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文 獻(xiàn) 綜 述
題 目： 小型牧草收割機(jī)的設(shè)計
學(xué)生姓名： 施小艷
專業(yè)班級： 材料成型及控制工程B03-65班
系部名稱： 機(jī)電系
指導(dǎo)教師： 劉穎
職 稱： 講師
黑 龍 江 工 程 學(xué) 院
二○○七年四月
9
小型牧草收割機(jī)的設(shè)計
摘要：隨著農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整,養(yǎng)殖業(yè)比例的不斷增加,與之相應(yīng)的牧草種植不斷擴(kuò)大. ?僅黑龍江省現(xiàn)有自然牧草地33.70萬公頃，另外還有可墾荒地56.23萬公頃，其中37%可改良為牧草地。但我省的牧草收割多以人工為主,工作效率低,作業(yè)成本高,而且一年要割四至五茬,勞動強(qiáng)度非常大,新興的牧草種植業(yè)急需經(jīng)濟(jì)實用的小型牧草收割機(jī)。
通過文獻(xiàn)資料對國內(nèi)外牧草機(jī)械的現(xiàn)狀及發(fā)展有一定的了解；同時介紹了目前國內(nèi)外常使用的牧草收割機(jī)及各自的特點及還需解決的問題和牧草收獲機(jī)械的發(fā)展前景；切割器是各種牧草收割機(jī)上最重要的工作部件，下面也簡要介紹了幾種常用切割器的特點。
關(guān)鍵詞： 牧草收割機(jī)；切割器；傳動裝置
Design of Construction Mini-type Herbage Harvester
Abstract: As a result of the adjustment of the infrastructure of agriculture production ,the portion of livestock production in agriculture is ever increasing , and the corresponding farming area for herbage is constantly expanded. Only in Heilongjiang Province, it exists natural pastures 337,000 hectares,and also has reclaiming wasteland 562,300 hectares, 37% of which can be improved to the pastures. But our province’ herbage harvesting many by the man-power primarily , Herbage harvesting is generally performed manually 4 to 5 times each year ,having low productivity ,high cost and labor intensity. The newly emerging herbage industry is urgently demanding economical mini-type herbage harvester.
Through literature we have a certain understanding of the current situation and development on herbage machinery at home and abroad .Meanwhile it introduces several herbage harvester which often use at home and abroad with their characteristics and the problems that need to be solved, and also introduces devlopment prospects of herbage machinery .Herbage cutting is the most important part of kinds of herbage harvesters. The following is a brief summary of several cutting requirements’ characteristics.
