機(jī)電產(chǎn)品的可靠性探討

摘要：對(duì)機(jī)電產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行了探討。其中包括可靠性設(shè)計(jì)的目的、元器件的選擇與使用、三防設(shè)計(jì)、抗震設(shè)計(jì)、電磁兼容性設(shè)計(jì)、安全性設(shè)計(jì)和使用與定期維護(hù)等。其目的在于提高機(jī)電產(chǎn)品的質(zhì)量。
    關(guān)鍵詞：機(jī)電產(chǎn)品；可靠性；探討

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)電產(chǎn)品在國(guó)防、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、科研和民用等方面的應(yīng)用種類越來(lái)越多，而且都離不開電源技術(shù)和其它技術(shù)的應(yīng)用。如果在其應(yīng)用中忽略了可靠性管理，機(jī)電產(chǎn)品的質(zhì)量也不會(huì)得到保證?？煽啃允钱a(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。所以，可靠性是產(chǎn)品質(zhì)量的時(shí)間指標(biāo)，是產(chǎn)品性能能否在實(shí)際使用中得到充分發(fā)揮的關(guān)鍵之一。機(jī)電產(chǎn)品的可靠性是設(shè)計(jì)出來(lái)的、生產(chǎn)出來(lái)的?？煽啃栽O(shè)計(jì)必須與機(jī)電產(chǎn)品的功能設(shè)計(jì)同步進(jìn)行。因此，設(shè)計(jì)人員必須明確可靠性設(shè)計(jì)的目的并掌握可靠性設(shè)計(jì)的方法。

下面僅對(duì)機(jī)電產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行部分簡(jiǎn)要探討。

1 可靠性設(shè)計(jì)

1.1 可靠性設(shè)計(jì)的目的

可靠性設(shè)計(jì)的目的一般包括以下幾個(gè)方面：

——政治目的任何國(guó)家的產(chǎn)品的先進(jìn)性和可靠性對(duì)其國(guó)際貿(mào)易、國(guó)際聲譽(yù)和國(guó)際地位都有很大的影響，因此，各國(guó)政府都很重視產(chǎn)品的可靠性問(wèn)題；

——經(jīng)濟(jì)目的對(duì)銷售而言，產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性水平是其占領(lǐng)市場(chǎng)份額和獲得信譽(yù)的關(guān)鍵性因素；對(duì)生產(chǎn)而言，生產(chǎn)設(shè)備的可靠性故障會(huì)影響生產(chǎn)，造成經(jīng)濟(jì)損失；因此，各廠家和用戶都很重視產(chǎn)品的可靠性問(wèn)題；

——軍事目的軍用設(shè)備的可靠性直接關(guān)系到戰(zhàn)斗的成敗，人員的傷亡，甚至國(guó)家的安全，因此，各國(guó)都很重視軍用產(chǎn)品的可靠性問(wèn)題。

1.2 可靠性設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想

可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)是在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中采取相應(yīng)的措施，以提高產(chǎn)品的可靠性并達(dá)到可靠性指標(biāo)的一門技術(shù)。為此應(yīng)當(dāng)充分注意以下幾個(gè)方面：

——充分估計(jì)現(xiàn)有的技術(shù)水平，盡量采用成熟的、定型的、標(biāo)準(zhǔn)的原材料、元器件、電路和工藝來(lái)完成設(shè)計(jì)；

——準(zhǔn)確掌握產(chǎn)品在運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用中可能遇到的環(huán)境條件，采取相應(yīng)的可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)，以便使產(chǎn)品增強(qiáng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力；

——應(yīng)當(dāng)充分滿足設(shè)計(jì)與工藝制造、調(diào)試檢測(cè)和維護(hù)使用的相互要求；

——可靠性定量活動(dòng)應(yīng)當(dāng)貫穿于產(chǎn)品研制的全過(guò)程，包括可靠性分析、預(yù)計(jì)、論證、指標(biāo)的確定和分配、設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試檢測(cè)和維護(hù)使用等；

