CR400BF轉(zhuǎn)向架構(gòu)架關(guān)鍵制造工藝

李小軍，劉冠男

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春130062）

0 前言

近年來，高速列車的運(yùn)營速度越來越高，對高速列車關(guān)鍵部件提出了更為嚴(yán)格的要求。作為高速列車走行部的主要構(gòu)件，轉(zhuǎn)向架在工作過程中承受著安裝部件的工作載荷、制動、牽引和慣性力等交變載荷，是保證高速列車高速運(yùn)行的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量對高速列車的運(yùn)營安全有著重要影響。

中國標(biāo)準(zhǔn)動車組是在中國鐵路總公司主導(dǎo)下，集國內(nèi)軌道車輛相關(guān)企業(yè)、高校、科研院所等優(yōu)勢力量而研發(fā)制造的尖端產(chǎn)品，在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)全面自主化，具有創(chuàng)新性、安全性、智能化、人性化、經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)。中國標(biāo)準(zhǔn)動車組分為CR400AF和CR400BF兩款車型，在此主要介紹由中車長客股份公司牽頭研發(fā)并生產(chǎn)的CR400BF轉(zhuǎn)向架構(gòu)架關(guān)鍵制造工藝。

1 CR400BF轉(zhuǎn)向架構(gòu)架

1.1 構(gòu)架結(jié)構(gòu)

構(gòu)架是轉(zhuǎn)向架各零部件的安裝基礎(chǔ)，是轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵承載部件，承受和傳遞各種作用力，不僅其結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸需滿足轉(zhuǎn)向架組裝的要求，構(gòu)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也必須滿足運(yùn)營及極限工況下的相關(guān)力學(xué)要求。

CR400BF轉(zhuǎn)向架構(gòu)架采用焊接結(jié)構(gòu)，構(gòu)架主體由2個箱型結(jié)構(gòu)的側(cè)梁和1個橫梁組成，呈H型結(jié)構(gòu)；側(cè)梁采用上、下蓋板和兩側(cè)立板組成的箱型變截面U型結(jié)構(gòu)，外部設(shè)計(jì)了扭桿座、抗蛇行減振器座、轉(zhuǎn)臂定位座等。橫梁組成采用鋼板焊接的2個箱型結(jié)構(gòu)通過靠近兩端的縱向立板連接的結(jié)構(gòu)。動車橫梁組成上設(shè)計(jì)有牽引電機(jī)、齒輪箱、牽引拉桿、橫向減振器等部件安裝座；拖車橫梁組成上除牽引拉桿、橫向減振器等部件安裝座外，還設(shè)計(jì)有兩根制動梁，與橫梁采用箱型過渡連接，以滿足軸盤制動夾鉗的安裝需要。側(cè)梁和橫梁以插接方式連接，側(cè)梁上蓋板向內(nèi)延長通過連接塊和橫梁上蓋板實(shí)現(xiàn)對接，側(cè)梁下蓋板向內(nèi)延長與橫梁下蓋板對接，而橫梁外立板和內(nèi)立板分別向外延伸插入側(cè)梁內(nèi)部直接與側(cè)梁內(nèi)立板連接。動、拖車構(gòu)架結(jié)構(gòu)及連接形式分別如圖1～圖3所示[1-2]。

圖1 動車構(gòu)架

圖2 拖車構(gòu)架

1.2 構(gòu)架材料

根據(jù)構(gòu)架在列車運(yùn)營過程中的受力特點(diǎn)，采用S355J2W+N耐候鋼及Q345E兩種材料。S355J2W+N耐候鋼材料具有屈服強(qiáng)度高（ReL≥355MPa）、可焊性好（C當(dāng)量≤0.45%）、耐腐蝕性優(yōu)異[3]和低溫沖擊韌性較好的特點(diǎn)。構(gòu)架的橫梁、側(cè)梁等主體結(jié)構(gòu)均采用S355J2W+N耐候鋼板。牽引電機(jī)、齒輪箱、制動裝置、牽引拉桿、橫向減振器等部件在構(gòu)架上的安裝座均采用鍛件，材質(zhì)采用Q345E。

