大徑級疫木粉碎裝備的履帶底盤機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析

摘 要：針對松材線蟲病對松樹等樹種的威脅、傳統(tǒng)處理大徑級疫木的方法存在運(yùn)輸困難、效率低、傳播風(fēng)險(xiǎn)高以及粉碎效果差等問題，研發(fā)大徑級疫木粉碎裝備，實(shí)現(xiàn)疫木的就地粉碎。為此，設(shè)計(jì)一種粉碎裝備的履帶底盤機(jī)構(gòu)，采用液壓劈砍技術(shù)預(yù)處理疫木，并通過盤式削片機(jī)和錘式粉碎機(jī)粉碎木材。利用多體動(dòng)學(xué)仿真軟件進(jìn)行仿真，模擬履帶底盤在20°坡度、200 mm 高、400 mm寬的垂直壁和200 mm深、400 mm寬的壕溝等復(fù)雜地形下的運(yùn)行特性，分析運(yùn)行過程中的平移加速度、垂向加速度及俯仰角等關(guān)鍵參數(shù)。履帶底盤在20°坡度、200 mm高、400 mm寬的垂直壁和200 mm深、400 mm寬的壕溝等復(fù)雜地形下，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和通過能力，關(guān)鍵參數(shù)均在合理范圍內(nèi)，運(yùn)行過程中未出現(xiàn)履帶脫鏈等異常現(xiàn)象。大徑級疫木粉碎裝備可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)粉碎，為疫木粉碎和履帶底盤設(shè)計(jì)提供思路和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：林業(yè)機(jī)械； 大徑級疫木； 粉碎裝備； 履帶底盤； 動(dòng)力學(xué)仿真

中圖分類號：S776. 28 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10. 7525/j. issn. 1006-8023. 2025. 02. 015

0 引言

松材線蟲病嚴(yán)重威脅松樹等針葉樹種，導(dǎo)致其快速枯萎甚至死亡，對染病的疫木進(jìn)行有效處理有重要意義。目前，對于直徑40 cm及以上的大徑級疫木，傳統(tǒng)處理方法主要為人工砍伐后運(yùn)輸至粉碎廠或就地焚燒，存在運(yùn)輸困難、效率低、傳播風(fēng)險(xiǎn)高及粉碎效果差等問題；焚燒還可能引發(fā)空氣污染和森林火災(zāi)［1-4］。若能開發(fā)出適用于處理大徑級疫木的新型自動(dòng)化設(shè)備，可顯著節(jié)約人力物力，提高處理效率，降低傳播風(fēng)險(xiǎn)。

對于大徑級疫木的處理，國內(nèi)外學(xué)者的研究較為有限，但可以通過對木材粉碎機(jī)現(xiàn)有研究的分析，為大徑級疫木處理設(shè)備的設(shè)計(jì)提供參考。趙波等［5］設(shè)計(jì)的自走式一體化桑枝剪伐粉碎機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)桑樹枝條的剪伐與粉碎一體化作業(yè)，雖在小徑木處理上表現(xiàn)優(yōu)異，但不適用于大型木材的粉碎。姚宗路等［6］研制的木質(zhì)類粉碎機(jī)采用先切削再粉碎的方式，適合直徑15cm以下的樹枝，但功耗較大，且僅能固定作業(yè)。稅加坤等［7］研制的木樁粉碎機(jī)則能夠?qū)崿F(xiàn)自由定點(diǎn)粉碎，特別適用于野外森林復(fù)雜地帶病樹和樹樁的現(xiàn)場處理，但該設(shè)備不具備封閉式粉碎功能。雖然現(xiàn)有設(shè)備在不同木材處理方面有所突破，但針對大徑級疫木的專用自動(dòng)化處理設(shè)備仍有待進(jìn)一步發(fā)展。

