李世豪，齊應(yīng)杰

(平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 平頂山 467000)

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玉米剝皮機部件改進(jìn)設(shè)計及三維仿真應(yīng)用

李世豪，齊應(yīng)杰

(平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 平頂山 467000)

我國北方氣候干燥，較適宜種植玉米、小麥等半干旱性農(nóng)作物。玉米種植及收割均簡單易行，唯一較難展開的工作是剝皮工作，而玉米剝皮機的出現(xiàn)極大地提高了玉米剝皮效率。當(dāng)前，玉米剝皮機仍舊存在一些弊端導(dǎo)致剝皮效率不佳，為進(jìn)一步提升機器工作效率，需對玉米剝皮機關(guān)鍵部件進(jìn)行改進(jìn)。因此，對玉米剝皮機部件改進(jìn)進(jìn)行了分析，并展開了三維仿真。

玉米剝皮機；剝皮輥；三維仿真

0 引言

玉米剝皮機是利用機械傳動取代人進(jìn)行作業(yè)的一種高效運轉(zhuǎn)剝皮機器，在我國北方具有較為廣泛的應(yīng)用。玉米剝皮機在設(shè)計時要求簡潔、高效、性能可靠、使用方便。為滿足實際需求，玉米剝皮機在設(shè)計過程中往往采用質(zhì)地為全橡膠式的雙重剝皮輥機械結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)往往會在作業(yè)過程中造成玉米粒被破壞，而全橡膠式雙重剝皮輥通過調(diào)整兩個皮輥間距即可將該種傷害降到最低。試驗表明：改進(jìn)后的玉米剝皮機極大地提升了剝皮效率，減少了玉米粒損失，使農(nóng)民損失降到最低。

1 設(shè)計方案及機構(gòu)

玉米剝皮作業(yè)流程：人工加料(放入待剝皮苞米)—機器剝皮作業(yè)—玉米穗和皮分離—收集玉米穗。玉米剝皮機動力為三相異步電動機(Y),主要工作部件為全橡膠式的雙重剝皮輥，機械運轉(zhuǎn)及傳動主要通過齒輪及皮帶實現(xiàn)。在玉米剝皮機設(shè)計過程中，應(yīng)合理安排各個傳動及連接關(guān)系，保證機器能夠良好運轉(zhuǎn)，便于及時維修保養(yǎng)，且壽命持久。機器整體采用角鋼焊接連接完成，機器4個底角部位各安裝一個定向輪，便于實現(xiàn)移動機定位。玉米剝皮機機架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機架結(jié)構(gòu)圖

玉米剝皮機主要參數(shù)為傳動比。在設(shè)計過程中，玉米剝皮機輥轉(zhuǎn)速n為300～400r/min時，機器運轉(zhuǎn)效率及工作效率最佳。取玉米剝皮機輥轉(zhuǎn)速n輥=350，電機轉(zhuǎn)速為n電=1 500r/min，傳動比i=n電/n輥=4.29。

高端傳動比>低端傳動比，可將原始高端傳動比設(shè)置為i高=2.5，可求得原始低端傳動比設(shè)置為i低。i總=i高×i低=4.29。由此可得：i低=i總/i高=1.71。

皮帶傳動比i帶=D2/D1=250/100=2.5，齒輪傳動比 i齒=1.72，總降速比i=4.29，主軸轉(zhuǎn)速n=n電動機/i總。結(jié)合試驗得出：轉(zhuǎn)速為350r/min處于最佳轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。在此基礎(chǔ)上設(shè)計的傳動系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 玉米剝皮機傳動系統(tǒng)

由圖2可以看出：源電動機將動力輸出，經(jīng)過皮帶完成一級降速，并將動力傳遞至軸1；軸1與齒輪1通過皮帶相連，轉(zhuǎn)速一致；齒輪1與齒輪2嚙合實現(xiàn)二級降速；軸2 為機構(gòu)主動軸，圍繞軸2設(shè)置3個齒輪，齒輪3和4傳動比為1:1。剝皮作業(yè)主要通過軸—齒輪—嚙合軸—齒輪實現(xiàn)。軸2上序號為6的齒輪與軸3上序號為5的齒輪實現(xiàn)同速傳動，序號為2～5的齒輪傳動比n輥=350。為保證玉米剝皮機傳動比不變，機械傳動結(jié)構(gòu)選用直齒傳動。只要機器各部件結(jié)構(gòu)緊密、材質(zhì)優(yōu)良，便可保證機器具有較高可靠性。

2 部件分析

2.1 剝皮機構(gòu)

剝皮機構(gòu)核心部位為全橡膠式的雙重剝皮輥，兩根輥轉(zhuǎn)動方向相反，輥槽產(chǎn)生摩擦力抓取玉米外皮及其他混合物使其實現(xiàn)皮肉分離，必須要求輥槽產(chǎn)生摩擦力大于玉米外皮和苞米之間的粘合力，而全橡膠機構(gòu)不僅能夠增加摩擦因數(shù)，還能夠降低機構(gòu)對苞米的傷害。剝皮輥三維圖如圖3所示。

