JP6922559B2 - 鉄道車両用歯車装置 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両用歯車装置に関し、鉄道車両の電動機の動力を車輪に伝達する歯車装置に関する。

鉄道車両においては、駆動源の回転力を車輪に伝達する歯車装置が用いられている（特許文献１参照）。
鉄道車両用歯車装置は、所期の減速比に設定された大歯車および小歯車を有する。小歯車は駆動軸に接続され、駆動軸には駆動源の回転力が伝達される。回転力は小歯車と噛合する大歯車に伝達され、大歯車が接続された車軸を介して車輪に伝達される。なお、高さ寸法の抑制などの理由から、小歯車は大歯車の周面（歯面）に対して側方から噛合される。また、大歯車および小歯車の回転軸は、水平方向に配置される。

これらの大歯車および小歯車は、密封可能なケース内に収容され、ケースの底部には飛沫潤滑用の潤滑油が貯留される。ケース内の潤滑油は、停止状態で大歯車の一部が浸漬される状態とされ、大歯車の歯溝内に入り込む。大歯車が回転すると、周囲の潤滑油が跳ね上げられ、大歯車の周囲に随伴流が形成され、歯溝内の潤滑油も周囲に飛散する。これらの潤滑油が飛沫となって、両歯車の噛合部分および各歯車の回転軸の軸受部分へと散布され、各々の潤滑が行われる。

潤滑油は、歯車の回転により攪拌されて発熱し、モータから車輪への伝達動力を消費する。このため、潤滑油の量は、軸受の潤滑不足が生じない範囲で少ないことが望ましい。一方で、寒冷地での起動時等の低温状態では粘度が高く、潤滑不足が生じがちであり、一定時間連続して高速回転することにより高温になると、低粘度となって潤滑油量が過剰ぎみとなる。
これに対し、特許文献１では、歯車箱の内部に、潤滑油の粘度が低くなったときに、大歯車の正回転により掻き揚げられた潤滑油を流入する開口を設けた油溜めを設ける。これにより、粘度が高い低温時には、軸受部の潤滑に十分な潤滑油量を確保できる。また、粘度が低い高温時には、油溜め内に余分な潤滑油が溜まって潤滑に供される潤滑油量が減少するので、攪拌熱の上昇を抑えることができる。

特開２００９−１８０３７１号公報

前述した特許文献１の歯車装置では、正転時の大歯車で跳ね上げられた潤滑油を油溜めに取り込むことができるが、油溜めの入口孔の開口方向が正転時に跳ね上げられた油のみを取り込む方向なので、逆転時には同様な動作が行われない。このため、逆転時には正転時と同様な特性が得られず、改善が望まれていた。
これに対し、特許文献１に提示された正転時用の油溜めと同様なものを、逆向きに追加して逆転時用とすることが考えられる。
しかし、歯車箱内のスペースは限られており、とくに大歯車と小歯車との噛合部分の上方という限られた区画に、正転時用および逆転時用の両方の油溜めを設置することは困難であり、その解決が求められていた。

本発明の目的は、正転時および逆転時のいずれにおいても、低速運転時の潤滑性能および高速回転時の攪拌熱抑制を両立できる鉄道車両用歯車装置を提供することにある。

本発明の鉄道車両用歯車装置は、車軸に接続された大歯車と、駆動軸に接続されかつ前記大歯車に噛合された小歯車と、前記大歯車および前記小歯車を収容しかつ底部に潤滑油が貯留されたケースと、前記ケースの内側の前記大歯車の回転軸および前記小歯車の回転軸より高い位置に形成された油溜めと、を有し、前記油溜めは、前記大歯車の周方向に沿って反対向きに形成された第１開口および第２開口を有し、前記第１開口および前記第２開口は、それぞれ開口面が前記大歯車の接線と交差する形状であることを特徴とする。

