JP2004150985A - 加圧加振試験機 - Google Patents

Abstract

【課題】長時間に及ぶ加圧加振試験における加圧加振試験機のランニングコストを抑える加圧加振試験機を提供する。
【解決手段】加圧状態にある供試体３１に加圧方向と同方向の振動を加える加圧加振試験機において、加圧用油圧シリンダ機構１１０の油室に流路遮断弁を介装し圧油を供給可能とした油圧ポンプを有する定加圧部を備える。前記加圧用油圧シリンダ機構１１０のヘッド側油室Ａには、供試体３１加圧時に当該液室Ａと圧力平衡を保つロッド側油室の油室Ｃ及び油室Ｄを備える両ヘッド油圧シリンダ機構１２６を有する加振部を接続する。前記両ヘッド油圧シリンダ機構１２６は、両端のヘッド側油室の油室Ｅ及び油室Ｆの加圧、減圧により加振作用をなす。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一方向の加圧力を供試体に付加しつつさらに同方向の加振を加える加圧加振試験機に係り、特に高速道路等の橋桁または建造物の下部に備えられる免振ゴムの加圧加振試験に好適な加圧加振試験機である。
【０００２】
【従来の技術】
従来、供試体特に免振ゴムの耐久試験を行う試験機としては、特許文献１に記載の試験機を使用していた。前記試験機は、水平方向への繰り返し荷重と鉛直方向への一定荷重を免振ゴムに与える試験機である。当該試験機は、鉛直加圧側のシリンダ加圧室にアキュムレータを接続することにより、高速度の水平加振で変化する免振ゴムの高さに対して、鉛直加圧用シリンダが追従して一定荷重を加えられるようにしたものである。しかしながら、上記試験機では、供試体に鉛直方向の一定荷重を加え続けることは可能であるが、鉛直方向へ加圧状態から加振を行うことはできなかった。
【０００３】
そこで、供試体に対して鉛直方向への加圧・加振といった耐久試験を行う試験機として、図４に示される加圧加振試験機を用いていた。図４の加圧加振試験機は、油圧シリンダ機構５を備え、前記油圧シリンダ機構の各油室にはそれぞれ油給排経路が接続されている。前記油給排経路は、油の流路切り替えをなすサーボ弁の一方の口に接続される。前記サーボ弁の他方の口には、作動油タンク７とサーボ弁４とを接続する油給排経路と、作動用のポンプ２とサーボ弁４とを接続する油給排経路が接続される。前記サーボ弁４は、上記４本の油給排経路の吸入又は吐出を流路の組み合わせにより制御する。前記ポンプ２とサーボ弁４との間にはアキュームレータ３が備えられる。また、前記ポンプ２には駆動用のモータ１が備えられる。
【０００４】
上記加圧加振試験機による加圧加振は、サーボ弁４を双方向通路にしておき、ポンプ２を作動させ油圧シリンダ機構５の加圧室に作動油を流入させ加圧状態にする。規定圧力上限まで加圧した後、サーボ弁４を交差通路に切換ることで加圧室内の圧油が作動油タンク７へ流出し、加圧室内の圧力を規定圧力下限まで減圧する。減圧後再びサーボ弁４を双方向通路に切り替えて加圧する。例えば、１４０トン±５０トンの加圧加振を行う場合には、１９０トンの圧力と、９０トンの圧力を繰り返し加えることにより、加圧状態を維持して加振を行うようにしていた。
【０００５】
また、三次元加振試験機のように、ＸＹＺの三軸加振を行う場合には、加振台が傾いたとしても常にＺ軸（垂直方向）には橋桁または建造物に相当する荷重が加えられるため、油圧シリンダ機構５を上下逆向きにし、重量物を常に支えた状態で垂直に加振する必要がある。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−４１８７０号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記加圧加振試験機による加圧加振では、モータ及びポンプは、定加圧分の圧力と加振加圧分の圧力を加減算した圧力を加えることができる出力のものでなければならない。また、前記モータ及びポンプは、加圧加振試験機の作動中、常に大出力のまま運転されることになる。
