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Vsesojuzny Nauchno-Issledovatelsky i Proektno-
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Konstruktorsky Institut Mekhanizirovannogo i Ruchnogo Streitelnogo
Instrumenta, Vibratorov i Stroitelno-Otdelochnykh Mashin (VNIISMI), Khimki Moskovskoi
oblasti, Leningradskoeshosse, 1, UdSSR Schlagmaschine Die vorliegende Erfindung
bezieht sich auf eine Schlagmaschine mit einem Gehäuse, in dem ein feststehender
Zylinder untergebracht ist, dessen Wände mit dem Gehäuse einen Raum bilden, wobei
im Zylinder ein Schlagorgan und ein hin- und hergehender Antriebskolben angeordnet
sind, die durch ein Luftpolster voneinander getrennt sind, wobei zum Druckausgleich
im Luftpolster in der Zone des oberen und unteren Totpunktes des Antriebskolbens
ein System zum Ablassen und Zuführen der Luftpolsterluft durch Bohrungen in den
Seitenwänden des Antriebskolbens vorgesehen ist.
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Derartige Maschinen, sogenannte elektromechanische Hammer oder Bohrllammer,
werden auf dem Bausektor, in der Bergbauindustrie und bei geologischen Erkundungsarbeiten
verwendet.
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Ein Nachteil derartiger Maschinen ist die Steigerung der Vibration
bei hoher Rückprallgröße des Schlagorgans wegen der zunehmenden Größe des Luftpolsters
infolge des Luftausstoßens beim Durchlaufen des Antriebskolbens durch den unteren
Totpunkt. Die Verwendung von einem Kommutatormotor bei derartigen Maschinen führt
zur Entstehung von Zusammenstößen von Schlagorgan und Antriebskolben in Ubergangszuständen.
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Dies geschieht deswegen, weil in den Kommutatormaschinen, die eine
weiche Drehmomentkennlinie besitzen, der Unterschied zwischen der Leerlaufdrehzahl
und den Arbeitsdrehzahlen relativ groß ist.
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Beim Überführen der Maschine aus dem Leerlauf in den Arbeitszustand
arbeitet sie innerhalb einer geringen Zeitspanne im schlagenden Betrieb mit einer
Drehzahl, die der Kurbelwellendrehzahl beim Leerlauf entspricht.
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Die erhöhten Geschwindigkeiten des Antriebskolbens führen dabei zu
einem instabilen Arbeitszustand des Schlagwerks und zur Annäherung von Schlagorgan
und Antriebskolben.
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Dies führt zu einem Zusammenstoß zwischen beiden Teilen, insbesondere
in der Zone des durchlaufs des Antriebskolbens durch den unteren Totpunkt, d.h.
dann, wenn in einem Abschnitt des Hubs des Anriebskolbens durch die Kanäle in seinen
Seitenwänden der Innenraum des Luftpolsters "aufgeschlossen" wird. All dies verringert
die Zuverlassigkeit der Maschine und ist dadurch bedingt, daß das Ein-und Ablassen
der Luftpolsterluft im unteren Totpunkt des Antriebskolbens erfolgt.
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Des weiteren werden Maschinen entwickelt, in denen das Ein- und Ablassen
der Luftpolsterluft sowohl im oberen, wie auch im unteren Totpunkt vorgesehen ist.
Diese Maschinen enth3ltcn ein Gehäuse, in dem ein feststehender Zylinder untergebracht
ist, dessen Wände mit dem Gehäuse einen Raum bilden. Im Zylinder sind aufeinanderfolgend
ein Schlagoryan und ein hin- und hergehender Antriebskolben angeordnet, die durci
ein Luftpolster voneinander getrennt sind. Zum Druckausgleich im Luftpolster ist
in der Zone des oberen und unteren Totpunktes des Antriebskolbens ein System zum
Ablassen und Zuführen der Luftpolsterluft durch die Bohrungen in den Seitenwänden
des Antriebskolbens vorhanden (vergl. DE-PS 1 o57 o28).
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Ein wesentlicher Nachteil dieser Maschine ist deren geringe Zuverlässigkeit
und deren niedrige energetische Ausgangsparameter, die durch eine konstante Querschnittsfläche
der Antriebskolbenrillen bedingt sind, mit deren Hilfe das Zuführen und Ablassen
der Luft in der Zone des unteren und oberen Totpunktes des Antriebskolbens erfolgt
und die die Luftmenge bestimmen, die im Luftpolster enthalten ist. Derartige Maschinen
zeigten eine relativ niedrige Stabilität des Schlagvorgangs bei niedriger Schlagenergie
des Schlagorgans.
