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Für die Abdichtung hohen hydraulischen Drucks an axialbewegten Maschinenteilen
werden heute vielfach Dichtkantenringe aus verstärkten PTFE-Werkstoffen
verwendet.
Es läge daher nahe, die vom Radialwellendichtring bekannte Lösung der axial gewellten
Dichtkante auf diese Ringe zu übertragen, indem auch sie mit einer wellenförmigen
Dichtkante hergestellt werden.
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Da aber in aller Regel diese PTFE-Dichtkantenringe nur durch zerspanende
Bearbeitung herstellbar sind, wäre zur Herstellung gewellter Konturen ein aufwendiges
und teures Bearbeitungsverfahren nötig. Dazuhin ergäbe sich eine unerwünschte Asymmetrie
der zur Rückförderung fähigen Anteile der dynamischen Dichtflächen.
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Ein weiteres Problem bei Hochdruck-Wellendichtungen ist die Gefahr,
daß der Dichtring, etwa ein O-Ring oder ein PTFE-Dichtkantenring, unter bestimmten
Betriebsbedingungen an seiner Gegengleitfläche haftet und dadurch in unerwünschter
Weise in Drehbewegung versetzt wird. Dies führt aber in aller Regel zu einem frühzeitigen
Ausfall der Dichtung, da dann nämlich solche Flächen aufeinander gleiten, die aufgrund
ihrer Werkstoffpaarung oder ihrer Rauheit nicht als Gleitdichtflächen geeignet sind.
Damit besteht also weiterhin die Aufgabe, eine Verdrehsicherung zwischen dem Dichtring
und den ihn aufnehmenden Konstruktionsteilen auf möglichst einfache und wirtschaftliche
Art zu schaffen.
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Unter Beseitigung der genannten Nachteile werden die bestehenden
Aufgaben für Hochdruck-Wellendichtungen erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der
aus der Druckeinwirkung resultierende Axialschub des Dichtrings an dessen niederdruckseitiger
Stirnfläche an mehreren Vorsprüngen abgestützt wird, wobei sich der Dichtringquerschnitt
in Umfangsrichtung gesehen infolge der axialen Durchbiegung einzelner Teilabschnitte
des Dichtrings wellenartig verformt, wobei zusätzlich Vorsprünge als Verdrehsicherung
angeordnet werden können.
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Infolge der wellenartigen Verformung des gesamten Dichtringquerschnitts
wird auch der von Teilen dieses Querschnitts gebildete hochdruckseitige Dichtflächenrand
in erwünschter Weise wellenartig verformt.
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Vorzugsweise werden die Vorsprünge an einem besonderen Stützring
angebracht. Bei PTFE-Dichtkantenringen oder anderen Dichtringen aus Kunststoff können
die Vorsprünge auch an der druckabgewandten Stirnfläche des Dichtrings angebracht
sein.
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Bei der Verwendung von Elastomer-Dichtringen wird der Erfindungsgedanke
vorzugsweise dadurch verwirklicht, daß niederdruckseitig ein Stützring angeordnet
wird, der auf seiner dem Dichtring zugewandten Seitenfläche wellenförmige Vorsprünge
aufweist. Dabei kann die Steilheit der Wellen in Umfangsrichtung gesehen an den
ansteigenden und den abfallenden Wellenflanken ungleich ausgeführt werden. Damit
hat es der Konstrukteur in der Hand, die Schleppwirkung und damit die Schmierfilmbildung
in Abhängigkeit vom abzudichtenden Druck zu steuern. Insbesondere für die Abdichtung
hoher Druckdifferenzen kann es vorteilhaft sein, die Schleppgeschwindigkeitskomponente
vom abzudichtenden Raum in den Dichtspalt hinein kleiner zu wählen als die Komponente,
die die im Spalt befindliche Flüssigkeit wieder in den Hochdruckraum zurückschleppt.
Wegen der Asymmetrie des Pressungsverlaufs im Dichtspalt ergibt sich in diesem Fall
die beste dynamische Dichtwirkung.
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Die Vorsprünge des Stützrings können erfindungsgemäß auch prismatisch
ausgeführt werden, dergestalt, daß der Dichtring bei niederem Druck nur an den Kanten
oder den Vorderflächen der Prismen anliegt und erst
bei ansteigendem Druck der Dichtring
sich an weitere Teile der Stirnfläche des Stützrings anlegt. Diese Anordnung ist
deshalb besonders vorteilhaft, weil sich hier die Welligkeit des Dichtflächenrands
in Abhängigkeit vom Druck kontinuierlich vergrößert und damit in erwünschter Weise
die hydrodynamische Schmierwirkung mit steigendem Druck zunimmt. Desweiteren entsteht
an den Kanten der Prismen, an denen der Dichtring mit hoher örtlicher Flächenpressung
anliegt, eine verhältnismäßig starke örtliche Verformung des Dichtrings.
