玉米收獲機(jī)剝皮裝置的工藝分析與性能提升

秦 琪

(咸陽(yáng)師范學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712025)

0 引言

玉米是三大主要糧食作物，也是世界范圍種植廣泛的糧食作物之一，我國(guó)對(duì)于玉米的栽培具有悠久的歷史。近年來(lái)，我國(guó)的玉米產(chǎn)出持續(xù)增加，2020年以來(lái)，我國(guó)的年均玉米產(chǎn)量在2.6億t左右，約占世界玉米產(chǎn)量的23%。中國(guó)玉米的種植范圍廣，要實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的玉米生產(chǎn)，除依靠?jī)?yōu)良品種和先進(jìn)農(nóng)藝技術(shù)外，農(nóng)業(yè)機(jī)械化在玉米的耕種收及后期處理上也發(fā)揮著重要作用。玉米收獲機(jī)是用于玉米成熟后收獲的先進(jìn)機(jī)械，隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代化的玉米收獲機(jī)逐漸向功能集成化發(fā)展，其作業(yè)過(guò)程能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)玉米的秸稈割斷、摘穗、剝皮、秸稈處理等多種工序，具有顯著的高效率特點(diǎn)。

剝皮裝置作為玉米收獲機(jī)的重要功能部件，承擔(dān)著去除玉米果穗苞葉的重要工作，其與玉米收獲機(jī)的其他功能部件相配合，使機(jī)械收獲的玉米實(shí)現(xiàn)高效、高質(zhì)量地苞葉去除，有利于收獲后玉米的儲(chǔ)存，并降低農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度。一直以來(lái)，我國(guó)自主研發(fā)和生產(chǎn)的玉米收獲機(jī)過(guò)于重視摘穗技術(shù)，對(duì)于剝皮裝置的研究不夠深入，常在剝皮過(guò)程出現(xiàn)苞葉去除不凈、果穗損傷等問(wèn)題，對(duì)玉米的總體收獲質(zhì)量造成了影響。

1 技術(shù)研究與應(yīng)用情況

早在20世紀(jì)初期，美國(guó)、加拿大等西方國(guó)家就將剝皮裝置應(yīng)用于玉米的田間機(jī)械化收獲作業(yè)，我國(guó)對(duì)于玉米收獲機(jī)剝皮裝置的研究起始于20世紀(jì)50年代，隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的持續(xù)發(fā)展，玉米收獲機(jī)產(chǎn)品也趨于成熟化與先進(jìn)化，具有了顯著的本土產(chǎn)業(yè)技術(shù)特點(diǎn)，且逐漸與國(guó)際技術(shù)接軌?，F(xiàn)階段，我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的玉米收獲機(jī)根據(jù)結(jié)構(gòu)特征主要包括自走式機(jī)型和背負(fù)式機(jī)型兩種，越來(lái)越多的玉米收獲機(jī)配備了剝皮裝置，剝皮功能與剝皮質(zhì)量也成為了農(nóng)民選購(gòu)玉米收獲機(jī)的重要參考依據(jù)[1]。

為進(jìn)一步提升剝皮裝置在玉米收獲過(guò)程的適用性，我國(guó)針對(duì)玉米收獲機(jī)剝皮裝置的相關(guān)技術(shù)展開(kāi)大量研究，為剝皮裝置技術(shù)升級(jí)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化創(chuàng)造了有利條件。曾東[2]研制了一款玉米剝皮試驗(yàn)臺(tái)，用以提升玉米剝皮機(jī)的合理性，明確了玉米剝皮裝置的工作原理，說(shuō)明了剝皮機(jī)性能不穩(wěn)定的常見(jiàn)因素，設(shè)計(jì)了剝皮輥轉(zhuǎn)速和壓送器轉(zhuǎn)速的電動(dòng)可調(diào)節(jié)，能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證不同玉米的最佳剝皮參數(shù)，能夠模擬玉米收獲機(jī)剝皮裝置在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中的工作狀態(tài)，有效提升玉米剝皮裝置研發(fā)的合理性。馬健飛[3]設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)與功能更合理的玉米收獲機(jī)剝皮裝置，基于矛盾矩陣設(shè)計(jì)了關(guān)鍵部件，并對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行了ANSYS/LS-DYNA動(dòng)力學(xué)分析，得出果穗平均運(yùn)動(dòng)速度、果穗繞自身軸線的角速度、果穗所受到的最大力等多個(gè)指標(biāo)的最佳參數(shù)組合，對(duì)傳統(tǒng)玉米剝皮裝置進(jìn)行了技術(shù)與結(jié)構(gòu)升級(jí)，所設(shè)計(jì)的剝皮裝置實(shí)現(xiàn)了苞葉平均剝凈率89.63%、籽粒平均損失率1.37%、籽粒平均破損率0.39%的良好性能?；艉轾i[4]對(duì)于剝皮裝置的苞葉剝離機(jī)理展開(kāi)研究，明確了剝皮輥各參數(shù)與剝皮質(zhì)量之間的影響關(guān)系，利用ADAMS設(shè)定剝離輥參數(shù)，并利用ANSYS軟件進(jìn)行仿真和優(yōu)化，明確了玉米剝皮裝置最常見(jiàn)的三項(xiàng)性能指標(biāo)，為剝皮裝置的技術(shù)升級(jí)和剝皮機(jī)理的深入研究創(chuàng)造了良好條件。

