基于SolidWorks的斗式提升機的優(yōu)化設計

宿佃斌，宋華魯，李淑紅,段玲玲，宋占華，閆銀發(fā)，李景超，李法德

(1.山東農(nóng)業(yè)大學機械與電子工程學院，山東泰安 271018；2.東平縣供電公司，山東泰安 271500；3.山東潤銀商貿(mào)有限公司，山東泰安 271500)

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基于SolidWorks的斗式提升機的優(yōu)化設計

宿佃斌1，宋華魯1，李淑紅2,段玲玲3，宋占華1，閆銀發(fā)1，李景超3，李法德1

(1.山東農(nóng)業(yè)大學機械與電子工程學院，山東泰安 271018；2.東平縣供電公司，山東泰安 271500；3.山東潤銀商貿(mào)有限公司，山東泰安 271500)

為了降低斗式提升機的破碎率，以某公司30型批式循環(huán)谷物干燥機斗式提升機作為研究對象，在分析實際應用中所出現(xiàn)問題的基礎上，通過優(yōu)化設計，將斗式提升機的提升速度由優(yōu)化前的2.17 m/s降低為優(yōu)化后的1.60 m/s；同時，通過對卸料過程的理論分析，利用作圖法根據(jù)拋糧軌跡，對頭輪罩殼的形狀和幾何尺寸進行了優(yōu)化設計，將頭輪罩殼的長和高分別由原來的758 mm和282 mm增大為優(yōu)化后的1 218 mm和500 mm，減少了谷物與頭輪罩殼的碰撞；并運用SolidWorks建模，對提升機驅(qū)動軸進行了靜態(tài)分析。通過對比優(yōu)化前后斗式提升機的運轉(zhuǎn)試驗，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的斗式提升機運行平穩(wěn)，糧食的破碎率增值下降到0.28%。

農(nóng)業(yè)機械學；斗式提升機；頭輪罩殼；提升速度；破碎率增值；拋糧軌跡；SolidWorks

宿佃斌，宋華魯，李淑紅，等.基于SolidWorks的斗式提升機的優(yōu)化設計[J].河北工業(yè)科技,2016,33(5):415-422.

SU Dianbin，SONG Hualu，LI Shuhong,et al.Optimized design of bucket elevator based on SolidWorks[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2016,33(5):415-422.

據(jù)統(tǒng)計，2015年中國糧食總產(chǎn)量達到6.21×1012kg，連續(xù)3年穩(wěn)定在6×1012kg以上，實現(xiàn)了糧食產(chǎn)量的“十二連增”[1-2]。糧食干燥是糧食生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，做好糧食干燥工作事關農(nóng)村經(jīng)濟持續(xù)健康發(fā)展大局。谷物干燥機作為一種高效的糧食機械化干燥手段，為實現(xiàn)糧食的“不落地入倉”[3]，減少糧食的霉變和污染提供了可能，并且在國家政策的扶持和鼓勵下得到了很好的推廣。在保證谷物烘干機的各項性能指標達到市場需求的前提下，通過優(yōu)化各個部件進而努力提升谷物干燥機的干燥性能(干燥效率、破碎率)，已經(jīng)成為生產(chǎn)廠家提高產(chǎn)品競爭力的努力方向[4-6]。斗式提升機作為垂直輸送的重要工具，因其適應性強、節(jié)省動力、提升高度和效率高等優(yōu)點，在糧食、水泥、化工等領域得到了廣泛應用，其作為批式循環(huán)干燥機的重要組成部分，在谷物循環(huán)中起關鍵作用。因此，斗式提升機也是廠家爭相研究的重點。

