DE2203212A1

DE2203212A1 - Servopumpe mit Eingangsdrosselung

Info

Publication number: DE2203212A1
Application number: DE19722203212
Authority: DE
Inventors: Richard King; Roark John Mahlon
Original assignee: Textron Inc
Current assignee: Textron Inc
Priority date: 1971-06-16
Filing date: 1972-01-24
Publication date: 1972-12-21
Also published as: IT946761B; FR2142330A5; US3772889A

Description

PATENTANWÄLTE

PATENTANWÄLTE LICHT, HANSMANN, HERRMANN 8 MÖNCHEN 2 · THERESIENSTRASSE 33

Dipl.-Ing. MARTIN LICHT Dr. REINHOLD SCHMIDT Dipl.-Wirtsch.-Ing. AXEL HANSMANN Dipl.-Phys. SEBASTIAN HERRMANN

München,den 24t. Januar 1972

Ihr Zeichen

Unser Zeichen

TEXTRON INC₀
PROVIDENCE, RHODE ISLAND IO DORRANCE STREET
V. St. A.

"Servopumpe mit Eingangsdrosselung¹¹

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Patentanwälte Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Axel Hansmann, Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann

8 MÖNCHEN 2, THERESIENSTRASSE 33 · Telefon: 2812 02 · Telegramm-Adresse: Lipatli/München Bayer. Vereinsbank München, Zweigst. Oskar-von-Miller-Ring, Kto.-Nr. 882 495 ■ Postscheck-Konto: München Nr. 1633 97

Oppenauer Büro: PATENTANWALT DR. REINHOLD SCHMIDT

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Systeme zur Durchflußregelung und insbesondere auf eine Servopumpe zur Verstellung einer eine Last in ihrer lage verändernden Vorrichtung durch direkte Steuerung der Pumpe.

In bekannten Systemen mit Servopumpen werden Vorrichtungen mit veränderlicher Verdrängung verwendet. Es handelt sich dabei um Kolbenpumpen mit Taumelscheiben, deren Anstellwinkel veränderlich ist, oder um Schaufelpumpen mit einer verstellbaren Muffe zur Veränderung des durchgepumpten Pltissigkeitsvolumens. In bekannten Systemen werden jeweils mehrere Pumpen dieeer Art benötigt, die einerseits langsam ansprechen, andrerseits aber einen beträchtlichen Leistungsbedarf im Betrieb haben. Die Ansprechgeschwindigkeit einer mit derartigen Pumpen ausgerüsteten Regelanordnung mit veränderlicher Verdrängung ist durch die AnBprechgeschwindigkeit der Pumpen gegeben.

Figur 1 ist eine Bchematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Servopumpe.

Figur 2 ist eine schematische Darstellung einer anderen Ausführung8form eines Systems mit einer erfindungsgemäßen Servopumpe.

Bei der erflndungsgemäfien Servopumpe mit Eingangsdrossβlung handelt es sich im wesentlichen um eine kontinuierlich betriebene Flüssigkeitspumpe mit festem Pumpvolumen,^y deren Einlaßöffnung über ein den Einfluß drosselndes Regelventil an einen FlUsslgkeitsvorratsbehälter angeschlossen ist, wobei zusätzliche Vorrichtungen zur Einstellung des Regelventils und damit zur Steuerung des die Last verstellenden Flüssigkeitsflusses von der Pumpe dienen*

Wie aus Figur 1 ersichtlich, ist Antriebsmotor 11 über Welle 12 an Taumelscheibe 13 angeschlossen, an deren abgeschrägte Fläche 18 die Kolben 14, 15 über Kugelgelenk 16 bzw.

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17 angekoppelt sind. Bei kontinuierlicher Drehung der Taumelscheibe 13 werden die Kolben 14, 15 nin und her bewegt. Nur zwei Kolben 14, 15 sind in Figur 1 dargestellt, doch können prinzipiell mehr Kolben verwendet werden und ihre Anzahl hängt von den aus dem speziellen Anwendungsfall sich für die Pumpe ergebenden Bedingungen ab. An Taumelscheiben angekoppelte Kolbenvorrichtungen sind an sich bekannt und bedürfen in diesem Zusammenhang keiner weiteren Erläuterung.

