郭文松，贺小伟,，王 龙,，赵鹏飞，胡 灿，侯书林，王旭峰

·农业装备工程与机械化·

梳齿起膜气力脱膜式耕层残膜回收机研制

郭文松1，贺小伟1,2，王 龙1,2，赵鹏飞1，胡 灿1，侯书林2，王旭峰1※

（1. 塔里木大学机械电气化工程学院，阿拉尔 843300；2. 中国农业大学工学院，北京 100083）

为了解决耕层残膜污染问题，该研究设计了一种梳齿起膜气力脱膜式耕层残膜回收机。该机主要由机架、梳齿、梳齿辊、重力沉降室、离心风机组成。梳齿辊是该回收机的核心机构，其辊筒上布置有多排梳齿，通过梳齿辊的旋转实现松土和残膜-土壤分离；利用EDEM离散元软件建立梳齿辊模型，仿真研究了梳齿排列方式和梳齿结构对梳齿辊入土过程中前进阻力和阻力矩的影响，确定了齿刀螺旋排列方式。吸膜机构的作用是实现残膜的连续回收及膜土分离。建立了残膜在吸膜区的运动学方程，通过对方程分析求解，探明了梳齿辊转速和吸膜口风速对残膜运动轨迹的影响，确定梳齿辊转速应小于120 r/min，吸膜口风速应大于15 m/s。为了获得回收机的最佳作业参数组合，进行了土槽响应曲面优化试验，得出最佳参数组合：吸膜口与竖直面之间的角度为-7°、机具前进速度为2 km/h、梳齿辊转速为100 r/min、吸膜口风速为22 m/s。田间试验结果表明：最佳参数组合作业时，残膜拾净率为55.04%，比预测值小1.63%，优化方法可靠。

农业机械；设计；试验；残膜；回收；参数优化

0 引 言

农田覆膜的种植具有以下优点[1-7]：对土壤进行保温保墒，促进作物的增产，缩短作物的生育期，抑制杂草生长。但是由于农田地膜回收难度较大、成本较高、农户对农田地膜回收意识的淡薄，且在地膜覆盖技术大面积推广的前期，政府没有提出相关的地膜回收指导性政策，致使大部分农田地膜没有被回收，大量地膜残留在土壤内部[8-10]。残留在农田中的地膜（后文统称：残膜）给土壤带来“白色污染”。新疆作为主要棉花种植区，其棉花播种面积占全国棉花播种面积的69.4%，据新疆自治区农业厅调查显示，在新疆常年种植棉花的耕层土壤中，平均残膜量已达268.65 kg/hm2，甘肃、内蒙古、宁夏等省份的残膜污染问题同样突出[11-13]。

为了解决耕层残膜污染问题，国内众多科研院所开展了农田残膜回收机具的研究。目前耕层残膜回收主要采用2种方法：一种是提土筛分的方法，先由提土机构将耕层土壤输送到振动筛上，然后在振动筛的作用下将土壤和残膜分离，使用该方法的机具，其结构庞大、复杂、功耗较高[14-20]；另一种是梳齿式耕层起膜法，在梳齿连续转动作用下，梳齿插入耕层土壤中将土壤搅松，并将残膜从土壤中连续不断地挑起到地表，此种方法回收效率高，但存在含杂率高的问题[21-27]。

项目组在2017—2020年研制的梳齿起膜带刷脱膜式耕层残膜回收机[28]，拾净率达到74%，但是回收的残膜含杂率较高，夹杂较多土块、石块、棉秆等。为了解决梳齿起膜带刷脱膜式耕层残膜回收机存在的含杂率较高问题，本文设计了一种梳齿起膜气力脱膜式耕层残膜回收机，并进行了试验与参数优化。

1 整机结构与工作原理

梳齿起膜气力脱膜式耕层残膜回收机结构如图1所示。该机具作业幅宽1 m，配套动力>73.5 kW，作业深度为0～15 cm。

该回收机采用悬挂方式，整机动力由拖拉机的后输出轴提供，工作时梳齿辊连续旋转，驱动梳齿辊上的梳齿连续入土，入土的梳齿可以对土壤进行开松，并将埋藏于土壤中的残膜挑到土壤表层，残膜和杂质被梳齿挑起后，在梳齿推力和离心力的作用下经过吸膜区，位于吸膜区的残膜和杂质受到负压气流的作用被吸入重力沉降室，由于重力沉降室横截面积增大，因此气流速度和空气动力骤然下降，较重的杂质沉降到大田里，较轻的残膜随着气流运动直至从出膜口吹出，进入安装于出膜口的纱网。

