秦 琪

(咸陽師范學院，陜西 咸陽 712025)

0 引言

玉米是三大主要糧食作物，也是世界范圍種植廣泛的糧食作物之一，我國對于玉米的栽培具有悠久的歷史。近年來，我國的玉米產出持續(xù)增加，2020年以來，我國的年均玉米產量在2.6億t左右，約占世界玉米產量的23%。中國玉米的種植范圍廣，要實現(xiàn)高質量的玉米生產，除依靠優(yōu)良品種和先進農藝技術外，農業(yè)機械化在玉米的耕種收及后期處理上也發(fā)揮著重要作用。玉米收獲機是用于玉米成熟后收獲的先進機械，隨著技術的發(fā)展，現(xiàn)代化的玉米收獲機逐漸向功能集成化發(fā)展，其作業(yè)過程能夠實現(xiàn)對玉米的秸稈割斷、摘穗、剝皮、秸稈處理等多種工序，具有顯著的高效率特點。

剝皮裝置作為玉米收獲機的重要功能部件，承擔著去除玉米果穗苞葉的重要工作，其與玉米收獲機的其他功能部件相配合，使機械收獲的玉米實現(xiàn)高效、高質量地苞葉去除，有利于收獲后玉米的儲存，并降低農民的勞動強度。一直以來，我國自主研發(fā)和生產的玉米收獲機過于重視摘穗技術，對于剝皮裝置的研究不夠深入，常在剝皮過程出現(xiàn)苞葉去除不凈、果穗損傷等問題，對玉米的總體收獲質量造成了影響。

1 技術研究與應用情況

早在20世紀初期，美國、加拿大等西方國家就將剝皮裝置應用于玉米的田間機械化收獲作業(yè)，我國對于玉米收獲機剝皮裝置的研究起始于20世紀50年代，隨著我國農業(yè)機械化的持續(xù)發(fā)展，玉米收獲機產品也趨于成熟化與先進化，具有了顯著的本土產業(yè)技術特點，且逐漸與國際技術接軌?，F(xiàn)階段，我國農業(yè)生產中應用的玉米收獲機根據結構特征主要包括自走式機型和背負式機型兩種，越來越多的玉米收獲機配備了剝皮裝置，剝皮功能與剝皮質量也成為了農民選購玉米收獲機的重要參考依據[1]。

為進一步提升剝皮裝置在玉米收獲過程的適用性，我國針對玉米收獲機剝皮裝置的相關技術展開大量研究，為剝皮裝置技術升級和結構優(yōu)化創(chuàng)造了有利條件。曾東[2]研制了一款玉米剝皮試驗臺，用以提升玉米剝皮機的合理性，明確了玉米剝皮裝置的工作原理，說明了剝皮機性能不穩(wěn)定的常見因素，設計了剝皮輥轉速和壓送器轉速的電動可調節(jié)，能夠通過實驗驗證不同玉米的最佳剝皮參數(shù)，能夠模擬玉米收獲機剝皮裝置在實際生產作業(yè)過程中的工作狀態(tài)，有效提升玉米剝皮裝置研發(fā)的合理性。馬健飛[3]設計了一款結構與功能更合理的玉米收獲機剝皮裝置，基于矛盾矩陣設計了關鍵部件，并對各個部件進行了ANSYS/LS-DYNA動力學分析，得出果穗平均運動速度、果穗繞自身軸線的角速度、果穗所受到的最大力等多個指標的最佳參數(shù)組合，對傳統(tǒng)玉米剝皮裝置進行了技術與結構升級，所設計的剝皮裝置實現(xiàn)了苞葉平均剝凈率89.63%、籽粒平均損失率1.37%、籽粒平均破損率0.39%的良好性能?；艉轾i[4]對于剝皮裝置的苞葉剝離機理展開研究，明確了剝皮輥各參數(shù)與剝皮質量之間的影響關系，利用ADAMS設定剝離輥參數(shù)，并利用ANSYS軟件進行仿真和優(yōu)化，明確了玉米剝皮裝置最常見的三項性能指標，為剝皮裝置的技術升級和剝皮機理的深入研究創(chuàng)造了良好條件。

