徐麗明，陳俊威，吳 剛，袁全春，馬 帥，于暢暢，段壯壯，邢潔潔，劉旭東

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）

0 引 言

枸杞系茄科、枸杞屬。研究表明，枸杞中的枸杞多糖具有延緩衰老、抗腫瘤、抗疲勞、控制血糖、防護青光眼等多種作用[1]。中國枸杞主要產(chǎn)區(qū)有寧夏、內(nèi)蒙古、新疆、河北、青海、湖北、西藏等，近10 a，枸杞種植面積每年以11%的速度遞增，枸杞平均產(chǎn)量達到3 000 kg/hm2以上[2]。幾個主產(chǎn)區(qū)的種植面積也是逐年增大，僅寧夏主產(chǎn)區(qū)2016年枸杞干果總產(chǎn)量便達到了9.3 萬t，年綜合產(chǎn)值 130 億元[3]，而中國枸杞的出口量總體上也呈上升趨勢[4]。枸杞無限花序，每年6月底至10月初為枸杞的采摘期。采摘期內(nèi)枸杞連續(xù)開花結(jié)果，平均采摘周期為7 d。枸杞采摘目前仍然依賴人工，人工作業(yè)效率低、成本高是最突出的問題，人工采摘枸杞的效率僅為3～5 kg/h，而費用高達3.45萬元/hm2，約占生產(chǎn)成本的50%以上[5]。隨著枸杞種植面積逐漸增大，勞動力將供不應(yīng)求，采摘問題成為制約枸杞產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的瓶頸。因此，增大對于枸杞采收機械的研究力度是大勢所趨。

枸杞在國外的分布較少，因此國外對枸杞進行規(guī)?；耘嗪蜋C械化采摘的研究不多。So[6]針對韓國枸杞進行了振動特性的相關(guān)分析，并設(shè)計了一種振動式枸杞收獲裝置，但是該裝置作業(yè)效率僅為 4.71 kg/h，與人工作業(yè)效率相差無幾。國內(nèi)對于枸杞采摘機械的研究始于21世紀(jì)初，主要在幾個主產(chǎn)區(qū)展開研究。目前按照采摘原理的不同，枸杞采摘機械原理主要可分為 4種：剪切式、梳刷式、振動式以及氣流式。趙偉康等[7]發(fā)明了滾刀式枸杞可選擇采摘機，利用正、反滾刀相互作用切斷果柄；曾小虎[8]設(shè)計了一種新型枸杞采摘器，利用采摘頭抓住枝條，再由采摘刀進行剪切；劉文海等[9]設(shè)計了一種多點均勻分布振搖式全自動枸杞采摘機；肖宏儒等[10]設(shè)計了自走式枸杞采摘機，通過偏心滑塊帶動振動桿往復(fù)運動，完成收獲；郭志東等[11]發(fā)明了一種自走氣吸梳齒式枸杞采摘收獲機；徐麗明[12]發(fā)明了一種背負(fù)式枸杞采摘機，通過氣吸式管道與轉(zhuǎn)輥結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)果實與枝條的分離；張換高等[13]發(fā)明了一種氣吸式枸杞采摘機，利用負(fù)壓將果實吸入的同時利用高壓氣體排開枝葉；周宏平等[14]發(fā)明了一種氣流式枸杞采摘裝置，通過改變氣流的流向或通斷，促使枸杞果實擺動掉落。在目前的采摘機械中，大多為剪切式和振動式采摘機，這 2種采摘機收獲效率較高，但同時成熟枸杞的破損率也較高。梳刷式采摘機目前多為手持裝置，仍然依賴于人工，采收效率低；氣流式采摘機不直接接觸果實，破損率較低，但機械能耗大。綜上所述，各種采摘原理的采摘機械都有明顯的不足之處。

本文擬研究梳刷、振動綜合作用的采收機理，設(shè)計一種梳刷振動式枸杞收獲裝置，并進行仿真與田間試驗，以期獲得收獲裝置的最優(yōu)工作參數(shù)，為枸杞采摘機械化的發(fā)展提供參考。

1 收獲裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 收獲裝置結(jié)構(gòu)