圖3 構(gòu)架橫、側(cè)梁接口

2 CR400BF轉(zhuǎn)向架構(gòu)架制造工藝流程及難點(diǎn)

動車、拖車兩種構(gòu)架主結(jié)構(gòu)一致，因此，兩種構(gòu)架的制造工藝基本相同。

2.1 構(gòu)架制造工藝流程

構(gòu)架采用模塊化制造工藝，先分別完成側(cè)梁和橫梁（拖車構(gòu)架含制動梁）的組對和焊接，再進(jìn)行構(gòu)架組焊，即將橫、側(cè)梁組焊至一起，并完成各安裝座的組焊，具體流程如圖4所示。整個工藝流程中，側(cè)梁焊接工序、構(gòu)架一步調(diào)修工序和構(gòu)架二步組對工序極為關(guān)鍵。其中，側(cè)梁的焊接量占整個構(gòu)架焊接量的50%，由于箱型結(jié)構(gòu)本身易產(chǎn)生扭曲和彎曲變形，且矯正困難，加之側(cè)梁上包含轉(zhuǎn)臂定位座、扭桿座等關(guān)鍵零部件，焊縫質(zhì)量要求高，因此，側(cè)梁焊接工序?qū)?gòu)架整體質(zhì)量影響很大。另外，構(gòu)架一步調(diào)修和構(gòu)架二步組對工序直接影響構(gòu)架上各安裝座的組對尺寸，并對構(gòu)架最終尺寸有著決定性影響。

圖4 構(gòu)架焊接工藝流程

2.2 工藝難點(diǎn)

（1）部分關(guān)鍵焊縫的焊接質(zhì)量。

構(gòu)架上的部分關(guān)鍵焊縫，焊接位置不佳，且焊縫質(zhì)量等級高（CP B），很難保證焊接質(zhì)量。如側(cè)梁與扭桿座之間的對接焊縫，焊縫接頭形式為雙面V型坡口對接接頭，整條焊縫呈一條空間曲線分布，如圖5所示。焊縫質(zhì)量等級為CP B級，要求X射線探傷檢測，難度較大。

圖5 側(cè)梁與扭桿座對接焊縫示意

（2）構(gòu)架焊接尺寸控制。

受尺寸精度要求高、焊接變形大、變形矯正困難等諸多因素制約，構(gòu)架焊接尺寸控制是CR400BF轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接的一大難點(diǎn)。

（3）焊接生產(chǎn)效率。

構(gòu)架焊接質(zhì)量和焊接尺寸精度的要求高，生產(chǎn)過程中某一個環(huán)節(jié)的疏漏將對構(gòu)架整體質(zhì)量造成很大影響，極易導(dǎo)致焊接返工及矯正困難，加之構(gòu)架本身焊接量較大（單個構(gòu)架焊絲消耗約110 kg），焊接生產(chǎn)效率提升困難。

3 CR400BF轉(zhuǎn)向架構(gòu)架關(guān)鍵制造工藝

3.1 焊接方法

構(gòu)架采用MAG焊，保護(hù)氣體為φ（Ar）82%+φ（CO2）18%混合氣體，除了不帶襯墊的對接焊縫打底層焊接采用較小的焊接規(guī)范（電流90～110 A，電壓16～18 V）以外，其余焊縫的焊接電流、電壓均為240～270 A、28～31 V。上述規(guī)定的焊接方法及參數(shù)經(jīng)工藝評定及生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證，焊縫成形良好、飛濺相對較少、接頭質(zhì)量好，電弧穩(wěn)定性好。

根據(jù)構(gòu)架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用手工焊接與機(jī)械手焊接相結(jié)合的方法，側(cè)梁、制動梁及齒輪箱安裝座的主體焊縫均采用焊接機(jī)械手進(jìn)行焊接。

