甜玉米剥皮机结构改进及性能试验

赵玉强 何晓鹏 刘 清 师建芳

ZHAO Yu－qiang HE Xiao－peng LIU QingSHI Jian－fang

（农业部规划设计研究院，北京 100125）

（Chinese Academy of Agricultural Engineering，Beijing 100125，China）

鲜食甜玉米是在乳熟后期和蜡熟初期采收的甜玉米［1］。甜玉米其口味独特，具有甜、粘、嫩、香的特点，有“水果玉米”之称，营养价值丰富，易于咀嚼和消化吸收快，因而越来越受到广大消费者的欢迎。甜玉米采摘后不宜长时间存放，容易变质造成营养成分流失，经济价值将会降低，须尽快加工处理，一般不超过6 h。机械剥皮可以在较短的时间内将大量的甜玉米皮剥掉，确保甜玉米的品质。

由于鲜食甜玉米籽粒脆嫩，轻微的碰撞就会造成籽粒表皮的破裂或内部挤伤，对剥皮机的要求比普通玉米高。目前国际上应用的甜玉米剥皮设备主要是美国A＆K公司的产品［2－4］，该公司产品生产率很高，适合地广人稀，劳动力相对缺乏的国家。该机型在中国企业应用时剥净率偏低，一般为85%～90%，破损率偏高，可达4%～5%，而且价格约是中国国产机型的3倍，投资成本高，中国企业很少购买使用。而随着甜玉米产业的发展，甜玉米加工企业对剥皮设备的需求非常迫切，中国现有的国产剥皮机普遍剥净率偏低，破损率偏高［5］，而且玉米剥皮机还存在着主要的质量问题［6］，如安全性差、故障率高、剥皮装置寿命短、质量差，严重影响了甜玉米加工企业使用剥皮机的积极性。

破损率、剥净率和生产率是甜玉米剥皮机的3项主要技术指标，这3项技术指标既互相关联又互相制约［7］，而对企业来讲破损率是最重要的指标，直接关系到企业效益。为达到最好的剥皮效果，本课题组与江苏省南通弘謇农业机械有限公司合作改进研发生产甜玉米剥皮机。通过对老机型进行了大量的试验观察，着重解决最重要的破损率指标，对现有剥皮机的若干部件进行了三项改进措施：① 对橡胶辊表面螺旋凸棱过渡圆角进行改进；② 对橡胶辊材质进行改进；③ 增加了喷水装置。剥皮机改进前后见图1和图2。

图1 改进前的剥皮机结构示意图Figure 1 Structure diagram of former sweet corn husking

图2 改进后的剥皮机结构示意图Figure 2 Structure diagram of redesigned sweet corn husking

1 剥皮机结构改进

1.1 改进橡胶辊表面凸棱圆角

图3是橡胶辊工作示意图，橡胶辊是剥皮机的主要工作部件［8］。橡胶辊的剥皮效果和使用寿命与转辊胶套所选用材料、加工精度、整个橡胶辊的装配精度关系很大［9］。橡胶辊的对数是影响生产率的主要因素［10］。橡胶辊应有足够的长度［11］，虽然橡胶辊越长剥净率越高，但破损率也同时上升［12］，根据试验，每根橡胶辊亦采用一根芯轴，外套7个200 mm长度的橡胶胶套构成，橡胶胶套的花纹一定要对齐。橡胶辊胶套容易磨损，为易损件［13］，磨损后可以取下并更换新套。橡胶辊成对工作，工作时相向转动，成对工作的两橡胶辊的配置应有一定的高度差，每对橡胶辊之间构成1个鲜食玉米穗剥皮通道，橡胶辊表面采用螺旋状花纹［14］。

