一款鮮食玉米剝皮機的結構設計及應用

王興鵬，張 亮，景 朋，賈 峻

（酒泉奧凱種子機械股份有限公司，甘肅 酒泉 735000）

2010 年，我國鮮食玉米（甜玉米和糯玉米）的種植面積已經超過100 萬公頃。與普通玉米相比，鮮食玉米籽粒更為脆嫩，對剝皮機的要求非常高。鮮食玉米須在采摘后4 h 內進行加工處理， 而剝皮是加工的必經環節，也是最耗費勞動力的環節。調查研究表明， 我國鮮食玉米人工剝皮價格已經從2005 年20元/t 上漲到了2018 年600 元/t。 而且收獲高峰時人工難找，易耽誤后續加工進程，因此，研發出適用于我國鮮食玉米品種的剝皮機已迫在眉睫。

目前， 國際市場上銷售的鮮食玉米剝皮設備主要是美國一家公司的產品，價格較高，但破碎率也較高， 不適用于我國大部分鮮食玉米加工企業產品的生產。

酒泉奧凱種子機械股份有限公司發明的鮮食玉米剝皮機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動的不確定性，經過系統理論計算，有限元分析確定材料屬性， 采用三維運動仿真建模以及高速攝像分析模擬物料運行軌跡等方法， 開展自動分流計量喂料技術，耐磨柔性剝皮技術等關鍵技術的研究，研制多通道低損傷制種玉米果穗剝皮機構、 全自動液壓角度調節機構、全自動擺桿撥料機構等關鍵機構與裝置，特別在橡膠輥入料端加裝環形刀片， 進一步提高剝皮機的剝凈率。優化玉米果穗進入剝皮區的角度，采用振動布料機入料形式，提高喂料的均勻度，減少剝皮過程中的籽粒損傷。 采用復合型橡膠材料的轉輥替代現有的棱形螺旋表面的膠輥， 并增大復合型橡膠材料的表面摩擦力， 減少螺旋棱對玉米籽粒的破損，同時可以提高剝凈率，形成符合甘肅玉米制種農藝特點的制種玉米機械化剝皮設備。

1 主要結構

鮮食玉米剝皮機剝皮系統主要結構包括剝皮輥、傳動系統、潤滑系統、傾角調節系統、電器控制系統、安全防護網等結構組成。鮮食玉米果穗進入剝皮系統后， 通過相向旋轉的螺旋花紋包膠輥的作用下沿著轉輥方向向下移動， 直至鮮食玉米果穗苞葉被剝去并排出機外后完成整個剝皮過程。

1.1 剝皮輥結構

如圖1 所示， 剝皮輥是實現鮮食玉米果穗剝皮的關鍵部件，剝皮輥的材料、結構形式（花紋類型）及排列形式對剝凈率、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、結構形式及排列形式就顯得尤為重要。通過大量研究和實驗，采用耐磨合成橡膠材料的包膠輥可滿足要求， 其優點是表面摩擦力大，剝皮效果較好，剝皮后對籽粒的破損較輕，耐磨性較好，使用壽命長。 包膠輥結構采用螺旋導向型，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個長度不一的螺旋花紋包膠輥組成， 每對剝皮輥形成1個玉米果穗剝皮通道。為了保證生產效率，整機剝皮輥排列形式采用32 組剝皮輥， 形成16個高低成對相向高速旋轉的槽型剝皮通道， 每個剝皮通道的2 組剝皮輥相對轉動進行剝皮作業，包膠輥設計成進料端高、出料端低的狀態，便于玉米果穗邊剝皮邊向下移動，直至玉米果穗苞葉被剝去并排出機外， 而玉米苞葉則從剝皮輥下方掉落，完成整個剝皮過程。

圖1 剝皮輥工作

此外剝皮輥長度、直徑大小、轉速等因素也對剝凈率、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導致籽粒破損率增高。 剝皮輥選擇的直徑在60～80 mm 之間， 有設計選用直徑為70 mm[2]。 通過查閱大量的專利和論文材料得知，目前市場常見機型玉米剝皮輥長度為1 300 mm左右， 在美國使用甜玉米剝皮機輥長約為1 500 mm。 通過大量實驗，針對不同水分及玉米品種的剝皮特性: 玉米果穗在800 mm 剝皮輥內剝凈率為80% ， 在1 000 mm 內剝凈率為90%， 輥長定為1 500 mm 苞葉的剝凈率在95% 以上，故選定剝皮輥長度為1 500 mm。 目前，剝皮裝置需重點研究解決的依然是生產率、苞葉剝凈率及籽粒損失率等問題。通過實驗發現， 剝皮輥傾斜角度的變化將影響剝凈率以及破損率指標。 剝皮輥傾斜角度在5°~6°之間時剝凈率以及破損率指標相對較好， 此時正常工作時每對剝皮輥運行一周， 鮮食玉米果穗向前移動約12 mm。 單對剝皮輥生產率計算公式如下：

式中：Q剝為單對剝皮輥單位時間內剝出玉米果穗的數量， 穗/h；L為果穗最大長度，220 mm；ΔL為果穗間距，50 mm；u為果穗沿剝皮輥的移動速度，mm/min。

