电动螺旋起重机设计--毕业论文

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电动螺旋起重机设计

摘 要

螺旋起重机又称为螺旋升降机，它的原型是千斤顶。它具有结构紧凑、体积小、重量轻、动力源广泛、无噪音、安装方便、使用灵活、功能多、配套形式多、可靠性高、使用寿命长等许多优点。可以单台或组合使用，能大致控制调整提升的高度，可以用电动机或其他动力直接带动，也可以手动。

电动螺旋起重机基本原理是利用电机，通过减速器减速后，带动螺母旋转，转化为丝杆的轴向运动，用来推动物体上升。主要内容如下：对千斤顶的原理和螺旋起重的原理、方法进行了研究；设计螺旋起重机构；选择电动机；设计减速机构；控制电路的设计；主要阐述在流水线作业中，和螺旋千斤顶的动作原理。

关键词 起重机；电动；螺旋传动；千斤顶

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目 录

摘 要 ..................................................................................................................... I 第1章 绪 论 ........................................................................................................... 1 1.1螺旋起重机的背景及发展现状 ...................................................................... 1 1.2螺旋起重机的分类 .......................................................................................... 2 第2章 设计方案的确定 ......................................................................................... 3 2.1螺旋传动设计方案 .......................................................................................... 3 2.1.1 螺旋传动概述 ........................................................................................... 3 2.1.2 螺旋传动方案的确定 ............................................................................... 4 2.2减速传动机构设计方案 .................................................................................. 5 第3章 传动系统的设计 ......................................................................................... 6 3.1螺旋传动部分计算 .......................................................................................... 6 3.1.1 螺杆直径的计算 ....................................................................................... 6 3.1.2 螺纹部分强度计算 ................................................................................... 6 3.2电机的选择 ...................................................................................................... 8 3.2.1电动机功率计算 ........................................................................................ 9 3.2.2传动效率 .................................................................................................... 9 3.2.3确定电机转速 .......................................................................................... 10 3.3减速机构的设计 ............................................................................................ 12 3.3.1 材料的选择 ............................................................................................. 12 3.3.2 蜗轮蜗杆传动基本尺寸 ......................................................................... 12 3.3.3 强度校核 ................................................................................................. 16 3.3.4 蜗轮蜗杆传动中的作用力分析 ............................................................. 16 3.3.5 实际传动动力参数 ................................................................................. 17 3.4 辅助装置的设计 ........................................................................................... 18 3.4.1 轴承的选择 ............................................................................................. 18 3.4.2 键的选择 ................................................................................................. 22 3.4.3 联轴器的设计与计算 ............................................................................. 23 第4章 控制电路及过载保护系统的设计 ........................................................... 25 4.1 过载及最大行程保护元件 .......................................................................... 25 4.1.1 热继电器 ................................................................................................. 25 4.1.2 行程开关 ................................................................................................. 26 4.2电器控制基本电路设计 ................................................................................ 28 结论 ......................................................................................................................... 30

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参考文献 ................................................................................................................. 31 致谢 ......................................................................................................................... 32

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第1章 绪 论

1.1螺旋起重机的背景及发展现状

千斤顶起源于20世纪初的英、美、德等国家，在逐步发展中工艺逐渐成熟，因其具有抗腐蚀、耐高温，强度高、表面精美、百分之百可回收等无与伦比的良好性能，被广泛应用于建筑、交通、能源、石化、环保、城市景观、医疗、餐饮等各个领域，逐渐被人们所接受，也越来越多地走进寻常百姓的日常生活。

我国千斤顶产业发展进步较晚，建国以来到改革开放前，我国千斤顶的需求主要是以工业和国防尖端使用为主。改革开放后，国民经济的快速发展，人民生活水平的显著提高，拉动了千斤顶的需求。进入上世纪九十年代后，我国千斤顶产业进入快速发展期，千斤顶需求的增速远高于全球水平。

