CN111256986B - 变轨距转向架车轴耐久性试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及轨道交通领域，提供变轨距转向架车轴耐久性试验方法。该变轨距转向架车轴耐久性试验方法包括利用动力学仿真软件，建立变轨距转向架和车体的耦合模型；分别提取所述耦合模型中左右空气弹簧位置处的车体相对于变轨距转向架的垂向载荷以及左右空气弹簧位置处的车体相对于变轨距转向架的横向载荷，作为作动器的输出；组装试验工装，开启试验台进行正式试验，并在试验过程中控制作动器调节左右空气弹簧位置处的车体相对于变轨距转向架的垂向载荷以及左右空气弹簧位置处的车体相对于变轨距转向架的横向载荷，计算车轴疲劳损伤。本发明能够保证载荷准确性的同时缩短了试验时间，能够准确验证变轨距转向架车轴在服役过程中的耐久性性能。

Description

变轨距转向架车轴耐久性试验方法

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，尤其涉及变轨距转向架车轴耐久性试验方法。

背景技术

目前，世界各国铁路轨距不统一。我国与欧洲各国均为准轨，东南亚各国均是窄轨，而印度、孟加拉及巴基斯坦采用宽轨，使得跨国联运成为一大难题。而随着中国与周边国家的贸易交流日益频繁，跨国联运的速度需求也越来越高，相对于公路、水路及航空运输，铁路运输兼顾了运输量与运输时间。为降低列车在不同轨距国家之间的过境时间与卸货成本，变轨距转向架成为解决上述问题的首选方法。

变轨距转向架在正常运行载荷条件下，需以不同轨距、不同速度反复通过S型曲线和直线，对车轴提出了更高的要求。而且由于变轨距转向架没有实际测试数据，如何验证变轨距转向架车轴在服役过程中的耐久性性能，成为目前的一大难题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明实施例提出一种变轨距转向架车轴耐久性试验方法，保证载荷准确性的同时缩短了试验时间，能够准确验证变轨距转向架车轴在服役过程中的耐久性性能。

根据本发明实施例的一种变轨距转向架车轴耐久性试验方法，其包括步骤：

利用动力学仿真软件，建立变轨距转向架和车体的耦合模型；

分别提取所述耦合模型中左右空气弹簧位置处的车体相对于变轨距转向架的垂向载荷以及左右空气弹簧位置处的车体相对于变轨距转向架的横向载荷，作为作动器的输出；

组装试验工装并安装在试验台上；

开启试验台进行正式试验，并在试验过程中控制作动器调节左右空气弹簧位置处的车体相对于变轨距转向架的垂向载荷以及左右空气弹簧位置处的车体相对于变轨距转向架的横向载荷；

根据作动器作用在左右空气弹簧位置处的车体相对于变轨距转向架的垂向载荷，以及左右空气弹簧位置处的车体相对于变轨距转向架的横向载荷，计算车轴疲劳损伤。

根据本发明的一个实施例，所述利用动力学仿真软件，建立变轨距转向架和车体的耦合模型的步骤，具体包括：结合实际运营过程中的载重、运行速度及运行的线路对各运行工况下车轴所受到的载荷进行模拟。

根据本发明的一个实施例，所述计算车轴疲劳损伤的步骤，具体包括：对车轴疲劳损伤贡献小的载荷，通过等损伤的方式提高小载荷幅值，对车轴疲劳损伤贡献大的载荷，保留大载荷幅值的同时保证垂向载荷和横向载荷的相位关系。

根据本发明的一个实施例，所述试验包括预备试验和正式试验，所述预备试验时车轮转速逐渐变大，加载载荷逐渐加大，并观察轴承的热反应，并且试验工装变换轨距后以及轴箱组件拆解复原后需重新进行预备试验。

根据本发明的一个实施例，所述正式试验包括多个循环周期，每个循环周期由两个基本行程组成，一个旋转方向为一个基本行程，每个基本行程的运行速度分别为名义转速的25％、50％、75％和100％，每个基本行程分为起速、恒速、减速、停止阶段，在每个基本行程的恒速段施加交变的轴向载荷，所述轴向载荷的幅值根据运行速度进行等比例缩放。

根据本发明的一个实施例，在名义转速时，所述轴向载荷取运行工况下横向载荷的最大值，每个基本行程的持续时间由温度的变化决定，当温度稳定，该基本行程结束。

根据本发明的一个实施例，所述利用动力学仿真软件，建立变轨距转向架和车体的耦合模型的步骤，具体包括：假设构架和车体均为刚体，只考虑单节车模型，不考虑相邻车辆间的作用；

