故障与维护管理

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第八节  故障与维护管理
一、气缸盖与气缸套常见缺陷
    1．气缸盖常见缺陷
    1）贴合面漏气
    少量漏气时，冷却水中会出现气泡。由于密封垫片材料不断硬化，缸盖螺栓不断被加热伸长，泄漏会逐渐严重而引起漏气、漏水和漏油。严重时燃气吹破密封垫片、大量漏气，迫使柴油机停止工作。
造成缸盖贴合面漏气的原因通常有：①缸盖螺栓预紧力不足或严重不均；②密封垫片装反、老化或损坏；③贴合面有杂质在局部梗垫，或贴合面本身有损伤伤痕；④缸盖底面或机体支承面变形，平面度误差严重；⑤柴油机若负荷过重或工作粗暴，也易造成缸盖贴合面漏气。
    2）气缸盖翘曲
    气缸盖翘曲是其本身发生的塑性变形，使缸盖各表面失去正确形状。严重时缸盖底面与缸套或机体贴合面不平，造成密封失效，漏气漏水严重，柴油机无法工作。
造成缸盖翘曲的主要原因有：①缸盖螺栓预紧力过大或严重不均；②柴油机长期超负荷或最高爆发压力过大；③气缸盖制造加工残余应力严重。
    3）气缸盖裂纹
    气缸盖裂纹常发生在底板上，最易发生在各阀座孔与喷油器座孔之间。造成缸盖裂纹的根本原因：热应力引起的热疲劳和腐蚀疲劳加上气体压力共同作用。
表现以下几方面：①缸盖材质不合要求，抗热疲劳强度低；②制造缺陷。没有消除制造残余应力，局部结构应力集中严重等；③因结构不当或水垢严重，冷却效果差；④柴油机使用、操作不当。如突然加大喷油量，突然向冷却系统补充大量冷水或者频繁起动，停车等等。
    2．气缸套常见缺陷
    1）气缸套磨损
    磨损量沿气缸轴线方向分布如图2-78所示。图a)为摩擦磨损正常分布。磨损量从活塞上止点时第一活塞环的位置向下渐小。这是因为缸壁温度较高，活塞环携油速度低，润滑油难以存在，加之此时活塞对缸壁压力最高，故磨损最大。图b）、c）为磨粒磨损较重的磨损图。图b）为进气中含有大量尘埃或燃油结碳所致，图c）是因润滑油中含有较多杂质或金属磨削屑所致。图e）、f）为腐蚀磨损严重时的磨损量分布，图e)为燃用高硫燃油，或频繁低温起动所致，磨损在上部严重。f）是因长期冷却水温过低，缸套下方温度更显得低，冷凝水更易产生酸性腐蚀。图d）为异常粘着磨损图，这种磨损最易发生在缸套上部，此处温度过高，燃气损伤作用最重，更易产生干摩擦的熔着现象。粘着磨损常会发生在使用初期的磨合阶段。一旦发生若不及时采取措施，粘着磨损面积越来越大，最后，使活塞不能滑动而被咬死即称为“咬缸”。
二冲程柴油机易磨在排气口或扫气口的筋肋上，发生熔着磨损。
    缸套的磨损量轴线方向呈现上大下小，而且在同一横截面内也是不同的。筒形活塞柴油机正常磨损，是缸套横向磨损大于纵向。其原因是活塞对缸套的侧推力在横向，即垂直曲轴轴线的方向。纵向即指曲轴轴线方向。
    活塞与缸套相对摩擦磨损一般在初期较快，故应在低负荷，充分润滑下低速进行磨合，经磨合的表面光洁度和硬度都有提高，进入正常磨损阶段，磨损速度下降，这也是机体正常工作期。磨损量超过规定，或圆度、圆柱度误差超过规定极限的缸套，应更换或者镗孔修复内孔再用。
    造成粘着磨损根本原因是干摩擦、磨合不良、超负荷运转、冷却不良或配合间隙不当以及燃气窜漏或操作不当等等，都可能导致拉缸和咬缸。
    2）气缸套裂纹
