低破碎多通道玉米剥皮机关键技术研究与设计

张 亮 赵德荣 王兴鹏 贾 峻 李彦伟

（酒泉奥凯种子机械股份有限公司，甘肃酒泉 735000）

国以民为本，民以食为天。玉米是世界上第一大粮食作物，也是我国三大粮食作物之一[1]。种子是粮食的“芯片”，种子安全关系到国家粮食安全。在我国杂交玉米制种行业，玉米种子加工成套生产线包括收（捡）穗工段、果穗干燥工段、脱粒工段、籽粒干燥工段、精选加工工段、包衣工段以及包装工段，全流程基本实现机械化，但是果穗剥皮多采用人工剥皮作业。研发适用于我国玉米种子加工工艺和鲜玉米加工的多通道玉米剥皮设备，可以替代人工剥皮作业，减轻劳动强度，提高作业效率，缩短加工周期，降低企业成本，减少损失，从而打通我国玉米种子加工全程机械化进程“最后一公里”，为我国玉米种子加工企业带来一定的经济效益，促进我国玉米制种、生产加工全程机械化进程，推进种业快速发展。

1 国内外玉米剥皮装备研究现状

1.1 国外玉米剥皮机研究现状国外玉米收获机械化程度较高，机械化生产率在90%以上，尤其是西方欧美国家，玉米剥皮装备与技术研究起步较早，相关研究趋于成熟。例如以美国、加拿大、巴西为代表的美洲国家和以德国、俄罗斯为代表的欧洲国家基本实现了机械化玉米剥皮，机械化生产率在92%以上。

美国对玉米剥皮机的研究最早，20 世纪初美国相关研究机构陆续研制出玉米剥皮设备并首次公布试验结果。1908 年世界上首台玉米剥皮装置在美国诞生，随着研究的不断深入，美国研究机构将研究重点逐渐从实验室转向了田间试验，1931 年世界上首个玉米剥皮试验田间试验结果在美国南达科他州工学院公布，剥净率是48%～75%，损失率是2.8%～10.2%，破碎率是1.8%～4.5%，虽然剥皮性能远远低于生产要求，但开辟了玉米剥皮机械化作业新途径，减轻了人们劳动强度[2]。20 世纪90 年代末期，为了提高玉米剥皮装置的性能，美国开始对玉米剥皮装置进行结构优化设计，特别是剥皮辊的材质、组合形式及表面槽型等方面。玉米剥皮机的剥皮辊主要有3 种材质，分别是橡胶辊、铸铁辊、铝辊，组合形式众多，大部分选择铸铁辊和橡胶辊组合的形式，也有全部采用橡胶辊的形式[3-5]。例如，美国AK 公司生产的CKY-10 型玉米剥皮机，其剥皮辊采用全橡胶辊，剥净率在92%以上，破损率小于2%，适合于甜玉米、爆裂玉米、制种玉米等收获期高含水量（含水量在30%以上）的玉米果穗剥皮。

欧洲大部分国家玉米收获均使用多功能联合玉米收获机，这种收获机具备玉米切茎、摘穗、剥皮、收集等多种功能，某些联合收获机还具备玉米脱粒功能，玉米收获机械化程度较高，技术先进。如法国布光公司生产的JLD610 型多功能玉米收获机、德国的道依茨公司研制的CF-30 联合玉米收获机等都能实现切茎、摘穗、剥皮、收集、脱粒等多功能作业。

目前，世界上大型的农业装备制造商均生产玉米剥皮机，如美国的Case 公司、John Deere 公司，德国的道依茨公司、Mengle 公司等，这些公司生产的玉米剥皮机多数是安装在自走式玉米收获机上的剥皮装置，实现果穗收割、摘穗、剥皮联合作业。

1.2 国内玉米剥皮机研究现状国内玉米剥皮机的研究起步较晚，主要分为3 个阶段：20 世纪70年代以前为起步阶段，主要研究形式为技术引进、消化、仿制；20 世纪80-90 年代末是关键技术攻关阶段，理论结合实践，主要进行剥皮机理、机械结构的研究；进入21 世纪，玉米剥皮机的研究在我国有了较快的发展，各研究机构、专业院校开始对剥皮机进行更加深入的理论研究。在我国玉米剥皮机主要分为两种类型：一类是适用于农户家庭进行玉米剥皮作业的固定式场上玉米剥皮机，多为小型玉米剥皮装置，生产厂家较多，但生产率较低，结构较简单，性能不稳定；另一类是安装在玉米收获机上，用来实现摘穗、剥皮一体化作业的玉米剥皮装置[6-8]，多为综合农机生产商生产，剥净率较高，性能较稳定。

2 玉米剥皮机主要结构及工作原理

2.1 主要结构该设备主要由专用喂料系统和玉米剥皮系统两大系统组成（图1）。其中专用喂料系统由计量输送器和振动给料器组成，玉米剥皮系统由剥皮器、干油润滑系统和倾角调节系统组成。

图1 低破碎多通道玉米剥皮机机构示意图

结构特征：外观采用组合结构，结构合理、便于安装；剥皮系统设置安全防护栏及接近开关，只要安全防护栏处于未闭合状态，剥皮辊将无法正常开启，保证设备安全性；出料端支腿内设置的液压千斤顶，以便及时进行控制调整，使其达到理想的剥净率、生产率。

