基于TRIZ理論的種子玉米剝皮機構設計與試驗

劉 磊 劉理漢 杜岳峰 毛恩榮 張延安 楊 帆

(1.中國農業大學工學院， 北京 100083； 2.中國農業大學現代農業裝備優化設計北京市重點實驗室， 北京 100083)

0 引言

玉米剝皮是機械化收獲玉米果穗的關鍵環節。種子玉米與大田玉米相比，其物理性狀(如果穗長度、直徑、苞葉緊實度等)差別較大，且產量低、價值高，同時，種子玉米在收獲時籽粒的含水率為20%～45%，不宜直接收獲，一般采用分段收獲法[1]，即通過人工或果穗收獲機收獲玉米果穗，經晾曬后使用固定式剝皮機構剝離果穗苞葉，最后利用專門的脫粒機構進行脫粒[2-3]。受果穗性狀和種子玉米低損、高效剝皮作業的需求影響，傳統大田玉米果穗剝皮機構不適宜種子玉米剝皮作業。目前，種子玉米機械化收獲程度已經成為制約玉米種業發展的主要因素之一[4]。

近年來，國內外部分公司設計了專門的種子玉米剝皮機，如美國十方國際公司設計的A&K剝皮機，其具備果穗自動輸送系統、16輥道自動剝皮機構及果穗清洗系統等。國內的奧凱種子機械股份有限公司也針對種子玉米進行了去皮裝備研究，并設計了5ZYB-16A型多通道玉米剝皮機。上述種子玉米剝皮機均采用傳統輥式剝皮結構，即依靠相向旋轉的剝皮輥與苞葉相互作用產生摩擦力，將苞葉攫取、拉拽、分離，最終完成剝皮作業[5]。傳統輥式剝皮結構具有剝皮輥傾角固定、材料和表面花紋單一等特點，在果穗剝皮前期容易對苞葉攫取剝離不足，造成苞葉剝凈率低、果穗表面存雜等問題；在果穗剝皮后期容易在光果穗表面產生較大的作用力，造成籽粒脫落、破碎等問題，對于如何提高苞葉剝凈率，同時降低籽粒損失率一直沒有很好的解決方案，其中很重要的原因在于剝皮機構與果穗之間存在著復雜的力學和運動學關系，很多不易觀測但對剝皮質量又有影響的內在規律至今還沒有充分掌握，亟需從設計理論、動態仿真等方面對玉米果穗與剝皮機構的互作機理展開研究，種子玉米果穗高效低損剝皮仍是主要技術難題[6]。

TRIZ理論將創新思想進行科學化的整理與提煉，是產品創新設計的有效開發工具，利用TRIZ理論可大大縮短新產品設計開發的時間，全面地解決產品設計中的矛盾和問題[7]。TRIZ理論被越來越多的研究學者應用到農業機械結構的創新開發設計中。此外，基于有限元分析建立作物的柔性體模型并進行機器-作物仿真及機器-農作物剝皮等研究為解決上述問題提供了新的思路，如馬健飛[8]利用ANSYS對玉米剝皮裝置關鍵部件進行仿真分析，得出果穗在剝皮輥上沿剝皮輥的速度、繞自身軸線的旋轉角速度以及果穗的受力情況；朱忠祥等[9]建立了剝皮元件與玉米果穗的有限元模型，通過顯式動力學分析得出玉米在不同工況下的運動參數。

基于此，本文運用TRIZ理論建立種子玉米剝皮系統“物-場”模型，基于“沖突解決原理”解決剝皮系統中的矛盾沖突，對剝皮輥、壓送裝置等關鍵結構進行創新設計并詳細設計剝皮機構，針對種子玉米果穗和剝皮機構相互作用關系，采用虛擬仿真技術與高速攝像技術相結合的方法開展顯式動力學仿真試驗與高速攝像試驗，探究果穗在剝皮過程中的受力情況及運動狀態，驗證種子玉米剝皮機構設計的合理性。

1 種子玉米剝皮機構設計

1.1 基于TRIZ理論的問題解決流程

為實現種子玉米剝皮機構的創新設計，采用TRIZ理論展開研究分析。TRIZ理論應用具體流程如圖1所示，主要步驟為：初始問題分析，明確問題定義，將潛在需求轉化為TRIZ問題模型，對TRIZ問題模型進行相互作用分析并判斷矛盾類型，找到一般解后化為特定解，完成創新產品設計[10]。“物-場”分析是TRIZ理論中一項非常重要的工具，借助該方法可建立能量在功能元素間傳遞的“物-場”模型，輔助創建具有相應功能的技術系統，并實現技術系統的改進與優化[11-12]。

圖1 TRIZ理論發明設計過程Fig.1 Innovative design process of TRIZ theory

1.2 種子玉米剝皮系統“物-場”模型

種子玉米剝皮系統不僅需要滿足較高的剝凈率、較低的籽粒破碎率和落粒率等基本需求，還要保證高效、快速的剝皮效率。傳統玉米的剝皮系統“物-場”模型如圖2a所示。輥式結構是目前玉米剝皮機采用最多的剝皮結構，玉米果穗依次進入兩輥之間，相向轉動的剝皮輥將玉米苞葉向下拉拽，形成剝皮力場F1。但采用傳統的剝皮輥S1產生的剝皮力場F1效應不足，產生的摩擦力對剝皮過程影響較大，導致玉米果穗剝皮低效高損，難以保證種子玉米剝皮質量，屬于效應不足的場[12]。玉米果穗隨剝皮輥轉動會產生徑向跳動而中斷苞葉拉拽，導致玉米剝凈率降低。為使玉米果穗沿剝皮輥的運動均勻平穩，傳統玉米剝皮機構中均設有壓送裝置S3，以抑制跳動的玉米果穗，形成撥動力場F2，使剝皮輥與玉米果穗充分接觸。但壓送裝置產生撥動力場F2致使去除苞葉后的果穗在落入收集箱前與剝皮輥接觸，導致玉米籽粒的脫落與損傷嚴重。此外，壓送裝置能夠助推玉米果穗向前運動，保證剝皮過程順暢進行的同時會對玉米果穗產生沖擊而導致玉米籽粒破碎。傳統壓送裝置產生的撥動力場對種子玉米產生有害作用。

