楊紅光，楊然兵，尚書旗，劉立輝，崔功佩

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109)

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玉米剝皮裝置的設(shè)計(jì)研究

楊紅光，楊然兵，尚書旗，劉立輝，崔功佩

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109)

根據(jù)農(nóng)藝過程中對玉米剝皮裝置的要求，設(shè)計(jì)了與4YW-2型玉米聯(lián)合收獲機(jī)配套使用的玉米剝皮裝置，該部分主要由入料口、剝皮裝置、壓送裝置、輸送攪龍及傳動裝置等部分組成，可以一次作業(yè)完成玉米穗的傳送、剝皮、玉米與苞葉的分隔收集等作業(yè)。為此，以玉米苞葉的剝凈率、落籽率、籽粒損失率和生產(chǎn)率為主要指標(biāo)，計(jì)算了部分零部件的結(jié)構(gòu)尺寸。該玉米剝皮裝置在4YW-2型玉米聯(lián)合收獲機(jī)上配置緊湊協(xié)調(diào)，作業(yè)順暢可靠，玉米剝皮過程中剝凈率達(dá)90%以上、作業(yè)損失率低于4%，保證了聯(lián)合收獲的作業(yè)性能指標(biāo)，提高了聯(lián)合收獲機(jī)的生產(chǎn)效率。

剝皮裝置；聯(lián)合收獲機(jī)；壓送裝置；玉米

0 引言

玉米是山東省主要糧食作物之一，常年種植面在286.7萬hm2以上，2014年全省機(jī)播面積為282.2萬hm2[1]。我國研制玉米剝皮裝置從20世紀(jì)60年代開始，70年代主要是仿制，80年代進(jìn)行關(guān)鍵件攻關(guān)，90年代有了較大發(fā)展[2]。對玉米剝皮裝置的長期研究以來，保證玉米苞葉的剝凈率、控制籽粒破損率及保障作業(yè)效率等一直是研究玉米剝皮機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。經(jīng)過國內(nèi)各大科研機(jī)構(gòu)的長期努力，在玉米剝皮裝置上取得了顯著的成果。到目前為止，國內(nèi)研發(fā)的玉米剝皮機(jī)主要分為兩大類：一是單獨(dú)作業(yè)的玉米剝皮機(jī)，適合對收獲后的玉米穗進(jìn)行集中剝皮處理，防止在陰雨天氣時，玉米由于不能及時剝皮而腐爛，影響產(chǎn)量;二是與玉米聯(lián)合收獲機(jī)配套使用的玉米剝皮裝置。此類玉米收獲機(jī)一次性作業(yè)可以完成對玉米穗的收獲、剝皮、運(yùn)送和收集等作業(yè)，提高了作業(yè)效率。

但是，玉米剝皮機(jī)的發(fā)展并沒有完善，有些機(jī)具存在剝凈率低、籽粒破損率較高及機(jī)具作業(yè)不穩(wěn)定等缺點(diǎn)；同時，對于種植在山區(qū)丘陵地的玉米，大型玉米收獲機(jī)無法進(jìn)地作業(yè)[2]。因此，設(shè)計(jì)與小型收獲機(jī)配套使用、保證苞葉剝凈率和籽粒破損率，以及作業(yè)流暢的玉米剝皮裝置十分重要。

針對上述問題，設(shè)計(jì)了玉米剝皮裝置，能夠與4YW-2型玉米聯(lián)合收獲機(jī)的摘穗與輸送裝置配合作業(yè)，保證輸送裝置輸送來的玉米果穗能夠及時地完成剝皮作業(yè)；保證經(jīng)過剝皮的玉米果穗能夠順利地進(jìn)入到集穗箱，以便于順利地收集起來；保證整個作業(yè)過程中順利剝皮、不產(chǎn)生堵塞，同時保證總損率和剝凈率等指標(biāo)達(dá)到農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)裝備的作業(yè)要求。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

