JP6378734B2 - 油圧ショベル駆動システム - Google Patents

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Description

本発明は、油圧ショベル駆動システムに関する。
一般に、油圧ショベルでは、旋回体に対して俯仰するブームの先端にアームが揺動可能に連結され、アームの先端にバケットが揺動可能に連結される。この油圧ショベルに搭載される駆動システムは、ブームを駆動するブームシリンダ、アームを駆動するアームシリンダおよびバケットを駆動するバケットシリンダなどを含み、これらの油圧アクチュエータには、ポンプから制御弁を介して作動油が供給される。
例えば、特許文献１には、アームシリンダ用の制御弁として、アーム第１制御弁とアーム第２制御弁が用いられた油圧ショベル駆動システムが開示されている。アームシリンダへは、アーム第１制御弁を介して第１ポンプから作動油が供給されるとともに、アーム第２制御弁を介して第２ポンプから作動油が供給される。さらに、特許文献１に開示された油圧駆動システムでは、アーム引き操作時に作動油がタンクへ戻るルートを負荷圧力によって切り換えるための構成が採用されている。
具体的に、特許文献１に開示された油圧ショベル駆動システムでは、アーム第１制御弁とアームシリンダとを接続するアーム押し供給ラインに逃しラインが接続され、この逃しラインに調整弁が設けられている。調整弁は、アーム引き操作時の負荷圧力が小さいときは逃しラインを遮断し、アーム引き操作時の負荷圧力が大きいときは逃しラインを開放する。これにより、アーム第１制御弁およびアーム第２制御弁のメータアウト側の開口面積を小さくしておけば、アームシリンダのヘッド側でキャビテーションが発生することが防止される。また、負荷圧力が大きいときには逃しラインが開放されるので、ポンプの吐出圧が必要以上に高くなることがなく、ポンプでの消費動力が低減される。
特開２０１５−１８３７５６号公報
ところで、特許文献１に開示された油圧駆動システムでは、アーム第１制御弁およびアーム第２制御弁の他に調整弁が必要であるので、コストが高くなる。
そこで、本発明は、安価な構成で、アームシリンダのヘッド側でキャビテーションが発生することを防止するとともにポンプでの消費動力を低減することができる油圧ショベル駆動システムを提供することを目的とする。
前記課題を解決するために、本発明の油圧ショベル駆動システムは、第１ポンプと、第２ポンプと、アームシリンダと、前記第１ポンプおよびタンクと接続されるとともに、アーム引き供給ラインおよびアーム押し供給ラインにより前記アームシリンダと接続されたアーム第１制御弁と、前記第２ポンプおよび前記タンクと接続されるとともに、第１補給ラインにより前記アーム引き供給ラインと接続されるとともに第２補給ラインにより前記アーム押し供給ラインと接続されたアーム第２制御弁と、アーム引き操作およびアーム押し操作を受ける操作レバーを含み、前記操作レバーの傾倒角に応じた操作信号を出力するアーム操作装置と、を備え、前記アーム第２制御弁は、アーム引き操作時に、前記第１補給ライン側であるメータイン側の開口面積は前記操作信号に応じて変化するが、前記第２補給ライン側であるメータアウト側の開口面積は、所定条件を満たさない場合はゼロに保たれ、前記所定条件を満たす場合は、前記操作信号が設定値以上となるまではゼロに保たれ、前記操作信号が設定値以上となったときに最大値まで上昇するように構成されている、ことを特徴とする。
上記の構成によれば、アーム引き操作時に所定条件を満たさない場合は、アーム第２制御弁のメータアウト側の開口面積がゼロに保たれる。従って、アーム第１制御弁のメータアウト側の開口面積を小さくすれば、アーム引き操作時に所定条件を満たさない場合に、アームシリンダのヘッド側キャビテーションが発生することを防止できる。一方、アーム引き操作時に所定条件を満たす場合は、操作レバーが大きく傾倒されたときにアーム第２制御弁のメータアウト側の開口面積が最大値まで上昇する。従って、そのときにはアームシリンダから排出される作動油の大部分がアーム第２制御弁を通ってスムーズにタンクへ戻るため、ポンプの吐出圧が必要以上に高くなることがなく、ポンプでの消費動力を低減することができる。しかも、油圧ショベルの掘削時には、アーム引き操作で低減された消費動力を他のアクチュエータの動作も含めて駆動力として使用することができるため、掘削力も向上する。
