周愛忠， 張 禹， 齊廣瑞， 王 磊， 張?zhí)焓妫?孫 康， 馮衛(wèi)東， 張榮軍， 呂昊元

(1.農(nóng)業(yè)部海洋與河口漁業(yè)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所，上海 200090; 2.中國(guó)水產(chǎn)有限公司, 北京 100160)

20世紀(jì)80年代起，我國(guó)開始從國(guó)外引進(jìn)大型中層拖網(wǎng)漁船，經(jīng)30年左右的發(fā)展，目前已形成一定規(guī)模的大型中層拖網(wǎng)船隊(duì)[1]。初期所使用的網(wǎng)具一般隨船引入，受制于自主設(shè)計(jì)能力和制作水平、網(wǎng)具材料等因素，迄今為止，我國(guó)大型中層拖網(wǎng)的國(guó)產(chǎn)化水平不高，多數(shù)仍從國(guó)外直接進(jìn)口[2]。

目前，我國(guó)使用的大型中層拖網(wǎng)主要為四片式結(jié)構(gòu)，網(wǎng)袖和網(wǎng)身第一節(jié)網(wǎng)目普遍為菱形網(wǎng)目或六角形網(wǎng)目[3-5]。繩索拖網(wǎng)是大網(wǎng)目拖網(wǎng)發(fā)展演變的產(chǎn)物，其特點(diǎn)是用一系列縱向繩索來代替拖網(wǎng)網(wǎng)袖和網(wǎng)身第一段，國(guó)內(nèi)外對(duì)其的研究表明，對(duì)減小網(wǎng)具阻力有良好的效果，但比起網(wǎng)目結(jié)構(gòu)的網(wǎng)具，操作更加困難，實(shí)際使用的不多[6-7]。近年，一種具有繩索和網(wǎng)目相結(jié)合特點(diǎn)的大型中層拖網(wǎng)網(wǎng)頭結(jié)構(gòu)引起拖網(wǎng)設(shè)計(jì)人員的注意，其網(wǎng)袖和網(wǎng)身前部力的傳遞類似于繩索拖網(wǎng)，而又有網(wǎng)目結(jié)構(gòu)型式，其水動(dòng)力性能與繩索拖網(wǎng)相當(dāng)。國(guó)內(nèi)對(duì)菱形和六角形網(wǎng)目結(jié)構(gòu)的中層拖網(wǎng)的研究報(bào)告較多[8-10],但尚沒有此種新型網(wǎng)頭結(jié)構(gòu)大型中層拖網(wǎng)的研究報(bào)告。為研究此種網(wǎng)頭結(jié)構(gòu)型式，本文設(shè)計(jì)了網(wǎng)身長(zhǎng)度、配綱長(zhǎng)度和側(cè)網(wǎng)寬度3種因素，各3種水平的正交試驗(yàn)，并利用SPSS軟件分析3種試驗(yàn)因素在試驗(yàn)水平內(nèi)變化對(duì)網(wǎng)具水動(dòng)力影響的顯著性，以期了解此種網(wǎng)具前部結(jié)構(gòu)型式，尋找最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)水平，提高網(wǎng)具的水動(dòng)力性能，為自主設(shè)計(jì)大型中層拖網(wǎng)使用此種網(wǎng)具前部結(jié)構(gòu)提供依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 因素水平

選取網(wǎng)身前部度(網(wǎng)身第一節(jié)目數(shù))、網(wǎng)袖配綱長(zhǎng)度、側(cè)片寬度3個(gè)因素，按L9(34)正交表設(shè)計(jì)安排試驗(yàn)。其中網(wǎng)身長(zhǎng)度改變?yōu)樽兓瘡木W(wǎng)身普通菱形目起到中綱部位的整目數(shù)，分別為1目、2目、3目(對(duì)應(yīng)的網(wǎng)具前部的拉緊長(zhǎng)度分別為151 m、171 m、191 m)組成3個(gè)水平。網(wǎng)袖配綱長(zhǎng)度改變時(shí)，保持中綱的結(jié)構(gòu)和配綱長(zhǎng)度不變，僅改變網(wǎng)袖的配綱長(zhǎng)度，從中綱三拼口起，使網(wǎng)袖的每檔配綱長(zhǎng)度比前一檔等長(zhǎng)和各增加10%、20%，上、下綱的長(zhǎng)度分別為133 m、143 m、153 m 3個(gè)水平，側(cè)綱的長(zhǎng)度也作同比例改變。側(cè)網(wǎng)寬度改變時(shí)保持背、腹網(wǎng)原寬度，改變側(cè)網(wǎng)寬度，分別為側(cè)網(wǎng)與背網(wǎng)寬度1∶1、7∶8、3∶4 3個(gè)水平。所有試驗(yàn)的網(wǎng)身普通菱形網(wǎng)目段不作改變。正交試驗(yàn)因素水平見表1。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

