李心平 熊 師 杜 哲 耿令新 姬江濤

(1．河南科技大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，洛陽471003;2．江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，鎮(zhèn)江212013)

浮動式玉米單穗脫粒裝置設(shè)計與試驗

李心平1熊 師1杜 哲2耿令新1姬江濤1

(1．河南科技大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，洛陽471003;2．江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，鎮(zhèn)江212013)

為實現(xiàn)玉米脫粒機脫粒間隙可自動調(diào)節(jié)，減小玉米脫粒過程中的機械損傷，設(shè)計了浮動式玉米單穗脫粒裝置。該脫粒裝置主要由間隙浮動調(diào)節(jié)裝置、喂入料斗、離散輥、脫粒輥和差速輥等組成，具有脫粒間隙自動調(diào)節(jié)和玉米果穗喂入自動分離、逐個排出功能。選取離散輥轉(zhuǎn)速、脫粒輥轉(zhuǎn)速和差速輥轉(zhuǎn)速為試驗因素，以玉米籽粒的破損率和未脫凈率為試驗指標，采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合的試驗方法，對浮動式玉米單穗脫粒裝置進行了參數(shù)優(yōu)化試驗。優(yōu)化結(jié)果為:離散輥轉(zhuǎn)速為234 r/min、脫粒輥轉(zhuǎn)速為511 r/min、差速輥轉(zhuǎn)速為91 r/min，在最優(yōu)參數(shù)組合下的實際籽粒破損率為0.25%、未脫凈率為0.76%、玉米芯完整度為100%。

單穗脫粒裝置;玉米;浮動式;設(shè)計;試驗

引言

玉米脫粒過程中的機械損傷會給玉米的生產(chǎn)和儲存帶來影響，降低脫粒損傷是玉米脫粒機需要解決的問題［1－3］。玉米果穗在脫粒過程中會受到脫粒部件的擠壓、撞擊等外力作用，籽粒的破損與這些外力密切相關(guān)［4－5］。脫粒間隙是影響這些外力作用效果的重要因素。脫粒間隙過大會導(dǎo)致脫凈率降低，脫粒間隙過小會導(dǎo)致破損率增大，甚至造成機器堵塞。由于玉米果穗的直徑存在差異，脫粒間隙固定的玉米脫粒機都會不同程度地出現(xiàn)上述問題［6－7］。玉米脫粒機脫粒間隙的不可調(diào)節(jié)是導(dǎo)致玉米脫粒損傷的重要原因。

國內(nèi)外部分企業(yè)和高校對調(diào)節(jié)脫粒間隙作了各種研究。加拿大Agriculex公司開發(fā)了SCS-2型單穗種子玉米脫粒機，以3個脫粒輥呈錐形排列的方式改變不同位置的脫粒間隙;美國AEC Group公司研究了HS-48型擠搓式玉米脫粒機，通過板齒轉(zhuǎn)動使果穗與凹板擠搓實現(xiàn)脫粒，該機對不同類型玉米的適應(yīng)性強。FOLARIN等［8］設(shè)計了新型搓擦滾筒，增強了脫粒機的適應(yīng)能力。趙武云等［9］設(shè)計了變徑變間距螺旋板齒式玉米脫粒機，通過在滾筒上設(shè)計不同長度的脫粒齒達到局部改變脫粒間隙的目的。張翔等［10］設(shè)計了立式軸流玉米單穗種子脫粒機，通過將脫粒室設(shè)計為錐形的方式改變果穗下落過程中的脫粒間隙。上述研究均能夠增強脫粒機對果穗直徑差異的適應(yīng)能力，但無法消除脫粒間隙固定所造成的影響。鐘成義等［11］設(shè)計了聯(lián)合收獲機凹板間隙自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)只適合谷物脫粒，對玉米脫粒有一定的參考意義。

本文設(shè)計并優(yōu)化脫粒間隙自動調(diào)節(jié)的小型玉米單穗脫粒裝置，以期降低脫粒過程中的籽粒損傷。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

