JP3765317B2 - 油圧駆動機械の制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はパワーショベル等の建設機械を含む油圧駆動機械の制御装置に関し、特に流量操作弁の操作量の一定操作量当たりの作業機アクチュエータの駆動速度の変化量を、油圧駆動機械の運転状態に応じて変化させることができる制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来にあって、建設機械の作業内容に応じた操作レバーの操作性を得るべく、油圧ポンプの吐出圧と作業機アクチュエータの負荷圧との差圧を、外部より指示された作業種類を示す作業モードに応じて変化させるよう制御する技術が、たとえば特開平２−７６９０４号公報に開示されている。
【０００３】
この公報記載の技術は、「通常作業」モードから「微操作」モードに作業モードの変更がなされると、上記差圧が「通常作業」時よりも小さくなり、操作レバーの一定操作量当たりの作業機アクチュエータの駆動速度の変化量が「通常作業」時よりも小さくなり、「微操作」モードに適合した、より細やかな作業をなし得ることができるというものである。
【０００４】
この種の制御方式として、また特開平２−１６４９４１号公報に開示されたものがあり、エンジンの回転数の低下に応じて上記差圧を小さくするよう制御することにより、エンジン回転の低下に応じて小さくなるいわゆるメータリング領域を大きくしてやり（逆にいうと回転数低下に応じて大きくなるデッドバンドを小さくしてやり）、操作レバーの操作性の向上を図らんとしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように、これら従来技術は、作業モードあるいはエンジン回転に応じて差圧を変化させ、これにより操作レバー操作量対作業機アクチュエータ速度の関係（以下「操作特性」という）を変化させ、操作レバーの操作性を改善しようとする制御方式ではあるが、これら従来技術は、作業モードあるいはエンジン回転に応じて一義的に差圧を変化させているだけであり、実際の油圧回路における圧油リークの影響を考慮して制御するものではない。
【０００６】
すなわち、作業機アクチュエータにかかる負荷が大きくなってくるにつれて、操作弁（流量制御弁）と作業機アクチュエータとの間の油圧管路において圧油漏れ（リーク）が増加して油圧ポンプの実質的な容積効率が低下する。しかもエンジン回転数が小さくなるにつれて、リーク流量のポンプ吐出流量に対する比率が増大して上記容積効率の低下が著しくなる。このため作業機アクチュエータの実速度が低下し、実際の操作特性の関係が大きく変化してしまうことになる。したがって、所望の操作特性が得られなくなり、操作性が悪化することになる。
【０００７】
また、従来技術では、作業モードあるいはエンジンの回転数に応じて差圧を低下させるとはいっても、実際の操作レバーの操作状態に応じて制御するものではない。たとえば、複数の操作弁（流量制御弁）がすべてニュートラル位置にされているときに、そのまま従来技術を適用すると、エンジン高回転時には、操作レバーの操作開始時にいわゆる作業機アクチュエータが急に動き出すという「飛び出し」現象が発生することになり、またエンジン低回転時には、操作レバーの操作開始時に無駄時間や不感帯の増加を招くこととなり、いずれも操作性を悪化させる。
【０００８】
本発明は、こうした実状に鑑みてなされたものであり、圧油リークのあったとしても操作性の悪化が招来することがなく、また、ニュートラル位置から操作レバーが操作されたときにも操作性の悪化が招来することがない装置を提供することをその目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そこで、この発明の第１発明では、原動機により駆動される油圧ポンプと、該油圧ポンプの吐出圧油が圧油供給路を介して供給されることにより駆動される複数の油圧アクチュエータと、前記圧油供給路に設けられ、前記複数の作業機アクチュエータに対して供給される圧油の流量を操作量に応じて制御する複数の流量制御弁とを有し、前記油圧ポンプの吐出圧力と前記複数の作業機アクチュエータの負荷圧力との差圧が設定された値になるように前記油圧ポンプの吐出流量を制御するようにした油圧駆動機械の制御装置において、
