基于減小有效長度的旋動射流混藥器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

宋海潮，徐幼林，鄭加強(qiáng)，代 祥

（1. 南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，南京 210037；2. 南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，南京 210023）

0 引 言

脂溶性農(nóng)藥是指不溶于水，但是能夠溶于酒精和煤油等有機(jī)溶劑的農(nóng)藥。由于脂溶性農(nóng)藥的滲透性大于水溶性農(nóng)藥，所以其防治效果優(yōu)于水溶性農(nóng)藥[1]；同時脂溶性農(nóng)藥的淋洗率和滲濾率幾乎為零，屬于難流失農(nóng)藥，對水和環(huán)境的污染一般要比水溶性農(nóng)藥小[2]；用脂溶性農(nóng)藥防治茶樹病蟲害，更有利于飲茶者的健康[3]。2015年，重慶市在近400 hm2茶園中推廣使用了脂溶性農(nóng)藥[4]。脂溶性農(nóng)藥成本約 720元/hm2，比水溶性農(nóng)藥 482元/hm2略高，但脂溶性農(nóng)藥使用1次可管25 d，而水溶性農(nóng)藥使用1次只能管3～5 d[5]。因此，脂溶性農(nóng)藥的高效利用越來越引起大家的重視[6]。

農(nóng)藥在線混合不僅很好地減小農(nóng)藥的濫用及對施藥者的傷害[7]，而且施藥器械在施用后更有利于清洗、拆卸、回收和翻新[8]，沒有和農(nóng)藥直接接觸的施藥器械即使廢棄也可長期無慮[9]。這主要是由于在線混合的施藥器械只有混藥器到噴嘴部分才和農(nóng)藥直接接觸[10]。所以，縮小混藥器到噴嘴之間的距離是在線混藥研究的重要部分[11]。目前，雖然國內(nèi)外很多學(xué)者致力于農(nóng)藥在線混合技術(shù)的研究[12]，但基本上都是針對水溶性農(nóng)藥的在線混合[13-14]，如南京林業(yè)大學(xué)徐幼林等[15-16]、江蘇大學(xué)邱白晶等[17-18]和農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所周良富等[19-20]，利用普通射流混藥器分析了水溶性農(nóng)藥的在線混合效果，而只有南京林業(yè)大學(xué)近年來利用旋動射流混藥器對脂溶性農(nóng)藥的在線混合進(jìn)行了相關(guān)研究，結(jié)果表明旋動射流混藥器能夠?qū)崿F(xiàn)脂溶性農(nóng)藥的有效混合[12]。

旋動射流混藥器，采用螺旋彎曲收縮管、繼旋器和在擴(kuò)散管中加入固定導(dǎo)葉等方式，可以增加工作液的卷吸能力與摻混作用[21]。采用螺旋流原理設(shè)計的旋動射流混藥器，通過有限元仿真和試驗驗證，證明在沒有機(jī)械攪拌的情況下，可保證噴嘴出口位置脂溶性農(nóng)藥與水均勻混合[22-23]?；焖幤骺傞L為162 mm，有效長度為149 mm，即收縮管32 mm，混合管20 mm，擴(kuò)散管57 mm，繼旋器40 mm[22]，顯然，去掉繼旋器則可以使旋動射流混藥器的有效長度減小40 mm。在實現(xiàn)對脂溶性農(nóng)藥均勻混合的前提下，旋動射流混藥器有效長度應(yīng)該越短越好，因此本文擬研究沒有繼旋器的旋動射流混藥器對脂溶性農(nóng)藥混合均勻性影響，分析影響混藥器有效長度的結(jié)構(gòu)參數(shù)即擴(kuò)散管擴(kuò)散角、混合管長度和收縮管收縮角，分析各因素對旋動射流混藥器混合均勻性的影響趨勢及旋動射流混藥器有效長度相對最小值，以期為旋動射流混藥器在進(jìn)行脂溶性農(nóng)藥在線混合時結(jié)構(gòu)參數(shù)確定提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗系統(tǒng)與試驗材料

1）試驗系統(tǒng)

