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橙子大小分级机构设计

橙子大小分级机构设计

摘要

我们国家盛产橙子,一般情况下是机械化完成其大小分配的,这与我们的生产工艺是相符的。

目前橙子品种很多,但不同品种的橙子密度差异甚小,若按重量和大小分级结果基本一致,因此,按大小对橙子分级是合理的,科学的。

本课题设计的滚筒式橙子分级机,在机器工作的时候,橙子在滚筒的内表面和外表面运动,相对运动较小,对橙子的损伤较小。

此法适用于球形或近似球形的物料的分级,从结构上较易实现,成本较低,分级精度较高,在国内外应用较广。

关键词:

滚筒分级机,橙子,栅条,结构设计

Abstract

ThenumberoforangeproductioninChinaarelarge,andthegradingaccordingtotheweightandsizeoftheworkisdonebymachines.Atpresent,manyvarietiesoforangesoranges,butdensitydifferencesofdifferentvarietiesofverysmall,ifyouaregradedaccordingtosizeandweightresultsarebasicallythesame,therefore,accordingtothesizeofanorangegradingisreasonable,scientific.Thismethodissuitableforgradingsphericalornearsphericalmaterial,fromthestructureismoresimple,lowcost,highgradingprecision,andiswidelyusedindomesticandabroad.

Keywords:

rotarydrumgrader,orange,grizzlybar,physicaldesign

1前言

1.1引言

我国水果的种类繁多产量大,近二十年来发展特别的迅速。

据我国官方数据显示,21世纪初我国水果总量已达到了15000吨,较以前已经有了一个长足发展,水果产业已经成为我国南方主产区农村经济的一大支柱产业,为促进农民增收、扩大城乡居民就业和改善生态环境做出了积极贡献。

即便我国有着基数很大的水果产量,由于国情原因,现在水果价格相对较低,并且经常出现滞销的现象,果农经常受到巨大的经济冲击,同时我国水果的出口率是很低的,这也是制约我国水果发展的短板。

我国水果市场竞争力差的主要的因素就是,我国水果商品率低,包装差,整体的外观欠佳。

水果采后商品化处理包括:

清洗、打蜡、分级、包装。

分级在水果的商品化中占有重要的地位,由于技术的革新在分级化处理中,发生了巨大变化。

清洗、打蜡技术在应用中已经比较成熟,只有分级技术在水果的商品化环节的应用中还不够成功。

水果外部品质的主要分级指标是水果的果形、大小、色泽、表面质量和颜色,本课题针对橙子大小进行分级研究,以提高生产力,提高水果质量,加快水果采后商品化的国际进程。

1.2国内外分级机械的研究与发展

1.2.1国外分级机构的发展现状

依照CCD相机,应用计算机分析等技术条件对每一个水果进行检测,同时得到客观的结论在分级,这是国外应用较早的技术手段。

机器的视觉技术在农产品内部品质的探测的应用,正成为国内外竞相研究热门课题。

现在的一些光学的检测手段正在应用到水果的品质检验当中去,这些检测技术连同信息的处理技术正在为水果的检测提供便捷。

人工神经网络技术是模仿生物大脑结构和功能而构成的信息处理技术,在机器视觉系统中应用可以提高品质识别的智能性。

德国发明的分级机机构,其分级的精度是非常高的,并且其紧凑的结构的设计,可以有效地减少果实损伤的几率,其核心技术是应用了一种先进的测量仪器,并且此种机构把水果的商品化的工艺缩短了近一半的时间。

美国Autoline公司的水果分级设备在世界上处于领先地位,其产品已经系列化(5个型号),能够按照重量、颜色、形状分级,传送通道可以多达9道,出口可达60个,每道的最高传送速率为12个/秒,其传输系统可以容纳不同尺寸的水果,其视觉系统采用两架单色相机,能计算出水果的三维尺寸。

西班牙Aleixos使用多光谱相机检测柑橘,图像在两块DSR中并行运算,颜色识别正确率达94%,由于损伤处和正常处的热辐射不同,用热红外线图像对损伤的判别准确率达100%,实验证明,在损伤后30-180s时,擦伤处和正常处至少有1-20度温差,但热红外线图像必须在环境温度变化下才可以检测。

