KR20130140692A - 작업 기계의 유압 시스템 제어 방법 - Google Patents

작업 기계의 유압 시스템 제어 방법 Download PDF

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KR20130140692A
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보 비그홀름
얀 칼손
안드레아스 에크발
킴 하이브로엑
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볼보 컨스트럭션 이큅먼트 에이비
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Abstract

본 발명은 작업 기계(1)의 유압 시스템(10)을 제어하기 위한 방법에 관한 것이다. 유압 시스템은 작업 기계의 하나 또는 그 이상의 액츄에이터(11, 12)에 유압 유체를 제공하기 위한 유압 기계(13)를 포함한다. 본 방법은 제1 액츄에이터가 상기 하나 또는 그 이상의 액츄에이터 중 가장 높은 로드 압력을 갖는, 상기 하나 또는 그 이상의 액츄에이터 중 제1 액츄에이터(11)의 로드압력에 기초한 유압 기계(13)로부터 펌프 압력을 요청하는 신호를 수신하는 단계와, 제1 액츄에이터가 오버로드 또는 기하학적 한계 때문에 정지되는 경우라면 제1 액츄에이터(11)로부터의 압력 요청을 식별하는 단계와, 제2 액츄에이터가 작동중이고 상기 하나 또는 그 이상의 액츄에이터들 중 두번째로 높은 로드 압력을 갖는, 상기 하나 또는 그 이상의 액츄에이터 중 제2 액츄에이터(12)의 로드 압력에 기초한 펌프 압력을 제공하도록 유압 기계(13)을 제어하거나, 또는 만약 제1 액츄에이터뿐만 아니라 어떠한 액츄에이터도 현존하며 작동하는 중이 아니라면, 소정의 비가동(idle) 펌프 압력을 제공하도록 유압 기계를 제어하는 단계를 포함한다.

Description

작업 기계의 유압 시스템 제어 방법{A METHOD FOR CONTROLLING A HYDRAULIC SYSTEM OF A WORKING MACHINE}
본 발명은 청구항 제1항의 전제부에 따른 작업 기계의 유압 시스템을 제어하기 위한 방법에 관한 것이다.
본 발명은 산업 건설 기계 분야의 작업 기계, 상세하게는 휠 로더(wheel loaders)에 적용가능하다. 이하에서 본 발명은 휠 로더에 대해 기술될 것이나, 본 발명은 이 특정 기계에 한정되지 않고, 연결식 홀러(articulated haulers), 덤프 트럭(dump truck), 그레이더(graders), 굴삭기(excavators) 또는 다른 건설 장비와 같은 다른 중작업 기계(heavy working machines)에도 사용될 수 있다.
작업 기계는 채굴, 리프팅(lifting), 로드 적재 및/또는 운반을 위한 버켓(bucket), 컨테이너 또는 다른 형태의 도구를 구비한다.
예를 들면, 휠 로더는 버켓과 같은 도구를 올리고 내리기 위한 로드 암 유닛(load arm unit)을 갖는다. 로드 암 유닛은 로드 암과 로드 암에 부착된 도구의 이동을 위한 다수의 유압 실린더로 구성된다. 한 쌍의 유압 실린더가 로드 암을 리프팅하기 위해 마련되며 추가적인 유압 실린더가 도구를 로드 암에 대해 기울이도록(tilting) 마련된다.
휠 로더의 유압 시스템은 유압 실린더뿐만 아니라, 로드 암 유닛의 유압 실린더에 유압 유체를 제공하기 위한 적어도 하나의 펌프로 구성된다.
휠 로더의 유압 시스템은 통상 소위 로드 센싱 시스템(LS 시스템)이라 불리는 것이다. 이것은 유압 시스템에 유압 유체를 공급하는 펌프가 작동 중에 있는 유압 실린더의 현재 로드 압력을 나타내는 신호를 수신한다는 것을 의미한다. 펌프는 유압 실린더의 로드 압력을 다소 초과하는 압력을 제공하도록 제어된다. 이로써 유압 유체의 현재의 유압 실린더로의 흐름이 생성된다.
