JP2015025393A - Exhaust pipe structure of construction machine - Google Patents

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道宏 川下
Michihiro Kawashita
道宏 川下
龍広 村上
Tatsuhiro Murakami
龍広 村上
孝之 大野
Takayuki Ono
孝之 大野
星 暁生
Akio Hoshi
暁生 星
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日立建機株式会社
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an exhaust pipe structure of a construction machine capable of sufficiently absorbing position displacement between an engine and an exhaust cleaning device, and capable of preventing fatigue breakdown resulting from reduction of a natural frequency.SOLUTION: An exhaust pipe structure of a construction machine is provided with an upstream bellows 31, a central bellows 32 and a downstream bellows 33 having flexibility in a flexural direction, on a second pipe 30 connecting an engine 21 and an exhaust cleaning device 22. By forming, for example, the number of crests of the central bellows 32 of 10, the number of crests of the upstream bellows 31 of 20 and the number of crests of the downstream bellows 33 of 15, the rigidity of the central bellows 32 is set to become relatively high, and the rigidities of the upstream bellows 31 and downstream bellows 33 are set to become relative low.

Description

本発明は、動力源としてエンジンを搭載した建設機械に係り、詳しくはエンジンと排気浄化装置とを接続する排気管の構造に関する。   The present invention relates to a construction machine equipped with an engine as a power source, and more particularly to a structure of an exhaust pipe connecting an engine and an exhaust purification device.

例えば油圧ショベル、ホイールローダ、クローラキャリアなどの建設機械は、動力源として搭載されたエンジンにより油圧ポンプを駆動し、油圧ポンプから吐出された作動油を油圧モータや油圧シリンダなどに供給することにより、車両の走行や作業機の作動を行うように構成されている。エンジンから排出される排ガスには有害成分が含まれるため、エンジンの排気系には有害成分を浄化するための種々の排気浄化装置が配設されている。
例えば、この種の建設機械において動力源として多用されるディーゼルエンジンの排ガスには、粒子状物質(PM:Particulate Matter)や窒素酸化物(NOx)などが含まれている。このため、PMを捕集するためのフィルタ(DPF:Diesel particulate filter)やNOxを浄化するためのNOx触媒などが排気浄化装置としてディーゼルエンジンの排気系に配設されている。
For example, a construction machine such as a hydraulic excavator, a wheel loader, or a crawler carrier drives a hydraulic pump by an engine mounted as a power source, and supplies hydraulic oil discharged from the hydraulic pump to a hydraulic motor or a hydraulic cylinder. It is comprised so that driving | running | working of a vehicle and the action | operation of a working machine may be performed. Since exhaust gas discharged from the engine contains harmful components, various exhaust gas purification devices for purifying the harmful components are disposed in the exhaust system of the engine.
For example, exhaust gas from a diesel engine that is frequently used as a power source in this type of construction machine contains particulate matter (PM), nitrogen oxide (NOx), and the like. For this reason, a filter (DPF: Diesel particulate filter) for collecting PM, a NOx catalyst for purifying NOx, and the like are disposed in the exhaust system of the diesel engine as an exhaust purification device.

排気浄化装置の設置手法は大きく2種に分類される。一方は、例えば特許文献1に記載されているように、エンジン上にブラケットを介して排気浄化装置を搭載する手法である。この場合にはエンジンと排気浄化装置とが同一振動系になるため、エンジンが振動してもエンジンと排気浄化装置との間に位置変位はほとんど発生しない。よって、エンジンと排気浄化装置とを接続する排気管に位置変位の吸収用のベローズなどを設ける必要がなく、また仮にベローズなどを設けたとしても、位置変位が小さいためベローズの破損などのトラブルが生じる恐れはない。
ところが、近年の排ガス規制の強化に伴って排気浄化装置は次第に大型化しており、その重量も増加している。このため、上記したエンジン上に排気浄化装置を搭載する手法を実施できなくなり、その代替として、近年ではエンジンと排気浄化装置とを建設機械のフレーム上に互いに独立して搭載する他方の手法が採られている。
There are two main types of exhaust purification device installation methods. On the other hand, as described in Patent Document 1, for example, an exhaust purification device is mounted on an engine via a bracket. In this case, since the engine and the exhaust purification device are in the same vibration system, even if the engine vibrates, there is almost no positional displacement between the engine and the exhaust purification device. Therefore, it is not necessary to provide a bellows for absorbing position displacement in the exhaust pipe connecting the engine and the exhaust emission control device. Even if a bellows is provided, troubles such as damage to the bellows are caused by the small position displacement. There is no fear.
However, exhaust gas purification devices have been gradually increased in size and weight with the recent tightening of exhaust gas regulations. This makes it impossible to implement the above-described method for mounting the exhaust purification device on the engine. As an alternative, in recent years, the other method has been adopted in which the engine and the exhaust purification device are mounted independently on the frame of the construction machine. It has been.

国際公開第2010/004790号International Publication No. 2010/004790

上記した他方の手法では、エンジンと排気浄化装置とが別振動系になるため、エンジンの振動によりエンジンと排気浄化装置との間に位置変位が発生する。特に通常の車両に比較して作業機ではエンジンの振動が増加傾向にある上に、油圧ショベルに用いられるクローラなどはタイヤに比較してエンジンの振動を吸収し難いため、振動に起因して発生する位置変位も大きくなる。そこで、エンジンと排気浄化装置とを接続する排気管にベローズなどを設ける対策が必須になる。ベローズの撓みにより排気管は所謂フレキシブルチューブとして機能するが、大きな位置変位を吸収するにはベローズの剛性を極力低く設定して、ベローズが容易に撓むようにする必要がある。   In the other method described above, since the engine and the exhaust purification device are in a separate vibration system, positional displacement occurs between the engine and the exhaust purification device due to the vibration of the engine. In particular, engine vibrations tend to increase on working machines compared to ordinary vehicles, and crawlers used in hydraulic excavators are less likely to absorb engine vibrations compared to tires. The displacement of the position is also increased. Therefore, it is essential to provide a bellows or the like in the exhaust pipe connecting the engine and the exhaust emission control device. Although the exhaust pipe functions as a so-called flexible tube due to the bending of the bellows, in order to absorb a large positional displacement, it is necessary to set the rigidity of the bellows as low as possible so that the bellows can be bent easily.

