電磁處理提升采棉機摘錠力學性能和耐磨性

張有強，蔡志鵬，田 煜，孟永鋼※

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電磁處理提升采棉機摘錠力學性能和耐磨性

張有強1,2，蔡志鵬2，田 煜2，孟永鋼2※

（1. 塔里木大學機械電氣化工程學院現(xiàn)代農業(yè)工程重點實驗室，阿拉爾 843300； 2. 清華大學摩擦學國家重點實驗室，北京 100084）

棉花機械化收獲程度逐年提高，新疆生產建設兵團部分團場已實現(xiàn)100 %機械化采收，整體達到85 %以上。摘錠是采棉機的核心部件，其表面耐磨性能直接決定了采棉機的作業(yè)效率和機采棉品質，因此進一步提高摘錠表面耐磨性一直是重點關注的科學和技術問題。本文在不改變采棉機摘錠結構的基礎上，基于電磁處理技術對市場化凱斯摘錠(Case)、迪爾摘錠(Deere)和國產摘錠(Yeer)進行電磁強化處理，并對3類摘錠電磁處理前后的力學性能進行實驗室對比分析。摘錠電磁處理后試驗結果表明：凱斯和國產摘錠殘余應力下降60 %，迪爾摘錠下降50 %；凱斯、迪爾和國產摘錠涂層彈性模量與硬度的比值(/)都小于處理前的21，分別為18、17和20；電磁處理后凱斯和國產摘錠的磨痕寬度下降較迪爾顯著，且隨著載荷增大磨痕寬度下降趨勢也隨之增大，但仍是凱斯和國產摘錠下降較迪爾明顯。相比較迪爾和國產摘錠，凱斯摘錠經電磁處理后力學性能提升效果最為顯著，建議對凱斯摘錠電磁處理后進行田間耐磨性試驗驗證與評價。

棉花；收獲機；力學性能；摘錠；電磁處理

0 引 言

提升高端農機裝備是中國制造2025的主要發(fā)展領域之一，采棉機是棉花收獲機械中的高端裝備。隨著農機與農藝的深度融合和拾花勞動力向穩(wěn)定的二三產業(yè)的轉移，棉花100%機械化采收是大勢所趨，也是實現(xiàn)棉花全程機械化種植的關鍵所在。摘錠是采棉機的核心部件，一方面是使用最多的零件（一臺采棉機安裝2 500多個），更換周期短（使用壽命400 ha）且價格較高，增加采棉機的運營成本。另一方面，摘錠在采摘過程中不可避免地產生表面磨損，導致田間采摘效率和棉花品質的降低。為此，進一步提高摘錠表面耐磨性一直是重點關注的科學和技術問題。

目前，摘錠的結構和表面電鍍技術較為成熟。研究者主要針對摘錠的力學分析[1-3]、運動仿真分析[4-6]和采摘系統(tǒng)設計[7]等方面進行了研究，但對提升摘錠表面耐磨性仍未開展相關研究工作。相比較先進表面處理技術，如物理氣相沉積[8-9]（physical vapor deposition，PVD）、化學氣相沉積[10-12]（chemical vapor deposition，CVD）、激光熔覆等技術，摘錠表面電鍍鉻涂層技術有其獨特的表面耐磨性好、價格低、工藝簡單等優(yōu)勢。因此課題組近年來一直在尋求不改變摘錠現(xiàn)有結構的基礎上，進一步提高摘錠表面耐磨性的改性方法。電磁處理技術已有幾十年發(fā)展歷程，在改善材料晶粒尺寸、殘余奧氏體的轉化、殘余應力改善等方面具有突出表現(xiàn)，極大提升了相關零部件的耐磨性能。

