唐 銳,黃 海,黃 舟
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基于準(zhǔn)零剛度技術(shù)的微重力模擬懸吊裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究
唐 銳1,黃 海1,黃 舟2
(1. 北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院,北京100191;2. 中國工程物理研究院總體工程研究所,綿陽 621999)
微重力地面模擬試驗(yàn)對驗(yàn)證航天器在軌運(yùn)行的可靠性有重要意義。通常采用低剛度懸吊裝置模擬微重力環(huán)境,但存在著承載能力低和自振干擾的問題。為解決這些問題,文章提出了一種考慮彈簧自振的準(zhǔn)零剛度懸吊裝置。首先,通過合理簡化推導(dǎo)了承載彈簧在裝置中的自振頻率計(jì)算式,并分析了準(zhǔn)零剛度懸吊裝置的工作原理,得出設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)滿足的條件。然后,根據(jù)試驗(yàn)承載需求和位移要求提出了參數(shù)設(shè)計(jì)流程,依此流程設(shè)計(jì)得到了一種可調(diào)節(jié)平衡位置與幾何參數(shù)的準(zhǔn)零剛度懸吊裝置。最后,對裝置進(jìn)行了靜力測試與懸吊-隔振試驗(yàn),結(jié)果表明,該裝置不僅具有準(zhǔn)零剛度特性和較大承載能力,而且解決了自振干擾的問題,能較好地模擬微重力環(huán)境。
微重力模擬;準(zhǔn)零剛度;懸吊裝置;自振干擾;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
為保證航天器在軌運(yùn)行的可靠性,微重力地面模擬試驗(yàn)是一項(xiàng)必不可少的工作。在已發(fā)展的多種微重力模擬技術(shù)中,懸吊法原理簡單,使用靈活且可靠,成本低,應(yīng)用廣泛[1]。為了減小對載荷的影響,盡可能地模擬載荷處于失重時(shí)的自由狀態(tài),懸吊裝置應(yīng)滿足質(zhì)量小、剛度低的要求[2]。常用的低剛度柔性元件有彈簧、橡皮繩等,但采用這些柔性元件設(shè)計(jì)的懸吊裝置承載能力低,懸吊載荷時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大變形。為了克服這些缺陷,研究人員提出利用準(zhǔn)零剛度技術(shù)[3]來改進(jìn)懸吊裝置。
準(zhǔn)零剛度技術(shù)的主要思想是并聯(lián)正、負(fù)剛度元件,以獲得剛度低、承載能力大的特性。該技術(shù)常被用于振動(dòng)領(lǐng)域的低頻隔振,取得了大量研究成果,如屈曲彈性鋼板并聯(lián)橡膠的準(zhǔn)零剛度裝置[4]、利用蝶形彈簧提供負(fù)剛度的準(zhǔn)零剛度隔振器[5]、基于可調(diào)式空氣彈簧的準(zhǔn)零剛度隔振裝置[6]以及利用磁力彈簧的準(zhǔn)零剛度低頻隔振器[7-8]等。這些裝置在穩(wěn)定性、可調(diào)性、結(jié)構(gòu)小型化等方面各有所長,均成功用于低頻隔振。NASA在較早時(shí)期做了大量關(guān)于準(zhǔn)零剛度技術(shù)應(yīng)用于微重力模擬的研究,研制了準(zhǔn)零剛度微重力模擬懸吊裝置[9];在空間結(jié)構(gòu)主、被動(dòng)控制研究中,利用彈簧與壓桿并聯(lián)形式研制的一種準(zhǔn)零剛度懸吊裝置,獲得了承載90kg且變形不到2.5cm的能力和71N/m的低剛度,成功用于較大空間結(jié)構(gòu)的微重力模擬[10]。Harvey提出了另一種斜拉彈簧式的準(zhǔn)零剛度懸吊裝置[11],利用側(cè)邊受拉彈簧在豎直方向上的分力可以抵消懸吊彈簧拉力的原理,實(shí)現(xiàn)了低剛度、小變形的能力;Crawley給出了具體的設(shè)計(jì)步驟,并且在NASA的DSMT項(xiàng)目中采用這種懸吊裝置實(shí)現(xiàn)了剛度低于53N/m、懸吊載荷時(shí)的固有頻率不高于0.2Hz的目標(biāo)[12]。