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1、由于部分原因，说明书已删除大部分，完整版说明书，CAD图纸等，联系153893706 18T单钢轮全液压振动压路机工作执行机构设计摘 要：伴随着我国基础设施建设的大力开展，市场对工程机械的需求量显著增加。机场、港口、道路等建设项目对工程机械提出了更高的要求。振动压路机是工程施工中的重要设备之一，其工作性能将直接影响到工程的质量。论文介绍了振动压路机在国内外的发展历程和发展趋势，介绍了振动压路机的基本组成机构，并对18T单钢轮全液压振动压路机进行了整体的初步设计，确定了其基本参数。文中重点对18T单钢轮全液压振动压路机的工作执行机构-振动轮做了较为详细的设计计算，计算了激振力的大小，并对振动轴的
2、强度进行了校核。此外，论文还对转向液压油缸进行了设计。关键词：振动压路机；振动轮；转向液压缸；激振力；18TSlnglie Steelwheel of Hydrau Licvib Ratory Rollera Ctuating Mechanism DesingAbstract:Along with the strenuous development of the infrastructure in China, the demand of engineering machinery in market remarkablely increased. The constructure proje
3、cts such as airports, ports, roads have raised higher request for engineering machinery.The vibratory roller is one of the important facilities in engineering construction. Its performance will directly affect the quality of the project.The article introduces the development course and tendencies of
4、 vibratory rollers both at home and abroad. It also gives an introduction about the basic composition of the vibratory roller. Whats more, it makes an overall preliminary design for the YZ18 hydraulic vibratory roller and determines the basic parameters of it. The key point of this article lies in d
5、etailed design and calculation of vibratory wheel, which is the working actuator of YZ18 hydraulic vibratory roller. It calculates the size of the exciting force and verifies the intensity of the vibrating shaft. In addition, this paper also makes a design for the steering hydraulic cylinder.Keyword
6、s: vibratory roller;vibratory wheel;steering hydraulic cylinder;exciting force1 前言1.1 振动压路机的发展概况 压路机是工程建设中非常重要的施工设备，它是以增加工作介质（土石填方及路面铺层混合物料）密度为主要用途的施工机械，是道路与工程结构物、堤坝及路面铺装工程的主要施工设备之一。压路机被广泛应用于道路工程、港口机场、水电工程及重矿工业区等的建设，是交通运输与能源开发的有力技术装备。近年来，由于我国工程建设的发展，公路行车密度与负荷量的增加，铁路机车的提速，大型堤坝的建设以及大型飞机对跑道与停机坪的高要求，促使建