Key words: herbage ; cutting requirement ; Transmission device
引言： 隨著農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，全國養(yǎng)殖業(yè)的比例不斷增加，與之相應(yīng)的牧草種植面積不斷擴(kuò)大，僅黑龍江省的現(xiàn)有自然牧草地33.70萬公頃，另外還有可墾荒地56.23萬公頃，其中37%可改良為牧草地，作為后備牧草資源。這些草地多數(shù)呈條狀、塊狀分布，大面積的草地為數(shù)不多，草地草原差，適口性一般。而且牧草收割多以人工為主，工作效率低，作業(yè)成本高，而且一年要割四至五茬，勞動強(qiáng)度大，新興的牧草種植業(yè)急需經(jīng)濟(jì)實用的小型牧草收割機(jī)。
目前國內(nèi)外現(xiàn)有的牧草收割機(jī)械，按切割器的形式主要分為往復(fù)式和旋轉(zhuǎn)式兩種,工作幅寬2-6米，工作效率5-18畝/小時，配套動力為9-50KW，這些機(jī)具主要為大型牧場使用，成本較高，不適合中小型牧場使用。
一、 牧草收割機(jī)研究的背景
我國經(jīng)過20多年的改革開放，國民經(jīng)濟(jì)已進(jìn)入一個平穩(wěn)、持續(xù)、快速發(fā)展的時期。隨著綜合國力逐步增強(qiáng)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的步伐不斷加快，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)正逐步得到優(yōu)化調(diào)整，畜牧業(yè)將成為農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化建設(shè)中一項重要內(nèi)容，其在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)中的比重越來越大。加之隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，草原建設(shè)、草原改良、退耕還草、生態(tài)恢復(fù)建設(shè)蓬勃興起，由此形成的牧草產(chǎn)業(yè)，將成為集生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會效益于一體的新型綜合性產(chǎn)業(yè)。但我國牧草機(jī)械化水平與國外發(fā)達(dá)國家相比有相當(dāng)大的差距。我國牧草機(jī)械產(chǎn)品品種不全，成套性差。
二、牧草收獲機(jī)械的現(xiàn)狀
（一）國外牧草機(jī)械的發(fā)展現(xiàn)狀
國外牧草收割機(jī)械，自十九世紀(jì)初葉出現(xiàn)畜力割草機(jī)和摟草機(jī)以來，已有一百多年的歷史了，經(jīng)歷了從使用畜力到拖拉機(jī)配套、從單項作業(yè)機(jī)具到聯(lián)合作業(yè)機(jī)具的發(fā)展過程。20世紀(jì)70年代以來，部分服役機(jī)具趨于飽和，產(chǎn)量和保有量保持穩(wěn)定或趨于下降，各公司致力于開發(fā)新產(chǎn)品，改進(jìn)原有產(chǎn)品的質(zhì)量，美國、德國、法國、意大利、日本等發(fā)達(dá)國家在該領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。20世紀(jì)90年代，這些國家的割、摟、捆裝、運等牧草收獲機(jī)械陸續(xù)進(jìn)入我國牧草種植基地，國外先進(jìn)的牧草收獲機(jī)械技術(shù)比較完善，機(jī)具品種多，性能可靠，但價格昂貴。