Woodard與Cooley等人對上述2種典型的準(zhǔn)零剛度懸吊裝置進(jìn)行了對比研究,指出斜拉彈簧式的裝置摩擦力小,適用于小位移情況;而彈簧與壓桿并聯(lián)的裝置容易獲得更大的位移范圍,且參數(shù)少、易實(shí)現(xiàn)[13]。然而,以上關(guān)于準(zhǔn)零剛度懸吊裝置的研究都只關(guān)注了如何獲得剛度低、承載能力大的特性,而沒有考慮裝置中柔性元件自身振動(dòng)對載荷的干擾;尤其是振動(dòng)試驗(yàn)中,在關(guān)鍵的頻率范圍內(nèi)柔性元件自身振動(dòng)被激發(fā)而影響載荷的響應(yīng),不利于微重力模擬[14];并且已有的準(zhǔn)零剛度懸吊裝置可調(diào)性低,通常適用于質(zhì)量不變的情況。
為了使懸吊裝置既有低剛度、大承載能力的特性,又能避免自振對載荷的干擾,本文利用準(zhǔn)零剛度技術(shù),在考慮柔性元件自身振動(dòng)因素的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種準(zhǔn)零剛度懸吊裝置。首先,推導(dǎo)了裝置中柔性元件的自振頻率計(jì)算式,為彈簧設(shè)計(jì)提供指導(dǎo),并分析了裝置工作原理,得到設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)滿足的條件;然后,基于試驗(yàn)需求和上述分析結(jié)果提出設(shè)計(jì)流程,進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),得到適用于實(shí)際情況的準(zhǔn)零剛度懸吊裝置;最后,通過靜力試驗(yàn)和懸吊-隔振試驗(yàn),驗(yàn)證了該懸吊裝置的主要設(shè)計(jì)技術(shù)目標(biāo)。
三彈簧并聯(lián)形式是由Carrella[15]提出的一種獲得準(zhǔn)零剛度特性的常見方法,本節(jié)對該形式的懸吊裝置作重點(diǎn)分析。
1.1 彈簧自振頻率分析
三彈簧并聯(lián)形式的懸吊裝置如圖1所示,包括1根懸吊彈簧與2根側(cè)彈簧,主要用以承受載荷重力。在裝置中,兩側(cè)彈簧受壓,使得在豎直方向上產(chǎn)生負(fù)剛度,以抵消懸吊彈簧的正剛度。當(dāng)裝置懸吊載荷并使側(cè)彈簧處于水平位置時(shí),則視為達(dá)到靜平衡,此時(shí)重力載荷由懸吊彈簧承受。
彈簧自振包括懸吊彈簧和側(cè)彈簧的自振。其中側(cè)彈簧是壓簧,質(zhì)量比懸吊彈簧小很多,自振頻率高于懸吊彈簧,因此在設(shè)計(jì)準(zhǔn)零剛度懸吊裝置時(shí)只分析懸吊彈簧的自振頻率,使其超過試驗(yàn)關(guān)鍵頻率段以避免干擾。懸吊彈簧上端的邊界條件為固支,下端的邊界條件因側(cè)彈簧質(zhì)量遠(yuǎn)小于載荷質(zhì)量可考慮為只與載荷相連。
圖1 準(zhǔn)零剛度懸吊裝置示意圖
為了便于分析自振頻率,將懸吊彈簧等效為質(zhì)量、剛度相同的均勻彈性桿,如圖2所示。
圖2 等效桿示意圖
載荷質(zhì)量為;懸吊彈簧的剛度為1,質(zhì)量為s,自振頻率為re;等效彈性桿長度為,密度為,楊氏模量為,截面積為,則有如下關(guān)系式:
用結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中彈性桿縱向振動(dòng)的分析方法可得到其振動(dòng)方程為
(2)
式中:1、2、3和4是積分常數(shù);;為振動(dòng)角頻率。邊界條件可表示為
把式(2)代入式(3)中,可得到關(guān)于的方程為
。 (4)
由方程(4)可以求得等效桿的自振固有頻率??紤]到s,可近似認(rèn)為方程(4)右邊等于0,于是等效桿振動(dòng)的第一階角頻率可表示為
換算成以Hz為單位的表達(dá)式,并把式(1)代入式(5),得到彈簧自振頻率為
。 (6)
式(6)表明,通過適當(dāng)近似,懸吊彈簧自振頻率可由其剛度與質(zhì)量估算。利用該結(jié)論,并結(jié)合彈簧設(shè)計(jì)方法,可設(shè)計(jì)懸吊彈簧使其自振頻率超過試驗(yàn)的關(guān)鍵頻率段,從而避免自振干擾試驗(yàn)結(jié)果。
