CN111044191B - 一种姿控发动机推力测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种姿控发动机推力测量装置，解决现有姿控发动机试验装置尺寸较大、测量精度较低以及会对动架、传感器造成损坏的问题。该装置中，动架、力源加载单元、力测量单元和预紧力装置的中心线同轴设置；定架用于承受发动机推力；动架用于安装发动机和传递发动机产生的推力；力测量单元包括稳态力传感器和承力压头，稳态力传感器设置在测量力承力墙上，用于测量动架传递的力，承力压头将动架前法兰的力传递给稳态力传感器；力源加载单元用于实现对稳态力传感器的标准力源加载；预紧力装置设置在动架后法兰和测量力承力墙之间，主要是用于消除动架结构和测量力传感器之间的间隙，同时通过施加一定的预紧力。

Description

一种姿控发动机推力测量装置

技术领域

本发明涉及航天发动机试验领域，具体涉及一种姿控发动机推力测量装置，应用于20kN量级姿控发动机高空模拟试验中推力原位校准及测量。

背景技术

20kN在姿控发动机试验中属于较大推力量级，因需考虑高空模拟试验，故推力架结构不能过大，这就要求推力测量装置在承受20kN推力的同时，装置变形尽量小，变形控制在0.05mm之内。现有姿控发动机试验中，发动机与测量力传感器直接连接，或者发动机通过转接架与动架连接、动架通过轮辐式弹簧片与定架连接。对于前一种连接形式，传感器抗倾覆能力较小，当发动机悬臂较长或较重时不适用；对于后一种连接形式，其具有较大的抗倾覆能力，但若要保证较大的力值传递比，则需设置结构较大的轮辐式弹簧片，导致推力测量装置整体结构尺寸增加、测量精度降低。同时，姿控发动机点火过程中存在回火等情况或其它危险，可能对动架、传感器造成损坏，使得试验不能及时完成。

发明内容

本发明的目的是解决现有姿控发动机试验装置尺寸较大、测量精度较低以及会对动架、传感器造成损坏的问题，提供一种姿控发动机推力测量装置，该装置实现了20kN量级姿控发动机地面及高空模拟试验中的推力测量。

本发明的技术方案是：

一种姿控发动机推力测量装置，包括定架、动架、山型弹簧片、力源加载单元、力测量单元和预紧力装置，且动架、力源加载单元、力测量单元和预紧力装置的中心线同轴设置；所述定架用于承受发动机推力，包括底座以及依次设置在底座上的前弹簧片承力墙、测量力承力墙、后弹簧片承力墙和标准力承力墙；所述动架用于安装发动机和传递发动机产生的推力，包括固定连接的动架前法兰和动架后法兰，所述动架前法兰通过转接架与发动机连接，同时通过山型弹簧片与前弹簧片承力墙连接，所述动架后法兰通过山型弹簧片与后弹簧片承力墙连接；所述力测量单元包括稳态力传感器和承力压头，所述稳态力传感器设置在测量力承力墙上，用于测量动架传递的力，所述承力压头设置在稳态力传感器和动架前法兰之间，将动架前法兰的力传递给稳态力传感器；所述力源加载单元设置在标准力承力墙上，用于实现对稳态力传感器进行标准力加载；所述预紧力装置设置在动架后法兰和测量力承力墙之间，包括预紧力加载头、预紧中间板、预紧架和多个预紧连接板；所述预紧架包括预紧环和多个预紧块，所述预紧环固定设置在动架后法兰上，多个预紧块沿预紧环的周向均匀设置，其一端垂直固定在预紧环端面，另一端通过预紧连接板与预紧中间板连接，所述预紧力加载头的一端固定设置在测量力承力墙上，另一端与预紧中间板接触。

进一步地，所述力源加载单元包括依次连接的标准力加载头、拉环、拉杆、标准力传感器和电动缸；所述标准力加载头位于动架后法兰的外侧，用于将加载力传递至动架后法兰，所述电动缸的缸体固定设置在标准力承力墙上，其输出轴与标准力传感器连接。