在地形復(fù)雜的林區(qū)，設(shè)備的穩(wěn)定性至關(guān)重要。履帶式設(shè)備對山區(qū)和丘陵地區(qū)適應(yīng)性強(qiáng)，運(yùn)行過程中穩(wěn)定性高，因此大多數(shù)農(nóng)機(jī)采用履帶式底盤設(shè)計(jì)［8-10］。目前，研究人員已對應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械中的履帶式底盤性能進(jìn)行分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)。例如，吉旭等［11］設(shè)計(jì)了一種適用于貴州山地的履帶自走式辣椒收獲機(jī)，通過仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證其在22°橫坡、30°縱坡、510 mm垂直壁和1 020 mm壕溝等條件下具有良好的通過性和穩(wěn)定性，滿足采收需求。李漢青等［12］設(shè)計(jì)一款履帶式三七收獲機(jī)，并利用RecurDyn進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。結(jié)果顯示，收獲機(jī)在平地、轉(zhuǎn)彎和越障工況下性能穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)提出延長履帶壽命的建議。Li等［13］通過建立四輪腿式收獲機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，分析了其動(dòng)態(tài)傾斜特性。采用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析（automatic dynamic analysis of mechanical systems，ADAMS）仿真驗(yàn)證結(jié)果，發(fā)現(xiàn)抬升支撐架最有效，抬升支撐架、縮短支撐架以及向傾翻側(cè)轉(zhuǎn)向的仿真與計(jì)算的平均誤差為2. 4%、0. 67%和2. 75%。上述研究對履帶式農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的爬坡和越障穩(wěn)定性進(jìn)行深入分析和優(yōu)化，但對于大徑級疫木處理設(shè)備在地形復(fù)雜的林區(qū)爬坡、越障和跨溝等工況下的穩(wěn)定性分析仍未見報(bào)道。因此，分析并優(yōu)化大徑級疫木處理設(shè)備在復(fù)雜工況下的穩(wěn)定性，對于保證設(shè)備性能、提高粉碎效率具有重要意義。

針對以上問題，本研究設(shè)計(jì)一款大徑級疫木粉碎裝備，并對其在爬坡、越障和跨溝等情況下進(jìn)行理論和仿真分析，以提高裝備穩(wěn)定性。

1 大徑級疫木粉碎裝備總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1. 1 設(shè)計(jì)要求與技術(shù)參數(shù)

為確保松材線蟲被徹底消滅，粉碎物粒徑需小于1 cm［14］?；诖?，粉碎機(jī)構(gòu)采用盤式削片機(jī)與錘式粉碎機(jī)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。盤式削片機(jī)先將大徑級木材削片，錘式粉碎機(jī)進(jìn)一步細(xì)化至目標(biāo)粒度。針對40 cm直徑疫木的進(jìn)料要求，需通過液壓劈砍將木材預(yù)處理為約20 cm的木瓣。液壓系統(tǒng)配備安全閥與溢流閥，以確保操作安全。設(shè)備主要在人工林和次生林作業(yè)，路況包括柏油路、林間路及軟土路，考慮到臺(tái)階、田埂等障礙，設(shè)計(jì)履帶底盤，以提高越障能力和作業(yè)穩(wěn)定性［15］。主要技術(shù)參數(shù)見表1。

1. 2 整機(jī)結(jié)構(gòu)

基于設(shè)計(jì)指標(biāo)，大徑級疫木粉碎裝備主要由前處理機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)、粉碎機(jī)構(gòu)、動(dòng)力機(jī)構(gòu)以及履帶底盤機(jī)構(gòu)組成，如圖1所示。

1. 3 工作原理

大徑級疫木粉碎設(shè)備行駛至疫木林區(qū)后，將疫木切割成不超過40 cm的木段并放置在前處理機(jī)構(gòu)導(dǎo)軌上。液壓缸推動(dòng)木段至前處理刀具，將其劈砍成六瓣。劈砍后的木瓣通過輸送機(jī)構(gòu)送至粉碎機(jī)構(gòu)，進(jìn)一步被粉碎成1 cm以下的木屑，完成疫木粉碎作業(yè)。

