水力切割除草机实验台的设计

XXXX 大学毕 业 设 计 说 明 书设计 Q 扣：36396305 学 院：专 业：题 目： 水力切割除草实验台设计指导教师： 职称:职称:20*年*月*日任务书注：此表如不够填写，可另加附页。毕业论文（设计）题目 水力切割除草实验台设计主要内容和要求（宋体五号，行间距单倍行距）水力切割是一种新型的切割方式, 具有适应范围广、切割效率高、切割精度好、刀具无消耗、对材料性质无影响等优点，由于它的这些独特优势，在很多行业以得到应用。由于水的冷却作用，工件温度低，适合对易燃易爆物件如木材、纸张等的加工，提高了操作人员的安全性。加工刀具为高压高速水流，加工过程中不会变钝，减少了刀具准备、刃磨等时间，它没有污染，对环境影响小；工作时不产生灰尘及有毒气体，可提供清洁安全的工作条件；低压水射流工作时噪声小，对居住密集地区的居民影响较小；只要解决工作台及相关技术问题，水力切割将会大有作为。本设计的任务是根据目前水力切割环保绿色低碳的利用愈受重视，结合水力切割的特殊要求，对水力切割除草实验台整体方案、传动系统和工作部件进行规范设计。在指导教师的指导下制订周密的研究方案，进行认真的设计与计算。基本要求：1）所设计的水力切割除草实验台应具有以下特点： 性能稳定、= 2 * GB3 工作安全可靠、= 3 * GB3 操作方便2）需要提交的（电子）文稿：（1）完成 3 张 A0 图（折合） ，并要求利用计算机绘图软件绘出装配原理图及各零部件图，正稿电子文档各一份。 ；（2）撰写不少于 10000 字设计说明书，提交草稿、正稿、正稿电子文档各一份。要求计算合理、数据可靠，格式按湖南农业大学学报（自然科学版）的规定；（3）设计说明书的内容包括：课题的目的和意义；研究的主要内容；整体方案的确定；主要零、部件的选择和设计；切割过程分析与计算：重要零、部件的计算与校核；参考文献；鸣谢。主要参考资料（具体格式以规范化要求规定为准）1 费修莹,胡善明,费隽明.真正的冷加工水刀切割J.金属加工,2008(3):37-38.2 刘忠伟,邓英剑.水喷射加工技术及其在机械领域的应用J.制造技术与机床,2004(2).37-403 Papachristou D N, Braters R. Resection of the liver with a water jet J.Br J Surg,1982(69):93-94.4 陈 光 明 . 超 高压 水 射 流 切 割 技 术在 食 品 加 工 中 的 应 用J. 机 床 与液 压 ,2008(10):220-224.5 费修莹.水刀J.广州轻工业,2005(5): 91-92.6 任家隆.水喷射加工技术的现状及发展J . 华东船舶工业学院学报,1995(9):90-96.7 福禄公司.福禄超高压水刀的优势J.航空制造技术,2009(19):92.8 沈忠厚,李根生,王瑞和.水射流技术在石油工程中的应用及前景展望J.中国工程科学,2002(4): 60-65.9 汤小林,范政文.福禄 水刀的力量J.电气制造,2008(1):2-24.10 高志刚.大地水刀-中国第一刀J.机械工程师,2009(10):17.11 李岳峰,宋敬伟.超高压水射流在石材切割中的应用J.石材,1999(3):13-15.12 廖 勇,卢义玉,向 文英等.数 控水刀石材 切割中的 应用研究 J.岩 石力学与 工程学报 ,2005(10): 1800-1803.13 费修莹,胡善明,费隽明.真正的冷加工水刀切割J.金属加工,2008(3): 37-38.工作进度安排（宋体五号，行间距固定值 22 磅）起止日期2011910 前2011910-9152011916-20119302011101-20124152012主要工作内容选 题下达任务书开 题设 计开 题中期考核4.16-42020124.16-43020125.5 前20125.6-5.25完善与总结课题提交正稿与预审答辩与修改要求完成日期：20 12 年 5 月 5 日 指导教师签名：接受任务日期：20 11 年 9 月 21 日； 学生本人签名：注：签名栏必须由相应责任人亲笔签名。