1.2 準(zhǔn)零剛度懸吊裝置工作原理
三彈簧并聯(lián)形式的懸吊裝置設(shè)計(jì)參數(shù)包括懸吊彈簧剛度1,側(cè)彈簧剛度2、原長0及其水平時(shí)的長度。裝置承受載荷重力同時(shí)受到外力作用,如圖3所示。
圖3 準(zhǔn)零剛度懸吊裝置受力圖
裝置只承受載荷重力并使側(cè)彈簧受壓且處于水平狀態(tài),懸吊彈簧變形后的位置視為靜平衡位置。以靜平衡位置為原點(diǎn),當(dāng)載荷受到外力作用,將產(chǎn)生位移,則有
為了便于分析,把式(7)無量綱化為
, (8)
表示懸吊裝置剛度與懸吊彈簧剛度的比值。
令=0,=0,得到滿足準(zhǔn)零剛度條件的和的關(guān)系為
不妨令=2/3,則滿足準(zhǔn)零剛度條件的剛度比z=1。對于不同的,裝置的無量綱力-位移曲線與剛度特性曲線見圖4??梢钥吹?,當(dāng)=1.5>z時(shí),裝置在=0附近的剛度為負(fù)。當(dāng)=0.5<z時(shí),裝置在=0附近表現(xiàn)為正剛度。當(dāng)=1=z時(shí),裝置在=0處剛度為0,懸吊彈簧的正剛度與側(cè)彈簧產(chǎn)生的負(fù)剛度剛好抵消。此時(shí),在=0附近一定位移范圍內(nèi),裝置的力-位移曲線幾乎呈水平狀態(tài),剛度很小。因此在這段位移范圍內(nèi)裝置可被認(rèn)為具有準(zhǔn)零剛度特性。
(a) 無量綱力–位移曲線
(b) 無量綱剛度–位移曲線
定義0為裝置具有準(zhǔn)零剛度特性時(shí)無量綱剛度的上限值,令0=0.1,把≤0時(shí)裝置的位移范圍作為準(zhǔn)零剛度特性位移范圍,并希望該范圍盡可能的大以滿足試驗(yàn)位移需求。而滿足準(zhǔn)零剛度條件的、組合決定了準(zhǔn)零剛度特性位移范圍的大小,如圖5所示。
圖5 不同Н、α組合下準(zhǔn)零剛度懸吊裝置的無量綱剛度-位移曲線
通過對準(zhǔn)零剛度特性位移范圍求最大值,可以確定最佳的、組合。把式(10)代入式(9),并令=0,反解出,則有
式(11)右邊關(guān)于的導(dǎo)數(shù)等于0,即可求出最大時(shí)對應(yīng)的取值。但鑒于求解的方程很復(fù)雜,可以把式(11)關(guān)于0泰勒展開得到近似表達(dá)式,因0是一個(gè)小值,可只保留常數(shù)項(xiàng)與一階項(xiàng),則得:
。 (12)
對于式(12)易求解,當(dāng)=2/3時(shí),取最大值,此時(shí)為1。按照該、組合所表示的關(guān)系對設(shè)計(jì)參數(shù)取值,可得到具有最大準(zhǔn)零剛度特性位移范圍的懸吊裝置。
由以上分析可知,合理的懸吊彈簧自振頻率re可避免載荷受到干擾,滿足特定關(guān)系的設(shè)計(jì)參數(shù)可使裝置具有準(zhǔn)零剛度特性。為此,基于試驗(yàn)需求提出以上參數(shù)的設(shè)計(jì)流程,利用自振頻率計(jì)算式與、的最佳取值,確定以上參數(shù)的取值。然后據(jù)此進(jìn)行具體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),得到準(zhǔn)零剛度懸吊裝置。
2.1 參數(shù)取值
隔振試驗(yàn)在20Hz以內(nèi)依靠主動(dòng)隔振來實(shí)現(xiàn)振動(dòng)衰減,而主動(dòng)隔振的有效性需在微重力環(huán)境下進(jìn)行檢驗(yàn)。為避免懸吊裝置在20Hz以內(nèi)自振干擾試驗(yàn)結(jié)果,懸吊彈簧自振頻率re應(yīng)超過20Hz,保險(xiǎn)起見,設(shè)計(jì)時(shí)要求re>100Hz。試驗(yàn)中,載荷在豎直方向上的振動(dòng)位移不超過10mm,因此要求懸吊裝置的準(zhǔn)零剛度位移范圍>10mm。載荷質(zhì)量為28kg,由3個(gè)懸吊裝置承受,考慮到裝置應(yīng)具有較大承載力,要求每個(gè)裝置在承受9.3kg載荷時(shí)懸吊彈簧變形不超過30mm。
按照以上要求,確定參數(shù)取值,流程如下:
1)利用式(6)和彈簧設(shè)計(jì)方法得到剛度1和自振頻率re都滿足要求的懸吊彈簧;