1990年以来，全球千斤顶表观消费量以年均6%的速度增长，而九十年代的十年间，我国千斤顶表观消费量年均增长率达到17.73%，是世界年均增长率的2.9倍。进入二十一世纪，我国千斤顶产业高速增长。2000年—2004年，我国千斤顶消费量从188万吨增长到447万吨，增加了2.3倍，年平均增长率在27%以上。其中，2001年，我国千斤顶表观消费量达到225万吨，超过美国成为世界第一千斤顶消费大国。同时，千斤顶进口也大幅度增加。1998年，我国千斤顶进口100万吨，由此成为世界上最大的千斤顶进口国。2004年与1998年比，千斤顶进口增长幅度年均达到27.14%。预计2005年，中国千斤顶表观消费量将达到500万吨，进口仍将保持在300万吨左右。

伴随着千斤顶市场的快速发展，我国千斤顶产量也结束了长期徘徊的局面，实现了高速增长。我国千斤顶产量从2000年的46万吨增长到2004年的236万吨，年平均增长率在82.6%，占国内市场需求的比重也由2000年的24.47%提高到2004年的52.80%。而同期，世界千斤顶产量则仅以6%左右的速度增长。

从九十年代后期起，我国太钢、宝钢以及宝新、张浦等国有和合资企业通过引进和技术改造，先后建成了一系列千斤顶生产线，千斤顶工艺技术装备达到国际先进水平，千斤顶生产初具规模。千斤顶品种结构也发生了积极的变化，千斤顶产品质量迅速提高。特别是国内千斤顶冷轧板增长迅速，2003年，国内冷轧板产量达到170万吨，首次超过进口量,自给率达到66%；2004年，国内冷轧板产量达到200万吨，自给率达到70%以上。从2004年底到2005年底，国内冷轧千斤顶产能将增加约150万吨，基本满足国内市场需求。到2007年，我国将成为千斤顶的净出口国。

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1.2螺旋起重机的分类

千斤顶有多种形式。如电动式，液压式，手动式（即一般意义上的千斤顶）等等。

电动式千斤顶如图1-1所示。它的基本动力源是电机，由电机通过减速器带动螺母旋转，转化为丝杆的轴向运动，从而推动物体上升。它解放了人类的体力劳动，只需操纵按钮即可完成起重。可有效的避免了重物砸伤等事故。该形式的起重器也是本设计所讨论的。

图1-1 电动式千斤顶

液压千斤顶，又称为油压千斤顶。它的基本工作原理图如图1-2所示。其基本原理是利用封闭管路里液体的压强来工作的。当人以力F向下压手柄时，液体内部产生一定的压强，从而推动重物上升。

图1-2 液压式千斤顶

1-小液压缸，2-排油单向阀，3-吸油单向阀，4-油路，5-截止阀，6-大液压缸

手动式千斤顶也即一般普通的千斤顶，它是出现的最早的千斤顶，是所有千斤顶的鼻祖。手摇其手柄，带动螺母旋转。

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第2章 设计方案的确定

2.1螺旋传动设计方案

2.1.1 螺旋传动概述

螺旋传动是利用螺杆和螺母的啮合来传递动力和运动的机械传动。主要用于将旋转运动转换成直线运动，将转矩转换成推力

1.传力螺旋：以传递动力为主,它用较。按工作特点，螺旋传动用的螺旋分为传力螺旋、传导螺旋和调整螺旋。

小的转矩产生较大的轴向推力,一般为间歇工作，工作速度不高，而且通常要求自锁，例如螺旋压力机和螺旋千斤顶上的螺旋。

2.传导螺旋：以传递运动为主，常要求具有高的运动精度，一般在较长时间内连续工作，工作速度也较高，如机床的进给螺旋（丝杠）。

3.调整螺旋：用于调整并固定零件或部件之间的相对位置，一般不经常转动，要求自锁，有时也要求很高精度，如机器和精密仪表微调机构的螺旋。按螺纹间摩擦性质，螺旋传动可分为滑动螺旋传动和滚动螺旋传动。滑动螺旋传动又可分为普通滑动螺旋传动和静压螺旋传动。