2 履帶底盤機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

林區(qū)行走設(shè)備一般采用輪式或履帶式機(jī)構(gòu)［16］，與輪式機(jī)構(gòu)相比，履帶式機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、牽引力大和爬坡性能好等優(yōu)點(diǎn)，為增強(qiáng)承載力與抓地力，減少設(shè)備對路面的破壞，本設(shè)備選用橡膠履帶［17］。行走機(jī)構(gòu)布局如圖2所示。

履帶輪系由驅(qū)動(dòng)輪、導(dǎo)向輪和支重輪組成。驅(qū)動(dòng)輪節(jié)圓直徑（Dq）、導(dǎo)向輪直徑（Dd）及支重輪直徑（Dz）通過以下公式計(jì)算

式中：Dq為驅(qū)動(dòng)輪節(jié)圓直徑節(jié)距，mm；Dd為導(dǎo)向輪直徑，mm；Dz 為支重輪直徑，mm；t 為節(jié)距（63 mm）；Z 為齒數(shù)（14）；k 為導(dǎo)向輪系數(shù)（0. 8，0. 9）。通過計(jì)算，Dq=288 mm，Dd=260 mm，Dz=180 mm。

履帶與地面接觸長度L=1 960 mm，履帶寬度U=420 mm，履帶高度H=600 mm，裝備質(zhì)量m=4 000 kg，重力加速度g=9. 8 m/s2。接地比壓（X）計(jì)算公式為

X = mg／2U （L + 0.35H ）。（4）

經(jīng)計(jì)算，X=0. 021 9 MPa。

由于最大許用接地比X≤0. 26 MPa，故粉碎裝備在運(yùn)行過程中不會(huì)對地面造成破壞。粉碎裝備上坡時(shí)的受力情況如圖3所示。

履帶行走阻力包括內(nèi)部阻力和外部阻力。內(nèi)部阻力主要來自軸承和密封件的摩擦，摩擦系數(shù)為0. 05～0. 10。大徑級疫木粉碎裝備行走較慢，故可忽略空氣阻力。外部阻力主要源于履帶壓實(shí)地面引起的變形阻力，滾動(dòng)阻力系數(shù)與土壤性質(zhì)直接相關(guān)［18］。

在林區(qū)松散土路條件下，滾動(dòng)阻力系數(shù)μ=0. 1；內(nèi)摩擦系數(shù)fn=0. 06［18］。牽引力（T）計(jì)算為

T = μmg + fnmg + mg sinα。（5）

經(jīng)計(jì)算，T=19 839. 6 N。

行駛速度v=8 m/min=0. 48 km/h；傳動(dòng)效率η=0. 65。所需額定功率（p）為

p = Tv／3.6η。（6）

經(jīng)計(jì)算，p=4. 069 kW。

考慮環(huán)境復(fù)雜性，取功率儲(chǔ)備系數(shù)k1=2，實(shí)際需要功率（p0）為

p0 = k1 p。（7）

經(jīng)計(jì)算，p0=8. 2 kW。因此，行走機(jī)構(gòu)采用功率大于8. 2 kW 的動(dòng)力裝置，履帶底盤設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

3 底盤穩(wěn)定性分析

3. 1 底盤縱向坡路穩(wěn)定性分析

3. 1. 1 底盤縱向上坡穩(wěn)定性分析

大徑級疫木粉碎裝備在履帶底盤勻速上坡時(shí)，其受力情況可近似為底盤靜止停放在坡道上的受力情況，如圖4所示。

大徑級疫木粉碎裝備履帶底盤縱向上坡勻速行駛時(shí)，整機(jī)受力平衡［19］，對后支撐點(diǎn)（B）點(diǎn)取矩

F1 = G sinα。（8）

L1G cosα - hG sinα - N1m = 0。（9）

式中：G 為裝備重力，N；F1為地面附著力，N；L1為質(zhì)心O 到B 距離，mm；h 為質(zhì)心高度，mm；N1為支撐力，N；m為質(zhì)心距離平均支撐點(diǎn)距離，mm；α為坡度角，（°）。在豎直方向上所受合力為零，即N1 = G cosα。