網(wǎng)具前部為四片式，按表1所設(shè)計(jì)的各試驗(yàn)組的網(wǎng)頭結(jié)構(gòu)見示意圖1，網(wǎng)身為8片式，示意見圖2。

1.2 模型網(wǎng)

模型網(wǎng)根據(jù)SC/T 4011-1995《拖網(wǎng)模型水池試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)中漁具模型試驗(yàn)準(zhǔn)則I[11]，按照表1所列的參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算成9頂模型網(wǎng)。實(shí)物網(wǎng)網(wǎng)具前部采用超高分子量聚乙烯材料，網(wǎng)身部位采用高強(qiáng)度尼龍材料；為便于模型加工，試驗(yàn)?zāi)Ｐ途W(wǎng)線材料全部為PE，網(wǎng)線直徑為0.5 mm。模型網(wǎng)與原型網(wǎng)的比重有差異，會(huì)引起一定的實(shí)驗(yàn)誤差，但拖網(wǎng)在高速拖曳時(shí)由此而引起的誤差相當(dāng)小[12],本文的試驗(yàn)結(jié)果和分析均忽略了此種誤差。依據(jù)試驗(yàn)水池規(guī)格條件，取大尺度比λ為40，小尺度比λ′為9。按照SC/T 4014-1997《拖網(wǎng)模型制作方法》制作成模型網(wǎng)具[13]。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

拖網(wǎng)模型試驗(yàn)在東海水產(chǎn)研究所漁具模型試驗(yàn)靜水池進(jìn)行，水池規(guī)格為：90 m×6 m×3 m，水池北端設(shè)置消波器。拖車驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率為7.5 kW×4臺(tái)，拖速范圍0.1～4.0 m·s-1，配有微處理機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，勻速精度P≤1%。光電測(cè)速儀精度為±0.01%。測(cè)力傳感器量程為 200 N。網(wǎng)高測(cè)量為Diver?水位測(cè)深儀，各安裝于上、下綱中央，距離分辨率10 mm。

1.4 試驗(yàn)方法

拖網(wǎng)模型實(shí)驗(yàn)網(wǎng)具的水平擴(kuò)張一般以L/S(袖端間距比下綱長(zhǎng)度)設(shè)定，由于本次試驗(yàn)網(wǎng)具的下綱長(zhǎng)度不同，如設(shè)定L/S，會(huì)造成試驗(yàn)網(wǎng)具的袖端間距不同。為比較此不同對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的可能影響，本次試驗(yàn)分別以L/S=0.45和3種固定的袖端間距(L=57 m、64 m、72 m)(試驗(yàn)網(wǎng)下綱長(zhǎng)度中位數(shù)143 m分別與L/S=0.40、0.45、0.5的乘積，以下簡(jiǎn)稱固定袖端間距)進(jìn)行試驗(yàn)和分析。