1.滑动螺旋传动

通常所说的滑动螺旋传动就是普通滑动螺旋传动。滑动螺旋通常采用梯形螺纹和锯齿形螺纹，其中梯形螺纹应用最广，锯齿形螺纹用于单面受力。矩形螺纹由于工艺性较差强度较低等原因应用很少；对于受力不大和精密机构的调整螺旋，有时也采用三角螺纹。

一般螺纹升程和摩擦系数都不大，因此虽然轴向力F相当大，而转矩T则相当小。传力螺旋就是利用这种工作原理获得机械增益的。升程越小则机械增益的效果越显著。滑动螺旋传动的效率低，一般为30～40%，能够自锁。而且磨损大、寿命短，还可能出现爬行等现象。

2.静压螺旋传动

螺纹工作面间形成液体静压油膜润滑的螺旋传动。静压螺旋传动摩擦系数小，传动效率可达99%，无磨损和爬行现象，无反向空程，轴向刚度很高，不自锁，具有传动的可逆性，但螺母结构复杂，而且需要有一套压力稳定、温度恒定和过滤要求高的供油系统。静压螺旋常被用作精密机床进给和分度机构的传导螺旋。这种螺旋采用牙较高的梯形螺纹。在螺母每圈螺纹中径处开有3～6个间隔均匀的油腔。同一母线上同一侧的油腔连通，用一个节流阀控制。油泵将精滤后的高压油注入油腔，油经过摩擦面间缝隙后再由牙根处回油孔流回油箱。当螺杆未受载荷时，牙两侧的间隙和油压相同。当螺杆受

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向左的轴向力作用时，螺杆略向左移，当螺杆受径向力作用时，螺杆略向下移。当螺杆受弯矩作用时，螺杆略偏转。由于节流阀的作用，在微量移动后各油腔中油压发生变化，螺杆平衡于某一位置，保持某一油膜厚度。

3.滚动螺旋传动

用滚动体在螺纹工作面间实现滚动摩擦的螺旋传动，又称滚珠丝杠传动.滚动体通常为滚珠，也有用滚子的。滚动螺旋传动的摩擦系数、效率、磨损、寿命、抗爬行性能、传动精度和轴向刚度等虽比静压螺旋传动稍差，但远比滑动螺旋传动为好。滚动螺旋传动的效率一般在90%以上。它不自锁，具有传动的可逆性；但结构复杂，制造精度要求高，抗冲击性能差。它已广泛地应用于机床、飞机、船舶和汽车等要求高精度或高效率的场合。滚动螺旋传动的结构型式，按滚珠循环方式分外循环和内循环。外循环的导路为一导管,将螺母中几圈滚珠联成一个封闭循环。内循环用反向器，一个螺母上通常有2～4个反向器，将螺母中滚珠分别联成2～4个封闭循环，每圈滚珠只在本圈内运动。外循环的螺母加工方便，但径向尺寸较大。为提高传动精度和轴向刚度，除采用滚珠与螺纹选配外，常用各种调整方法以实现预紧。

常用的载重螺旋有矩形，梯形和锯齿形等。矩形螺纹传动效率高，但螺纹强度较低，精确制造较困难，对中准确性较差，磨损后无补偿，因此应用受限制，矩形螺纹无标准。梯形螺纹加工容易，强度较大，但效率较低。锯齿形螺纹矩形螺纹效率高，梯形螺纹强度大的特点，一般用于承受单向压力，常用在压力机上。

螺杆材料应具有足够的强度和耐磨性，以及良好的加工性能，不经热处理的螺杆一般选用Q275，35，45号钢，重要的经热处理的螺杆可以选用65Mn，40Cr或20C rMnTi钢。精密传动螺杆可用9MnV，CrMn，38CrMoAl钢等。螺母材料除要有足够的强度外，还要求在与螺杆材料配合时摩擦系数小和耐磨。常选用铸造青铜ZQSn6-6-3，ZQSn10-1，速度低，载荷较小时，也可选用高强度铸造铝青铜或铸造黄铜，重载时可用铸铁，耐磨铸铁。尺寸大的螺母可用钢或铸铁做外套，内部浇注青铜。高速螺母可浇注巴氏合金。