学 部：毕业论文（设计）选题审批表专业：毕业论文题目选题来源（ ）结合科研课题水力切割除草实验台设计课题 名称：选题性质选题完成形式（）生产实际或社会实际）基础研究 （ ）应 用研究）毕业论文 （ ）毕 业设计（ ）其 他（ ）其 他（ ）提 交作品 ，并撰 写论文指导教师姓名 李明 职称 副教授是否主持或参与过科研课题（）是（ ）否选题依据（科学性、可行性论证）和内容简要（宋体五号，行间距单倍行距）水切割技术是国外 70 年代开发、80 年代发展起来的高新技术，已广泛应用于工业、医疗、食品加工等领域。本文综述了水切割技术的应用研究及发展；并提出了水力切割除草新概念，与传统方法比较得出水切割技术除草具有无污染、清洁卫生、粉尘少、刀具无磨损、噪声小等优点，具有广泛的应用前景。水力切割是一种新型的切割方式, 具有适应范围广、切割效率高、切割精度好、刀具无消耗、对材料性质无影响等优点，由于它的这些独特优势，在很多行业以得到应用。而在除草范畴，它没有污染，对环境影响小；工作时不产生灰尘及有毒气体，可提供清洁安全的工作条件；低压水射流工作时噪声小，对居住密集地区的居民影响较小。只要解决工作台及相关技术问题，水力切割将会大有作为。通过查阅，学习相关资料, 了解水力切割技术的发展概况、水力切割技术的组成、分析水力切割各参数对切割效果的影响,利用本科所学知识设计水力切割实验台的结构、通过参数选择电机和传动类型、对试验台各构件的参数进行校核，最后作出实体模型对实验台的，通过一系列实验校核实验台的可行性。专业委员会意见专业委员会主任签名：年 月 日注：请在选项前的“（ ） ”内打“” ；意见栏必须由相应责任人亲笔填写，不够填写时可另加页。目 录摘 要1关键词11 前言11.1 水力切割21.1.1 切割原理21.1.2 发展过程 21.2 水力切割的应用31.2.1 水力切割在工业中的应用31.2.2 水力切割在医学中的应用31.2.3 水力切割在其他方面的应用41.3 水力切割应用的设想42 水力切割试验台传动部分的设计计算52.1 传动方案的拟定52.2 电机的选择62.2.1 电动机类型的选择62.2.2 电动机功率的选择62.2.3 电动机转速的选择62.2.4 确定电动机型号72.3 总传动比及各传动比的分配72.4 传动装置运动和动力参数的计算83 传动零件的设计计算83.1 皮带传动的设计计算83.1.1 选择普通 V 带截形83.1.2 确定带轮基本直径并验算带速83.1.3 确定带长和中心距93.1.4 验算小带轮包角913.23.33.43.53.63.1.5 确定带的根数93.1.6 计算轴上压力93.1.7 带轮结构形式的设计9齿轮传动的设计计算103.2.1 选择齿轮材料与热处理103.2.2 按照齿面疲劳强度设计103.2.3 校核齿根弯曲疲劳强度113.2.4 计算齿轮传动中心距113.2.5 计算齿轮的圆周速度11链传动的设计计算113.3.1 选择链的齿数113.3.2 确定计算当量单排链的功率113.3.3 选择链条的型号和节距123.3.4 计算链节数和中心距123.3.5 计算链速 V123.3.6 计算压轴力12轴的设计计算123.4.1 从动轴的设计123.4.2 主动轴的设计143. 4.3 链轮轴 的设计 15滚动轴承选择及校核计算163.5.1 从动轴上的轴承163.5.2 主动轴上的轴承163.5.3 链轮轴上的轴承17键的选择及校核计算173.6.1 键连接的选择173.6.2 键强度的校核1745水力切割试验台水枪部分的设计18水力切割试验台底座部分的设计182678减速器箱体、箱盖及各附件的设计196.1 减速 器附 件的选择 196.2 箱体的主 要尺寸 19密封与润滑197.1 齿轮的润 滑 197.2 滚动轴承 的润滑 207. 3 链轮 传动 的润 滑 207.4 润滑 剂的 选择 207. 5 密封 方法 的选 取 20全文总结20参考文献 21致谢23附录233水力切割除草实验台设计摘 要：水力切割技术是国外 70 年代开发、80 年代 发展起 来的高 新技术 ，已广 泛应用于工业、医疗、食品加工等领域，与传统方法比较得出水切割技术除草具有无污染、清洁卫生、粉尘少、刀具无磨损、噪声小等优点，具有广泛的应用前景。