果穗沿剝皮輥移動速度計算公式如下：

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

將式（2）代入（1），經計算，Q剝=1 215 穗/h。

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

2.2 剝皮系統傳動機構

剝皮系統傳動機構如圖2 所示。

圖2 剝皮系統傳動機構

選用7.5 kW 電機，1 440 r/min， 剝皮輥轉速具體計算如下：

式中：n電為電機轉速，i1為電機至可調速圓錐齒輪轉向箱傳動比，i2為可調速圓錐齒輪轉向箱傳動比，經過計算，n=420 r/min,針對不同品種、不同水分的鮮食玉米剝皮可采用變頻器調速。

2.3 潤滑系統

潤滑系統如圖3 所示。

圖3 潤滑系統

目前， 剝皮裝置需重點研究解決的依然是生產率、苞葉剝凈率及籽粒損失率等問題。要想提高生產率，可以提高轉速，或者增加剝皮輥的數量，如果增加了剝皮輥的數量，則剝皮裝置的可靠性就會降低，同時也將影響整機的剝凈率。 因此在滿足生產率的情況下如何保證整機運行的可靠性， 就顯得尤為關鍵，結合本機剝皮系統運行的結構和原理，加入甘油潤滑系統，該系統主要由電動干油潤滑泵、遞進式分配器、管線及接頭等組成，自動化程度高。 電動潤滑泵由交流電機驅動，經過擺線針輪減速后，待定凸輪旋轉， 凸輪機構將電機的旋轉運動轉化為柱塞的往復運動，柱塞的往復實現吸油及壓油的過程，從而使油脂源源不斷地從泵出口流出進入遞進式分配器。遞進式分配器的工作循環順序，是按遞進式動作的。遞進式是指各個工作片的柱塞副在緊跟著上一片循環動作之后，各自工作完成自己的柱塞行程，把定量的潤滑劑輸送到潤滑點。 只要有壓力的潤滑劑供給首片， 分配器的工作片就會以遞進式的方式連續運行，并以恒定的排量注油。一旦供給的壓力潤滑劑流動停止了，分配器的工作片中柱塞也就停止運動。當具有壓力的潤滑劑重新開始流動時， 分配器的工作片會在同一點再開始它的注油循環動作。

所有轉動件軸承都采用滑動軸承， 并配備一套先進的潤滑系統，該系列潤滑泵為電動高壓柱塞式。工作壓力在公稱壓力范圍內可任意調整。 儲油桶有油位自動報警裝置，潤滑泵配備電氣控制箱能實現集中潤滑系統全自動控制，并對系統實現監控。

2.4 傾角調節系統

剝皮器傾角調節系統采用液壓升降系統配合滾動機構，調整范圍0°~6°可隨時根據玉米果穗籽粒水分高低以及玉米品種調整生產量及剝凈率。

2.5 電器控制系統

整機電氣控制系統采用PLC 作為核心控制元件，所有工作過程通過PLC 控制，工作過程穩定，操作簡單。操作過程主要有電子互鎖關閉和電子互鎖開啟兩種方式，分別滿足調試和正常運行的兩種工作的狀態。

3 工作原理

該鮮食玉米果穗剝皮機采用復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，使相對旋轉的一對輥子抓取并剝掉在其上運動的果穗的苞皮同時把苞皮和莖葉混合物拉曳到輥下實現果穗苞葉的去除。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，適當的轉速以及傾斜角度。在保證破損率的同時還要兼顧生產率和剝凈率。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速就顯得尤為重要。 通過不斷實驗，剝皮輥轉速在350~500 r/min 的范圍內針對不同水分、不同玉米品種果穗剝皮效果相對較好，在實際使用過程中可通過變頻器調速。

4 不同條件對剝皮質量的影響

剝皮機剝皮質量與包膠輥硬度、 包膠輥凸起部分與基面連接曲面、 設備加工精度以及安裝精度等因素密切相關。 表1 為不同因素對剝皮質量的影響結果。

表1 不同因素對剝皮質量的影響

通過實驗發現， 包膠輥的長度與剝凈率有很大關系，剝皮輥越長，剝凈率越高，但破損率也同時上升。 90%的鮮食玉米果穗苞葉在包膠輥前1 m 范圍內被剝掉。所以包膠輥不易過長。剝皮輥的直徑應不使最小直徑的果穗受擠壓和被抓取為準， 在大于物料直徑適當值時為最佳。

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

5 結論

通過對剝皮輥硬度、剝皮輥轉速、剝皮輥直徑、剝皮輥截面幾何尺寸、 剝皮輥材質等方面對鮮食玉米果穗剝皮效果進行研究， 最終確定了剝皮機的結構功能參數。

針對目前鮮食玉米剝皮機存在的問題， 重點對易剝鮮食玉米品種進行實驗，達到預期的目的。

該機器的研發能夠徹底解決鮮食玉米加工中的剝皮難題。 該設備可適應玉米籽粒含水率介于58%~73%間的物料，對脆嫩易剝的鮮食玉米籽粒品種的破損率＜5%，剝凈率＞90%，解決了中國鮮食玉米果穗剝皮技術的難題。