本発明では、第１開口および第２開口は、それぞれ開口面が大歯車の接線と交差する形状であるため、各々には大歯車で跳ね上げられて大歯車の接線に沿って飛散する潤滑油を効率よく取り込むことができる。
これらの第１開口および第２開口は、互いに周方向の反対向きに配置されているため、大歯車の正転時には一方で潤滑油を取り込み、逆転時には他方により潤滑油を取り込むことができる。
例えば、大歯車の正転時には、大歯車で跳ね上げられた潤滑油が第１開口から油溜めに取り込まれる。また、大歯車の逆転時には、大歯車で跳ね上げられた潤滑油が第２開口から油溜めに取り込まれる。
従って、本発明では、正転時および逆転時のいずれにおいても、同じように油溜めで潤滑油を取り込み、低速運転時の潤滑性能および高速回転時の攪拌熱抑制を両立することができる。

本発明の鉄道車両用歯車装置において、前記油溜めは、前記第１開口と前記第２開口との間を仕切る仕切板を有することが好ましい。

本発明では、仕切板により第１開口と第２開口との間を仕切ることにより、油溜め内に取り込まれた潤滑油が、反対側の開口へ吹き抜けることを防止できる。
油溜めおよび第１開口、第２開口の配置によっては、例えば第１開口から取り込まれた潤滑油が、反対側の第２開口へとそのまま通り抜けてしまい、油溜めの本来の作用が得られない可能性もある。これに対し、仕切板が設けられていれば、第１開口と第２開口との間での潤滑油の吹き抜けを防止し、油溜めに軸受への給油に十分な油を溜めることができ、油溜めとしての本来の機能を確保できる。

本発明の鉄道車両用歯車装置において、前記油溜めは、前記仕切板により、前記第１開口に連通する第１室と、前記第２開口に連通する第２室とに仕切られており、前記油溜めには、前記第１室と前記第２室とを連通する連通部が形成されていることが好ましい。

本発明では、第１開口から第１室に取り込まれた潤滑油と、第２開口から第２室に取り込まれた潤滑油とが、連通部を介して互いに流通可能であり、各々からの潤滑油を合流させることができる。このため、ケース内に戻す（あるいは軸受部や噛合部分に供給する）潤滑油の経路を１系統にまとめることができ、構造を簡素化することができる。

本発明の鉄道車両用歯車装置において、前記油溜めは、前記仕切板の下方に油受けを有し、前記油受けと前記仕切板の下端との間隔により、前記連通部が形成されていることが好ましい。

本発明では、仕切板の上方で第１開口および第２開口からの潤滑油を受けるとともに、潤滑油が下方に流下した際にこれを油受けで受けることができる。油受けと仕切板の下部との間に連通部が形成されるため、油受けは１つだけ設ければよい。また、連通部は油受けと仕切板の下部との間隔で形成することができ、この点でも構造を簡素化できる。

本発明によれば、正転時および逆転時のいずれにおいても、低速運転時の潤滑性能および高速回転時の攪拌熱抑制を両立できる鉄道車両用歯車装置を提供することができる。

本発明の一実施形態を示す断面図。 前記実施形態の第１油溜めを示す拡大断面図。 前記実施形態の第２油溜めを示す拡大断面図。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔全体構成〕
図１において、鉄道車両用歯車装置１は、密封可能なケース２内に収容された大歯車１０および小歯車２０を有する。
大歯車１０および小歯車２０は、互いに所期の減速比に設定され、大歯車１０の側方の噛合部分３で互いに噛合されている。
ケース２の底部には、飛沫潤滑用の潤滑油４が貯留されている。貯留された潤滑油４には、大歯車１０の下部が浸漬されている。

大歯車１０は車軸１１に接続されている。車軸１１には車輪（図示省略）が接続されている。ケース２の車軸１１が貫通する部位には、車軸１１を回転自在に支持する軸受部１２が設置されている。
小歯車２０は駆動軸２１に接続されている。駆動軸２１には電動モータなどの駆動源（図示省略）が接続されている。ケース２の駆動軸２１が貫通する部位には、駆動軸２１を回転自在に支持する軸受部２２が設置されている。

このような鉄道車両用歯車装置１においては、小歯車２０および駆動軸２１が駆動源により回転されると、この回転が小歯車２０に噛合する大歯車１０および車軸１１を介して車輪に伝達される。
大歯車１０が回転することで、ケース２の底部に貯留された潤滑油４が跳ね上げられ、飛沫となって両歯車の噛合部分３および各歯車の軸受部１２，２２へと散布され、各々の潤滑に供される。

