JP4356576B2 - 鉄道車両の輪軸支持方法及び鉄道車両用台車並びに鉄道車両 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両における輪軸の前後支持剛性を一定にして、片押し式踏面ブレーキの作用を阻害せずに、曲線通過時における自己操舵機能を付加した鉄道車両の輪軸支持方法、及び、この輪軸支持方法を実施する鉄道車両用台車並びに鉄道車両に関するものである。

従来から、列車の走行をスムーズに行うため、ボギー台車の輪軸を、軸ばね装荷で支持した台車が用いられている。
輪軸をラジアル方向に自己操舵させ、曲線通過性能を向上するには、軸箱を前後方向に柔支持することが望ましいが、直線高速走行時の蛇行動に対しては、軸箱の前後方向支持力を剛にすることが望ましい。

これらの相反する問題を解決するために、各台車の軸箱の前後支持剛性を前側の輪軸を柔支持、後側の輪軸を剛支持とし、車両でみたときに、図１４に示したように、第１軸１を柔、第２軸２を剛、第３軸３を剛、第４軸４を柔にする技術が開示されている。なお、図１４中の５は車体、６は台車を示す。
特開平９−１０９８８６号公報

また、軸箱の前後方向の支持剛性を左右方向の支持剛性よりも大きくしつつ、輪軸がヨーイングし易い台車が開示されている。
特開昭６３−２６９７７２号公報

しかしながら、前記特許文献１で開示された技術では、車両でみたときの第１軸および第４軸を前後方向に柔支持しているため、図１５に示したような片押し式踏面ブレーキ７を採用した台車６の場合、前記踏面ブレーキ７を作用させると、車輪８が台車６の外側（図１５では紙面左方向）に押し出されて輪軸が外側に移動するため、ブレーキが正常に動作しなくなるという問題があった。

したがって、前後方向の剛性を柔らかくする台車については、その移動を抑制するために、たとえば図１５に示したようなモノリンク式の軸箱支持装置を使用するものでは、図１６（ａ）に示すように、モノリンク１１の両端部にゴム９を介在させて形成した弾性支持部１１ａ，１１ｂの、軸箱１０及び台車６との結合部１０ａ，６ａの両側に隙間１１ａａ，１１ｂａを設け、ストッパーとしての機能を別途もたせた構成を採る必要があった。なお、図１６（ｂ）は台車枠と軸箱１０の間隔が伸びたときに両弾性支持部１１ａ，１１ｂの外側の隙間１１ａａ，１１ｂａの壁面に前記結合部１０ａ，６ａが当接し、台車枠と軸箱１０の前後方向の動きを抑制した状態を示した図である。

また、特許文献２で開示された技術では、軸箱の前後に積層ゴム相当を使用する必要があるため、台車枠に端ばりを設置する必要があり、コスト高となるだけでなく、重量増加の問題がある。

解決しようとする問題点は、従来の片押し式踏面ブレーキを採用する鉄道車両では、重量増加等を伴うことなく、曲線通過性能と直線高速走行性能をともに高い次元で両立できる技術はないという点である。

本発明の鉄道車両の輪軸支持方法は、
片押し式踏面ブレーキを採用する鉄道車両において、重量増加等を伴うことなく、曲線通過性能と直線高速走行性能をともに高い次元で両立するために、
複数の輪軸を備えた複数の台車で車両を支持する鉄道車両における輪軸の支持方法であって、
前記輪軸のすべてにおいて前後支持剛性を同等とし、
かつ、前記車両の最先端および最後端に位置する輪軸のヨーイング剛性を、これら輪軸の中間に位置する輪軸のヨーイング剛性より柔となるように支持する点を最も主要な特徴としている。

上記の本発明の鉄道車両の輪軸支持方法は、
複数の輪軸を備えた台車であって、
前記輪軸のすべてにおいて前後支持剛性が同等であり、
かつ、前記複数の輪軸のうち両端に位置する輪軸のいずれかのヨーイング剛性が、その他の輪軸のヨーイング剛性よりも柔となるように支持されていることを特徴とする本発明の鉄道車両用台車を使用することによって実施できる。