Kolben 14 geht in dem mit Einlaßöffnung 21 und Auslaß-Öffnung 22 versehenem Zylinder 19 hin und her, während Kolben 15 entsprechende Bewegungen in einem mit Einlaßöffnung 23 und Auslaßöffnung 24 versehenem Zylinder 20 ausführt. Bei Bedarf können die Einlaßöffnungen 21, 23 durch Leitungsabschnitte 25, 26, und die Ausgangsöffnungen 22, 24 durch andere Leitungsabschnitte 27, 28 miteinander verbunden werden. Leitungsabschnitte 25, 26 sind mittels Durchlaßöffnung C mit Raum 29 verbunden. Wie im folgenden noch im einzelnen beschrieben, sind auch Leitungsabschnitte 27, 28 mit Raum 29 verbunden. Die Verbindungen sind entsprechend bei Verwendung einer größeren Zahl von Kolben.

Eine Last 31 ist, wie schematisch durch die gestrichelte Linie 33 angedeutet, an eine Vorrichtung 32 zur Verstellung der Lage der Last angekoppelt. Bei Vorrichtung 32 kann es sich um eine einfache, aus einer Kolbenstange 34 bestehende Betätigungsvorrichtung handeln, die an einem im Zylinder 36 angebrachten Kolben 35 angeschlossen ist, der seinerseits zwei Kammern 37, 38 definiert. Eine Leitung 39 ist einerseits mit Kammer 37 und ferner über Einlaßöffnung B mit Raum 29 verbunden, während in analoger Weise eine Leitung 41 eine Verbindung zwischen Kammer 38 und Raum 29 über Einlaßöffnung A herstellt. Vorratsbehälter 51 umfaßt Flüssigkeitsquelle 52, in der ;*emliii der ijohemotiachen Darstellung durch Kolben 52 und Feder

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54 ein Druck aufrechterhalten wird. Der Vorratsbehälter und die zugeschalteten Abschnitte ergeben ein geschlossenes hydraulisches System einer gewissen Kapazität. Leitung 55 stellt eine Verbindung zwischen Flüssigkeitsquelle 52 und Kammer 56 dar, in der Taumelscheibe 13 angebracht ist. Leitungen 57» 58 stellen zwischen Kammer 56 und Raum 29 eine Verbindung her. Eine zusätzliche Leitung 59 schafft eine Verbindung zwischen Flüssigkeitsquelle 52 und Raum 29«

Als Drosselventile wirkende Kugelventile 61, 62 schließen die Auslaßöffnungen 22, 24 während der Ansaugbewegung der Kolben 14, 15. Ein über Leitung 64 wirksam werdendes Kugelventil 63 wirkt ferner als Überdruckventil und verhindert den Aufbau eines Überdrucks durch die Pumpe an den Ausgangsöffnungen 22, 24.

Ein Steuerventil 70 mit in Abständen angebrachten Kolbenstempeln 71, 72, 73 ist im Raum 29 beweglich angebracht. Die stegartigen Stempel 71, 72, 73 sind so angeordnet, daß sie die öffnungen A bzw. B bzw. C verschließen, wenn Steuerventil 70 sich in der in Figur 1 dargestellten neutralen Stellung befindet.

Eine einen Motor 82 mit konstantem Drehmoment umfassende Regelvorrichtung 81 betätigt über Läufer 83 des Motois 82 den Endabschnitt 84 des Steuerventils 70. Durch über Leitungen 85 an Motor 82 angelegte Steuersignale ergeben sich entsprechende Verstellungen des Läufers 83 und damit des Steuerventils 70 in an sich bekannter Weise, sodaß sich eine detaillierte Beschreibung des Motors 82 und seiner Zubehörteile erübrigt. Ein Rückführungsmechanismus 86 kann an die Vorrichtung 32 zur Verstellung der Last angeschlossen werden. Die Rückkopplung kann beispielsweise über ein Potentiometer erfolgen, dessen Leitungen 87 über nicht dargestellte Summierkreise mit den Leitungen 85 ?um Motor mit konstantem Drehmoment verbunden sind, sodaii

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ein Teil der Eingangssignale zur Steuerung des Motors 82 mit konstantem Drehmoment verwendet wird.

