王興鵬，張 亮，景 朋，賈 峻

（酒泉奧凱種子機(jī)械股份有限公司，甘肅 酒泉 735000）

2010 年，我國(guó)鮮食玉米（甜玉米和糯玉米）的種植面積已經(jīng)超過100 萬公頃。與普通玉米相比，鮮食玉米籽粒更為脆嫩，對(duì)剝皮機(jī)的要求非常高。鮮食玉米須在采摘后4 h 內(nèi)進(jìn)行加工處理， 而剝皮是加工的必經(jīng)環(huán)節(jié)，也是最耗費(fèi)勞動(dòng)力的環(huán)節(jié)。調(diào)查研究表明， 我國(guó)鮮食玉米人工剝皮價(jià)格已經(jīng)從2005 年20元/t 上漲到了2018 年600 元/t。 而且收獲高峰時(shí)人工難找，易耽誤后續(xù)加工進(jìn)程，因此，研發(fā)出適用于我國(guó)鮮食玉米品種的剝皮機(jī)已迫在眉睫。

目前， 國(guó)際市場(chǎng)上銷售的鮮食玉米剝皮設(shè)備主要是美國(guó)一家公司的產(chǎn)品，價(jià)格較高，但破碎率也較高， 不適用于我國(guó)大部分鮮食玉米加工企業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)。

酒泉奧凱種子機(jī)械股份有限公司發(fā)明的鮮食玉米剝皮機(jī)可用于鮮食玉米剝皮， 通過研究制種玉米的剝皮特性及加工需求以及剝皮過程中物料運(yùn)動(dòng)的不確定性，經(jīng)過系統(tǒng)理論計(jì)算，有限元分析確定材料屬性， 采用三維運(yùn)動(dòng)仿真建模以及高速攝像分析模擬物料運(yùn)行軌跡等方法， 開展自動(dòng)分流計(jì)量喂料技術(shù)，耐磨柔性剝皮技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的研究，研制多通道低損傷制種玉米果穗剝皮機(jī)構(gòu)、 全自動(dòng)液壓角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、全自動(dòng)擺桿撥料機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵機(jī)構(gòu)與裝置，特別在橡膠輥入料端加裝環(huán)形刀片， 進(jìn)一步提高剝皮機(jī)的剝凈率。優(yōu)化玉米果穗進(jìn)入剝皮區(qū)的角度，采用振動(dòng)布料機(jī)入料形式，提高喂料的均勻度，減少剝皮過程中的籽粒損傷。 采用復(fù)合型橡膠材料的轉(zhuǎn)輥替代現(xiàn)有的棱形螺旋表面的膠輥， 并增大復(fù)合型橡膠材料的表面摩擦力， 減少螺旋棱對(duì)玉米籽粒的破損，同時(shí)可以提高剝凈率，形成符合甘肅玉米制種農(nóng)藝特點(diǎn)的制種玉米機(jī)械化剝皮設(shè)備。

1 主要結(jié)構(gòu)

鮮食玉米剝皮機(jī)剝皮系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)包括剝皮輥、傳動(dòng)系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、傾角調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電器控制系統(tǒng)、安全防護(hù)網(wǎng)等結(jié)構(gòu)組成。鮮食玉米果穗進(jìn)入剝皮系統(tǒng)后， 通過相向旋轉(zhuǎn)的螺旋花紋包膠輥的作用下沿著轉(zhuǎn)輥方向向下移動(dòng)， 直至鮮食玉米果穗苞葉被剝?nèi)ゲ⑴懦鰴C(jī)外后完成整個(gè)剝皮過程。

1.1 剝皮輥結(jié)構(gòu)

