1、第48 卷第2 期2024年2 月doi:10.11832/j.issn.1000-4858.2024.02.009某型飞机投水作动系统建模与同步性仿真分析韩博,王兆强,谢超,卢灿(1.上海工程技术大学机械与汽车工程学院,上海2 0 16 2 0;2.中航通飞华南飞机工业有限公司,广东珠海519 0 9 0;3.浙江大学海洋学院,浙江舟山3 16 0 0 0;4.上海船舶设备研究所,上海2 0 0 0 3 0;5.上海海岳液压机电工程有限公司,上海2 0 16 0 0)摘要:提高某型飞机投水舱门的同步性是保证灭火任务顺利完成的关键。为了开展多参数对收放作动筒同步性影响的研究工作,首先,基于投水
2、灭火流程和投水作动系统液压原理,通过AMESim的液压元件库、逻辑库和状态机,建立了投水作动系统仿真模型。其次,通过连续投水工况仿真模拟,进行投水作动系统方案的功能性能分析,从而验证了仿真模型符合某型投水飞机工况性能要求。最后,通过批处理模式探究各敏感参数对多投水舱门收放作动筒的同步性影响。仿真表明:投水作动系统仿真模型可以实现多系统、多模式等不同任务和功能的仿真分析,电磁阀流量、负载、舱门作动筒活塞杆直径和管路直径对多缸同步性有着明显影响。关键词:AMESim;投水作动系统;仿真建模;同步性分析中图分类号:TH137文献标志码:B文章编号:10 0 0-48 58(2 0 2 4)0 2-0
3、 0 6 8-10Modeling and Synchronization Simulation Analysis of a CertainAircrafts Water-dropping ActuatorHAN Bo,WANG Zhao-qiang,XIE Chao,LU Can,CHEN Jia-wang”,WANG Xiao-qiang*0.4,5液压与气动Chinese Hydraulics&Pneumatics灿”,陈家旺,王小强4.5Vol.48 No.2February.2024(1.School of Mechanical and Automotive Engineering,
4、Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620;2.AVIC General Huanan Aircraft Industry Co.,Ltd.,Zhuhai,Guangdong 519090;3.Ocean College,Zhejiang University,Zhoushan,Zhejiang 316000;4.Shanghai Marine Equipment Research Institute,Shanghai 200030;5.Shanghai Hydronew Hydraulic Mechanical and
5、 Electronic Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 201600)Abstract:Improving the synchronization of a certain type of aircrafts water-dropping is the key to ensuring thesmooth completion of firefighting tasks.The hydraulic component library,logic library,and state chart of theAMESim were used to create a sim
6、ulation model based on the water-dropping firefighting task flow and the hydraulicprinciple of the water-dropping actuation system in order to conduct research on the effects of various parameters onthe synchronization of the retractable actuator.Second,the functional performance study of the water-