Die stegartigen Kolbenabschnitte 71, 72 des Steuerventils 70 unterteilen den Innenraum 29, sodaß eine Kammer 91 entsteht, in die die verschiedenen Auslaßöffnungen münden. Kolbenstempel 71, 72, 73 und ein Ende des Raums 29 bilden eine Kammer 92, die mit dem Vorratsbehälter durch Kammern 56 und Leitung 55 verbunden ist, wobei gleichzeitig Kolbenstempel und das andere Ende des Raums 29 eine Kammer 93 ergeben, die mit dem Vorratsbehälter über Leitung 59 in Verbindung steht.

Das erfindungsgemäße System wird bei zwei bestimmten Betriebsbedingungen wirksam, nämlich einerseits wenn ein Auslösesignal oder ein Rückführungssignal an Motor 82 angelegt wird, und andrerseits wenn ein Rückkopplungssignal vom Mechanismus 86 erzeugt wird nach entsprechender Verstellung der Betätigungsvorrichtung 32 durch die Last 31. Pur die Zwecke der Beschreibung wird angenommen, daß sich Kolben 35 in beiden Fällen gemäß der in Pigur 1 gewählten Darstellung nach unten bewegt.

Wenn ein Auslösesignal eine Bewegung des Kolbens 35 nach unten ergibt, bewegt sich Steuerventil 70 entsprechend dem angelegten Auslösesignal nach rechts und stellt eine Verbindung zwischen Kammer 91 und Ausflußöffnung B her, sodaß die Pumpe Flüssigkeit abgibt, während gleichzeitig Öffnungen A und C mit dem Vorratsbehälter in Verbindung gelangen. Die Einlaßöffnung der Pumpe steht dann über Kammer 56 und Leitung 55 mit dem Vorratsbehälter in Verbindung und es wird ihr damit bei der Ansaugbewegung der\.Kolben Flüssigkeit zugeführt, die.über üurchflußöffnung B an Kammer 37 der Betätigungsvorrichtung weitergeleitet wird. Bei der Abwärtsbewegung des Kolbens bewegt sich die in Kammer 38 enthaltene Flüssigkeit durch Leitung 41 und durch öffnung A in den Vorratsbehälter, wobei

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der Durchflußweg durch Kammer 92, Leitung 26, Kammer 56 und Leitung 55 verläuft. Wenn Kolben 35 die durch den Rückkopplung smechanismus 86 bestimmte Steuerstellung erreicht, kehrt Steuerventil 70 in die in Figur 1 dargestellte Stellung zurück und blockiert dabei Ausflußöffnungen A, B und C. Die Bewegungsgeschwindigkeit der Vorrichtung 32 zur Einstellung der Last hängt vom Grad der Verstellung des Steuerventils 70 ab. 'Wenn die Last Kolben 35. nach unten zu bewegen bestrebt ist, wird ein Rückkopplungssignal 86 erzeugt und dadurch Steuerventil 70 in der in Figur 1 gewählten Darstellung nach links bewegt. Durchflußöffnung A wird dabei mit Kammer 91 und infolgedessen mit der Ausflußöffnung der Pumpe in Verbindung gebracht, während DurchfLußöffnungen B und C an den Vorratsbehälter angeschlossen werden. Beim Ansaughub erhält die Pumpe Flüssigkeit aus dem Vorratsbehälter zugeführt und befördert dieselbe durch ihre Auslaßöffnung in Kammer 38 der Betätigungsvorrichtung 32, wodurch Kolben 35 in die richtige Stellung übergeführt wird und auf weitere Verstellbewegungen des Kolbens durch die von Last 31 ausgeübten Kräfte nicht mehr anspricht. Während dieses Vorgangs wird zusätzliche Flüssigkeit in einen Raum mit festem Volumen gepumpt, sodaß sich der Druck erhöht. Sobald weitere Verstellungen durch Herstellung eines erhöhten Differentialdrucks an Kolben 35 der Betätigungsvorrichtung 32 unmöglich gemacht worden sind, kehrt Steuerventil 70 in die in Figur 1 dargestellte Stellung zurück, wobei die Durchflußöffnungen A, B, G wieder geschlossen werden.

