CN103062026B - 一种用于混凝土泵送机械的泵排量控制方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于混凝土泵送机械的泵排量控制方法和控制设备，该方法包括：确定发动机（10）当前转速下液压泵（40）的目标输出排量；调节所述液压泵（40）的输出排量，使液压泵（40）的输出排量达到目标输出排量；其中，确定液压泵（40）的目标输出排量包括：设定发动机（10）当前转速下所述液压泵（40）的所需输出排量；确定发动机（10）当前转速下所述液压泵（40）的最大限定输出排量；以及将所述液压泵（40）的所需输出排量与所述最大限定输出排量进行比较，并将所述液压泵（40）的所需输出排量与所述最大限定输出排量的较小一者作为所述液压泵（40）的目标输出排量。

Description

一种用于混凝土泵送机械的泵排量控制方法和设备

技术领域

本发明涉及混凝土泵送领域，具体地，涉及一种用于混凝土泵送机械的泵排量控制方法和控制设备。

背景技术

目前，传统的混凝土泵送机械（例如，混凝土泵车、车载泵、托泵等）的控制方式主要有以下几种。第一种是发动机转速恒定，缺省设定档位对应的液压泵排量，即各个档位对应一定的液压泵排量，工作中不再进行调整。第二种是缺省设定档位对应的发动机转速以及液压泵排量，即各个档位对应一定发动机转速以及液压泵排量，工作中不再进行任何调整。传统混凝土泵送机械通常采用恒功率阀进行功率限制。使用恒功率阀进行功率限制，一旦设定完成，工作中就不能再进行调节。如果设定值过大，恒功率起不到作用，易导致发动机熄火。如果设定值过小，发动机负荷率偏低，不利用充分发挥发动机效能，油耗也相对偏高。

发明内容

本发明的目的是提供一种混凝土泵送机械及其泵排量控制方法和控制设备，其可以限定液压泵功率，确保发动机不会因为过载而熄火。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种用于混凝土泵送机械的泵排量控制方法，该方法包括：确定液压泵的目标输出排量；调节所述液压泵的输出排量，使液压泵的输出排量达到目标输出排量；其中，确定液压泵的目标输出排量包括：设定所述液压泵的所需输出排量；确定所述液压泵的最大限定输出排量；以及将所述液压泵的所需输出排量与所述最大限定输出排量进行比较，并将所述液压泵的所需输出排量与所述最大限定输出排量的较小一者作为所述液压泵的目标输出排量。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于混凝土泵送机械的泵排量控制设备，该控制设备包括：确定装置，用于确定液压泵的目标输出排量；调节装置，用于调节所述液压泵的输出排量，使液压泵的输出排量达到目标输出排量；其中，所述确定装置包括：设定单元，用于设定所述液压泵的所需输出排量；确定单元，用于确定所述液压泵的最大限定输出排量；以及比较单元，用于将所述液压泵的所需输出排量与所述最大限定输出排量进行比较，并将所述液压泵的所需输出排量与所述最大限定输出排量的较小一者作为所述液压泵的目标输出排量。

通过上述技术方案，可以实现自动功率控制，方便发动机功率调节同时可以起到使用液压恒功率阀相同的功率保护作用。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1示出了典型的混凝土泵送机械动力传动原理图；

图2是混凝土泵送机械的控制***的框图；以及

图3是根据本发明的实施方式的用于混凝土泵送机械的泵排量控制方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本申请中，提到的术语“混凝土泵送”是指利用液压泵输出高压液压油，带动液压缸往复运动，经管道输送混凝土。提到的术语“负荷率”是指发动机实际工作的输出功率与当前转速下最大功率的比值，或者发动机实际输出扭矩与当前转速下外特性扭矩的比值。提到的术语“外特性”是指发动机当前转速下的最大扭矩。

图1示出了典型的混凝土泵送机械动力传动原理图。如图1所示，泵送***一般可以包括发动机10、液压泵40、液压缸50、负载60、变速箱20、分动箱30等。发动机10通过变速箱20和分动箱30带动液压泵40转动，液压泵40输出液压油驱动液压缸50活塞做往复运动，推动砼活塞输送混凝土。

