WO2019198579A1 - 流体圧回路 - Google Patents

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嶋田　佳幸
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Abstract

固定容量ポンプを用いながらも操作指令に応じて円滑に流体圧アクチュエータを制御可能かつエネルギを有効に活用できる流体圧回路を安価に提供する。流体回路（１３０）は、固定容量ポンプ（２）と流体圧アクチュエータ（５）との間に配置され加圧流体の流路を切り換える方向切換弁（４）と、前記流体圧アクチュエータと前記方向切換弁とを接続する接続流路（２３）から分岐する分岐流路（２９，３０）に設けられたアキュムレータ（２７）と、前記接続流路と前記アキュムレータとの間に配置されたアキュムレータ流量制御弁（２６）と、前記流体圧アクチュエータと前記固定容量ポンプとの間に配置され、該固定容量ポンプから吐出された加圧流体を前記タンク側の系統と前記流体圧アクチュエータ側の系統との２系統に流量を可変して分岐するポンプ流量制御弁（４０）とを備えた。

Description

流体圧回路
　本発明は、操作指令に応じて流体圧アクチュエータを制御する流体圧回路に関する。
　一般に、作業機械、建設機械、荷役運搬車両、自動車等に操作指令に応じて流体圧ポンプを駆動してシリンダ装置等の流体圧アクチュエータを制御する流体圧回路が用いられている。流体圧回路に用いられる流体供給源として、固定容量流体圧ポンプは構造が単純でメンテナンス性に優れることから流体圧回路に多用されている。また、シリンダ装置から排出される流体をアキュムレータに蓄圧するようにして、エネルギを有効に活用するものがある。
　例えば、特許文献１に記載された油圧回路は、操作弁の操作レバーが伸び方向に操作されると、方向切換弁は伸び位置に切り換えられ、固定容量油圧ポンプから吐出された圧油はシリンダ装置のボトム室に導入されてロッドは外部に伸出する、一方、操作レバーが縮み方向に操作されると、方向切換弁は縮み位置に切り換えられ、固定容量油圧ポンプから吐出された圧油はロッド室に導入されてロッドはシリンダ装置の内部に退縮するようになっている。
　また、方向切換弁とタンクとを接続する油路に分岐油路が分岐接続されており、ロッドを退縮させる際に切換弁を蓄圧位置として、分岐油路を通してボトム室から排出される戻り油の一部をアキュムレータに蓄圧できるようになっており、このアキュムレータに蓄圧された圧油を再生ポンプモータに供給して発電するようになっており、エネルギを有効に活用するようになっている。
特開２００８－９５７８８号公報（段落００１４－段落００１５、図２）
　ここで、前述の油圧回路においては、シリンダ装置のボトム室から排出される油の一部をアキュムレータに蓄圧して利用することでエネルギの利用効率は高いものの、固定容量油圧ポンプは吐出量が一定であることから方向切換弁の切り換え時に衝撃が発生しやすいという問題を内在している。
　本発明は、上述した課題を解決するためになされたもので、操作指令に応じて円滑に流体圧アクチュエータを制御可能かつエネルギを有効に活用できる流体圧回路を安価に提供することを目的とする。
　前記課題を解決するために、本発明の流体圧回路は、
　流体を貯蔵するタンクと、前記タンク内の流体を加圧する固定容量ポンプと、前記固定容量ポンプから吐出された加圧流体によって作動する流体圧アクチュエータと、前記固定容量ポンプと前記流体圧アクチュエータとの間に配置され前記加圧流体の流路を切り換える方向切換弁とを備え、操作指令に応じて前記流体圧アクチュエータを制御する流体圧回路であって、
　前記流体圧アクチュエータと前記方向切換弁とを接続する接続流路から分岐する分岐流路に設けられたアキュムレータと、
