DE2443800A1

DE2443800A1 - Hydraulisch betriebene schlagvorrichtung

Info

Publication number: DE2443800A1
Application number: DE19742443800
Authority: DE
Inventors: Esko Juvonen; Pentti Virtanen
Original assignee: Roxon Oy
Current assignee: Roxon Oy
Priority date: 1973-09-14
Filing date: 1974-09-13
Publication date: 1975-03-20
Also published as: US3965799A; FI286673A; FI50390C; SE7411336L; FI50390B; SE417584B

Description

Patentanwalt
DidI -Ing. Walter Jacklsch O / / Q Q Π Π

Stuttgart 1, Menzelstraße 40 Z 4 4 J Ö U U

A 34 456 - Re . 1.2. September 1974

ROXON Oy
Messiläntie 4
Salpakangas / PINNLAND

Hydraulisch betriebene Schlagvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Schlagvorrichtung, in der ein hydraulisch angetriebener, hin und her beweglicher Kolben ein Werkzeug antreibt, das aufeinanderfolgende Schläge auf das zu bearbeitende Objekt ausübt, welches aus Stein, Beton, Asphalt, gefrorener Erde oder dgl. bestehen kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch bei einem Gesteinsbohrer sowie ban Nieten, Hämmern, Rammen, Stampfen usw. eingesetzt werden.

Zu den genannten Anwendungszwecken sind neben pneumatisch betriebenen Schlaggeräten wegen der Wirtschaftlichkeit des hydraulischen Antriebs und der einfachen Antriebsvorrichtungen hydraulische Schlaggeräfe entwickelt worden. Bei hydraulisch angetriebenen Vorrichtungen kann der für pneumatisch betriebene Vorrichtungen notwendige sperrige und kostspielige Kom-

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pressor entfallen, wodurch eine erhebliche Ersparnis an Anschaffungs- und Betriebskosten sowie bessere Beweglichkeit der. Ausrüstung im Gelände erzielt wird.

Von den zahlreichen neuerdings entwickelten hydraulischen Schlagmaschinen haben sich jedoch nur sehr wenige in der Praxis als geeignet und hinsichtlich ihrer Konstruktion als dauerhaft genug erwiesen. Die größten Schwierigkeiten bei diesen bekannten Maschinen sind:

- Kavitation

- die Arbeitsweise der Flüssigkeitsverteilungsvorrichtungen,die den Druck so zuführen sollen, daß eine hinreichend schnelle Bewegung des Schlagkolbens erreicht wird

- sicheres Anlaufen des Kolbens und seiner Verteilervorrichtung in jeder Lage

- StBierung dar Verteilervorrichtungen den Kolbenbewegungen entsprechend

- gleichbleibende Schlagenergie unter veränderlichen Verhältnissen.

Zur näheren Betrachtung dieser Schwierigkeiten soll zunächst die Arbeitsweise der Schlagvorrichtungen allgemein erläutert werden.

Durch Einleiten von unter Druck stehendem öl in Zylinderräume, die einerseits von dem Maschinenrumpf und andererseits von den Flächen eines frei beweglichen Kolbens gebildet werden, wird erreicht, daß sich der Kolben mit Hilfe der vom hydrostatischen Druck erzeugten Kraftwirkung hin und her bewegt,