しかしながら、ベローズの剛性の低下は固有振動数の低下を引き起こし、エンジンの振動によりベローズの中央を腹とする振動モードが励起されるため排気管全体が大きく振れ回って疲労破壊に至る恐れが生じる。また、ベローズの固有振動数が低下するとエンジンの爆発振動の周波数域に入ってしまうため、ベローズが共振して短時間で疲労破壊してしまうこともある。このように単にベローズの剛性を加減するだけの従来の手法では、位置変位の吸収と疲労破壊の防止とを両立することが困難であり、従来からより効果的な対策が望まれていた。   However, the decrease in the rigidity of the bellows causes a decrease in the natural frequency, and the vibration mode having the bellows at the center is excited by the vibration of the engine, so that the entire exhaust pipe may be greatly swung to cause fatigue failure. In addition, when the natural frequency of the bellows decreases, the bellows enters the frequency range of the explosion vibration of the engine. As described above, it is difficult to achieve both the absorption of the displacement and the prevention of fatigue failure by the conventional method of simply adjusting the rigidity of the bellows, and more effective countermeasures have been desired.

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、エンジンと排気浄化装置との位置変位を十分に吸収できると共に、固有振動数の低下に起因する疲労破壊を未然に防止することができる建設機械の排気管構造を提供することにある。   The present invention has been made in order to solve such problems. The object of the present invention is to sufficiently absorb the positional displacement between the engine and the exhaust emission control device and to reduce fatigue caused by a decrease in the natural frequency. An object of the present invention is to provide an exhaust pipe structure for a construction machine that can prevent destruction.

上記目的を達成するため、請求項1の発明は、動力源として搭載したエンジンと排気浄化装置とを排気管により接続し、排気管を経てエンジンから排出される排ガスを排気浄化装置に案内して浄化するようにした建設機械において、排気管上に高い剛性を有する高剛性領域を設けると共に、排気管上の長手方向における高剛性領域の両側に相対的に剛性が低く且つ可撓性を有する低剛性領域をそれぞれ設けたものである。
請求項2の発明は、少なくとも両側の低剛性領域がベローズとして構成されたものである。
請求項3の発明は、高剛性領域が可撓性を有さないパイプ部材として構成されたものである。
請求項4の発明は、パイプ部材が排気管に比して軽量化されているものである。
In order to achieve the above object, the invention of claim 1 connects an engine mounted as a power source and an exhaust purification device by an exhaust pipe, and guides exhaust gas discharged from the engine through the exhaust pipe to the exhaust purification device. In a construction machine to be cleaned, a high rigidity region having high rigidity is provided on the exhaust pipe, and the rigidity is relatively low and flexible on both sides of the high rigidity area in the longitudinal direction on the exhaust pipe. Each is provided with a rigid region.
The invention of claim 2 is such that at least the low-rigidity regions on both sides are configured as bellows.
In the invention of claim 3, the high-rigidity region is configured as a pipe member having no flexibility.
In the invention of claim 4, the pipe member is lighter than the exhaust pipe.

以上説明したように請求項1の発明の建設機械の排気管構造によれば、排気管上に高剛性領域を設けると共に、その両側に相対的に剛性が低く且つ可撓性を有する低剛性領域をそれぞれ設けた。
このため、運転中のエンジンの振動によりエンジンと排気浄化装置との間に位置変位が生じると、剛性が低く可撓性を有する両側の低剛性領域が容易に撓むため位置変位を吸収できる。また、エンジンの振動により排気管全体が振れ回った場合には、高剛性領域により両側の低剛性領域の撓みが制限されるため、振れ回りによる腹の振幅を抑制できる。よって、固有振動数の低下に起因する排気管の疲労破壊を未然に防止することができる。
As described above, according to the exhaust pipe structure for a construction machine according to the first aspect of the present invention, a high rigidity region is provided on the exhaust pipe, and a low rigidity region having relatively low rigidity and flexibility on both sides thereof. Were provided.
For this reason, when a position displacement occurs between the engine and the exhaust emission control device due to the vibration of the engine during operation, the low-rigidity regions on both sides having low rigidity and flexibility are easily bent, so that the position displacement can be absorbed. Further, when the entire exhaust pipe is swung around due to the vibration of the engine, the deflection of the low-rigidity regions on both sides is limited by the high-rigidity region, so that the belly amplitude due to the swirling can be suppressed. Therefore, fatigue failure of the exhaust pipe due to a decrease in the natural frequency can be prevented in advance.

請求項2の発明の建設機械の排気管構造によれば、少なくとも両側の低剛性領域をベローズとして構成した。よって、エンジンと排気浄化装置との間の位置変位を両側のベローズの撓みにより吸収できると共に、排気管の振れ回り時には、中央の高剛性領域により両側のベローズの撓みを制限できる。
請求項3の発明の建設機械の排気管構造によれば、高剛性領域を可撓性を有さないパイプ部材として構成した。よって、排気管の振れ回り時に、中央のパイプ部材により両側のベローズの撓みを制限できる。
請求項4の発明の建設機械の排気管構造によれば、パイプ部材を排気管に比して軽量化した。よって、排気管の振れ回りは中央のパイプ部材を腹として発生するが、パイプ部材が軽量化されていることにより振れ回りを抑制し易くなり、もって排気管の疲労破壊をより確実に防止できる。
According to the exhaust pipe structure of the construction machine of the invention of claim 2, at least the low-rigidity regions on both sides are configured as bellows. Therefore, the positional displacement between the engine and the exhaust purification device can be absorbed by the deflection of the bellows on both sides, and the deflection of the bellows on both sides can be limited by the central high rigidity region when the exhaust pipe swings.
According to the exhaust pipe structure of the construction machine of the invention of claim 3, the high rigidity region is configured as a pipe member having no flexibility. Therefore, the deflection of the bellows on both sides can be limited by the central pipe member when the exhaust pipe swings.
According to the exhaust pipe structure of the construction machine of the invention of claim 4, the pipe member is lighter than the exhaust pipe. Therefore, whirling of the exhaust pipe occurs with the central pipe member as an antinode, but the pipe member is reduced in weight so that the whirling can be easily suppressed, and fatigue damage of the exhaust pipe can be more reliably prevented.

