起重裝備制動(dòng)器運(yùn)行狀態(tài)健康監(jiān)測

一、概述

制動(dòng)器是保證復(fù)雜起重裝備日常安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備，是起重裝備最為關(guān)鍵也是最后一道安全保護(hù)裝置。制動(dòng)器的作用是使起重裝備運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)或其他設(shè)備能按照作業(yè)者的要求達(dá)到減速、停止，同時(shí)具有保證起重機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)或機(jī)器起到狀態(tài)停止的要求。起重裝備制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)性能的好與壞直接關(guān)系到起重裝備運(yùn)行的可靠性、安全性。如果某一臺(tái)起重裝備在工作的過程中出現(xiàn)故障，而又沒有及時(shí)進(jìn)行制動(dòng)并且排除解決故障問題，則不僅有可能會(huì)導(dǎo)致起重裝備制動(dòng)器本身損壞，更嚴(yán)重的可能會(huì)造成機(jī)毀人亡的慘重事故。

二、制動(dòng)器典型失效模式及失效機(jī)理分析

1.制動(dòng)器典型失效模式

起重裝備常用的制動(dòng)器種類很多，但其基本原理基本相同，因此失效模式也大同小異。本篇以港口起重機(jī)常用的電力液壓盤式制動(dòng)器為研究對象分析制動(dòng)器典型失效模式。

通過對國內(nèi)大型港口起重裝備運(yùn)輸廠及制動(dòng)器的設(shè)計(jì)制造單位的調(diào)研，分析電力液壓盤式制動(dòng)器系統(tǒng)組成，參照國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)、手冊和制動(dòng)器使用維修記錄，從結(jié)構(gòu)出發(fā)，建立了電力液壓盤式制動(dòng)器典型結(jié)構(gòu)失效層次圖，如圖1所示。

圖1 電力液壓盤式制動(dòng)器典型結(jié)構(gòu)失效層次圖

從制動(dòng)器結(jié)構(gòu)失效圖可以看出，制動(dòng)器失效主要是由機(jī)械部分失效和推動(dòng)器系統(tǒng)失效兩大因素引起的，而推動(dòng)器系統(tǒng)與控制系統(tǒng)有直接的關(guān)系，因此制動(dòng)器機(jī)械部分的失效是最容易表征出來的。

對國內(nèi)外相關(guān)制動(dòng)器失效事故進(jìn)行一定的分析，發(fā)現(xiàn)大部分制動(dòng)器失效主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是控制信號發(fā)出但制動(dòng)器不開閘，即制動(dòng)器不正常工作；二是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩不足，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)緊急情況需要急停時(shí)，制動(dòng)器的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩不足而使其不能安全制動(dòng)（或者在減速階段不能使卷筒的速度減?。?。從圖2可以看出，制動(dòng)器主要的失效模式有制動(dòng)器不開閘、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩不足、閘瓦磨損不均、空運(yùn)時(shí)間過長及溫度過高。

圖2 制動(dòng)器主要的失效模式

2.制動(dòng)器失效機(jī)理分析

1)制動(dòng)器不開閘

起重機(jī)上常用的制動(dòng)器為常閉式，當(dāng)起重機(jī)從斷電停機(jī)狀態(tài)到起動(dòng)開始工作的狀態(tài)時(shí)，制動(dòng)器必須解除制動(dòng)。起重機(jī)開始工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，制動(dòng)器推桿向上移動(dòng)，制動(dòng)臂離開制動(dòng)盤直到閘瓦完全松開。因此當(dāng)起重機(jī)開始工作，制動(dòng)器不開閘，其主要原因?yàn)榭刂菩盘柺?、液缸油液不足不能推?dòng)制動(dòng)推桿、活動(dòng)鉸點(diǎn)卡死不能動(dòng)作以及推動(dòng)器電動(dòng)機(jī)故障。

制動(dòng)器不開閘與控制信號失效有著密切的關(guān)聯(lián)。在役起重機(jī)尤其對工作十年以上的起重機(jī)而言，制動(dòng)器的電氣控制問題故障較多，由GB 7588—2003標(biāo)準(zhǔn)可知，制動(dòng)器的兩個(gè)接觸器應(yīng)獨(dú)立分開控制閘瓦的開合。然而，在現(xiàn)實(shí)中，常存在以下情況：制動(dòng)器的兩個(gè)控制裝置并沒有分開；接觸器的連接方式為并聯(lián)。

