坦克动力系统可靠性设计

一、简介

美国于1965年开始研制AGT1500坦克燃气轮机的同时开展了可靠性设计、分析和试验工作。设计中要求：①发动机在全速全负荷工况下，涡轮叶片的寿命为10^3h；②轴承寿命为10^4h；③采用模块设计和全部附件易接近的布局原则。

燃气轮机经台架和装车试验，累计时间分别为5488h和15200h（行驶里程约3.04×10^5km）后完成设计定型。生产和装备部队使用，至1983年生产3000台发动机时，美军按照技术条件对发动机的设计、功能、可靠性、耐久性和品质等又进行了一系列的验证、试验和全面考核；累计台架考核约1800h（三台发动机）；装车可靠性试验里程为46864km（7台M1坦克），获得的AGT1500燃气轮机的无故障概率为0.87。

前苏联于1932年开始B2坦克柴油机的研制，至1939年定型时，发动机的保险期为100h；50年代达250h，60年代为350h，至70年代提高至500h。

我国于1958年开始坦克发动机的生产和研究工作，基于当时的技术水平和掌握的信息所限，未能全面地开展系统的可靠性理论研究、分析和试验工作。但对在制造、使用和研究中出现的故障和失效，如发动机机油泵传动轴断、齿轮磨损、曲轴断裂、机体及缸盖裂纹等，都从结构、材料和工艺各方面进行认真分析，找出解决的措施直至问题得以解决。另一方面，把发动机的台架和装车考核试验，作为产品定型、生产中抽检的必经环节。20世纪50～60年代，坦克发动机的台架保险期试验为250h，70年代后提高至350～500h。

随着时间的推移，技术进步和设施的建立，从70年代中期开始，在新产品的研制过程中，相继开展了可靠性的研究和试验，如强度、疲劳、结构的三维光弹、电测应力、有限元分析和台架的振动、超载等试验。在引进计算程序基础上开展了计算与实测的对比分析。至80年代，系统地进行了可靠性研究和试验；在新研制的高功率密度柴油机的同时，编制了《可靠性维修性保证大纲》、《故障模式、影响及危害度分析》；并对可靠性指标、试验剖面等进行了研究和分析。

发动机是车辆的心脏，推进系统的重要部件和动力源。发动机的品质直接影响着车辆的总体性能及使用任务的完成。

发动机的品质是其能满足给定要求的全部特性和特征，包括性能、可靠性、维修性、经济性等。而发动机在使用过程中，其经济性又与可靠性紧密相关。

坦克发动机，特别是主战坦克用发动机，由于要求它具有高的功率密度、瞬态响应性、可靠性，低散热及良好的经济性；因此涉及许多高新技术领域，并且结构复杂。一般研制周期长达10～15年且耗资巨大。为此在新机型的研究和发展的全部过程中，必须同时开展可靠性研究，贯彻可靠性要求并实施系统的管理；这是保证获得高性能机型，按期装备，保障资金合理使用并减少或避免浪费的关键性工作。

发动机的可靠性是其本身的先天属性，是通过论证、设计、试验、制造和管理等一系列工程活动所获得，并在使用过程中显示出来的一种特性。因此，可靠性工作亦是一项系统工程。

二、可靠性指标

1.发动机可靠性指标体系

发动机由许多不同的零件组成，它们的失效机理及寿命分布各不相同，因而它是一个由许多零件组成的复杂机械系统。根据可靠性函数的分布制定原则和试验表明，其寿命基本上符合指数分布。

发动机的可靠性是由一系列评定指标来衡量，主要包括下述几大类。

（1）狭义的可靠性特征量指标　即可靠度特征量指标，如失效概率密度函数f（t）、累计失效概率密度函数F（t）、可靠度函数R（t）、失效率函数λ（t）等。

（2）寿命特征量指标　发动机常用的寿命评定主要指标如下。

①平均故障间隔时间（MTBF）发动机相邻两次故障之间的平均工作时间。

②平均首次故障时间（MTTFF）对于不可维修的产品，发生失效就意味着寿命终止，其平均寿命可用平均首次故障时间来度量。在发动机中，活塞环、气门和气门弹簧等零件，一旦发生失效就要报废，因此它们可以用MTTFF来衡量其平均寿命。