7、筑专家们对压实机械的重要性进行重新认识。1.1.1 压路机的分类 压路机按压实原理的不同可以分为静压式压路机、轮胎压路机、冲击式压路机和振动压路机四大类。静压式是依靠机械自身质量作用于被压层的静压力，从而使被压层获得一定程度的永久的残留变形来进行压实的机械。由于土壤存在着内摩擦力，并随着静载的增加而增加。因此，压实效果和压实深度受到了限制。静压式光轮压路机已有较长的历史，长时间以来，由于与其结构简单，维修方便且寿命长，而得到广泛的应用。但其压实效果比不上今年来发展起来的振动压路机。轮胎压路机是50年代发展起来的压路机械，其优点是机动性好，便于运输，进行压实工作时全应力时间长，与所压材料接触面积
8、大，并且有缓冲的作用，压实效果较好，调整轮胎式气压可以适应不同的作业要求。冲击式夯实机械压实深度较大，压实效果好，但由于压实生产率低，导致施工成本高所以只能作为小型机具用于工作场地狭窄的地方或作为大型压实机械的辅助工具。现代振动压路机的行走、振动、转向和制动均为液压传动，液压传动过程平稳，操纵灵活省力，并且为自动控制创造了条件。特别是压路机的行走液压驱动，可以大大提高压路机的压实效果和工作效率1。1.1.2 压路机的发展历史 上世纪三十年代，德国人率先使用了振动压实技术，并于四十年代发明了拖式振动压路机。振动压实技术与振动压路机的出现，彻底改变了单纯依靠增加压实机械自身重量和线压力来增强压实效
9、果的局面。随着振动压实理论的不断研究和深入，振动压路机产品的规格和种类也越来越多。尤其是20世纪70年代静液压传动和液压控制技术在振动压路机上的应用，使得压路机的性能显著提升，并使振动压路机迅速地成为世界压路机市场上的主导产品。国外振动压路机的主要制造国家有德国、美国、日本、瑞典等国家，其中有一些非常著名的公司如：德国BOMAG公司和VIBROMAX公司、美国Caterpillar公司、瑞典Dynapac公司以及日本富士工程机械公司。他们的产品以规格品种齐全，功能先进而占领着国际主要市场。我国国内主要生产厂家有徐州工程机械公司、洛阳建筑机械厂、柳工集团以及湖南的三一重工、中联重科等厂家。他们的
10、产品也能够基本满足国内用户的需求，并有一定的出口量。但总体性能不如外国知名品牌优越。1.1.3 振动压路机的国外发展状况 在国外，振动压路机技术的起步比我国相对早很多，到如今已经取得了很多重大成果。压实技术在不断地发展，振动技术也在不断地创新。例如海帕克公司等通过对两轮振动压路机的改进提高了振动频率和激振力。操作者能舒适地、自动地控制振动轮的振动频率和振幅，实现在保证压水质量的同时提高工作速度。由于从高到低设置有多级频率和振幅，使得产品能够在高速状态下压实较多结构类型的土壤，从而提高施工范围和施工效率。德国宝马公司为了满足高密实度精度的使用要求，研制出双钢轮自动控制压实系统BVM。该系统的特点
11、是能自动判别和控制所需压实力的大小，也称自动调幅压实系统。其主要工作装置由两根反向旋转的轴组成，工作时旋转产生的离心力经几何叠加形成定向振动，定向振动系统是BVM的基础。BVM系统的独到之处是振动方向可以改变，它能自动调节定向振动的振动方向，在压实过程中可根据压实面刚度的变化或压路机的行驶方向的变化调节施振方向，从而达到调节振幅的目的。为了增强压实效果和提高压实效率，国外一些产品还普遍采用了超高频振动技术，振动频率超过了66.7Hz，使压路机迅速达到所需压实力的高输出力，可有效提高压实速。在智能化、网络化的应用上，德国宝马公司已将网络传输和卫星定位系统（GPS）应用于相应的产品上。通过此系统，
12、压路机的位置可以被非常精确地记录下来，并能确定压实的位置和保证压实质量。它通过安装在压路机上的GPS脉冲装置，将整机的工作情况如整机的工作区域、工作轨迹、碾压密实度等GPS信号，传输到空间卫星上进行处理，经过处理的信号重新发送到安装在压路机上的GPS接受装置上并在PC机上显示；并可通过地面的GPS信号装置向压路机发出指令，启动自动调幅机构，随时调节工作激振力的大小，以达到路面规定的密实度要求。在注重人性化方面，国外工程机械产品设计人员做了大量细致、有效的工作，尽力满足操作人员希望达到的美观、实用、舒适等要求。目前，国外振动压路机的驾驶室有逐渐向汽车驾驶室标准靠近的趋势。在驾驶室与机身之间设置多