7、droppingactuation system scheme was carried out by continuous water-dropping simulation,confirming that the simulationmodel satisfies the performance requirements of a certain kind of water-dropping aircraft.The impact of differentsensitive factors on the synchronization of the retractable and retra
8、ctable actuators of the multi-drop cabin door waslastly investigated using the batch processing technique.The simulation findings demonstrate that the synchronization收稿日期:2 0 2 3-0 6-2 1基金项目:国家自然科学基金(5150 52 7 2,518 7 6 113)作者简介:韩博(19 9 5一),男,山东枣庄人,硕士研究生,主要从事现代液压元件基础理论及应用的研究工作。修回日期:2 0 2 3-0 7-12202
9、4年第2 期of many cylinders is greatly influenced by the load,pipeline diameter,piston rod diameter of the hatch actuationcylinder,solenoid valve flow rate,and load.Key words:AMESim,water-dropping actuator,modeling and simulation,synchronization analysis引言由于我国森林火灾多发,并且发生地区的地形多为山地和丘陵 1-2 ,道路通行条件差,大型地面消防设
10、备难以承担相应的灭火任务,只能依靠大量人力制造隔离带控制火势蔓延。灭火效率低且危险性很大,因此灭火飞机应运而生 3 投水作动系统是灭火飞机的核心部分,在飞机投水任务执行中,若投水舱门无法按照预期完成灭火任务,将严重影响灭火任务的效率。并且投水舱门收放的同步性也会影响飞机的重量、飞行速度以及舱门所受载荷。这不仅会影响灭火飞机的灭火效率,甚至可能导致灭火任务的失败,从而造成更大的经济损失 4。因此,提高飞机投水舱门的同步性是保证灭火任务顺利完成的关键。一些学者基于控制理论的基础对多缸同步进行了研究 5-8 。然而,对于多缸系统中各元件参数对同步性的影响规律并未涉及。伴随计算机仿真技术的发展,液压仿
11、真技术在系统级和元件级的分析中得到了普遍的应用 9 。利用仿真技术对投液压与气动航向外侧舱门4号水箱图1投水作动系统组成与航行Fig.1Heading direction and composition ofwater-dropping actuation systemB692号水箱1号水箱外侧舱门内侧舱门内侧舱门内侧舱门内侧舱门3号水箱外侧舱门外侧舱门水作动系统进行同步性分析可以降低方案设计成本,研判系统功能可行性,还可以优化方案和提高系统可靠性 10 。因此,对投水作动系统进行仿真建模并进行多作动筒同步性分析具有重大的研究价值 。本研究简要阐述了某型飞机投水作动系统的组成和工作原理,基于A
12、MESim建模仿真平台进行系统建模,根据模型进行工况状态仿真分析和同步性仿真分析。1投水作动系统组成与原理某型飞机投水作动系统由4个水箱和8 个舱门组成,其布局与航向如图1所示。当接到灭火任务计算机发送的投水指令时,投水作动系统驱动投水舱门和机构锁完成解锁、投水、收门、上锁等动作。投水作动液压系统主要由过滤器、液压泵、溢流阀、蓄能器、锁止机构作动控制阀、锁止机构作动筒、舱门收放作动控制阀、舱门收放作动筒等组成,如图2 所示。该系统拥有2 套液压源,左侧液压源给2 号、3 号投水子系统供压,右侧液压源给1号、4号投水子系统供压。其中舱门收放作动筒组和舱门收放作动控制阀一起组成内外投水舱门收放作动
13、机构,锁止机构作动2#1#筒组与锁止机构作动控制阀一起组成内外投水舱门锁止机构。压力油由液压泵提供,起泵后,油泵向系统供油,通过溢流阀来调节系统的压力。如图3 所示,当灭火3#A4#图2 投水作动系统液压原理图Fig.2 Hydraulic schematic diagram ofwater-dropping actuation system70任务计算机发送工作指令时,锁止机构作动控制阀受到电流的作用,阀芯在电磁铁的吸引下向左移动处于右位机能,此时进油口P与工作油口A接通,工作油口B与回油口T接通,油液进人锁止机构作动筒组的下侧液压室,推动柱塞伸出,机构开锁。根据机构位移量调整电流大小,使得