2)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩不足

在制動(dòng)器工作時(shí)，可以將制動(dòng)轉(zhuǎn)矩看成由兩部分構(gòu)成，一部分是制動(dòng)彈簧預(yù)緊力產(chǎn)生的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，用Mt來表示，其值為正；另外一部分是推動(dòng)器的推力產(chǎn)生的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，方向與Mt相反，用Md來表示，其值為正。則制動(dòng)轉(zhuǎn)距M可表示為

另由推動(dòng)器推力F產(chǎn)生的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩為

式中，N為正壓力；F為推力；i為驅(qū)動(dòng)杠桿比；d1為有效摩擦直徑；Mt為額定制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；μ為摩擦系數(shù)。

由電力液壓盤式制動(dòng)器構(gòu)造可知，泵的壓力與轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速與功率都是二次方的關(guān)系，而轉(zhuǎn)速與流量是正比例關(guān)系，故推動(dòng)器產(chǎn)生的推力F與制動(dòng)器電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n的二次方成正比關(guān)系，如圖3所示。

圖3 制動(dòng)轉(zhuǎn)矩與制動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系

式中，ne為電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速；Fe為推動(dòng)器在電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速下的推力。

故制動(dòng)轉(zhuǎn)矩可表示為

由以上公式可見，影響制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的主要因素有制動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、推動(dòng)器的推力、閘瓦與制動(dòng)盤之間的摩擦系數(shù)、閘瓦間隙、主彈簧預(yù)壓量等，而造成制動(dòng)轉(zhuǎn)矩不足主要有三個(gè)方面的原因，即正壓力不足、摩擦系數(shù)下降、制動(dòng)盤接觸面不足。

引起正壓力不足的原因主要有四點(diǎn)：一是閘瓦間隙過大造成正壓力不足；二是制動(dòng)器主彈簧疲勞或斷裂而引起的性能降低或失效；三是推動(dòng)器活塞和液壓缸卡??；四是由于推動(dòng)器液壓缸漏油造成制動(dòng)電動(dòng)機(jī)燒壞。造成摩擦系數(shù)下降的原因主要有制動(dòng)盤污染、制動(dòng)盤過熱和摩擦片磨損嚴(yán)重。制動(dòng)盤接觸面不足的原因主要有兩方面：一是制動(dòng)盤偏擺，由于制動(dòng)裝置安裝存在誤差、加工誤差、周圍環(huán)境（如振動(dòng)）的影響，制動(dòng)裝置會(huì)存在偏擺；二是由于閘瓦制動(dòng)時(shí)溫度過高，而發(fā)生疲勞變形，即閘瓦溫度的循環(huán)變化引起內(nèi)應(yīng)力變化并產(chǎn)生疲勞破壞。

3.空運(yùn)時(shí)間過長

制動(dòng)器開始起動(dòng)到投入有效制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的時(shí)間為上閘時(shí)間，制動(dòng)器理論響應(yīng)時(shí)間為0.3～0.5s。由于制動(dòng)器開閘間隙大、油液回流慢、彈簧疲勞或者拉桿鉸點(diǎn)故障等，易造成空運(yùn)時(shí)間過長，使制動(dòng)距離太長，引發(fā)起重機(jī)安全事故，即為制動(dòng)失效。

其原因主要有以下三點(diǎn)：

第一是退距距離過長。這樣會(huì)造成制動(dòng)器閉合時(shí)閘瓦的行程變大，從而造成閉合時(shí)間過長。

第二是制動(dòng)器液壓缸阻力過大。當(dāng)制動(dòng)器在閉合時(shí)，推桿向下移動(dòng)，此時(shí)液壓缸的油液會(huì)對推桿有阻力作用，如果液壓缸阻力過大，推桿復(fù)位的時(shí)間就會(huì)加長，容易造成空運(yùn)時(shí)間過長。

第三是密封圈損壞。制動(dòng)器上閘瞬間推動(dòng)器液壓缸回路存在一定的壓力，如果密封圈損壞，則會(huì)造成壓力不足而影響推桿移動(dòng)的時(shí)間，因此會(huì)影響空運(yùn)時(shí)間。

三、制動(dòng)器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測內(nèi)容

1.推桿位移監(jiān)測

推桿位移是評價(jià)制動(dòng)器性能好壞的重要指標(biāo)，監(jiān)測推桿位移就是監(jiān)測推桿上下制動(dòng)位移量S，制動(dòng)器每次在制動(dòng)時(shí)有向上的位移量S，根據(jù)JB/T 10603—2006對推動(dòng)器額定行程S的規(guī)定，當(dāng)推力為1250N時(shí)，S為60mm或120mm；起重機(jī)工作時(shí)，推動(dòng)器工作推動(dòng)制動(dòng)器推桿向上移動(dòng)，推桿位移量是反映制動(dòng)器是否正常工作最直觀的參數(shù)，因此推桿位移是最佳的選擇監(jiān)測點(diǎn)。圖4所示為推桿位移監(jiān)測量示意圖。

