自走式溫室育苗槽基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)的設(shè)計

朱加繁，張汝坤，楊陸強，高志超，喻自榮，趙玉清

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650201)

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自走式溫室育苗槽基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)的設(shè)計

朱加繁，張汝坤，楊陸強，高志超，喻自榮，趙玉清

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650201)

為了解決設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中育苗基質(zhì)消毒問題，設(shè)計了一種適用于溫室育苗槽的自走式溫室育苗基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)，并闡述了其總體配置及主要部件的結(jié)構(gòu)。該機(jī)主要由機(jī)架、行走裝置、消毒裝置、動力機(jī)構(gòu)和傳輸裝置等組成，能直接對基質(zhì)槽中的育苗基質(zhì)進(jìn)行消毒，且不用人工把基質(zhì)搬運到消毒機(jī)箱體內(nèi)，既減輕了勞動強度又縮短了消毒時間。此研究結(jié)果可為小型育苗基質(zhì)消毒機(jī)械的設(shè)計提供參考。

溫室；基質(zhì)；蒸汽消毒機(jī)

0 引言

育苗基質(zhì)是作物育苗的基礎(chǔ)，是決定幼苗根系生長環(huán)境的重要因素，也是作物育苗期病蟲害傳播的媒介和繁殖場所?；|(zhì)中存在許多病菌、蟲卵、害蟲和雜草種子，如果不及時處理，會使育苗的產(chǎn)量和品質(zhì)下降，甚至造成大面積病菌的傳播，以致整個育苗過程的失敗。因此，作物育苗前必須對育苗基質(zhì)進(jìn)行消毒處理，從而達(dá)到防止病蟲害和殺滅基質(zhì)中雜草種子的目的。

歐美等發(fā)達(dá)國家對基質(zhì)消毒裝備的研究起步較早。英國在20世紀(jì)50年代就對蒸汽消毒設(shè)備進(jìn)行了研究并統(tǒng)計了較詳細(xì)的研究數(shù)據(jù)[1-2]。美國、以色列、荷蘭等國在基質(zhì)消毒方面的研究基本已形成了完整的技術(shù)體系，VISSER型移動式高溫蒸汽介質(zhì)消毒機(jī)是荷蘭較成熟的基質(zhì)消毒設(shè)備。日韓等國也對基質(zhì)消毒設(shè)備進(jìn)行了大量的研究，其中日本研發(fā)的熱水消毒設(shè)備，通過對基質(zhì)灌注90℃以上的熱水能夠殺滅60cm土層內(nèi)的大部分病原菌[3-4]，消毒效果明顯。

國內(nèi)對基質(zhì)消毒裝備的研究起步較晚,現(xiàn)有的消毒機(jī)械規(guī)格少，性能不穩(wěn)定,大多數(shù)基質(zhì)消毒設(shè)備還處于試制階段。浙江大學(xué)蔣煥煜、王竣設(shè)計了一種移動式基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)，其原理主要是采用基質(zhì)輸送帶將基質(zhì)輸送至移動小車，然后再將蒸汽鍋爐產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽通過蒸汽導(dǎo)管通入移動小車內(nèi)，達(dá)到對基質(zhì)進(jìn)行高溫消毒的目的。浙江工業(yè)大學(xué)歐長勁等開發(fā)了一種蒸汽—熱風(fēng)混流消毒設(shè)備，讓基質(zhì)與蒸汽—熱風(fēng)混流氣體進(jìn)行充分的熱交換,使基質(zhì)達(dá)到高溫狀態(tài)，從而實現(xiàn)對栽培基質(zhì)的消毒[5-6]。包應(yīng)時、吳曉蓮設(shè)計制造了一種移動式基質(zhì)消毒設(shè)備，并對該樣機(jī)進(jìn)行了試驗，結(jié)果表明：該設(shè)備可殺死當(dāng)?shù)卦O(shè)施園藝基質(zhì)中的大部分病菌和蟲卵，能滿足當(dāng)?shù)卦O(shè)施園藝種植的要求[7]。然而,從整體來看, 我國育苗基質(zhì)消毒基本上還是人工操作，機(jī)械化基質(zhì)消毒設(shè)備發(fā)展水平較低，設(shè)備整體性能有待提高。因此，開發(fā)簡便易行、經(jīng)濟(jì)適用的育苗基質(zhì)消毒設(shè)備，有利于提高育苗的產(chǎn)量和品質(zhì)，對作物工廠化育苗的快速發(fā)展具有重要意義。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 主要結(jié)構(gòu)與各組成部件間的聯(lián)接關(guān)系

