钢丝绳电动葫芦振动检测和评价.docx
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钢丝绳电动葫芦振动检测和评价
《钢丝绳电动葫芦振动检测和评价》
河南省地方标准编制说明
1编制的目的和意义
电动葫芦是起重机械中最常用的轻小型起重设备，其机构简单、安装方便，工作效率高被大量广泛应用。
据不完全统计，截至2015年底，全国在用的电动葫芦有2000多万台。
电动葫芦虽被国家定义为轻小型起重设备，但是目前已有的起重量可达100吨。
如此大批量、大吨位的起重设备若在使用的过程中发生故障，不仅影响工作效率，同时也存在着很大的安全隐患，为了保证使用过程中财产及生命安全，对其故障进行检测很有必要。
导致电动葫芦事故发生的原因有很多，由于其80%的零部件都封存在电动葫芦外壳中，而年检时仅凭宏观检测不能有效的发现电动葫芦内部构件运行情况，不能发现隐形故障，更无法对其运行状态进行有效评价；这也使得年检过程失去了部分安全检验的意义，对使用单位日后的安全生产也埋下隐患；于是有必要研究一种方法来评价电动葫芦内部是否有故障或隐患存在。
设备运行状态评价与故障诊断技术经过30多年的研究和发展，已经较为成熟，并进入到了实用阶段。
它对保证设备安全、稳定、优质经济运行都起到了非常重要的积极作用。
我国政府十分重视设备故障诊断和状态检测技术的推广应用，相继出台了一系列的法规制度来推动这项工作的实施。
尤其是于2002年11月1日开始实施的“安全生产法”，更加清楚地表明国家对企业设备运行的安全性问题给予了高度的重视。
我院积极响应国家政策，长期以来专注于安全检测技术研究，并联合郑州大学振动工程研究所开展机电类特种设备状态评价和故障诊断技术的研究和产品开发。
针对检测电动葫芦内部时不方便、情况复杂的现状，提出基于振动信号检测电动葫芦内部缺陷的技术研究，并对电动葫芦内部是否有故障进行评价，对于看似“健康”的电动葫芦发现其隐患，建立对应的安全评价系统。
因此，编制《钢丝绳电动葫芦振动检测及结果评定方法》地方标准，对于满足钢丝绳电动葫芦使用的实际需要，提过我国起重机行业的检测技术水平，保障电动葫芦使用安全等方面具有重要意义。
2任务来源及编制原则和依据
2.1该标准来源于河南省质量技术监督局标准化处。
2.2该标准是在吸收国内外先进技术的基础上，根据国内课题研究成果、技术试验研究结果和使用经验，广泛征求国内同行及使用单位的意见，充分考虑我国钢丝绳电动葫芦的行业现状和未来的发展趋势，作为制定本标准的技术依据。
制定标准时既考虑实用性和可操作性，也力求使技术要求与国外先进技术相近，既要符合国内外行业发展需要，也要符合国情。
2.3标准格式符合GB/T1.1-2009标准化工作导则第1部分：
标准的结构和编写规则。
2.4与国家法规、法律和有关标准相一致。
2.5统一了标准化对象的名词、术语、规格代号及技术要求等。
3本标准编制过程
3.1组建标准制定工作组
从2016年6月，随着国家桥架类及轻小型起重机械质量监督检验中心的建设，由河南省特种设备安全检测研究院牵头，成立了院内部的标准制定小组，该工作小组由院总工程师刘爱国担任组长，主要成员有雷庆秋、尹献德、李娟娟、王允、杜鑫、王国防、熊亚飞、贾森、赵九峰等。
郑州大学成立了董新旻研究团队，主要成员有郝旺身、张炎磊等。
河南省起重机械标准化技术委员会在起重机械行业中征集了参加起草单位，组建了由河南省特种设备安全检测研究院、郑州大学、河南新科起重机股份有限公司等单位组成的起草工作组，并对该标准开展调研和起草工作。
3.2振动检测仪器的选用
振动检测的设备有很多种，工作组多方调查资料并向郑州大学机械振动研究所的专家请教，确定了振动检测设备的选用，该设备应具备以下的功能：