图2示出了典型混凝土泵送机械控制***框图。如图2所示，发动机10的电子控制单元（ECU）70通过发动机10内部传感装置将发动机10的转速和负荷率反馈至控制设备80。控制设备10通过发送控制电流（例如PWM电流）通过调节斜盘角度（或称开度）来调节液压泵40排量。控制设备80还可以经由ECU70发送控制发动机转速的信号来调节发动机10的转速。例外，压力传感器（图中未示出）还可以检测负60载（例如液压油）的压力并将该压力以信号的方式反馈给控制设备80。虽然在图2中将控制设备80和ECU示出为单独的装置，但本领域技术人员可以理解，控制设备80和ECU可以集成到一个装置。

控制设备80可以用于例如通过调节液压泵40斜盘角度来调节液压泵40的输出排量。控制设备80对液压泵40的输出排量的控制通常采用开环控制。

发动机10的输出功率与发动机10输出扭矩和发动机10转速的关系见公式（1）：

$P=\frac{2\mathrm{\πT}\×n}{60\×1000}$ 公式（1）

其中，P表示发动机10的输出功率，T表示发动机10的输出扭矩，n表示发动机10的转速（单位r/min）。从公式（1）中可以看出，影响发动机10的负荷率就是扭矩和转速。可以先不考虑液压泵40的机械效率与容积效率，发动机10的输出功率与液压泵40前端输入功率的关系如公式（2）所示：

$P=\frac{2\mathrm{\πT}\×n}{60\×1000}=\frac{Q\×p}{1000}=\frac{\mathrm{kV}\×n\×p}{1000\×60}$ 公式（2）

其中，Q表示液压泵40输出流量（单位例如ml/s），k表示比例系数（例如，分动箱30的传动系数），且是已知的常数，V表示液压泵40的输出排量，以及p表示液压泵40的出口压力（液压泵40输出液压油的压力）。在公式（2）中约去转速n，则有：

$T=\frac{\mathrm{kVp}}{2\mathrm{\π}}$ 公式（3）

从公式（3）可以看出，发动机10的输出扭矩与液压泵40的输出液压油的压力和液压泵40的输出排量有关。由于在连续泵送过程中负载相对稳定，最大压力近似稳定，因此对发动机10的输出扭矩变化有直接影响的主要是液压泵40的输出排量。

在混凝土泵送机械工作过程中，液压泵40的给定输出排量例如可以根据混凝土泵送机械的不同档位（例如，不同的档位对应不同的液压泵40缺省输出排量）设定或根据工况来设定，如果该给定值过大，从公式（3）中可以看出，在发动机10的转速一定的情况下，这会导致发动机10输出扭矩很大，从而导致发动机10输出功率很大。如果发动机10输出功率过大（例如超过额定最大功率），有可能导致发动机10停机。因此，需要对发动机10进行功率限制保护。

由于发动机10的输出扭矩与液压泵40的输出排量（在恒定转速下）有关，因此发动机10功率限制保护可以通过对液压泵40输出排量的给定增加一个约束条件来实现。具体而言，可以确定一个较为合理的液压泵40最大限定输出排量，如果给定输出排量（设定值）超过这个液压泵40最大限定输出排量，则以这个液压泵40最大限定输出排量作为输出排量调整的目标值，如果给定输出排量小于这个液压泵40最大限定输出排量，则以给定输出排量作为目标值。

合理的液压泵40最大限定输出排量不能太小，如果过小，发动机10负荷率偏低，不能充分发挥发动机10效能；液压泵40最大限定输出排量也不能太大，如果过大，发动机10会面临功率过高停机的风险。因此，合理的液压泵40最大限定输出排量的确定是本发明的关键之一。

