PT697076E - Mecanismo de braco de ligacao oscilante - Google Patents
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Description
DESCRICÃO EPÍGRAFE: “MECANISMO DE BRACO DE LIGACAO OSCILANTE”
Antecedentes da Invenção A presente invenção relaciona-se com um mecanismo de braço de ligação de oscilação lateral, para uso numa máquina alternativa de pistão ou outro dispositivo de posicionamento. Uma tal máquina pode ser por exemplo, uma bomba, um frigorífico, um compressor, um motor de combustão interna ou outro motor, e.g., um motor Stirling. Uma tal máquina também pode incluir um êmbolo(s) de posicionamento para dispositivos que requerem um posicionamento preciso, e.gr., um prato satélite. Os eixos do(s) pistão(s) não precisam de ser paralelos com um veio motriz (se estiver presente).
Um objectivo da invenção é o fornecimento de um mecanismo compacto para converter o movimento alternativo em movimento rotativo (ou vice-versa). Os pistões são impelidos através de um mecanismo de braço de ligação oscilante o qual elimina a necessidade de calhas, carretos, e articulações com múltiplos graus de liberdade.
Descrição da Técnica Anterior São conhecidos mecanismos de motor usando um único prato oscilante. Os modelos têm enfrentado grandes dificuldades. Por exemplo, era frequente um aperto inadequado ou excessivo do prato oscilante. Contudo, os principais problemas de um modelo de prato oscilante são que os locais dos rolamentos da biela formam um arco num plano e uma figura de oito num segundo plano. Assim, as juntas em qualquer das extremidades da biela (uma para o prato oscilante e outra para o pistão) requerem juntas ou rolamentos esféricos universais ou juntas/rolamentos com múltiplos graus de liberdade. As patentes US N°s 4852418 (Armstrong) e 4106354 (Girodin) são exemplos disso; tal como são as patentes US N° 4491057 1
(Ziegler) e WO 91/2889 (Meylaers). Um problema adicional que resulta do uso de um tal prato é a questão de transferir a reacção de torque do prato oscilante para o cárter do motor. Isto pode ser obtido através de um braço de torque ou de um carreto cónico. Contudo, as soluções não são ideais. Uma alternativa para um prato de oscilação lateral é um prato oscilante inclinado sobre o eixo. Contudo, tais pratos têm desvantagens a nível da concepção: a lubrificação é um requisito essencial; são referidos problemas a baixas velocidades quando o torque é elevado como resultado da lubrificação hidrodinâmica não ser plenamente desenvolvida; o problema de evitar a entrada de lubrificante no espaço de trabalho, a partir do alojamento do mecanismo (por exemplo, no caso de um motor Stirling); a parte alta sobrecarrega as bielas do pistão devido à força de reacção contra o prato oscilante inclinado sobre o eixo; e a necessidade de componentes de alta precisão produzidos para o efeito.
Um mecanismo alternativo é uma manivela corrediça usada na maioria dos compressores e motores de combustão interna. Contudo, as desvantagens que surgem com esta manivela são que existem elevadas sobrecargas laterais do pistão devido ao ângulo da biela. Tais problemas podem ser ultrapassados com o uso de cruzetas, mas isto requer uma lubrificação adicional e um comprimento extra do motor. Há, habitualmente, uma resultante perda por fricção adicional e complexidade acrescida da vedação da biela. Além disso, com um mecanismo de manivela corrediça é muito difícil ou impossível de alcançar uma variação no volume deslocado pelo pistão, enquanto o motor está a trabalhar.
No caso especial de um motor Stirling com uma manivela corrediça, o alojamento do mecanismo geralmente não se adequa à pressurização, para motores de mais do que alguns kilowatts. Onde tal não acontece, são necessários vedantes complexos para as bielas do pistão. É assim, um objectivo da presente invenção fornecer uma máquina aperfeiçoada para converter o movimento alternativo em movimento rotativo (ou vice versa) que evite ou minimize os problemas e desvantagens acima delineados. É ainda, objectivo da presente invenção fornecer uma tal máquina, na qual os aperfeiçoamentos não requerem que os pistões, sejam paralelos com um veio motriz da máquina ou mecanismo. 2
Um outro objectivo adicional da invenção é o de fornecer uma máquina aperfeiçoada como acima delineado que consiga alcançar aproximadamente ou plenamente um equilíbrio dinâmico.