螺旋传动用矩形，梯形或锯齿形螺纹，其失效形式多为螺纹磨损。而螺旋直径螺母的高度由耐磨性要求决定。传力较大时，应校验螺杆部分或其他危险部位强度，以及螺母，螺杆的螺纹牙的强度。要求自锁时，应检验螺纹副的自锁条件。对于长径比很大的受压螺杆，应检验其稳定性。

因此，本设计中螺旋副材料选取钢—青铜材料，螺杆选取45号钢。螺纹选用梯型螺纹，右旋单线。

2.1.2螺旋传动方案的确定

本设计的重点是如何将电机输出的回转运动转换为螺杆的直线运动。这

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也是整个传动系统设计的关键。

根据机械设计等相关参考资料，可得到把回转运动转化为直线运动的四种方式：

1.螺杆转动，螺母移动 2.螺母转动，螺杆移动 3.螺母固定，螺杆转、移动 4.螺杆固定，螺母转、移动

考虑到必须顶着重物上升，即与重物接触，而起重部件与重物间不可发生相对运动，而且必须与重物充分接触，因此排除方案1、4，而方案3又不方便输入传动方案的设计，因此选择方案2作为起重部分的传动方案。

2.2减速传动机构设计方案

减速传动机构通常有蜗轮蜗杆传动，齿轮传动，带传动，链传动，摩擦轮传动等等。考虑到本设计要求的传动紧凑，传动比较大，因此选用蜗轮蜗杆传动作为本设计的减速传动机构。

蜗杆传动用于传递交错轴之间的回转运动。在绝大多数情况下，两轴在空间上是互相垂直的，轴交角为90度。它广泛应用在机床、汽车、仪器、起重运输机械、冶金机械以及其他机械制造部门中，最大传动功率可达到750千瓦，通常用在50千瓦以下；最高滑动速度可达35m/s，通常用在15m/s以下。

蜗杆传动的主要优点是结构紧凑，工作平稳，无噪声，冲击振动小以及能得到很大的单级传动比。在传递动力时，传动比一般为8—100，常用的为5—50。在机床工作台中，传动比可达几百，甚至达到一千。这时，需采用导程角很小的单头蜗杆，但传动效率很低，只能用在功率很小的场合。在现代机械制造业中正力求提高蜗杆传动的效率，多头蜗杆的传动效率已经可达到98%。与多级齿轮传动相比，蜗杆传动零件数目少，结构尺寸小，重量轻。缺点是在制造精度和传动比相同的条件下，蜗杆传动的效率比齿轮传动低，同时蜗轮一般需用贵重的减磨材料制造。

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第3章 传动系统的设计

3.1螺旋传动部分计算

3.1.1螺杆直径的计算

螺杆直径计算公式：

d2?Fp?h[p]

表 3-1 滑动螺旋副许用比压[P]

螺杆材料 钢 钢 钢 钢 螺母材料 青铜 钢 铸铁 青铜 许用比压 18—25 7.5—13 13—18 11—18 速度范围 低速 低速 <2.4m/min <3.0m/min 取钢—青铜螺旋副[p]=20MPa，f=0.08~0.1，最大负载F=25000N， 代入式得: d2≥25.9mm

根据梯形螺纹国家标准，取螺纹为Tr30?6 其基本参数为：

螺杆外径： d=30mm， 中径： d2=D2=27mm， 螺杆小径：d3=23mm， 螺母小径：D1=24mm， 螺母大径：D4=31mm， 螺距： p=6mm

3.1.2 螺纹部分强度计算

梯形螺纹牙型角??30?

fvn?arcftan[?/co?s( /当量摩擦角 ?v?arcta将螺纹部分展开，其受力图如图3-1所示。

?6

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图3-1 螺纹受力分析图

螺杆受力如图3-2所示，由图可知，螺杆上与螺母旋合处扭矩最大，且

Tmax=T1=54059N?mm

图3-2 螺杆受力分析图

根据第四强度理论，得：螺杆危险截面的当量应力

?v?(Tmax24F2)?3() 33?d30.2d37

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?(4?250002540592)?3() 33233?0.2?233 =71.4MPa 螺杆与螺纹牙强度分析如表3-2所示。