本次試驗(yàn)沒有安排重復(fù)試驗(yàn)，每組試驗(yàn)對(duì)應(yīng)實(shí)物的拖速?gòu)?.80～2.83 m·s-1，共分五檔，每檔間隔：0.257 m·s-1(約0.5 kn)，模型試驗(yàn)采用塑料浮子配置浮力，實(shí)物浮力換算值為9.8 kN，全部配置于上中綱。沉力為鐵鏈，水中重9.3 kN，沿下綱均布；重錘重力1.6 kN，左右袖端各1個(gè)，空綱長(zhǎng)度160 m。讀取網(wǎng)具的阻力和網(wǎng)口高度，(固定的袖端間距時(shí)取3種固定袖端間距各試驗(yàn)拖速下所測(cè)阻力的平均值和網(wǎng)口高度的平均值)。用冪函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸處理，計(jì)算實(shí)物網(wǎng)的相應(yīng)值。假如阻力回歸相關(guān)系數(shù)R<0.99或網(wǎng)口高度回歸相關(guān)系數(shù)R<0.98，則重新測(cè)試此組數(shù)據(jù)。

圖1 各試驗(yàn)組網(wǎng)頭部位示意Fig.1 The drawing fore part of nets

圖2 試驗(yàn)組網(wǎng)身部位示意Fig.2 The drawing of the body nets

1.5 數(shù)據(jù)處理

實(shí)物網(wǎng)受力與模型網(wǎng)受力的力學(xué)比例關(guān)系為：

Fsj=Fmx×λ2×λ’

(1)

式(1)中，F(xiàn)sj為實(shí)物的計(jì)算阻力，kN；Fmx為模型的阻力，kN；λ為大尺度比；λ’為小尺度比。

實(shí)物網(wǎng)網(wǎng)口高度由模型網(wǎng)網(wǎng)口高度與大尺度相乘得到。

對(duì)3種水平擴(kuò)張同拖速下的阻力和網(wǎng)口高度的實(shí)物回歸計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均，所得到的值作為該試驗(yàn)組的阻力和網(wǎng)口高度。

實(shí)物網(wǎng)的能耗系數(shù)計(jì)算公式為：

Ce=Fsj×3.472/HsjLxs

(2)

式(2)中，Ce實(shí)物在某個(gè)設(shè)定拖速下的能耗系數(shù)，kW·h·10-4·m-3；Fsj實(shí)物在設(shè)定拖速下的阻力，kN；Hsj實(shí)物網(wǎng)在該拖速下的網(wǎng)口高度，m；Lxs實(shí)物網(wǎng)的袖端水平擴(kuò)張，m。

應(yīng)用SPSS 19.0數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)考察指標(biāo)進(jìn)行方差分析，分析中只考察主效應(yīng)，不涉及交互效應(yīng)的分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 各試驗(yàn)組的阻力

圖3是各試驗(yàn)組在不同拖速時(shí)固定袖端間距下阻力平均值的曲線變化。由圖3可見，在拖速為2.57 m·s-1時(shí)，試驗(yàn)組2的阻力最低(194.43 kN)，而試驗(yàn)組8的阻力最高(215.28 kN)，兩者相差20.85 kN。圖4是水平擴(kuò)張L/S=0.45時(shí)各試驗(yàn)組的阻力變化趨勢(shì)圖，各試驗(yàn)網(wǎng)阻力的高低排列和固定袖端間距下的阻力總體相差不大。在拖速為2.57 m·s-1時(shí)，試驗(yàn)組2的阻力同樣最低(192.85 kN)，最高阻力為試驗(yàn)組9(217.95 kN)，但與次高試驗(yàn)組8的阻力(216.16 kN)相差不大，最高與最低阻力組之間的差為25.10kN。

圖3 水平擴(kuò)張固定時(shí)各試驗(yàn)組的阻力平均值變化趨勢(shì)圖Fig. 3 The changes of average resistance and trend chart when horizontal expansion is fixed

圖4 水平擴(kuò)張L/S=0.45時(shí)各試驗(yàn)組的阻力變化趨勢(shì)圖Fig. 4 The changes of average resistance and trend chart when horizontal expansion is L/S=0.45

2.2 各試驗(yàn)組的網(wǎng)口高度

圖5和圖6分別是固定袖端間距和水平擴(kuò)張L/S=0.45時(shí)各試驗(yàn)組不同拖速下的網(wǎng)口高度變化趨勢(shì)，由圖5可見，在拖速為2.57 m·s-1時(shí)，試驗(yàn)組1的網(wǎng)口高度最低(22.74 m)。而試驗(yàn)組5的網(wǎng)口高度最高(39.42 m)，兩者相差16.68 m。由圖6可見，在拖速為2.57 m·s-1時(shí)，試驗(yàn)組1的網(wǎng)口高度最低(23.89 m)。而試驗(yàn)組5的網(wǎng)口高度最高(39.40 m)，兩者相差15.51 m。