14、锁止机构作动控制阀阀芯在电磁铁的作用下向右移动,当开锁动作完成时,此时锁止机构作动控制阀处于中位机能,投水舱门锁止机构靠其负载维持开锁状态。另一方面,投水舱门收放作动筒组依靠其负载作用使得柱塞向上移动伸出,进人投水状态。投水模式选择投水指令机构电磁阀阀芯左移机构作动筒伸出否锁止机构解锁到位是机构电磁阀处中位机能舱门电磁阀阀芯左移收放作动筒伸出投水完成是图3 投水动作下液压系统工作流程图Fig.3Hydraulic system workflow diagram underwater-dropping action当结束工作状态后,灭火任务计算机发送关闭指令,舱门收放作动控制阀接收到电流信号,阀
15、芯在电磁铁的作用下向右移动,此时进油口P与工作油口A接液压与气动通,液压油通入投水舱门收放作动筒下侧的液压室,使得柱塞在抵抗舱门负载的作用下,向下移动收回。当收门动作结束后,锁止机构作动控制阀阀芯在电磁铁的作用下,向右移动,此时进油口P与工作油口B接通,工作油口A与回油口T接通,液压油进人锁止机构作动筒组的上侧液压室,使得柱塞收回,机构锁止,完成舱门上锁动作。2AMESim建模仿真根据投水作动系统的结构特性和工作原理 12 ,利用AMESim软件搭建液压系统和控制仿真模型。考虑到模型的复杂度,为保证系统仿真效率与准确性兼顾,直接采用AMESim元件库中现有的元件与开始子模型 13 ,为分析不用
16、工况下的系统特性、同步性奠定基础 41。O2.1供油系统模型如图4所示,供油系统包含2 套液压源,其AMESim模型主要由过滤器、定量泵、溢流阀、蓄能器构成,参数设置如表1所示。舱门电磁阀阀芯右移收放作动筒收回舱门收回到位,是机构电磁阀阀芯右移机构作动筒收回锁止机构上锁到位是结束第48 卷第2 期油源山否日图4供油系统模型图Fig.4Oil supply system model表1供油系统AMESim模型参数表Tab.1Oil supply system model parameters元件电机额定转速/rmin-I排量/mLr=1定量液压泵额定转速/rmin-1溢流阀开启压力/MPa单向阀
17、开启压力/MPa可变节流孔最大开度时的节流孔等效直径/mm气体预充注压力/MPa蓄能器蓄能器容积/L电参数数值1500401500210.12571.82024年第2 期液压与气动71Inletsina11图6 投水舱门收放作动筒模型图Fig.6 Model of retractable actuator forwater-dropping door收放作动筒为超级元件,其无杆腔为气动腔,有杆腔为液动腔,仿真模型如图6 所示。模拟负载图5投水舱门收放作动系统模型图Fig.5Model of retractable actuation system forwater-dropping door2
18、.2投水舱门收放作动系统模型如图5所示,投水舱门收放作动系统仿真模型主要由舱门收放作动控制阀、投水舱门收放作动筒和模拟负载等组成,参数设置如表2 所示。其中,投水舱门表2 投水舱门收放作动系统AMESim模型参数表Tab.2Parameters of retractable actuating system forwater-dropping door元件参数P到A最大开度流量特性/Lmin舱门收放P到A压降/MPa作动控制阀A到T最大开度流量特性/Lmin-1A到T压降/MPa长度/m软管直径/mm活塞直径/mm气动活塞活塞杆直径/mm质量/kg最低位移极限/m活塞质量块最高位移极限/m倾角
19、/()活塞直径/mm液动活塞活塞杆直径/mm除了液压基本原件外,投水舱门收放作动系统AMESim模型中还包含逻辑元件、速度传感器、位移传感器和状态机,这些元件一起组成了投水舱门收放作动系统的逻辑控制系统。其中舱门收放作动筒速度与位移量通过速度传感器和位移传感器传输给状态机去做相应的逻辑运算,计算后的结果转化成电流信号控制舱门收放作动控制阀的换向。2.3投水舱门锁止系统模型投水舱门锁止系统仿真模型主要由锁止机构作动控制阀、锁止机构作动筒、模拟负载等组成,如图7 所示,参数设置如表3 所示。数值2010.503090.52103505.5000.27-903525otleftout图7投水舱门锁止
