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Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Santa Cruz Tecnología Mecánica Año –Ingeniería Electromecánica Comando Hidráulico Profesor: Ing. Diego Di Lorenzo Ayudantes: Miranda Belén-Gastón Segura Hidráulica La hidráulica es la rama de la física que estudia el comportamiento de los líquidos en función de sus propiedades específicas. Comprende la transmisión y regulación de fuerzas y movimientos por medio de los líquidos. Oleohidráulica Rama de la hidráulica que utiliza el aceite a presión como medio de transmisión de potencia mecánica. En las maquinas herramientas se utiliza aceite a presión para actuar los dispositivos de conexión o conmutación y para conseguir movimientos sin escalonamientos(es decir continuos) de corte y de avance. La oleohidráulica se rige por las mismas leyes que los circuitos hidráulicos de agua. Las leyes más importantes de la hidráulica son: Ley de Pascal: el incremento de presión aplicado a una superficie de un fluido incompresible (líquido), contenido en un recipiente indeformable, se transmite con el mismo valor a cada una de las partes del mismo. ܨଵ ܣଵ = ܨଶ ܣଶ Principio de Bernoulli: en un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento) en régimen de circulación por un conducto cerrado, la energía que posee el fluido permanece constante a lo largo de su recorrido. ܲ ߩ݃ + ܸଶ 2݃ + ݖ = ܿ݊ݏݐܽ݊ݐ݁ Profesor: Ing. Diego Di Lorenzo Ayudantes: Miranda Belén-Gastón Segura Donde: ܲ ߩ݃ = ܥܽݎ݃ܽ ݀݁ ݎ݁ݏ݅݊ ݍݑ݁ ݎ݀ݑܿ݁ ݈ܽ ݎ݁ݏ݅݊ ݁ݏݐܽݐ݅ܿܽ ܸଶ 2݃ = ܥܽݎ݃ܽ ݀݁ ݒ݈݁ܿ݅݀ܽ݀ ݖ = ܥܽݎ݃ܽ ݀݁ ݈݁݁ݒܽܿ݅݊ Comando Hidráulico Con este sistema se obtiene un movimiento regular y silencioso así como una regulación gradual y continua de la velocidad. Ventajas Regulación sencilla de la velocidad. Ciclos automáticos de trabajo, lentos para el periodo activo, rápidos para el periodo pasivo. Simplicidad: pocas piezas en movimiento (bombas, motores y cilindros). Multiplicación de fuerzas: (prensa hidráulica). Movimientos suaves y silenciosos. Fácil inversión del sentido de marcha. Desventajas Alta presión: exige un buen mantenimiento. Precio: las bombas, motores, válvulas proporcionales y servo válvulas son caras. Problemas mecánicos y de pérdidas de fluido (los avances no son absolutamente constantes). Anomalías debido a la compresibilidad del aceite y a la elasticidad del sistema. Elementos que integran un comando hidráulico. LIQUIDO: aceite de alta viscosidad. Puede ser de origen: Mineral, Semi–sintético o Sintético. Este recorre todo el circuito, y debe ser cambiado regularmente. Profesor: Ing. Diego Di Lorenzo Ayudantes: Miranda Belén-Gastón Segura BOMBAS: es el órgano que genera la presión de trabajo del líquido. Permite que el aceite comience a circular desde el depósito. MOTOR: es el órgano que recibe energía del líquido y la transforma en movimiento rectilíneo circular uniforme. VÁLVULAS DE INVERSIÓN: permiten el movimiento alternativo VÁLVULAS DE SEGURIDAD: Permiten que el líquido regrese al depósito cuando hay sobre presiones. VÁLVULAS PARA REGULAR CAUDAL (estranguladoras): Permiten el paso de la cantidad de líquido apropiado DEPOSITO: donde se guarda el líquido de trabajo FILTROS: no permiten que pasen basuras y elementos extraños al circuito de trabajo. ELEMENTOS AUXILIARES. a) Bomba hidráulica. b) filtro. c) Deposito. d) Válvula de estrangulación regulable. e) Válvula direccional. f) Cilindro. g) Válvula limitadora de presión. h) Válvula de retención. Profesor: Ing. Diego Di Lorenzo Ayudantes: Miranda Belén-Gastón Segura Ejemplo de modo de trabajo de un mecanismo hidráulico sencillo con