①一般采用由传感器、滤波放大器、指示器和电源装置等组成的测量仪表，允许采用能取得同样结果的其他仪器。
②测量仪器应具有测量振动宽频带均方根的能力，其在直读时能指示或记录振动速度的均方根值。
③根据振动准则可以要求进行位移、速度、加速度三者结合在一起的测量。
④测量仪器的通频响应范围至少为10Hz-10000Hz。
⑤测量仪器尽可能采用电池为电源装置。
⑥测量仪器需定期校准，保证可靠的测量结果。
经调研论证之后，本实验采用的振动信号测试采集仪为由郑州恩普特科技股份有限公司出品的PDES型设备状态检测与安全评价系统。
该振动测试仪器方便携带，可对工厂重要设备进行振动数据采集、数据分析。
综合评价、故障检测等、适用于设备的离线巡检检测及智能分析，该产品具有2个传感器探头，采用磁铁吸附的接触式振动数据采集，可现场获得数据的加速度峰值、速度有效值（均方根值或称振动烈度）、位移峰-峰值或实时频谱图；也可将仪器带回实验室对实测数据导出，在相关软件上进行更为详细深入的振动数据分析。
PDES设备状态检测与安全评价系统技术性能符合我国国家标准GB13823.3中正弦激励法振动标准的要求。
该测试系统满足上述仪器选用功能。
图1为实验用振动测试仪。
图1.振动测试仪
3.3钢丝绳电动葫芦振动检测过程情况调查与研究
3.3.1电动葫芦旋转部件主要故障形式分析
振动检测最主要是针对电动葫芦的旋转部件，即电动葫芦的电动机所驱动的减速系统进行振动检测，根据振动参数、波形图与频谱图确定出该葫芦齿轮箱的故障情况。
在电动葫芦的减速箱中主要存在以下故障情况，见表1：
表1：
电动葫芦齿轮箱主要故障形式
电动葫芦齿轮箱部件名称
故障形式
齿轮
局部断齿；磨损；点蚀；胶合；齿根疲劳裂纹
齿轮轮体
轮缘、腹板等损伤；变形；弹簧、螺杆折断：
齿圈裂纹；变形损伤
箱体
变形；刚度不够：
密封不良；严重损伤，变形
轴
轴不对中；轴弯曲；轴不平衡；轴裂纹
轴承
内环、外环、滚动体的点蚀，疲劳剥落；
保持架损坏；烧伤；滚珠脱落
3.4电动葫芦齿轮箱故障诊断方法的研究
由于电动葫芦减速器的特殊性，齿轮、轴承、轴之间的减速关系，工作组分析了齿轮和轴承的工作机理，并做了大量的数学建模工作，同时也针对齿轮和轴承的故障给出了比较直观的故障诊断方法，以及故障诊断方法的研究内容。
以下就齿轮和轴承最常用的故障诊断方法做分析。
3.4.1齿轮的故障诊断方法
齿轮的建议诊断主要是通过振动与噪声分析法进行的,包括声音诊断法,振动诊断法以及冲击脉冲法等。
进行齿轮故障简易诊断的目的，是迅速判断齿轮是否处于正常的工作状态，对于异常工作状态的齿轮再进行精密的诊断分析或是采取其他措施。
当然，在许多情况下，根据对振平的分析，也可查出一些简单的故障。
本节主要介绍最常用参数判断法。
判定参数法是利用齿轮振动的速度信号或是加速度信号来计算出某一特征向量，根据其大小来判定齿轮所处工作状态的方法。
衡量设备振动值最直接的方法是计算信号的均方根值，他能反映出设备的振动水平，类似的有量纲参数还有均方根幅值，斜度及峭度等。
不过这些有量纲参数值虽然会随着故障的发展而上升，但是也极易受工作条件、比如转速、载荷等的影响，有事很难加以区分，有时为了便于诊断，常用量纲为一的参数指标作为诊断指标，他们的特点是对故障信息敏感；而对信号的绝对大小和频率变化不敏感，这些量纲为一的参数有：
波形指标、峰值指标、脉冲指标、裕度指标及峭度指标，这些指标适应于不同的情况，没有绝对优劣之分。
表2为一个用量纲为一的参数诊断齿轮故障的实例，新齿轮经过了疲劳剥落故障，振动信号有明显的冲击脉冲，除波形参数外，各参数指标均有明显上升。
表2.齿轮振动信号的量纲为一的参数诊断实例
齿轮类型
裕度指标
峭度指标
脉冲指标
峰值指标
波形参数
新齿轮
4.143
2.659
3.536
2.876
1.233
坏齿轮
7.246