在30型批式循環(huán)谷物干燥機的實際運行中，發(fā)現(xiàn)斗式提升機存在嚴重的異響(約90 dB)；糧食回流使斗式提升機的輸送量下降；糧食破碎率增值大，相當一部分糧食存在裂紋，甚至粉碎等情況，而且隨著谷物含水率的降低，該現(xiàn)象更加明顯。通過現(xiàn)場分析，初步確認了產(chǎn)生以上問題的原因，這些原因與前人的研究基本一致：由于斗式提升機的實際生產(chǎn)率Q(t/h)比30型批式循環(huán)谷物干燥機的每小時輸出量Qi(t/h)小,導致底部絞龍進糧口中糧食積壓較多，畚斗在掏取糧食時阻力增大，引起畚斗帶打滑、抖動,從而造成撒料[7]；畚斗的一個側(cè)面與撓性帶連接，畚斗與糧食整體的重心與撓性帶存在一定距離，因此畚斗在運行過程中會產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，導致畚斗內(nèi)糧食在灑落過程中與畚斗或機殼產(chǎn)生碰撞而破碎；在卸料階段，斗式提升機畚斗帶線速度直接影響破碎率增值[8]，由于頭輪轉(zhuǎn)速過快導致糧食拋撒時與頭輪罩殼相碰撞，造成糧食回流、破碎；同時，糧食在拋撒、回流過程中與機殼相互碰撞是產(chǎn)生異響的主要原因。

因此，通過對30型批式循環(huán)谷物干燥機斗式提升機整體結(jié)構(gòu)和運行過程進行分析，著重討論運行中機頭出現(xiàn)的問題，確定斗式提升機的生產(chǎn)率、運行速度，優(yōu)化頭輪罩殼，利用SolidWorks進行三維建模，并對驅(qū)動軸進行有限元分析，以期達到結(jié)構(gòu)更加合理、性能更加優(yōu)越、糧食破碎率增值有所降低的目的。

1 整體結(jié)構(gòu)和機頭部分的運行過程

1.1 斗式提升機結(jié)構(gòu)性能分析

圖1 斗式提升機結(jié)構(gòu)Fig.1 Assembly drawing of bucket elevator

斗式提升機整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要構(gòu)件有：驅(qū)動裝置、畚斗、牽引構(gòu)件、殼體、尾輪、張緊裝置、進料口和卸料口[9]。

驅(qū)動裝置由電動機、變速器及聯(lián)軸器、驅(qū)動軸和驅(qū)動輪等組成，驅(qū)動軸上裝有牽引滾筒，多數(shù)斗式提升機都由安裝在驅(qū)動軸上的牽引滾筒驅(qū)動。畚斗通常分為淺型斗、深型斗和有導向槽的尖棱面斗。本提升機采用某公司生產(chǎn)的DS2816深型畚斗。采用PVC整芯提升帶作牽引構(gòu)件(牽引帶)，用螺釘、彈性墊片和壓板固接在牽引帶上，牽引帶的寬度比畚斗寬度大30～35 mm。但是由于膠帶強度相對較低，畚斗與膠帶的連接處為最薄弱環(huán)節(jié)，所以其提升高度一般都不會太高，但是糧食的密度相對較小，用PVC整芯提升帶作為牽引構(gòu)件完全可以滿足本設計的需要。位于底部的尾輪配合螺栓拉緊式張緊裝置對畚斗帶進行張緊，避免牽引帶打滑。

目前，雖然可以根據(jù)谷物烘干機的需要直接選擇相應的斗式提升機，但是在30型批式循環(huán)谷物干燥機的使用過程中，一批糧食在烘干機內(nèi)平均循環(huán)16次，才能將水分降低到所要求的水分。為了降低谷物在循環(huán)干燥過程中的破碎率，在30型批式循環(huán)谷物干燥機上沒有配置下部的卸糧攪龍和頂部的布糧攪龍，但是在實際操作過程中，發(fā)現(xiàn)谷物的破碎率增值仍然較高，經(jīng)分析得知，現(xiàn)有的斗式提升機的整體性能偏低，并不能完全符合谷物烘干機的需要，尤其是提升機機頭結(jié)構(gòu)不合理、提升速度過高。機頭的外形必須與畚斗的卸料方式相適應[9]，因此，機頭的設計關鍵是確定合適的卸料方式。

斗式提升機的卸料方式可分為重力式卸料、離心式卸料、混合式卸料。對于散落性較好的物料，為了盡量縮小斗式提升機的體積，一般會選擇比較高的提升速度，從而選用離心式卸料。當頭輪罩殼設計不合理時，離心式卸料容易造成糧食回流。因此，本設計采用離心式卸料。

