山藥挖掘收獲機的設計【說明書+CAD+SOLIDWORKS】

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山藥對當?shù)貧夂蛞蟛粐溃矞嘏瘽駶?，忌積水，怕干旱。宜種植于肥沃疏松、土層深厚、排水良好的砂質壤土上種植。原產地位于河南焦作，現(xiàn)在分布于中國西北，華北，和長江流域的湖南江西等地。由于其營養(yǎng)比較豐富，一直以來都被視為比較理想的補虛佳品，不僅可作為主糧，又可作為蔬菜食用。有很高的藥用價值和食用價值 。隨著現(xiàn)代社會人們更加注重養(yǎng)生和健康，而山藥的藥用價值和使用價值使得其成為很多人的選擇。特別是近幾年，山藥的種植面積和種植規(guī)模不斷上升。因此，山藥生產和收獲的機械化越來越得到行業(yè)的重視[1]。 長期以來，山藥的收獲都是靠傳統(tǒng)的人力收獲方式，山藥的根莖較長，難以采收，如果收獲技術不夠成熟，根莖破損率就會很高。我國大部分地區(qū)收獲山藥的方法是：從山藥種植壟的一端開始，先挖出60-70cm左右的土坑來，人坐在坑的邊上，然后用特制的山藥鏟，沿著地面上山藥生長的20cm處的兩邊開始挖，將根兩邊泥土鏟出，一直挖到山藥溝下見到根莖的尖端為止，最后輕輕鏟斷剩下的細根，手握著根莖的中上部分，小心拔出山藥的根莖。一定要小心精細鏟土，避免山藥根莖的損傷和折斷。采收山藥時，一定要按著山藥種植的順序，一株一株地挨著挖，這樣才能有效減少破損率，又能避免漏收。由于山藥一般在下層土壤延伸，最深可延伸到地下70～100cm處，靠人力收獲相當費力。最重要的是人力收獲的過程中容易挖到山藥塊莖，影響山藥的品質和市場。而且勞動強度大，生產效率低。為此，山藥收獲的機械化問題就亟待解決。 山藥收獲技術如果能夠實現(xiàn)機械化，將有力地推動山藥生產的規(guī)模化，顯著降低山藥生產成本，節(jié)省勞動力和農活作業(yè)量，使山藥種植戶增加更多的收入，提高農業(yè)生產的經濟效益。 本課題研究了我國山藥收獲機械化的發(fā)展現(xiàn)狀，山藥收獲機的未來研究方向。為山藥收獲方式以及推廣山藥收獲機械化，促進山藥生產效率提供了理論依據(jù)。 1.2 山藥收獲機的現(xiàn)狀及方案說明 1.2.1 我國山藥收獲機的現(xiàn)狀 為了克服山藥收獲過程中易折斷的損傷的難題，我國廣大設計者和科學家們進行了刻苦的鉆研，以下是現(xiàn)階段我國對山藥收獲機械化的研究現(xiàn)狀。資料內容查自中國知識產權局專利檢索網(wǎng)站。 第一種山藥收獲機的發(fā)明者是李壘和李善文。這個發(fā)明設計了一種多功能山藥收獲機。 可以看到，中履帶底盤，設置在履帶底盤上的操作臺、豎直機架、電機、向上提升機構，安裝在機架上并且能夠沿固定的機架上下移動的齒輪箱的總成，安裝在齒輪箱結構下面的用于開溝的螺旋鉆軸和提土板，所述電機結構與齒輪箱結構由傳動軸實現(xiàn)傳動連接 ；提升機構與齒輪箱結構連接，實現(xiàn)對齒輪箱結構的升降操作；山藥收獲裝置還包括設于箱結構一側，能夠將開溝軸開出的土，向外送給送土器，以及設于履帶下部前面的能夠實現(xiàn)把土填回功能的送土器。這種山藥收獲機的結構比較靈活，而且功能多樣化，能夠同時實現(xiàn)收獲山藥和溝內填土的兩項功能，除了采收山藥外，還可以開電纜溝、管道溝、實現(xiàn)一機多種用法，省時省工，具有相當大的市場價值[2]。 第二種山藥收獲機發(fā)明者倪凡喜。