混藥器混合試驗系統(tǒng)包括進(jìn)水系統(tǒng)Ⅰ、進(jìn)藥系統(tǒng)Ⅱ、圖像采集系統(tǒng)Ⅲ和混藥器快換系統(tǒng)Ⅳ，如圖 1所示，圖1a為試驗系統(tǒng)原理圖，圖1b為試驗系統(tǒng)實物圖。試驗用噴嘴為KC1/4CC6508PP扇形噴嘴（廣州奧王噴嘴制造有限公司），進(jìn)水系統(tǒng)和進(jìn)藥系統(tǒng)分別提供穩(wěn)定壓力和流量的水和藥，水泵采用PLD1206型隔膜泵，電壓12 V，壓力0.3 MPa，功率45 W，電流3.5A，流量1.5 L/min；藥泵采用PLD-2203型隔膜泵，電壓24 V，壓力0.3 MPa，功率20 W，電流0.7 A，流量0.015 L/min；水泵和藥泵均是石家莊市普蘭迪公司產(chǎn)品。進(jìn)水端采用YN60耐震壓力表，量程0.6 MPa，進(jìn)藥端與混藥器出口端均采用YN60耐震壓力表，量程0.4 MPa，YN60耐震壓力表為上海晨儀儀表有限公司產(chǎn)品。

圖1 混藥器在線混合試驗系統(tǒng)Fig.1 On-line mixing experimental system of mixer

相機(jī)采用IO Industries高速相機(jī)，型號4M180-CL，分辨率2 048×2 048，幀頻180 fps，像元大小5.5 μm，芯片尺寸1"；鏡頭型號HF1214J，焦距12 mm，最大光圈1.4，畸變率為-0.31%，最大兼容CCD為2/3″；紫光燈選用美國Spectroline系列B-260雙燈管手持式紫外線燈，長波6 W自濾色紫外燈管，在15 cm距離下產(chǎn)生365 nm波長紫外線，強(qiáng)度為850 μm/cm2；采集卡選用凌云光子技術(shù)集團(tuán)有限責(zé)任公司的 Camera Link采集卡，型號：OR-X4C0-XPF00；視頻記錄采用IO Industries Streams 7軟件。根據(jù)高速相機(jī)拍攝混藥器混合過程圖像，采用均方根誤差分析混藥器的混合均勻性[24]。

為了研究相同條件下混藥器的混合效果，試驗中要對不同混藥器進(jìn)行快速替換?；焖幤骺鞊Q系統(tǒng)如圖 2所示，快換接頭分公頭（如圖2中41、61和71）和母頭（如圖2中42、62和72），公頭和混藥器連接，母頭分別和進(jìn)水管、進(jìn)藥管和出口連接。試驗用的混藥器采用3D打印成型，由于混藥器各組成件螺紋連接后，在連接處照相機(jī)看不到內(nèi)部流動，因此將混藥器打印成整體結(jié)構(gòu)：即收縮管和擴(kuò)散管形成一整體。

圖2 混藥器快換連接Fig.2 Quick connection for mixer

2）試驗農(nóng)藥替代物配制

脂溶性農(nóng)藥替代物為菜籽油，表面張力29.8 mN/m，運(yùn)動黏度43 mm2/s，密度0.9 g/cm3。為了便于圖像采集與分析，菜籽油中加入熒光劑美國路陽LUYOR-6100，密度0.91 g/cm3，可溶于石油制品，最適宜波長365 nm，閃點（ASTM D-3278）大于85 ℃。將3瓶試樣（菜籽油、菜籽油+6 100、菜籽油+6 100+水）搖晃均勻后，在紫光燈下立即觀察發(fā)現(xiàn)：沒有添加熒光劑6 100的菜籽油在紫光燈下是灰色的，沒有清晰的亮度；而加了熒光劑6 100的兩瓶試樣觀察很清晰；熒光劑6 100在菜籽油中能夠完全溶解；加了熒光劑6 100和水的菜籽油快速搖晃均勻，2～3 s后又會很快分離。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 影響因素及水平值