1.2 卸糧過程分析

為了避免糧食的回流，保證卸糧時糧食可以順利地拋入落糧管道，必須設計合適的頭輪罩殼。糧食的拋撒是從畚斗進入機頭部分開始的，畚斗內(nèi)的物料曲面對整個拋糧過程有重要的影響。

如圖2所示，離心式卸料時，在頭輪轉(zhuǎn)速一定的情況下，作用在任何位置上的糧食的合力方向都集中在極點P上，則畚斗內(nèi)糧食表面在某一點的切線總是與合力的方向相垂直，也就是說畚斗內(nèi)糧食的表面在某一點的切線總是垂直于它與極點P的連線。糧食在畚斗內(nèi)是按照圖2所示的對數(shù)螺旋面Ⅰ，Ⅲ，Ⅳ這樣一組組對數(shù)螺旋面排列。畚斗內(nèi)的糧食在合力的作用下，面Ⅳ上的糧食在向上運動時不會受到畚斗外壁的阻擋，故可以從畚斗內(nèi)拋出。相反，面Ⅲ上的糧食在向上運動時會受到畚斗外壁的阻擋，不能從畚斗內(nèi)拋出。以此類推，可以得出在對數(shù)螺旋面Ⅰ以上的糧食都可以無阻礙地從畚斗里面拋出，在面Ⅰ以下的糧食不能從畚斗內(nèi)拋出。

圖2 離心式卸料示意圖Fig.2 Schematic diagram of centrifugal discharge

圖3 糧食拋撒軌跡示意圖Fig.3 Schematic diagram of grain’s throwing trajectory

如圖3所示，在理想狀態(tài)下，糧食離開畚斗后在重力的作用下作初始速度為V的拋物線運動，但是，在實際情況下受頭輪罩殼幾何尺寸(高度和寬度)的限制，糧食會在機頭內(nèi)與頭輪罩殼產(chǎn)生相互碰撞，加上空氣阻力等因素，糧食不會按照理想的拋物線進行運動，整體的拋撒軌跡會比理想狀態(tài)下略為降低，因此，如果頭輪罩殼設計不合理、工作速度不合理，極易造成一部分糧食產(chǎn)生回流現(xiàn)象，圖3中按軌跡V運動的糧食極易回流。

2 優(yōu)化設計

2.1 斗式提升機生產(chǎn)率和提升速率的確定

根據(jù)30型批式循環(huán)谷物干燥機的設計要求，糧食在內(nèi)部循環(huán)一次的時間約為1 h，因此與之相配套的斗式提升機的生產(chǎn)率可以定為30 t/h，斗式提升機的提升高度約為10 m。原有斗式提升機提升速度為2.17 m/s，計算生產(chǎn)率為31 t/h，頭輪直徑D=200 mm，畚斗之間的間距e=110 mm。分析發(fā)現(xiàn)，原提升機頭輪直徑過小，導致了畚斗帶折彎現(xiàn)象嚴重，使用壽命縮短；并且，提升速度過快導致了糧食在拋撒時的初始速度過高(優(yōu)化前糧食拋撒初始速度為5.82 m/s)，加之頭輪罩殼的尺寸不合適導致糧食與頭輪罩殼的碰撞嚴重。現(xiàn)以玉米為例進行相關參數(shù)的優(yōu)化計算，最終確定提升機的相關參數(shù)，主要計算過程如下。

取玉米的容重ρ=840 kg/m3，玉米的內(nèi)摩擦角φ=28°，相應的摩擦系數(shù)f=tanφ=tan 28°=0.532。畚斗帶的運行速度V=1.60m/s；用離心式卸料，根據(jù)相關資料[16]，求出頭輪的直徑D=360mm。

頭輪轉(zhuǎn)速計算公式：

(1)

把已知參數(shù)代入式(1)得頭輪轉(zhuǎn)速n=84.93 r/min。

極距計算公式：

(2)

把已知參數(shù)代入式(2)得到極距a=124 mm。

斗式提升機的計算生產(chǎn)率公式：

Q計算=k·Q，

(3)

式中k為供料不均勻系數(shù)[12]，k=1.2。

將已知參數(shù)代入式(3)得到計算生產(chǎn)率Q計算=36 t/h。

根據(jù)式(4)，選擇計算線載荷和選擇畚斗型號：

(4)