4.335
6.122
4.797
1.276
另外还有一种对齿轮早起故障有效的检测是识别方法是基于时序建模和波形参数结合的综合检测方法。
在时序RA（n）模型中，
可作为表征齿轮状态运行的一组参数，当齿轮状态发生变化时，这组参数的个数和数值将随之变化，此时，如果还用原来的参数计算残差，则
将会增加，而
将不再是白噪声，因此检验
是否是白噪声可以用来检测齿轮的状态，但是计算工作量要比计算
大一些，所以实际工作中采用前者，用归一化的残差平方和
参数来监测齿轮的总的状态，归一化残差平方和NRSS由下式计算：
式中：
—振动信号的方差
首先从正常齿轮振动信号采样得到
，并由此计算出峭度指标
、残差指标
、
及
并暂存。
实际监测时，将采样信号用原模型参数计算出
、
和
，将他们和正常状态下的
、
和
相比，在多次检测中若三个参数都超过阈值达50%，则判定齿轮有故障。
某实验齿轮的参数为：
m=3mm，齿数z=50，齿宽b=20mm，表3为对正常状态下的振动信号建立的AR（17）模型，并计算出监测参数值，以及在该齿轮发生严重点蚀时所计算出的检测参数值，可以看出，上述方法是有效可行的。
表3.齿轮正常与点蚀状态下的参数值
正常状态
严重点蚀
增加倍数
参数
NRSS
NRSS
计算值
2.04
13.08
0.263
8.09
39.84
1.442
3.96
3.05
5.48
3.4.2滚动轴承的故障诊断法
在利用振动对滚动轴承进行简易诊断的过程中，通常是将测得的振动值（峰值、有效值等）与预先给定的某种判定标准进行比较，根据实测的振值是否超出了标准给出的界限来判断轴承是否出了故障，以决定是否需要进一度进行精密诊断。
因此，判定标准就显得十分重要。
用于滚动轴承简易诊断的判定标准就显得十分重要。
（1）振幅值诊断法
这里所说的振幅值是指峰值
、均值
（对于简谐振动为半个周期内的平均值，对于轴承冲击振动为经绝对值处理后的平均值）以及均方根值（有效值）
。
这是一种最简单、最常用的诊断方法，他是通过将实测的振幅与判定标准中给定的只进行比较来诊断的。
峰值反映的是某时刻振幅的最大值，因而它适用于类似表面点蚀损伤之类的具有瞬时冲击的故障诊断。
另外，对于转速较低的情况（如300r/min以下）也常采用峰值进行诊断。
均值用于诊断的效果与峰值基本一样，其优点是检测值较峰值稳定，但一般用于转速教高的情况（如300r/min以上）。
均方根值是对时间平均的，因而它适用于磨损之类的振幅值随时间缓慢变化的故障诊断。
（2）波形因素诊断法波性因素定义为峰值与均值之比
值过大时，表明滚动轴承可能有点蚀，而
过小时，则可能发生了磨损
（3）波峰因素诊断法波形因素定义为峰值与均方根值之比
该值用于滚动轴承建议诊断的有点在于他不受轴承尺寸、转速及载荷的影响，也不受传感器，放大器等一、二次仪表灵敏度变化的影响，该值适用于点蚀类故障的诊断，通过对
值随时间变化趋势的检测，可以有效的对滚动轴承故障进行早期预报，并能反映故障的变化发展趋势，当滚动轴承无故障时，
为较小的一般指，一旦轴承出现了损伤，则会产生冲击信号，振动峰值明显增大，但此时均方根值尚无明显增大，故
增大；当故障不断扩展，峰值逐渐到达极限后，均方根值开始增大，
逐步减小，直到恢复到无故障时的大小。
（4）概率密度诊断法峭度，
定义为归一化的4阶中心矩，即
式中：
-瞬时振幅
-振动幅度
-概率密度
-标准差
振幅满足正态分布规律的无故障轴承，其峭度约为3着故障的出现和发展，峭度值具有与波峰因数类似的变化趋势，此方法的有点在于与轴承的转速、尺寸和载荷无关，主要适用于点蚀类故障的诊断。
（5）脉冲冲击法（SPM法）
脉冲冲击法的院里是，滚动轴承运行中有缺陷（如剥落、裂纹、磨损和混入杂物）时就会产生冲击，引起脉冲性振动，由于阻尼的作用，脉冲性振动是一种衰减性振动，因而冲击脉冲的强弱反映了故障的程度。