1.牵引架 2.吸膜口 3.重力沉降室 4.吸风管道 5.离心风机 6.出膜口 7.机架 8.行走轮 9.梳齿辊 10.梳齿

2 梳齿辊结构设计及其入土性能仿真

梳齿辊是耕层残膜回收机的核心部件，主要作用是松土和实现膜土分离。梳齿辊是整个机具唯一的入土部件，其入土性能的好坏决定着耕层残膜机的功率消耗和使用成本。

2.1 梳齿辊结构设计

图2所示为梳齿辊结构图。该设计理念借鉴梳子的结构，将每排11个共7排梳齿安装于转动的梳齿辊筒上，利用连续转动的梳齿对土壤中的残膜进行梳理。根据前期研究基础[28]，梳齿辊筒的直径设计为426 mm，采用壁厚为8 mm的中空管，轴向总长度为1 000 mm。为了保证梳齿的强度，梳齿材料为65Mn钢。由于90%以上的耕层残膜分布在0～20 cm深度范围的土壤内，本文设计的梳齿总长度为250 mm，刀柄夹持部分为50 mm，工作部分深度为200 mm，梳齿厚度为10 mm。

2.2 入土性能仿真试验

本文通过离散元仿真试验研究梳齿在梳齿辊上的排列方式和梳齿结构对入土性能的影响规律。梳齿辊的入土性能主要是指梳齿辊整机在入土时所受到的前进阻力、阻力矩。通过前期研究发现梳齿在梳齿辊上的排列方式（螺旋排列或平行排列）、梳齿的结构（平刀或齿刀）对其入土性能均有重要影响。因此本文通过仿真试验分析不同梳齿排列方式和不同梳齿结构的梳齿辊进入土壤过程中时的前进阻力和阻力矩变化规律，确定最佳的梳齿结构和排列方式。

1.梳齿 2.梳齿辊筒 3.固定座

1.Comb tooth 2.Comb tooth roller 3.Fixed seat

注：V为前进速度，m·s-1；W为旋转速度，r·min-1；F为梳齿辊前进时整机受到的前进阻力，N；T为梳齿辊旋转时整机受到的阻力矩，N·m。

Note:Vis the forward speed, m·s-1；Wis the rotation speed, r·min-1；Fis the forward resistance of whole machine when comb roller moves forward, N；Tis the resistance torque of whole machine when comb roller rotates, N·m.

图2 梳齿辊结构图

Fig.2 Structure diagram of comb roller

梳齿辊仿真模型如图3所示。虚拟梳齿辊的尺寸依据物理样机进行设置，具体参数设定如下：梳齿辊轴向长度为1 m、梳齿长度为25 cm、刀柄夹持部分为50 mm、厚度为10 mm，梳齿间的轴向间距为10 cm，梳齿辊周向共有7列梳齿、每列共有11个梳齿。其他仿真参数设置如表1所示[29-30]。

表1 虚拟仿真参数

1.虚拟梳齿辊 2.虚拟土槽 3.虚拟土壤

2.3 仿真试验结果分析

2.3.1排列方式对入土性能的影响

梳齿在梳齿辊筒上的平行排列和螺旋排列方式如图 4所示。梳齿辊的轴向长度为1 m，梳齿辊筒的直径为426 mm，梳齿材料为65Mn钢。其中螺旋排列梳齿辊的螺旋升角为20°，螺距为10 cm。

图4 梳齿的排列方式

根据前期研究，设定仿真试验条件为前进速度3 km/h，转速150 r/min，入土深度12 cm。仿真结果如图 5所示。

由图5可知，在入土过程中，螺旋排列的梳齿辊受到的阻力最大变化值为1 700 N，阻力矩最大变化值为1 000 N·m；平行排列的梳齿辊受到的阻力最大变化值为6 000 N，阻力矩最大变化值为2 500 N·m；螺旋排列比平行排列的梳齿辊受到的冲击力和冲击力矩更小。