式中：i0為畚斗容積，L；s為畚斗間距，mm；L線為線載荷，L/m。

將已知參數(shù)代入式(4)，可得線載荷L線=9.30 L/m。

選用DS2816型深型畚斗，可知i0=3.01 L, 得

s=323.66 mm 。

可以根據(jù)式(5)得到畚斗間距：

e=s-C,

(5)

式中：e為前一個畚斗底與下一個畚斗上沿的間距，mm；C為畚斗高度，mm。

將已知參數(shù)代入式(5)，可得畚斗間距e=169.66mm。

按照建議[11]，控制畚斗卸料的方位角θ0=30°，經(jīng)計算裝滿系數(shù)φ=0.6。

裝滿系數(shù)完全滿足設計需求，故可以確定提升速度V=1.60m/s，生產(chǎn)率為30t/h。

2.2 頭輪罩殼的優(yōu)化

2.2.1 糧食拋撒軌跡的計算

低水分糧食在拋撒過程中如果碰到了頭輪罩殼極易發(fā)生破碎，選用離心式卸料可使糧食在頭輪罩殼的誘導下不與頭輪罩殼產(chǎn)生碰撞，直接進入機頭的卸料口，防止糧食回流。根據(jù)已經(jīng)確定的斗式提升機的基本參數(shù)(畚斗帶速度、頭輪直徑、生產(chǎn)率)，本文用作圖法繪制斗式提升機的糧食拋撒軌跡如圖4所示(忽略氣流對糧食的作用)。

圖4 糧食拋撒軌跡示意圖Fig.4 Schematic diagram of grain's throwing trajectory

當畚斗運轉(zhuǎn)到如圖4所示的角度為θo位置時，根據(jù)畚斗的相關幾何參數(shù)，可以得到畚斗內(nèi)糧食的滑移平面與oo點半徑之間的夾角αo，建立如圖4所示的動坐標系xoooyo。

1)計算牽引速度Ve

(6)

式中：r外為畚斗外緣口的直徑，經(jīng)計算r外=348.30 mm。代入已知參數(shù)可得牽引速度Ve=3.10m/s，方向如圖4所示。

2)計算相對速度Vr

糧食在畚斗內(nèi)的平面上滑移，此時滑移速度：

(1-e-2fθo),

(7)

式中：ω為頭輪的角速度，ω=8.86 rad/s；αo為糧食滑移平面與半徑的夾角，計算知αo=26.21°；φ′為修正摩擦角，tanφ′=f′=2f=1.064，則φ′=46.70°；g為重力加速度，取9.8m/s2；θo為卸糧起始角，按照建議[12]取θo=30°。代入已知參數(shù)可得滑移速度Vr=0.32m/s，方向如圖4所示，與糧食滑移方向平行。

當糧食運動到oo點后離開畚斗，作初始速度為Va的拋物運動，假設糧食離開畚斗外沿oo點的時刻t=0，忽略拋出后空氣的阻力，則糧食在xoooyo坐標系中的運動方程為

(8)

表1 曲線Ⅰ在xoooyo坐標系中的坐標值

重復以上步驟可以依次畫出畚斗外沿在θ1，θ2，…，θn的卸糧軌跡，每隔10°作一條拋糧軌跡曲線，直至卸料結(jié)束。最后，如圖4所示用一條曲線Ⅴ將所有的軌跡曲線包絡起來，此曲線與頭輪所構(gòu)成的空間即為糧食在頭輪內(nèi)的運動區(qū)間。如果按拋糧軌跡的實際形狀曲線Ⅴ直接制造頭輪罩殼，會發(fā)現(xiàn)頭輪罩殼的尺寸很大，現(xiàn)在讓直線DF與曲線Ⅴ相切與E點，當糧食運動到點E時沿EF順勢滑下。其余部分按略大于軌跡曲線Ⅴ的原則進行設計，多邊形ABCDEFG即為優(yōu)化后頭輪罩殼的形狀。

2.2.2 頭輪罩殼三維建模

應用SolidWorks軟件建立斗式提升機機頭部分的模型，模型主要采用了拉伸、切削、鈑金等特征。頭輪罩殼主要由3部分組成：左右側(cè)板和上包絡板。糧食在提升機內(nèi)的拋撒軌跡主要受罩殼形狀的制約，所以根據(jù)糧食的拋撒軌跡對罩殼形狀進行了優(yōu)化。