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Bei großer Fläche der Antriebskolbenbohrungen verringert schnelles
Füllen des Luftpolsters mit Luft in der Zone des oberen Totpunktes des Antriebskolbens
die Wirkungseit des Vakuums und vermindert die Hubhöhe des Schlag-Organs, was zu
einer Reduzierung der Vorschiaggesclwinaigkeit führt und im Endergebnis keine hohe
Schlagenergie des Schlagorgans erzielen läßt.
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Bei geringerer Fläche der Antriebskolbenbohrungen gelingt es zudem
nicht, d Luftvolumen des Luftpolsters, nachgefüllt
bei der Lage
des Anriebskolbens im oberen Totpunkt, während der Zeitspanne abzulassen, in der
sich der Antriebskolben im unteren Totpunkt befindet. Infolgedessen findet die Nachschlagbewegung
des Schlagorgans hinter dem Antriebskolben her im geschlossenen Luftpolster statt,
wobei in diesem ein Überdruck entsteht, und zwar ein um so größerer, je geringer
die Fläche der Bohrungen im Antriebskolben ist.
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Der erwähnte Überdruck im Luftpolster bremst die Bewegung des Schlagorgans,
wobei dessen Hubhöhe und Vorschlaggeschwindigkeit während des Arbeitsgangs vermindert
werden, was letzten Endes die Schlagenergie des Schlagorgans herabsetzt. Im letzteren
Fall ist auch ein erschwertes Überführen der Maschine aus dem Leerlaufzustand in
den Arbeitszustand zu verzeichnen, insbesondere bei Maschinen mit einem Kommutatorantrieb,
die eine weiche Drehmomentkennlinie besitzen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Maschine der gattungsgemäßen
Art das System zum Ein- und Ablassen der Luftpolsterluft derart auszubilden, daß
ohne zusätzliche Verluste die Menge der in das Luftpolster in der Zone des oberen
Totpunktes des Antriebskolbens eingelassenen Luft mit der Menge der aus dem Luftpolster
in der Zone des unteren Totpunktes des Antriebskolbens abgelassenen Luft ausgeglichen
werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der Wand
des feststehenden Zylinders unmittelbar unter der Stirnfläche des Antriebskolbens
in der Zone des oberen Totpunktes desselben eine Bohrung vorgesehen ist, die das
Luftpolster mit dem zwischen dem feststehenden Zylinder und dem Gehäuse liegenden
Raum in Verbindung setzt.
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Zweckmäßigerweise beträgt die Fläche der in der Wand ausgeührte Bohrung
dem o,14- bis.o,33-fachen der Fläche der Bohrungen im Antriebskolben.
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Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß das Einlassen
der Luft in das Luftpolster in der Zone des oberen Totpunktes des Antriebskolbens
durch eine Bohrung im Zylinder geschieht, deren Fläche so berechnet ist, daß vom
Augenblick der Aufschließung dieser Bohrung durch den Antriebskolben an der Druck
im Luftpolster anzusteigen beginnt und im Moment des Schließens dem Druck im Raum
zwischen dem feststehenden Zylinder und dem Gehäuse gleich ist. Hierbei zwingt der
Unterdruck, der in der Zeit wirkt, in der die Bohrung im Zylinder aufgeschlossen
wird, das Schlagorgan zum Aufwärtsgang bis zu einer großen Höhe, wodurch es beim
Arbeitsgang des Antriebskolbens zum Ausführen des Schlages eine hohe Vorschlaggeschwindigkeit
und folglich eine hohe Schlagenergie gewinnt.
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Im folgenden wird die Erfindung an Hand einer Ausführungsvariante
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert.
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Fig. 1 zeigt eine Schlagmaschine im Schnitt, wobei die Lage des Antriebskolbens
im unteren Totpunkt dargestellt ist, Fig. 2 zeigt die Schlagmaschine der Fig. 1,
wobei die Lage des Antriebskolbens im oberen Totpunkt dargestellt ist, Fig. 3 zeigt
in einem Querschnitt Antriebskolben, Zylinder und Gehäuse, wobei der Anriebskolben
im unteren Totpunkt dargestellt ist, und
Fig. 4 zeigt ein vereinigtes
Diagramm des Arbeitsschlagzyklus, in dem es bedeutet: Sp - Bewegungsweg des Antriebskolbens;
Ss 2 2 Bewegungsweg des Schlagorgans in der erfindungsgemäßen Maschine; 1 - Bewegungsweg
des Schlagorgans in der bekannten Maschine.