2)由剛度比的最佳取值計(jì)算得到側(cè)彈簧的剛度2;
3)將幾何參數(shù)的最佳取值和給定的0代入式(11)計(jì)算得到無量綱的準(zhǔn)零剛度位移范圍,按照實(shí)際位移>10mm的要求確定側(cè)彈簧原長0;
4)根據(jù)側(cè)彈簧原長0和幾何參數(shù)確定側(cè)彈簧的水平長度。
需注意的是,側(cè)彈簧在水平狀態(tài)時(shí)壓力不能過大,否則會(huì)導(dǎo)致安裝困難。以上過程總結(jié)為流程圖見圖6。
圖6 參數(shù)設(shè)計(jì)流程
完成參數(shù)取值后,計(jì)算發(fā)現(xiàn),側(cè)彈簧水平受壓時(shí)的壓力過大。為減小壓力,在三彈簧并聯(lián)形式的懸吊裝置中增加1對側(cè)彈簧,即4個(gè)側(cè)彈簧在懸吊彈簧周圍呈90°夾角對稱分布,見圖7。
圖7 改進(jìn)后的準(zhǔn)零剛度懸吊裝置示意圖
改進(jìn)后的裝置與原裝置原理相同,只有準(zhǔn)零剛度條件下的與關(guān)系變?yōu)?/p>
其余參數(shù)關(guān)系均不變。此時(shí)與的最佳取值分別為2/3與1/2。最后得到參數(shù)取值見表1。
表1 裝置參數(shù)取值
懸吊彈簧與側(cè)彈簧由碳素彈簧鋼絲制成,具體參數(shù)見表2。
表2 彈簧參數(shù)取值
表2(續(xù))
參數(shù)懸吊彈簧側(cè)彈簧 有效圈數(shù)258 有效長度/mm7580 剛度/(N×m-1)50502470 自振頻率/Hz126226
2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)以上參數(shù)取值完成機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由前文可知,要求準(zhǔn)零剛度懸吊裝置承載達(dá)靜平衡時(shí)側(cè)彈簧應(yīng)處于水平狀態(tài),且剛度比與幾何參數(shù)要滿足特定關(guān)系。而在實(shí)際應(yīng)用中,裝置需承受不同質(zhì)量的載荷,以及存在安裝、加工誤差,使得裝置不能總是滿足上述條件。因此在設(shè)計(jì)時(shí)需加入靜平衡位置與幾何參數(shù)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),以增強(qiáng)裝置的適用性。裝置采用了雙螺母與螺桿的配合來調(diào)節(jié)靜平衡位置,并通過改變側(cè)彈簧壓縮量來調(diào)節(jié)幾何參數(shù)。此外,考慮到側(cè)彈簧受壓可能失穩(wěn)的問題,裝置中還加入了導(dǎo)向部件。最后得到的裝置如圖8所示。
圖8 準(zhǔn)零剛度懸吊裝置三維模型
為驗(yàn)證設(shè)計(jì)得到的準(zhǔn)零剛度懸吊裝置是否達(dá)到預(yù)期目標(biāo),通過靜力試驗(yàn)來驗(yàn)證裝置的準(zhǔn)零剛度特性與承載能力,以及通過懸吊-隔振試驗(yàn)來檢驗(yàn)裝置是否避免了自振對載荷的干擾。
3.1 靜力試驗(yàn)結(jié)果
靜力試驗(yàn)采用RGM-3100型試驗(yàn)機(jī),通過位移加載得到力-位移曲線。準(zhǔn)零剛度懸吊裝置在試驗(yàn)機(jī)上的安裝狀態(tài)見圖9。
為使準(zhǔn)零剛度懸吊裝置在隔振試驗(yàn)中適用于9.3kg的載荷,需調(diào)節(jié)裝置的平衡位置,使裝置達(dá)靜平衡時(shí)側(cè)彈簧剛好處于水平狀態(tài)。進(jìn)而調(diào)節(jié)幾何參數(shù),使裝置在平衡位置附近具有準(zhǔn)零剛度特性。調(diào)節(jié)幾何參數(shù)前、后的試驗(yàn)結(jié)果見圖10。
圖9 準(zhǔn)零剛度特性測試狀態(tài)
圖10 幾何參數(shù)調(diào)節(jié)前、后的力-位移測試曲線