如圖1 所示， 剝皮輥是實(shí)現(xiàn)鮮食玉米果穗剝皮的關(guān)鍵部件，剝皮輥的材料、結(jié)構(gòu)形式（花紋類型）及排列形式對(duì)剝凈率、籽粒破損率都有較大的影響。剝皮輥性能的好壞直接影響玉米果穗剝凈率和籽粒破損率的高低，因此選擇合理的柔性材料、結(jié)構(gòu)形式及排列形式就顯得尤為重要。通過大量研究和實(shí)驗(yàn)，采用耐磨合成橡膠材料的包膠輥可滿足要求， 其優(yōu)點(diǎn)是表面摩擦力大，剝皮效果較好，剝皮后對(duì)籽粒的破損較輕，耐磨性較好，使用壽命長(zhǎng)。 包膠輥結(jié)構(gòu)采用螺旋導(dǎo)向型，保證每組剝皮輥有效嚙合，通過剝皮輥表面螺旋狀凸起部分將玉米果穗的苞葉碾住撕開，使之與果穗分離，整個(gè)剝皮過程安全、可靠且不傷籽粒。 每根剝皮輥有一根芯軸和4個(gè)長(zhǎng)度不一的螺旋花紋包膠輥組成， 每對(duì)剝皮輥形成1個(gè)玉米果穗剝皮通道。為了保證生產(chǎn)效率，整機(jī)剝皮輥排列形式采用32 組剝皮輥， 形成16個(gè)高低成對(duì)相向高速旋轉(zhuǎn)的槽型剝皮通道， 每個(gè)剝皮通道的2 組剝皮輥相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行剝皮作業(yè)，包膠輥設(shè)計(jì)成進(jìn)料端高、出料端低的狀態(tài)，便于玉米果穗邊剝皮邊向下移動(dòng)，直至玉米果穗苞葉被剝?nèi)ゲ⑴懦鰴C(jī)外， 而玉米苞葉則從剝皮輥下方掉落，完成整個(gè)剝皮過程。

圖1 剝皮輥工作

此外剝皮輥長(zhǎng)度、直徑大小、轉(zhuǎn)速等因素也對(duì)剝凈率、籽粒破損率有影響。通過分析剝皮輥的工作原理得知: 剝皮輥的直徑增大， 剝皮輥與果穗的接觸面積也隨之增大，摩擦力也就越大，剝皮效果越好;但剝皮輥的直徑過大又會(huì)導(dǎo)致籽粒破損率增高。 剝皮輥選擇的直徑在60～80 mm 之間， 有設(shè)計(jì)選用直徑為70 mm[2]。 通過查閱大量的專利和論文材料得知，目前市場(chǎng)常見機(jī)型玉米剝皮輥長(zhǎng)度為1 300 mm左右， 在美國(guó)使用甜玉米剝皮機(jī)輥長(zhǎng)約為1 500 mm。 通過大量實(shí)驗(yàn)，針對(duì)不同水分及玉米品種的剝皮特性: 玉米果穗在800 mm 剝皮輥內(nèi)剝凈率為80% ， 在1 000 mm 內(nèi)剝凈率為90%， 輥長(zhǎng)定為1 500 mm 苞葉的剝凈率在95% 以上，故選定剝皮輥長(zhǎng)度為1 500 mm。 目前，剝皮裝置需重點(diǎn)研究解決的依然是生產(chǎn)率、苞葉剝凈率及籽粒損失率等問題。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 剝皮輥傾斜角度的變化將影響剝凈率以及破損率指標(biāo)。 剝皮輥傾斜角度在5°~6°之間時(shí)剝凈率以及破損率指標(biāo)相對(duì)較好， 此時(shí)正常工作時(shí)每對(duì)剝皮輥運(yùn)行一周， 鮮食玉米果穗向前移動(dòng)約12 mm。 單對(duì)剝皮輥生產(chǎn)率計(jì)算公式如下：

式中：Q剝?yōu)閱螌?duì)剝皮輥單位時(shí)間內(nèi)剝出玉米果穗的數(shù)量， 穗/h；L為果穗最大長(zhǎng)度，220 mm；ΔL為果穗間距，50 mm；u為果穗沿剝皮輥的移動(dòng)速度，mm/min。

果穗沿剝皮輥移動(dòng)速度計(jì)算公式如下：

式中：L為剝皮輥運(yùn)行一周，玉米果穗向前方移動(dòng)的距離，約11 mm（平均數(shù)），n為剝皮輥轉(zhuǎn)速，mm/min。

將式（2）代入（1），經(jīng)計(jì)算，Q剝=1 215 穗/h。

由于采用機(jī)械布料，玉米果穗間距存在偏差，所以每個(gè)通道正常生產(chǎn)率為1 146~1 375 穗/h,16個(gè)通道生產(chǎn)率為18 336~22 000 穗/h。