本発明の排気管構造が適用された油圧ショベルを示す側面図である。1 is a side view showing a hydraulic excavator to which an exhaust pipe structure of the present invention is applied. 機械室内のエンジン及び排気浄化装置の収容状態を示す油圧ショベルの後部の平面断面図である。It is a plane sectional view of the rear part of a hydraulic excavator which shows the accommodation state of the engine and exhaust emission control device in a machine room. フレーム上のエンジン及び排気浄化装置の搭載状態を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the mounting state of the engine and exhaust emission control apparatus on a flame | frame. 第1実施形態の第2排気管を示す拡大図である。It is an enlarged view which shows the 2nd exhaust pipe of 1st Embodiment. 位置変位を吸収しているときの第2排気管を示す図である。It is a figure which shows the 2nd exhaust pipe when absorbing position displacement. 振れ回りを発生しているときの第2排気管を示す図である。It is a figure which shows the 2nd exhaust pipe when generating the whirling. 第1実施形態の別例を示す拡大図である。It is an enlarged view which shows another example of 1st Embodiment. 第2実施形態の第2排気管を示す拡大図である。It is an enlarged view which shows the 2nd exhaust pipe of 2nd Embodiment. 第2実施形態の別例を示す拡大図である。It is an enlarged view which shows another example of 2nd Embodiment. 第3実施形態の第2排気管を示す拡大図である。It is an enlarged view which shows the 2nd exhaust pipe of 3rd Embodiment. 振れ回りを発生しているときの第2排気管を示す図である。It is a figure which shows the 2nd exhaust pipe when generating the whirling.

[第1実施形態]
以下、本発明を油圧ショベルの排気管構造に具体化した第1実施形態を説明する。
図1は本発明の排気管構造が適用された油圧ショベルを示す側面図である。
油圧ショベル(以下、単に油圧ショベルという)の下部走行体1にはクローラ2が備えられ、クローラ2は図示しない走行用油圧モータにより駆動されて油圧ショベルを走行させる。下部走行体1上には上部旋回体3が設けられ、上部旋回体3は図示しない旋回用油圧モータにより駆動されて旋回する。上部旋回体3の前部には作業機4が設けられ、作業機4はブーム5、アーム6、及びバケット7から構成されている。ブーム5はブームシリンダ5aにより角度変更され、アーム6はアームシリンダ6aにより角度変更され、バケット7はバケットシリンダ7aにより角度変更される。
[First Embodiment]
Hereinafter, a first embodiment in which the present invention is embodied in an exhaust pipe structure of a hydraulic excavator will be described.
FIG. 1 is a side view showing a hydraulic excavator to which an exhaust pipe structure of the present invention is applied.
A lower traveling body 1 of a hydraulic excavator (hereinafter simply referred to as a hydraulic excavator) is provided with a crawler 2, and the crawler 2 is driven by a traveling hydraulic motor (not shown) to cause the hydraulic excavator to travel. An upper swing body 3 is provided on the lower traveling body 1, and the upper swing body 3 is driven to swing by a swing hydraulic motor (not shown). A work machine 4 is provided at the front portion of the upper swing body 3, and the work machine 4 includes a boom 5, an arm 6, and a bucket 7. The angle of the boom 5 is changed by the boom cylinder 5a, the angle of the arm 6 is changed by the arm cylinder 6a, and the angle of the bucket 7 is changed by the bucket cylinder 7a.

上部旋回体3のフレーム8上の前部にはオペレータが搭乗する運転室9が設けられ、フレーム8上の運転室9の後側には燃料タンク10、機械室11及びカウンタウエイト12などが設けられている。機械室11内にはディーゼルエンジン(以下、単にエンジンという)21、エンジン21から排出される排ガスを浄化するための排気浄化装置22、上記した油圧モータや油圧シリンダ5a,6a,7aを作動させるための油圧供給源である図示しない油圧ポンプなど、油圧ショベルを作動させるための装置類が収容されている。
詳細は説明しないが、油圧ショベルの稼働中にはエンジン21が運転されて油圧ポンプを駆動する。油圧ポンプから吐出された作動油はコントロールバルブに供給され、運転者の操作に応じたコントローラバルブの切換により作動油が上記用油圧モータや油圧シリンダ5a,6a,7aに適宜供給されて作動するようになっている。
A driver's cab 9 in which an operator is boarded is provided at the front of the upper swing body 3 on the frame 8, and a fuel tank 10, a machine room 11, a counterweight 12, and the like are provided at the rear of the driver's cab 9 on the frame 8. It has been. In the machine room 11, a diesel engine (hereinafter simply referred to as an engine) 21, an exhaust purification device 22 for purifying exhaust gas discharged from the engine 21, and the hydraulic motors and hydraulic cylinders 5 a, 6 a, and 7 a described above are operated. A device for operating a hydraulic excavator, such as a hydraulic pump (not shown), which is a hydraulic pressure supply source, is accommodated.
Although not described in detail, the engine 21 is operated to drive the hydraulic pump during operation of the hydraulic excavator. The hydraulic oil discharged from the hydraulic pump is supplied to the control valve, and the hydraulic oil is appropriately supplied to the hydraulic motor and hydraulic cylinders 5a, 6a, and 7a by switching the controller valve according to the operation of the driver. It has become.

図2は機械室9内のエンジン21及び排気浄化装置22の収容状態を示す油圧ショベルの後部の平面断面図、図3はフレーム8上のエンジン21及び排気浄化装置22の搭載状態を模式的に示す図である。
油圧ショベルのフレーム8上には、エンジン21と排気浄化装置22とが互いに独立して搭載されている。即ち、エンジン21がエンジンマウント23を介してフレーム8上に固定され、これとは別個に排気浄化装置22がフレーム8上に固定されている。エンジン21の排気マニホールド24にはターボチャージャー25が装着され、ターボチャージャー25のコンプレッサ25aは吸気管26及びインタークーラ27を介してエンジン21の吸気マニホールド28に接続されている。ターボチャージャー25のタービン25bはコンプレッサ25aに対し同軸上に連結され、タービン25bは第1排気管29及び第2排気管30を介して排気浄化装置22に接続されている。
FIG. 2 is a plan sectional view of the rear portion of the hydraulic excavator showing the housing state of the engine 21 and the exhaust purification device 22 in the machine room 9, and FIG. 3 is a schematic view of the mounting state of the engine 21 and the exhaust purification device 22 on the frame 8. FIG.
On the frame 8 of the excavator, an engine 21 and an exhaust purification device 22 are mounted independently of each other. That is, the engine 21 is fixed on the frame 8 via the engine mount 23, and the exhaust purification device 22 is fixed on the frame 8 separately. A turbocharger 25 is attached to the exhaust manifold 24 of the engine 21, and a compressor 25 a of the turbocharger 25 is connected to an intake manifold 28 of the engine 21 via an intake pipe 26 and an intercooler 27. The turbine 25 b of the turbocharger 25 is coaxially connected to the compressor 25 a, and the turbine 25 b is connected to the exhaust purification device 22 via the first exhaust pipe 29 and the second exhaust pipe 30.