Die Abgabe von Flüssigkeit mittels der Pumpe wird also durch Drosselung der Flüssigkeitszufuhr eingeregelt. Die Einlaßöffnung der Pumpe ist nur offen, wenn die Vorrichtung zur Verstellung der Last (Betätigungsvorrichtung 32) Flüssigkeitsfluß bedingt.

In der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform eines

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drosselbaren Pumpensystems werden im wesentlichen die unter Bezugnahme auf Figur 1 beschriebenen Erfindungsprinzipien verwendet, die deswegen nicht in allen Einzelheiten wiederholt werden müssen. Für gleichartige Teile werden gleiche Bezugssymbole verwendet. Nur die abgeänderten Systemkomponenten und ihre Wirkungsweise werden im folgenden näher erläutert.

Das in Figur 2 dargestellte System ist zum Betrieb als redundantes Regelsystem ausgebildet, in dem mehrere Regelkanäle vorgesehen sind, von denen mindestens einer eine Last in ihrer Lage verstellen kann. Derartige redundante Regelsysteme mit Abschaltventilen, auf bestimmte Größen ansprechende Zuschaltventile und hydraulische Logikvorrichtungen zur Feststellung des Ausfalls eines bestimmten Kanals sind an sich bekannt und bedürfen deshalb keiner ins einzelne gehenden Beschreibung. Insbesondere wird in diesem Zusammenhang auf US-Patente 3,391,611, 3,338,138, und 3,385,171 über redundante Regelsysteme verwiesen. Im vorliegenden Fall werden das Abschaltventil, der Rückstellkolben, das Auslösesolenoid und andere Steuerkanäle nur im Rahmen der Beschreibung der allgemeinen Betriebsweise des in Figur 2 dargestellten Systems erwähnt.

Das unter Bezugnahme auf Figur 2 beschriebene System unterscheidet sich von dem der Figur 1 durch ein Ausgleichsventil 101, das einen Steuerkörper 102 mit Abschnitten 103, 104 in getrennten Kammern des Innenraums umfaßt, in dem sich Steuerkörper 102 bewegen kann. Abschnitt 103 ist mit Zylinderkammer 37 der Betätigungsvorrichtung über eine Leitung 106 verbunden, während Abschnitt 104 über Leitung 107 an Zylinderkammer 38 angeschlossen ist. In Raum 105 befindet sich ferner Feder 108, die ständig eine Kraft auf Steuerkörper 102 ausübt und denselben in der in Figur 2 gewählten Darstellung nach oben zu drücken sucht. Während die in Kammern 37» 38 herrschenden, auf Abschnitte 103, 104 ausgeübten Drucke gleich-der

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durch Feder 108 bestimmten, vorgegebenen Kraft sind, bleibt das Ausgleichsventil in der dargestellten Stellung, in der es Ausflußöffnung 109 geschlossen hält. Ausflußöffnung 109 steht über Leitung 111 mit Kammer 56 in Verbindung, die ihrerseits mit Vorratsbehälter 51 in Verbindung steht. Wenn die von Feder 108 erzeugte Kraft größer ist als die von den in Kammern 37, 38-herrschenden Drucken erzeugten Kräfte, gibt Ausgleichsventil 101 Ausflußöffnung 109 frei und eine Verbindung zum Vorratsbehälter 51 wird über die zur Einlaßöffnung der Pumpe gehende Leitung 112 hergestellt.