下面介绍几种液压泵40最大限定输出排量的确定方法。

方法1

可以根据发动机10外特性（发动机10当前转速下的最大扭矩），选取发动机10当前转速下的一扭矩值T_m，该扭矩值的选择可以考虑当发动机10在该扭矩值下运行时，发动机10的输出功率不会超过最大限定功率。因此，可以基于当前转速下的外特性扭矩值选择该扭矩值。例如，该选择的扭矩值可以是当前转速下外特性扭矩值的一百分比，例如85%。而且，该扭矩值的选择还可以考虑当发动机10在该扭矩值下运行时，发动机10的负荷率较为合理。可以例如通过液压泵40压力传感器获取液压泵40输出液压油的压力值，将所选择的扭矩值T_m和液压油的压力值代入公式（3）

可以确定液压泵40最大限定输出排量V。

另外，考虑到发动机10输出功率除了用于液压泵40以外还用于其他负载，因此，将上述液压泵40最大限定输出排量乘以修正因子S以进行修正，并可以将修正后的最大限定输出排量作为最终确定的液压泵40最大限定输出排量。修正因子的取值范围为0<S<1，具体取值根据实际情况来定。

将给定的输出排量与该最大限定输出排量进行比较，取此二者之间的最小一者为液压泵40的最终目标输出排量。

方法2

可以获取发动机10当前转速下的扭矩T₁。例如，控制设备80可以通过总线读取ECU70发送的发动机10负荷率，以获取当前转速下的发动机10扭矩T₁。或者控制设备80可以通过总线直接读取ECU70发送的发动机10当前转速下的扭矩T₁。

可以获取液压泵40输出液压油的压力。例如，控制设备80可以读取用于检测液压泵40输出液压油压力的压力传感器发送的压力值。

获取当前液压泵40输出排量。由于液压泵40标定的电流值对应液压泵40的输出排量（或斜盘开度），控制设备80根据排量给定（例如，档位给定或根据工况设定）输出相应的电流值，因此，当前液压泵40的输出排量是可获知的。

将获取的压力值和输出排量代入到公式（3）

可以确定当前液压泵40所需的扭矩T₂。

T₁-T₂=T₃为液压泵40以外的负载所消耗的扭矩；

选取发动机10当前转速下的一扭矩值T_m，该扭矩值T_m的选择标准如上所述，这里不再赘述。则T_m-T₃为液压泵40最大限定扭矩，液压泵40输出液压油的压力p已知，则可以根据公式（3）

确定液压泵40最大限定输出排量V。

将给定的输出排量与该最大限定输出排量进行比较，取此二者之间的最小一者为液压泵40的最终目标输出排量。

在方法2中确定的最大限定输出排量可以不用修正。

扭矩值T_m可以是动态确定的。在发动机10转速改变后，可以例如如上所述基于当前转速下外特性扭矩值确定扭矩值T_m。可替换地，可以预先确定不同发动机10转速下选择的扭矩值T_m，并可以将其存储在例如控制设备80中或与之相关联的外部存储设备中，以供确定液压泵40最大限定输出排量时调用。

所述液压泵40最大限定输出排量可以是动态确定的。在液压泵40最大限定输出排量动态确定过程中，例如控制设备80可以实时根据获取的发动机10转速、扭矩、负载压力以及确定的该发动机10转速下的扭矩值T_m按照例如上述的方法1或2来计算最大限定输出排量。

从上述方法1和2中可以看出，在确定液压泵40最大限定输出排量的过程中都需要选择扭矩值T_m，而该扭矩T_m的选择可以基于发动机10外特性，即发动机10当前转速下的最大扭矩。不同的发动机10转速对应不同的最大扭矩。也就是说，转速不同，所确定的液压泵40最大限定输出排量也不同。

虽然本申请中只公开了两种确定液压泵40最大限定输出排量的方法，但本领域技术人员根据本申请的构思可以预料到的其他方法也应当视为本发明公开的范围。

本领域技术人员可以理解，上述液压泵40最大限定输出排量的确定是假定在混凝土泵送过程中负载最大压力恒定或近似恒定。如果负载最大压力发生变化，则还可以将负载最大压力变化作为确定最大限定排量时的考虑因素。在这种情况下，可以如上所述确定不同发动机10转速下、不同负载最大压力下的液压泵40最大限定输出排量。

