2016年10月铁道工程学报
0ct2016
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文章编号:1006—2106(2016)10一0111—05
中低速磁浮交通的适应性及工程化发展方向‘
曾国保料
(铁道第三勘察设计院集团有限公司,
天津300251)
摘要:研究目的:结合中低速磁浮交通的原理和技术特点,探索中低速磁浮交通在各类城市的适应性;结合工程实例指出中低速磁浮交通工程化推广存在的不足;结合轨道交通客运及城市环境需求,探索中低速磁浮交通今后发展的方向。
研究结论:(1)中低速磁浮交通转弯半径小,爬坡能力强、低噪声、无振动,可在一线城市周边或中心加密线、二三线城市以及旅游专线上推广应用;(2)中低速磁浮交通还需要通过改善道岔,进一步提高运输能力;(3)通过改变悬浮方式等手段逐渐减轻磁浮车重量,从而提高运输效率;(4)桥梁及轨下基础等结构工程应逐步模块化、工厂化生产,可缩短工期,减少施工对周围环境的影响;(5)车辆基地的检修规模和设施可进一步简化,减少车辆基地占地面积,减少日常运营费用;(6)特种车辆及应急救援装备等还需要深入研究;(7)本研究成果可为后续中低速磁浮交通新建工程提供指导,为中低速磁浮技术规范或标准的编制提供参考。关键词:中低速磁浮交通;轨道交通;电磁铁;直线感应电机;道岔中图分类号:U237
文献标识码:A
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Abstract:Researchpurposes:Based
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Keywords:lower—mediumspeedmaglevtrans“;railtransit;electromagnet;linearinductionmotor;tracktumout
+收稿日期:2016一06—27
・・作者简介:曾国保,1970年出生,男,教授级高级工程师,现任铁道第三勘察设计院集团有限公司北京市中低速磁浮交通示范线(s1线)设计总
体负责人。
112
铁道工程学报2016年10月
随着城市化的发展,国内各大城市的轨道交通都在迅速发展,各个城市因其地形地貌、城市发展布局、人口规模和分布特点等不同,其轨道交通制式的选择不能一概而论,有必要在常规轮轨交通之外,发挥创新思路,结合城市自身的发展布局、地形地貌、客流特点因地制宜地考虑适宜的交通制式。中低速磁浮交通是近期发展起来,并逐渐被专家和公众接受的轨道交通
模式之一。1
1.1
械变速传动设施,不受车辆定距及轴距影响,因此具有良好的曲线通过能力,转弯半径可以很小。日本东部丘陵线正线上的最小转弯半径为75m,北京中低速磁浮示范线正线最小半径200m,正线最大纵坡53%。,在
出入段线设置最小半径100m,同时叠加了45%。的纵坡¨’4,10J。磁浮交通的这些特点,对地形地貌有很强的
适应能力,适合在地形起伏大和建筑密集的城市选线,可以减少设置穿山隧道,减少拆迁。
1.2.2环保运行——低噪声、无振动、低辐射
因采用电磁引力使车辆悬浮在轨道上面,运行中不存在车轮和轨道接触产生的噪声或振动;按照权威机构在唐山及长沙线的测定。在距离轨道10m处的峰值噪声为64dB,而传统轮轨交通在10m处的峰值噪音为92~94dB,由于磁浮车辆悬浮在轨道上,也没有车轮磨耗,不会有振动产生,更不会有摩擦产生的粉尘污染,这一点外界基本已无质疑∞J。
中低速磁浮交通是采用磁铁异性相吸的原理,磁场在直线电机的初级和次级线圈之间形成闭合回路,磁场向外界扩散较少,电磁污染程度很低,列车不通过时,轨道本身是无源的铝板,不会对环境产生任何电磁辐射,仅当列车通过时有较低量的电磁辐射。根据长