浮動式玉米單穗脫粒裝置由喂入料斗、離散輥、脫粒輥、差速輥、間隙浮動調(diào)節(jié)裝置、機架和出料料斗等主要部件組成，如圖1所示。

圖1 整機Fig．1 Schematic diagram of thresher

多個玉米果穗從喂入料斗喂入，在下滑過程中果穗相互分離，逐個進入脫粒區(qū)。玉米果穗先進入離散輥與2個差速輥組成的離散空間。果穗在離散輥的推送作用和差速輥的旋轉(zhuǎn)作用下邊自轉(zhuǎn)邊向前運動，在離散輥周向分布的離散單元作用下，離散掉部分籽粒;離散后的玉米果穗隨即進入脫粒輥和2個差速輥組成的脫粒空間，在脫粒輥和差速輥的共同作用下完成差速倒排脫粒。脫粒過程中，間隙浮動調(diào)節(jié)裝置會隨著果穗的進入自動調(diào)節(jié)離散輥和脫粒輥的高度，以獲得合適的脫粒間隙。脫下的籽粒從差速輥間的縫隙中落入出料料斗，玉米芯沿差速輥末端排出。

2 主要部件設(shè)計

2.1 間隙浮動調(diào)節(jié)裝置

浮動式玉米單穗脫粒裝置的脫粒間隙不同于傳統(tǒng)的玉米脫粒機，它是差速輥頂部到離散輥或脫粒輥凹面頂部的高度h，如圖2所示。

圖2 脫粒間隙Fig．2 Threshing clearance

彈簧能夠隨著壓力的變化自動調(diào)節(jié)壓縮量，因此以彈簧為核心設(shè)計的間隙浮動調(diào)節(jié)裝置如圖3所示。該間隙浮動調(diào)節(jié)裝置由彈簧、支撐軸、直線軸承、軸承座、支撐板和擋圈組成。離散輥和脫粒輥的兩端各設(shè)一套間隙浮動調(diào)節(jié)裝置，以達到支撐輥子和調(diào)節(jié)脫粒間隙的目的。離散輥和脫粒輥分別與相應(yīng)的帶傳動機構(gòu)通過萬向聯(lián)軸器撓性連接，以達到傳遞動力和補償被聯(lián)兩軸線相對偏移的目的。工作時，玉米果穗直徑的變化，導(dǎo)致彈簧受到的壓力發(fā)生變化，彈簧會相應(yīng)的伸縮，直線軸承沿著支撐軸上下滑動，離散輥或脫粒輥則會上下浮動，從而獲得脫粒間隙自動調(diào)節(jié)的效果。

圖3 間隙浮動調(diào)節(jié)裝置Fig．3 Clearance adjustment device

大量玉米果穗的測量結(jié)果顯示果穗籽粒區(qū)的直徑為35～50mm，因此計算得出最小脫粒間隙h1為7.5mm，最大脫粒間隙h2為27.7mm，該間隙設(shè)計能夠滿足不同直徑玉米果穗的脫粒要求。彈簧所支撐的離散裝置和脫粒裝置質(zhì)量m均為9.5 kg，機器靜止時的彈簧壓縮量

式中 F——玉米果穗對輥子的支持力

將方程(3)、(4)代入方程(5)中得到

由于h≤x+h1，則F≤mg。

玉米果穗受到離散輥或脫粒輥的壓力F1=F≤mg，即F1≤93.1 N。

根據(jù)玉米籽粒壓縮損傷試驗的結(jié)果可知，籽粒含水率低于25%時，玉米籽粒破裂壓力F2≥121 N;根據(jù)玉米果穗壓縮試驗的結(jié)果可知，籽粒含水率低于25%時，玉米芯的破裂壓力F3≥610 N。F1＜F2，F(xiàn)1＜F3。

所以在籽粒含水率低于25%的正常范圍內(nèi)，該間隙浮動調(diào)節(jié)裝置對果穗的擠壓不會造成籽粒的破損和玉米芯的破裂。

玉米果穗在脫粒過程中還存在受到部件沖擊導(dǎo)致玉米芯折斷的情況。若同一果穗被離散輥和脫粒輥同時沖擊，果穗兩端同時受力會使玉米芯折斷，因此需要考慮兩輥的間距。通過測量得到玉米果穗的長度一般不超過220mm，因此離散輥和脫粒輥的輥中心距設(shè)計為240mm。