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Der Dichtring wird somit an den Kanten der prismenartigen Vorsprünge
formschlüssig verankert, wodurch sich die erforderliche Verdrehsicherung zwischen
Dichtring und Stützring ergibt, was insbesondere dann von Bedeutung ist, wenn der
Dichtring ein Kunststoffring mit gegenüber einem Elastomerring großer Biegesteifigkeit
ist.
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Bei der Verwendung von verhältnismäßig biegesteifen Dichtringen aus
Kunststoff werden zusätzlich in bekannter Weise Spannringe aus Elastomer verwendet,
die den Dichtring zur Unterstützung der Dichtwirkung vorspannen und gleichzeitig
als Nebenabdichtung wirksam sind. Bei solchen Anordnungen wird vorzugsweise der
die Vorsprünge aufweisende Stützring so ausgeführt, daß der radial zum Dichtring
versetzt angeordnete Spannring ebenfalls an den Vorsprüngen des Stützrings anliegt,
das heißt, daß die Vorsprünge radial über die ganze Stirnfläche des Stützrings sich
erstrecken.
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Werden erfindungsgemäß an beiden gegenüberliegenden Stirnflächen
des Stützrings Vorsprünge angebracht, so ergeben sich dadurch weitere wesentliche
Vorteile der Dichtungsanordnung. Wenn sich bei einer solchen Anordnung der Dichtring
zwischen den Vorsprüngen so weit durchgebogen hat, daß er auch an dem zwischen den
Vorsprüngen liegenden Teil des Ringstegs des Stützrings zur Anlage kommt, so wird
nun bei weiterer Drucksteigerung auch der auf der anderen Seite nur partiell abgestützte
Ringsteg axial gebogen. Der Konstrukteur hat es damit in der Hand, durch geeignete
Abstimmung der Biegesteifigkeit sowohl des Dichtrings als auch des Stützrings eine
bis zum höchsten abzudichtenden Druck zunehmende Welligkeit des hochdruckseitigen
Dichtflächenrandes vorzusehen. Ein weiterer Vorteil der auf der Niederdruckseite
des Stützrings zusätzlich angebrachten Vorsprünge besteht darin, daß sie als Anschläge
zur Verdrehsicherung des Stützrings dienen können. Vorzugsweise in der Wand des
Gehäuses oder in einer Stirnfläche der Welle, an die sich der Stützring unter Druckeinwirkung
anlegt, werden Vorsprünge, Stifte oder dergleichen angebracht, die in die Lücken
zwischen den Vorsprüngen auf der druckabgewandten Seite des Stützrings eingreifen.
Schließlich wird durch das beidseitige Anbringen von gleichartigen Vorsprüngen am
Stützring erfindungsgemäß als weiterer Vorteil die Möglichkeit eines versehentlich
seitenverkehrten Einbaus des Stützrings ausgeschlossen.
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Eine besonders vorteilhafte Dichtungsanordnung wird erfindungsgemäß
dadurch erreicht, daß als Dichtring eine Ringscheibe in der Art einer Tellerfeder
verwendet wird, die sich auf einer mit Vorsprüngen versehenen, konischen Stirnfläche
des Stützrings abstützt.
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Vorzugsweise wird auch hier in bekannter Weise die Dichtwirkung gegenüber
dem bewegten Maschinenteil dadurch erreicht, daß eine am Dichtring angebrachte Kante
an die Gegengleitfläche angepreßt wird.
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Beidseitig oder einseitig mit Vorsprüngen versehene Stützringe können
erfindungsgemäß ohne weiteres auch in Verbindung mit an sich für Axialbewegung vorgesehenen
Hydraulik-Dichtkantenringen
zur Abdichtung rotierender Wellen verwendet werden.
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Eine in wirtschaftlicher Hinsicht besonders vorteilhafte Bauweise
der erfindungsgemäß mit Vorsprüngen versehenen Stützringe ergibt sich, wenn sie
aus Endlosbändern hergestellt werden. Damit können auch hier Dichtungsanordnungen
für beliebige Wellendurchmesser mittels ein und desselben »Stützbands« hergestellt
werden, das vor der Montage auf die erforderliche Länge geschnitten und unter Belassen
eines Stoßspalts ringförmig gebogen in die entsprechende Ringnut eingebaut wird.