以上描述了本发明的发明构思，本发明的实施方式是基于该构思的。

如图3所示，根据本发明的一个实施方式，提供了一种用于混凝土泵送机械的液压泵40排量控制方法，该方法可以包括：

确定发动机10当前转速下液压泵40的目标输出排量；

调节所述液压泵40的输出排量，使液压泵40的输出排量达到目标输出排量；

其中，确定液压泵40的目标输出排量包括：

设定发动机10当前转速下所述液压泵40的所需输出排量；

确定发动机10当前转速下所述液压泵40的最大限定输出排量；以及

将所述液压泵40的所需输出排量与所述最大限定输出排量进行比较，并将所述液压泵40的所需输出排量与所述最大限定输出排量的较小一者作为所述液压泵40的目标输出排量。

在本发明的一个实施方式中，确定所述液压泵40的最大限定输出排量可以包括：

选择发动机10当前转速下的一扭矩值，该选择的扭矩值小于发动机10当前转速下的最大扭矩值；

获取所述液压泵40输出液压油的压力值；以及

将选择的扭矩值与所述压力值代入公式

以确定所述液压泵40的最大限定输出排量，其中，T表示发动机10扭矩，p表示所述液压泵40输出液压油的压力，k表示比例系数，V表示液压泵40的输出排量。

在本发明的一个实施方式中，确定所述液压泵40的最大限定输出排量还可以包括：

将确定的所述液压泵40的最大限定输出排量与修正因子相乘以对该最大限定输出排量进行修正，其中，该修正因子取自0-1之间的值。

在本发明的一个实施方式中，确定所述液压泵40的最大限定输出排量可以包括：

获取当前转速下发动机10的扭矩值；

获取所述液压泵40输出液压油的压力值和所述液压泵40的输出排量；

将所述压力值和所述液压泵40的输出排量代入公式

以确定当前所述液压泵40所需的扭矩值，其中，T表示发动机10扭矩，p表示所述液压泵40输出液压油的压力，k表示比例系数，V表示液压泵40的输出排量；

将当前转速下发动机10的扭矩值减去当前所述液压泵40所需的扭矩值以得到所述液压泵40以外的负载所消耗的扭矩值；

选择发动机10当前转速下的一扭矩值，该选择的扭矩值小于发动机10当前转速下的最大扭矩值；

将所述发动机10当前转速下的选择的扭矩值减去所述液压泵40以外的负载所消耗的扭矩值以得到所述液压泵40所需的最大限定扭矩值；

将所述最大限定扭矩值、所述压力值代入所述公式

以确定所述液压泵40的最大限定输出排量。

在本发明的一个实施方式中，所述比例系数可以是分动箱30的传动系数。

根据本发明的一个实施方式，提供了一种用于混凝土泵送机械的泵排量控制设备80，该控制设备80可以包括：

确定装置，用于确定发动机10当前转速下液压泵40的目标输出排量；

调节装置，用于调节所述液压泵40的输出排量，使液压泵40的输出排量达到目标输出排量；

其中，所述确定装置包括：

设定单元，用于设定发动机10当前转速下所述液压泵40的所需输出排量；

确定单元，用于确定发动机10当前转速下所述液压泵40的最大限定输出排量；以及

比较单元，用于将所述液压泵40的所需输出排量与所述最大限定输出排量进行比较，并将所述液压泵40的所需输出排量与所述最大限定输出排量的较小一者作为所述液压泵40的目标输出排量。