    气体脉动应力及热应力造成机械疲劳与热疲劳或者安装应力过大会使缸套产生裂纹。若缸套有裂纹，工作时高压燃气便会冲入冷却水系统，使冷却水压力波动或出现气泡；停车冷却后缸内会有冷却水漏入并积蓄。怀疑缸套裂纹时，应停止该缸供油并停车检查，一旦发现裂纹则应更换或修理。
    缸套裂纹易发生在安装凸肩与外圆转角处，或在燃烧室内壁或气口间筋肋间。上部裂纹往往是安装应力和疲劳应力过大所至。燃烧室壁和气口筋肋往往因过热或拉缸、咬缸产生裂纹。因冷却水温过低，热应力过大也会产生裂纹。活塞与缸套间隙过大，撞击强烈也加速裂纹产生。如果燃烧压力过大，或燃油量过大也容易造成裂纹产生。
    3）其它常见缺陷
    湿式缸套外圆O型橡胶密封圈失效，使冷却水泄漏到曲轴箱或扫气箱，造成柴油机无法工作或发生事故。水封橡胶圈处泄漏对筒形活塞机一般从缸套下方观察有无下滴冷水可知，而二冲程机的气缸体与缸套水封圈相对的下方都有观察孔，水封因失效时，观察孔中会有流水。选装好新的橡胶水封圈是密封效果好的最根本的保证。
    缸套冷却水面的穴蚀密集针孔会损伤缸套强度，严重时使缸套报废。若活塞与缸套装配间隙过大，冷却水压偏低或因局部流道堵窄、流速加快时，都易产生穴蚀破坏。发现缸套有穴蚀麻点时应分拆产生的原因加以根除，再根据缸套的穴蚀情况，焊补、修复或更换。
缸套冷却水腔工作长久后会堆积水垢，冷却效果将严重恶化。故应用机械的或化学的方法及时清除水垢。
二、活塞组件常见缺陷及维护管理
    1．活塞本体裂纹和磨损
    活塞顶部圆周裂纹和网状裂纹是因温度过高使材料氧化烧蚀，强度下降，加之气体机械应力和热应力过大而致。活塞的裂纹可用目测法、粉剂显痕法和水压试验法等方法进行检查。活塞本身出现裂纹应更换备件。应急临时修理时对钢质活塞可施行焊补，但需预热和退火；对铸铁活塞只能以小电流进行补焊处理。航行中无备件更换，只有减缸航行。
    活塞本体的磨损中，筒形活塞的裙部磨损较重。在强载柴油机中活塞环槽及活塞座孔的磨损也较明显。
    筒形活塞裙部在侧推力下与缸套内表存在着机械摩擦磨损、磨粒磨损和腐蚀磨损，还有可能出现异常的粘着磨损。磨损情况与缸套类似。
    活塞环槽因受活塞环的多种运动摩擦而磨损，不仅造成与活塞环的轴向（天地）间隙增大。还会造成内窄外宽等不规则形状，后者又加重活塞环的歪扭或断裂的可能。故应用环槽标准样板检查环槽形状，并可车削修正完好后再配以加厚的活塞环。
活塞销座孔与活塞销在大比压、低速下摆动摩擦，磨损也较严重。与活塞销间隙增大后会加重活塞、连杆的连接处冲击疲劳。故应检查活塞销座孔直径变化量。测量应在孔口内外两端面约10mm的四个位置上进行，每个位置应测量垂直和水平方向的孔径，有活塞销座衬套的活塞在孔径增大后应更换衬套。
    2．活塞环磨损、粘着和断裂
    在正常工作时活塞环的径向磨损和轴向磨损是不可避免的。径向磨损使活塞环塔口间隙增大；轴向磨损使其与环槽轴向间隙增大。磨损后环的弹力会下降，且外圆周面与缸套内壁会接触不良。这些都使其密封、传热性能严重恶化，还会引起环的过热、粘着甚至断裂。所以应在缸套磨损最大的地方检查旧活塞环的搭口间隙；在工作环槽中检查其轴向（天地）间隙。同时还应进行必要的弹力检查和漏光检查。对检查后不合格的活塞环应及时更换。
