LABORATÓRIO de
MÁQUINAS HIDRÁULICAS Disciplina:
Bombas & Instalações Hidráulicas (Mecânica e Produção)
Professor
Sérgio Lopes dos Santos
Engenharia Mecânica
2011
RESUMO / SUMÁRIO Exp. 1
Desmontagem e Montagem de Bomba
Depois de complementar as informações iniciais sobre bombas, dadas em sala de teoria, mostrando rotores e demais componentes de bombas, os alunos desmontam e montam uma bomba centrífuga radial, observando diretamente os caminhos que o fluido percorre dentro da bomba. (Bomba Centrífuga Radial – Horizontal – De Mancal – INI-32-125 – IMBIL)
Exp. 2 Bomba Vibratória Anauger Deslocamento Positivo Levantamento CCB Utilizada como bomba “sapo” no Laboratório, para o esvaziamento do reser vatório principal, foi trans –
–
formada em bancada para o levantamento de curva característica e posterior comparação com a curva fornecida pelo fabricante. Pelo fato de ser de Deslocamento Positivo é estudada a colocação de válvula de alívio e segurança necessária ao bom funcionamento da mesma. (Anauger 800).
Exp. 3
Levantamento de Curva Característica com Correção de Rotação Rotação - Bomba HERO HERO
Levantando a curva característica principal da bomba, HB=f(Q), o objetivo da experiência é comparar com a curva fornecida no catálogo do fabricante. Para tanto, o procedimento do ensaio deve ser o mesmo feito pelo fabricante, ou seja, com correção da rotação. Com um tacômetro as rotações por ensaio são levantadas e depois, através das leis da semelhança, os valores de carga e vazão são corrigidos para a rotação padrão 3500rpm. (Bomba Centrífuga Radial – Monobloco – Horizontal – M-40-A -Linha 2000 - HERO). Exp. 4
Levantamento de Curva Característica com Correção de Rotação Bomba MB/Selagem Hidrocentrífuga
O objetivo desta experiência é o mesmo da anterior, ou seja, levantamento da característica principal, com correção da rotação, e comparação com a curva fornecida pelo fabricante. Além disso, é mostrada a selagem não convencional, denominada “hidrocentrífuga”, que elim ina o uso de gaxetas ou selo mecânico. A bomba é construída em polipropileno e indicada para recalque de produtos químicos. (Bomba Centrífuga Radial – Monobloco – Vertical – TG 25-12-124 – EMEBE DO BRASIL). Exp. 5
Variador de Freqüência
Exp. 6
Freio Dinamométrico Dinamométrico
–
Estudo de Comprovação de Economia
O objetivo desta experiência é mostrar a vantagem do uso do Variador de Freqüência, em relação ao fechamento de válvula, para obtenção de vazões menores, obviamente quando é necessário trabalhar com uma faixa de vazões. São levantadas duas curvas, uma com 60Hz, 3600rpm, e outra com menor rotação através da regulagem do Variador. A economia percentual do uso do Variador, com menor rotação, é calculada em relação à obtenção da mesma vazão, na situação de 60Hz, conseguida através do fechamento parcial de uma válvula. (Bomba Centrífuga Radial – Monobloco – Horizontal – DBC da MARK) –
Levantamento das CCBs de uma Bomba
Nesta experiência, trabalhando com um motor suspenso por mancais de rolamento, uma célula de carga e um analisador, podemos levantar todas as curvas fornecidas pelos fabricantes nos catálogos, carga, rendimento e potência em função da vazão, com correção de rotação, para comparar com as curvas características oferecidas pelo fabricante da bomba utilizada. (Bomba Centrífuga Radial – Horizontal – de Mancal – DE da MARK).
Exp. 7
Associação de Bombas em Série
Exp. 8
Associação de Bombas em Paralelo
Utilizando a mesma bancada da segunda experiência, fechando e abrindo convenientemente as válvulas, associamos as bombas em série e levantamos a curva característica da Bomba Associação - B A, comparando com a associação em série de duas curvas de bombas, obtida graficamente, ressaltando o aumento de carga obtido com a associação. Utilizando a mesma bancada da segunda experiência, fechando e abrindo convenientemente as válvulas, associamos as bombas em paralelo e levantamos a curva característica da Bomba Associação - B A, comparando com a associação em paralelo de duas curvas de bombas, obtida graficamente, ressaltando o aumento de vazão obtido com a associação.