1965年Zagoruiko實驗發(fā)現(xiàn)NaCl晶體塑性可以通過脈沖磁場改變[13]，Alshits等[14-15]研究了不包含自由電子的非金屬的塑性在穩(wěn)恒磁場中的變化，證實穩(wěn)恒磁場改變NaCl晶體塑性的現(xiàn)象。此后，許多研究表明外加磁場對材料力學行為產生影響[16-19]，如金屬材料拉伸過程力學性能中屈服階段將會明顯延長、疲勞極限與壽命也會提高。其原因是磁處理改變了鐵磁性材料的晶體缺陷集中程度，如位錯密度、空位密度等微觀結構發(fā)生改變提高了材料的強度。另外，大量的實驗研究證實外加磁場能夠顯著降低殘余應力[20-25]，如穩(wěn)恒磁場對殘余應力變化影響較小，低頻交變磁場使殘余應力下降顯著；應力峰值降低的同時殘余應力曲線也同步下降。同時研究表明殘余應力下降水平與初始應力有關，并與作用頻率相關；不同磁場激勵方向對金屬材料殘余應力也會產生影響，垂直于主應力方向的磁場對殘余應力改變幅值較大，但平行于該主應力方向作用的磁場對殘余應力的改變不是很明顯[26-28]。這些研究結果表明外加磁場能夠改善材料的殘余應力和力學性能。

采棉機摘錠在采摘過程中受多激勵、多參數(shù)的動力學與摩擦學耦合作用，摘錠表面隨工作時間不斷發(fā)生磨損演化。以往的研究中人們已經對采棉機摘錠的結構設計、運動學行為等進行了大量研究，但對摘錠表面涂層改性進一步提高耐磨這一關鍵的科學和技術問題缺乏深入了解。本文在不改變摘錠現(xiàn)有結構和表面涂層的基礎上，采用電磁處理技術對其進行改性處理，旨在提高表面耐磨性?；陔姶盘幚砑夹g對凱斯摘錠(Case)、迪爾摘錠(Deere)和國產摘錠(Yeer)進行處理，借助電子掃描顯微鏡、X射線衍射儀、納米壓痕儀等先進的測試手段系統(tǒng)地分析摘錠電磁處理前后的殘余應力、基體顯微硬度及涂層微觀力學性能變化，并通過劃痕和磨損試驗表征摘錠電磁處理前后的耐磨性能。

1 摘錠結構及電磁處理

1.1 摘錠結構

采棉機田間收獲工況復雜，受多種因素（棉花的成熟度、地面不平度、氣候和地理條件等）影響，采摘過程中摘錠表面與多種介質（棉花/稈/殼、細小沙粒等）接觸產生磨損。為了有效提高鉤取纏繞盛開在棉鈴中的棉纖維及脫棉順利，摘錠采摘工作部分的設計結構為圓錐形，表面加工有一定傾斜角度的鉤齒，并且表面進行電鍍鉻涂層以提高耐磨性。以凱斯（CASE620）采棉機摘錠為例，頭部球面直徑5.4 mm，根部直徑12 mm，長度120 mm，質量0.094 kg。通過能譜分析表明摘錠基體材料為低碳合金鋼，表面為耐磨性較高的鉻涂層，如圖1、圖2所示。

圖1 CASE620采棉機摘錠及橫截面結構

注：KCnt為X射線計數(shù)，其強度值與元素含量有關。

1.2 電磁處理平臺

電磁處理平臺整體系統(tǒng)如圖3所示，包括電源、銅線圈、屏蔽體、循環(huán)水冷系統(tǒng)和控制系統(tǒng)5個部分。將待處理的工件放置到銅線圈內，電源提供并輸入特定波形和強度的電流，使銅線圈產生所需要參數(shù)的電磁場；為了防止電磁泄露和干擾，整機系統(tǒng)外面采用純鐵電磁屏蔽殼體；另外，為了保證系統(tǒng)長時間工作的可靠性和穩(wěn)定性，采用循環(huán)水冷卻系統(tǒng)對銅線圈進行冷卻；裝卡待處理的工件后，通過控制系統(tǒng)和人機交互面板實現(xiàn)溫度檢測、冷卻系統(tǒng)控制、處理時間以及電磁場參數(shù)設定。

電磁處理工作過程及工藝可參考文獻[29-30]。摘錠電磁處理過程主要參數(shù)范圍：磁感應強度0.2～0.5 T，脈沖電流密度102～104A/cm2，單個脈沖的作用時間為0.1～50 ms。

圖3 電磁處理系統(tǒng)示意圖

2 材料與方法

2.1 試樣制備

選擇目前普遍使用的市場化凱斯摘錠、迪爾摘錠和國產摘錠為電磁處理樣品。為了便于制樣，將摘錠中部圓柱體切割成直徑12 mm、長15 mm的樣品。圓柱體底面采用機械拋光，表面粗糙度為Ra=0.2m。電磁處理前后摘錠樣品使用無水乙醇和丙酮進行超聲清洗10 min。

