute.A rotating body with the specified data is required for a drive with a torque of M = 0.23. (1 - (# 5000) 2) mkg about 54 milliseconds for acceleration to the specified angular velocity. It follows that with such Values of up to 20 impact processes per second can be achieved with a drill head with a mass moment of inertia of about 4 I = 0o105 (cm kg sec2) this results in a Angular velocity of about 1.35 arc units per second and a resulting linear advance rate of about 25.4 cm per minute.
Zur lenkung des Geräts ist der bereits erwähnte Abschlußteil 20 am rückwärtigen Ende des Vortriebskörpers 10 innerhalb eines Raumwinkels von etwa 300 bezüglich der Kopflängsachse schwenkbar angeordnet. Der Abschlußteil besteht aus einem Gummielement 41 welches an das rückwärtige Ende des Gehäuses 14 angesetzt ist.To steer the device, the aforementioned end part 20 is on rear end of the propulsion body 10 within a solid angle of approximately 300 arranged pivotably with respect to the head longitudinal axis. The final part consists of a rubber element 41 which is attached to the rear end of the housing 14 is.
Innerhalb des Gummielementes 41 ist eine Mehrzahl von sB. acht Stellkolben 42 eingelassen, die entsprechend dem gewünschten Lenkausschlag mittels einer Steuervorrichtung 43 selektiv aus-bzw. eingefahren werden. Der Abschlußteil 20 wirB somit auf Grund dieser Stellvorrichtung und des elEastischen Anschlusses über das Gummielement 41 als einstellbare SteuerflosseO Der Vortriebskörper läßt sich somit gemäß einem vorgegebenen dreidimensionalen Vörtriebspfad innerhalb des Bodens lenken.Inside the rubber member 41 are a plurality of sB. eight actuating pistons 42 let in, according to the desired steering angle by means of a control device 43 selectively off or. be retracted. The final part 20 is therefore due to the ground this adjusting device and the elastic connection via the rubber element 41 as an adjustable control finO The propulsion body can thus be adjusted according to a predetermined steer a three-dimensional feed path within the soil.
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