在脫粒的初始階段，離散單元或脫粒單元接觸果穗一端會使果穗輕微翹起，果穗在后續(xù)單元的作用下逐漸恢復(fù)水平狀態(tài)并向前運動，果穗翹起狀態(tài)下的受力分析如圖4所示。

式中 F4——離散單元或脫粒單元對果穗的沖擊力

F5——沖擊力的分力

A——玉米果穗的橫截面面積

θ——F4與F5的夾角

τ——玉米果穗的切應(yīng)力

圖4 受力分析Fig．4 Force analysis

由式(7)可知果穗存在切應(yīng)力，當τ＞［τ］時玉米芯會折斷。離散輥和脫粒輥的轉(zhuǎn)速越大，沖擊力就越大，則切應(yīng)力越大。同時含水率的變化會影響果穗的許用應(yīng)力。為防止玉米芯折斷，需選擇合適的含水率以及控制離散輥和脫粒輥的轉(zhuǎn)速。

含水率過高則不適合脫粒，脫粒試驗中將籽粒含水率控制在低于25%范圍內(nèi)。試驗發(fā)現(xiàn)輥子轉(zhuǎn)速超過800 r/min后破損率和脫凈率均達不到要求，故該脫粒裝置的適用轉(zhuǎn)速不超過800 r/min。將離散輥和脫粒輥轉(zhuǎn)速從100 r/min升至800 r/min，試驗沒有出現(xiàn)玉米芯折斷的現(xiàn)象。

因此，籽粒含水率低于25%時，脫粒裝置在適用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不會造成玉米芯的折斷。

2.2 喂入料斗

喂入料斗由喂入口、分離曲面和排出口組成，如圖5所示。

圖5 喂入料斗Fig．5 Feeding hopper

雜亂的水流流過石壁曲面后會變得平緩，分離曲面就是受到水流沖刷石壁形成的石壁曲面的啟發(fā)，如圖6所示。經(jīng)過測量計算得到石壁曲面系數(shù)為0.000 64，該曲面方程為z=0.000 64(x2+y2)。為了選擇適合玉米果穗滑動的曲面，根據(jù)玉米果穗沿曲面滑動時的軌跡設(shè)計約束曲線，需要確定適合所有尺寸玉米果穗滑落的曲線曲率范圍。如果尺寸大的玉米果穗能順利滑落，那么尺寸小的也能順利滑落，因此選擇尺寸大的玉米果穗進行曲線設(shè)計。如圖7所示，玉米果穗通過a點和b點接觸曲線，得到約束曲線方程為x2+y2=2502，曲率為0.004，因此適合所有尺寸的玉米果穗滑落的曲線曲率K≤0.004。

圖6 石壁曲面Fig．6 Curved surface of stonewalling

圖7 約束曲線Fig．7 Constraint curve

綜合考慮喂入料斗與整機的尺寸配合，設(shè)計的分離曲面為如圖8所示的陰影部分。分離曲面方程為

圖8 約束范圍Fig．8 Scope of constraint

喂入料斗由白鐵皮制作，通過測量計算得到玉米果穗對白鐵皮的動摩擦因數(shù)μ為0.28，喂入料斗的自鎖角為15.6°，因此喂入料斗放置的傾斜角β需大于15.6°。

玉米果穗的滑落軌跡如圖9所示，2個玉米果穗1和2分別從喂入口的A、B兩點同時喂入。A、B兩點在同一高度，2個玉米果穗分別沿2條軌跡滑到排出口C處。2個玉米果穗從喂入到排出，下落的高度均為H，在A處和B處的初速度為零，到C處的速度分別為v1和v2。

由能量守恒定理得

圖9 下滑軌跡Fig．9 Falling trajectory

果穗滑落路程s2＞s1，可得v1＞v2;由于玉米果穗的滑落過程是一個加速的過程，因此果穗的平均速度:。

果穗下滑時間分別為

所以t1＜t2，即玉米果穗1先到達排出口。

因此，同時喂入的玉米果穗會在滑落的過程中逐步分離，逐個排出。

對喂入料斗的分離性能進行試驗驗證，將喂入料斗的傾斜角分別調(diào)整至20°、40°、60°，每個角度進行5次重復(fù)試驗。試驗結(jié)果顯示，3種角度的喂入料斗均能有效分離玉米果穗，傾斜角為40°時的玉米果穗下滑速度適中，分離效果最好。因此喂入料斗的最佳傾斜角為40°，果穗喂入高度為132 cm。