m = （L1 cosα - h sinα）／cosα 。（10）

若要底盤不發(fā)生傾翻，需使m≥0，即L1 cosα -h sinα ≥ 0，可以得出底盤縱向上坡時(shí)不發(fā)生傾翻的最大坡度角（αm1）為

αm1 = arctan （ L1／h ）。（11）

3. 1. 2 底盤縱向下坡穩(wěn)定性分析

大徑級疫木粉碎裝備履帶底盤勻速下坡時(shí)的受力情況可近似為底盤靜止停放在坡道上［20-21］，如圖5所示。與底盤縱向上坡時(shí)的穩(wěn)定性分析過程相似，可以求得底盤縱向下坡不發(fā)生傾翻的最大坡度角（αm2）為

αm2 = arctan （ L2／h ）。（12）

式中，L2為質(zhì)心O 到支撐點(diǎn)A 的距離，mm。

履帶底盤縱向上下坡不發(fā)生傾翻的最大坡度角與底盤結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系如圖6 所示。由圖6 可知，最大坡度角與質(zhì)心高度和質(zhì)心到支撐點(diǎn)的距離有關(guān)。當(dāng)質(zhì)心到支撐點(diǎn)距離一定時(shí)，最大坡度角與質(zhì)心高度成反比；當(dāng)質(zhì)心高度一定時(shí)，最大坡度角與質(zhì)心到支撐點(diǎn)距離成正比。

質(zhì)心位置是影響坡道行駛穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。質(zhì)心到支撐點(diǎn)距離越大，爬坡能力越強(qiáng)；質(zhì)心高度越低，底盤可攀爬的坡度角越大，縱向穩(wěn)定性越好。為提高上下坡的穩(wěn)定性，需降低底盤質(zhì)心位置。

3. 2 底盤橫向坡路穩(wěn)定性分析

為確保設(shè)備在橫坡上行駛的穩(wěn)定性，需要分析底盤在橫向受力情況下的傾翻條件，確定允許的橫向最大橫坡角度（βm）［22］。設(shè)備在橫向坡道上行駛時(shí)底盤的受力情況如圖7 所示，e 為質(zhì)點(diǎn)偏移距離，mm；B 為履帶軌距，mm；h 為質(zhì)心高度，mm；F 為橫向傾翻力，N；G 為整車重力，N；FN4為支撐力，N。

對于在橫向坡道上行駛的大徑級疫木粉碎裝備履帶底盤，F(xiàn)=0，底盤總體受力平衡，對C點(diǎn)取矩得

FN4 B - G cosβ （0.5B - e） + Gh sinβ = 0。（13）

由此求得

FN4 = [G cosβ （0.5B - e） - Gh sinβ ]／B 。（14）

若要底盤不發(fā)生側(cè)翻，需使支撐力FN4 ≥ 0，即[G cosβ （0. 5B-e）-Gh sinβ ]≥0，由此可得底盤在斜坡上橫向直線行駛不發(fā)生側(cè)翻的最大坡度角（βm）為

若要底盤不發(fā)生側(cè)翻，需使支撐力FN4 ≥ 0，即[G cosβ （0. 5B-e）-Gh sinβ ]≥0，由此可得底盤在斜坡上橫向直線行駛不發(fā)生側(cè)翻的最大坡度角（βm）為

βm = arctan（0.5B - e／h ）。（15）

由圖8可知，最大坡度角（βm）與履帶底盤的軌距（B）和質(zhì)心高度（h）相關(guān)。具體來說，增大軌距（B）或降低質(zhì)心高度（h），都能提高設(shè)備在橫向坡道上行駛的穩(wěn)定性。

4 底盤系統(tǒng)仿真分析

4. 1 幾何模型建立

在建模過程中，將整機(jī)結(jié)構(gòu)簡化為一個(gè)主體，使用三維建模軟件建模后導(dǎo)入多體動(dòng)學(xué)仿真軟件［23］。通過Track-LM模塊搭建履帶行走機(jī)構(gòu)。每側(cè)的履帶行走機(jī)構(gòu)由以下部分組成：1個(gè)驅(qū)動(dòng)輪、8個(gè)支重輪、2個(gè)托鏈輪、1個(gè)履帶架、1個(gè)導(dǎo)向輪和1條履帶。建立地面模型，利用貝克理論（Bekker）定義沉陷路面， 林間作業(yè)路面參數(shù)見表3［24］。