例えば、前記アーム第２制御弁は、アーム引き操作用の第１パイロットポートと、アーム押し操作用の第２パイロットポートを含み、上記の油圧ショベル駆動システムは、前記第１パイロットポートと接続された電磁比例弁と、前記アーム操作装置から出力される操作信号に応じた指令電流を前記電磁比例弁へ送給する制御装置と、をさらに備え、前記制御装置は、前記所定条件を満たさない場合は、前記操作信号が設定値以上となったときに指令電流を一定値に制限し、前記所定条件を満たす場合は、前記操作信号が設定値以上となっても指令電流を制限しなくてもよい。
前記所定条件は、前記アーム引き供給ラインの圧力が閾値より高いことであってもよい。この構成によれば、アーム引き供給ライン（場合によって、第１補給ライン）に圧力センサを設ける必要があるものの、アーム引き操作時に負荷圧力に基づいてアーム第２制御弁のメータアウト側の開口面積をゼロとするか最大値とするかを切り換えることができる。
上記の油圧ショベル駆動システムは、前記第１ポンプおよび前記第２ポンプを駆動するエンジンをさらに備え、前記所定条件は、前記エンジンの回転数が閾値よりも高いことであってもよい。エンジンの回転数が相対的に高いときには、ポンプの吐出流量も多く、アーム引き操作においてアームシリンダのヘッド側でキャビテーションが発生し難い。従って、前記の構成のようにエンジンの回転数が閾値よりも高いときにアーム第２制御弁のメータアウト側の開口面積を最大値とすれば、キャビテーションが発生することを防止しつつ、ポンプでの消費動力を低減することができる。
前記所定条件は、前記第１ポンプおよび前記第２ポンプのうちの少なくとも一方の吐出圧が閾値よりも高いことであってもよい。油圧ショベル駆動システムでは、一般的に、第１ポンプの吐出圧を検出する圧力センサおよび第２ポンプの吐出圧を検出する圧力センサが設けられる。従って、前記の構成のように第１ポンプおよび／または第２ポンプの吐出圧を閾値と比較すれば、アーム引き供給ラインの圧力を検出する圧力センサさえ追加する必要がない。
本発明によれば、安価な構成で、アームシリンダのヘッド側でキャビテーションが発生することを防止するとともにポンプでの消費動力を低減することができる。
本発明の一実施形態に係る油圧ショベル駆動システムの概略構成図である。 油圧ショベルの側面図である。 （ａ）はアーム第１制御弁における第１パイロットポートのパイロット圧と開口面積との関係を示すグラフ、（ｂ）はアーム第２制御弁における第１パイロットポートのパイロット圧と開口面積との関係を示すグラフである。 （ａ）はアーム操作装置の操作レバーの傾倒角（アーム操作装置から出力される操作信号）と第２〜第４電磁比例弁への指令電流との関係を示すグラフ、（ｂ）はアーム操作装置の操作レバーの傾倒角と第１電磁比例弁への指令電流との関係を示すグラフである。 変形例の油圧ショベル駆動システムの概略構成図である。
図１に、本発明の一実施形態に係る油圧ショベル駆動システム１を示し、図２に、その駆動システム１が搭載された油圧ショベル１０を示す。
図２に示す油圧ショベル１０は、走行体１１と旋回体１２を含む。また、油圧ショベル１０は、旋回体１２に対して俯仰するブーム１３と、ブーム１３の先端に揺動可能に連結されたアーム１４と、アーム１４の先端に揺動可能に連結されたバケット１５を含む。ただし、油圧ショベル１０は、走行体１１を含まずに、例えば船舶などに搭載されてもよいし、ローダーまたはアンローダとして港湾に設置されてもよい。
駆動システム１は、油圧アクチュエータとして、図示しない左右一対の走行モータおよび旋回モータを含むとともに、ブームシリンダ１６、アームシリンダ１７およびバケットシリンダ１８を含む。ブームシリンダ１６はブーム１３を駆動し、アームシリンダ１７はアーム１４を駆動し、バケットシリンダ１８はバケット１５を駆動する。本実施形態では、アームシリンダ１７の収縮によりアーム押しが行われるが、アームシリンダ１７の伸長によりアーム押しが行われてもよい。