Para propósitos do resto da especificação, o termo “converter movimento alternativo em movimento rotativo” deve ser considerado como incluindo a conversão oposta - movimento rotativo em movimento alternativo. Também, nesta especificação o termo “pistão" é definido de modo a incluir, mas não se limitar a: um pistão de tipo conhecido num motor de efeito simples ou duplo; um deslocador; um êmbolo alternativo tal como pode ser usado num mecanismo de posicionamento.
Sumário da Invenção A presente invenção fornece um mecanismo de braço de ligação oscilante para converter o movimento alternativo em movimento rotativo, o dito mecanismo fornecendo uma pluralidade de pistões (como acima definido), tendo cabeças de pistão funciuiialmente ligadas ao mecanismo de braço do ligação oscilante e uma cambota; o dito mecanismo de braço de ligação oscilante incluindo: um ponto de rotação central através do qual passa a reacção de torque; uma primeira longarina que gira em torno do dito ponto através de rolamentos num plano, e ao qual está ligado pelo menos um pistão em pelo menos uma extremidade através dos rolamentos com um grau de liberdade; pelo menos um primeiro braço de ligação ligado a, pelo menos, uma extremidade da dita primeira longarina através de, pelo menos, um primeiro rolamento, cujo eixo passa através do ponto de rotação central, cada um dos ditos rolamentos tendo um grau de liberdade; uma segunda longarina girando em torno do dito ponto, através de rolamentos, num plano ao qual está ligado, pelo menos, um pistão em cada extremidade através dos rolamentos com um grau de liberdade; um segundo braço de ligação desfasado a 90° do primeiro braço de ligação, o dito segundo braço de ligação estando ligado a pelo menos uma extremidade da dita segunda longarina através de, pelo menos, um segundo rolamento cujo eixo passa 3 através do ponto de rotação central, cada dito segundo rolamento tendo um grau de liberdade; e um rolamento excêntrico encaixado em ou em torno de um veio de nutação e ligado a uma extremidade de cada um dos primeiros e segundos braços de ligação; em que: nenhum rolamento tem mais do que um grau de liberdade, quando em movimento; os eixos dos ditos primeiro e segundo rolamentos excêntricos passam através do dito ponto de rotação central; e existe um grau de liberdade de rotação entre os dois braços de ligação, em torno do eixo do rolamento excêntrico.
Preferivelmente, existe um segundo rolamento excêntrico que pode ser, mas não precisa de ser, encaixado em ou em torno do veio de nutação, desde que a sua colocação continue a fornecer um grau de liberdade de rotação entre os dois braços de ligação.
Numa primeira modalidade preferida da invenção, os pistões são paralelos a um veio motriz, com bielas de tipo conhecido que estão posicionadas entre os rolamentos e os pistões. Alternativamente, os eixos dos pistões podem ser inclinados num ângulo relativo ao veio motriz.
Numa segunda modalidade preferida da invenção, cada braço de ligação continua num componente regular rígido uniforme para se ligar aos pistões, cada um dos quais são toroidais dentro de um cilindro toroidal oco.
Numa terceira modalidade preferida da invenção, o ângulo de excentricidade do rolamento(s) excêntrico pode ser variado. Nesta modalidade, os pistões podem ter qualquer uma das configurações de pistão acima descritas, na primeira e segunda modalidades.
Breve Descrição da Invenção
Apenas como forma de exemplo, as modalidades preferidas da presente invenção são descritas em detalhe relativamente a um motor de configuração de acção dupla de quatro cilindros e por referência aos desenhos acompanhantes, nos quais: 4 A Fig. 1 é uma perspectiva seccional de um motor que incorpora uma primeira modalidade da presente invenção; A Fig. 2 é uma perspectiva plana seccional de parte de um motor que incorpora a primeira modalidade preferida da presente invenção; A Fig. 3 é uma perspectiva seccional de um motor que incorpora uma segunda modalidade preferida da presente invenção; A Fig. 4 é uma perspectiva seccional de um motor Stirling que incorpora a terceira modalidade preferida da presente invenção; e A Fig. 5 é um diagrama que representa a direcção e posição de graus de liberdade para a terceira modalidade preferida da presente invenção.
