毕业论文机械设计制造及其自动化

毕业论文机械设计制造

及其自动化

YUKI was compiled on the morning of December 16, 2020

轮式起重机伸缩臂液压

和电气控制系统设计

邹 勇

[摘 要] 起重臂是轮式起重机主要的受力构件,一般设计制作为箱形结构,起重臂内装

有伸缩缸或伸缩系统和伸缩用滑块而具有伸缩功能，它的设计是否合理直接影响着起重机的

整机自重、承载能力、整机稳定性,同时决定着起重机的发展。起重臂伸缩控制技术取决于

伸缩机构的结构形式,起重机的单缸插销式伸缩机构采用单个油缸来推动各节臂的伸缩，采

用机电液相结合的综合控制技术来实现单个伸缩油缸自动进行起重臂伸缩目标的控制。本设

计主要研究内容如下：(1)通过对多种伸缩臂控制机理的优缺点的比较,选出一种代表先进研

究方向的伸缩臂控制机理,并对其进行详细分析研究与设计计算。(2) 设计伸缩臂动作的液

压控制回路,并对主要元件的主要参数进行设计计算,对系统一些主要静态指标进行计算。(3)

设计出伸缩臂电气控制系统的控制流程图,并用西门子编程软件编制出伸缩臂动作的自动和

手动控制程序,并进行仿真验证。

关键词：伸缩臂；单缸插销；轮式起重机；液压；电气控制系统

轮式起重机是工程机械产品中重要组成部分，由于它的机动性好而被广泛应用于矿山、

建筑、港口、油田等领域。轮式起重机主要有3种基本类型:汽车起重机、轮胎起重机、全

路面起重机。随着世界经济和吊装技术的发展，轮式起重机在国际国内市场销量都在不断提

高，可以说市场巨大。

第1章 多种伸缩臂控制机理

起重机伸缩控制技术取决于伸缩机构的结构形式，而伸缩机构的技术直接影响起重臂的

自重、整机的性能，也是制约起重臂乃至起重机发展的关键技术。因而国外知名企业对伸缩

机构的研究都很重视，都研制出了自己的专利技术。在轮式起重机各个部件中，吊臂是其中

一个主要部件，其最大伸缩长度决定着起重机的最大工作幅度及最大起升高度。一般轮式起

重机吊臂的伸缩节数为2－3节，每节臂长度一般为3m左右，这样其工作幅度大约在12m以

下，但有时用户需要在更大的工作幅度或高度作业，为满足这种需求，吊臂必须采用多节伸

缩。下面介绍几种典型的伸缩臂结构和动作顺序，并对他们之间的优缺点进行比较，并选择

其中的一种进行具体分析设计。

多节伸缩臂结构和控制原理

伸缩臂的总体结构

图 伸缩臂结构示意图

1.固定臂 2.一节伸缩臂 3.二节伸缩臂 4. 三节伸缩臂

5.四节伸缩臂 6.顶节臂 7.伸缩油缸

五节伸缩臂的结构如图所示，伸缩油缸的组装示意图如图所示。伸缩油缸放置在吊臂的

内部，这使得吊臂外形简单，结构紧凑。一级缸的缸筒与二级缸的活塞杆铰接，二级缸的缸

筒与三级缸的活塞杆铰接。伸缩缸上的A, B, C, D分别与固定臂、一节伸缩臂、二节伸缩

臂、三节伸缩臂铰接，当一、二、三级伸缩缸按顺序伸出时，带动一、二、三节伸缩臂按顺

序依次伸出。四节伸缩臂及顶节臂是靠钢丝绳带动与三节伸缩臂同步伸缩的。油缸缩回时顺

序则相反，三节伸缩臂在油缸的带动下首先回缩，四节伸缩臂及顶节臂在钢丝绳的带动下同

步缩回。然后，二节伸缩臂、一节伸缩臂在油缸带动下依次缩回。可见吊臂的伸缩基本上为

顺序伸缩，即伸出时截面大的臂先伸，回缩时截面小的臂先回，这样有利于使伸出后吊机的

起升载荷与起重特性相适应。

图 油缸组装示意图

1.一级伸缩缸 2.二级伸缩缸 3.三级伸缩缸

油缸顺序伸缩的原理

图 油缸顺序伸缩液压原理图

1.手动换向阀 2.平衡阀 3.固定套 4.中心套

5，7，9，10单向阀 6.固定套 8.撞块

如图所示，手动换向阀手把向前推，一级伸缩缸Al口进油，经过中心管、单向阀5进

入一级伸缩缸的活塞腔，由于一级伸缩缸的活塞杆与固定臂相连是固定的，在压力油的作用