頭輪罩殼模型如圖5所示，罩殼優(yōu)化后比優(yōu)化前在高度上增大了218mm，寬度上增加了466mm，雖然罩殼的結(jié)構(gòu)尺寸有所增加，但是大大減輕了糧食在拋撒結(jié)束前與右側(cè)機殼的劇烈碰撞。

圖5 頭輪罩殼形狀示意圖Fig.5 Schematic diagram of head hood

2.3 驅(qū)動軸的有限元分析

2.3.1 驅(qū)動軸模型的建立與載荷的處理

機頭驅(qū)動軸在提供動力的同時還承擔著畚斗帶、畚斗和畚斗內(nèi)糧食的重量，并且在斗式提升機運行時還要承受張緊力，可見軸上存在較大的扭矩和彎矩，因此驅(qū)動軸的強度對斗式提升機的可靠性有很大影響。為進一步驗證斗式提升機運行時的可靠性，利用SolidWorks對機頭驅(qū)動軸進行有限元分析。

驅(qū)動軸的簡化模型二維示意圖如圖6所示，動力裝置提供的扭矩通過鍵傳遞到驅(qū)動軸上，在這里簡化為圖6中的F2直接作用在鍵槽平面上；同理，主動輪作用在軸上的反作用力也簡化為圖6所示的F1上。經(jīng)計算，F(xiàn)1=F2=1 800 N(方向如圖6所示)。除此之外，提升機在運行時畚斗、糧食、畚斗帶、頭輪的重量也通過頭輪與驅(qū)動軸的接觸面L1部分作用在驅(qū)動軸上，經(jīng)計算F3=1 600N(方向豎直向下)。

2.3.2 驅(qū)動軸在SolidWorks中的受力仿真分析

1)新建靜態(tài)算例

選擇材料為45號優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，具體參數(shù)選擇如表2所示。

表2 45號優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼參數(shù)

圖6 機頭驅(qū)動軸傳動軸簡化模型二維示意圖Fig.6 Two-dimensional sketch map of drive shaft on the top of bucket elevator

2)固定幾何體并施加載荷

對模型進行適當?shù)暮喕沁M行分析的必要條件[13]，簡化的模型必須準確地反映原有模型的受力狀況。如圖7所示，在軸承處進行固定，按圖7所示施加作用在鍵槽上的力F1=F2=1 800 N，經(jīng)計算，畚斗、畚斗帶、運行時畚斗內(nèi)糧食以及頭輪作用在軸上的合力為F3=1 600 N，方向豎直向下。

圖7 施加載荷示意圖Fig.7 Layout of loading on the drive shaft

3)劃分網(wǎng)格與結(jié)果分析

由于軸的結(jié)構(gòu)相對比較簡單，在劃分網(wǎng)格時選用高品質(zhì)網(wǎng)格[14]，參數(shù)如表3所示，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖8所示。

表3 網(wǎng)格劃分參數(shù)表

圖8 網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.8 Results with different meshing densities

4)運行并分析結(jié)果

在斗式提升機的運行過程中，驅(qū)動軸所承載的載荷相對較小且比較平穩(wěn)，振動和溫差等因素也相對較小，因此只對軸進行簡單的有限元分析，分析結(jié)果如圖9所示。

從圖9中可以看出，軸的最大等效應力(vonMises應力)[15]為25.51 MPa，發(fā)生在軸頭的鍵槽處，完全小于材料的屈服強度205 MPa，最小安全系數(shù)為7.25，故驅(qū)動軸是安全的。

3 試驗驗證

3.1 試驗標準及試驗方法

按照《批式循環(huán)谷物干燥機》(JB/T 10268—2011)和《玉米干燥技術規(guī)范》(GB/T 21017—2007)對烘干機進行了運行試驗，并按照《糧食、油料檢驗 扦樣、分樣法》(GB 5491—1985)和《糧油檢驗 碎米檢驗法》(GB/T 5503—2009)進行取樣和檢驗操作[8]，以確保試驗的準確性。