RESUMO / SUMÁRIO Exp. 1
Desmontagem e Montagem de Bomba
Depois de complementar as informações iniciais sobre bombas, dadas em sala de teoria, mostrando rotores e demais componentes de bombas, os alunos desmontam e montam uma bomba centrífuga radial, observando diretamente os caminhos que o fluido percorre dentro da bomba. (Bomba Centrífuga Radial – Horizontal – De Mancal – INI-32-125 – IMBIL)
Exp. 2 Bomba Vibratória Anauger Deslocamento Positivo Levantamento CCB Utilizada como bomba “sapo” no Laboratório, para o esvaziamento do reser vatório principal, foi trans –
–
formada em bancada para o levantamento de curva característica e posterior comparação com a curva fornecida pelo fabricante. Pelo fato de ser de Deslocamento Positivo é estudada a colocação de válvula de alívio e segurança necessária ao bom funcionamento da mesma. (Anauger 800).
Exp. 3
Levantamento de Curva Característica com Correção de Rotação Rotação - Bomba HERO HERO
Levantando a curva característica principal da bomba, HB=f(Q), o objetivo da experiência é comparar com a curva fornecida no catálogo do fabricante. Para tanto, o procedimento do ensaio deve ser o mesmo feito pelo fabricante, ou seja, com correção da rotação. Com um tacômetro as rotações por ensaio são levantadas e depois, através das leis da semelhança, os valores de carga e vazão são corrigidos para a rotação padrão 3500rpm. (Bomba Centrífuga Radial – Monobloco – Horizontal – M-40-A -Linha 2000 - HERO). Exp. 4
Levantamento de Curva Característica com Correção de Rotação Bomba MB/Selagem Hidrocentrífuga
O objetivo desta experiência é o mesmo da anterior, ou seja, levantamento da característica principal, com correção da rotação, e comparação com a curva fornecida pelo fabricante. Além disso, é mostrada a selagem não convencional, denominada “hidrocentrífuga”, que elim ina o uso de gaxetas ou selo mecânico. A bomba é construída em polipropileno e indicada para recalque de produtos químicos. (Bomba Centrífuga Radial – Monobloco – Vertical – TG 25-12-124 – EMEBE DO BRASIL). Exp. 5
Variador de Freqüência
Exp. 6
Freio Dinamométrico Dinamométrico
–
Estudo de Comprovação de Economia
O objetivo desta experiência é mostrar a vantagem do uso do Variador de Freqüência, em relação ao fechamento de válvula, para obtenção de vazões menores, obviamente quando é necessário trabalhar com uma faixa de vazões. São levantadas duas curvas, uma com 60Hz, 3600rpm, e outra com menor rotação através da regulagem do Variador. A economia percentual do uso do Variador, com menor rotação, é calculada em relação à obtenção da mesma vazão, na situação de 60Hz, conseguida através do fechamento parcial de uma válvula. (Bomba Centrífuga Radial – Monobloco – Horizontal – DBC da MARK) –
Levantamento das CCBs de uma Bomba
Nesta experiência, trabalhando com um motor suspenso por mancais de rolamento, uma célula de carga e um analisador, podemos levantar todas as curvas fornecidas pelos fabricantes nos catálogos, carga, rendimento e potência em função da vazão, com correção de rotação, para comparar com as curvas características oferecidas pelo fabricante da bomba utilizada. (Bomba Centrífuga Radial – Horizontal – de Mancal – DE da MARK).
Exp. 7
Associação de Bombas em Série
Exp. 8
Associação de Bombas em Paralelo
Utilizando a mesma bancada da segunda experiência, fechando e abrindo convenientemente as válvulas, associamos as bombas em série e levantamos a curva característica da Bomba Associação - B A, comparando com a associação em série de duas curvas de bombas, obtida graficamente, ressaltando o aumento de carga obtido com a associação. Utilizando a mesma bancada da segunda experiência, fechando e abrindo convenientemente as válvulas, associamos as bombas em paralelo e levantamos a curva característica da Bomba Associação - B A, comparando com a associação em paralelo de duas curvas de bombas, obtida graficamente, ressaltando o aumento de vazão obtido com a associação.