因懸吊彈簧有預(yù)緊力以及側(cè)彈簧最初有一定壓縮量,裝置從初始狀態(tài)開始變形需要預(yù)拉力。調(diào)節(jié)幾何參數(shù)前,側(cè)彈簧壓力較小,提供的負(fù)剛度不足以抵消懸吊彈簧的正剛度,因此懸吊裝置在平衡位置附近的剛度為正。調(diào)節(jié)幾何參數(shù),增加側(cè)彈簧壓縮量,裝置從正剛度變?yōu)闇?zhǔn)零剛度。進(jìn)一步增加側(cè)彈簧壓縮量,裝置變?yōu)樨?fù)剛度。從圖10可看出,裝置具備準(zhǔn)零剛度特性時(shí),對應(yīng)的位移范圍約為11.17mm,剛度在84N/m以內(nèi),承載9.27kg所產(chǎn)生的變形量為19.64mm。這表明該裝置達(dá)到了低剛度和較大承載能力的設(shè)計(jì)目標(biāo),且可用于懸吊-隔振試驗(yàn)。
3.2 懸吊-隔振試驗(yàn)系統(tǒng)
為檢驗(yàn)準(zhǔn)零剛度懸吊裝置是否能避免自振干擾載荷,本文搭建了懸吊-隔振試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括懸吊裝置、隔振臺(tái)和激振臺(tái)。懸吊裝置分別采用準(zhǔn)零剛度懸吊裝置和原普通彈簧,以作對比。隔振臺(tái)與激振臺(tái)均為Hexapod結(jié)構(gòu)形式,見圖11。
激振臺(tái)施加豎直方向上的振動(dòng)。隔振臺(tái)下板受到振動(dòng)激勵(lì),進(jìn)行主動(dòng)隔振控制,使隔振臺(tái)上板(即載荷)受到的振動(dòng)衰減。懸吊裝置卸載隔振臺(tái)上板的重力,以模擬失重狀態(tài)。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖12所示。
圖11 隔振平臺(tái)與激振臺(tái)
圖12 試驗(yàn)系統(tǒng)示意
3.3 懸吊-隔振試驗(yàn)結(jié)果
激振臺(tái)施加豎直方向上幅值恒為10m的正弦掃頻加速度激勵(lì),頻率為2~20Hz。進(jìn)行隔振控制,通過隔振臺(tái)上、下板的加速度計(jì)測量隔振效果。試驗(yàn)結(jié)果見圖13,虛線和實(shí)線分別是采用原普通彈簧和準(zhǔn)零剛度懸吊裝置時(shí)的振動(dòng)傳遞率幅頻曲線。
圖13 兩種懸吊裝置的試驗(yàn)結(jié)果對比
從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,使用原彈簧時(shí),隔振效果在17Hz處受到較大的干擾;而采用準(zhǔn)零剛度懸吊裝置后,則沒有干擾。對比整個(gè)隔振效果,使用準(zhǔn)零剛度懸吊裝置時(shí),6Hz之前的隔振效果較好,6Hz之后隔振效果稍差一些。這是因?yàn)闇?zhǔn)零剛度懸吊裝置受到尺寸限制,難以做到在整個(gè)試驗(yàn)過程中剛度均低于普通彈簧。不過總的看來,懸吊裝置帶來的影響是可以接受的,與此同時(shí)它解決了承載力和彈簧自振干擾的問題。此外,懸吊上板時(shí),原彈簧伸長450mm左右,而準(zhǔn)零剛度懸吊裝置伸長約19.7mm,變形量大大減小。
為了在微重力模擬中,使懸吊裝置既能避免彈簧自振對載荷的干擾,又具備低剛度、大承載能力的特性,本文在分析了彈簧自振的基礎(chǔ)上,基于準(zhǔn)零剛度技術(shù)設(shè)計(jì)了一種準(zhǔn)零剛度懸吊裝置,最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證得到以下結(jié)論:
1)按照設(shè)計(jì)流程得到的準(zhǔn)零剛度懸吊裝置的剛度、承載能力和位移范圍均滿足試驗(yàn)需求,有較強(qiáng)的適用性。
2)采用以上設(shè)計(jì)的準(zhǔn)零剛度懸吊裝置進(jìn)行隔振試驗(yàn),在關(guān)鍵頻率段內(nèi)裝置不再干擾載荷的響應(yīng),能較好地模擬微重力狀態(tài)。
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(編輯:肖福根)
Design and experiment of a suspension device based on quasi-zero-stiffness technology for microgravity simulation
TANG Rui1, HUANG Hai1, HUANG Zhou2