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Schließlich kann die erfindungsgemäß druckabhängig zunehmende Welligkeit
des hochdruckseitigen Dichtflächenrands bei Dichtringen aus Kunststoff auch dadurch
erreicht werden, daß die Vorsprünge an der druckabgewandten Stirnfläche des Dichtrings
angebracht werden. Vorzugsweise kann der Dichtring in diesem Fall an einer ebenen
Wand abgestützt werden, wobei jedoch wiederum die Vorsprünge die Nebenfunktion der
Verdrehsicherung übernehmen können.
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Eine in technischer Hinsicht optimale Bauweise einer Dichtungsanordnung
mit den erfindungsgemäßen Merkmalen ergibt sich, wenn durch eine besondere geometrische
Anordnung des Spannrings relativ zur Dichtkante des Dichtrings einerseits gerade
die dichtungstechnisch erforderliche minimale Dichtkantenanpressung erzeugt wird
und andererseits infolge eines partiell sich durchbiegenden Dichtringquerschnitts
hochdruckseitig ein axial wellenformiger Dichtflächenrand erzeugt wird. Dies wird
erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Ebene, in der der Dichtring an den Vorsprüngen
zur Anlage kommt, axial gegenüber der druckabgewandten Anlagefläche des Spannrings
zur Niederdruckseite hin versetzt angeordnet ist, und gleichzeitig in bekannter
Weise /4/ die Dichtkante des Dichtrings in unmittelbarer Nähe der druckabgewandten
Stirnfläche des Dichtrings angeordnet ist. Die Kombination der an sich bekannten
Entlastung der Dichtkante vom abzudichtenden Druck einerseits mit der erfindungsgemäßen,
druckabhängig zunehmenden Schmierwirkung infolge des sich wellenförmig verformenden
hochdruckseitigen Dichtflächenrandes ergibt zusammen eine auf andere Weise nicht
erreichbare Standzeit der Dichtung. Gleichzeitig wird bei dieser Dichtungsanordnung
sowohl die beim Anfahren zu überwindende Haftreibung als auch die Gleitreibung beim
andauernden Lauf der Welle minimal. Dadurch können einerseits unerwünschte Ruck-Gleitbewegungen
(Stick-Slip) vermieden werden und andererseits bleibt die Reibungsverlustleistung
im gesamten Betriebsbereich der Dichtung klein.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele
erläutert.
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Die F i g. la bis 1c zeigen die Elemente einer Anordnung mit einem
Elastomer-Dichtring 4 und einem Stützring 3. Insbesondere zeigt F i g. la diese
Anordnung als Wellendichtung im Längsschnitt, wobei der Dichtring und der Stützring
in einer radialen Nut des zylindrischen Außenteils 8 eingebaut sind. Der Dichtring
bildet zusammen mit der Oberfläche der Welle 5 die Gleitdichtfläche 45. Unter der
Einwirkung des abzudichtenden Druckes p legt sich der Dichtring zunächst an den
Vorsprüngen 32 des Stützrings 3 an. Bei zunehmendem Druck biegen sich die zwischen
den Vorsprüngen liegenden Teilstücke des Dichtrings axial durch Dadurch nimmt der
Dichtring einschließlich des druckseitigen Randes 451 der Gleitdichtfläche eine
wellige Form an.