2.2 殘余應力測試

摘錠表層電磁處理前后的殘余應力采用高分辨X射線衍射儀（清華大學材料科學與工程研究院中心實驗室）進行檢測，測試參數(shù)特性譜線為Cu-Kα；X光管工作電壓為30 kV，工作電流為6～8 mA。掃描過程：初步在60°～120°范圍內掃描，選擇一個衍射晶面指數(shù)較高的衍射峰作為對象峰。按照殘余應力測量要求設置不同角度（0°、15°、30°、45°）、以慢速掃描方式測量不同角度下的單峰衍射譜[31]，進而通過X射線衍射儀自帶軟件計算得到殘余應力。

2.3 顯微硬度測試

摘錠結構由基體和表面電鍍鉻涂層構成，其硬度需要分別進行表征。摘錠基體硬度采用顯微硬度計（Tukon 2500，美國威爾遜）進行測試。

摘錠表面電鍍鉻涂層的顯微硬度采用納米壓痕儀表征。在納米壓痕測試前，將摘錠樣品冷鑲嵌后對橫截面仔細拋光，使橫截面平整無劃痕、涂層結構清晰。摘錠表面電鍍鉻涂層硬度和彈性模量采用納米壓痕儀(瑞士CSM儀器公司)測試，載荷范圍為0.1～1 N。測試過程采用金剛石材料的布氏壓頭，載荷加載方式為線性加載，最大載荷為50 mN，加載速率為100 mN/min，卸載速率為100 mN/min，工程實際應用中金屬材料的泊松比通常選取0.25。

2.4 劃痕測試

采棉機在田間采摘過程中與摘錠表面相接觸產生摩擦行為的不僅僅是棉纖維，還伴有許多硬質顆粒（沙粒、棉稈/殼節(jié)點）的參雜。在這些硬質顆粒的作用下，采摘過程中會導致摘錠表面產生劃痕、犁溝效應，引起摘錠磨損。

摘錠樣品采用環(huán)氧樹脂進行冷鑲嵌，經過拋光后恰好露出摘錠圓柱體母線為劃痕測試位置，如圖4所示。劃痕試驗在商用標準摩擦磨損試驗機（UMT-3，Center of tribology，USA，垂直位置分辨率1m）上進行測試。采集每個時刻載荷和對應的劃痕深度（垂直位移量），每個摘錠樣品進行3次劃痕測試取平均值。劃痕測試過程中采用金剛石壓頭（100m），載荷20～100 N線性連續(xù)變化加載，劃痕長度4 mm，時間2 min。

圖4 摘錠劃痕測試位置

2.5 磨損測試

耐磨性是評價和表征摘錠使用性能的主要指標，電磁處理前后摘錠的耐磨性在商用標準摩擦磨損試驗機（UMT-3）進行評價。磨損試驗中上試樣為電磁處理前后摘錠樣品，采用自制圓柱體夾具裝卡后安裝在UMT-3上試樣位置。下試樣為砂紙（SiC，F(xiàn)EPA P#1200，粒徑尺寸為15m，Struers）。磨損過程中上試樣固定、豎直方向加載，下試樣旋轉，線接觸方式進行，其摩擦副示意圖如圖5a所示。下試樣的運動速度1 m/s（驅動下試樣工作平臺轉速300 r/min，上試樣長度中心位置設置在砂紙直徑65 mm處，圖5b中虛線位置所示）。磨損時間180 s，載荷分別為10 和20 N。磨損結束后，測量摘錠樣品的磨痕寬度，如圖5c所示。

圖5 摘錠電磁處理前后磨損試驗

3 結果與分析

3.1 殘余應力分析

圖6為摘錠樣品處理前后殘余應力結果。由圖6可知，在磁場作用下3類摘錠樣品處理后殘余應力均有所下降、且幅值較大。相比處理前，凱斯和國產摘錠殘余應力下降達60%，最大平均殘余應力分別降低約90和75 MPa；迪爾摘錠下降50%左右，最大平均殘余應力降低約100 MPa。