③额定寿命　发动机的额定寿命是指发动机的可靠度为90%（即累计失效率为10%）时发动机运转的小时数。

④中位寿命　发动机的中位寿命是指发动机的可靠度为50%（即累计失效率为50%）时发动机运转的小时数。

⑤大修寿命　新发动机从开始使用直到需要镗缸（或更换缸套）和磨曲轴等修理的期限称为发动机的第一次大修期。发动机厂一般要对发动机产品进行B10大修寿命（即10%的发动机达到大修水平时的运转小时数）和B50大修寿命（即50%的发动机达到大修水平时的运转小时数）试验。

（3）维修性特征量指标　如平均维修时间（MTTR）。

（4）有效性特征量指标　如可用性A等。

2.发动机采用的可靠性指标

若将前述指标均用于对发动机的可靠性进行考核，可得到一个较为完整的评价指标体系。但其工作十分复杂，数据采集和完整均困难，可操作性差，难以全面实施。因此，研制部门均根据其自身特点和实际状况，对上述指标进行选择，现将部分国家发动机采用的可靠性指标介绍于表1。

表1　部分国家发动机采用的可靠性、耐久性主要指标

表1中所列可靠性、耐久性指标定义差别，由表3-9予以说明。

表2　柴油机可靠性、耐久性指标定义差别

通常，用MTBF控制所有保修故障出现的频率；用T0.8控制致命故障、严重故障出现的频率；用B10、B50控制发动机的耐久性。

军用车辆发动机，特别是坦克发动机，对可靠性有更加严格的要求。对于一台新研制的坦克发动机，通常可从以下几方面提出其可靠性指标。

①整车可靠度的分配进行估算；

②从所给定的任务时间或对发动机零件总数量及受高的机械、热应力零件所占百分比；

③降额设计、集成和兼容的设计；

④采用的新材料、新工艺等。

将上述这些影响发动机可靠性的基本因素分析，以及过去的使用统计数据加以估计。

军用车辆发动机的可靠性指标，从使用要求和评价角度，可采用平均故障间隔时间和首次大修时间两项指标。

3.发动机故障分类

凡由发动机以外因素造成的故障，为非关联故障，它不应计入可靠性指标计算之内，但仍应如实记录，留作分析参考。常见的非关联故障包括：由于违反操作规程或维修失误造成的故障；由于超越使用说明书规定条件下使用而产生的故障，以及由于其他故障先发生而导致发生的故障（从属故障）。

凡全部或部分与发动机自身缺陷有关的故障都为关联故障。关联故障有性能下降、零件损坏、紧固失效、“三漏”和堵塞、调整失效、腐蚀或老化等方面。

故障按其危害程度分为四类。

①致命故障（Ⅳ类）可能导致人身伤亡或重要零部件报废，或造成重大经济损失的故障。如连杆、连杆螺钉断裂、飞轮碎裂及机体和曲轴报废等；

②严重故障（Ⅲ类）可能导致主要零部件损坏或不能用随机工具和易损备件在较短时间内排除的故障，或发动机主要性能超出规定范围等；

③一般故障（Ⅱ类）必须停机检修的可在较短时间内排除的一般零件（不包括非重要标准件和修理费用较低的零件）的故障；

④轻度故障（Ⅰ类）轻于上述三种故障的统归于此列。

三、可靠性设计

产品的可靠性分为狭义的可靠性和广义的可靠性两类。狭义可靠性是指产品的固有可靠性，它是在设计和制造阶段就确定下来的；广义可靠性是指产品的工作可靠性，它包括固有可靠性和使用可靠性两个方面。它们之间的关系可用下式表示：

工作可靠度=固有可靠度×使用可靠度

产品的固有可靠性是设计出来的，因此在设计中引入可靠性设计并在制造中对产品进行可靠性控制，对提高产品固有可靠性是十分有效的。

高机动性车辆发动机是一个综合、复杂的系统。随着技术发展，作战使用要求的不断提高，发动机应具有更高的功能，并在限定时间内实现产品具体化。

要求产品的性能提高、功能完善，必然导致产品零、部件数目增多。以坦克柴油机为例，见表3。面对日趋复杂且技术难度大的产品，如果仍使用以往的零部件，仍采用传统的设计方法和制造过程，产品发生故障的机会将随其零部件数目的增多而成比例增加。从而，不得不发展新技术或进行系统设计来解决这个矛盾。