movimiento rectilíneo (diagrama de la figura anterior). La bomba hidráulica a es accionada por un motor eléctrico. La bomba aspira a través de un filtro b aceite hidráulico del recipiente c y lo impulsa a través de una válvula de estrangulación regulable d y válvula direccional e al cilindro f. El embolo va hacia la derecha. El aceite de la cámara derecha del cilindro vuelve al recipiente y es nuevamente aspirado. Para el movimiento hacia la izquierda del embolo se invierte la válvula direccional (de 1 a 2). La válvula de estrangulación regulable d varia el caudal circulante y con ello la velocidad del embolo. Mediante la válvula limitadora de presión g se evita la sobrepresión. La válvula de retención h hace posible que la circulación se realice en una sola dirección. Profesor: Ing. Diego Di Lorenzo Ayudantes: Miranda Belén-Gastón Segura Circuitos Hidráulicos aplicables a las máquinas herramientas. Los circuitos aplicables a las maquinas herramientas pueden ser clasificados en dos grandes grupos: 1. CIRCUITOS DE IMPULSO RECTILÍNEO: compuesto por una bomba y un cilindro hidráulico dentro del cual se mueve un embolo. 2. CIRCUITOS DE IMPULSO ROTATIVO: compuestos por una bomba y un motor hidráulico, ambos rotativos y de un mismo tipo, por ejemplo a paletas. Profesor: Ing. Diego Di Lorenzo Ayudantes: Miranda Belén-Gastón Segura Bombas de Caudal Constante. En estas bombas en volumen impulsado es el mismo (constante) en cada revolución o carrera. En el siguiente texto se describirán los tipos de bombas de caudal constante. Bomba a engranajes: La forman dos ruedas dentadas que engranan entre si el interior de un cuerpo metálico; una de ellas motora, la otra conducida. La primera accionada exteriormente. La velocidad de rotación es de 1000 a 1500 r.p.m. cuando son de dientes rectos, y 1800 a 2500 cuando son helicoidales. La presión es de 65 a 100 kg/cm2. Absorben una potencia tal como: ܰ = ܳ. . 10 60.75. ߟ ሾܥܸሿ Donde: Q= caudal en l/min; p= presión; η= 0,6 a 0,8 (rendimiento Profesor: Ing. Diego Di Lorenzo Ayudantes: Miranda Belén-Gastón Segura y el caudal es: ܳ = ߨ. ܦ. 2ܯ. ܾ. ݊ 100.000 ݈ ݉݅݊ ൨ M= módulo; D,b en mm; n= velocidad de rotación r.p.m. Bomba a paletas: Las bombas de paletas cuentan con un conjunto de aletas con cinemática radial. El rotor es un cilindro hueco con ranuras radiales en las que oscilan o deslizan las aletas. El rotor está colocado de forma excéntrica respecto al eje del cuerpo de la bomba. Las aletas realizan durante la rotación del rotor movimientos alternativos o de vaivén respecto al rotor. Cuando la excentricidad es fija la bomba es de caudal constante; si puede modificarse es de caudal variable. A veces en las acanaladuras se colocan resortes para aumentar la acción producida por la fuerza centrífuga. Profesor: Ing. Diego Di Lorenzo Ayudantes: Miranda Belén-Gastón Segura Gracias a la excentricidad se genera una zona, mediante las paletas y la carcasa, que hace la función de cierre hermético que impide que el aceite retroceda durante el funcionamiento de la bomba. A partir de esa zona y producto de la fuerza centrífuga, las paletas salen de las ranuras del rotor, ajustándose a la superficie interna del anillo, así entre cada par de paletas se crean cámaras de aspiración y compresión que hacen aumentar el volumen y disminuir la presión, con lo que es posible asegurar el continuo suministro de aceite. El aceite es tomado de estas cámaras y trasladado a la zona de descarga. La fórmula de cálculo de velocidad está relacionada con el caudal desplazado en la bomba. b= Ancho de paleta ܸ = ݔ + ݕ 2 ∙ ܾ ∙ 2݁ Para Z cámaras en una vuelta: Profesor: Ing. Diego Di Lorenzo Ayudantes: Miranda Belén-Gastón Segura ܸ = ܼ ∙ ݔ + ݕ 2 ∙ ܾ ∙ 2݁Y dado que: ܼ ∙ ݔ + ݕ 2 = 2ߨܴ ܸ = 2ߨܴ ∙ ܾ ∙ 2݁ Para ܰሾݎ݉ሿ y ܦ = 2ܴ: ܳ = ݊ ∙ ܸ = 2ߨܾ ∙ ݁ ቈ ܿ݉ଷ ݉݅݊ Si el caudal es constante así como la velocidad, salvo las perturbaciones de los regímenes transitorios de iniciación y fin del movimiento, la potencia resulta: ܰ = ܳ ∙ 60 ∙ 75 ∙ 100 ሾܥܸሿ Nota: Para profundizar ver Tecnología Mecánica- P.A. Pezzano- Pág. 203. Bombas de tornillo: La figura está formada por un tornillo central (motriz) y dos laterales, alojados en un cuerpo hermético. El líquido aspirado por los conductos de la izquierda sale por el extremo y en el intervalo ocupa espacios helicoidales libres entre dientes. Profesor: Ing. Diego Di Lorenzo Ayudantes: Miranda Belén-Gastón Segura Una bomba de este tipo es la I.M.O (sueca), gira a n=3000 a 5000 r.p.m.; se construye para tres presiones: a) Débil: 20 kg/cm2; b) Mediana: 60 kg/cm2; c) Alta: hasta 175 kg/cm2. La casa constructora propone la formula siguiente para calcular el caudal: ܳ = 3. ߨ. . ݊ 16 (ܦଶ − ݀ଶ) (ܿ݉ଷ/݉݅݊) p= paso del tornillo en cm; d= diámetro interior (cm); D=diámetro exterior (cm). Bombas de Caudal Variable. Se utilizan en ciertos circuitos hidráulicos para maquinas que trabajan con distintos avances de la herramienta. Como el avance variable exige una fuerza una fuerza de corte también variable se hace necesario variar el caudal de la bomba. Cumplen esta condición, las bombas a paletas y las de pistones múltiples. Bomba a paletas: Las bombas de desplazamiento variable cuentan con un compensador de presión y permiten adecuar en cualquier momento el caudal impulsado a la demanda del circuito. La figura representa una bomba “Enor” en forma esquemática; 1. interior del cuerpo; 2. rotor; 3. las paletas; 4. Se utiliza para presiones de 10 a 15 kg/cm2. e. La excentricidad que se obtiene desplazando el estator mediante el vástago Profesor: Ing. Diego Di Lorenzo Ayudantes: Miranda Belén-Gastón Segura Bomba a pistones: Las bombas de pistones son del tipo bombas volumétricas, y se emplean para el movimiento de fluidos a alta presión o fluidos de elevadas viscosidades o densidades. En la figura se muestra una bomba a pistones en estrella. a. El rotor, que se encuentra descentrado respecto al centro del cuerpo. b. Los pistones tienen en su interior un resorte que los impulsa hacia la periferia. d. Centro del cuerpo e. Valor variable. Cuando los pistones se alejan del centro aspiran el líquido que se encuentra en A para impulsarlo en la B cuando retroceden hacia el centro. El caudal teórico de una bomba de este tipo, es: ܳ = ߨ. ݀ଶ 4 . 2݁. ܼ. ݊ (ܿ݉ଷ/݉݅݊) Z=número de pistones; d=diámetro (cm); e=excentricidad en cm; n=velocidad (r.p.m). Se admite un rendimiento: η=0,95. Bomba a pistones múltiples en el espacio: La aspiración y la impulsión se realiza por las cámaras anulares que aparecen sobre la superficie de resbalamiento entre el cuerpo (4) y el plato fijo del gorrón (8). La variación del caudal se obtiene modificando el ángulo de inclinación (ߛ). Profesor: Ing. Diego Di Lorenzo Ayudantes: Miranda Belén-Gastón Segura 1. Árbol motor 2. Disco de comandos 3. Árbol articulado 4. Cuerpo de cilindros 5. Pistón 6. Eje basculante 7. Superficie de resbalamiento 8. Gorrón 9. Cuerpo basculante 10. Vástagos Válvulas: Una válvula se puede definir como un aparato mecánico con el cual se puede iniciar, detener o regular la circulación (paso) de líquidos o gases mediante una pieza movible que abre, cierra u obstruye en forma parcial uno o más orificios o conductos. En el comando hidráulico se utilizan las siguientes válvulas: Válvulas de seguridad: En el circuito hidráulico, estas válvulas tienen como finalidad preservar el circuito contra un aumento exagerado de la presión, producido por diversas causas. Adoptan formas diversas: a bolillas, de asiento cónico, etc. Permanecen cerradas durante la marcha normal por la acción del resorte. Válvulas de descarga: Tienen por objeto limitar la presión máxima de trabajo. Actúan de manera continua durante la marcha, abriéndose más o menos, según las variaciones de presión respecto a la presión normal de funcionamiento. Válvulas reductoras de presión: Son válvulas reguladoras, pues su función es reducir la presión del líquido y mantener sensiblemente constante la presión así reducida. Ellas van intercaladas en el circuito, antes del estrangulador. Profesor: Ing. Diego Di Lorenzo Ayudantes: Miranda Belén-Gastón Segura Válvulas de “marcha” y “stop”: Permiten parar la mesa o el carro móvil en una posición determinada, ya para retirarla. Estas válvulas se accionan a mano o automáticamente. Válvulas de inversión de marcha: En máquinas de movimiento rectilíneo alternativo, es necesario invertir la marcha, graduando convenientemente la carrera, para reducir los tiempos pasivos. El tipo de válvula de inversión de marcha, con el mecanismo más simple, es el inversor de cuatro vías: Es suficiente un giro de 90°, para desviar el líquido hacia uno u otro lado del embolo, en el elemento motor y al mismo tiempo efectuar la descarga del costado opuesto, (a) y (b) marcha en uno u otro sentido. Profesor: Ing. Diego Di Lorenzo Ayudantes: Miranda Belén-Gastón Segura Otro mecanismo muy empleado es la válvula inversora “Wickers” En la figura A, B y C son las tres posiciones, izquierda, neutra y derecha, de acuerdo con las posiciones dadas al tirador por los topes graduables de la carrera. Estranguladores: Tienen por finalidad reducir el caudal haciendo circular “a voluntad” solamente una fracción del caudal impulsado por la bomba. Se accionan generalmente a mano. Profesor: Ing. Diego Di Lorenzo Ayudantes: Miranda Belén-Gastón Segura Elemento motor: En los comandos hidráulicos para movimientos de carácter alternativo se conocen dos formas fundamentales: Cilindro embolo: El embolo se desplaza en el interior del cilindro guiado por un vástago cuya extremidad libre fuera del cilindro, transmite la fuerza necesaria para realizar el avance o movimiento activo (corte). En su forma más simple y suponiendo que la presión se ejerce sobre una cara libre del embolo se tiene: ܲ = ߨ. ܦଶ 4 . ଵ ሾ݇݃ሿ D= diámetro del embolo en cm; p1=presión en kg/cm2. Las formas constructivas son muy variadas y pueden agruparse así: Profesor: Ing. Diego Di Lorenzo Ayudantes: Miranda Belén-Gastón Segura 1) A simple efecto: El retroceso se produce por la acción de un resorte o por peso propio. 2) A doble efecto y vástago unilateral: El avance y el retroceso se hace a presión. En uno de los costados la sección del vástago reduce la superficie sobre la cual se ejerce la presión. 3) A doble efecto y vástago prolongado. 4) A doble efecto, embolo fijo y cilindro móvil. 