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Wenn sich der Schlagkolben in Richtung auf das Werkzeug bewegt, wird die Schlagbewegung ausgeführt und bei Bewegung des Kolbens in entgegengesetzter Richtung die sogenannte Rückbeegung. Während der Schlagbewegung des Kolbens wird die hydraulische Druckenergie in kinetische Energie des Kolbens umgesetzt, die beim plötzlichen Aufschlag des Kolbens auf das Werkzeug in Form einer- längs dieses sich fortpflanzenden Spannungswelle auf das schlagend zu bearbeitende Objekt übertragen wird. Hierbei entsteht zwischen der Schneide am Werkzeug und dem zu schlagenden Objekt eine so hohe momentane Krafteinwirkung, daß das Objekt bricht. Ein Teil der Spannungswelle wird reflektiert und erzeugt dadurch eine geringe Anfangsgeschwindigkeit des Kolbens in der Rückbewegungsrichtung, die sogenarrfce Prallgeschwindigkeit. Man kann das Werkzeug zusammen mit dem Objekt, beispielsweise einer Gesteinswand, als eine Art weiche Feder betrachten, auf die der Kolben arbeitet. Infolge von verschiedenartigem Material, von Inhomogenität und sonstigen Ursachen ändern sich die Eigenschaften der gedachten Feder unkontrolliert und bewirken Änderungen der ßchlagdauer sowie der RUckprallgeschwindigkeit des Kolbens. Folglich ändert sich ständig nicht nur die Schlaglänge sondern auch die Schlagzahl des Kolbens, also die Zahl der je Zeiteinheit ausgeführten Schläge. Aus diesem Grund ist ein solches System bei einem hydraulischen Schlagmechanismus, in dem das die Verteilervorrichtung treibende Glied von den Kolbenbewegungen unabhängig ist, nicht sehr geeignet.

Bei den meisten Anordnungen, bei denen dieser Nachteil vermieden ist, ist die Verteilervorrichtung durch die Kolbenbewegungen gesteuert, wobei die. Variationen der Schlaglänge und der Schlagzahl den Gang der Machine nicht beeinträchtigen. Je-

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doch ändert sich mit einer Änderung der- Schlaglänge auch die Schlagenergie der Maschine. Ferner besteht bei wachsender Schlagzahl die Gefahr, daß der Druck im hydraulischen System abfällt, wobei dann die Schlagenergie stark vermindert wird. Bei einigen Anordnungen hat man diesen Nachteil durch Konstanthalten der Schlaglänge vermeiden könrm, wobei aber solche Verteilervorrichtungen verwendet werden mußten, in denen der Hochdruckkreis für eine gewisse Zeitdauer zum Niederdruckkreis direkt offen ist. Die Folge hiervon sind starke Druckschveikungen und ein schlechter Wirkungsgrad. Wegen der großen Druckschwankungen besteht die Gefahr von Beschädigungen nicht nur der Schlagmaschine, sondern auch weiterer mit ihr in demselben hydraulischen Kreis liegenden Vorrichtungen. Bei denjenigen Anordnungen, bei denen hohe Druckschwankungen im Hochdruckkreis vermieden werden, besteht andererseits infolge der Konstruktion Kavitationsgefahr. Kavitation tritt auf, wenn sich der Schlagkolben/schnell im Vergleich mit der Strömungsgeschwindigkeit des Öls bewegt und dadurch der Druck im Hochdruck- oder Niederdruckkreis plötzlich zu Null wird. Die Kavitation ist meist darauf zurückzuführen, daß die Strömungskanäle im Vergleich zu der Wirkfläche des den Kolben beschleunigenden Druckes zu klein sind. Zur Vermeidung von Kavitation ist es vorteilhaft, wenn die Flüssigkeit aus dem Niederdruakkreis oder dem sogenannten RUckflußkanal während der Schlagbewegung des Kolbens nicht in die mit dem Schlagkolben in Verbindung stehenden Zylinderräume strömt. Ist die Strömung während der Schlagbewegung von den Zylinderräumen in Richtung des Rückkehrkanals gerichtet, ergeben sich ebenfalls Schwierigkeiten, weil die hohen Strömungswiderstände Druckverluste und stake Erwärmung des Öls zur Folge haben.