目前，歐美各國幾乎所有的農(nóng)機(jī)公司都生產(chǎn)牧草機(jī)械，產(chǎn)品品種齊全，系列完整，能滿足各種收獲；主要結(jié)構(gòu)及技術(shù)性能指標(biāo)至今沒有多大變化；只是在操作舒適和計算機(jī)應(yīng)用方面有所改進(jìn)。下圖顯示的是世界上最大的牧草機(jī)械制造商之一的紐荷蘭的兩種牧草收割機(jī)[14]。
圖1 紐荷蘭后置式牧草收割機(jī) 圖2 紐荷蘭前置式牧草收割機(jī)
（二）國內(nèi)牧草收割機(jī)械的發(fā)展現(xiàn)狀
我國畜牧機(jī)械工業(yè)是農(nóng)業(yè)工業(yè)中起步較晚，發(fā)展慢的行業(yè)之一。牧草收割機(jī)械是我國生產(chǎn)及使用最早的畜牧機(jī)械之一。盡管近年來牧草收割機(jī)械發(fā)展迅速，但機(jī)械化水平還是很低。尤其是在小型的牧場，主要還是手工收獲為主，刀具磨損非常厲害，農(nóng)民勞動強(qiáng)度非常大。根據(jù)農(nóng)村種植業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和當(dāng)前經(jīng)濟(jì)體制的情況，在機(jī)型的研制上主要以中小型為主，在研究內(nèi)容上主要解決勞動強(qiáng)度大的問題。當(dāng)前應(yīng)首先研制一些機(jī)型小、質(zhì)量好、價格低的牧草收割機(jī)械，以適應(yīng)專業(yè)戶的需求。
（三）近年來我國自行研制的成果
我國在50年代生產(chǎn)了馬拉割草機(jī)和三刀割草機(jī)，1953年遼寧金縣農(nóng)具長首先生產(chǎn)了1.4型的畜力割草機(jī)；1958年海拉爾牧業(yè)機(jī)械廠生產(chǎn)了9G-1．4型的畜力割草機(jī)，同時還生產(chǎn)9G-1．2型機(jī)引暴單刀割草機(jī)；1965年內(nèi)蒙古畜牧機(jī)械研究所進(jìn)行了后懸掛雙動刀高速割草機(jī)和雙連桿畜力割草機(jī)的研究，雙動刀高速割草機(jī)接近當(dāng)時國外同類產(chǎn)品先進(jìn)水平，以后約有十年的時間停止了研究工作；1976年以后內(nèi)蒙古、分別研制成單圓盤、雙圓盤和四圓盤旋轉(zhuǎn)式割草機(jī)；1979年白城牧機(jī)廠試制成功 圖3 牧草收獲機(jī)
9S-4.0型自走式割草壓扁機(jī)；1985年農(nóng)科院農(nóng)機(jī)化所研制成功9GZX-2.4型六盤全齒式旋轉(zhuǎn)式割草機(jī)；2002年上海向明公司自行研制出9GX（Y）-1.6型圓盤割草機(jī)。
三、牧草機(jī)械的發(fā)展前景
國內(nèi)外大量事實證明，對天然草場進(jìn)行改良，建立人工草場，實施退牧還草工程，實施圍欄禁牧封育，是提高草場生產(chǎn)能力，解決草畜矛盾，使畜牧業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定、高速、優(yōu)質(zhì)發(fā)展的一項關(guān)鍵措施。此外，退耕還草，保護(hù)和建設(shè)生態(tài)環(huán)境，都與草場改良和建立人工草場相關(guān)。據(jù)有關(guān)報道，僅內(nèi)蒙古自治區(qū)草原建設(shè)總規(guī)模每年要保持在3000 萬畝。國家計劃到2010年治理“三化”草原5億畝，新增人工種草，改良草地7.5億畝。
據(jù)測算僅草原改良、建設(shè)，對不同生產(chǎn)能力的牧草種子加工成套設(shè)備近期需求量為150—200套/年。另外，如果全國每年以建設(shè)240萬公頃人工草地計算，每公頃平均播草籽8公斤，則年需10000臺牧草播種機(jī)和草原松土補(bǔ)播機(jī)，80000臺草籽收獲機(jī)或草籽采集機(jī)。在每個割草季節(jié)按一臺割草機(jī)的生產(chǎn)能力為500公頃計算，則每年需新增割草機(jī)4800臺。相應(yīng)配套的摟草機(jī)2000臺。每臺捆草機(jī)每個作業(yè)季節(jié)平均捆草3000噸（300kg/捆×300捆/天×35天），平均每公頃產(chǎn)干草5.25噸，則需圓捆機(jī)4200臺。以上分析不包括天然草場和農(nóng)區(qū)對牧草機(jī)械的需求，如以每年5%的更新計算，則每年需新增1750臺割草機(jī)（現(xiàn)保有量約3.5萬臺），如果未來天然草場割草機(jī)擁有量達(dá)到萬畝1臺的水平，那將是33萬臺的巨大市場（按可利用草場33億畝計），其他牧草機(jī)械如摟、捆、運等也將出現(xiàn)相應(yīng)需求。