图3 橡胶辊工作示意图Figure 3 Work diagram of rubber rollers

经生产现场长时间观察，发现橡胶辊螺旋花纹表面凸棱圆角大小对破损率指标影响较大。具体表现为转辊速度较高，在400 r／min以上，对甜玉米籽粒的冲击速度达到1.8 m／s以上。于是生产厂家重新制作橡胶辊模具，将橡胶辊表面凸棱的上下圆角由R1.5改为R4，使凸棱圆角圆滑过渡，改橡胶辊棱边与鲜食玉米果穗碰撞为摩擦，降低了碰撞冲量，从而最大限度减小凸棱对玉米籽粒的伤害，降低了破损率。橡胶辊改进前后见图4、5。

图4 橡胶辊凸棱圆角改进后的示意图Figure 4 Structure diagram of former rubber rollers

图5 橡胶辊凸棱圆角改进前的示意图Figure 5 Structure diagram of redesigned rubber rollers

1.2 对橡胶辊材质进行改进

改进橡胶辊表面凸棱圆角，还需对橡胶辊材质进行改进，改进材质的目的是增大橡胶辊的表面摩擦力，增大橡胶辊硬度，增加橡胶辊的耐磨性。

将橡胶辊凸棱的上下圆角由R1.5改为R4，使凸棱圆角圆滑过渡的同时，虽然能降低破损率，但是也会降低剥净率，因此需要改进橡胶辊的材质。将原有普通橡胶改为复合型橡胶材料后，在同等硬度情况下，改进后材料能显著提高表面摩擦力、耐磨性和耐腐蚀性，并且在一定阶段功能不退化。经试验验证，应用此等材料在改进橡胶辊凸棱圆角后，能保证剥净率不降低。

1.3 增加喷水装置

作业时，往胶辊喷水可以起到清洗胶辊、防滑、给胶辊降温和降低破损率的作用。① 剥皮机在剥皮过程中会产生破损籽粒，流出玉米浆液，其浆液比较粘滑，附着在橡胶辊上会减小橡胶辊与玉米苞叶之间的摩擦系数，从而降低剥净率。持续喷水可以对橡胶辊表面进行清洗，维持橡胶辊的摩擦系数。② 作业时剥皮机橡胶辊转动，与玉米苞叶产生摩擦力将玉米苞叶搓开并剥离，由于橡胶辊转速较高，期间会产生较大热量，影响橡胶辊寿命和剥皮效果，喷水装置能起到降温作用。③持续对橡胶辊喷水可以使橡胶辊表面形成水膜，可以减小玉米果穗在橡胶辊前段被剥去皮后，玉米裸穗受到橡胶辊后段对玉米籽粒的冲击，从而降低破损率0.2%至0.4%。

2 试验材料与方法

2.1 材料与设备

难剥甜玉米品种：华珍甜玉米，湖北绿亿园农产品加工有限公司；

中等程度难剥甜玉米品种：脆王甜玉米，桂林日盛食品有限责任公司；

易剥甜玉米品种：金妃甜玉米，山田园食品加工有限公司；

转辊材料：采用复合材料，硬度65～70A（肖氏硬度）；

新改进甜玉米剥皮机：5BT－6、5BT－8型，江苏省南通弘骞农机有限公司。5BT－6型甜玉米剥皮机有12个橡胶辊，组成6个剥皮通道，通过检测，正常工作时，电机瞬时功率值为3.4 k W，在出现扎头等现象，造成剥皮机工作卡滞时对传动系统冲击较大，其功率负荷会瞬时增大很多，所以5BT－6型主电机选用5.5 kW电动机。5BT－8型甜玉米剥皮机有16个橡胶辊，组成8个剥皮通道，通过检测，正常工作时，电机瞬时功率值5.3 kW，在出现扎头等现象，造成剥皮机工作卡滞时对传动系统冲击较大，其功率负荷会瞬时增大很多，所以5BT－8机型主电机选用7.5 k W。考虑到不同品种玉米穗苞皮的松紧程度不同，致使剥净率差异较大［15］，为适应多种不同甜玉米品种，在控制柜中增加变频器进行调速控制。