——重視和加強(qiáng)設(shè)計(jì)階段的可靠性管理，在設(shè)計(jì)中，必須貫徹和執(zhí)行可靠性設(shè)計(jì)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范、產(chǎn)品可靠性要求事項(xiàng)、可靠性工作計(jì)劃和可靠性審查程序等管理措施。

1.3 可靠性與維修性指標(biāo)的論證和確定

可靠性與維修性指標(biāo)的論證應(yīng)當(dāng)特別注意以下兩個(gè)問(wèn)題：

——被論證的機(jī)電產(chǎn)品應(yīng)該具有哪些可靠性與維修性指標(biāo)用來(lái)表征產(chǎn)品可靠性的數(shù)量特征有很多，對(duì)被論證的機(jī)電產(chǎn)品應(yīng)該根據(jù)其用途選用適當(dāng)?shù)目煽啃耘c維修性指標(biāo)，例如對(duì)可修復(fù)的連續(xù)工作的機(jī)電產(chǎn)品，應(yīng)以規(guī)定時(shí)間內(nèi)的可靠度或平均無(wú)故障工作時(shí)間和平均維修時(shí)間作為主要可靠性指標(biāo)；

——決定機(jī)電產(chǎn)品可靠性與維修性指標(biāo)的高低應(yīng)當(dāng)根據(jù)使用要求、成本和研制進(jìn)度來(lái)決定機(jī)電產(chǎn)品可靠性與維修性指標(biāo)的高低，例如軍用機(jī)電產(chǎn)品的可靠性與維修性指標(biāo)過(guò)低，不僅會(huì)喪失戰(zhàn)機(jī)，而且還將處于被動(dòng)挨打狀態(tài)；而可靠性與維修性指標(biāo)過(guò)高，不僅會(huì)延長(zhǎng)研制周期，而且還將增大研制經(jīng)費(fèi)。

1.4 可靠性指標(biāo)和性能指標(biāo)的關(guān)系

可靠性指標(biāo)和性能指標(biāo)的關(guān)系應(yīng)當(dāng)特別注意以下3點(diǎn)：

——可靠性是產(chǎn)品質(zhì)量的時(shí)間指標(biāo)；

——如果達(dá)不到可靠性指標(biāo)的最低要求，性能指標(biāo)再好也沒(méi)有實(shí)際使用價(jià)值，反之亦然；

——性能指標(biāo)的裕量是保證可靠性指標(biāo)的必要條件。

1.5 可靠性增長(zhǎng)

任何產(chǎn)品初期的可靠性不可能達(dá)到預(yù)期的水平，都需要一個(gè)經(jīng)過(guò)不斷地采取各種糾正措施的增長(zhǎng)過(guò)程?？煽啃栽鲩L(zhǎng)應(yīng)當(dāng)把握以下3個(gè)主要因素：

——產(chǎn)品的信息反饋，特別應(yīng)該重視用戶的意見(jiàn)；

——產(chǎn)品可靠性故障的檢測(cè)與分析；

——采取相應(yīng)的糾正措施并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 元器件的選擇與使用

元器件是機(jī)電產(chǎn)品可靠性的基礎(chǔ)之一，很多機(jī)電產(chǎn)品的失效是由于元器件的性能和質(zhì)量問(wèn)題造成的。例如，國(guó)內(nèi)某煉鋼廠用中頻爐熔煉鋼鐵，其中頻電源是利用晶閘管全橋逆變獲得的，每個(gè)橋臂上的晶閘管均并有阻容吸收電路。熔煉過(guò)程中，由于阻容吸收電路中的電容被擊穿導(dǎo)致晶閘管失去保護(hù)而被擊穿，從而造成直通故障和快速熔斷器熔斷，中頻爐斷電，正在熔煉的鋼鐵凝結(jié)在爐中，造成極大損失。由此可以看出元器件的選擇與使用的重要性。

2.1 元器件的選用原則

元器件的選用要遵循下述原則：

——根據(jù)產(chǎn)品要實(shí)現(xiàn)的功能要求和環(huán)境條件，選用相應(yīng)種類、型號(hào)規(guī)格質(zhì)量等級(jí)的元器件；