下一级伸缩缸的缸筒外伸，活塞杆腔回油经过B1口回到多路换向阀，此时中心管跟随缸筒

一起外伸，外伸到一定长度后，当中心管左端的固定套与活塞碰上时，中心管被迫停止，如

缸筒继续伸，则中心管右端的固定套将单向阀7打开，并使缸筒也停止运动。此时高压油通

过单向阀7、油管到达二级伸缩缸的A2口，并通过中心管进入到二级伸缩缸的缸底。这时

一级缸已停止运动，由于二级伸缩缸的活塞杆与一级伸缩缸的缸筒相连接，因此二级伸缩缸

的活塞杆是不动的。这样在压力油的作用下二级伸缩缸的缸筒外伸，回油经B2, Bl回到换

向阀。与一级伸缩缸同样的原理，二级伸缩缸伸到一定程度，打开单向阀4，并停止运动。

高压油继而进入三级伸缩缸的A3口到达缸底，三级伸缩缸外伸。这样一、二、三级伸缩缸

依次外伸，就完成了顺序伸出。

手动换向阀手把向后拉，一级伸缩缸的B1口即活塞杆腔进油，由于B2, B3在结构上与

BI是相通的，因此二级缸和三级缸的活塞杆腔也同时有高压油。由于单向阀5,9是关闭

的，一、二级缸的回油路不通。而单向阀10, 7是打开的，三级缸活塞腔的油路可经过

A3、单向阀10 , A2口、单向阀7, A1口回到换向阀。因此三级缸首先回缩。当三级缸缩到

规定的长度，缸筒上的撞块撞击二级缸上的撞块及推杆将单向阀9打开，二级缸活塞腔的回

油路接通，二级缸开始回缩。同样当二级缸缩到规定的长度将单向阀S打开，一级缸回油接

通，开始回缩。这样三、二、一级缸依次缩回，完成了顺序回缩。

钢

丝

绳

带

动

同

步伸缩的原理

图第四节和顶节伸缩臂外伸示意图

四节伸缩臂及顶节臂是靠钢丝绳带动伸缩的。如图所示，1和为钢丝绳端部，固定在第

二节伸缩臂上，2和2'为导绳轮固定于第三节伸缩臂前端，导绳轮3固定于第四节伸缩臂

上。当第三节伸缩臂在油缸带动下外伸时，第二节伸缩臂是固定不动的(即1和1'不动)，

这样固定在三节伸缩臂上的2 , 2'外伸，就带动3伸出，即第四节伸缩臂伸出。由图还可

计算出，如果2, 2，伸出L，则3伸出2L，即2相对于1伸L, 3相对于2伸L。这样第三

节伸缩臂外伸时，第四节伸缩臂即以同样的速度伸出。同样的道理，4和4'固定在第三节伸

缩臂上，5和5'为导绳轮固定于第四节伸缩臂上，6固定于顶节臂上。当第四节伸缩臂外伸

时，第三节伸缩臂相对是固定不动的，这样固定在四节伸缩臂上的4、 4’外伸，带动6伸

出，即顶节臂伸出。同样顶节臂与四节伸缩臂速度也是相同的。这样，三、四节伸缩臂及顶

节臂达到同步伸出。

图伸缩臂缩回示意图

如图所示:a, a'为钢丝绳端部，固定在第三节伸缩臂上;b ,b'为导绳轮，固定在三级伸

缩缸上;a、c'为导绳轮，固定在二级伸缩缸上;d为导绳轮，固定在顶节臂上。三级伸缩臂

在油缸带动下回缩时，由于C . C'与二级伸缩臂相连，此时固定不动，三级伸缩缸与三级

伸缩臂相连即a, a'、b, b'一起回收，这样就带动d即顶节臂回收。由图可计算出三节伸

缩臂回缩L，顶节臂回缩3L。又由图可知，6固定于顶节臂，4及4'固定于三节伸缩臂。当

4及4'随三级伸缩臂缩L, 6缩3L时，就可带动5及5'缩和5'固定于四节伸缩臂上，即第

四节伸缩臂缩2L。这样顶节臂回缩的同时就带动了四节伸缩臂同时回缩。上述过程是同时

发生的，并且三节伸缩臂、四节伸缩臂及顶节臂是以相同的速度同时缩回。

总结评价

此种伸缩臂采用5节伸缩，伸缩臂节数多，工作幅度大。而且油缸采用内置，结构紧

凑，且吊臂按顺序伸缩。这种结构在设计工作幅度大的起重机吊臂时可以参考，并且其原理

亦可以用于其它类似的伸缩机构。

单缸插销式伸缩臂的插、拔销轴机构布置

臂

销

的

位

置

检

测

图缸销、臂销结构图

在每节起重臂尾端的上方有一个能够把臂与臂锁定在一起并可以上下方向运动的销

轴(由于安装在起重臂上称为臂销)，臂销的作用是实现臂与臂之间的锁定和解锁，臂销在弹

