一款鲜食玉米剥皮机的结构设计及应用

王兴鹏，张 亮，景 朋，贾 峻

（酒泉奥凯种子机械股份有限公司，甘肃 酒泉 735000）

2010 年，我国鲜食玉米（甜玉米和糯玉米）的种植面积已经超过100 万公顷。与普通玉米相比，鲜食玉米籽粒更为脆嫩，对剥皮机的要求非常高。鲜食玉米须在采摘后4 h 内进行加工处理， 而剥皮是加工的必经环节，也是最耗费劳动力的环节。调查研究表明， 我国鲜食玉米人工剥皮价格已经从2005 年20元/t 上涨到了2018 年600 元/t。 而且收获高峰时人工难找，易耽误后续加工进程，因此，研发出适用于我国鲜食玉米品种的剥皮机已迫在眉睫。

目前， 国际市场上销售的鲜食玉米剥皮设备主要是美国一家公司的产品，价格较高，但破碎率也较高， 不适用于我国大部分鲜食玉米加工企业产品的生产。

酒泉奥凯种子机械股份有限公司发明的鲜食玉米剥皮机可用于鲜食玉米剥皮， 通过研究制种玉米的剥皮特性及加工需求以及剥皮过程中物料运动的不确定性，经过系统理论计算，有限元分析确定材料属性， 采用三维运动仿真建模以及高速摄像分析模拟物料运行轨迹等方法， 开展自动分流计量喂料技术，耐磨柔性剥皮技术等关键技术的研究，研制多通道低损伤制种玉米果穗剥皮机构、 全自动液压角度调节机构、全自动摆杆拨料机构等关键机构与装置，特别在橡胶辊入料端加装环形刀片， 进一步提高剥皮机的剥净率。优化玉米果穗进入剥皮区的角度，采用振动布料机入料形式，提高喂料的均匀度，减少剥皮过程中的籽粒损伤。 采用复合型橡胶材料的转辊替代现有的棱形螺旋表面的胶辊， 并增大复合型橡胶材料的表面摩擦力， 减少螺旋棱对玉米籽粒的破损，同时可以提高剥净率，形成符合甘肃玉米制种农艺特点的制种玉米机械化剥皮设备。

1 主要结构

鲜食玉米剥皮机剥皮系统主要结构包括剥皮辊、传动系统、润滑系统、倾角调节系统、电器控制系统、安全防护网等结构组成。鲜食玉米果穗进入剥皮系统后， 通过相向旋转的螺旋花纹包胶辊的作用下沿着转辊方向向下移动， 直至鲜食玉米果穗苞叶被剥去并排出机外后完成整个剥皮过程。

1.1 剥皮辊结构

如图1 所示， 剥皮辊是实现鲜食玉米果穗剥皮的关键部件，剥皮辊的材料、结构形式（花纹类型）及排列形式对剥净率、籽粒破损率都有较大的影响。剥皮辊性能的好坏直接影响玉米果穗剥净率和籽粒破损率的高低，因此选择合理的柔性材料、结构形式及排列形式就显得尤为重要。通过大量研究和实验，采用耐磨合成橡胶材料的包胶辊可满足要求， 其优点是表面摩擦力大，剥皮效果较好，剥皮后对籽粒的破损较轻，耐磨性较好，使用寿命长。 包胶辊结构采用螺旋导向型，保证每组剥皮辊有效啮合，通过剥皮辊表面螺旋状凸起部分将玉米果穗的苞叶碾住撕开，使之与果穗分离，整个剥皮过程安全、可靠且不伤籽粒。 每根剥皮辊有一根芯轴和4个长度不一的螺旋花纹包胶辊组成， 每对剥皮辊形成1个玉米果穗剥皮通道。为了保证生产效率，整机剥皮辊排列形式采用32 组剥皮辊， 形成16个高低成对相向高速旋转的槽型剥皮通道， 每个剥皮通道的2 组剥皮辊相对转动进行剥皮作业，包胶辊设计成进料端高、出料端低的状态，便于玉米果穗边剥皮边向下移动，直至玉米果穗苞叶被剥去并排出机外， 而玉米苞叶则从剥皮辊下方掉落，完成整个剥皮过程。