2.3 離散輥和脫粒輥

2.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

雞喙具有很好的低損傷切入籽粒間縫隙的離散效果，因此根據(jù)鳥類喙部離散籽粒的“楔形離散”仿生理論設(shè)計了離散單元;根據(jù)人裸手脫粒的“差速倒排”仿生理論設(shè)計了脫粒單元［12］。離散單元周向均勻排布在離散輥的凹面上，每排設(shè)3個離散單元，共8排(圖10a);脫粒單元周向均勻排布在脫粒輥的凹面上，共排布了6組(圖10b)。離散輥和脫粒輥的長度和最大直徑均為100 mm。由于尼龍材料具有韌性好、耐磨性強、抗震等優(yōu)點，因此選擇用尼龍材料加工制成離散輥和脫粒輥。采用尼龍輥子代替鋼材輥子能夠降低籽粒的損傷、減小部件的質(zhì)量。

2.3.2 離散單元和脫粒單元排布角度設(shè)計

由于玉米果穗隨著差速輥的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，因此果穗的自轉(zhuǎn)線速度和差速輥的線速度相等。以玉米果穗為參照，離散單元接觸玉米籽粒時的相對速度v3如圖11所示。

圖10 脫粒部件Fig．10 Threshing parts

圖11 速度分析Fig．11 Velocity analysis

式中 α——相對速度與豎直方向的夾角

v4——離散單元相對玉米果穗的橫向速度

v5——離散單元相對玉米果穗的縱向速度

離散單元的實際相對運動方向并不是豎直方向，而是傾斜方向。脫粒單元也滿足上述結(jié)論。由于雞喙離散籽粒時的運動方向、裸手脫粒時手的運動方向均與其自身結(jié)構(gòu)的正方向一致，因此需要使離散單元和脫粒單元的運動方向與自身的正方向盡可能一致，從而更加接近仿生脫粒的效果。

根據(jù)玉米種子仿生脫粒機的工作參數(shù)，得到差速輥的線速度為0.42 m/s，離散單元和脫粒單元的線速度為1.38m/s，則α為17°，因此將離散單元和脫粒單元均按照與豎直方向呈17°角傾斜設(shè)計。

2.4 差速輥

如圖12所示，差速輥由光輥部分和仿裸手脫粒部分組成。光輥部分長度為180mm，直徑為80mm;仿裸手脫粒部分長度為180mm，脫粒單元頂端處直徑為80mm，脫粒單元在周向均勻排布了8排。差速輥也采用尼龍材料加工。在脫粒過程中，光輥部分起到支撐玉米果穗和帶動玉米果穗轉(zhuǎn)動的作用;仿裸手脫粒部分不僅有支撐和帶動果穗轉(zhuǎn)動的作用，而且表面分布的脫粒單元與脫粒輥一起形成仿裸手脫?？臻g，進行差速倒排脫粒。

圖12 差速輥Fig．12 Differential roller

3 優(yōu)化試驗

3.1 試驗設(shè)備和方法

離散輥、脫粒輥和差速輥分別由3臺電動機帶動，每臺電動機由YTSP1001L-4-2.2kW型變頻器控制，以調(diào)節(jié)各輥轉(zhuǎn)速。試驗選用的玉米品種為洛單668，半馬齒型，果穗形狀為短錐型，籽粒含水率為13.6%。