20、系统模型图Fig.7Model of locking system forwater-dropping door模拟负载二ichtin72液压与气动第48 卷第2 期T油源PD面4#PLO2#3#图8 投水作动系统整体仿真模型图Fig.8 Overall simulation model diagram of water-dropping actuation system除了液压基本元件外,投水舱门锁止系统AMESim模型中还包含位移传感器、状态机、接收器等,这些元件一起组成了投水舱门锁止机构的闭环控制系统。一方面,状态机可以根据锁止机构是否锁止到位来模拟舱门是否带载。另一方面,状态机可以根据
21、内外舱门作动筒平均位移量结合速度量做一定的判断,最后将运算结果转化成电流信号控制锁止机构作动控制阀换向。2.4整体系统模型投水作动系统整体仿真模型,如图8 所示。其工况由齐投、连投、分投3 种模式构成。齐投为4个水箱同时投水,连投为各水箱依次打开舱门投水,分投指的是各水箱独立完成投水,期间不产生相互的干扰。在模型中构建灭火任务计算机,模拟3 种工况状态下投水作动系统的工作过程。灭火任务计算机由常数元件、阶跃函数元件、发射器、接收器、多输人逻辑操作器元件组成。修改常数元件和阶跃函数元件参数0或1即可选择相应的工况模式,而这些元件与多输入逻辑操作器相连接,通过或逻辑将置1的工况传输给发射器,由发射
22、器发送到4个投水子系统当中。3工况与同步性仿真分析为了满足投水性能要求,某型飞机执行正常投水任务时作以下规定:2024年第2 期表3投水舱门锁止系统AMESim模型参数表Tab.3Parameters of retractable locking system forwater-dropping door元件最大开度流量特性/Lmin-l锁止机构作动控制阀压降/MPa活塞直径/mm锁止机构作活塞杆直径(收回)/mm动筒活塞杆直径(伸出)/mm质量/kg黏性摩擦系数/Nsm-1质量块最低位移极限/m最高位移极限/m倾角/()(1)计算机收到投水指令到分水箱投水舱门上锁到位时间,即分水箱完成整个任
23、务的时间不大于8 s;(2)投水舱门解锁到位时间不大于0.5s;(3)从灭火任务计算机发出投水舱门自动收起指令到投水舱门上锁之间的时长,即舱门完全收起并上锁到位时间不大于3.5s;(4)连投模式时,指令发送时间间隔为2 s。3.1连投模式仿真分析为了全面地验证仿真模型的正确性,选择连投模式进行仿真验证分析。图9 为连投模式舱门与锁止机构作动筒位移曲线图。提取仿真数据,连续投水工作中各作动筒工作状态时刻表,如表4所示,从中可以计算出各动作指标所用时间,从而验证仿真模型是否符合某型投水飞机工况性能要求,各指标用时可参见表5。由表5可知,仿真模型符合某型投水飞机工况性能要求。3.2不同电磁阀流量特性
24、下的收放时间同步性分析选取不同敏感参数 15-17 ,通过 AMESim批处理模式,改变不同数值并带入系统仿真模型中,得出仿真结果。然后通过后处理模式,将内外舱门收放作动筒的位移量作差 18 ,探究作动筒同步性的影响因素。首先改变不同的电磁阀流量,进行同步性分析。参数选取与各参数下内外舱门收放作动筒伸出和收回同步到位所用时间及最大位移差,如表6 所示。液压与气动300250200参数数值240.4026.4018191.60100000.27-9073一1#外舱门收放作动筒-1#内舱门收放作动筒一4#外舱门收放作动筒-4#内舱门收放作动筒一1#外锁止机构作动筒-1#内锁止机构作动筒150一4#
25、外锁止机构作动筒-4#内锁止机构作动筒100500300250200tu/x150100500Fig.9Displacement curve in continuousdropping mode表4连续投水工作中各作动筒工作状态时刻表Tab.4Timetable for the working status ofeach actuator机构作动筒机构作动筒收放作动筒收放作动筒水箱开始伸出/s伸出到位/s 开始伸出/s伸出到位/s1#4.102#0.103#2.104#6.10收放作动筒收放作动筒机构作动筒机构作动筒水箱开始收回/s收回到位/s开始收回/s收回到位/s1#9.792#5.153
26、#7.074#11.84如图10 所示,电磁阀的流量越大,伸出同步到位的时间就越短,内外舱门收放作动筒的最大位移差越小。收回动作时,同步到位的时间和最大位移差基本不变。55图9连投模式液压缸位移曲线图4.154.340.190.482.162.386.166.4010.4110.505.855.957.767.8612.4512.5410t/s2#外舱门收放作动筒2#内舱门收放作动筒3#外舱门收放作动筒-3#内舱门收放作动筒2#外锁止机构作动筒2#内锁止机构作动筒3#外锁止机构作动筒-3#内锁止机构作动筒1015t/s1520205.801.153.077.8310.556.027.9412.