——根據(jù)元器件使用時(shí)的應(yīng)力情況，確定元器件的極限值，按降額設(shè)計(jì)技術(shù)選用元器件；

——根據(jù)產(chǎn)品要求的可靠性等級(jí)，選用與其適應(yīng)的并通過(guò)國(guó)家質(zhì)量認(rèn)證合格單位生產(chǎn)的元器件；

——盡量選用標(biāo)準(zhǔn)的、系列化的元器件，重要的關(guān)鍵件應(yīng)選用軍用級(jí)以上元器件；

——對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)的元器件要進(jìn)行嚴(yán)格的驗(yàn)證，使用時(shí)要經(jīng)過(guò)批準(zhǔn)；

——根據(jù)國(guó)家或本單位的元器件優(yōu)選手冊(cè)選用。

2.2 器件封裝結(jié)構(gòu)和質(zhì)量等級(jí)的選擇

2.2.1 器件封裝結(jié)構(gòu)的選擇

環(huán)氧樹脂塑封器件為非氣密性結(jié)構(gòu)，易受潮氣、鹽霧和其它腐蝕性氣體的侵蝕而失效。因此，對(duì)使用環(huán)境苛刻的產(chǎn)品，應(yīng)當(dāng)選用金屬、陶瓷或低熔點(diǎn)玻璃封裝的器件。

2.2.2 質(zhì)量等級(jí)的選擇

質(zhì)量等級(jí)是指元器件裝機(jī)使用前，在制造、檢驗(yàn)和篩選過(guò)程中質(zhì)量的控制等級(jí)。我國(guó)電子元器件分為A，B，C三個(gè)質(zhì)量層次，每個(gè)質(zhì)量層次包含幾個(gè)質(zhì)量等級(jí)，每個(gè)質(zhì)量等級(jí)都有相應(yīng)的質(zhì)量系數(shù)。

質(zhì)量等級(jí)的選擇原則為：

——對(duì)可靠性要求高的產(chǎn)品，優(yōu)先選用通過(guò)生產(chǎn)線軍用標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證并已上QPL（質(zhì)量認(rèn)證合格產(chǎn)品目錄）表的元器件；

——關(guān)鍵件、重要件、分配可靠性高、基本失效率高的元器件應(yīng)當(dāng)選用質(zhì)量等級(jí)高的元器件；

——其它元器件可按其生產(chǎn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，參照國(guó)標(biāo)中質(zhì)量等級(jí)順序選用。

2.3 降額設(shè)計(jì)

2.3.1 降額設(shè)計(jì)的依據(jù)

電子元器件在使用或貯存過(guò)程中，總存在著某種比較緩慢的物理化學(xué)變化。這種變化發(fā)展到一定程度時(shí)，會(huì)使元器件的特性退化、功能喪失，即失效了。而這種變化的快慢，與溫度和施加在元器件上的應(yīng)力大小直接相關(guān)。為此，應(yīng)當(dāng)對(duì)元器件實(shí)行降額設(shè)計(jì)。

2.3.2 降額等級(jí)

對(duì)不同的元器件，應(yīng)用在不同的場(chǎng)合，實(shí)行不同的降額等級(jí)：

——Ⅰ級(jí)降額，是最大降額，應(yīng)用于最關(guān)鍵設(shè)備；

——Ⅱ級(jí)降額，是中等降額，應(yīng)用于重要設(shè)備；

——Ⅲ級(jí)降額，是最小降額，應(yīng)用于一般設(shè)備。

2.3.3 降額注意事項(xiàng)

降額注意事項(xiàng)如下：

——有些元器件的應(yīng)力是不能降額的，如電子管的燈絲電壓、繼電器線圈的吸合電流；

——有些元器件應(yīng)力的降額是有限度的，如薄膜電阻器的功率減到10％以下時(shí)，二極管的反向電壓減到60％以下時(shí)，失效率將不再下降；

——有些電容器的降額可能發(fā)生低電平失效，即當(dāng)電容器兩端電壓過(guò)低時(shí)呈現(xiàn)開路失效。

2.3.4 降額系數(shù)

