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윤활관리의 개요와 윤활유 선정

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■ 윤활관리 (Total Fluid Management) 개요

 

기계에 올바른 윤활을 실시하여 윤활에 따른 고장과 성능저하를 방지하고, 기계설비의 완전운전을 도모함으로써 생산성향상, 경제성향상에 기여하도록 하는 윤활관리라는 개념이 기계, 자동차공업을 중심으로 활성화 되어왔다. .

 

현장에서 일어날 수 있는 베어링의 녹아붙음, 마모, 마찰손실을 방지하기 위해서 단지 윤활제로만으로 해결되는 것이 아니라, 베어링의 재질, 강도, 공작법 또는 윤활제의 공급방법 등 종합적인 기술에 의해 비로서 해결되는 것이기 때문에 이를 윤활유관점에서 관리하자는 것이 윤활관리 이다.

 

Table. 윤활상의 여러가지 고장원인

주요요소

고장원인

윤활제

부적정유의 사용
오일의 열화와 오염
오일의 누설
성질이 다른 오일의 혼합사용

마찰면

마찰면의 재질불량 및 사용불량
과도한 작용 및 설계불량
마찰면의 마모에 의한 기계부분의 늘어짐 및 조기피로
그 밖의 영향

작업장

급유작업의 부주의
과잉급유 및 과소급유
급유가 빠르거나 너무 느림
급유해도 마찰면에 닿지 않음
플러싱의 불충분
작업상의 움직임과 충격에 의한 문제

급유방법

급유방법의 설계불량에 의한 부적당
급유장치의 고장(오일 게이지 포함)

환경

높은 전도열 및 마찰열의 불충분한 방열
불순물의 혼합 및 현저한 온도변화
열수·산의 증기, 염분 등의 환경

 


최근에는 생산성 향상에 대한 관심이 높아지면서 윤활유에 대한 인식이 윤활유자체보다는 이와 연관된 전체를 보려는 쪽으로 확산되기 시작하였다. 과거 윤활유를 사용하고 없어지는 소모성 재료라는 관점으로부터 생산원가에 영향을 주는 중요한 요소로 파악되기 시작했다. 미국, 유럽 등 선진제국에서는 이러한 개념이 자동차산업을 중심으로 일찍부터 도입되어 활용되어 왔는데, 특히, 정유시설을 가지지 않고 독립적인 윤활유 배합시설을 가진 회사들에 의해 이러한 흐름이 선도되어 왔다.

 

윤활유를 생산원가에 영향을 미치는 요소로 파악하는 개념이 실제 현장에서 응용된 것이 윤활관리의 광의의 개념인 TFM (Total Fluid Management)이다. TFM은 공장에서 사용되는 윤활유를 포함한 모든 유체를 유체 자체에 중점을 두기 보다 유체와 관련된 전체비용, 즉, 재고비용, 관리인력, 유체관리비용, 폐액처리비용 등 관련된 다양한 종류의 비용을 합산하여 이를 관리하는 것이다. 이와 같은 관리방법은 유체가 기계 장비요소 내부를 순환하면서 생산성 향상과 관련된 모든 요소와 밀접한 관계를 가지고 영향을 미치기 때문에 가능한 것이다.
 
TFM은 유체를 종합적이면서도 체계적으로 관리해주는데 목적이 있기 때문에 일반적으로 윤활유의 Life Cycle에 따라서 적유선정, 재고관리, 모니터링, 기술협력, 폐유처리의 5가지 순환요소로 나뉘어진다.

TFM은 기존의 윤활유 공급자와 사용자로써 떨어져있는 관계를 상호협력하는 관계에 바탕을 두고 있기 때문에 이를 추진하고 효과적으로 수행하기 위해 기계장비와 관련된 3자, 즉, 기계제작사, 기계사용자, 윤활유공급업체가 Partnership을 바탕으로 협력해야만 한다.


■ 적유선정

 

TFM을 현장에 적용하기 위해서 가장 먼저 수행해야하는 것은 적유선정과 사전조사이다. 현장에 있는 기계장비들이 문제없이 운전된다고 하더라도 현재 상태를 모니터링하는 기법을 적용하여 적절한 윤활유를 사용하고 있는지를 과학적인 근거에 의해 재검토해 볼 필요가 있다. 또한, 산업현장에서는 기계적인 트러블을 줄이면서 적절한 윤활유를 찾기 위한 많은 노력 끝에 최적의 오일을 사용하는 경우도 있지만 사용근거가 불분명한 경우도 있고 모니터링 기법에 의해 부적절한 오일이 사용되었다는 결론을 얻을 수도 있다.