    活塞环粘着是由于环槽内油泥堆积物胶结，活塞受热变形把环挤夹在环槽中，活塞环失去弹性，不能自由运动造成的，这是活塞环的严重事故。它不仅使活塞环自身性能丧失，而且会导致致拉缸和咬缸恶性事故。在活塞环工作温度过高，润滑油太多，燃烧不良时粘着最容易发生。运转中停机后可从气缸检查孔，通过气口用圆棍抵压活塞环。若环在槽中不能活动说明环已粘着。
    活塞环断裂在大中型机，尤其是燃用重油的时候容易发生。断环可能是因环磨损过度或高温烧伤而强度下降所致，也可能因环在环槽中局部有杂质堆积梗挤断裂，也可能是环的切口与缸套气口挂折，或者往复惯性力在活塞上止点时使活塞环与缸套上的磨损阶梯凸台撞碰断裂。如果环的塔口间隙太小，工作时没有充分膨胀的余地，会使切口的对侧发生折断。     3．活塞销产生磨损和裂纹
    活塞销的摩擦是在大比压冲击、润滑油供应不稳定及较小相对摆动速度下发生，这很易处于干摩擦状态，故磨损严重。磨损在长度方向是中间较重。在圆周上长期处于气缸中心线方向磨损大于与之垂直的水平方向。测量在活塞销长度方向左、中、右位置，在每个位置的垂直、水平方向测得两个直径值。当活塞销的圆度和圆柱度误差超过规定值时即应更换。
    活塞销在活塞销座孔内还可能配合失效。轻则两者配合表面拉毛；重则销在销座孔内咬死卡阻，使活塞销与连杆小端轴承摩擦恶化加重。产生卡阻的原因有：销与销座间隙过小，因气体爆发力过大使销与销座变形而局部接触，因接触比压太大而油膜破坏。
    4．活塞组件的管理要点
    1）防止燃气对活塞造成的热负荷和机械负荷过大，应限制柴油机的负荷，尤其避免长期超负荷运转。
    2）限制燃气对活塞组件的高温破坏作用应是第一位的。
    3）降低活塞组的摩擦磨损，防止发生异常磨损和粘着磨损是保证柴油机安全工作。同时还应注意以下因素：①缸套内表注油量过大或刮油环失效，使润滑油过多，易产生高温胶结和焦化结炭，使磨粒磨损加重，活塞环粘着可能增大。若润滑油被柴油稀释或酸性高，也会加快磨损。②检修装配质量差，活塞与缸套装配间隙过小，满足不了热膨胀和贮存油膜需要，会使活塞环粘着折断；装配间隙过大，燃气会下窜对活塞等加热，并吹沸、焦化润滑油，还会加重活塞对缸套的撞击，产生敲缸，加快磨损；活塞组各摩擦表面粗糙度太差，容易产生干摩擦。所以活塞装入缸套应进行校中检查修整工作。③活塞组件与缸套配合工作初期，应首先在充分润滑、低速下磨合运转一段时间，待配合表面达到良好配合状态再投入正常工作。
三、连杆组件常见缺陷
连杆组件工作中常见缺陷有杆身的弯曲塑性变形和裂纹，连杆螺栓变形断裂和轴承损伤。
在压应力及摆动附加弯矩长期作用下，连杆杆身尤如压杆会产生弯曲塑性变形。杆身弯曲变形在最高爆发压力过大或缸内积水发生液击现象时更易发生。图2-79所示连杆弯曲的三种变形形式。图a)为连杆大小端轴线平面内弯曲。它使大小端轴承孔轴线不平行，造成活塞在气缸内歪斜使轴承局部负荷过重；图c)为摆动平面的弯曲。它使连杆长度缩短，压缩比减小。连杆弯曲塑性变形用检查连杆长度和大小端轴承座孔中心线平行度来确定。可采用冷态或热态机械反变形校直法来校正。
连杆杆身裂纹是脉冲负荷反复作用的疲劳破坏。当连杆受到冲击力过大以及杆身材料强度不足或应力集中严重时都会产生裂纹。小型高速机连杆容易产生裂纹。杆身中部裂纹多由于杆身碰伤或运转操作不当所致；在杆身与大端或小端过度处因圆弧不够也会产生裂纹；在螺栓（螺母）支承面与圆弧过度尖角处因应力集中严重也易产生裂纹。尤应强调指出：使用中或修理中伤害杆身表面，会形成疲劳裂源。