2.2 剝皮系統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

剝皮系統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 剝皮系統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

選用7.5 kW 電機(jī)，1 440 r/min， 剝皮輥轉(zhuǎn)速具體計(jì)算如下：

式中：n電為電機(jī)轉(zhuǎn)速，i1為電機(jī)至可調(diào)速圓錐齒輪轉(zhuǎn)向箱傳動(dòng)比，i2為可調(diào)速圓錐齒輪轉(zhuǎn)向箱傳動(dòng)比，經(jīng)過計(jì)算，n=420 r/min,針對(duì)不同品種、不同水分的鮮食玉米剝皮可采用變頻器調(diào)速。

2.3 潤(rùn)滑系統(tǒng)

潤(rùn)滑系統(tǒng)如圖3 所示。

圖3 潤(rùn)滑系統(tǒng)

目前， 剝皮裝置需重點(diǎn)研究解決的依然是生產(chǎn)率、苞葉剝凈率及籽粒損失率等問題。要想提高生產(chǎn)率，可以提高轉(zhuǎn)速，或者增加剝皮輥的數(shù)量，如果增加了剝皮輥的數(shù)量，則剝皮裝置的可靠性就會(huì)降低，同時(shí)也將影響整機(jī)的剝凈率。 因此在滿足生產(chǎn)率的情況下如何保證整機(jī)運(yùn)行的可靠性， 就顯得尤為關(guān)鍵，結(jié)合本機(jī)剝皮系統(tǒng)運(yùn)行的結(jié)構(gòu)和原理，加入甘油潤(rùn)滑系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由電動(dòng)干油潤(rùn)滑泵、遞進(jìn)式分配器、管線及接頭等組成，自動(dòng)化程度高。 電動(dòng)潤(rùn)滑泵由交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過擺線針輪減速后，待定凸輪旋轉(zhuǎn)， 凸輪機(jī)構(gòu)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，柱塞的往復(fù)實(shí)現(xiàn)吸油及壓油的過程，從而使油脂源源不斷地從泵出口流出進(jìn)入遞進(jìn)式分配器。遞進(jìn)式分配器的工作循環(huán)順序，是按遞進(jìn)式動(dòng)作的。遞進(jìn)式是指各個(gè)工作片的柱塞副在緊跟著上一片循環(huán)動(dòng)作之后，各自工作完成自己的柱塞行程，把定量的潤(rùn)滑劑輸送到潤(rùn)滑點(diǎn)。 只要有壓力的潤(rùn)滑劑供給首片， 分配器的工作片就會(huì)以遞進(jìn)式的方式連續(xù)運(yùn)行，并以恒定的排量注油。一旦供給的壓力潤(rùn)滑劑流動(dòng)停止了，分配器的工作片中柱塞也就停止運(yùn)動(dòng)。當(dāng)具有壓力的潤(rùn)滑劑重新開始流動(dòng)時(shí)， 分配器的工作片會(huì)在同一點(diǎn)再開始它的注油循環(huán)動(dòng)作。

所有轉(zhuǎn)動(dòng)件軸承都采用滑動(dòng)軸承， 并配備一套先進(jìn)的潤(rùn)滑系統(tǒng)，該系列潤(rùn)滑泵為電動(dòng)高壓柱塞式。工作壓力在公稱壓力范圍內(nèi)可任意調(diào)整。 儲(chǔ)油桶有油位自動(dòng)報(bào)警裝置，潤(rùn)滑泵配備電氣控制箱能實(shí)現(xiàn)集中潤(rùn)滑系統(tǒng)全自動(dòng)控制，并對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。

2.4 傾角調(diào)節(jié)系統(tǒng)

剝皮器傾角調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用液壓升降系統(tǒng)配合滾動(dòng)機(jī)構(gòu)，調(diào)整范圍0°~6°可隨時(shí)根據(jù)玉米果穗籽粒水分高低以及玉米品種調(diào)整生產(chǎn)量及剝凈率。