分析其原因：平行排列式梳齿辊工作时，整排梳齿每隔固定周期插入土壤，因此会受到较大的冲击力和冲击力矩，不利于回收机的结构稳定和作业稳定，对回收机具传动系统也存在一定危害。螺旋排列的梳齿辊工作时，梳齿依次插入土壤，入土时所受到的冲击力较小，更有利于机具作业。

综合分析，本文确定梳齿在梳齿辊上的排列方式为螺旋排列。

2.3.2梳齿结构对入土性能的影响

为了研究梳齿结构对入土性能的影响，本试验选择如图6所示的平刀和齿刀2种梳齿结构进行仿真分析，梳齿排列方式为螺旋排列。梳齿材料均设定为65 Mn，2种结构的梳齿的总体长度为250 mm，刀柄夹持部分为50 mm，工作部分深度为200 mm，梳齿厚度为10 mm；平刀的触土面未设置切割齿；齿刀的触土面设置切割齿，切割齿高为10 mm。

注：L1为梳齿的总体长度，mm；L2为刀柄夹持部分的长度，mm；L3为工作部分长度，mm；h为梳齿高度，mm。

仿真条件：排列方式均采用螺旋排列方式，前进速度为3 km/h，转速为150 r/min，入土深度为12 cm。仿真结果如图7所示。

由图7可知：安装平刀的梳齿辊和安装齿刀的梳齿辊在入土过程中所受到的前进阻力、阻力矩变化规律基本一致。平刀结构所受到的前进阻力平均值比齿刀结构大88 N; 平刀结构所受到的阻力矩平均值比齿刀结构大23 N·m；这2种结构的梳齿对入土性能的影响不明显，但是前期研究发现，齿刀更有利于将土壤中的残膜勾起，实现残膜土壤的分离。

因此本文最终选择齿刀螺旋排列方式的梳齿辊。

3 吸膜机构设计

3.1 吸膜机构

气力式吸膜机构如图8a所示，主要由吸膜口、重力沉降室、吸风管道、离心风机、出膜口、间隙调节机构、角度调节机构组成。在出膜口处安装纱网，收集随气流运动至出膜口的残膜。

间隙调节机构的作用是调节吸膜口与梳齿辊最外边缘之间的间隙。如果间隙值小于0，梳齿会与吸膜口碰撞；如果间隙值过大，吸膜区域的气流速度会降低，因此本文将间隙调节范围设计为0～10 cm。角度调节机构的作用是调节吸膜口相对于垂直方向的角度，经测量当吸膜口角度大于30°或者小于-30°时，气流的作用区域会偏离梳齿的运动范围，因此角度调节范围设计为-30°～30°。

图8b为重力沉降室结构示意图。重力沉降室的长度4设计为1 000 mm，重力沉降室管道直径2设计为100 mm，吸风管道直径1设计为100 mm，吸膜口宽度为40 mm。

3.2 残膜在吸膜区的运动分析

通过分析残膜在吸膜区的运动学方程，初步确定梳齿辊转速和气流速度的设计范围。残膜碎片在气流中所受到的力主要为重力和气流曳力。由于残膜碎片的结构复杂性、柔性等特点，目前并没有有效运动方程。为了研究残膜在吸膜区的运动过程，本文采用一种近似方法分析残膜在气流中的运动，即将残膜等效为密度较小体积较大的球形颗粒，残膜重力大小由密度和体积标定，迎风面积由表面积标定。

注：4为重力沉降室长度，mm；5为2个吸风管道的内侧距离，mm；6为重力沉降室最外端到吸风管道的距离，mm；1为吸风管道直径，mm；2为重力沉降室直径，mm；为吸膜口宽度，mm。

Note:4is length of gravity sedimentation chamber, mm;5is inner distance of both two suction ducts, mm;6is distance from the outermost end of gravity sedimentation chamber to suction duct, mm;1is diameter of suction pipe, mm;2is diameter of gravity sedimentation chamber, mm;is opening width of suction film, mm.