具体的には、モノリンク式軸箱支持装置を備えた台車にあっては、
（１）前記複数の輪軸のうち両端に位置する何れかの輪軸を、軸箱を介してそれぞれの車輪の外側で支持するモノリンクが、軸箱側の間隔より台車側の間隔が広くなるように取り付けられていること、
（２）前記複数の輪軸のうち両端に位置する何れかの輪軸以外の輪軸を、軸箱を介してそれぞれの車輪の外側で支持するモノリンクが、軸箱側の間隔より台車側の間隔が狭くなるように取り付けられていること、
（３）輪軸を、軸箱を介してそれぞれの車輪の外側で支持するモノリンクの、軸箱側の間隔と台車側の間隔とを異ならせ、かつ、前記間隔を異ならせることによって発生するモノリンクの傾きが、軸箱側の間隔より台車側の間隔が広くなるように取り付けた場合を正、狭くなるように取り付けた場合を負とした場合、前記複数の輪軸のうち両端に位置する何れかの輪軸を支持するモノリンクの傾きから、その他の輪軸を支持するモノリンクの傾きを差し引いた差が０よりも大きくなるようにモノリンクが取り付けられることによって実施できる。

また、軸はり式軸箱支持装置を備えた台車にあっては、
前記複数の輪軸のうち両端に位置する何れかの輪軸を、軸箱を介してそれぞれの車輪の外側で支持する軸はりの、両軸はり緩衝ゴムの間隔が、
その他の輪軸を、軸箱を介してそれぞれの車輪の外側で支持する軸はりの、両軸はり緩衝ゴムの間隔に比べて、狭くなるように取り付けられていることによって実施できる。

また、本発明の鉄道車両用台車の、
前記複数の輪軸のうち両端に位置する何れかの輪軸を、軸箱を介してそれぞれの車輪の外側で支持するモノリンクと、
その他の輪軸を、軸箱を介してそれぞれの車輪の外側で支持する軸はりを備え、
前記モノリンクが、軸箱側の間隔より台車側の間隔が広くなるように取り付けられる一方、前記軸はりは、軸箱側の間隔より台車側の間隔が広くなるように取り付けることによっても実施できる。

また、モノリンク式軸箱支持装置を備えた前記本発明台車の、
前記モノリンクと車体をリンクで連結し、輪軸を強制操舵可能に構成した本発明の鉄道車両では、自己操舵機能に加えて強制操舵も行えるので、曲線通過性能の更なる向上が図れるようになる。

本発明によれば、鉄道車両の輪軸の前後支持剛性を一定にして、輪軸のヨーイング剛性のみを変えることで、車両でみたときの輪軸のヨーイング剛性を、車両の最先端に位置させる輪軸を柔、中間に位置させる輪軸を剛、車両の最後端に位置させる輪軸を柔にして、自己操舵機能を付加して曲線通過性能の向上を図るとともに、片押し式踏面ブレーキの作用を阻害することもない。

以下、本発明を実施するための形態について図１〜図１３を用いて説明する。
図１〜図８はモノリンク式軸箱支持装置を備えた本発明の鉄道車両用台車について説明する図、図９〜図１２は軸はり式軸箱支持装置を備えた本発明の鉄道車両用台車について説明する図、図１３はモノリンク式軸箱支持装置と軸はり式軸箱支持装置を備えた本発明の鉄道車両用台車について説明する図である。なお、以下の説明は前後２台の２軸操舵台車で車体を支持した車両について説明するが、このような車両に限るものではないことは言うまでもない。

図１において、２１は輪軸を車輪８の外側でそれぞれ回転自在に支持する軸箱１０を、図１５に示したように、モノリンク１１を介して台車に支持させたモノリンク式軸箱支持装置を備えた本発明の鉄道車両用台車であり、本発明では、紙面上側に示す車両の最先端および最後端に位置させる輪軸である、たとえば第１軸１および第４軸４を、前述のように軸箱１０を介して回転自在に、それぞれ車輪８の外側で支持するモノリンク１１が、軸箱１０側の間隔より台車２１側の間隔が広くなるように、傾斜させて取り付けられている。