自走式溫室育苗基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)主要由行走輪軸、限位輪、行走輪、鏈條、拋土刀軸、拋土刀片、噴氣管1、橡膠蓋板、機(jī)架、進(jìn)氣管、罩殼、噴氣管2、拋土刀軸驅(qū)動電機(jī)及行走輪驅(qū)動電機(jī)組成，如圖1所示。消毒機(jī)的行走輪軸通過軸承安裝在機(jī)架上，行走輪安裝在軸的兩端，限位輪通過焊接固定的機(jī)架上；拋土刀軸通過軸承安裝在機(jī)架上，拋土刀軸驅(qū)動鏈輪通過鍵槽配合安裝的刀軸的一端；拋土刀片通過螺栓聯(lián)接安裝在對應(yīng)的刀盤上，每個刀盤上安裝3把刀片，分別呈120°角對稱安裝，刀盤與刀軸采用螺栓聯(lián)接；噴氣管1與進(jìn)氣管通過焊接安裝的機(jī)架上，橡膠蓋板通過螺栓聯(lián)接安裝在機(jī)架的前后兩端，罩殼通過螺栓聯(lián)接安裝在機(jī)架的上方；噴氣管2直接通過焊接安裝在罩殼的頂部；拋土刀軸驅(qū)動電機(jī)和行走輪驅(qū)動電機(jī)分別通過螺栓聯(lián)接安裝的機(jī)架的前端，其輸出軸的頂端分別裝有鏈輪，一根鏈條安裝在拋土刀軸驅(qū)動電機(jī)鏈輪和拋土刀軸驅(qū)動鏈輪上，另一根鏈條安裝在行走輪驅(qū)動電機(jī)鏈輪與行走輪軸驅(qū)動鏈輪上。

1.行走輪軸 2.限位輪 3.行走輪 4.鏈條 5.拋土刀軸 6.拋土刀片 7.噴氣管1 8.橡膠蓋板 9.機(jī)架 10.進(jìn)氣管 11.罩殼 12.噴氣管2 13.拋土刀軸驅(qū)動電機(jī) 14.行走輪驅(qū)動電機(jī)

1.2 消毒原理及工作過程

高溫蒸汽消毒原理是將高溫蒸汽通入待消毒的土壤中，通過熱傳遞使土壤溫度迅速升高到一定數(shù)值，然后保溫一段時間，從而殺死土壤中的有害病菌和蟲卵等，達(dá)到對土壤消毒的目的[8-9]。

自走式溫室育苗基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)工作工程中，行走輪與基質(zhì)槽的上表面接觸，限位輪與基質(zhì)槽的內(nèi)側(cè)面接觸，使消毒機(jī)能夠沿著基質(zhì)槽表面平穩(wěn)的前進(jìn)和后退；行走輪驅(qū)動電機(jī)提供消毒機(jī)作業(yè)過程中前進(jìn)與后退所需動力，拋土刀軸驅(qū)動電機(jī)通過鏈傳動控制拋土刀軸的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)；電機(jī)啟動后,拋土刀軸帶動拋土刀片高速旋轉(zhuǎn)，拋土刀片旋轉(zhuǎn)的同時能把育苗槽中的基質(zhì)向上拋起，與此同時向罩殼頂部與機(jī)架底部的蒸汽管中通入高溫高壓蒸汽，從而使得基質(zhì)與高溫蒸汽充分的接觸。蒸汽的溫度在短時間之內(nèi)傳遞給基質(zhì)，使得基質(zhì)溫度不斷升高。由于罩殼安裝在機(jī)架的正上方，與機(jī)架前后兩端的橡膠蓋板形成了一個相對密閉的空間，有利于基質(zhì)升溫后的保溫，從而實現(xiàn)了殺滅基質(zhì)中有害病菌的目的。自走式溫室育苗基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)工作示意圖如圖2所示。