梳刷振動式枸杞收獲裝置由收獲單元和升降移動單元2部分組成（圖1a）。收獲單元主要由梳刷振動機構(gòu)、機架、直流電機和同步帶輪組成。機架兩側(cè)分別對稱安裝有功率為300與500 W的直流電機，可分別獨立調(diào)節(jié)梳刷振動機構(gòu)的梳刷轉(zhuǎn)速與振動頻率；梳刷振動機構(gòu)主要由左輸入軸、右輸入軸、收獲桿、T型減速機、圓盤、滑塊、滑軌和滑動殼組成（圖1b），是采收單元的關(guān)鍵工作部件，其中 4排收獲桿與滑動殼采用螺栓固定，滑動殼與滑塊同樣采用螺栓固定，滑塊與滑軌配合，可沿滑軌做直線運動，連接桿兩端分別與滑動殼、圓盤鉸接；同步帶輪的傳動比為1∶2，左右兩側(cè)各有1組，分別作為梳刷旋轉(zhuǎn)與往復(fù)振動的傳動機構(gòu)；機架上側(cè)通過軸承座支撐梳刷振動機構(gòu)，內(nèi)側(cè)設(shè)置有擋板，防止采摘下的枸杞果實于內(nèi)部堆積；機架底部與液壓升降車平臺通過螺栓固定。升降移動單元為一個液壓升降車，經(jīng)實地調(diào)研，枸杞種植園行距為1.0 m、株距為0.5 m，單株枸杞垂直掛果范圍為0.5～1.4 m，故選擇液壓升降車平臺尺寸為1.2 m×0.6 m（長×寬），升降范圍為0.35～1.5 m，以實現(xiàn)裝置的縱向升降與水平移動。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Harvesting device structure

1.2 工作原理

該收獲裝置屬于單側(cè)采收，工作時，梳刷振動機構(gòu)的運動分為 2個方面：一方面是機構(gòu)的整體運動，即以左輸入軸為旋轉(zhuǎn)軸，做轉(zhuǎn)速可調(diào)的勻速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為0～150 rad/min。其實現(xiàn)過程為左側(cè)300 W直流電機開啟，通過同步帶傳動控制左輸入軸的轉(zhuǎn)速，借由左輸入軸帶動整個梳刷振動機構(gòu)進行旋轉(zhuǎn)；另一方面是內(nèi)部運動，即滑動殼以及滑動殼上的 4排收獲桿沿輸入軸軸線方向以一定的頻率與幅度往復(fù)振動，其實現(xiàn)過程為：右側(cè)500 W直流電機開啟，通過同步帶傳動控制右輸入軸的轉(zhuǎn)速，右輸入軸與 T型減速機輸入軸通過聯(lián)軸器連接，T型減速機兩側(cè)輸出軸帶動圓盤旋轉(zhuǎn)，圓盤通過連接桿將圓周運動轉(zhuǎn)化為滑動殼的往復(fù)直線振動，其中圓盤轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)范圍為0~150 rad/min。在對枸杞的收獲過程中，機構(gòu)的整體運動起到旋轉(zhuǎn)梳刷的作用，內(nèi)部收獲桿的運動起到輔助振動作用，梳刷與振動同時作用，可以令枸杞果實從枝條上快速掉落，實現(xiàn)梳刷振動組合式采收。

1.3 梳刷振動機構(gòu)的關(guān)鍵部件參數(shù)

梳刷振動機構(gòu)是該裝置實現(xiàn)采收功能的關(guān)鍵機構(gòu)[15-16]，機構(gòu)的梳刷運動轉(zhuǎn)速（下文簡稱梳刷轉(zhuǎn)速）、振動頻率、振動振幅和收獲桿間距對枸杞的采摘效果均有影響，需要對其關(guān)鍵部件進行設(shè)計。

機構(gòu)中，滑動殼（圖2a）主要具有2個方面的作用。一方面是支撐固定收獲桿，在滑動殼的 4個側(cè)表面均固定有收獲桿固定板，每個固定板上均布著29對螺栓孔，相鄰孔間隔12 mm，實現(xiàn)收獲桿間距的可調(diào)節(jié)。另一方面是作為連接件，滑動殼 2個側(cè)表面上鉆有小孔，用于與滑塊固定連接，右側(cè)焊接 2個帶孔連接塊，用于與連接桿鉸接。