このような構成を採用した台車２１では、輪軸のヨーイング剛性は以下のようになる。
まず、第２軸２と第３軸３のヨーイング剛性Ｋ2,3は、従来と同様、図２に示すように、軸箱の前後支持ばね２３による前後剛性ｋxを使用して決定するものであるから、曲線走行時における台車２１に対する第２軸２（または第３軸３）の内外軌側の前後変位をｘ、台車２１の中心からモノリンク１１と軸箱１０（台車２１）との取り付け位置までの距離をｂ0とした場合、
Ｋ2,3＝２ｋx・ｂ0²
で求めることができる。なお、図２中のθは台車２１と第２軸２（または第３軸３）間のヨーイング角を示す。

次に、第１軸１と第４軸４のヨーイング剛性Ｋ1,4は以下のようになる。
まず、モノリンク１１による第１軸１と第４軸４のヨーイング剛性Ｋ1m,4mは、図３に示すように、モノリンク１１の初期傾斜角をα、台車２１の中心からモノリンク１１と台車２１との取り付け位置までの距離をｂ1、台車２１の中心からモノリンク１１と軸箱１０との取り付け位置までの距離をｂ0、モノリンク１１の長さをＬとした場合、
α＝sin｛（ｂ1−ｂ0）／Ｌ｝
であらわすことができる。

また、曲線走行時における台車２１に対する第１軸１（または第４軸４）の内軌側の左右変位をｙ1、外軌側の左右変位をｙ2、曲線走行時における内軌側のモノリンクの傾斜角をβとした場合、
ｙ1＝Ｌsin（α＋β）
ｙ2＝Ｌsin（α−β）
であらわすことができる。

また、曲線走行時における台車２１に対する第１軸１（または第４軸４）の内軌側の前後変位をｘ1、外軌側の前後変位をｘ2とした場合、
ｘ1＝Ｌcos（α＋β）
ｘ2＝Ｌcos（α−β）
であらわすことができる。

また、台車２１と第１軸１（または第４軸４）間のヨーイング角をθとした場合、
θ＝sin〔｛（ｘ2−ｘ1）／２｝／ｂ0〕≒｛（ｘ2−ｘ1）／２｝／ｂ0
であらわすことができる。

また、台車２１と第１軸１（または第４軸４）間の左右変位は（ｙ1−ｙ2）／２であらわすことができる。
したがって、前後支持ばね２３の前後剛性をｋx、左右支持ばね２４の左右剛性をｋyとした場合、第１軸１と第４軸４のモノリンク１１でのヨーイング剛性Ｋ1m,4mは、
Ｋ1m,4m＝（１／θ）×２ｋy｛（ｙ1−ｙ2）／２｝²＝２ｋy・ｂ0²・θ／tan²α
であらわすことができる。

本発明の第１軸１と第４軸４では、モノリンク１１による輪軸ヨーイングと、軸箱１０の前後支持ばね２３による輪軸ヨーイングが二重に作用する、つまり、直列として作用するため、本発明のモノリンク式軸箱支持装置を備えた台車２１における第１軸１と第４軸４の全体としてのヨーイング剛性Ｋ1,4は
Ｋ1,4＝（２ｋx・ｂ0²×２ｋy・ｂ0²／tan²α）／（２ｋx・ｂ0²＋２ｋy・ｂ0²／tan²α）＝２ｋx・ｋy・ｂ0²／（ｋx・tan²α＋ｋy）
となる。

したがって、本発明のモノリンク式軸箱支持装置を備えた台車２１における第１軸１と第４軸４の全体としてのヨーイング剛性Ｋ1,4は、第２軸２と第３軸３のヨーイング剛性Ｋ2,3と比較して、｛２ｋx・ｋy・ｂ0²／（ｋx・tan²α＋ｋy）｝／２ｋx・ｂ0²＝ｋx／（ｋx・tan²α＋ｋy）倍軟化できることになる。

この第１軸１および第４軸４におけるモノリンク１１の傾斜角と、（第１軸１および第４軸４のヨーイング剛性／第２軸２および第３軸３のヨーイング剛性）の関係を図４に示す。この図４より、第１軸１および第４軸４におけるモノリンク１１の傾斜角を大きくするほど、ヨーイング剛性が柔らかくなることが分かる。

また、図５は、前後剛性を７．５ｋＮ／ｍｍ、左右剛性を５ｋＮ／ｍｍ、第１軸および第４軸のモノリンクの傾斜角を５０°にした場合に、曲線路の曲率を変化させた場合の曲線通過シミュレーション結果（△印）を示した図である。この図５には同じ前後剛性、左右剛性の台車を使用した場合の従来例の結果（◇印）も併せて示しているが、本発明は全ての曲率において改善されていることが分かる。特に曲率が大きい場合に、外軌横圧低減効果が大きいことが分かる。