Ein weiteres kennzeichnendes Merkmal der unter Bezugnahme auf Figur 2 beschriebenen Ausführungsform ist die Verbindung der Zylinderkammerη 37, 38 der Betätigungsvorrichtung mit Kammern 115, 116 des Raums 117, in dem sich Sperrstempel hin und her bewegen kann. Die Durchflußöffnungen D und E werden normalerweise durch die stegartigen Ansätze 121 bzw. 122 am Sperrstempel 118 blockiert. Wie aus der Figur ersichtlich, sind Durchflußöffnungen D und E direkt mit den Auslaß- bzw. Einlaßöffnungen der Pumpe verbunden.

Wenn deshalb Sperrstempel 118 in der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform nach links verschoben wird, wird der Pumpenausgang mit Durchflußöffnung D verbunden und Flüssigkeit fließt unter Druck in Kammer 37 der Betätigungsvorrichtung. Gleichzeitig wird hierbei üurchflußöffnung E mit der Einlaßöffnung der Pumpe und der Kammer 38 der Betätigungsvorrichtung verbunden. Die an Kammer 37 der Betätigungsvorrichtung gelieferte Flüssigkeit stammt deshalb aus der in Kammer 38 vorhandenen Flüssigkeitsmenge. Dabei ist angenommen, daß das Ausgleichsventil in der in Figur 2 gezeigten Stellung bleibt. Falls Flüssigkeit fehlt, sinkt der in Kammer 38 herrechende Druck unter den gegebenen Minimalwert, worauf sich das Ausgleicluventil öffnet und zusätzliche C¹Im^n.:keit vom

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behälter an die Einlaßöffnung der Pumpe geliefert wird.

Wenn andrerseits Sperrstempel 118 in der in Figur 2 gewählten Darstellung sich nach rechts bewegt, wird Durchflußöffnung ü mit Kammer 38 der Betätigungsvorrichtung und mit dem Pumpenausgang verbunden, während Durchflußöffnung E mit Kammer 37 verbunden ist. 3s ergeben sich dann analoge Betriebsverhältnisse wie oben beschrieben.

Ein weiteres kennzeichnendes Merkmal der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform ist eine Vorrichtung zur Peststellung eines Fehlers des Regelsignals, sodaß tatsächlich ein Versagen des Regelkanals nachgewiesen wird. Dazu wird ein Motor 12C mit konstantem Drehmoment verwendet, an dem zu Überwachungszwecken das gleiche Signal wie an Motor 82 zu Steuerzwecken angelegt wird. Der Läufer des Motors 120 mit konstantem Drehmoment ist mit einem Ankerteil verbunden, das in dem vom Sperrstempel 118 definierten Innenraum 129 beweglich angeordnet ist. Vorratsbehälter 51 steht über Leitung 123 in der dargestellten Weise mit einer Öffnung 124 im Sperrstempel 118 in Verbindung, die normalerweise durch den stegartigen Stempel 125 des Ankerteils gesperrt ist. Der im System herrschende Druck wird über Leitung 126, die Auslaßöffnung der Pumpe und eine Begrenzungsöffnung 127 an Kammer 128 angelegt. Palis ein Fehlersignal auftritt, bewegen sich der Sperrstempel und das Ankerteil in verschiedener Weise, sodaß der Vorratsbehälter an Leitung 126 angeschlossen ist und das Abschaltventil betätigt. Die Folge ist, daß die Pumpe nicht mehr die Betätigungsvorrichtung steuert. In diesem Fall wird die Steuerung der Betätigungsvorrichtung und damit die Stellung der zugeschalteten Last an andere Kegelkanäle übertragen v.i-3 in den oben erwähnten US-Patenten beschrieben.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

