玉米收获机剥皮装置的工艺分析与性能提升
秦 琪
(咸阳师范学院，陕西 咸阳 712025)
玉米是三大主要粮食作物，也是世界范围种植广泛的粮食作物之一，我国对于玉米的栽培具有悠久的历史。近年来，我国的玉米产出持续增加，2020年以来，我国的年均玉米产量在2.6亿t左右，约占世界玉米产量的23%。中国玉米的种植范围广，要实现高质量的玉米生产，除依靠优良品种和先进农艺技术外，农业机械化在玉米的耕种收及后期处理上也发挥着重要作用。玉米收获机是用于玉米成熟后收获的先进机械，随着技术的发展，现代化的玉米收获机逐渐向功能集成化发展，其作业过程能够实现对玉米的秸秆割断、摘穗、剥皮、秸秆处理等多种工序，具有显著的高效率特点。
剥皮装置作为玉米收获机的重要功能部件，承担着去除玉米果穗苞叶的重要工作，其与玉米收获机的其他功能部件相配合，使机械收获的玉米实现高效、高质量地苞叶去除，有利于收获后玉米的储存，并降低农民的劳动强度。一直以来，我国自主研发和生产的玉米收获机过于重视摘穗技术，对于剥皮装置的研究不够深入，常在剥皮过程出现苞叶去除不净、果穗损伤等问题，对玉米的总体收获质量造成了影响。
早在20世纪初期，美国、加拿大等西方国家就将剥皮装置应用于玉米的田间机械化收获作业，我国对于玉米收获机剥皮装置的研究起始于20世纪50年代，随着我国农业机械化的持续发展，玉米收获机产品也趋于成熟化与先进化，具有了显著的本土产业技术特点，且逐渐与国际技术接轨。现阶段，我国农业生产中应用的玉米收获机根据结构特征主要包括自走式机型和背负式机型两种，越来越多的玉米收获机配备了剥皮装置，剥皮功能与剥皮质量也成为了农民选购玉米收获机的重要参考依据[1]。
为进一步提升剥皮装置在玉米收获过程的适用性，我国针对玉米收获机剥皮装置的相关技术展开大量研究，为剥皮装置技术升级和结构优化创造了有利条件。曾东[2]研制了一款玉米剥皮试验台，用以提升玉米剥皮机的合理性，明确了玉米剥皮装置的工作原理，说明了剥皮机性能不稳定的常见因素，设计了剥皮辊转速和压送器转速的电动可调节，能够通过实验验证不同玉米的最佳剥皮参数，能够模拟玉米收获机剥皮装置在实际生产作业过程中的工作状态，有效提升玉米剥皮装置研发的合理性。马健飞[3]设计了一款结构与功能更合理的玉米收获机剥皮装置，基于矛盾矩阵设计了关键部件，并对各个部件进行了ANSYS/LS-DYNA动力学分析，得出果穗平均运动速度、果穗绕自身轴线的角速度、果穗所受到的最大力等多个指标的最佳参数组合，对传统玉米剥皮装置进行了技术与结构升级，所设计的剥皮装置实现了苞叶平均剥净率89.63%、籽粒平均损失率1.37%、籽粒平均破损率0.39%的良好性能。霍洪鹏[4]对于剥皮装置的苞叶剥离机理展开研究，明确了剥皮辊各参数与剥皮质量之间的影响关系，利用ADAMS设定剥离辊参数，并利用ANSYS软件进行仿真和优化，明确了玉米剥皮装置最常见的三项性能指标，为剥皮装置的技术升级和剥皮机理的深入研究创造了良好条件。
2.1 结构与组成
玉米收获机剥皮装置主要包括剥皮辊、传动装置、压送装置、架体等组成，其中剥皮辊成对使用，布置形式如图1所示。剥皮辊作为剥皮机的主要工作部件，多布置在剥皮机的垂直中心偏上位置，呈前高后低的倾斜装配；
压送装置安装于剥皮辊上方，剥皮装置能够将玉米果穗压紧到剥皮辊的表面[5]。剥皮装置的运转动力来自于收获机的发动机，通过传动结构的设计实现对剥皮辊的驱动。
1.架体；
2.压送装置；
3.剥皮辊；
4.传动装置
根据剥皮辊布置形式的不同，可分为平置式、角置式、槽置式三种类型，部分先进机型还向新型布置方式展开研发，从现阶段的三种常见布置形式看，其分别具有如下特点。平置式布局的结构最为简单，如图2(a)，剥皮过程不易造成果穗啃食损伤，不易产生掉粒，生产加工成本低，调整更换更为容易，但该结构对较多量玉米的剥皮作业效果不理想，存在剥皮不净问题；
角置式布局相对于平置式能够在空间上加大与玉米的接触面积，如图2(b)，同时，玉米在自身重力作用下进入沟槽内，有利于剥皮辊相对转动时高效率拉扯去除果皮，但该结构存在反向旋转两剥皮辊位置的果穗剥皮不净问题；
槽置式布局是在角置式布局的基础上进行的优化，槽置式与角置式相比，每组有两条有效剥皮间隙，如图2(c)，高处位置两相邻辊是反向旋转，有利于提高玉米果穗分布的均匀性，能够保证绝大部分玉米果穗得到有效的剥皮，槽置式布局是现阶段剥皮质量和稳定性较好的结构，但也存在对含水率较高玉米破损率高，对含水率较低玉米籽粒损失率偏高问题。