2 剝皮裝置的工藝分析

2.1 結(jié)構(gòu)與組成

玉米收獲機(jī)剝皮裝置主要包括剝皮輥、傳動(dòng)裝置、壓送裝置、架體等組成，其中剝皮輥成對(duì)使用，布置形式如圖1所示。剝皮輥?zhàn)鳛閯兤C(jī)的主要工作部件，多布置在剝皮機(jī)的垂直中心偏上位置，呈前高后低的傾斜裝配；壓送裝置安裝于剝皮輥上方，剝皮裝置能夠?qū)⒂衩坠雺壕o到剝皮輥的表面[5]。剝皮裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)力來(lái)自于收獲機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)剝皮輥的驅(qū)動(dòng)。

1.架體；2.壓送裝置；3.剝皮輥；4.傳動(dòng)裝置

根據(jù)剝皮輥布置形式的不同，可分為平置式、角置式、槽置式三種類(lèi)型，部分先進(jìn)機(jī)型還向新型布置方式展開(kāi)研發(fā)，從現(xiàn)階段的三種常見(jiàn)布置形式看，其分別具有如下特點(diǎn)。平置式布局的結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，如圖2(a)，剝皮過(guò)程不易造成果穗啃食損傷，不易產(chǎn)生掉粒，生產(chǎn)加工成本低，調(diào)整更換更為容易，但該結(jié)構(gòu)對(duì)較多量玉米的剝皮作業(yè)效果不理想，存在剝皮不凈問(wèn)題；角置式布局相對(duì)于平置式能夠在空間上加大與玉米的接觸面積，如圖2(b)，同時(shí)，玉米在自身重力作用下進(jìn)入溝槽內(nèi)，有利于剝皮輥相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)高效率拉扯去除果皮，但該結(jié)構(gòu)存在反向旋轉(zhuǎn)兩剝皮輥位置的果穗剝皮不凈問(wèn)題；槽置式布局是在角置式布局的基礎(chǔ)上進(jìn)行的優(yōu)化，槽置式與角置式相比，每組有兩條有效剝皮間隙，如圖2(c)，高處位置兩相鄰輥是反向旋轉(zhuǎn)，有利于提高玉米果穗分布的均勻性，能夠保證絕大部分玉米果穗得到有效的剝皮，槽置式布局是現(xiàn)階段剝皮質(zhì)量和穩(wěn)定性較好的結(jié)構(gòu)，但也存在對(duì)含水率較高玉米破損率高，對(duì)含水率較低玉米籽粒損失率偏高問(wèn)題。

圖2 剝皮輥3種布置形式

2.2 工作原理與過(guò)程

剝皮輥是去除玉米果穗苞葉的主要工作部件，其主要通過(guò)在旋轉(zhuǎn)過(guò)程與果穗苞葉之間產(chǎn)生的摩擦力和拉扯力去除苞葉。玉米果穗在剝皮輥上所受到的作用力主要包括：剝皮輥表面產(chǎn)生的摩擦力、剝皮輥凸起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的沖擊力、兩剝皮輥配合間隙產(chǎn)生的擠壓拉扯力。當(dāng)玉米果穗進(jìn)入剝皮裝置后，會(huì)隨著剝皮輥的旋轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)剝皮輥組成一個(gè)工作單元，整個(gè)剝皮裝置由多個(gè)工作單元組成。

在利用剝皮裝置去除苞葉的過(guò)程中，單個(gè)帶苞葉的玉米果穗大體經(jīng)過(guò)以下四個(gè)工作階段。1)苞葉疏松與抓取。在快速轉(zhuǎn)動(dòng)的一組剝皮輥上，玉米果穗也會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)受到果穗自身重力和壓板壓力的共同作用，果穗與剝皮輥產(chǎn)生一定的摩擦力和沖擊力，苞葉逐漸變得疏松并被剝皮輥的間隙抓取。2)苞葉夾持與拉扯。隨著剝皮輥的旋轉(zhuǎn)，苞葉被夾持在兩個(gè)剝皮輥的配合間隙內(nèi)，并隨著旋轉(zhuǎn)過(guò)程而被拉扯，使最外部的苞葉向剝皮輥的下方運(yùn)動(dòng)而與玉米果穗逐漸分離。3)苞葉去除。隨著剝皮輥夾持與拉扯力的逐漸增大，苞葉在果穗的根部被拉斷，實(shí)現(xiàn)苞葉與果穗的分離，由于果穗在剝皮裝置內(nèi)部持續(xù)旋轉(zhuǎn)，果穗苞葉由外至內(nèi)會(huì)被依次剝離并去除，實(shí)現(xiàn)完全的苞葉去除。4)后續(xù)處理。分離后的玉米果穗受到剝皮輥傾斜布置的作用力影響，逐漸向下運(yùn)動(dòng)進(jìn)入輸送裝置，苞葉被剝離后進(jìn)入振動(dòng)篩將剝皮過(guò)程掉落的籽粒與苞葉分離，苞葉被排出，籽粒被集中收集[6]。