2 主要工作部件的設(shè)計

自走式溫室育苗基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)主要包括機(jī)架、行走裝置、消毒裝置、動力機(jī)構(gòu)和傳動機(jī)構(gòu)。其中，行走裝置主要由行走輪和限位輪組成，消毒裝置主要由拋土刀片和蒸汽導(dǎo)管組成；動力機(jī)構(gòu)由行走輪驅(qū)動電機(jī)和拋土刀軸驅(qū)動電機(jī)，傳動機(jī)構(gòu)采用鏈傳動。為了實現(xiàn)對基質(zhì)進(jìn)行消毒的目的，也為了滿足消毒機(jī)的設(shè)計要求，必須對消毒機(jī)的主要組成部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和強度校核。

1.基質(zhì)槽 2.限位輪 3.拋土刀片 4.基質(zhì) 5.機(jī)架 6.行走輪 7.鏈條 8.進(jìn)氣管 9.噴氣管 10.罩殼 11.高溫蒸汽 圖2 自走式溫室育苗槽基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)工作示意圖

2.1 拋土裝置

拋土刀片是拋土裝置的核心，一臺消毒機(jī)有兩組刀片，每組刀片由21把拋土刀和7個刀盤按一定的排列方式安裝而成。刀片的安裝方式在消毒機(jī)的設(shè)計過程中是一項重要內(nèi)容，因為刀片和刀盤的排列及配置方式會直接影響刀軸的受力情況，同時也會影響消毒機(jī)的消毒質(zhì)量。本文設(shè)計的消毒機(jī)每個刀盤上安裝3把刀片，采用螺栓聯(lián)接，分別呈120°角對稱安裝，刀盤在刀軸上呈線性排列，每兩個刀盤之間的距離為170mm，兩根拋土刀軸之間的距離為450mm，拋土刀片的最大回轉(zhuǎn)半徑為260mm。拋土刀片的排列方式如圖3所示。本文設(shè)計的消毒機(jī)拋土刀片工作原理與微耕機(jī)的旋耕刀有相似之處,但其需要實現(xiàn)的功能卻有很大的差異：旋耕刀的目的是使得板結(jié)的土地變得疏松,將田地里較大的土塊擊碎,為農(nóng)作物的種植做好準(zhǔn)備工作；而消毒機(jī)拋土刀片需要實現(xiàn)的功能是將基質(zhì)槽中的基質(zhì)向上拋起,使其均勻地分散在消毒機(jī)罩殼的內(nèi)腔中,然后與高溫蒸汽快速、充分地接觸,實現(xiàn)對基質(zhì)進(jìn)行消毒的目的。

1.拋土刀片 2.刀盤 3.刀軸

拋土刀軸是拋土裝置的主要組成部件，消毒機(jī)工作過程中，刀軸需承受來自刀盤的反作用力和電機(jī)的驅(qū)動力矩，會產(chǎn)生扭曲、彎曲等組合變形，同時會產(chǎn)生強烈的沖擊和振動。所以，刀軸的材料應(yīng)當(dāng)滿足強度、剛度、耐磨性和耐高溫等設(shè)計要求。設(shè)計刀軸時應(yīng)該按照經(jīng)濟(jì)、合理、實用的原則，根據(jù)具體情況合理選用軸的材料。由于碳鋼的價格比合金鋼便宜，對應(yīng)力集中的敏感性較低，必要時可以用熱處理或化學(xué)處理的方法提高其耐磨性和抗疲勞強度[10]。所以，消毒機(jī)的拋土刀軸選用45號優(yōu)質(zhì)碳素鋼，熱處理方式選擇正火，刀軸的直徑為45.9mm，長度為1 800mm。

