说明书--振动式马铃薯收获机的设计学士学位论文.doc

前 言马铃薯的营养价值非常高，市场潜力巨大。在国外，大约占40%的马铃薯加工成食品后进入消费市场。在国内，一向被国人视为不能登大雅之堂的马铃薯产品也突然间在市场上风靡起来。在北京、上海、广州及西安等全国大中城市，以马铃薯条、马铃薯泥为基本原料的麦当劳、肯德基食品已占据我国快餐市场的半壁江山，而从各种渠道进口的其它油炸薯片或膨化食品等也滚滚而来。中国农科院副院长屈东玉博士在日前召开的中国马铃薯学术年会上指出：“马铃薯是一种产量高、适应性强、经济价值大的作物，应把马铃薯主产区列入国家粮食商品粮基地，享受与水稻、小麦等商品粮基地同样的财税待遇，这将是保证我国粮食安全的有效手段马铃薯收获机是当代马铃薯收获不可或缺的设备。在进行田间马铃薯收获时，必须将土层里的马铃薯翻出再进行拣拾。市场上的马铃薯收获装置挖掘效率低，费时费力。因为传统的马铃薯收获设备不能高效的进行挖掘收获，需要大量人力进行收获，而且工作后的土地成块状，马铃薯的拣拾还需要破碎土壤进行收获。因此根据这一情况，研制出了一种小型家用振动式马铃薯收获机。该振动式马铃薯收获机因其体积小、重量轻、结构简单，所以制造成本低，而且马铃薯挖掘效率高，只需要小型拖拉机进行牵引带动，就可以很好地进行马铃薯挖掘收获。本文设计的振动式马铃薯收获机是一种常用机械设备，能够高效的进行马铃薯的挖掘工作。本次设计能够大大的提高收获效率；可以减少人力物力，同时也节省时间。本课题设计的主要内容是振动式马铃薯收获机的设计。主要通过对原始数据的分析、方案的论证比较与选择，完成了收获机的总体设计，振动原理的设计，分离装置的设计以及传动方案的选择等内容。在此基础上对马铃薯收获机机体的结构尺寸、传动比等进行了详细的计算和说明。关键词：振动式；挖掘；马铃薯 目 录1.绪论11.1课题研究的意义11.2国内外葵花籽去壳机发展状况11.3国内外马铃薯收获机存在的问题31.4研究的内容和方法31.5预期目标41.6重点研究的关键问题及解决思路41.7工作条件及解决方法42.振动式马铃薯收获机总体设计42.1收获机的典型方法和方案选择42.2振动式马铃薯收获机的振动工作原理52.3整机主要的技术参数63.整机关键部件结构设计及运动学分析63.1牵引架设计63.3挖掘铲的结构设计84.整机关键部件结构设计及运动学分析84.1挖掘铲、振动分离筛机构运动学分析85.动力装置的设计与选用125.1传动系统的确定125.2轴的校核12总 结14致 谢15参考文献16 塔里木大学毕业设计1绪论1.1课题研究的意义 马铃薯的营养价值非常高，市场潜力巨大。在国外，大约占40%的马铃薯加工成食品后进入消费市场。在国内，一向被国人视为不能登大雅之堂的马铃薯产品也突然间在市场上风靡起来。在北京、上海、广州及西安等全国大中城市，以马铃薯条、马铃薯泥为基本原料的麦当劳、肯德基食品已占据我国快餐市场的半壁江山，而从各种渠道进口的其它油炸薯片或膨化食品等也滚滚而来。中国农科院副院长屈东玉博士在日前召开的中国马铃薯学术年会上指出：“马铃薯是一种产量高、适应性强、经济价值大的作物，应把马铃薯主产区列入国家粮食商品粮基地，享受与水稻、小麦等商品粮基地同样的财税待遇，这将是保证我国粮食安全的有效手段马铃薯收获机是当代马铃薯收获不可或缺的设备。在进行田间马铃薯收获时，必须将土层里的马铃薯翻出再进行拣拾。 市场上的马铃薯收获装置挖掘效率低，费时费力。因为传统的马铃薯收获设备不能高效的进行挖掘收获，需要大量人力进行收获，而且工作后的土地成块状，马铃薯的拣拾还需要破碎土壤进行收获。因此根据这一情况，研制出了一种小型家用振动式马铃薯收获机。