前記油圧ポンプの吐出圧力または前記複数の作業機アクチュエータの負荷圧力を検出する圧力検出手段と、
前記原動機の回転数を検出する回転数検出手段と、
前記圧力検出手段によって検出された圧力が大きくなるほど、かつ前記回転数検出手段によって検出された回転数が小さくなるほど差圧設定値が大きくなるように差圧設定値を変化させる手段と
を具えるようにしている。
【００１１】
【作用】
かかる第１発明の構成によれば、圧力検出手段によって検出された圧力が大きくなるほど、かつ回転数検出手段によって検出された回転数が小さくなるほど差圧設定値が大きくなるように差圧設定値が変化する。すなわち、圧力および原動機回転数といった油圧回路における圧油リークに影響を与える要素に応じて差圧設定値が変化するので流量制御弁（を操作する操作レバー）の操作性が向上する。
【００１３】
【実施例】
以下、図面を参照して本発明に係る油圧駆動機械の制御装置の実施例について説明する。なお、実施例では油圧駆動機械としてパワーショベルを想定している。
【００１４】
図１はパワーショベルの作業機のうち２種類の作業機（ブームおよびアーム）を駆動する作業機油圧回路の構成を示している。なお、実施例では図面の煩雑を避けるために２種類の作業機にそれぞれ対応する２つの操作弁のみを示している。
【００１５】
同図に示すように可変容量型油圧ポンプ２はエンジン１によって駆動され、斜板駆動用のレギュレータ１２のピストン１２ａの移動に応じてその斜板２ａの傾転角が変化される。そして、この斜板２ａの傾転角の変化に応じて油圧ポンプ２の１回転当たりの吐出流量Ｄ（ｃｃ／ｒｅｖ）が変化される。エンジン１には該エンジン１の回転数（ｒ・ｐ・ｍ）ωEを検出する回転センサ３２が付設されており、この回転センサ３２の検出信号ωEはコントローラ３３に加えられる。
【００１６】
油圧ポンプ２の吐出圧油は、管路９および該管路９を分岐する管路９ａ、９ｂを介して操作弁７、８にそれぞれ供給される。操作弁７、８は図示せぬ操作レバーの操作量Ｓ1、Ｓ2に応じてスプールが駆動され、このスプールの移動量に応じて各操作弁の開口面積Ａ1、Ａ2が変化し、その変化に応じた流量の圧油が作業機アクチュエータたる油圧シリンダ３、４にそれぞれ供給される。このとき操作弁７から流出される圧油は管路３ａ、３ｂを介して油圧シリンダ３の伸張側のシリンダ室、縮退側のシリンダ室にそれぞれ供給され、油圧シリンダ３をそれぞれ伸張、縮退させる。
【００１７】
同様に操作弁８から流出される圧油は管路４ａ、４ｂを介して油圧シリンダ４の伸張側のシリンダ室、縮退側のシリンダ室に供給され、油圧シリンダ４をそれぞれ伸張、縮退させる。
【００１８】
操作弁７、８は位置Ｎ、Ｍ、Ｌからなり、中立位置Ｎではポンプ２から吐出される圧油が流入するポンプポートはクローズ状態であり、切換位置Ｎから切換位置Ｌ、Ｍまでの途中の状態では操作弁を流れる圧油はスプールに設けられたロットリングの可変の絞り２０で絞られる。また、切換位置Ｌ、Ｍでは絞り２０は一定の面積になっているとともに、各位置で油圧シリンダ３、４の負荷圧、つまり管路３ａ、３ｂ、４ａおよび４ｂにそれぞれ配設された減圧弁２５ａ、２５ｂ、２６ａおよび２６ｂの出口側の圧力がポートＲを介してチェック弁２１、２２にそれぞれ導かれる。
【００１９】
