DE2603689C3 - Anordnung zum Schwingungsausgleich - Google Patents

Anordnung zum Schwingungsausgleich

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Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Ausgleich der Massenkräfte eines mittels eines Antriebes bewegten, schwingenden Feder-Masse-Hauptsystems mit Hilfe eines Feder-Masse-Hilfssystems.
In zahlreichen Maschinen, Geräten und Vorrichtungen mit schwingenden Massen sind Maßnahmen erforderlich, um die Übertragung der Schwingungen auf andere Teile der Maschine zu verhindern, zumindest aber in möglichst engen Grenzen zu halten. Bei periodischen Schwingungen kann man durch entsprechende Auslegung der Feder-Masse-Systeme mit möglichst weit voneinander entfernten Resonanzfrequenzen zwar verhindern, daß schwingungsfähige Massen oder Massensysteme mit der Eigenfrequenz der schwingenden Masse in Resonanz kommen, doch läßt sich auf diese Weise ein unerwünschtes Mitschwingen anderer Bauteile oder Baugruppen nicht verhindern; diese Methode ist außerdem bei Systemen mit nicht konstanten Resonanzfrequenzen wirkungslos.
Sehr verbreitet sind Maßnahmen zur Dämpfung von Schwingungen. Häufig ist aber eine Dämpfung eines schwingenden Gebildes nur sehr schwer erreichbar, oder sie ist überhaupt unerwünscht, wenn nämlich durch die Funktion des schwingenden Körpers beeinträchtigt werden würde. Man hat daher vielfach Maßnahmen getroffen, die darauf abzielen, die Übertragung von Schwingungen zwischen mechanisch miteinander gekoppelten Bauteilen zu dämpfen, etwa durch Zwischenschaltung von elastischen Elementen. Hierbei werden aber die Störkräfte, z. B. Stoß- oder Rüttelbewegungen eines benachbarten Maschinenteils, meist im wesentlichen nur in ihrer Charakteristik verändert, ohne daß der übertragene Energiebetrag nennenswert verringert werden kann.
Als wirksamstes Verfahren zur Verhinderung unerwünschter Übertragung von Schwingungskräften bewegter Massen hat sich die Schwingungstilgung erwiesen, auch als dynamische Absorption bezeichnet, bei der durch zusätzliche schwingungsfähige Massen mindestens ein teilweiser Ausgleich der auf die ■ angrenzenden Maschinenteile übertragenen Kräfte erzielt wird, prinzipiell aber auch eine vollständige Schwingungstilgung erreichbar ist. Die überwiegende Zahl der bekannten Anordnungen zur Schwingungstilgung betrifft freischwingende Gebilde, deren Schwin-
K) gungen allein von der Dimension des Schwingungsgebildes abhängig sind, wie z. B. Freileitungen, zu deren Schwingungsteilung in der DE-OS 20 56 164 eine Anordnung beschrieben ist. Es sind aber auch Schwingungstilger für erzwungene also mittels eines
ι > durch eine fremde — periodische oder aperiodische — Antriebskraft bewegte schwingungsfähige Massen bekannt. Eine der bedeutsamsten Lösungen auf diesem Gebiet ist das sogenannte Taylor-Pendel, das zur Tilgung erzwungener Drehschwingungen an Motoren
2t) über den ganzen Drehzahlbereich wirksam ist. Hier handelt es sich um ein rotierendes System mit einem exzentrisch angekoppelten Fliehkraftpendel, wobei eine Ablenkung der Erregerwirkung vom eigentlichen schwingenden System auf das angekoppelte Pendel
2) stattfindet. Die Nachteile dieser Lösung sind aber, daß eine zusätzliche schwingende Masse erforderlich ist und sich das Pendel nur für rotierende Massensysteme einsetzen läßt.
