CN113236785B - 用于深水减速器的轴端密封结构及密封性能测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于深水减速器的轴端密封结构及密封性能测试装置，包括压力容器组件、外壳体组件，机械密封组件和驱动组件，外壳体组件的第一端位于压力容器组件的内部，外壳体组件的第二端和压力容器组件第二封头的第一端固连,机械密封组件位于外壳体组件的内部，驱动组件的钟形罩和压力容器组件第二封头的第二端连接。在机械密封组件中，密封静环第一端沿径向方向上分别设有正方孔和椭圆孔，密封静环和密封动环的第一端连接，弹簧座通过第二销轴和密封动环的第二端连接，弹簧位于弹簧座的弹簧孔内。本发明中密封静环上加工的方形‑椭圆形双层复合织构使得机械密封摩擦副端面间液膜产生动压效应，密封端面实现了非接触、高稳定和低磨损运行。

Description

用于深水减速器的轴端密封结构及密封性能测试装置

技术领域

本发明涉及减速器轴端密封技术领域，特别涉及一种用于深水减速器的轴端密封结构及密封性能测试装置。

背景技术

随着深海探测等行业的日趋发展，对深水用减速器轴端机械密封提出了更高要求，对于深海的高水压环境，减速器轴端密封必须达到零泄漏、维修费用低和长寿命使用。对于普通的接触式机械密封，由于巨大水压，密封动环和密封静环之间产生巨大压力，当减速器运行时，密封动环和密封静环之间相互摩擦，加快摩擦面的磨损，从而影响机械密封的密封性能和寿命，而且市面上尚且没有一种用于深水用减速器密封性测试装置。

针对已经公开的专利申请号201710669154.3一种机械密封动环静环连接结构，主要针对密封静环一端设有的静环楔形面，通过动环楔形面和静环楔形面相互抵接，达到密封效果，但该静环楔形面在运转时剧烈摩擦，密封环摩损严重，影响机械密封的密封性能和寿命。针对已经公开的专利申请号201520050274.1，通入高压气后，通过测压计压力的变化判断出船用机械密封试压装置的动环和静环之间是否存在泄漏，由于除动环和静环之间的机械密封，其他连接部位还存在第一密封圈和第二密封圈，因此该装置只能进行静密封实验，无法测试机械密封装置的动密封性能。

因此有必要设计一种深水用减速器轴端密封方式与密封性测试装置，密封动环选用合适的材料以减小磨损，在密封静环的摩擦面上使用一种复合织构，以提高机械密封性能、密封静环和密封动环的使用寿命，并设计一种用于深水用减速器轴端密封性测试装置，以测试机械密封的密封性能。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于深水减速器的轴端密封结构及密封性能测试装置，主要是在密封静环的摩擦面上使用一种复合织构，以提高机械密封性能、密封静环和密封动环的使用寿命，同时针对该种结构设计性能测试装置，模拟不同的试验工况，从而提高实际使用寿命。

