小型玉米剝皮機靜力學研究

李海山

(重慶市農業機械化技術推廣總站，重慶 401147)

0 引言

隨著我國養殖業快速發展及深加工技術迅速提升，玉米的需求量與日俱增[1]。然而我國受地理因素、科技水平、勞動成本和工作效率等因素制約，玉米機械化收割率相對較低，仍有較大的提升空間[2-3]。我國的玉米種植存在分布范圍廣、地貌復雜、數量不均等特點，從而增加了玉米收割的難度[4-5]。在玉米收割作業中，玉米剝皮作業最為復雜。如何有效解決玉米剝皮困難、提升玉米收割效率和減小勞動強度是亟待解決的問題?；诖耍袑W者針對鮮食玉米、甜玉米等設計了玉米剝皮機，解決了食用類玉米的剝皮難題[6-8]。李振武[9]提出了5YPJ-10型玉米剝皮機的設計與研制，在大型玉米剝皮機領域取得了突破。有學者提出了玉米剝皮機部件改進設計及三維仿真應用[10-11]。以上研究雖然取得了一定成果，但其作用對象、作用地域和分析方法仍有一定局限。

本文介紹一種由鐵輥和膠輥共同作業的小型玉米剝皮機，其具有玉米粒破損率低、價格便宜、適用范圍廣和效率較高等特點，可在中小型玉米種植戶中大范圍推廣。進一步對其進行靜力學仿真研究，揭示該型玉米剝皮機在作業過程中的形變及應力特性，并提出建議。該項研究可為小型玉米剝皮機的應用和推廣開辟新的途徑。

1 模型及工作原理

小型玉米剝皮機結構如圖1所示，主要由機架、驅動電機、傳動機構和執行機構組成。工作過程中，首先通過電機帶動帶輪和張緊輪轉動；由帶輪軸上的齒輪與主動鐵輥軸上的齒輪嚙合，帶動主動鐵輥轉動；張緊輪帶動張緊輪軸上的葉片旋轉，形成風力；主動鐵輥與從動鐵輥間通過齒輪嚙合傳動。兩膠輥關于兩鐵輥呈對稱安裝，如圖1所示。玉米由剝皮機的入料口進入剝皮機內，在鐵輥和膠輥的共同作用下完成剝皮動作，玉米向左運動經出料口送出，玉米皮分離后穿過鐵輥和膠輥間的間隙，在風力作用下吹出剝皮機，從而實現整個玉米剝皮作業。系統主要參數如表1所示。該型玉米剝皮機通過采用鐵輥和膠輥共同作用，可有效降低剝皮作業過程中玉米的破損率。

1.膠輥 2.鐵輥 3.剝皮塊 4.傳動機構 5.驅動電機6.風機箱

表1 系統主要參數

2 模型建立

小型玉米剝皮機的執行機構主要為鐵輥和膠輥，在工作過程中不僅承受傳動機構所輸入的轉矩，同時承受玉米所施加的載荷，工作情況復雜。剝皮機的機架為板材與型鋼組焊接的復雜框架結構，受帶輪主軸及鐵輥軸旋轉所產生的激振力、系統的沖擊載荷及物料的不均勻等變載荷作用，機架結構的應力狀態復雜。故針對該小型玉米剝皮機進行靜力學仿真研究。

2.1 幾何模型建立

在三維建模軟件中，建立小型玉米剝皮機的三維模型，如圖1所示。將建立好的三維模型保存為.x_t文件并導入Workbench中。在分析前，需要對模型進行預處理，具體的建模處理思路如下。根據分析要求，將防護罩、進料口、出料口、螺栓等與分析無關的結構直接刪除，進一步簡化模型。通過在鐵輥軸上施加轉矩代替電機輸入。小型玉米剝皮機的機架、鐵輥、齒輪等部分選用的材料為結構鋼，其彈性模量E=2×105MPa、泊松比μ=0.3、密度7 850 kg/m3。膠輥選用的材料為橡膠，其彈性模量E=7.8 MPa、泊松比μ=0.47、密度ρ=1 000 kg/m3。

2.2 約束及載荷

在Workbench中，調用Static Structural模塊對小型玉米剝皮機進行靜力學分析。首先通過Engineering Data菜單定義結構鋼和橡膠的材料屬性，然后在Geometry菜單中導入模型，進一步在Model菜單中定義零件的材質及零件間的接觸關系。借助Mesh菜單對剝皮機的模型進行網格劃分，如圖2所示，網格的大小與計算精度和計算時長密切相關。在Static Structural菜單下定義系統重力加速度，并為兩鐵輥施加轉速如圖3所示，兩鐵輥轉速為350 r/min，即36.6 rad/s，兩鐵輥反向旋轉。由于鐵輥和膠輥在工作過程中受到玉米的壓力、摩擦力及其反作用力影響，故對鐵輥和膠輥施加載荷如圖4所示。引入Total Deformation菜單及Equivalent Stress菜單作為分析對象，并完成模型求解。

圖2 網格劃分

圖4 施加載荷

3 仿真結果

通過靜力學仿真分析得到小型玉米剝皮機在工作過程中的變形情況及等效應力情況如圖5～6所示。根據變形分析可知：剝皮機在工作過程中膠輥受玉米作用產生變形，最大變形為1 cm，且出現在膠輥中部，離軸支座越近變形越??；而鐵輥和機架幾乎不發生變形。進一步地，根據等效應力分析可知，系統最大應力出現在鐵輥的軸上，最大應力為10.4 MPa，而結構鋼的屈服強度為235 MPa，故最大應力在強度允許范圍內；其余部件所受應力較小且皆在允許范圍內。因此，根據靜力學分析可知，該型玉米剝皮機在工作過程中所受應力及形變均較小，效果較為理想。同時，為進一步減小膠輥的變形量，可考慮將膠輥更換為鐵輥，通過在鐵棍上鑲嵌橡膠的剝皮塊代替膠輥，這樣既可以保證玉米在剝皮過程中顆粒度破損率較低，同時也滿足變形小的要求。

圖5 變形分析

圖6 等效應力分析

4 結論

針對小型玉米剝皮機完成了靜力學分析。在該系統參數下，小型玉米剝皮機最大形變發生在膠輥中部，最大形變量為1 cm。最大應力出現在鐵輥軸上，且最大應力為10.4 MPa，在強度允許范圍內。該型玉米剝皮機結構簡單、效率較高、玉米粒破損率低、價格便宜、適用范圍廣，具有較好的應用前景。同時，為減小膠輥形變量可采用鐵輥代替膠輥，通過在鐵棍上鑲嵌橡膠剝皮塊以保證玉米籽的完好率。