降額系數(shù)是依靠試驗(yàn)數(shù)據(jù)和使用的環(huán)境來(lái)確定的。確定降額系數(shù)的方法如下：

——數(shù)學(xué)模型及基本失效率與溫度、降額系數(shù)之間的關(guān)系曲線；

——減額曲線給出了為保證元器件可靠工作所選擇的降額系數(shù)與溫度之間的函數(shù)關(guān)系，當(dāng)在該減額曲線上工作的半導(dǎo)體結(jié)溫達(dá)到其最高結(jié)溫時(shí)，其失效率仍然較高；

——應(yīng)用減額圖，即在減額曲線的下方，通過(guò)試驗(yàn)找到一條半導(dǎo)體結(jié)溫較低的減額曲線；

——各種元器件的減額因子參見(jiàn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

3 三防設(shè)計(jì)

任何機(jī)電產(chǎn)品都是在一定的環(huán)境下工作的，而潮濕、鹽霧和霉菌會(huì)降低材料的絕緣強(qiáng)度，引起漏電，從而導(dǎo)致故障。因此，必須采取防止或減少環(huán)境條件對(duì)機(jī)電產(chǎn)品可靠性影響的各種方法，以保證機(jī)電產(chǎn)品工作中的性能。例如，國(guó)內(nèi)某廠家生產(chǎn)的UPS，由于沒(méi)有采用三防設(shè)計(jì)，在沿海和潮濕地區(qū)應(yīng)用時(shí)多次發(fā)生故障，致使該廠家的維修費(fèi)用過(guò)高，幾乎到了無(wú)利可圖的地步。由此可以看出采用三防設(shè)計(jì)的重要性。為此應(yīng)當(dāng)充分注意以下幾個(gè)方面。

3.1 防潮設(shè)計(jì)

防潮設(shè)計(jì)的原則如下：

——采用吸濕性小的元器件和材料；

——采用噴涂、浸漬、灌封、憎水等處理；

——局部采用密封結(jié)構(gòu)；

——改善整機(jī)使用環(huán)境，如采用空調(diào)、安裝加熱去濕裝置。

3.2 防霉設(shè)計(jì)

防霉設(shè)計(jì)的原則如下：

——采用抗霉材料，例如無(wú)機(jī)礦物質(zhì)材料；

——采用防霉劑進(jìn)行處理；

——控制環(huán)境條件來(lái)抑制霉菌生長(zhǎng)，例如采用防潮、通風(fēng)、降溫等措施。

3.3 防鹽霧設(shè)計(jì)

防鹽霧設(shè)計(jì)的原則如下：

——采用防潮和防腐能力強(qiáng)的材料；

——采用密封結(jié)構(gòu)；

——岸上設(shè)備應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)離海岸。

4 抗震設(shè)計(jì)

任何機(jī)電產(chǎn)品都要經(jīng)過(guò)從廠家到用戶的裝運(yùn)過(guò)程，特別是在振動(dòng)場(chǎng)合下應(yīng)用的機(jī)電產(chǎn)品，必須采取防止或減少振動(dòng)環(huán)境條件對(duì)機(jī)電產(chǎn)品可靠性影響的各種方法，以保證機(jī)電產(chǎn)品工作中的性能。例如，國(guó)內(nèi)某個(gè)著名研究所在上世紀(jì)60年代購(gòu)入一臺(tái)幾十萬(wàn)元的真空熔爐設(shè)備，在廠家驗(yàn)收合格后運(yùn)往北京。然而經(jīng)過(guò)多次調(diào)試，其高壓電源均調(diào)不到額定值，只好丟棄在庫(kù)房中。后來(lái)被另一個(gè)研究所以廢品的價(jià)格買走，打開高壓電源的油箱后發(fā)現(xiàn)高壓變壓器的初級(jí)繞組三相進(jìn)線中有一根斷裂。這很可能是該產(chǎn)品從廠家到北京的裝運(yùn)過(guò)程中發(fā)生的。由于沖擊和振動(dòng)會(huì)引起材料的機(jī)械強(qiáng)度降低，甚至?xí)l(fā)生材料斷裂，從而導(dǎo)致故障。為此應(yīng)當(dāng)充分注意以下幾個(gè)方面：