エンジン21の運転中において、図示しないエアクリーナから導入された吸入空気はコンプレッサ25aで加圧された後に、吸気管26及びインタークーラ27を経て吸気マニホールド28からエンジン21の筒内に流入する。筒内への燃料噴射により燃焼後の排ガスは排気マニホールド24からタービン25bに排出され、タービン25bを回転駆動した後に第1排気管29及び第2排気管30を経て案内されて排気浄化装置22に流入する。本実施形態では、ディーゼルエンジン21の排ガス中に含まれるPMやNOxなどの浄化を目的として、排気浄化装置22内に消音器と共にDPFやNOx触媒などが収容されている。排気浄化装置22を流通する過程で排ガス中のPMやNOxが浄化され、その後に排ガスは大気中に排出される。   During operation of the engine 21, intake air introduced from an air cleaner (not shown) is pressurized by the compressor 25 a and then flows into the cylinder of the engine 21 from the intake manifold 28 through the intake pipe 26 and the intercooler 27. The exhaust gas after combustion is discharged from the exhaust manifold 24 to the turbine 25b by the fuel injection into the cylinder, and after being driven to rotate, is guided through the first exhaust pipe 29 and the second exhaust pipe 30 to the exhaust purification device 22. Inflow. In the present embodiment, for the purpose of purifying PM and NOx contained in the exhaust gas of the diesel engine 21, a DPF, a NOx catalyst, and the like are accommodated in the exhaust purification device 22 together with a silencer. PM and NOx in the exhaust gas are purified in the process of flowing through the exhaust purification device 22, and then the exhaust gas is discharged into the atmosphere.

エンジン21と排気浄化装置22とは、互いに独立して搭載されることにより別振動系となっている。このため運転中のエンジン21の振動でエンジンマウント23が弾性変形することにより、エンジン21と排気浄化装置22との間に大きな位置変位が発生する。このような位置変位を吸収するために、本実施形態では上記第2排気管30にベローズを設けてフレキシブルチューブとして機能させているが、[発明が解決しようとする課題]で述べたように、位置変位を吸収するために単にベローズの剛性を低下させると、第2排気管30の固有振動数が低下して振れ回りによりベローズが疲労破壊してしまう。   The engine 21 and the exhaust emission control device 22 are mounted independently of each other to form a separate vibration system. For this reason, when the engine mount 23 is elastically deformed by the vibration of the engine 21 during operation, a large positional displacement occurs between the engine 21 and the exhaust purification device 22. In order to absorb such positional displacement, in the present embodiment, the second exhaust pipe 30 is provided with a bellows to function as a flexible tube, but as described in [Problems to be solved by the invention] If the rigidity of the bellows is simply lowered in order to absorb the position displacement, the natural frequency of the second exhaust pipe 30 is lowered and the bellows is fatigued due to the swing.

そこで、本実施形態では、第2排気管30の長手方向においてベローズを3つの領域に区分して互いに剛性を相違させることにより、位置変位の吸収と疲労破壊の防止とを両立させており、その詳細を以下に説明する。
図4は第2排気管30を示す拡大図である。図中の左方がエンジン21側であり、右方が排気浄化装置22側であり、エンジン21から排出された排ガスは第2排気管30内を左方から右方に流通する。第2排気管30の排気流れの上流端のフランジ30aは、第1排気管29の下流端のフランジ29aに対して図示しないボルトにより連結されている。第2排気管30の下流端のフランジ30bは、排気浄化装置22の入口に設けられたフランジ22aに対して図示しないボルトにより連結されている。
Therefore, in the present embodiment, the position of the bellows is divided into three regions in the longitudinal direction of the second exhaust pipe 30 and the rigidity is different from each other, thereby achieving both absorption of displacement and prevention of fatigue failure. Details will be described below.
FIG. 4 is an enlarged view showing the second exhaust pipe 30. In the drawing, the left side is the engine 21 side, the right side is the exhaust purification device 22 side, and the exhaust gas discharged from the engine 21 circulates in the second exhaust pipe 30 from the left to the right. The flange 30a at the upstream end of the exhaust flow of the second exhaust pipe 30 is connected to the flange 29a at the downstream end of the first exhaust pipe 29 by a bolt (not shown). The flange 30b at the downstream end of the second exhaust pipe 30 is connected to a flange 22a provided at the inlet of the exhaust purification device 22 by a bolt (not shown).

第2排気管30は長手方向に並ぶように3つのベローズ31〜33が設けられ、各ベローズ31〜33及びフランジ30a、30bの間はそれぞれ本来の排気管を形成する円筒パイプ30cで接続されている。各ベローズ31〜33は断面円形状をなし、その外周面が蛇腹状に折り返されることにより第2排気管30の曲げ方向に可撓性を有すると共に、第2排気管30の長手方向に伸縮性を有している。以下、上流側のベローズを上流ベローズ31(低剛性領域)、中央のベローズを中央ベローズ32(高剛性領域)、下流側のベローズを下流ベローズ33(低剛性領域)と称する。そして、本実施形態では、上記課題を解決するために、中央ベローズ32の剛性が相対的に高く設定され、これに対して上流ベローズ31及び下流ベローズ33の剛性が相対的に低く設定されている。   The second exhaust pipe 30 is provided with three bellows 31 to 33 so as to be arranged in the longitudinal direction, and the bellows 31 to 33 and the flanges 30a and 30b are respectively connected by a cylindrical pipe 30c forming an original exhaust pipe. Yes. Each of the bellows 31 to 33 has a circular cross section, and its outer peripheral surface is folded in a bellows shape so that it has flexibility in the bending direction of the second exhaust pipe 30 and stretchable in the longitudinal direction of the second exhaust pipe 30. have. Hereinafter, the upstream bellows is referred to as an upstream bellows 31 (low-rigidity region), the central bellows is referred to as a central bellows 32 (high-rigidity region), and the downstream bellows is referred to as a downstream bellows 33 (low-rigidity region). And in this embodiment, in order to solve the said subject, the rigidity of the center bellows 32 is set relatively high, and the rigidity of the upstream bellows 31 and the downstream bellows 33 is set relatively low with respect to this. .