沙线磁浮工程及唐山试验线的实测,列车通过时,在列车l
中低速磁浮交通的技术原理和主要特点
中低速磁浮交通的技术原理
中低速磁浮交通的核心技术主要包括悬浮技术和
牵引技术。悬浮也就是运行过程中对列车的支撑系统,我国目前中低速磁浮交通的悬浮技术采用电磁吸引方案为主,以车载电磁铁与轨道上磁性铁轨之间的吸引力悬浮列车,克服地球引力,悬浮间隙8~10
mm;
牵引系统利用直线电机原理,以短定子列车驱动技术为主,在车辆上设置感应线圈,为电机的定子,车辆授电后,由车载感应线圈形成转动磁场,轨道是无源的长感应板,为电机的转子,受感应后,与列车形成相对运动,带动列车在轨道上移动"1。其原理如图1所示。
m范围,电磁辐射强度为10一;在列车3m左右为l一;5m左右为0.3一;10m以外,已经小于电
视、冰箱等家用电器对居室内的影响,对环境背景值不
产生辐射增量o7’¨J。按照国家标准,电磁辐射强度低
于100心,不会对人体产生危害。
1.2.3大运量——与轮轨B型车基本相当
以北京S1线为例,目前研制的中低速磁浮车辆,每辆车长度约15m,额定载客为170人左右,超员可达200人,6辆编组时标准载客1000人以上,超员载
客可达1200人,高峰小时最大开行对数20—24对,单向高峰小时运能可达25
呈壁垫望
图l
000—30
000人次/h。作为
示范线,目前北京s1线设计高峰小时开行20对列车,
标准设计运能21000人次/h"’10J。
中低速磁浮交通技术原理示意图
从以上述数据可知,通过实际应用和进一步优化,
正在建设的北京市中低速磁浮示范线(s1线)
(以下简称北京S1线)及长沙机场线均采用这种悬浮及牵引技术¨一’“。
1.2
中低速磁浮交通的运能与轮轨B型车基本相当。
2
中低速磁浮交通的适应性
在一些大城市,如北京的中心城区,受既有地铁干
中低速磁浮交通的技术优势
2.1大城市中心城区
1.2.1选线灵活——转弯半径小、爬坡能力强
中低速磁浮交通不存在车轮和轨道之间的接触,牵引不再受轮轨之间黏着条件的影响,当车辆具备优
良的加减速动力性能后,将具备更大的爬坡能力;同
线、城市地下管线或其他因素的限制,再考虑在地下修建地铁代价太高,为了疏解拥堵,需要改变思路,在地
面以上的空间进行拓展,建设中低速磁浮交通是个适宜的选择,选线中可以充分利用磁浮交通的小半径大
时,磁浮车辆的转向架不同于轮轨车辆,没有轴箱及机
第10期
曾国保:中低速磁浮交通的适应性及工程化发展方向
113
坡度避让既有建筑及桥梁,建成后磁浮交通的低噪声、无振动特点也可以确保既有建筑继续使用不受影响。
2.2二三线城市中等以上客流的线路
(如图2所示)梁转辙时间的影响,中低速磁浮交通的最大能力为开行列车24对/h,缩短折返时间方法之一是从道岔结构本身想办法,降低移动垛梁的重量,或者从电动机械驱动改为电磁驱动式,以缩短到位及锁定时间;其次是在线路两端均设置灯泡线折返,不设置折
返道岔。
从合肥、大连、厦门等二三线城市线网规划来看,除少数骨干线外,大部分线路的单向高峰小时客流在1.5~2.5万人次左右,平均站间距在1.5km以上,这种中运量、大站间距的轨道交通线网,若采用地下线,造价高昂,性价比不高,若采用高架敷设的轮轨交通,其噪声、振动又使得沿线的开发受到很大限制。对于这类线路,采用中低速磁浮交通制式是不错的选择,运量可接近轮轨B型车,造价较低,建设影响小,且环保
运行。
2.3多山、多水城市的轨道交通线路
类似青岛、大连这样的滨海低山城市,地形起伏较大,采用磁浮制式高架敷设的轨道交通,可充分利用小半径、大爬坡的特点,沿着山体转弯或爬坡,减少对山体的破坏,最大程度地节约城市建设用地;对于绍兴、济南等多水的城市,其地表水或地下水是城市的自然遗产,如果采用地下敷设的地铁制式,施工过程中不仅降排水费用高,工程风险大,容易破坏地表和地下径流,破坏城市的自然环境和传统风貌,对于这类城市,