圖9 運行結(jié)果分析Fig.9 Layout of analytic result

優(yōu)化前和優(yōu)化后的斗式提升機與同一臺30型批式循環(huán)谷物干燥機配合使用烘干同一品種玉米，在玉米初始質(zhì)量(30 t)、風量(17 500 m3/h)、熱風溫度(47 ℃)、烘干時間(15 h)相同的條件下，烘干前后分別取樣。

3.2 試驗數(shù)據(jù)整理與分析

通過對得到的試驗數(shù)據(jù)進行整理分析，得到優(yōu)化前后原糧和循環(huán)后玉米的破碎率，如表4所示。由式(9)計算優(yōu)化前后玉米的破碎率增值：

ΔB=B′-B″,

(9)

式中：ΔB為破碎率增值；B′為循環(huán)后糧食破碎率；B″為原糧破碎率。

可以得出配備優(yōu)化前斗式提升機的30型批式循環(huán)谷物干燥機破碎率增值為0.63%，配備優(yōu)化后的斗式提升機的30型批式循環(huán)谷物干燥機破碎率增值為0.28%。配備優(yōu)化前斗式提升機的30型批式循環(huán)谷物干燥機與配備優(yōu)化后斗式提升機的30型批式循環(huán)谷物干燥機所烘干的糧食如圖10所示。而且，糧食回流現(xiàn)象基本消失，噪聲減小至約60dB，運行期間未出現(xiàn)過過載打滑及驟?，F(xiàn)象。

表4 優(yōu)化前后糧食顆粒破碎程度對比

圖10 優(yōu)化前后玉米顆粒破碎程度對比Fig.10 Comparison of corn grain crushing degree between optimized and before optimizing

4 結(jié) 語

通過計算確定了30型批式循環(huán)谷物干燥機斗式提升機的最佳提升速度為1.60 m/s，設計生產(chǎn)率為36 t/h；利用作圖法優(yōu)化了頭輪罩殼的結(jié)構(gòu)尺寸，利用SolidWorks對斗式提升機頭輪罩殼進行了建模，并對斗式提升機驅(qū)動軸進行了有限元分析。結(jié)果顯示，優(yōu)化設計后的斗式提升機糧食破碎率增值由0.63%下降到0.28%，效果顯著；糧食回流現(xiàn)象基本消失，斗式提升機運行平穩(wěn)、噪聲明顯減小，得到了使用者的肯定。

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Optimized design of bucket elevator based on SolidWorks

SU Dianbin1， SONG Hualu1， LI Shuhong2, DUAN Lingling3，SONG Zhanhua1， YAN Yinfa1， LI Jingchao3， LI Fade1

(1. College of Mechanical and Electronic Engineering, Shandong Agricultural University, Taian, Shandong 271018,China;2. Dongping County Power Supply Company, Taian, Shandong 271500, China;3. Shandong Runyin Trading Company Limited, Taian, Shandong 271500, China)

In order to reduce the broken rate of grain, the structure of a bucket elevator equipped in the 30-recirculating batch dryer is studied on the basis of analyzing the problems occurring in practical application. By optimization, the lifting speed of the bucket elevator is changed from 2.17 m/s to 1.60 m/s. In addition, on the basis of theoretically analyzing the discharging process of grain in the head hood, the shape and geometry dimension of the head hood are optimized with the graphic method. The length of the head hood is changed from 758 mm to 1 218 mm, and the heights of the head hood are changed from 282 mm to 500 mm, respectively, reducing the impact between the grain and the head hood. The static analysis for the drive shaft is conducted with SolidWorks modeling. In comparison with the original model, it is found that the optimized bucket elevator runs smoothly, with the broken ratio increment of grain being decreased to 0.28%.

agricultural mechanical； bucket elevator； shell of elevator head； hoisting speed； crush ratio increment； discharging path line； SolidWorks

1008-1534(2016)05-0415-08

2016-04-20;

2016-06-06；責任編輯：陳書欣

山東省農(nóng)機裝備研發(fā)創(chuàng)新計劃項目(2015YH113，2015TH101)

宿佃斌(1991—)，男，山東萊蕪人，碩士研究生，主要從事機電一體化方面的研究。

李法德教授。E-mail:lifade@sdau.edu.cn

TH225;S226.6

A

10.7535/hbgykj.2016yx05010