図６および図７はモノリンク式軸箱支持装置を備えた本発明の鉄道車両用台車２１の他の例を示したもので、図６（ａ）は空気ばね座１２からモノリンク１１を出している例、図６（ｂ）は図６（ａ）の例において、第１軸１と第４軸４のみならず第２軸２と第３軸３においても、軸箱側の間隔より台車側の間隔が広くなるようにモノリンク１１が取り付けられており、かつ、前記間隔を広くすることによって発生するモノリンク１１の傾きαが、第１軸１、第４軸４の傾きα1,4を、第２軸２、第３軸３の傾きα2,3よりも大きくなるようにしたものである。

また、図６（ｃ）は第２軸２、第３軸３を回転自在に両側で支持するモノリンク１１が、軸箱側の間隔より台車側の間隔が狭くなるように、すなわちモノリンク１１の傾きα2,3が負となるように取り付けられている例、図６（ｄ）は第１軸１と第４軸４のモノリンク１１の傾きα1,4が正で、第２軸２、第３軸３のモノリンク１１の傾きα2,3が負となるように取り付けられている例である。

図７は全ての輪軸１〜４のモノリンク１１を同じ角度だけ傾斜させ、第２軸２、第３軸３の左右剛性を、第１軸１、第４軸４の左右剛性よりも大きくすることで、全体としてみた場合、第１軸１と第４軸のヨーイング剛性を柔とした例である。

以上のように、前後支持剛性が同等の第１軸１〜第４軸４の、車両の最先端および最後端に位置する第１軸１および第４軸４のヨーイング剛性を、これら輪軸の中間に位置する第２軸２および第３軸３のヨーイング剛性より柔となるように支持させることで、片押し式踏面ブレーキを採用する鉄道車両においても、重量増加等を伴わずに、曲線通過性能と直線高速走行性能をともに高い次元で両立することができるようになる。これが本発明の鉄道車両の輪軸支持方法である。

図８は図６（ｄ）の例において、第２軸２、第３軸３のモノリンク１１と車体５をリンク２２で連結し、輪軸を強制操舵可能に構成した例を示したものである。この本発明の鉄道車両では、自己操舵機能に加えて強制操舵も行えるようになって、曲線通過性能の更なる向上が図れる。

なお、以上のモノリンク式軸箱支持装置を備えた本発明の鉄道車両用台車２１の場合、モノリンクゴムブッシュの上下変位に対する耐久性を保つため、モノリンク１１の長さＬは３００ｍｍ以上とすることが望ましい。

本発明は前述のモノリンク式軸箱支持装置を備えた本発明の鉄道車両用台車２１に限らず、図９に示したような、軸はり３２を介して台車に支持させた軸はり式軸箱支持装置を備えた本発明の鉄道車両用台車３１であっても良い。

この軸はり式軸箱支持装置を備えた本発明の鉄道車両用台車３１では、前後支持剛性が同等の第１軸１〜第４軸４の、第１軸１および第４軸４のヨーイング剛性を、第２軸２および第３軸３のヨーイング剛性より柔となるように支持させるためには、図９に示したように、第１軸１および第４軸４を、軸箱１０を介してそれぞれの車輪８の外側で支持する軸はり３２の、両軸はり緩衝ゴム３３の間隔Ａが、車両の前記中間に位置させる第２軸２および第３軸３を、軸箱１０を介してそれぞれの車輪８の外側で支持する軸はり３２の、両軸はり緩衝ゴム３３の間隔Ｂに比べて、狭くなるように取り付ければよい。

このような構成を採用した台車３１では、輪軸のヨーイング剛性は以下のようになる。
まず、第１軸１と第４軸４のヨーイング剛性Ｋ1,4は、図１０に示すように、前後剛性をｋx、曲線走行時における台車３１に対する第１軸１（または第４軸４）の内外軌側の前後変位をｘ、軸はり３２と軸箱１０（台車３１）との両取り付け位置間の距離（＝前記間隔Ａ）を２ｂ0とした場合、
Ｋ1,4＝２ｋx・ｂ0²
で求めることができる。