この種のベローズの剛性は、例えばベローズの山の数、山の高さ(蛇腹の山と谷との落差)、隣り合う山の間隔、ベローズの外径、ベローズの板厚などの各要件により任意に調整可能である。例えばベローズの山の数を増加させるほど、ベローズは撓み易くなり剛性が低下する。またベローズの山を高くするほど、或いはベローズの山の間隔を狭くするほど、或いはベローズの外径を小さくするほど、或いはベローズの板厚を薄くするほど、それぞれベローズが撓み易くなって剛性が低下する。よって、何れの要件によりベローズの剛性を調整してもよいし、複数の要件を組み合わせて剛性を調整してもよい。   The rigidity of this type of bellows depends on the requirements such as the number of peaks of the bellows, the height of the peaks (head of the bellows and the valley), the distance between adjacent peaks, the outer diameter of the bellows, the thickness of the bellows, etc. It can be adjusted arbitrarily. For example, as the number of bellows peaks is increased, the bellows is more easily bent and the rigidity is lowered. Also, the higher the bellows crest, the narrower the bellows crest, the smaller the outer diameter of the bellows, or the thinner the bellows, the easier it is for the bellows to bend and lower the rigidity. To do. Therefore, the stiffness of the bellows may be adjusted according to any requirement, or the stiffness may be adjusted by combining a plurality of requirements.

本実施形態では、各ベローズ31〜33の山の数を相違させることにより、それぞれ所望の剛性を実現している。具体的には、中央ベローズ32に比して上流及び下流ベローズ31,33の山の数を増加させており、中央ベローズ32を10山、上流ベローズ31を20山、下流ベローズ33を15山に形成している。なお、それ以外の全ての要件(例えばベローズの外径や板厚など)は各ベローズ31〜33で同一に設定している。   In this embodiment, desired rigidity is implement | achieved by making the number of the peaks of each bellows 31-33 different, respectively. Specifically, the number of peaks of the upstream and downstream bellows 31 and 33 is increased compared to the central bellows 32, the central bellows 32 being 10 mountains, the upstream bellows 31 being 20 mountains, and the downstream bellows 33 being 15 mountains. Forming. All other requirements (for example, the outer diameter and the plate thickness of the bellows) are set to be the same for each bellows 31-33.

次に、以上のように構成された油圧ショベルの排気管構造の作用を説明する。
運転中のエンジン21の振動により、図5に示すようにエンジン21と排気浄化装置22との間(より詳しくは、第1排気管29の下流端のフランジ29aと排気浄化装置22の入口のフランジ22aとの間)に位置変位が生じる。このときの位置変位は、主に第2排気管30の長手方向と直交する剪断方向、即ち上下方向(以下、X方向という)や左右方向(以下、Y方向という)に発生する。この位置変位がベローズ31〜33の撓みにより吸収されるのであるが、図5から明らかなように、位置変位の吸収のために大きな撓みを要求されるのは上流及び下流ベローズ31,33であり、中央ベローズ32はほとんど撓む必要がない。上流及び下流ベローズ31,33の剛性は中央ベローズ32の剛性に比較して十分に低いため、容易に撓んでエンジン21と排気浄化装置22との位置変位を吸収することができる。
Next, the operation of the exhaust pipe structure of the hydraulic excavator configured as described above will be described.
As shown in FIG. 5, the vibration of the engine 21 during operation causes a gap between the engine 21 and the exhaust purification device 22 (more specifically, a flange 29a at the downstream end of the first exhaust pipe 29 and a flange at the inlet of the exhaust purification device 22). Position displacement occurs between 22a and 22a). The positional displacement at this time occurs mainly in the shearing direction orthogonal to the longitudinal direction of the second exhaust pipe 30, that is, the vertical direction (hereinafter referred to as X direction) and the horizontal direction (hereinafter referred to as Y direction). This positional displacement is absorbed by the bending of the bellows 31 to 33. As is apparent from FIG. 5, it is the upstream and downstream bellows 31 and 33 that require a large bending for absorbing the positional displacement. The central bellows 32 hardly needs to bend. Since the rigidity of the upstream and downstream bellows 31 and 33 is sufficiently lower than the rigidity of the central bellows 32, it can be easily bent to absorb the positional displacement between the engine 21 and the exhaust purification device 22.

本発明者は、各ベローズ31〜33の山の数の設定を変更して、X方向及びY方向に位置変位を与えたときの最大応力を解析試験により求めた。各条件の相対比較のために最大応力はミーゼス応力として算出した。下表1に解析結果を示す。
表1中の上段の条件が本実施形態であり、下段の2つの条件(本発明の各ベローズの剛性の相互関係に該当しない条件)に比較すると、位置変位を与えたときの最大応力を約8%低減できることが判る。
The present inventor changed the setting of the number of peaks of each bellows 31 to 33, and obtained the maximum stress by applying the position displacement in the X direction and the Y direction by an analytical test. The maximum stress was calculated as Mises stress for relative comparison of each condition. Table 1 shows the analysis results.
The upper condition in Table 1 is the present embodiment, and the maximum stress when a positional displacement is applied is approximately compared with the lower two conditions (conditions that do not correspond to the mutual relationship of rigidity of each bellows of the present invention). It can be seen that it can be reduced by 8%.