进一步地，所述拉环采用万向节接头。

进一步地，所述动架前法兰上设置有冷却腔，所述冷却腔内设置有多个冷却隔板，多个冷却隔板用于增大冷却液的过流面积。

进一步地，还包括有与冷却腔相连接的冷却管路，所述冷却管路包括相连通且直径不同的硬管段和软管段，所述硬管段设置在推进剂管路与定架上，所述软管段设置在动架冷却腔上，且设置为U型弯曲段。

进一步地，所述前弹簧片承力墙、后弹簧片承力墙的内侧设置有限位块，用于对动架进行限位。

进一步地，所述前弹簧片承力墙、后弹簧片承力墙上设置有第一定位块，所述动架前法兰上和动架后法兰上设置有第二定位块，所述第一定位块和第二定位块上开有定位销孔，所述山型弹簧片通过第一定位块与定架连接，通过第二定位块与动架连接。

进一步地，所述稳态力传感器的外侧设置有水冷隔热装置，所述水冷隔热装置包括水冷法兰，水冷法兰上设置有冷却腔，所述冷却腔内设置有多个冷却隔板。

进一步地，所述动架前法兰、动架后法兰通过四根连接杆固定连接。

进一步地，所述动架前法兰通过四组山型弹簧片与前弹簧片承力墙连接，且四组山型弹簧片均匀设置；所述动架后法兰通过四组山型弹簧片与后弹簧片承力墙连接，且四组山型弹簧片均匀设置。

本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本发明测量装置的定架、动架、发动机和传感器的中心线五线同轴，定架与动架的承力墙采用一体化结构，从而提高了力值传递精度，进而显著提高推力测量精度。

2.本发明测量装置中，动架与定架的连接摒弃了传统轮辐式弹簧片结构，采用前后山型弹簧片组连接，在保证整体测量装置结构紧凑的同时，极大地提高了力值传递比，由原来的93％提高至99％。

3.本发明测量装置中的动架设置有冷却腔，可对动架及稳态力传感器进行有效防护，该结构既增强了动架的轴向刚度，同时由冷却隔板形成的水道可以为稳态力传感器隔离来自转接架的热传导和来自发动机的辐射热。

4.本发明测量装置中动架的水冷管路采用柔性设计和不同通径组合的方式，在保证冷却效果的同时，降低管路约束对测力的影响。

5.本发明测量装置以地轴系、单元校准法设计，校准设备结构简单，加载效率高(不调整复位)、重复性误差小(校准精度高)，设备造价较低。

附图说明

图1为本发明姿控发动机推力测量装置的结构图；

图2为本发明姿控发动机推力测量装置中定架的结构图；

图3为本发明姿控发动机推力测量装置中动架的结构图；

图4为本发明姿控发动机推力测量装置中力源加载单元的结构示意图；

图5为本发明姿控发动机推力测量装置中力测量单元的结构示意图；

图6为本发明姿控发动机推力测量装置中预紧力装置的结构示意图；

图7为本发明姿控发动机推力测量装置中冷却管路的结构示意图；

图8为本发明姿控发动机推力测量装置中限位块的安装示意图；

图9为本发明姿控发动机推力测量装置中山型弹簧片的结构示意图；

图10为本发明姿控发动机推力测量装置中冷却腔的结构示意图；

图11为本发明姿控发动机推力测量装置中力校准工作原理图。

附图标记：1-定架，2-动架，3-山型弹簧片，4-力源加载单元，5-力测量单元，6-预紧力装置，7-冷却管路，8-转接架，9-发动机，10-限位块，11-底座，12-前弹簧片承力墙，13-测量力承力墙，14-后弹簧片承力墙，15-标准力承力墙，16-第一定位块，21-动架前法兰，22-动架后法兰，23-冷却腔，231-冷却隔板，24-连接杆，25-第二定位块，41-标准力加载头，42-拉环，43-拉杆，44-标准力传感器，45-电动缸，51-稳态力传感器，52-承力压头，61-预紧力加载头，62-预紧中间板，63-预紧架，64-预紧连接板，631-预紧环，632-预紧块，71-硬管段，72-软管段。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

为了实现20kN量级高室压姿控发动机的地面及高空模拟试验中的推力测量，本发明提供了一种姿控发动机推力测量装置。该测量装置采用单传感器测量推力的一点承力结构，动架和定架的连接采用前后山型弹簧片结构，采用标准力传感器和电动缸组成的自动推力原位校准***，从动架后部加力校验，校验力值传递路径与试车工况一致，通过原位校准可有效消除推进剂供应管路、冷却管路、测量线缆等对推力测量的影响，力值传递比可达99％以上，极大地提高20kN量级高室压姿控发动机推力测量精度。