3.2 焊接材料

焊絲選擇時綜合考慮強(qiáng)度匹配、耐候性及沖擊性能等因素，最終確定為實(shí)心焊絲NiCu1-IG（ISO 14341-A-G42 4 M）。

3.3 焊接設(shè)備

（1）焊機(jī)。

構(gòu)架焊接選用福尼斯TPS5000MAG焊機(jī)，最大輸出電流500 A，在規(guī)定的構(gòu)架焊接參數(shù)范圍內(nèi)，焊機(jī)負(fù)載持續(xù)率100%。

（2）焊接機(jī)械手。

采用IGM大型懸臂式焊接機(jī)械手進(jìn)行側(cè)梁及制動梁的自動化焊接；采用OTC小型坐式機(jī)械手進(jìn)行齒輪箱吊座組件的自動化焊接。焊接機(jī)械手的使用大幅提高了焊接生產(chǎn)效率，保證了焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性，并有效解決了部分位置焊接操作性不佳的問題；同時，有利于工藝人員掌握焊接變形規(guī)律，從而制定減小焊接變形的工藝措施。

（3）焊接變位機(jī)。

焊接變位機(jī)根據(jù)焊接部件的質(zhì)量和焊接位置進(jìn)行選擇。在CR400BF轉(zhuǎn)向架構(gòu)架制造過程中，采用頭尾架升降式焊接變位機(jī)（最大承載8T）進(jìn)行構(gòu)架焊接；采用液壓前傾式焊接變位機(jī)（最大承載3T）進(jìn)行側(cè)梁及橫梁焊接。

3.4 關(guān)鍵制造工藝要點(diǎn)

CR400BF轉(zhuǎn)向架構(gòu)架制造工藝的制定與實(shí)施的目的是保證構(gòu)架的質(zhì)量并實(shí)現(xiàn)構(gòu)架批量化生產(chǎn)。而該目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)必須對工藝準(zhǔn)備及制造過程的各個環(huán)節(jié)加以控制與改進(jìn)。相比于焊接完成后對成形不良的焊縫進(jìn)行打磨和無損檢測，以及對尺寸超差部位進(jìn)行矯正等傳統(tǒng)質(zhì)量控制措施，在構(gòu)架制造過程的控制更為關(guān)鍵。CR400BF轉(zhuǎn)向架構(gòu)架制造工藝根據(jù)試制期間面臨的工藝難點(diǎn)及質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，主要在工裝設(shè)計(jì)、構(gòu)架組對、關(guān)鍵焊縫焊接質(zhì)量控制及焊接變形控制4個關(guān)鍵環(huán)節(jié)加以改進(jìn)和驗(yàn)證。

3.4.1 工裝設(shè)計(jì)

CR400BF轉(zhuǎn)向架構(gòu)架工裝設(shè)計(jì)主要從保證定位精度、減少焊接變形和改善焊接位置角度出發(fā)，兼顧操作的便利性和工裝自身的強(qiáng)度與剛度，理論與實(shí)踐相結(jié)合，在實(shí)踐中完成工裝設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)完善。根據(jù)用途的不同，主要分為三類：組對工裝、焊接夾具和調(diào)修檢測工裝。

組對工裝尤其注重定位精度和本身剛度的設(shè)計(jì)，以構(gòu)架二步組對工裝為例，如圖6所示，該工裝由鋼板與矩形管組焊而成的工作臺和安裝在工作臺上的定位裝置和壓緊裝置組成。為提高工裝的定位精度，規(guī)定工作臺面（工裝定位基準(zhǔn)平面）整體加工完成，平面度0.2 mm；各定位裝置相對于工裝基準(zhǔn)的尺寸偏差在±0.2 mm范圍內(nèi)；同時為保證工裝有足夠的剛度，工作臺面選用鋼板厚度為50 mm，鋼板背面焊接150 mm×200 mm×5 mm矩形管進(jìn)行加固，焊接完成并經(jīng)退火處理后，對工作臺面進(jìn)行加工，加工后剩余厚度45 mm。