Es ist aber auch ein Schwingungstilger bekannt, der
in für linear schwingende Feder-Masse-Systeme Verwendung findet. Bei diesem sogenannten Frahm-Tilger(Den Hartog/Mesmer, Mechanische Schwingungen, zweite Auflage, Springer-Verlag Berlin, Göttingen., Heidelberg [1952], S. 104) wird ein im Verhältnis zudem
r> schwingenden Maschinenteil kleines Schwingungssystem an das Hauptsystem angekoppelt, dessen Eigenfrequenz i/c/m so gewählt ist, daß sie der Frequenz der schwingenden Kraft bzw. der Erregerkraft gleich ist. Auch diese Anordnung benötigt also eine zusätzliche Schwingmasse, und sie hat darüber hinaus den Nachteil, daß eine Tilgung der Schwingungen nur in den Fällen erreichbar ist, wo die Frequenz der Erregerkraft im wesentlichen konstant ist.
Durch den Vorschlag nach dem Hauptpatent ist
<r> die Aufgabe gelöst worden, eine Anordnung zu schaffen, mit der bei hohem Wirkungsgrad eine vollständige Tilgung der auf das Fundament wirkenden Massenkräfte eines schwingenden Systems erreichbar ist, ohne daß prinzipiell eine Zusatzmasse erforderlich ist, indem bei
r>o einer Anordnung zum Schwingungsausgleich der Massenkräfte eine mittels eines Antriebes bewegten, schwingenden Feder-Masse-Hauptsystems mit Hilfe eines Feder-Masse-Hilfssystems der Antrieb selbst als Feder-Masse-Hilfssystem ausgebildet ist, welches in der
Ti Fortsetzung der Bewegungsbahn des Feder-Masse-Hauptsystems derart geführt ist, daß es mit gleicher Frequenz wie das Feder-Masse-Hauptsystem, jedoch gegenphasig, schwingt. Diese Lösung eignet sich insbesondere für solche Fälle, wo der schwingende
Wi Körper und der Antrieb gleiche oder annähernd gleiche Masse aufweisen, und bei Beachtung dieser Voraussetzung kann mit einer solchen Anordnung sowohl bei linear schwingenden Systemen als auch bei erzwungenen Drehschwingungen eine vollständige Tilgung der
h) auftretenden Schwingungen erzielt werden, unabhängig davon, mit welcher Frequenz das schwingende Gebilde erreg! wird.
Beim Einsatz der Erfindung nach dem Haupt-
patent ist jedoch zu beachten, daß die Massen des schwingenden Körpers und des Antriebes keinen zu großen Unterschied aufweisen. Denn bei wesentlicher Abweichung der Masse des einen Körpers von derjenigen des anderen sind zur Herstellung völliger Massengleichheit beider Systeme entsprechend große Zusatzmassen erforderlich, was unvermeidbar Nachteile zur Folge hat, indem insbesondere infolge der Vergrößerung des Massenträgheitsmoments :in entsprechend stärkerer Antrieb erforderlich ist.
Mit der vo/üegenden Erfindung wird dieser Nachteil in der Einsatzmöglichkeit der Erfindung nach dem Hauptpalent vermieden und eine Anordnung zum Schwingungsausgleich von Massenkräften vorgeschlagen, mit der aucli bei unterschiedlichen oder sehr unterschiedlichen Massen des schwingenden Feder-Masse-Hauptsystems und des durch den Antrieb gebildeten Feder-Masse-Hilfssystems eine vollständige Tilgung der auftretenden Schwingungskräfte erzielt werden kann. Dieser Erfolg wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Feder-Masse-Hilfssystem mit der gleichen Eigenfrequenz ausgestaltet ist wie das Feder-Masse-Hauptsystem. Für die Dimensionierung des schwingenden Körpers, des Antriebs und der Federelemente für die Aufhängung dieser beiden Massen gibt somit die Erfindung die Lehre, daß der Verhältniswert der Federelemente mit dem Verhältniswert der zugeordneten Massen übereinstimmend gewählt werden muß.