這個創(chuàng)新專利目的在于，克服現(xiàn)階段生產技術的不足之處，提供一種山藥收獲機的理論設計，在不損傷山藥塊莖的前提下，可以很大地提高生產效率，降低采收山藥時的成本。此專利所述的山藥收獲機，包括振動破土機構、破土機構的固定架、旋轉型軸承座、液壓油缸、可以左右移動的軸承固定支架、懸掛型四軸固定支架、手輪、擋土板、開溝刀片、開溝鏈條、鏈條固定支架和從動輪。 破土機構固定架是這個專利的主體支撐架，整體呈現(xiàn)方形的框架結構，破土機構固定支架的后端，連接著設置的振動破土機構，破土機構固定支架的前端，連接著旋轉式軸承座，旋轉軸承座的前面連接著液壓油缸，液壓油缸的前端連接到左右移動軸承座固定架，左右移動軸承座固定架設置在懸掛式四軸連接在固定架上，在懸掛型四軸固定支架的一邊，設計的有手輪，在懸掛型四軸固定支架的兩端后側，設計有擋泥板。 在旋轉型軸承座的下端，連接設計有鏈條固定支架，鏈條固定支架的前端設計有主動輪，鏈條固定支架的后端設計有從動輪，繞過主動輪與從動輪，設計有開溝鏈條，開溝鏈條的外表面上設置有開溝刀片。連接到鏈條固定架上，設置有張緊固定架，張緊固定架的下端設置有張緊輪，張緊輪與開溝鏈條的內表面相接觸[3]。 第三種山藥收獲機的發(fā)明者是盧雙貴。這種山藥收獲機，由切割鋸、松土板與螺旋提升機構組成。 帶鋸上部連接旋轉輪，中間穿過狹長形的開口，下面套有軸承，中間的松土板在后面隨著將土松動，松土板固定在套管上的伸縮桿上，液壓氣泵來提供動力，后面的螺旋提升機構在切割后的土方下面向上轉動，即可把山藥向上頂出。由于是采用的拖拉機為動力，切割的土方要大于山藥溝，從山藥的下面向上拱，不僅保證了山藥的完整度，不損壞山藥的塊莖，而且保持了山藥溝的原來樣子，工作的效率極大提高，每天可挖掘山藥三到五畝[4]。 1.2.2 山藥收獲機的設計要求 傳統(tǒng)的農業(yè)機械設計，存在著設計周期長，設計成本高，設計質量差，圖紙識別困難等問題。隨著計算機技術的快速發(fā)展，虛擬制造和運動仿真在農機設計中得以實現(xiàn)，從而大大縮短了設計周期，降低生產成本，提高了設計的準確性和可靠性。本設計利用三維設計軟件，對農業(yè)機械進行產品設計[5] 。具體內容： （1）對農機進行總體結構方案設計，滿足其功能要求，力求結構簡單，功能合理。 （2）進行農機零件設計，強度和結構上符合要求 （3）進行產品裝配。 （4）產品的動態(tài)仿真。 本方案設計山藥收獲機用于山藥的收獲作業(yè)。提高山藥收獲效率，降低勞動力，節(jié)約山藥收獲成本。創(chuàng)新設計或改進現(xiàn)階段市面上已有的山藥收獲機，使山藥收獲作業(yè)起來更簡單。 給定的條件和要求翻土作業(yè)時的作業(yè)量為400～500m/小時，采用螺旋排除浮土，螺旋鉆桿轉速為300轉/分鐘左右。  2 設計方案分析 2.1 設計方案的說明 2.1.1 山藥挖掘收獲機整體結構簡介 通過現(xiàn)階段山藥收獲機的專利以及考察實際情況，可以得出，山藥收獲機的工作原理和組成部分。 山藥收獲機的組成部分大致可由支撐部分、動力部分、工作部分和傳動部分。 支撐部分：主要就是山藥收獲機的機架和山藥收獲機與拖拉機連接部分，用于支撐整個山藥收獲機能夠順利切協(xié)調的完成收獲工作。 動力部分：用于連接拖拉機傳輸?shù)膭恿?，把動力提供給山藥收獲機的傳動部分。 傳動部分：傳輸動力，并起到減速作用。 工作部分：這部分入土，用螺旋鉆桿開溝，達到收獲山藥的目的。 2.1.2 山藥收獲機的工作原理 以拖拉機為動力源，在拖拉機的尾部安裝一個螺旋鉆桿機構進行鉆土，前面的兩個螺旋鉆桿開溝，起到收獲機的開溝作用。