圖4 推桿位移監(jiān)測量示意圖

由于電力液壓盤式制動(dòng)器為常閉式制動(dòng)器，在起重機(jī)不工作時(shí)，常閉式制動(dòng)器的支持制動(dòng)可使各機(jī)構(gòu)正常工作斷電停止時(shí)，克服重力或風(fēng)載等外力作用，進(jìn)行制動(dòng)防溜保持停止。當(dāng)推桿沒有向上移動(dòng)即保持制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，測得的位移量X=0，由于制動(dòng)器在X=0的狀態(tài)下為制動(dòng)狀態(tài)，則監(jiān)測系統(tǒng)顯示為制動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)起重機(jī)起動(dòng)后，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，制動(dòng)器開閘，推桿向上移動(dòng)X，當(dāng)X=S時(shí)，制動(dòng)器閘瓦完全打開，卷筒開始工作，則監(jiān)測系統(tǒng)顯示為制動(dòng)開閘狀態(tài)。

2.制動(dòng)溫度監(jiān)測

制動(dòng)盤面和摩擦襯片摩擦?xí)r產(chǎn)生的溫度影響制動(dòng)器性能。由于制動(dòng)盤與摩擦片直接相接觸，制動(dòng)時(shí)靠摩擦力制動(dòng)溫度越高，表示摩擦得越好，制動(dòng)效果越好，但是溫度不是越高越好，而是有一定的范圍。當(dāng)溫度達(dá)到摩擦材料失效的臨界值時(shí)，材料本身的性能會(huì)退化，從而造成制動(dòng)時(shí)制動(dòng)效果衰退。因此溫度監(jiān)測是判斷制動(dòng)器制動(dòng)盤是否損傷的一個(gè)重要指標(biāo)。

3.制動(dòng)退距監(jiān)測

制動(dòng)退距是指制動(dòng)閘瓦與制動(dòng)臂連接，內(nèi)圓柱面上可安裝制動(dòng)襯墊的零部件后退距離。起重機(jī)規(guī)程中明確要求檢查制動(dòng)器的退距，即制動(dòng)輪松開時(shí)，制動(dòng)閘瓦與制動(dòng)輪各處間隙應(yīng)基本相等。制動(dòng)器驅(qū)動(dòng)裝置的工作行程調(diào)整與制動(dòng)襯墊的總退距有直接的關(guān)系，制動(dòng)器起動(dòng)時(shí)，如果出現(xiàn)一邊退距大，一邊打不開而始終摩擦，則會(huì)造成單邊摩擦溫度過高，降低制動(dòng)器的制動(dòng)性能，同時(shí)也會(huì)使制動(dòng)襯墊磨損加快。因此退距是評價(jià)制動(dòng)器制動(dòng)性能的重要指標(biāo)參數(shù)。

4.制動(dòng)轉(zhuǎn)矩監(jiān)測

當(dāng)推動(dòng)器電動(dòng)機(jī)驅(qū)使離心泵旋轉(zhuǎn)，利用油壓推動(dòng)活塞桿上下移動(dòng)，由于力具有傳遞性，油壓活塞的推力傳遞到制動(dòng)器推桿，經(jīng)制動(dòng)臂作用在軸瓦與摩擦副的表面，從而形成正壓力。

電力液壓盤式制動(dòng)器依靠摩擦片與制動(dòng)盤的摩擦力的作用達(dá)到制動(dòng)效果，由于制動(dòng)力是判斷制動(dòng)器能否制動(dòng)的一個(gè)重要指標(biāo)，但由于閘瓦摩擦片與制動(dòng)盤直接接觸，則制動(dòng)閘瓦的正壓力需要采用潛埋式壓力傳感器，長期監(jiān)測效果并不是很理想。因此采用間接法監(jiān)測推桿的推力F。圖5所示為電力液壓盤式制動(dòng)器簡圖。

圖5 電力液壓盤式制動(dòng)器簡圖

制動(dòng)輪的正壓力與推桿推力之間的關(guān)系為

制動(dòng)轉(zhuǎn)矩為

式中，N為對制動(dòng)輪的正壓力（單位為N）；F為推桿推力（單位為N）；D為制動(dòng)輪直徑（單位為mm）；f為摩擦系數(shù)；NM為最大額定彈簧閘力（單位為N）。