本发明提供了一种用于深水减速器的轴端密封结构及密封性能测试装置，其包括压力容器组件、外壳体组件、机械密封组件和驱动组件，所述外壳体组件的第一端位于所述压力容器组件的内部，所述外壳体组件的第二端和所述压力容器组件第二封头的第一端固定连接,所述机械密封组件位于所述外壳体组件的内部，并和所述外壳体组件的旋转轴固定连接，所述驱动组件的钟形罩和所述压力容器组件第二封头的第二端连接。所述外壳体组件，其包括旋转轴、第二端盖、第一壳体、第一圆锥滚子轴承、第二圆锥滚子轴承、骨架油封、第二壳体和第一端盖，所述第二端盖的第一端和所述第一壳体的第一端连接，所述第一壳体的第二端和所述第二壳体的第一端连接，所述第二壳体的第二端和所述第一端盖的第一端连接，所述第一圆锥滚子轴承的外圈和所述第二端盖的第三端接触，所述第二圆锥滚子轴承的外圈和所述第二壳体内部的凸肩接触，所述第一圆锥滚子轴承和所述第二圆锥滚子轴承的内圈分别与所述旋转轴的第三端和第四端连接，所述骨架油封的外圈和所述第二壳体内部的第一端接触，所述骨架油封的内圈和所述旋转轴的第五端连接，所述第二壳体内部的第二端设有凹槽。所述机械密封组件，其包括第一销轴、第一O型密封圈、密封静环、密封动环、第二O型密封圈、第二销轴、弹簧座、紧定螺钉、卡簧和弹簧，所述密封静环第一端沿径向方向上分别设有正方孔和椭圆孔，所述正方孔位于所述椭圆孔的正上方，所述弹簧的弹力和外部水压的压力，将所述密封动环压紧在密封静环上，旋转的密封动环与静止的密封静环摩擦，摩擦副端面间液膜产生动压效应，将阻止水进入外壳体组件的内部，所述密封静环第二端设有第一销孔，所述弹簧座的第一端沿圆周方向上分别设有弹簧孔和第二销孔，所述密封静环的外圈凹槽和所述第一O型密封圈连接，所述密封静环的第一销孔通过第一销轴和所述第二壳体内部的第三端连接，所述密封静环的第一端和所述密封动环的第一端连接，所述密封动环的内圈凹槽和所述第二O型密封圈连接，所述密封静环和所述密封动环的内圈分别与所述旋转轴的第六端和第七端连接，所述弹簧座的第二销孔通过第二销轴和所述密封动环的第二端连接，所述弹簧位于所述弹簧座的弹簧孔内，所述弹簧座的第二端分别通过紧定螺钉和卡簧与所述旋转轴的第八端连接。

可优选的是，所述压力容器组件，其包括第二封头、筒体、溢流阀、压力表、三通球阀、二通球阀、增压水泵、支撑架和第一封头；所述筒体外表面的底部和所述支撑架的第一端固定连接，所述筒体的第一端和所述第二封头的第一端固定连接，所述筒体的第二端和所述第一封头的第一端固定连接，所述溢流阀的第一端和所述第一封头的第二端固定连接，所述溢流阀的第二端和所述三通球阀的第一端固定连接，所述三通球阀的第二端和所述压力表固定连接，所述增压水泵的两侧分别设有增压水泵出水口和增压水泵进水口，。

可优选的是，所述驱动组件，其包括伺服电机、钟形罩和联轴器，所述联轴器位于所述钟形罩的内部，所述伺服电机的外壳和所述钟形罩的第一端固定连接，所述伺服电机的输出轴和所述联轴器的第一端连接，所述联轴器的第二端和所述旋转轴的输入端固定连接，所述钟形罩的第二端和所述第一壳体的第三端固定连接。

可优选的是，所述第一圆锥滚子轴承、所述第二圆锥滚子轴承和所述骨架油封分别位于所述第一壳体和所述第二壳体的内部，所述第二端盖、所述第一圆锥滚子轴承、所述第二圆锥滚子轴承、所述骨架油封、所述密封静环、所述密封动环、所述弹簧座和所述第一端盖沿着旋转轴的第一端向第二端的方向依次分布。

可优选的是，所述第一O型密封圈、所述密封静环、所述密封动环、所述第二O型密封圈、所述弹簧座和所述旋转轴的轴线位于同一条直线上。

可优选的是，所述机械密封组件中的正方孔和椭圆孔构成方形-椭圆形双层复合织构，所述正方孔和所述椭圆孔的轴线位于同一条直线上。

可优选的是，所述外壳体组件旋转轴的轴线和所述压力容器组件筒体的轴线位于同一条直线上，所述压力容器组件第二封头的轴线、所述外壳体组件和所述钟形罩的轴线位于同一条直线上，所述钟形罩的外表面设有开口槽。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明采用复合织构的机械密封设计，方形-椭圆形双层复合织构是在单一椭圆形与单一正方形织构的基础上提出，相较其他两个具有更佳的密封性能；密封静环上加工的方形-椭圆形双层复合织构使得机械密封摩擦副端面间液膜产生动压效应，密封端面实现了非接触、高稳定和低磨损运行。

2、本发明提出的密封性测试装置，可模拟减速器深水中的工况，包括减速器转速和深水水压，利用压力表来检测机械密封动、静密封是否泄漏，运行结束后查看内部储水槽，二次检测是否有泄漏，如存在泄漏储水槽与骨架密封避免轴承等零件受到侵蚀。