该振动式马铃薯收获机因其体积小、重量轻、结构简单，所以制造成本低，而且马铃薯挖掘效率高，只需要小型拖拉机进行牵引带动，就可以很好地进行马铃薯挖掘收获。 本文设计的振动式马铃薯收获机是一种常用机械设备，能够高效的进行马铃薯的挖掘工作。本次设计能够大大的提高收获效率；可以减少人力物力，同时也节省时间。本课题设计的主要内容是振动式马铃薯收获机的设计。主要通过对数据的分析、方案的论证比较与选择，完成了收获机的总体设计，振动原理的设计，分离装置的设计以及传动方案的选择等内容。在此基础上对马铃薯收获机机体的结构尺寸、传动比等进行了详细的计算和说明。1.2国内外葵花籽去壳机发展状况1.2.1国外马铃薯收获机发展现状国外很早就研制马铃薯收获装置了，从农业机械化发展过程来看，马铃薯收获机发展较迟缓，只是近50年才发展到较高水平。国外马铃薯机械化收获起步早、发展快、技术水平高。在20世纪40年代初前苏联、美国就开始研制推广应用马铃薯收获机了，50年代末期全面实现了生产机械化。7080年代，德、英、法、意大利、瑞士、波兰、匈牙利、日本和韩国亦相继实现了马铃薯生产机械化。国外马铃薯收获机械的技术水平相当高，不但生产率高而且高新技术已融于机具之中。如采用振动、液压技术进行挖掘；采用传感技术控制土壤喂人量、马铃薯传运量以及分级装载；采用气压、气流、光电技术进行碎土和分离及利用微机进行监控操作等。 原苏联是生产收获机最早的国家。1960年，马铃薯联合收获机保有量是3万台，1976年，保有量是6万台，1979年，马铃薯收获机械工业化程度达到77%(其中国营农场为84%，集体农庄为73%)；到20世纪90年代除，马铃薯收获机共有16种机型，其中10种是联合收获机，其中劳动生产率比其他2行收获机提高1-2倍。 美国在1948年以前用收获机来收获马铃薯，然后人工捡拾。直到1967年，开始使用联合收获机，劳动生产率达到100kg/(h人)。20世纪80年代初期，联合收获机和分段收获的面积占马铃薯种植面积的85%，其中联合收获已经达到50%以上、20世纪到90年代，美国已经基本实现了马铃薯收获机械化。 德国20世纪在40年代主要生产和使用抛掷式收获机；50年代主要生产和使用升运链式收获机和捡拾装载机，进行分段收获；到1970年保有量达到6205台；70年代开始生产联合收获机，机型有20多种，均是原联合收获机的变型，其保有量达到6万台；90年代开始生产收获-捡拾装载机和具有自动分选装置的联合收获机。日本在1955年以前使用畜力挖掘机，1955年到1965年生产悬挂式的抛掷式和升运链式收获机。70年代开始引进英国、美国等发达国家的联合收获机，并研制适合日本国情的联合收获机。目前，国外马铃薯收获机械大多采用升运链条式联合作业，技术上已达到相当高的水平。由于国外马铃薯采用机械化垄作种植形式，适应这种特点而设计的收获机械在中国难以适应平作收获。以内蒙百事食品(中国)有限公司种薯基地进口机为例，其全部实现机械化作业，种植方式采用垄作，行距为900mm，收获机械为牵引式双行联合作业，多级链输送，配套动力在59.7kW以上，一次完成挖掘，土、石、薯、秧分离，并可实现薯块大小自动分捡、自行装车等功能该机为全液压操纵，各机构可实现自动折叠运输，伤薯率极低。机体与薯块可能接触部位均用橡胶件保护。又如，芬兰康克公司生产的双行马铃薯收获机为牵引式，配套动力为33.6kW以上，在拖拉机右侧实现挖掘，土、薯、茎叶分离，薯块直接装袋装箱。同时，该机可作为捡拾机使用，后部工作台为液压升降式，薯块或石头可直接运至田地头。日本生产的主要为单行履带自走式联合作业机，行走与输送链HST无级变速，发动机为水冷4冲程3缸柴油机。1.2.2国内马铃薯收获机发展现状新中国成立初期, 我国收获马铃薯采用人工刨或旧犁挖掘的落后方式。