在建设轨道交通时,除中心城区的骨干线外,基本可以
3.2减轻车辆自重
图2
中低速磁浮交通的专用道岔
北京sl线采用的磁浮车辆宽3m、5转向架.磁浮车单辆空车重22t左右,较同等容量的轮轨交通车辆
要重5t以上,由于直线电机绕组、电磁铁以及变频变
压及逆变等装置都在列车上,使得磁浮车辆的重量较大12,7|。车辆的优化减重是今后必须努力研究的方向,车辆自重的减少不仅可以减少土建工程费用,还可以减少运营费用。随着钕硼等永磁材料价格的急剧下降,采用永磁技术成为可能,如果悬浮电磁铁能改为永磁铁。则车体重量有望减轻。3.3承轨梁及桥梁逐步模块化生产
由于磁浮车是抱轨运行,轨道下的支撑结构不仅
考虑采用高架线为主的中低速磁浮交通制式,灵活布置线站位,避免对城市传统地貌、自然遗产的破坏Ⅲ1。
2.4旅游观光为主的交通线路
我国具有丰富的旅游资源,很多大城市的周边都有一些风景区,在连接主要景点的线路上,可以考虑采用中低速磁浮交通制式,设置旅游观光型交通线,游客
在欣赏沿线美景的同时,感受磁浮交通“浮”游的魅
力,以磁浮交通取代传统的缆车,不仅客流量更大,也
更加安全。
要考虑车辆荷载,还要考虑供电轨的安装及车辆检修空间,使得轨道支撑结构多样且复杂。在北京Sl线工程中,桥梁上的承轨梁、路基段及隧道段的承轨台座以及库内的柱式支撑结构等¨0l,断面类型多样且不规则;桥梁也包括梁上梁和及单梁型式,如图3所示,承轨梁或台座以及桥梁结构都采用现场浇筑的方式¨0|,施工单位普遍反映施工效率低、工期长。作为示范线,采用梁上设置承轨梁的方式,便于大跨度跨越城市主干道;但这种复合梁土建工程体量较大,现场浇筑,需
要很多作业面,对工程化推广不利。今后磁浮交通的
此外我国有很多古镇,每年要接待上千万的游客,古镇本身的道路狭窄,每到旅游旺季,经常人满为患,中低速磁浮交通是这类古镇疏解游客的较好选择,其转弯灵活、爬坡能力强的特点可以躲避各类古建筑,不需要对古建筑进行拆迁,低噪声、无振动的特点可以维
持古镇原有的宁静。
3
中低速磁浮交通的工程化发展方向
今后一段时间,中低速磁浮交通要工程化广泛应
高架桥梁以及轨道支撑结构,要更多地向预制模块化
方向发展,以便于在建筑密集区域能够短时间内完成安装,减少施工对周边环境的影响。
3.4简化车辆基地的检修维护工艺及设备配置
磁浮交通和轮轨交通的一个重要区别是:正常运
用,还需要在以下几个方面不断完善发展。
3.1提高运输能力
在车辆载客人数额定的情况下,要提高载客能力,
首先是缩短折返时间,以便增加列车开行对数。北京S1线所用道岔的动作时间15~20s,受这种特殊道岔
营情况下车辆和轨道不接触,因此车辆和轨道的磨损
114
铁道工程学报
2016年10月
径、大坡度、低噪声的特点,是一种环保、可持续发展的新型轨道交通制式,可在我国很多城市推广使用,尤其是城市轨道交通线网中运量以上的线路¨3l。
(2)为了使中低速磁浮交通能够推广应用,今后还需要下功夫研究:如何减轻磁浮车重量;使桥梁及轨下基础能够模块化、工厂化生产;细化研究车辆基地规模及应急救援设施。
(3)本次研究旨在为后续新建的中低速磁浮工程
a)桥梁上设置承轨梁复合桥梁型式
提供指导,并为此类轨道交通的技术标准的编制提供
借鉴。
一一
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会较轮轨交通小,也基本不存在振动和撞击,理论上讲,磁浮车辆的各部件应更加经久耐用。因此,磁浮交通的车辆基地和综合维修的工作量较轮轨交通大幅减小,车辆基地的检修列位、综合维修的规模都可以减小,其检修维护的设施也可以简化,相应地,车辆基地占地面积、建筑体量、运营管理人员都能减少,能进一步降低建设和运营管理费用旧J。