圓盤與連接桿、滑動殼以及直線滑軌組成了曲柄滑塊機構(gòu)，將 T型減速機輸出軸上圓盤的圓周運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€滑軌上滑動殼的往復(fù)直線運動。其中圓盤每分鐘轉(zhuǎn)速值與振動頻率值呈正比，比值為 60（下文分析均以圓盤轉(zhuǎn)速代表振動頻率）。圓盤（圖2b、圖2c）直徑100 mm、厚20 mm，端面分布有6個螺栓孔，與圓心的距離分別為 40、35、30、25、20、15 mm，從外到內(nèi)逆時針依次遞減，相鄰螺栓孔間隔角為60°。連接桿通過與圓盤端面不同螺栓孔鉸接，實現(xiàn)梳刷振動機構(gòu)振動幅度在80、70、60、50、40、30以及20 mm之間的階梯式調(diào)節(jié)。

圖2 滑動殼與圓盤Fig.2 Sliding shell and disc

工作過程中，收獲桿是直接與枸杞枝條以及枸杞果實接觸的部件，其長度與安裝分布情況需要根據(jù)枸杞樹形參數(shù)決定。根據(jù)前期調(diào)研測量數(shù)據(jù)與文獻資料查閱可知，枸杞園枸杞植株株距為1.0 m，單株枸杞的單側(cè)橫向幅寬為0.5 m，其中掛果部分的幅寬為0.25 m左右。據(jù)此確定單根收獲桿桿長為0.25 m，直徑12 mm，收獲桿共4排，相鄰2排成90°，從而避免采摘過程中出現(xiàn)空轉(zhuǎn)時間。同時收獲桿的剛度對于實際采收效果有著較大影響，剛度過大，收獲桿不易彎曲變形，容易損傷枝條，同時會增大成熟枸杞的破損率。需要對收獲桿的材料進行選擇。本文在不銹鋼棒材、PU棒材以及木質(zhì)棒材3種材料中進行選擇。各材料的彈性模量如表 1所示，剛度上，不銹鋼棒材>木質(zhì)棒材>聚氨酯棒材。在預(yù)試驗中選擇一致的工作參數(shù)，不銹鋼棒材、木質(zhì)棒材均容易打折枸杞枝條，且采收下的成熟枸杞破損較多，相比較下，聚氨酯棒效果最好。因此，收獲裝置的收獲桿選擇聚氨酯棒材。

表1 收獲桿材料屬性Table 1 Harvest rod material properties

2 梳刷振動收獲過程仿真

根據(jù)梳刷振動式枸杞收獲裝置的結(jié)構(gòu)特點，主要有4個因素可能影響實際采收效果[17-18]，分別是梳刷轉(zhuǎn)速、圓盤轉(zhuǎn)速（振動頻率）、振動幅度以及相鄰收獲桿間距。利用ADAMS進行枸杞梳刷振動收獲過程的仿真試驗[19-22]，得到各因素對采收效果的影響大小，為裝置樣機的優(yōu)化及試驗因素的選擇提供參考依據(jù)。

2.1 建立模型

仿真模型主要由梳刷振動機構(gòu)、枸杞枝條[23]以及枸杞果實 3部分組成，為簡化模型，提高仿真效率，梳刷振動機構(gòu)模型只包括與枸杞相接觸的滑動殼和收獲桿。為了保證仿真試驗的準(zhǔn)確性，枸杞枝條需要進行柔性建模[24-25]。在ADAMS中，柔性體的建模方法有3種：離散法、模態(tài)中性文件法和利用ADAMS/AutoFlex模塊建立柔性體[26]。仿真采用將連續(xù)的實體枝條離散成高度為5 mm的小圓臺，圓臺之間采用BUSH連接，從而實現(xiàn)枝條的柔性建模。枸杞果實模型橫軸長度為7.6 mm，縱軸長度為14.5 mm。

2.2 定義約束

收獲裝置梳刷振動過程中，致使枸杞果實脫落的受力形式主要有4種：1）枸杞枝條受力致使果實振搖，當(dāng)振搖果實-果柄處受力超過結(jié)合力時，果實脫落。2）收獲桿直接作用于枸杞果實。3）枸杞之間相互擠壓碰撞、摩擦。4）枸杞枝條運動中與枸杞果實之間的碰撞、摩擦。