直到20世纪60年代中期,马铃薯收获机具的研制工作才逐步发展起来。研究人员在研究原西德、原苏联、日本、瑞士等国外机具的基础上，研制成功了升运链式马铃薯收获机，但是由于受当时历史条件的限制，没能实现大面积推广和使用。20世纪70年代中期，由于手扶拖拉机的大量推广应用, 国内又掀起了为手扶拖拉机配套的马铃薯收获机的研制高潮, 成功研制了鼠笼式马铃薯收获机, 但受当时的配套动力限制, 未能生产和推广。1979年，12国农机展览会后，国家将全部马铃薯收获机样机都投放在黑龙江省农业机械工程科学研究院，从而为马铃薯收获机的研究工作创造了良好的条件。 到20世纪90年代中期, 由于国产小四轮拖拉机的大量推广和应用, 研制马铃薯收获机已被列入重要日程。而此后, 其市场需求旺盛, 先后有小型升运链式马铃薯收获机和振动式马铃薯收获机投放市场,并占据了很大的市场份额。1.3国内外马铃薯收获机存在的问题我国研究马铃薯收获机起步较晚发展缓慢，和发达国家相比只能望其项背，目前市场上流行的一些机具中，存在如下问题，因此，难以大范围推广应用。(1)挖掘效率低。有些田间作业时，马铃薯挖掘不完全，有许多果实还在土层里，机器入土较浅。所以挖掘效率低是推广使用马铃薯收获机机具的最大障碍。(2)损失率高。因为设计时参数选择不合理，造成挖掘不完全现象比较严重，果实在许多大的土块里，不能直接呈现在人们眼前，需要二次收获。(3)果仁完整性差。有些厂家设计的收获机具，为了改善漏剥或田间挖掘不完全现象，一味追求挖掘率的提高，造成很多果实破碎，从而降低了产品的商品价值。(4)机具性能不稳定，适应性不高。当土壤的含水率、硬度，果实形状、大小、品种等因素发生变化时，专门为某类马铃薯研究开发的专用机型马铃薯收获机性能也会变的不理想。从而国内能够完成挖掘、振动分离的马铃薯收获机设备由于实用性，技术性等原因，还未在全国范围内实现大规模使用。国外马铃薯收获机的发展历史已经有上百年了，其特点主要是能够根据用户的不同需求，在收获机上配备多种工作装置。国外马铃薯收获机的使用比较广范，且以简单、高效的振动式收获机为主的马铃薯收获机抢占着全球很大市场。1.4研究的内容和方法根据我国马铃薯收获机的发展现状和存在问题以及未来马铃薯收获机的发展要求，我选择的是振动式马铃薯收获机的设计。家用振动式马铃薯收获机主要由动力输入装置、传动装置、挖掘装置、振动装置组成。其中，动力装置是通过人操作小型拖拉机进行牵引收获机提供动力，只需把马铃薯收获机通过三点悬挂连接在拖拉机上进行田间作业。先确定我国已有马铃薯收获机的类型，根据已有马铃薯收获机的原理及结构来进行设计振动式马铃薯收获机，使收获效率能满足家庭及小型企业生产的要求，也就是马铃薯收获机要能工作稳定，操作简便，成本低，保证挖掘率高，马铃薯完整率高，果实和土壤分离效果好等优点。1.5预期目标（1）收获机操作方便，结构简单，通用性好，成本低，使用寿命长。（2）马铃薯完整率高、马铃薯和土壤分离效果好。（3）可以在各种田间作业，安装灵活，挖掘效率高，人工劳动量少，同时动力上要消耗少。（4）制造价格便宜，容易普及，能满足家庭使用的要求。1.6重点研究的关键问题及解决思路该机动力源于拖拉机提供牵引动力和动力输出的回转力实现动力的传输，再经偏心轮把回转力变化成上下振动，该振动为挖掘的碎土和果实进行振动分离。（1）选择合适动力传递方式，设计工作装置和传动装置。（2）运用Auto CAD软件，绘制二维零件图和装配图。（3）利用Solidworks进行虚拟样机设计，完成整机各零部件的三维建模。1.7工作条件及解决方法塔里木大学位于南疆中心位置，校内有实习工厂、微机室、土槽实验室、农业工程重点实验室等，设计条件良好，为项目开展提供了场地和基本条件。