적절한 윤활유가 사용되고 있는지에 대한 판단은 기계제작사의 추천, 기계의 사용조건, 현재 사용중인 윤활유의 검토를 통해 이루어지는데, 적유선정기준 매뉴얼을 만들어 놓으면 체계적인 윤활관리를 위해 많은 도움이 된다. 이때 설비에 대한 조사도 함께 이루어지는 것이 바람직하며, 설비에 대한 전체적인 System, Equipment의 종류, 위치, Model 및 Maker, Component의 종류, 수량, 현사용 윤활유, 기계제작자 추천유, 윤활유량, 윤활개소, 급유방법, 급유주기, Task유형 및 Route등의 조사가 포함되어야 한다.

 

1. 적유의 선정 방법


기계설비에 사용되는 대표적인 기계요소인 미끄럼베어링, 구름베어링, 기어에서 적절한 윤활유를 선정하는 방법은 다음과 같다. 각각의 윤활상 요구사항은 아래 표에 나타낸 바와 같이 윤활조건의 측면에서 서로 다르다. 그러나, 이들 기계요소는 매우 일반적인 요소이기 때문에 기계설비 중에 공존하는 경우가 많으며, 상호 공용이 가능한 오일이나 다목적오일인 엔진유가 적용되는 경우가 적지않다. 구름베어링에는 그리이스가 적용되는 경우가 자주 있으나, 미끄럼베어링과 기어에는 윤활조건상 적용하기가 어렵다.

 

Table. 각 기계요소의 윤활조건 차이

기계요소

재료조합

접촉형태

윤활유의 역할

전용유종

공용유종

미끄럼 베어링

베어링합급/ 강

미끄럼

유체윤활 유막의 형성

R&O범용유

엔진유
기어유

구름 베어링

베어링합급/ 강

구름

EHL유막 형성
냉각

R&O범용유
그리이스

엔진유
기어유

기어
(웜기어)

탄소강,합금강
(동합금/ 강)

미끄럼/구름
(주로 미끄럼)

EHL유막 형성
경계윤활에서의 마모,소부 방지

공업용기어유
(웜기어전용유)

R&O범용유
엔진유, ATF
(공업용기어유)

 

1) 미끄럼베어링


미끄럼베어링은 원래 유체윤활영역에서 작동되므로 오일의 효과는 그 점도가 주체가 된다. 오일의 점도는 높으면 높을수록 유리한데 윤활조건이 악화되더라도 유체윤활상태를 더 잘 유지해줄 수가 있기 때문이다. 그러나, 미끄럼베어링에서는 윤활조건이 악화되어 일단 혼합윤활영역 또는 경계윤활상태가 되어 본격적으로 상대표면간의 접촉이 시작되면 열이 광범위한 면적에 걸쳐서 발생되기 때문에 원래 연질인 베어링재료에 손상을 주게 되고 파손에까지 이르는 결과를 초래하게 된다. 이러한 상태에서는 점성에 영향을 미치는 첨가제를 제외하고 금속표면에서 작용하는 여타 극성 첨가제의 효과는 매우 적다.


 한편 점도가 필요 이상으로 높게 되어도 문제를 일으키는데, 베어링내에서의 점성저항에 의한 마찰손실 및 장치내에서의 교반손실 등이 증대되고, 또한 이들에 의한 온도상승도 발생되기 때문에 바람직하지 않다.  따라서, 속도, 하중, 온도 등 실용상의 운전조건에서 유체윤활을 유지하기 위하여 필요한 최저의 점도가 이론상의 적정점도가 된다. 이 한계는 유체윤활이론에 의한 최소유막두께가 표면거칠기와 같은 정도가 되는 점이며, 경험상 소형 베어링에서는 25㎛, 대형 베어링에서는 50㎛정도로 알려져 있다. 그러나, 표면거칠기는 길들이기 운전에 따라 변화되고, 또한 편접촉이나 하중변화 등도 존재하기 때문에 적정점도를 계산에 의하여 산출하는 것은 실질적으로 어렵게 된다.