〔第１ポケット〕
ケース２の内側には、噛合部分３の上方に、本発明の油溜めである第１ポケット３０が形成されている。
第１ポケット３０には、大歯車１０の周方向に沿って反対向きに形成された第１開口３１および第２開口３２が形成されている。

図２において、第１ポケット３０は、主板３３、底板３４、側板３５、導流板３６および仕切板３７を有し、これらの各板はケース２の内面に支持されている。
主板３３は、大歯車１０の周面に沿って配置され、主板３３の上端とケース２の上側内面との間隔により、第１開口３１が形成されている。
第１開口３１は、その開口面が大歯車１０の接線、とくに正転時に潤滑油が跳ね上げられる方向の接線（図２の流れＴ１１参照）と交差する向きに配置されている。

底板３４および側板３５は、主板３３の下端に順次連続して配置され、主板３３の下部ないし側板３５が樋状に形成されることで、上向きの油受け３８が形成されている。
導流板３６は、側板３５のから離れてその斜め上方に配置され、導流板３６と側板３５との先端同士の間隔により、第２開口３２が形成されている。
第２開口３２は、その開口面が大歯車１０の接線、とくに逆転時に潤滑油が跳ね上げられる方向の接線（図２の流れＴ１２参照）と交差する向きに配置されている。

仕切板３７は、第１開口３１と第２開口３２との間に、これらを分断するように設置されている。この仕切板３７により、第１ポケット３０の内部の空間は、第１開口３１に連通する第１室３０１と、第２開口３２に連通する第２室３０２とに仕切られている。
仕切板３７の下端は、油受け３８に臨んで配置され、仕切板３７の下端と油受け３８（油受け３８を構成する主板３３の下部）との間に、第１室３０１と第２室３０２とを連通する連通部３９が形成されている。

このような第１ポケット３０における潤滑油の流れは次のようになる。
正転時においては、大歯車１０の周面から跳ね上げられた潤滑油は、接線に沿った流れＴ１１となる。潤滑油の流れＴ１１は、第１開口３１から第１ポケット３０の内部に取り込まれ、仕切板３７に衝突して下方へ誘導され、連通部３９を通して流下し、油受け３８に一時貯留される。油受け３８に貯留された潤滑油は、図示しない戻し孔などから、噛合部分３や軸受部１２，２２ほかのケース２の内部へと送られる。

逆転時においては、大歯車１０の周面から跳ね上げられた潤滑油は、接線に沿った流れＴ１２となる。潤滑油の流れＴ１２は、第２開口３２から第１ポケット３０の内部に取り込まれ、導流板３６で導かれて仕切板３７に衝突し、下方へ誘導されて、油受け３８に一時貯留され、正転時と同様に送り出される。

〔第２ポケット〕
図１に戻って、ケース２の内側には、大歯車１０の噛合部分３とは反対側の上方に、本発明の油溜めである第２ポケット４０が形成されている。
第２ポケット４０には、大歯車１０の周方向に沿って反対向きに形成された第１開口４１および第２開口４２が形成されている。

図３において、第２ポケット４０は、主板４３、側板４５および仕切板４７を有し、これらの各板はケース２の内面に支持されている。
主板４３は、大歯車１０の周面に沿って配置され、主板４３の下端とケース２の内側面との間隔により、第１開口４１が形成されている。
また、主板４３の上端とケース２の上側内面との間隔により、第２開口４２が形成されている。

第１開口４１は、その開口面が大歯車１０の接線、とくに正転時に潤滑油が跳ね上げられる方向の接線（図３の流れＴ２１参照）と交差する向きに配置されている。
第２開口４２は、その開口面が大歯車１０の接線、とくに逆転時に潤滑油が跳ね上げられる方向の接線（図３の流れＴ２２参照）と交差する向きに配置されている。

側板４５は、主板４３の下端から上向きに連続して配置され、主板４３の下部ないし側板４５が樋状に形成されることで、上向きの油受け４８が形成されている。
仕切板４７は、第１開口４１と第２開口４２との間に、これらを分断するように設置されている。この仕切板４７により、第２ポケット４０の内部の空間は、第１開口４１に連通する第１室４０１と、第２開口４２に連通する第２室４０２とに仕切られている。
仕切板４７の下端は、油受け４８に臨んで配置され、仕切板４７の下端と油受け４８（油受け４８を構成する主板４３の下部）との間に、第１室４０１と第２室４０２とを連通する連通部４９が形成されている。