在開溝之后利用安裝在機架后面的送土器將土放置到溝的兩側，起到提升山藥種植行土塊的作用，機器走過的地方就開出了一道深溝。 2.2 設計方案選擇與對比 在最終確定山藥收獲裝置的設計方案前，做了很多的準備工作。 首先，查閱了中國專利網(wǎng)上的一些專利申請，仔細閱讀并理解了山藥收獲機現(xiàn)階段的理論設計情況。也看到了很多比較好的方案或者設計，其實還都在理論階段，很多設計者們的精妙設計都還沒有通入生產。這也從一方面表現(xiàn)了現(xiàn)階段山藥收獲機的落后程度，同時山藥收獲的大難題亟待解決。 其次，在網(wǎng)絡上檢索山藥收獲機，會發(fā)現(xiàn)很多廠家有在直銷，仔細研究后，也對山藥收獲機在設計之后，開發(fā)生產的可能性有了一定的認識。明確了，在現(xiàn)階段哪些設計是不能開發(fā)的，哪些設計更容易開發(fā)。 現(xiàn)在開發(fā)成功的山藥收獲機大致可以分為三種：1）單側山藥開溝機。2）雙側山藥開溝機。3）鏈式山藥收獲機。下面聽過對三種收獲機的優(yōu)缺點分析確定設計方案。 2.2.1 單側山藥開溝機 現(xiàn)在的很多設計和市面上已經投入使用的山藥收獲機，一般都是在山藥種植壟的一側進行挖溝，然后通過人力下溝進行二次挖掘，這樣確實省了一部分人力，但是進行二次挖掘時，還是很費力，而且容易損傷和折斷山藥的莖塊。如下圖2-1所示。 圖2-1 單側山藥收獲機實物圖 這種山藥收獲機工作原理簡單，作業(yè)效率高，而且易推廣，在一些土壤比較肥沃、疏松的地區(qū)比較適合。但是缺點也比較明顯，收獲機開溝之后，山藥依然埋一側的土壤中，剩下的的工作必須依靠人力，從溝中向山藥一側進行挖掘，挖掘的過程不僅難以操作，而且容易損傷山藥，影響山藥的銷售品質。 2.2.2 雙側山藥開溝機 已經投入使用山藥收獲機中，現(xiàn)在比較流行是一種是在山藥兩側開溝，確定山藥種植行的寬度，設計出兩個開溝鉆的距離，從而從山藥種植行的兩側進行挖溝。實物圖如下圖2-2。 圖2-2 雙側山藥收獲機實物圖 這種山藥收獲機與單側開溝機相比，有很大的優(yōu)勢，降低了靠人力進行二次挖掘困難程度。但是這種收獲機也有明顯的缺點，它雖然降低而人工挖掘強度，但是山藥和土塊還是緊密結合在一塊，無法克服采收過程中的損傷山藥塊莖的問題。并且在此裝置開溝采收后的土地上，會留下兩道很深的溝壑，這將影響下一季山藥的種植，導致種植山藥時需要填平溝壑。變相提升了山藥種植的難度。 2.2.3 鏈式山藥收獲機 鏈式山藥收獲機與以上兩種開溝機原理不同，收獲山藥之后不會再地上留下很深的溝，這樣下一季的種植就不會受到影響。而且這種山藥收獲機所需功率小，相對以上兩種在收獲的時候更經濟，更節(jié)約成本。但是鏈式山藥收獲機也沒有以上兩種開溝機的有點。依靠鏈上面的刀片進行開土，很難達到很深的程度。而山藥塊莖很深，這樣在后續(xù)的采收中還是需要大量的人力來完成，甚至還需要人力來進行二次開溝。這樣一來，鏈式收獲機在采收中起到的作用就會很局限。下圖2-3為鏈式收獲機的的實物圖： 圖2-3 鏈式山藥收獲機 2.3 設計方案的優(yōu)化分析及確定 通過對山藥收獲機的現(xiàn)狀研究，對市場上已經開發(fā)成功的山藥收獲機的分析，總結山藥收獲機需要滿足的條件，分析現(xiàn)有山藥收獲機的優(yōu)缺點，最終確定山藥收獲機的最佳優(yōu)化方案。 首先總結設計山藥收獲機要完成的任務：1）通過山藥收獲機能實現(xiàn)山藥收獲的簡易化，提高山藥收獲的效率。