また、駆動システム１は、図１に示すように、上記の油圧アクチュエータへ作動油を供給する第１主ポンプ２１および第２主ポンプ２２を含む。第１主ポンプ２１および第２主ポンプ２２は、エンジン２４により駆動される。また、エンジン２４は、副ポンプ２３も駆動する。
第１主ポンプ２１および第２主ポンプ２２は、可変容量型のポンプである。第１主ポンプ２１および第２主ポンプ２２の吐出流量は、油圧ネガティブコントロール方式で制御されてもよいし、電気ポジティブコントロール方式で制御されてもよい。あるいは、第１主ポンプ２１および第２主ポンプ２２の吐出流量は、ロードセンシング方式で制御されてもよい。
上述したアームシリンダ１７へは、第１主ポンプ２１からアーム第１制御弁４１を介して作動油が供給されるとともに、第２主ポンプ２２からアーム第２制御弁４４を介して作動油が供給される。なお、図１では、その他の油圧アクチュエータ用の制御弁は図示を省略する。
具体的に、第１主ポンプ２１からは、第１センターブリードライン３１がタンクまで延びており、第２主ポンプ２２からは、第２センターブリードライン３４がタンクまで延びている。アーム第１制御弁４１は、第１センターブリードライン３１上に配置されており、アーム第２制御弁４４は、第２センターブリードライン３４上に配置されている。なお、上述したように図示は省略するが、第１センターブリードライン３１上には旋回モータ用の制御弁なども配置され、第２センターブリードライン３４上にはバケットシリンダ１８用の制御弁なども配置される。
第１センターブリードライン３１上の各制御弁はポンプライン３２により第１主ポンプ２１と接続され、第２センターブリードライン３４上の各制御弁はポンプライン３５により第２主ポンプ２２と接続されている。つまり、第１センターブリードライン３１上の制御弁は、第１主ポンプ２１に対してパラレルに接続され、第２センターブリードライン３４上の制御弁は、第２主ポンプ２２に対してパラレルに接続されている。また、第１センターブリードライン３１上の各制御弁はタンクライン３３によりタンクと接続され、第２センターブリードライン３４上の各制御弁はタンクライン３６によりタンクと接続されている。
アーム第１制御弁４１は、アーム引き供給ライン５１およびアーム押し供給ライン５２によりアームシリンダ１７と接続されている。アーム第２制御弁４４は、第１補給ライン５３によりアーム引き供給ライン５１と接続されるとともに、第２補給ライン５４によりアーム押し供給ライン５２と接続されている。
アーム第１制御弁４１およびアーム第２制御弁４４は、アーム操作装置６により操作される。アーム操作装置６は、アーム引き操作およびアーム押し操作を受ける操作レバーを含み、操作レバーの傾倒角に応じた操作信号を出力する。
本実施形態では、アーム操作装置６が、操作信号として操作レバーの傾倒角に応じた電気信号を出力する電気ジョイスティックである。アーム操作装置６から出力される電気信号は、制御装置７に入力される。例えば、制御装置７は、ＲＯＭやＲＡＭなどのメモリとＣＰＵを有し、ＲＯＭに格納されたプログラムがＣＰＵにより実行される。
アーム第２制御弁４４は、アーム引き操作用の第１パイロットポート４５と、アーム押し操作用の第２パイロットポート４６を含む。第１パイロットポート４５は、アーム引きパイロットライン５５により第１電磁比例弁６１と接続され、第２パイロットポート４６は、アーム押しパイロットライン５６により第２電磁比例弁６２と接続されている。
同様に、アーム第１制御弁４１は、アーム引き操作用の第１パイロットポート４２と、アーム押し操作用の第２パイロットポート４３を含む。第１パイロットポート４２は、アーム引きパイロットライン５７により第３電磁比例弁６３と接続され、第２パイロットポート４３は、アーム押しパイロットライン５８により第４電磁比例弁６４と接続されている。