旋動射流混藥器結(jié)構(gòu)主要由收縮管、擴(kuò)散管和分流器組成，收縮管入口與噴霧機(jī)出水管相接，擴(kuò)散管出口通過光管后直接同噴嘴相連。分流器采用切向進(jìn)流，且分流器連接著收縮管出口和擴(kuò)散管入口，將收縮管出口和擴(kuò)散管入口直徑相同部位稱為混合管，如圖 3所示。為了進(jìn)行相關(guān)試驗，需要根據(jù)旋動射流混藥器結(jié)構(gòu)特點，分析影響混藥器有效長度的因素并確定各因素的水平值。從圖 3中可以看出，混藥器的有效長度，指的是收縮管入口到擴(kuò)散管出口之間的距離，其中 L為混藥器有效長度，而L’為混藥器總長。在噴霧機(jī)出水管尺寸和噴頭結(jié)構(gòu)尺寸都已知的條件下，混藥器入口及出口直徑為固定值，所以，要減小混藥器有效長度，最有效的方法是增大收縮管收縮角和擴(kuò)散管擴(kuò)散角、并尋求最佳混合管長度匹配值。

圖3 旋動射流混藥器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of swirling jet mixer

1）收縮角a1及水平值

螺旋彎曲收縮管由入口直徑13 mm截面經(jīng)過平滑螺旋收縮過渡到出口直徑4 mm混合管，其阻力系數(shù)取決于收縮角a1和收縮度n1=F0/F1[25]，其中F0為收縮管中最窄截面面積、F1為收縮管中最寬截面面積[25-26]。由于入口直徑和出口直徑已經(jīng)確定，因此收縮度n1也就確定，收縮管的長度L1只與收縮角a1有關(guān)，根據(jù)圖3可以得出

由公式（1）可知隨著收縮角的增大，收縮管有效長度減小。收縮角在 10°＜a1＜40°范圍時，收縮管總阻力系數(shù)最小[27]，同時根據(jù)經(jīng)典文丘里管結(jié)構(gòu)，當(dāng)收縮管為圓錐形時，收縮角取值范圍為 20°～22°[28-29]。前期研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)收縮管收縮角 a1=16°時，有繼旋器的旋動射流混藥器能夠?qū)崿F(xiàn)對脂溶性農(nóng)藥（菜籽油）的均勻混合[23]。因此，為了達(dá)到減小混藥器長度的目的，考慮到收縮角從 16°到 22°增加了 6°，因此取中間值 19°為收縮角的研究起點，根據(jù)公式（1）計算，收縮角從 16°增大到 19°時，收縮管有效長度減小了 5.13 mm。所以，按照 3°梯度遞增，取收縮角分別為 a1=16°、22°和 25°的 3個水平值，深入分析收縮角的變化對脂溶性農(nóng)藥混合均勻性的影響。

2）混合管長度L0及水平值

根據(jù)經(jīng)典文丘里管結(jié)構(gòu)，混合管（喉部）長度取值范圍d3± 0.03d3[30]，而采用混合管長度等于混合管直徑的普通射流混藥器對脂溶性農(nóng)藥（硅油）進(jìn)行在線混合，發(fā)現(xiàn)混合均勻性不好[15]。由于混合管最優(yōu)長度Lk為d3（混合管直徑）的5～7倍[27]，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)d3= 4 mm時，選取混合管長度L0=20 mm的有繼旋器旋動射流混藥器，可以實現(xiàn)對脂溶性農(nóng)藥均勻混合[23]。20 mm和4 mm的中間值為12 mm，因此，中值12 mm為混合管長度的第1個水平值。鑒于混合管對混藥器混合均勻性的重要影響，取20 mm為混合管長度的第2個水平值。為了減小旋動射流混藥器的有效長度，最大程度地減小混合管長度是研究的突破口之一，因此，取8 mm為混合管長度的第3個水平值。

因此，混合管直徑d3= 4 mm時，為了減小混藥器長度，以期找到混藥器最小長度匹配值，本文選擇混合管長度為混合管直徑的 5、3、2倍，即混合管長度分別為20、12和8 mm 3個水平值，來分析探討結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的混藥器混合管長度的最小匹配值。