四、牧草收割機(jī)概述
（一）割草機(jī)的類型
國內(nèi)外牧草收獲機(jī)械按其切割部件的結(jié)構(gòu)分為往復(fù)式（如圖4）和圓盤式割草機(jī)（如圖5）[15]；按其行走動力分為牽引式、半懸掛式、懸掛式、自走式割草機(jī)；按照割草幅寬可為窄幅和寬幅式割草機(jī)[11]。
1、往復(fù)式切割器割草機(jī)研究發(fā)展概況
往復(fù)式割草機(jī)具有最悠久的歷史。它適于收割天然牧草和種植牧草，具有割茬低而整齊，牧草損失少，便于調(diào)整使用等優(yōu)點，其發(fā)展趨勢是提高生產(chǎn)效率，一是提高前進(jìn)速度，二是增加割幅。加大割幅將增加金屬消耗量，因此以提高前進(jìn)速度更為有利。但為保證切割質(zhì)量，必須同時提高切割器切割速度。由于切割速度提高，引起割刀往復(fù)慣性力大為增加，會造成機(jī)器震動和機(jī)件損壞，切割高產(chǎn)或濕潤牧草常產(chǎn)生堵刀現(xiàn)象。這種割草機(jī)雖有這些缺點，但目前仍作為一種標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型被國內(nèi)外廣泛使用和大量生產(chǎn)，并且在不斷完善和改進(jìn)。
2、回轉(zhuǎn)式割草機(jī)研究發(fā)展概況
近年來，西歐由于種植牧草面積大量增加，并使用大量含氮肥料使牧草高大，茂密而趨于倒伏。因此，回轉(zhuǎn)式割草機(jī)得到迅速發(fā)展，它屬無支承切割。切割器刀片安裝在刀盤上，并隨刀盤一起回轉(zhuǎn)進(jìn)行割草，其前進(jìn)速度高，有較高的生產(chǎn)率，不產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象，更換刀片簡易，保養(yǎng)方便。但回轉(zhuǎn)式割草機(jī)功率消耗較大，為10～16馬力/米。（普通往復(fù)式割草機(jī)為1～2 馬力/米，雙動刀割草機(jī)為4～8馬力/米）工作幅重割區(qū)大，割茬不齊，碎草多，且對地面的平坦程度要求較高。在牧草剛度小時易使割茬高度增加，因此較適于高產(chǎn)硬桿牧草，在西歐比較盛行。
圖 4自走式往復(fù)式收割機(jī) 圖5自走式旋轉(zhuǎn)式收割機(jī)
（二）牧草收割機(jī)械的各組成部分
牧草收割機(jī)械主要由切割裝置、傳動裝置、輸送裝置、行走輪及結(jié)構(gòu)部件等組成。
1、切割器
切割器是收獲機(jī)械的重要部件之一，它的功用是將田間的作物切斷。目前，已廣泛使用和報道的切割器有：往復(fù)式、回轉(zhuǎn)式、甩刀式、帶式等。下面來簡要介紹幾種常見切割器的特點
（1）往復(fù)式切割器。往復(fù)式切割是目前國內(nèi)外稻麥?zhǔn)崭顧C(jī)上應(yīng)用最廣的一種切割器，現(xiàn)基本標(biāo)準(zhǔn)化。其切割速度一般為1.5～2m/s，作業(yè)速度低，一般不超過9km/h。它由往復(fù)運動的割刀和固定不動的支承部分組成。割刀由刀桿、動刀片和刀桿頭等鉚合而成。刀桿頭與傳動機(jī)構(gòu)相連接，用以傳遞割刀的動力。工作時，割刀作直線往復(fù)運動，其護(hù)刃器前尖將谷物分成小束引向割刀，割刀在運動中將禾桿推向定刀進(jìn)行切割。這種切割器平均切割速度較低，切割性能好，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，廣泛用于谷物收割機(jī)上。它的缺點是往復(fù)慣性力大，割臺振動和噪聲大，存在重割和漏割，割茬不整齊。