이러한 LS 시스템에서 다름 아닌 바로 동일한 펌프가 수개의 작업 기능에 유압 유체를 제공하도록 사용되는 경우에 에너지는 유실된다. 작업 기능들은 종종 다른 압력들을 요구하는데, 이것은 결국 펌프가 임의의 작업 기능에서 요구되는 최고 압력을 제공하도록 제어되어야 한다는 것을 시사한다. 만약 두 개의 작업 기능이 동시에 사용되고 이러한 작업 기능들이 상이한 압력 요구를 갖는다면, 압력은 최소 압력을 요하는 작업 기능을 위해 감소되어야만 한다. 밸브를 사용함으로써 압력은 바람직한 압력으로 감소될 수 있다. 밸브에 걸친 압력 강하는 열 에너지 손실을 초래한다.
에너지 손실에 관여하는 휠 로더 작업의 예시는 휠 로더가 버켓을 채우기 위해 자재 더미로 쑤셔넣어지고 그 더미로부터 재료를 꺼낼 때이다. 이러한 순간에 로드 암의 리프트 작업은 오버로드 때문에 종종 정지하게 된다. 로드 암을 리프팅하기 위한 유압 실린더의 압력은 펌프가 제공하는 최대 압력보다 높을 수 있는데, 이것은 휠 로더의 추진력이 유압 실린더를 후퇴시키기 때문이다. 동시에, 버켓은 자재 더미로부터 자재를 분리시키기 위해 기울어지며, 기울어짐(tilt) 기능은 리프팅 기능에 요구되는 압력보다 낮은 압력에서 작동된다. 기울어짐 기능으로의 유압 유체의 흐름은 에너지 손실을 초래할 것인데 펌프에 의해 공급되며 기울어짐 기능으로 흐르는 유압 유체의 압력이 최대 펌프 압력에서 기울어짐 기능에 요구되는 압력 레벨로 감소되어야 하기 때문이다.
본 발명의 목적은 서론으로 정의된 방법을 제공하는 것인데, 그 방법에 의해 작업 기계의 유압 시스템에서 에너지 손실이 감소될 수 있다.
이 목적은 청구항 제1항에 따른 방법에 의해 달성된다
제1 액츄에이터가 오버로드나 기하학적인 한계 때문에 정지되는 경우에 제1 액츄에이터로부터의 압력 요청이 식별되는 방법을 제공함으로써, 펌프 압력을 최대 수준에 유지하는 대신 유압 유체의 유동과 더 낮은 펌프 압력을 요청하는, 유압 시스템의 다른 액츄에이터에 펌프 압력이 맞춰질 수 있다. 이것은 펌프 압력이 밸브라는 수단에 의해 감소될 필요가 없다는 것을 시사하고, 열 에너지 손실이 밸브에 걸친 압력 강하와 밸브를 통과하는 유동의 곱에 비례하므로, 에너지 손실은 제거되거나 적어도 감소될 수 있다.
또한, 정지된 액츄에이터뿐만 아니라 다른 액츄에이터가 현존하면서 작동되는 중이 아니라면(즉, 유동을 요청함); 유압 기계는 최대 펌프 압력보다는 낮은 소정의 비가동(idle) 펌프 압력을 제공하도록 제어될 수 있다. 유압 시스템은 항상 약간의 누설을 가지므로, 유압 기계가 최대 펌프 압력을 유지하도록 제어될 때와 또한 어떤 액츄에이터도 작동되지 않을 때도, 최대 펌프 압력은 불필요한 로드와 마모뿐만 아니라 에너지 손실로 이어질 것이다.
본 방법은 물론 임의의 숫자의 액츄에이터에 적용될 수 있다. 예컨대, 최대 압력 및 두번째로 큰 압력을 갖는 제1 액츄에이터와 제2 액츄에이터 모두가 정지되어야 한다면, 펌프 압력은 양호하게는 남아있는 액츄에이터들 중에서 가장 높은 압력을 갖는 액츄에이터의 로드 압력에 기초한다.
본 발명의 추가적인 장점 및 유리한 특징들은 이하의 설명 및 종속항에 공개된다.
첨부된 도면을 참조하여, 이하에는 예시로 인용된 본 발명의 더욱 상세한 실시예가 따른다.