2）此裝置在收獲山藥的時候不能損壞山藥的塊莖。3）山藥收獲機的設計要盡量簡易，方案要符合實際情況。設計方案可以投入生產，并且可以推廣。 其次通過對上述現(xiàn)有山藥收獲機的研究與考察，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)階段山藥收獲機有兩個無法實現(xiàn)的難題：1）裝置在開溝后仍然需要大量的人力勞動來完成后續(xù)的采收。2）在后續(xù)人力采收的工程中，比較容易損壞山藥的塊莖。想要克服這些問題，必須盡量使山藥收獲機開溝后，山藥所在土塊要有所松動，使山藥與土壤的結合不在緊密。在裝置作業(yè)之后，人工收山藥的過程中，能夠更直接。這樣就能提高山藥的完整性，盡量少的破壞山藥的塊莖。 收獲機的整體結構如下圖2-4所示： 圖2-4 山藥挖掘收獲機整體結構 1.花鍵軸 2.差速箱 3.絲杠 4.傳動軸 5.滑套 6.齒輪 7.齒輪 8.軸承座 9.齒輪 10.螺栓 11.架子 12.機架 13.送土器 14.螺旋鉆桿 15.帶輪 16.軸承座 17.螺帽 圖2-5山藥挖掘收獲機二維圖 裝置選擇在山藥的兩側同時開溝，并且在開溝后利用一個簡易的裝置，來松動山藥種植行的土塊。這樣山藥采收的后續(xù)過程就能很大程度上減少人力，而且如果山藥所在土塊松動之后，人們后續(xù)收山藥的方式就不僅僅是從溝下一點一點挖掘，而是可以更直觀的，更簡易的收獲山藥。這樣一來，就減少了山藥塊莖的破壞。這個簡易的裝置不能給收獲機帶來太大的阻力，在此裝置之前的開溝裝置，能夠很好地提供前進的空間。利用送土器，在開溝后之后，將提升到地面的泥土放置到溝的兩側，機器走過的地方就開出了一道深溝。這樣，人就可以下去把山藥撿拾出來。設計構想簡圖如下圖2-5： 圖2-5 送土器三維設計圖 這是設計裝置的側視圖，從側視圖可以看出來，前面的兩個螺旋鉆桿開溝，起到收獲機的開溝作用。在開溝之后利用安裝在機架后面的送土器將土放置到溝的兩側，起到提升山藥種植行土塊的作用。為了更直觀的解釋此方案設計，可以結合正視圖看到送土器在山藥收獲過程中起到的作用。結構見圖正視圖如下圖2-6： 圖2-6 送土器正視圖 正視圖中兩個開溝鉆分別開挖山藥種植行的兩側，通過齒輪傳動裝置，帶動兩側同時開溝，下面的送土器在開溝后之后，將提升到地面的泥土放置到溝的兩側，機器走過的地方就開出了一道深溝。  3 山藥收獲機的整體結構設計 本次設計的主要內容有：1)山藥收獲裝置的整體結構設計。2)開溝螺旋鉆桿工作部分的設計，使收獲裝置更有效采收山藥。3)齒輪機構的傳動設計，符合拖拉機功率傳輸，使開溝軸得到適合的輸出功率。 3.1 箱體機架的設計 根據(jù)山藥收獲作業(yè)的要求，需要確定符合采收山藥裝置的總體結構設計，設計出特殊而且簡單的機架，機架不僅要起到對螺旋鉆桿和送土器的支撐作用，而且還對螺旋鉆桿起到提升和下降作用。如下圖3-1： 圖3-1 收獲裝置機架 3.2 送土器的設計 送土器的設計，可以更好的將螺旋鉆桿松動的土塊提升到溝的兩側，大大提升了山藥收獲裝置的優(yōu)越性。送土器要橫跨山藥種植行，與機架連接，起到固定的作用。送土器通過皮帶輪與拖拉機的皮帶輪相連，這樣拖拉機就能帶動送土器工作了。如下圖3-2所示： 圖3-2 送土器 圖3-3 山藥挖掘收獲機部分裝配圖 3.3 傳動方案的確定 傳動方案確定不僅要考慮輸入功率和輸出功率的轉換，還要考慮山藥收獲時的具體情況，比如山藥種植行之間的距離基本能確定工作周之間的距離，然結合減速器的校核，一起確定工作軸傳動齒輪的分度圓直徑。 