当滚动轴承无损或是有及微小的损伤时，脉冲值很小，随着故障的发展，脉冲值逐渐增大。
当冲击能量达到初始值的1000倍时，就认为该轴承的寿命已经结束，当轴承的工作表面出现损伤，所产生的实际脉冲值用
表示，它与初始脉冲值
只差成为标准冲击能量
。
根据
值可以将轴承的工作状态分为三个区域进行诊断。
绿区，轴承工作状态良好，为正常状态；
黄区，轴承有轻微损伤，警告状态；
红区，轴承有严重损伤，为危险工作状态。
冲击脉冲法在现场使用之中往往由于经验不足，对设备工况条件开率步骤造成的诊断损失。
因此采用此方法进行诊断是应注意以下几方面问题。
1传感器的安装对于固定式安装的SPM传感器，经常会由于机器本身的结构限制，无法完全达到SPM传感器的安装标准，造成信号的衰减。
2设备安装条件对滚动轴承状态有明显影响的设备安装因素主要有：
不对中和轴弯曲。
这两种安装状态都会使轴承产生不均匀载荷，对轴承油膜的行程造成冲击值加大，行程无报警，因此，对此类轴承，在加强监护的同时，对其报警限值要适当放宽。
3对辅助传动轴承的考虑对于辅助传动轴承，由于经常处于从动轻载荷状况，因此冲击值比其正常载荷下获得的标准值小得多，但是同时由于在容易受其它轴承或齿轮冲击值的影响，使冲击值快速提高，因此对此类轴承放宽其下限，但上限应基本不变。
3.5电动葫芦振动测试数据采集
在2017年的12月25日，工作组成员在河南省新乡市长垣县河南新科起重有限公司进行了数据采集工作。
在该次的采集工作中共采集12台电动葫芦数据。
2018年5月4日，工作组成员在河南省商丘四海能源科技有限公司进行采集工作，在该次的采集中，共采集10台电动葫芦数据。
图2是现场采集实验数据的照片。
图2.现场采集照片
3.6振动测试数据的处理
振动数据的处理有两种方式，第一种是在振动测试仪上直接观看，可以清晰的看到振动参数信息、波形图、频谱图；在实验现场就可以根据参数进行简单的判断故障，是一种比较方便快捷的故障判别方法；图3是现场采集到的信号在振动测试仪屏幕上显示的参数、波形图及频谱图信息。
但是研究针对不同的算法的到的判别结果是由所不同的，而且设备中的算法是固定的嵌入式、是无法更改的，如果使用其他的算法进行信号分析就存在一定的局限性。
如果想进一度做深度分析的话，需要将原始数据导出，利用数据处理平台对原始数据进行处理可以得出相应的参数或是图形数据。
图4为工作组人员将数据导出后通过Matlab软件进行波形图和频谱图的处理结果。
图5为工作组采用Matlab软件对振动的原始数据进行分析所得到的参数、波形图与频谱图。
采用将数据导出进行在分析的方法不仅方便更深入的研究各个参数与特征故障之间的联系，在算法的选择上也较为灵活。
图3.仪器分析主要参数、波形图、频谱图
图4.工作组matlab编程分析波形图、频谱图
图5.工作组Matlab编程分析振动检测参数
3.7钢丝绳电动葫芦振动检测结果评定
3.7.1钢丝绳电动葫芦振动检测数据的实际应用
关于现场振动参数的数据采集工作在本说明3.5中已经陈述了，在该地标的制定中，工作组就现场测试采集到两组钢丝绳电动葫芦额振动数据进行了统计，并结合表6，进行钢丝绳电动葫芦的等级评价。
3.7.21井钢丝绳电动葫芦。
1井钢丝绳电动葫芦基本情况描述：
额定起重量10t，电动机功13.5kW，在役约12年，位置：
河南新科起重机有限公司备件仓库，平时很难达到额载运行，一般都是50%额载工作，工作时间为全天的1/8。
针对这样的一台电动葫芦，计算出的Point1-Point6点振动烈度，和级别以及所属工作区间分别见表7，检测结果显示，该葫芦的工作状态级别是“良”，符合1井钢丝绳电动葫芦的使用状态。
表4.1井钢丝绳电动葫芦安全评价表
点号
振动烈度
类别
级别
区间段