2.1.1 拋土刀片及刀軸的強度校核

1)刀片邊緣的線速度及所受基質(zhì)阻力。根據(jù)基質(zhì)槽中基質(zhì)的深度，可將刀片的回轉(zhuǎn)半徑設(shè)計為250mm，刀軸的轉(zhuǎn)速為n=200r/min，拋土刀軸驅(qū)動電機(jī)功率為3kW。根據(jù)公式，可計算得出刀片邊緣的線速度及所受基質(zhì)阻力，即

=5.23m/s

(1)

鏈傳動的機(jī)械效率取0.96，則拋土刀軸的功率為

p1=3×0.96=2.88kW

(2)

拋土刀片所受土壤阻力為

(3)

2)拋土刀軸的直徑和所受的扭矩。刀片在作業(yè)過程中會受到來自基質(zhì)的反作用力，該作用力會以扭矩的形式作用在刀軸上。依據(jù)刀片的旋轉(zhuǎn)半徑和刀片所受阻力的大小，可計算其扭矩為

T1=F1·R1=550.67×0.25=137.67N·m

(4)

(5)

(6)

軸的安全系數(shù)取1.5，所以拋土刀軸的直徑設(shè)計為45.9mm。

刀盤是將刀片固定在刀軸上的零件，本文設(shè)計的刀盤是圓形，其半徑為R=80mm，在刀盤上有3條凹槽用來固定刀片，尺寸由刀片寬度決定。其中，槽長為d1=60mm，槽寬d2=30mm。

2.1.2 拋土刀片運動分析

消毒機(jī)工作過程中，拋土刀一面旋轉(zhuǎn)，一面隨消毒機(jī)前進(jìn)。刀片的絕對運動是刀軸旋轉(zhuǎn)和消毒機(jī)前進(jìn)兩種運動的合成，其運動軌跡是擺線，如圖4所示。

圖4 拋土刀片的運動軌跡圖

設(shè)刀軸旋轉(zhuǎn)中心為坐標(biāo)系原點，x軸正向與消毒機(jī)前進(jìn)方向一致,y軸正向垂直向下，開始時刀片端點位于前方水平位置與x軸正向重合，則拋土刀端點運動方程為

x=Rcoswt+vmt

(7)

y=Rsinwt

(8)

式中 R—拋土刀片端點回轉(zhuǎn)半徑；

w—刀軸旋轉(zhuǎn)角速度；

vm—消毒機(jī)前進(jìn)速度；

t—時間。

刀片端點在x軸與y軸方向的分速度為

(9)

(10)

刀片端點絕對速度為

(11)

由于 λ=Rw/vm，則

vx=vm-Rwsinwt=vm(1-λsinwt)

(12)

1)當(dāng)λ<1時，即vp0。即刀片端點的水平分速度始終與消毒機(jī)前進(jìn)方向相同，其運動軌跡是短擺線。這時拋土刀不能向上拋土，而出現(xiàn)刀片端點向前推土的現(xiàn)象，使消毒機(jī)不能正常工作。

2)當(dāng)λ=1時，即vp=vm，此時刀片端點的運動軌跡為標(biāo)準(zhǔn)擺線。這時，刀片只能刺入基質(zhì)中而不能將基質(zhì)拋起，同樣不能達(dá)到對基質(zhì)消毒的目的。

3)當(dāng)λ>1時，此時vp>vm，即刀片端點絕對運動的水平分速度與消毒機(jī)前進(jìn)方向相反，其運動軌跡為余擺線，拋土刀片能夠向上拋土。只要刀片在開始切土?xí)r，整個拋土過程刀刃上切土部分各點的運動軌跡都是余擺線。即只有當(dāng)消毒機(jī)拋土刀片的圓周速度大于其前進(jìn)速度時，消毒機(jī)才能正常工作。