該脫粒裝置中，離散輥和脫粒輥是主要的脫粒部件，其轉(zhuǎn)速過低會降低脫凈率，過高會增加破損率;差速輥轉(zhuǎn)速會影響果穗自轉(zhuǎn)的快慢，進而影響脫凈率。因此離散輥、脫粒輥和差速輥的轉(zhuǎn)速是影響脫粒性能的主要因素。為得到浮動式玉米單穗脫粒裝置的最優(yōu)工作參數(shù)組合［13－16］，選取離散輥轉(zhuǎn)速、脫粒輥轉(zhuǎn)速和差速輥轉(zhuǎn)速為試驗因素，以玉米籽粒破損率和未脫凈率作為試驗指標。根據(jù)單因素試驗結(jié)果，選取離散輥轉(zhuǎn)速為200～400 r/min，脫粒輥轉(zhuǎn)速為400～600 r/min，差速輥轉(zhuǎn)速為60～120 r/min。

破損率計算公式為

式中 y1——樣品中損傷籽粒的百分比

d1——樣品中損傷籽粒的數(shù)量

D1——樣品中全部籽?？倲?shù)未脫凈率計算公式為

未脫凈率計算公式為

式中 y2——樣品中未脫掉籽粒的百分比

d2——樣品中未脫掉籽粒的質(zhì)量

D2——樣品中全部籽粒的質(zhì)量試驗采用三元二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計，因素水平編碼如表1所示。

試驗采用三元二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計，因素水平編碼如表1所示。

表1 因素水平編碼Tab．1 Test factors and levels

根據(jù)三元二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計安排試驗［17－18］，進行23次試驗，試驗方案及結(jié)果如表2所示。

表2 試驗方案及結(jié)果Tab．2 Testmethods and results

3.2 回歸分析

對試驗結(jié)果進行回歸分析，得到各試驗指標在因素空間內(nèi)的回歸方程如下:

對回歸方程(16)、(17)分別進行方差分析，結(jié)果如表3所示。破損率和未脫凈率的回歸方程均顯著，因此該回歸模型能夠?qū)崿F(xiàn)對試驗指標的預(yù)測及參數(shù)的控制。

表3 方差分析Tab．3 Variance analysis

由于本試驗有2個性能指標，故采用加權(quán)綜合評分的方法對試驗數(shù)據(jù)進行處理。破損率和未脫凈率的加權(quán)系數(shù)均設(shè)定為0.5［19］。

各指標的評分值

經(jīng)過計算得到加權(quán)綜合指標在因素空間內(nèi)的回歸方程為

3.3 參數(shù)優(yōu)化

以參數(shù)x1、x2、x3為變量，加權(quán)綜合指標y'的最小值為優(yōu)化目標，建立目標函數(shù)

約束條件為

利用Matlab優(yōu)化工具箱中的 fmincon函數(shù)求解，其計算結(jié)果為

從優(yōu)化計算結(jié)果可知，當x1=－1.112 4、x2= 0.181 6、x3=0.061 4時，目標函數(shù)達到最小值f= 19.793 4。

根據(jù)二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計因子與編碼變換公式

將x1=－1.112 4、x2=0.181 6、x3=0.061 4代入式(23)得z1=234 r/min，z2=511 r/min，z3=91 r/min。

將x1=－1.112 4、x2=0.181 6、x3=0.061 4代入方程(16)、(17)得y1=0.26%，y2=0.79%。

即該脫粒裝置的最優(yōu)參數(shù)組合為:離散輥轉(zhuǎn)速為234 r/min、脫粒輥轉(zhuǎn)速為511 r/min、差速輥轉(zhuǎn)速為91 r/min。在最優(yōu)參數(shù)組合下的籽粒破損率為0.26%，未脫凈率為0.79%。

3.4 試驗驗證

為驗證參數(shù)匹配的可靠性，采用已優(yōu)選出的最佳參數(shù)組合，每組選取6個玉米果穗進行5次重復(fù)驗證試驗［20］，如圖13所示。對試驗結(jié)果取平均值得出籽粒破損率為 0.25%、未脫凈率為0.76%、玉米芯完整度100%，與理論預(yù)測值的相對誤差絕對值均低于4%，證明優(yōu)化方法所得的結(jié)論可信。

圖13 驗證試驗Fig．13 Verification test

為進一步驗證脫粒裝置的脫粒性能及適應(yīng)能力，選取2個玉米品種進行驗證試驗，分別為登海9號，馬齒型，果穗形狀為長筒型;中單868，半馬齒型，果穗形狀為短筒型。試驗結(jié)果如表4所示，2種玉米的試驗結(jié)果與洛單668相近，說明該脫粒裝置脫粒性能穩(wěn)定、適應(yīng)性強。