1.吸膜口 2.重力沉降室 3.吸风管道 4.离心风机 5.出膜口 6.角度调节机构 7.间隙调节机构

1.Film suction port 2.Gravity settling chamber 3.Suction duct 4.Centrifugal fan 5.Film outlet 6.Angle adjustment mechanism 7.Gap adjustment mechanism

图8 吸膜机构图

Fig.8 Diagram of film suction mechanism

吸膜区是指吸膜口到梳齿辊间负压气流产生作用的区域。o为梳齿外边缘到梳齿辊中心的距离，m；R为梳齿内边缘到梳齿辊中心的距离，m；为负压气流产生作用的最远边到梳齿辊中心的距离，m；吸膜口的宽度为m；为吸膜口到梳齿外边缘的距离，m；负压气流的速度为V，m/s；梳齿辊筒的转速为W，r/min；颗粒所在的位置与梳齿辊筒中心的距离为R，m；残膜进入吸膜区前的速度为V，m/s。V的方向垂直于颗粒中心点到梳齿辊中心连线的法线，其计算如公式（1）所示。

颗粒进入吸膜区后主要受到重力、空气浮力F、和气流曵力的作用重力如公式（2）所示。

颗粒受到的浮力如公式（3）所示。

式中ρ为空气密度，1.29 kg/m³。

不考虑颗粒进入吸膜区后加速度和吸膜区的湍流对颗粒运动的影响，作用于颗粒上的气流曵力可用公式（4）表示。

根据力平衡关系得到吸膜区颗粒的动力学方程，如式（5）所示。

设为颗粒中心点到辊筒中心点连线方向与竖直方向的夹角，其计算如公式（6）所示。

颗粒在吸膜区的运动轨迹可用公式（7）表示。

式中y0为颗粒进入吸膜区域时的初始方向坐标值，m。

利用Mathcad软件对颗粒运动方程进行求解。根据物理样机尺寸，设定吸膜口宽度为0.2 m；吸膜口距离梳齿外边缘的距离为0.05 m；颗粒在进入吸膜区前其质心与梳齿辊筒中心的距离R=0.7 m；设定残膜颗粒的直径为2 cm，密度为500 kg/m3。依据前期研究基础，初步设定了梳齿辊转速的变化范围为60～120 r/min，吸膜口风速变化试验范围为15～22 m/s，计算结果如图10所示。

由图10a可知，随着梳齿辊转速的增加，残膜的运动轨迹逐渐偏离吸膜区域，即梳齿辊转速的提高不利于残膜被负压气流吸走，因此为了保证残膜能更有效地被负压气流吸走，梳齿辊筒的转速应低于120 r/min，但过低的转速也会使作业效率下降，具体转速应依据实际作业效果确定。

由图10b可知，随着风速的增加，残膜被负压气流吸走的效果越好，增大风速有利于残膜迅速的被负压气流吸走，但具体最佳风速值应结合实际试验来确定。当负压风速为15 m/s时，残膜很接近逃离吸膜区，因此吸膜口风速应大于15 m/s。

注：H为吸膜口到梳齿外边缘的距离，mm；R为负压气流产生作用的最远边到梳齿辊中心的距离，m；Ri为梳齿内边缘到梳齿辊中心的距离，m；R0为梳齿外边缘到梳齿辊中心的距离，m；Rp为颗粒与梳齿辊中心的距离，m；Vg为气流速度，m·s-1；Vp为残膜速度，m·s-1；G为残膜重力，N；Fa为残膜受到的空气浮力，N；F为气流曵力，N；θ为颗粒中心到辊筒中心连线与竖直方向的夹角，（°）。

4 样机试验与优化

4.1 试验设备

图11所示为项目组研制的土槽试验专用耕层残膜回收机试验台。该试验台的前进由土槽牵引车牵引，速度调整范围为0～7 km/h，调节精度为0.1 km/h；梳齿辊由三相异步电动机和摆线针减速器驱动，利用变频器实现无级调速，转速调速范围为0～160 r/min；离心风机采用功率为7.5 kW的中压离心风机，吸膜口负压风速的调整范围为0～23 m/s；吸风口角度为吸风口法线方向与竖直方向的夹角，通过旋转轴调节，调节范围为±30°；试验中梳齿入土深度为15 cm。土槽内土壤为沙性土壤，地表平整度为23.9 mm，土壤坚实度为225 N/cm2，土壤绝对含水率为14.6%。