备注
point1
1.5690
第Ⅱ类
1.18-2.8
B
良
Point2
1.2188
第Ⅱ类
1.18-2.8
B
良
Point3
2.9485
第Ⅱ类
2.8-4.5
B
良
Point4
3.0148
第Ⅱ类
2.8-4.5
B
良
Point5
2.2220
第Ⅱ类
1.18-2.8
B
良
Point6
2.2264
第Ⅱ类
1.18-2.8
B
良
3.7.32井钢丝绳电动葫芦基本情况描述：
2井钢丝绳电动葫芦基本情况描述：
额定起重量10t，电动机功率13.5kW，在役时间1月，位于河南省新科起重机有限公司电动葫芦生产车间。
计算出Point1-Piont6点的振动烈度进行分析比对。
由于该钢丝绳电动葫芦刚投入使用，工作组有意针对这样的一台电动葫芦做了振动检测，并对实验的结果进行了验证，见表8所示。
从表中可以看出2井钢丝绳电动葫芦的状态也与测试结果相吻合。
表5.1井钢丝绳电动葫芦安全评价表
点号
振动烈度
类别
级别
区间段
备注
point1
0.4293
第Ⅱ类
0.28-0.45
A
优良
Point2
0.4339
第Ⅱ类
0.28-0.45
A
优良
Point3
0.3365
第Ⅱ类
0.28-0.45
A
优良
Point4
0.3422
第Ⅱ类
0.28-0.45
A
优良
Point5
0.3144
第Ⅱ类
0.28-0.45
A
优良
Point6
0.3164
第Ⅱ类
0.28-0.45
A
优良
3.8标准制定工作启动会
2018年1月，由河南省起重机械标准化技术委员会在河南省特种设备安全检测研究院召开了《钢丝绳电动葫芦振动检测及结果评定方法》
标准制订工作启动会。
由河南省起重机械标准化技术委员会秘书长尹献德
主持，参加会议单位和人员有：
河南省特种设备安全检测研究院技术总工刘爱国、郑州大学教授董新旻、郑州大学副教授郝旺身、河南省特种设备安全检测研究院国家桥架类及轻小型起重机械质量检验中心的全体技术人员也参加了该次会议，此次会议收的主要成果有：
1）确立了本标准编制的总体思路和框架，框架的内容包括：
范围、引用文件、术语、振动检测是测点的布置、钢丝绳电动葫芦按照功率进行分类的必要性。
2）确立了参照标准ISO2372进行评价研究的可能性。
3）提出增加检测钢丝绳电动葫芦的数量，并出具相应检测报告。
3.9标准立项与征求意见
2018年5月22日，河南省质量技术监督局标准化处在河南特检院举行了2018年河南省地方标准立项答辩会，本标准得到了各位到场专家的肯定，并顺利通过答辩，与预立项。
2018年7月20日，该标准形成了征求意见稿，并在河南省地方标准公共服务平台网站上公开征求意见。
4标准编制的主要内容
本标准是一个全新的标准，制定标准时在参考国内外振动检测标准的基础之上，主要根据国内振动检测技术的研究成果、应用现状、典型应用案例、使用经验及发展趋势，确定了标准主要内容，主要内容如下：
范围；规范性引用文件；术语和定义；检测方法与操作条件；检测结果评定；检测报告。
此外，还有“附录A钢丝绳电动葫芦振动检测报告格式”。
4.1范围
明确了该标准适用的对象及范围为钢丝绳电动葫芦，且额定起重量大于5吨，电机功率大于7.5kW。
工作组这里考虑到的是，如果是额定起重量或是吨位很小的电动葫芦检修起来比较方便、检修的成本也不高。
而且小吨位电动葫芦较大吨位电动葫芦发生事故的概率要小一些，故不再考虑吨位较小的钢丝绳电动葫芦采用振动检测的方法。
工作组分析了电动葫芦工作工程中空载和负载对振动检测关键参数值的影响，明确了电动葫芦按照额定功率进行级别划分的依据。
如果是针对电动葫芦减速箱进行振动检测的话，不再考虑电动葫芦沿轨道行走的状态，只考虑电动葫芦的空载升降、负载升降状态。