校内拥有优良的硬件环境，机械电气化工程学院拥有先进的实验设备和机械加工制造设备，并且师资力量雄厚，可以满足对振动式马铃薯收获机设计的工作条件。2振动式马铃薯收获机总体设计2.1收获机的典型方法和方案选择振动式马铃薯挖掘机主要由机架、正牵引 架、偏牵引架、振动筛 、振动挖掘铲、万向传动轴、地轮、振动筛倾角调整机构等组成，挖掘机整体结构如图 2-1 所示1.轴承 2.正牵引架 3.万向传动轴 4.机架 5.振动筛 6.地轮 7.振动架 8.偏心轮 9.挖掘铲图2-1 振动式马铃薯收获机主视侧视的整体结构示意图2.2振动式马铃薯收获机的振动工作原理挖掘机通过家用小型拖拉机的三点悬挂方式进行马铃薯挖掘作业，挖掘铲和分离筛的振动动力由拖拉机动力输出轴提供动力输出，通过万向传动轴3经偏心轮8一端输入，偏心轮与另一端通过铰接臂与振动架的约束将动力传递给振动架7，振动架7的上下运动通过连接板带动挖掘铲9和振动分离筛5产生在机架内的上下往复运动，最终实现挖掘铲与分离筛同时的振动，完成马铃薯挖掘和分离，铺放于地面工作，从而完成马铃薯的分段收获作业。 2.3整机主要的技术参数马铃薯挖掘机主要应用于西南山区，小地块、坡度大、多石块等条件地块，其设计结构符合西南地区、小地块区域、小区育种等马铃薯种植的农艺要求， 该机采用偏牵引结构，以适应小垄马铃薯挖掘作业，避免拖拉机作业时压垄或挖掘机不能正对垄挖掘等问题的出现，提高马铃薯收获的效率和收获质量。该机主要技术参数如下表所示。表2-3 整机主要的技术参数 项目 参数 整机外形 15508661050（mm） 动力 18-21（KW） 整机质量 110左右（kg） 作业行数 1 作业幅宽 460左右（mm） 挖掘深度 100-200（mm） 挖掘铲与地面倾角 20左右 适应行距 700-900（mm）3整机关键部件结构设计及运动学分析3.1牵引架设计 马铃薯挖掘机不能正对垄进行挖掘作业，可以选择三点悬挂的牵引方式。这种牵引方式的设计使该机器有更好的通用性，可以满足多地区小地块的马铃薯挖掘作业。牵引架结构如图所示。 A B 1.上悬挂 2.下悬挂 3.万向传动轴 图3-1 牵引架3.2振动分离筛设计 振动分离筛主要完成土薯分离工作，不同长度的杆条焊接在 U 型支架上，杆条间距 40 mm，振动分离筛通过弯板支架与摇臂相连接，在振动架的驱动下振动，筛面对挖掘的土薯混合物有抛起的作用，有较强的整机关键部件结构设计及运动学分析。如下图所示 图3-3 振动筛3.3挖掘铲的结构设计 挖掘铲主要完成土薯挖掘工作，挖掘机振动架带动挖掘铲斜拉杆使挖掘铲前后摆动，挖掘铲尾部焊接杆条，杆条的主要作用是分离土薯、避免挖掘铲与振动分离筛之间由于间隙过大使薯块掉落。采用一体式挖掘铲，切土效果更好，挖掘铲平滑锋利，可以避免薯块从挖掘铲的两侧漏出被机器挤压和被土壤覆盖。4.整机关键部件结构设计及运动学分析4.1挖掘铲、振动分离筛机构运动学分析 图4-1 挖掘铲、振动分离筛机构运动分析 为构件 i 铰链点连线在平面内与 x 轴的角度;为构件3质心到铰链点C连线与两铰链点连线的角度（逆时针为正）；为构件4质心到铰链点D连线与两铰链点连线的角度（逆时针为正； 为 O、D 两点连线在平面内与 x 轴的角度（逆时针为正）；为OA 杆转动的角速度，rads-1。根据挖掘铲、振动分离筛的三维模型，设置相应的材料属性，确定各自质心坐标，进而确定质心位置，由于挖掘铲与振动分离筛有质量对称平面，且平行于此平面运动，可将挖掘铲与振动分离筛机构转化为对称平面上的平面连杆机构。挖掘铲、振动分离筛机构简图如图4-1所示。以O为原点建立直角坐标系，作封闭矢量多边型，建立矢量方程如下 OA+AB=OC+CB (4-1)OD+DE=OF+FE (4-2)由矢量方程建立位移方程有： 式中：，为构件上某点 j(铰链点或任意点 A、B、C) 的坐标；Li为构件i (1、2、3)的两铰链点间的距离；为构件i铰链点6连线在平面内与 x 轴的角度（逆 时针方向为正）。