5) A doble efecto, vástago prolongado y cilindro móvil. Profesor: Ing. Diego Di Lorenzo Ayudantes: Miranda Belén-Gastón Segura 6) A cilindro diferencial: A. Representa la carrera de avance; el aceite a presión es dirigido por la válvula inversora al costado derecho donde está el vástago cuya sección es mitad de la del cilindro (se supone del otro lado una contrapresión nula, pues comunica con el depósito); la fuerza es: ܲ = ܵ ∙ 2 B. Tiene el retroceso; la presión del líquido es la misma debido a la válvula inversora; la fuerza será doble. ܵ ∙ − ܵ ∙ 2 = ܵ ∙ 2 O seaque el avance y el retroceso se hacen a igual velocidad. Circuito hidráulico tipo, para impulsión rectilínea Estos circuitos se aplican para producir el avance de la mesa de las acepilladoras o del carro portaherramientas de las rectificadoras, fresadoras, alesadoras, etc. Estos circuitos deben ejecutar: a) Avances a distintas velocidades. b) Acercamiento rápido. c) Avances o retrocesos muy rápidos entre dos periodos de trabajo. Los mismos se clasifican en: Circuitos a estrangulador: La circulación del líquido es producida por una bomba de caudal constante. La presión es mantenida invariable mediante una válvula reguladora que permite el retroceso del aceite al depósito cuando dicho valor es excedido a causa de un avance dificultoso o resistencia imprevista. Circuito tipo Estrangulador intercalado en la tubería de impulsión: La pérdida de carga ocasionada por el estrangulador, puede compararse a una resistencia eléctrica graduable intercalada en un circuito eléctrico, valiéndonos de la analogía existente entre Profesor: Ing. Diego Di Lorenzo Ayudantes: Miranda Belén-Gastón Segura los circuitos hidráulicos y eléctricos. La fuerza P que recibe la mesa y la impulsa hacia la izquierda vale en kg: ܲ = (ଵ − ଶ) Ω Ω=Seccion libre del embolo, en cm2. (ଵ − ଶ)= diferencia de presiones entre la cara activa del embolo (derecha) y la pasiva (izquierda) o sea presión menos contrapresión. Por lo general ଶܲ = 0, en este caso, la expresión anterior se convierte en: ܲ = ଵܲ ∙ Ω Se puede calcular el caudal Q1 que pasa por el estrangulador en función de la resistencia hidráulica R que esta provoca y de la diferencia de presiones. ܳଵ = ( − ଵ) ܴ Y como ଵ = ܲ/Ω ܳଵ = ( − ܲ/Ω) ܴ El avance de la mesa de la maquina depende del valor ܳଵ Ω⁄ , es decir, del caudal que deja pasar el estrangulador, del mismo modo variara la fuerza P por dicha causa. 1. Tubo de aspiración 2. Bomba Profesor: Ing. Diego Di Lorenzo Ayudantes: Miranda Belén-Gastón Segura 3. Estrangulador 4. Válvula reguladora o de seguridad 5. Cilindro motor 6. Tubo de descarga 7. Válvula inversora Con estrangulador intercalado en la tubería de descarga: En este circuito la presión en el costado derecho del cilindro es constante y no puede modificarse a voluntad como en el caso anterior. Por consiguiente la presión a la salida de la bomba, equivale a p1 en el cilindro: = ଵ En este caso la fuerza transmitida será: ܲ = ( − ଶ)Ω Caudal de trabajo circulante es: ܳଵ = ଶ − ଷ ܴ ଷ: Presión en el tubo de descarga. ଶ: Contrapresión debido al trabajo que la maquina realiza. ܴ : Resistencia provocada por el estrangulador Por lo general ଷ = 0; por lo tanto: ܳଵ = ܴ ܳଵ = − ܲ/Ω ܴ Esta ecuación es parecida al circuito a estrangulador en la tubería de impulsión, luego en ambos circuitos los avances varían en razón directa de P, en razón inversa a la sección del cilindro y a la resistencia producida por el estrangulador. Por esta causa los circuitos de este tipo, solamente se aplican a las maquinas herramientas en las cuales las resistencias al corte permanecen en un valor sensiblemente constante, tales como: Profesor: Ing. Diego Di Lorenzo Ayudantes: Miranda Belén-Gastón Segura Rectificadoras, para el comando de la mesa; Brochadoras, para el movimiento de la brocha; Alesadoras, para la traslación de la mesa; Taladradoras, para el movimiento de la mesa o del plato portapieza. Circuitos con bomba de caudal variable: En todos estos circuitos, el avance de la mesa o carro de la maquina se gradúa variando el caudal de la bomba, por lo tanto esta es regulable. Para mayor simplicidad de la figura no se representa la válvula inversora de marcha, ni la disposición de las tuberías que distribuyen el líquido hacia uno u otro lado del cilindro. a) Circuito con avance graduable por regulación del caudal: Las resistencias a vencer durante el trabajo equivalen a P; ellas comprenden las resistencias de corte y el rozamiento. La presión activa es p1 cuyo valor está limitado por la válvula de seguridad VS; la contrapresión p2 es de valor sensible constantemente por la válvula reguladora Vr. El circuito esta formado por: 1.Tuberia de aspiracion. 