仿真中在枸杞果實與果柄之間添加廣義力，果柄與枝條之間添加彈簧阻尼模型；為梳刷振動機構(gòu)的滑動殼添加勻速旋轉(zhuǎn)驅(qū)動與直線往復(fù)驅(qū)動，模擬梳刷和振動的功能，參數(shù)化轉(zhuǎn)速、振幅與頻率。在果實與收獲桿之間、果實之間、枝條與果實之間、枝條與收獲桿之間、果柄與收獲桿之間均添加接觸力關(guān)系。所建梳刷振動仿真模型如圖3所示。

圖3 虛擬樣機三維模型Fig.3 Three-Dimentional model of virtual prototype

2.3 枸杞果實模型脫落的判定

枸杞果實脫落的形式主要有 2種：一種是因果柄組織脆弱處斷裂致使果柄和果實整體從枝條上脫落；另一種是因果刷纖維從果粒中拉出或斷裂致使果實與果柄脫離[27]。其中主要以果實-果柄連接處分離脫落為主，且隨著枸杞果實成熟度的增加，果實更容易掙脫果實-果柄結(jié)合力而脫落[28-30]。仿真中的脫落形式選擇后者。采用廣義力與傳感器函數(shù)控制的思路[31]，實現(xiàn)多顆枸杞果實脫落的獨立控制。

枸杞果實與果柄之間的連接，是采用添加廣義力連接的形式，果柄與枝條之間采用彈簧阻尼模型連接，同時設(shè)置傳感器以實時監(jiān)測力的變化。當(dāng)廣義力的值大于果實-果柄連接力的值，廣義力的值變?yōu)?0，即判定枸杞果實脫落。廣義力由 3個分量力和 3個分量力矩(Fx，F(xiàn) y， F z，T x， T y， T z )組成。其中，設(shè)置廣義力中Fx的函數(shù)為：

STEP（）為矩陣函數(shù)，產(chǎn)生階躍信號；SENVAL（）表示返回傳感器觸發(fā)時的時間值；AX（）表示角位移函數(shù)；WX（）表示角速度函數(shù)；sensor_1為檢測廣義力2個作用點距離的傳感器；K為剛度系數(shù)，C為阻尼系數(shù)；pedicel_1. force_center為果柄連接點；Lycium_1.cylinder_center為果實連接點。

廣義力中其他分量力和力矩函數(shù)以此類推。

2.4 仿真試驗與分析

仿真試驗以梳刷轉(zhuǎn)速、圓盤轉(zhuǎn)速、振動幅度和收獲桿間距 4個因素為研究對象，查閱相關(guān)文獻資料并經(jīng)過預(yù)實驗，確定每個研究對象取5水平（表2），以15 s內(nèi)枸杞脫落的數(shù)量為評價指標(biāo)，分別進行單因素試驗，從而分析各因素對采收效果的影響程度。仿真結(jié)果如圖 4所示。

由圖 4分析可得，在所選水平范圍內(nèi)，隨著梳刷轉(zhuǎn)速的增大，掉落枸杞的數(shù)量呈上升趨勢；隨著圓盤轉(zhuǎn)速的增大，掉落枸杞的數(shù)量呈下降趨勢；隨著振動幅度的增大，枸杞掉落的數(shù)量先上升后下降，同樣有著較明顯的變化。而隨著收獲桿間距的增大，掉落枸杞的數(shù)量無明顯變化。確定梳刷轉(zhuǎn)速、圓盤轉(zhuǎn)速以及振動幅度為采收效果的主要影響因素。