一方、エンジン21の振動により第2排気管30が自由振動を起こすと、図6に示すように第2排気管30の中央を腹とし、第2排気管30の両端を節とする振動モードが励起され、第2排気管30全体が振れ回る。この振動モードでは、両端の節に近接する上流及び下流ベローズ31,33が撓むだけでなく、腹に位置する中央ベローズ32も撓むが、剛性が高い中央ベローズ32は撓み難く、結果として剛性が低い上流及び下流ベローズ31,33の撓みが制限される。   On the other hand, when the second exhaust pipe 30 is free to vibrate due to the vibration of the engine 21, a vibration mode in which the center of the second exhaust pipe 30 is antinode and both ends of the second exhaust pipe 30 are nodes as shown in FIG. When excited, the entire second exhaust pipe 30 swings. In this vibration mode, not only the upstream and downstream bellows 31 and 33 adjacent to the nodes at both ends bend, but also the central bellows 32 located on the abdomen is bent, but the central bellows 32 having high rigidity is difficult to bend, resulting in rigidity. The bending of the upstream and downstream bellows 31 and 33 with low is limited.

このため振れ回りによる腹の振幅が抑制されて、振れ回りに伴う各ベローズ31〜33の変形、ひいては各ベローズ31〜33に生じる応力を軽減できる。この点は、振れ回りにより各ベローズ31〜33が疲労破壊に至るまでの繰り返し回数が増加し、ベローズ31〜33の耐久性が向上することを意味する。また、振れ回りによる腹の振幅が抑制されることは、ベローズ31〜33を設けたことによる第2排気管30の固有振動数の低下を抑制できることに繋がる。第2排気管30の固有振動数が低下してエンジン21の爆発振動の周波数域に入ると、ベローズ31〜33が共振して短時間で疲労破壊してしまうが、このような事態を防止できる。以上の要因により、固有振動数の低下に起因する第2排気管30の疲労破壊を未然に防止することができる。   Therefore, the belly amplitude due to the swinging is suppressed, and the deformation of the bellows 31 to 33 accompanying the swinging, and consequently the stress generated in each bellows 31 to 33 can be reduced. This means that the number of repetitions until each bellows 31-33 reaches fatigue failure due to swinging increases, and the durability of the bellows 31-33 is improved. Further, the suppression of the belly amplitude due to the swinging can lead to the suppression of the decrease in the natural frequency of the second exhaust pipe 30 due to the provision of the bellows 31-33. When the natural frequency of the second exhaust pipe 30 decreases and enters the frequency range of the explosion vibration of the engine 21, the bellows 31 to 33 resonate and cause fatigue failure in a short time, but this situation can be prevented. . Due to the above factors, fatigue failure of the second exhaust pipe 30 due to a decrease in the natural frequency can be prevented in advance.

本発明者は、各ベローズ31〜33の山の数の設定を変更して、第2排気管30に振れ回りが発生したときの固有振動数を解析試験により求めた。下表2に解析結果を示す。
表2中の上段の条件が本実施形態であり、下段の2つの条件に比較すると、振れ回りの発生時の固有振動数を約3〜10%増加できることが判る。例えば常用回転域の上限が1800rpmのエンジンの場合、回転上限で発生する振動の周波数は30Hzになる。下段の2つの条件では、第2配管30の固有振動数が30Hzに近いため共振を発生する可能性があるが、より固有振動数が高い本実施形態によれば共振を未然に防止することができる。
The inventor changed the setting of the number of peaks of each bellows 31 to 33, and obtained the natural frequency when the whirling occurred in the second exhaust pipe 30 by an analysis test. The analysis results are shown in Table 2 below.
The upper condition in Table 2 is the present embodiment, and it can be seen that the natural frequency at the occurrence of the whirling can be increased by about 3 to 10% compared to the two conditions in the lower stage. For example, in the case of an engine whose upper limit of the normal rotation range is 1800 rpm, the frequency of vibration generated at the upper limit of rotation is 30 Hz. Under the two conditions at the lower stage, resonance may occur because the natural frequency of the second pipe 30 is close to 30 Hz. However, according to the present embodiment having a higher natural frequency, resonance can be prevented in advance. it can.

なお、この実施形態では、第2排気管30上に山の数が異なる各ベローズ31〜33を設けるために、各ベローズ31〜33間を円筒パイプ30cで接続して相互に区分したが、例えばベローズ31〜33の外径や板厚などを相違させる場合には、各ベローズ31〜33間を円筒パイプ30cで接続しなくてもよい。
図7はベローズ31〜33の板厚を相違させた別例を示しており、この場合には、中央ベローズ32の板厚を相対的に厚く設定し、これに対して上流及び下流ベローズ31,33の板厚を相対的に薄く設定している。この板厚の相違により各ベローズ31〜33が区分されるため、各ベローズ31〜33間を円筒パイプ30cで接続せずに連続して形成してもよい。
In this embodiment, in order to provide each bellows 31-33 having a different number of peaks on the second exhaust pipe 30, the bellows 31-33 are connected by a cylindrical pipe 30c and separated from each other. When the outer diameters and plate thicknesses of the bellows 31 to 33 are different, the bellows 31 to 33 need not be connected by the cylindrical pipe 30c.
FIG. 7 shows another example in which the plate thicknesses of the bellows 31 to 33 are different. In this case, the plate thickness of the central bellows 32 is set to be relatively thick, and the upstream and downstream bellows 31, The plate thickness 33 is set relatively thin. Since the bellows 31 to 33 are divided by the difference in plate thickness, the bellows 31 to 33 may be continuously formed without being connected by the cylindrical pipe 30c.

[第2実施形態]
次に、本発明を別の油圧ショベルの排気管構造に具体化した第2実施形態を説明する。本実施形態の油圧ショベルの基本構成は、図1〜3に基づき説明した第1実施形態のものと同様であり、相違点はベローズ31〜33にブレード41を付加した点にある。そこで、同一構成の箇所は同一部材番号を付して説明を省略し、相違点を重点的に述べる。この点は、以下の第3実施形態も同様である。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment in which the present invention is embodied in another exhaust pipe structure of a hydraulic excavator will be described. The basic configuration of the hydraulic excavator of this embodiment is the same as that of the first embodiment described with reference to FIGS. 1 to 3, and the difference is that a blade 41 is added to the bellows 31 to 33. Therefore, parts having the same configuration are denoted by the same member numbers, description thereof is omitted, and differences are mainly described. This also applies to the following third embodiment.