2 剝皮裝置的工藝分析

2.1 結構與組成

玉米收獲機剝皮裝置主要包括剝皮輥、傳動裝置、壓送裝置、架體等組成，其中剝皮輥成對使用，布置形式如圖1所示。剝皮輥作為剝皮機的主要工作部件，多布置在剝皮機的垂直中心偏上位置，呈前高后低的傾斜裝配；壓送裝置安裝于剝皮輥上方，剝皮裝置能夠將玉米果穗壓緊到剝皮輥的表面[5]。剝皮裝置的運轉動力來自于收獲機的發(fā)動機，通過傳動結構的設計實現(xiàn)對剝皮輥的驅動。

1.架體；2.壓送裝置；3.剝皮輥；4.傳動裝置

根據剝皮輥布置形式的不同，可分為平置式、角置式、槽置式三種類型，部分先進機型還向新型布置方式展開研發(fā)，從現(xiàn)階段的三種常見布置形式看，其分別具有如下特點。平置式布局的結構最為簡單，如圖2(a)，剝皮過程不易造成果穗啃食損傷，不易產生掉粒，生產加工成本低，調整更換更為容易，但該結構對較多量玉米的剝皮作業(yè)效果不理想，存在剝皮不凈問題；角置式布局相對于平置式能夠在空間上加大與玉米的接觸面積，如圖2(b)，同時，玉米在自身重力作用下進入溝槽內，有利于剝皮輥相對轉動時高效率拉扯去除果皮，但該結構存在反向旋轉兩剝皮輥位置的果穗剝皮不凈問題；槽置式布局是在角置式布局的基礎上進行的優(yōu)化，槽置式與角置式相比，每組有兩條有效剝皮間隙，如圖2(c)，高處位置兩相鄰輥是反向旋轉，有利于提高玉米果穗分布的均勻性，能夠保證絕大部分玉米果穗得到有效的剝皮，槽置式布局是現(xiàn)階段剝皮質量和穩(wěn)定性較好的結構，但也存在對含水率較高玉米破損率高，對含水率較低玉米籽粒損失率偏高問題。

圖2 剝皮輥3種布置形式

2.2 工作原理與過程

剝皮輥是去除玉米果穗苞葉的主要工作部件，其主要通過在旋轉過程與果穗苞葉之間產生的摩擦力和拉扯力去除苞葉。玉米果穗在剝皮輥上所受到的作用力主要包括：剝皮輥表面產生的摩擦力、剝皮輥凸起結構產生的沖擊力、兩剝皮輥配合間隙產生的擠壓拉扯力。當玉米果穗進入剝皮裝置后，會隨著剝皮輥的旋轉而轉動，兩個剝皮輥組成一個工作單元，整個剝皮裝置由多個工作單元組成。

在利用剝皮裝置去除苞葉的過程中，單個帶苞葉的玉米果穗大體經過以下四個工作階段。1)苞葉疏松與抓取。在快速轉動的一組剝皮輥上，玉米果穗也會產生轉動，此時受到果穗自身重力和壓板壓力的共同作用，果穗與剝皮輥產生一定的摩擦力和沖擊力，苞葉逐漸變得疏松并被剝皮輥的間隙抓取。2)苞葉夾持與拉扯。隨著剝皮輥的旋轉，苞葉被夾持在兩個剝皮輥的配合間隙內，并隨著旋轉過程而被拉扯，使最外部的苞葉向剝皮輥的下方運動而與玉米果穗逐漸分離。3)苞葉去除。隨著剝皮輥夾持與拉扯力的逐漸增大，苞葉在果穗的根部被拉斷，實現(xiàn)苞葉與果穗的分離，由于果穗在剝皮裝置內部持續(xù)旋轉，果穗苞葉由外至內會被依次剝離并去除，實現(xiàn)完全的苞葉去除。4)后續(xù)處理。分離后的玉米果穗受到剝皮輥傾斜布置的作用力影響，逐漸向下運動進入輸送裝置，苞葉被剝離后進入振動篩將剝皮過程掉落的籽粒與苞葉分離，苞葉被排出，籽粒被集中收集[6]。