本文通过对水力切割技术的理论分析，得出水力切割效果的影响因素，设计了一台综合型水力切割实验台，并对轴、链轮、皮带轮、齿轮等主要零件进行了校核。关键词：水力切割；除草；试验台；设计1Design Of Water Jet Cutting Experimental ApparatusAbstract: The hydraulic cutting technology, a high and new technology which is exploited in the70s and developed in the 80s abroad, has been widely applied in many fields like industry, healthcare,food processing . Compared with the traditional technology, the hydraulic cutting tech nology hasadvantages of pollution-free when weeding, environmental protection, little dust, no tool wear, low noise,and so on, which equip it with a broad prospect in app lication . Through theoretical an alyzing of thehydraulic cutting technology, this paper gets influential factors of hydraulic cutting technology, anddesigns an appropriate variable con trol system, and thus making up an in tegrative hydraulic cutting testbed which checks the main parts such as axis, sprocket wheel, belt pulley and gear.Key words: water jet cutting; removing weeds;Labo ratory Apparatus; Layout21 前言水切割技术化水为刀，通过加压水泵的作用使水从一个极细喷嘴喷出，形成高速水射流。这种水射流具有极大能量，能切割木材、纸张、塑料等软性物质。若在水中混入一定比例石英砂料，这种高速夹砂水射流几乎可以切割任何物质。在切割时，材料不会发生任何化学或物理的变化及机械切割的噪音，切割成品边缘平整不毛糙，是一种绿色环保的切割方式，正越来越广泛地应用于工业、机械制造、医学和食品加工等领域，而在农业工程领域尚无相关报道。本文在综述水力切割应用和特点的基础上，首次提出水力切割除草。1.1 水力切割1.1.1 切割原理水力切割就是利用超高压技术把普通水加压到 250-400 MPa 压力，通过内孔直径0.15-0.35 mm 的宝石喷嘴喷射形成速度 800-1000 m/s 的高速射流，俗称水箭 ，可用来切割软基性材料；若在水箭中加入适量的磨料则几乎可切割所有软硬材料。目前所用水刀主要包括供水系统、增压器、蓄能器、开关、控制系统、磨料添加系统、喷头及接收器，系统装置如图 1 所示：图 1 水切割系统简图6Fig1 Sketch of the water jet cutting system31-3水从供水系统输入增压器，形成高压水；在蓄能器的作用下，水压被维持在一定范围内，便于输送连续、稳定的水流至开关；控制系统控制增压器压力大小及开关的打开、闭合，控制一定压力的连续水流至喷头；磨料添加系统用于在水流中加入石英砂等磨料，若用纯水切割，则不需此部分；水流从喷头射出，完成切割；接收器用来消除切割后水流的能量。1.1.2 发展过程水刀的提出可追溯到 1950 年，被公认为“水刀之父”的 Normen Franz 博士寻找一种高效的大型木材切割方法，他迫使水流通过极细喷嘴，第一次获得了短暂的高压水射流，这种高压水射流可切割木材及不太坚硬的物质； 60 年代，高压柱塞泵和增压器的使用推动了水射流的研究工作 ；1974 年美国 FLOW 公司研制出第一台水切机产品；1979 年，被称为“加砂水刀之父”的 Mohamed Hashish博士 开始研究增加水刀切割能量的方法，1980 年他发明了在普通水刀中添加砂料的方法，几乎能切割任何物质，水切割技术第一次用于切割金属、玻璃和混凝土 ；1984 年在美国首先开始采用磨料水切技术。