このような第２ポケット４０における潤滑油の流れは次のようになる。
正転時においては、大歯車１０の周面から跳ね上げられた潤滑油は、接線に沿った流れＴ２１となる。潤滑油の流れＴ２１は、第１開口４１から第２ポケット４０の内部に取り込まれ、仕切板４７に衝突して下方へ誘導され、油受け４８に一時貯留される。油受け４８に貯留された潤滑油は、図示しない戻し孔などから、噛合部分３や軸受部１２，２２ほかのケース２の内部へと送られる。

逆転時においては、大歯車１０の周面から跳ね上げられた潤滑油は、接線に沿った流れＴ２２となる。潤滑油の流れＴ２２は、第２開口４２から第２ポケット４０の内部に取り込まれ、仕切板４７に衝突して下方へ誘導され、連通部４９を通して流下し、油受け４８に一時貯留され、正転時と同様に送り出される。

〔本実施形態の効果〕
本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
すなわち、本実施形態では、大歯車１０が連続して高速回転する際の高温で低粘度の潤滑油については、ケース２の内部に設けた第１ポケット３０および第２ポケット４０に取り込んで一時貯留することができる。これにより、ケース２の内部で、軸受部１２や噛合部分３の潤滑に供される潤滑油量を減少させることができ、攪拌熱の上昇を抑えることができる。一方、大歯車１０が低温で高粘度の潤滑油については、大歯車１０の周面から飛散しにくく、第１ポケット３０および第２ポケット４０に取り込まれることがなく、軸受部１２や噛合部分３の潤滑に十分な潤滑油量を確保できる。

本実施形態では、大歯車１０の高回転時に潤滑油を取り込んで一時貯留する第１ポケット３０および第２ポケット４０が、それぞれ反対向きの第１開口３１，４１および第２開口３２，４２を有するため、大歯車１０の正転時および逆転時にも潤滑油を取り込むことができる。
この際、同じ第１ポケット３０および第２ポケット４０で、それぞれ正転時および逆転時にも対応できる。このため、例えば第１ポケット３０は噛合部分３の上方という限られた区画に設置されて、正転時および逆転時の両方に対応することができる。

本実施形態では、第１ポケット３０および第２ポケット４０の各々において、第１開口３１，４１および第２開口３２，４２は、それぞれ開口面が大歯車１０の接線と交差する形状であるため、各々には大歯車１０で跳ね上げられて大歯車１０の接線に沿って飛散する潤滑油（流れＴ１１〜Ｔ２２）を効率よく取り込むことができる。
これらの第１開口３１，４１および第２開口３２，４２は、互いに周方向（大歯車１０の周面に沿った方向）の反対向きに配置されているため、大歯車１０の正転時には一方で潤滑油（流れＴ１１，Ｔ２１）を取り込み、逆転時には他方により潤滑油（流れＴ１２，Ｔ２２）を取り込むことができる。

すなわち、大歯車１０の正転時には、大歯車１０で跳ね上げられた潤滑油（流れＴ１１，Ｔ２１）が第１開口３１，４１から油溜めである第１ポケット３０および第２ポケット４０に取り込まれる。また、大歯車１０の逆転時には、大歯車１０で跳ね上げられた潤滑油（流れＴ１２，Ｔ２２）が第２開口３２，４２から油溜めである第１ポケット３０および第２ポケット４０に取り込まれる。
従って、本実施形態では、正転時および逆転時のいずれにおいても、同じように油溜めである第１ポケット３０および第２ポケット４０で潤滑油を取り込み、低速運転時の潤滑性能および高速回転時の攪拌熱抑制を両立することができる。

本実施形態では、第１ポケット３０および第２ポケット４０の各々において、仕切板３７，４７により、第１開口３１，４１と第２開口３２，４２との間を仕切ることにより、第１ポケット３０および第２ポケット４０に取り込まれた潤滑油が、反対側の開口へ吹き抜けることを防止できる。
例えば、第１ポケット３０において、仕切板３７がないと、第１開口３１から取り込まれた潤滑油が、反対側の第２開口３２へとそのまま通り抜けてしまい、油溜めとしての本来の機能が得られない可能性もある。あるいは、第２ポケット４０において、仕切板４７がないと、第１開口４１から取り込まれた潤滑油が、反対側の第２開口４２へとそのまま通り抜けてしまい、油溜めとしての本来の機能が得られない可能性もある。
これに対し、仕切板３７，４７が設けられていれば、第１開口３１，４１と第２開口３２，４２との間での潤滑油の吹き抜けを防止し、第１ポケット３０および第２ポケット４０において、油溜めの本来の機能を確保できる。