4. 2 大徑級疫木粉碎裝備底盤動(dòng)力學(xué)模擬仿真

行駛復(fù)雜地形可分為斜坡、垂直壁和壕溝等類型，并通過多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件進(jìn)行仿真模擬［25］。經(jīng)過在浙江永康市林區(qū)的實(shí)地勘察，路面主要包含20°斜坡、200 mm× 400 mm（ 高×寬）的垂直壁，以及200 mm × 400 mm （深×寬）的壕溝。模擬履帶底盤在典型工況下的作業(yè)能力，包括縱向爬坡、攀登垂直壁及跨越壕溝。通過分析底盤的平移加速度、垂向加速度及俯仰角，探討裝備在不同路況下的行駛性能［24-25］。

4. 2. 1 縱向坡地行駛仿真

在多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件中建立一個(gè)傾角為20°的縱坡路面，對大徑級疫木粉碎裝備進(jìn)行爬坡仿真，仿真結(jié)果如圖9所示。

大徑級疫木粉碎裝備攀爬斜坡時(shí)，底盤平移加速度是判斷穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo)。由圖9（a）可知，底盤平移加速度在0～14 000 mm/s2 波動(dòng)，與陳繼清等［26］研究的小型綠籬修剪機(jī)的平移加速度范圍相似，這一比較來源于兩者均為履帶式設(shè)備，在復(fù)雜工況下的動(dòng)力學(xué)特性具有相似性。盡管規(guī)模和用途不同，但該比較有助于為粉碎裝備的穩(wěn)定性評估提供參考，說明在爬坡過程中，裝備能夠保持相對穩(wěn)定的加速狀態(tài)，未出現(xiàn)過大的加速度波動(dòng)，行駛過程較平穩(wěn)。由圖9（b）可知，垂向加速度在-10 000～10 000 mm/s2波動(dòng)。這是由于爬坡過程中，履帶與路面之間的相互作用導(dǎo)致的上下抖動(dòng)，但抖動(dòng)幅度在可控范圍內(nèi)，對裝備的穩(wěn)定性影響較小。由圖9（c）可知，在0～3. 2 s，裝備在平地上加速行駛，俯仰角在0°附近波動(dòng)；從3. 2 s開始，裝備進(jìn)入爬坡階段，俯仰角逐漸增加，最終穩(wěn)定在28°。這與路面坡度相符，表明裝備能夠順利適應(yīng)坡度變化。

上述仿真結(jié)果表明，粉碎裝備在20°縱坡上的爬坡性能良好，底盤運(yùn)行平穩(wěn)，未出現(xiàn)履帶脫鏈等不穩(wěn)定現(xiàn)象。粉碎裝備在爬坡過程中的最大平移加速度、垂直加速度及俯仰角見表4。

4. 2. 2 翻越垂直壁仿真

基于多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件建立垂直壁200 mm×400 mm（高×寬）的路面，針對大徑級疫木粉碎裝備，進(jìn)行整機(jī)翻越垂直壁仿真分析。仿真結(jié)果如圖10所示。

大徑級疫木粉碎裝備翻越垂直壁時(shí)，必須確保裝備在越過垂直壁后能夠恢復(fù)至平地行駛狀態(tài)，因此需對裝備底盤平移加速度、垂向加速度以及俯仰角進(jìn)行分析。由圖10（a）可知，在翻越垂直壁過程中，平移加速度在0～20 000 mm/s2 波動(dòng)。較大的加速度變化是由于裝備需要克服垂直壁的高度，實(shí)現(xiàn)攀爬所致［26］。由圖10（b）可知，垂向加速度在-15 000 ～10 000 mm/s2波動(dòng)。這反映裝備在翻越過程中受到的垂直方向沖擊，但整體變化在可接受范圍內(nèi)［26］。由圖10（c）可知，在0～3 s，裝備在平地上行駛，俯仰角在0°附近；從3 s開始，裝備開始翻越垂直壁，俯仰角逐漸增大，最大達(dá)到13°；6 s后，俯仰角恢復(fù)至0°，表明裝備已成功越過障礙。