【０００８】
このため、免振ゴムの耐久試験のように定加圧（１４０トン）状態からさらに加圧（＋５０トン）減圧（−５０トン）による加振を２００万回にわたって行う長時間にわたる繰り返しの加圧加振試験では、大出力の作動装置を常時運転させる必要があるため、多大なランニングコストがかかる問題がある。
本発明では上記問題を解決し、長時間のランニングコストを比較的安価に抑えることを可能な加圧加振試験機を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る加振加圧試験機は、加圧状態にある供試体に加圧方向と同方向の振動を加える加圧加振試験機において、加圧用液圧シリンダ機構の加圧室に定加圧を導入する加圧部を接続するとともに加振用液圧シリンダ機構を有する加振部を接続し、前記加振用液圧シリンダ機構はピストンロッドを共通にする複シリンダ構成をなし、各シリンダのロッド側液室には前記定加圧部による加圧力並びにこれと平衡する圧力を導入しつつヘッド側液室に加振液圧を導入して前記加圧部による負荷を無負荷状態にして加振できるようにしたことを特徴としている。
【００１０】
前記加振用液圧シリンダ機構の各ロッド側液室の一方には加圧用液圧シリンダ機構の加圧室を接続するとともに他方にはアキュームレータを接続し、これら加圧室とアキュームレータとを開閉弁を介して接続してなり、前記加振用液圧シリンダ機構の各ヘッド側液室には両吐出型ポンプを接続して閉回路内にて圧液の往復通流による加振ができるように構成すればよい。
【００１１】
なお、上記手段による加圧加振試験機は、垂直方向（一方向）の加圧加振に対応するものであるが、水平方向の加振試験機と組み合わせ、多軸試験機とすることもできる。
この場合には、水平方向の加振試験機としては、加圧状態にある供試体に加圧方向と交差する方向にアクチュエータにより振動させる多軸試験機において、前記アクチュエータを液圧シリンダ機構により構成し、当該液圧シリンダ機構の両液室に圧液を供給可能な両吐出型斜板ポンプを接続し、この斜板ポンプの駆動モータとともに、斜板切り替え操作ユニットにより吐出流路方向を切り替え可能とすることができる。
【００１２】
前記駆動モータにはフライホイールを接続して慣性回転可能な構成にでき、さらに、前記斜板切り替えユニットは斜板操作用液圧シリンダ機構を用い、当該斜板操作用液圧シリンダ機構の両液室にモータ駆動の両吐出型ポンプを接続して斜板切り替えを可能とすればよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の好適な実施形態について図面に従って説明する。図１は本実施形態に係る加圧加振試験機の構成を示す概略図である。本実施形態に係る加圧加振試験機は、供試体３１を押圧するメインの加圧用液圧シリンダ機構を備えており、この液圧シリンダ機構の加圧室に定加圧を導入する定加圧部と、前記液圧シリンダ機構の加圧室に加振用の圧力を導入して供試体３１に振動を加える加振用液圧シリンダ機構を備えた加振部からなる。
【００１４】
前記定加圧部は、加圧用液圧シリンダ機構である片ロッドの油圧シリンダ機構１１０を備え、供試体３１に定加圧を加えるためのものである。前記油圧シリンダ機構１１０のヘッド側油室Ａ及びロッド側油室Ｂを接続する油給排経路１１３を有し、この油給排経路１１３には液圧ポンプとして両吐出型斜板ポンプ（１方向回転２方向流れの可変容量ポンプ）１１４を介装している。両吐出型斜板ポンプ１１４は、斜板の切換操作により圧油の吐出方向を切り替えるようになっており、通常はヘッド側油室Ａに圧油を供給することにより供試体３１を一定加圧するようにしている。
【００１５】