3、本发明为市场上尚不存在的一种深水用减速器轴端密封方式与密封性测试装置，减速器内部起减速传动的部分零件与轴端密封性能测试相关度不大，为减少不必要的浪费，只加工减速器壳体及轴端密封部分零件，节约制造成本。

附图说明

图1为本发明用于深水减速器的轴端密封结构及密封性能测试装置的轴侧视图；

图2为本发明用于深水减速器的轴端密封结构及密封性能测试装置的剖视图；

图3为本发明用于深水减速器的轴端密封结构及密封性能测试装置中压力容器组件的轴侧视图；

图4为本发明用于深水减速器的轴端密封结构及密封性能测试装置中机械密封组件和外壳体组件的剖视图；

图5为本发明用于深水减速器的轴端密封结构及密封性能测试装置中机械密封组件爆炸视图；

图6为本发明用于深水减速器的轴端密封结构及密封性能测试装置中密封静环的结构示意图；

图7为本发明用于深水减速器的轴端密封结构及密封性能测试装置中密封静环结构的局部放大示意图；

图8为本发明用于深水减速器的轴端密封结构及密封性能测试装置中密封动环的结构示意图；

图9为本发明用于深水减速器的轴端密封结构及密封性能测试装置中弹簧座的结构示意图；

图10为本发明用于深水减速器的轴端密封结构及密封性能测试装置中钟形罩的结构示意图。

主要附图标记：

压力容器组件1，第二封头11，筒体12，溢流阀13，压力表14，三通球阀15，二通球阀16，增压水泵17，增压水泵出水口18，支撑架19，第一封头110，增压水泵进水口111，外壳体组件2，旋转轴21，第二端盖22，第一壳体23，第一圆锥滚子轴承24，第二圆锥滚子轴承25，骨架油封26，第二壳体27，第一端盖28，机械密封组件3，第一销轴31，第一O型密封圈32，密封静环33，正方孔331，椭圆孔332，密封动环34，第二O型密封圈35，第二销轴36，弹簧座37，弹簧孔371，第二销孔372，紧定螺钉38，卡簧39，弹簧310，驱动组件4，伺服电机41，钟形罩42，联轴器43。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。

用于深水减速器的轴端密封结构及密封性能测试装置，如图1和图2所示，其包括压力容器组件1、外壳体组件2、机械密封组件3和驱动组件4。外壳体组件2的第一端位于压力容器组件1的内部，外壳体组件2的第二端和压力容器组件1第二封头的第一端固定连接，机械密封组3位于外壳体组件2的内部，并和外壳体组件2的旋转轴21固定连接，驱动组件4的钟形罩42和压力容器组件1的第二封头11的第二端连接。

压力容器组件1的主体部分为焊接，如图3所示，其包括第二封头11、筒体12、溢流阀13、压力表14、三通球阀15、二通球阀16、增压水泵17、支撑架19和第一封头110，筒体12、第二封头11和第一封头110均为304不锈钢，三通球阀15的第三端作为压力容器组件1的进水口。第二封头11、筒体12、溢流阀13、压力表14、三通球阀15、二通球阀16和第一封头110构成压力容器，利用压力表14和溢流阀13控制压力容器内部压力，溢流阀13也作为安全装置防止压力容器的压力过大。

在试验中，若压力容器有明显泄漏的话，压力容器内无法保压，则压力表14的示数将会降低；如果压力容器存在微量泄漏，因为泄漏量太少可能压力容器内压力变化较小，导致压力表14的示数不会改变，最终仍需要试验后将外壳体组件2卸下，观察其储水槽是否存在泄漏情况发生，若无泄漏，则表明机械密封的密封性良好；若存在微量泄漏，第二壳体27内部的储水槽可储存泄漏出的微量介质，骨架密封19用来防止泄漏出的微量水侵入外壳体组件2的内部。