Befindet sich das gesamte System in vollständig ruhiger Umgebung, so werden dank der erfindungsgemäßen Anordnung die Massenträgheitskräfte des Systems vollständig ausgeglichen, unabhängig davon, ob die durch den Antrieb erzeugten Schwing- oder Stellbewegungen periodisch oder aperiodisch ablaufen. Ist hingegen mit Störkräften von außen zu rechnen, so ist es nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung zweckmäßig, das Feder-Masse-Hauptsystem und das Feder-Masse-Hilfssystem mittels einer Zwangskoppelung miteinander zu verbinden. Eine bevorzugte Art dieser Zwangskoppelung zwischen dem Feder-Masse-Hauptsystem und dem Feder-Masse-Hilfssystem. wenn beide unterschiedliche Massen aufweisen, ist die Anordnung eines DifferenMalhebels.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen durch Gegenüberstellung mit dem Stand der Technik erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Führung und des Antriebs eines Magnetkopf-Trägerarmes für einen Magnetplattenspeicher, ohne Schwingungstilgung,
Fig.2 eine Darstellung entsprechend Fig. 1, jedoch mit vollständiger Tilgung der Massenkräfte. Weiter zeigen die
Fig. 3 und 4 den Fig. 1 und 2 zugeordnete mechanische Modelle zur Darstellung der Kräfte der Schwingungssysteme,
Fig. 5 und 6 eine Anordnung, bei der zur Zwangskopplung der beiden Schwingungssysteme gemäß Fig.2 ein Differentialhebel vorgesehen ist, in einer Seitenansicht und der Draufsicht.
In Fig. 1 ist ein Magnetspeicher-Plattenstapel 10 dargestellt, der, von einem Plattenstapel-Antriebsmotor 12 angetrieben, ständig umläuft. Ein Magnetkopf 14 zur Aufzeichnung und Abtastung von Daten ist mittels eines Kopfträgerarmes 16 an einer Zugriffssteuereinrichtung 18 eelaeert. als deren wesentliche Bestandteile ein Plaltformiräger 20 und eine Plattform 22 dargestellt sind, wobei auf der Plattform 22 ein Trägerarmrahmen 24 mittels Blattfedern 26 mit einer.gewissen horizontalen Beweglichkeit gelagert ist. Der Platiformiräger 20 ist. wie durch Rollen 28 und eine Führungsfläche 30 schematisch dargestellt und durch einen Doppelpfeil 32 gekennzeichnet, vertikal verstellbar, während die Plattform 22 mit dem Trägerarmrahmen 24 relativ zum Piattformträger 20 horizontal bewegbar geführt ist. wi·.-gleichfalls durch Rollen 34 zwischen dem Plattformträger 20 und der Plattform 22 und durch einen Doppelpfeil 36 dargestellt.
Zur Aufzeichnung von Daten auf einer der Speicherplatten des Magnetspeicher-Plattenstapels 10 oder zur Abtastung von aufgezeichneten Daten wird zunächst der Piattformträger 20 in einer der Richtungen des Doppelpfeils 32 so verstellt, daß der Magnetkopf 14 auf die Oberfläche der ausgewählten Speicherplatte ausgerichtet ist. Anschließend wird mittels eines Antriebes 37, der in Fig. I als durch ein Strömungsmittel betätigter Zylinder dargestellt ist, die Plattform 22 relativ zum Plattformträger 20 zur Ausrichtung des Magnetkopfes 14 mit der ausgewählten Spur auf der Speicherplatte in Richtung des Doppelpfeiles 36 verstellt.
Während der Aufzeichnung oder Abtastung von Daten wird ständig die genaue radiale Ausrichtung des Magnetkopfes 14 mit der ausgewählten Spur auf der Magnetplatte überwacht. Die Mittel hierfür sind in der Zeichnung nicht dargestellt. Überschreitet die Abweichung der Istposition des Magnetkopfes 14 von der Sollposition einen bestimmten V/ert, so führt der Trägerarmrahmen 24 mit dem Kopfträgerarm 16 und dem Magnetkopf 14 unter der Steuerung eines Regelkreises jeweils entsprechende Nachführbewegungen aus. Zu diesem Zweck befindet sich auf der Plattform 22 zwischen einem Rahmenteil 38 der Plattform 22 und dem Trägerarmrahmen 24 ein Tauchspulenantrieb 40.