圖3 剝皮輥三維圖

2.2 剝皮機構(gòu)配置

剝皮功能的實現(xiàn)主要通過全橡膠機構(gòu)上的凹槽，該處是剝皮工作關(guān)鍵部位。上剝皮輥旋轉(zhuǎn)方向為逆向，以此避免可能出現(xiàn)的單邊超載情況。其次，上剝皮輥間距約為V形分布剝皮輥的2倍，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)剝皮機對不同形狀規(guī)格的玉米實現(xiàn)剝皮作業(yè)，避免出現(xiàn)漏剝皮現(xiàn)象。剝皮機主要作用機理如圖4所示，三維仿真圖形如圖5所示。

2.3 剝皮過程受力分析

剝皮輥受力分析如圖6所示。由圖6可以看出：玉米穗在雙輥間受到摩擦力作用發(fā)生自轉(zhuǎn)，并伴隨苞葉被送進(jìn)輥凹槽中，苞葉在被嚙合時同苞米分離。

圖4 剝皮機作用機理

圖5 剝皮輥三維造型

圖6 受力分析

由圖6的受力分析可計算摩擦力大小。設(shè)摩擦系數(shù)為f，F(xiàn)a= Naf，F(xiàn)b= Nbf，∑x=0，∑Y=0。列出等式Nbsinβ+Fbcosβ-Fasinθ-Facosθ=0，Nbcosβ+Fbcosθ-Fasinβ-Fasinθ= 0，H=2/3R，cosγ= 0.94，cosφ= 0.94，得出γ=19.59°，φ=56.94，θ=13.59°，β= 52.53°，δ=113.88，Na=0.868Q,Nb=0.257Q，F(xiàn)a=Naf，F(xiàn)b=Nbf。最終得出：Fa=4.55N，F(xiàn)b=1.69N。

苞葉在被嚙合時同苞米分離抓取力F1= 20N，玉米穗在雙輥間受到摩擦力自轉(zhuǎn)過程中受到的撕扯力為力F2= 7N。試驗驗證得出，剝皮過程中扯斷苞皮需要不小于100N的拉扯力，因此F= 7+20+100=127N。

每個軸承受的力為F、Fa、Fb，由此可得單個剝皮輥消耗電功為W1=FV1=1 .57kW，總功率為W=2 W1= 3.14kW。

計算每對齒輪運轉(zhuǎn)時需要的扭力力矩，得出

T=95.5×105p/n=0.46×105N·mm

同皮帶同軸齒輪運轉(zhuǎn)時需要的扭距為D=144mm，T= 1.85×105N·mm。

2.4 料斗改進(jìn)

料斗是玉米剝皮機不可缺少的部件，包括進(jìn)料料斗和出料料斗。進(jìn)料料斗是將待剝皮玉米送進(jìn)剝皮機構(gòu)，因此要求進(jìn)料料斗具有一定傾斜度，使得玉米能夠借助重力在料斗傾斜方向的分力自行滑落至剝皮機構(gòu)。本設(shè)計中，剝皮工作由兩對輥展開，因此在設(shè)計進(jìn)料料斗時考慮使用雙出口結(jié)構(gòu)。玉米自動滑落到剝皮機構(gòu)每次只能有1顆玉米穗執(zhí)行剝皮作業(yè)，因此將出口設(shè)計成和剝皮輥組數(shù)相同的槽形，并在輥上增加壓板，保證玉米在機構(gòu)內(nèi)部平穩(wěn)進(jìn)給而不至于被擠出，具體設(shè)計方案如圖7所示。相對于進(jìn)來料斗，出料斗要求較為簡單，只要能夠保證剝皮后的玉米有效滑落即可。因此，只需在斜度上滿足要求，形狀設(shè)計上較為隨意。出料斗設(shè)計圖如圖8所示。

圖7 進(jìn)料斗

圖8 出料斗

3 試驗設(shè)計

在設(shè)計玉米剝皮及基礎(chǔ)上增加可調(diào)試輥組相對位置方式調(diào)整最佳玉米剝皮效果，并進(jìn)行正交試驗研究，確定最佳剝皮方式及設(shè)計是否合理。

3.1 評價指標(biāo)

結(jié)合國家相關(guān)文件規(guī)定確定，本次試驗研究指標(biāo)為玉米粒損失率SL、玉米粒破碎率ZS、玉米剝皮凈率B。試驗主要對比設(shè)計方案與傳統(tǒng)玉米剝皮機的效果。我國主要玉米剝皮機裝置參數(shù)如表1所示。

表1 我國主要玉米剝皮裝置參數(shù)

因素A設(shè)置為剝皮機內(nèi)部皮輥相對配置方式，結(jié)合市場傳統(tǒng)3種運用最為廣泛的形式，配置如下：第1種為本試驗設(shè)計方案，第2種為帶劃葉器的鑄鐵輥與螺旋橡膠輥，第3種為帶劃葉器的鑄鐵輥與凸棱螺旋橡膠輥。因素B設(shè)置為機構(gòu)運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速的調(diào)換主要通過手動變頻調(diào)速器及HMI結(jié)合控制，除本試驗設(shè)計的350r/min，另外增加兩個對照參數(shù)320r/min及380r/min，即與本試驗設(shè)計參數(shù)公差為±30的一組參數(shù)。

