一種玉米果穗剝皮裝置

肖 戟， 李劍飛

（吉林省農(nóng)機裝備科技創(chuàng)新中心，吉林 長春 130022）

1 玉米果穗剝皮原理和剝皮過程

1.1 剝皮輥的工作原理

玉米果穗剝皮主要是依靠剝皮輥的工作表面與苞葉之間的接觸摩擦力和機械作用，將苞葉撕裂、抓取，最后拉掉。果穗沿剝皮輥軸線方向的滑動是依靠剝皮輥軸與水平面的傾角和剝皮輥表面螺旋線的推送作用，以及壓制器（或刮板）等給予的力［1］。

果穗在剝皮輥上的轉(zhuǎn)動，是依靠兩個相對回轉(zhuǎn)的剝皮輥所具有的安裝高度差，以及因不同材料剝皮輥的摩擦系數(shù)不同，所產(chǎn)生不等的摩擦力而造成不等的摩擦轉(zhuǎn)矩所致。

1.2 玉米果穗剝皮過程

玉米果穗剝皮過程是指玉米果穗進入剝皮輥后，在回轉(zhuǎn)和滑行過程中不斷受到剝皮輥的抓取，苞葉被撕裂、拉拽，并從兩剝皮輥的間隙中拉出，而剝?nèi)グ~的光果穗沿著滑板排出剝皮輥以外的全部歷程。大致可分為3個階段，分別為抓取苞葉、扯拉苞葉和苞葉脫離果穗階段

2 剝皮輥軸機械性能

2.1 玉米果穗剝皮過程的受力分析

2.1.1 剝皮輥軸不回轉(zhuǎn)

當(dāng)剝皮輥軸不回轉(zhuǎn)時，玉米果穗的受力情況如圖1和圖2所示［3］。

圖1 剝皮輥靜止時果穗的受力圖（在垂直于輥軸平面內(nèi)）

圖2 無壓送器作用時果穗受力簡圖（在平行于棍軸平面內(nèi)，剝皮輥有高度差）

圖中：Q——果穗重量；

a——兩輥垂直高度差；

β——剝皮輥水平傾角；

R——剝皮輥半徑；

r——果穗半徑；

α——剝皮輥抓取角；

γ——兩輥偏置角；

P1，P2——果穗重量對兩輥的正壓力；

N1，N2——分別為兩輥對果穗的支反力；

F1，F(xiàn)2——分別為果穗與兩輥的摩擦力；

O1——高輥軸心；

O2——低輥軸心。

高度差為：

玉米果穗與水平成β角的剝皮輥表面下滑時，則有：

由圖1中所示力的三角形求得：

因為cos（α－γ）＞cos（α＋γ），所以P1＞P2，即果穗對低輥的正壓力大于果穗對高輥的正壓力。

果穗與兩輥的摩擦力分別為［4］：

式中：f1，f2——分別為果穗與高輥、低輥的摩擦系數(shù)。

關(guān)系式（1）和式（2）［5］可以用剝皮輥軸和玉米的尺寸來表示，經(jīng)計算得：

兩個剝皮輥軸的摩擦力之和：

當(dāng)兩輥軸布置無高度差，即a＝0時，則式（5）為：

當(dāng)f1＝f2，且a＞0時，則式（5）為：

由圖2可知，玉米果穗的下滑條件為：

將式（7）代入式（8）中，得：

當(dāng)f＝f1＝f2時，式（9）為：

由式（9）可以看出，玉米果穗沿剝皮輥軸的滑動取決于很多因素。首先與剝皮輥傾角、摩擦系數(shù)、剝皮輥軸尺寸及果穗尺寸有關(guān)，此外還與兩輥軸的配置方式有關(guān)。

2.1.2 剝皮輥軸回轉(zhuǎn)