EXP. 1
–
DESMONTAGEM DESMONTAGEM & MONTAGEM DE BOMBA
1.1- Apresentação O Laboratório de Máquinas Hidráulicas da FEI possui cinco bombas centrífugas radiais INI-32-125 (Fig. 1.1 – catálogo/genérica/Fig. catálogo/genérica/Fig. 1.2 – bomba do laboratório), doadas doadas pela IMBIL, para desmontagem e montagem. Fig. 1.1
Fig. 1.2
1. 1
1.2 - Informações do Catálogo do Fabricante IM BIL 1.2.1 – Aplicação das Bombas INI - IMBIL
Bombeamento de líquidos em saneamento, irrigação, indústrias químicas e petroquímicas, usinas de açúcar, destilarias, indústrias de papel e celulose, esgotos brutos, caldo com bagacilho, circulação de óleo térmico, condensados, etc. As bombas da linha INIBLOCK (monobloco) são indicadas no bombeamento de líquidos limpos ou turvos, e encontram aplicação em instalações prediais e de ar condicionado, em serviços de resfriamento, na circulação de condensados, em irrigações, nas lavouras, nos serviços públicos, em abastecimento de água nas indústrias, etc. 1.2.2 – Construção Construída dimensionalmente de acordo com as normas DIN 24 256/ISO 2858 e mecanicamente de acordo com a norma ANSI B73.1. Bombas de eixo horizontal, mono-estágio, sucção horizontal e recalque vertical, de construção “BACK PULL-OUT” , permitindo a desmontagem para eventual manutenção pela parte traseira, sem afetar o alinhamento e a fixação das tubulações. Carcaça espiral, fundida em uma única peça, incorporando os pés de fixação. A sucção e a descarga são flangeadas (ANSI B16.5 FF / B16.5 RF). NOTA: Alguns modelos podem ser fornecidos com sucção e descarga rosqueadas. A vedação entre o rotor e a carcaça é feita por anel de desgaste substituível, facilitando a manutenção da bomba. A vedação do eixo é assegurada por gaxeta na execução Standard ou opcionalmente por selo mecânico (Tipo 21). O eixo é dotado de bucha protetora na região do engaxetamento, sem contato com o líquido bombeado. O rotor é fechado único, possui equilíbrio de empuxo axial através de furos de alívio, exceto nos modelos 32-125 e 32-160. Dependendo da temperatura do líquido bombeado, as bombas podem ser fornecidas com câmara de refrigeração. O motor é fornecido com a bomba, padronizado com flange e ponta de eixo JM/JP de acordo com a norma NEMA. Características: grau de proteção: IP 55, isolamento: B (130ºC) – NBR 7094, fator de serviço: 1,15 (até 50 CV) e 1,0 (acima de 50CV), rotação: 3500/1750 – 60Hz 1.3 - Desmontagem O objetivo desta experiência experiência não é preparar o aluno para serviços de reparos e mam anutenção de bombas, especializando-o, e sim provocar o contato e a visualização dos componentes internos de uma bomba, identificando as peças, execução da carcaça, selagem, observando os caminhos internos do fluido desde o bocal de entrada até o bocal de saída. Para tanto deverá ler o Capítulo 2 do livro de teoria, que será complementado nas aulas de laboratório. As bombas estão localizadas na bancada de desmontagem (Fig. 1.4) e cada grupo de alunos receberá um conjunto de ferramentas (Fig. 1.3), desmontando a bomba no box e verificando os detalhes internos. Para ser desmontada devemos retirar o acoplamento elástico que liga o eixo da bomba com o eixo do motor elétrico e em seguida retirar os parafusos de fixação da base traseira da bomba, deixando a carcaça presa aos tubos de sucção e recalque, facilitando, portanto o serviço de manutenção. É claro que este é o procedimento quando a bomba está operando numa instalação.
1. 2
Fig. 1.3
Fig. 1.4
Como a bomba foi construída no sistema back-pull-out , ou seja, desmontagem pela parte traseira, devemos retirar todos os parafusos que prendem a carcaça ao corpo da bomba. Desta forma poderemos poderemos retirar todo o conjunto por trás (Fig. 1.5).
