手動式噴霧器綜合試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)

唐敬軒，孫　星，吳儉敏，董　祥，王錦江，朱立成

(中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京　100083)

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手動式噴霧器綜合試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)

唐敬軒，孫星，吳儉敏，董祥，王錦江，朱立成

(中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京100083)

摘要：噴霧器產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)乎農(nóng)作物質(zhì)量安全，也關(guān)乎操作人員健康安危。鑒于我國農(nóng)業(yè)目前仍以小農(nóng)戶經(jīng)營為主，生產(chǎn)規(guī)模不大，因此使用中還是以手動式噴霧器等小型噴霧器為主。為對手動式噴霧器的主要性能參數(shù)進(jìn)行可靠評估，現(xiàn)參照相關(guān)國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了專門的試驗(yàn)臺。該試驗(yàn)臺通過PLC驅(qū)動電動伺服缸和電動推桿實(shí)現(xiàn)模擬手臂對手動噴霧器進(jìn)行打壓、噴霧，并由上位PC通過通訊端口獲取過程參數(shù)值，全程監(jiān)測試驗(yàn)設(shè)備的各項(xiàng)試驗(yàn)參數(shù)并將其保存到試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫中。

關(guān)鍵詞：噴霧器；試驗(yàn)臺；綜合性能；上下位機(jī)控制

0引言

噴霧是目前植保中防治病蟲害最常用的手段，噴霧器是我國最常用的植保機(jī)械之一[1]。近年來，國內(nèi)涌現(xiàn)出了一批設(shè)計(jì)更加合理、生產(chǎn)工藝更加可靠的手動式噴霧器產(chǎn)品；但鑒于噴霧器本身的技術(shù)含量、生產(chǎn)條件、投資規(guī)模等要求均不高，還是存在許多生產(chǎn)條件差、生產(chǎn)設(shè)備簡陋的廠家生產(chǎn)的偷工減料、以次充好的噴霧器流入市場[2]。因此，需要設(shè)計(jì)一個(gè)試驗(yàn)臺，針對手動式噴霧器的各項(xiàng)性能參數(shù)進(jìn)行可靠評估。

本文所研究的手動式噴霧器試驗(yàn)臺可對截流閥可靠性、噴霧性能、穩(wěn)壓性能、氣泵容積效率及整機(jī)可靠性等性能進(jìn)行評估[3-6]。其外部采用鋁合金框架并配有有機(jī)玻璃，噴霧室單獨(dú)隔離，避免水霧在實(shí)驗(yàn)室中擴(kuò)散；噴霧器的加壓與噴桿的按壓也是由電缸伸縮控制，噴頭部分安裝有噴霧量流量計(jì)量裝置；采用上下位機(jī)工作方式，數(shù)據(jù)的采集與處理由下位機(jī)完成，試驗(yàn)完成后再自動上傳至上位機(jī)，用戶可以通過程序提供的歷史查詢功能調(diào)出以往被測設(shè)備的試驗(yàn)記錄并將其自動生成試驗(yàn)報(bào)表輸出打印。該系統(tǒng)功能齊全、適用范圍廣、性能穩(wěn)定、工作可靠、精度高、使用維修方便，適用于相關(guān)科研院所、生產(chǎn)企業(yè)和質(zhì)量監(jiān)督檢測部門對手動式噴霧器類產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)、研究試驗(yàn)及產(chǎn)品質(zhì)量檢測試驗(yàn)等領(lǐng)域。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1流量計(jì)量方法的選擇

噴霧器的截流閥可靠性、噴霧性能、穩(wěn)壓性能等性能，主要是以試驗(yàn)過程中的系統(tǒng)壓力和噴霧流量作為依據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)不同的產(chǎn)品、試驗(yàn)環(huán)境、人員等因素，選擇合適的流量測量方法。目前，常用的測量方法有：稱重法、容積法、壓差裝置和流量計(jì)法等[7]。

1)稱重法：稱重法分靜態(tài)稱重法與動態(tài)稱重法，區(qū)別在于液體向容器內(nèi)注入和向容器外排出是交替進(jìn)行還是瞬時(shí)進(jìn)行。稱重法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示[8]。稱重法得到的是一定時(shí)間內(nèi)的液體流量的平均值，此法是流量測量的最精確方法。但需要注意，相對稱重誤差及由于被稱量的液體受大氣壓力的作用而產(chǎn)生的反作用力和液體密度的影響。

圖1　稱重法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2)容積法：容積法精度接近稱重法，得到的也是注滿標(biāo)準(zhǔn)容器的這段時(shí)間內(nèi)的流量平均值。容器的校準(zhǔn)是逐次通過稱重確定水的容積，進(jìn)而測出液位高度；但需要注意容器的校準(zhǔn)及容器的泄漏問題，必要時(shí)應(yīng)作泄漏修正。