如图1所示，该姿控发动机推力测量装置包括定架1(包含了推力承力基础、标准力承力基础、弹簧片基座和底座)、动架2、山型弹簧片3(包括前山型弹簧片组和后山型弹簧片组)、力源加载单元4、力测量单元5和预紧力装置6，且动架2、力源加载单元4、力测量单元5和预紧力装置6的中心线同轴设置。

如图2所示，定架1用于承受姿控发动机9的推力，包括底座11以及依次设置在底座11上的前弹簧片承力墙12、测量力承力墙13、后弹簧片承力墙14、标准力承力墙15。定架1材料选择304，为保证装置的稳定性，前弹簧片承力墙12和后弹簧片承力墙14可设置为一体结构。底座11上设置有定位孔，定位孔沿推力轴线分布，用于确保各承力墙纵向安装时的相对位置，定位孔在定架1焊接完成，并去除结构应力后进行定位孔加工。

测量时，定架1保证发动机中心线、动架中心线、稳态力传感器中心线、标准力传感器中心线、力源中心线五条中心线同轴，从而确保发动机工作过程中推力传递轴线与原位校准过程标准力传递路线同轴，通过对各承力墙的位置分布设计和局部加强优化设计，可使动架在承受外界发动机20kN推力时，其最大变形小于0.05mm。

如图3所示，动架2用于安装发动机9和传递发动机9产生的推力，包括固定连接的动架前法兰21和动架后法兰22，动架前法兰21、动架后法兰22具体可通过四根连接杆24连接，也可通过其他方式连接。动架前法兰21通过转接架8与发动机9连接，同时通过山型弹簧片3与前弹簧片承力墙12连接，动架后法兰22通过山型弹簧片3与后弹簧片承力墙14连接。热试车时，发动机推力从动架前法兰21传递至稳态力传感器51，原位校准时，标准力从动架后法兰22传递至动架前法兰21，再传递至稳态力传感器51，为保证两者状态一至，应保证动架2具有足够的刚度，一般不超过0.1mm。

如图8所示，前弹簧片承力墙12、后弹簧片承力墙14的内侧设置有限位块10，限位块功能：在自动原位校准时，防止误操作使动架位移过大，对山型弹簧片造成不可复原的塑性变形，或者在试车产品准备过程中，安装发动机或配置入口管路时，防止动架位移过大，导致山型弹簧片受损，通过调节限位块上的限位螺钉，使其与山型弹簧片间隙在1mm左右，保证不影响推力测量的同时，使山型弹簧片始终在其弹性变形范围内。

如图4所示，力源加载单元4设置在标准力承力墙15上，用于对稳态力传感器51进行标准力源，包括依次连接的标准力加载头41、拉环42、拉杆43、标准力传感器44和电动缸45；标准力加载头41位于动架后法兰22的外侧，用于将力源加载单元4的加载力传递至动架后法兰22，电动缸45的缸体固定设置在标准力承力墙15上，输出轴与标准力传感器44连接。力源加载单元4用于实现电动缸45对稳态力传感器51的标准力源加载，力源加载单元4通过动架后法兰22单点加载，力值通过四根连接杆24作用于稳态力传感器51之上，为了降低动架2质量，同时保证其刚度，连接杆24采用空心圆柱结构，材料选用调制45钢。由于拉杆43与标准力加载头41为硬连接，防止由于加工误差或安装误差导致的加载机构载荷过偏，连接标准力加载头41和拉杆43的拉环42采用“鱼眼”结构，在标准力加载头41和拉杆43不同轴的时候，拉环内部的“鱼眼”结构会进行自适应，保证力值的有效传递。鱼眼结构具体为万向节结构，在拉杆43硬连接时，鱼眼连接部位可自动旋转，保证拉杆43连接不受到额外约束。