Die präzise Durchführung dieser Nachführbewegungen über kleinste Wegstrecken setzt voraus, tiaß die Plattform 22 als Bezugssystem während der Aufzeichnungs- bzw. Abtastvorgänge in Ruhe bleibt. Diese Voraussetzung ist aber bei dem in Fig. 1 dargestellten System, auch wenn jegliche Störeinflüsse von außen eliminiert werden können, nicht vollständig erfüllbar, da die Reaktionskräfte, welche in der Folge der Nachführbewegungen des Trägerarmrahmens 24 über den Tauchspulenantrieb 40 auf die Plattform 22 übertragen werden, als Störkräfte auf das System wirksam sind. Diese unerwünschte Wirkung kann bei der gezeigten Anordnung zwar durch geringstmögliche Bemessung der bewegten Masse verringert, aber nicht gänzlich ausgeschaltet werden.
Bei der Anordnung gemäß F i g. 2 ist der Mangel der Einrichtung nach F i g. 1 beseitigt. Die grundsätzliche Anordnung und Ausbildung des Piattformirägers und der Plattform mit dem Trägerarmrahmen sind hier die gleichen wie bei dem Beispiel nach Fig. 1, und dementsprechend sind auch alle Teile gleicher Ausbildung und Funktion mit den gleichen Ziffern bezeichnet wie in Fig. 1. Im Unterschied von der zuvor beschriebenen Ausführung ist jedoch der in F i g. 2 mit 50 bezeichnete Tauchspulenmotor nicht starr im Rahr,;~nteil 38 der Plattform 22 befestigt, sondern — ebenso wie der Trägerarinrahmeii 24 — mittels Blattfedern 52 elastisch auf der Plattform 22 gelagert, so daß sowohl der Trägerarmrahmen 24 als auch der Tauchspulenmotor 50 relativ zur Plattform 22 iii
Richtung des Doppelpfeiles 36 im wesentlichen linear schwingend gelagert sind. Da der Nachführstcllweg bezüglich der Auf/cichnungsspuren auf dor Speicherplatte nur sehr geringe Beträge ausmacht, können die unter der Wirkung des u:uchspulenmotors 50 erzeugten Stellbpveguni'cn praktisch als linear ungesehen werde::.
Die beiden schwingenden Systeme gemäß l: i g. 2. nämlich tier lrägerarmrahmen 24 mit den Blattfedern 26 und der Tauchspulenmotor 50 mit den Blattfedern 52, _!.id so gestaltet, daß sich die Masse des Tauchspulenmotor« 50 auf der Fortsetzung der Bewegungsbahn des Trägerarmrahmens 24 bewegt. Bei Einschaltung des Tauchspulenmotors 50 führen jeweils beide Massen gegenphasige Schwingungsbewegungen gleicher Frequenz aus, wobei die Massenträgheitskräfte des Trägerarmrahmens 24 nicht mehr vollständig aut die Plattform 22 übertragen werden, sondern zumindest teilweise durch die gegenläufigen Stellbewegungen des Tauchspulenmotors 50 ausgeglichen werden.
Demgegenüber könnte man einen vollständigen Ausgleich der auftretenden Massenträgheitskräftc grundsätzlich dadurch erzielen, daß die Massen und die Federelemente beider Schwingungssysteme gleich bemessen werden. Dies würde aber im vorliegenden rail zu außerordentlich ungünstigen Verhältnissen führen, da im Interesse einer möglichst großen Empfindlichkeit der Nachführeinrichtung das aus dem Trägerarmrahmen 24 mit dem Kopfträgerarm 16 und dem Magnetkopf 14 sowie den Blattfedern 26 bestehende Schwingungssystem möglichst trägheitsarm, also mit möglichst geringer Masse bemessen werden muß. Andererseits ist für den Antrieb, im vorliegenden Beispiel für den Tauchspulenmotor 50, eine gewisse Masse erforderlich, um die benötigten Stellkräfte aufbringen zu können, und daher ist die Masse des Antriebs jedenfalls wesentlich größer als diejenige der Trägerarmrahmen-Anordnung. Zur Erzielung einer Übereinstimmung der Massen beider Schwingungssysteme müßte daher die Trägerarmrahmen-Anordnung mit einem Vielfachen ihrer an sich notwendigen Masse gestaltet werden, wodurch das gesamte Nachführregelsystem für den Magnetkopf außerordentlich schwerfällig und somit unbrauchbar würde.