簧力的作用下可以向上运动到另一节臂的臂孔中，这样臂与臂之间不能相互运动以达到刚性

锁定的目地。当臂销受伸缩油缸上的臂销缸控制下的拔销机构作用时，臂销从另一节臂的臂

孔中缩回，并向下移动，臂与臂之间处于解锁状态就可以相互运动，达到解锁的目的，臂销

的上端有受力后锁定结构，防止臂与臂脱落。臂销上下运动到终点位置后的位置检测由图所

示的接近开关完成，当臂销上移到终点位置后上侧接近开关发出电信号，这时臂与臂处于锁

定状态，臂销缸下移到终点位置时下侧接近开关发出电信号，这时臂与臂处于解锁状态。

缸销的位置检测

在伸缩油缸缸头的两侧设有可以左右方向运动的销轴(由于安装在伸缩油缸上称为缸

销)，缸销的作用是实现油缸与吊臂之间的锁定和解锁，缸销初始位置在弹簧力的作用下可

以左右方向运动并可以伸进吊臂后端两侧销孔中达到与臂刚性锁定的目标，这时油缸与吊臂

锁定成为一体，缸销在缸销油缸的作用下缸销也可以从缸销孔中缩回，吊臂与伸缩油缸的刚

性锁定解除。缸销伸缩的检测由伸缩油缸下方在左右缸销的两端安装的两个接近检测开关完

成，左缸销外伸到终点时左侧伸接近开关发出电信号(见图 )，右缸销外伸到终点时右侧伸

接近开关发出电信号，当左、右两侧的接近开关都发出电信号时说明左右缸销都伸入进了吊

在二、三、四、五每一节吊臂后端的左或右侧都安装了接近开关检测板，在伸缩油缸缸

头两侧的浮动尼龙块上共固定安装了四个接近开关，分别可以检测二、三、四、五四个臂尾

位置的检测板。

缸销缸与臂销缸的液压控制

缸销缸与臂销缸运动方向的控制和压力的提供，用排量20L齿轮泵提供的70bar的恒定

压力油源作为控制臂销缸和缸销运动的动力，方向的控制由电磁换向阀控制，压力油由伸缩

油缸的中央芯管来传送，中央芯管既作为进油管又作为回油管使用，当芯管进油时臂销缸或

缸销缸能够动作，当从芯管中回油时臂销缸或缸销缸复位，为了避免液压系统和管路带来的

滞后现象芯管保证了一定的预压力。

单缸插销式伸缩臂自动伸缩控制过程

在作业前，操作者根据吊重作业的工况和起重机的起重性能表，通过显示器来选择起重

臂的臂长组合。吊臂仰角为50°至70°左右，由于为了保证伸缩系统控制的可靠性和满足伸

缩机构上的设计要求，各个缸销孔与缸销的间隙比较大，在吊臂仰角较小时由于磨擦力作用

时，每一节臂的所在位置都不能确定是不是处于全缩位置，这样伸缩油缸上的长度传感器检

测出的长度就不能准确代表伸缩臂上的臂销销轴所要动作的距离，容易造成误控制，导致控

制上的失败。故进行自动伸缩时，起重臂应变幅到印角50°至70°左右。当选择自动控制伸

缩系统来实现吊臂向外伸出时，当预设置确认后，控制器根据伸缩油缸上的长度传感器确认

伸缩油缸缸头所在的位置，确定伸缩油缸是伸出或者缩回，油缸会根据设置依次伸出五、

四、三、二节起重臂，回收时依次回收二、三、四、五节起重臂，从而完成预设的伸缩目

标。

对设计质量、制造质量、元件的可靠性提出了很高的要求，而起重臂出现故障后的维修性

差，因而在安全和可靠性设计方面中作了以下几点面处理：

(1)为确保安全性采用了液压互锁和机构互锁的双保险设计思想，臂销和缸销只能有其

中一个可运动，而不能同时运动，液压上电磁换向阀数量减少和系统设计都可以实现方向选

择上的互锁和机构上的互锁，臂销与缸销结构上的互锁由机构设计来实现。

(2)伸缩油缸的工作压力可以根据不同的伸缩工况来自动选择，为保证伸缩机构运动速

度，伸缩油缸的运动速度很快，为了减小臂销和缸销在工作过程中的冲击和震动，伸缩油缸

在不同的工况下会自动选择相应的工作压力。

(3)为了解决控制系统失效后的起重臂收回问题，增加了手动应急操作工作方式。

(4)在任何的伸缩操作时，伸缩油缸的缸头不能超过五节臂臂尾，防止油缸外伸运动过

程中损坏起重臂的前端或其他机构。

(5)当伸缩油缸的缸头不在吊臂的后端时(伸缩油缸上的接近开关不能检测到撞块位置)