Descrição Detalhada
Como indicado acima, a invenção irá ser descrita abaixo com referência a um motor de configuração de dupla acção de quatro cilindros. Nas Figs 1, 3 e 4 apenas está representado um par de cilindros e pistões associados, mas os especialistas compreenderão que está presente um segundo par de cilindros e pistões associados, fora do plano das figuras. Por uma questão de conveniência, tais pistões são designados por uma linha (’), após o numeral de referência.
Primeira Modalidade Preferida
Referindo as Figuras 1, 2 e 5; o motor 2 é representado com as posições de pistão 1’, 2’, 3’ e 4', como apresentado numa direcção contrária à dos ponteiros do relógio, na Fig.2. O motor 2 inclui um conjunto de alojamento de motor 20 que incorpora quatro unidades de cilindro idênticas 21, uma cambota de saída 12, e uma unidade de braço de ligação oscilante 4. Os quatro pistões estão referenciados pelos numerais 6, 7, e 6’, 7’ (não representados) com bielas de ligação 8, 9, e 8’, e 9’ (ver Fig. 2), respectivamente.
Cada uma das unidades de cilindro 21 é de um tipo geralmente bem conhecido, cujos eixos são paralelos uns aos outros e em relação ao eixo central principal A (Fig. 1). Se desejado, os eixos não precisam ser paralelos entre si ou em relação ao eixo A (Fig. 1). 5
O motor 2 inclui uma longarina 3 de um primeiro braço de ligação 4a. o qual gira em torno do seu ponto central 5. A longarina 3 está ligada a dois pistões 6, 7 (através das respectivas bielas de pistão 8, 9 numa extremidade das ditas bielas 8, 9) através de um par de rolamentos 10. A longarina 3 tem um grau de liberdade (RZ) ver Fig. 5) tal como o par de rolamentos 10. Um segundo braço de ligação 4b está ligado a uma segunda longarina 3a, através de um par de rolamentos 15’, em ângulo recto, em relação aos rolamentos 10’. O centro do segundo braço de ligação. 4b passa através do eixo BC. Os rolamentos 15, 15’ têm, assim, apenas um grau de liberdade.
Os rolamentos excêntricos 11 estão encaixados em torno de um veio de nutação 16 e estão rigidamente ligados a ambos os braços de ligação oscilantes 4a, 4b, respectivamente. Os rolamentos 11 estão posicionados ao longo do eixo secundário BC (Fig. 1) que está num ângulo Θ com o eixo central A. O eixo secundário BC e o veio de nutação 16 giram em torno do eixo central A. O eixo secundário BC intersecciona o eixo central A no ponto central 5. O veio de nutação 16 está ligado ao veio motriz 12a, de um modo conhecido. O segundo braço de ligação oscilante 4b está posicionado em ângulo recto em relação ao primeiro braço de ligação oscilante 4a. O primeiro braço de ligação oscilante 4a controla o movimento dos pistões 6 e 7. O segundo braço de ligação oscilante 4b controla o movimento dos pistões 6’ e 7’ (posicionados em 2’, 4’ na Fig. 2). Como descrito acima para o primeiro braço de ligação 4a, o segundo braço de ligação 4b está ligado às bielas de ligação respectivas 8’, 9’, através de um par de rolamentos 10’ com um grau de liberdade (ver Fig. 5).
Como os pistões 6, 7 alternam, a longarina 3 e a unidade de braço de ligação 4 giram em torno do ponto central 5. O ângulo máximo entre a longarina 3 e o plano horizontal, o ângulo de longarina máximo, é representado por φ. Desde que o ângulo de longarina máximo φ seja pequeno (ou seja, menos do que 15°), a rotação da cambota 12 resultará num movimento aproximadamente sinusoidal de cada um dos pistões (6, 7, 6’, 7’), quando os pistões (6, 6’, 7, 7’) são paralelos ou aproximadamente paralelos ao eixo central A do motor 2. Isto também ocorre com a segunda e terceira modalidades preferidas (como acima descritas). A disposição 6 dos pares de rolamentos 15, 15’ e rolamentos 11 é tal que os eixos de todos os rolamentos interseccionam na intersecção do eixo central A com o ponto central 5. O ponto central 5 também é o centro de um rolamento de longarina 14.