表3-2 螺杆与螺纹牙强度

项目 螺杆强度 螺纹牙强度 青铜 铸铁 耐磨铸铁 30--40 40 40 40—60 45—55 50—60 材料 钢 许用应力MPa [?]?[?s] [?s]为屈服极限 3~5剪切[?] 0.6[?] 弯曲[?]min （1~1.2）[?] 蜗杆材料为45号钢，由表3-2可知，它的许用应力为 [?]360[?]?s==120~72MPa

3~53~5?v?[?]，满足要求。

自锁条件：??arctan 符合自锁条件。

p6?arctan?4.1?

电动机的类型、结构形式是根据电源种类、载荷性质和工作条件来选择

的。三相异步电机具有构造简单、运行可靠、重量轻、成本低、使用维护方便等优点，所以电机选择为三相异步电动机。

电动机的功率选择是否合适将直接影响到电动机的工作性能和经济性能。如果选用额定功率小于工作机所要求的功率,就不能保证工作机正常工作,

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甚至使电动机长期过载而过早损坏,如果选用额定功率大于工作机所需要的功率,则电动机价格高,功率未得到充分的利用,从而增加电能的消耗,造成浪费。

在设计过程中,由于螺旋起重机载荷不变或很少变化,并且传递功率较小，故只需使电动机的额定功率Ped等于或梢大于电动机的实际输出功率Pd,即

Ped?Pd。这样电动机在工作时就不会过热,一般不需要对电动机进行热平衡计算和校核启动力矩。

选择电动机应综合考虑的问题：

1.根据机械的负载性质和生产工艺对电动机的启动，制动反转等要求选择电动机类型。

2.根据负载转矩速度变化范围和启动频繁程度等要求，考虑电动机的温升限制过载能力和启动转矩，选择电动机功率并确定冷却方式。多选电动机功率应留有余量，负荷率一般0.8—0.9，过大的备用功率会使电机效率降低，对于感应电动机，其功率因将变坏，并使按电动机最大转局校验强度的生产机械造价提高。

根据使用场所的环境条件的温度，湿度，灰尘，雨水，瓦斯以及腐蚀和易燃易爆气体等考虑必要的保护方式，选择电动机的结构形式。

3.根据企业的电网电压标准和对功率因数的要求确定电动机的电压等级和类型。

4.根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程性能的要求，以及机械减速机构的复杂程度，选择电动机额定转速。除此之外选择电动机还必须符合节能要求，考虑运行可靠性，设备的供货情况，备品备件的通用性，安装检测的难易，以及产品价格，建设费用，运行和维修费用，生产过程中，前，后电动机功率变化关系等各种因素。

3.2.1电动机功率计算

电动机所需工作功率为

1000?a式中 F—输送机主轴牵引力，此处F=2.5kN； v— 起重速度，m/s 此处v=0.5m/min；

?a—电动机至工作机主运动端物体的总效率。

Pd=

Fv3.2.2传动效率

传动装置的总效率应为组成传动装置的各部分运动副效率之乘积,即 ?=?1·?2·?3…?n

其中:分别为每一传动副,每对轴承,每个连轴器的效率.传动副的效率数值

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可按下列选取,轴承及连轴器效率的概略值为:

滚动轴承 0.98-0.995 滑动轴承 0.97-0.99 弹性连轴器 0.99-0.995 齿轮连轴器 0.99

万向连轴器 0.97-0.98

螺杆箱体η1推力轴承蜗杆η2蜗轮联轴器η4电机η3η2

图3-3 螺旋起重机传动示意图

该设计中根据要求选择滚子轴承效率?2=0.98；蜗轮蜗杆传动效率?3=0.97；联轴器传动效率?4=0.99； 螺杆螺母传动效率：

?1?