圖6 摘錠殘余應力

一般而言電磁處理后殘余應力降低是由于材料內部發(fā)生了應力松弛的結果[14]。其原因是材料中存在的位錯可能與外加脈沖磁場發(fā)生了相互作用，導致非彈性局部塑性變形不斷累積，甚至位錯開動造成[20]。研究結果表明殘余應力的降低將會消除或改善涂層微觀結構的局部塑性變形，也會使涂層表層內應力重新分布達到使用過程的形變穩(wěn)定，提高疲勞壽命[23]。

3.2 微觀硬度分析

摘錠基體硬度壓痕形貌如圖7a所示，圖7b為摘錠電磁處理前后沿徑向的維氏硬度分布。由圖7可以看出，以電鍍鉻涂層內邊緣為測量起點，摘錠基體材料的顯微硬度沿徑向逐漸降低，主要是因為摘錠基體結構機械加工完成后，表層進行了滲碳處理，隨滲碳層深度增加含碳量逐漸減小，然后經淬火熱處理后表層硬度呈現(xiàn)逐漸降低的梯度分布。另外，圖7b表明，凱斯和國產摘錠的滲碳層厚度約600m、迪爾摘錠約1 000m。同時通過對比同類摘錠電磁處理前后硬度，整體來看電磁處理對摘錠基體材料硬度影響不大，基本保持處理前硬度。局部來看靠近涂層區(qū)域電磁處理后的硬度有所提高，遠離涂層區(qū)域（凱斯和國產迪爾摘錠大約400m，迪爾摘錠約800m）的硬度略有下降。

摘錠涂層彈性模量和顯微硬度結果如表1所示，相比電磁處理前涂層特性，凱斯和迪爾摘錠電磁處理后涂層硬度平均值幾乎無差異，國產摘錠稍有下降；彈性模量平均值均有所下降，凱斯、國產和迪爾摘錠依次降低約13%、16%和22%。其可能原因摘錠在磁處理過程中殘余應力降低，材料晶體結構、點缺陷等畸變產生了回復，處于高能狀態(tài)的晶粒比例減小，從而使得材料整體的彈性模量降低。

材料的彈性模量()與硬度()的比值(/)來衡量其相對耐磨性，一般情況材料的/值越小相對耐磨性越高[32]。表1結果顯示電磁處理前3種摘錠涂層的彈性模量和硬度的比值(/)都超過21，電磁處理后凱斯、迪爾和國產摘錠涂層的/值分別約為18、17和20，均低于處理前。表明電磁處理將會引起涂層的/值減小，導致彈性變形增加，減少粘附磨損[33-35]，有利于提高耐磨性。

注：C－凱斯摘錠；D－迪爾摘錠；Y－國產摘錠；T－進行電磁處理；N－未進行電磁處理。下同。

表1 表面涂層彈性模量和納米硬度

3.3 劃痕結果分析

圖8a為劃痕深度與載荷變化關系。由圖8a可以看出，劃痕深度與載荷基本成線性關系，3種摘錠樣品劃痕測試結果較為集中。圖8b為局部放大圖，進一步展示了載荷在20～30 N之間的劃痕細節(jié)，可以看出與電磁處理前相比，凱斯和迪爾摘錠在同一載荷下處理后劃痕深度明顯變小，表明電磁處理后涂層抵抗外力破壞的綜合承載能力提高。另外，在劃痕試驗中并未明顯觀察到涂層與基體界面臨界載荷的轉折點，主要是原因是基體表層進行滲碳處理后淬火，基體表層硬度與電鍍鉻涂層硬度較接近所致。