Wenn die Schlagvorrichtung für einen Gesteinsbohrer verwendet werden soll, erfetehen besondere Schwierigkeiten beim Zu-

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leiten des Spülmittels - in der Regel druckbeaufschlagten Wassers oder Luft - zum Werkzeug, das in diesem Fall ein Gesteinsbohrer ist. Bei bekannten pneumatischen Bohrmaschinen wird das Spülmittel aus dem rückwärtigen Teil der Maschine mittels eines durch den Kolben hindurchgehenden Rohres in die Bohrstange eingeleitet. Bei pneumatischen Vorrichtungen ergeben sich keine sonderlichen Dichtungsprobleme zwischen dem Spülrohr und den Zylinderräumen des Schlagkolbens, und selbst wenn Leckfluß eintreten sollte, hätte dies keine große Bedeutung, -da das austretende Mittel Luft ist. Bei hydraulisch angetriebenen Schlagvorrichtungen bestehen dagegen große Dichtungsschwierigkeiten hinsichtlich des SpUliohres infolge der bedeutend höheren Drücke und weil das Druckmittel öl ist.

Als einer der Nachteile bei bekannten hydraulischen Schlagvorrichtungen hat sich das schwierige Anlassen der Maschine erwiesen, weil nach Abstellen der Maschine/entsprechendem Druckabfall im System der Schlagkolben und die Verteilervorrichtung unter Schwerkrafteinwirkung in eine solche Lage gelangen können, daß ein erneutes Anfahren der Maschine unmöglich ist.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sollen die geschilderten Nachteile vermieden werden. Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches angegebenen Merkmale ge- . lögt. Wie sich daraus ergibt, ist der Schlagkolben vom Differentialtyp und der Zylinderraum, in dem der Druck bei der Bewegung des Kolbens in der Schlagrichtung wirkt, ist über die Verteilervorrichtung an den Hochdruckkreis und bei Bewegung des Kolbens in der Rückkehrrichtung an den Niederduckkreis angeschlossen. Der zweite Zylinderraum hat eine geringere Wirkungsfläche des Druckes und ist dauernd aa den Hochdruckkreis angeschlossen. Wenn sich der Kolben in der Schlagrichtung be-

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wegt, strömt das öl aus diesem Zylinderraum in den anderen Zylinderraum. Da der Niederdruckkreis während der Schlag*- wegung von den Zylinderräumen abgeschlossen ist, werden Kavitatlonserscheinungen vermieden. Übermäßige Druckverluste werden dadurch vermieden, daß die Verteilervorrichtung als manschettenartiger Körper den Schlagkolben umschließt. Ein solcher manschettenartiger Körper weist infolge seines großen Umfanges weite Strömungskanäle auf, und trotzdem ist die axiale hin- und hergehende Bewegung sehr kurz, so daß die Verzögerung hhreichend klein ist. Die geringere Wegstrecke der Verteilervorrichtung verbessert auch den Wirkungsgrad der gesamten Vorrichtung.

Die manschettenartige Verteilervorrichtung ermöglicht auch, einen Kolben zu verwenden, dessen beide Enden sich in unmittelbar mit der Außenluft in Verbindung stehenden Räumen bewegen. Hierbei ergeben sich bei Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Schlagmechanismus einer Gesteinsbohrmaschine keinerlei Dichtungsschwierigkeiten zwischen dem durch den Kolben hindurchgehenden Spülrohr und den Zylinderräumen.

Die Verteilervorrichtung wird von dem Kolben derart gesteuert, daß in beiden Endlagen der Kolbenbewegung die gewünschten Steuerfunktionen der Verteilervorrichtung wirksam sind. Ferner wird derjenige Steuerkanal, der der Verteilervorrichtung Druck zuleitet, um den Kolben in Schlagbewegung zu versetzen, von einem einstellbaren Ventil mit Federbelastung derart überwacht, daß der genannte Steuerkanal nur dann offen ist, wenn der Druck im Hochdruckkreis den eingestellten Druckwert überschreitet. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß der Kolben sich stets in der gleichen Lage befindet, bevor die Bewegung in der

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Schlagrichtung beginnen kann, d.h. daß die richtige Schlaglänge vorhanden und der Druck genügend hoch ist. Dies ist von großer Bedeutung für das Konstanthalten der Schlagenergie der Maschine bei verschiedenartigem Material und ach für den Fall, daß sich die Viskosität des Öls durch Einwirkung der Umgebungstemperatur oder lange Benutzungsdauer verändert, ebenso wie auch, wenn im Laufe der Abnutzung der Maschinenteile die inneren Leckflüsse zunehmen.