图1 剥皮辊工作

此外剥皮辊长度、直径大小、转速等因素也对剥净率、籽粒破损率有影响。通过分析剥皮辊的工作原理得知: 剥皮辊的直径增大， 剥皮辊与果穗的接触面积也随之增大，摩擦力也就越大，剥皮效果越好;但剥皮辊的直径过大又会导致籽粒破损率增高。 剥皮辊选择的直径在60～80 mm 之间， 有设计选用直径为70 mm[2]。 通过查阅大量的专利和论文材料得知，目前市场常见机型玉米剥皮辊长度为1 300 mm左右， 在美国使用甜玉米剥皮机辊长约为1 500 mm。 通过大量实验，针对不同水分及玉米品种的剥皮特性: 玉米果穗在800 mm 剥皮辊内剥净率为80% ， 在1 000 mm 内剥净率为90%， 辊长定为1 500 mm 苞叶的剥净率在95% 以上，故选定剥皮辊长度为1 500 mm。 目前，剥皮装置需重点研究解决的依然是生产率、苞叶剥净率及籽粒损失率等问题。通过实验发现， 剥皮辊倾斜角度的变化将影响剥净率以及破损率指标。 剥皮辊倾斜角度在5°~6°之间时剥净率以及破损率指标相对较好， 此时正常工作时每对剥皮辊运行一周， 鲜食玉米果穗向前移动约12 mm。 单对剥皮辊生产率计算公式如下：

式中：Q剥为单对剥皮辊单位时间内剥出玉米果穗的数量， 穗/h；L为果穗最大长度，220 mm；ΔL为果穗间距，50 mm；u为果穗沿剥皮辊的移动速度，mm/min。

果穗沿剥皮辊移动速度计算公式如下：

式中：L为剥皮辊运行一周，玉米果穗向前方移动的距离，约11 mm（平均数），n为剥皮辊转速，mm/min。

将式（2）代入（1），经计算，Q剥=1 215 穗/h。

由于采用机械布料，玉米果穗间距存在偏差，所以每个通道正常生产率为1 146~1 375 穗/h,16个通道生产率为18 336~22 000 穗/h。

2.2 剥皮系统传动机构

剥皮系统传动机构如图2 所示。

图2 剥皮系统传动机构

选用7.5 kW 电机，1 440 r/min， 剥皮辊转速具体计算如下：

式中：n电为电机转速，i1为电机至可调速圆锥齿轮转向箱传动比，i2为可调速圆锥齿轮转向箱传动比，经过计算，n=420 r/min,针对不同品种、不同水分的鲜食玉米剥皮可采用变频器调速。

2.3 润滑系统

润滑系统如图3 所示。

图3 润滑系统

目前， 剥皮装置需重点研究解决的依然是生产率、苞叶剥净率及籽粒损失率等问题。要想提高生产率，可以提高转速，或者增加剥皮辊的数量，如果增加了剥皮辊的数量，则剥皮装置的可靠性就会降低，同时也将影响整机的剥净率。 因此在满足生产率的情况下如何保证整机运行的可靠性， 就显得尤为关键，结合本机剥皮系统运行的结构和原理，加入甘油润滑系统，该系统主要由电动干油润滑泵、递进式分配器、管线及接头等组成，自动化程度高。 电动润滑泵由交流电机驱动，经过摆线针轮减速后，待定凸轮旋转， 凸轮机构将电机的旋转运动转化为柱塞的往复运动，柱塞的往复实现吸油及压油的过程，从而使油脂源源不断地从泵出口流出进入递进式分配器。递进式分配器的工作循环顺序，是按递进式动作的。递进式是指各个工作片的柱塞副在紧跟着上一片循环动作之后，各自工作完成自己的柱塞行程，把定量的润滑剂输送到润滑点。 只要有压力的润滑剂供给首片， 分配器的工作片就会以递进式的方式连续运行，并以恒定的排量注油。一旦供给的压力润滑剂流动停止了，分配器的工作片中柱塞也就停止运动。当具有压力的润滑剂重新开始流动时， 分配器的工作片会在同一点再开始它的注油循环动作。