Italy-001-A型分级机是一种先进的分级机构,能够按照果实的大小进行很好的分类处理,其核心的部件就是一条传送带,其上面有很多的孔,其网眼中的孔径是无级变化的,网眼在最左边时,孔径最小,传送带向右运行时,网眼孔径也就随之增大,到达最右边时,孔径最大。

当传送带从下端向回运行时,网眼孔又由大变小。

就是说,传送带上的网眼孔径就像照相机的快门那样,随着传送带的运行方向不同,可以由小变大或由大变小。

果实最先落在传送带左边时,小的果实漏下来,随着传送带的向右运行,大的果实开始落下,这样就将果实由小到大进行了多级分级。

美国Kavdir等使用神经网络算法对柑橘进行分级,把缺陷和物理特征作为神经网络分类器的输入参数,对橙子,柚子分级的准确率为98.5%,利用ANN的泛化功能,对橙子的彩色RGB图像,结合颜色和果形分析,获得鲁棒性,实时性的分类结果。

日本三菱电器公司研制的水果成熟度分级机,是利用传感器综合测出梨的表面颜色、对特定光的透光率、形状和大小,并与事先贮存在计算机中的优良梨的数据进行对比,推算出成熟度和含糖量,但是大小分级是其基础。

[1]

1.2.2国内分级机构的发展现状

分级技术在我国大体可分为引进、消化、吸收三个阶段,80年代以前是主要以引进为主,国内的分级技术的研究几乎为零;随着技术的进步,我国制造业逐步发展成熟,同时国内开始意识到了分级机构在农业生产中的重要性,逐步的引进国外的生产设备,同时国内的一些机构或者企业开始学习研究国外的技术,经过具体的测绘分析,对于分级技术的认识有了一个飞跃的发展,90年代以后,根据市场对分级机构性能的要求的提高看,于此同时国内对于此种技术的研究已经积累了相当的经验,开发出了许多自主知识产权的产品。

但尽管如此,与发达国家相比,中国目前在分级领域仍然存在大型设备不足、工艺控制技术落后、磨耗和单位产品能耗偏高、特殊粒形的生产工艺和设备落后等问题。

[2]

在近几十年水果分级研究中,我们已经积累了足够经验,并且可以说硕果累累,许多产品性能指标已经赶超国外很多产品。

水果分级机器人的研究成功,将有利于改变国产水果和农产品的外观质量较差,同一批产品中良莠不齐,混等混级等现状。

若以我国苹果产量的50%(约3000万吨)通过自动分级处理来说,每公斤大概可以增值0.2元,那么总量即能够增值6亿元。

可想而知,这对提高我国水果的品质,增强参与国际竞争的能力,并大大降低工人的劳动强度,具有重要的理论意义和实际意义,并能创造巨大的经济效益和社会效益。

1.3课题研究意义

我国是水果生产大国,自动分级技术对提高我国生鲜水果的市场竞争力有很大的帮助。

特别是90年代以来,我国的水果产量明显提高,水果生产已经成为中国农村的支柱型产业,成为缩小城乡差距和农民增产增收的重要途径。

对水果大小分级的研究,在国内还不是特别的完善,对橙子分级的研究可以明显的提高水果产后商品化的价值,增加中国水果的国际竞争力,提高生产效率。

因此我们选择了栅条滚筒式分级机。

它与目前普遍采用的振动滚筒式分级机相比具有以下一些优点:

①结构简单;②效率高;③价格低廉;④功耗小;⑤伤果率低;栅条滚筒式分级机存在的缺点是分级精度不高。

[3]

1.4课题研究内容

1)本文研究橙子大小分级机工作原理以及主要部件组成和结构;

2)通过对主要零部件的更换,可以达到筛分不同的大小物料的目的;

3)物料特性的研究,测定不同品种、不同地区主产橙子形状及外形尺寸,根据相关标准确定分级筛尺寸。

1.5本章小结

我国是水果生产大国,橙子年产量达近千万吨,居世界之首,但采后处理能力不到总产量的15%,水果分级机的发展已经成为制约我国农业出口发展的主要原因。

本章详细分析了水果分级机械的国内外研究与发展的情况,阐述了课题研究的目的和意义,并明确了本课题的研究内容。

2栅条滚筒式分级机总体方案分析

2.1分级装置的类型

(1)锥辊式分级装置

锥辊式分级装置采用的是一对相对转动的锥形辊,如图2.1(图中各参数的单位为mm),橙子在两锥形辊的带动下不停地上升和下落,同时,橙子在重力和上端橙子对其侧向挤压力的共同作用下沿锥形辊向下移动,直至两锥形辊的间隙大于橙子的直径时,橙子通过间隙落下。