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An der vom Dichtring abgewandten Stirnfläche 33 des Stützrings sind
Vorsprünge 34 angebracht, in die zwecks Verdrehsicherung zwischen Außenteil und
Stützring Stifte 6 eingreifen. Die Verdrehsicherung zwischen Dichtring und Stützring
erfolgt automatisch dadurch, daß infolge des verformungsbedingten Ineinandergreifens
von Dichtring und Stützring eine formschlüssige Verbindung entsteht F i g. tb zeigt
in perspektiver Darstellung einen erfindungsgemäßen Stützring, bei dem beispielsweise
die druckseitigen Vorsprünge 32 wellenförmig und die Vorsprünge 34 prismatisch ausgeführt
sind. Fig. 1c zeigt eine Anordnung, bei der der Dichtring 4 und der Stützring 3
in einer Nut der Welle angeordnet sind, wobei die Gleitdichtfläche 48 durch eine
Umfangsfläche des zylindrischen Außenteils 8 gebildet wirt Die Fig. 2a bis 2c zeigen
die Elemente einer Anordnung mit einem Dichtring 1 aus Kunststoff, einem Elastomer-Ring
2 als Spannring und Nebenabdichtung und einem Stützring 3. F i g. 2a zeigt die Anordnung
als Wellendichtung im Längsschnitt, wobei der Dichtring, der Spannring und der Stützring
in einer radialen Nut des zylindrischen Außenteils 8 eingebaut sind. Die Dichtkante
11 des Dichtrings 1 bildet zusammen mit der Oberfläche der Welle 5 die Gleitdichtfläche
15. Unter der Einwirkung des abzudichtenden Drucks p legt sich der Dichtring zunächst
an den Vorsprüngen 32 des Stützrings 3 an. Gleichzeitig legt sich auch der Spannring
2 an den Vorsprüngen 32 an. Bei zunehmendem Druck biegen sich die zwischen den Vorsprüngen
32 liegenden Teile des Dichtrings und des Spannrings in Richtung der Wellendrehachse
durch. Dadurch nimmt der Dichtring einschließlich seines druckseitigen Randes 151
seiner Gleitdichtfläche eine wellige Form an. An der vom Dichtring abgewandten Stirnfläche
33 des Stützrings sind Vorsprünge 34 angebracht, in die zwecks Verdrehsicherung
zwischen Außenteil und Stützring Vorsprünge 6 eingreifen. Die Verdrehsicherung zwischen
Dichtring und Stützring erfolgt automatisch dadurch, daß infolge des verformungsbedingten
Ineinandergreifens von Dichtring und Stützring eine formschlüssige Verbindung entsteht.
F i g. 2b zeigt in perspektiver Darstellung einen erfindungsgemäßen Stützring, bei
dem beispielsweise die druckseitigen Vorsprünge 32 prismenförmig mit radial gerichteten
Längskanten ausgeführt sind. Die gegenüberliegenden Vorsprünge 34 sind beispielsweise
gleich ausgeführt wie die Vorsprünge 32, so daß hier der Stützring in Bezug auf
seine zur Wellenachse senkrechte Mittelebene spiegelsymmetrisch ausgeführt ist.
Der Dichtring 1 mit seiner Dichtkante 11 wird durch einen O-Ring 2 gespannt und
sekundär abgedichtet. Analog zu der Darstellung in F i g. lc kann selbstverständlich
auch die Kombination aus Dichtring, Spannring und Stützring so angeordnet werden,
daß alle drei Ringe gemeinsam in einer radialen Nut der Welle liegen, wobei die
dann außen liegende Dichtkante des Dichtrings gegen eine Umfangsfläche des zylindrischen
Außenteils 8 abdichtend zur Anlage kommt F i g. 2c zeigt einen Ausschnitt aus einer
in die Ebene abgewikkelten Darstellung der Dichtungsanordnung nach den Bildern 2a
und 2b. Hier wird die verformungsbedingte Verankerung des durchgebogenen Dichtrings
1 an den Kanten 36 der prismenförmigen Vorsprünge 32 deutlich erkennbar. Auch wird
in dieser Darstellung deutlich, daß sich auch der Ringsteg 35 des Stützrings 3 durchzubiegen
beginnt, sobald bei einem bestimmten Druck p der durchgebogene Dichtring 1 die zwischen
den Vorsprüngen 32 liegenden Teile der Oberfläche 31 berührt.
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F i g. 3 zeigt einen Ausschnitt aus einer in die Ebene abgewickelten
Darstellung der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung mit dem Dichtring 1 und dem
Stützring 3. Der Dichtring liegt an den prismatischen Vorsprüngen 32 des Stützrings
an während dieser sich auf prismatischen Vorsprüngen 34 an einer Wand abstützt,
aus der zwecks Verdrehsicherung Vorsprünge 6 herausragen. In diesem Ausführungsbeispiel
sind die Vorsprünge 32 und 34 jeweils am Umfang um eine halbe Teilung gegeneinander
versetzt, so daß hier die Durchbiegung des Dichtrings nicht mehr weiter zunimmt,
wenn er die Oberfläche 31 des Stützrings berührt, wogegen aber die Durchbiegung
zwischen den Vorsprüngen 32 bei steigendem Druck weniger stark zunimmt, da der Bereich
35 des Ringstegs zwischen den Vorsprüngen 34 nachgiebig ist.
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Die F i g. 4a und 4b zeigen die Elemente einer Anordnung der erfindungsgemäßen
Wellendichtung mit einem Dichtring 1 in der Form einer konischen Tellerfeder mit
der Dichtkante 11, einem Spannring 2 als O-Ring aus Elastomer sowie einem Stützring
3 mit aus seiner konischen Stirnfläche 31 hervorstehenden Vorsprüngen 32.