——印制板上各元器件引腳線長(zhǎng)應(yīng)當(dāng)盡量短，以增加抗振動(dòng)能力；

——印制板應(yīng)當(dāng)豎放并進(jìn)行加固；

——較重的器件應(yīng)當(dāng)進(jìn)行加固；

——懸空的引線不宜拉的過(guò)緊，以防振動(dòng)時(shí)斷裂；

——運(yùn)輸機(jī)電產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)防震措施；

——振動(dòng)場(chǎng)合應(yīng)用的機(jī)電產(chǎn)品，應(yīng)當(dāng)采用防震措施。

5 電磁兼容性設(shè)計(jì)

電磁兼容性是指電子設(shè)備在電磁環(huán)境中正常工作的能力。電磁干擾是對(duì)電子設(shè)備工作性能有害的電磁變化現(xiàn)象。電磁干擾不僅影響電子設(shè)備的正常工作，甚至造成電子設(shè)備中的某些元器件損害。因此，對(duì)電子設(shè)備的電磁兼容技術(shù)要給予充分的重視。既要注意電子設(shè)備不受周圍電磁干擾而能正常工作，又要注意電子設(shè)備本身不對(duì)周圍其他設(shè)備產(chǎn)生電磁騷擾，影響其他設(shè)備正常運(yùn)行。

例如，國(guó)內(nèi)某廠家生產(chǎn)的二氧化碳激光器刻標(biāo)機(jī)，由于對(duì)電磁兼容性設(shè)計(jì)重視不夠，每當(dāng)二氧化碳激光器刻標(biāo)機(jī)運(yùn)行時(shí)，其周圍的計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備便無(wú)法工作。這主要是因?yàn)槎趸技す馄骺虡?biāo)機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的空間電磁輻射干擾所致。為此應(yīng)當(dāng)充分注意以下幾個(gè)方面。

5.1 電磁兼容性控制計(jì)劃

電磁兼容性控制計(jì)劃主要包括以下各項(xiàng)：

——落實(shí)電磁兼容性管理機(jī)構(gòu)的職責(zé)、權(quán)限和實(shí)施計(jì)劃；

——電磁兼容性的預(yù)測(cè)和分析；

——制定項(xiàng)目的電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)；

——進(jìn)行項(xiàng)目的頻譜管理；

——制定電源、結(jié)構(gòu)、工藝、布局等電磁兼容性的要求；

——擬制電磁兼容性試驗(yàn)大綱。

5.2 電磁兼容性設(shè)計(jì)指標(biāo)

電磁兼容性設(shè)計(jì)指標(biāo)可以參照相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

5.3 電磁兼容性設(shè)計(jì)方法

電磁兼容性設(shè)計(jì)方法主要包括以下各項(xiàng)。

5.3.1 抑制騷擾源

抑制騷擾源的主要方法如下：

——限制騷擾源的電壓、電流變化率；

——限制騷擾源的電壓、電流幅?；

——限制騷擾源的頻率；

——直流電源的去耦；

——交流電源變壓器的電磁屏蔽；

——對(duì)感性負(fù)載的騷擾源采取相應(yīng)措施；

——采用獨(dú)立電源。

5.3.2 切斷干擾的耦合通道

切斷干擾的耦合通道的主要方法如下：

——完整的電磁屏蔽以切斷空間干擾的耦合通道；

——合適頻譜的濾波以切斷線路傳導(dǎo)干擾的耦合通道；

——適當(dāng)?shù)慕拥匾越档偷鼐€干擾的耦合通道；

——采用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)線以傳輸不同性質(zhì)的信號(hào)；

——注意元器件的布局，以降低干擾耦合；

——應(yīng)用布線技術(shù)，以降低干擾耦合；

——采用電磁、光電、機(jī)械等隔離技術(shù)，切斷干擾的耦合通道。

5.3.3 提高敏感電路的抗干擾能力

提高敏感電路的抗干擾能力的主要方法如下：

——選用具有高抗干擾能力的元器件；

——采用完整的電磁屏蔽；

——采用合適的濾波技術(shù)；

——限制電路的帶寬；

——采用合理的去耦措施；

——采用合理的接地。

5.4 電磁兼容性試驗(yàn)驗(yàn)證

電磁兼容性試驗(yàn)驗(yàn)證可以參照相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

6 安全性設(shè)計(jì)