3）擴(kuò)散角a2及水平值

直壁擴(kuò)散管的主要幾何特性是擴(kuò)散角a2、擴(kuò)散度n2和長度L2，擴(kuò)散度n2的計算公式為n2=F2/F0[25]，F(xiàn)2為擴(kuò)散管出口面積、F0為擴(kuò)散管中最窄截面面積，與收縮管中最窄截面面積相等；L2為擴(kuò)散管有效長度。擴(kuò)散管的擴(kuò)散角和擴(kuò)散管有效長度的關(guān)系為

根據(jù)公式（2）得到：隨著擴(kuò)散角的增大，擴(kuò)散管有效長度減小。根據(jù)經(jīng)典文丘里管結(jié)構(gòu)，擴(kuò)散管為圓錐形時，擴(kuò)散角的選擇范圍為7°～14°[28]，為了達(dá)到減小混藥器有效長度的目的，論文以擴(kuò)散角推薦上限值14°為參考點，選擇14°為擴(kuò)散角的第1個水平值。擴(kuò)散角a2=9°時，經(jīng)過試驗驗證，可以實現(xiàn)對脂溶性農(nóng)藥混合均勻[23]。根據(jù)公式（2）計算，擴(kuò)散角從9°增大到10°時，擴(kuò)散管有效長度減小了5.74 mm，因此，選擇10°為擴(kuò)散角的第2個水平值。14°到10°，共增大了4°，所以，18°為擴(kuò)散角的第3個水平值。因此，選擇擴(kuò)散角為10°、14°和18° 3個水平值進(jìn)行試驗驗證，以深入分析擴(kuò)散角變化對脂溶性農(nóng)藥的混合均勻性的影響。

1.2.2 試驗方案設(shè)計

混藥器有效長度正交試驗因素水平值如表 1所示。因素 A為螺旋彎曲收縮管的收縮角，選擇為 A1=19°、A2=22°和A3= 25°的3水平值。因素B為混合管長度，選擇為B1= 20 mm、B2= 12 mm和B3= 8 mm的3水平值。因素C為擴(kuò)散管的擴(kuò)散角，選擇為C1= 10°、C2=14°和C3= 18°的3水平值。旋動射流混藥器有效長度正交試驗設(shè)計方案如表3所示。

表1 正交試驗因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test

1.2.3 試驗用混藥器

對表1中9種混藥器采用3D打印成型，打印材料選擇透明的紫外線固化塑料，表面拋光，其理化性能如表2所示?；焖幤鞣诸愐姳?中混藥器代號。

表2 3D打印材料物理性能Table 2 Physical characteristics of 3D printing material

1.3 混合均勻性檢測方法

由于熒光劑6100可完全溶解于菜籽油中，因此只要分析熒光劑6100在混藥器中與水的混合比就可以確定菜籽油在水中的混合比，為了分析熒光劑在指定區(qū)域內(nèi)（混藥器出口處）混合的均勻程度，可以在混藥器出口處選定一定大小的區(qū)域，采用均方根誤差RMSE來分析該區(qū)域內(nèi)樣本（像素值）的離散程度[31]，RMSE對測量數(shù)據(jù)中的最大和最小誤差反映非常敏感，能夠很好地反映出測量的精密度見式（3）[32]。

式中Ti是像素測量值數(shù)組，Ai是像素均值，n是數(shù)據(jù)點總個數(shù)。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 混藥器混合均勻性標(biāo)定

根據(jù)圖 1試驗系統(tǒng)，把進(jìn)藥系統(tǒng)中截止閥和藥泵關(guān)閉。根據(jù)藥泵和水泵的流量比，選擇5 mL菜籽油和500 mL水均勻混合，進(jìn)行菜籽油混合均勻性標(biāo)定，其目的是同混藥器在線混合采集分析的均方根誤差值對比，判斷藥水混合均勻性。將配好的脂溶性農(nóng)藥替代物倒入水箱中，并不停攪拌，保證水箱中脂溶性農(nóng)藥替代物和水均勻混合，迅速打開水泵，這時通過水泵進(jìn)入混藥器中的脂溶性農(nóng)藥替代物和水的混合物是均勻混合的。