油室Ａとモータ１１２の間の油給排経路１１３には、油室Ａ側から順に、油室Ａ内の圧力を測定するための圧力計１２４と、高圧作動油の逆流防止用の流路遮断弁であるパイロット式チェック弁１１８が備えられる。また、油室Ｂとモータ１１２の間の油給排経路１１３には、リリーフ弁１２０及びチェック弁１２２が備えられる。前記リリーフ弁１２０及びチェック弁１２２は油圧シリンダ機構１１０のロッドに接続される図示しないロードセル、スライド機構及び供試体３１の総重量によりロッドが引張られ、自然落下しないように油室Ｂの油圧を保つためのものである。また、前記リリーフ弁１２０とチェック弁１２２とは、合わせてカウンタバランスとも言われている。前記パイロット式チェック弁１１８及びリリーフ弁１２０は、パイロット経路からのパイロット信号（パイロット圧）を受けることにより、流路を開とするようになっている。このため、リリーフ弁１２０のパイロット経路１１９は、油室Ａ内の圧力を共有可能な箇所であるパイロット式チェック弁１１８と油室Ａとの間の油給排経路１１３に接続される。ここでパイロット経路１１９の接続先は、油室Ａ内の圧力を共有可能であれば良いため、油室Ａに直接接続する等でも良い。また、パイロット式チェック弁１１８のパイロット経路１２１は、油室Ｂ内の圧力を共有可能な箇所であるリリーフ弁と油室Ｂとの間の油給排経路１１３に接続される。パイロット経路１２１の接続先も、油室Ｂ内の圧力を共有可能であればよいため、前記箇所に限定するものではない。
【００１６】
また、三次元加振試験機のように加振台ごと供試体３１を支える場合には、油圧シリンダ機構１１０を逆転させ、ロッドを上向きにし、多点支持とする。このときパイロット式チェック弁１１８は油室Ｂへ、リリーフ弁１２０は油室Ａへそれぞれ接続される。
【００１７】
前記油圧シリンダ機構１１０は、ピストン１１１の摺動時に油室Ａと油室Ｂとで吐出または吸引される作動油量が異なる。このため両吐出型斜板ポンプ１１４に供給される作動油量を調整するための油量差補正回路１１６を、パイロット式チェック弁１１８とチェック弁１２２との間の油給排経路１１３に、両吐出型斜板ポンプ１１４と並列に接続する。
【００１８】
加振部は、供試体３１に振動を加えるための加振用液圧シリンダ機構を備える。この加振部は前記加圧部による加圧力を無負荷状態にして加振させるようにしている。このため、まず、加振用液圧シリンダ機構は、シリンダブロック内部を長手方向に二分する仕切内壁を持つシリンダブロックと、前記仕切内壁を貫通するロッドの両端にヘッド部を持つピストン１２７とからなる、両ヘッド油圧シリンダ機構１２６である。前記両ヘッド油圧シリンダ機構１２６のヘッド側の油室である油室Ｅ及び油室Ｆには、両吐出型斜板ポンプ１２８を介して両油室を連通する油給排経路１２９が接続される。前記両吐出型斜板ポンプ１２８は、モータ１３０により１方向へ一定回転で駆動され、斜板を制御して圧油の流れの方向及び油量を制御する。前記両ヘッド油圧シリンダ機構１２６の両ロッド側の油室Ｃ及び油室Ｄにはそれぞれ油給排経路１２３と油給排経路１２５が接続される。油給排経路１２３は、油室Ａ内の圧力を共有可能な定加圧部の油室Ａに接続される。油給排経路１２３の接続位置は、油室Ａと油室Ｃとの内圧が平衡状態を保つ位置であればよい。油給排経路１２５は、先端にアキュームレータ１３２を備える。また、加振部は、前記油給排経路１２３と油給排経路１２５をバイパスするバイパス経路１３１を備える。前記バイパス経路１３１は、アキュームレータ１３２と油室Ｄ内の圧力及び、油室Ｃと油室Ａ内の圧力とを平衡状態にし、両者を独立経路とするための流路遮断弁の開閉弁１３４を備える。上記構成により、前記加圧部による加圧力を無負荷状態にして加振動作可能となる。
【００１９】
定加圧部による供試体３１への加圧は、以下の通りである。両吐出型斜板ポンプ１１４の斜板を操作して圧油の吐出を油室Ａ側にしてモータ１１２を駆動させる。モータ１１２の駆動により圧油は油室Ａ側の油給排経路１１３へ吐出される。両吐出型斜板ポンプ１１４から吐出された圧油は、パイロット式チェック弁１１８を通過して、油圧シリンダ機構１１０の油室Ａに流入する。油室Ａに圧油が流入すると、油室Ａ内の圧力は上昇し、リリーフ弁１２０にパイロット信号（パイロット圧）が送られ、リリーフ弁１２０は開になり、油室Ｂ内の圧油が両吐出型斜板ポンプ１１４へ流出可能となり、ピストン１１１が押し下げられる。このとき供試体３１はピストン１１１下部で圧力を受ける。