筒体12的外表面的底部和支撑架19的第一端固定连接，筒体12的第一端和第二封头11的第一端固定连接，筒体12的第二端和第一封头110的第一端固定连接，溢流阀13的第一端和第一封头110的第二端固定连接，溢流阀110的第二端和三通球阀15的第一端固定连接，三通球阀15的第二端和压力表14固定连接，增压水泵17的两侧分别设有增压水泵出水口18和增压水泵进水口111，增压水泵出水口18通过四分内牙波纹管与三通球阀15第三端连接，增压水泵进水口111通过四分内牙波纹管与水源连接。

外壳体组件2，如图4所示，其包括旋转轴21、第二端盖22、第一壳体23、第一圆锥滚子轴承24、第二圆锥滚子轴承25、骨架油封26、第二壳体27和第一端盖28；圆锥滚子轴承限制了旋转轴21的轴向移动，伺服电机41带动旋转轴21进行旋转，骨架密封26起二次保护作用，防止渗漏的水侵蚀减速器内部，造成轴承等核心零部件的失效。

第二端盖22的第一端和第一壳体23的第一端连接，第一壳体23的第二端和第二壳体27的第一端连接，第二壳体27的第二端和第一端盖28的第一端连接，第一圆锥滚子轴承24、第二圆锥滚子轴承25和骨架油封26分别位于第一壳体23和第二壳体27的内部，第一圆锥滚子轴承24的外圈和第二端盖22的第三端接触，第二圆锥滚子轴承25的外圈和第二壳体27内部的凸肩接触，第一圆锥滚子轴承24和第二圆锥滚子轴承25的内圈分别与旋转轴21的第三端和第四端连接，骨架油封26的外圈和第二壳体27内部的第一端接触，骨架油封26的内圈和旋转轴21的第五端连接，第二壳体27内部的第二端设有凹槽，凹槽作为储水槽，可储存由于机械密封组件3泄漏渗入的微量水，储水槽有两个作用，分别是：一是在实验结束拆开与外壳体组件2连接的减速器，查看储水槽；二是检测与外壳体组件2连接的减速器是否有泄漏。

机械密封组件3，如图4和图5所示，其包括第一销轴31、第一O型密封圈32、密封静环33、密封动环34、第二O型密封圈35、第二销轴36、弹簧座37、紧定螺钉38、卡簧39和弹簧310，密封动环34材料选用浸树脂石墨，密封静环33材料选用碳化硅，弹簧310的数量为八个。

如图6和图7所示，密封静环33第一端沿径向方向上分别设有正方孔331和椭圆孔332，正方孔331位于椭圆孔332的正上方，弹簧310的弹力和外部水压的压力，将密封动环34压紧在密封静环33上，旋转的密封动环34与静止的密封静环33摩擦，摩擦副端面间液膜产生动压效应，将阻止水进入外壳体组件2的内部，密封静环33第二端设有第一销孔。

如图9所示，弹簧座37的第一端沿圆周方向上分别设有弹簧孔371和第二销孔372，密封静环33的外圈凹槽和第一O型密封圈32连接，密封静环33的第一销孔通过第一销轴31和第二壳体27内部的第三端连接，密封静环33的第一端和密封动环34的第一端连接，如图8所示，密封动环34的内圈设有内圈凹槽，密封动环34的内圈凹槽和第二O型密封圈35连接，密封静环33和密封动环34的内圈分别与旋转轴21的第六端和第七端连接，弹簧座37的第二销孔372通过第二销轴36和密封动环34的第二端连接，八个弹簧310分别位于弹簧座37的八个弹簧孔371内，弹簧座37的第二端分别通过紧定螺钉38和卡簧39与旋转轴21的第八端连接，弹簧座37的第二端由卡簧39固定，径向位移由紧定螺钉38固定。

驱动组件4，其包括伺服电机41、钟形罩42和联轴器43，联轴器43位于钟形罩42的内部，伺服电机41的外壳和钟形罩42的第一端固定连接，伺服电机41的输出轴和联轴器43的第一端连接，联轴器43的第二端和旋转轴21的输入端固定连接，钟形罩42的第二端和第一壳体23的第三端固定连接。

沿着旋转轴21的第一端向第二端的方向，第二端盖22、第一圆锥滚子轴承24、第二圆锥滚子轴承25、骨架油封26、密封静环33、密封动环34、弹簧座37和第一端盖28依次分布。