27、60载荷k/N74Tab.5Time for each task in continuous water-dropping水箱解锁/s舱门收起并上锁/s1#0.152#0.193#0.164#0.16表6 不同电磁阀流量特性同步性仿真结果表Tab.6Synchronous simulation results of different flowrate characteristic of hydraulic valves仿真结果33伸出到位同步时间/s1.710收回到位同步时间/s0.6200.6200.620伸出最大位移差/mm4.311收回最大位移差/mm3.3943.4043.41951
28、432uu/p10-1-2-3-40图10不同电磁阀流量下内外舱门收放作动筒位移差曲线对比图Fig.10Comparison of displacement difference betweeninner and outer water-dropping door actuators underdifferent flow rate characteristic of hydraulic valves由于内外舱门液压管路长度不同,液阻也不相同,导致内外舱门收放作动筒并不完全同步,一侧舱门作动筒完全伸出时,使得其他油液迅速流向另一侧舱门作动筒。当电磁阀流量增大时,使得最后流向液阻较大的一侧时间变
29、短,,因此同步伸出到位时间变短。但当舱门收放作动筒收回时,在抵抗舱门负载的作用下,液压与气动表5连投水模式各任务用时表管路液阻的差异并不起决定性作用,同步到位的时间和最大位移差基本不变。mode3.3不同载荷情况下的收放时间同步性分析完成工作任务/s不同载荷参数选取与各参数下内外舱门收放作动筒伸出和收回同步到位所用时间和最大位移差,如表0.776.550.876.020.875.940.766.60电磁阀流量q/LminI24271.5304.2474.127qi=24 L/min,q2=24 L/min-=qi=27 L/min,q2=27 L/minqi=33 L/min,92=33 L/
30、minq,=36 L/min,92=36 L/min12第48 卷第2 期7所示。表7 不同载荷同步性仿真结果表Tab.7Synchronous simulation results ofdifferent loads仿真结果2000伸出到位同步时间/s0.7900.6400.550收回到位同步时间/s0.6700.7200.790伸出最大位移差/mm3.74336收回最大位移差/mm1.2601.1600.6204.0563.41834t/s30003.4433.5583.6393.741如图11所示,在负载不同的情况下,负载越大伸出同步到位所用的时间越短,内外舱门收放作动筒伸出的最大位移差
31、减小;收回同步到位所用的时间越长,内外舱门收放作动筒伸出的最大位移差增大。4321wuu/p-1-2-35640003.319ki=-2000,k2=-2000-ki=-3000,kz-3000ki-4000,k2=-4000.ki-5000,k2-50007850000.4900.8503.1623.85240图11不同载荷下内外舱门收放作动筒位移差曲线对比图Fig.11Comparison of displacement differencebetween inner and outer water-dropping dooractuators under different loads由
32、于投水作动系统结构特点,在投水时,舱门作动筒伸出方向与舱门重量和水箱载荷处于同一方向,负载越大,进人作动筒内的流量越大,同步到位用时越短,而舱门收回时,需抵抗负载作用,负载越大,流出作动筒内的流量越小,同步到位用时越长。12345t/s6782024年第2 期3.4不同舱门收放作动筒活塞杆直径下的收放时间同步性分析不同舱门收放作动筒活塞杆直径参数选取与各参数下内外舱门收放作动筒伸出和收回同步到位所用时间和最大位移差,如表8 所示。如图12 所示,舱门收放作动筒活塞杆直径参数越大,伸出同步到位和收回同步到位的时间就越短,并且内外舱门收放作动筒之间的最大位移差在伸出和收回动作中都明显减小。表8 不
33、同舱门收放作动筒活塞杆直径同步性仿真结果表Tab.8 Synchronous Simulation results of different pistonrod diameters of water-dropping door actuators仿真结果伸出到位同步时间/s收回到位同步时间/s伸出最大位移差/mm收回最大位移差/mm531-3-50图12不同舱门收放作动筒活塞杆直径下内外舱门收放作动筒位移差曲线对比图Fig.12Comparison of displacement difference betweeninner and outer water-dropping door act
34、uators underdifferent piston rod diameters of door actuators当舱门收放作动筒活塞杆直径增大时,有杆腔有效工作面积减小,作用在活塞上的有效工作压力也升高,缩短了舱门作动筒收放所用时间,使得收放同步到位时间和最大位移差都减小,但随着活塞杆直径的增大,也加剧了收放作动筒的流量波动,降低了系统稳定性。3.5不同锁止机构参数下的收放时间同步性分析不同锁止机构作动筒活塞与活塞杆直径参数选取液压与气动表9 不同锁止机构参数同步性仿真结果表Tab.9Synchronous Simulation results of differentlocking