2.3 考察因素的值和方差分析

拖網(wǎng)是一種過濾性漁具，考察其水動(dòng)力性能目前主要有能耗系數(shù)和水動(dòng)力系數(shù)[14,15]，本文以能耗系數(shù)考察網(wǎng)具的水動(dòng)力性能。中層拖網(wǎng)的設(shè)計(jì)中，拖速是保證漁獲效率的重要因素，本試驗(yàn)為了獲得阻力和網(wǎng)口高度曲線進(jìn)行了多種拖速下的試驗(yàn)，但僅選取中層拖網(wǎng)作業(yè)時(shí)最常用拖速2.06m.s-1和2.57 m.s-1下網(wǎng)具阻力、網(wǎng)口高度、能耗系數(shù)各考察因素的實(shí)物網(wǎng)計(jì)算值作分析。表2、表3分別是水平擴(kuò)張固定和L/S=0.45時(shí)各試驗(yàn)組考察因素的值。

圖5 水平擴(kuò)張固定時(shí)各試驗(yàn)組的網(wǎng)口高度平均值變化趨勢(shì)圖Fig.5 The changes of net opening and trend chart when horizontal expansion is fixed

圖6 水平擴(kuò)張L/S=0.45時(shí)各試驗(yàn)組的阻力變化趨勢(shì)圖Fig.6 The changes of net opening and trend chart when horizontal expansion is L/S=0.45

2.3.1 對(duì)阻力的方差分析

當(dāng)袖端間距固定、拖速為2.06 m·s-1時(shí)，在試驗(yàn)水平下，3種試驗(yàn)因素對(duì)阻力的影響均為不顯著(P=0.536、0.609、0.829)。三者的主次順序?yàn)锳(網(wǎng)頭長(zhǎng)度)>B(配綱長(zhǎng)度)> C(側(cè)片寬度)，各因素水平下阻力的大小順序分別是：A3>A2>A1，B3>B2>B1，C2>C1>C3。拖速為2.57 m·s-1時(shí)，3種因素的顯著性與拖速為2.06 m·s-1時(shí)相同(P=0.542、0.867、0.762)、三者的主次順序相同，各因素水平下阻力的大小順序分別是：A3>A2>A1，B3>B1>B2，C2>C1>C3。

當(dāng)水平擴(kuò)張同為L(zhǎng)/S=0.45、拖速為2.06 m·s-1時(shí)，3種試驗(yàn)因素對(duì)阻力的影響均為不顯著(P=0.460、0.228、0.809)，三者的主次順序?yàn)锽 > A > C，各因素水平下阻力的大小順序分別是：A3>A2>A1，B3>B2>B1，C2>C1>C3。拖速為2.57 m·s-1時(shí)，3種因素的顯著性、三者的主次順序和各因素水平下阻力的大小順序與V=2.06 m·s-1時(shí)相同(P=0.398、P=0.229、P=0.614)。

表2 水平擴(kuò)張固定時(shí)各試驗(yàn)組考察因素的值

表3 水平擴(kuò)張L/S=0.45時(shí)各試驗(yàn)組考察因素的值

2.3.2 對(duì)網(wǎng)口高度的方差分析

當(dāng)水平擴(kuò)張為固定袖端間距、拖速為2.06 m·s-1時(shí)，3種試驗(yàn)因素對(duì)網(wǎng)口高度的影響為B因素影響顯著(P=0.017<0.05)，A、C因素不顯著(P=0.097、0.448)，三者的主次順序?yàn)锽 > A > C，各因素水平下的大小順序分別是：A2>A3>A1，B3>B2>B1，C2>C3>C1。拖速為2.57 m·s-1時(shí)，3種因素的顯著性則均為不顯著(P=0.218、0.064、0.939)，主次順序和各因素水平下網(wǎng)口高度大小順序與拖速為2.06 m·s-1時(shí)相同。