( 1.)Servopumpe mit liingangsdrosselung, gekennzeichnet durch eine kontinuierlich arbeitende Flüssigkeitspumpe mit festem Fördervolumen und Einlaß- und Auslaßöffnungen, einen Vorratsbehälter (51) für die Flüssigkeit, ein Durchfluß-Eegelventil (70) zur Steuerung des Flusses vom Vorratsbehälter zur Einlaßöffnung, und Vorrichtungen zur Verstellung des Durchfluß-Regelventils.
2. Servopumpe mit Eingangsdrosselung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zusätzliche an die Auslaßöffnung angeschlossene Vorrichtungen (32) zur Verstellung einer Last (31) und durch einen zwischen die Last und die Betätigungsvorrichtung (81, 83) des Ventils (70) eingesetzten Rückkopplungsmechanis-« mus (86), der auf die Vorrichtungen zur Verstellung der Last anspricht.
3. Servopumpe mit Eingangsdrosselung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Motor (82) mit konstantem Drehmoment zur Betätigung des Steuerventils (70) verwendet wird.
4. Servopumpe mit Eingangsdrosselung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuerventil (70) mit mehreren stegartigen Kolbenstempeln (71, 72, 73) als Ventil zum Absperren der DurchfLußöffnungen (A, B, C) der Pumpe von der eine Last (31) verstellenden Vorrichtung (32) verwendet w^ird.
5. Servopumpe mit Eingangsdrosselung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine direkt an das Steuerventil (70) angeschlossene Verschlußvorrichtung (Kugelventil 62).
6. Servopumpe mit Eingangsdrosselung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine mit der Servopumpe ein geschlossenes Flüssigkeitssystem bildende Vorrichtung (32) zur Verstellung einer Last.
7. Servopumpe mit Eingangsdrosselung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch zusätzliche Vorrichtungen (53, 54), die die

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im Vorratsbehälter (51) enthaltene Flüssigkeit ständig unter Druck im geschlossenen System halten.
8. Servopumpe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mehrere in entsprechenden Zylindern (19, 20) bewegliche Kolben (14, 15), die jeweils eine erste Durchflußöffnung (C) nur während eines bestimmten Abschnitts der Kolbenbewegung freigeben, wobei die ersten Durchflußöffnungen miteinander in Verbindung gelangen.
9. Servopumpe mit Eingangsdrosselung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Betätigungsvorrichtung für das Ventil; das Steuerventil verstellende Vorrichtungen, sodaß die Einlaßöffnung und Auslaßöffnung der Pumpe mit der Betätigungsvorrichtung verbunden werden und die Pumpe Flüssigkeit zur Einstellung der Betätigungsvorrichtung in derselben bewegt; eine Verbindungsleitung vom Vorratsbehälter (51) zur Pumpe; ein die Verbindungsleitung normalerweise geschlossen haltendes Ausgleichsventil (101); und druckempfindliche, an die Betätigungsvorrichtung und das Ausgleichsventil angeschlossene Vorrichtungen zur Betätigung desselben und zur Verbindung des Vorratsbehälters mit der Einlaßöffnung der Pumpe, sobald der Druck an der Betätigungsvorrichtung einen bestimmten Wert erreicht hat.
10. Servopumpe mit Eingangsdrosselung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (32) zur Verstellung einer Last und die folgenden Merkmale:, mehrere Regelkanäle, von denen mindestens einer zur Einstellung der Last dient; eine in jedem Hegelkanal angebrachte, ständig arbeitende Pumpe mit festem Fördervolumen und Einlaß- und Auslaßöffnungen; einen Flüssigkeitsvorratsbehälter; ein den Flüssigkeitsfluß vom Vorratsbehälter zur Einlaßöffnung regelndes Steuerventil; und Vorrich- \ungen zur Betätigung des Steuerventils.

■11. Servopumpe mit Eingangsdrosselung nach Anspruch 10, /^kennzeichnet durch Vorrichtungen zur Feststellung des Versa- ynnn ei neu Kpi'elkanals und folgende Übertragung der Steuerung j'.t* La;, t.oin;.^J ellung an einen anderen Kanal.

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