所有转动件轴承都采用滑动轴承， 并配备一套先进的润滑系统，该系列润滑泵为电动高压柱塞式。工作压力在公称压力范围内可任意调整。 储油桶有油位自动报警装置，润滑泵配备电气控制箱能实现集中润滑系统全自动控制，并对系统实现监控。

2.4 倾角调节系统

剥皮器倾角调节系统采用液压升降系统配合滚动机构，调整范围0°~6°可随时根据玉米果穗籽粒水分高低以及玉米品种调整生产量及剥净率。

2.5 电器控制系统

整机电气控制系统采用PLC 作为核心控制元件，所有工作过程通过PLC 控制，工作过程稳定，操作简单。操作过程主要有电子互锁关闭和电子互锁开启两种方式，分别满足调试和正常运行的两种工作的状态。

3 工作原理

该鲜食玉米果穗剥皮机采用复合型橡胶材料的螺旋花纹包胶辊，其作用是清除茎叶混合物和剥掉果穗苞皮，其原理是利用摩擦剥皮原理，使相对旋转的一对辊子抓取并剥掉在其上运动的果穗的苞皮同时把苞皮和茎叶混合物拉曳到辊下实现果穗苞叶的去除。包胶辊上配有螺旋花纹，正、反包胶辊采用凹凸螺旋花纹啮合，配合紧密[3]。

由于鲜食玉米水分偏高，玉米籽粒很容易造成破碎，因此必须选择合适的包胶辊材质，适当的转速以及倾斜角度。在保证破损率的同时还要兼顾生产率和剥净率。此外，玉米在不同的成熟周期，玉米果穗苞叶的松紧程度不同，造成剥净率差和破损率差异较大，选择合适的剥皮辊转速就显得尤为重要。 通过不断实验，剥皮辊转速在350~500 r/min 的范围内针对不同水分、不同玉米品种果穗剥皮效果相对较好，在实际使用过程中可通过变频器调速。

4 不同条件对剥皮质量的影响

剥皮机剥皮质量与包胶辊硬度、 包胶辊凸起部分与基面连接曲面、 设备加工精度以及安装精度等因素密切相关。 表1 为不同因素对剥皮质量的影响结果。

表1 不同因素对剥皮质量的影响

通过实验发现， 包胶辊的长度与剥净率有很大关系，剥皮辊越长，剥净率越高，但破损率也同时上升。 90%的鲜食玉米果穗苞叶在包胶辊前1 m 范围内被剥掉。所以包胶辊不易过长。剥皮辊的直径应不使最小直径的果穗受挤压和被抓取为准， 在大于物料直径适当值时为最佳。

包胶辊的表面必须配有花纹， 花纹有以下3个作用：①增加与果穗的摩擦力；②促使果穗向下方移动；③花纹可以使胶辊啮合紧密。

5 结论

通过对剥皮辊硬度、剥皮辊转速、剥皮辊直径、剥皮辊截面几何尺寸、 剥皮辊材质等方面对鲜食玉米果穗剥皮效果进行研究， 最终确定了剥皮机的结构功能参数。

针对目前鲜食玉米剥皮机存在的问题， 重点对易剥鲜食玉米品种进行实验，达到预期的目的。

该机器的研发能够彻底解决鲜食玉米加工中的剥皮难题。 该设备可适应玉米籽粒含水率介于58%~73%间的物料，对脆嫩易剥的鲜食玉米籽粒品种的破损率＜5%，剥净率＞90%，解决了中国鲜食玉米果穗剥皮技术的难题。