【００２０】
油室Ａに流入した圧油は同時に、加振部に繋がる油給排経路１２３を通り油室Ｃに流入する。このとき開閉弁１３４は開としておくため、圧油はバイパス経路１３１を経て、油給排経路１２５を通り油室Ｄ及びアキュームレータ１３２へも流入する。
【００２１】
油室Ａ内の圧力が指定圧力に達した後、開閉弁１３４を閉の状態にする。このとき、油室Ａ、油室Ｃ、油室Ｄ及びアキュームレータ１３２内の圧力は平衡状態にある。
上記状態において、両吐出型斜板ポンプ１２８及びモータ１３０を作動させることによって加圧状態の油圧シリンダ機構１１０に圧力変化を与え、供試体３１へ振動を付加することが可能となる。
【００２２】
両吐出型斜板ポンプ１２８の斜板を制御し、吐出を油室Ｅ側にしてモータ１３０を駆動すれば、圧油は油室Ｅへ流入し、油室Ｅ内の圧力上昇に伴いピストン１２７は油室Ｃ側へ押される。ピストン１２７の移動に伴って油室Ｃから流出した圧油は油給排経路１２３を通り油室Ａへと流入する。油室Ｅからの加圧により、油室Ｃ及び油室Ａ内の圧力は上昇し、油圧シリンダ機構１１０は加圧状態からさらに加圧されたことになる。このとき、油室Ｆ内の圧油は、両吐出型斜板ポンプ１２８へ流入し、油室Ｄ内にはアキュームレータ１３２から圧油が流入する。
【００２３】
両吐出ポンプ１２８の斜板を操作し、圧油の流れを逆転させると、圧油は油室Ｆに流入し、油室Ｆ内の圧力上昇に伴いピストン１２７は油室Ｄ側へ押される。ピストン１２７の移動に伴って油室Ｄから流出した圧油はアキュームレータ１３２へ流入する。このとき油室Ｅ内の圧油は、両吐出型斜板ポンプ１２８へ流入し、油室Ｃ内へは油室Ａから圧油が流入する。このため、油室Ａ及び油室Ｃには油室Ｆに付加した分の負圧がかかり、両油室内の圧力は下降する。つまり、油圧シリンダ機構１１０は加圧状態のまま減圧されたことになる。
上記両吐出型斜板ポンプ１２８による圧油の吐出方向の切り替え操作を繰り返すことにより、加圧状態の油圧シリンダ機構１１０を介して供試体３１に規定圧力の振動を加えることができる。
【００２４】
上記構成のもとでは、油圧シリンダ機構１１０に規定の圧力をかけた状態で開閉弁１３４を閉にすることで、油圧シリンダ機構１１０の油室Ａと両ヘッド油圧シリンダ機構１２６の油室Ｃ及び油室Ｄとアキュームレータ１３２との二つの閉鎖空間で内圧が平衡状態で保たれる。これにより、両ヘッド油圧シリンダ機構１２６の油室Ｅ及び油室Ｆは無付加状態のまま、供試体３１に油圧シリンダ機構１１０の規定圧力をかけた状態とすることができる。つまり、油室Ｅに付加された圧力は、油圧シリンダ機構１１０の規定圧力に加算され、油室Ｆに付加された圧力は油圧シリンダ機構１１０の規定圧力から減算される。よって、加振部には加圧部と同等以上の圧力発生機構を必要としない。
【００２５】
加圧加振試験機において、加圧用油圧シリンダ機構１１０とは別に、両ヘッド油圧シリンダ機構１２６を設け、前記両ヘッド油圧シリンダ機構１２６のロッド側油室と油圧シリンダ機構１１０のヘッド側油室との圧力平衡をなしつつ、前記両ヘッド油圧シリンダ機構１２６の油室Ｅ、油室Ｆに両吐出型斜板ポンプ１２８を接続して加振可能にしたことにより、加圧状態から加振試験を行う際の源動力をモータ１３０のみとすることが可能となり、長時間のランニングコストが比較的安価となる。
【００２６】
なお、上記実施例において、両吐出型斜板ポンプ１１４による圧油の吐出を油室Ｂ側とすることにより、供試体３１の牽引試験を行うことができる。
また、多軸試験機として応用する実施例としては、図２に示すように、上記構成の垂直方向（一方向）の加圧加振試験機に加え、以下に示す水平方向の加振試験機を組み合わせるものがある。