表2 仿真試驗的因素水平Table 2 Factors and levels of simulation tests

圖4 仿真試驗結(jié)果折線圖Fig.4 Figure of simulation results

3 田間試驗

3.1 試驗條件與方法

試驗地點為河北省秦皇島市青龍滿族自治縣枸杞種植園，試驗時間為2017年9月22—28日，試驗對象為10 a樹齡枸杞樹，種植行距1 m，株距0.5 m。試驗設(shè)備包括：梳刷振動式枸杞收獲裝置、PC、秒表。收獲裝置外形尺寸為1.2 m×0.6 m（長×寬），升降范圍為0.35～1.5 m。樣機試驗如圖 5所示。試驗時隨機選取采摘點處的枸杞植株，依據(jù)試驗設(shè)計的因素水平組合進行試驗。每個因素水平組合下的采摘時間為15 s，以15 s內(nèi)采摘的成熟枸杞與未成熟枸杞的數(shù)量為1組數(shù)據(jù)。每進行1組試驗時，預(yù)先調(diào)整好各試驗因素水平，穩(wěn)定后進行枸杞采摘，15 s后關(guān)閉直流電機并使收獲裝置離開試驗區(qū)。收集采摘下的枸杞果實并人工統(tǒng)計采摘下的成熟枸杞、未成熟枸杞、破損枸杞的數(shù)目與未采摘下的成熟枸杞、未成熟枸杞、破損枸杞的數(shù)目。

圖5 收獲裝置田間試驗Fig.5 Field test of harvesting device

根據(jù)實際生產(chǎn)中枸杞采收的農(nóng)藝要求，本次試驗以采收效率η采、成熟枸杞采收率η熟、青果脫落率η青、成熟枸杞破損率η破為評價指標(biāo)。各指標(biāo)定義如下：15 s內(nèi)采摘下的成熟枸杞數(shù)目為n熟、15 s內(nèi)采摘下的未成熟枸杞數(shù)目n未熟、15 s內(nèi)未采摘下的成熟枸杞數(shù)目為n’熟、15 s內(nèi)未采摘下的未成熟枸杞數(shù)目 n’未熟、成熟枸杞中損傷的枸杞數(shù)目n損傷、枸杞百粒質(zhì)量w。

采收效率：η采= 4× (n熟w/100)×60/1 000

成熟枸杞采收率：η熟=n熟/(n熟+n’熟)×100%

青果脫落率：η青=n未熟/(n未熟+n’未熟)×100%

成熟枸杞破損率：η破=n損傷/(n熟+n’熟)×100%

3.2 正交試驗的因素選擇

經(jīng)過初步的仿真分析與預(yù)試驗，得出影響采收效果的主要因素有：梳刷轉(zhuǎn)速、圓盤轉(zhuǎn)速以及振動幅度。每個因素分別取3個水平，因素水平表如表3所示。

表3 田間試驗因素水平Table 3 Factors and levels of field tests

3.3 正交試驗

試驗考慮了任意 2個因素之間的交互作用，故選用L27（313）表進行正交試驗，試驗組數(shù)N=27，每組試驗重復(fù)3次，取3次的平均值作為該組的試驗結(jié)果，得出每組的采收效率η采、成熟枸杞采收率η熟、青果脫落率η青、成熟枸杞破損率η破等指標(biāo)。試驗方案與結(jié)果如表4所示，試驗結(jié)果的直觀分析如表5所示。

3.4 結(jié)果分析

對試驗方案中 4個評價指標(biāo)進行逐一分析，結(jié)果如表6、表7所示。對于成熟枸杞采摘率這一指標(biāo)，由表7可知，梳刷轉(zhuǎn)速 A為顯著性因素，梳刷轉(zhuǎn)速與振動幅度的交互作用AC、圓盤轉(zhuǎn)速與振動幅度的交互作用BC為顯著性交互作用。顯著性大小為A>AC>BC。顯著性因素的最優(yōu)水平可通過比較 3個水平下的數(shù)據(jù)均值獲得，顯著的交互作用的最優(yōu)組合，則先計算兩因素所有水平組合的均值，再通過比較獲得最優(yōu)的水平組合，根據(jù)顯著性大小來依次確定各因素的水平。由表 5的直觀分析可知，因素A的最優(yōu)水平為3水平。根據(jù)表6可知，當(dāng)A取3水平，C取3水平時，均值最大。在C選取3水平前提下的最優(yōu)搭配為B2C3。綜上可知，最佳因素水平組合為A3B2C3，此時成熟枸杞采收率達到最高，為94.24%，但青果脫落率較高，為64.22%。