圖8c展示了劃痕試驗中的劃痕形貌，明顯可以看出劃痕深度隨著載荷的增加逐漸加深、劃痕寬度隨著載荷的增加逐漸變寬，劃痕兩側呈現(xiàn)出犁溝褶皺。

圖8 摘錠劃痕測試

3.4 磨損結果分析

由于磨損過程中摘錠圓柱體樣品與砂紙在接觸區(qū)域的線速度不一致，導致磨痕寬度隨線速度增大變寬，因此磨痕寬度采用摘錠樣品沿長度方向中間位置處的寬度表征。圖9a和圖9b分別展示了載荷為10和20 N時磨痕寬度變化（摘錠樣品進行3次磨損測試的平均值）。與未處理摘錠相比，電磁處理后的摘錠與砂紙對磨時磨痕寬度減小，在載荷10 N時，凱斯、迪爾和國產摘錠磨痕寬度分別下降11.8%、3.4%和19%；隨著載荷增大磨損寬度下降趨勢也隨之增大，在載荷20 N時，凱斯、迪爾和國產摘錠磨痕寬度分別下降32%、15.9%和25.3%。與處理前相比，磨痕寬度較電磁處理前均呈現(xiàn)下降趨勢，表明經電磁處理后的摘錠抵抗磨粒磨損的能力有所提高。相比較迪爾摘錠，凱斯和國產摘錠電磁處理后的耐磨性提升效果更為顯著。綜合劃痕與磨損試驗結果，凱斯摘錠電磁處理強化效果最優(yōu)。

從磨損結果來看，對于處理前后的磨痕寬度整體規(guī)律符合/理論，但彈性模量經電磁處理變小后，磨痕寬度取決于彈性模量的實際值。從表1可以看出，電磁處理后凱斯摘錠的彈性模量明顯大于迪爾摘錠，表明相同載荷下接觸半徑迪爾摘錠大于凱斯摘錠。在干摩擦狀態(tài)下磨痕寬度分布于整個Hertz接觸區(qū)域，主要原因是在微觀粗糙表面上磨損的發(fā)生只與接觸區(qū)域相關（粗糙峰塑性變形只與接觸區(qū)域相關），與外載荷大小無關[36]。因此，磨損測試結果為迪爾摘錠的磨痕大于凱斯摘錠。處理前兩者的彈性模量凱斯摘錠略高于迪爾摘錠，但硬度相差不大，因此迪爾摘錠磨痕寬度略高。此外，相比凱斯和迪爾摘錠，國產摘錠的硬度和彈性模量都低，所以磨痕寬度相對較高。

圖9 摘錠的磨痕寬度

4 結 論

1）本文在不改變現(xiàn)有采棉機摘錠結構的基礎上，基于電磁處理技術過對市場化的凱斯、迪爾和國產摘錠進行電磁強化處理，并對3類摘錠電磁處理前后的力學性能進行實驗室對比分析。

2）電磁處理能夠使材料內部發(fā)生了應力松馳，改善殘余應力水平。3類摘錠經電磁處理后殘余應力下降顯著，凱斯和國產摘錠殘余應力下降達60 %，迪爾摘錠下降50%左右。

3）電磁處理后摘錠基體材料顯微硬度、電鍍鉻涂層納米硬度未顯著變化、涂層彈性模量下降。3類摘錠電磁處理前彈性模量與硬度的比值(/)都超過21，經電磁處理后凱斯、迪爾和國產摘錠涂層的/值都低于處理前，分別約為18、17和20。電磁處理將引起涂層的/值減小，導致彈性變形增加，減少粘附磨損，有利于提高耐磨性。

4）通過電磁處理前后的磨損試驗，相比較未處理摘錠，在載荷10 N時凱斯、迪爾和國產摘錠磨痕寬度分別下降11.8%、3.4%和19%，載荷增加到20 N時分別下降32%、15.9%和25.3%。磨痕寬度較電磁處理前均呈現(xiàn)下降趨勢，表明電磁處理后的摘錠抵抗磨粒磨損的能力顯著提高。結合劃痕試驗結果，綜合比較迪爾和國產摘錠，凱斯摘錠經電磁處理后耐磨性能提升效果最為顯著，建議對凱斯電磁處理后摘錠進行田間試驗驗證。

在實驗室結果的基礎上，下一步將進行電磁處理后凱斯摘錠的田間試驗，選擇不同區(qū)域（南疆棉花纖維上依附的沙塵較多、棉稈較堅硬；北疆沙塵較少、濕度較大）進行大面積田間實際評價與驗證。

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Improvement of mechanical properties and wear resistance of cotton picker spindle by electromagnetic treatment

Zhang Youqiang1,2, Cai Zhipeng2, Tian Yu2, Meng Yonggang2※

(1.843300,;2.100084,)