13、层电子橡胶阻尼元件，振动轮与机身采用柔性连接，使压路机驱动部分与振动部分处在两个单元上，动力靠液压系统传过去，而振动轮的振动却很少能传过来，这样驾驶员就能舒适地操作。此外，在绿色环保方面，为满足日益苛刻的环保要求，国外振动压路机生产厂商纷纷引入绿色环保设计理念。目前，主要是从降低发动机尾气排放、减少振动和降低噪音几个方面入手。在尾气净化方面卡特比勒公司通过应用燃油电控喷射、废气在循环和使用催化净化器等新技术，以能满足EU Stage 排放标准；在降低噪音方面，通过大量使用弹性支承、弹性阻尼元件，以提高各机构中各运动体、执行件的制作、装配精度，提高驾驶室的密封性，从而一定程度上降低噪音2。1.1
14、.4 振动压路机的国内发展状况 1961年西安公路交通学院与西安筑路机械厂联合开发的3t自行式振动压路机是国内振动压路机的起点。1964年洛阳建筑机械厂研制出4.5t振动压路机。1974年洛阳建筑机械厂与长沙建筑机械研究所合作开发了10t轮胎驱动振动压路机和14t拖式振动压路机。80年代中期我国开始引进国外先进的压路机制造技术。1985年温州冶金机械厂研制了19t振动压路机。1999年三一重工集团有限公司引进国内外先进技术，开发研制了YZ系列振动压路机，采用全液压控制，型号有YZ16C、18T单钢轮全液压C、YZ20等。20世纪80年代后期，随着基础工业元件的发展，特别是液压泵、液压马达、振动
15、轮用轴承、橡胶减振器的引进生产，使振动压路机技术总体水平和可靠性有了很大的提高。国内大专院校和科研院所的科研攻关，使我国自行开发和研制振动压路机的能力有了较大的提高。1998年中国农业大学开发研制的混沌振动压路机，1990年西安公路大学与徐州工程机械厂共同开发的10t振荡压路机，都标志着我国振动压路机科研和产品开发达到了新的水平。目前，我国有70多家厂家生产振动压路机，如徐工、柳工、三一重工、中联重科和一拖工程机械有限公司等企业，并初步形成手扶系列、拖式系列、自行系列等产品，基本满足国内需要，并有一定的出口能力。尽管如此，由于我国振动压实技术应用较晚，整体水平与国外仍有较大差距，表现在产品型号
16、系列不全；重型和超重型振动压路机生产数量和品种较少；专用压实设备缺乏；产品质量、产品的可靠性和外观质量等综合经济技术指标和自动控制方面仍低于国外先进技术水平。积极引进国外先进技术，加强技术创新，开发出具有自主知识产权和独特技术的产品，缩小与国外先进生产企业的差距，仍然是国内压路机生产厂家的头等大事3。1.1.5 振动压路机的发展趋势 随着现代科学技术的迅猛发展，计算机技术的运用已成为非常重要的手段，这使得压实机械的研究过程从论证、设计、制造、试验、使用、维修到管理的全过程成为高度自动化和现代化的工作过程，并将最终推动压实机械向自动化、智能化、无人化和机器人化的方向发展。机器可以按照土质的变化情
17、况不断调整自身各种工作参数就（振动频率、振幅碾压速度和遍数）的组合，自动适应外部工作状态的变化，使压实作业始终在最优条件下进行。这种智能自动条幅压实系统能自动选择与被压材料的密实度状况相匹配的振幅，从而消除材料出现压实不足或过压实现象，提高压实度的均匀程度；能够消除振动轮的跳振，避免粗骨破碎。在对压实过程控制和机器工作状态实施检测的基础上，压实机械将从局部自动化过渡到全面自动化。1.2 压路机的振动压实原理 振动压实的基本原理有三种不同的说法。一种认为，振动轮的振动使被压实材料内产生振动冲击。被压实材料的颗粒在振动的冲击作用下，由静止的初始状态过渡到运动状态，被压实材料粒子间的摩擦力也由初始的
18、静摩擦状态逐渐进入到动摩擦状态。同时由于材料中水分的离析作用，使材料颗粒的外围包围一层水膜，形成了颗粒运动的润滑剂，为颗粒的运动提供了非常有利的条件。被压材料的颗粒之间在非密实状态下存在许多大小不等的间隙，被压实材料在震动冲击的作用下，其颗粒间的相对位置发生辩护出现了相互填充现象，即+较大颗粒形成的间隙由较小颗粒来填充，较小颗粒的间隙由水分来填充。被压实材料中空气的含量也在振动冲击过程中减少了。被压实材料颗粒间间隙的减小，意味着其密实度的增加；被压实材料之间间隙减小使其颗粒间接触面积增大，导致被压实材料内摩擦阻力增大，意味着其承载能力的提高。 无论是水平振动还是垂直振动，压实材料在振动作用下减