Assim, as bielas 8, 9 que se movem num plano numa fase de 180°, podem ter rolamentos de biela inferiores 10 com um grau de liberdade Rz. As bielas de ligação (8’, 9’) para o par alternado de pistões (6’, T) estão numa fase de 90° para a longarina 3, e movem-se num arco no plano yz (mas não no plano xy).
Assim, as juntas ou rolamentos 10, 10’ que requerem apenas um grau de liberdade (Rx ou Rz) são necessárias em ambas as extremidades das bielas (8, 8’, 9, 9’). Qualquer das juntas ou rolamentos (10, 10’) podem ser juntas de flexão de tipo conhecido.
Entre os dois braços de ligação oscilantes 4a, 4b há algum grau de liberdade rotativa em torno do eixo BC. A ligação das bielas (8, 8’, 9, 9’) aos pistões respectivos (6, 6’, 7, 7’) pode ser rígida. Se desejado, a ligação pode ser feita através de um rolamento (não representado) com um grau de liberdade.
Com tal configuração da unidade de braço de ligação 4, para o motor 2, a reacção de torque ocorre através do rolamento de longarina 14. Como todos os pares de rolamentos têm apenas um grau de liberdade, tais rolamentos podem ser anéis de rolamentos de esferas de sulco profundo ou similar e podem ser usados rolamentos vedados pré-lubrificados.
Com a adição de contrapesos adicionais adequados conhecidos 34, o motor 2, quando em funcionamento, revelou ser praticamente equilibrado. O veio motriz 12a pode ser usado para conduzir dispositivos acessórios (não representados), por exemplo válvulas, bombas ou mecanismos similares, tal como é necessário para pôr o motor 2 em funcionamento. O movimento dos rolamentos 10, 10’, na extremidade inferior das bielas dá a todos os quatro rolamentos 10, 10’ um movimento que segue um arco DE (representado na Fig. 1). Como pode ser visto a partir deste arco, há um deslocamento horizontal muito pequeno dos rolamentos 10, 10’. Como resultado deste deslocamento horizontal muito pequeno, há uma carga lateral do pistão muito baixa, aumentando assim a eficiência e longevidade do motor 2. Também simplifica a concepção dos vedantes e rolamentos da biela.
O par de rolamentos 15 é apresentado na Fig. 1. como estando posicionado mais perto do eixo central A do que os rolamentos 10, ligando a longarina 4 às bielas 8, 10. Se desejado, estes rolamentos 15 podem estar posicionados mais afastados do eixo central A, relativamente aos rolamentos 10.
Segunda Modalidade Preferida
Referindo a Fig. 3, partes similares às da primeira modalidade preferida são numeradas do mesmo modo e a configuração dos pistões é a mesma do que para a a primeira modalidade preferida. Nesta modalidade preferida, a longarina 3 do primeiro braço de ligação oscilante 4a está integral e rigidamente ligada às bielas 28, 29. Os pistões 26, 27 podem ter uma forma toroidal. Alternativamente, os pistões podem ser apenas um disco suficiente para suportar um selo. Os pistões 26, 27 seguem um movimento alternativo arqueado em vez de um movimento alternativo axial. A formação das bielas integrais 28, 29 e da longarina 3 conduz a uma total ausência de força lateral nos pistões 26, 27, relativamente ao eixo curvo FG. Isto elimina todos os requisitos de lubrificação e perda de fricção do pistão, e deixa apenas a perda da fricção do vedante como um factor que reduz a eficiência do motor relativamente aos pistões. Como na primeira modalidade preferida, deve subentender-se que há um segundo par de pistões 26’, 27’ (não representados) fora do plano da Fig. 3.