圖6 構(gòu)架二步組對示意

焊接夾具配合變位機(jī)使用可有效改善焊接位置，使所有焊縫處于平焊位置，利于焊接操作。焊接夾具設(shè)計(jì)除了考慮夾緊的可靠性和焊接的可達(dá)性外，在變形較大的部位還設(shè)有反變形裝置，以減少焊接變形，例如使用反變形裝置使得側(cè)梁下蓋板角變形數(shù)值由10～15 mm減小到2～3 mm，構(gòu)架端部間距變形量由約15 mm減小到約為5 mm，如圖7所示。

3.4.2 構(gòu)架組對

構(gòu)架組對影響構(gòu)架最終尺寸。對于CR400BF轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，設(shè)計(jì)關(guān)鍵尺寸項(xiàng)點(diǎn)多，要求嚴(yán)，要保證所有設(shè)計(jì)尺寸均在給定范圍非常困難。試制期間，構(gòu)架尺寸超差概率在80%以上，其中尺寸超差最嚴(yán)重的為制動夾鉗、牽引電機(jī)、齒輪箱、扭桿、牽引拉桿、橫向減振器等部件的安裝座。經(jīng)研究分析，其原因有2點(diǎn)：組對偏差和焊接變形。工裝定位精度不高和組對基準(zhǔn)偏差是造成構(gòu)架組對偏差的主要原因。工裝定位精度在量產(chǎn)工裝設(shè)計(jì)時，通過減小定位裝置尺寸公差和提高工裝本身剛度以增強(qiáng)工裝定位的穩(wěn)定性。組對基準(zhǔn)偏差采取以下兩種措施給予解決：

圖7 典型焊接夾具反變形裝置示意

（1）統(tǒng)一組對基準(zhǔn)。

采用統(tǒng)一的組對基準(zhǔn)，以避免組對基準(zhǔn)之間的偏差導(dǎo)致安裝座相互之間的尺寸偏差。

（2）調(diào)整安裝座組對順序。

受焊接變形的影響，隨著構(gòu)架生產(chǎn)的進(jìn)行，構(gòu)架組對基準(zhǔn)將不斷產(chǎn)生變化，勢必導(dǎo)致變形前后各工序中采用相同組對基準(zhǔn)的零部件組對位置的尺寸偏差。為消除該影響，將安裝座的組對從構(gòu)架主體焊縫焊接前調(diào)整到構(gòu)架主體焊縫焊接后，并在組對前對完成主體焊縫焊接的構(gòu)架進(jìn)行一次調(diào)修，以保證組對基準(zhǔn)的準(zhǔn)確。

構(gòu)架組焊順序調(diào)整如圖8所示。

構(gòu)架組對工藝改進(jìn)后，構(gòu)架尺寸超差概率減小至5%以下。

圖8 構(gòu)架組焊順序調(diào)整示意

3.4.3 關(guān)鍵焊縫焊接質(zhì)量控制

構(gòu)架作為CR400BF車輛的主要承載結(jié)構(gòu)，其焊接質(zhì)量對構(gòu)架的強(qiáng)度影響較大，尤其橫側(cè)梁連接口、扭桿座、齒輪箱吊座等構(gòu)架重要部位，其受力情況復(fù)雜，應(yīng)力等級較高，必須保證焊縫質(zhì)量，避免焊接缺陷并有效降低應(yīng)力集中。為實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，工藝上對以下方面進(jìn)行了嚴(yán)格控制。

（1）人員資質(zhì)。

所有手工焊接操作者經(jīng)培訓(xùn)后，必須取得EN ISO 9606-1相應(yīng)資質(zhì)證書；所有焊接機(jī)械手操作者必須取得DIN EN 1418相應(yīng)資質(zhì)證書。

（2）工作試件。

對于質(zhì)量等級CP C1以上、生產(chǎn)過程中無法進(jìn)行UT或RT檢測的焊縫，開工前按實(shí)際接頭形式、施工環(huán)境進(jìn)行模擬操作，并進(jìn)行外觀、探傷、金相、硬度等檢測，以檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)的焊接工藝性和操作者的技能水平。

（3）工藝攻關(guān)。

對有操作難度的特殊焊縫，從焊縫接頭坡口形狀及尺寸、焊接參數(shù)、焊接操作方法等方面進(jìn)行工藝攻關(guān)，并將試驗(yàn)成果固化于圖紙及工藝文件中。