裝備在翻越垂直壁的過程中，保持良好的穩(wěn)定性，底盤運(yùn)行平穩(wěn)，無履帶脫鏈現(xiàn)象。裝備翻越垂直壁過程中的最大參數(shù)，見表5。

4. 2. 3 跨越壕溝仿真

基于多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件建立200 mm×400 mm（深×寬）的壕溝路面，針對大徑級疫木粉碎裝備，進(jìn)行整機(jī)跨越壕溝仿真分析［26］。仿真結(jié)果如圖11所示。

由圖11（a）可知，在跨越壕溝過程中，平移加速度波動(dòng)較為劇烈，最大值達(dá)到20 000 mm/s2。這是由于裝備在跨越壕溝時(shí)，需要克服突然的路面變化，導(dǎo)致加速度出現(xiàn)較大峰值。由圖11（b）可知，垂向加速度在-10 000～10 000 mm/s2波動(dòng)。上下抖動(dòng)主要發(fā)生在裝備前后履帶先后通過壕溝時(shí)，屬于正?，F(xiàn)象［26］。由圖11（c）可知，俯仰角在跨越過程中最大不超過3°，裝備姿態(tài)變化較小，表明其在壕溝路面上具有良好的適應(yīng)性。

表6為粉碎裝備跨越壕溝時(shí)的最大參數(shù)。上述仿真結(jié)果表明，裝備在縱向坡地行駛、翻越垂直壁、跨越壕溝過程中未出現(xiàn)異常，對多種復(fù)雜地形展現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

針對大徑級疫木處理效率低、松材線蟲病二次傳播風(fēng)險(xiǎn)，開發(fā)一款大徑級疫木粉碎裝備，實(shí)現(xiàn)疫木的定點(diǎn)處理。該設(shè)備采用前處理與粉碎機(jī)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，通過多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件進(jìn)行仿真分析，評估底盤在復(fù)雜地形上的行走能力。主要結(jié)論如下。

1）大徑級疫木粉碎裝備主要包括前處理機(jī)構(gòu)、粉碎機(jī)構(gòu)及履帶底盤機(jī)構(gòu)，依據(jù)直徑40 cm 大徑級疫木幾何參數(shù)確定關(guān)鍵部件尺寸，整車尺寸為3 025 mm ×1 890 mm ×2 325 mm（長×寬×高）。

2）仿真結(jié)果表明，大徑級疫木粉碎裝備在20°縱坡上的爬坡過程中，平移加速度穩(wěn)定在0～14 000 mm/s2，垂向加速度波動(dòng)在-10 000～10 000 mm/s2，俯仰角最終穩(wěn)定在28°。裝備在陡坡環(huán)境下能夠保持穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，爬坡過程中未發(fā)生履帶脫鏈等不穩(wěn)定現(xiàn)象。

3）在翻越200 mm ×400 mm（高×寬）的垂直壁、跨越200 mm ×400 mm（深×寬）的壕溝時(shí)，大徑級疫木粉碎裝備表現(xiàn)出良好的越障能力。翻越垂直壁過程中，平移加速度最高達(dá)到20 000 mm/s2，俯仰角最大為13°；跨越壕溝過程中，平移加速度最高達(dá)到20 000 mm/s2，俯仰角最大僅為3°。裝備在應(yīng)對復(fù)雜地形障礙時(shí)，能夠有效保持底盤穩(wěn)定，確保設(shè)備順利通過不同障礙物。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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基金項(xiàng)目：國家林草裝備科技創(chuàng)新園研發(fā)攻關(guān)項(xiàng)目（2023YG06）。