図8は第2実施形態の第2排気管30を示す拡大図である。第1実施形態と同じく第2排気管30上には上流ベローズ31、中央ベローズ32、下流ベローズ33が設けられ、各ベローズ31〜33の山の数も第1実施形態と同様に設定されてそれぞれ所望の剛性を実現している。無論、山の数に代えて他の要件、例えばベローズの外径や板厚などを相違させてもよいことは言うまでもない。
そして、各ベローズ31〜33はブレード41によりそれぞれ被覆されている。各ブレード41は、耐熱性金属線材の束を筒状にブレード編みして製作され、それぞれベローズ31〜33の表面を覆いながら、その両端が円筒パイプ30cの外周面に固定されている。各ブレード41はベローズ31〜33を保護すると共に、ベローズ31〜33に接触することによりベローズ31〜33の振動を減衰する作用を奏する。
FIG. 8 is an enlarged view showing the second exhaust pipe 30 of the second embodiment. As in the first embodiment, an upstream bellows 31, a central bellows 32, and a downstream bellows 33 are provided on the second exhaust pipe 30, and the number of peaks of each bellows 31-33 is set in the same manner as in the first embodiment. The desired rigidity is achieved. Of course, it goes without saying that other requirements such as the outer diameter and thickness of the bellows may be made different from the number of peaks.
Each bellows 31 to 33 is covered with a blade 41. Each blade 41 is manufactured by braiding a bundle of heat-resistant metal wires into a cylindrical shape, and both ends thereof are fixed to the outer peripheral surface of the cylindrical pipe 30c while covering the surfaces of the bellows 31-33, respectively. Each blade 41 protects the bellows 31 to 33 and has an effect of attenuating vibrations of the bellows 31 to 33 by contacting the bellows 31 to 33.

各ベローズ31〜33は、第1実施形態で図5に基づき説明したエンジン21と排気浄化装置22との位置変位を吸収する作用を奏すると共に、図6に基づき説明した振れ回りによる腹の振幅を制限する作用を奏する。ブレード編みにより製作されたブレード41は柔軟性を有するため、このときの各ベローズ31〜33の撓みを妨げることはなく、重複する説明はしないが、各ベローズ31〜33の作用により第1実施形態と同様の作用効果が得られる。
なお、図9に示すように、各ベローズ31〜33間を円筒パイプ30cで接続せずに連続して形成した場合には、単一のブレード41により全てのベローズ31〜33を被覆するようにしてもよく、この場合でも作用効果に相違はない。
Each bellows 31-33 has the effect | action which absorbs the position displacement of the engine 21 and the exhaust gas purification apparatus 22 which were demonstrated based on FIG. 5 in 1st Embodiment, and the amplitude of the belly by the whirling demonstrated based on FIG. It has a limiting effect. Since the blade 41 manufactured by blade knitting has flexibility, it does not hinder the bending of the bellows 31 to 33 at this time, and will not be described redundantly, but the first embodiment is based on the action of the bellows 31 to 33. The same effect can be obtained.
In addition, as shown in FIG. 9, when it forms continuously without connecting between each bellows 31-33 with the cylindrical pipe 30c, it shall cover all the bellows 31-33 with the single blade 41. Even in this case, there is no difference in effect.

[第3実施形態]
次に、本発明を別の油圧ショベルの排気管構造に具体化した第3実施形態を説明する。第1実施形態との相違点は中央ベローズ32を円筒パイプ51(高剛性領域、パイプ部材)に置き換えた点にある。
図10は第3実施形態の第2排気管30を示す拡大図である。第2排気管30上には中央ベローズ32に代えて円筒パイプ51が設けられ、円筒パイプ51の両端は上流ベローズ31及び下流ベローズ33に直接的に連結されている。円筒パイプ51は、本来の第2排気管30を形成する円筒パイプ30cと同様に円筒状をなし、例えば円筒パイプ30cと同一部材が用いられている。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment in which the present invention is embodied in another exhaust pipe structure of a hydraulic excavator will be described. The difference from the first embodiment is that the central bellows 32 is replaced with a cylindrical pipe 51 (high rigidity region, pipe member).
FIG. 10 is an enlarged view showing the second exhaust pipe 30 of the third embodiment. A cylindrical pipe 51 is provided on the second exhaust pipe 30 instead of the central bellows 32, and both ends of the cylindrical pipe 51 are directly connected to the upstream bellows 31 and the downstream bellows 33. The cylindrical pipe 51 has a cylindrical shape like the cylindrical pipe 30c that originally forms the second exhaust pipe 30, and for example, the same member as the cylindrical pipe 30c is used.

このような円筒パイプ51は、上流及び下流ベローズ31,33に比較して剛性が高く、可撓性は有していない。よって、エンジン21の振動により排気浄化装置22との間に剪断方向の位置変位が生じた場合に円筒パイプ51は撓まないが、図5に基づき述べたように、このときの位置変位は上流及び下流ベローズ31,33の撓みにより吸収できる。   Such a cylindrical pipe 51 has higher rigidity than the upstream and downstream bellows 31 and 33, and does not have flexibility. Therefore, the cylindrical pipe 51 does not bend when the position displacement in the shearing direction occurs between the exhaust gas purification device 22 and the vibration of the engine 21, but as described with reference to FIG. And can be absorbed by the deflection of the downstream bellows 31, 33.

また、エンジン21の振動により第2排気管30が自由振動を起こした場合、図11に示すように、円筒パイプ51は撓むことなく、両側の上流及び下流ベローズ31,33を撓ませながら第2排気管30全体が振れ回る。このような状況でも、円筒パイプ51が撓まないことにより剛性が低い上流及び下流ベローズ31,33の撓みが制限される。よって、振れ回りに伴うベローズ31,33の応力を軽減して、固有振動数の低下に起因する第2排気管30の疲労破壊を未然に防止できる。
なお、これらの上流ベローズ31、軽量円筒パイプ51、下流ベローズ33をブレード41により被覆しても同様の作用効果が得られる。
Further, when the second exhaust pipe 30 causes free vibration due to the vibration of the engine 21, as shown in FIG. 11, the cylindrical pipe 51 does not bend, while the upstream and downstream bellows 31 and 33 on both sides are bent. 2 The entire exhaust pipe 30 swings around. Even in such a situation, the bending of the upstream and downstream bellows 31 and 33 having low rigidity is limited by the cylindrical pipe 51 not being bent. Therefore, the stress of the bellows 31 and 33 accompanying the swinging can be reduced, and the fatigue failure of the second exhaust pipe 30 due to the reduction of the natural frequency can be prevented in advance.
Even if these upstream bellows 31, lightweight cylindrical pipe 51, and downstream bellows 33 are covered with the blade 41, the same effect can be obtained.