　前記接続流路と前記アキュムレータとの間に配置されたアキュムレータ流量制御弁と、
　前記流体圧アクチュエータと前記固定容量ポンプとの間に配置され、該固定容量ポンプから吐出された加圧流体を前記タンク側の系統と前記流体圧アクチュエータ側の系統との２系統に流量を可変して分岐するポンプ流量制御弁と、を備えることを特徴としている。
　この特徴によれば、ポンプ流量制御弁は入力された加圧流体を２系統に流量を可変して出力するから、構造の簡単な固定容量ポンプを用いながら、操作指令に応じて円滑に流体圧アクチュエータを制御可能となり、かつアキュムレータの蓄圧流体により流体圧アクチュエータを作動させることが可能でありエネルギを有効に活用できる。また、流体圧回路は、固定容量ポンプと方向切換弁とアキュムレータ流量制御弁とポンプ流量切換弁とから主に構成されているから安価にできる。
　好適には、ポンプ流量制御弁はスプール弁である。
　これによれば、スプールのストローク制御により流量を調整できるため構造が簡単である。
　好適には、前記アキュムレータにより前記流体圧アクチュエータを作動させる際に、前記ポンプ流量制御弁を関連して制御する制御部を有する。
　これによれば、流体圧アクチュエータを円滑に制御できるとともに回生作動時の固定容量ポンプの負荷を小さくできる。
　好適には、前記アキュムレータ流量制御弁は、流量を可変に切り換える比例弁であって、前記制御部は、前記アキュムレータ流量制御弁と前記ポンプ流量制御弁とに相補的な操作指令を出力する。
　これによれば、操作指令に対する流体圧アクチュエータの動作特性を通常の制御時と回生の制御時に合わせることができる。
　好適には、前記アキュムレータの圧力を検出する圧力センサが配置されている。
　これによれば、アキュムレータに蓄圧されている流体の実際の圧力を反映できるため、さらに円滑に制御可能となる。
　好適には、前記ポンプ流量制御弁は、前記方向切換弁と前記固定容量ポンプとの間に配置されている。
　これによれば、ポンプ流量制御弁は方向切換弁と別体であるから、方向切換弁の構造は複雑にならない。
本発明の実施例１の油圧回路を組み込んだホイールローダを示す図である。 実施例１における油圧回路を示す図である。 レバー操作量とパイロット２次圧との関係を示すグラフである。 レバー操作量とロッドスピードとの関係を示すグラフである。 ポンプ流量制御弁の電気信号とスプール開度との関係を示すグラフである。 蓄圧状態を説明する図である。 回生状態を説明する図である。 アキュムレータの圧力Ｐｚに応じた制御パラメータを説明する表図である。
　本発明に係る流体圧回路を実施するための形態を実施例に基づいて以下に説明する。
　実施例１に係る流体圧回路としての油圧回路１３０につき、図１から図８を参照して説明する。実施例１に係る流体圧回路としての油圧回路は、作業機械、建設機械、荷役運搬車両、自動車等に操作指令に応じてシリンダ装置のストロークを制御する油圧回路であり、例えば図１に示すホイールローダ１００のパワートレインに組み込まれている。ホイールローダ１００は、車体１０１と、走行用の車輪１０２と、作業用アーム１０３と、油圧シリンダ１０４と、砂利等を入れるバケット１０５とから主に構成されている。車体１０１には、エンジン等の機関１１０と、走行用の流体回路１２０と、油圧シリンダ１０４と、シリンダ装置である油圧シリンダ５等を駆動する作業用の油圧回路１３０とが設けられている。
　図２に示されるように、油圧回路１３０は主に、エンジンや電動モータといった駆動機構１により駆動される固定容量型の固定容量ポンプとしてのメイン油圧ポンプ２と、パイロット油圧ポンプ３と、方向切換弁４と、流体圧アクチュエータとしての油圧シリンダ５と、タンク１１と、アキュムレータ２７用のアキュムレータ流量制御弁としての電磁比例流量制御弁２６と、アキュムレータ２７と、コントローラ２８と、圧力センサ３３と、メイン油圧ポンプ２用のポンプ流量制御弁としての電磁比例流量制御弁４０とから構成されている。