アーム押し操作時、アーム第１制御弁４１は、アーム押し供給ライン５２をポンプライン３２と連通させるとともに、アーム引き供給ライン５１をタンクライン３３と連通させる。つまり、アーム押し操作時は、アーム押し供給ライン５２側がメータイン側、アーム引き供給ライン５１側がメータアウト側である。
一方、アーム第２制御弁４４は、アーム押し操作時に、第２補給ライン５４をポンプライン３５と連通させるとともに、第１補給ライン５３をタンクライン３６と連通させる。つまり、アーム押し操作時は、第２補給ライン５４側がメータイン側、第１補給ライン５３側がメータアウト側である。
アーム引き操作時、アーム第１制御弁４１は、アーム引き供給ライン５１をポンプライン３２と連通させるとともに、アーム押し供給ライン５２をタンクライン３３と連通させる。つまり、アーム引き操作時は、アーム引き供給ライン５１側がメータイン側、アーム押し供給ライン５２側がメータアウト側である。
より詳しくは、アーム第１制御弁４１は、図３（ａ）に示すように、アーム引き操作時に、第１パイロットポート４２または第２パイロットポート４３に導入されるパイロット圧が高くなるほどメータイン側の開口面積およびメータアウト側の開口面積が大きくなるように構成されている。本実施形態では、メータアウト側の開口面積がメータイン側の開口面積よりも小さい。
一方、アーム第２制御弁４４は、アーム引き操作時に、第１パイロットポート４５に導入されるパイロット圧によって第１位置と第２位置のどちらかに切り換えられる。第１位置は、第１補給ライン５３がポンプライン３５と連通する一方、第２補給ライン５４がブロックされる位置である。第２位置は、第１補給ライン５３がポンプライン３５と連通し、第２補給ライン５４がタンクライン３６と連通する位置である。アーム引き操作時は、第１補給ライン５３側がメータイン側、第２補給ライン５４側がメータアウト側である。
より詳しくは、アーム第２制御弁４４は、図３（ｂ）に示すように、アーム引き操作時に、第１パイロットポート４５に導入されるパイロット圧が高くなるほどメータイン側の開口面積が大きくなるものの、メータアウト側の開口面積は、パイロット圧が設定圧Ｐｓ以上となるまではゼロに保たれ、パイロット圧が設定圧Ｐｓ以上となったときに最大値Ａｍまで上昇するように構成されている。
本実施形態では、アーム引き操作時、アーム第２制御弁４４のメータアウト側の開口面積の最大値Ａｍが、アーム第１制御弁４１のメータアウト側の開口面積の最大値よりも大きい。ただし、アーム第２制御弁４４のメータアウト側の開口面積の最大値Ａｍは、アーム第１制御弁４１のメータアウト側の開口面積の最大値よりも小さくてもよい。
第１〜第４電磁比例弁６１〜６４は、一次圧ライン３７により上述した副ポンプ２３と接続されている。第１〜第４電磁比例弁６１〜６４は、制御装置７により制御される。制御装置７は、アーム引き操作時は、アーム操作装置６から出力される電気信号（操作信号）に応じた指令電流を第１電磁比例弁６１および第３電磁比例弁６３へ送給し、アーム押し操作時は、アーム操作装置からアーム操作装置６から出力される電気信号に応じた指令電流を第２電磁比例弁６２および第４電磁比例弁６４へ送給する。
本実施形態では、第１〜第４電磁比例弁６１〜６４のそれぞれが、指令電流が大きくなるほど高い二次圧を出力する正比例型（ノーマルクローズ型）である。各電磁比例弁から出力される二次圧は、パイロットライン（５５〜５８）を通じて対応するパイロットポート（４５，４６、４２，４３）に、上述したパイロット圧として導入される。ただし、第１〜第４電磁比例弁６１〜６４のそれぞれは、指令電流が大きくなるほど低い二次圧を出力する逆比例型（ノーマルオープン型）であってもよい。
制御装置７は、第２〜第４電磁比例弁６２〜６４に対しては、図４（ａ）に示すように、アーム操作装置６から出力される電気信号の全範囲に亘って、当該電気信号が大きくなるほど第２〜第４電磁比例弁６２〜６４へ送給する指令電流を大きくする。また、制御装置７は、第１電磁比例弁６１に対しては、アーム押し操作時には、図４（ａ）と同様に、アーム操作装置６から出力される電気信号の全範囲に亘って、当該電気信号が大きくなるほど第１電磁比例弁６１へ送給する指令電流を大きくする。