19、小空隙率，使其变得更加严实的原理是一致的。振动压实的原理如下图：另一种叫共振学说认为，当激振频率与被压实材料的固有频率一致时，振动压实最为有效。实践证明，共振效果是显著的，说明了这一理论的正确性。然而由于材料的固有频率是变化的，要求激振器的频率作用相应的变化是困难的，但利用共振现象来进行压实是比较容易的还有一种反复载荷学说认为：材料是由于振动所产生的周期性压缩运动的作用，而达到振动压实的效果。在低频范围内它具有一定的现实性，而在高频范围内（共振频率达到1000Hz以上）并无充足的理论根据4。. a)被压实前； b)被压实后图1压实前后被压材料颗粒排列状态Fig.1 Compacteed pre
20、ssed material particles arranged state1.2 本设计的主要任务 随着国家经济的发展，我国基础工程项目建设速度在加快。公路、港口、机场以及其他建筑的建设中对压实机械的需求量不断增加，对压实机械的性能也提出了更高的要求。设计并制造出性能优越、高效、节能、环保的压实机械成为工程机械生产厂家和研究人员面前的重要课题。本设计要完成的主要任务有：（1）振动压实系统设计。（2）液压控制系统设计。2 振动轮的设计计算 振动轮是振动压路机的工作装置，其设计和制造质量直接影响压路机的性能。振动轮总成由振动轮体、轴承支座、左右两个振动、振动轴承、调幅装置、左右连接支架和振动马达
21、等组成。振动轴可绕其回转轴线自由转动。工作时，液压振动马达驱动振动轴高速旋转，组装在振动轴上的偏心块随振动轴的高速旋转而产生巨大的离心力，使钢轮产生强烈振动，从而达到压实土壤（也可为其他材料）的目的。改变液压马达的旋转方向可以改变压路机的振动频率。图2 振动轮作用原理图Fig.2 Schematic diagram of vibration wheel load2.1 偏心块的设计计算 偏心块是振动压路机的激振器。偏心块在振动马达的带动下高速旋转产生巨大的离心力，离心力迫使振动轮产生振动从而压实土壤。偏心块每旋转一周，振动轮就按照一个振幅振动一次，偏心块的转速决定了振动轮的振动频率5。（1）正
22、视图 （2）左视图1-振动轴承 2-活动偏心块 3-固定偏心块 4-振动轴 5-挡销图3 偏心块示意图Fig.3 Schematic diagram of vibration wheel block偏心块的结构示意图见图2。偏心块有两组，对称安装在振动轴上。每组偏心块由两块固定偏心块和一块活动偏心块组成。两固定偏心块通过键与轴连接，活动偏心块布置在两固定偏心块之间，通过轴套空套在振动轴上，挡销和活动偏心块与两固定偏心块组装成一个部件后装入振动轮6。（图中虚线为固定偏心块。）固定偏心块和活动偏心块尺寸示意图如下：活动偏心块 固定偏心块图4 偏心块尺寸示意图Fig.4 Schematic diag
23、ram of the eccentric block size偏心块厚度（mm）。此处已删除液压缸的主要尺寸根据液压缸所受的负载来确定主要有液压缸内径与活塞杆直径缸壁厚与外径工作行程最小导向长度4.1.1 工作压力p的确定液压缸工作压力主要根据液压设备的类型来确定，对不同用途的液压设备，由于工作条件不同，通常采用的压力范围也不同。查手册可知，振动压路机的工作压力一般去P=16MPa13。4.1.2 确定液压缸内径D和活塞杆直径d液压缸的内径D和活塞杆直径d是其关键尺寸。有关设计参数见图15图15 液压缸计算示意图Fig .15 Schematic diagram of hydraulic ca
24、lculation由图15可知 （1） （2）式中液压缸工作腔压力,已取为16； 液压缸回油腔压力，参照5表2-2，取；活塞杆直径与液压缸内径之比。查5表2-3，取；F工作循环中的最大外负载；液压缸密封处摩擦力，它的精确值不易求得，常用液压缸的机械效率进行估算。 （3）式中液压缸的机械效率，一般0.90.97；F的大小由经验公式计算出。计算过程如下：F= （4）式中：-转向阻力系数；查2，取0.8； -转向轮分配质量，12000kg； g重力加速度，取9.8；F=0.8120009.8=94080N （5）将和F代入式（2），可求得D为（6） 根据5表2-4，将液压缸内径圆整为标准系列直径D=