（2）回轉(zhuǎn)式切割器?；剞D(zhuǎn)式切割器主要用于收獲牧草、青飼料等粗莖稈作物， 少數(shù)谷物收獲機(jī)上也使用這種切割器。回轉(zhuǎn)式切割器切割速度高，一般為25～50m/s,可適應(yīng) 10～25km/h 的高速作業(yè)，慣性力易平衡，震動較小，結(jié)構(gòu)簡單,但回轉(zhuǎn)半徑小，不宜寬幅切割，割刀的壽命較短，維修費用高。在牧草收割機(jī)上多采用雙盤或多組雙盤式，每個刀盤由刀盤架、刀片、錐形送草盤和撥草鼓等組成。孫永海、常振臣等[12]以試驗設(shè)計、計算機(jī)模擬和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)為手段,對圓盤式切割器進(jìn)行了試驗研究,探討了切割速度、切削角和刀齒高度3個因素對切割損失和切割阻力的影響,得到了切割速度、切削角和刀齒高度的最佳參數(shù)組合。楊家軍、劉鋒等[13]應(yīng)用結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計原理和隨機(jī)激勵下的動態(tài)設(shè)計方法，研究了切割器在隨即激勵下的響應(yīng),得到了切割器結(jié)構(gòu)的動態(tài)設(shè)計的結(jié)果。
（3）甩刀式切割器。甩刀式切割器多用于玉米青貯飼料收割機(jī)上。目前國內(nèi)外收割機(jī)上多采用甩刀式切割器。它由水平橫軸、刀盤體、刀片和護(hù)罩等組成。這種切割器轉(zhuǎn)速高，圓周速度達(dá)50—70m/s，但割幅較窄，一般為0.8—2m。在割幅較大的機(jī)器上，多采用多組并聯(lián)結(jié)構(gòu)，目前國內(nèi)外最大的割幅為6m。孟海波、于文星等設(shè)計了玉米莖稈甩刀式切拋器，該甩刀式切拋器由殼體、甩刀、刀軸及定刀等部分組成。甩刀的結(jié)構(gòu)及工作原理與常規(guī)的甩刀形式不同,采用了“直角直刃”組合式鏟形甩刀。
（4）回轉(zhuǎn)帶式切割器。這種切割器將薄鋼帶加工成角鋼狀，一邊為帶體，連接兩端構(gòu)成傳動帶，一邊為刀體，刀體間有一定距離，刀體端開有刀齒，刀齒為梯形。在田間試驗條件下，可實現(xiàn)高速作業(yè)、高速切割及無支承切割，切割速度可高于17m/s，作業(yè)速度可高于15km/h，無往復(fù)慣性力，割刀工作平穩(wěn), 割臺振動小，工作平穩(wěn)，割茬整齊，無撕裂、漏割和堵刀現(xiàn)象，適于收割小麥、水稻等細(xì)莖稈作物和牧草。但這種切割器對鋼帶的材質(zhì)要求較高，加工難度較大，其壽命和可靠性還有待進(jìn)一步研究。
2、傳動裝置
(1) 在楊天興[2]的齒形鏈?zhǔn)侥敛菔崭顧C(jī)的研究和設(shè)計中，他的傳動系統(tǒng)是動力由發(fā)動機(jī)飛輪輸出，經(jīng)過皮帶把動力傳給減速箱前面的輸入皮帶輪，動力輸入到減速箱內(nèi)第一級圓柱減速齒
圖6 齒形鏈?zhǔn)侥敛菔崭顧C(jī)傳動系統(tǒng)示意圖
1-一級減速圓柱小齒輪 2-一級減速圓柱大齒輪 3-二級減速圓柱小齒輪 4-二級減速圓柱小齒輪 5、8- 輸送主動帶輪 6、7- 輸送帶 9-切割器
10-輸送從動皮帶輪 11-傳動軸 12-輸入皮帶輪13-張緊輪總成 14- 柴油機(jī)飛輪
輪對 1、2 和第二級圓錐減速齒輪對 3、4 后，經(jīng)過減速及改變傳動方向后，直接輸入到傳動軸， 帶動鏈輪和輸送帶輪同向轉(zhuǎn)動工作。鏈輪驅(qū)動鏈條上的動刀片在壓刃器等零件的配合下進(jìn)行切割。
其特點是中心距大割幅不受限制，傳動功率大、平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)簡單，安裝調(diào)整方便。同時傳動路線簡單，采用零件少，制造和安裝方便，成本低，能夠?qū)崿F(xiàn)各機(jī)構(gòu)的功能要求。