3)壓差裝置法：壓差裝置包括孔板、噴嘴和文丘里管等。采用壓差裝置法需要滿足最小直管段長度要求，并安裝整流柵。

4)流量計(jì)法：流量計(jì)法是當(dāng)前普遍采用的測量流量的方法，包括渦輪流量計(jì)和電磁流量計(jì)。流量計(jì)直接給出電信號，方便集成于一個(gè)系統(tǒng)，并且直觀、準(zhǔn)確、高效。但是，電磁流量計(jì)的安裝與調(diào)試較復(fù)雜，且要求更嚴(yán)格。渦輪流量計(jì)如果管道流速不均將造成測量誤差，直管段要求高。

根據(jù)以上分析，結(jié)合實(shí)際情況，本試驗(yàn)臺決定采用稱重法，并利用電控閥門實(shí)現(xiàn)容器進(jìn)水和排水交替進(jìn)行，確保穩(wěn)定性與精確度。

1.2機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示。試驗(yàn)臺整體外部為全封閉鋁合金框架結(jié)構(gòu)，前后均安裝雙開門，門體為有機(jī)玻璃，關(guān)上門后通過磁鐵固定。試驗(yàn)臺操作過程中，關(guān)閉前后門，噴霧室相對封閉，避免水霧在實(shí)驗(yàn)室中擴(kuò)散。

1.滑軌　2.藥箱夾具　3.電動推桿　4.電動伺服缸

試驗(yàn)臺框架內(nèi)部分為兩部分。第1部分配有噴霧器的藥箱夾具，采用滑軌移動，將噴霧器放置在藥箱夾具上，移動到所需位置后，用手輪鎖定噴霧器藥箱夾具。藥箱夾具的夾緊是通過電動推桿控制完成。藥箱夾具的前后左右可調(diào)，使得該試驗(yàn)臺適用于不同類型規(guī)格的藥箱。噴霧器的加壓動作則采用一垂直安裝的伺服電缸和1只鉸鏈?zhǔn)竭B桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。第2部分是噴桿支架，噴桿固定好后通過另一只電動推桿的伸縮實(shí)現(xiàn)按壓噴霧。因采用稱重法測量流量，試驗(yàn)臺內(nèi)放置有1臺可調(diào)零稱重儀，其底部有掛鉤并懸掛有一個(gè)特制容器；噴桿的噴頭從容器側(cè)面的開口伸入，按壓噴霧時(shí)噴頭將水噴到擋板上再流到容器里，可防止稱重儀受到?jīng)_擊；容器下裝有電控閥門，閥門關(guān)閉時(shí)可以通過計(jì)算噴出的水量與時(shí)間的關(guān)系，算出流量；閥門打開時(shí)可以將容器內(nèi)的水排入試驗(yàn)臺排水口。

2硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1硬件系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖，如圖3所示。系統(tǒng)硬件采用的是“PC+PLC”上下位機(jī)式控制模式。在配套的電控柜上，可方便地切換為“手動”狀態(tài)或“自動”狀態(tài)。

圖3　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

上位機(jī)采用臺式計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)的控制中樞，用于直接發(fā)出操控指令來控制試驗(yàn)進(jìn)程；同時(shí)，在顯示器上顯示各種參數(shù)變化，與計(jì)算機(jī)配套的打印機(jī)可用于試驗(yàn)報(bào)告的打印。

下位機(jī)采用PLC將上位機(jī)命令解釋成相應(yīng)時(shí)序信號直接控制相應(yīng)設(shè)備，并不時(shí)讀取設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號反饋給上位機(jī)。PLC控制示意圖如圖4所示。

試驗(yàn)過程中，系統(tǒng)壓力和噴霧流量的測量由對應(yīng)傳感器完成。上位機(jī)直接通過RS232通訊端口(或經(jīng)過USB轉(zhuǎn)RS232的通訊轉(zhuǎn)換器)與傳感器進(jìn)行通訊，上位機(jī)設(shè)定的速度、行程等參數(shù)通過通訊，由PLC驅(qū)動電動伺服缸和電動推桿加以實(shí)現(xiàn)。因此，選配的壓力測量儀表和噴霧流量測量儀表都必須是帶有RS232接口的單參數(shù)或多參數(shù)復(fù)合式程控儀表。