當(dāng)水平擴(kuò)張為保持L/S=0.45、拖速為2.06 m·s-1時(shí)，3種試驗(yàn)因素對(duì)網(wǎng)口高度的影響為B因素影響顯著(P=0.039)，A、C因素不顯著(P=0.143、 0.537)，三者的主次順序?yàn)锽> A >C，各因素水平下的大小順序分別是：A3>A2>A1，B3>B2>B1，C2>C1>C3。拖速為2.57 m·s-1時(shí)，3種因素對(duì)網(wǎng)口高度的影響均為不顯著(P=0.325、 0.149、 0.973)，其主次順序是B>C>A。各因素水平下的大小順序分別是：A2>A3>A1，B2>B3>B1，C2>C3>C1。

2.3.3 對(duì)能耗系數(shù)的方差分析

當(dāng)水平擴(kuò)張為袖端間距固定、拖速為2.06 m·s-1時(shí)，3種試驗(yàn)因素對(duì)能耗系數(shù)的影響均為不顯著(P=0.410、0.065、 0.606)，三者的主次順序?yàn)锽 > A > C，各因素水平下能耗系數(shù)的大小順序分別是：A1>A3>A2，B1>B3>B2，C1>C3>C2。拖速為2.57 m·s-1時(shí)，3種因素的顯著性和其主次順序與V=2.06 m·s-1時(shí)相同 (P=0.339、0.074、 0.794)。各因素水平下能耗系數(shù)的大小順序分別是：A1>A3>A2，B1>B2>B3，C1>C2>C3。

當(dāng)水平擴(kuò)張同為L(zhǎng)/S=0.45、拖速為2.06 m·s-1時(shí)，3種試驗(yàn)因素對(duì)能耗系數(shù)的影響均為不顯著(P=0.547、0.076、0.772)，三者的主次順序?yàn)镃> A > B，各因素水平下能耗系數(shù)的大小順序分別是：A1>A2>A3，B1>B2>B3，C1>C3>C2。拖速為2.57 m·s-1時(shí)，3種因素的顯著性、主次順序與V=2.06m·s-1時(shí)相同(P=0.518、0.125、 0.924)。各因素水平下能耗系數(shù)的大小順序分別是：A1>A3>A2，B1>B3>B2，C1>C2>C3。

3 討論

通過模型試驗(yàn)，可觀察到具有繩索拖網(wǎng)和網(wǎng)目結(jié)構(gòu)相結(jié)合特點(diǎn)的中層拖網(wǎng)，構(gòu)成網(wǎng)具前部主要受力的縱向繩索，在斜向繩索的定位下結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。網(wǎng)具前部在水中的擴(kuò)張良好，推廣使用時(shí)如對(duì)受力的縱向繩索和固定位置的斜向繩索的強(qiáng)度適當(dāng)配置，可使網(wǎng)具在具有較好強(qiáng)度的同時(shí)降低材料消耗和網(wǎng)具阻力，比普通的網(wǎng)目型拖網(wǎng)，發(fā)揮出水動(dòng)力性能的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，網(wǎng)頭的結(jié)構(gòu)較六角形網(wǎng)目形式簡(jiǎn)單，便于網(wǎng)具的加工和修理。

3.1 最佳網(wǎng)身長(zhǎng)度和最佳身周比

試驗(yàn)改變網(wǎng)具前部的長(zhǎng)度實(shí)際改變了網(wǎng)身第一節(jié)部分的長(zhǎng)度，從理論上來看，增加網(wǎng)身長(zhǎng)度，擴(kuò)大了網(wǎng)身部分的阻力面積(線面積)，可引起阻力的上升[14]。有文獻(xiàn)資料認(rèn)為，當(dāng)拖網(wǎng)網(wǎng)口周長(zhǎng)一定，網(wǎng)身長(zhǎng)度改變時(shí)，網(wǎng)口高度和網(wǎng)具阻力均無明顯變化[15]。本試驗(yàn)增加網(wǎng)身第一節(jié)的目數(shù)對(duì)網(wǎng)具阻力、網(wǎng)口高度、能耗系數(shù)的影響不顯著。引起網(wǎng)具阻力略微上升與對(duì)網(wǎng)身長(zhǎng)度變化的系列模型試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果吻合[16,17]。從網(wǎng)口高度和能耗系數(shù)的方差分析來看，此種新型結(jié)構(gòu)網(wǎng)具前部的長(zhǎng)度為171 m時(shí)最優(yōu)。試驗(yàn)網(wǎng)具的網(wǎng)口周長(zhǎng)約1 200 m，以此計(jì)算，網(wǎng)具的最佳身周比約為0.149，略大于大網(wǎng)目底層拖網(wǎng)的試驗(yàn)結(jié)果。