伸缩机构的控制系统可以进行锁定，在这一伸缩过程中不能进行臂销或缸销的运动操作。

(6)伸缩油缸和附加其上的臂销缸和缸销缸密封件元件选取都保证了伸缩系统的持久性

工作，首先采用了可靠的结构来实现功能，采用了可以在低速时保证速度稳定的密封元件，

(10)为了消除各个液压元件和控制系统带来的滞后操作，伸缩系统的缸销与吊臂孔配合

间隙设计上较大，臂尾位置检测接近开关都采用可伸缩式浮动结构，保证了接近检测开关在

伸缩偏离位置时油缸检测距离的准确性，在检测到需要动作的吊臂后端目标后迅速减小主油

泵的排量同时释放缸销，伸缩油缸迅速降低伸缩速度，保证缸销在配合间隙内能够完成缸销

锁定和臂销运动的转换过程，防止伸缩油缸受力时臂销缸所受的摩擦力大而影响各个销轴的

运动，在进行臂销锁定时采用预先释放的思想方法提一前释放臂销滑动一端距离后进入臂

孔，这样可以消除伸缩系统本身结构制造上带来的误差和各个控制元件的滞后响应带来的影

响。

(11)为了保证伸缩油缸和伸缩臂的装配，缸销缸与臂销缸装有快速接头。

(12)具有伸缩油缸回缩自动加速功能，伸缩油缸回缩时可根据工作压力信号自动加速，

保证了伸缩的控制性能。

第2章 液压控制系统设计

液压系统总体设计

液压系统为采用电比例控制的阀控缸位置伺服系统。伸缩油缸的运动速度很快，为

了减小臂销和缸销在工作过程中的冲击和震动，增加了蓄能器。在，起重臂伸缩油缸两侧增

加了连通邮箱的单向阀。用多路阀控制多个油路如伸缩油路、缸臂销油路、起升油路、回转

油路、变幅油路等。泵体采用恒功率恒压变量双泵，系统压力32MPa。预留压力检测口，便

于系统调试和故障分析。伸缩臂液压系统总体设计如图所示，A、B、 C分别连接至回转、

变幅、起升油路。

图液压油源回路

带功率调节器的变量双泵，两个旋转组件分别带一个独立的功率调节器。功率调节器调

节与工作压力有关的油泵排量，使其不超过给定的驱动功率。每一个调节器可独立实现功率

设定，且各不相同，每个泵均可独立设定100%的驱动功率。双曲线功率特性通过两个测量

弹簧近似实现。工作压力借助一个多级活塞的测量面作用于测量弹簧，并影响一个从外部调

整的弹簧力的测量面，从而决定功率的设定值。若液压力之和超过弹簧力，则控制油流向变

量活塞，泵回摆从而减小流量。

多路阀

轮式起重机油路很多，包括起升油路、变幅油路、伸缩油路、回转油路，单缸插销式

起重机又包括缸销、臂销油路，所以必须使用多路阀。多路阀原理如图所示。左图中A、

B、C分别连接至回转、变幅、起升油路，右图为缸、臂销动作控制多路阀。

图多路阀原理

电液伺服阀的设计

起重机起重臂的伸缩缸采用阀控缸位置伺服控制系统，主要控制元件为电液伺服阀。电

液伺服阀是电液伺服系统中关键的精密控制元件，价格昂贵，所以伺服阀的选择，应用要谨

慎。

在伺服阀选择中考虑的因素有:A:阀的工作性能、规格;B:工作可靠、性能稳定、一定的

抗污染能力;C:价格合理;D:工作液、油源;E:电气性能和放大器;F:安装结构，外型尺寸等

等。

按照功能要求，本起重机伸缩臂液压系统采用通用型射流管式流量电液伺服阀。用于位

置伺服系统的控制，让起重臂伸缩刚准确伸缩到指定位置，使得缸销、臂销能准确插入预设