表3 部分发动机的部件总数

可靠性设计是系统设计中的重要组成部分，是保证产品的可靠性更符合实际、更有效的设计方法。目前机械产品可靠性设计方法可归为三种，根据具体情况选用。

（一）借鉴于电子产品的可靠性设计和分析方法

1.降额设计和安全裕度设计

发动机零部件的工作应力低于设计值，从而降低零部件的故障率，保证整机目标实现，称降额设计。对机械零件则是加大安全系数，提高承载能力，保证零件的可靠性，以适应整机目标要求。对于重要的涉及安全性的零件，则可采用极限设计方法，保证在最恶劣的极限状态下使用也不发生故障和损坏。

（1）对曲轴、连杆、活塞等运动件必须降额；

（2）对机体、缸盖、缸套和气门导管等承力件应进行降额；

（3）轴承应对其负载和温升进行降额；

（4）对机体丝对、各种高强度螺栓等则应加大安全系数；

（5）对增压器叶轮，则应采用极限设计方法，以保证在规定的恶劣的极限状态下使用。

2.简单化和标准化

发动机属串联系统，提高整机可靠性的最基本原则是从选用可靠的零部件、材料和减少零部件数及简化结构做起。尽量采用功能简单的零部件，尽量减少零件数目，尽量采用已经成熟或标准化的零件和技术，以减少零件故障率，保证整机系统可靠性目标实现。

3.冗余设计

为完成规定的功能，增加多余的零部件或设备数，即使其中一部分发生故障，也不会引起整机或系统故障的设计称作冗余设计。如发动机的电启动和压缩空气启动系统，机油滤清器的旁通活门等。

4.耐环境设计

通过对产品所处工作环境类型、严酷程度以及对产品影响的预测和评估，进行产品强度和寿命的设计。通过耐久性试验、寿命试验、环境试验等各种可靠性试验手段，对产品的耐环境性进行数据统计，分析产品的故障、疲劳和磨损现象，进一步参照各种规范、技术标准进行设计，这是可靠性设计中最基本的方法。

强化耐环境性，自然会受到经济性的限制，协调的方法是可以考虑对产品的极端环境下采取保护措施。例如使用中遇到的高温、振动、冲击等情况时，装备调节器、缓冲器等保护装置，比强化产品本身的耐环境性更为经济。

对于新研制的发动机所进行的台架考核，热冲击，热箱，超速超负荷，纵、侧倾等试验；装车运行于高原、沙漠、海滨、严寒等地区的试验；发动机排气管的隔热，涡轮增压器隔热挡板，采用弹性支承、弹性联轴器和减振器等，均属于耐环境设计。

（二）机械产品设计的概率设计法

关于概率设计法，美国亚利桑那大学教授Kececioglu D将其划分为15个步骤。在这里仅结合其中某些步骤，对发动机的概率设计进行介绍。

1.使用剖面

车辆发动机的工作剖面，由台架试验剖面和所装车辆的使用剖面所构成。对于军用车辆则含寿命剖面和任务剖面。

2.发动机可靠性模型

（1）往复活塞式发动机　通常由增压器、中冷器、输油泵、燃油滤、喷油泵、喷油器、水泵、机油泵、机油滤、曲轴、连杆、活塞组、机体、汽缸盖、配气机构、传动机构等单元组成的系统。涡轮增压柴油机可靠性模型见图1。

图1涡轮增压柴油机可靠性模型

（2）燃气涡轮轴发动机　通常由启动电机、高压压气机涡轮、回热器、输油泵、燃油滤、燃油定量泵、喷油嘴、燃烧室、机油泵、机油滤、低压压气机涡轮、动力涡轮、减速机构等单元组成的系统。燃气涡轮轴发动机可靠性模型见图2。

图2　燃气涡轮轴发动机可靠性模型

3.发动机可靠性数学模型

根据试验结果，发动机经全部使用期，其系统故障率近于指数分布，故其可靠度函数为

R（t）=e-λt

式中　λ——故障率；

t——时间。

4.可靠性分配

（1）可靠性分配的约束条件　将发动机整机可靠性指标分配到各分系统一级，并按下列约束条件进行

①整机系统故障率必须等于各分系统和零部件故障率之和，即

②所有系统和零部件的可靠度都必须分别大于整机系统的可靠度，即

R（t）=P（t1>t）P（t2>t）…P（ti>t）

（2）可靠性分配方法

①根据上述约束条件，将新研制机型的分系统和零部件，参照同类机型或原准机的故障率统计值 （如12V150L柴油机分系统和零部件故障率，见表4），并结合新研制机型的性能、强化程度和结构特点进行分配。