チェック弁２１はパイロット管路２３ａに接続され、このパイロット管路２３ａはパイロット管路２３ｂに接続されている。パイロット管路２３ｂにはチェック弁２２が接続されている。そして、パイロット管路２３ｂはパイロット管路２４に接続されている。よってパイロット管路２４には、油圧シリンダ３、４のうち高圧ＰLS側の圧油がチェック弁２１、２２のいずれかを通過して導かれることになる。パイロット管路２４は減圧弁２５ａ、２５ｂ、２６ａおよび２６ｂのバネ位置側に接続されており、結局、減圧弁２５ａ、２５ｂ、２６ａおよび２６ｂのバネ位置側には油圧シリンダ３、４の高圧側の負荷圧ＰLSが加えられることになる。バネに対向する側には減圧弁の入口側の圧油、つまり操作弁７、８の出口側の圧力がパイロット圧として加えられている。なお、管路１０は操作弁７、８の圧油をタンク１１にリリーフすべく設けられている。
【００２０】
定容量型油圧ポンプ３４は所定圧力の圧油を吐出するものであり、この吐出圧油は管路３５、制御弁３６（いわゆる「ＬＳ−ＥＰＣ弁」と称されるもの）を介して制御弁３７のパイロットポート３７ａに制御圧Ｐcの圧油として供給される。ここで、制御弁３６は、電磁ソレノイド３６ａに対してコントローラ３３から加えられる制御信号に応じて弁位置が変化され、これによって上記パイロットポート３６ａに供給される圧油の流量が変化される。
【００２１】
なお、管路３５には、リリーフ弁３８が配設されていて、油圧ポンプ３４の吐出圧油の圧力がリリーフ弁３８で設定された圧力以上の圧力になると、リリーフ弁３８によりリリーフされる。
【００２２】
油圧ポンプ２の吐出側の管路９はパイロット管路１４に分岐され、このパイロット管路１４はレギュレータ１２の小径側のシリンダ室に接続されるとともに、制御弁３７のパイロットポート３７ｂに接続されている。パイロット管路２３ｂは延長されて制御弁３７のバネ３７ｄが位置されている側のパイロットポート３７ｃに接続されている。このため、制御弁３７のバネ３７ｄが無い側の端部には油圧ポンプ２の吐出圧Ｐpおよび制御弁３６からの制御圧Ｐcが、また制御弁３７の他方のバネ３７ｄがある側の端部には油圧シリンダ３、４の負荷圧のうち高圧側の圧力ＰLSがパイロット圧として、またバネ３７ｄの付勢力がオフセット圧として加えられる。そして制御弁３７では、該制御弁３７の各端部に加えられる圧力の差圧に応じて弁位置が切り換えられ、切換位置に応じた吐出量の圧油がレギュレータ１２の大径側のシリンダ室に供給または排出され、斜板２ａの傾転角が制御される。
【００２３】
この場合、油圧ポンプ圧Ｐpとシリンダ負荷圧ＰLSとの差圧ΔＰLSが、後述するような設定値に保持されるように斜板２ａの傾転角が制御されることになる。この場合、差圧ΔＰLSの設定値は、上記制御圧Ｐc、つまりコントローラ３３から電磁ソレノイド３６ａに加えられる制御信号に応じて変化される。
【００２４】
このとき圧力Ｐp、ＰLSと油圧ポンプ２の吐出量（容積）Ｄの関係は下記（１）式で表される。
【００２５】
Ｄ＝Ｃ・Ａ・√（Ｐp−ＰLS） …（１）
ここでＣは定数であり、Ａは絞り２０の開口面積である。
【００２６】
さて、エンジン１には燃料噴射ポンプ３８とガバナ３９が併設されている。ガバナ３９の燃料コントロールレバー３９ａはモータ４０で駆動され、該レバー３９ａの駆動位置は位置センサ４１で検出される。位置センサ４１の検出信号はモータ４０を駆動制御する際のフィードバック位置信号としてコントローラ３３に加えられる。
【００２７】
スロットルダイヤル４２はエンジン１の目標回転数を設定するものであり、目標回転数ωTHに応じたスロットル信号はコントローラ３３に加えられる。また、モニタパネル４３はパワーショベルで行われる作業モードＭ、つまり「重堀削」モードＭ1、「堀削」モードＭ2、「整正」モードＭ3、「微操作」モードＭ4を選択、指示するものであり、選択された作業モードＭ1、Ｍ2、Ｍ3、Ｍ4を示す信号がコントローラ３３に加えられる。
【００２８】
また、管路１４にはポンプ圧力センサ４４が配設されており、このセンサ４４によって管路１４内の圧油の圧力、つまり油圧ポンプ２の吐出圧油Ｐpが検出される。この検出値Ｐpはコントローラ３３に加えられる。
【００２９】
また、操作弁７、８には、それぞれ操作ストローク量（以下「操作量」という）Ｓ1、Ｓ2を検出する操作量センサ４５、４６が配設されており、検出値Ｓ1、Ｓ2はコントローラ３３に加えられる。