對于采收效率這一指標(biāo)，由表7可知，梳刷轉(zhuǎn)速A、圓盤轉(zhuǎn)速 B為顯著性因素，梳刷轉(zhuǎn)速與振動幅度的交互作用AC為顯著性交互作用。顯著性大小為A>AC>B。其中，因素A的最優(yōu)水平為3水平，根據(jù)表6，當(dāng)A取3水平時，C取2水平，均值最大。因素B的最優(yōu)水平為3水平，故最佳因素組合為 A3B3C2，此時采收效率為15.88 kg/h，但成熟枸杞破損率較高，為11.54%。

表4 試驗方案與結(jié)果Table 4 Test plan and result

表5 各指標(biāo)直觀分析Table 5 Intuitive analysis of each index

表6 各因素交互作用的指標(biāo)值Table 6 Index value of factors interaction

表7 各指標(biāo)的方差分析Table 7 Variance analysis for indices

對于青果脫落率與成熟枸杞破損率2個指標(biāo)，由表7可知，梳刷轉(zhuǎn)速 A為唯一的顯著性因素。其中，青果脫落率指標(biāo)下A的最優(yōu)水平為1水平，在A為1水平的前提下，根據(jù)表6、表7得最佳因素組合為A1B2C3，此時青果脫落率為3.4%，但成熟枸杞采收率僅為49.62%；成熟枸杞破損率指標(biāo)下A的最優(yōu)水平為1水平，在A為1水平的前提下，根據(jù)表 6、表 7其最佳因素組合為A1B1C1，此時成熟枸杞破損率為 0.88%，但采收效率僅為2.70 kg/h。

結(jié)合實際采摘要求，需要綜合考慮枸杞采收各項指標(biāo)：優(yōu)先保證高成熟枸杞采收率、高采收效率的前提下使青果脫落率、成熟枸杞破損率盡可能低。由此確定 3個因素的最優(yōu)水平組合為 A2B2C3，在此因素水平組合下，枸杞的采收效率為13.12 kg/h，與最高值相差2.76 kg/h，但同時青果脫落率有明顯降低；成熟枸杞采收率為87.46%，與最高值相差6.78%，但同時成熟枸杞破損率有明顯降低；青果脫落率為13.81%，比最低值高10.41%，但同時成熟枸杞采收率有顯著提高；成熟枸杞破損率為2.82%，比最低值高1.94%，但同時采收效率有顯著提高。此時綜合效益達到最佳。

目前已有的采摘機械的成熟枸杞采收率約為 80%，青果脫落率約為10%，成熟枸杞破損率約為 10%，采摘效率平均是人工作業(yè)的 3~5倍。對比之下，本裝置在成熟枸杞采收率與成熟枸杞破損率2個方面有較明顯地改善。

4 結(jié) 論

1）設(shè)計了一種梳刷振動式枸杞收獲裝置，裝置主要包括收獲單元與升降移動單元兩部分，收獲單元中的梳刷振動機構(gòu)為裝置的關(guān)鍵工作部件。收獲裝置實現(xiàn)了以梳刷原理為主，振動原理輔助的快速收獲過程。

2）基于ADAMS 軟件，采用參數(shù)化建模，建立了枸杞果實、枝條模型以及梳刷振動機構(gòu)模型。果柄與枝條之間添加彈簧阻尼模型，采用廣義力建立枸杞果實、果柄之間的連接力，利用傳感器監(jiān)測斷裂條件，通過函數(shù)控制，實現(xiàn)了枸杞果實在外力作用下的脫粒過程控制。仿真分析了梳刷振動式枸杞收獲裝置的收獲過程，確定了收獲裝置的梳刷轉(zhuǎn)速、圓盤轉(zhuǎn)速（振動頻率）和振動幅度 3個因素對于枸杞果實脫落的影響程度較大，為裝置樣機的優(yōu)化及試驗提供參考依據(jù)。

3）搭建了梳刷振動式枸杞收獲裝置樣機，進行了田間試驗，試驗結(jié)果表明：在梳刷轉(zhuǎn)速80 r/min，圓盤轉(zhuǎn)速100 r/min，振動幅度80 mm的因素水平組合下，枸杞的采收效率為13.12 kg/h，成熟枸杞采收率為87.46%，青果脫落率為13.81%，成熟枸杞破損率為2.82%。

[參 考 文 獻]

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