本実施形態では、第１ポケット３０および第２ポケット４０の各々において、仕切板３７，４７と主板３３，４３との間に連通部３９，４９を形成したので、第１開口３１，４１から第１室３０１，４０１に取り込まれた潤滑油と、第２開口３２，４２から第２室３０２，４０２に取り込まれた潤滑油とを合流させることができる。
すなわち、第１開口３１から第１室３０１に取り込まれた潤滑油は、連通部３９を通して第２室３０２へと流れ、第２開口３２から第２室３０２に取り込まれた潤滑油とともに油受け３８に貯留される。また、第２開口４２から第２室４０２に取り込まれた潤滑油は、連通部４９を通して第１室４０１へと流れ、第１開口４１から第１室４０１に取り込まれた潤滑油とともに油受け４８に貯留される。
このように、第１開口３１，４１からの潤滑油と第２開口３２，４２からの潤滑油とを、互いに合流させることができるため、ケース２内に戻す（あるいは軸受部１２，２２や噛合部分３に供給する）潤滑油の経路を１系統にまとめることができ、鉄道車両用歯車装置１としての構造を簡素化することができる。

本実施形態では、第１ポケット３０および第２ポケット４０の各々において、仕切板３７，４７の下方に油受け３８，４８を設けるとともに、油受け３８，４８と仕切板３７，４７の下端との間隔により、連通部３９，４９が形成されるようにした。
このため、仕切板３７，４７の上方で第１開口３１，４１および第２開口３２，４２からの潤滑油を受けるとともに、潤滑油が下方に流下した際にこれを油受け３８，４８で受けることができる。油受け３８，４８と仕切板３７，４７の下部との間に連通部３９，４９が形成されるため、油受け３８，４８は各ポケット３０，４０に１つだけ設ければよい。また、連通部３９，４９は、油受け３８，４８と仕切板３７，４７の下部との間隔で形成することができ、この点でも構造を簡素化できる。

〔他の実施形態〕
なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形などは本発明に含まれる。
前述した実施形態では、１つの大歯車１０に対して２つの油溜め（第１ポケット３０および第２ポケット４０）を設置したが、これらはいずれか一方だけであってもよい。

油溜めとしての第１ポケット３０および第２ポケット４０の設置位置は、ケース２の内側の、大歯車１０の回転軸（車軸１１）および小歯車２０の回転軸（駆動軸２１）より高い位置であればよい。このような高い位置に設置することで、一時貯留した潤滑油を軸受部１２，２２や噛合部分３に供給することができる。

また、油溜めとしての第１ポケット３０および第２ポケット４０の構成としては、それぞれ前述した実施形態の部材構成に限定されない。
例えば、第１ポケット３０については、主板３３、底板３４，側板３５で基本的な容器形状が形成できればよく、導流板３６は省略可能である。ただし、導流板３６を設置することで、開口（第２開口３２）の向きを大歯車１０の接線に応じて調整することができ、第１ポケット３０の配置によって適宜選択することが望ましい。
また、他の開口においても、大歯車１０の接線方向との関係で、同様な導流板を設置し、開口面の向きを調整してもよい。

前述した実施形態では、鉄道車両用歯車装置１が、車軸１１に接続された大歯車１０と、駆動軸２１に接続された小歯車２０との２軸で構成されていた。しかし、本発明は、３軸以上の歯車列の相対的に大径の歯車に沿って油溜めとなるポケットを設置してもよい。
前述した実施形態では、第１ポケット３０および第２ポケット４０に、連通部３９，４９、油受け３８，４８を設置したが、これらは適宜省略してもよい。