Die manschettenartige Verteilervorrichtung ist gleichfalls mit Differentialwirkung ausgeführt; die kleinere Fläche auf der einen Seite steht dauernd zum Hochdruckkreis offen und auf der gegenüberliegenden Seite wird eine größere Fläche abwechselnd an den Hochdruckkreis und an den Niederdruckkreis angeschlossen. Um das Anlaufen der Maschine sicherzustellen, ist die Kammer der Verteilervorrichtung mit wechselndem Druck mit dem Zylinderraum des Schlagkolbens durch einen gedrosselten Kanal verbunden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten AusfUhrungsbeispieles näher erläutert.

Die Zeichnung zeig; im Längsschnitt eine erfindungsgemäße Schlagvorrichtung, die zum Aufbrechen von Gestein, Beton, Asphalt, gefrorener Erde usw. verwendet wird. Die Vorrichtung hat ein Gehäuse 1, einen in diesem hin und her bewegbaren Schlagkolben 2, eine den Schlagkolben umgebende, hin und her bewegliche manschettenartige Verteilervorrichtung 3 sowie ein&m einen Rumpfende angebrachtes Werkzeug 4, gegen welches der Schlagkolben anschlägt. Außerdem ist ein Druckspeicher 5 vorgesehen, der in unmittelbarer Verbindung mit dem Hochdruckkanal 6 steht. Ein

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Druckspeicher wird üblicherweise zum Ausgleichen von ölströmungen und Druckschwankungen verwendet. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung hat der Druckspeicher hauptsächlich die Aufgabe, während der schnellen Schlagbewegung des Kolbens Flüssigkeit in den Hochdruckkreis zu speisen.

Die unter Druck stehende Flüssigkeit wird dem Hochdruckkanal 6 über einen Schlauchanschluß 7 zugeleitet. Zum Ableiten der Flüssigkeit aus der Maschine ist im Rumpf ein Niederdruck-kanal 8 vorgesehen, an den ein Schlauchanschluß 9 angeschlossen ist. Der Hochdruckkanal 6 führt außer zu dem Druckspeicher 5 auch zu einem in Verbindung mit dem Kolben 2 vorgesehenen vorderen Zylinderraum Io sowie zu einem in Verbindung mit der Verteilervorrichtung 3 vorgesehenen Zylinderraum 11. Ferner führt der Druckkanal 6 zu einem Zylinderraum 12 und zu einer Nut 13 eines im Gehäuse 1 eingebauten Drucküberwachungsventils. Das DruckUberwachungsventil umfaßt eine Spindel 14, eine Feder 15, eine Regulierschraube 16 für die Federkraft sowie eine Nut 17, die neben der Nut 13 angeordnet ist. In der Verteilervorrichtung 3 sind öffnungen 18 vorhanden, die sich einerseits in den Zylinderraum 11 öffnen, sobald sich die Verteilervorrichtung um mindestens die Hälfte ihrer Wegstrecke in Richtung der Rückkehrbewegung des Kolbens bewegt hat, und andererseits von der Lage der Verteilervorrichtung unabhängig in den in Verbindung mit dem Kolben 2 vorgesehenen hinteren Zylinderraum I9. Im Zylinderraum 19 ist die^Wirkungsf lache des Druckes in bezug auf den Kolben bedeutend größer als im Zylinderraum lo. Hierdurch entsteht bei Anschaltung des Hochdruckes an den Zylinderraum I9 eine den Kolben 2 in der Schlagrichtung beshleunigende Kraft. Durch Anschließen des Zylinderraumes I9 an den Niederdruckkanal 8 über in der Verteilervorrichtung vorgesehene Bohrungen 2o entsteht infolge des im Zylinderraum Io herrschenden Druckes auf den KoI-

