甜玉米剝皮機結構改進及性能試驗

趙玉強 何曉鵬 劉 清 師建芳

ZHAO Yu－qiang HE Xiao－peng LIU QingSHI Jian－fang

（農業部規劃設計研究院，北京 100125）

（Chinese Academy of Agricultural Engineering，Beijing 100125，China）

鮮食甜玉米是在乳熟后期和蠟熟初期采收的甜玉米［1］。甜玉米其口味獨特，具有甜、粘、嫩、香的特點，有“水果玉米”之稱，營養價值豐富，易于咀嚼和消化吸收快，因而越來越受到廣大消費者的歡迎。甜玉米采摘后不宜長時間存放，容易變質造成營養成分流失，經濟價值將會降低，須盡快加工處理，一般不超過6 h。機械剝皮可以在較短的時間內將大量的甜玉米皮剝掉，確保甜玉米的品質。

由于鮮食甜玉米籽粒脆嫩，輕微的碰撞就會造成籽粒表皮的破裂或內部擠傷，對剝皮機的要求比普通玉米高。目前國際上應用的甜玉米剝皮設備主要是美國A＆K公司的產品［2－4］，該公司產品生產率很高，適合地廣人稀，勞動力相對缺乏的國家。該機型在中國企業應用時剝凈率偏低，一般為85%～90%，破損率偏高，可達4%～5%，而且價格約是中國國產機型的3倍，投資成本高，中國企業很少購買使用。而隨著甜玉米產業的發展，甜玉米加工企業對剝皮設備的需求非常迫切，中國現有的國產剝皮機普遍剝凈率偏低，破損率偏高［5］，而且玉米剝皮機還存在著主要的質量問題［6］，如安全性差、故障率高、剝皮裝置壽命短、質量差，嚴重影響了甜玉米加工企業使用剝皮機的積極性。

破損率、剝凈率和生產率是甜玉米剝皮機的3項主要技術指標，這3項技術指標既互相關聯又互相制約［7］，而對企業來講破損率是最重要的指標，直接關系到企業效益。為達到最好的剝皮效果，本課題組與江蘇省南通弘謇農業機械有限公司合作改進研發生產甜玉米剝皮機。通過對老機型進行了大量的試驗觀察，著重解決最重要的破損率指標，對現有剝皮機的若干部件進行了三項改進措施：① 對橡膠輥表面螺旋凸棱過渡圓角進行改進；② 對橡膠輥材質進行改進；③ 增加了噴水裝置。剝皮機改進前后見圖1和圖2。

圖1 改進前的剝皮機結構示意圖Figure 1 Structure diagram of former sweet corn husking

圖2 改進后的剝皮機結構示意圖Figure 2 Structure diagram of redesigned sweet corn husking

1 剝皮機結構改進

1.1 改進橡膠輥表面凸棱圓角

圖3是橡膠輥工作示意圖，橡膠輥是剝皮機的主要工作部件［8］。橡膠輥的剝皮效果和使用壽命與轉輥膠套所選用材料、加工精度、整個橡膠輥的裝配精度關系很大［9］。橡膠輥的對數是影響生產率的主要因素［10］。橡膠輥應有足夠的長度［11］，雖然橡膠輥越長剝凈率越高，但破損率也同時上升［12］，根據試驗，每根橡膠輥亦采用一根芯軸，外套7個200 mm長度的橡膠膠套構成，橡膠膠套的花紋一定要對齊。橡膠輥膠套容易磨損，為易損件［13］，磨損后可以取下并更換新套。橡膠輥成對工作，工作時相向轉動，成對工作的兩橡膠輥的配置應有一定的高度差，每對橡膠輥之間構成1個鮮食玉米穗剝皮通道，橡膠輥表面采用螺旋狀花紋［14］。