第一O型密封圈32、密封静环33、密封动环34、第二O型密封圈35、弹簧座37和旋转轴21的轴线在同一条直线上。

机械密封组件3中的正方孔331和椭圆孔332构成方形-椭圆形双层复合织构，正方孔331和椭圆孔332的轴线在同一条直线上。

外壳体组件2的旋转轴21的轴线和压力容器组件1的筒体12的轴线在同一条直线上，压力容器组件1的第二封头11的轴线、外壳体组件2和钟形罩42的轴线在同一条直线上，如图10所示，钟形罩42的外表面设有开口槽，便于联轴器43的安装，钟形罩42保证外壳体组件2的旋转轴21与伺服电机41有很好的对中性。

以下结合实施例对本发明一种用于深水减速器的轴端密封结构及密封性能测试装置做进一步描述：

本发明在对主要由密封静环33和密封动环34组成的机械密封组件3进行性能测试时，主要工作流程如下：

首先，通过压力容器组件1的增压水泵17的增压水泵进水口111从水源处吸水后，经四分内牙波纹管，水从压力容器进水口注入到压力容器中，并通过增压水泵17给压力容器进行注水并加压。

接着，在运行前查看压力表14的示数是否有变化，若无变化表明机械密封组件3无明显泄漏，在运行的时候，若压力表14变化就要立刻停止，表明机械密封组件3已经泄漏，由于二通球阀16处于常闭状态，且作为压力容器的出水口，试验完成后打开二通球阀16，释放压力容器的水，同时打开增压水泵17的增压水泵出水口18，释放增压水泵17的压力。

再检查无误后，接着在通过向压力容器注水的过程中，实时监测压力容器一侧的压力表14，当压力容器的压力表14的示数满足试验要求后，关闭压力容器一侧的三通球阀15和增压水泵17，以维持压力容器的内部压力不变。

最后，启动控制伺服电机41的控制箱，伺服电机41带动外壳体组件2的旋转轴21转动，通过调节控制箱来调节伺服电机41的转速，从而可以测试不同转速下机械密封组件3的密封性能。每次试验结束后，待压力容器内的水排空后，将外壳体组件2拆下，观察其第二壳体27内部储水槽处是否存在泄漏现象。

机械密封组件3中的弹簧座37和密封动环34也随旋转轴21一起旋转，密封动环34受到试验中的弹簧310和外部水压向第二施加的作用力，使其压紧在与密封动环34接触的密封静环33上，由于密封静环33上加工的方形-椭圆形双层复合织构，使得机械密封组件3中密封静环33和密封动环34组成的摩擦副端面间的液膜产生动压效应，从而阻止压力容器中的水进入外壳体组件2的内部，密封端面实现了非接触、高稳定和低磨损运行。

通过改变压力容器的内部压力，从而模拟出深水用减速器所承受的不同水深压力，通过记录压力表14中示数的变化，分析出机械密封组件3的密封性能。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于深水减速器的轴端密封性能测试装置，其包括压力容器组件、外壳体组件、机械密封组件和驱动组件，所述外壳体组件的第一端位于所述压力容器组件的内部，所述外壳体组件的第二端和所述压力容器组件第二封头的第一端固定连接，所述机械密封组件位于所述外壳体组件的内部，并和所述外壳体组件的旋转轴固定连接，所述驱动组件的钟形罩和所述压力容器组件第二封头的第二端连接，其特征在于，

所述外壳体组件，其包括旋转轴、第二端盖、第一壳体、第一圆锥滚子轴承、第二圆锥滚子轴承、骨架油封、第二壳体和第一端盖，所述第二端盖的第一端和所述第一壳体的第一端连接，所述第一壳体的第二端和所述第二壳体的第一端连接，所述第二壳体的第二端和所述第一端盖的第一端连接，所述第一圆锥滚子轴承的外圈和所述第二端盖的第三端接触，所述第二圆锥滚子轴承的外圈和所述第二壳体内部的凸肩接触，所述第一圆锥滚子轴承和所述第二圆锥滚子轴承的内圈分别与所述旋转轴的第三端和第四端连接，所述骨架油封的外圈和所述第二壳体内部的第一端接触，所述骨架油封的内圈和所述旋转轴的第五端连接，所述第二壳体内部的第二端设有凹槽；