5.制動(dòng)盤偏擺監(jiān)測

制動(dòng)盤的偏擺量是一項(xiàng)重要的監(jiān)測參數(shù)，一般而言，偏擺量對制動(dòng)器的好壞沒有什么直接的反映，但是，制動(dòng)盤的偏擺量的大小值卻可以從另一方面反映制動(dòng)臂與制動(dòng)盤能夠有效接觸的面積大小。如果在起重機(jī)進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)摩擦片與制動(dòng)盤不能夠有效地接觸，則制動(dòng)器的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩有可能會(huì)小于標(biāo)準(zhǔn)值，從而使起重機(jī)無法及時(shí)地制動(dòng)，容易發(fā)生安全事故。此外，如果制動(dòng)盤偏擺量過大，也會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)片磨損過大，從而降低制動(dòng)臂摩擦片的使用壽命。因此，對制動(dòng)器制動(dòng)盤偏擺量進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，具有重要的意義。為了使偏擺傳感器的安裝方便，同時(shí)為了能夠長期監(jiān)測并得到準(zhǔn)確的數(shù)值，結(jié)合電力液壓盤式制動(dòng)器的構(gòu)造，傳感器安裝在制動(dòng)臂架內(nèi)并與制動(dòng)盤平行。

四、起重裝備制動(dòng)器性能監(jiān)測系統(tǒng)

1.監(jiān)測系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

監(jiān)測系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。硬件系統(tǒng)主要包括主機(jī)部分、信號采集卡、信號調(diào)理部分、傳感器等。

圖6 監(jiān)測系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)示意圖

1)壓力傳感器

轉(zhuǎn)矩是評價(jià)制動(dòng)性能的重要參數(shù)，但根據(jù)制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)可知，如果直接安裝轉(zhuǎn)矩傳感器在制動(dòng)器上是很困難的，因此間接監(jiān)測制動(dòng)主彈簧的正壓力，再換算成相應(yīng)制動(dòng)時(shí)刻的轉(zhuǎn)矩。

力學(xué)傳感器種類很多，結(jié)合制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、監(jiān)測位置特性，選用壓阻式壓力傳感器。如圖7所示，壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)是采用集成工藝將電阻條集成在單晶硅膜片上，制成硅壓阻芯片，并將此芯片的周邊固定封裝于外殼之內(nèi)，引出電極引線。

圖7 壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

2)位移傳感器

（1）制動(dòng)推桿所用傳感器

根據(jù)制動(dòng)器推桿的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，考慮行程量的精度，選用新型的非接觸式電感傳感器，如圖8所示。傳感器測量采用非接觸、無磨損的測量方式，其特點(diǎn)就是精確度高、線性度好，并能保證其使用壽命和制動(dòng)推桿在任何情況下無妨礙工作。

圖8 非接觸式電感傳感器

非接觸式電感傳感器采用電壓信號測量。線圈特殊的布置方式確保PLC電路和傳感器信號的穩(wěn)定性，即便在允許范圍內(nèi)（0～4mm）出現(xiàn)縱向或橫向的移動(dòng)，信號通過16位高分辨率處理后傳到輸出。所選的傳感器內(nèi)有兩個(gè)電子線圈電路板，第一個(gè)電路板上布滿了感應(yīng)線圈元件，它的位置在傳感器表面的下方。第二個(gè)電路板上分布的是電路的信號處理部分，位于第一個(gè)電路板的下方。因此，選擇此型號的傳感器其盲區(qū)非常小。

（2）制動(dòng)退距所用傳感器

在退距監(jiān)測中選用非接觸式電渦流傳感器，因?yàn)楸绢悅鞲衅鞯母袘?yīng)探頭依靠交變磁場的變化可以測得金屬表面的距離變化，感應(yīng)靈敏，測量中引起的振蕩電壓的變化轉(zhuǎn)化為電壓或電流信號，從而將機(jī)械位移轉(zhuǎn)化為電信號的變化。

非接觸式電感位移傳感器安裝在制動(dòng)器推動(dòng)器的頂端，位移傳感器的感應(yīng)探頭固定在頂端隨之與推桿一起運(yùn)動(dòng)。電渦流傳感器測量退距安裝在制動(dòng)臂內(nèi)側(cè)，傳感器的探頭對準(zhǔn)制動(dòng)盤，其安裝示意圖如圖9所示。