3.5细化研究供电系统的细节设计
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由于中低速磁浮轨道的轨面不同于轮轨,需要研究对轨道及供电轨检修维护的特种作业车辆,需要研究非磁浮动力、能够对故障磁浮车进行救援的车辆;遇到特殊恶劣天气时,轨面有可能积雪积冰,需要研究除雪融冰的特殊设施。能够完成上述任务的特种工程车
尚未通过实际检验,还需不断完善。
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(1)中低速磁浮交通和轮轨交通相比,具有小半
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(编辑曹淑荣)
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(上接第105页From
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铁道工程学报2016年10月
随着城市化的发展,国内各大城市的轨道交通都在迅速发展,各个城市因其地形地貌、城市发展布局、人口规模和分布特点等不同,其轨道交通制式的选择不能一概而论,有必要在常规轮轨交通之外,发挥创新思路,结合城市自身的发展布局、地形地貌、客流特点因地制宜地考虑适宜的交通制式。中低速磁浮交通是近期发展起来,并逐渐被专家和公众接受的轨道交通
模式之一。1
1.1
械变速传动设施,不受车辆定距及轴距影响,因此具有良好的曲线通过能力,转弯半径可以很小。日本东部丘陵线正线上的最小转弯半径为75m,北京中低速磁浮示范线正线最小半径200m,正线最大纵坡53%。,在
出入段线设置最小半径100m,同时叠加了45%。的纵坡¨’4,10J。磁浮交通的这些特点,对地形地貌有很强的
适应能力,适合在地形起伏大和建筑密集的城市选线,可以减少设置穿山隧道,减少拆迁。
1.2.2环保运行——低噪声、无振动、低辐射
因采用电磁引力使车辆悬浮在轨道上面,运行中不存在车轮和轨道接触产生的噪声或振动;按照权威机构在唐山及长沙线的测定。在距离轨道10m处的峰值噪声为64dB,而传统轮轨交通在10m处的峰值噪音为92~94dB,由于磁浮车辆悬浮在轨道上,也没有车轮磨耗,不会有振动产生,更不会有摩擦产生的粉尘污染,这一点外界基本已无质疑∞J。
中低速磁浮交通是采用磁铁异性相吸的原理,磁场在直线电机的初级和次级线圈之间形成闭合回路,磁场向外界扩散较少,电磁污染程度很低,列车不通过时,轨道本身是无源的铝板,不会对环境产生任何电磁辐射,仅当列车通过时有较低量的电磁辐射。根据长
沙线磁浮工程及唐山试验线的实测,列车通过时,在列车l
中低速磁浮交通的技术原理和主要特点
中低速磁浮交通的技术原理
中低速磁浮交通的核心技术主要包括悬浮技术和
牵引技术。悬浮也就是运行过程中对列车的支撑系统,我国目前中低速磁浮交通的悬浮技术采用电磁吸引方案为主,以车载电磁铁与轨道上磁性铁轨之间的吸引力悬浮列车,克服地球引力,悬浮间隙8~10
mm;
牵引系统利用直线电机原理,以短定子列车驱动技术为主,在车辆上设置感应线圈,为电机的定子,车辆授电后,由车载感应线圈形成转动磁场,轨道是无源的长感应板,为电机的转子,受感应后,与列车形成相对运动,带动列车在轨道上移动"1。其原理如图1所示。
m范围,电磁辐射强度为10一;在列车3m左右为l一;5m左右为0.3一;10m以外,已经小于电
视、冰箱等家用电器对居室内的影响,对环境背景值不
