一种玉米果穗剥皮装置

2012-10-10李剑飞

长春工业大学学报 2012年2期

关键词：苞叶辊轴辊的

肖戟，李剑飞

（吉林省农机装备科技创新中心，吉林长春 130022）

1 玉米果穗剥皮原理和剥皮过程

1.1 剥皮辊的工作原理

玉米果穗剥皮主要是依靠剥皮辊的工作表面与苞叶之间的接触摩擦力和机械作用，将苞叶撕裂、抓取，最后拉掉。果穗沿剥皮辊轴线方向的滑动是依靠剥皮辊轴与水平面的倾角和剥皮辊表面螺旋线的推送作用，以及压制器（或刮板）等给予的力［1］。

果穗在剥皮辊上的转动，是依靠两个相对回转的剥皮辊所具有的安装高度差，以及因不同材料剥皮辊的摩擦系数不同，所产生不等的摩擦力而造成不等的摩擦转矩所致。

1.2 玉米果穗剥皮过程

玉米果穗剥皮过程是指玉米果穗进入剥皮辊后，在回转和滑行过程中不断受到剥皮辊的抓取，苞叶被撕裂、拉拽，并从两剥皮辊的间隙中拉出，而剥去苞叶的光果穗沿着滑板排出剥皮辊以外的全部历程。大致可分为3个阶段，分别为抓取苞叶、扯拉苞叶和苞叶脱离果穗阶段

2 剥皮辊轴机械性能

2.1 玉米果穗剥皮过程的受力分析

2.1.1 剥皮辊轴不回转

当剥皮辊轴不回转时，玉米果穗的受力情况如图1和图2所示［3］。

图1 剥皮辊静止时果穗的受力图（在垂直于辊轴平面内）

图2 无压送器作用时果穗受力简图（在平行于棍轴平面内，剥皮辊有高度差）

图中：Q——果穗重量；

a——两辊垂直高度差；

β——剥皮辊水平倾角；

R——剥皮辊半径；

r——果穗半径；

α——剥皮辊抓取角；

γ——两辊偏置角；

P1，P2——果穗重量对两辊的正压力；

N1，N2——分别为两辊对果穗的支反力；

F1，F2——分别为果穗与两辊的摩擦力；

O1——高辊轴心；

O2——低辊轴心。

高度差为：

玉米果穗与水平成β角的剥皮辊表面下滑时，则有：

由图1中所示力的三角形求得：

因为cos（α－γ）＞cos（α＋γ），所以P1＞P2，即果穗对低辊的正压力大于果穗对高辊的正压力。

果穗与两辊的摩擦力分别为［4］：

式中：f1，f2——分别为果穗与高辊、低辊的摩擦系数。

关系式（1）和式（2）［5］可以用剥皮辊轴和玉米的尺寸来表示，经计算得：

两个剥皮辊轴的摩擦力之和：

当两辊轴布置无高度差，即a＝0时，则式（5）为：

当f1＝f2，且a＞0时，则式（5）为：

由图2可知，玉米果穗的下滑条件为：

将式（7）代入式（8）中，得：

当f＝f1＝f2时，式（9）为：

由式（9）可以看出，玉米果穗沿剥皮辊轴的滑动取决于很多因素。首先与剥皮辊倾角、摩擦系数、剥皮辊轴尺寸及果穗尺寸有关，此外还与两辊轴的配置方式有关。

2.1.2 剥皮辊轴回转

当剥皮辊轴回转时，果穗的受力情况如图3所示。

图3 剥皮辊轴回转时果穗受力简图

设果穗沿辊轴的移动阻力很小，忽略不计。则：

回转力矩：

由式（11）～（13）［6］可得如下。

在现有的剥皮机上多半采用偏置的辊轴，其中两个辊轴由不同材料做成，或者有相同材料但是辊轴表面的粗糙度不同，在这种情况下主动力为：

如果在果穗回转的情况下，同时又要满足果穗的下滑条件，此时与单纯下滑的起始条件不同。当剥皮辊不转动时，玉米果穗只能完成向前移动，其摩擦力方向与剥皮辊的轴线方向平行；当玉米果穗同时完成滑移和回转两种运动时，其表面的绝对速度方向与剥皮辊的轴线方向成一个角度φ，其大小与运动速度的比值有关。由于运动物体所受的摩擦力与其运动速度方向相反，故玉米果穗的摩擦力方向将随φ角的改变而改变，如图4所示。

图中：V——玉米果穗轴向移动速度；

V1——玉米果穗相对第一剥辊圆周线速度；

V2——玉米果穗相对第二剥辊圆周线速度。

图4 玉米果穗脱皮受力图

此时玉米果穗的下滑条件为：

将式（1）和式（2）代入，则可求出：

其中，φ值可由下式确定：

2.2 剥除玉米果穗苞叶条件

剥皮主要是依靠果穗苞叶和剥皮辊间的切向摩擦力，使果穗苞叶被剥皮辊抓取并拉掉。为此需同时满足：

2）Fn＞Pmax。

式中：f——苞叶与剥辊间的摩擦系数；

Fn——剥辊拉苞叶之力；

Pmax——拉断苞叶所需之力。

2.3 玉米果穗不被抓取的条件

由图1分析可知，欲使果穗不被两辊拉入，应使两辊圆心连线的垂线方向的合力为零，可列方程［7］：

其中：

设f＝f1＝f2，则有：

果穗不会被抓取的条件为：抓取角α的正切值大于或等于果穗与剥皮辊之间的摩擦系数［8］。

因为：

式中：D——剥皮辊直径；

d——带苞叶的果穗平均直径。

可见角α值是由剥皮辊和果穗直径共同决定。当角α增大时，抓取能力减弱，降低剥净率；当角α减小时，抓取能力增强有利于剥取苞叶，但α过小，则增加果穗籽粒的损伤，最适宜剥皮辊直径应是剥皮辊只抓取苞叶，不抓取果穗。即：

综上所述，果穗剥皮过程应满足以上3个基本条件苞叶才能被剥除，并能保证一定的生产效率。

3 玉米果穗的剥皮方式

3.1 撕裂剥皮

果穗在相对回转剥皮辊的作用下，苞叶首先被剥皮辊上的钉齿撕裂，钉齿同时拉拽苞叶，致使一部分苞叶通过机械作用被撕裂，使苞叶很快也被抓取，进而剥掉。

3.2 捻取剥皮

果穗在剥皮辊的作用下，时而回转，时而停止，有时甚至反向运动。经实验观察分析，这和果穗的受力状态有关，在果穗没被剥苞叶时，会有回转现象，一旦苞叶受到它与剥皮辊之间的摩擦力作用，就被剥皮辊抓取，果穗受拉拽方向影响停止运动，或反向运动。从果穗的侧面看，果穗回转同时不断前进，苞叶的抓取首先是从穗尖开始，依次拉到果柄连接部位苞叶才被拉断。果穗大端向前进方向时，常会产生果穗回跃现象，这是由于果穗苞叶被剥皮辊从穗尖抓取后，几乎以剥皮辊的圆周线速度迅速被拉进两剥皮辊的间隙中，从而牵动果穗向回跃进。