1996 年南京大地水刀公司研制开发出了我国第一台高压水切割产品 。到目前为止，主要在其应用范围发展。1.2 水力切割的应用1.2.1 水力切割在工业中应用水射流技术在我国应用于工业的初次尝试是 20 世纪 50 年代末与前苏联合作发展水力采煤 。经过近年发展，水射流技术已广泛应用与工业生产中。李岳峰、廖勇 等总结水刀切割石材的特点为加工精确、材料利用充分、操作简便、无污染等。在机械加工中， 由于刀具与工件的相对运动产生热量，刀具好坏明显地表现在产品的加工质量上，且在切削加工中刀具对工件的摩擦产生切削热使刀具磨损变钝 。水刀切割刀具为纯水或加砂水，不会磨损，加工过程中产生的热量也被水流带走。水刀加工特殊的切削方法给制造业提出了新的加工途径。张海龙等 对水力切割钛及钛合金做了研究，结果表明用水力切割钛及钛合金成本为普通切割的 1/3，效率是普通切割的 5 倍，数据见表 1表 1 高压水刀切割与火焰切割比较Table 1 Comparison between of water- jet cutting and fire cutting plus edge planning切割 方式 切割长度（m） 费用合计（元） 切割时间（h）水刀 切割 6 597 1.5火焰 切割 6 1638 7.54245-78-910811 12131414另外，水刀切割精度高、热影响区小、金属损失少，明显优于火焰切割。水力切割技术也应用于地基处理 ，它与工程施工技术结合应用，具有施工速度快、可靠性高、费用低等特点。因其独特的的优点，经过近年发展，亦广泛应用于航空航天、国防等领域。1.2.2 水力切割在医学的应用1982 年，德国两位医学教授 Papachirstou 和 Barters 首次将水刀切割技术引入医学领域，将水刀设备（工业水刀）用于肝脏外科手术，用水切割将肝脏病变部分洗掉而不损伤肝内血管和胆管，成功施行了肝叶切除手术。1990 年，德国 Rau将医用水刀应用于临床，从此水刀在外科手术中得到广泛应用；目前已用于肝胆外科、泌尿外科、颌面外科、骨科、神经外科、耳鼻喉科及眼科手术等 。它的作用是代替手术刀，与传统手术相比，水刀手术具有失血少、无热效应产生的坏死和粘连、切割线平整鲜明 、精确控制水压可精确控制切割深度、选择水压可切除实体组织而保留血管和神经且对其无明显损害 ，配备抽吸功能可避免污染 、使用酒精检测技术检测液体吸入 、加磨料微粒增加切割深度和切割硬度大的组织（如骨）及切割深度 等优点。1.2.3 水力切割在其他方面的应用李昕晟 等提到水力切割在“5.12”大地震中的应用，与其他救援方式比较，具有切割材料无选择、可控性好、操作性强、切割速度快、工作环境好、安全性高、适应性强等优点。在家具生产中，水力切割主要用于分割和切削各种材料，使得原材料分割精确，削面更光洁 ；水力切割不产生切削应力和切削热效应，无需二次加工，减少了加工时间和制造成本。水力切割在食品加工中可切割各种食物，切割介质除水外还可用酒精、甘油等；切割方式可用纯水也可加磨料（如盐、糖）切割 。切割时，食品营养和功能损失少，提高加工产品质量；食品断面光滑、形状规整，也可切出特殊形状，作为新的产品造型。水力切割还被用于陶瓷切割工艺 ，具有切割速度快、无热效应、节约材料、不变形等优点。水力切割加工技术具有加工质量高、切缝窄、材料利用率高、切口质量好、切割面垂直、切削无火花、无污染等特点；由于水的冷却作用，工件温度低，适合对易燃易爆物件如木材、纸张等的加工，提高了操作人员的安全性。加工刀具为高压高速水流，加工过程中不会变钝，减少了刀具准备、刃磨等时间 。因其适用范围广，操作安全性高，工作环境好，近年来已迅速被应用于工业、医学等各个领域，而在农业工程方面尚无相关应用。