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Fig. 5 zeigt das Diagramm des Arbeitsschlagzyklus bei erhöhter Bewegungsfrequenz
des Antriebskolbens. Es bedeutet: Sp - Bewegungsweg des Antriebskolbens; 5 3 - Bewegungsweg
des Schlagorgans der bekannten Maschine; SJ'3 - mit dem Antriebskolben vereinigte
Bewegung des Schlagorgans der bekannten Maschine; 5 4 - Bewegungsweg des Schlagorgans
der erfindungsgemäßen Maschine; - - mit dem Antriebskolben vereinigte Bewegung des
Schlagorgans der bekannten Maschine; Ho - Länge des Luftpolsters im Augenblick der
Überführung der Maschine aus dem Leerlaufzustand in den Arbeitszustand; R - Halbmesser
der Kurbel des für die Bewegungsumwandlung sorgenden Kurbelgetriebes.
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Die Schlagmaschine besitzt ein Gehäuse 1, in dem ein feststehender
Zylinder 2 untergebracht ist, dessen Außenfläche mit der Innenfläche des Gehäuses
1 einen Spalt bildet, so daß ein Raum 3 ansteht. Der Raum 3 ist mit einem Raum 4
vereinigt, der von einem Hohlraum gebildet ist, in dem sich ein umwandelndes Kurbelgetriebe
5 befindet. Der Raum 4 ist auf der Seite eines Antriebskolbens 6 durch dessen Innenfläche
7 begrenzt. Der Kolben 6 ist mit dem
Kurbelgetriebe 5 verbunden
und im Zylinder 2 untergebracht.
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Der Raum 3 ist zo.it demselben Medium wie ein Luftpolster gefüllt,
das im folgenden eingehend beschrieben werden soll.
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Im Zylinder 2 ist ferner ein Schlagorgan 8 angeordnet, das vom Antriebskolben
6 durch ein Luftpolster 9 getrennt ist. Die Bemessung und die Wahl der Luftpolsterparameter
(Länge H und Querschnittsfläche Fv) in Abhängigkeit der 0 erforderlichen Frequenz
und Energie der vom Schlagorgan ausgeführten Schläge sind derzeit voll erforscht
und bereiten keinerlei Schwierigkeiten.
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Das Schlagorgan 8 wirkt über eine Stirnfläche 10 auf der dem Luftpolster
9 entgegengesetzten Seite mit einem Arbeitswerkzeug 11 zusammen. Das Überströmen
der Luft im unteren Totpunkt des Antriebskolbens erfolgt über Bohrungen 12 in den
Wänden des Antriebskolbens 6 und über Segmentrillen 13, die an der Innenfläche des
Zylinders 2 (Fig. 1 und 3) angeordnet sind. Das Überströmen der Luft im oberen Totpunkt
des Antriebskolbens erfolgt über eine Bohrung 14, die in der Wand des Zylinders
2 ausgeführt ist und unmittelbar unter einer Stirnfläche 15 des Antriebskolbens
6 liegt.
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Die Maschine arbeitet in folgender Weise: Bei einer Bewegung des Antriebskolbens
6 aus der unteren Totpunktlage nach oben bewegt das im Luftpolster 9 zwischen dem
Antriebskolben 6 und dem Schlagorgan 8 entstehende Vakuum das Schlagorgan 8 hinter
dem Antriebskolben 6 her in AufvärtsrIc1L.unq. Bei Herannahen des Antriebskolbens
6 (Kurve Sp in Fig. 4) an die Lage des oberen Totpun-tes beginnt sich die Bohrung
14 im Zylinder 2 zu öffnen. Hierdurch setzt ein Uberströmen der Luft aus dem
Raum
3 in den Innenraum des Luftpolsters 9 ein. Der Druck im Luftpolster beginnt damit
zu steigen. Der Querschnitt der Bohrung 14 ist dabei so gewählt, daß der Druckanstiey
im Luftpolster während der gesamten Zeit stattfindet, während welcher der Antriebskolben
6 die Bohrung 14 öffnet, und zwar von der Stelle a bis zur Stelle b auf der Kurve
Sp (siehe Fig. 4). Der Druck wird dem Druck im Raum 3 im Augenblick der Überdeckung
der Bohrung 14 durch den Antriebskolben 6 gleich, und zwar an der Stelle b auf der
Kurve Sp (siehe Fig. 4). Dadurch, daß nach der über deckung der Bohrung 14 durch
den Antriebskolben 6 das Luftpolster 9 eingeschlossen ist und das Schlagorgan 8
sich entgegen dem Antriebskolben 6 bewegt, setzt eine Druckzunahme im Luftpolster
9 ein. Die Druckzunahme vermindert die IIuhgeschwindigkeit des Schlagorgans 8 bis
auf Null und kehrt dessen Bewegungsrichtung zu einer entgegengesetzten um (Kurve
sg in lig. 4), wodurch dem Schlagorgan 8 bei dessen Herannahen an das Arbeitswerkzeug
11 eine bestimmte Vorschlaggeschwindigkeit und eine entsprechende Schlagenergie
erteilt wird. Die maximale Zuverlässigkeit und Stabilisierung der Schlagenergie
unter Sicherstellung von hohen energetischen Kennwerten erreicht die Maschine bei
einem Verältnis der Fläche der Bohrung 14 im Zylinder 2 zur Fläche der Bohrung 12
im Antriebskolben 6 von o,14 bis o,33.