电如果在空载升降和负载升降的过程中都对电动葫芦进行振动检测，这首先是增加了振动检测的工作量，其次这样长时间的测试属于振动监测的范畴，这里不再讨论，而值关注检测过程中空载和负载对振动关键参数的影响。
实验的过程中我们选用8台电动葫芦、采集了这8台电动葫芦在空载上升和额载上升状态的烈度、方根幅值、平均幅值三个参数，并将这8组数据以图表形式进行对比，通过对比可得出在空载上升的情况下的到的数值比在额载上升情况下得到的参数值有所增加，这也说明了在空载状态下的整体振动比在负载状态下的振动要强烈，故后续的振动检测参数的采集均在空载状态下进行。
此处所说的负载不涉及歪拉斜吊等违规操作时的振动参数检测。
序号
空载
额载
1
3.54
3.40
2
3.28
3.10
3
2.49
2.11
4
2.77
1.96
5
2.28
1.89
6
1.95
1.86
7
3.77
3.61
8
3.31
3.37
图6：
空载上升和额载上升状态下的振动烈度值
序号
空载
额载
1
2.61
2.54
2
2.58
2.42
3
1.787
1.43
4
1.91
1.32
5
1.76
1.25
6
1.53
1.26
7
2.92
2.52
8
2.63
2.45
图7：
空载上升和额载上升状态下的方根幅值
序号
空载
额载
1
2.62
2.59
2
2.88
2.69
3
2.05
1.69
4
2.23
1.56
5
1.98
1.49
6
1.70
1.48
7
3.27
2.94
8
2.90
2.81
图8：
空载上升和额载上升状态下的平均幅值
4.2规范性引用文件
列举了因本规程引用的而成为本规程的条款的技术规范目录。
4.3术语和定义
规定本标准的术语和定义。
4.4振动检测仪器要求与检测环境要求
检测方法中对检测仪器的测量要求以及测量精度提出了要求、对测量的技术要求也提出了要求；画图说明了CD型电动葫芦和欧式电动葫芦在测量时的测点位置要求；对测量时钢丝绳电动葫芦的启停状态以及带载要求给出限定。
4.4.1环境对检测系统的影响
系统在对电动葫芦进行测量时应注意测试的现场不受以下环境影响，因为在以下的环境系统中测量，必定会增加测试数据的不确定性；以下环境包括：
①温度变化较快的场合。
②存在较强磁场的场合。
③存在较强声场的场合。
④电源波动较厉害的场合。
⑤测量的时候一定要保证传感器的电缆的长度，且现场应防止传感器电缆线搅入某些封闭不严的旋转部件中。
⑥测量时应设置好传感器的方向，保证传感器正交方向的正确定。
⑦现场环境复杂，保证正确固定传感器，不降低测量的精度。
4.4.2振动检测时传感器位置设定
在振动检测的过程中需要将加速度传感器安放到电动葫芦的减速器壳体上，由于电动葫芦的结构比较特殊，在结合所用采集设备的特性以及参考标准GB/T14412-2005与GB/T6075.3-2001，设计钢丝绳电动葫芦振动数据采集点为6个（这六个点分别用Piont1～Piont1来表示），具体的采集点图形见图5所示。
（a）CD电动葫芦采集点示意（b）欧式电动葫芦采集点示意
图9.振动测试采集点示意图
在图6中，Piont1和Piont2采集的数据主要为1轴的振动数据，称为第一组数据；Piont3和Piont4主要采集的数据主要来为2轴的振动数据，称为第二组数据；Piont5和Piont6采集的数据主要为3轴的振动数据，称为第三组数据。
其中每组振动数据采集时，传感器的放置沿减速器壳体中间截面径向状态呈90°分布；对于第二组数据，由于受到位置的限制，Piont3和Piont4呈45°分布，第三组数据Point5和Point6呈90°进行数据的采集。
针对欧式电动葫芦的采集Point1和Point2呈90°，采用磁力吸头形式的传感器
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