力源加载单元4是推力原位校准***的关键环节之一，为了降低原位校准过程中引入的不确定度，力源加载单元4能够在真空、高温、振动环境下稳定输出。20kN推力测量装置选用高精度电动缸作为力加载执行机构，通过伺服电机与丝杠一体化设计的产品，将伺服电机的旋转运动转换成直线运动。整套力值加载装置由伺服电机、滑轨、滚珠丝杠、力传感器、安装基座、实时控制器等组成，通过安装基座与推力测量校准装置基座相安装。实时控制器集测控功能于一体，其中伺服电机控制器用于控制电机转动角度，角度编码器用于检测电机的转动角度，限位开关用于限制滚珠丝杠的位移行程，力传感器用于检测力加载机构的输出力值，通过关键参数信息的融合及判断实现对标准力加载过程的闭环控制。

如图5所示，力测量单元5包括稳态力传感器51和承力压头52，稳态力传感器51设置在测量力承力墙13上，用于测量动架2传递的力，承力压头52设置在稳态力传感器51和动架前法兰21之间，将动架前法兰21的传递给稳态力传感器51。稳态力传感器为被校准对象，可将发动机9的推力数据转化为电压信号输出，稳态力传感器51的外侧设置有水冷隔热装置，水冷隔热装置包括水冷法兰，水冷法兰上设置有冷却腔，冷却腔内设置有多个冷却隔板，该冷却腔的结构与动架前法兰上设置有冷却腔结构相同。

如图6所示，预紧力装置6设置在动架后法兰22和测量力承力墙13之间，包括预紧力加载头61、预紧中间板62、预紧架63和多个预紧连接板64；预紧架63包括预紧环631和多个预紧块632，预紧环631固定设置在动架后法兰22上，多个预紧块632沿预紧环631的周向均匀设置，其一端垂直固定在预紧环631端面，另一端通过预紧连接板64与预紧中间板62连接，预紧力加载头61的一端固定设置在测量力承力墙13上，另一端与预紧中间板62接触。预紧力装置6主要是用于消除动架2和稳态力传感器之间的间隙，同时通过施加一定的预紧力，可使稳态力传感器的实际使用量程在其最适测量范围之内，保证测量精度。

如图10所示，在试验中，温度变化会引起测量装置和传感器温度升高，导致测量装置热变形和传感器温漂，需要对测量装置施加热防辐射措施。本发明测量中，稳态力传感器51距离发动机9较近，主要传热方式为热传导及辐射，姿控发动机9点火过程中的高温辐射及传导会对稳态力传感器51造成很大的影响甚至损坏。本发明在传统单一动架2结构的基础上增加了冷却腔23，冷却腔23设置在动架前法兰21上，冷却腔23内设置有多个冷却隔板231，多个冷却隔板231用于增大冷却液的过流面积。冷却腔23的腔体内部用不锈钢冷却隔板231形成冷却水道，保证循环冷却水可以沿水道走向流经热辐射高温位置，隔离来自转接架8的热传导和来自发动机9的辐射热，同时冷却隔板231又大大增加了动架2结构的强度及刚度，保证在动架2结构承受20kN校准力值的时候，其变形量小于0.5mm，从而保证了校准过程和热点火过程的一致性，提高了校准精度。

如图7所示，水冷式动架2具有很好的强度、刚度及热防护效果，但需要设置进水和出水管路，如若用软管结构，则由于其较差的重复性，会给推力测量带来较大的误差，若用硬管则会引入较大的约束力，为了解决该矛盾，本发明设计了不同通径、“刚柔并济“的冷却管路结构，冷却管路7与冷却腔23相连接。冷却管路7分为两段，包括相连通的硬管段71和软管段72，选用不同外径的不锈钢管。安装在推进剂管路与定架上的硬管段71选取