22?????0.44?0.98?0.85?0.99?0.36 3142总效率为=···=电机功率为：Pd=

FvFp25000?6???0.442?nT12?T12??54059

Fv1000?a?25000?0.5?0.58 kW

1000?0.36?603.2.3确定电机转速

螺母转速n1?v0.5??83.3r/min p0.06蜗轮蜗杆减速器传动比为15~60，则，电机转速可选范围为 '' nd?ia?n=（15~60）?83.3=1250~5000r/min

同一功率的同一类型电动机可以有几种同步转速供选择。高转速的电动机的极数少，外形尺寸小、重量轻、价格低，但传动装置总传动比及尺寸大，增大了减速器的成本和制造成本。低转速电动机则正好相反，因此应全面分析比较其利弊，合理选定其功率。

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电动机的转速通常采用同步转速为1500r/min 和1000r/min 左右的电动机，没有特殊说明，不选用低于750r/min 的电动机。在此，自己综合考虑，选用1390r/min 的电动机。

由查表可以看出，符合使用要求的电动机为Y2-802-4 型三相异步电动机。

Y2-802-4型三相异步电动机的参数见表3-3、3-4。

表3-3 Y2-802-4 型三相异步电动机的参数

最大转转速 r/min 矩 额定转矩 1390 2.3 最小转矩 额定转矩 1.6 75% 效率 额定功电动机型号 率 kw Y2-802-4 0.75 表3-4 Y2-802-4 型三相异步电动机的尺寸参数

中心高H 外形尺寸 L×(AC/2+AD) ×HD 80 285×232.5×170 底脚安装尺寸 A×B 125×100 地脚螺栓孔直径 K 10 轴伸尺寸 D×E 19×40 装键部位尺寸 F×GD 8×27

图 3-4 三相异步电动机外观

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3.3减速机构的设计 3.3.1材料的选择

考虑到蜗杆传动难于保证高的接触精度，滑动速度由较大，以及蜗杆变形等因素，故蜗杆、蜗轮不能都用硬材料制造，其中之一（通常是蜗轮）应该用减磨性良好的软材料来制造。

蜗轮材料主要有以下几种：

1.铸锡青铜 适用于Vs≥12m/s~26m/s和持续运转的工况，离心铸造的可得到致密的细晶粒组织，可取大值，沙型铸造的取小值。

2.铸铝青铜 适用于Vs≤10m/s的工况，抗胶合能力差，蜗杆硬度应不低于45HRC。

3.铸铝黄铜 点蚀强度高，但磨损性能差，宜用于低滑动速度场合。 4.灰铸铁和球墨铸铁 适用于Vs≤2m/s的工况，前者表面经硫化物 处理有利于减轻磨损，后者若与淬火蜗杆配对能用于重载场合。直径较大的蜗轮常用铸铁。

蜗杆材料按材料分有碳钢和合金钢。蜗轮直径很大时，也可采用青铜蜗杆，蜗轮则用铸铁。按热处理不同分可分为硬面蜗杆和调质蜗杆。在要求持久性高的动力传动中，可选用渗碳钢淬火，也可选用中碳钢表面或整体淬火以得到必要的硬度，制造时必须磨削。用氮化钢渗氮处理的蜗杆可以不磨削，但需要抛光。只有在缺乏磨削设备时才选用调质蜗杆。受短时冲击载荷的蜗杆，不宜用渗碳钢淬火，最好用调质钢。铸铁蜗轮与镀铬蜗杆配对时，有有利于传动的承载能力和滑动速度。

综合考虑，在本设计中选择蜗轮材料为减磨性较好的铸铝青铜，蜗杆材料为45号钢。

3.3.2蜗轮蜗杆传动基本尺寸

螺母转速n1=蜗轮转速n2，即n1?n2?83.3r/min， 蜗杆转速n3=电机转速n4，即n3?n4?1390r/min，

n1390?16.7要求传动比i?3?n283.3

当量摩擦系数设vs==3m/s~6m/s（查表3-5）

54059?55162N/mm 蜗轮转矩： T2?T1/?2?0.98使用系数： ka?1.1 ，(查表3-6得)

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