25、100mm；活塞杆直径，按及表48活塞杆直径系列取d=70mm。4.1.3 验算液压缸能否获得最小稳定速度 A=20(cm) (7)式中 A能保证最小稳定速度的最小有限面积(cm)； Q调速阀最小稳定流量，可从产品抽样中查得，一般为40ml/min； v执行机构最低速度，取2cm/min。由于液压缸有效面积A A所以能满足液压缸最小稳定速度的要求。4.1.4 液压缸壁厚和外径的计算 根据液压缸缸筒工作压力，缸筒材料选择铸钢钢管ZG35的无缝钢管。为了防止腐蚀和提高寿命，缸筒内表面应镀以厚度为30-40um的络层。查5，壁厚和内径D应满足如下关系： (8)式中：D液压缸内径， m；-缸筒内最高工
26、作压力， 16；缸筒材料的许用应力；=/；缸筒材料的抗拉强度；查得35无缝钢管的540-安全系数，一般取5；所以 （9）将数据代入式(8) （10）选取缸筒的厚度为10mm，缸体外径:mm (11)按标准取121mm即缸筒壁厚10.5mm14。4.1.5 液压缸工作行程的确定 液压缸工作行程长度，可根据转向液压缸实际工作的最大行程来确定。压路机转向时，是由液压缸前端的连接耳环推动铰接架上的连接销，从而带动铰接架绕铰接纵轴转动，而铰接架推动前车架转动，从而达到使振动钢轮转向的目的。由18T单钢轮全液压振动压路机的设计参数，可知其最大转向角度为35，连接销与铰接纵轴的距离为300mm。转向液压缸的
27、最大工作行程L可按下式估算： (12)式中： h连接销与铰接纵轴的距离；-钢轮最大转向角度。mm (13)L从优先数系中取40019。4.1.6 最小导向长度的确定 当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到缸盖划动支承面中点的距离H称为最小导向长度，如果导向长度过小，将使液压缸的初始饶度增大，影响液压缸的稳定性，因此设计时必须有一定的最小导向长度。对于一般的液压缸，最小导向长度H应满足以下要求： H (14)式中 L液压的最大行程；D液压缸的内径。 （15）按上式取 H=100mm。活塞的宽度B一般取（0.6-1.0）D；该液压缸取B=70mm。4.1.7 缸体长度的确定 液压缸缸体内部长度应等
28、于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体的外形长度还要考虑到两端端盖的厚度。一般液压缸缸体长度不应大于内径的2030倍。本设计中缸体长度取800mm。4.2 液压缸的结构设计 液压缸主要尺寸确定以后，就进行各部分的结构设计。主要包括：缸体与缸盖的连接结构、活塞杆与活塞的连接结构、活塞杆导向部分结构、密封装置、缓冲装置、排气装置、及液压缸的安装连接结构等。4.2.1 缸体与缸盖的连接形式 缸体端部与缸盖的连接形式与工作压力、缸体材料以及工作条件有关。常见的缸盖形式有法兰连接、螺纹连接、外半环连接和内半环连接。本设计采用法兰连接。其优点：结构简单，加工装配方便，强度较大，能承受高压。缺点：径向尺寸和重量
29、较大，用钢管焊上法兰工艺过程复杂些。 4.2.2 活塞杆与活塞的连接结构 活塞杆与活塞的连接分整体式和组合式结构。组合式结构又分为螺纹连接、半环连接和锥销连接。整体式活塞具有结构简单的特点，一般适用于缸径较小的液压缸。本设计采用的是组合式结构。图16整体式活塞Fig 16Piston4.2.3 活塞杆导向部分的结构 活塞杆导向部分的结构，包括活塞杆与端盖、导向套的结构，以及密封、防尘和锁紧装置等。导向套的结构可以做成端盖整体式直接导向，也可做成与端盖分开的导向套结构。后者导向套磨损后便于更换，所以应用较普遍。导向套的位置可安装在密封圈的内侧，也可以装在外侧。工程机械中一般采用装在内侧的结构，有