[4]

1.锥辊2.橙子

图2.1锥辊式分级原理图

Fig.2.1Conerollertypeclassificationprinciplediagram

该装置分级效果不好,因为:

①果实大量喂入时,上层的橙子无法及时地与下层橙子进行交换,造成前一级橙子在后一级甚至后几级才被分离出去,出现分级混杂、混级率增大的现象。

②由于大多橙子是椭球形的,这些橙子在下滑的时候,会因下滚姿态的不同,而在不同的位置下落,从而造成分级误差。

(2)圆孔筛分级装置

图2.2是圆孔筛分级原理图,该圆孔筛与水平线的夹角为α。

筛孔由右往左逐渐变大,橙子在重力和离心力的共同作用下沿筛壁下滑并通过合适的孔口落下。

该圆孔筛的转速范围为:

R—橙子半径m,n—圆孔筛转速r/min

图2.2圆孔筛分级原理

Fig.2.2Sieveclassificationprinciple

该结构存在一个致命缺陷:

在机构工作过程中,如果加入就太多橙子,就很有可能把筛孔给堵塞。

(3)平面振动筛分级装置

图2.3为平面振动筛装置简图。

该振动筛分级装置是由三个筛子组成。

筛子振动时,橙子与筛面产生相对滑动,尺寸小于筛孔的橙子有可能通过筛孔,掉入下筛,其余的留在筛面上,并沿筛面流向一侧,由集料口收集。

[5]

经过试验的验证,在筛分橙子大小的过程中这种设计结构的效果是欠佳的。

 

图2.3平面振动筛装置简图

Fig.2.3Schematicplanevibrationsieve

(4)栅条滚筒式分级装置

如图2.4所示,筛分部分由三段滚筒组成,每段滚筒的栅条间隙不同,第一级到第三级栅条的间隙逐渐增大。

橙子在筛筒内轴向随着滚筒一起做圆周运动;轴与橙子具有弹性而且筛筒与水平面有一定的夹角所以作曲线或直线运动。

当橙子到达筛筒时,厚度尺寸小的橙子在离心力的作用下从第一级被分离出来,厚度尺寸大的橙子在滚筒的带动下运动到下一级继续筛选,如此重复直到第四级橙子从侧面分出为止。

图2.4栅条分级滚筒结构图

Fig.2.4GridClassificationdrumstructurediagram

2.2滚筒式分级机

2.2.1工作原理

滚筒式分级机由进料机构、滚筒筛体、卸料斗和传动机构等组成,滚筒体倾斜角β可调。

栅条滚筒式分级机的筛体分部分由三段滚筒组成,每段滚筒的栅条间隙不同,第一级到第三级栅条间隙逐渐增大。

橙子在筛筒内轴向随着滚筒一起做圆周运动;轴向上由于橙子具有弹性而且筛筒与水平面有一定的夹角所以作曲线或直线运动。

当橙子进入筛筒时,厚度尺寸小的橙子在离心力的作用下从第一级被分离出来,厚度尺寸较大的会在滚筒的带动下运动到下一级继续筛选,如此重复直到第四级干果从侧面出料斗分出为止,从而达到分级的目的。

工作时,被筛物料由喂入斗装入筛筒内,随旋转的筛筒内壁上升,至一定高度后松散落下,如此反复进行,连续进入筛筒内的物料受压力和松散性的影响,逐步向筛筒另一端的出口移动;同时,在这一过程中小于栅条间隙的物料通过栅条间隙漏出,被配置在筛筒下部的振动输送装置运至筛下物出料口,大于栅条间隙的物料被带到筛分的另一端通过筛上物出料口流出完成分级过程。