圖4　PLC控制示意圖

2.2伺服電缸的選擇

以常見背負(fù)式噴霧器為例，假設(shè)搖桿手柄處(即活塞作用點(diǎn))到噴霧器搖桿轉(zhuǎn)動支點(diǎn)的距離為L1，搖桿轉(zhuǎn)動支點(diǎn)到噴霧器連桿孔的距離為L2，背負(fù)式噴霧器活塞活塞行程為L3=55mm。

通過測量，算出L1/L2=6，則電缸行程為6L3=330 mm，則應(yīng)選用行程為350mm的電動伺服缸。

由于背負(fù)式噴霧器和最大工作壓力為0.4MPa，現(xiàn)取0.5MPa。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)可知，背負(fù)式噴霧器工作液泵的活塞直徑最大為3.5cm，則最大壓力為

(1)

以常見壓縮式噴霧器，由于結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，打壓手柄只做上下直線運(yùn)動，因此打壓手柄的上下運(yùn)動行程即為帶動其上下運(yùn)動氣缸的活塞行程。因驅(qū)動手柄運(yùn)動的電動伺服缸行程必須大于300mm，則應(yīng)選用行程為350mm的電動伺服缸。

由于壓縮式噴霧器最大工作壓力為0.4MPa，取0.5MPa。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)可知，壓縮式噴霧器工作液泵的活塞直徑最大為3.5cm。則最大壓力為

(2)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)可知，背負(fù)式噴霧器操作搖桿，最大頻率不超過35次/min，故選用電動伺服缸(型號RMG50，額定推力500N，最大行程800mm，最高速度1 000mm/s)。

2.3稱重儀的選擇

選擇電子稱重儀應(yīng)該從稱重儀的絕對精度(分度值e)上去考量是否符合稱量的精度要求[9]。在《JJG98．90非自動天平試行檢定規(guī)程》中有規(guī)定，最大允許誤差與檢定標(biāo)尺的分度值“e”為同一數(shù)量級。

除了看稱重儀精度，還應(yīng)看最大稱量值是否滿足量程的需要。通常在最大載荷的數(shù)值上留出少許余量即可，不是越大越好。

本試驗(yàn)臺記錄噴霧器的噴霧量并計(jì)算噴霧量偏差，測定時(shí)間不少于1min，且需要多次試驗(yàn)求平均值。根據(jù)實(shí)際精度與量程需要，最終選用奧豪斯自動外部校準(zhǔn)稱重儀(型號CAV8101，量程0～8 100g，精度為±0.1g，操作溫度范圍10～30℃)。該稱重儀內(nèi)置下秤鉤(見圖5)，滿足了本試驗(yàn)臺特殊的稱量要求。

2.4壓力表的選擇

在選擇壓力表時(shí)，首先需要確定被測壓力是否存在負(fù)壓：如果存在負(fù)壓需要選用真空表；如果既有正壓也有負(fù)壓則選用壓力真空表；如果只有正壓，就選用壓力表[10]。此外，還需要考慮測壓介質(zhì)、測量范圍、精確度及種類型號等因素。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)可知，在進(jìn)行截流閥可靠性試驗(yàn)時(shí)，需將試驗(yàn)壓力調(diào)整為(0.3±0.02)MPa。其他試驗(yàn)項(xiàng)目中，壓力應(yīng)為正常噴霧壓力或使用說明書規(guī)定的工作壓力，如果在使用說明書中沒有規(guī)定，則試驗(yàn)壓力為(0.3±0.02)MPa。故選用壓力表(型號JYB-KO-PW2G-ZG，量程0～2.0MPa，精度±0.5 MPa)。

圖5　稱重儀下稱鉤

3軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)硬件設(shè)計(jì)和檢測試驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制軟件。軟件可以根據(jù)用戶實(shí)際需要安裝在電腦相關(guān)文件夾下，點(diǎn)擊安裝后的程序圖標(biāo)即可打開應(yīng)用程序主界面。

3.1調(diào)試及初始化

程序首次使用或者長時(shí)間放置不用后再次使用時(shí)需要校準(zhǔn)調(diào)試，調(diào)試內(nèi)容主要包括截止閥、伺服缸及放水閥。調(diào)試過程中，可以讀取查看當(dāng)前系統(tǒng)壓力值，打開或關(guān)閉稱重儀并讀取查看當(dāng)前測試質(zhì)量。調(diào)試過程分為手動方式和自動方式，界面打開后默認(rèn)顯示為自動方式。

截止閥調(diào)試中改變動作頻率值可以實(shí)時(shí)改變截止閥往復(fù)開閉的頻率。伺服缸調(diào)試中根據(jù)實(shí)際測量值輸入往復(fù)運(yùn)動距離并輸入需要的動作頻率值，輸入后在手動模式下進(jìn)行初始化。