所述机械密封组件，其包括第一O型密封圈、密封静环、密封动环、第二O型密封圈、弹簧座、紧定螺钉、卡簧和弹簧，所述密封静环第一端沿径向方向上分别设有正方孔和椭圆孔，正方孔和椭圆孔构成方形-椭圆形双层复合织构，所述正方孔和所述椭圆孔的轴线位于同一条直线上，所述正方孔位于所述椭圆孔的正上方，所述弹簧的弹力和外部水压的压力，将所述密封动环压紧在密封静环上，旋转的密封动环与静止的密封静环摩擦，摩擦副端面间液膜产生动压效应，将阻止水进入外壳体组件的内部，所述弹簧座的第一端沿圆周方向上设有弹簧孔，所述密封静环的外圈凹槽和所述第一O型密封圈连接，所述密封静环和所述第二壳体内部的第三端能转动连接，所述密封静环的第一端和所述密封动环的第一端连接，所述密封动环的内圈凹槽和所述第二O型密封圈连接，所述密封静环和所述密封动环的内圈分别与所述旋转轴的第六端和第七端连接，所述弹簧座和所述密封动环的第二端能转动连接，所述弹簧位于所述弹簧座的弹簧孔内。

2.根据权利要求1所述的用于深水减速器的轴端密封性能测试装置，其特征在于，所述弹簧座的第二端分别通过紧定螺钉和卡簧与所述旋转轴的第八端连接。

3.根据权利要求1所述的用于深水减速器的轴端密封性能测试装置，其特征在于，所述密封静环第二端设置有第一销孔，所述弹簧座的第一端沿圆周方向上设置有第二销孔，所述密封静环的第一销孔借助于第一销轴和所述第二壳体内部的第三端连接，所述弹簧座的第二销孔借助于第二销轴和所述密封动环的第二端连接。

4.根据权利要求1所述的用于深水减速器的轴端密封性能测试装置，其特征在于，所述压力容器组件，其包括第二封头、筒体、溢流阀、压力表、三通球阀、二通球阀、增压水泵、支撑架和第一封头；所述筒体外表面的底部和所述支撑架的第一端固定连接，所述筒体的第一端和所述第二封头的第一端固定连接，所述筒体的第二端和所述第一封头的第一端固定连接，所述溢流阀的第一端和所述第一封头的第二端固定连接，所述溢流阀的第二端和所述三通球阀的第一端固定连接，所述三通球阀的第二端和所述压力表固定连接，所述增压水泵的两侧分别设有增压水泵出水口和增压水泵进水口。

5.根据权利要求1所述的用于深水减速器的轴端密封性能测试装置，其特征在于，所述驱动组件，其包括伺服电机、钟形罩和联轴器，所述联轴器位于所述钟形罩的内部，所述伺服电机的外壳和所述钟形罩的第一端固定连接，所述伺服电机的输出轴和所述联轴器的第一端连接，所述联轴器的第二端和所述旋转轴的输入端固定连接，所述钟形罩的第二端和所述第一壳体的第三端固定连接。

6.根据权利要求1所述的用于深水减速器的轴端密封性能测试装置，其特征在于，所述第一圆锥滚子轴承、所述第二圆锥滚子轴承和所述骨架油封分别位于所述第一壳体和所述第二壳体的内部，所述第二端盖、所述第一圆锥滚子轴承、所述第二圆锥滚子轴承、所述骨架油封、所述密封静环、所述密封动环、所述弹簧座和所述第一端盖沿着旋转轴的第一端向第二端的方向依次分布。

7.根据权利要求1或者4所述的用于深水减速器的轴端密封性能测试装置，其特征在于，所述第一O型密封圈、所述密封静环、所述密封动环、所述第二O型密封圈、所述弹簧座和所述旋转轴的轴线位于同一条直线上。

8.根据权利要求1所述的用于深水减速器的轴端密封性能测试装置，其特征在于，所述外壳体组件旋转轴的轴线和所述压力容器组件筒体的轴线位于同一条直线上，所述压力容器组件第二封头的轴线、所述外壳体组件和所述钟形罩的轴线位于同一条直线上，所述钟形罩的外表面设有开口槽。

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