設(shè)計(jì)的玉米剝皮裝置主要包括入料口、剝皮裝置、壓送裝置、輸送攪龍及傳動裝置等部件。在玉米剝皮裝置的組成構(gòu)件中，剝皮輥是玉米剝皮裝置的核心部件，其性能的好壞直接影響玉米穗苞葉的剝凈率和籽粒破損率，進(jìn)而影響與其配套的玉米聯(lián)合收獲機(jī)的作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量。壓送裝置對剝皮效果有著重要影響，其主要作用是將果穗壓制到剝皮輥上，但壓送裝置不能一直壓制著果穗，還要保證玉米穗在壓送過程中不能跳竄，而且壓送裝置還可以使苞葉變得蓬松便于剝皮輥更好地抓取苞葉。

該玉米剝皮裝置工作時，在傳動裝置的帶動下，玉米通過入料口進(jìn)入到剝皮裝置，剝皮裝置由相對運(yùn)動的4對剝皮輥組成，在壓送裝置和玉米自身重力的作用下使剝皮裝置和玉米穗之間產(chǎn)生摩擦力，剝皮裝置通過摩擦力作用將玉米剝皮；剝選后的玉米繼續(xù)向前運(yùn)動，最后通過傳送帶送出，玉米苞葉落到剝皮輥下方，通過輸送攪龍傳出機(jī)體外。整個裝置的作業(yè)流暢，一次作業(yè)可以完成玉米穗的傳送、剝皮、玉米與苞葉的分隔收集等作業(yè)，并保障較高的作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量。與其配套的4YW-2型玉米聯(lián)合收獲機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。剝皮裝置的結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

1.割皮裝臺總成 2.前支架總成 3.傳動總成 4.拉桿總成 5.1級升運(yùn)器總成 6.剝置總成 7.2級升運(yùn)器總成裝置圖1 4YW-2型玉米聯(lián)合收獲機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The whole structure of the 4YW-2 corn harvester

1.派軋輥裝配總成 2.護(hù)板 3.脫坯輥裝配總成 4.攪龍裝配總成 5.浮動拉桿總成 6.動力裝配輸入總成 7.進(jìn)料口焊合圖2 剝皮裝置的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic peeling device

2 剝皮裝置的設(shè)計(jì)

2.1 剝皮輥的設(shè)計(jì)

剝皮輥是玉米剝皮裝置的核心部分，其材料、排列形式、長度、直徑大小等因素對剝凈率、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，影響與其配套玉米聯(lián)合收獲機(jī)的作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量。

2.1.1 剝皮輥材料的選擇

綜合考慮農(nóng)機(jī)具作業(yè)的要求，在滿足設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上盡量降低成本，本設(shè)計(jì)選擇鑄鐵輥和橡膠輥組合的剝皮輥。橡膠輥由在鋼制的主軸緊套若干個橡膠環(huán)組成，其優(yōu)點(diǎn)是表面摩擦力大、剝皮效果較好、剝皮后對籽粒的破損較輕。鑄鐵輥具有良好的耐磨性及高消振性。選擇橡膠輥與鑄鐵輥配合使用，能夠結(jié)合兩者優(yōu)點(diǎn)，剝皮效果較好，破損率較低，兩輥之間的距離可以通過調(diào)節(jié)彈簧進(jìn)行調(diào)整；缺點(diǎn)是橡膠輥耐磨性較差，使用壽命較短，在磨損之后剝皮效果下降。但是，鑄鐵輥和橡膠輥組合式的剝皮輥能夠在較好地保證剝凈率和籽粒損失率的同時，滿足對剝凈率、籽粒破損率的要求，成本相對較低，也是目前大多數(shù)玉米剝皮機(jī)構(gòu)所采用的，得到生產(chǎn)廠家和用戶的認(rèn)可。

2.1.2 剝皮輥表面結(jié)構(gòu)形式的確定

橡膠輥采用高苯橡塑膠面，目的是增大摩擦因數(shù)、降低表面硬度，剖面結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 魚鱗膠輥剖面形狀Fig.3 Cots scale cross-sectional shape