Fig. 1.5 Observe na Fig. 1.5 que a carcaça possui um anel de desgaste colocado por interferência e o rebaixo na parte dianteira do rotor é encaixado neste anel com ajuste incerto. Não vamos desmontar a caixa de rolamentos somente a parte hidráulica do conjunto. Em seguida, solte o rotor retirando a porca castelo, com cabeça arredondada, para diminuir a perda na entrada do fluido, sacando o rotor do eixo e a chaveta paralela (Fig. 1.6). Observe que existe um anel de desgaste na parte traseira, entretanto, ele é preso no rotor por interferência, e entra no ressalto da tampa de pressão por ajuste incerto.=========================================== to.===========================================
1. 3
Fig. 1.6 Continuando, puxe a tampa de pressão, retirando-a do eixo, trazendo junto toda a caixa de selagem da bomba e a luva protetora de eixo. Retire a luva, solte o prensagaxetas e retire somente o primeiro anel de gaxeta para observação (Fig. 1.7).
Fig. 1.7 No eixo da bomba (montada), entre o prensa-gaxetas e o retentor da caixa de rolamentos, existe um anel de borracha, solidário ao eixo, denominado “anel centrifugador”, que tem a função de centrifugar gotas de água que poderiam migrar pelo eixo e tentar 1. 4
entrar na caixa de rolamentos. Esse anel pode ser visto na bomba em corte que está localizada dentro do Laboratório (Bomba – ETA da KSB) 1.3.1 – Bomba Desmontada Com a bomba desmontada, o aluno deverá observar vários detalhes, tais como:
Rotor: tipo do rotor e formato das pás; Rotor: fechado, semi-aberto ou aberto. Formato das Pás: voltadas para trás, voltadas para frente ou radiais.
Anéis de desgaste: posições ocupadas e montagem; Verificar se os anéis estão presos na carcaça ou no rotor. Verificar se existe ou não furação do rotor interligando a parte traseira com a dianteira.
Selagem: anéis de gaxetas e anel cadeado, prensa gaxetas; Só o primeiro anel de gaxeta deverá ser retirado. Verifique com os dedos, internamente na caixa de gaxetas, os demais anéis e o anel cadeado. Verifique a montagem do prensa-gaxetas em duas partes que permitem a retirada do mesmo sem a desmontagem da bomba.
Luva protetora do eixo: vedação interna e fixação no eixo; Verifique o interior da luva protetora de eixo, notando o rebaixo para colocação de “O” ring de borracha que permite a vedação interna e o ressalto do eixo para encosto do mesmo. Verifique o recorte na ponta da luva protetora de eixo que permite que um dos lados da chaveta trave a luva no eixo.
Plugs externos e furações internas para passagem de fluido, etc. Observe o furo na tampa de pressão que permite o ingresso de fluido no anel cadeado e os plugs externos que permitem a alimentação externa com água limpa do anel cadeado.
1. 5
Na Fig. 1.8 – Recomendações de Gaxetas – Teadit - Asberit.
Fig. 1.8
1. 6
EXP. 2 BOMBA VIBRATÓRIA ANAUGER DESLOCAMENTO POSITIVO - LEVANTAMENTO DE CURVA CARACTERÍSTICA –
–
2.1 - Apresentação A bomba vibratória ANAUGER 800, é uma bomba de deslocamento positivo. Apesar de ser uma bomba deste tipo, normalmente é utilizada para água, servindo para alimentação de caixas-d’água ou de pequenos reservatórios. É utilizada também como bomba “sapo”, ou seja, localizada no fundo de reservatórios para esg otá-los. Observe na fig. 2.1 os componentes internos de uma bomba vibratória (modelo antigo) com a descrição dos mesmos.
No seu interior existe um martelete (c), que vibra com movimento ascendente/descendente, acionando o conjunto canopla/ventosa (j,l). Na descida a ventosa libera a entrada de água, e na subida, com a ventosa obstruindo a entrada, a canopla empurra o fluido na direção da saída (r). ______________________________________________________________________________ 2. 1 Laboratório de Máquinas Hidráulicas – Bombas – FEI – Prof. Sérgio Lopes dos Santos
Uma proteção de borracha envolve a bomba, externamente, na altura dos parafusos de fixação da caneca (a), amortecendo as vibrações quando eventualmente a bomba esbarrar no tubo onde normalmente é colocada, evitando o contato direto.