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Ist das Verhältnis größer als o,33, so steigt der Druck im Luftpolster
9 nach dem öffnen der Bohrung 14 durch den Antriebskolben 6 in dessen oberem Totpunkt,
Stelle a auf der Kurve Sp (siehe Fig. 4), rasch an. Hierbei wirkt die meiste Zeit
(in der das öffnen der Bohrung 14 geschieht) auf das Schlagorgan 8 kein Unterdruck
ein. Dies verringert die Hubhöhe des Schlagorgans 8, dessen Bewegungsbahn SS 1 in
Fig. 4 dargestellt ist, und demzufolyc auch seine Vorschlaggeschwindigkeit
(infolge
der geringeren Beschleunigungshöhe des : alagorgans bei dessen Arbeitsgang), die
dem Tangens des Steiqungswinkels der Tangente tgß, proportional ist, die zur Bewegungsbahn
Sf 1 des Schlagorgans 8 an der Schlagstelle C'(siehe Fig. 4) geführt ist. Die Herabsetzung
der Vorschlaggeschwindigkeit des Schlagorgans 8 führt zu einer geringeren Schlagenergie.
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Ist das Verhältnis kleiner als o,14, so stellen sich in den Übergangszuständen,
beispielsweise beim Übergang vom Leerlaufzustand zum Arbeitszustand (Schlagbetrieb)
Zusammenstöße von Schlagorgan 8 und Antriebskolben 6 ein. dieser Nachteil tritt
in Maschinen mit dem Kommutatorantrieb auf, die eine weiche Drehmomentkennlinie
besitzen. Hierbei arbeitet die Maschine (indem sie im ersten Zeitmoment zum Schlagbetrieb
übergeht) mit einer Bewegungsfrequenz des Antriebskolbens 6, die seiner Frequenz
beim Leerlauf der Maschine gleich ist, und die um das 1,5- bis 2-fache größer als
die Arbeitshubfrequenz sein kann. Wie aus der Berechnungstheorie bekannt ist, nimmt
mit der zunehmenden Bewegungsfrequenz des Kolbens die Steilheit der Hubbewegung
des Schlagorgans, d.h. Kurve S3 in Fig. 5, ab. Beim erwähnten Verhältnis, das kleiner
als o,14 (zur größeren Anschaulichkeit der Erläuterung wird die Fläche der Bohrung
14 gleich Null angenommen) ist, besteht während der meisten Zyklusdauer zwischen
dem Schlagorgan 8 und dem Antriebskolben 6 ein Vakuum, und die Zone, in der sich
ein Druck aufbaut, d.h. beginnend mit der Stelle d in Fig. 5, tritt bereits beim
Herannahen des Antriebskolbens 6 an den unteren Totpunkt (VoII der Stille e bis
zur Stelle f in Fig. 5i ein.
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Wenn der Innenraum des Luftpolsters 9 durch die Bohrung 12 im Antriebskolben
6 geöffnet wird, fällt der Druck im Innenraum bis auf den Druck im Raum 3 ab. Hierbei
ist die
Wirkungszeit des Druckes auf das Schlagorgan 8 gering.