Terceira Modalidade Preferida
Referindo a Fig. 4 e o motor Stirling 30 aí representado: o mecanismo de braço de ligação oscilante 4, da primeira modalidade preferida da invenção, está aqui incorporado mas com uma alteração substancial. Componentes similares aos da primeira modalidade preferida estão numerados do mesmo modo e a configuração dos pistões é a mesma, como para a primeira modalidade preferida. A principal diferença é que nesta modalidade o ângulo (Θ) pode ser variado variando a posição do rolamento excêntrico 11, relativamente ao eixo principal A. A posição variável do rolamento 11 é alcançada por métodos conhecidos, tais como activadores operados mecanicamente, electricamente ou hidraulicamente. O rolamento é posicionado dentro de um espaço 39, no contrapeso 34, na cambota 12. 8 O veio de nutação 16 é fixado rigidamente a um braço de ligação (4a ou 4b) e tem um grau de liberdade em tomo do eixo BC, relativamente ao segundo braço de ligação (4b ou 4a). O veio de nutação 16 tem um grau de liberdade relativamente ao rolamento excêntrico 11. O motor 30 inclui componentes de motor Stirling conhecidos: uma chapa plana fria 31; uma extremidade com nervuras quente 32; e um contrapeso 34. Se o motor Stirling 30 se destina a ser usado como um carregador de bateria de. 12 V, como representado na modalidade da Fig. 4, outros elementos do motor 30 irão incluir uma bobina de campo estacionário 35, um estator 36, um arrancador manual de retrocesso 37 e um rotor 38. Estes últimos elementos, sendo partes padrão de um carregador de bateria, funcionam de um modo conhecido.
Usando o motor 30 da terceira modalidade preferida, num motor Stirling com pistões tendo um deslocamento variável, os testes revelaram que um motor Stirling carregando ar com uma velocidade de 1500 r.p.m., num deslocamento de 20mm com um furo de 40mm e uma pressão de ciclo média de 10 bar, pode produzir um rendimento de mais de 400W.
Enquanto a invenção foi descrita relativamente a um motor Stirling, este não é o único mecanismo ou máquina no qual a unidade de braço de ligação 4 pode ser usada. Pode ser usada em compressores de gás, compressores de refrigeração e bombas/motores hidráulicos. Os compressores de ar seco compacto, onde não pode entrar lubrificante no fornecimento de ar, são um mecanismo adequado para usar a invenção. As baixas cargas laterais do pistão e equilíbrio do motor significam que a unidade de braço de ligação 4 pode ser usada eficazmente em motores de combustão interna compactos ou motores a vapor.
Variando a distância entre o centro do rolamento da biela e o respectivo centro do rolamento da biela do pistão (ou o centro do topo.da biela respectiva, se não houver rolamento adequado), a posição do centro do rolamento excêntrico 11, (na terceira modalidade preferida) ou a posição de um dos dois rolamentos excêntricos 11 (na segunda e primeira modalidades preferidas), pode ser controlada por dois activadores lineares de tipo conhecido. Ou seja, o ângulo entre o eixo BC e o eixo A pode ser variado e controlado. 9
Uma tal disposição da unidade de braço de ligação é adequada para uso em mecanismos para posicionar precisamente outros dispositivos. Tais outros dispositivos podem ser pratos de satélite, espelhos ou painéis solares (etc).
Lisboa, 2 f FEV. 2001 Φ AQENTE OHÔAL DA FftOtttEPADE »4DUSTkiAl
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Claims (6)
- REIVINDICAÇÕES 1- Um mecanismo de braço de ligação oscilante (4) para converter movimento alternativo em movimento rotativo, o dito mecanismo (4) fornecendo uma pluralidade de pistões (6, 6’, 7, 7‘) tendo cabeças de pistão funcionalmente ligadas ao mecanismo de braço de ligação oscilante (4) e uma cambota (12), caracterizado pelo facto de o dito mecanismo de braço de ligação oscilante (4) incluir: um ponto de rotação central (5) através do qual passa a reacção de torque; uma primeira longarina (3) que gira em torno do dito ponto (5), através de rolamentos (14) num plano, e à qual está ligada pelo menos uma extremidade em, pelo menos, um pistão (6), através de rolamentos (10), com um grau de liberdade; pelo menos um primeiro braço de ligação (4a), ligado a pelo menos uma extremidade da dita primeira longarina (3), através de pelo menos um primeiro rolamento (15), cujo eixo passa através do ponto de rotação central (5), cada primeiro rolamento (15) tendo um grau de liberdade; uma segunda longarina (3a), que gira em torno do dito ponto (5) através de rolamentos (14), num plano ao qual está ligada em cada extremidade em, pelo menos, um pistão (6’) através de rolamentos (10’), com um grau de liberdade; um segundo braço de ligação (4b), desfasado a 90° do primeiro braço de ligação (4a), o dito segundo braço de ligação (4b) estando ligado a, pelo menos, uma extremidade da dita segunda longarina (3a), através de pelo menos um segundo rolamento (15’), cujo eixo passa através do ponto de rotação central (5), cada dito segundo rolamento (15’) tendo um grau de liberdade; e um rolamento excêntrico (11) encaixado em ou em torno de um veio de nutação (16), e ligado a uma extremidade de cada um dos primeiro e segundo braços de ligação (4a, 4b); em que: nenhum rolamento (10, 10’, 15, 15’) tem mais de um grau de liberdade, quando em movimento; os eixos dos ditos primeiro e segundo rolamentos excêntricos (11, 14, 15, 15’) passam através do dito ponto de rotação central (5); e há um grau de liberdade de rotação entre os dois braços de ligação (4a, 4b), em torno do eixo do rolamento excêntrico (11). l
- 2- Um mecanismo de braço de ligação oscilante (4), conforme reivindicado na reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o dito mecanismo (4) incluir um segundo rolamento excêntrico (11) que é encaixado em, ou em torno do veio de nutação (16).