【００２７】
この実施形態に係る多軸試験機は、床盤上に垂直加圧シリンダ機構のベース２０が設置されており、このベース２０には機枠が取り付けられている。この機枠は門型フレーム２１からなり、ベース２０から立ちあがる支柱部をガイドシャフト２２として構成している。門型フレーム２１の水平中心部には垂直加圧用の油圧シリンダ機構１１０が下向きに伸縮できるように取り付けられている。前記ガイドシャフト２２に案内されて加圧ブロック２９がスライド昇降できるように取り付けられ、この加圧ブロック２９を前記垂直加圧用の油圧シリンダ機構１１０により昇降駆動させるようにしている。加圧ブロック２９は、ベース２０上に置かれた水平方向に往復運動できるスライドテーブル３０と対面されており、スライドテーブル３０上に置かれた供試体３１を加圧する。これにより、供試体３１の垂直加圧試験や垂直振動試験を行うことができる。
【００２８】
また、スライドテーブル３０には水平加振シリンダ機構４０が連結されており、水平加振シリンダ機構４０が往復運動するとともにスライドテーブル３０も往復運動する構成となっている。前記水平加振シリンダ機構４０の両油室には油圧回路４１を介して両吐出型斜板ポンプ５０を接続し、前記油圧回路４１は閉回路構成としている。また、油圧回路４１には回路内の圧力を一定に保つためのリリーフ弁４３ａ及びリリーフ弁４３ｂが設けられている。
【００２９】
前記両吐出型斜板ポンプ５０の概略図を図３に示す。この両吐出型斜板ポンプ５０は圧油の吐出作用をなすピストン５１を収容した回転ブロック５１Ａを有し、この回転ブロック５１Ａを斜板５２に摺動させながら駆動モータ４２（図２参照）に連結された回転シャフト４２Ａによって回転させるようにしている。斜板５２はハウジング５０Ａ内に保持され、傾斜角度を変更できるように取り付けられている。斜板５２の角度を変更するために斜板５２にはアーム５３が設けられており、このアーム５３の先端部に斜板切り替え用シリンダ機構５４のロッド端を連結している。これによりシリンダ機構５４のロッドを伸縮動作させることにより、斜板５２の角度が変更され、吐出方向と吐出量を変更できるものとなっている。したがって、斜板５２は水平加振シリンダ機構４０へ交互に圧油を吐出するよう斜板切り替え動作させることができる。
【００３０】
この構成により、供試体３１を垂直油圧シリンダ機構１１０で加圧した状態で、水平加振シリンダ機構４０により水平振動試験を行うには、駆動モータ４２とともに回転する斜板５２に接続したピストン５１が動作すると同時に、斜板５２に接続したシリンダ機構５４が動作することにより斜板５２の向きが変わり、圧油を吐出する方向を切り替えることができるので、両吐出型斜板ポンプ５０から油圧回路４１への吐出方向が交互に切り替わって圧油が供給される。水平加振シリンダ機構４０の一対の油室（ヘッド側およびロッド側）へ交互に圧油が供給され、これにより水平加振シリンダ機構４０のロッド４０Ａに連結されたスライドテーブル３０は往復運動を行い、供試体３１の水平振動試験を行える。また、両吐出型斜板ポンプ５０を油圧回路４１に接続し、閉回路中を循環する作動油によって水平加振シリンダ機構４０を往復運動させる構成としているため、作動油を加圧するアキュムレータや大量の作動油を貯蔵する作動油タンクを必要とせず、同時に多軸試験機の設置面積の半分を占めていたアキュムレータ設置面積分を減少することができる。
【００３１】