裝置選擇配備24匹，17.7千瓦的拖拉機，裝置作業(yè)時，拖拉機轉速達到2000r/min。拖拉機與收獲裝置采用錐齒輪傳動，拖拉機傳動軸通過兩個錐齒輪將動力傳送到山藥收獲裝置的傳動軸上，傳動軸通過齒輪將動力傳送到螺旋鉆桿上，兩個螺旋鉆桿同速轉動。通過考察，確定山藥收獲裝置的開溝深度為1000mm，開溝寬度為400mm，開溝速度為400～500m/h[6] 。 4 傳動機構的設計 傳動機構的設計主要就是：根據(jù)拖拉機的輸出功率和輸出軸所需輸出功率，經過傳動機構的傳輸達到一個整機和諧工作的設計過程。即傳動齒輪和傳動軸的合理選擇。 4.1 軸的初步設計 根據(jù)山藥收獲過程中，開溝軸的實際工作情況，工作過程中，軸的轉速為200～300r/h左右。由此可以確定傳動比的分配情況[7]： 總傳動比及其分配 總傳動比 （4-1） 根據(jù)山藥種植行的距離，可以進行傳動比的分配： 其中，為傳動軸傳動傳動比； 為工作軸傳動比； 裝置中各軸轉速計算（把傳動軸定為 Ⅰ軸，工作軸定為Ⅱ軸） 裝置傳動各軸功率計算[8] 首先計算傳動裝置的的總效率： 其中，為帶傳動的效率； 為圓柱齒輪之間傳動效率 再來計算各軸的功率： （4-2） 工作各軸功率、轉速、轉矩列表如下： 表4-1 各軸功率 軸號 功率P（kW） 轉速n(r/min) 轉矩T(N·m) Ⅰ Ⅱ 16.99 16.48 400 200 405.15 786.92 按許用應力估算軸的最小直徑： （4-3） 查機械設計手冊取C=112 Ⅰ軸： 此軸有兩個鍵槽，需要加7%，取 Ⅱ軸: 同樣有兩個鍵槽，加7%，取 4.2 v帶傳動的設計 1）確定V帶型號和帶輪直徑 工作情況系數(shù)KA：由查表確定 計算功率 （4-4） 選帶型號：查機械設計手冊[9]： 小帶輪直徑：由表得： 大帶輪直徑： 設 （4-5） 大帶輪轉速： 2）計算帶長，求： （4-6） 求： （4-7） 初取中心距： 帶長： （4-8） 基準長度：查手冊 取 3）求中心距和包角 中心距： （4-9） 小輪包角： （4-10） 4）求帶根數(shù) 先求帶速： （4-11） 帶根數(shù)：查閱機械設計手冊[10] ； ； ； （4-12） 取z=3 4.3 齒輪傳動的設計計算 1）首先選擇齒輪的材料[11] 小齒輪：40Cr 熱處理方式：調質處理 大齒輪：45 熱處理方式：調質處理 2）初步計算齒輪的參數(shù) 查機械手冊齒輪傳動得[12]：齒寬系數(shù)取 接觸疲勞極限 初步計算的許用接觸應力： （4-13） 值：查機械設計手冊，取=82（估算） 初步計算的小齒 （4-14） 3）齒輪面接觸疲勞強度計算 精度等級：查閱機械設計手冊 齒輪齒數(shù)Z： 取則 （4-15） 模數(shù)m： （4-16） 使用系數(shù): 動載荷系數(shù)：查機械手冊 齒間載荷分配系數(shù)： （4-17） 齒向載荷分布系數(shù)：由機械設計手冊 （4-18） 載荷系數(shù)K： （4-19） 彈性系數(shù) 由機械設計手冊 節(jié)點區(qū)域系數(shù) 由機械設計手冊 重合度系數(shù)：查表因， 故 （4-20） 接觸應力最小安全系數(shù)：查機械設計手冊 應力循環(huán)次數(shù)： （4-21） （4-22） 接觸壽命系數(shù): 查機械設計手冊 許用接觸應力： （4-23） （4-24） 通過以上計算，結果表明，齒輪的接觸疲勞強度符合要求。故所選齒輪符合要求，可以使用。如果達不到要求，應調整齒輪參數(shù)或改變齒輪材料，并再次進行驗算。 