當(dāng)剝皮輥軸回轉(zhuǎn)時，果穗的受力情況如圖3所示。

圖3 剝皮輥軸回轉(zhuǎn)時果穗受力簡圖

設(shè)果穗沿輥軸的移動阻力很小，忽略不計。則：

回轉(zhuǎn)力矩：

由式（11）～（13）［6］可得如下。

在現(xiàn)有的剝皮機上多半采用偏置的輥軸，其中兩個輥軸由不同材料做成，或者有相同材料但是輥軸表面的粗糙度不同，在這種情況下主動力為：

如果在果穗回轉(zhuǎn)的情況下，同時又要滿足果穗的下滑條件，此時與單純下滑的起始條件不同。當(dāng)剝皮輥不轉(zhuǎn)動時，玉米果穗只能完成向前移動，其摩擦力方向與剝皮輥的軸線方向平行；當(dāng)玉米果穗同時完成滑移和回轉(zhuǎn)兩種運動時，其表面的絕對速度方向與剝皮輥的軸線方向成一個角度φ，其大小與運動速度的比值有關(guān)。由于運動物體所受的摩擦力與其運動速度方向相反，故玉米果穗的摩擦力方向?qū)㈦Sφ角的改變而改變，如圖4所示。

圖中：V——玉米果穗軸向移動速度；

V1——玉米果穗相對第一剝輥圓周線速度；

V2——玉米果穗相對第二剝輥圓周線速度。

圖4 玉米果穗脫皮受力圖

此時玉米果穗的下滑條件為：

將式（1）和式（2）代入，則可求出：

其中，φ值可由下式確定：

2.2 剝除玉米果穗苞葉條件

剝皮主要是依靠果穗苞葉和剝皮輥間的切向摩擦力，使果穗苞葉被剝皮輥抓取并拉掉。為此需同時滿足：

2）Fn＞Pmax。

式中：f——苞葉與剝輥間的摩擦系數(shù)；

Fn——剝輥拉苞葉之力；

Pmax——拉斷苞葉所需之力。

2.3 玉米果穗不被抓取的條件

由圖1分析可知，欲使果穗不被兩輥拉入，應(yīng)使兩輥圓心連線的垂線方向的合力為零，可列方程［7］：

其中：

設(shè)f＝f1＝f2，則有：

果穗不會被抓取的條件為：抓取角α的正切值大于或等于果穗與剝皮輥之間的摩擦系數(shù)［8］。

因為：

式中：D——剝皮輥直徑；

d——帶苞葉的果穗平均直徑。

可見角α值是由剝皮輥和果穗直徑共同決定。當(dāng)角α增大時，抓取能力減弱，降低剝凈率；當(dāng)角α減小時，抓取能力增強有利于剝?nèi)“~，但α過小，則增加果穗籽粒的損傷，最適宜剝皮輥直徑應(yīng)是剝皮輥只抓取苞葉，不抓取果穗。即：

綜上所述，果穗剝皮過程應(yīng)滿足以上3個基本條件苞葉才能被剝除，并能保證一定的生產(chǎn)效率。

3 玉米果穗的剝皮方式

3.1 撕裂剝皮

果穗在相對回轉(zhuǎn)剝皮輥的作用下，苞葉首先被剝皮輥上的釘齒撕裂，釘齒同時拉拽苞葉，致使一部分苞葉通過機械作用被撕裂，使苞葉很快也被抓取，進而剝掉。

3.2 捻取剝皮

果穗在剝皮輥的作用下，時而回轉(zhuǎn)，時而停止，有時甚至反向運動。經(jīng)實驗觀察分析，這和果穗的受力狀態(tài)有關(guān)，在果穗沒被剝苞葉時，會有回轉(zhuǎn)現(xiàn)象，一旦苞葉受到它與剝皮輥之間的摩擦力作用，就被剝皮輥抓取，果穗受拉拽方向影響停止運動，或反向運動。從果穗的側(cè)面看，果穗回轉(zhuǎn)同時不斷前進，苞葉的抓取首先是從穗尖開始，依次拉到果柄連接部位苞葉才被拉斷。果穗大端向前進方向時，常會產(chǎn)生果穗回躍現(xiàn)象，這是由于果穗苞葉被剝皮輥從穗尖抓取后，幾乎以剝皮輥的圓周線速度迅速被拉進兩剝皮輥的間隙中，從而牽動果穗向回躍進。

4 結(jié) 語

闡述了剝皮輥的工作原理及苞葉剝除過程的機理。通過對玉米果穗在剝皮輥上的受力分析，建立起玉米果穗剝除苞葉必要條件的數(shù)學(xué)模型，以作為剝皮輥軸設(shè)計的理論依據(jù)。

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