Fig. 2.2 A bomba é pendurada pelo tubo (de polietileno) que é acoplado na curva suporte (u). Esta curva é colocada numa barra que suporta o conjunto. Observe na Fig. 2.2 uma bomba em corte. Segundo o fabricante é apropriada para transferência de água limpa de poços, rios e cisternas no abastecimento de residências, irrigações e processos industriais. Simplicidade de instalação é uma das características desta bomba. Trabalha sustentada apenas pela mangueira, fixadas por abraçadeiras a uma curva suporte (kit de instalação). Para a instalação é necessário observar a centralização, o alinhamento vertical e a distância mínima de 40 cm da bomba em relação ao fundo do poço, desta forma, a bomba ficará em contato apenas com a água. O princípio de funcionamento das bombas ANAUGER é a variação da força eletromagnética num eletroímã, gerada por uma corrente alternada, ou seja, não possui motor elétrico rotativo, o que proporciona ao produto grande durabilidade, baixa manutenção e capacidade de atingir grandes elevações com baixo consumo de energia elétrica. Não há restrições quanto ao número de acionamentos (liga/desliga) ou tempo de funcionamento. ______________________________________________________________________________ 2. 2 Laboratório de Máquinas Hidráulicas – Bombas – FEI – Prof. Sérgio Lopes dos Santos
A bomba ANAUGER 800 foi projetada com uma potência de 0,5 HP, atingindo uma elevação máxima de 65 metros de coluna de água com uma vazão de 550 litros por hora. Na Fig. 2.3 abaixo a curva característica fornecida pelo fabricante (60 Hz).
Fig. 2.3 2.2 – Objetivo da Experiência Além de tomar contato com o equipamento, vamos levantar a curva característica HB f (Q) , nas unidades utilizadas pelo fabricante, comparando com a curva fornecida pelo mesmo. 2.3 - Características da Bancada e Instruções A bancada foi montada no reservatório principal. Retirando a tampa de proteção do canto do reservatório, podemos observar um tubo de PVC de grande diâmetro. Uma barra sustenta o conjunto bomba/tubo, que está colocado dentro do tubo de PVC (vide Fig. 2.4). Depois da curva suporte (u), o tubo, acoplado num tee, pode transportar o fluido para o tanque superior (mesmo tanque da bancada “MB”) (vide Fig. 2.5), ou para o esgoto. Como o reservatório principal não tem saída para esgoto, utilizamos esta bomba nas trocas de água que são realizadas periodicamente. A água seguirá para o ______________________________________________________________________________ 2. 3 Laboratório de Máquinas Hidráulicas – Bombas – FEI – Prof. Sérgio Lopes dos Santos
esgoto quando abrirmos a válvula de esfera, ou para o tanque superior, controlando a vazão pela válvula tipo globo. Este será o trecho utilizado na experiência.
Fig. 2.4
Fig. 2.5 À medida que a válvula globo (da Fig. 2.5) vai sendo fechada, a pressão na saída da bomba vai aumentando. Como a bomba é de deslocamento positivo, o fechamento completo da válvula provocaria um aumento significativo da pressão, danificando o equipamento. Para resolver este problema foi colocada uma válvula de segurança (ou alívio), que abre quando é atingida uma determinada pressão. A válvula de alívio é uma válvula de retenção, cujo elemento de vedação é pressionado por uma mola. Podemos, através da regulagem da força aplicada pela mola, alterar o valor da pressão de abertura da válvula por intermédio de um parafuso que pode ser visto na Fig. 2.6 (retirado o capuz da válvula). ______________________________________________________________________________ 2. 4 Laboratório de Máquinas Hidráulicas – Bombas – FEI – Prof. Sérgio Lopes dos Santos
Fig. 2.6 Para não comprometer o levantamento de dados, o equipamento e também o manômetro de saída da bomba que tem fundo de escala de 4 kgf/cm 2 vamos limitar a pressão do último ensaio em 3,5 kgf/cm2 ( ) , procedendo da seguinte forma:
Abrir totalmente a válvula globo da Fig. 2.5; Ligar a bomba; Fazer a leitura do manômetro de saída da bomba e anotar como sendo a pressão do 1º ensaio (pressão mínima); Retirar o capuz da válvula de alívio; Com uma chave de fenda apertar a mola da válvula de alívio, de forma que ela não abra na máxima pressão que será permitida (em torno de 3,5 kgf/cm 2) (pressão máxima); Anotar esta pressão (3,5 kgf/cm 2) como sendo a pressão do último ensaio (pressão máxima) (6º ou 7º ensaio); Preencher a coluna da pressão de saída utilizando os valores mínimo e máximo, dividindo convenientemente entre os ensaios (6 ou 7); Iniciar os ensaios a partir da pressão mínima (válvula totalmente aberta), efetuando as outras leituras; Fechar parcialmente e lentamente a válvula globo até que a pressão do segundo ensaio seja alcançada, efetuando as outras leituras e assim sucessivamente até o último ensaio. Lembre-se que a válvula globo não poderá ser fechada totalmente, pois a função da válvula de alívio foi desativada. Obs.:No fim do levantamento de dados soltar o parafuso da válvula de alívio parcialmente, para que no intervalo entre aulas, caso a bomba seja acionada, a válvula possa abrir numa baixa pressão (por segurança).