不锈钢管，增加固定的刚度，设置在动架冷却腔23入口部分的软管段72选取

不锈钢管，并设计U型弯曲段，减小管路代入的约束。

如图9所示，20kN推力测量装置动架2和定架1之间的空间尺寸小，当采用轮辐式弹簧片时，其轴向刚度均难以满足设计要求，因此本发明装置中采用山型弹簧板，山型弹簧板的材料为60Si2Mn(许用应力为[σ]＝1177MPa)。山型弹簧片33作用是把动架2与定架1连接起来，使动架2精确定位，并作为动架2和定架1之间力分界面上的约束，使动架2不能作横向移动，只能沿推力轴线方向作小的位移。动架前法兰21通过四组山型弹簧片3与前弹簧片承力墙12连接，且四组山型弹簧片3均匀设置；动架后法兰22通过四组山型弹簧片3与后弹簧片承力墙14连接，且四组山型弹簧片3均匀设置。山型弹簧片3的各平面可以保证很好的平面度，在推力量级较小的姿控发动机9测量装置中应用较多。山型弹簧片3将动架2和定架1连接，保证其沿轴向有较小的刚度，其他方向有较大的刚度，同时具备较强的抗发动机9侧向力能力，可以使动架2沿推力轴线方向做微小运动，而在其它方向则限制动架2位移，同时可使推力测量装置整体尺寸更加紧凑。山型弹簧片3正面分为三部分，中间部分为固定段，两端为位移段，在动架2受到外力的时候，两端位移段可沿轴向做微小位移，纵截面则分为五段，大截面为结构加强段，小截面为弹性位移段，这种结构可以保证山型弹簧片3在具有足够强度的前提下，纵向刚度很大，而轴向刚度则较小，保证了力值传递的有效性。

本发明装置中的山型弹簧片3共计8片，前后两组，每组4片。山型弹簧片33的关键在于每组山型弹簧片3安装后各平面可以齐平。为了解决该问题，在前弹簧片承力墙12、后弹簧片承力墙14上设置有第一定位块16，动架前法兰21上和动架后法兰22上设置有第二定位块25，山型弹簧片3通过第一定位块16与定架1连接，通过第二定位块25与动架2连接，每组第一定位块16由定架1一体体加工完成，每组第二定位块25由动架2一体体加工完成，保证足够高的平面度，同时第一定位块16和第二定位块25上开有定位销孔，山型弹簧片3与第一定位块16和第二定位块25安装时，首先通过定位销进行位置找准，然后固定安装，安装完成后保证山型弹簧片3在自由状态下各平面均保持平面度在0.01之内。

通过对山型弹簧片3结构中的h、L、l、b1尺寸进行合理设计，并***考虑两组弹簧片组在推力测量装置中的强度及刚度，确保弹簧片组引入的约束力值小于1％。最终本发明装置中的山型弹簧片3如下：采用60Si2Mn设计的山型弹簧片33轴向刚度为241N/mm，垂直方向刚度250000N/mm，可以实现“使动架2不能作横向移动，只能沿推力轴线方向作小的位移”的功能。在20kN发动点火过程中，喷口在垂直方向的变形量为0.04mm(未点火位移-0.05mm，点火时-0.09mm)，弹簧片组最大应力为66MPa，弹簧片组具有“抵抗发动机9侧向力”的能力。

如图11所示，本发明***的力源加载单元4对稳态力传感器51进行校准，校准在试验前、入口管路增压的条件下进行。推力校准时，通过控制***控制力源加载单元4施加力值，同时实时采集经过信号放大器放大的稳态力传感器51信号，并时刻比较稳态力传感器51输出值与目标值，当两者差值在一定区间稳定后，校准计算机给数据采集计算机发动指令，两者同时记录“标准力传感器44”和“稳态力传感器”的输出值，同时校准计算机将采集到的标准力值传送给采集计算机，从而实现自动标定，即通过“标准力传感器”对“有约束的测量力传感器”进行校准。本发明装置的控制***采用PLC自动控制，因此，可以在发动机点火前、后以远程自动校准。测量***由数据传输***、数据采集***构成，数据传输***可实现各个组件之间电压信号的传输，采集***可以实现稳态推力传感器输出电压信号的采集，可对稳态推力传感器应变桥单独提供激励，并对激励可以回测；采集计算机可同步记录校准过程中，标准力源输出标准力值及稳态推力传感器输出的电压信号。

Claims (9)

1.一种姿控发动机推力测量装置，其特征在于：包括定架(1)、动架(2)、山型弹簧片(3)、力源加载单元(4)、力测量单元(5)和预紧力装置(6)，所述动架(2)、力源加载单元(4)、力测量单元(5)和预紧力装置(6)的中心线同轴设置；

所述定架(1)用于承受发动机(9)推力，包括底座(11)以及依次设置在底座(11)上的前弹簧片承力墙(12)、测量力承力墙(13)、后弹簧片承力墙(14)和标准力承力墙(15)；