2.Tuberia de admision. 3. Tuberia de impulsion. 4. Tuberia de retroceso. 5. Tuberia de descarga El avance activo se hace en direccion a P. Profesor: Ing. Diego Di Lorenzo Ayudantes: Miranda Belén-Gastón Segura b) Circuito cerrado con avances graduables por regulación del caudal y bomba de compensación en la tubería de escape: En este circuito la bomba de caudal variable aspira líquido del conducto de descarga y lo impulsa a la presión p1 al costado derecho del cilindro. Esta presión tiene un límite superior fijado por la válvula de seguridad VS y por el cierre de una válvula de retención Vr; por todo ello, se denomina de “circuito cerrado”. En este circuito también pueden producirse fugas y a tal efecto se lo ha provisto de una bomba de compensación Bc, la cual produce una presión p3 cuyo valor está determinado por una válvula de seguridad o de regulación de la baja presión. En efecto, si p2 desciende de valor, el líquido a la presión p3 penetra al circuito en el costado izquierdo, por lo tanto mantiene la contrapresión a un valor constante, anulando así el efecto de las fugas que pudieran haberse producido. c) Circuito cerrado de avance graduable con bomba de compensación en el tubo de impulsión: Este circuito es una variante del anterior. Una bomba auxiliar “boosterpump” de débil caudal constante y alta presión Bc aspira líquido del depósito y lo introduce en el tubo de impulsión (2). Una válvula de seguridad Vs mantiene en este tuvo una presión constante p1 independientemente de la resistencia de trabajo que puede producirse en la máquina. Esta resistencia puede modificar solamente el valor de la contrapresión y como es lógico puede hacerlo la bomba de caudal regulable, según las necesidades, aspirando en el tubo de descarga e impulsando el líquido en el tubo de impulsión. Aplicación de los circuitos de caudal variable: Estos circuitos se utilizan siempre que la fuerza de corte ejercida durante el avance sufra variaciones. Esto se produce en el fresado, torneado, brochado, acepillado y taladrado. Calculo de circuitos hidráulicos de impulso rectilíneo: Profesor: Ing. Diego Di Lorenzo Ayudantes: Miranda Belén-Gastón Segura Caudal. ܳଵ = Ωଵ ∙ ݒଵ ∙ 100 ቈ ܿ݉ଷ ݉݅݊ ݏଵ Ωଵሾܿ݉ଶሿsección del cilindro ݒଵሾܿ݉ ݉݅݊⁄ ሿvelocidad del embolo ܳଵ = 0,1Ωଵ ∙ ݒଵ ݈ ݉݅݊ ൨ Estas expresiones son válidas en un circuito ideal, sin fugas de líquido. Si el movimiento se establece en el cilindro de izquierda a derecha valen dichas ecuaciones; cuando el movimiento se invierte dado que es rectilíneo alternativo, se tendrá para esta fase, de derecha a izquierda: ܳଶ = 0,1Ωଶ ∙ ݒଶ ݈ ݉݅݊ ൨ Las velocidades correspondientes en cada caso serán: ݒଵ = 10ܳଵ Ωଵ ; ݒଶ = 10ܳଶ Ωଶ ቂ ݉ ݉݅݊ ቃ Fuerza transmitida, o empujes recibidos por el embolo serán: ଵܲ = Ωଵ ∙ ଵ ; ଶܲ = Ωଶ ∙ ଶ ሾ݇݃ሿ ଵ ݕ ଶ Son presiones respectivas en ቂ య ቃ La potencia desarrollada por el embolo en su movimiento de izquierda a derecha: ଵܰ = ଵܲ ∙ ݒଵ 60 ∙ 75 = ଵ ∙ Ωଵ ∙ ݒଵ 4500 = ܳଵ ∙ ଵ 450 ሾܥܸሿ Por consiguiente: ଶܰ = ଶܲ ∙ ݒଶ 60 ∙ 75 = ଶ ∙ Ωଶ ∙ ݒଶ 4500 = ܳଶ ∙ ଶ 450 ሾܥܸሿ
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