借助高速相機(jī)采集混藥器中藥水混合效果圖經(jīng)MATLAB映射后如圖4a所示，為了得到農(nóng)藥與水在混藥器中混合均勻的圖像，利用人工不停攪拌農(nóng)藥與水并迅速采集圖像數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行圖像處理的方式處理，可得到此時圖像的均方根誤差為100%均勻混合值，圖4b“實際區(qū)域圖像”為圖4a中矩形區(qū)域內(nèi)的像素值分布圖，其中最大像素98，最小像素74；圖4c“均值填充區(qū)域圖像”是圖 4b“實際區(qū)域圖像”內(nèi)所有像素值的平均值，為86.857 2。進(jìn)行標(biāo)定的混藥器為隨機(jī)選取的旋動射流混藥器222 014。通過對圖4分析發(fā)現(xiàn)，混藥器混合均方根誤差值在3.480 4時，為最佳的脂溶性農(nóng)藥均勻混合效果，而且該參數(shù)越小，混合均勻性越好。

圖4 混藥器222014均方根誤差Fig.4 RMSE of mixer 222014

用旋動射流混藥器對脂溶性農(nóng)藥和水進(jìn)行混合，可基本杜絕水和藥完全分離的狀態(tài)，說明旋動射流混藥器能夠?qū)崿F(xiàn)脂溶性農(nóng)藥與水的在線混合，但因結(jié)構(gòu)參數(shù)不同，混合效果也會出現(xiàn)很大差異。如根據(jù)前期試驗圖像數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)用混藥器220810進(jìn)行混合均勻性試驗時，用肉眼即可看出其混合效果很不理想，如圖5所示。圖5a為混藥器220810藥水混合原圖經(jīng)MATLAB映射后效果圖，圖中擴(kuò)散管內(nèi)導(dǎo)葉和光管內(nèi)有明顯的條絮狀混合不均勻的植物油存在；圖5c顯示該狀態(tài)的均方根誤差值為9.362 1，而從圖5b“實際區(qū)域圖像”可以看出圖5a矩形區(qū)域內(nèi)的灰度值分布不均勻，有明顯的亮光出現(xiàn)。所以用混藥器220810對菜籽油與水進(jìn)行混合其效果很差。

2.2 混藥器均方根誤差值測定

對表1中的9種混藥器利用圖1中的混合試驗系統(tǒng)分別進(jìn)行試驗，采用圖 4的方法先提取混合段圖像，然后用MATLAB軟件進(jìn)行圖像處理，計算混藥器出口處矩形區(qū)域內(nèi)均方根誤差值，其結(jié)果如表 3所示，根據(jù)標(biāo)定的均方根誤差最佳值3.480 4，可以判斷試驗值越接近最佳值混合性能越好。對試驗對象開展兩次混合重復(fù)測量進(jìn)行方差分析（即進(jìn)藥-混合穩(wěn)定-停藥，再進(jìn)藥-混合穩(wěn)定-再停藥）。通過2次重復(fù)試驗分析試驗樣本均值間差異的顯著性，從而推斷試驗所施加的處理或不同條件的效應(yīng)，研究各種處理之間是否存在顯著性差異的同時，研究不同參數(shù)混藥器混合均勻性之間的差異。

圖5 混藥器220810均方根誤差Fig.5 RMSE of mixer 220810

2.3 三因素顯著性分析

三因素顯著性分析結(jié)果如表4所示，其中三因素（A、B、C）如果 Sig.（Significance）值＜0.05，則說明在 5%的顯著性水平下，該變量對于因變量有顯著性影響。如果Sig值＞0.05，則說明在5%的顯著性水平下，該變量對于因變量沒有顯著性影響。表4發(fā)現(xiàn)A因素測試Sig.值為0.206，沒有顯著性影響，B、C因素測試Sig.值分別為0.004和0.025，有顯著性影響。根據(jù)系數(shù)判斷，B的回歸系數(shù)最大且通過了顯著性檢驗，C的回歸系數(shù)次之且通過了顯著性檢驗、A的回歸系數(shù)最小且未通過顯著性檢驗。因此，試驗中3種因素影響程度從大到小排序為B、C、A，即混合管長度 L0對旋動射流混藥器混合均勻性影響最顯著，其次是擴(kuò)散管擴(kuò)散角 a2，沒有顯著影響的是收縮管收縮角a1。