3 剝皮裝置存在的技術(shù)問(wèn)題

3.1 適用性問(wèn)題

現(xiàn)階段使用的剝皮裝置存在一定的適用性不足問(wèn)題，表現(xiàn)在其只針對(duì)一定范圍的玉米品種的植株特性表現(xiàn)出良好的適用性，當(dāng)玉米果穗存在濕度過(guò)大、過(guò)于干燥、苞葉過(guò)緊等情況時(shí)，表現(xiàn)出剝皮效率和質(zhì)量降低，導(dǎo)致剝皮質(zhì)量因品種不同而出現(xiàn)差異性。

3.2 損失率問(wèn)題

在大部分玉米果穗剝皮過(guò)程中均或多或少地出現(xiàn)糧食損失問(wèn)題，表現(xiàn)為籽粒掉落、果穗啃食等，這與剝皮輥的材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接相關(guān)，如何在提高剝凈率的同時(shí)降低糧食損失，也成為技術(shù)優(yōu)化的重要方向。

3.3 可靠性問(wèn)題

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，剝皮裝置長(zhǎng)時(shí)間使用過(guò)程中可能出現(xiàn)以下功能性問(wèn)題：1)剝皮輥磨損；2)剝皮輥纏繞雜草；3)傳動(dòng)齒輪損壞；4)剝皮輥配合間隙變大；5)果穗堆積無(wú)法排出。導(dǎo)致剝皮裝置使用過(guò)程的故障率增加，使用體驗(yàn)相對(duì)降低。

3.4 便捷性問(wèn)題

使用過(guò)程中不可避免的要根據(jù)玉米果穗的特性差異對(duì)剝皮輥間隙、壓送壓力等進(jìn)行調(diào)整，由于剝皮裝置的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，在收獲機(jī)上的安裝位置較高，存在使用調(diào)整難度大、周期長(zhǎng)問(wèn)題，在一定程度影響使用效率。

4 性能提升的途徑與思路

4.1 剝皮輥的技術(shù)優(yōu)化

剝皮輥的安裝結(jié)構(gòu)和材料選擇決定了剝皮輥的剝皮能力，剝皮輥的技術(shù)優(yōu)化主要應(yīng)從以下幾方面考慮。

4.1.1 改良剝皮輥的表面性能

剝皮輥表面的摩擦力決定了其苞葉去除能力，但表面摩擦力過(guò)大會(huì)造成籽粒損失增加，此時(shí)可考慮采用復(fù)合型材料的剝皮輥，可考慮剝皮輥上半部位置以大摩擦力的橡膠、金屬紋理、凸釘?shù)冉M成，以提高剝皮能力，下半部尤其是尾部采用平滑紋理的金屬材料制造，使后半部保留一定剝皮能力的同時(shí)對(duì)于剝凈后的果穗減少摩擦力，降低損失。

4.1.2 改良剝皮輥安裝結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的槽型布局仍存在一定概率導(dǎo)致局部位置的果穗苞葉無(wú)法完全去除，例如下方兩相反旋轉(zhuǎn)的摘穗輥，則為常見(jiàn)的剝凈盲區(qū)?？煽紤]設(shè)計(jì)變形槽型布局結(jié)構(gòu)，使下方兩個(gè)剝皮輥存在一定高度差，降低玉米果穗在中間停留而無(wú)法剝皮的概率[7]。

4.2 壓送裝置的技術(shù)優(yōu)化

壓送裝置的技術(shù)優(yōu)化主要應(yīng)從兩方面考慮：1)改良?jí)核徒Y(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的壓送裝置采用壓板或膠皮壓送輪，近年來(lái)，壓板的結(jié)構(gòu)逐漸被淘汰，膠皮壓送輪應(yīng)用量增加，但我國(guó)自主機(jī)型的壓送輪結(jié)構(gòu)形式單一，其作用主要是增加壓力，對(duì)于玉米的均布作用較小，因此應(yīng)考慮設(shè)計(jì)兩種或兩種以上的壓送輪，既實(shí)現(xiàn)增加壓力，還有助于玉米果穗的均布；2)優(yōu)化壓送裝置的調(diào)整便捷性，積極引入電控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)位置的壓送壓力聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)，有效降低壓送裝置調(diào)整復(fù)雜性。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，剝皮裝置已成為玉米收獲機(jī)的重要功能裝置，其技術(shù)升級(jí)對(duì)于提升玉米收獲機(jī)的整體作業(yè)質(zhì)量意義重大，有利于保證玉米更好的收獲品質(zhì)，剝皮裝置的進(jìn)一步升級(jí)也應(yīng)重視與電控技術(shù)的深度融合，在機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化的同時(shí)，提升裝置的自動(dòng)化程度，全面提升機(jī)具使用體驗(yàn)。