圖3 橡膠輥工作示意圖Figure 3 Work diagram of rubber rollers

經生產現場長時間觀察，發現橡膠輥螺旋花紋表面凸棱圓角大小對破損率指標影響較大。具體表現為轉輥速度較高，在400 r／min以上，對甜玉米籽粒的沖擊速度達到1.8 m／s以上。于是生產廠家重新制作橡膠輥模具，將橡膠輥表面凸棱的上下圓角由R1.5改為R4，使凸棱圓角圓滑過渡，改橡膠輥棱邊與鮮食玉米果穗碰撞為摩擦，降低了碰撞沖量，從而最大限度減小凸棱對玉米籽粒的傷害，降低了破損率。橡膠輥改進前后見圖4、5。

圖4 橡膠輥凸棱圓角改進后的示意圖Figure 4 Structure diagram of former rubber rollers

圖5 橡膠輥凸棱圓角改進前的示意圖Figure 5 Structure diagram of redesigned rubber rollers

1.2 對橡膠輥材質進行改進

改進橡膠輥表面凸棱圓角，還需對橡膠輥材質進行改進，改進材質的目的是增大橡膠輥的表面摩擦力，增大橡膠輥硬度，增加橡膠輥的耐磨性。

將橡膠輥凸棱的上下圓角由R1.5改為R4，使凸棱圓角圓滑過渡的同時，雖然能降低破損率，但是也會降低剝凈率，因此需要改進橡膠輥的材質。將原有普通橡膠改為復合型橡膠材料后，在同等硬度情況下，改進后材料能顯著提高表面摩擦力、耐磨性和耐腐蝕性，并且在一定階段功能不退化。經試驗驗證，應用此等材料在改進橡膠輥凸棱圓角后，能保證剝凈率不降低。

1.3 增加噴水裝置

作業時，往膠輥噴水可以起到清洗膠輥、防滑、給膠輥降溫和降低破損率的作用。① 剝皮機在剝皮過程中會產生破損籽粒，流出玉米漿液，其漿液比較粘滑，附著在橡膠輥上會減小橡膠輥與玉米苞葉之間的摩擦系數，從而降低剝凈率。持續噴水可以對橡膠輥表面進行清洗，維持橡膠輥的摩擦系數。② 作業時剝皮機橡膠輥轉動，與玉米苞葉產生摩擦力將玉米苞葉搓開并剝離，由于橡膠輥轉速較高，期間會產生較大熱量，影響橡膠輥壽命和剝皮效果，噴水裝置能起到降溫作用。③持續對橡膠輥噴水可以使橡膠輥表面形成水膜，可以減小玉米果穗在橡膠輥前段被剝去皮后，玉米裸穗受到橡膠輥后段對玉米籽粒的沖擊，從而降低破損率0.2%至0.4%。

2 試驗材料與方法

2.1 材料與設備

難剝甜玉米品種：華珍甜玉米，湖北綠億園農產品加工有限公司；

中等程度難剝甜玉米品種：脆王甜玉米，桂林日盛食品有限責任公司；

易剝甜玉米品種：金妃甜玉米，山田園食品加工有限公司；

轉輥材料：采用復合材料，硬度65～70A（肖氏硬度）；

新改進甜玉米剝皮機：5BT－6、5BT－8型，江蘇省南通弘騫農機有限公司。5BT－6型甜玉米剝皮機有12個橡膠輥，組成6個剝皮通道，通過檢測，正常工作時，電機瞬時功率值為3.4 k W，在出現扎頭等現象，造成剝皮機工作卡滯時對傳動系統沖擊較大，其功率負荷會瞬時增大很多，所以5BT－6型主電機選用5.5 kW電動機。5BT－8型甜玉米剝皮機有16個橡膠輥，組成8個剝皮通道，通過檢測，正常工作時，電機瞬時功率值5.3 kW，在出現扎頭等現象，造成剝皮機工作卡滯時對傳動系統沖擊較大，其功率負荷會瞬時增大很多，所以5BT－8機型主電機選用7.5 k W。考慮到不同品種玉米穗苞皮的松緊程度不同，致使剝凈率差異較大［15］，為適應多種不同甜玉米品種，在控制柜中增加變頻器進行調速控制。