また、第２軸２と第３軸３のヨーイング剛性Ｋ2,3は、図１０に示すように、前後剛性をｋx、曲線走行時における台車３１に対する第２軸２（または第３軸３）の内外軌側の前後変位をｘ、軸はり３２と台車３１との両取り付け位置間の距離（＝前記間隔Ｂ）を２ｃ0とした場合、
Ｋ2,3＝２ｋx・ｃ0²
で求めることができる。

したがって、本発明の軸はり式軸箱支持装置を備えた台車３１における第１軸１と第４軸４のヨーイング剛性Ｋ1,4と、第２軸２と第３軸３のヨーイング剛性Ｋ2,3の比は、（ｂ0／ｃ0）²となる。

軸はり式軸箱支持装置を備えた台車３１の第１軸１、第４軸４と第２軸２、第３軸の支持間隔の比（＝ｂ0／ｃ0）と、前記ヨーイング剛性の比を図１１に示す。この図１１より、第１軸１、第４軸４と第２軸２、第３軸の支持間隔の比（＝ｂ0／ｃ0）が小さくなるほど、すなわち、第２軸２、第３軸３の軸はり３２の、台車３１側の間隔が広くなるほど、第２軸２、第３軸３のヨーイング剛性が大きくなることが分かる。

これより、第１軸１、第４軸４の前後剛性を現状に保ちつつ、第２軸２、第３軸の前後剛性を大きくすることが可能になって、図１２に示したように、現状の曲線通過性能を維持しつつ、高速安定性を向上することができることが分かる。

本発明は上記の例に限らず、図１３に示したように、軸箱１０側の間隔より台車側の間隔が広くなるようにモノリンク１１を取り付けたモノリンク式の軸箱支持装置と、軸箱１０側の間隔より台車側の間隔が広くなるように軸はり３２を取り付けた軸はり式の軸箱支持装置を混在させて使用した台車４１でも良いなど、各請求項に記載された技術的思想の範囲内で、適宜実施の形態を変更しても良いことは、言うまでもない。

以上の本発明は、片押し式踏面ブレーキを備えた鉄道車両用台車に限らず、ディスクブレーキを備えた鉄道車両用台車にも適用できる。

モノリンク式軸箱支持装置を備えた本発明の鉄道車両用台車の第１の例を示した概略図で、（ａ）は直線走行時、（ｂ）は曲線走行時を示す図である。 第１の例における第２軸、第３軸のヨーイング剛性を説明する図である。 第１の例における第１軸、第４軸のモノリンクでのヨーイング剛性を説明する図である。 第１の例における第１軸、第４軸でのモノリンクの傾斜角と、（第１軸、第４軸のヨーイング剛性／第２軸、第３軸のヨーイング剛性）の関係を示した図である。 軸箱の前後剛性を７．５ｋＮ／ｍｍ、左右剛性を５ｋＮ／ｍｍ、第１軸、第４軸のモノリンクの傾斜角を５０°にした場合の、曲線路の曲率を変化させた場合の曲線通過シミュレーション結果を示す図である。 （ａ）〜（ｄ）はモノリンク式軸箱支持装置を備えた本発明の鉄道車両用台車の他の例を説明する図である。 モノリンク式軸箱支持装置を備えた本発明の鉄道車両用台車のさらに他の例を説明する図である。 図６（ｄ）の例において、モノリンクと車体をリンクで連結し、輪軸を強制操舵可能に構成した例を示したもので、（ａ）は下方斜めから見た図、（ｂ）は下方から見た図、（ｃ）は概略説明図である。 軸はり式軸箱支持装置を備えた本発明の鉄道車両用台車の第１の例を示した概略図で、（ａ）は下方斜めから見た図、（ｂ）は下方から見た図である。 図９の例におけるヨーイング剛性を説明する図である。 軸はり式軸箱支持装置を備えた台車の第１軸、第４軸と第２軸、第３軸の支持間隔の比（＝ｂ0／ｃ0）と、ヨーイング剛性の比を示した図である。 軸はり式軸箱支持装置を備えた台車の第１軸、第４軸と第２軸、第３軸の支持剛性の比と蛇行動限界速度の関係を示した図である。 モノリンク式軸箱支持装置と軸はり式軸箱支持装置を備えた本発明の鉄道車両用台車の例を示した概略図である。 特許文献１で開示された輪軸の支持方法を説明する図である。 片押し式踏面ブレーキを採用した台車を説明する図である。 （ａ）（ｂ）は従来の前後剛性を柔らかくする台車に設置されるモノリンク式の軸箱支持装置に形成したストッパー機構を説明する図である。