例如：扭桿座與側(cè)梁對接焊縫坡口形狀、尺寸優(yōu)化過程如圖9所示，優(yōu)化后的坡口有利于焊縫熔透，改善清根效果并避免燒穿。此外，針對這種呈空間分布的熔透焊縫，通過反復(fù)焊接試驗(yàn)和驗(yàn)證，總結(jié)出適用的分段（4段）焊接操作法，有效提高焊接質(zhì)量及效率。側(cè)梁上蓋板與帽筒之間環(huán)焊縫如圖10所示，通過利用8軸機(jī)械手和兩軸L型聯(lián)動變位機(jī)的聯(lián)動功能，重新設(shè)定機(jī)械手焊接程序，使得環(huán)焊縫的焊接始終在PA焊位進(jìn)行，不僅改善了該焊縫的表面成形質(zhì)量，還提高了生產(chǎn)效率[4]。

圖9 扭桿座焊縫坡口優(yōu)化示意圖

（4）焊縫打磨。

通過打磨焊趾部位，減少焊趾部位的缺陷，有效降低焊趾部位應(yīng)力集中[5]。

（5）焊縫檢驗(yàn)。

對重要部位焊縫進(jìn)行100%表面磁粉探傷，對全焊透對接焊縫進(jìn)行100%表面磁粉+射線或超聲波探傷檢測，嚴(yán)格按焊縫質(zhì)量等級對應(yīng)的缺陷等級驗(yàn)收焊縫質(zhì)量。

圖10 側(cè)梁上蓋板與帽筒之間環(huán)焊縫示意

3.4.4 焊接變形控制

焊接變形是焊接結(jié)構(gòu)必須面對的問題，焊接變形不僅影響結(jié)構(gòu)尺寸，還可能降低結(jié)構(gòu)的承載能力。由于CR400BF轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接量大，易產(chǎn)生較大焊接變形，矯正困難，對構(gòu)架最終質(zhì)量構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)。

工藝上主要采用預(yù)制反變形、剛性固定和焊接順序優(yōu)化等措施來控制構(gòu)架的焊接變形量。

（1）預(yù)制反變形。

CR400BF轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接預(yù)制反變形有兩種形式。一是通過安裝反變形裝置，使得焊件在反向變形的狀態(tài)下進(jìn)行施焊，焊后松開反變形裝置，焊件回彈至較為理想的變形范圍，該方法主要在側(cè)梁、橫梁及構(gòu)架焊接工序，側(cè)梁蓋板、橫梁蓋板外延部位以及構(gòu)架兩端等變形較大的部位上采用；二是預(yù)留焊接收縮余量以抵消焊接收縮變形，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在側(cè)梁長度方向預(yù)留7～9 mm焊接收縮量，構(gòu)架橫向預(yù)留5～6 mm焊接收縮量，拖車構(gòu)架連接2根制動梁的箱型結(jié)構(gòu)預(yù)留7～9 mm焊接收縮量。

（2）剛性固定。

通過焊接夾具上的壓緊裝置或采用工藝?yán)睿瑢?cè)梁端部帽筒、橫梁上各安裝座等部位進(jìn)行剛性固定，以減小焊接變形。

（3）焊接順序優(yōu)化。

CR400BF轉(zhuǎn)向架構(gòu)架側(cè)梁為箱型結(jié)構(gòu)，不合理的焊接順序極易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的扭曲和彎曲變形，矯正難度大，易因焊接變形矯正失敗造成產(chǎn)品的報(bào)廢。試制期間采用如圖11a所示的焊接順序，焊接后側(cè)梁的扭曲值約為2 mm，符合設(shè)計(jì)要求，但產(chǎn)生x軸正向彎曲變形約為5 mm，超出設(shè)計(jì)要求，需進(jìn)行矯正。量產(chǎn)時，改進(jìn)焊接順序，如圖11b所示，焊接后側(cè)梁扭曲值幾乎不變，但朝x軸正向彎曲變形由5 mm減小到約2 mm，從而減少彎曲變形的矯正，提高生產(chǎn)效率。