　メイン油圧ポンプ２は、内燃機関等の駆動機構１と連結され、駆動機構１からの動力によって回転駆動されることにより油路１２を通して下流側へ圧油を供給している。
　メイン油圧ポンプ２から吐出された圧油は油路１２，１３を通って方向切換弁４に流入する。方向切換弁４は６ポート３位置タイプのオープンセンタ型切換弁で、スプールが中立位置にある状態では、メイン油圧ポンプ２から吐出された圧油は全量が油路１４を通ってタンク１１に流れている。
　また、メイン油圧ポンプ２を備えるメイン回路には、リリーフ弁７が設置されており、油圧シリンダ５のロッド５ａが伸び終端若しくは縮み終端に達した際や油圧シリンダ５へ急激な負荷が加わり、回路内が異常高圧になって、回路内の油機が破損するのを防いでおり、リリーフ弁７から排出される高圧油は油路１７を通ってタンク１１に排出されるようになっている。
　パイロット油圧ポンプ３はメイン油圧ポンプ２と同様に、駆動機構１と連結されて駆動機構１からの動力によって回転駆動されることにより油路１８を通って下流側のリモコン弁６に圧油を供給している。
　また、パイロット油圧ポンプ３を備えるパイロット回路には、リリーフ弁８が設置されており、操作レバー６－１が操作されていないリモコン弁６の中立時には、圧油は油路１９，２０，リリーフ弁８を通ってタンク１１へ排出されるようになっている。
　リモコン弁６は、可変型の減圧弁であり、操作レバー６－１を前後に操作することにより、図３に示すようなレバー操作量に比例して高くなる二次圧の圧油を信号油路２１，２２を通って方向切換弁４の信号ポート４Ａ，４Ｂに供給する。このようにして、方向切換弁４は油圧シリンダ５の「伸び」，「縮み」位置に切り換えられる。
　電磁比例流量制御弁２６は２ポート３位置タイプのノーマルクローズ型電磁比例流量制御弁であり、入力位置２６ａにおいてアキュムレータ２７側への流れのみを許容する逆止弁を、出力位置２６ｂにおいて油圧シリンダ５側への流れのみを許容する逆止弁を内蔵している。
　電磁比例流量制御弁４０は３ポート２位置タイプのノーマルオープン型電磁比例制御弁であり、メイン油圧ポンプ２から油路１２に吐出された圧油を油路１３と油路４２の２系統に可変して分岐するスプール弁であって、図５に示す開口特性を有しており、中立位置４０ａにおいては、油路１２と油路１３を連通させており、かつ、油路４２を閉止している。コントローラ２８からの電気信号が電気信号ライン４１を介してソレノイド部４０－１に入力されると、その電気信号の変化量例えば電力量に応じて、可変的に徐々に切換位置４０ｂ側に切り換わる。変化量が所定量以上となると、切換位置４０ｂに完全に切り換わり、油路１２と油路１３は閉止され、かつ、油路１２は油路４２を介してタンク１１に連通するようになっている。
（１）通常の伸び作動について説明する。
　操作レバー６－１を伸び方向Ａに操作した時のレバー操作量と油圧シリンダ５のロッドの伸びスピードの関係は、図４に示すような特性カーブとなっている。方向切換弁４は、リモコン弁６のパイロット二次圧に略比例してスプールがストロークするように構成されており、スプールストロークに応じてその開口量が増加する開口特性を有しているため、開口量の増加に伴い油圧シリンダ５への圧油の供給油量が増え、油圧シリンダ５のロッド５ａの作動スピードが増すようになっている。つまり、操作レバー６－１の操作量に応じてロッドスピードをコントロールすることができる。
　操作レバー６－１が伸び方向Ａに操作されて方向切換弁４が伸び位置に切り換わると、メイン油圧ポンプ２からの圧油は油路１２，１３，１５，２３を通って油圧シリンダ５のボトム室５Ａに流入し、ロッド室５Ｂ内の油は油路２４を通り、更に方向切換弁４を介して油路２５を通りタンク１１に排出される。これにより、油圧シリンダ５のロッド５ａは伸び方向に移動する。