产生辐射增量o7’¨J。按照国家标准,电磁辐射强度低
于100心,不会对人体产生危害。
1.2.3大运量——与轮轨B型车基本相当
以北京S1线为例,目前研制的中低速磁浮车辆,每辆车长度约15m,额定载客为170人左右,超员可达200人,6辆编组时标准载客1000人以上,超员载
客可达1200人,高峰小时最大开行对数20—24对,单向高峰小时运能可达25
呈壁垫望
图l
000—30
000人次/h。作为
示范线,目前北京s1线设计高峰小时开行20对列车,
标准设计运能21000人次/h"’10J。
中低速磁浮交通技术原理示意图
从以上述数据可知,通过实际应用和进一步优化,
正在建设的北京市中低速磁浮示范线(s1线)
(以下简称北京S1线)及长沙机场线均采用这种悬浮及牵引技术¨一’“。
1.2
中低速磁浮交通的运能与轮轨B型车基本相当。
2
中低速磁浮交通的适应性
在一些大城市,如北京的中心城区,受既有地铁干
中低速磁浮交通的技术优势
2.1大城市中心城区
1.2.1选线灵活——转弯半径小、爬坡能力强
中低速磁浮交通不存在车轮和轨道之间的接触,牵引不再受轮轨之间黏着条件的影响,当车辆具备优
良的加减速动力性能后,将具备更大的爬坡能力;同
线、城市地下管线或其他因素的限制,再考虑在地下修建地铁代价太高,为了疏解拥堵,需要改变思路,在地
面以上的空间进行拓展,建设中低速磁浮交通是个适宜的选择,选线中可以充分利用磁浮交通的小半径大
时,磁浮车辆的转向架不同于轮轨车辆,没有轴箱及机
第10期
曾国保:中低速磁浮交通的适应性及工程化发展方向
113
坡度避让既有建筑及桥梁,建成后磁浮交通的低噪声、无振动特点也可以确保既有建筑继续使用不受影响。
2.2二三线城市中等以上客流的线路
(如图2所示)梁转辙时间的影响,中低速磁浮交通的最大能力为开行列车24对/h,缩短折返时间方法之一是从道岔结构本身想办法,降低移动垛梁的重量,或者从电动机械驱动改为电磁驱动式,以缩短到位及锁定时间;其次是在线路两端均设置灯泡线折返,不设置折
返道岔。
从合肥、大连、厦门等二三线城市线网规划来看,除少数骨干线外,大部分线路的单向高峰小时客流在1.5~2.5万人次左右,平均站间距在1.5km以上,这种中运量、大站间距的轨道交通线网,若采用地下线,造价高昂,性价比不高,若采用高架敷设的轮轨交通,其噪声、振动又使得沿线的开发受到很大限制。对于这类线路,采用中低速磁浮交通制式是不错的选择,运量可接近轮轨B型车,造价较低,建设影响小,且环保
运行。
2.3多山、多水城市的轨道交通线路
类似青岛、大连这样的滨海低山城市,地形起伏较大,采用磁浮制式高架敷设的轨道交通,可充分利用小半径、大爬坡的特点,沿着山体转弯或爬坡,减少对山体的破坏,最大程度地节约城市建设用地;对于绍兴、济南等多水的城市,其地表水或地下水是城市的自然遗产,如果采用地下敷设的地铁制式,施工过程中不仅降排水费用高,工程风险大,容易破坏地表和地下径流,破坏城市的自然环境和传统风貌,对于这类城市,
在建设轨道交通时,除中心城区的骨干线外,基本可以
3.2减轻车辆自重
图2
中低速磁浮交通的专用道岔
北京sl线采用的磁浮车辆宽3m、5转向架.磁浮车单辆空车重22t左右,较同等容量的轮轨交通车辆
要重5t以上,由于直线电机绕组、电磁铁以及变频变
压及逆变等装置都在列车上,使得磁浮车辆的重量较大12,7|。车辆的优化减重是今后必须努力研究的方向,车辆自重的减少不仅可以减少土建工程费用,还可以减少运营费用。随着钕硼等永磁材料价格的急剧下降,采用永磁技术成为可能,如果悬浮电磁铁能改为永磁铁。则车体重量有望减轻。3.3承轨梁及桥梁逐步模块化生产
由于磁浮车是抱轨运行,轨道下的支撑结构不仅
考虑采用高架线为主的中低速磁浮交通制式,灵活布置线站位,避免对城市传统地貌、自然遗产的破坏Ⅲ1。