连杆螺栓发生塑性变形伸长甚至裂纹的主要原因有：预紧力严重不均或过大；螺栓定位圆与孔间隙过大，使螺栓受剪切力；螺母或头部与支承平面贴附不平，附加弯矩过大；螺栓材质差或表面受伤痕迹较重；柴油机发生拉缸或咬缸事故。使用中应首先记录其原始长度以及测量使用后的长度，用来判断连杆螺栓塑性伸长量。当塑性伸长量超过规定值或累计使用时间达到工作周期，则应报废更新。检修中应用色油法或磁力探伤认真检查连杆螺栓表面裂纹，发现有横向裂纹时一律更换，若有少于3根长度不超过5mm且与轴线交角小于30°的发纹还可使用。连杆螺栓断裂事故几乎只发生在四冲程柴油机中，这是由于往复惯性力使其拉伸脉动载荷加重的结果。
四、曲轴常见缺陷
1．曲轴磨损
    曲轴轴颈表面轻微磨损表现为表面擦痕，划痕变粗糙。这是润滑油含杂质、表面不清洁或轴承粗糙等原因所致。有伤痕时应用砂布，油石或修磨夹具加以去除，并应抛光，以减少造成应力集中源的可能。
    长期工作后的轴颈必然发生磨损，使轴颈尺寸形状发生改变。轴颈磨损是不均匀的。它受多处因素影响：①柴油机工作循环中若气体作用力的作用占主导地位时，曲柄销与主轴颈相对的外侧表面磨损量大于内侧表面磨损量，这是大部份柴油机尤其是二冲程机曲轴轴颈磨损的特点。而对于高速柴油机，则因往复运动惯性力在循环中的作用所占比例大，故曲柄销与主轴颈相对的内侧表面磨损大些。②曲柄销因受作用力比主轴颈大，故曲柄销磨损量大于主轴颈。③曲轴中间主轴颈因受两个相邻气缸作用，故磨损量比两端的大些。④因活塞不正、连杆弯曲或曲轴油道杂质在出口后沿长度方向分布不均等原因都会造成曲柄销长度方向磨损不均。不均匀磨损使曲轴轴颈产生圆度误差、圆柱度误差及直径减小等缺陷，并会造成主轴颈与轴承油膜间隙增大、接触不良、冲击性加剧等不良后果。检查曲轴轴颈磨损通过测量轴颈不同方向直径可知。图2-80表示轴颈测量应在长度方向的三个截面进行，每个截面均应测量垂直和水平两个方向直径。同一截面两直径差为椭圆度，不同截面的同一方向直径差为圆柱度。
对曲轴损伤最大的磨损是轴承对轴颈的熔着磨损。由于轴瓦装配错误，润滑油中断等原因造成轴与轴承干摩擦，轴承工作温度升高使轴承合金熔融，粘着于轴颈又撕断，若不及时处理，不断加重，结果会导致曲轴被熔着，轴瓦抱死，停止转动。这是一种曲轴事故。重者使柴油机失去动力，曲轴扭矩过大损伤。轻者也使轴颈表面拉毛过热等严重损伤。轴瓦产生熔着磨损还是轴瓦材料的性能、制造精度、滑油质量、轴颈表面状况等都有很大关系。发生曲轴熔着磨损时，会有轴承温度异常、曲轴箱冒烟、曲轴转速下降等现象，此时应该减低转速及柴油机负荷，加大润滑油供给，使轴承温度下降。熔着磨损后的曲轴表面只有经车磨修整才能恢复正确形状。在套合式曲轴中发生熔着磨损时还会产生红套滑移。
    2．曲轴挠曲
    曲轴弯曲指曲轴轴线离开平直状态，即各主轴颈中心连线不呈一直线。曲轴的弯曲有弹性弯曲和塑性弯曲两种。两者最大区别在于：在曲轴旋转一周中，弹性弯曲的方向不变，而塑性弯曲的方向是旋转的。
    大、中型柴油机的曲轴较细长，刚性较低。安装后，自重使主轴颈座贴于主轴承下瓦表面。因此各主轴承孔的中心连线就是各主轴颈中心的连线──实际轴线。当各主轴承中心高低不一时，安装后的曲轴中心线就不是一根平直线而是呈弯曲弧线，如图2-81所示。若某曲柄的两主轴承低于相邻主轴承，则曲轴轴线在此则呈下塌挠曲状态。相反，若某曲柄两主轴承较相邻的主轴承高，则此处曲轴轴线呈上拱弯曲状态。若存在这两种挠曲，曲轴在回转一周中，两个曲柄臂之间的距离（简称臂距）就会发生变化。当轴线呈下塌挠曲时，曲柄销在上止点时臂距就会比曲柄销在下死止点时的臂距大。若曲轴轴线呈上拱挠曲，则情况相反。