2.2 試驗方法

2.2.1 試驗方法 2013年6月～9月委托北京市農機試驗鑒定推廣站在湖北省潛江市運糧湖農場湖北綠億園農產品加工有限公司采用難剝甜玉米、廣西壯族自治區桂林市興安縣界首鎮桂林日盛食品有限責任公司采用中等程度難剝甜玉米、山西省忻州市定襄縣山田園食品加工有限公司采用易剝甜玉米對甜玉米剝皮機進行了3次技術性能檢測。

技術指標為生產率、剝凈率和破損率。其中三項技術指標的檢測步驟及計算公式如下［16］：

（1）生產率指單位時間內剝出玉米穗的數量，在設備正常工作的情況下，測定機具的生產率，每次在機具出料處取樣時間30～180 s，每次間隔時間不少于120 s，或者停機后再啟動。按式（1）計算生產率。平行測定3次，取平均值。

式中：

Q——生產率，穗／h；

M——取樣數量，穗；

T——加工時間，s。

（2）剝凈率是指甜玉米剝皮加工過程中剝凈果穗數量占已剝皮加工果穗數量的比率。甜玉米果穗苞葉全部剝離或只剩一層葉視為剝凈。在測量生產率的同時從剝皮加工甜玉米的穗數M中，分出剝凈的甜玉米穗數N，按式（2）計算剝凈率。平行測定3次，取平均值。

式中：

B——剝凈率，%；

N——剝凈的玉米果穗數量，穗；

M——剝皮加工甜玉米的果穗數量，穗。

（3）甜玉米破損率指每個玉米穗殘缺籽粒在該穗全部玉米籽粒數量中所占比例，隨機抽取50穗剝凈皮的玉米穗，數出每穗破損籽粒數量和每穗全部籽粒數量。按式（3）計算破損率。平行測定3次，取平均值。

式中：

η——破損率，%；

Xp——每穗破損籽粒數量，粒；

Xz——每穗全部籽粒數量，粒。

2.2.2 與甜玉米剝皮機舊機型比較 采用不同區域，不同品種，剝皮程度難度有差異的鮮食甜玉米原料，對新改進機型和原有機型剝皮機進行剝皮效果對比試驗，檢測兩種機型在生產率、剝凈率和破損率的差異，檢驗新改進措施效果。其中剝皮質量等級參考《甜玉米剝皮機》的企業標準。

3 結果與分析

3.1 試驗結果

采用難剝、中等程度難剝及易剝甜玉米品種進行新舊機型的性能對比試驗，結果見表1～3。

3.2 結果分析

由試驗結果的數據可知，對于不同程度難剝的甜玉米品種華珍、脆王和金妃來說，新機型在生產率、剝凈率和破碎率的性能指標均優于舊機型；在生產率方面，與原機型相比，改進后機械對甜玉米小時生產穗數的影響排序為中等程度難剝甜玉米＞難剝甜玉米＞易剝甜玉米，小時生產穗數的提高分別約為19.7%，15.0%，12.7%；在剝凈率方面，改進后機械的影響程度排序為難剝甜玉米＞中等程度難剝甜玉米＞易剝甜玉米，剝凈率的提高分別約為13.7%，11.4%，1.5%；在破碎率方面，改進后機械的影響程度排序為中等程度難剝甜玉米＞易剝甜玉米＞難剝甜玉米，破損率的降低分別約為48.8%，41.7%，36%。

表1 難剝甜玉米品種的剝皮效果對比Table 1 Performance comparison between new model and old model about difficult peeling sweet corn

表2 中等程度難剝甜玉米品種的剝皮效果對比Table 2 Performance comparison between new model and old model about moderate difficult peeling sweet corn

表3 易剝甜玉米品種的剝皮效果對比Table 3 Performance comparison between new model and old model about easy peeling sweet corn