2.2 试验方法

2.2.1 试验方法 2013年6月～9月委托北京市农机试验鉴定推广站在湖北省潜江市运粮湖农场湖北绿亿园农产品加工有限公司采用难剥甜玉米、广西壮族自治区桂林市兴安县界首镇桂林日盛食品有限责任公司采用中等程度难剥甜玉米、山西省忻州市定襄县山田园食品加工有限公司采用易剥甜玉米对甜玉米剥皮机进行了3次技术性能检测。

技术指标为生产率、剥净率和破损率。其中三项技术指标的检测步骤及计算公式如下［16］：

（1）生产率指单位时间内剥出玉米穗的数量，在设备正常工作的情况下，测定机具的生产率，每次在机具出料处取样时间30～180 s，每次间隔时间不少于120 s，或者停机后再启动。按式（1）计算生产率。平行测定3次，取平均值。

式中：

Q——生产率，穗／h；

M——取样数量，穗；

T——加工时间，s。

（2）剥净率是指甜玉米剥皮加工过程中剥净果穗数量占已剥皮加工果穗数量的比率。甜玉米果穗苞叶全部剥离或只剩一层叶视为剥净。在测量生产率的同时从剥皮加工甜玉米的穗数M中，分出剥净的甜玉米穗数N，按式（2）计算剥净率。平行测定3次，取平均值。

式中：

B——剥净率，%；

N——剥净的玉米果穗数量，穗；

M——剥皮加工甜玉米的果穗数量，穗。

（3）甜玉米破损率指每个玉米穗残缺籽粒在该穗全部玉米籽粒数量中所占比例，随机抽取50穗剥净皮的玉米穗，数出每穗破损籽粒数量和每穗全部籽粒数量。按式（3）计算破损率。平行测定3次，取平均值。

式中：

η——破损率，%；

Xp——每穗破损籽粒数量，粒；

Xz——每穗全部籽粒数量，粒。

2.2.2 与甜玉米剥皮机旧机型比较 采用不同区域，不同品种，剥皮程度难度有差异的鲜食甜玉米原料，对新改进机型和原有机型剥皮机进行剥皮效果对比试验，检测两种机型在生产率、剥净率和破损率的差异，检验新改进措施效果。其中剥皮质量等级参考《甜玉米剥皮机》的企业标准。

3 结果与分析

3.1 试验结果

采用难剥、中等程度难剥及易剥甜玉米品种进行新旧机型的性能对比试验，结果见表1～3。

3.2 结果分析

由试验结果的数据可知，对于不同程度难剥的甜玉米品种华珍、脆王和金妃来说，新机型在生产率、剥净率和破碎率的性能指标均优于旧机型；在生产率方面，与原机型相比，改进后机械对甜玉米小时生产穗数的影响排序为中等程度难剥甜玉米＞难剥甜玉米＞易剥甜玉米，小时生产穗数的提高分别约为19.7%，15.0%，12.7%；在剥净率方面，改进后机械的影响程度排序为难剥甜玉米＞中等程度难剥甜玉米＞易剥甜玉米，剥净率的提高分别约为13.7%，11.4%，1.5%；在破碎率方面，改进后机械的影响程度排序为中等程度难剥甜玉米＞易剥甜玉米＞难剥甜玉米，破损率的降低分别约为48.8%，41.7%，36%。

表1 难剥甜玉米品种的剥皮效果对比Table 1 Performance comparison between new model and old model about difficult peeling sweet corn

表2 中等程度难剥甜玉米品种的剥皮效果对比Table 2 Performance comparison between new model and old model about moderate difficult peeling sweet corn

表3 易剥甜玉米品种的剥皮效果对比Table 3 Performance comparison between new model and old model about easy peeling sweet corn