아래 그림과 표를 이용하면 적정점도를 비교적 쉽게 구할 수 있다.

 

 

 

Fig. 미끄럼베어링용 윤활유의 점도선정(1)

 

Table. 경/중 하중 미끄럼베어링

조 건

경하중 ~ 중하중 (최고 30 kg/㎠정도)

운전온도 (60℃이하)

회전수(rpm)

급유방법

ISO 점도등급

50 이하

순환,유욕,Bucket,Collar,Ring,Chain

150

적하,손급유

150,220

50 ~ 100

순환,유욕,Collar,Ring,Chain

100

적하,손급유

100,150

100 ~ 500

순환,유욕,Ring,Chain

68

적하,Chain

68,100

500 ~ 1000

순환,유욕,Ring

68

적하,손급유

68

1000 ~ 3000

순환,유욕,Ring,적하,분무

32,46

3000 ~ 5000

순환,유욕,Ring,분무

22

5000이상

순환,분무

10,15

 

 

Table. 중/고 하중 미끄럼베어링

조 건

중하중 ~ 고하중 ( 30 ~ 75 kg/㎠정도)

운전온도 (60℃이하)

회전수(rpm)

급유방법

ISO 점도등급

50  이하

순환,유욕,Bucket,Collar,Ring,Chain

320

적하,손급유

320

50 ~ 100

순환,유욕,Collar,Ring,Chain

220

적하,손급유

220,320

100 ~ 250

순환,유욕,Ring

150

적하,Chain

150,220

250 ~ 500

순환,유욕,Ring

100,150

적하,손급유

100,150

500 ~ 750

순환,유욕,Ring

100

적하,손급유

100

 

산업용 미끄럼베어링에는 R&O형 범용유 중에서 적정한 점도의 것을 선정하도록 추천하고 있다.  연질인 베어링합금을 부식시킬 수 있는 활성이 높은 첨가제를 함유하지않고 수분의 분리성과 기포의 배출성이 우수한 윤활유가 R&O형 범용유이다.  감속기어와 공용으로 사용하는 경우에는 EP제(극압첨가제)를 첨가한 EP형 터어빈유를 사용할 수도 있지만 수명이나 부식방지성의 측면에서 양립하기 어렵기 때문에 점도등급이 1 ~ 2 단 높은 R&O형 범용유를 사용하는 것이 적합하다.
 
 엔진부위에는 크랭크축, 피스톤핀, 터보차저 등에 미끄럼베어링이 있으며, 피스톤링/실린더라이너, 밸브계 등과 공통으로 같은 윤활유를 사용하여 윤활된다.  따라서, 점도는 베어링에 의해서만 선정되는 것이 아니고 엔진윤활 전체의 요구에 의하여 결정되는 성능과 점도분류를 조합하여 선정된 엔진유로 윤활된다. 엔진유의 성능은 주로 청정성 및 열화수명 등이 문제가 되는데, 이들 성능은 베어링 성능에 직접적인 영향을 주지는 않는다. 그러나, 엔진의 가혹도에 적합한 오일을 선정하지 않으면 연소생성물이나 열화생성물에 의한 베어링합금의 부식이 발생될 수 있다.


2) 구름베어링

 

 구름베어링은 원래 기능상 순수한 구름접촉만이 발생되도록 되어있는데, 구름접촉만이 일어난다고 가정할 경우, 윤활유의 기능은 유막의 형성을 통하여 응력집중을 완화함으로써 피로수명을 연장시켜주는 정도에 그치며 마찰/마모의 저감에 기여하는 바는 매우 적게 된다.  그러나, 구름베어링에서도 실제적으로 많은 미끄럼 접촉부위가 존재하며, 윤활유는 오히려 이러한 미끄럼 접촉부위에서 마찰/마모를 저감하고 마찰열을 방출시키기 위하여 사용되고 있다고 말할 수 있다.
 