1.牵引车 2.三相异步电机和减速器总成 3.梳齿辊 4.重力沉降室 5.吸膜管道 6.离心风机 7.出膜口 8.三相异步电机

4.2 多因素试验

4.2.1 试验因素和指标

采用Central Composite Design方法，有4个因素5个水平和1个响应指标。4个自变量因素分别为回收机前进速度、梳齿辊转速、吸膜口风速、吸膜口角度，以耕层残膜拾净率为响应指标。因素水平如表2所示。

表2 试验因素和水平

4.2.2 试验设计

使用Design-expert11.0软件完成试验方案设计、试验结果处理和数据优化。本试验采用全执行方法，非中心点数据组合24组，中心点组合数据6组，实际运行次数为30次。采用单一区组处置，每次试验重复3次，共试验90次。每次试验时将大小4～36 cm2的100块残膜随机埋藏在 0～15 cm 深度的土壤中，然后统计拾净率。表3所示为响应曲面试验数据。

4.2.3 试验结果分析

本试验数据分别拟合线性模型、两因素交互关系模型、二次方关系模型、三次方关系模型，其中二次方模型的拟合程度最好。二次方模型的R=0.959 1、矫正R=0.920 9、预测R=0.785 9，模型拟合结果良好，因此本文对二次方模型进行拟合分析，结果如表4所示。

表3 响应曲面试验结果

表4 回归方程拟合结果

注：＜0.01表示非常显著；＜0.05表示显著；＞0.05表示无显著意义。

Note:<0.01 means very significant;<0.05 means significant;>0.05 means no significant meaning.

由表4分析可知，本模型的值为37.02，表示拟合的二次数学模型是显著的。模型的值小于0.000 1，表明只有小于0.000 1的机率会因噪声而出现如此大的值。值小于0.05表示模型项是显著的，值大于0.10表示模型项不显著，由表4分析各模型项均显著。最终建立的回归方程如公式（8）所示。

4.2.4 响应曲面分析

将回归方程进行统计学分析，获得耕层残膜回收率回归模型的三维响应曲面图，如图12所示。该响应曲面图可以直观考察各因素间交互作用对残膜回收率的影响规律。

由图12a分析可知：随着前进速度的增加，残膜拾净率呈现逐渐降低的趋势；随着梳齿辊转速的增加，残膜拾净率则呈现先增加后降低的趋势。由图12b分析可知：随着前进速度的增加，残膜拾净率呈现逐渐降低的趋势；随着吸膜口角度的减小，残膜拾净率则呈现先增加后降低的趋势。由图12c可知：随着梳齿辊转速的增加，残膜拾净率呈现逐渐降低的趋势；随着吸膜口风速的增加，残膜拾净率则呈现增加的趋势。

图12 各因素对拾净率影响的响应曲面图

4.2.5 工作参数优化

利用Design Expert软件对建立的二次回归方程进行优化分析。获得的最佳参数组合为吸膜口角度-7°、前进速度为2 km/h、梳齿辊筒转速为100 r/min、吸膜口风速为22 m/s。

5 大田验证试验

为了验证响应曲面法优化结果的准确性，按照GB/T 25412—2010[32]，在2020年3月10～15日，新疆阿拉尔市7团棉花地进行了大田试验。土壤为含水率在10.1%～15.4%范围的砂性土壤。耕层残膜回收机的测定方法为：分别选取2个长度×宽度为1 m×100 m测区，在测区前、后选择5个1 m×5 m的测点，将取出的残膜去除尘土和水分后称其质量，求平均值，按式（9）计算残膜拾净率。

式中为拾净率，%；W为作业后残膜质量，g；0作业前残膜质量，g。

图13所示为大田试验现场，试验结果如表5。试验过程表明：该型残膜回收机结构简单，运行稳定，回收的残膜中不含有任何重杂，表明重杂沉积效果明显，残膜含杂率低。

图13 大田试验

表5 大田试验结果

在试验田内进行了5次验证试验，试验结果的拾净率平均值为55.04%，比预测值小1.63%，说明响应曲面法优化获得的最佳工作参数组合可靠。由于大田土壤环境比土槽土壤环境恶劣，大田实际的耕层土壤中存在粉碎后的棉花秸秆、土壤硬块、石头块等，因此实际检测的残膜拾净率低于土槽试验结果。