一方、アーム引き操作時には、制御装置７は、所定条件を満たすか否かを判断する。所定条件を満たさない場合は、制御装置７は、図４（ｂ）中に実線で示すように、アーム操作装置６から出力される電気信号（操作信号）が設定値以上となったときに第１電磁比例弁６１へ送給する指令電流を一定値Ｉｓに制限する。逆に、所定条件を満たす場合は、制御装置７は、図４（ｂ）中に破線で示すように、電気信号が設定値以上となっても第１電磁比例弁６１へ送給する指令電流を制限しない。つまり、所定条件を満たす場合は、アーム操作装置６から出力される電気信号の全範囲に亘って、当該電気信号が大きくなるほど第１電磁比例弁６１へ送給する指令電流が大きくなる。一定値Ｉｓは、第１電磁比例弁６１から出力される二次圧が上述した設定圧Ｐｓとなる値である。
すなわち、アーム第２制御弁４４に関しては、アーム引き操作時に、メータイン側の開口面積はアーム操作装置６から出力される電気信号（操作信号）に応じて変化するが、メータアウト側の開口面積は、所定条件を満たさない場合はゼロに保たれ、所定条件を満たす場合は、電気信号が設定値以上となるまではゼロに保たれ、電気信号が設定値以上となったときに最大値Ａｍまで上昇する。
本実施形態では、所定条件が、アーム引き供給ライン５１の圧力が閾値よりも高いことである。このため、アーム引き供給ライン５１に、当該アーム引き供給ライン５１の圧力を検出する圧力センサ７１が用いられている。制御装置７は、圧力センサ７１で検出される圧力を閾値と比較し、上記のような制御を行う。なお、アーム引き供給ライン５１の圧力を検出する圧力センサ７１は、第１補給ライン５３に設けられてもよい。
以上説明したように、本実施形態の駆動システム１では、アーム引き操作時に所定条件を満たさない場合は、アーム第２制御弁４４のメータアウト側の開口面積がゼロに保たれる。従って、アーム第１制御弁４１のメータアウト側の開口面積を小さくすれば、アーム引き操作時に所定条件を満たさない場合に、アームシリンダ１７のヘッド側キャビテーションが発生することを防止できる。一方、アーム引き操作時に所定条件を満たす場合は、操作レバーが大きく傾倒されたときにアーム第２制御弁４４のメータアウト側の開口面積が最大値Ａｍまで上昇する。従って、そのときにはアームシリンダ１７から排出される作動油の大部分がアーム第２制御弁４４を通ってスムーズにタンクへ戻るため、第１主ポンプ２１および第２主ポンプ２２の吐出圧が必要以上に高くなることがなく、第１主ポンプ２１および第２主ポンプ２２での消費動力を低減することができる。しかも、油圧ショベルの掘削時には、アーム引き操作で低減された消費動力を他のアクチュエータの動作も含めて駆動力として使用することができるため、掘削力も向上する。
さらに、本実施形態では、上記の所定条件がアーム引き供給ライン５１の圧力が閾値よりも高いことであるので、アーム引き供給ライン５１（場合によって、第１補給ライン５３）に圧力センサを設ける必要があるものの、アーム引き操作時に負荷圧力に基づいてアーム第２制御弁４４のメータアウト側の開口面積をゼロとするか最大値Ａｍとするかを切り換えることができる。
（変形例）
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
例えば、アーム引き操作時にアーム第２制御弁４４のメータアウト側の開口面積をゼロとするか最大値Ａｍとするかを切り換える所定条件は、第１主ポンプ２１および第２主ポンプ２２のうちの少なくとも一方の吐出圧が閾値よりも高いことであってもよい。油圧ショベル駆動システムでは、一般的に、第１主ポンプ２１の吐出圧を検出する圧力センサおよび第２主ポンプ２２の吐出圧を検出する圧力センサが設けられる（図１では作図を省略）。従って、第１主ポンプ２１および／または第２主ポンプ２２の吐出圧を閾値と比較すれば、アーム引き供給ライン５１の圧力を検出する圧力センサさえ追加する必要がない。