将左右车轮作为单独的体，进行单独建模；

对轮轴间隙建模；

在耦合模型上空气弹簧位置以及转向架位置添加测量点；

对建模后的轮对所受横向力进行分析，并根据Carter公式计算。

根据本发明的一个实施例，所述对轮轴间隙建模，具体包括：对轮轴横向间隙建模，对轮轴周向间隙建模以及对轮轴径向间隙建模。

根据本发明的一个实施例，所述对轮轴横向间隙建模包括：采用非线性弹簧-阻尼力元模拟轮轴横向间隙，把刚度和阻尼参数设置无穷大来模拟止挡的特性；

所述对轮轴周向间隙建模包括：采用非线性弹簧-阻尼力元模拟轮轴周向间隙，把刚度和阻尼参数设置无穷大来模拟止挡的特性；

所述对轮轴径向间隙建模包括：采用Herzian contact力模拟轮轴径向间隙，通过设置约束使车轴和滑动套间仅发生线面接触。

根据本发明的一个实施例，所述计算车轴疲劳损伤，具体包括：设定线路工况级数为K，总长为La，则运行L公里需要载荷块数为L/La，第K_i级线路工况的车轴疲劳损伤：

v为速度，t为时间；车轴总疲劳损伤：

本发明与现有技术相比，至少具有如下优点：

本发明实施例的变轨距转向架车轴耐久性试验方法，利用动力学仿真得到变轨距转向架车轴所受载荷，即利用动力学仿真软件，建立变轨距转向架和车体的耦合模型，试验工装按构架实际受力设计安装，试验过程中通过控制作动器调节转向架左右空气弹簧载荷以及车体相对于转向架的横向位移，保证施加载荷的准确性，且缩短了试验时间，为科研人员节省了大量研发、试验时间，根据提取的作动器的作用载荷能够方便地计算出车轴的疲劳损伤，为车轴在实际服役过程中的使用寿命提供很好的参考意义。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一种变轨距转向架车轴耐久性试验方法的流程示意图；

图2是本发明实施例轮轴建模横向力分析示意图；

图3是本发明实施例柔性车轴的建模流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

需要说明的是，由于标准轨距下车轴的应力更大，本发明实施例将在标准轨距状态下进行变轨距转向架车轴的耐久性试验。

根据本发明实施例的一种变轨距转向架车轴耐久性试验方法，如图1所示，其包括步骤：

步骤101：利用动力学仿真软件，建立变轨距转向架和车体的耦合模型，并结合实际运营过程中的载重、运行速度及运行的线路对各运行工况下车轴所受到的载荷进行模拟，具有很好的参考性；

步骤102：分别提取所述耦合模型中左右空气弹簧位置处的车体相对于变轨距转向架的垂向载荷，以及左右空气弹簧位置处的车体相对于变轨距转向架的横向载荷，作为作动器的输出载荷；此处需要说明的是，作动器作为试验中施加载荷的施力部件，通过作动器施加载荷，模拟车体对转向架的载荷。此外，作动器可以按规定的位移变化控制，也可以按规定的力控制，因此，此处的横向载荷可以为横向位移，垂向载荷可以为垂向位移。

步骤103：组装试验工装并安装在试验台上，具体地，试验工装为试验用的变轨距轮对，包括车轴和设于车轴两端的车轮，本实施例中，将两个车轮称为左车轮和右车轮，位于构架上的两个空气弹簧称为左空气弹簧和右空气弹簧，每个车轮的外侧连接滑移机构，滑移机构可滑动设置在轴箱中，滑移机构具体包括套设在车轴上的滑动套。需要说明的是，文中转向架指的是变轨距转向架，轮对指的是变轨距轮对。试验台上设有用于驱动车轮旋转的驱动辊轮。

步骤104：开启试验台进行正式试验，并在试验过程中控制作动器调节左右空气弹簧位置处的车体相对于变轨距转向架的垂向载荷以及左右空气弹簧位置处的车体相对于变轨距转向架的横向载荷，保证施加载荷的准确性。