在鲜食玉米剥皮机的设计试验过程中，发现还存在以下问题。

（1）由于甜玉米品种、种植土壤、当年气候环境因素以及田间管理等因素影响，采收的甜玉米成熟度不好，籽粒尾端呈坑状，玉米籽粒外皮与玉米汁结合不紧密，这种玉米破损率较高。

（2）由于糯玉米成品一般为果穗，对破损率要求与甜玉米不同，甜玉米破损率一般规定的是破损籽粒占整穗玉米籽粒的比率，而糯玉米的破损率食品加工厂家要求与企业标准有差异，厂家要求的破损率为存在破损籽粒的穗数与总加工穗数的比率。目前剥皮机的性能指标在破损率上还达不到加工厂家的要求。因为糯玉米果穗作为商品出售，即使只有2～3粒破损籽粒，但出现在明显部位，也会对其售价造成影响，因此目前糯玉米剥皮还是以人工剥皮为主。

（3）现在单机提高生产率的方法主要是增加通道数量。提高单通道生产率还需兼顾破损率和剥净率两个性能指标。如何优化橡胶辊，提高单通道橡胶辊的生产率还需进一步研究试验。

4 结论

（1）对橡胶辊表面凸棱圆角和橡胶辊材质进行改进相辅相成，不能拆分开来进行试验。试验表明参数优化后的机型在生产率、剥净率和破损率的性能指标都有所提高，同时降低了由于玉米扎头造成的设备堵塞故障。

（2）增加喷水装置对提高剥皮质量和延长橡胶辊寿命都有明显效果。

（3）新机型对中国不同区域，不同品种的甜玉米剥皮均能适用。

1 何晓鹏，沈瑾，孙洁.浅谈我国甜玉米行业发展概况［J］.农业工程技术·农产品加工业，2010（10）：26～29.

2 Magnuson Corporation.Corn cutter operations manual［Z］.Colorado State（USA）：Magnuson Corporation，1998.

3 Wilbur A Gould.Unit Operations for the food industries［M］.O－hio State（USA）：Woodhead Publishing Limited，1995.

4 Donald L Downing.A complete course in canning－Book II－Processing procedures forcanned food products［M］.New York（USA）：Woodhead Publishing Limited，1996.

5 王先霞，倪长安，刘师多.玉米果穗剥皮装置影响剥皮性能的试验分析［J］.农机化研究，2009，31（2）：117～120.

6 唐力，李龙春，贾俊杰.玉米剥皮机存在七大质量问题伤人事件频繁发生［J］.农机质量与监督，2006（1）：28～29.

7 贾秀芝，季英.玉米穗剥皮机性能试验［J］.农机质量与监督，2007（2）：32～33.

8 赵德春，吕金庆，盛力伟.玉米剥皮机的研究设计［J］.农机化研究，2001（2）：59～60.

9 王晶.我国玉米剥皮机械化及机具的概况与发展方向探讨［J］.农业与技术，2007，27（6）：101～104.

10 李媛，穆春虹，黄明智.5BY－7.0型玉米剥皮机的研究设计［J］.农村牧区机械化，2007（3）：12～13.

11 陈国武，毛善义，侯凯州.玉米联合收割机剥皮装置的设计［J］.新疆农机化，2008（4）：5～6.

12 邱岳巍，赵荔娜.玉米剥皮机剥皮装置的改进［J］.农村牧区机械化，2009（6）：38～39.

13 陈宝昌，林君堂，李存斌.新型玉米剥皮机的研究设计［J］.农机化研究，2010，32（2）：88～90.

14 何晓鹏.一种甜玉米剥皮机结构：中国，ZL 2006 2 0131948.1［P］.2007－12－05.

15 曹慧鹏.5YB－600型玉米剥皮机的设计与研究［J］.当代农机，2008（6）：69～70.

16 赵玉强，何晓鹏.鲜食玉米剥皮机的设计与试验［J］.农业工程学报，2011，27（2）：114～118.