对于整机连杆机构本文只对挖掘铲、振动分离筛机 构进行运动学分析，目的是分析 2 个构件工作时质心加速度的变化规律，进而分析2个构件惯性力的抵消情况。如图3c所示，起始位置OAD 逆时针摆动，角位移为，角速度为，角加速度为。(参数为与时间 t 有关的变量)将方程组(3)中的第一式对时间求导，得： （4-5）式中：LOA 为构件上点A（铰链点或任一点）与O的距离，mm；为i构件的角速度，rad/s。将坐标系绕O点逆时针旋转3，由式（4-5）得： 将坐标系绕O点逆时针旋转2，由式（4-5）得： 将式(5)对时间求导，得： (4-6) 式中：为i构件的角加速度，rad/s2。 将坐标系绕O点逆时针旋转2，由式（4-6）得: 将方程组(4-4)中的第一式对时间求导，得： （4-7)式中： 为 O、D 两点连线在平面内与 x 轴的角度（逆 时针方向为正），()；LOD 构件上点 D（铰链点或任一 点）与O的距离，mm。将坐标系绕O点逆时针旋转5，由式（4-7）得：将坐标系绕O点逆时针旋转4，由式（4-7）得：将式(4-7)对时间求导，得： (4-8) 将坐标系绕O点逆时针旋转，由式（4-8）得： D点的位移方程： （4-9） 挖掘铲BC位移方程： （4-10） 式中：为质心到铰链点 C 连线与梁铰链点连线的角度 (逆时针方向为正)，()；为构件 3 质心与铰链点 C 的 距离，mm。振动分离筛 DE 质心位移方程为： (4-11)D点的加速度方程为： (4-12)式中： ， 为 D 点在 x，y 方向上的加速度，mm/s2。 挖掘铲BC质心加速度方程为： (4-13)式中：xi， 为i构件质心在 x，y方向上的加速度，mm/s2。振动分离筛DE质心加速度为： (4-14) 式中：L4D为构件 4质心与铰链点 D 的距离，mm。以图3c 所示OA 所在位置开始逆时针摆动时的振动位置为起点，分析挖掘铲、振动分离筛质心加速度变化规律。根据杆件设计尺寸及极限状态位置可知：L3C=166 mm，L4D=461 mm，LOD=330 mm，在整个周期内 角度变化范围为：171.53+3C175.5，20.54+4D 23，3C=113.5，4D=14（角度以逆时针方向为正），根据构件在两个极限位置的各个参数值及运动学方程分析挖掘铲 BC 和振动分离筛 DE 质心在 x，y 方向的加速度变化规律。 挖掘铲BC质心加速度在整个运动行程的两个极限-位置变化规律为：初始位置逐渐减小（x 正向），到达极限位置之前逐渐增加（x 负方向），回程运动逐渐减小（x 负方向），到达初始极限位置之前逐渐增大（x 正方向）。 振动分离筛 DE 质心加速度在整个运动行程的 2 个极限位置变化规律为：初始位置逐渐减小（x 负方向），到达极限位置之前逐渐增加（x 正方向），回程运动逐渐减小（x 正方向），到达初始极限位置之前逐渐增加（x 负方向）。挖掘铲 BC 质心加速度在整个运动行程的 2 个极限位置变化规律为：初始位置逐渐减小（y 正方向），到达极限位置之前逐渐增大（y 负方向），回程运动逐渐减小（y 负方向），到达极限位置之前逐渐增大（y 正方向）。振动分离筛 DE 质心加速度在整个运动行程的两个极限位置变化规律为：初始位置逐渐减小（y 正方向），到达极限位置之前逐渐增加（y 负方向），回程运动逐渐减小（y 负方向），到达初始极限位置之前逐渐增加（y 正方向）， 直到回到初始极限位置。理论分析得出一个行程周期内，挖掘铲、振动分离 筛 x 方向质心加速度在 2 个极限位置附近时方向相反，y 方 向质心加速度在 2 个极限位置附近时加速度方向相同。