51531617-192021,2223 2425262742829,301.3 水力切割应用设想31农业生产中, 农田杂草直接影响各种作物产量、品质及经济效益 ，它生长于田间及地边农作物旁，长期适应当地作物、耕作、气侯、土壤等生态条件，是农业生态系统中的一个组成部分；主要特点为传播方式多，繁殖与再生力强，生活周期短，种子随熟随落，抗逆性强等 。由于它的这些特点，平均每年给粮食产量带来的损失高达 7.5% 25% 。另外，当前环境问题已经成为人类关注的焦点，大气、土地等环境污染已严重干扰人类的生存与发展。治理中，植树种草等绿化措施可以涵养水源，减少水土流失，改良气候及改善空气质量等，因此越来越受到人们的重视 ；因而草坪杂草的治理也是一个严重的问题，我国草坪杂草种类约有 450 种，分属 45 科、127 属；其中主要杂草种类有 60 多种，与草坪争光、争肥、争水，严重影响草坪的生长与发育，甚至使草坪变成荒草地 。因此清除杂草在农业工程中具有重要意义。目前常用的除草方法有机械除草、化学除草及生物除草 。机械除草即利用专门设计制造的机械设备清除有害植物；它可以快速地清除杂草，且目标明确，可达高效除草的目的。然而机械除草噪声大、粉尘多，工作环境恶劣。化学除草主要是喷洒除草剂等，具有效果迅速、使用方便、易于推广等优势，也是目前最普遍的除草方法 ；但化学除草一般只是杀灭杂草在地面的部分，若长期使用会因作物产生抗药性而失效；且它易造成误杀，对人畜有毒害作用 ，易造成环境污染 。生物除草指利用寄主范围较专一的植食性动植物或病原微生物将杂草控制在经济、生态或环境美化允许的水平 。生物除草控制效果持久，防治成本低廉，作为一种新兴的除草方式，越来越受到人们的重视。然而生物除草效果产生缓慢，从引入原产地的天敌到其与杂草之间形成相互调节、相互制约的生态平衡需要几年或更长的时间 ；且若应用不当，极易造成生物链的不平衡。针对目前除草方法的缺点，本文提出水力切割除草。水力切割除草属机械除草范畴，它以水为切割介质，与传统的机械除草比较，具有清洁卫生、粉尘少、噪声小等优点；与常用的化学除草比较，具有无污染、无毒副作用等优势；与生物除草比较，具有见效快，不影响生物链，适用广泛等特点。随着水切割技术的不断发展，水力切割除草将有广泛的应用前景。综述，水力切割是一种新型的切割方式, 具有适应范围广、切割效率高、切割精度好、刀具无消耗、对材料性质无影响等优点，由于它的这些独特优势，在很多行业以得到应用。而在除草范畴，它没有污染，对环境影响小；工作时不产生灰尘及有毒气体，可提供清洁安全的工作条件；低压水射流工作时噪声小，对632333435363738 39,404142-45居住密集地区的居民影响较小；只要解决工作台及相关技术问题，水力切割除草将会大有作为。h=8 9, L=4 5, 则 Ls=L-b=37mm，圆周力：Fr=2TII/d=2198580/50=7943.2N，挤压强度：p =56 .93 12 5 150 MPa =p ，因此 挤压强 度足够 。剪切 强度： t =3 6.6 01 20M Pa= t ，因此 剪切强 度足够 。键 836 GB1096-79 和键 640 GB1096-79 根据上面的步骤校核，符合要求。 .6.2 箱体的主要尺寸(1)箱座壁厚 z=0.025a+1=0.025108 +1= 7.4625, 取 z=8(2)箱盖壁厚 z1=0.02a+1=0.02108+1=7.45, 取 z1=8 (3)箱盖凸缘厚度 b1=1.5 z1=1.58=12 (4)箱座凸缘厚度 b=1.5 z=1.58=12 (5)箱座底凸缘厚度 b2=2.5 z2=2.58=15 (6)地脚螺钉直径 df =0.036a+12=0.036108+12=16.41(取 18) (7)地脚螺钉数目 n=4 (因为 a250) (8)轴承旁连接螺栓直径 d1= 0.75 df =0.7518= 13.5 (取14) (9)盖与座连接螺栓直径 d2=(0.50.6) df =0.5518=9.9(取 10) (10)连接螺栓 d2 的间距 L=150200 (11)轴承端盖螺钉直 d3=(0.40.5) df=0.418=7.2(取 8) (12)检查孔盖螺钉 d4=(0.30.4)df=0.318=5.4 (取 6) (13)定位销直径 d=(0.7-0.8) d2=0.810=8 (14)df.d1.d2 至外箱壁距离 C1 (16)凸台高度：根据低速级轴承座外径确定，以便于扳手操作为准。