安全性是保證機(jī)電設(shè)備能夠可靠地完成其規(guī)定功能，同時(shí)保證操作和維護(hù)人員的人身安全的重要特性。例如，國(guó)內(nèi)某廠家生產(chǎn)的UPS有兩個(gè)性能和參數(shù)不同的端口，但是卻采用了兩個(gè)相同的電連接器。操作人員匆忙中插錯(cuò)了電連接器，造成該電源燒毀。對(duì)此如有防差錯(cuò)的安全性設(shè)計(jì)，就不會(huì)發(fā)生這種災(zāi)難性后果。安全性設(shè)計(jì)主要有以下幾項(xiàng)內(nèi)容。

6.1 防止電危險(xiǎn)的安全性設(shè)計(jì)

防止電危險(xiǎn)的安全性設(shè)計(jì)主要包括：

——設(shè)計(jì)操作方便的電源開關(guān)，以便能及時(shí)切斷電源；

——全部外露金屬件都要可靠接地；

——設(shè)置過(guò)壓、過(guò)流和漏電保護(hù)裝置；

——設(shè)置高壓電容器自動(dòng)放電裝置；

——電源和高壓部位應(yīng)當(dāng)設(shè)置明顯標(biāo)志，如電源進(jìn)出線的‘火’‘零’‘地’，蓄電池的‘正’‘負(fù)’，以防誤操作；

——特別要注意高壓部件的絕緣設(shè)計(jì)；

——露天使用的機(jī)電產(chǎn)品應(yīng)設(shè)置避雷裝置；

——多個(gè)電連接器，應(yīng)有防差錯(cuò)設(shè)計(jì)。

6.2 防止機(jī)械危險(xiǎn)的安全性設(shè)計(jì)

防止機(jī)械危險(xiǎn)的安全性設(shè)計(jì)主要包括：

——運(yùn)動(dòng)部件應(yīng)當(dāng)加防護(hù)和限位裝置以保證人身安全；

——設(shè)備的邊角應(yīng)當(dāng)導(dǎo)圓以防傷人；

——門、抽屜以及其它運(yùn)動(dòng)部件，應(yīng)當(dāng)加連鎖裝置以防意外脫落；

——有危險(xiǎn)的部位，應(yīng)當(dāng)設(shè)置明顯標(biāo)志。

6.3 防止火災(zāi)和爆炸危險(xiǎn)的安全性設(shè)計(jì)

防止火災(zāi)和爆炸危險(xiǎn)的安全性設(shè)計(jì)主要包括：

——有爆炸危險(xiǎn)的物資，對(duì)其使用、運(yùn)輸和存儲(chǔ)都應(yīng)有相應(yīng)的安全措施；

——有易燃危險(xiǎn)的物資，應(yīng)有相應(yīng)的防范措施；

——對(duì)電氣設(shè)備，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)維護(hù)和檢修，以防引起火災(zāi)；

——盡量采用阻燃性好的材料；

——設(shè)置滅火裝置。

6.4 防止輻射危險(xiǎn)的安全性設(shè)計(jì)

防止輻射危險(xiǎn)的安全性設(shè)計(jì)主要包括：

——微波輻射功率密度大于10mW/cm2，應(yīng)當(dāng)加裝防護(hù)衰減裝置；

——磁通量大于0.1T，應(yīng)當(dāng)加裝防護(hù)衰減裝置；

——因?yàn)榧す膺M(jìn)入人眼的密度不能大于

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