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An seiner druckabgewandten Stirnfläche weist der Stützring Vorsprünge
34 auf, in die Stifte 6 eingreifen.
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F i g. 4b zeigt den konischen Stützring der Anordnung nach F i g.
4a in perspektiver Darstellung.
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Die F i g. 5 und 6 zeigen weitere Varianten der erfindungsgemäßen
Wellendichtung, jeweils mit den Dichtringen 1, den Spannringen 2 den Stützringen
3 mit den Vorsprüngen 32 und 34 sowie den in die Lücken zwischen den Vorsprüngen
34 zwecks Verdrehsicherung eingreifenden Stiften 6.
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Die F i g. 7a zeigt schließlich eine im Hinblick auf Reibung und
Schmierung optimale Gestaltung der erfindungsgemäßen Wellendichtung. Der Dichtring
1 aus Kunststoff weist eine möglichst nahe seiner vom Druck p abgewandten Stirnfläche
17 liegende Dichtkante 11 auf. Der Spannring 2 ist ein X-Ring aus Elastomer. Der
Stützring 3 mit seinen stirnseitigen Vorsprüngen 32 ist mit dem Gehäuse 8 verdrehgesichert
verbunden und axial so angeordnet, daß die Stirnfläche 81 der Gehäusenut, an der
der Spannring an seiner druckabgewandten Stirn fläche anliegt gegenüber der druckabgewandten
Stirn fläche 33 des Dichtrings um das Maß »T« axial versetzt ist. Durch geeignete
Wahl von »T« kann die vom Spann ring auf den Dichtring übertragene Radialkraft auf
die dichtungstechnisch gerade noch notwendige Größe festgelegt werden, wodurch sich
andererseits die kleinste mögliche Reibungskraft zwischen Dichtring und rotierender
Welle ergibt.
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Der Ringraum 153 zwischen Dichtring und Welle 5 ist mittels mindestens
einer axialen Nut 154 im Dichtring mit dem abzudichtenden Raum verbunden und somit
immer mit dem Druckp, den Dichtring radial entlastend, beaufschlagt. Weiterhin ist
an der druckzugewandten Stirnfläche des Dichtrings mindestens eine radiale Nut 155
vorhanden, um den abzudichtenden Druck p auch in den Nutraum vor dem Spannring gelangen
zu lassen.
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Dadurch ist sichergestellt, daß der Spannring auch bei schneller Änderung
des Druckes immer mit dem Druck p in voller Höhe belastet wird.
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F i g. 7b zeigt eine weitere Ausführung einer erfindungsgemäßen Wellendichtung
bei der neben der Erzeugung einer sich druckabhängig vergrößernden Welligkeit der
Gleitdichtfläche das Prinzip der Teilentlastung der Dichtkante 11 von der Wirkung
des abzudichtenden Drucks angewendet ist. Beide Wirkungen zusammen ergeben ein optimales
Dichtverhalten bei
kleinstmöglicher Reibung und damit praktisch keinen Verschleiß.
In F i g. 7b ist gezeigt, wie mit einem üblicherweise als Hydraulikdichtung verwendeten
PTFE-Dichtkantenring 1 eine rotierende Welle nahezu ohne Leckage und bei kleinster
Reibung abgedichtet wird, indem sich der Dichtring axial an den Vorsprüngen 32 eines
Stützrings 3 abstützt. Der zusätzliche Distanzring 9 bewirkt hier eine um das Maß
»T« axial versetzte Abstützung der Rückseite des Spannrings, der hier beispielsweise
als O-Ring ausgeführt ist. Zwischen Dichtring und Distanzring ist soviel Radialspiel
vorhanden, daß keine Radialkraft vom Distanzring auf den Dichtring übertragen werden
kann. Dadurch, sowie durch die Wahl des Maßes »T« hat es der Konstrukteur der Dichtung
in der Hand, die druckabhängig zunehmende radiale Anpressung der Dichtkante 11 so
zu wählen, daß Leckage einerseits und Reibungsleistung der Dichtung andererseits
entsprechend der speziellen Aufgabenstellung optimal aufeinander abgestimmt werden.
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Die F i g. 8 zeigt eine Reihe von Formvarianten der Vorsprünge, die
erfindungsgemäß zur axialen Abstützung des Dichtrings dienen. Die Vorsprünge können
an einem Stützring oder am Dichtring angebracht sein.
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