도면에서,
도1은 로딩 작업을 위한 버켓을 갖는 휠 로더와, 버켓을 작동시키고 휠 로더를 조종하기 위한 유압 시스템을 도시하는 측면도이다.
도2는 본 발명에 따른 방법이 적용될 수 있는 유압 시스템의 개략도이다.
도3은 본 발명에 따른 본 방법의 예시적인 실시예의 흐름도이다.
도1은 도구(2)를 갖는 휠 로더의 형태를 갖는 작업 기계(1)의 도면이다. 도구라는 용어는 버켓, 휠 로더 상에 마련된 포크(fork) 또는 집는 도구(gripping tool), 또는 연결식 홀러(articulated haulers) 상에 마련된 컨테이너와 같은, 유압을 사용하는 임의의 종류의 도구를 포함하는 의미이다. 도시된 도구는 버켓(3)을 리프팅 또는 하강시키기 위한 암 유닛(4) 상에 마련된 버켓(3)이며, 또한 버켓(3)은 암 유닛(4)에 대해 기울어질 수 있다. 휠 로더(1)는 적어도 하나의 유압 기계(도1에 미도시됨)를 구비하는 유압 시스템을 갖는다. 유압 기계는 유압 펌프가 될 수 있으나, 유압 기계는 유압 펌프뿐만 아니라 유압 유체의 역방향 유동과 함께 유압 모터로도 작동될 수 있는 것이 바람직하다. 상기 두 개의 기능을 갖는 이러한 유압 기계는, 예컨대 버켓을 리프트시키고 기울어지게 하도록 유압 시스템에 유압 유체를 제공하기 위한 펌프로도 사용될 수 있고, 또한 예컨대 도구(2)의 하강 동작 동안에 에너지를 만회하기 위한 유압 모터로도 사용될 수 있다. 도1에 도시된 예시적인 실시예에서, 유압 시스템은 암 유닛(4)의 작동을 위한 두 개의 유압 실린더(5a, 5b)와 버켓(3)을 암 유닛(4)에 대해 기울어지게 하기 위한 유압 실린더(6)를 구비한다. 또한, 유압 시스템은 전방 본체 부분(8)과 후방 본체 부분(9)의 상대 이동에 의해 휠 로더를 회전시키기 위해 휠 로더의 반대 방향들에 마련되는 두 개의 유압 실린더(7a, 7b)를 구비한다. 즉, 작업 기계는 조종 실린더(7a, 7b)에 의해 프레임-조종(frame-steered)된다.
도2는 유압 시스템(10)의 개략도이다. 유압 시스템(10)은 본 발명에 따른 방법이 적용될 수 있는 시스템의 예시이다. 본 시스템은 작업 기계의 제1 작업 기능을 위한 제1 액츄에이터(11)와, 작업 기계의 제2 작업 기능을 위한 제2 액츄에이터(12), 및 액츄에이터(11, 12)에 유압 유체를 제공하기 위한 펌프와 같은 유압 기계(13)를 구비한다. 펌프는 탱크(14)로부터 오일을 뽑아낼 수 있다. 도시된 액츄에이터(11, 12)는 유압 실린더이며, 제1 액츄에이터는 작업 기계의 리프팅 암을 리프팅시키도록 사용될 수 있으며 제2 액츄에이터는 리프팅 암에 피봇식으로 부착된 도구를 기울어지게 하도록 사용될 수 있다.