2.2 噴氣管

噴氣管在消毒機(jī)作業(yè)過程中發(fā)揮著重要作用，蒸汽發(fā)生裝置產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽通過噴氣管的氣孔進(jìn)入到消毒機(jī)罩殼內(nèi)腔中，實現(xiàn)對基質(zhì)的加熱升溫。本文設(shè)計的消毒機(jī)噴氣管在機(jī)體內(nèi)部呈兩種布置方式：一是噴氣管直接焊接安裝在消毒機(jī)罩殼頂部，呈水平方向排列，噴氣孔向下垂直于基質(zhì)表面，拋土刀片將基質(zhì)向上拋起的同時高溫蒸汽由氣孔向下噴出，使得蒸汽與基質(zhì)快速充分接觸；二是噴氣管垂直于基質(zhì)表面并插入到基質(zhì)內(nèi)部，噴氣管的頂端設(shè)計有松土錐。松土錐的作用主要是防止消毒機(jī)工作過程中基質(zhì)堵塞蒸汽孔，同時也起到疏松基質(zhì)的作用。蒸汽孔設(shè)置在噴氣管的底端，方向朝后，這樣就能將蒸汽直接通入基質(zhì)內(nèi)部，更利于基質(zhì)的升溫。蒸汽管結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

1.松土錐 2.噴汽孔 3.蒸汽導(dǎo)管

2.3 行走裝置

消毒機(jī)的行走裝置由行走輪和限位輪組成。行走輪通過鍵槽配合安裝在其軸上，靠近電機(jī)一端的兩個輪是驅(qū)動輪，另一端的是從動輪，限位輪則通過焊接聯(lián)接安裝在機(jī)架上，如圖6所示。消毒機(jī)工作時，行走輪與基質(zhì)槽的上表面接觸，限位輪與基質(zhì)槽的內(nèi)側(cè)面接觸，使消毒機(jī)能夠沿著基質(zhì)槽表面平穩(wěn)前進(jìn)和后退[11]。根據(jù)消毒機(jī)的工作環(huán)境和設(shè)計要求，行走輪的直徑為200mm，厚度為20mm，限位輪的直徑為60mm，厚度為15mm。

(13)

取鏈傳動的機(jī)械效率為0.96，可得行走輪驅(qū)動軸的功率為

p2=4×0.96=3.84kW

(14)

行走輪所受的阻力為

(15)

根據(jù)行走輪所受的阻力和行走輪的外圓半徑，可得行走輪驅(qū)動軸承受的扭矩為

T2=F2·R2=6114.65×0.3=1834.4N·m

(16)

行走輪驅(qū)動軸的直徑計算公式為

(17)

(18)

安全系數(shù)取1.5，可將行走輪驅(qū)動軸的直徑設(shè)計為87.07mm。

2.4 動力機(jī)構(gòu)與傳輸裝置

本文設(shè)計的消毒機(jī)選取電機(jī)作為機(jī)器行走和消毒工作的動力裝置，其動力傳輸方式采用鏈傳動，行走輪驅(qū)動電機(jī)控制消毒機(jī)的前進(jìn)與后退，拋土刀軸驅(qū)動電機(jī)控制拋土刀片的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。

2.5 機(jī)架的設(shè)計

機(jī)架作為消毒機(jī)整體結(jié)構(gòu)的主體部件，是整個消毒機(jī)質(zhì)量的承載部分，受力情況較為復(fù)雜，有來自于電機(jī)、罩殼和鏈條等零部件的重力作用，也有來自于拋土刀軸、行走輪軸的反作用力。消毒機(jī)工作過程中，會使機(jī)體受到強烈的沖擊和振動，而這些作用力很大部分會由機(jī)架來承擔(dān)。因此，機(jī)架的設(shè)計應(yīng)該滿足一定的強度、剛度等性能要求，避免工作過程中可能會出現(xiàn)不同程度的變形甚至是損壞。本文設(shè)計的消毒機(jī)，其機(jī)架部分是采用厚度為7mm的鋼板焊接而成的。

2.6 罩殼

罩殼在消毒機(jī)中的作用主要是為消毒機(jī)工作過程提供一個相對密閉的空間，也在一定程度上保障了操作人員的安全。罩殼所用材料應(yīng)該具有質(zhì)量輕、耐高溫、不易生銹等特點[12]，本文根據(jù)消毒機(jī)的工作性質(zhì)及設(shè)計要求，選擇輕質(zhì)鋁合金作為罩殼的制作材料。罩殼的基本尺寸為長1 750mm，寬1 600mm，高450mm，厚度為3mm。