根據(jù)已設(shè)定好的參數(shù)方案，選用三因素三水平展開正交試驗，具體方案表2所示。

表2 正交試驗表

3.2 試驗方法

正交試驗共需要進(jìn)行9組試驗，試驗過程中通過對每個影響因素進(jìn)行調(diào)節(jié)從而得出滿足實際需求的最佳方案。

1)剝皮輥。剝皮輥通過軸承組合成為剝皮工作核心機構(gòu)，相互作用的剝皮輥運行方向相反，確保軸承位置穩(wěn)定，且可更換剝皮輥。

2)轉(zhuǎn)速。電力控制系統(tǒng)由HMI及變頻調(diào)速器組成，只需通過調(diào)節(jié)HMI便可以輸入想要實現(xiàn)的轉(zhuǎn)速。

3)剝皮輥相對位置。通過調(diào)節(jié)連接剝皮輥軸承的機構(gòu)裝置，便能夠?qū)崿F(xiàn)剝皮輥在固定方向滑動；通過剝皮輥組調(diào)節(jié)相對位置，選好相對位置角后進(jìn)行微調(diào)，調(diào)節(jié)完畢后鎖緊相關(guān)機構(gòu)即可。

3.3 試驗步驟

人力將待剝皮玉米隨機放入事先定制的進(jìn)料斗中，事先預(yù)設(shè)玉米剝皮機工作效率為1.5hm2/h，推算玉米剝皮機進(jìn)料速度約為0.33s/個。由于設(shè)計了合理進(jìn)料斗，因此上料人員只需將料斗裝滿即可，省去固定人員上料時間及成本。結(jié)合正交試驗表展開試驗，并在試驗中記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，以此計算各試驗指標(biāo)，如表3、表4所示。

表3 試驗數(shù)據(jù)

表4 試驗指標(biāo) %

3.4 數(shù)據(jù)分析

粒子損失率直觀分析如表5所示。表5中，Kij=1/SKij(S為某一列水平序號為i出現(xiàn)次數(shù))。結(jié)合表格5中數(shù)據(jù)計算T值，T=∑yi(yi為結(jié)果和)，可以得出：平均值為1.64，極差大小順序為RA>RB>RC，即相關(guān)影響因素為剝皮輥的配置方式>剝皮輥轉(zhuǎn)速>剝皮輥相對位置。由于空白列極差等于0.16，因此試驗結(jié)果比較可靠。

粒子損失率的因素與指標(biāo)關(guān)系圖如圖9所示。由圖9可以看出：采用本試驗方案時粒子損失率最低，在轉(zhuǎn)速逐漸下降的時候，粒子損失率會呈現(xiàn)先降低、后提升的狀況，有一個最佳臨界點。由表5可計算出T=1.12，結(jié)果平均值為y=0.36，極差大小順序為RA>RC>RB，剝皮輥的配置方式>剝皮輥相對位置>剝皮輥轉(zhuǎn)速。

表5 粒子損失率直觀分析

圖9 籽粒損失率的因素與指標(biāo)關(guān)系圖

圖10 籽粒破碎率的因素與指標(biāo)關(guān)系圖

籽粒破碎率的因素與指標(biāo)值關(guān)系圖如圖10所示。由圖10可看出：就因素A而言，采用全橡膠雙輥時，籽粒破碎率最低，此方案為最佳;轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，籽粒破碎率并未發(fā)生明顯變化，即轉(zhuǎn)速對時籽粒破碎率影響不大。

4 結(jié)論

本文主要對玉米剝皮機部件進(jìn)行改進(jìn)，確定了玉米剝皮機主要改進(jìn)方式及相關(guān)參數(shù)，并論證了方案可行性。通過對玉米剝皮機部件進(jìn)行改進(jìn)，提升玉米剝皮機工作效率，使結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，更加適用于目前的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

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Abstract： in the north of China, the climate is dry, which is suitable for the cultivation of maize, wheat and other semi dry crops. Corn planting and harvesting are simple and easy, the only more difficult to expand the work is the peeling. Corn peeling machine appears to greatly improve the efficiency of corn peeling. The maize peeling and there are still some drawbacks lead to poor efficiency of peeling, to further enhance the work efficiency of the machine, the need to improve the key parts of corn peeling machine, the corn husker components improved analysis, and develop a three-dimensional simulation.

ID:1003-188X(2017)04-0158-EA

Improved Design and Application of Three Dimensional Simulation of Corn Peeling Machine Parts

Li Shihao， Qi Yingjie

(Pingdingshan Institute of Industry Technology, Pingdingshan 467000，China)

corn peeling machine; peeling roller; 3D simulation

2016-05-19

平頂山市科技攻關(guān)項目(20140329)

李世豪(1981-),女，河南平頂山人，講師，碩士，(E-mail)lishihao0519@163.com。

齊應(yīng)杰(1970-)，男，河南平頂山人，講師，工程碩士。

S226.4

A

1003-188X(2017)04-0158-04