2.5 電器控制系統(tǒng)

整機(jī)電氣控制系統(tǒng)采用PLC 作為核心控制元件，所有工作過程通過PLC 控制，工作過程穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單。操作過程主要有電子互鎖關(guān)閉和電子互鎖開啟兩種方式，分別滿足調(diào)試和正常運(yùn)行的兩種工作的狀態(tài)。

3 工作原理

該鮮食玉米果穗剝皮機(jī)采用復(fù)合型橡膠材料的螺旋花紋包膠輥，其作用是清除莖葉混合物和剝掉果穗苞皮，其原理是利用摩擦剝皮原理，使相對(duì)旋轉(zhuǎn)的一對(duì)輥?zhàn)幼ト〔兊粼谄渖线\(yùn)動(dòng)的果穗的苞皮同時(shí)把苞皮和莖葉混合物拉曳到輥下實(shí)現(xiàn)果穗苞葉的去除。包膠輥上配有螺旋花紋，正、反包膠輥采用凹凸螺旋花紋嚙合，配合緊密[3]。

由于鮮食玉米水分偏高，玉米籽粒很容易造成破碎，因此必須選擇合適的包膠輥材質(zhì)，適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速以及傾斜角度。在保證破損率的同時(shí)還要兼顧生產(chǎn)率和剝凈率。此外，玉米在不同的成熟周期，玉米果穗苞葉的松緊程度不同，造成剝凈率差和破損率差異較大，選擇合適的剝皮輥轉(zhuǎn)速就顯得尤為重要。 通過不斷實(shí)驗(yàn)，剝皮輥轉(zhuǎn)速在350~500 r/min 的范圍內(nèi)針對(duì)不同水分、不同玉米品種果穗剝皮效果相對(duì)較好，在實(shí)際使用過程中可通過變頻器調(diào)速。

4 不同條件對(duì)剝皮質(zhì)量的影響

剝皮機(jī)剝皮質(zhì)量與包膠輥硬度、 包膠輥凸起部分與基面連接曲面、 設(shè)備加工精度以及安裝精度等因素密切相關(guān)。 表1 為不同因素對(duì)剝皮質(zhì)量的影響結(jié)果。

表1 不同因素對(duì)剝皮質(zhì)量的影響

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 包膠輥的長(zhǎng)度與剝凈率有很大關(guān)系，剝皮輥越長(zhǎng)，剝凈率越高，但破損率也同時(shí)上升。 90%的鮮食玉米果穗苞葉在包膠輥前1 m 范圍內(nèi)被剝掉。所以包膠輥不易過長(zhǎng)。剝皮輥的直徑應(yīng)不使最小直徑的果穗受擠壓和被抓取為準(zhǔn)， 在大于物料直徑適當(dāng)值時(shí)為最佳。

包膠輥的表面必須配有花紋， 花紋有以下3個(gè)作用：①增加與果穗的摩擦力；②促使果穗向下方移動(dòng)；③花紋可以使膠輥嚙合緊密。

5 結(jié)論

通過對(duì)剝皮輥硬度、剝皮輥轉(zhuǎn)速、剝皮輥直徑、剝皮輥截面幾何尺寸、 剝皮輥材質(zhì)等方面對(duì)鮮食玉米果穗剝皮效果進(jìn)行研究， 最終確定了剝皮機(jī)的結(jié)構(gòu)功能參數(shù)。

針對(duì)目前鮮食玉米剝皮機(jī)存在的問題， 重點(diǎn)對(duì)易剝鮮食玉米品種進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，達(dá)到預(yù)期的目的。

該機(jī)器的研發(fā)能夠徹底解決鮮食玉米加工中的剝皮難題。 該設(shè)備可適應(yīng)玉米籽粒含水率介于58%~73%間的物料，對(duì)脆嫩易剝的鮮食玉米籽粒品種的破損率＜5%，剝凈率＞90%，解決了中國(guó)鮮食玉米果穗剝皮技術(shù)的難題。