表3 試驗方案及結(jié)果Table 3 Experiment scheme and results

表4 主體間效應(yīng)的檢驗Table 4 Test of inter subjectivity

2.4 最優(yōu)方案分析

1）三因素參數(shù)估計分析

三因素參數(shù)估計如表5所示。

表5中A因素系數(shù)最小為水平3，系數(shù)為0；B因素系數(shù)最小為水平 1，系數(shù)為 -2.205；C因素系數(shù)最小為水平3，系數(shù)為0。所以，最優(yōu)的試驗方案為A3B1C3，即旋動射流混藥器252018。

2）兩兩因素對比分析

三因素兩兩因素的估算邊際均值如表6所示。A、B因素對比分析，可以看出A因素的水平3優(yōu)于水平1和2，B因素的水平1優(yōu)于水平2和3；A、C因素對比分析，可以看出A因素的水平3優(yōu)于水平1和2，C因素的水平3優(yōu)于水平1和2；B、C因素對比分析，可以看出B因素的水平1優(yōu)于水平2和3，C因素的水平3優(yōu)于水平1和2。

表5 混藥器三因素參數(shù)估計Table 5 Three factor parameter estimation of mixer

表6 因素邊際均值對比分析Table 6 Comparison and analysis of marginal mean of factors

綜上，A因素中的水平排序依次為3、1、2。B因素中的水平排序依次為1、2、3。C因素中的水平排序依次為3、2、1。因此，旋動射流混藥器最優(yōu)的結(jié)構(gòu)為A3B1C3，即旋動射流混藥器252018為在保證對脂溶性農(nóng)藥均勻混合的前提下，混藥器有效長度最短。旋動射流混藥器252018結(jié)構(gòu)總長149 mm，混藥器有效長度69 mm。

3 結(jié) 論

采用三因素三水平正交試驗對旋動射流混藥器收縮管與擴(kuò)散管結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析，針對不同擴(kuò)散角、不同收縮角和不同混合管長度的混藥器進(jìn)行對比，并通過方差分析，得到以下主要結(jié)論：

在打樁時，鋼板樁出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，這種情況主要是由于定位樁船晃動導(dǎo)致打拔樁機(jī)樁錘水平位置不能良好地控制，而前后鋼板樁已通過鎖孔鎖死，致使后沉入鋼板樁繞鎖孔轉(zhuǎn)動。這種情況由于鋼板樁下部已沉入土層，受土壓力影響產(chǎn)生局部扭轉(zhuǎn)，產(chǎn)生扭矩導(dǎo)致鋼板樁變形。

1）在旋動射流混藥器的擴(kuò)散角、收縮角和混合管長度 3個因素中，因混合管內(nèi)主流體的流速是分散并帶走流入農(nóng)藥的關(guān)鍵，故混合管長度對混合均勻性影響最顯著；其次是擴(kuò)散角，必要的擴(kuò)散角能進(jìn)一步混合尚未混合的農(nóng)藥并優(yōu)化混藥效果；對混合效果沒有顯著影響的是收縮管收縮角。

2）混合管長度的3個水平值對混合均勻性影響的排序為 20、12和8 mm，故要減小混藥器有效長度不能選擇減小該值；擴(kuò)散管擴(kuò)散角的 3個水平值對混合均勻性影響的排序為18°、14°和10°，因較大的擴(kuò)散角對減少混藥器有效長度影響最顯著，故可以作為最佳優(yōu)化參數(shù)；收縮管收縮角的 3個水平值對混合均勻性影響的排序為25°、19°和22°，規(guī)律性不明顯，因此為了減小混藥器長度可以考慮采用較大的收縮角。

3）研究發(fā)現(xiàn)，旋動射流混藥器252018（收縮角25o，混合管長度20 mm，擴(kuò)散角18o）混合效果較好，有效長度最短，其總長149 mm，有效長度69 mm。因此該混藥器可以作為結(jié)構(gòu)及其性能參數(shù)與之匹配的噴霧機(jī)推薦使用的混藥器。

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