2.2.2结构分析

滚筒式分级机主要由分级滚筒、支承装置、传动装置、收集料斗、清筛装置五部分组成。

图2.5滚筒式分级机

Fig.2.5Drumtypeclassifier

(1)分级滚筒

它是该设备的主要构件,用直径为10mm的钢管焊成圆柱形转简。

转筒按分级需要设计成几节。

节数为需分级数减l,各节栅条间隙不同,而同一节栅条间隙一样。

整个转简上进料口端孔径小,出料口端孔径大。

各节用连接滚圈连接以起加强作用。

每节转筒下装有一个收集料斗。

(2)支承装置

由滚圈3、摩擦轮4、机架7和轴承组成。

滚圈3固定在滚筒2上,并将简体重力传递给摩擦轮4,整个设备由角钢焊成的机架7文本。

(3)传动装置

目前有如下三种。

第一种:

采用电动机通过皮带轮、变速箱、链轮及一对齿轮传动,而其中一个大齿轮就连接在滚筒出料口的边缘上,另一个小齿轮则与传动系统相连接作为主动齿轮,把动力传给大齿轮而驱动滚筒转动。

这种传动方式加工制造比较麻烦,由于滚筒直径较大而使转动不平衡,齿轮上的润滑油也往往滴在转筒中污染物料,故目前已逐渐被淘汰。

第二种:

中间轴式传动。

滚筒的中心线上没有传动轴,用支臂与滚筒连,传动系统把动力传至中心轴,由中心轴带动滚动轴转动。

这种传动方式比第一种简单,但因滚筒较长,其中心轴也长,在滚筒中间又很难设置中间轴承,因此,若中心轴的刚度稍差,则往往产生扰动而使滚动的运行不平衡。

同时,由于水果有时和中心轴及支臂碰撞而产生机械伤,故目前使用这种形式的亦逐渐减少。

第三种:

摩擦传动。

摩擦轮4(见图2.5)装在一根轴上,滚筒两边均有摩擦轮,并且互相对称,其夹角为90°,长轴一端(主动轴)与传动系统相连,另一端装有托轮,不与传动系统相连,主动轴从传动系统中得到动力后带动其上的摩擦轮转动,摩擦轮紧贴滚圈3,滚圈3固定在转轴上。

因此,摩擦轮与滚圈互相产生的摩擦力驱动滚筒转动。

水果在滚筒内向出口处的运动靠滚筒内装置螺旋卷带或使滚筒有一倾斜角度来实现。

苦水果是圆形或近似圆形时,采用后者为宜。

物料滚动性差的,可采用前一种方法。

运转时,滚筒上的小孔往往被原料堵塞而影响分级效果,因此常常在滚筒外壁装置木制滚轴,木制滚轴平行于滚筒的中心轴线,用弹簧使其压紧滚筒外壁,由于木滚轴的挤压,把堵塞在小孔中的原料挤进滚筒中。

(4)清筛装置

一般物料的清筛装置,可以选择水冲式或毛刷式,工作时原料应通过滚筒相应栅条间隙流出,才能达到分级的目的,但对于尺寸较大的如蘑菇,栅条间隙往往被物料堵塞而影响分级效果。

因此,要根据所分级物料的实际情况,安装清筛装置,将堵在栅条间隙中的物料挤回滚筒内。

通常在滚筒外壁平行于其轴线安装一个木制滚轴,木辊的支撑可采取通心轴式或自身轴式,在弹簧作用下压紧在滚筒外壁来达到清筛目的。

分级时,在传动系统作用下,通过摩擦轮和滚圈使滚筒回转,当物料从进料斗1加入后即随滚筒一起回转,小于第一级栅条间隙的物料落入第一级收集料斗中,大于最后一级栅条间隙的物料从滚筒排出进入最后一级料斗。

2.3滚筒式分级机的工艺参数分析

2.3.1设计参数的确定

料斗可采用0.5~1mm的不锈钢板制造,为方便清洗和防止阻塞,在出料口位置设计有清洗门,可将上面板和料斗板进行铰链接。

虽然各厂都采用滚筒式分级机对同样原料进行分级,但使用效果不同,不同效率相差较大。

其主要原因是对参数掌握不好,各级间互相配合不当之故。

本次使用效果较好的一组参数。

滚筒的倾斜角度取3°~5°;滚筒直径与长度之比为1:

(4~6);滚筒上的筛孔排列用正三角形排列;滚筒的转速10~15r/min,一般不超过30r/min;滚筒筛孔直径根据原料情况和分级要求而定。

2.3.2生产能力分析

生产能力G可由下式计算

(2-1)