3 剝皮裝置存在的技術問題

3.1 適用性問題

現(xiàn)階段使用的剝皮裝置存在一定的適用性不足問題，表現(xiàn)在其只針對一定范圍的玉米品種的植株特性表現(xiàn)出良好的適用性，當玉米果穗存在濕度過大、過于干燥、苞葉過緊等情況時，表現(xiàn)出剝皮效率和質量降低，導致剝皮質量因品種不同而出現(xiàn)差異性。

3.2 損失率問題

在大部分玉米果穗剝皮過程中均或多或少地出現(xiàn)糧食損失問題，表現(xiàn)為籽粒掉落、果穗啃食等，這與剝皮輥的材料選擇、結構設計直接相關，如何在提高剝凈率的同時降低糧食損失，也成為技術優(yōu)化的重要方向。

3.3 可靠性問題

在農業(yè)生產實際應用過程中，剝皮裝置長時間使用過程中可能出現(xiàn)以下功能性問題：1)剝皮輥磨損；2)剝皮輥纏繞雜草；3)傳動齒輪損壞；4)剝皮輥配合間隙變大；5)果穗堆積無法排出。導致剝皮裝置使用過程的故障率增加，使用體驗相對降低。

3.4 便捷性問題

使用過程中不可避免的要根據玉米果穗的特性差異對剝皮輥間隙、壓送壓力等進行調整，由于剝皮裝置的結構相對復雜，在收獲機上的安裝位置較高，存在使用調整難度大、周期長問題，在一定程度影響使用效率。

4 性能提升的途徑與思路

4.1 剝皮輥的技術優(yōu)化

剝皮輥的安裝結構和材料選擇決定了剝皮輥的剝皮能力，剝皮輥的技術優(yōu)化主要應從以下幾方面考慮。

4.1.1 改良剝皮輥的表面性能

剝皮輥表面的摩擦力決定了其苞葉去除能力，但表面摩擦力過大會造成籽粒損失增加，此時可考慮采用復合型材料的剝皮輥，可考慮剝皮輥上半部位置以大摩擦力的橡膠、金屬紋理、凸釘?shù)冉M成，以提高剝皮能力，下半部尤其是尾部采用平滑紋理的金屬材料制造，使后半部保留一定剝皮能力的同時對于剝凈后的果穗減少摩擦力，降低損失。

4.1.2 改良剝皮輥安裝結構

傳統(tǒng)的槽型布局仍存在一定概率導致局部位置的果穗苞葉無法完全去除，例如下方兩相反旋轉的摘穗輥，則為常見的剝凈盲區(qū)?？煽紤]設計變形槽型布局結構，使下方兩個剝皮輥存在一定高度差，降低玉米果穗在中間停留而無法剝皮的概率[7]。

4.2 壓送裝置的技術優(yōu)化

壓送裝置的技術優(yōu)化主要應從兩方面考慮：1)改良壓送結構，傳統(tǒng)的壓送裝置采用壓板或膠皮壓送輪，近年來，壓板的結構逐漸被淘汰，膠皮壓送輪應用量增加，但我國自主機型的壓送輪結構形式單一，其作用主要是增加壓力，對于玉米的均布作用較小，因此應考慮設計兩種或兩種以上的壓送輪，既實現(xiàn)增加壓力，還有助于玉米果穗的均布；2)優(yōu)化壓送裝置的調整便捷性，積極引入電控技術，實現(xiàn)各個位置的壓送壓力聯(lián)動調節(jié)，有效降低壓送裝置調整復雜性。

5 結語

綜上所述，剝皮裝置已成為玉米收獲機的重要功能裝置，其技術升級對于提升玉米收獲機的整體作業(yè)質量意義重大，有利于保證玉米更好的收獲品質，剝皮裝置的進一步升級也應重視與電控技術的深度融合，在機械結構優(yōu)化的同時，提升裝置的自動化程度，全面提升機具使用體驗。