(1. School of Astronautics, Beihang University, Beijing 100191, China; 2. Institute of Systems Engineering, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621999, China)
The microgravity simulation on the ground is an important step to improve the on-orbit reliability of spacecraft. The low-stiffness suspension device is usually employed in the microgravity simulation, which results in the low bearing capacity of the device and the interference from the device’s vibration. With this problem in mind, a quasi-zero-stiffness suspension device with consideration of its own vibration is designed in this paper. Firstly, the expression for the frequency of the bearing spring is derived by ignoring secondary factors. The conditions for the main parameters are discussed in a principle analysis. After that, a design procedure is proposed according to the payload mass and the displacement in the experiment. A quasi-zero-stiffness suspension device is thus designed, that can adjust the equilibrium position and the geometry parameter. A static testing and a vibration isolation experiment using the suspension device are conducted. It is shown that with this suspension device, the quasi-zero-stiffness and a high bearing capacity can be secured, and the interference from its vibration can be eliminated.
microgravity simulation; quasi-zero-stiffness; suspension device; natural frequency disturbance; structural design
V416.5
A
1673-1379(2017)02-0222-07
10.3969/j.issn.1673-1379.2017.02.019
2016-08-03;
2017-03-05
唐銳(1991—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)楹教炱鹘Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析;E-mail: tangrui86377627@126.com。指導(dǎo)教師:黃海(1963—),男,教授,研究方向?yàn)轱w行器結(jié)構(gòu)優(yōu)化,空間智能結(jié)構(gòu)及其控制等;E-mail: hhuang@buaa.edu.cn。
http://www.bisee.ac.cn
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