【００３０】
コントローラ３３は、入力された各種信号に基づいてモータ４０に対して駆動制御信号を出力し、エンジン１の出力トルクを制御する。すなわち、図５に示すように、入力された目標回転数ωTHとエンジン回転センサ３２で検出された現在のエンジン回転数ωEとに応じたレギュレーションラインｌ1、ｌ2、ｌ3…が設定されるようモータ４０に駆動制御信号が加えられ、燃料コントロールレバー３９ａが作動されることになる。
【００３１】
一方、コントローラ３３は、入力された各種信号に基づいて後述するような演算処理を実行して、その結果得られた制御信号を制御弁３６のソレノイド３６ａに出力し、制御弁３７、レギュレータ１２を介して油圧ポンプ２の斜板２ａの傾転角、つまり油圧ポンプ２の吐出量Ｄ（ｃｃ／ｒｅｖ）を制御する。
【００３２】
この場合、コントローラ３３は油圧ポンプ２の吸収馬力を一定値にする制御信号を出力している。すなわち、油圧ポンプ２が、入力された作業モードＭ1…に応じた一定馬力が得られるような制御信号を制御弁３６に出力し、制御弁３７を介して油圧ポンプ２の斜板２ａを制御する。このようにして、現在の負荷状態に応じて、最も効率のよい点にマッチング点が移動することになる（図５のＦ参照）。
【００３３】
一方、コントローラ３３は後述するようにして設定された差圧ΔＰLSが得られるような制御信号を出力している。すなわち、コントローラ３３は上記ポンプ吸収馬力の制御とともに差圧の制御も同一の制御信号により行っており、この場合制御弁３６のソレノイド３６ａに加える制御信号に応じて制御弁３７のパイロットポート３７ａに加えられる制御圧Ｐcが変化し、これによって差圧ΔＰLSが変化される。この実施例では、この差圧ΔＰLSを後述するように変化させることで、操作弁７、８の図示せぬ操作レバーの操作性向上を図っている。
【００３４】
以下、かかる差圧ΔＰLSの可変制御の内容について詳述する。
【００３５】
・第１の制御
この第１の制御では、差圧ΔＰLSを作業機アクチュエータに現在かかっている負荷およびエンジンの回転数に応じて変化させることで、上述したいわゆる「圧油リーク」があったとしてもレバー操作性が損なわれない制御を行おうとするものである。
【００３６】
ところで、一般的に、上記圧油リークが操作特性に与える影響は油圧ポンプ２の油圧管路における漏れ量ｑLの吐出量Ｑ（ｃｃ／ｍｉｎ）に対する比率ｑL／Ｑに比例するといわれている。この比率ｑL／Ｑが大きくなることで油圧ポンプ２の実質的な容積効率が低下し、作業機アクチュエータの実速度が低下してしまい、操作レバーの操作特性が所望の操作特性から差圧が低下する方向に変化してしまう。よって、上記比率ｑL／Ｑを小さくすることにより操作特性を所望の特性に維持できレバー操作性を損なわずに済むことができる。
【００３７】
いま、ポンプ吐出量Ｑは、
Ｑ＝Ｄ・ωE …（２）
であり、エンジン回転数ωEに比例している。一方、漏れ量ｑL自体は作業機アクチュエータ７、８にかかっている負荷、つまり油圧ポンプ２の吐出圧Ｐpに比例していることがわかっている。したがって、上記比率ｑL／Ｑは、
ｑL／Ｑ＝Ｐp／ωE …（３）
と表され、結局、油圧ポンプ吐出圧Ｐpが大きくなるほど比率ｑL／Ｑが大きくなるので、これによる差圧の低下を防止するために、圧Ｐpが大なるほど差圧を大きくする方向に補正することで、所望の操作特性を維持することができ、またエンジン回転数ωEが小さくなるほど比率ｑL／Ｑが大きくなるので、これによる差圧の低下を防止するために、回転数ωEが小なるほど差圧を大きくする方向に補正することで、所望の操作特性を維持することができる。
【００３８】
図２はこの第１の制御を行うための、操作レバー操作量Ｓ1、Ｓ2（あるいは操作弁の開口面積Ｓ1、Ｓ2）と差圧ΔＰLSとの関係を、ポンプ吐出圧Ｐp小さい場合（図２（ａ））、ポンプ吐出圧Ｐpが中間値をとる場合（図２（ｂ））、ポンプ吐出圧Ｐpが大きい場合（図２（ｃ））とに分けて示すとともに、エンジン回転数ωEが小さい場合（一点鎖線Ａ）、エンジン回転数ωEが大きい場合（実線Ｂ）ごとに示したものである。