圖9 位移傳感器安裝示意圖（退距）

1—制動(dòng)臂 2—傳感器安裝點(diǎn) 3—摩擦片 4—制動(dòng)盤溫度傳感器

3)溫度傳感器

制動(dòng)器制動(dòng)過程中由于摩擦導(dǎo)致溫度較高，如果在制動(dòng)時(shí)摩擦材料或制動(dòng)盤溫度過高，會(huì)降低制動(dòng)器的制動(dòng)性能，有可能造成嚴(yán)重的事故。在對制動(dòng)器制動(dòng)溫度監(jiān)測時(shí)考慮散熱性，在制動(dòng)盤與摩擦襯片剛好非接觸的時(shí)刻應(yīng)為最理想的溫度，但由于臨界接觸狀態(tài)很難直接測得，因此采用非接觸式溫度傳感器。

4)工控機(jī)與采集卡

一個(gè)完整的監(jiān)測狀態(tài)診斷系統(tǒng)必須由監(jiān)控軟件和硬件系統(tǒng)組合而成。監(jiān)控軟件的主要功能是在系統(tǒng)獲得外界信號后進(jìn)行處理、分析，監(jiān)測診斷現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀況。而硬件系統(tǒng)則是給監(jiān)控軟件提供外界信息的主要來源，是監(jiān)控軟件系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)一套技術(shù)先進(jìn)、運(yùn)行可靠、抗干擾能力強(qiáng)的硬件系統(tǒng)，是保障整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。

（1）工控機(jī)

由于起重機(jī)現(xiàn)場工作環(huán)境比較復(fù)雜，工控機(jī)必須要求能夠適應(yīng)振動(dòng)、沖擊、灰塵等環(huán)境，因此選擇性能穩(wěn)定、可靠性好的工控機(jī)作為系統(tǒng)的主機(jī)。

（2）采集卡

信號采集卡是計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備進(jìn)行信息交換的橋梁，各類采集信號都需要通過采集卡再輸送到計(jì)算機(jī)，為了能夠使系統(tǒng)得到更加穩(wěn)定的、可靠的信號，應(yīng)選擇高性能的采集卡。

2.基于多變量傳感器的制動(dòng)器性能監(jiān)測系統(tǒng)

基于多變量傳感器的制動(dòng)器性能監(jiān)測系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)可分為三部分，第一部分是由計(jì)算機(jī)和監(jiān)測軟件構(gòu)成的上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)；第二部分是通信接口卡；第三部分是由單片機(jī)以及外圍部件構(gòu)成的下位機(jī)數(shù)據(jù)采集的智能節(jié)點(diǎn)?？傮w設(shè)計(jì)框圖如圖10所示。

圖10 總體設(shè)計(jì)框圖

上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)由一臺(tái)帶有標(biāo)準(zhǔn)串口的工控機(jī)組成，系統(tǒng)工作過程中下位機(jī)智能節(jié)點(diǎn)對制動(dòng)推桿位移、制動(dòng)溫度、退距、正壓力等模擬量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，并把處理后的數(shù)據(jù)通過總線傳給通信接口卡，再由通信接口卡把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)數(shù)據(jù)格式后送向監(jiān)控工控機(jī)。監(jiān)控工控機(jī)發(fā)送下來的總線格式的數(shù)據(jù)經(jīng)通信接口卡轉(zhuǎn)換成總線協(xié)議格式送向下位機(jī)智能節(jié)點(diǎn)。上位機(jī)的軟件主要是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置、顯示、數(shù)據(jù)保存、記錄各閘的運(yùn)行情況和監(jiān)測制動(dòng)器的運(yùn)行狀態(tài)等功能。顯示的數(shù)據(jù)可以與制動(dòng)器的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行比較，若超出限定值，則系統(tǒng)報(bào)警；保存的數(shù)據(jù)應(yīng)用于后續(xù)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，從而達(dá)到預(yù)診斷的目的。

下位機(jī)智能節(jié)點(diǎn)主要是對如制動(dòng)推桿位移、制動(dòng)溫度、退距、正壓力等模擬量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，將處理后的數(shù)據(jù)上傳，同時(shí)將數(shù)據(jù)與程序中預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，若超出限定值，則系統(tǒng)報(bào)警，通過對制動(dòng)系統(tǒng)電控部分的控制達(dá)到對起重機(jī)制動(dòng)器的緊急保護(hù)功能。

進(jìn)入制動(dòng)器健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的主顯示界面，如圖11所示。反映制動(dòng)器各性能參數(shù)的狀態(tài)信息均可在主界面顯示，可較直觀地診斷制動(dòng)器的健康運(yùn)行狀態(tài)。

圖11 系統(tǒng)顯示界面

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