각각의 액츄에이터는 펌프(13)와 각각의 액츄에이터(11, 12) 사이에 마련된 제어 밸브 유닛(15, 16)을 구비한다. 유압 유체는 펌프(13)로부터 현재의 액츄에이터를 향해, 그리고 제어 밸브 유닛(15, 16)을 통해 그 액츄에이터로부터 탱크까지 이송된다. 간략하게 도시된 각각의 제어 밸브 유닛(15, 16)은 각각의 작업 기능을 제어하기 위한 하나 또는 수 개의 제어 밸브를 포함할 수 있다. 각각의 유압 실린더는 바람직하게는 양 측에서 가압될 수 있는 복동형 피스톤(17, 18)을 구비한다. 예컨대, 제1 제어 밸브는 펌프를 현재 유압 실린더의 피스톤 측에 연결할 수 있도록 마련될 수 있으며, 제2 제어 밸브는 제1 방향으로의 피스톤 압출량을 위해, 탱크에 현재 유압 실린더의 피스톤 로드 측을 연결시키도록 마련될 수 있다. 제1 컨트롤 밸브는 추가적으로 현재 유압 실린더의 피스톤 측을 탱크에 연결시키도록 마련될 수도 있으며, 제2 제어 밸브는 그 다음에 제 1 방향에 반대되는 제2 방향으로의 피스톤 압출을 위해, 펌프를 유압 실린더의 피스톤 측에 연결시키도록 마련될 수 있다. 본 명세서에서 유압 유체라는 용어는 유압 시스템에서 발생할 수도 있는 임의의 다른 유체뿐만 아니라 유압 오일을 포함할 예정이다.
본 시스템(10)은 액츄에이터/액츄에이터들의 로드 압력에 상응하는 압력 센서(20)로부터 신호를 수신하고 필요한 펌프 압력을 얻기 위해 펌프(13)를 제어하는 제어 유닛(19)을 더 구비한다. 제어 유닛(19)은 또한 제어 밸브 유닛에 의해 각각의 작업 기능으로 향하는 그리고 각각의 작업 기능으로부터 오는 유압 유체의 유동의 규모를 제어하도록 제1 및 제2 제어 밸브 유닛(15,16)에 연결된다. 또한, 제어 유닛(19)은 예컨대 유압 실린더의 피스톤 위치와 같은, 액츄에어터의 위치를 표시하는 위치 센서(21)로부터 신호를 수신할 수 있다.
본 발명은 작업 기계의 유압 시스템(10)을 제어하기 위한 방법에 관한 것인데, 유압 시스템은 작업 기계의 하나 또는 그 이상의 액츄에이터(11, 12)로 유압 유체를 공급하기 위한 유압 기계(13)를 포함한다. 본 방법은 제 1 액츄에이터가 상기 하나 또는 그 이상의 액츄에이터(11, 12) 중 가장 높은 로드 압력을 갖는, 상기 하나 또는 그 이상의 액츄에이터 중 제1 액츄에이터(11)의 로드 압력에 기초하여 유압 기계로부터 펌프 압력을 요청하는 신호를 수신하는 단계와, 오버로드나 기하학적 한계에 의해 제1 액츄에이터가 정지하는 경우에 제1 액츄에이터(11)로부터의 압력 요청을 식별하는 단계를 포함한다. 본 방법은 또한 제2 액츄에이터가 작동중이고 상기 하나 또는 그 이상의 액츄에이터 중 두번째로 높은 로드 압력을 갖는, 상기 하나 또는 그 이상의 액츄에이터의 제2 액츄에이터(12)의 로드 압력에 기초한 펌프 압력을 제공하도록 유압 기계(13)를 제어하기 위한 단계와, 또는 제1 액츄에이터뿐만 아니라 어떠한 액츄에이터도 현존하면서 작동되는 중이 아니라면, 소정의 비가동(idle) 펌프 압력을 제공하도록 유압 기계를 제어하는 단계를 포함한다. 양호하게는 상기 하나 또는 그 이상의 액츄에이터(11) 중 하나가 작업 기계의 리프팅 암을 리프팅하거나 하강시키기 위해 제공된다. 상기 하나 또는 그 이상의 액츄에이터(12) 중 하나는 양호하게는 작업 기계의 리프팅 암 유닛에 부착된 도구를 기울이도록 제공된다. 도2에 도시된 시스템을 참조하여 전술한 바와 같이, 액츄에이터(11, 12)는 양호하게는 유압 실린더 및/또는 유압 모터의 형태이다.
도3은 본 발명에 따른 방법의 예시적인 실시예가 도시된 플로우 챠트이다. 도2 역시 참조하라.
101. "액츄에이터/액츄에이터들로부터의 로드 압력 신호". 제어 유닛(19)은 하나 또는 그 이상의 액츄에이터(11, 12)의 로드 압력을 나타내는 신호를 수신할 수 있다.