鑄鐵輥表面采取寬度為42mm、螺距為30mm的螺旋筋，配合直筋，提高剝皮質(zhì)量，并在輥面焊有剝皮釘，可以加強(qiáng)對玉米苞葉的抓取和撕裂的作用，其裝配結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.1.3 剝皮輥排列形式的選擇

剝皮輥的排列形式對剝皮作業(yè)有較大影響，本設(shè)計(jì)選擇的是槽型排列式的剝皮輥，如圖5所示。其上側(cè)兩根剝皮輥之間距離較大，兩輥相向轉(zhuǎn)動，且槽型排列的剝皮輥上側(cè)兩輥的材質(zhì)不同；在有長果穗橫在剝皮輥上方情況下，玉米穗不被剝皮的幾率也會大大減小，同時還消除了V型排列方式中出現(xiàn)的負(fù)載不均現(xiàn)象[3]。該形式雖然存在漏剝和籽粒損失的現(xiàn)象，但相比而言能較好地滿足對玉米剝凈率和損失率的要求。本設(shè)計(jì)將在現(xiàn)有機(jī)型的基礎(chǔ)上，在與機(jī)器結(jié)合部分的結(jié)構(gòu)上做了改進(jìn)，通過對剝皮裝置內(nèi)部一些結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，將現(xiàn)有機(jī)型的剝凈率較低、損失率較高的缺點(diǎn)進(jìn)一步改進(jìn)。

1.直筋 2.螺旋筋 3.剝皮釘 4.鑄鐵輥圖4 鑄鐵輥裝配示意圖Fig.4 Cast iron roll assembly schematic

圖5 槽型排列剝皮輥示意圖Fig.5 Groove schematic arrangement of polishing rolls

2.1.4 剝皮輥長度和直徑的確定

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(dǎo)致籽粒破損率增高。經(jīng)查閱專利和論文，現(xiàn)有的剝皮輥選擇的直徑都在60～80mm之間，本設(shè)計(jì)選用70mm 的直徑。通過查閱大量的專利和論文材料得知，目前市場常見機(jī)型的玉米剝皮輥長度為1 300mm左右，在美國使用的甜玉米剝皮機(jī)輥長約為1 500mm。由查閱的實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果得知：玉米在剝皮輥上的剝凈率在開始的400mm內(nèi)剝凈率為85%，在600mm 內(nèi)剝凈率為95%[4]，輥長定為1 000mm使苞葉的剝凈率在95%以上，故選定剝皮輥長度為1 000mm。

2.1.5 剝皮輥轉(zhuǎn)速的確定

查閱相關(guān)論文和資料知剝皮輥單輥生產(chǎn)能力公式為

式中q—剝凈果穗質(zhì)量平均為0.4kg；

L—果穗最大長度，250m；

ug—果穗沿剝皮輥移動速度(m/s)；

s—剝皮輥螺距長度，s=900mm；

n—剝皮輥轉(zhuǎn)速(r/min)；

f—滑動綜合系數(shù)，f=0.05；

Δl—50mm。

由于該剝皮裝置裝載在玉米聯(lián)合收獲機(jī)上，傳動較為復(fù)雜，功率損失較大，且直接利用拖拉機(jī)的動力輸出，傳動比較大。為較好地保證剝皮裝置的工作性能和工作效率，故應(yīng)采取較大的轉(zhuǎn)速；但轉(zhuǎn)速又不能太高，否則將會大大提高籽粒的破損率。多次實(shí)驗(yàn)，最終選取剝皮輥轉(zhuǎn)速為546r/min，按85%的傳動效率，最終剝皮輥轉(zhuǎn)速約為464r/min，接近廠家推薦轉(zhuǎn)速450r/min，能夠發(fā)揮剝皮機(jī)的最佳性能。

2.2 壓送裝置的設(shè)計(jì)