图2 剥皮辊3种布置形式
2.2 工作原理与过程
剥皮辊是去除玉米果穗苞叶的主要工作部件，其主要通过在旋转过程与果穗苞叶之间产生的摩擦力和拉扯力去除苞叶。玉米果穗在剥皮辊上所受到的作用力主要包括：剥皮辊表面产生的摩擦力、剥皮辊凸起结构产生的冲击力、两剥皮辊配合间隙产生的挤压拉扯力。当玉米果穗进入剥皮装置后，会随着剥皮辊的旋转而转动，两个剥皮辊组成一个工作单元，整个剥皮装置由多个工作单元组成。
在利用剥皮装置去除苞叶的过程中，单个带苞叶的玉米果穗大体经过以下四个工作阶段。1)苞叶疏松与抓取。在快速转动的一组剥皮辊上，玉米果穗也会产生转动，此时受到果穗自身重力和压板压力的共同作用，果穗与剥皮辊产生一定的摩擦力和冲击力，苞叶逐渐变得疏松并被剥皮辊的间隙抓取。2)苞叶夹持与拉扯。随着剥皮辊的旋转，苞叶被夹持在两个剥皮辊的配合间隙内，并随着旋转过程而被拉扯，使最外部的苞叶向剥皮辊的下方运动而与玉米果穗逐渐分离。3)苞叶去除。随着剥皮辊夹持与拉扯力的逐渐增大，苞叶在果穗的根部被拉断，实现苞叶与果穗的分离，由于果穗在剥皮装置内部持续旋转，果穗苞叶由外至内会被依次剥离并去除，实现完全的苞叶去除。4)后续处理。分离后的玉米果穗受到剥皮辊倾斜布置的作用力影响，逐渐向下运动进入输送装置，苞叶被剥离后进入振动筛将剥皮过程掉落的籽粒与苞叶分离，苞叶被排出，籽粒被集中收集[6]。
3.1 适用性问题
现阶段使用的剥皮装置存在一定的适用性不足问题，表现在其只针对一定范围的玉米品种的植株特性表现出良好的适用性，当玉米果穗存在湿度过大、过于干燥、苞叶过紧等情况时，表现出剥皮效率和质量降低，导致剥皮质量因品种不同而出现差异性。
3.2 损失率问题
在大部分玉米果穗剥皮过程中均或多或少地出现粮食损失问题，表现为籽粒掉落、果穗啃食等，这与剥皮辊的材料选择、结构设计直接相关，如何在提高剥净率的同时降低粮食损失，也成为技术优化的重要方向。
3.3 可靠性问题
在农业生产实际应用过程中，剥皮装置长时间使用过程中可能出现以下功能性问题：1)剥皮辊磨损；
2)剥皮辊缠绕杂草；
3)传动齿轮损坏；
4)剥皮辊配合间隙变大；
5)果穗堆积无法排出。导致剥皮装置使用过程的故障率增加，使用体验相对降低。
3.4 便捷性问题
使用过程中不可避免的要根据玉米果穗的特性差异对剥皮辊间隙、压送压力等进行调整，由于剥皮装置的结构相对复杂，在收获机上的安装位置较高，存在使用调整难度大、周期长问题，在一定程度影响使用效率。
4.1 剥皮辊的技术优化
剥皮辊的安装结构和材料选择决定了剥皮辊的剥皮能力，剥皮辊的技术优化主要应从以下几方面考虑。
4.1.1 改良剥皮辊的表面性能
剥皮辊表面的摩擦力决定了其苞叶去除能力，但表面摩擦力过大会造成籽粒损失增加，此时可考虑采用复合型材料的剥皮辊，可考虑剥皮辊上半部位置以大摩擦力的橡胶、金属纹理、凸钉等组成，以提高剥皮能力，下半部尤其是尾部采用平滑纹理的金属材料制造，使后半部保留一定剥皮能力的同时对于剥净后的果穗减少摩擦力，降低损失。
4.1.2 改良剥皮辊安装结构
传统的槽型布局仍存在一定概率导致局部位置的果穗苞叶无法完全去除，例如下方两相反旋转的摘穗辊，则为常见的剥净盲区。可考虑设计变形槽型布局结构，使下方两个剥皮辊存在一定高度差，降低玉米果穗在中间停留而无法剥皮的概率[7]。
4.2 压送装置的技术优化
压送装置的技术优化主要应从两方面考虑：1)改良压送结构，传统的压送装置采用压板或胶皮压送轮，近年来，压板的结构逐渐被淘汰，胶皮压送轮应用量增加，但我国自主机型的压送轮结构形式单一，其作用主要是增加压力，对于玉米的均布作用较小，因此应考虑设计两种或两种以上的压送轮，既实现增加压力，还有助于玉米果穗的均布；
2)优化压送装置的调整便捷性，积极引入电控技术，实现各个位置的压送压力联动调节，有效降低压送装置调整复杂性。
综上所述，剥皮装置已成为玉米收获机的重要功能装置，其技术升级对于提升玉米收获机的整体作业质量意义重大，有利于保证玉米更好的收获品质，剥皮装置的进一步升级也应重视与电控技术的深度融合，在机械结构优化的同时，提升装置的自动化程度，全面提升机具使用体验。
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