(2) 在趙春花[5]的手扶式山地牧草收割機(jī)研制論文中，傳動系統(tǒng)（如圖2）將其柴油機(jī)的動力分別傳送給行走輪、切割器和輸送系統(tǒng)。切割器的驅(qū)動機(jī)構(gòu)將傳動軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為割刀的往復(fù)運動?，F(xiàn)有的三種傳動系統(tǒng)方案即直接式、間接式和綜合式。綜合式傳動系統(tǒng)的動力由柴油機(jī)發(fā)動機(jī)皮帶輪輸出后，分為兩路：一路經(jīng)三角皮帶輪5、8和一對錐齒輪 6,7 兩級減速，并改變傳動方向后直接傳遞給曲柄主軸。曲柄主軸驅(qū)動滑塊（軸承）帶動刀桿及動刀做往復(fù)切割運動，切割器曲柄主軸經(jīng)一對小鏈輪9、10 將驅(qū)動力傳遞給輸送系統(tǒng)。另一路經(jīng)三角皮帶輪1、圖7手扶式山地牧草收割機(jī)傳動系統(tǒng)示意圖
1-動力輸出行走皮帶輪 2-二級減速皮帶輪 3-二級減速小鏈輪 4- 二級減速大鏈輪5-動力輸出切割系統(tǒng)皮帶輪 6-大錐齒輪7-小錐齒輪 8-輸入主軸大皮帶輪 9-輸送從動鏈輪10-輸送主動鏈輪
11-柴油機(jī)12-行走輪 13-大雙排鏈輪 14-小雙排鏈輪
2，鏈輪3、4 二級減速后，又經(jīng)牙嵌式離合器控制工作狀態(tài)再經(jīng)一對雙聯(lián)鏈輪13、14減速，最后傳遞到一對走輪行上，完成機(jī)具邊行走、邊切割，邊輸送鋪放一整套工作過程。
3、輸送裝置
牧草收割機(jī)的輸送鋪放系統(tǒng)直接影響著牧草鋪放質(zhì)量和牧草的收獲質(zhì)量。立式割臺輸送系統(tǒng)不僅應(yīng)及時將切割下的牧草輸送到一側(cè)，還應(yīng)鋪放均勻整齊，形成一定的形狀和厚度，利于干燥，利于后續(xù)的工作。其主要參數(shù)為：撥齒的高度和形狀參數(shù)、輸送帶尺寸、撥齒間距、輔助星輪參數(shù)和位置、輸送速度、割刀前伸量等。
4、行走輪
割草機(jī)行走輪的大小和能調(diào)節(jié)的高度取決于割荏和行走操縱的方便性及田間的平整度。割草機(jī)的割荏應(yīng)低于谷物收割機(jī)的割荏，北方地區(qū)的大型天然草場割荏為4～5cm,而一般的種植牧草為5～6cm，晚秋收獲牧草在6～7cm。因此，要求切割器貼近地面，且能交換的適應(yīng)地形起伏?！?
五、有待解決的問題
（一）當(dāng)前收獲機(jī)上使用的切割器以往復(fù)式最多，而且制造技術(shù)趨于完善，只是局部有所改進(jìn)，但其慣性力不平衡和振動；
（二） 回轉(zhuǎn)式切割器的慣性力很小，可以高速作業(yè)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易實現(xiàn)寬幅作業(yè)；
（三）我國現(xiàn)有的割草機(jī)類型不適合收割各種草種，不適應(yīng)各種地面的要求；
（四）割草機(jī)的割茬高度較高，牧草損失較大；刀片耐磨度低，換刀次數(shù)頻繁；結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，受力不均衡；
（五）新型切割器的發(fā)展方向主要是如何實現(xiàn)高速作業(yè)和減少落粒損失及減少損失。
結(jié)論：從上我們可以看出，隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和西部大開發(fā)，我國的牧草種植面積也在不斷擴(kuò)大，相應(yīng)的也增加了牧草機(jī)械的需求，但根據(jù)我省的具體情況，我省的草地多數(shù)呈條狀、塊狀分布，大面積的草地為數(shù)不多，不太適合用拖拉機(jī)帶動它前進(jìn)，而采用手扶式的，既簡單方便，又降低了成本。在切割器的選擇上，要結(jié)合收割對像的特點，主要是解決黑麥草的收割，多年生黑麥草是禾本科黑麥草屬的多年生草坪植物，該草致密、叢生，是生長速度最快的牧草之一，剪割后再生性均較強(qiáng)，但不耐低剪，則要求切割速度要快，且要高速作業(yè)，而往復(fù)式的割速很低，一般平均割速為1．5m/s～2．0m/s，只能低速作業(yè)，且往復(fù)的慣性力很大，導(dǎo)致割臺振動及噪音大，影響割臺的壽命?；剞D(zhuǎn)式切割器割刀切割速度高，一般為10m/s～20m/s，切割能力強(qiáng)，但傳動復(fù)雜，造價高，不太適合中小型牧場。
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