符号の説明

１ 第１軸
２ 第２軸
３ 第３軸
４ 第４軸
５ 車体
１０ 軸箱
１１ モノリンク
２１、３１、４１ 台車
２２ リンク
３２ 軸はり
３３ 軸はり緩衝ゴム

Claims (8)

1. 複数の輪軸を備えた複数の台車で車両を支持する鉄道車両における輪軸の支持方法であって、
   前記輪軸のすべてにおいて前後支持剛性を同等とし、
   かつ、前記車両の最先端および最後端に位置する輪軸のヨーイング剛性を、これら輪軸の中間に位置する輪軸のヨーイング剛性より柔となるように支持することを特徴とする鉄道車両の輪軸支持方法。
2. 複数の輪軸を備えた台車であって、
   前記輪軸のすべてにおいて前後支持剛性が同等であり、
   かつ、前記複数の輪軸のうち両端に位置する輪軸のいずれかのヨーイング剛性が、その他の輪軸のヨーイング剛性よりも柔となるように支持されていることを特徴とする鉄道車両用台車。
3. 請求項２に記載の鉄道車両用台車であって、
   該台車がモノリンク式軸箱支持装置を備え、
   前記複数の輪軸のうち両端に位置する何れかの輪軸を、軸箱を介してそれぞれの車輪の外側で支持するモノリンクが、軸箱側の間隔より台車側の間隔が広くなるように取り付けられていることを特徴とする鉄道車両用台車。
4. 請求項２に記載の鉄道車両用台車であって、
   該台車がモノリンク式軸箱支持装置を備え、
   前記複数の輪軸のうち両端に位置する何れかの輪軸以外の輪軸を、軸箱を介してそれぞれの車輪の外側で支持するモノリンクが、軸箱側の間隔より台車側の間隔が狭くなるように取り付けられていることを特徴とする鉄道車両用台車。
5. 請求項２に記載の鉄道車両用台車であって、
   該台車がモノリンク式軸箱支持装置を備え、
   輪軸を、軸箱を介してそれぞれの車輪の外側で支持するモノリンクの、軸箱側の間隔と台車側の間隔とを異ならせ、かつ、前記間隔を異ならせることによって発生するモノリンクの傾きが、軸箱側の間隔より台車側の間隔が広くなるように取り付けた場合を正、狭くなるように取り付けた場合を負とした場合、前記複数の輪軸のうち両端に位置する何れかの輪軸を支持するモノリンクの傾きから、その他の輪軸を支持するモノリンクの傾きを差し引いた差が０よりも大きくなるようにモノリンクが取り付けられていることを特徴とする鉄道車両用台車。
6. 請求項２に記載の鉄道車両用台車であって、
   該台車が軸はり式軸箱支持装置を備え、
   前記複数の輪軸のうち両端に位置する何れかの輪軸を、軸箱を介してそれぞれの車輪の外側で支持する軸はりの、両軸はり緩衝ゴムの間隔が、
   その他の輪軸を、軸箱を介してそれぞれの車輪の外側で支持する軸はりの、両軸はり緩衝ゴムの間隔に比べて、狭くなるように取り付けられていることを特徴とする鉄道車両用台車。
7. 請求項２に記載の鉄道車両用台車であって、
   前記複数の輪軸のうち両端に位置する何れかの輪軸を、軸箱を介してそれぞれの車輪の外側で支持するモノリンクと、
   その他の輪軸を、軸箱を介してそれぞれの車輪の外側で支持する軸はりを備え、
   前記モノリンクが、軸箱側の間隔より台車側の間隔が広くなるように取り付けられる一方、前記軸はりは、軸箱側の間隔より台車側の間隔が広くなるように取り付けられていることを特徴とする鉄道車両用台車。
8. 請求項３〜５、７の何れかに記載の台車を備えた鉄道車両であって、
   前記モノリンクと車体をリンクで連結し、輪軸を強制操舵可能に構成したことを特徴とする鉄道車両。
   

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