我们可以通过测量曲柄销在不同位置时的曲柄臂距进行比较，即可判断该曲柄的轴线挠曲的情况，如图2-82所示。当某曲柄处曲轴轴线呈下塌挠曲（图a）时，曲柄销在上止点时曲柄臂距L1将大于曲柄销在下止点时的曲柄臂距L2。当曲柄销在上、下止点（或左、右水平）位置时，两曲柄臂之间距离的差值称为“臂距差”。一般规定垂直方向的臂距差为曲柄销在上止点时臂距L1减去曲柄销在下止点的臂距L2，并用符号Δ表示，则Δ=L1-L2。若垂直方向臂距已为正值，说明该曲柄轴线呈下塌挠曲，此曲柄状态称为下叉口，并用符号“∧”标记，说明该曲柄的两主轴承比相邻两侧的主轴承位置低。相反若Δ为负值（图b），则该曲柄轴线呈上拱挠曲，此曲柄状态称为上叉口，用“∨”符号标记，说明该曲柄两主轴承位置较高。水平方向臂距差也用类同方法计算标记。
    3．曲轴塑性弯曲
    如果长期因某缸爆发压力过大的作用，或因机座变形，或各主轴承颈同轴度误差较大，使曲轴受到额外的强迫弯曲力矩作用会产生塑性弯曲变形，使各主轴颈中心偏离理论轴线。曲轴 塑性变形弯曲后，会造成活塞连杆工作失常，更加剧主轴承的损坏。塑性弯曲加重发展，还会造成曲轴本身断裂。
    曲轴弯曲可用检查各主轴颈同轴度来测量。将曲轴自由端没有磨损处作为曲轴在车床上安装找正基准，用百分表测量各主轴颈径向跳动量。若曲轴主轴颈的同轴度误差超过规范。应进厂校直修理，可用静力机械校直、热力校直或热力机械校直以及敲击法校直。
4．曲轴断裂
    曲轴断裂是机械疲劳破坏的最终结果，其最初表现为裂纹。曲轴上常见裂纹形式和部位如 图2-89所示。弯曲疲劳裂纹多开始于曲柄臂与轴颈的过度圆角处，然后向曲柄臂发展，而扭曲疲劳裂纹则往往从圆角部位开始向曲柄销颈发展，并且与轴心线呈45°方向。图中1，2类裂纹主要是由弯曲应力引起，4，5类裂纹主要是由于扭曲应力引起的。而许多裂纹往往是两种应力复合作用破坏的结果。曲轴圆角处弯曲应力集中，所以弯曲疲劳裂纹更多见。
    引起曲轴产生裂纹的实际原因主要有：①主轴承磨损不均，船体及机座变形等造成曲轴挠曲变形，运转中使曲轴在较大的附加弯曲应力下交变变形破坏。②由于产生扭转共振（在临界转速下）使曲轴承受过大的附加扭曲应力而破坏。③由于爆发压力太高或因轴承烧熔，使曲轴受到过大的弯曲载荷或过大扭曲载荷。在柴油机长期超负荷运转，主机多次发生拉缸、咬缸等事故时，曲轴更易产生裂纹。④曲轴坯材中存在白点、夹渣等缺陷或因锻造工艺不良，使轴颈表面高应力区产生缺陷，或因热处理不良产生裂纹源。工作中，在交变负载下，首先破坏并向外扩展。⑤由于设计、制造质量低，使轴颈与曲柄过度圆角处或油孔圆角处过度圆角半径太小或太粗糙，故使应力集中加剧，加快圆角处破坏。⑥由于润滑油变质，酸性物质或水份对轴表腐蚀，使抗疲劳强度下降。轴表面被磨成粗糙划痕，则亦会加快裂纹产生。
裂纹如若不及时发现、修正，则很快会发展成截面断裂，折断。因此应及时或定期对曲轴进行探伤裂纹检查，求得明确结论。对表面浅微裂纹应用磨削消除。较深裂纹者报废。
    5．曲轴红套滑移