4）確定傳動主要尺寸 實際分度圓直徑 （4-25） 中心距 （4-26） 5）齒根彎曲疲勞強度驗算 齒形系數(shù) （4-27） 查機械設計手冊得 應力修正系數(shù) ， 重合度系數(shù)： （4-28） 螺旋角系數(shù) （4-29） （4-30） 齒間載荷分配系數(shù):前面已求的 齒向載荷分布系數(shù): 查機械設計手冊[13]， （4-31） 載荷系數(shù)K： 彎曲疲勞極限：由彎曲疲勞極限圖得 考慮本題齒輪為雙向運轉，可將其彎曲疲勞極限乘以系數(shù)0.85，結果變?yōu)? 彎曲最小安全系數(shù)：由機械設計手冊得[14] 彎曲壽命系數(shù):由彎曲壽命系數(shù)圖得 尺寸系數(shù): 由尺寸系數(shù)表得： 許用彎曲應力: （4-32） 驗算彎曲強度： （4-33） 經以上計算，齒根彎曲強度符合要求。 總 結 此次設計的任務是山藥挖掘收獲機的設計。長期以來，山藥都是靠傳統(tǒng)的人力收獲，山藥的根莖較長，深入地下，難以采收，如果收獲技術不夠成熟，根莖破損率就會很高。通過這次設計發(fā)現(xiàn)現(xiàn)階段山藥收獲機有兩個無法實現(xiàn)的難題：1、裝置在開溝后仍然需要大量的人力勞動來完成后續(xù)的采收。2、在后續(xù)人力采收的工程中，比較容易損壞山藥的塊莖。根據(jù)設計要求設計出簡單而且特殊的機架，在機架上安裝螺旋鉆桿進行開溝。 畢業(yè)設計是作為我在大學學習階段的最后一個環(huán)節(jié)，是對所學基礎知識和專業(yè)知識的一種綜合應用，是一種綜合的再學習、再提高的過程，這一過程對我的學習能力和獨立工作能力也是一個培養(yǎng)。這次的畢業(yè)設計工作總體來說，時間較長，畢業(yè)設計內容也較充實，每個同學都有各自重點深入的部分。 通過本次畢業(yè)設計我對山藥收獲機有了進一步的了解，也對三維設計軟件SolidWorks，可以熟練地進行軟件的操作。更重要的是學會了利用所學知識進行機械設計的方法和過程。 在設計過程中也曾遇到很多的問題，但通過查閱相關的書籍、手冊以及老師的精心指導，都得到了解決，設計過程基本順利完成。 致 謝 畢業(yè)在即，四年的大學生活已接近尾聲，經過三個多月的努力，在李傳峰老師的悉心指導下，設計任務基本完成了。在撰寫論文期間，我要衷心的感謝我的指導老師李傳峰，從設計的選題、實施到撰寫、修改和定稿，李老師均傾注了大量的心血。導師的悉心指導、熱忱鼓勵不僅使我樹立了深遠的學術目標、掌握了基本的研究方法，還使我明白了許多待人接物與為人處事的道理。還有，導師淵博的專業(yè)知識，嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，精益求精的工作作風，誨人不倦的高尚師德，嚴以律己、寬以待人的崇高風范，樸實無華、平易近人的人格魅力將使我終生受益。同時我還要感謝大學期間各位任課老師在學習上給予我的指導和幫助，感謝他們四年來的辛勤栽培，他們的關懷和熏陶讓我在這四年里收獲頗豐。 最后，也感謝和我一起學習的同窗朋友，他們給了我無數(shù)的關心和鼓勵，也讓我的大學生活充滿了溫暖和歡樂，感謝他們的陪伴與幫助，愿我們以后的人生都可以充實、多彩與快樂 參考文獻 [1]繆明.山藥機械化種植技術的研究與開發(fā)[J];江蘇農機化.2002（2）：40-42. 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