【００３９】
この図２より明かなように図２の（ａ）から（ｂ）へ、そして（ｃ）へと、ポンプ吐出圧Ｐpが大きいほど差圧ΔＰLSは大きくなるとともに、ＢからＡへと、エンジン回転数ωEが小さくなるほど差圧ΔＰLSは大きく設定されるのがわかる。
【００４０】
この図２の内容はコントローラ３３内の図示せぬメモリに予め記憶されており、上記ポンプ圧力センサ４４で検出されたポンプ吐出圧Ｐpと回転センサ３２で検出されたエンジン回転数ωEとに基づいて上記図２のそれら検出値に対応する差圧ΔＰLSが読み出され、この差圧ΔＰLSが得られるよう制御信号が制御弁３６に出力されることになる。この結果、レバーの操作特性は圧油リークが生じたとしたとしても変化せず、所望の操作特性に維持されることになる。
【００４１】
なお、この第１の制御では油圧ポンプ２の吐出圧Ｐpに基づき差圧を変化させるようにしているが、要は作業機にかかる負荷に基づき差圧を変化させることができればよく、作業機の負荷ＰLSに基づき差圧を変化させる実施も当然可能である。
【００４２】
・第２の制御
この第２の制御では、差圧ΔＰLSを、操作弁がニュートラル位置になっているときに、ニュートラル位置以外のときの設定差圧よりも小さくししかもエンジン回転数に応じて変化させることにより、上述したエンジン高回転時の「飛び出し」および低回転時の「無駄時間増大等」の発生を有効に防止して、レバー操作開始時の操作性を向上させようとするものである。
【００４３】
さて、前述したように特開平２−１６４９４１号においては、エンジン回転数の低下に応じて差圧ΔＰLSを低下させるように制御することで操作性向上を図るものであるが、操作弁がすべてニュートラル位置Ｎに操作されているときに、上記制御をそのまま行ったとすると、図３（ａ）のＧに示すように操作レバーの操作開始時において、同図３（ｂ）のＨに示すようにエンジン高回転時には差圧ΔＰLSが大きくなっているので、作業機アクチュエータの駆動速度が急激に立ち上がる「飛び出し」現象が発生することになる。これはニュートラル位置Ｎにおいて設定される差圧とニュートラル位置Ｎ以外の位置に操作されたときに設定される差圧との間に差がないことによるもので、図３（ｃ）のＩに示すようにレバー操作開始時において差圧ΔＰLSが急激に立ち上がることによることに生ずるものである。
【００４４】
したがって、操作レバー、つまり操作弁７、８がニュートラル位置Ｎのときの差圧をΔＰLSnとし、ニュートラル位置Ｎ以外の操作状態のときの差圧をΔＰLSaとしたとき、
ΔＰLSn＜ΔＰLSa …（４）
のごとくニュートラル時の差圧ΔＰLSnが操作時の差圧ΔＰLSaよりも小さくなるように差をつけることで、図３（ｃ）の破線Ｊで示すごとに過渡的にも緩やかな勾配をもって差圧が立ち上がり、図３（ｂ）の破線Ｋに示すごとく上記「飛び出し」現象が除去されることとなる。
【００４５】
一方、エンジン低回転時には上記従来のものでは、ニュートラル位置Ｎのときもエンジン回転数低下に応じて差圧ΔＰLSが小さくなっており、図３（ｂ）の一点鎖線Ｌに示すごとくレバー操作開始時において作業機アクチュエータの駆動速度がなかなか立ち上がらず、無駄時間や不感帯増加が発生している。よってニュートラル位置Ｎにあるときはそれ以外の位置にあるときとは逆に、図４に示すようにエンジン回転数ωEの低下に応じて差圧ΔＰLSnを上昇させることで、上記無駄時間の増加等の不都合を除去することができる。また、この図４のようにエンジン回転数ωEの増大に応じて差圧ΔＰLSnが小さくなるように変化させることで、エンジン回転数増大に伴ない顕著となる「飛び出し」現象を有効に防止することができる。
【００４６】