圖11 側(cè)梁主體焊縫焊接順序示意

4 后續(xù)工藝研究

（1）工藝評定試驗(yàn)。

CR400BF轉(zhuǎn)向架構(gòu)架手工焊接均采用φ1.0mm規(guī)格的NiCu1-IG焊絲，而市場上供應(yīng)的NiCu1-IG焊絲以φ1.2 mm規(guī)格的居多。受市場因素影響，φ1.0 mm規(guī)格的NiCu1-IG焊絲可能出現(xiàn)某時段供貨短缺，對CR400BF轉(zhuǎn)向架構(gòu)架生產(chǎn)的順利進(jìn)行造成風(fēng)險(xiǎn)。為規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，針對φ1.2 mm規(guī)格的NiCu1-IG焊絲開展相關(guān)工藝評定試驗(yàn)。

（2）構(gòu)架機(jī)械手焊接工藝開發(fā)。

CR400BF轉(zhuǎn)向架構(gòu)架只有側(cè)梁、制動梁及齒輪箱吊座采用機(jī)械手焊接工藝，其余部位均采用手工焊接方式，構(gòu)架焊接質(zhì)量受人為因素影響較大、生產(chǎn)效率不高。目前已開始從機(jī)械手配套變位機(jī)承載能力、焊接夾具設(shè)計(jì)、構(gòu)架組對精度、相關(guān)工藝評定試驗(yàn)以及離線編程模擬等方面展開對構(gòu)架機(jī)械手焊接工藝的開發(fā)工作。

（3）模塊化工藝的進(jìn)一步優(yōu)化。

模塊化工藝對解決構(gòu)架變形超差、提高構(gòu)架整體質(zhì)量有著積極影響。在生產(chǎn)過程中，工藝的模塊化應(yīng)與設(shè)計(jì)的模塊化相區(qū)分，需根據(jù)場地、人員、設(shè)備、檢驗(yàn)要求及質(zhì)量問題等實(shí)際情況劃分模塊，并在實(shí)踐中進(jìn)行必要的優(yōu)化。

（4）數(shù)字化制造工藝設(shè)計(jì)研究。

利用產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理和仿真技術(shù)分析等數(shù)字化技術(shù)，在實(shí)際產(chǎn)品生產(chǎn)前用可視化方式規(guī)劃和優(yōu)化產(chǎn)品的制造方案，有效提升產(chǎn)品的制造質(zhì)量、優(yōu)化制造資源配置、縮短產(chǎn)品試制周期并提升生產(chǎn)能力。目前CR400BF轉(zhuǎn)向架構(gòu)架制造工藝是通過經(jīng)驗(yàn)和試制過程摸索出來的，缺乏全面的數(shù)據(jù)分析與驗(yàn)證，對工藝方案是否最優(yōu)缺乏判斷。因此，開展數(shù)字化制造工藝設(shè)計(jì)研究對于CR400BF轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的大規(guī)模制造十分必要。

5 結(jié)論

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架作為車輛主要的承受和傳遞載荷的部件，其質(zhì)量好壞對車輛運(yùn)行安全有著重要影響。受結(jié)構(gòu)工藝性、操作人員技能及工藝的不完善等因素影響，CR400BF轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在試制過程中出現(xiàn)較多質(zhì)量問題。本研究的CR400BF轉(zhuǎn)向架構(gòu)架關(guān)鍵制造工藝是在大量的工藝攻關(guān)及試驗(yàn)基礎(chǔ)上，針對性改善試制期間制造工藝，對類似結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架制造工藝具有很好的參考借鑒意義。然而，從縮短產(chǎn)品研發(fā)制造周期、優(yōu)化資源配置、建立柔性生產(chǎn)機(jī)制和優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)和驗(yàn)證手段的角度考慮，進(jìn)一步開展工藝評定試驗(yàn)、自動化、模塊化生產(chǎn)以及數(shù)字化制造技術(shù)研究十分必要。

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