在本发明的一个实施方式中，确定所述液压泵40的最大限定输出排量可以包括：

选择发动机10当前转速下的一扭矩值，该选择的扭矩值小于发动机10当前转速下的最大扭矩值；

获取所述液压泵40输出液压油的压力值；以及

将选择的扭矩值与所述压力值代入公式

以确定所述液压泵40的最大限定输出排量，其中，T表示发动机10扭矩，p表示所述液压泵40输出液压油的压力，k表示比例系数，V表示液压泵40的输出排量。

在本发明的一个实施方式中，确定所述液压泵40的最大限定输出排量还可以包括：

将确定的所述液压泵40的最大限定输出排量与修正因子相乘以对该最大限定输出排量进行修正，其中，该修正因子取自0-1之间的值。

在本发明的一个实施方式中，确定所述液压泵40的最大限定输出排量可以包括：

获取当前转速下发动机10的扭矩值；

获取所述液压泵40输出液压油的压力值和所述液压泵40的输出排量；

将所述压力值和所述液压泵40的输出排量代入公式

以确定当前所述液压泵40所需的扭矩值，其中，T表示发动机10扭矩，p表示所述液压泵40输出液压油的压力，k表示比例系数，V表示液压泵40的输出排量；

将当前转速下发动机10的扭矩值减去当前所述液压泵40所需的扭矩值以得到所述液压泵40以外的负载所消耗的扭矩值；

选择发动机10当前转速下的一扭矩值，该选择的扭矩值小于发动机10当前转速下的最大扭矩值；

将所述发动机10当前转速下的选择的扭矩值减去所述液压泵40以外的负载所消耗的扭矩值以得到所述液压泵40所需的最大限定扭矩值；

将所述最大限定扭矩值、所述压力值代入所述公式

以确定所述液压泵40的最大限定输出排量。

在本发明的一个实施方式中，所述比例系数可以是分动箱30的传动系数。

控制设备80可以被实现为软件、硬件或软件和硬件的结合。适用的控制设备80可以例如有单片机、PLC控制器、DSP芯片、FPGA电路、集成电路等。

根据本发明的一个实施方式，提供了一种用于混凝土泵送机械的泵送***，该泵送***包括发动机10、液压泵40、发动机10的电子控制单元ECU70，其中，该泵送***还可以包括上述的控制设备80。

在本发明的一个实施方式中，所述ECU70可以获取所述发动机10的转速和负荷率，并将该转速和负荷率在总线上广播，控制设备80可以通过总线接收该转速和负荷率。

在本发明的一个实施方式中，该泵送***还可以包括压力传感器，用于检测所述液压泵40的输出液压油的压力，并将该压力发送给所述控制设备80。

根据本发明的一个实施方式，提供了一种混凝土泵送机械，其中，该混凝土泵送机械可以包括上述的泵送***。

本发明提供的实施方式可以达到以下至少一个效果：

1）在不使用恒功率阀的情况下实现发动机功率保护，可以起到与使用恒功率阀相同的功率保护作用；

2）针对发动机不同转速的功率保护，设定可以更加灵活多变，便于实现发动机的节能控制。

3）由于取消了恒功率阀，利于降低制造以及使用成本。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种用于混凝土泵送机械的泵排量控制方法，该方法包括：

确定发动机（10）当前转速下液压泵（40）的目标输出排量；

调节所述液压泵（40）的输出排量，使液压泵（40）的输出排量达到目标输出排量；

其中，确定液压泵（40）的目标输出排量包括：

设定发动机（10）当前转速下所述液压泵（40）的所需输出排量；

确定发动机（10）当前转速下所述液压泵（40）的最大限定输出排量；以及

将所述液压泵（40）的所需输出排量与所述最大限定输出排量进行比较，并将所述液压泵（40）的所需输出排量与所述最大限定输出排量的较小一者作为所述液压泵（40）的目标输出排量。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其中，确定所述液压泵（40）的最大限定输出排量包括：

选择发动机（10）当前转速下的一扭矩值，所选择的扭矩值小于发动机（10）当前转速下的最大扭矩值；

获取所述液压泵（40）输出液压油的压力值；以及

将选择的扭矩值与所述压力值代入公式

以确定所述液压泵（40）的最大限定输出排量，其中，T表示发动机（10）扭矩，p表示所述液压泵（40）输出液压油的压力，k表示比例系数，V表示液压泵（40）的输出排量。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其中，确定所述液压泵（40）的最大限定输出排量还包括：

将确定的所述液压泵（40）的最大限定输出排量与修正因子相乘以对该最大限定输出排量进行修正，其中，该修正因子取自0-1之间的值。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其中，确定所述液压泵（40）的最大限定输出排量包括：