壓送裝置是玉米剝皮裝置的重要組成部件。主要作用是將玉米的果穗壓制到剝皮輥上，從而增大果穗和剝皮輥之間的摩擦力，提高剝皮質(zhì)量，而且壓送裝置還可以使苞葉變得蓬松便于剝皮輥更好的抓取苞葉。但是，壓送裝置不能一直壓制著果穗，因?yàn)檫@樣將導(dǎo)致果穗不能沿自身軸線方向旋轉(zhuǎn)，剝皮輥只對果穗一側(cè)進(jìn)行剝皮，籽粒損失率也會大大增加。

目前，應(yīng)用的壓送器種類較多，主要有推動式和滯動式兩種結(jié)構(gòu)形式。其中，滯動式的結(jié)構(gòu)比較簡單，在早期的果穗剝皮機(jī)構(gòu)應(yīng)用較多；但由于功能方面的不足已趨于淘汰，現(xiàn)在基本上都采用推動式壓送裝置。就目前來看：應(yīng)用較多的3種類型主要是葉輪式壓送器、鏈?zhǔn)綁核推骱屯馆喪綁核推鱗5]，具體結(jié)構(gòu)形式如圖6所示。

(a) 葉輪式壓送器 (b) 鏈輪式壓送器 (c) 凸輪式壓送

圖6 壓送器

Fig.6 Pressure transmitter

通過查閱國內(nèi)外相關(guān)資料并比較以上幾種壓送器類型，現(xiàn)在大多采用間隔式壓送器，壓送效果較好，因?yàn)閱为?dú)的玉米剝皮機(jī)剝皮輥大都與水平面成10°～12°夾角，在間隔段內(nèi)果穗可以通過自身重力加之剝皮輥的摩擦力作用向下運(yùn)動。本設(shè)計(jì)對壓送裝置提出了新的要求，因?yàn)榧友b到4YW-2型玉米收獲機(jī)上的剝皮裝置是水平放置。如果采用間隔式的壓送器，在間隔段只通過摩擦力作用果穗運(yùn)動速度將會降低，而且還有卡住的可能，大大降低了剝皮的效率。所以，本設(shè)計(jì)中剝皮裝置采用浮動式的壓送裝置，其總體裝配結(jié)構(gòu)如圖7所示。

1.齒鏈輪 2.浮動膠塊 3.浮動壓板 4.浮動軸圖7 浮動式壓送裝置示意圖Fig.7 Floating feeding device schematic

采用葉輪式壓送器配合浮動的撥送裝置，保證果穗沿剝皮輥方向的運(yùn)動，同時也可將莖稈混雜物等撥送出機(jī)體，避免發(fā)生堵塞現(xiàn)象，保證剝皮裝置正常工作。另外，本設(shè)計(jì)中用到的其他的一些零部件，如軸承、螺栓、螺母等，均采用國家機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)件。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)條件

本文設(shè)計(jì)的玉米剝皮裝置由山東德農(nóng)農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司生產(chǎn)，在青島農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)智能裝備實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)。玉米穗來自于青島農(nóng)業(yè)大學(xué)萊陽校區(qū)農(nóng)作物試驗(yàn)基地，品種為高產(chǎn)玉米品種龍高L2；玉米穗的總質(zhì)量為500kg,通過農(nóng)作物水分儀測試玉米穗的含水率為25%～29%。

3.2 試驗(yàn)方法

驗(yàn)證時，仿真4YW-2型玉米聯(lián)合收獲機(jī)的田間作業(yè)，設(shè)計(jì)了一套玉米剝皮裝置試驗(yàn)臺，保證玉米穗的供給速度盡可能地接近玉米聯(lián)合收獲機(jī)田間作業(yè)時的作業(yè)速度，剝皮裝置的轉(zhuǎn)速可調(diào)；反復(fù)進(jìn)行10組試驗(yàn)，采集相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，為分析剝皮裝置的實(shí)際作業(yè)效果提供依據(jù)。具體執(zhí)行：將試驗(yàn)用玉米穗均勻分成10組，試驗(yàn)以喂入玉米穗時開始計(jì)時，剝皮結(jié)束后停止計(jì)時；完成一組，統(tǒng)計(jì)該組計(jì)算試驗(yàn)玉米穗的剝凈率和玉米穗的總損失率，統(tǒng)計(jì)結(jié)束進(jìn)行下一組試驗(yàn)，最后算取10組試驗(yàn)的剝凈率和總損失率的平均值，作為衡量設(shè)計(jì)裝置工作效率的主要參考指標(biāo)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