35、mechanisms26.4.26.4仿真结果活塞杆直径d/mm1522伸出到位同步时间/s1.380 1.3801.380收回到位同步时间/s0.6200.6100.6200.630伸出最大位移差/mm4.198收回最大位移差/mm3.4363.4693.452活塞杆直径d,/mm20232.2801.7401.2000.8500.7200.5704.6354.4694.2283.8823.081dri=20 mm,dr2=20 mm-dri=23 mm,dr2=23 mmdri=26 mm,dz=26 mmd.i=29mm,dz-29mm1275活塞直径d,/mm30184.1874.20
36、526290.7000.4003.9482.3721.607734t/s34181.3904.1813.439与各参数下内外舱门收放作动筒伸出和收回同步到位所用时间和最大位移差,如表9 所示。如图13 所示以及表格中伸出与收回同步到位所用时间的数据对比不同锁止液压缸参数下,伸出和收回同步到位的时间并没有明显变化,并且左右作动液压缸之间的最大位移差也并无明显变化。54320-1-2-3-4056dpi=26.4 mm,dp2=26.4 mm-dpl=26.4 mm,dp2=26.4 mm-dpi=30 mm,dp2=30 mm.dpi=34 mm,dp2=34 mm128图13不同锁止机构作动筒
37、结构参数下内外舱门收放作动筒位移差曲线对比图Fig.13 Comparison of displacement difference betweeninner and outer water-dropping door actuatorsunder different locking mechanisms3.6不同管路直径下的收放时间同步性分析不同的管路直径参数选取与各参数下内外舱门收放作动筒伸出和收回同步到位所用时间和最大位移差,如表10 所示。如图14所示,随着管路直径增大,伸出与收回同步到位所用的时间差异越小,并在管路直径大于9 mm之后伸出与收回同步到位所用的时间基本相同。而当管路直径
38、减小时,两缸最大位移差则更小。345t/s67876Tab.10SSynchronous Simulation results ofdifferent pipes电磁阀A口管路直径与通油仿真结果软管直径dm/mm57伸出到位同步时间/s2.9701.6801.460收回到位同步时间/s0.7100.640 0.630伸出最大位移差/mm0.382收回最大位移差/mm0.3751.2782.7066dm1=5 mm,dm2=5 mm-dm1=7 mm,dm2=7 mm4-dmi=9 mm,dm2=9 mm dm=1l mm,dm2=1l mm2wru/p-2-4-60123456789t/s图1
39、4不同管路参数下内外舱门收放作动筒位移差曲线对比图Fig.14Comparison of displacement dfference betweeninner and outer water-dropping door actuators管路直径的降低,使得流入内外舱门收放作动筒的流量大幅降低,尽管这导致了两舱门位移差降低,但舱门伸出用时增大,则同步到位用时也在增加。由于舱门收放控制阀的最大开度流量固定,当管路直径大于9 mm时,随着管径增大,舱门收放作动筒流量并未有明显增加,同步到位用时也没有明显降低。并且在舱门收回时,不仅最大位移差增大,而且还有明显流量波动,降低了系统稳定性。4结论为了
40、实现投水作动系统同步性仿真,本研究以某型飞机投水作动系统为基础,采用AMESim搭建了液压系统模型,以连投模式为例,准确的获得了水箱投水各动作所用时间。仿真结果表明,该模型可以满足投水性能指标要求,且可以对不同参数下的多缸同步性进行了对比分析。同步性仿真结果表明,电磁阀流量、负载、投水舱液压与气动表10 不同管路同步性仿真结果表门收放作动筒活塞杆直径和管路直径对多缸同步性有着明显影响。增大电磁阀流量可以缩短同步到位时间,但需要考虑油液冲击问题。考虑到载荷的增大会使得同步伸出到位的时间减小,而同步收回到位的时间增大,可以调整舱门结构与水箱容量使得两者用时9111.3900.6201.3613.1
41、38under different pipes第48 卷第2 期处于一个合理值。增大舱门收放作动筒活塞杆直径会降低同步到位时间和最大位移差,但也加剧了流量波动。管路直径大于9 mm时,同步到位用时未曾有明显降低,继续增大管路直径效果不大。而锁止机构作5.308动筒活塞杆直径的变化只对舱门收放作动筒指令响应4.073时间有影响,却对多缸同步性没有显著影响。在后续的研究中,笔者将基于该投水作动系统仿真模型,进行多参数优化并调整设计方案。参考文献:1 田国华,杨松.我国3 1个地区森林火灾时空分布特征J.森林防火,2 0 13,(2):10-14.TIAN Guohua,YANG Song.The
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