2.2 工作原理该设备工作原理主要利用以下几种特性实现：（1）专用喂料系统中计量输送器应用了变频调速，可将物料均匀地送入振动给料器，可根据剥皮系统的产量任意匹配合适的喂入量；振动给料器是带一定倾角和分料槽的振动筛，通过低振幅、高频率振动将玉米果穗平稳有序地送入剥皮系统完成整个给料过程，同时将混杂在果穗内的散籽经振动输送槽内的漏籽孔进行了有效的分离，大大降低了破碎率和损失率。（2）玉米剥皮系统的剥皮器采用32 根剥皮辊，形成16 个槽型剥皮通道，每个剥皮通道的2 组剥皮辊相对转动，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。在每相邻2 个剥皮通道的中央正上方安装有自动摆动的摆杆拨料机构，可将横置于剥皮辊上的果穗拨顺，使物料不阻塞、不聚集；剥皮器采用滑动轴承支撑，干油润滑系统可定时定量给每个润滑点提供润滑脂，保证系统稳定运行；剥皮器倾角调节系统采用液压千斤顶结构，可根据玉米果穗品种和水分不同，调节剥皮器的倾角，保证剥净率的同时，达到最大产量。

3 关键技术研究

剥皮系统是玉米剥皮机的主要系统之一，主要由剥皮器、剥皮系统支架、倾角调节机构、摆动杆拨料机构、安全防护装置、润滑系统、动力传动系统及附件组成。剥皮器是该部分关键机构，在剥皮过程中，剥皮辊的主要功能是抓取苞叶、撕开苞叶，将苞叶从剥皮辊间隙中排除，它的材料、表面结构形式、配置方式、有效长度等决定其功能的优劣，直接影响剥皮机剥净率、破碎率、损失率等性能。因此，剥皮辊的设计尤为重要。

3.1 剥皮器的确定剥皮器主要由剥皮辊组合、摆动拨料装置、传动齿轮、滑动轴承、集中润滑组合、剥皮器框架组合等部分组成。剥皮辊组合采用32 根剥皮辊，每2 根剥皮辊高低布置，构成一个剥皮通道，共有16 个剥皮通道。

3.2 剥皮辊的形状设计由于玉米种子相对粮食玉米价格较高，因此，对加工过程的破碎率提出了更高的要求，要求破碎率≤1%。鉴于此，经过多次试验，该设备剥皮辊选用橡胶辊，橡胶辊材质采用特殊橡胶，并且采用槽型配置。每组橡胶辊表面设计有反向螺旋状的凸起，有助于将玉米果穗的苞叶碾住撕开，达到剥离的目的，保证剥净率的同时，大大降低了破碎率，且特定的螺旋升程有利于物料在剥皮通道上顺利流通。

由于剥皮过程中会有落粒产生，为防止落粒被剥皮辊挤碎损伤玉米胚芽，在橡胶辊及铝辊表面开有凹槽，便于落粒顺利排出，混合在苞叶中的落粒由下道工序籽皮分离机分离重新利用。

3.3 剥皮辊有效长度设计根据经验，剥皮辊的长度越长，剥净率越高，但是会增加破碎率和损失率，剥皮辊太短，剥净率达不到要求，设计前，选取不同有效长度的剥皮辊做剥皮试验，剥净率结果如表1所示。试验结果显示：剥皮辊有效长度在600mm 内剥净率为85.56%，在1000mm 内剥净率为91.19%，在1400mm 内剥净率为95.42%，在1600mm 内剥净率为96.79%。

表1 剥皮辊有效长度试验结果

根据试验结果得出剥皮辊有效长度在1400mm内剥净率为95.42%，满足设计中剥净率≥95%的要求，考虑到全橡胶辊组合相较传统铸铁辊与橡胶辊组合剥皮效率有所下降，故将剥皮辊有效长度定为1500mm。

3.4 剥皮辊的组合形式剥皮辊由橡胶辊段和铝辊段串联组合而成，且橡胶辊分为3 种形式。这种排列方式的优点在于每2 组剥皮辊轴向相对位置的胶辊段材质不同，摩擦力不同，果穗在沿剥皮辊轴向方向运动时，还绕自身轴向旋转（向摩擦力大的一侧旋转），由于相邻两段胶辊的摩擦力不同，果穗绕自身轴向旋转的方向不断变换，剥皮效果更好。橡胶辊相邻两段有一段表面有排籽槽，有助于剥皮过程中脱落的籽粒及时排出，有效降低了籽粒破碎率。分段的橡胶辊磨损后，可拆卸磨损段进行更换，与传统剥皮辊磨损后需要整根更换相比，维护方便，节约成本。

4 结论

大量试验与生产实践表明，该16 通道玉米果穗剥皮机可实现剥净率≥95%，破碎率≤1%，损失率≤1%，生产率可达15000kg/h，相比于传统剥皮机提高了剥净率，降低了破损率，适用于我国制种玉米种子加工工艺和鲜玉米加工要求，达到了预期的目的。