Cotton is one of the major crops in Xinjiang, China, and has a significant impact on Xinjiang’s economic development and social stability. The mechanization degree of cotton harvest is increasing with the development of productive forces and the progress of science and technology. For part of the mission field of Xinjiang Production and Construction Corps, China, mechanized harvesting has been achieved 100%, and overall, it has reached above 85%. Spindles are the core component of cotton picker; a single cotton picker has about 2 500 spindles, and a spindle uniquely has the structure of 3 rows × 14 teeth. In order to facilitate the removal of cotton, the first 3 teeth have an angle of 30o with respect to the pole axis, and the remaining 11 hook teeth form an angle of 45o to ensure the cotton picking rate, whose performance directly determines operation efficiency and cotton quality of the cotton picker. Moreover, the substrate material of the spindle is low carbon alloy steel, on which a chromium coating is electroplated to increase the wear resistance. In the case of correct installation and good lubrication, the average life span of spindle was picking cotton of about 400 ha. The wear resistance of the surface coating seriously affects the running cost of the cotton picker. Therefore, to further improve the wear resistance of spindle has always been a scientific and technical issue. In order to improve the wear resistance of the spindle, we have proposed electromagnetic treatment method for surface modification of spindle (Case’s spindle made by Case Corp., USA, Deere’s spindle made by John Deere Corp., USA and Yeer’s spindle made by Yeer Corp., China). The main objective of this study was to reveal the mechanical properties of the electromagnetic treated spindle, but not changing the spindle structure that has been existing in cotton picker. The result showed that the residual stress of the 3 types of spindles was decreased significantly after electromagnetic treatment, the residual stress of Case’s and Yeer’s spindle decreased by 60%, and that of Deere’s spindle by about 50%. The main cause of residual stress decrease was that electromagnetic treatment can cause stress relaxation in the material, resulting in local inelastic deformation and stress redistribution, and improve the fatigue life. After electromagnetic treatment, the microhardness of the spindle’s substrate material and the nanohardness of the electroplated chromium coatings did not change significantly, and the elastic modulus of the coating decreased. The ratio of elastic modulus to hardness of the 3 kinds of spindle surface coating was all over 21 before electromagnetic treatment. After electromagnetic treatment, the ratio value of Case’s, Deere’s and Yeer’s spindle was 18, 17 and 20, respectively. The decrease of the ratio of elastic modulus to hardness will increase the elastic deformation, reduce the adhesion and wear, and improve the wear resistance. Through the scratch and wear test, the scratch depth of the spindle surface coating became smaller and the wear scar width decreased after electromagnetic treatment for all kinds of spindles. The wear scar width of Case’s and Yeer’s spindle decreased more significantly than Deere’s spindle. Moreover, the wear scar width decreased with the increase of load in wear test, but the downtrend of wear scar width of Case’s and Yeer’s spindle was more obvious than Deere’s spindle compared with that before electromagnetic treatment. By the comparison, the improved wear resistance of Case’s spindle is the most notable after the electromagnetic treatment. Therefore, the Case’s spindle of electromagnetic treatment is used to carry out the field test for cotton picking, which was to evaluate and verify wear resistance. The research results will be helpful for improving the wear resistance of spindle, which makes it possible to prolong the service life of spindle used, and has important social significance and remarkable economic benefits.

cotton; harvester; mechanical properties; spindle; electromagnetic treated

張有強，蔡志鵬，田 煜，孟永鋼. 電磁處理提升采棉機摘錠力學性能和耐磨性[J]. 農業(yè)工程學報，2018，34(7)：31－37. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.004 http://www.tcsae.org

Zhang Youqiang, Cai Zhipeng, Tian Yu, Meng Yonggang. Improvement of mechanical properties and wear resistance of cotton picker spindle by electromagnetic treatment[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(7): 31－37. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.004 http://www.tcsae.org

2017-12-21

2018-01-23

國家自然科學基金項目（11362020）

張有強，男，副教授，主要從事生物質材料與金屬的摩擦磨損研究。Email：zhangyqlzjd@126.com

中國農業(yè)工程學會會員：張有強（E041201009S）

孟永鋼，男，教授，主要從事微納系統(tǒng)及微納制造中的表面界面科學研究。Email：mengyg@tsinghua.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.004

S225.91

A

1002-6819(2018)-07-0031-07