（２）通常の縮み動作について説明する。
　一方で、操作レバー６－１が縮み方向Ｂに操作されて方向切換弁４が縮み位置に切り換わると、メイン油圧ポンプ２からの圧油は油路１２，１３，１５，２４を通って油圧シリンダ５のロッド室５Ｂに流入し、ボトム室５Ａ内の油が接続流路としての油路２３を通り、更に方向切換弁４を介して油路２５を通ってタンク１１に排出される。これにより、油圧シリンダ５のロッド５ａは縮み方向に移動する。
（３）蓄圧を伴う縮み動作について説明する。
　リモコン弁６の操作レバー６－１を縮み方向Ｂに操作された際に、コントローラ２８はアキュムレータ２７の圧力が高所定値ＰＨ未満であればアキュムレータ２７への蓄圧が可能と判断し以下の動作を行う。なお、アキュムレータ２７の圧力が高所定値ＰＨ以上であれば蓄圧が不要であると判断して蓄圧を行わない。
　図６を参照し、リモコン弁６の操作レバー６－１を縮み方向Ｂに操作すると方向切換弁４が縮み位置に切り換わってメイン油圧ポンプ２からの圧油は油路１２，１３、方向切換弁４の油路、油路２４を通って油圧シリンダのロッド室５Ｂに流入し、ボトム室５Ａ内の油は油路２３を通って方向切換弁４の絞り流路を介して油路２５を通ってタンク１１に排出される。
　この時、パイロット信号油路２２上に設置されている圧力センサ１０からの圧力Ｐｙに応じた電気信号がコントローラ２８に入力されることにより、予めコントローラ２８に実装されている演算回路によって圧力Ｐｙに応じた電気信号Ｓｙが電気信号ライン３１を通って電磁比例流量制御弁２６に入力され、電気信号Ｓｙの変化量に応じて徐々に入力位置２６ａ側に切り換わり、ボトム室５Ａからの排出油の一部は分岐流路としての油路２９、電磁比例流量制御弁２６の逆止弁、分岐流路としての油路３０を通ってアキュムレータ２７に蓄圧される。ロッド５ａの縮み操作が終了すると、コントローラ２８は電気信号ライン３１への電気信号の出力を停止し、電磁比例流量制御弁２６は図２に示す中立位置となる。
（４）回生による伸び動作ついて説明する。
　リモコン弁６の操作レバー６－１を伸び方向Ａに操作された際に、コントローラ２８はアキュムレータ２７の圧力が低所定値ＰＬ以上であればアキュムレータ２７に蓄圧された圧油の回生が可能と判断し以下の動作を行う。なお、アキュムレータ２７の圧力が低所定値ＰＬ未満であれば回生を行わない。また、高所定値ＰＨは低所定値ＰＬよりも高い圧力である。
　図７を参照し、リモコン弁６の操作レバー６－１を伸び方向Ａに操作すると方向切換弁４が伸び位置に切り換わってメイン油圧ポンプ２からの圧油は油路１２，１３，１５、方向切換弁４の油路、油路２３を通って油圧シリンダのボトム室５Ａに流入し、ロッド室５Ｂ内の油が油路２４を通って方向切換弁４の油路を介して油路２５を通ってタンク１１に排出される。
　この時、圧力センサ９からの圧力Ｐｘに応じた電気信号及び圧力センサ３３からの圧力Ｐｚに応じた電気信号がコントローラ２８に入力されることにより、予めコントローラ２８に実装されている演算回路によって圧力Ｐｘ，Ｐｚに応じた電気信号Ｐｘｚが電気信号ライン３２を通って電磁比例流量制御弁２６に入力され、電気信号Ｐｘｚの変化量に応じて徐々に出力位置２６ｂ側に切り換わり、アキュムレータ２７内の蓄圧油が可変的に油路３０、電磁比例流量制御弁２６の逆止弁、油路２９を通って油路２３に合流し、油圧シリンダのボトム室５Ａに供給される。このようにしてアキュムレータ２７に蓄圧された圧油は回生される。
　同時にコントローラ２８より、電気信号Ｐｘｚが電気信号ライン４１を通って電磁比例流量制御弁４０のソレノイド部４０－１に入力され、その電気信号Ｐｘｚの変化量に応じて、徐々に切換位置４０ｂに切り換わって行き、油路１２と油路１３間の開度は可変的に徐々に小さくなり、また、油路１２と油路４２間の開度は可変的に徐々に大きくなり、電気信号Ｐｘｚの変化量が大きく、切換位置４０ｂに完全に切り換わると、油路１２と油路１３は遮断され、また、油路１２は油路４２を介してタンク１１に完全に連通される。