ところで、第2排気管30の振れ回りには、腹となる第2排気管30の中央箇所の質量が影響し、中央箇所の質量が大きいほど振れ回りが助長される。本実施形態では円筒パイプ51を腹として振れ回りが発生するため、両側の円筒パイプ30c(排気管)に比して円筒パイプ51を軽量化するほど、振れ回りを抑制し易くなる。
そこで、例えば断熱を目的として両側の円筒パイプ30cを2重管構造としている場合には、中央の円筒パイプ51を軽量化のために1重管構造とする。また、例えば両側の円筒パイプ30cの板厚を2mmに設定している場合には、中央の円筒パイプ51の板厚を軽量化のために1mmに設定する。また、両側の円筒パイプ30cに対して中央の円筒パイプ51をより比重の小さな材質で製作してもよい。これらの対策により腹となる円筒パイプ51が軽量化されるため、エンジン21の振動に起因する第2排気管30の振れ回りを抑制し易くなり、もって第2排気管30の疲労破壊をより確実に防止することができる。
By the way, the mass of the second exhaust pipe 30 is affected by the mass of the central portion of the second exhaust pipe 30 serving as an antinode, and the greater the mass of the central portion, the more the swing is promoted. In the present embodiment, the whirling occurs with the cylindrical pipe 51 as an antinode. Therefore, as the weight of the cylindrical pipe 51 is reduced as compared with the cylindrical pipes 30c (exhaust pipes) on both sides, the whirling is easily suppressed.
Therefore, for example, when the cylindrical pipes 30c on both sides have a double pipe structure for the purpose of heat insulation, the central cylindrical pipe 51 has a single pipe structure for weight reduction. For example, when the plate thickness of the cylindrical pipes 30c on both sides is set to 2 mm, the plate thickness of the central cylindrical pipe 51 is set to 1 mm for weight reduction. Further, the central cylindrical pipe 51 may be made of a material having a smaller specific gravity than the cylindrical pipes 30c on both sides. Because these measures reduce the weight of the cylindrical pipe 51 that becomes the stomach, it is easy to suppress the swirling of the second exhaust pipe 30 due to the vibration of the engine 21, and thus the fatigue failure of the second exhaust pipe 30 can be more reliably performed. Can be prevented.

以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば上記各実施形態では油圧ショベルの排気管構造として具体化したが、動力源であるエンジン21と排気浄化装置22とを排気管により接続した建設機械であれば、その種別は上記に限定されるものではない。よって、例えばハイブリッド型のホイールローダやクローラキャリアを対象とした排気管構造に具体化してもよい。
また、上記第1,2実施形態では、第2排気管30上に高剛性領域として中央ベローズ32を設けると共に、その両側に例剛性領域として上流ベローズ31及び下流ベローズ33を設け、第3実施形態では、中央ベローズ32に代えて高剛性領域として円筒パイプ51を設けたが、これに限るものではない。例えば中央ベローズ32を高剛性のまま2分割し、第2排気管30上に計4つのベローズ31〜33を配設するようにしてもよい。
This is the end of the description of the embodiment, but the aspect of the present invention is not limited to this embodiment. For example, in each of the embodiments described above, the exhaust pipe structure of the hydraulic excavator is embodied. However, the type is limited to the above as long as it is a construction machine in which the engine 21 that is a power source and the exhaust purification device 22 are connected by an exhaust pipe. It is not a thing. Therefore, for example, an exhaust pipe structure for a hybrid wheel loader or a crawler carrier may be embodied.
In the first and second embodiments, the central bellows 32 is provided as a highly rigid region on the second exhaust pipe 30, and the upstream bellows 31 and the downstream bellows 33 are provided as examples of rigid regions on both sides thereof. Then, instead of the central bellows 32, the cylindrical pipe 51 is provided as a high-rigidity region, but this is not restrictive. For example, the central bellows 32 may be divided into two with high rigidity, and a total of four bellows 31 to 33 may be disposed on the second exhaust pipe 30.

21 エンジン
22 排気浄化装置
30 第2排気管
31 上流ベローズ(低剛性領域)
32 中央ベローズ(高剛性領域)
33 下流ベローズ(低剛性領域)
51 円筒パイプ(高剛性領域、パイプ部材)
21 Engine 22 Exhaust purification device 30 Second exhaust pipe 31 Upstream bellows (low rigidity region)
32 Central bellows (high rigidity area)
33 Downstream bellows (low rigidity region)
51 Cylindrical pipe (high rigidity area, pipe member)

Claims (4)

  1. 動力源として搭載したエンジンと排気浄化装置とを排気管により接続し、該排気管を経て上記エンジンから排出される排ガスを上記排気浄化装置に案内して浄化するようにした建設機械において、
    上記排気管上に高い剛性を有する高剛性領域を設けると共に、該排気管上の長手方向における上記高剛性領域の両側に相対的に剛性が低く且つ可撓性を有する低剛性領域をそれぞれ設けたことを特徴とする建設機械の排気管構造。
    In a construction machine in which an engine mounted as a power source and an exhaust purification device are connected by an exhaust pipe, and exhaust gas discharged from the engine through the exhaust pipe is guided to the exhaust purification device and purified,
    A high rigidity region having high rigidity is provided on the exhaust pipe, and low rigidity regions having relatively low rigidity and flexibility are provided on both sides of the high rigidity region in the longitudinal direction on the exhaust pipe. An exhaust pipe structure for a construction machine.
  2. 少なくとも上記両側の低剛性領域がベローズとして構成されたことを特徴とする請求項1に記載の建設機械の排気管構造。   The exhaust pipe structure for a construction machine according to claim 1, wherein at least the low rigidity regions on both sides are configured as bellows.
  3. 上記高剛性領域が可撓性を有さないパイプ部材として構成されたことを特徴とする請求項1または2に記載の建設機械の排気管構造。   The exhaust pipe structure for a construction machine according to claim 1 or 2, wherein the high rigidity region is configured as a pipe member having no flexibility.
  4. 上記パイプ部材は、上記排気管に比して軽量化されていることを特徴とする請求項3に記載の建設機械の排気管構造。   The exhaust pipe structure for a construction machine according to claim 3, wherein the pipe member is lighter than the exhaust pipe.
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