102. "최고 로드 압력을 갖는 제1 액츄에이터로부터 신호를 수신함". 보통 펌프 압력은 액츄에이터에 유압 유체를 공급하기 위해 제어 유닛에 의해 최고 로드 압력에 기초한 펌프 압력으로 제어된다.
103. "제1 액츄에이터가 정지하였는가?"
만약 제1 액츄에이터가 정지하지 않았다면 104로 가라. "제1 액츄에이터에 의해 요청된 압력에 기초한 펌프 압력으로 계속하여 제어하라."
만약 제1 액츄에이터가 정지한다면, 105로 가라. "제1 액츄에이터로부터의 압력 요청을 식별하라." 불필요하게 높은 압력 레벨을 사용하는 것을 피하기 위해, 펌프 압력은 정지된 액츄에이터의 로드 압력에 기초하지 않는다.
106. "두번째로 높은 로드 압력을 갖는 제2 액츄에이터가 작동 중인가?" 만약 작동 중인 이러한 임의의 액츄에이터가 없다면, 107로 가라. "비가동(idle) 압력에 따라 펌프 압력을 제어하라."
제2 액츄에이터가 작동중이라면, 108로 가라. "제2 액츄에이터가 정지되었는가?"
제2 액츄에이터가 정지되지 않았다면, 109로 가라. "제2 액츄에이터에 의해 요청된 압력에 기초하여 펌프 압력을 제어하라."
만약 제2 액츄에이터가 정지되었다면, 110으로 가라. "비가동 압력에 따라 펌프 압력을 제어하라." 물론 현재 유압 시스템에 따라 액츄에이터의 숫자는 다양할 수 있으며 본 방법은 그에 따라 조정되어야만 한다.
제1 액츄에이터로부터의 압력 요청은, 제1 액츄에이터가 정지되었다는 것을 표시하는 제1 액츄에이터의 소정의 로드 압력값에 기초하여 식별될 수 있다. 이 식별은 제1 액츄에이터가 더 이상 정지되지 않았다는 것을 표시하는 제1 액츄에이터의 소정의 로드 압력값에 근거하여 양호하게는 취소될 수 있다.
양호하게는 만약 제1 액츄에이터의 로드 압력이 작업 기계의 추진력 때문에 및/또는 상기 하나 또는 그 이상의 액츄에이터 중 다른 액츄에이터로부터의 힘 때문에 최대 펌프 압력 이상인 경우라면 제1 액츄에이터로부터의 압력 요청이 식별된다. 다른 실시예에서는, 또는 소정의 로드 압력값에 부가하여, 제 1 액츄에이터로부터의 요청은 이동(또는 비이동)의 직접 또는 간접 측정 및/또는 제1 액츄에이터가 정지되었다는 것을 표시하는 제1 액츄에이터의 위치에 기초하여 식별된다. 액츄에이터의 이동을 측정하는 하나의 방법은 유압 유체의 액츄에이터로의 유동을 측정하는 것이다. 이것은 액츄에이터와 연결된 컨트롤 밸브의 상류 및 하류의 유압 유체 압력을 측정함에 의해 수행될 수 있다. 밸브에 걸친 압력 강하가 유동을 계산하기 위해 사용될 수 있다. 밸브에 걸친 압력 강하가 없다는 것은 유동이 없다는 것이다. 만약 유동이 없다면 액츄에이터는 현상을 유지한다. 다른 실시예에서, 액츄에이터로의 유동은 다양한 압출량를 갖는 펌프가 이용한 현재 압출량 조정을 측정함에 의해 계산된다. 압출량 조정은 펌프의 스와시판(swashplate)의 위치를 표시하기 위해 마련된 각 센서(angle sensor)에 의해 측정될 수 있다.
본 발명은 상기에 설명되고 도면에 도시된 실시예에 한정되지 않으며, 첨부된 청구항의 범위 내에서 많은 변경 및 개조가 이루어질 수도 있다는 것을 당업자가 인식할 것이라는 것이 이해되어야만 한다.