調(diào)試結(jié)束后，試驗(yàn)前應(yīng)在產(chǎn)品測試選項(xiàng)下，進(jìn)行一些必要的試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定，包括稱重儀的開閉、截止閥與放水閥的手自動切換及截止閥往復(fù)開閉的頻率等。如果需要后期數(shù)據(jù)報(bào)表輸出，還應(yīng)提前錄入試驗(yàn)相關(guān)信息(如試驗(yàn)編號、送檢單位、試驗(yàn)日期、試驗(yàn)人員、試驗(yàn)地點(diǎn)等)及產(chǎn)品信息(如機(jī)器型號、機(jī)器類別、制造商、 藥箱容積、凈質(zhì)量、備注等)。軟件輸入界面如圖6所示。

3.2軟件試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)試驗(yàn)類型包括截流閥可靠性試驗(yàn)、噴霧量測定試驗(yàn)、噴霧性能試驗(yàn)、穩(wěn)壓性能試驗(yàn)、整機(jī)可靠性試驗(yàn)及氣泵平均容積效率試驗(yàn)6種。其中，部分試驗(yàn)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)有自己的算法設(shè)計(jì)。

截流閥可靠性試驗(yàn)中，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T24679.1-2009第5.3節(jié)所規(guī)定的試驗(yàn)方式進(jìn)行，即將試驗(yàn)壓力調(diào)整為0.3MPa±0.02 MPa，滿行程操作截流閥，在開關(guān)頻率為(15±5)次/min的狀態(tài)下累計(jì)操作25 000次，檢查并記錄截流閥泄漏情況。程序?qū)?yīng)操作界面如圖7所示。

圖6　產(chǎn)品信息數(shù)據(jù)輸入界面

圖7　截流閥可靠性試驗(yàn)程序界面

在噴霧量測定試驗(yàn)中，根據(jù)GB/T24679.1-2009第5.3節(jié)及JB/T6661-2006第6.12節(jié)所規(guī)定的試驗(yàn)方式進(jìn)行，即噴霧機(jī)隨機(jī)提供的每一種、每一個(gè)噴頭的噴霧量都應(yīng)該測定，測量誤差應(yīng)不超過1%。試驗(yàn)壓力為正常噴霧壓力或使用說明書規(guī)定的工作壓力，如果在使用說明書中沒有規(guī)定，則試驗(yàn)壓力為(0.3±0.02)MPa。記錄噴霧器的噴霧量，根據(jù)說明書中給定的額定噴霧量，計(jì)算噴霧量偏差；測定時(shí)間不少于1min，試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。程序?qū)?yīng)操作界面如圖8所示。

圖8　噴霧量測定試驗(yàn)程序界面

噴霧性能試驗(yàn)中，根據(jù)JB/T6661-2006第6.3節(jié)所規(guī)定的試驗(yàn)方式進(jìn)行，即在套管和軟管之間接入壓力表，按使用說明書中規(guī)定的操作頻率，操作噴霧器使之噴霧。當(dāng)使用說明書中沒有規(guī)定操作頻率時(shí)，應(yīng)不超過30次/min。同時(shí)，進(jìn)行如下觀察檢查：

1) 噴霧器能否達(dá)到規(guī)定的工作壓力或使用說明書規(guī)定的工作壓力；

2) 霧流是否連續(xù)均勻，霧化是否良好。觀察時(shí)間為1min，試驗(yàn)中允許對機(jī)具進(jìn)行一次調(diào)整，但不允許更換零件。對應(yīng)操作界面如圖9所示。

圖9　噴霧性能試驗(yàn)程序界面

穩(wěn)壓性能試驗(yàn)中，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T6661-2006第6.5節(jié)所規(guī)定的試驗(yàn)方式進(jìn)行，即在噴霧器出水接頭處安裝壓力表和截流閥，關(guān)閉截流閥，升壓至規(guī)定的試驗(yàn)壓力(可略高出該壓力，但高出量不超過0.1MPa)；然后回調(diào)壓力至規(guī)定的試驗(yàn)壓力，計(jì)時(shí)，觀察各處有無滲漏，到5min時(shí)記錄壓力下降量。試驗(yàn)中允許對機(jī)具進(jìn)行一次調(diào)整，但不允許更換零件。對應(yīng)操作界面如圖10所示。

圖10　穩(wěn)壓性能試驗(yàn)程序界面

整機(jī)可靠性試驗(yàn)中，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T6661-2006第6.13節(jié)所規(guī)定的試驗(yàn)方式進(jìn)行，即將噴霧器安裝在試驗(yàn)臺上，進(jìn)入工作狀態(tài)，在壓力范圍內(nèi)進(jìn)行噴霧60h。程序?qū)?yīng)操作界面如圖11所示。試驗(yàn)結(jié)束后計(jì)算有效度K[4]，則有