選用大量玉米果穗進行生產(chǎn)效率試驗，得出該脫粒裝置的生產(chǎn)效率為524 kg/h，達到了普通小型玉米脫粒機500 kg/h的效率水平。目前國內(nèi)玉米脫粒機總體上未脫凈率低于1%、破損率在1% ～3%之間，該脫粒裝置具有低破損率的優(yōu)勢。對于玉米育種的數(shù)據(jù)采集工作來說，籽粒破損率越低越好，因此相對于其他玉米脫粒機，該脫粒裝置性能更好，更具有實用價值。

表4 驗證試驗結(jié)果Tab．4 Results of verification test %

4 結(jié)論

(1)間隙浮動調(diào)節(jié)裝置能夠自動地調(diào)節(jié)脫粒間隙，可以降低破損率、提高脫凈率。在籽粒含水率低于25%、離散輥和脫粒輥轉(zhuǎn)速不超過800 r/min的范圍內(nèi)，該脫粒裝置不會造成玉米芯的斷裂。

(2)喂入料斗能夠?qū)崿F(xiàn)玉米果穗喂入自動分離、逐個排出的功能。喂入料斗的最佳傾斜角為40°，果穗喂入高度為132 cm。

(3)浮動式玉米單穗脫粒裝置最優(yōu)工作參數(shù)組合為:離散輥轉(zhuǎn)速為234 r/min、脫粒輥轉(zhuǎn)速為511 r/min、差速輥轉(zhuǎn)速為91 r/min。在最優(yōu)參數(shù)組合下的實際籽粒破損率為0.25%、未脫凈率為0.76%、玉米芯完整度為100%。該脫粒裝置的生產(chǎn)效率為524 kg/h，具有籽粒破損率低、脫凈率高、不斷芯、小型化、適應(yīng)性強等特點。

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Design and Experiment on Floating Corn Single Panicle Threshing Device

LIXinping1XIONG Shi1DU Zhe2GENG Lingxin1JIJiangtao1
(1．College of Agricultural Equipment Engineering，Henan University of Science and Technology，Luoyang 471003，China 2．School of Agricultural Equipment Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China)

In order to solve the problem that corn thresher can not automatically adjust the threshing clearance and reduce the mechanical damage in the process of corn threshing，the floating corn single panicle threshing device was designed．The threshing device was mainly composed of clearance adjustment device，feeding hopper，discrete roller，threshing roller，differential roller，etc．The clearance adjustment device could float and automatically adjust threshing clearance．It can adapt to the differences in the diameters of corn ears，which was conducive to reduce broken rate and increase threshing rate．When the water content of grain was below 25%and the speed of discrete roller and threshing roller was notmore than 800 r/min，the threshing device did not result in the fracture of corn cob．The feeding hopper realized the function of automatic separation of corn ears and discharge one by one．The optimum tilt angle of feeding hopper was 40°and the feeding height of corn ear was 132 cm．Three parameters，including discrete roller speed，threshing roller speed and differential roller speed were selected as the input variables，and broken rate and un-threshing rate of corn grain were used as the test indexes．Parameter optimization experiment was completed on the floating corn single panicle threshing device by the method of quadratic regression orthogonal rotary combination．The optimization results showed that the discrete roller speed was 234 r/min，the threshing roller speed was 511 r/min and the differential roller speed was 91 r/min．The actual grain broken rate was0.25%，the actual un-threshing rate was 0.76%and the integrity rate of corn cob was 100%under the optimal parameter combination．

single panicle threshing device;corn;floating;design;experiment

S220.1

A

1000-1298(2017)07-0104-08

2017-03-22

2017-05-21

國家自然科學(xué)基金-河南人才培養(yǎng)聯(lián)合基金項目(U1204514)

李心平(1973—)，男，副教授，博士生，主要從事農(nóng)產(chǎn)品收獲與加工機械研究，E-mail:aaalxp@126．com

10．6041/j．issn．1000-1298．2017．07．013