　ここで、メイン油圧ポンプ２の油路１２は、電磁比例流量制御弁４０により油路１３と油路４２との２系統に分岐されており、油路１２の吐出油量Ｑ１２は可変的に油路１３の油量Ｑ１３と油路４２の油量Ｑ４２に分かれて出力される（Ｑ１２＝Ｑ１３＋Ｑ４２）。また、油圧シリンダ５のボトム室５Ａに流入する油量Ｑ５Ａは、アキュムレータ２７から電磁比例流量制御弁２６を介して油路２３に供給される油量Ｑ２９と、メイン油圧ポンプ２から電磁比例流量制御弁４０、方向切換弁４を介して油路２３に供給される油量Ｑ２３との和（Ｑ５Ａ＝Ｑ２９＋Ｑ２３）である。このようして、アキュムレータ２７から油量Ｑ２９の圧油が回生される。なお、油量Ｑ５Ａは、通常の伸び作動時にボトム室５Ａに流入する油量と同じになっており、油量Ｑ２９と油量Ｑ４２は相補的になっている。すなわち、電磁比例流量制御弁２６と電磁比例流量制御弁４０とは電気信号Ｐｘｚの変化量に対して相補的な特性になっている。例えば、アキュムレータ２７からボトム室５Ａに供給される油量Ｑ２９と方向切換弁４が全開とされた際に、電磁比例流量制御弁４０を介して油路１２から油路４２に排出される油量Ｑ４２とは同じ（Ｑ２９＝Ｑ４２）となっている。すなわち、操作レバー６－１の操作量に対応した圧力Ｐｘに応じた方向切換弁４の移動量を考慮すれば、Ｑ２９＝Ｑ４２×ｆ（Ｐｘ）とすればよい。但し、ｆ（Ｐｘ）は操作レバー６－１の操作量に対応した圧力の関数であって、操作量に略比例し操作量が所定値を超えたとき１となる。結果、回生作動時における、レバー操作量とロッドスピードの関係特性カーブは通常作動時の図４と同じ特性となっている。
　また、図８を参照し、電磁比例流量制御弁２６に出力される電気信号Ｐｘｚの変化量は、圧力Ｐｚが高所定値ＰＨ以上である場合には、縮み時と同様に圧力Ｐｘのみに応じた量ΔＰｘ、圧力Ｐｚが低所定値ＰＬ以上かつ高所定値ＰＨ未満である場合には、圧力Ｐｚのみに応じた量ΔＰｚ、圧力Ｐｚが低所定値ＰＬ未満である場合には、量ゼロとなっている。すなわち、アキュムレータ２７に蓄圧された圧力が高ければ回生作動を行い、低ければ回生作動は行わず、程々の圧力である圧力Ｐｚが低所定値ＰＬ以上かつ高所定値ＰＨ未満である場合に、アキュムレータ２７から供給する回生油量Ｑ２９の割合を圧力Ｐｚが高所定値ＰＨ以上の場合に比べ低くするようにしている。このようにすることで、アキュムレータ２７に蓄圧された圧力が比較的低い場合にも回生をすることができ、エネルギ効率に優れる。
　なお、アキュムレータ２７の圧力が高所定値ＰＨ以上であるときのみ回生をさせるようにしてもよい。このようにすることで、電磁比例流量制御弁２６，４０の制御を単純にできる。
　油路１２と油路１３の間にコントローラからの電気信号により制御される電磁比例流量制御弁４０を設けることにより、固定容量型のメイン油圧ポンプ２を用いながらも、アキュムレータ２７の蓄圧油を電磁比例流量制御弁２６を介して、油圧シリンダ５のボトム室５Ａに回生させると同時にメイン油圧ポンプ２の吐出油を電磁比例流量制御弁４０により低圧のタンク１１へ連通させて、メイン油圧ポンプ２の吐出圧を低減させている。なお、ポンプの出力Ｅとポンプ吐出圧Ｐと吐出流量Ｑとの関係性は以下式の通り、
　　　　　　　　　　　　　　 Ｅ∝Ｐ×Ｑ
であるため、メイン油圧ポンプ２の出力（負荷）が低減され、システムの省エネを図ることができる。
　また、従前から多用されていた、固定容量型のメイン油圧ポンプを用いた油圧回路に、アキュムレータ２７、電磁比例流量制御弁２６，４０等を追加すれば、廉価かつ簡単に回生機能を付加できる。
　以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。