(17)外箱壁至轴承座端面的距离 C1C2（510）(18)齿轮顶圆与内箱壁间的距离：9.6 mm (19)齿轮端面与内箱壁间的距离： 12 mm (20)箱盖，箱座肋厚：m1=8 mm,m2=8 mm (21)轴承端盖外径D（555）d3 （D 为轴承外径）(22)轴承旁连接螺栓距离：尽可能靠近，以 Md1 和 Md3 互不干涉为准，一般取 SD2。7 润滑与密封7.1 齿轮传动的润滑通用式的闭式齿轮传动，其润滑方法根据齿轮的圆周速度大小而定。当齿轮的圆周速度 12m/s 时，常将大齿轮的轮齿采用浸油润滑，这样，齿轮在传动时，就把润滑油带到啮合的啮合面上，同时也将油甩到箱壁上，借以散热。由于7为单级圆柱齿轮减速器，速度 12m/s，当 m20但不小于 10mm，所以浸油高度约为 36mm。7.2 滚动轴承的润滑时，浸油深度 h 约为 1 个齿高，润滑对于滚动轴承具有重要意义，轴承中的润滑剂不仅可以降低摩擦阻力，还可以起着散热、减小接触应力、吸收振动、防止锈蚀等的作用。轴承常用的润滑方式有油润滑和脂润滑两类，此外还有固体润滑剂润滑的。选用哪一类润滑方式，这与轴承的速度有关由于轴承周向速度很小，所以宜选用脂润滑，其形成的润滑膜强度高，能承受的较大载荷，不易流失、易密封，一次加脂肪可以维持相当长的一段时间。7.3 链轮传动的润滑链传动的良好润滑可以减缓冲击，减轻磨损，延长链条的使用寿命。由于链传动速度不高，传动方式为开始传动，需要承受的载荷较大，所以宜选用润滑脂进行定期人工润滑。它能形成的润滑膜强度高，能承受的较大载荷，不易流失、易密封，一次加脂肪可以维持相当长的一段时间，且适合开式传动。7.4 润滑剂的选择齿轮采用油润滑，而链轮与轴承则用同种脂润滑剂较为便利，考虑到该装置用于小型设备，选用 GB443-89 全损耗系统用钙基润滑脂 L-XAAMHA1 润滑。7.5 密封方法的选取选用凸缘式端盖易于调整，采用闷盖安装骨架式旋转轴唇型密封圈实现密封。密封圈型号按所装配轴的直径确定为 GB894.1-86-25 轴承盖结构尺寸按用其定位的轴承的外径决定。8 全文结论水力切割是一种新型的切割方式, 具有适应范围广、切割效率高、切割精度好、刀具无消耗、对材料性质无影响等优点，由于它的这些独特优势，在很多行业以得到应用。而在除草范畴，它没有污染，对环境影响小；工作时不产生灰尘及有毒气体，可提供清洁安全的工作条件；低压水射流工作时噪声小，对居住密集地区的居民影响较小；只要解决工作台及相关技术问题，水力切割除草将会大有作为。本设计通过对水力切割技术资料的认真研读和分析，确定了水力切割除草效果与喷嘴距离物体的远近、喷射高低、喷射角度、物体与水枪移动的相对速度等要素的密切关系。在此基础上，结合机械设计相关知识将这些影响要素作为实验变量，在实验台上实现出来。本实验台从水枪与植被茎干距离远近、喷嘴与8植被的相对位置高低、喷嘴与植被的角度位置和水枪与植被水平相对移动速度等作为研究设计对象来设计实验台，具有实验变量选择丰富、实验测量灵活、实验现象明显和环保节约等优点。但是在自动化、自能化方面还存在不足，没有能通过计算机软件系统直接驱动试验台和统计数据。所以将来可以以此实验台为基础，通过加入计算机程序来实现实验与统计的自动化、自能化，更方便，更快捷。9123参考文献费修莹. 水刀 J .广州轻工业 ,200 5(5 ): 91- 92.福禄公司 .福禄超高压水刀的优势 J .航空制造技术,2 009 (19 ):9 2.沈忠厚, 李根 生,王瑞 和.水射流技术在工程中的应用J . 中国 工程科 学, 20 02( 4): 60 -65 .4567891011121314151617181920费修莹, 胡善 明,费隽 明.真正的冷加工 水刀 切割J . 金属 加工,2 008 (3) :37 -38 .刘忠伟, 邓英 剑.水喷 射加工 技术及 其在机 械领域 的应用J . 制造 技术与 机床,2 004 (2) .37 -40Pa pac hri sto u D N, Braters R. 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