    组合式曲轴的曲柄臂与轴颈红套套合处相对位置发生变化，称为红套滑移。曲轴产生红套滑移的原因，往往是由于曲轴受到过大的冲击性扭矩引起的。例如，当爆发压力过高，或发生拉缸及轴承烧熔时，曲轴的扭矩比正常工作大得多，曲轴红套处扭曲位移便容易产生。曲轴产生红套滑移后，柴油机各种定时将发生改变，工作循环将不正常，柴油机性能也不正常，所以航行中若发现曲轴红套滑移，只能降低负荷暂时维持航行，待进厂后修理。
五、柴油机轴承常见缺陷和维护
    1．常见缺陷
    柴油机轴承在工作中常见的缺陷主要有过度磨损，咬粘烧熔、裂纹、腐蚀和划伤等。
    过度磨损是指在很短的工作时间，轴承的磨损量就已很大，甚至达到磨损极限。由于工作时间很短，故又称早期磨损。过度磨损较多地发生在连杆小端衬套式轴承中。产生过度磨损的主要原因有：柴油机起动频繁，轴颈轴承工作表面粗糙，柴油机负荷过重及润滑不良等。
    咬粘烧熔，又称熔着磨损。它是轴承减磨合金严重发热时软化甚至熔化，在轴颈压力下被拖动，轴承表面被撕成不规则形状，合金熔化铺开痕迹在油孔、油槽及轴瓦边缘明显出现。产生这种恶性损伤事故的原因：①柴油机长期超负荷，轴承比压或摩擦速度过大，使摩擦温度特高；②润滑油供应不足，甚至中断；③轴承与轴颈间隙太小，润滑油在间隙中流量过小，使轴承工作温度升高异常；④润滑油粘度过低，难以在轴颈轴承之间形成液体摩擦油膜；⑤轴瓦与座孔贴合不良，甚至轴瓦在座孔中转动，不仅不能散发摩擦热量，甚至切断进油口；⑥润滑油中杂质过多，使磨粒磨损太剧烈，摩擦产生热量增大。
  　合金层产生裂纹甚至剥落缺陷是合金材料在脉动油膜压力下发生的疲劳破坏。疲劳裂纹若向深度发展并在合金层和瓦背结合面发展，裂纹彼此交接，则会产生合金材料片状剥落。产生裂纹或剥落缺陷，除了合金材料本身疲劳强度低以外，主要是柴油机爆发压力太高，或轴颈与轴承配合不良，局部负荷峰值过高，或者轴承轴颈间隙太大等原因造成轴承冲击负荷过重。另外轴承合金和瓦背粘结性能或工艺质量较差时，轴承合金的龟裂剥落发生会更快。
    腐蚀是由于润滑油含有有机酸和强酸（烧重油时），使轴承合金产生化学腐蚀和电化学腐蚀。酸性成份与减磨合金中游离铅作用使其松脆，脱离本身。而使轴瓦表面出现麻点，划伤是轴瓦表面有沿转动方向粗细纹痕。它是由润滑油中杂质造成的。大颗粒的硬质异粒机械式刻划轴承表面，就会留下数根较深划痕。如果润滑油中有细及硬质异粒，则会在局部区域划出细密划痕、划伤，使轴承承压面积减小，引起轴承发热或烧熔。
    轴瓦衬背与座孔贴合不佳，热量不能及时散出时，会在瓦背表面出现大面积发暗区，这叫做衬背烧损。如果轴瓦瓦背与座孔配合过盈不够，在工作负荷作用下，贴合面两金属间发生长期的微小的错动（振动），使瓦背表面发热、氧化，而形成大面积发暗的氧化层，这种现象叫做微动腐蚀磨损。
    薄壁轴瓦使用后，钢背经过时效，内应力消除，使原有制造形状发生变化，轴瓦开口外径和轴承座孔内径相等甚至还小，这种塑性变形叫轴瓦弹张量消失。
    2．维护管理
    1）润滑油的供给状况应保证良好。润
    2）柴油机操作中，应尽量减少停车起动的繁频程度。
    3）注意检查轴承的工作状态。
    4）定期检查调整轴承间隙。
    5）更换轴瓦时，应保证安装质量。
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