3 結(jié)論

1)根據(jù)溫室育苗槽的基本尺寸及結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了一種自走式溫室育苗基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)。其結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，能直接對基質(zhì)槽中的育苗基質(zhì)進(jìn)行消毒，不用人為地把基質(zhì)搬運到消毒機(jī)箱體內(nèi)，既減輕了勞動強度，又縮短了基質(zhì)消毒時間。

2)該消毒機(jī)通過拋土刀片直接將基質(zhì)拋起，使之與高溫蒸汽快速充分的接觸，在對基質(zhì)進(jìn)行消毒的同時可有效改善基質(zhì)狀態(tài)，將其松散均勻地填充到基質(zhì)育苗槽中，有利于作物育苗后續(xù)工作的開展。高溫蒸汽消毒是一種高效、清潔、衛(wèi)生的土壤消毒方式，不會對環(huán)境造成污染，是一種有望在作物栽培基質(zhì)消毒工藝中大力推廣應(yīng)用的消毒方式。

4 討論

1)消毒機(jī)工作過程中，拋土刀片在承受基質(zhì)反作用力的同時還要隨消毒機(jī)前進(jìn)或后退，插入基質(zhì)內(nèi)部的噴氣管在隨機(jī)體移動的過程中也要承受來自基質(zhì)的阻力，故而消毒機(jī)在工作過程中其電機(jī)的驅(qū)動力受多方面因素影響，這些參數(shù)的選取還需要田間試驗數(shù)據(jù)與理論設(shè)計相結(jié)合才能優(yōu)化和改進(jìn)。

2)消毒機(jī)作業(yè)過程中所需的高溫蒸汽由蒸汽鍋爐產(chǎn)生，蒸汽由鍋爐出口輸送至消毒機(jī)蒸汽管入口這一過程中必然存在能量的損失，具體表現(xiàn)為蒸汽溫度的降低和壓強的減??；而蒸汽的溫度、壓力和進(jìn)氣量等參數(shù)是影響消毒機(jī)工作效果的重要因素。因此，在對消毒機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計過程中，與蒸汽相關(guān)的參數(shù)還需進(jìn)一步的測試與計算。

3)消毒機(jī)工作過程中，高溫蒸汽與基質(zhì)接觸的過程是一個復(fù)雜的熱交換過程，蒸汽對基質(zhì)加熱的充分與否，會直接影響基質(zhì)消毒機(jī)的作業(yè)效果。因此，為了保證消毒機(jī)設(shè)計的合理性，還需要采用試驗的方法對基質(zhì)與蒸汽的傳熱過程進(jìn)行詳細(xì)的分析。

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Design of a Self-propelled Greenhouse Nursery Substrates Steam Sterilization Machine

Zhu Jiafan, Zhang Rukun, Yang Luqiang, Gao Zhichao, Yu Zirong, Zhao Yuqing

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Yunnan Agricultural University, Kunming 650202, China)

A self-propelled greenhouse nursery substrates steam sterilization machine is designed to solve the problem of substrate disinfection facilities agriculture, this paper describes the overall configuration and the structure of the main components of the machine. This machine is mainly composed of frame, walking device, disinfection device, the motor and transmission device, Substrate can be directly disinfected and don't need to be manual handed in the disinfection machine, therefore, the labor intensity is reduced and the disinfection time is shortened, the research results can provide reference for the design of small seedling substrate sterilization machine.

greenhouse; substrate; steam sterilizer

2016-04-25

云南農(nóng)業(yè)大學(xué)第五批"百名"青年學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人培養(yǎng)計劃項目(2016)；云南農(nóng)業(yè)大學(xué)科研發(fā)展基金項目(K2410015；K2410016)

朱加繁(1989-)，男，云南曲靖人，碩士研究生，(E-mail)973189583@qq.com。

趙玉清(1985-)，男，云南大理人，副教授，(E-mail)331863839@qq.com。

S625.3

A

1003-188X(2017)04-0078-05