在鮮食玉米剝皮機的設計試驗過程中，發現還存在以下問題。

（1）由于甜玉米品種、種植土壤、當年氣候環境因素以及田間管理等因素影響，采收的甜玉米成熟度不好，籽粒尾端呈坑狀，玉米籽粒外皮與玉米汁結合不緊密，這種玉米破損率較高。

（2）由于糯玉米成品一般為果穗，對破損率要求與甜玉米不同，甜玉米破損率一般規定的是破損籽粒占整穗玉米籽粒的比率，而糯玉米的破損率食品加工廠家要求與企業標準有差異，廠家要求的破損率為存在破損籽粒的穗數與總加工穗數的比率。目前剝皮機的性能指標在破損率上還達不到加工廠家的要求。因為糯玉米果穗作為商品出售，即使只有2～3粒破損籽粒，但出現在明顯部位，也會對其售價造成影響，因此目前糯玉米剝皮還是以人工剝皮為主。

（3）現在單機提高生產率的方法主要是增加通道數量。提高單通道生產率還需兼顧破損率和剝凈率兩個性能指標。如何優化橡膠輥，提高單通道橡膠輥的生產率還需進一步研究試驗。

4 結論

（1）對橡膠輥表面凸棱圓角和橡膠輥材質進行改進相輔相成，不能拆分開來進行試驗。試驗表明參數優化后的機型在生產率、剝凈率和破損率的性能指標都有所提高，同時降低了由于玉米扎頭造成的設備堵塞故障。

（2）增加噴水裝置對提高剝皮質量和延長橡膠輥壽命都有明顯效果。

（3）新機型對中國不同區域，不同品種的甜玉米剝皮均能適用。

1 何曉鵬，沈瑾，孫潔.淺談我國甜玉米行業發展概況［J］.農業工程技術·農產品加工業，2010（10）：26～29.

2 Magnuson Corporation.Corn cutter operations manual［Z］.Colorado State（USA）：Magnuson Corporation，1998.

3 Wilbur A Gould.Unit Operations for the food industries［M］.O－hio State（USA）：Woodhead Publishing Limited，1995.

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5 王先霞，倪長安，劉師多.玉米果穗剝皮裝置影響剝皮性能的試驗分析［J］.農機化研究，2009，31（2）：117～120.

6 唐力，李龍春，賈俊杰.玉米剝皮機存在七大質量問題傷人事件頻繁發生［J］.農機質量與監督，2006（1）：28～29.

7 賈秀芝，季英.玉米穗剝皮機性能試驗［J］.農機質量與監督，2007（2）：32～33.

8 趙德春，呂金慶，盛力偉.玉米剝皮機的研究設計［J］.農機化研究，2001（2）：59～60.

9 王晶.我國玉米剝皮機械化及機具的概況與發展方向探討［J］.農業與技術，2007，27（6）：101～104.

10 李媛，穆春虹，黃明智.5BY－7.0型玉米剝皮機的研究設計［J］.農村牧區機械化，2007（3）：12～13.

11 陳國武，毛善義，侯凱州.玉米聯合收割機剝皮裝置的設計［J］.新疆農機化，2008（4）：5～6.

12 邱岳巍，趙荔娜.玉米剝皮機剝皮裝置的改進［J］.農村牧區機械化，2009（6）：38～39.

13 陳寶昌，林君堂，李存斌.新型玉米剝皮機的研究設計［J］.農機化研究，2010，32（2）：88～90.

14 何曉鵬.一種甜玉米剝皮機結構：中國，ZL 2006 2 0131948.1［P］.2007－12－05.

15 曹慧鵬.5YB－600型玉米剝皮機的設計與研究［J］.當代農機，2008（6）：69～70.

16 趙玉強，何曉鵬.鮮食玉米剝皮機的設計與試驗［J］.農業工程學報，2011，27（2）：114～118.