表4　12V150L柴油机分系统和零部件故障率

②采用专家评分法进行可靠性预计或分配。

（3）示例　现以增压柴油机的几个部件为例。

①故障率分配

a.曲柄连杆机构　曲柄连杆机构由固定件和运动件组成。固定件由上箱和下箱（即机体）以及缸盖组成；运动件由活塞、连杆、曲轴（含减振器）等组成。可靠性框图如图3所示。

图3　曲柄连杆机构可靠性框图

所以曲柄连杆机构故障率λa

b.润滑系　润滑系主要由机油泵和机油滤组成，可靠性框图如图4所示。

图4　润滑系可靠性框图

所以润滑系统故障率λb

λb=0.0003+0.000025=0.000325

c.供油系　供油系主要由输油泵、柴油泵、喷油泵（含喷油泵安装和管路系统）、喷油器（含喷油器安装和管路系统）等组成，可靠性框图如图5所示。

图5　供油系可靠性框图

供油系统故障率λc

②研制机型与相似机型故障率列表比较。以新机型与12V150L故障率比较为例，见表5。

表5　新机型与12V150L故障率对比

由表5可见：新机型分系统的故障率已经接近，以致低于原准机型的故障率，这是由于研制机型结构改进所致；由于原准机型的故障率统计数据不全，加之无其他同类机型的故障率参考，因此，可靠性分配和预计必然存在一定的不确定性。可靠性分配过程本身也必然是：预计—分配—再预计—再分配的过程。根据分配的故障率和任务时间，则可计算出各分系统的可靠度。

5.故障模式、影响及危害度分析（FMECA）

（1）已给出故障分类，并将发动机故障按其危害度分为四类，即对各种故障危害的严酷程度进行了确定。

（2）确定各种故障模式的故障概率等级，对装甲车辆发动机分成以下等级：

A级（经常发生），即故障模式出现的概率大于总故障概率的0.2；

B级（很可能发生），即故障出现的概率为总故障概率的0.1～0.2；

C级（偶然发生），即故障模式出现的概率为总故障概率的0.01～0.1；

D级（很少发生），即故障模式出现的概率为总故障概率的0.001～0.01；

E级（极不可能发生），即故障模式出现的概率小于总故障概率的0.001。

（3）填写故障模式、影响及危害度分析（FMECA）表，示例见表3-14。对表3-14所列故障模式在设计过程中要进行检查，看是否最大限度地做到了预防和改正，在试验过程中要对照进行检查，最大限度地做到预防，观察其征兆出现和防止发生。

表6　故障模式、影响及危害度分析表（仅给出一个部件）

（4）危害性矩阵　根据表6，绘制危害性矩阵图，见图6。

图6　危害性矩阵图

①危害性矩阵是用来确定每一故障模式的危害程度并与其他故障模式相比较，为确定补偿措施的先后顺序提供依据。

②FMECA的结果可确定可靠性关键件和重要件。这些是改进产品设计的主要目标，是详细分析、增长试验、可靠性应力分析的主要对象。

③根据FMECA结果找出了薄弱环节，有助于设计人员考虑在薄弱环节上是否采用冗余技术。

④FMECA工作是设计评审必需的主要内容。

四、可靠性试验

可靠性试验是考核发动机在给定条件下，规定时间内完成规定功能的试验。通过对试验结果的统计和失效分析，对发动机进行可靠性评价，找出薄弱环节，提出改进措施。

1.可靠性试验

（1）目的　为了评价发动机零件、部件和整机的可靠性，应按规定的方法进行可靠性试验，并对试验结果进行统计处理，从而获得其可靠性参数。

（2）可靠性试验与耐久性试验

①发动机传统的耐久性试验的目的只是在做产品鉴定或质量抽查时，在规定的时间内，产品发生的故障数与性能下降不超过规范要求。由于耐久试验仅是通过性试验，因此数据处理比较简单。