さらには、上記の所定条件は、エンジン２４の回転数が閾値よりも高いことであってもよい。エンジン２４の回転数が相対的に高いときには、第１主ポンプ２１および第２主ポンプ２２の吐出流量も多く、アーム引き操作においてアームシリンダ１７のヘッド側でキャビテーションが発生し難い。従って、エンジン２４の回転数が閾値よりも高いときにアーム第２制御弁４４のメータアウト側の開口面積を最大値Ａｍとすれば、キャビテーションが発生することを防止しつつ、第１主ポンプ２１および第２主ポンプ２２での消費動力を低減することができる。
また、アーム操作装置６は、操作信号として操作レバーの傾倒角に応じたパイロット圧を出力するパイロット操作弁であってもよい。この場合、第２〜第４電磁比例弁６２〜６４が省略され、アーム第２制御弁４４の第２パイロットポート４６がパイロットラインによりアーム操作装置６と接続されるとともに、アーム第１制御弁４１の第１および第２パイロットポート４２，４３がパイロットライン５７，５８によりアーム操作装置６と接続されてもよい。さらに、アーム操作装置６がパイロット操作弁である場合には、アーム引き操作時にアーム操作装置６から出力されるパイロット圧を検出する圧力センサがパイロットライン５７に設けられ、その検出圧力が制御装置７に入力される。
また、図５に示すように、第１センターブリードライン３１および第２センターブリードライン３４は省略されてもよい。
１ 油圧ショベル駆動システム
１０ 油圧ショベル
１７ アームシリンダ
２１ 第１主ポンプ
２２ 第２主ポンプ
２４ エンジン
４１ アーム第１制御弁
４４ アーム第２制御弁
４５ 第１パイロットポート
４６ 第２パイロットポート
５１ アーム引き供給ライン
５２ アーム押し供給ライン
５３ 第１補給ライン
５４ 第２補給ライン
６ アーム操作装置
６１〜６４ 電磁比例弁
７ 制御装置

Claims (5)

  1. 第１ポンプと、
    第２ポンプと、
    アームシリンダと、
    前記第１ポンプおよびタンクと接続されるとともに、アーム引き供給ラインおよびアーム押し供給ラインにより前記アームシリンダと接続されたアーム第１制御弁と、
    前記第２ポンプおよび前記タンクと接続されるとともに、第１補給ラインにより前記アーム引き供給ラインと接続されるとともに第２補給ラインにより前記アーム押し供給ラインと接続されたアーム第２制御弁と、
    アーム引き操作およびアーム押し操作を受ける操作レバーを含み、前記操作レバーの傾倒角に応じた操作信号を出力するアーム操作装置と、を備え、
    前記アーム第２制御弁は、アーム引き操作時に、前記第１補給ライン側であるメータイン側の開口面積は前記操作信号に応じて変化するが、前記第２補給ライン側であるメータアウト側の開口面積は、所定条件を満たさない場合はゼロに保たれ、前記所定条件を満たす場合は、前記操作信号が設定値以上となるまではゼロに保たれ、前記操作信号が設定値以上となったときに最大値まで上昇するように構成されている、油圧ショベル駆動システム。
  2. 前記アーム第２制御弁は、アーム引き操作用の第１パイロットポートと、アーム押し操作用の第２パイロットポートを含み、
    前記第１パイロットポートと接続された電磁比例弁と、
    前記アーム操作装置から出力される操作信号に応じた指令電流を前記電磁比例弁へ送給する制御装置と、をさらに備え、
    前記制御装置は、前記所定条件を満たさない場合は、前記操作信号が設定値以上となったときに指令電流を一定値に制限し、前記所定条件を満たす場合は、前記操作信号が設定値以上となっても指令電流を制限しない、請求項１に記載の油圧ショベル駆動システム。
  3. 前記所定条件は、前記アーム引き供給ラインの圧力が閾値より高いことである、請求項１または２に記載の油圧ショベル駆動システム。
  4. 前記第１ポンプおよび前記第２ポンプを駆動するエンジンをさらに備え、
    前記所定条件は、前記エンジンの回転数が閾値よりも高いことである、請求項１または２に記載の油圧ショベル駆動システム。
  5. 前記所定条件は、前記第１ポンプおよび前記第２ポンプのうちの少なくとも一方の吐出圧が閾値よりも高いことである、請求項１または２に記載の油圧ショベル駆動システム。
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