步骤105：根据步骤104中的垂向载荷和横向载荷，计算车轴疲劳损伤，从而得到车轴的耐久性。

通过上述方法，本发明实施例能够保证载荷准确性的同时缩短了试验时间，为科研人员节省了大量研发、试验时间。

根据本发明的一个实施例，所述计算车轴疲劳损伤的步骤，具体包括：对车轴疲劳损伤贡献小的载荷，通过等损伤的方式提高小载荷幅值，对车轴疲劳损伤贡献大的载荷，保留大载荷幅值的同时保证垂向载荷和横向载荷的相位关系，从而压缩试验时间并保证变轨距轮对的受力状态。并对压缩后的载荷按比例拼接得到1200万公里的载荷谱，1200万公里为规定的车服役里程。

此处，对车轴疲劳损伤贡献小的载荷和对车轴疲劳损伤贡献大的载荷是轨道车辆领域公知的载荷，在此不一一列举。

耦合模型运行的线路按下表1进行组合，并按比例拓展到1200万公里。

表1-模拟运行工况下直线和曲线的组合(单块)

注：“单块”是指输给作动器的作用载荷时长为一段选取时长，例如可能只有五分钟，这五分钟包含了1200万公里运营的全部典型载荷，然后作动器重复执行这5分钟的载荷，直到累积里程达到1200万公里。

根据本发明的一个实施例，所述试验包括预备试验和正式试验，所述预备试验时车轮转速逐渐变大，加载载荷逐渐加大，并且试验工装变换轨距后以及轴箱组件拆解复原后需重新进行预备试验，预备试验的目的是为了观察轴承的热反应，并重新分布油脂，并为正式试验做准备，预备试验时车轮转速逐渐提高到最大转速，加载载荷由小到大逐渐加载，以试验变轨距轮对对载荷的承受能力。

根据本发明的一个实施例，正式试验包括多个循环周期，本实施例取4个循环周期，每个循环周期由两个基本行程组成，一个旋转方向为一个基本行程，每个基本行程的运行速度分别为名义转速的25％、50％、75％和100％，当然，运行速度分别为名义转速的25％、50％、75％和100％为方便试验的取值，根据不同需要，还可以取其他数值；每个基本行程分为起速、恒速、减速、停止阶段，在每个基本行程的恒速段施加交变的轴向载荷，加载频率可以选为0.1Hz，所述轴向载荷的幅值根据运行速度进行等比例缩放。

根据本发明的一个实施例，在名义转速时，所述轴向载荷取模拟运行工况下横向载荷的最大值，每个基本行程的持续时间由温度的变化决定，当温度稳定，说明已经达到无法再升高的温度，持续在该温度下运行，将会烧毁轴承等部件，也表明此时转速已经达到最大，该基本行程结束。

需要说明的是，最大转速是车轮在极限磨耗状态下，在试验中绝大多数时间保持的变轨距轮对的转速。

此外，试验过程中需安装模拟在实际运营中由于周围空气运动而冷却轴箱的通风设备。

根据本发明的一个实施例，所述利用动力学仿真软件，建立变轨距转向架和车体的耦合模型的步骤，具体包括：

步骤1，假设构架和车体均为刚体，只考虑单节车模型，不考虑相邻车辆间的作用；

步骤2，将左右车轮作为单独的体，进行单独建模；

步骤3，对轮轴间隙建模，并建立柔性车轴模型；

步骤4，在耦合模型上空气弹簧位置以及转向架位置添加测量点；

步骤5，对建模后的轮对所受横向力进行分析，并根据Carter公式计算。

需要说明的是，步骤1-4并非要求按照先后顺序执行，也可以调换顺序。

根据本发明的一个实施例，对轮轴间隙建模具体包括，对轮轴横向间隙建模，对轮轴周向间隙建模以及对轮轴径向间隙建模。

进一步地，对轮轴横向间隙建模包括，采用非线性弹簧-阻尼力元模拟轮轴横向间隙，把刚度和阻尼参数设置无穷大来模拟止挡的特性；如100MN/m或1000MN/m。

对轮轴周向间隙建模包括，采用非线性弹簧-阻尼力元模拟轮轴周向间隙，把刚度和阻尼参数设置无穷大来模拟止挡的特性；

对轮轴径向间隙建模包括，结合轮轴配合的特点，采用Herzian contact(赫兹接触模型)力模拟轮轴径向间隙，通过设置约束使车轴和滑动套间仅发生线面接触。

需要说明的是，传统的轮对建模方式是把轮对作为一个整体，这样计算轮对横向、垂向位移都会得到简化，但是变轨距转向架与传统转向架相比，其车轮和车轴不再是过盈装配，需要考虑轮轴间隙的影响。因此在进行动力学仿真分析时，将左右车轮作为单独的体，单独建模，以使得试验结果更准确。