Werden demgegenüber die beiden Schwingungssysteme, bestehend aus den durch die Teile 14, 16, 24, 26 und 50, 52 gegebenen Massen, mit der gleichen Eigenfrequenz ausgestaltet, so erhält man einen vollständigen Ausgleich der 1 läghcilskraiie beider Schwinpungssystcmo, ohne daß irgendwelche Reak· tionskraiic aut die Platt form 22 übertragen werden.
Die Erzielung einer vollständigen .Schwingungstil· gung mit übereinstimmenden Eigenfreqiien/en der gejienphasig schwingender Systeme wird im folgenden an Hand der Fig. .3 u:id 4 dargclcg'. Hie den Systrmen nach I i μ. 1 (ohne Schwingungslilgung) und nach F i g. 2 (mit Schwi'iyungstilgunp) entsprechen.
Für tJ.as in F i g. 3 dargestellte, der Anordnung nach ί' 1 g. i entsprechende Modell lautet die Bcwegungsglei-
- F., (M
/»ι Ii X1 H- C1 X1
woraus sich mit
und nach einfacher Umformung für die von der Feder mit dem Kennwert η an die Plattform 22 weitergeleitcte Kraft ergibt.
COS Ui
wobei
a ■ cosUi
ist.
Beim System mil zwei bewegten Massen /;j| und ;j?>. wie es in F i g. 4 dargestellt ist und der Anordnung nach F i g. 2 entspricht, lauten die Bcwegungsglcichungcn für die beiden Massen:
= -In2U2X1 - C2X2
und
- FM(l) =
Die von den Federn an die Plattform 22 wcitergege- w benen Kräfte sind dann
und
F" = Ti2RTT cosa
Die resultierende Kraft
Fa = FF
F - P I '
IT1 - /-MnI -TT271-JTjTT
U7<-.|
+ ι
- ) cos Uf
wird somit zu Null, wenn ωι = ω2, also die beiden Feder-Masse-Systeme die gleiche Eigenfrequenz haben, also
Ci Ic2 = m\/m2
Bei der Anordnung gemäß Fig. 2 ist infolge der Wirkung des Tauchspulenmotors gewährleistet, daß die Bewegungen der Schwingungssysteme grundsätzlich gegenphasig ablaufen, da das magnetische Feld zwischen Erregerspule und Feldspule des Tauchspulenmotors mit jeweils gleicher Kraft auf beide Massen wirksam ist. Es ist weiterhin vorausgesetzt worden, daß sich die Umgebung des gesamten Systems in vollständiger Ruhe befindet, also keine Störkräfte von außen auf die Plattform wirksam sind. Ist jedoch mit solchen Störkräften zu rechnen, etwa bei horizontalen Steilbewegungen der Plattform 36, so werden die beiden Schwingungssysteme zweckmäßig mittels einer
bo Zwangskopplung miteinander verbunden, die auch beim Einfluß äußerer Störkräfte die gegensinnige Bewegung der Massensysteme gewährleistet und eine gleichgerichtete Bewegung verhindert. Weisen die Schwingungssysteme unterschiedliche Massen auf, was als
b5 Regelfall anzusehen ist, so kann als Zwangskopplung auf relativ einfache Weise ein Differentialhebel vorgesehen werden, wie er in den F i g. 5 und 6 dargestellt ist.
Die Anordnung nach Fig. 5 ist in ihrem Aufbau ahnlich derjenigen nach F' ε. 2, indem zwei Teder-Masse-Systeme mittels eines Tauchspulenmotor?, auf einer genieinsamen Bewegungsbahn gegenphasig bewegt werden können. Wie Fig. 5 zeigt, ist hier jedoch der Kopfträgerarm 66 roh dem Magnetkopf 64 mittels eines rechteckigen Rahmen·. 68 starr mit der Erregerspule 61 des Tauchspulenmoicis 60 verbunden. Diese Teile, in Γ i g. 5 als Masse m\ bezeichnet, sind mittels Blattfedern 70 auf der Plattform 74 gelagert. Die /weile Masse, in F i g. 5 mit m2 bezeichnet, wird durch die Feldspule 62 des TauchspuieniTiotors 60 gebildet und ist mittels eines Paares gleicher Blattfedern 72 au? der Plattform 74 geführt. Entsprechend der vorherigen Beschreibung sind die redereiemente 70 und 72 im Verhäiinis zu cien Massen m< und m? so bemessen, daß beide Feder-Masse-Systeme eine übereinstimmende Eigenfrequenz aufweisen.