②发动机可靠性试验则要对某一批产品的可靠性进行推断，因此要采用严格的数理统计方法，才能得出较为可靠的结论。

③耐久性试验所用样机（样本）数量一般只用一台，而可靠性试验用样本数要求有一定的数量，才能满足置信度要求。

2.可靠性试验分类

发动机可靠性试验一般分为四类。

（1）寿命试验

寿命试验是在规定试验条件下，模拟实际使用工况而进行的试验。

①寿命试验的目的　确定发动机的寿命分布；求出发动机的各项可靠性指标；研究产品的失效机理。

②寿命试验的类型

a.完全寿命试验　试验进行到被试验样机完全失效为止，所得到的是完全样本。发动机整机寿命试验一般不采用完全寿命试验，因为整机是可修复产品，很难定义出“完全失效”的含义。

b.截尾试验　又称不完全寿命试验，其中又分为定时截尾试验和定数截尾试验。

（2）装车使用试验。

（3）特殊试验。

（4）环境试验。

3.可靠性试验的规范（剖面）

所选择的试验规范要尽可能接近发动机实际使用时的工况。下面主要介绍几种典型的台架试验规范；装车试验的剖面因随不同的车型而异，故此处不作介绍。

（1）耐久性试验剖面

①英国雷兰德（Leyland）汽车公司柴油机试验规范　试验时间为1500h，分三个阶段进行，每个阶段为500h，其试验规范列于表7。

表7　英国雷兰德汽车公司柴油机试验规范

②英国里卡多（Ricado）公司对不同用途发动机采用不同循环进行试验

a.2.25h循环，运转1000h。其中，全速全负荷运转20min，最大扭矩45min，调速器超速运转5min。试验规范见表8。

表8　英国里卡多公司2.25h循环试验规范

b.2h循环，运转1000h。其中，全负荷最大功率20min，全负荷最大扭矩30min。试验规范见表9。

表9　英国里卡多公司2h循环试验规范

③美国康明斯公司试验规范

a.全速全负荷试验 3台柴油机通过1000h试验。

b.混合循环试验 1台柴油机作550/575h混合循环试验。

标定转速为2500r/min时，按下列循环运转550h。试验规范见表10。

表10　康明斯公司550h试验规范

标定功率为2200r/min时，按下列循环运转575h。试验规范见表11。

表11　康明斯公司575h试验规范

④350h台架考核试验剖面　

试验的总延续时间为700h，前350h作为验收产品的依据，后350h作为产品改进性能的考核。试验由35个独立的循环组成，每个循环的试验时间为10h。试验剖面见图7。

图7　350h台架考核试验剖面（T为试验时间）

剖面中每个循环的说明见表12。

表12　剖面中每个循环说明（一）

前350h试验期间，不得更换零部件和没有局部拆卸（但允许更换1～2个喷油嘴，以及一般外部的螺柱、螺母及卡箍等小零件）。350h后允许功率下降4%。

上述规范为前苏联制定，当今俄罗斯已发展为500h台架考核试验规范，主要用于坦克发动机的考核试验。

⑤400h台架考核试验剖面　考核试验时间分为4个阶段，每一阶段为100h，由10个循环组成，每个循环的时间为10h，试验的剖面见图8，剖面中每个循环的说明见表13。

图8　400h台架考核试验剖面

表13　剖面中每个循环说明（二）

在完成400h耐久考核期间，发动机出现下种情况，则试验予以终止。

a.由于零部件的损坏，导致试验无法进行或引起不可排除的功率损失，即达不到标定功率的95%。经排除后重新试验，其时间从0计算。

b.出现重要的故障，通过在规定的维修、调整之后，仍达不到标定功率的95%。

400h台架试验后，功率允许下降5%。

上述规范为北约（NATO）国家制定，主要用于坦克柴油机的耐久考核试验。

⑥NJ 289—83柴油机台架考核试验规范　本标准是我国机械工业部标准，共分为四种，这里仅介绍标定功率为1h功率和15min功率的柴油机试验循环工况。

a.标定功率为1h功率的柴油机　每8h为一个循环，运转40个循环后按标定工况连续运转180h，共500h为1个大循环。重复进行4个大循环，总运转时间为2000h。试验规范见表14。