3.2 最佳的網(wǎng)袖配綱配置

早期的大型中層拖網(wǎng)的上、下綱的配綱較簡(jiǎn)單，通過模型試驗(yàn)可觀察到綱索較明顯的轉(zhuǎn)折，局部受力較大的現(xiàn)象。大型中層拖網(wǎng)作業(yè)時(shí)理想狀態(tài)為上、下綱的形狀呈拋物線形或懸鏈線形[18]，本次試驗(yàn)的網(wǎng)袖部分配綱沿靠近中綱部分向袖端每檔加長(zhǎng)5%～10%，通過模型試驗(yàn)觀察，上、下綱形狀更加接近懸鏈線形。邊綱各目腳采用等距裝配的能耗系數(shù)最大，而采用邊綱逐段加長(zhǎng)5%和10%水平網(wǎng)口高度高，能耗系數(shù)相對(duì)較小，比每檔等距配置改善了上、下綱的受力，從而提升網(wǎng)具的性能。在漁船拖力足夠時(shí)，采用153 m上、下綱長(zhǎng)度的配置為最佳。

3.3 最佳側(cè)網(wǎng)寬度和背、腹網(wǎng)寬度比

對(duì)四片式中層拖網(wǎng)的研究認(rèn)為，側(cè)網(wǎng)寬度與背、腹網(wǎng)寬度比值的選擇范圍為0.7～0. 85[19]。本試驗(yàn)顯示側(cè)網(wǎng)寬度的變化對(duì)網(wǎng)具 阻力、網(wǎng)口高度、能耗系數(shù)的影響均不顯著。模型試驗(yàn)時(shí)對(duì)網(wǎng)口形狀觀察顯示，在試驗(yàn)的浮、沉力配置下，在低拖速時(shí)，側(cè)網(wǎng)寬度與背、腹網(wǎng)寬度相等時(shí)網(wǎng)口形狀接近圓形，但當(dāng)達(dá)到作業(yè)所要求的拖速時(shí)，網(wǎng)口形狀為橢圓形，側(cè)網(wǎng)寬度與背、腹網(wǎng)等寬度時(shí)側(cè)網(wǎng)片未能有效伸展，網(wǎng)衣在側(cè)網(wǎng)中綱部位冗余，拖速越高越明顯。從網(wǎng)口高度方差分析來看，側(cè)網(wǎng)寬度與背、腹網(wǎng)寬度之比7∶8為最優(yōu)水平。從能耗系數(shù)來看，低拖速時(shí)7∶8為最優(yōu)水平，而高拖速時(shí)則3∶4最優(yōu)綜合以上，考慮大型中層拖網(wǎng)的常用作業(yè)拖速，最佳側(cè)網(wǎng)與背網(wǎng)寬度之比為3∶4。

3.4 試驗(yàn)的局限

本次試驗(yàn)的水平擴(kuò)張為固定袖端間距和L/S=0.45，結(jié)果對(duì)比表明對(duì)試驗(yàn)因素的顯著性和主次性雖沒有顯著差異，但仍對(duì)水平間的排列產(chǎn)生了一定的影響，在上、下綱長(zhǎng)度變化時(shí)如何設(shè)定水平擴(kuò)張以比較網(wǎng)具的性能有待進(jìn)一步研究。另外，試驗(yàn)所得結(jié)果為有限的試驗(yàn)次數(shù)所得，可能存在一定的局限性。此種網(wǎng)頭的優(yōu)勢(shì)和工藝也有待研究和實(shí)踐。

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