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ben eine Kraftwirkung in der RUckkehrriehtung, wobei sich der Kolben in der Rückkehrrichtung bewegt und die Flüssigkeit aus dem Zylinderraum 19 strömt. Die Bohrungen 2o werden geöffnet, sobald sich die Verteilervorrichtung in Richtung der Schlagbewegung des Kolbens um mindestens ihre halbe Wegstrecke bewegt hat, wobei die Hochdruck führenden öffnungen 18 geschlossen wurden. Zum Bewegen der Verteilervorrichtung aus einer Endlage in die andere ist in Verbindung mit der Verteilervonichtung ein Zylinderraum 21 vorgesehen, in dem die Wirkungsfläche des Druckes in bezug auf die Verteilervorrichtung größer als im Zylinderraum Il ist. Hierdurch hat die Verteil er vorrichtung die Tendenz, sich bei Anschaltung/in Richtung der Rückkehrbewegung des Kolbens und bei Anschaltung des Niederdruckes - infolge des Druckes im Zylinderraum 11 - in Richtung der Schlagbewegung des Kolbens zu bewegen.

Zum Schalten des Zylinderraumes 21 in Verbindung mit dem Niederdruckkanal führt von diesem ein Kanal 22 zu einer im Gehäuse radial eingearbeiteten, den Kolben umgebenden Nut 2j5, die über eine im Kolben befindliehe Nut 24 mit einer zweiten im Gehäuse eingearbeiteten Nut 25 verbunden ist, wenn der Kolben genügend nahe am Werkzeug 4 steht. Die Nut 25 steht in unmittelbarer Verbindung mit dem NiederdruckkaraL 8. Zum Anschalten des Hochdruckes an den Zylinderraum 21 führt vom Hochdruckkanal 6 über das Drucküberwachungsventil von dessen Nut 17 ein Kanal 26 zu einer den Kolben umgebenden, im Gehäuse radial eingearbeiteten Nut 27, welche von einer im Kolben befindlichen Nut mit einer neben der Nut 27 im Gehäuse befindlichen Nut 29 dann verbunden wird, wenn sich der Kolben in seiner hinteren Endlage, also am Ende des Rückhubes, befindet. Die Nut 29 ist mit dem Zylinderraum 21 über einen Kanal 3o verbunden. Die-Verbindung zwischen den Nuten 13 und 17 des DruckUberwachungsventiles ist offen, sobald die einen geringeren Durchmesser aufweisende Stelle an der Spindel beiden Nuten 13 und 17 gegenübersteht. Die Feder

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⁺ 'des Hochdruckes an den

Zylinderraum 21 - Io -

- Io -

15 des Ventils sucht öiese Verbindung zu sperren, während der im Zylinderraum 12 herrschende Druck der Federkraft entgegenwirkt.. Daher.ist die Verschiebung der Verteilervorrichtung 3 in eine Lage, die den Beginn der Schlagbewegung ermöglicht, einerseits davon abhängig, ob sich der Kolben in seiner von dem Werkzeug am weitesten entfernten Lage befindet, und andererseits davon, ob der im Hochdruckkanal herrschende Druck den gewünschten Wert hat.

Die in die Maschine·eingegebene Plüssigkeitsmerg» entspricht einer gewissen Anzahl von der Maschine ausgeführter Schläge, deren Schlagenergie in Abhängigkeit von dem mittels der Schraube 16 eingestellten Druck konstant ist. Polglich ändert sich die Sehlagenergie der Maschine bei änderung der elastischen Eigenschaften des bearbeiteten Materials, der BetriebsVerhältnisse, und des Druckmittels und auch bei Verschleiß von Maschinenteilen nicht nennenswert.,