2.4旅游观光为主的交通线路
我国具有丰富的旅游资源,很多大城市的周边都有一些风景区,在连接主要景点的线路上,可以考虑采用中低速磁浮交通制式,设置旅游观光型交通线,游客
在欣赏沿线美景的同时,感受磁浮交通“浮”游的魅
力,以磁浮交通取代传统的缆车,不仅客流量更大,也
更加安全。
要考虑车辆荷载,还要考虑供电轨的安装及车辆检修空间,使得轨道支撑结构多样且复杂。在北京Sl线工程中,桥梁上的承轨梁、路基段及隧道段的承轨台座以及库内的柱式支撑结构等¨0l,断面类型多样且不规则;桥梁也包括梁上梁和及单梁型式,如图3所示,承轨梁或台座以及桥梁结构都采用现场浇筑的方式¨0|,施工单位普遍反映施工效率低、工期长。作为示范线,采用梁上设置承轨梁的方式,便于大跨度跨越城市主干道;但这种复合梁土建工程体量较大,现场浇筑,需
要很多作业面,对工程化推广不利。今后磁浮交通的
此外我国有很多古镇,每年要接待上千万的游客,古镇本身的道路狭窄,每到旅游旺季,经常人满为患,中低速磁浮交通是这类古镇疏解游客的较好选择,其转弯灵活、爬坡能力强的特点可以躲避各类古建筑,不需要对古建筑进行拆迁,低噪声、无振动的特点可以维
持古镇原有的宁静。
3
中低速磁浮交通的工程化发展方向
今后一段时间,中低速磁浮交通要工程化广泛应
高架桥梁以及轨道支撑结构,要更多地向预制模块化
方向发展,以便于在建筑密集区域能够短时间内完成安装,减少施工对周边环境的影响。
3.4简化车辆基地的检修维护工艺及设备配置
磁浮交通和轮轨交通的一个重要区别是:正常运
用,还需要在以下几个方面不断完善发展。
3.1提高运输能力
在车辆载客人数额定的情况下,要提高载客能力,
首先是缩短折返时间,以便增加列车开行对数。北京S1线所用道岔的动作时间15~20s,受这种特殊道岔
营情况下车辆和轨道不接触,因此车辆和轨道的磨损
114
铁道工程学报
2016年10月
径、大坡度、低噪声的特点,是一种环保、可持续发展的新型轨道交通制式,可在我国很多城市推广使用,尤其是城市轨道交通线网中运量以上的线路¨3l。
(2)为了使中低速磁浮交通能够推广应用,今后还需要下功夫研究:如何减轻磁浮车重量;使桥梁及轨下基础能够模块化、工厂化生产;细化研究车辆基地规模及应急救援设施。
(3)本次研究旨在为后续新建的中低速磁浮工程
a)桥梁上设置承轨梁复合桥梁型式
提供指导,并为此类轨道交通的技术标准的编制提供
借鉴。
一一
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会较轮轨交通小,也基本不存在振动和撞击,理论上讲,磁浮车辆的各部件应更加经久耐用。因此,磁浮交通的车辆基地和综合维修的工作量较轮轨交通大幅减小,车辆基地的检修列位、综合维修的规模都可以减小,其检修维护的设施也可以简化,相应地,车辆基地占地面积、建筑体量、运营管理人员都能减少,能进一步降低建设和运营管理费用旧J。
3.5细化研究供电系统的细节设计
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由于中低速磁浮轨道的轨面不同于轮轨,需要研究对轨道及供电轨检修维护的特种作业车辆,需要研究非磁浮动力、能够对故障磁浮车进行救援的车辆;遇到特殊恶劣天气时,轨面有可能积雪积冰,需要研究除雪融冰的特殊设施。能够完成上述任务的特种工程车
尚未通过实际检验,还需不断完善。
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(1)中低速磁浮交通和轮轨交通相比,具有小半
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