6 结 论

1）基于梳刷作用和气吸原理，设计了一种梳齿起膜气力脱膜式耕层残膜回收机，并对梳齿辊和负压吸膜机构进行设计分析。

2）利用EDEM离散元软件建立了梳齿辊虚拟样机，并仿真试验了梳齿排列方式、梳齿结构对梳齿辊入土性能的影响。最终选择齿刀螺旋排列方式的梳齿辊。

3）建立了吸膜区残膜的运动学方程，并计算了梳齿辊转速、吸膜口负压风速对残膜运动轨迹的影响。研究发现：梳齿辊转速的增加不利于残膜在吸膜口被负压气流吸走，梳齿辊转速应低于120 r/min；吸膜口负压风速越大吸膜效果越大，风速应大于15 m/s。

4）采用响应曲面试验建立拾净率与影响因素之间的回归方程。确定了最优参数组合为：吸膜口角度为-7 °，前进速度为2 km/h、梳齿辊筒转速为100 r/min、吸膜口风速为22 m/s。

5）大田验证试验，本残膜回收机实际拾净率平均值为55.04%，比预测值小1.63%，结果可靠。

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Development of a comb tooth loosening and pneumatic stripping plough layer residual film recovery machine

Guo Wensong1, He Xiaowei1,2, Wang Long1,2, Zhao Pengfei1, Hu Can1, Hou Shulin2, Wang Xufeng1※

(1.,,843300,; 2.,,100083,)

The film left in farmland brings "white pollution" to soil. At present, there are two main methods for the recovery of residual film in plough layer: one is the method of soil extraction and screening. Firstly, the soil is transported to the vibrating screen by the soil lifting mechanism, and then the soil and residual film are separated under the action of the vibrating screen. The other is the comb type residual film recovery method. Under the continuous rotation of the comb teeth, the comb teeth are inserted into the topsoil to loosen the soil, and the residual film is continuously removed from the soil. In order to solve residual film pollution of plough layer soil, a comb tooth loosening and pneumatic stripping plough layer residual film recovery machine was designed. The machine was mainly composed of frame, comb tooth, comb roller, gravity sedimentation chamber, centrifugal fan and so on. Comb tooth roller was composed of multiple rows of comb tooth installed on the roller. The function of comb roller was to loosen soil and separate residual film and soil through continuous rotation. EDEM software was used to establish virtual operating system of comb roller, and study the effects of comb tooth arrangement and comb tooth structure on forward resistance and resistance moment. According to the simulation results, the spiral arrangement of comb tooth was determined. The kinematics equation of residual film in film suction area was established. By solving equation, the influence of the rotation speed of the comb roller and the air speed at the film suction port on the motion track of the residual film were analyzed. It was determined that the rotation speed of comb roller should be less than 120 r/min, and air speed in film suction port should be greater than 15 m/s. In order to obtain the best combination of operating parameters, a response surface test was performed on soil tank. The optimal parameter combination was obtained: angle of film suction port was -7°, the forward speed was 2 km/h, the rotation speed of comb roller was 100 r/min, and the air speed in film suction port was 22 m/s. The field test results showed that when working with the best combination of parameters, the residual film pick up rate was 55.04%, which was 1.63% lower than the predicted value, indicating the optimization method was reliable.

agricultural machinery; design; experiments; residual film; recovery; parameter optimization

郭文松，贺小伟，王龙，等. 梳齿起膜气力脱膜式耕层残膜回收机研制[J]. 农业工程学报，2020，36(18)：1-10.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.001 http://www.tcsae.org

Guo Wensong, He Xiaowei, Wang Long, et al. Development of a comb tooth loosening and pneumatic stripping plough layer residual film recovery machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(18): 1-10. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.001 http://www.tcsae.org

2020-06-02

2020-09-04

新疆兵团重大科技项目（2018AA001/03）；国家重点研发计划（2017YFD0701102-1）；新疆兵团重点研发计划（2019AB007）

郭文松，博士，副教授，主要从事于残膜污染治理和智能化农机装备研发。Email：541577947@qq.com

王旭峰，博士，教授，主要从事于残膜污染治理和农业机械装备研发。Email：798428667@qq.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.001

S223.5

A

1002-6819(2020)-18-0001-10