Claims (11)

  1. 작업 기계(1)의 유압 시스템(10)을 제어하기 위한 방법으로서, 유압 시스템은 작업 기계의 하나 또는 그 이상의 액츄에이터(11, 12)에 유압 유체를 제공하기 위한 유압 기계(13)를 포함하며, 상기 방법은,
    상기 하나 또는 그 이상의 액츄에이터 중 제1 액츄에이터가 가장 높은 로드 압력을 갖는, 상기 하나 또는 그 이상의 액츄에이터 중 제1 액츄에이터(11)의 로드압력에 기초한 유압 기계(13)로부터 펌프 압력을 요청하는 신호를 수신하는 단계를 포함하며,
    제1 액츄에이터가 오버로드 또는 기하학적 한계 때문에 정지하는 경우라면 제1 액츄에이터(11)로부터의 압력 요청을 식별하는 단계와,
    제2 액츄에이터가 작동중이고 상기 하나 또는 그 이상의 액츄에이터들 중 두번째로 높은 로드 압력을 갖는, 상기 하나 또는 그 이상의 액츄에이터 중 제2 액츄에이터(12)의 로드 압력에 기초한 펌프 압력을 제공하도록 유압 기계(13)를 제어하거나, 또는 제1 액츄에이터뿐만 아니라 어떠한 액츄에이터도 현존하면서 작동하는 중이 아니라면, 소정의 비가동 펌프 압력을 제공하도록 유압 기계를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 작업 기계의 유압 시스템 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서, 제1 액츄에이터가 정지되었다고 표시하는 제1 액츄에이터(11)의 소정의 로드 압력값에 기초하여 제1 액츄에이터(11)로부터의 압력 요청을 식별하는 단계를 특징으로 하는 작업 기계의 유압 시스템 제어 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 액츄에이터의 로드 압력이 작업 기계의 추진력 때문에 최대 펌프 압력 이상인 경우라면, 제1 액츄에이터(11)로부터의 압력 요청을 식별하는 단계를 특징으로 하는 작업 기계의 유압 시스템 제어 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 하나 또는 그 이상의 액츄에이터 중 다른 액츄에이터로부터의 힘 때문에 제1 액츄에이터의 로드 압력이 최대 펌프 압력 이상인 경우라면, 제1 액츄에이터(11)로부터의 압력 요청을 식별하는 단계를 특징으로 하는 작업 기계의 유압 시스템 제어 방법.
  5. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 따른 방법에 있어서, 제1 액츄에이터가 정지되었다고 표시하는, 제1 액츄에이터의 이동 및/또는 위치의 직접 또는 간접 측정에 기초한 제1 액츄에이터(11)로부터의 요청을 식별하는 단계를 특징으로 하는 작업 기계의 유압 시스템 제어 방법.
  6. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 따른 방법에 있어서, 제1 액츄에이터가 더 이상 정지되지 않았다고 표시하는 제1 액츄에이터(11)의 소정의 로드 압력값에 기초한 식별을 취소하는 단계를 특징으로 하는 작업 기계의 유압 시스템 제어 방법.
  7. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 따른 방법에 있어서, 작업 기계의 리프팅 암 유닛을 리프팅 및 하강시키기 위해 상기 하나 또는 그 이상의 액츄에이터(11) 중 하나를 제공하는 단계를 특징으로 하는 작업 기계의 유압 시스템 제어 방법.
  8. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 따른 방법에 있어서, 작업 기계의 리프팅 암 유닛에 부착된 도구를 기울이기 위해 상기 하나 또는 그 이상의 액츄에이터(12) 중 하나를 제공하는 단계를 특징으로 하는 작업 기계의 유압 시스템 제어 방법.
  9. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 따른 방법에 있어서, 상기 하나 또는 그 이상의 액츄에이터(11, 12)를 유압 실린더 및/또는 유압 모터의 형태로 제공하는 단계를 특징으로 하는 작업 기계의 유압 시스템 제어 방법.
  10. 프로그램이 컴퓨터에서 작동될 때 상기 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 단계를 수행하기 위한 코드 수단을 포함하는 컴퓨터 프로그램.
  11. 제10항에 따른 컴퓨터 프로그램을 포함하는 컴퓨터 판독가능한 매체.
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