此外，对一些次要因素进行相应的假定或简化，而在对动力学性能影响较大的主要因素上尽可能做出符合实际情况的模拟。在建模时做出如下假定，构架和车体等部件的弹性比悬挂系统的弹性要小得多，假设构架和车体均为刚体，即忽略各部件的弹性变形；此外，只考虑单节车模型，不考虑相邻车辆间的作用。

为了得到车辆运行时载荷，及左右空气弹簧位置处的车体相对于转向架的垂向位移以及车体相对于转向架的横向位移，在耦合模型上空气弹簧位置以及转向架位置添加测量点。

进一步地，柔性车轴模型的建立步骤包括：柔性车轴的建模流程如图3所示，通过三维建模，划分网格模态分析后得到的结果文件，作为属性附给动力学模型中的体，这样在动力学计算时就能得到体的应变。

需要说明的是，柔性体是区别于刚形体的，它计算量大，考虑的因素更多，也更准确，对于个别关注的零部件性能，用柔性体能够更好的考虑共振对零部件的影响。

具体地，对轮对所受横向力进行分析，并根据Carter公式计算具体包括：变轨距转向架主要包括构架、轮对轴箱定位装置、一系、二系悬挂装置、牵引装置、摇枕、基础制动装置驱动装置等。一系悬挂装置由两组螺旋钢弹簧、一系垂向减振器和转臂定位装置组成。二系悬挂装置主要由空气弹簧组成、摇枕、由间隙和橡胶块提供的非线性横向止档、抗侧滚扭杆等部件组成。车体与转向架间采用双牵引拉杆牵引装置，传递牵引力和制动力。动车转向架电机直接弹性吊挂在构架上。建模时轮对横向力分析如图2所示，车轮和车轴间相对滑动的摩擦力f，车轮和轨道之间的横向蠕滑力f_w，轴箱和构架之间的横向刚度k₁，车轮与轴箱的横向连接刚度k_c，间隙量ε，车轮和滑动轴承的蠕滑率K，计算根据Carter公式计算。具体如下：

滑动轴承定位挡块间隙产生的横向力用非线性模型表示：

车轮实际横向速度与纯滚动速度之差为y_Δ，横向蠕滑率为：

则构架、车轮、轴箱横向运动微分方程为：

需要说明的是，变轨距轮轴改变的是车轮相对于车轴的位置，车轮和车轴之间要允许相对位移，所以车轮和车轴之间有滑动轴承。在标准轨距和其他轨距时分别有对应的定位挡块，间隙量指的是滑动轴承相对定位挡块之间的间隙。

式中，f_l代表左车轮和车轴间相对滑动的摩擦力，f_r代表左车轮和车轴间相对滑动的摩擦力，y_f是构架的横向位移，y_a是车轴的横向位移，y_wl是左车轮的横向位移，y_wr是左车轮的横向位移，y_bl是左轴箱的横向位移，y_br是右轴箱的横向位移，F_wl是左车轮和轨道之间的横向蠕滑力，F_wr是左车轮和轨道之间的横向蠕滑力，F_lb是左车轮和轴箱之间的横向力，F_rb是左车轮和轴箱之间的横向力。

具体地，步骤102中横向载荷和垂向载荷的获取，主要通过计算机求解动力学方程，方程结果收敛后，可以输出车轴的应变ε，通过

将动应变转换为动应力，动应力即为横向载荷和垂向载荷。式中E为材料的弹性模量。获取应力幅值范围，将应力大小分级，通过雨流计数法，能快速得到各级应力的循环次数ni，以及分布情况，对于幅值较低的应力循环，可以用较高的应力循环等效。

车轴疲劳损伤计算及简化：若材料的SN曲线已知，则可通过Miner线性累积损伤理论计算车轴疲劳损伤。线性损伤准则可以表示为：

当满足以下条件时，判定车轴发生失效：

等效应力计算：为了减少加载时间，对车轴疲劳损伤贡献小的载荷进行分离，通过等损伤的方式提高幅值。

原始时域信号长度为t₀，截取积分稳定后的信号长度为t。根据雨流计数法，和材料的SN曲线，计算车轴在t时间内的损伤D_t。贡献较大的载荷σ₁造成的损伤为d。等效后的循环次数为n。

车轴总损伤计算：设定线路工况级数为K，总长为L_a，则运行L公里需要载荷块数为L/L_a。

第K_i级线路工况的车轴疲劳损伤：

其中，v为速度，t为时间；

总车轴疲劳损伤：

本发明实施例能够保证载荷准确性的同时缩短了试验时间，为科研人员节省了大量研发、试验时间。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (9)