的销孔内。阀控缸式位置伺服系统见图。

图电液伺服阀控制的位置伺服系统

射流管阀是力反馈型伺服阀，衔铁工作在中位附近，不受伺服阀中间参数影响，线性度

好，性能稳定，抗干扰能力强，零漂小，是高性能的伺服阀。射流管喷嘴为最小流通面积

处，过流面积大，不易堵塞，抗污染性好。一般相频宽可超过100Hz，高的亦可达到

(3)性能可靠。伺服射流先导级具有很高的压力效率(输入满标定信号时，压力效率高大

80%以上)，因此她可提供给功率级滑阀较大的驱动信号，提高了阀芯的位置重复精度。

(4)最低先导级控制压力仅，由于它的这一优点，此阀可用于象汽轮机控制一类的低压

系统中。

(5)先导级过滤器的寿命几乎是无限的，因为先导级的名义间隙均在200 u m以上。

(6)由于阀的频率响应改善，功率级滑阀的增益得到了提高，因此使得阀具有优异的静

态和动态性能，并使控制系统的性能大大提高。

小结

本章主要讨论了伸缩臂液压系统的整体设计。设计出能完成功能的液压缸，并对其结

构、运动速度、强度进行设计。对多路阀、电液伺服阀进行选择设计，以满足系统的动作要

求。

第3章 电气控制系统设计

电气控制系统总体设计

电气系统采用先进的PLC控制技术，机电液相结合，有效地保证主机所有功能的实现，

充分体现集成控制的设计思想。这是本产品的关键核心技术采用基于PLC可编程控制系统，

实现起重机的自动控制，让起重机的所有操作变得更加简单方便，大大提高起重机的作业安

全性、可靠性和作业效率，大大降低了操作人员的劳动强度，充分体现了以人为本的设计理

念。

该系统具有特殊设计的控制模块确保系统在恶劣的环境下可以高效运行。具有良好的

EMC电磁兼容和防震的连接器、外壳。系统可接入范围广泛的数字和模拟输入输出信号，具

有处理各种传感器信号以及控制各执行元件的能力。S7-200还可以根据功能要求方便地扩

展I/O口。系统还具有接口可以处理智能传感器，各种电磁阀等控制元件以及其他的系统。

主要功能为:①电比例控制参数的数字化调整和显示。②电比例系统的故障代码显示。

③液压系统实时检测数据的显示。④单缸伸缩控制系统，控制伸缩缸销、臂销的解锁与锁定

及油缸的伸缩动作，从而实现吊臂的伸缩控制。

控制系统的硬件选择设计

可编程控制器

采用西门子57-200PLC，配置CPU226模块，可提供24路数字量输入和16路数字量输

出，7个可供扩展模块，实时时钟。CPU226具有如下性能特点:

(1) 24输入/16输出共40个数字量I/O点。

(2)可连接7个扩展模板单元，最大可扩展至248个数字量或35路模拟量I/O点。

(3) 13KB的程序和数据存储区空间。

(4) 6个独立的30KHz高速计数器，2路独立的20KHz的高速脉冲输出。

(5)具有PID控制器。

(6) 2个RS-485通信/编程口。

(7)具有多点接口MPI通信协议。

(8)具有点对点接口PPI通信协议。

(9)具有自由通信口。

(10) I/O段字排可以很容易地整体拆卸。

CPU226的接线图如图所示。

图 CPU226接线图

人机操作界面HMI

人机操作界面采用文本显示器TD200 o TD200是57-200的操作员界面，其功能如下:

(1)显示文本信息。通过选择项确认的方法可显示最多80条信息，每条信息最多看包含

4个变量。可显示中文。

(2)设定实时时钟。

(3)提供强制/O点诊断功能。

(4)可显示过程参数并可通过输入键进行设定和修改。

(5)具有可编程的8个功能键，可以代替普通的控制按钮，从而可以节省8个输点。

(6)具有密码保护功能。

TD200不需要单独的电源，只需要将它的连接电缆接到CPU22X的PPI接口上，用STEP-

Micro/WIN软件进行编程。

传感器

传感器选用选用抗振、抗电磁干扰、高精度低零漂，具有温度补偿功能的传感器，即使

在持续的高强度作业时，仍然保持其应有的品质。由于实践中发现电流型抗电磁干扰能力

强，系统所有的模拟传感器都选择是电流型。

电比例手柄

手柄选用光电型电比例手柄，有X和Y双轴电压模拟量输出，并有安全开关和方向开关

等开关量输出，适合移动式起重机恶劣的工作环境。

图

手柄开关量

输出电路图

DC输入模块和接近开关

输入模块采用DC输入模块接近开关的输出类型要求与输入模块的类型相反。本设计方

案中输入模块采用PNP型，接近开关采用NPN型。

通信处理器

通信处理器采用EM277。EM277是连接SIMATIC现场总线PROFIBUS-DP从站的通信模

板，使用EM277可以将S7-200 CPU作为现场总线PROFIBUS-DP的从站连接到网络中。在

EM277中，有一个RS-485接口，传输速率从、、、、和500Kb/s-1 Mb/s，而、、12Mb/s，

可自动设置。

编程设备和软件

采用个人计算机作为编程设备，但须配置制造厂提供的专用编程软件。S7-200的编程

软件为STEP7-Micro/MIN，通过一条PC/PPI电缆将用户程序送入PLC中。

小结

本章主要对伸缩臂的电气控制系统进行了总体设计。设计出能够完成伸缩臂动作要求的

硬件电路，并对能够完成功能的各电气元件进行设计，使系统具有高的可靠性和稳定性。

结论和展望：

本文以研发适合中国国情的、中价位、高性能的大吨位轮式起重机所急需攻克的关键技

术之一—轮式起重机伸缩臂液压和电气控制系统作为研究对象。借鉴国外先进技术，成功设

计出单缸插销式伸缩臂液压和电气控制系统，引领行业轮式起重机产品技术发展方向，提升

我国起重机行业整体竞争实力。在本论文中，本人所得出的结论如下:

(1)通过比较多种伸缩臂控制机理的优缺点，最终确定了单缸插销式伸缩控制技术代表

了伸缩臂控制机理的先进技术方向。

(2)伸缩臂动作的液压控制回路采用阀控缸电液位置伺服系统，能够对伸缩臂伸缩进行

精确定位。对整个伸缩系统的液压控制回路的主要元件如主泵、阀和液压缸的主要参数进行

设计计算，并对系统的一些主要静态指标进行计算。

(3)设计出控制系统的硬件电路，对系统的主要电气控制元件进行设计计算，在满足基

本功能的条件下，使其具有高的可靠性和稳定性。

(4)采用PLC可编程控制技术，实现了通过一根双作用往复式伸缩油缸来实现起重臂的

全部伸缩动作。通过计算机控制系统的显示屏信息提示进行人机对话，实现起重臂按设定的

工作模式和逻辑程序顺序伸缩以及对起重臂伸缩状态的实时监控。

(5)建立液压系统关键控制回路的数学模型，采用AMESim模拟软件对伸缩臂位置伺服系

统以及缸销液压系统进行了分析仿真。

(6)设计出电气控制系统的控制流程图，并用西门子编程软件STEP7-Micro/MIN编制出

伸缩臂动作的自动和手动控制程序，并进行仿真验证。

本文的研究工作还只是开始，今后还应就如下方面开展研究工作:

(4)进一步进行控制系统的可视化和智能化研究。

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