重復(fù)試驗(yàn)并記錄的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 玉米剝皮裝置試驗(yàn)性能結(jié)果

Table 1 Experimental performance results of corn peeling device

%

從表1中可以看出：玉米剝皮機(jī)的平均剝凈率的平均值為90.56%，最高能達(dá)到93.4%；總破損率的平均值為2.947%，總破損率最少可達(dá)2.88%。剝凈率大于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)值(≥85.5%)，總損失率低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)值(≤4%)。因此，該設(shè)計(jì)滿足行業(yè)農(nóng)藝要求，試驗(yàn)指標(biāo)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于采用了浮動壓送裝置，可以較大范圍地保證玉米的壓送效果，較好地保證玉米苞葉的剝凈率，同時又能很好地保證籽粒損失率；其次，可配套小型玉米收獲機(jī)的使用，比較適合我國目前的發(fā)展現(xiàn)狀，較易推廣使用；同時設(shè)計(jì)的剝皮裝置還可以將剝皮裝置拆卸下來放到可移動的支架上單獨(dú)使用。

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，增大剝皮輥的直徑和長度或者增加剝皮輥的數(shù)量；但與此同時也會使損失率提升，且如果增加了剝皮輥的數(shù)量, 則剝皮裝置的可靠性就會降低, 同時也將影響苞葉的剝凈率。要想提高剝凈率, 可以想法提高剝皮輥表面的抓取能力，改善剝皮輥的材料，或者改善剝皮輥的表面形狀；也可以通過增大剝皮輥表面的摩擦因數(shù)的方法，而如果一味地增大摩擦因數(shù)，將導(dǎo)致果穗和籽粒破碎率大大增加。要想減少籽粒的破損率, 也可以在剝輥的材料及表面結(jié)構(gòu)形狀上想辦法。因此，在玉米剝皮機(jī)的設(shè)計(jì)研究方面還應(yīng)當(dāng)在借鑒先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，不斷創(chuàng)新，進(jìn)一步完善玉米剝皮機(jī)的技術(shù)，從而提高玉米聯(lián)合收獲機(jī)的作業(yè)效率。

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Design of the Corn Peeling Equipment

Yang Hongguang, Yang Ranbing, Shang Shuqi, Liu Lihui，Cui Gongpei

(Mechanical and Electrical Engineering College, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China)

According to the requirements of corn peeling device in the agronomic process，this paper introduces the design of corn peeling device which supporting the use of 4YW-2 type corn combine harvester, consisted of a material inlet, peeling device, pressure feeding device, conveying auger, transmission device etc.The peeling device can achieve transfer, peeling,corn and bract separated collection.This paper takes the husker rate,seed dropping rate,grain loss rate and productivity as the main index,calculated some parts of structure size.The designed peeling device are compact and co-ordinated in the 4YW-2 type corn harvester, operating smooth and reliable. It can also ensure the peeling rate more than ninety percent, grain broken rate less than four percent,performance index of joint harvest and improve the production efficiency of combine harvester.

peeling device; combine harvester; pressure feeding device； corn

2016-03-29

山東省農(nóng)機(jī)裝備研發(fā)創(chuàng)新項(xiàng)目(2015YZ202)；山東省農(nóng)業(yè)重大應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目(2214009)；山東省高等學(xué)校協(xié)同創(chuàng)新中心項(xiàng)目(20131706)

楊紅光(1991-)，男，山東濟(jì)寧人，碩士研究生，(E-mail) 1432245697@qq.com。

楊然兵(1979-)，男，山東濟(jì)寧人，副教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)yangranbing@163.com。

S226.4

A

1003-188X(2017)03-0170-05