表14　机械部标准NJ 289—83柴油机台架试验考核方法中标定功率为1h功率柴油机的循环工况

b.标定功率为15min功率的柴油机　每2h为一个循环，共运转1000h。试验规范见表15。

表15　机械部标准NJ 289—83柴油机台架试验考核方法中标定功率为15min功率柴油机的循环工况

 

（2）装车考核试验　台架考核试验只能模拟使用中的一些主要工况，与实际使用工况仍有差异，因此对新研制的机型除台架考核试验外，还要进行装车考核（使用）试验。这样获取的可靠性数据，才是评价发动机可靠性的最终数据。

对于履带装甲车辆，通常考核里程为10000～12000km，对于轮式装甲车辆为30000～50000km。

亦可采用对新研制机型所装车辆进行故障跟踪、记录使用时间、故障发生时间、失效形式、修理时间、修理费用等来获取可靠性数据。

（3）特殊试验　为了确定发动机在最恶劣的极端工作条件和工况下，发动机零部件的安全裕度以及发动机在其工作范围边界状态时的寿命与可靠度，发动机还应进行几种必需的特殊试验。

特殊试验的目的是，一方面可以发现设计和制造中的薄弱环节；另一方面可以得到为保证整机可靠性寿命达到某一预定期限必须给发动机限定的极限工作条件。

在进行发动机研制和检查过程中，常用的特殊试验有六类。

①超速试验　为了考核发动机超速时，配气机构、连杆螺栓等零件工作可靠性。如日本五十铃10PAI型柴油机（D×S=115mm×120mm），设计转速为2800r/min，其超速能力要求瞬时超速50%，连续超速20%。

②超水温（耐热性）试验　五十铃公司为了考核10PAI型柴油机在偶然事故短期超水温工作条件下能否可靠运转，将它的冷却系统加压，使水温升到120℃，连续运转30min，如果此时活塞外形仍与气缸套配合良好，第一道环没有结焦，顶部没有金属熔化痕迹，则说明该柴油机通过了超水温试验。

③超负荷试验　非增压车用柴油机由于最大功率工况的过量空气系数很低，因此一般很难以大幅度超过15min功率的超功率进行考核，而采用超爆发压力或15min功率工况持续考核。

以五十铃10PAI为例，其设计规定超负荷能力以爆发压力12.75MPa时可连续运转2000h为标准。

Benz OM403型发动机在小批试制过程中，为了进一步考核其可靠性，加速暴露结构上薄弱环节，在一部分装车考核试验的小批样机中采用特殊的废气涡轮增压装置，将爆发压力提高到14.71MPa（正常非增压产品为6.865～7.85MPa），使零件机械负荷人为地提高1倍。

英国里卡多公司规定新产品样机需进行超负荷10%，持续运转1000h考核，这对非增压柴油机是相当严酷的。

④变负荷短循环试验　这项试验的主要目的是考核高负荷零件的抗疲劳能力和气缸盖垫片的密封性。它是一项促进暴露问题的试验，一般以气缸垫片损坏前能经受的循环次数为衡量标准。如卡特彼勒3400型发动机的循环周期为4min，其中包括高转速、全负荷、最大扭矩和怠速4种工况。英国里卡多公司的变速短循环试验时：怠速2～4min、全负荷4～5min为一个循环。

⑤热箱（Hot Box）试验　试验的主要目的是评定发动机在高温条件下的寿命。它采用较高的进气温度（68.5～71℃）和出水温度（99～101.7℃），大大提高了柴油机的热负荷，并使柴油机以标定工况持续运转，因而能够较快地评定活塞、活塞环和缸套拉缸的可能性。

⑥特殊的可靠性试验　除了上述可靠性试验外，各种柴油机还根据各自的使用特点进行各种特殊试验。

倾斜运行试验：在专门的纵倾斜和横倾斜试验台上，模拟在陆用机械爬坡或船舶在恶劣气候和海面条件下发动机纵倾横摇的运行状态，保证发动机能可靠运行。

浸水试验：模拟坦克潜渡时，处于热的运行状态的风冷柴油机突然浸入水中，以克服气缸与气缸盖是否因热应力造成破裂；风扇等在不同密度的流体介质中能否自动脱开或能否防止损坏。

（4）环境试验　试验的主要目的是评定发动机对环境的适应性，主要有海拔能力、冷启动性和储存温度等试验。

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