所述动架(2)用于安装发动机(9)和传递发动机(9)产生的推力，包括固定连接的动架前法兰(21)和动架后法兰(22)，所述动架前法兰(21)通过转接架(8)与发动机(9)连接，同时通过山型弹簧片(3)与前弹簧片承力墙(12)连接，所述动架后法兰(22)通过山型弹簧片(3)与后弹簧片承力墙(14)连接；所述动架前法兰(21)上设置有冷却腔(23)，所述冷却腔(23)内设置有多个冷却隔板(231)，多个冷却隔板(231)用于增大冷却液的过流面积；

所述力测量单元(5)包括稳态力传感器(51)和承力压头(52)，所述稳态力传感器(51)设置在测量力承力墙(13)上，用于测量动架(2)传递的力，所述承力压头(52)设置在稳态力传感器(51)和动架前法兰(21)之间，将动架前法兰(21)的力传递给稳态力传感器(51)；

所述力源加载单元(4)设置在标准力承力墙(15)上，用于实现对稳态力传感器(51)进行标准力加载；

所述预紧力装置(6)设置在动架后法兰(22)和测量力承力墙(13)之间，包括预紧力加载头(61)、预紧中间板(62)、预紧架(63)和多个预紧连接板(64)；所述预紧架(63)包括预紧环(631)和多个预紧块(632)，所述预紧环(631)固定设置在动架后法兰(22)上，多个预紧块(632)沿预紧环(631)的周向均匀设置，其一端垂直固定在预紧环(631)端面，另一端通过预紧连接板(64)与预紧中间板(62)连接，所述预紧力加载头(61)的一端固定设置在测量力承力墙(13)上，另一端与预紧中间板(62)接触。

2.根据权利要求1所述的姿控发动机推力测量装置，其特征在于：所述力源加载单元(4)包括依次连接的标准力加载头(41)、拉环(42)、拉杆(43)、标准力传感器(44)和电动缸(45)；所述标准力加载头(41)位于动架后法兰(22)的外侧，用于将加载力传递至动架后法兰(22)，所述电动缸(45)的缸体固定设置在标准力承力墙(15)上，其输出轴与标准力传感器(44)连接。

3.根据权利要求2所述的姿控发动机推力测量装置，其特征在于：所述拉环(42)采用万向节接头。

4.根据权利要求1或2或3所述的姿控发动机推力测量装置，其特征在于：还包括有与冷却腔(23)相连接的冷却管路(7)，所述冷却管路(7)包括相连通且直径不同的硬管段(71)和软管段(72)，所述硬管段(71)设置在推进剂管路与定架(1)上，所述软管段(72)设置在动架冷却腔(23)上，且设置为U型弯曲段。

5.根据权利要求4所述的姿控发动机推力测量装置，其特征在于：所述前弹簧片承力墙(12)、后弹簧片承力墙(14)的内侧设置有限位块(10)，用于对动架(2)进行限位。

6.根据权利要求5所述的姿控发动机推力测量装置，其特征在于：所述前弹簧片承力墙(12)、后弹簧片承力墙(14)上设置有第一定位块(16)，所述动架前法兰(21)上和动架后法兰(22)上设置有第二定位块(25)，所述第一定位块(16)和第二定位块(25)上开有定位销孔，所述山型弹簧片(3)通过第一定位块(16)与定架(1)连接，通过第二定位块(25)与动架(2)连接。

7.根据权利要求6所述的姿控发动机推力测量装置，其特征在于：所述稳态力传感器(51)的外侧设置有水冷隔热装置，所述水冷隔热装置包括水冷法兰，水冷法兰上设置有冷却腔，所述冷却腔内设置有多个冷却隔板。

8.根据权利要求7所述的姿控发动机推力测量装置，其特征在于：所述动架前法兰(21)、动架后法兰(22)通过四根连接杆(24)固定连接。

9.根据权利要求8所述的姿控发动机推力测量装置，其特征在于：所述动架前法兰(21)通过四组山型弹簧片(3)与前弹簧片承力墙(12)连接，且四组山型弹簧片(3)均匀设置；所述动架后法兰(22)通过四组山型弹簧片(3)与后弹簧片承力墙(14)连接，且四组山型弹簧片(3)均匀设置。

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