- 3- Um mecanismo de braço de ligação oscilante (4), conforme reivindicado na reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo facto de o mecanismo (4) incluir ainda um veio motriz (12a) e sendo os eixos dos pistões (6, 6\ 7, 7’) paralelos ao eixo do veio motriz (12a).
- 4- Um mecanismo de braço de ligação oscilante (4), para converter movimento alternativo em movimento rotativo, caracterizado pelo facto de o dito mecanismo (4) fornecer uma pluralidade de pistões (26, 26’, 27, 27’) tendo cabeças de pistão ligadas funcionalmente ao mecanismo de braço de ligação oscilante (4) e uma cambota (12); o dito mecanismo de braço de ligação oscilante (4) incluindo: um ponto de rotação central (5), através do qual passa a reacção de torque; uma primeira longarina (3) girando em torno do dito ponto (5), através de rolamentos (14), num plano à qual está ligado pelo menos um pistão (26) em, pelo menos, uma extremidade; pelo menos um primeiro braço de ligação (4a), ligado a pelo menos uma extremidade da dita primeira longarina (3), através de, pelo menos, um primeiro rolamento (15), cujo eixo passa através do ponto de rotação central (5), cada primeiro rolamento (15) tendo um grau de liberdade; uma segunda longarina (3b), que gira em torno do dito ponto (5), através de rolamentos (14), num plano à qual está ligado pelo menos um pistão (26’), em cada extremidade; um segundo braço de ligação (4b), desfasado a 90° do primeiro braço de ligação (4a), o dito segundo braço de ligação (4b) estando rigidamente ligado a pelo menos uma extremidade da dita segunda longarina (3b), através de, pelo menos, um segundo rolamento (15’), cujo eixo passa através do ponto de rotação central (5), cada dito segundo rolamento (15’) tendo um grau de liberdade; um rolamento excêntrico (11), encaixado em ou em torno de um veio de nutação (16), e ligado a uma extremidade de cada um dos primeiro e segundo braços de ligação (4a, 4b), em que: nenhum rolamento (11, 15, 15’) tem mais de um grau de liberdade, quando em movimento; os eixos dos ditos primeiro e segundo rolamentos excêntricos (11, 15, 15’) passam através do dito ponto de rotação central (5); os pistões (26, 26', 27, 27’) seguem um movimento alternativo arqueado; e há um grau de liberdade de rotação entre os dois braços de ligação (4a, 4b), em torno do eixo do rolamento excêntrico (11).
- 5- Um mecanismo de braço de ligação oscilante (4), conforme reivindicado em qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo facto de o veio de nutação (16) estar num ângulo de excentricidade relativamente à cambota (12), cujo ângulo pode ser variado.
- 6- Uma máquina alternativa de pistões, caracterizado pelo facto de compreender uma pluralidade de pistões, cada um com uma cabeça de pistão; uma cambota (12) e um mecanismo de braço de ligação oscilante (4), conforme reivindicado em qualquer uma das reivindicações 1 a 5. Lisboa. 2 1 FE». 2001Q AGBjTfE QHQAL PA PRQPRB3A0E OOUSTRlAl3
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