获取当前转速下发动机（10）的扭矩值；

获取所述液压泵（40）输出液压油的压力值和所述液压泵（40）的输出排量；

将所述压力值和所述液压泵（40）的输出排量代入公式

以确定当前所述液压泵（40）所需的扭矩值，其中，T表示发动机（10）扭矩，p表示所述液压泵（40）输出液压油的压力，k表示比例系数，V表示液压泵（40）的输出排量；

将当前转速下发动机（10）的扭矩值减去当前所述液压泵（40）所需的扭矩值以得到所述液压泵（40）以外的负载所消耗的扭矩值；

选择发动机（10）当前转速下的一扭矩值，该选择的扭矩值小于发动机（10）当前转速下的最大扭矩值；

将所述发动机（10）当前转速下的选择的扭矩值减去所述液压泵（40）以外的负载所消耗的扭矩值以得到所述液压泵（40）所需的最大限定扭矩值；

将所述最大限定扭矩值、所述压力值代入所述公式

以确定所述液压泵（40）的最大限定输出排量。

5.根据权利要求2或4所述的控制方法，其中，所述比例系数是分动箱（30）的传动系数。

6.一种用于混凝土泵送机械的泵排量控制设备（80），其特征在于，该控制设备（80）包括：

确定装置，用于确定发动机（10）当前转速下液压泵（40）的目标输出排量；

调节装置，用于调节所述液压泵（40）的输出排量，使液压泵（40）的输出排量达到目标输出排量；

其中，所述确定装置包括：

设定单元，用于设定发动机（10）当前转速下所述液压泵（40）的所需输出排量；

确定单元，用于确定发动机（10）当前转速下所述液压泵（40）的最大限定输出排量；以及

比较单元，用于将所述液压泵（40）的所需输出排量与所述最大限定输出排量进行比较，并将所述液压泵（40）的所需输出排量与所述最大限定输出排量的较小一者作为所述液压泵（40）的目标输出排量。

7.根据权利要求6所述的控制设备（80），其中，确定所述液压泵（40）的最大限定输出排量包括：

选择发动机（10）当前转速下的一扭矩值，所选择的扭矩值小于发动机（10）当前转速下的最大扭矩值；

获取所述液压泵（40）输出液压油的压力值；以及

将选择的扭矩值与所述压力值代入公式

以确定所述液压泵（40）的最大限定输出排量，其中，T表示发动机（10）扭矩，p表示所述液压泵（40）输出液压油的压力，k表示比例系数，V表示液压泵（40）的输出排量。

8.根据权利要求7所述的控制设备（80），其中，确定所述液压泵（40）的最大限定输出排量还包括：

将确定的所述液压泵（40）的最大限定输出排量与修正因子相乘以对该最大限定输出排量进行修正，其中，该修正因子取自0-1之间的值。

9.根据权利要求6所述的控制设备（80），其中，确定所述液压泵（40）的最大限定输出排量包括：

获取当前转速下发动机（10）的扭矩值；

获取所述液压泵（40）输出液压油的压力值和所述液压泵（40）的输出排量；

将所述压力值和所述液压泵（40）的输出排量代入公式

以确定当前所述液压泵（40）所需的扭矩值，其中，T表示发动机（10）扭矩，p表示所述液压泵（40）输出液压油的压力，k表示比例系数，V表示液压泵（40）的输出排量；

将当前转速下发动机（10）的扭矩值减去当前所述液压泵（40）所需的扭矩值以得到所述液压泵（40）以外的负载所消耗的扭矩值；

选择发动机（10）当前转速下的一扭矩值，该选择的扭矩值小于发动机（10）当前转速下的最大扭矩值；

将所述发动机（10）当前转速下的选择的扭矩值减去所述液压泵（40）以外的负载所消耗的扭矩值以得到所述液压泵（40）所需的最大限定扭矩值；

将所述最大限定扭矩值、所述压力值代入所述公式

以确定所述液压泵（40）的最大限定输出排量。

10.根据权利要求7或9所述的控制设备（80），其中，所述比例系数是分动箱（30）的传动系数。

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