5动力装置的设计与选用5.1传动系统的确定本机械所适用的作业田的垄长长度大于200m，垄距为800mm，垄高250mm，结薯深度为150200 mm。马铃薯挖掘机可配套动力为约翰迪尔280型拖拉机，功率为20.6kW,动力输出轴的转速为540r/min。拖拉机提供牵引，如图5-1.2所示万向传动轴机构，通过万向传动轴对机器进行动力传输，经过万向传动轴传给振动式马铃薯收获机振动所需的力。该机器前进的动力是由拖拉机三点悬挂所提供的牵引力，使其在田间作业。 图5-1.2 万向传动轴5.2轴的校核 在机器工作过程中，轴的工作需要克服机架施加的摩擦和撞击，要计算其可靠性。所以可以先计算出轴的最小直径。经过查阅机械设计基础第五版可得知计算轴的最小直径的公式。轴的最小直径为： （7-1）式中： 滚轴最小直径（mm）； 轴的许用扭切应力（）； P传递到轴上的功率（）； 轴的转速（）； C轴的材料和承载情况确定的常数。根据上面算出来的已知数据可知： 轴的转速:n=540r/min轴的输入功率: P=20.6kw轴的扭矩: 由于此轴是用来实现果秧分离工作的，因此是比较重要的轴，选取轴的材料为45钢，调质处理,抗拉强度,屈服强度。因此经过计算和查阅相关资料可得： P=0.23 n=290r/min将数据代入式7-1得： 因此此轴满足受力要求，可以满足工作需要。 总 结此次设计经过了一年左右的时间，大致经过了以下阶段 1.查阅研究国内外马铃薯的发展现状的相关资料。 2.设计选择振动式马铃薯收获机的主要动力输入装置、传动装置、挖掘装置、振动装置组成。 3.根据要求制作机器三维模型，及分析主要零件受力情况。 4.对相关数据进行计算，选择合适材料。最终设计出能满足工作要求的机械。最终设计完成的模型，我在市场上原有的产品进行了改进，在振动筛后面加了一个可以调节刀具和地面夹角的轴，使他的适用性更强。 致 谢经过一个学期的辛勤与忙碌，本次毕业设计已经接近尾声，由于经验的匮乏，在设计过程中难免有许多问题会考虑不周，如果没有吴明清老师的悉心指导与督促，以及设计小组的同学们的帮助与支持，也许毕业设计不会这么顺利的完成。 毕业设计过程中，吴明清老师耐心的指导使我们受益匪浅，他扎实的理论知识与丰富的实践经验给我留下了深刻的印象，也正是老师认真负责的教学态度使我们从毕业设计中真正的学会了学以致用，将课本知识与实际设计中所遇到的问题相联系，整合了自己在校所学的专业知识，同时提高了我们发现问题、解决问题的能力。从机械设计开始到最后的设计完成，吴老师对于专业知识严谨的学习精神以及对于设计过程严格的要求态度成为我们在今后学习以及工作中良好的榜样，在此谨向为我们毕业设计小组辛苦了一学期的老师致以最真诚的谢意。回望这一学期，似乎忙碌与紧张充满了整个设计过程，但是因为有了小组成员们的关怀与帮助，使得设计的过程也充满了欢乐。我们共同研究，相互讨论，遇到问题一起解决，毕业设计不仅是对我们学习的检验，同时也是锻炼我们与他人协同工作的好机会。在最后我要感谢学校、学院对我们的培养，为我们的学习以及毕业设计创造良好环境、提供优质的学习研究条件。伴随着毕业设计的结束，我们也将离开校园，有过少耕耘就有多少收获，相信我们走出校园后能将自己的价值体现出来，回报父母、回报学校，为社会做自己力所能及的贡献。再一次感谢在毕业设计中给予我帮助的老师和同学们，感谢母校给我的一切学习机会，最后祝大家在今后的工作和生活中一切顺利！ 参考文献1 王公仆，蒋金琳，田艳清，等.马铃薯机械收获技术现状与发展趋势J.中国农机化学报. 2014.01:11-15.2 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