結局、上記（４）式および図４に示すごとく、操作弁７、８のいずれもがニュートラル位置Ｎになっているときに、操作弁７、８のうちいずれかの操作弁が操作されているときの差圧ΔＰLSaよりも小さく、かつエンジン回転数ωEが大きくなるほど小さくなるように差圧ΔＰLSnが設定され、上記不都合のいずれもが除去され、レバー操作開始時の操作性改善を図ることができる。
【００４７】
上記（４）式および図４の内容は、コントローラ３３内の図示せぬメモリに予め記憶されており、上記操作量検出センサ４５、４６の出力に基づき操作弁７、８のいずれもがニュートラル位置Ｎにあることを検出し、このニュートラル位置Ｎが検出された際に、回転センサ３２の出力ωEに応じた差圧ΔＰLSnを上記メモリから読み出し、この差圧ΔＰLSnが得られるよう制御信号が制御弁３６に出力されることになる。この結果、レバーの操作開始時において上記「飛び出し」現象等はなくなり、操作性が従来よりも改善されることとなる。
【００４８】
なお、この第２の制御は、エンジン回転数低下に応じて差圧を小さくするという従来技術を適用する場合のみならず、レバー操作中はエンジン回転数によらないで差圧が設定される場合に適用しても好適であることは明かである。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したようにこの発明によれば、作業機アクチュエータにかかる負荷が大きくなるほど、かつエンジン回転数が小さくなるほど差圧が小さくなるように差圧を変化させるようにしてので、圧油リークの影響を受けない良好な操作性を維持することができる。また、この発明によれば、操作弁がニュートラル位置にあるときに、操作弁が操作されているときの差圧よりも小さく、かつエンジン回転数が大きくなるほど差圧が小さくなるように差圧を変化させるようにしたので、操作レバー操作開始時の操作性が向上するとともに、作業効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明に係る油圧駆動機械の制御装置の実施例における作業機油圧回路の構成を示す回路図である。
【図２】図２はエンジン回転数とポンプ吐出圧に応じて差圧が変化する様子を示すグラフである。
【図３】図３は操作レバーの操作量と作業機アクチュエータの駆動速度と差圧の時間変化の様子をそれぞれ示すグラフであり、この実施例による効果を従来技術との比較において説明するために用いたグラフである。
【図４】図４は操作レバーがニュートラル位置にあるときのエンジン回転数と差圧設定値との関係を示すグラフである。
【図５】図５は実施例における等馬力制御を説明するために用いた、エンジン回転数と出力トルクとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
２ 油圧ポンプ
３ 油圧シリンダ
４ 油圧シリンダ
７ 操作弁
８ 操作弁
１２ レギュレータ
３３ コントローラ
３６ 制御弁
３７ 制御弁
４４ ポンプ圧力センサ
４５ 操作量センサ
４６ 操作量センサ

Claims (1)

1. 原動機により駆動される油圧ポンプと、該油圧ポンプの吐出圧油が圧油供給路を介して供給されることにより駆動される複数の油圧アクチュエータと、前記圧油供給路に設けられ、前記複数の作業機アクチュエータに対して供給される圧油の流量を操作量に応じて制御する複数の流量制御弁とを有し、前記油圧ポンプの吐出圧力と前記複数の作業機アクチュエータの負荷圧力との差圧が設定された値になるように前記油圧ポンプの吐出流量を制御するようにした油圧駆動機械の制御装置において、
   前記油圧ポンプの吐出圧力または前記複数の作業機アクチュエータの負荷圧力を検出する圧力検出手段と、
   前記原動機の回転数を検出する回転数検出手段と、
   前記圧力検出手段によって検出された圧力が大きくなるほど、かつ前記回転数検出手段によって検出された回転数が小さくなるほど差圧設定値が大きくなるように差圧設定値を変化させる手段と
   を具えた油圧駆動機械の制御装置。

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