 구름베어링의 마찰토크는 고면압의 미끄럼 접촉에 의한 하중 마찰토크와 윤활유의 고속 충돌과 교반에 의한 속도 마찰토크로 구분할 수 있다. 하중 마찰토크는 혼합/경계윤활영역의 조건에서 발생되기 때문에 오일의 점도가 높을수록 적게 되고 EP제(극압첨가제) 및 FM제(마찰조정제)가 마모방지 및 마찰저감에 효과가 있다. 속도 마찰토크는 유체윤활영역의 조건에서 발생되기 때문에 역으로 점도가 낮을수록 적으며, 윤활방식의 영향도 많이 받는다.  한계 dn치에는 점성저항에 의한 온도상승과 보지기 안내면에의 오일공급 단절에 의한 영향이 크므로 첨가제에 의한 효과를 기대하기가 어렵다.
 
 구름베어링에서는 마모 및 소부보다는 프레이킹 등의 피로손상에 기인하여 사용불능이 되는 경우가 훨씬 많다. 구름베어링의 수명이 오일의 점도가 높을수록 길어지는 것은 명확하기 때문에 이 피로수명과 하중및 속도에 의한 마찰토오크와의 균형에 의해 적정점도가 존재하게 된다. 아래 표는 구름베어링의 추천 점도등급을 나타낸 것이다.

 

Table. 오일윤활 - 구름베어링의 적정 점도

베어링운전온도

속도지수

ISO점도등급

ISO점도등급

(주위온도),℃

d n *

(보통하중)

(고/충격하중)

- 10 ~ 0

전종류

10, 22, 32

22, 32, 46

0 ~ 60

15,000이하

46

100

15,000 ~ 80,000

32, 46

68

80,000 ~ 150,000

22

32

150,000 ~ 500,000

10

22

60 ~ 100

15,000이하

100

220

15,000 ~ 80,000

100

100

80,000 ~ 150,000

46

100

150,000 ~ 500,000

32

46

100 ~ 150

전종류

220, 320

0 ~ 60

자동조심구름베어링

32, 46, 68, 100

60 ~ 100

자동조심구름베어링

100, 150, 220, 320, 460


미끄럼베어링과는 다르게 윤활개소가 점 또는 선접촉이기 때문에 원리적으로 볼 때 윤활에 필요한 오일은 미량에 불과하다. 특히 고속회전의 조건에 있어서는 베어링 내의 공간에 여분으로 존재하는 오일이 불필요한 저항으로 작용하기 때문에 필요한 량만을 미립자의 형태로 베어링에 공급하는 방식이 있는데, 오일미스트 윤활 및 오일에어 윤활이 있다.  이때의 냉각은 오일의 공급 및 반송을 위하여 사용되는 압축공기에 의하여 행해지며,  전용 오일도 개발이 되어있다.

 

 구름베어링만의 윤활에는 미끄럼베어링과 마찬가지로 R&O형 범용유로 충분한 경우가 많지만, 여타 기구와 같이 일반적인 기계요소이기 때문에 설치되어 있는 기계나 장치를 동시에 윤활하는 오일로 윤활되는 경우도 많다.  제지기계 등에서는 내수성, 내열성을 강화한 베어링오일 그리고 젯트엔진의 주베어링에는 합성계의 전용유가 사용된다.


3) 기어

 

 기어도 일반적인 기계요소로 분류되는데, 구름베어링과 마찬가지로 점 또는 선접촉에 추가하여 상당부분의 미끄럼접촉도 있기 때문에 마모 및 소부의 방지에 특별히 주의할 필요가 있다.  따라서, 공존하는 베어링 등의 여타 기계요소에 우선하여 기어에 적합한 오일이 사용되며, 자동차기어유(자동차인 경우) 또는 공업용기어유(산업기계인 경우)를 공용 윤활유로 전체 기계설비에 적용되는 경우가 많다.

 

 공작기계나 선박용의 감속기어 등에는 윤활관리와 열화수명의 측면에서 R&O형 범용유를 공용유로 적용하는 경우도 있으나, 이 경우에는 기어면압의 설계에 특히 주의할 필요가 있다.  기타, 자동차나 건설기계의 트랜스미션에는 엔진유가 공용으로 사용되는 경우가 많으며, 웜기어에는 유성제형의 전용유가 적합하다.

 

 기어는 통상 EHL상태에서 윤활되지만 조건이 가혹해지면 혼합윤활에서 경계윤활로 변화되기 때문에 EP제를 첨가한 점도가 높은 오일이 바람직하다. 특히 기어의 손상중에서 가장 많이 발생하는 핏팅 등의 피로손상은 EHL유막 두께와 표면거칠기와의 관계에서 결정되기 때문에 이를 고려한 점도의 선정이 매우 중요하다.