Na Fig. 2.7 temos um esquema da bancada onde existem três cotas, h1, h2 e h3. A cota h2, do topo da mureta do tanque até o nível da água, deverá ser medida com uma régua e será considerada constante, já que a vazão desta bomba é baixa e durante o levantamento de dados não haverá alteração do nível do reservatório. A cota h1 não é conhecida e nem será necessária, como poderá ser visto no equacionamento e a cota h3 é constante (dada abaixo). ______________________________________________________________________________ 2. 5 Laboratório de Máquinas Hidráulicas – Bombas – FEI – Prof. Sérgio Lopes dos Santos
Fig. 2.7 Dados necessários:
Atanque
0, 25 m2 / Ds
20 mm / h3
59cm
2.4 - Cálculo das Grandezas Envolvidas 2.4.1 – Vazão
–
Q
A vazão será obtida cronometrando o preenchimento de um certo volume no tanque:
Q
V h A tanque t t
______________________________________________________________________________ 2. 6 Laboratório de Máquinas Hidráulicas – Bombas – FEI – Prof. Sérgio Lopes dos Santos
Como a vazão da bomba é pequena não convém manter o h constante. Iniciar com 80 mm no primeiro ensaio (vazão máxima), função dos 6 ou 7 ensaios, e à medida que a vazão vai diminuindo, diminuir também o h de 10 em 10 mm, de forma que no último ensaio o h seja igual a 30 ou 20 mm. 2.4.2 - Carga Manométrica -
HB
Aplicando a equação da energia do nível (0) do reservatório principal, até a saída da bomba (s); (com PHR em (s)): H0
z0
HB
HB
Hs
(perda desprezível)
HPo,e
v2 s 2g
pS
ps
pms
.h3 .h2 .h1
substituindo ... h1
HB
v2 s 2g
pms
h3
HB
h2
h1
v2s
p ms h3 h2 2g
2.5 - Relatório Com os valores levantados da tabela do próximo item, construir uma tabela tipo “desenvolvimento”, para facilitar a execução do relatório, que contenha todas as grandezas necessárias para a obtenção da carga manométrica HB e da vazão Q. Utilize “m” para a carga, e “L/h” para a vazão. Levante a curva HB f (Q) , comparando-a com a fornecida pelo fabricante. Utilize uma capa simples (padrão do LAB) e organize o relatório com tabelas e gráficos solicitados, não esquecendo das conclusões. Lembre-se que a apresentação, a organização e a clareza das informações, também influem na nota do relatório. Sugestão para a entrega:
Capa; Página contendo os objetivos da experiência, diretos e indiretos; Tabela Desenvolvimento; Página com cálculos (apenas de um ensaio); Gráficos solicitados; Página com conclusões, comentários, sugestões, etc.
*Conclusão: necessária se os objetivos não foram alcançados. ______________________________________________________________________________ 2. 7 Laboratório de Máquinas Hidráulicas – Bombas – FEI – Prof. Sérgio Lopes dos Santos
2.6 – Tabelas h2 = ________
Exp. 2 - Anauger ensaios
h
t
pms
Unid.
1 2 3 4 5 6 7
______________________________________________________________________________ 2. 8 Laboratório de Máquinas Hidráulicas – Bombas – FEI – Prof. Sérgio Lopes dos Santos
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