また、駆動モータ４２にフライホイール４４を接続し、フライホイール４４の慣性回転によりエネルギを駆動モータ４２に伝達するよう構成しておくと、フライホイール４４で蓄積されたエネルギが駆動モータ４２を介して前記両吐出型斜板ポンプ５０に伝達される。フライホイール４４の回転エネルギＥはＥ＝（１／２）Ｊω^２で表されるので、例えば、フライホイール４４の重量を３００ｋｇ、回転半径を０．５ｍとし、フライホイール４４が１５００ｒｐｍから１２００ｒｐｍまで減速してエネルギを駆動モータ４２に伝達したときのエネルギは３３３ｋＷとなる。このエネルギは駆動モータ４２を介して前記両吐出型斜板ポンプ５０に伝達されるため、駆動モータ４２の出力はフライホイール４４で生じた分のエネルギ分を小さくすることができる。従来技術では、例えば１２００ｋＷの駆動モータ４２が必要であった場合でも、駆動モータ４２にフライホイール４４を接続した多軸試験機では、３００ｋＷ程度の駆動モータ４２で水平加振シリンダ４０を振動することができる。このため、小型の駆動モータ４２で大出力を必要とする振動を行うことができるため、コスト削減を図ることができる。
【００３２】
水平方向の加振試験機と組み合わせ多軸試験機としたことにより、垂直方向に加圧加振状態で、水平方向の加振を加えることが可能となり、供試体３１に複雑な振動を与える試験が可能となる。また、上記構成の水平方向の加振試験機と組み合わせて多軸試験機としたことにより、従来の多軸試験機に比べ、多軸試験機の設置面積が大幅に削減される。また、試験施設の小型化に伴い、設置にかかるコストも大幅に削減できる。
【００３３】
本実施例では作動ポンプに両吐出型斜板ポンプを使用したが、これを２方向回転２方向流れの固定容量ポンプとし、モータにより回転方向及び回転速度を制御し、圧油の流れの方向及び油量を決定しても良い。
【００３４】
【発明の効果】
上記の発明によれば、加圧状態にある供試体３１に加圧方向と同方向の振動を加える加圧加振試験機において、加圧用液圧シリンダ機構の液室に流路遮断弁を介装し圧液を供給可能とした液圧ポンプを有する定加圧部を備え、前記加圧用液圧シリンダ機構のヘッド側液室には、供試体３１加圧時に当該ヘッド側液室と圧力平衡を保ちつつ、加振可能な液圧シリンダ機構を有する加振部を接続したことにより、加圧状態を保持しながらの長時間の加振試験にかかるランニングコストを比較的安価とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】加圧加振試験機の概略図である。
【図２】加圧加振試験機の多軸試験機への応用例を示す概略図である。
【図３】両吐出型斜板ポンプの構造を示す断面図である。
【図４】加圧加振試験機の従来例を示す概略図である。
【符号の説明】
３１………供試体、１１０………油圧シリンダ機構、１１１………ピストン、１１２………モータ、１１４………両吐出型斜板ポンプ、１１６………油量差補正回路、１１８………パイロット式チェック弁、１２０………リリーフ弁、１２２………チェック弁、１２４………圧力計、１２６………両ヘッド油圧シリンダ機構、１２７………ピストン、１２８………両吐出型斜板ポンプ、１３０………モータ、１３２………アキュームレータ、１３４………開閉弁。

Claims (2)

1. 加圧状態にある供試体に加圧方向と同方向の振動を加える加圧加振試験機において、加圧用液圧シリンダ機構の加圧室に定加圧を導入する加圧部を接続するとともに加振用液圧シリンダ機構を有する加振部を接続し、前記加振用液圧シリンダ機構はピストンロッドを共通にする複シリンダ構成をなし、各シリンダのロッド側液室には前記定加圧部による加圧力並びにこれと平衡する圧力を導入しつつヘッド側液室に加振液圧を導入して前記加圧部による負荷を無負荷状態にして加振できるようにしたことを特徴とする加圧加振試験機。
2. 前記加振用液圧シリンダ機構の各ロッド側液室の一方には加圧用液圧シリンダ機構の加圧室を接続するとともに他方にはアキュームレータを接続し、これら加圧室とアキュームレータとを開閉弁を介して接続してなり、前記加振用液圧シリンダ機構の各ヘッド側液室には両吐出型ポンプを接続して閉回路内にて圧液の往復通流による加振を可能としたことを特徴とする請求項１記載の加圧加振試験機。

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