 

 자동차용의 경우에는 기어의 윤활과 연비성능과의 균형을 고려하여 SAE점도분류중 적당한 것을 선택한다.  폴리머가 함유된 다급점도유인 엔진유 및 기어유의 경우에는 윤활부위에서의 실효점도가 저하되므로 주의할 필요가 있다.  산업용 기계의 경우에는 ISO 공업용 점도분류로부터 선정하게 된다.  지금까지의 EHL이론계산은 길들이기에 의한 거칠기 변화 및 편접촉 그리고 하중변동 등의 고려가 충분하지 않기 때문에 과거의 실적이나 아래 표와 같은 추천을 참고하여 선정한다.

 

 

Table. 기어용 윤활유의 점도 선정-밀폐식 기어

- 기어의 형식: 스퍼, 헬리컬, 베벨, 스파이럴베벨
- 운전온도(유온): 10 ~ 50℃                            

피니온회전수(rpm)

마력(PS)

급유방법

감속비 

ISO점도

감속비 

ISO점도

10:1이하

등급

10:1이상

등급

300이하

30 이하

순환

135 ~ 234

150, 220

180 ~ 279

220

30 ~ 100

또는

180 ~ 279

220

216 ~ 360

220, 320

100이상

비산

279 ~ 378

320

360 ~ 522

460

300 ~ 1,000

20 이하

81 ~ 153

100, 150

117 ~ 198

150

20 ~ 75

117 ~ 198

150

180 ~ 279

220

75 이상

180 ~ 279

220

279 ~ 378

320

1,000 ~ 2,000

10 이하

순환

54 ~ 117

68, 100

59 ~ 153

68,100,150

10 ~ 50

스프레이

59 ~ 153

68,100,150

135 ~ 198

150

50 이상

비산

135 ~ 198

150

189 ~ 342

220,320

2,000 ~ 5,000

5 이하

27 ~ 36

32

41 ~ 63

46

5 ~ 20

41 ~ 63

46

59 ~ 144

68, 100

20 이상

59 ~ 144

68, 100

95 ~ 153

100 ~ 150

5,000 이상

1 이하

9 ~ 31

10, 15, 22

18 ~ 32

22, 32

1 ~ 10

18 ~ 32

22, 32

29 ~ 63

32, 46

10 이상

29 ~ 63

32, 46

41 ~ 63

46

 

 

Table. 기어용 윤활유의 점도 선정-개방식기어

운전온도
(주위온도,0℃)

급유방식

추천오일

ISO점도등급

0 ~ 25

적하,분무,도포

 50 ~ 59 cSt @40℃
 
기어컴파운드 55 ~ 110 cSt @100℃
 그리스 290 ~ 330 주도 @25℃

68

10 ~ 55

적하,분무,도포

 54 ~ 81 cSt @40℃
 
기어컴파운드 120 ~ 250 cSt @100℃
 그리스 230 ~ 290 주도 @25℃

68

55 이상

도포

 기어컴파운드 170 ~ 410 cSt @100℃
 그리스 230 ~ 290 주도 @25℃

 

 

 

Table. 기어용 윤활유의 점도 선정-웜기어

운전온도
(주위온도,0℃)

급유방식

추천오일

ISO점도등급

30 미만

유욕,도포,충전

 99 ~ 216 cSt @40℃
 
기어컴파운드 55 ~ 110 cSt @100℃
 그리스 290 ~ 330 주도 @25℃

150

30 이상

유조,비산,
도포,충전

 그리스 320 ~ 370 주도 @25℃
 
일반 135 ~ 351 cSt @40℃
 
고온 261 ~ 603 cSt @40℃
 기어컴파운드 120 ~ 250 cSt @100℃

150, 220, 320, 460

 

4) 미끄럼안내면 및 습식마찰기구

 

 윤활유 선정시 고려해야할 그외의 기계요소로서는 공작기계의 미끄럼안내면, 습식클러치 그리고 습식브레이크 등을 들 수 있다.  미끄럼안내면은 미끄럼베어링의 일종으로 분류될 수도 있지만, 유막이 형성되어 부상하게 되면 정밀도에 영향을 주기 때문에 윤체윤활에 의한 유막형성이 바람직하지않다.  따라서 무리하여 경계윤활상태로 유지할 필요가 있으며, 통상의 윤활유를 사용하면 이조건에서 속도의 증가에 따라 마찰계수가 떨어지기 때문에 스틱슬립이라는 마찰진동이 발생하기 쉽다. 