30、利于导向套的润滑；而油压机常采用装在外侧的结构，在高压下工作时，使密封圈有足够的油压将唇边张开，以提高密封性能。在本次设计中采用的是导向套装在外侧的结构。4.2.4 密封圈的选用转向液压缸对密封装置的要求是:（1） 具有良好的密封性能有适应的弹性，能补偿所密封表面在制造上的误差与工作中的磨损；并随压力的增加自动提高密封程度；（2） 具有良好的安定性油液浸泡对其形状尺寸的变化影响要小；温度对其弹性和硬度的变化影响要小；（3） 摩擦力小，运动灵活，机械效率高，工作寿命长；（4） 结构简单，制造、使用、维修简便。 综上所述选用如下密封圈：在活塞杆处选用Y形圈，在活塞与缸体选用O型圈油封加挡圈。其它地
31、方均选用O型圈油封。因为它价格便宜，密封可靠，完全能满足系统要求。4.3 液压缸的校核4.3.1 液压缸缸筒壁厚的校核 液压缸的壁厚一般是指缸筒结构中最薄处的厚度。从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布规律应壁厚的不同而异。一般计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。液压缸的内径D与其壁厚的比值D/10的圆筒称为薄壁圆筒。工程机械的液压工，一般用无缝钢管材料，大多属于薄壁圆筒结构，可按材料力学薄壁圆筒公式验算壁厚14： （16）式中 液压缸壁厚； 液压缸内径； 试验压力，一般取最大工作压力的（1.251.5）倍；缸筒材料的许用应力。无缝钢管：100110。把数值代入（14）可得 （17）所以，
32、缸筒壁厚满足要求。4.3.2 活塞杆稳定性校核 转向液压缸只受到拉应力作用，不存在扭矩和弯矩作用。液压缸承受轴向压缩载荷时，若活塞杆的支撑长度与活塞杆的直径之比l/d15,则需进行活塞杆纵向稳定性的验算。因为14.315，无需进行纵向稳定性校核。即活塞杆稳定性满足要求5 结论我毕业设计的题目是18T单钢轮全液压振动压路机工作执行机构的设计。通过这次设计，我对振动压路机的了解从以前仅有的外观上的感性认识上升到对其工作原理和制造、装配过程都有了比较深入的认识。更重要的是，从接到设计任务书到完成设计的这一整个的过程让我了解到了工程机械的一般设计原则和步骤，这对我们今后的工作有很大的帮助。明确了设计任
33、务后，查阅相关资料是设计的开始。从对产品还没有多少了解到要对它进行设计，查阅资料是非常重要的一环。了解了压路机的发展状况和基本构造以及大致的设计步骤后，就开始了整体的初步设计。其中，设计的重点放在工作装置的设计和转向系统的设计。设计的过程中，全腊珍老师对我进行悉心指导，给予了我极大的帮助。整个设计的过程是对我大学四年所学知识的检验，也是提高我综合能力的好机会，它让我们在毕业之前得到最后一次升华。毕业设计的过程本身也是一个学习的过程。设计期间，通过查阅资料，我了解了振动压路机的发展状况和组成结构，并对18T单钢轮全液压振动压路机进行了整体的初步设计和分析。设计中重点对18T单钢轮全液压振动压路机
34、的工作装置-振动轮进行了较为详细的设计与计算。另外对18T单钢轮全液压振动压路机的转向系统，尤其是转向液压缸进行了设计和计算。设计中的很多数据都是根据市场上已有的产品经比较后确定的，存在很多不足。但从理论上说，这个设计大体上应该是合理的。本次设计得到的主要收获有：1. 毕业设计是对我所学专业知识的检验，设计的过程让我系统地回顾了专业知识；2. 查阅了不少的书籍和文献，查阅资料的能力有了提升；3. 认识到我过的工程机械行业与制造强国之间存在很大的差距；4. 了解的工程机械的一般设计原则和设计步骤；5. 提升了计算机的操作水平，对专业软件的使用也更为熟练了。此外，毕业设计也提高了我实际的动手能力和
35、独立思考的能力。但由于自己所学知识的不足，加上时间的限制，设计的不足之处肯定还有不少，恳请老师和朋友们批评指正。参考文献1 王积伟，章宏甲，黄谊液压传动M北京：机械工业出版社，2006：214-226 .2 王永祥浅谈压路机的发展及作用J河南交通科技，1996,4(3):2-9 .3 秦四成振动压路机M北京：化学工业出版社，2006：1-10，47-78.4 李冰，焦生杰振动压路机与振动压实技术M北京：人民交通出版社，2001： 1-122.5 吴永平工程机械设计M.北京：人民交通出版社，2005：45-96.6王会华，任瑞昌，胡慧云，李员生振动压路机偏心块的设计计算J压实机械与施工技术，20
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