Um die Lage·der Verteilervorrichtung j5 und das Anlaufen der Maschine sicherzustellen, ist der Zylinderraum 21 mit dem Zylinderraum 19 durch eine von dem Kanal 22 abgweigte Dusselbohrung J>\ verbunden. Diese Drosselbohrung hat außerdem die Wirkung ; daß im Betrieb während der Hubbewegung/des Kolbens in den Zylinderräumen 21 und I9 gleicher oder nahezu gleicher Druck herrscht. Die Drosselbohrung läßt jedoch nur so geringe Flüssigkeitsmengen durch, daß ilie die Veränderung des Druckes im Zylinderraum 21 nicht verhindert, wenn sich der Kolben in seinen Endlagen befindet. Hinsichtlich des gewünschten leichten Anlassens der Maschine hat die dtuckausgleichende Wirkung der Drosselbohrung j51 zwischen den Zylinderräumen I9 und 21 bereits dann Bedeutung, wenn der Kolben zwischen seinen Endlagen steht und die Verteilervorrichtung in eine solche Lage geglitten ist, daß keine der beiden Öffnungen 18 bzw. 2o offen ist. Die Druck-

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- 11 -

- li -

Wirkungsflächen einerseits am Kolben und andererseits an der Verteilervorrichtung sind derart, daß sich bei Hochdruck im Zyiinderraum Io und im Zylinderraum 11 in den Zylinderräumen

19 und 21 verschieden große Drücke aufbauen, die bei ihrem Ausgleich durch die Drossel 3I hindurch die Verteilervorrichtung 3 in Bewegung setzen, wobei eine der beiden Bohrungen l8 bzw.

20 geöffnet wird, so daß die Maschine in gewünschter Weise anläuft.

An dem dem Werkzeug 4 zugekehrten Ende des Kolbens 2 befindet sich eine Kammer 32, von der aus eine Bohrung 33 in die Atmosphäre führt. Entsprechend befindet sich am anderen Ende des Kolbens eine Kammer J>k, von der eine Bohrung 35 in die AtmosflSre führt. Wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung als Schlagmechanismus bei einer Gesteinsbohrmaschine angewandt wird, ergibt sich aus den beiden mit der Atmosphäre verbundenen, also dcucklosen Kammern ein erheblicher Vorteil für die Zuführung des SpUlmittels aus dem rückwärtigen Teil der Maschine durch den Kolben hindurch längs eines in das Werkzeug, z, B. die Bohrstange, mündenden Spülrohres . Hierbei ergeben sich keine Abdichtungsschwierigkeiten zwischen dem Spülrohr und den druckbeaufschlagten Zylinderräumen, wodurch bei der Herstellung des SpUlrohres Kosten gespart werden.

Außer am Hochdruckkanal kann ein Druckspeicher auch an den übrigen Flüssigkeitskanälen in der SchlagraBchine, wie z. B. am Niederdruckkanal 8, angeschlossen sein.

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- 12 - (Ansprüche)

Claims

- 12 -

A 34 456 - Re

12. September 1974

Ansprüche

Hydraulisch betriebene Schlagvorrichtung mit einem in einem Gehäuse hin und her beweglichen, gegen ein Werkzeug anschlagenden Kolben, der in dem Gehäuse zwei Zylinderräume bildet, von denen der eine dauernd mit dem Hochdruckkanal in Verbindung steht und der andere über eine Verteilervorrichtung abwechselnd an den Hochdruckkanal und an den Niederdruckkanal anschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß an beiden Enden des Kolbens in die Atmosphäre mündende, drucklose Kammern (32 und 34) vorhanden sind, und daß in einem der Zylinderräume (I9) eine den Kolben umgebende:· manschettenartige Verteilervorrichtung (3) angebracht ist, die zum Erreichen einer Lage, in der eine gegen das Werkzeug (4) gerichtete Bewegung des Kolbens möglich ist, über im Kolben (2) und im Gehäuse (1) vorgesehene Nuten (27, 28, 29) gesteuert wird, wenn sich der Kolben in seiner vom Werkzeug am weitesten entfernten Endlage befindet und der im Hochdruckkanal herrschende Druck den mittels eines im Gehäuse befindlichen Ventils eingestellten Druck überschreitet.

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine von dem Kolben (2) gebildete Zylinderraum (19) und der von der Verteilervorrichtung (3) gebildete Zylinderraum (21) über eine Drossel (31) untereinander mit wechselndem Druck in Verbindung stehen.

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