式中G——生产能力,t/h;

Z——滚筒上栅条间隙总数;

A——在同1s内从筛孔中掉下物料的系数。

因分级机形式和物料性质不同而异,滚筒式分级机可取1.0%~2.5%;青豆取大些,橙子取小些;

m——滚筒内物料平均质量,g。

2.3.3尺寸分析

从式(2.1)可知,G与Z、

和m成正比。

设计时,G是由厂方或任务书规定的,处理的物料一般已事先确定,通过测定可得m,然后根据(2-1)求得Z,即是滚筒上所需的栅条间隙总数。

但由于各级栅条间隙不同而滚筒直径相同,所以这个栅条间隙总数不能平均分配在各个级中,而应根据工艺要求决定分成不同间隙大小的多少级别。

再依级数设每级间隙数,确定同一级中栅条间隙数。

取1000个橙子进行总体称重,求出橙子的平均重量,再分别求出1000个橙子中的最大直径和最小直径进行直径测量,并求出平均直径,得到下表:

表2.1橙子直径与孔径安排

Table2.1Thediameteroforangeandboreofthemachine

分级

一级

二级

三级

橙子直径d(mm)

46

53

66

各级孔径d(mm)

50

60

70

所有橙子的平均重量m(g)

150

从理论上说,每级的钢管数之和应等于栅条间隙数Z,每级长度之和就是所设计的滚筒长度。

但有时计算出的滚筒直径,各级都不相同,无法联接在一起。

因此,一般是取滚筒中直径最大的一级作为整个滚筒的直径,其他各级因直径增大了,可把钢管直径或栅条间隙距离适当放大即可。

在初步确定了滚筒的直径和长度后,用直径比长度=1:

(4~6)进行校核,若不在这范围内,就应重新调整每级栅条间隙数,以达到此比例范围内为止。

2.4滚筒式分级机设计时应注意事项

(1)用摩擦轮传动虽好处很多,但滚圈与摩擦轮之间因摩擦会产生铁屑掉进滚筒里,直接污染产品,设计时必须充分注意这点。

(2)滚筒内物料升高主要是靠滚筒转动和物料对滚筒内壁的摩擦力,因而升角不高,只有40°~45°。

这样,滚筒直径虽大,但其筛面利用率只有1/6~l/8,其余占滚筒的大部分筛面并没有被利用。

若能把升角提高,就能提高筛面利用率,有些厂采取在滚筒中紧贴筛面焊上几根管子的办法,效果较显著。

(3)筛面的倾斜度对生产率影响较大。

对圆筒筛,其轴线应与水平面成3°~9°的倾斜角。

(4)滚筒式分级机工作时很平稳,但其筛孔易堵塞,机械占地面积很大,在同等生产能力是,其尺寸比平筛大得多,金属消耗量大,同时对原料的适应性差,要设清理装置。

(5)滚筒上面的滚圈或连接圈。

目前多用角钢弯制,由于椭圆度的存在,在滚筒转动时会有所跳动,若滚筒跳动使物料离开筛面的话,会影响分级,所以采用浇铸滚圈的方法更为理想。

2.5本章小结

本章首先分析了分级机核心部件分级装置的类型,通过对比其优缺点,选取栅条滚筒分级机做为分级机的分级装置;同时阐述了滚筒式分级机的工作原理及其结构,分析其工艺参数和在设计过程中应多注意的事项,为下面章节结构设计打下铺垫。

3动力传输部件的选择与设计

3.1电动机的选择

目前市场上电动机的类型有很多,按结构和工作原理可以分为:

直流电动机、同步电动机、异步电动机。

根据研究本次重点讨论一下两种:

直流他励电动机和三相异步电动机。

3.1.1直流他励电动机

直流电动机有一下特性:

1)靠改变外电路外串电阻调节速度机械特性软,电阻越大特性越软,稳定性能越低,空载时调速范围不大,调速电阻耗电量较大,很少应用;

2)改变电动机电枢供电电压U:

电压连续变化可实现无级调速,一般额定电压以下调节;调速特性与固有特性平行,机械特性硬度不变,稳定度高,适合恒转矩;

3)改变主磁通:

无级平滑调速,额定功率以上调速,调速范围不大,恒功率调速。

3.1.2三相异步电动机

1)调压调速:

可以无级调速但是调节范围不大;

2)转子电路串电阻:

简单可靠,属于有级调节,但是低速是功率损耗较大;

3)改变磁极对数:

体积稍微大,价格较高,属于有级调节,结构简单,效率较高,特性好,调节时所需附加设备较少,中小型机电联合调速。

3.1.3选择的电动机

查表可知,电动机的选择为:

电动机的型号Y90L—6;额定功率1.1KW;满载转速910r/min;质量25kg。

3.2联轴器

联轴器用来把两轴联接在一起,使机械运转时不能分离;只有机械停车或将联轴器拆开后,两轴才能分离。

根据各种相对位移有无补偿能力联轴器可以分为刚性联轴器和挠性联轴器两大类。

挠性联轴器又可以分为有弹性元件的挠性联轴器和无弹性元件的挠性联轴器。

表3.1WS型双十字万向联轴器的参数

Table3.1ParametersofWStypedoublecrossuniversalcoupling

型号

额定转矩

T(N×m)

d(H7)

D

L0J1型

重量(Kg)Y型

转动惯量Y型

WS5

140

19

40

164

24.0

1.04

3.3链传动

3.3.1链传动简述

链传动是啮合传动,平均传动比是准确的。

它是利用链与链轮轮齿的啮合来传递动力和运动的机械传动。

链条长度以链节数来表示。

链节数最好取为偶数,以便链条联成环形时正好是外链板与内链板相接,接头处可用弹簧夹或开口销锁紧。

若链节数为奇数时,则需采用过渡链节。

在链条受拉时,过渡链节还要承受附加的弯曲载荷,通常应避免采用。

齿形链由许多冲压而成的齿形链板用铰链联接而成,为避免啮合时掉链,链条应有导向板(分为内导式和外导式)。

齿形链板的两侧是直边,工作时链板侧边与链轮齿廓相啮合。

铰链可做成滑动副或滚动副,滚柱式可减少摩擦和磨损,效果较轴瓦式好。

与滚子链相比,齿形链运转平稳、噪声小、承受冲击载荷的能力高;但结构复杂、价格较贵、也较重,所以它的应用没有滚子链那样广泛。

齿形链多用于高速(链速可达40m/s)或运动精度要求较高的传动。

图3.1链传动

Fig.Chaindrive

3.3.2链传动的设计

传动比i:

链的传动比一般≤8,在低速和外廓尺寸不受限制的地方允许到10。

如传动比过大,则链包在小链轮上的包角过小,啮合的齿数太少,这将加速轮齿的磨损,容易出现跳齿,破坏正常啮合。

通常包角最好不小于120。

传动比i=2~3.5

(2)链轮齿数z1和z2 首先应合理选择小链轮齿数z1。

小链轮齿数不宜过少,过少时,传动不平稳、动载荷及链条磨损加剧,摩擦消耗功率增大,铰链的比压加大及链的工作拉力增大。

但是z1不能太大,因为z1大,z2更大,不仅增大传动尺寸,而且铰链磨损后容易引起脱链,将缩短链的使用寿命。

因为若链条的铰链发生磨损,将使链条节距变长、链轮节圆d'向齿顶移动。

节距增长量Δp与节圆外移量Δd`的关系。

由此可知Δp一定时,齿数越多节圆外移量Δd`就越大,也越容易发生跳齿和脱链现象。

大链轮齿数z2按z2=iz1确定,一般应使z2≤120。

在选取链轮齿数时,应同时考虑到均匀磨损的问题。

由于链节数最好选用偶数,所以链轮齿数最好选质数或不能整除链节数的数。

(3)链速和链轮的极限转速链速的提高受到动载荷的限制,所以一般最好不超过12m/s。

链轮的最佳转速和极限转速可参看图2。

图中接近于最大许用传动功率时的转速为最佳转速,功率曲线右侧竖线为极限转速。

(4)链节距链节距愈大,链和链轮齿各部尺寸也愈大,链的拉曳能力也愈大,但传动的速度不均匀性、动载荷、噪声等都将增加。

因此设计时,在承载能力足够的条件下,应选取较小节距的单排链,高速重载时,可选用小节距的多排链。

(5)链的长度和中心距若链传动中心距过小,则小链轮上的包角也小,

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