(3)

式中TZ—純工作時(shí)間；

Tg—故障排除時(shí)間。

圖11　整機(jī)可靠性試驗(yàn)程序界面

氣泵平均容積效率試驗(yàn)中，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)JB/T9782-1999所規(guī)定的試驗(yàn)方式進(jìn)行，即往藥液箱內(nèi)加入額定容量的清水，在出水接頭處裝上壓力表和截流閥；關(guān)閉截流閥，抽動氣泵塞桿，使活塞以額定行程往復(fù)運(yùn)動，充氣至最高工作壓力；記錄塞桿的往復(fù)次數(shù)及壓力表讀數(shù)，并計(jì)算打氣筒平均容積效率[3](測定3次取平均值)，有

(4)

式中C—平均容積效率(%)；

P1—充氣后藥液箱內(nèi)的絕對壓力(MPa)；

P2—大氣壓力(MPa)；

V1—藥液箱內(nèi)儲氣的容積(cm3)；

V2—?dú)獗美碚撊莘e，即活塞行程與面積之積(cm3)；

N—塞桿往復(fù)次數(shù)(次)。

程序?qū)?yīng)操作界面如圖12所示。

圖12　氣泵平均容積效率試驗(yàn)程序界面

3.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)完畢后，關(guān)閉試驗(yàn)運(yùn)行界面退回到測試系統(tǒng)主界面，在菜單欄“數(shù)據(jù)處理”子菜單中可以選擇“歷史查詢”和“報(bào)表輸出”。若用戶需要即時(shí)輸出當(dāng)前試驗(yàn)結(jié)果的報(bào)表，直接點(diǎn)擊“報(bào)表輸出”選項(xiàng)即可打開試驗(yàn)報(bào)表的打印預(yù)覽界面，同時(shí)報(bào)表將以“ YY-MM-DD HHmm”.xlsx的格式自動保存到應(yīng)用程序根目錄下。

點(diǎn)擊“歷史查詢”選項(xiàng)則進(jìn)入到歷史查詢對話框，在該界面中用戶可以通過試驗(yàn)起止時(shí)間、試驗(yàn)類型模糊查詢時(shí)間段中的試驗(yàn)記錄，如圖13所示。在查到所需要的試驗(yàn)記錄后將其試驗(yàn)編號錄入到試驗(yàn)編號輸入框中后點(diǎn)擊“保存”按鈕將數(shù)據(jù)保存為試驗(yàn)報(bào)表形式。點(diǎn)擊“打印”按鈕即可打印當(dāng)前查詢保存的試驗(yàn)報(bào)表。

圖13　歷史查詢程序界面

4結(jié)論

1)試驗(yàn)臺已經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，性能穩(wěn)定可靠，試驗(yàn)項(xiàng)目齊全，為手動式噴霧器的研究提供了一種更加全面、合理的試驗(yàn)平臺。

2)試驗(yàn)臺規(guī)模小、集成度高、操作簡便。

3)試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)合理，減少了水霧的擴(kuò)散，并將排水進(jìn)行了處理。

4)程序數(shù)據(jù)處理功能完善，可以查看歷史數(shù)據(jù)，也可進(jìn)行報(bào)表輸出。

5)控制軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，便于軟件維護(hù)與升級。

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Tang Jingxuan， Sun Xing， Wu Jianmin， Dong Xiang， Wang Jingjiang， Zhu Licheng

(Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences, Beijing 100083, China)

Abstract：The product quality of the sprayer has the direct relation with the safety of the crop produce, but also with the operator. Given that China's agriculture is still dominated by small farmers, and the scale of production is small, so manual sprayers and other small sprayer is the most commonly used. In order to assess the main performance parameters of the manual sprayers, has referenced to relevant national and trade standards, and design the dedicated test-bed. Electric servo cylinder and linear actuator are driven by Programmable Logic Controller, simulating the arm and pressing the manual sprayers, meanwhile the computer will acquire procedure parameter and save that, to monitor the equipment.

Key words：sprayer; test-bed; comprehensive performance; upper and lower computer control

文章編號：1003-188X(2016)03-0149-06

中圖分類號：S491

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：唐敬軒(1991-)，男，河北定州人，助理工程師，(E-mail)tangjingxuan612@163.com。通訊作者：吳儉敏(1960-)，男，南京人，研究員。

基金項(xiàng)目：公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201203025)

收稿日期：2015-03-06