1.一种变轨距转向架车轴耐久性试验方法，其特征在于，包括步骤：

利用动力学仿真软件，建立变轨距转向架和车体的耦合模型；

分别提取所述耦合模型中左右空气弹簧位置处的车体相对于变轨距转向架的垂向载荷，以及左右空气弹簧位置处的车体相对于变轨距转向架的横向载荷，作为作动器的输出；

组装试验工装并安装在试验台上；

开启试验台进行试验，并在试验过程中控制作动器调节左右空气弹簧位置处的车体相对于变轨距转向架的垂向载荷，以及左右空气弹簧位置处的车体相对于变轨距转向架的横向载荷；

根据作动器作用在左右空气弹簧位置处的车体相对于变轨距转向架的垂向载荷，以及左右空气弹簧位置处的车体相对于变轨距转向架的横向载荷，计算车轴疲劳损伤；

所述利用动力学仿真软件，建立变轨距转向架和车体的耦合模型的步骤，具体包括：

假设构架和车体均为刚体，只考虑单节车模型，不考虑相邻车辆间的作用；

将左右车轮作为单独的体，进行单独建模；

对轮轴间隙建模；

在耦合模型上空气弹簧位置以及转向架位置添加测量点；

对建模后的轮对所受横向力进行分析，并根据Carter公式计算。

2.根据权利要求1所述的变轨距转向架车轴耐久性试验方法，其特征在于，所述利用动力学仿真软件，建立变轨距转向架和车体的耦合模型的步骤，具体包括：结合实际运营过程中的载重、运行速度及运行的线路对各运行工况下车轴所受到的载荷进行模拟。

3.根据权利要求1所述的变轨距转向架车轴耐久性试验方法，其特征在于，所述计算车轴疲劳损伤的步骤，具体包括：对车轴疲劳损伤贡献小的载荷，通过等损伤的方式提高小载荷幅值，对车轴疲劳损伤贡献大的载荷，保留大载荷幅值的同时保证垂向载荷和横向载荷的相位关系。

4.根据权利要求1所述的变轨距转向架车轴耐久性试验方法，其特征在于，所述试验包括预备试验和正式试验，所述预备试验时车轮转速逐渐变大，加载载荷逐渐加大，并观察轴承的热反应，并且试验工装变换轨距后以及轴箱组件拆解复原后需重新进行预备试验。

5.根据权利要求4所述的变轨距转向架车轴耐久性试验方法，其特征在于，所述正式试验包括多个循环周期，每个循环周期由两个基本行程组成，一个旋转方向为一个基本行程，每个基本行程的运行速度分别为名义转速的25％、50％、75％和100％，每个基本行程分为起速、恒速、减速、停止阶段，在每个基本行程的恒速段施加交变的轴向载荷，所述轴向载荷的幅值根据运行速度进行等比例缩放。

6.根据权利要求5所述的变轨距转向架车轴耐久性试验方法，其特征在于，在名义转速时，所述轴向载荷取运行工况下横向载荷的最大值，每个基本行程的持续时间由温度的变化决定，当温度稳定，该基本行程结束。

7.根据权利要求1所述的变轨距转向架车轴耐久性试验方法，其特征在于，所述对轮轴间隙建模，具体包括：对轮轴横向间隙建模，对轮轴周向间隙建模以及对轮轴径向间隙建模。

8.根据权利要求7所述的变轨距转向架车轴耐久性试验方法，其特征在于，所述对轮轴横向间隙建模包括：采用非线性弹簧-阻尼力元模拟轮轴横向间隙，把刚度和阻尼参数设置无穷大来模拟止挡的特性；

所述对轮轴周向间隙建模包括：采用非线性弹簧-阻尼力元模拟轮轴周向间隙，把刚度和阻尼参数设置无穷大来模拟止挡的特性；

所述对轮轴径向间隙建模包括：采用Herzian contact力模拟轮轴径向间隙，通过设置约束使车轴和滑动套间仅发生线面接触。

9.根据权利要求1所述的变轨距转向架车轴耐久性试验方法，其特征在于，所述计算车轴疲劳损伤，具体包括：设定线路工况级数为K，总长为La，则运行L公里需要载荷块数为L/La，第K_i级线路工况的车轴疲劳损伤：

v为速度，t为时间；车轴总疲劳损伤：

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