 

이 문제를 해결하기 위하여 특수한 FM(마찰조정제)를 첨가하는 미끄럼안내면 전용유를 사용하는데,  이오일은 마찰의 속도특성을 역전시켜 마찰진동을 억제한다. 근래에는 미끄럼안내면와 유압계, 기어유, 베어링 등에 공용으로 적용할 수 있는 공작기계 공통윤활유가 많이 사용되고 있다. 또한, 미끄럼안내면에 수용성절삭유제가 혼입되어 여러가지 문제가 발생되는 측면을 고려하여 이 두가지 목적을 모두 적극적으로 수용하는 윤활제도 있다.


 한편,  클러치나 브레이크 등에 이용되는 습식마찰기구에 있어서도 앞서 기술한 미끄럼안내면에서와 같이 마찰의 속도특성에 기인한 마찰진동이 문제가 된다. 자동변속기유(ATF), LSD (Limitted Slip Differential)기어유 및 농기계용 트랙터용 습식브레이크유에는 유사한 윤활유 처방을 하고 있다. 클러치나 브레이크의 경우, 전체의 마찰계수가 낮게 되면 기계기능상의 성능이 떨어지기 때문에 저속영역에서의 마찰만을 선택적으로 낮추는 고도의 첨가제 배합기술을 요구한다.


2. 윤활관리의 기본, 플러싱 (Flushing)

 

  적유선정과 TFM을 위한 사전준비인 일련의 조사활동이 이루어지게 되면 경우에 따라서 부적절하게 사용되고 있는 윤활유의 교환이 이루어지게 된다. 이때 오일의 교환 못지 않게 기존 오일을 사용하고 있던 기계 장비에 대한 적절한 플러싱이 이루어져야 한다. 적절한 방법에 의해 플러싱이 이루어지지 않으면 교환한 오일속에 사용유가 오염되어 산화, 탄화를 촉진시키는 촉매제를 넣어 두는 것과 같게 된다. 심할 경우에는 Dead Zone에 쌓여 있던 슬러지, 산화탄화 생성물, 외부 혼입물들을 끌어내어 신유에 분산시키는 결과를 초래해 교환한 오일의 수명을 급격히 단축시킬 수도 있으므로 TFM에서는 여러가지 활동 못지 않게 플러싱에 세심한 주의를 기울여야 한다.

 

1)  플러싱(Flushing)의 실시 시기


- 기계장치의 신설시(고형물질,방청제,금속분)
- 설치된 장치의 분해 손질시(슬러지제거)
- 운전개시시
- 베어링이나 윤활계통의 개방검사시
- 윤활유 교환시(사용유를 분석하여 사용한계 초과시 교환)
- 기계장치 분해를 통한 정밀 점검시

 

2) 플러싱오일의 선택


- 일반적으로 경질의 나프텐계 오일
- 청정분산제와 방청첨가제를 가한 오일
- 사용하고 있는 오일과 거의 동질의 오일
- 저점도유
- 인화점이 높은 오일

 

3) 플러싱의 종류


- 산세정(황산→물→가성소다→물→기름)
   (신설배관의 관내의 모래,녹,금속,먼지,섬유질 제거)
- 분해 세정(용제처리) : 슬러지 및 방청제 제거
- 윤활유에 의한 세정 : 고형물질,절삭칩,이물질 제거
- Chemical Cleaning (화학물질에 의한 처리)

 

4) 오일플러싱 작업의 전처리


오일플러싱은 전처리의 상태에 따라 그 효과가 많이 좌우되기 때문에, 오일플러싱을 완벽하게 하기 위해서는 윤활계통 조립전에 청소 상황을 충분히 검사하고, 만약 이상이 있는 경우 오일플러싱 작업에 앞서서 녹, 용접스케일, 기타 이물질을 제거할 필요가 있다.

 

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