Das Schlagorgan 8 schafft es jedoch nicht, während der Abbremsung seine Bewegungsrichtung
umzukehren. Nach der Überdeckung der Bohrungen 12 des Antriebskolbens 6 an der Stelle
f (Fig. 5) bildet sich bei dessen Aufwärtsgang zwischen dem Schlagorgan 8 und dem
Antriebskolben 6 ein Vakuum, mit dessen Hilfe das Schlagorgan 8 erneut seine Bewegung
hinter dem Antriebskolben 6 her aufnimmt. hierbei setzt die Bewegung des Schlagorgans
8 bereits bei einer Länge des Luftpolsters 9 ein, welche nicht Ho, sondern H1 (siehe
Fig. 5) gleich ist, die kleiner als Ho ist. Also findet bei jedem Bewegungszyklus
des Antriebskolbens 6 eine Abnahme der Länge des Luftpolsters 9 bis zur vollständigen
Annäherung des Schlagorgans 8 an den Antriebskolben 6 in dessen unterem Totpunkt
statt. Dabei erfolgt diese Annäherung schlagend, was sich auf die Zuverlässigkeit
der Maschine insgesamt sehr nachteilig auswirkt.
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Zusammenstöße des Schlagorgans 8 mit dem Antriebskolben 6 im Übergangszustand
der Maschine werden vermieden, wenn das erwähnte Verhältnis größer als o,14 ist.
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Hierbei geht die Aufwärtsbewegung des Antriebskolbens mit dem Öffnen
des Innenraums des Luftpolsters 9 durch die Bohrung 14 einher. In diesem Fall steigt
der Druck im Luftpolster 9 bis auf Druck im Raum 3 im Augenblick der Überdeckung
der Bohrung 14 (Stelle b auf der Kurve Sp Fig. 5) durch den Antriebskolben 6. Da
der Antriebskolben 6 und das Schlagorgan 8 nach Durchlauf der Stelle b in Fig. 5
sich gegenläufig bewegen, setzt eie Druckzunahme im Luftpolster 9 ein. Die Wirkungszeit
dieses Druckes ist bis zum Augenblick des Öffnens des Luftpolsters 9 durch die Bohrungen
12 des Antriebskolbens 6 in diesem Fall viel
größer (von der stelle
b bis zur Stelle e der Kurve S, Fig. 5).'Das Schgagorgan 8 kann es somit schaffen,
seine Bewegungsrichtung (siehe die Bewegungsbahn Sps 4 in Fig. 5) umzukehren. Hierbei
endet der Arbeitszyklus mit einem Schlag des Schlagorgans 8 gegen das Arbeitswerkzeug
11 an der Stelle g von Fig. 5. Nach Zurückprallen beim nächsten Zyklus steigt das
Schlagorgan 8, dem Antriebskolben 6 folgend, auf eine noch größere Höhe, wodurch
eine größere Vorschlagschwindigkeit und dementsprechend eine größere Schlagenergie
des Schlagorgans 8 gewährleistet wird. Mit der von einem Zyklus zum anderen zunehmenden
Schlagenergie des Schlagorgans 8 und sornit zunehmenden Belastung des Antriebes
nimmt die Bewegungsfrequenz des Antriebskolbens ab. Dies dauert so lange an, bis
die Bewegungsfrequenz des Antriebskolbens 6 und die Schlagenergie des Schlagorgans
8 ihre Nennwerte erreichen, die im stationären Betriebszustand auftreten. Hierbei
erfolgen keine Zusanunenstöße des Schlagorgans 8 und des Antriebskolbens 6 beim
Anlassen der Maschine.
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Zusammengefaßt ergibt sich somit: Die Maschine besitzt ein Gehäuse
1, in dem unter Ausbildung eines Spaltes ein feststehender Zylinder 2 untergebracht
ist. Im Zylinder sind ein Schlagorgan 8 und ein hin- und hergehender Antriebskolben
6 angeordnet, die durch ein Luftpolster 9 voneinander getrennt sind. Zum Druckausgleich
im Luftolstex- im oberen und unteren Totpunkt des Antriebskolbens ist ein System
zum Ablassen und Zuführen der luft zum Luftpolster 9 durch Bohrungen 12 in den Seitenwänden
des Antriebskolbens 6 vorgesehen. Erfindungsgemäß ist in der Wand des feststehenden
Zylinders 2 umnittelbar unter der Stirnfläche 15 des Antriebskolbens 6 in der Zone
des
oberen Totpunktes desselben eine Bohrung 14 ausgeführt, die
das Luftpolster 9 mit dem Raum 3 im Spalt zwischen dem feststehenden Zylinder 2
und dem Gehäuse 1 in Verbindung setzt.
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