前述した実施形態の鉄道車両用歯車装置１による、具体的な効果について説明する。
（条件）
大歯車１０と小歯車２０とのギア比＝９７：１６
大歯車１０の基準円直径＝６３０ｍｍ
小歯車２０の基準円直径＝１０２ｍｍ
潤滑油４の量＝２．１リットル
大歯車１０の回転数＝８００ｒｐｍ

（実施例１）
油溜め＝第１ポケット３０
開口＝それぞれ第１開口３１および第２開口３２を設置
仕切板＝それぞれ仕切板３７を設置
（実施例２）
油溜め＝第１ポケット３０
開口＝それぞれ第１開口３１および第２開口３２を設置
仕切板＝なし

（比較例１）
油溜め＝第１ポケット３０
開口＝それぞれ第１開口３１のみ
仕切板＝なし
（比較例２）
油溜め＝なし
開口＝なし
仕切板＝なし

大歯車１０が正転および逆転する際の動力ロスを計測すると、以下の通りであった。
比較例２（油溜めなし） ：正転時＝１（基準）、 逆転時＝１（基準）
比較例１（第２開口のみ）：正転時＝１（変化なし）、逆転時＝０．８（有効）
実施例２（仕切板なし） ：正転時＝０．８（有効）、逆転時＝０．８（有効）
実施例１（仕切板あり） ：正転時＝０．６（良好）、逆転時＝０．６（良好）

比較例２では、第１ポケット３０の第２開口３２により逆転時は０．８と改善があるが、第１開口３１がないため、正転時には１と変化がなく、正逆繰り返す実稼働時には動力ロスは平均的に０．９程度になり、十分な改善が得られない。
これに対し、実施例１では、両方向に対応する第１開口３１および第２開口３２により、正転時および逆転時とも０．８であり、平均して０．８の動力ロス軽減が得られる。
さらに、実施例２では、正転時および逆転時とも０．６であり、平均して０．６の良好な動力ロス軽減が得られる。これは、仕切板３７を設けることで第１開口３１と第２開口３２との間の吹き抜けが防止された結果と考えられる。

本発明は、鉄道車両用歯車装置に関し、鉄道車両の電動機の動力を車輪に伝達する歯車装置に利用できる。

１…鉄道車両用歯車装置、２…ケース、３…噛合部分、４…潤滑油、１０…大歯車、１１…車軸、１２…軸受部、２０…小歯車、２１…駆動軸、２２…軸受部、３０…油溜めである第１ポケット、４０…油溜めである第２ポケット、３０１，４０１…第１室、３０２，４０２…第２室、３１，４１…第１開口、３２，４２…第２開口、３３，４３…主板、３４…底板、３５，４５…側板、３６…導流板、３７，４７…仕切板、３８，４８…油受け、３９，４９…連通部、Ｔ１１，Ｔ２１…正転時の潤滑油の流れ、Ｔ１２，Ｔ２２…正転時の潤滑油の流れ。

Claims (3)

1. 車軸に接続された大歯車と、駆動軸に接続されかつ前記大歯車に噛合された小歯車と、前記大歯車および前記小歯車を収容しかつ底部に潤滑油が貯留されたケースと、前記ケースの内側の前記大歯車の回転軸および前記小歯車の回転軸より高い位置に形成された油溜めと、を有し、
   前記油溜めは、前記大歯車の周方向に沿って反対向きに形成された第１開口および第２開口を有し、前記第１開口および前記第２開口は、それぞれ開口面が前記大歯車の接線と交差する形状であり、
   前記油溜めは、前記第１開口と前記第２開口との間を仕切る仕切板を有し、前記仕切板は、上端が前記ケースの内面に接続され、一方の面が前記第１開口に対向し、他方の面が前記第２開口に対向して配置されていることを特徴とする鉄道車両用歯車装置。
2. 請求項１に記載した鉄道車両用歯車装置において、
   前記油溜めは、前記仕切板により、前記第１開口に連通する第１室と、前記第２開口に連通する第２室とに仕切られており、
   前記油溜めには、前記第１室と前記第２室とを連通する連通部が形成されていることを特徴とする鉄道車両用歯車装置。
3. 請求項２に記載した鉄道車両用歯車装置において、
   前記油溜めは、前記仕切板の下方に油受けを有し、前記油受けと前記仕切板の下端との間隔により、前記連通部が形成されていることを特徴とする鉄道車両用歯車装置。

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