An einem auf der Plattform 74 vertikal befestigten Bolzen 76 ist ein Differentialhebel 78 drehbar gelagert, der, wie Fig.6 zeigt, mit einem Hebelende 78a an der Masse m\ und mit dem anderen Hebelende 78/j an der Masse m2 befestigt ist. Der Differentialhebel 78 hat, wie ebenfalls aus Fig.6 deutlich wird, unterschiedliche Hebelarme, die mit h\ und h2 bezeichnet sind, wobei der Hebelarm /it der Masse m\ und der Hebelarm h2 der Masse m2 zugeordnet ist.
Nach F i g. 5 ist die Plattform 74 mittels Rollen 80 auf einer stationären Fläche 82 bewegbar dargestellt, und es sei angenommen, daß durch eine äußere Störkraft auf die Plattform 74 eine nach rechts gerichtete Beschleunigung a, wie uurch den Pfeil dargestellt, wirksam wird. Die infolge dieser Beschleunigung ader Plattform 74 an
den Massen m\ und m2 auftretenden Trägheitskräfte werden gegenseitig vollständig kompensiert, indem ihre Momente am Differentialhebel 78 die Momentensumme Null ergeben. Die erforderlichen Hebelarme h\ und h2 ergeben sich aus der Beziehung:
= m2h2a
h\lh2 = Hi2Zm]
Das Verhältnis der Hebelarme des Differentialhebels 78 ist also umgekehrt proportional wie das Verhältnis der zugeordneten Massen der beiden Feder-Masse-Systeme zu wählen, um auch bei Wirksamwerden äußerer Siüikiäiie eine vollständige Kompensierung der Trägheitskräfte zu erzielen.
Der Differeiuialhebel 78 ist gemäß der Darstellung in F i g. 6 mit Federgelenken ausgebildet, wodurch in den Gelenken Spiel- und Reibungseinflüsse vermieden sind. Es sind aber auch andere Ausführungsformen für die Zwangskoppciung der beiden Feder-Masse-Systerr.e denkbar, z. B. durch ein Strömungsmittel betriebene Kopplungen.
Die Anordnung einer Zwangskopplung nach den F i g. 5 und 6 dient nicht nur zum Ausgleich der Massenträgheitsmomente der beiden Feder-Masse-Systeme beim Einfluß einer Störkraft auf die Plattform, sondern gewährleistet auch, daß bei abgeschaltetem Tauchspulenmotor 60, wenn die Plattform 74 verstellt wird, der Kopfträgerarm 66 mit dem Magnetkopf 64 der Stellbewegung der Plattform 74 exakt folgt, ohne daß das Feder-Masse-System über die Sollposition des Magnetkopfes 64 hinausschwingt.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Anordnung zum Ausgleich der Massenkräfte eines mittels eines Antriebes bewegten, schwingenden Feder-Masse-Hauptsystems mit Hilfe eines Feder-Masse-Hilfssystems, bei dem der Antrieb selbst als Feder-Masse-Hilfssystem ausgebildet ist, welches in der Fortsetzung der Bewegungsbahn des Feder-Masse-Hauptsystems derart geführt ist, daß es mit gleicher Frequenz wie das Feder-Masse-Hauptsystem, jedoch gegenphasig schwingt, nach Patent 26 03 688, dadurch gekennzeichnet, daß das Feder-Masse-Hilfssystem (50, 52; 62, 72) mit der gleichen Eigenfrequenz ausgestaltet ist wie das Feder-Masse-Hauptsystem (14,16,24,26;61,64,66,68,70).
2. Anordnung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß das Feder-Masse-Hauptsystem (61,64, 66,68, 70) und das Feder-Masse-Hilfssystem (62, 72) mittels einer Zwangskoppelung (78) miteinander verbunden sind.
3. Anordnung nach Anspruch 2, mit unterschiedlichen Massen des Feder-Masse-Hauptsystems und des Feder-Masse-Hilfssystems, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwangskoppelung durch Anordnung eines stationär gelagerten Differentialhebels (78) gebildet ist.
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