　例えば、ロッド５ａの縮み時にボトム室５Ａからの戻り油の一部をアキュムレータ２７に蓄圧し、この蓄圧油をロッド５ａの伸び時にボトム室５Ａに回生する場合を説明したが、ロッド５ａの伸び時にロッド室５Ｂからの戻り油の一部をアキュムレータ２７に蓄圧するものであってもよく、さらに、ロッド５ａの縮み時と伸び時の両方においてボトム室５Ａ，ロッド室５Ｂからの戻り油の一部をアキュムレータ２７に蓄圧するものであってもよい。
　また、流体圧アクチュエータは油圧シリンダ以外であってもよく、例えば、油圧モータの制動時の戻り油の一部をアキュムレータに蓄圧し、この蓄圧油を油圧モータの加速時に回生するといった具合に、固定容量型のメイン油圧ポンプを用いた油圧回路にてアキュムレータに蓄圧してこれを回生させる如何なる回路に於いても適用できる。
　また、流体として油を利用する場合を例にとって説明したが、例えば、水や空気といったような如何なる流体にも適用できる。
　また、電磁比例流量制御弁２６，４０は、電気により切換動作する構成に限らず、液圧動作する弁であってもよい。
　また、電磁比例流量制御弁４０の機能を方向切換弁４に組み込んでもよい。この場合には、方向切換弁４はパイロット油圧及び電気的信号の両方によって制御されるものとすることが好ましい。
２　　　　　　　　　メイン油圧ポンプ（固定容量ポンプ）
４　　　　　　　　　方向切換弁
５　　　　　　　　　油圧シリンダ（流体圧アクチュエータ）
５Ａ　　　　　　　　ボトム室
５Ｂ　　　　　　　　ロッド室
５ａ　　　　　　　　ロッド
６　　　　　　　　　リモコン弁
６－１　　　　　　　操作レバー
１１　　　　　　　　タンク
２３　　　　　　　　油路（接続流路）
２６　　　　　　　　電磁比例流量制御弁（アキュムレータ流量制御弁）
２７　　　　　　　　アキュムレータ
２８　　　　　　　　コントローラ
２９，３０　　　　　油路（分岐流路）
３３　　　　　　　　圧力センサ
４０　　　　　　　　電磁比例流量制御弁（ポンプ流量制御弁）
１３０　　　　　　　油圧回路（流体圧回路）

Claims (6)

  1. 　流体を貯蔵するタンクと、前記タンク内の流体を加圧する固定容量ポンプと、前記固定容量ポンプから吐出された加圧流体によって作動する流体圧アクチュエータと、前記固定容量ポンプと前記流体圧アクチュエータとの間に配置され前記加圧流体の流路を切り換える方向切換弁とを備え、操作指令に応じて前記流体圧アクチュエータを制御する流体圧回路であって、
    　前記流体圧アクチュエータと前記方向切換弁とを接続する接続流路から分岐する分岐流路に設けられたアキュムレータと、
    　前記接続流路と前記アキュムレータとの間に配置されたアキュムレータ流量制御弁と、
    　前記流体圧アクチュエータと前記固定容量ポンプとの間に配置され、該固定容量ポンプから吐出された加圧流体を前記タンク側の系統と前記流体圧アクチュエータ側の系統との２系統に流量を可変して分岐するポンプ流量制御弁と、を備える流体圧回路。
  2. 　前記ポンプ流量制御弁はスプール弁である請求項１に記載の流体圧回路。
  3. 　前記アキュムレータにより前記流体圧アクチュエータを作動させる際に、前記ポンプ流量制御弁を関連して制御する制御部を有する請求項１または２に記載の流体圧回路。
  4. 　前記アキュムレータ流量制御弁は、流量を可変に切り換える比例弁であって、前記制御部は、前記アキュムレータ流量制御弁と前記ポンプ流量制御弁とに相補的な操作指令を出力する請求項３に記載の流体圧回路。
  5. 　前記アキュムレータの圧力を検出するセンサが配置されている請求項１ないし４のいずれかに記載の流体圧回路。
  6. 　前記ポンプ流量制御弁は、前記方向切換弁と前記固定容量ポンプとの間に配置されている請求項１ないし５のいずれかに記載の流体圧回路。
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