小型玉米剥皮机静力学研究

李海山

(重庆市农业机械化技术推广总站，重庆 401147)

0 引言

随着我国养殖业快速发展及深加工技术迅速提升，玉米的需求量与日俱增[1]。然而我国受地理因素、科技水平、劳动成本和工作效率等因素制约，玉米机械化收割率相对较低，仍有较大的提升空间[2-3]。我国的玉米种植存在分布范围广、地貌复杂、数量不均等特点，从而增加了玉米收割的难度[4-5]。在玉米收割作业中，玉米剥皮作业最为复杂。如何有效解决玉米剥皮困难、提升玉米收割效率和减小劳动强度是亟待解决的问题。基于此，有学者针对鲜食玉米、甜玉米等设计了玉米剥皮机，解决了食用类玉米的剥皮难题[6-8]。李振武[9]提出了5YPJ-10型玉米剥皮机的设计与研制，在大型玉米剥皮机领域取得了突破。有学者提出了玉米剥皮机部件改进设计及三维仿真应用[10-11]。以上研究虽然取得了一定成果，但其作用对象、作用地域和分析方法仍有一定局限。

本文介绍一种由铁辊和胶辊共同作业的小型玉米剥皮机，其具有玉米粒破损率低、价格便宜、适用范围广和效率较高等特点，可在中小型玉米种植户中大范围推广。进一步对其进行静力学仿真研究，揭示该型玉米剥皮机在作业过程中的形变及应力特性，并提出建议。该项研究可为小型玉米剥皮机的应用和推广开辟新的途径。

1 模型及工作原理

小型玉米剥皮机结构如图1所示，主要由机架、驱动电机、传动机构和执行机构组成。工作过程中，首先通过电机带动带轮和张紧轮转动；由带轮轴上的齿轮与主动铁辊轴上的齿轮啮合，带动主动铁辊转动；张紧轮带动张紧轮轴上的叶片旋转，形成风力；主动铁辊与从动铁辊间通过齿轮啮合传动。两胶辊关于两铁辊呈对称安装，如图1所示。玉米由剥皮机的入料口进入剥皮机内，在铁辊和胶辊的共同作用下完成剥皮动作，玉米向左运动经出料口送出，玉米皮分离后穿过铁辊和胶辊间的间隙，在风力作用下吹出剥皮机，从而实现整个玉米剥皮作业。系统主要参数如表1所示。该型玉米剥皮机通过采用铁辊和胶辊共同作用，可有效降低剥皮作业过程中玉米的破损率。

1.胶辊 2.铁辊 3.剥皮块 4.传动机构 5.驱动电机6.风机箱

表1 系统主要参数

2 模型建立

小型玉米剥皮机的执行机构主要为铁辊和胶辊，在工作过程中不仅承受传动机构所输入的转矩，同时承受玉米所施加的载荷，工作情况复杂。剥皮机的机架为板材与型钢组焊接的复杂框架结构，受带轮主轴及铁辊轴旋转所产生的激振力、系统的冲击载荷及物料的不均匀等变载荷作用，机架结构的应力状态复杂。故针对该小型玉米剥皮机进行静力学仿真研究。

2.1 几何模型建立

在三维建模软件中，建立小型玉米剥皮机的三维模型，如图1所示。将建立好的三维模型保存为.x_t文件并导入Workbench中。在分析前，需要对模型进行预处理，具体的建模处理思路如下。根据分析要求，将防护罩、进料口、出料口、螺栓等与分析无关的结构直接删除，进一步简化模型。通过在铁辊轴上施加转矩代替电机输入。小型玉米剥皮机的机架、铁辊、齿轮等部分选用的材料为结构钢，其弹性模量E=2×105MPa、泊松比μ=0.3、密度7 850 kg/m3。胶辊选用的材料为橡胶，其弹性模量E=7.8 MPa、泊松比μ=0.47、密度ρ=1 000 kg/m3。

2.2 约束及载荷

在Workbench中，调用Static Structural模块对小型玉米剥皮机进行静力学分析。首先通过Engineering Data菜单定义结构钢和橡胶的材料属性，然后在Geometry菜单中导入模型，进一步在Model菜单中定义零件的材质及零件间的接触关系。借助Mesh菜单对剥皮机的模型进行网格划分，如图2所示，网格的大小与计算精度和计算时长密切相关。在Static Structural菜单下定义系统重力加速度，并为两铁辊施加转速如图3所示，两铁辊转速为350 r/min，即36.6 rad/s，两铁辊反向旋转。由于铁辊和胶辊在工作过程中受到玉米的压力、摩擦力及其反作用力影响，故对铁辊和胶辊施加载荷如图4所示。引入Total Deformation菜单及Equivalent Stress菜单作为分析对象，并完成模型求解。

图2 网格划分

图4 施加载荷

3 仿真结果

通过静力学仿真分析得到小型玉米剥皮机在工作过程中的变形情况及等效应力情况如图5～6所示。根据变形分析可知：剥皮机在工作过程中胶辊受玉米作用产生变形，最大变形为1 cm，且出现在胶辊中部，离轴支座越近变形越小；而铁辊和机架几乎不发生变形。进一步地，根据等效应力分析可知，系统最大应力出现在铁辊的轴上，最大应力为10.4 MPa，而结构钢的屈服强度为235 MPa，故最大应力在强度允许范围内；其余部件所受应力较小且皆在允许范围内。因此，根据静力学分析可知，该型玉米剥皮机在工作过程中所受应力及形变均较小，效果较为理想。同时，为进一步减小胶辊的变形量，可考虑将胶辊更换为铁辊，通过在铁棍上镶嵌橡胶的剥皮块代替胶辊，这样既可以保证玉米在剥皮过程中颗粒度破损率较低，同时也满足变形小的要求。

图5 变形分析

图6 等效应力分析

4 结论

针对小型玉米剥皮机完成了静力学分析。在该系统参数下，小型玉米剥皮机最大形变发生在胶辊中部，最大形变量为1 cm。最大应力出现在铁辊轴上，且最大应力为10.4 MPa，在强度允许范围内。该型玉米剥皮机结构简单、效率较高、玉米粒破损率低、价格便宜、适用范围广，具有较好的应用前景。同时，为减小胶辊形变量可采用铁辊代替胶辊，通过在铁棍上镶嵌橡胶剥皮块以保证玉米籽的完好率。