圖2 種子玉米剝皮系統的“物-場”模型分析Fig.2 “Object-field” model analysis of seed corn peeling system

通過對傳統剝皮系統“物-場”模型進行改進，得到種子玉米剝皮系統改善后的“物-場”模型如圖2b所示。通過對剝皮輥的表面花紋形狀、關鍵結構參數及材料等方面進行改進設計，得到改進剝皮輥S′1可提高種子玉米的苞葉剝凈率和剝皮質量。為了克服傳統壓送裝置的不足，采用擺桿機構替代傳統壓送裝置，將彈出的玉米果穗撥回兩剝皮輥間，使其保持運動均勻平穩，提高剝皮前段果穗剝皮效率，并削弱在剝皮輥后段產生的有害作用。同時增設剝皮輥傾角調節機構S4產生重力場F3，使種子玉米在剝皮過程中依靠重力向下運動，防止產生玉米堆積堵塞，保證剝皮過程順利進行，提高剝皮效率。

通過以上分析，所設計的種子玉米剝皮機構如圖3所示，主要包括底座、傾角調節架、剝皮輥、擺桿、傳動機構和剝皮輥安裝架等，在實際應用中，該剝皮機構可以根據玉米果穗的物理特性參數以及剝皮效率需求進行工作參數的調節，若果穗實際尺寸較大，可適當減少擺桿的擺動幅度，若果穗實際尺寸較小，則適當增大偏心輪的偏心距；剝皮輥轉速可通過驅動電機實現無級調速。種子玉米剝皮機構作業過程如下：接通電源，剝皮電動機工作并通過傳動帶及齒輪傳動將動力傳遞至各剝皮單體，各剝皮輥轉動；擺桿電動機運行，偏心輪軸承以偏心輪軸心為中心進行周期性擺動，擺桿連接板將擺動傳遞到與其鉸接的右擺桿上，同理，連桿將擺動傳遞給中間擺桿與左擺桿。在剝皮過程中，玉米果穗位于高、低位輥的夾縫間隙中，在其自身重力及剝皮輥轉動摩擦的復合作用下，沿剝皮輥下滑，在剝皮輥切向摩擦力作用下將苞葉剝除。

圖3 種子玉米剝皮機構Fig.3 Seed corn peeling mechanism1.底座 2.傾角調節架 3.剝皮輥 4.擺桿 5.傳動機構 6.剝皮輥安裝架

1.3 基于沖突解決原理的關鍵部件創新設計

1.3.1剝皮輥設計

剝皮輥與種子玉米直接接觸，是剝皮系統的核心機構。剝皮輥存在以下技術矛盾：在材料設計方面，彈性模量相對較高的材料(如鑄鐵等)可以增大與果穗苞葉間的摩擦作用力，使其具有較強的苞葉攫取能力，但容易對籽粒造成損傷；剝皮輥表面結構設計方面，如果剝皮花紋為橫向，那么剝凈率高，但易造成剝皮過程中籽粒啃傷，花紋為縱向則苞葉不能被剝皮輥有效抓取。應用TRIZ理論的創新設計流程，將矛盾歸納為：11應力/壓力(減輕在剝皮輥后段對種子玉米應力)、30物體外部有害因素作用(適用于種子玉米剝皮)、39生產率(提高種子玉米生產率)與23物質損失(剝皮輥花紋形式復雜，加工材料損失增多)、32可制造性(剝皮輥表面花紋加工困難)、36裝置復雜性(增加剝皮系統的復雜性)之間的矛盾；利用阿奇舒勒矛盾矩陣，定位改善和惡化通用工程參數交叉單元，確定發明原理。根據剝皮輥的功能作用，在矛盾矩陣中查找適合于本問題的子矩陣，如表1所示。

表1 剝皮輥的矛盾沖突矩陣Tab.1 Contradiction matrix of peeling roller

在阿奇舒勒矛盾矩陣中定位改善和惡化通用工程參數交叉單元后，對表2中的發明原理進行分析，了解各個發明原理的具體描述，結合剝皮輥對于種子玉米剝皮機的意義，篩選有價值的發明原理，改善11應力/壓力工程參數可采用的發明原理有：1(分割)，改善30物體外部有害因素作用工程參數可采用的發明原理有：15(動態化)和40(復合材料)，改善39生產率工程參數可采用的發明原理有：35(物理/化學狀態變)。最后依據有價值的發明原理探究有價值內容詳解，參考內容提示進行發明原理的分析應用，即采取技術手段解決對應難點。表2為應力/壓力工程參數所選1個有價值發明原理的分析應用，表3為物體外部有害因素作用工程參數所選1個有價值發明原理的分析應用，表4為生產率工程參數所選1個有價值發明原理的分析應用。

表2 應力/壓力有價值的發明原理分析與應用Tab.2 Stress/pressure valuable invention principle analysis and application

表3 物體外部有害因素作用有價值的發明原理分析與應用Tab.3 Harmful factors outside object valuable invention principle analysis and application

表4 生產率有價值的發明原理分析與應用Tab.4 Productive valuable invention principle analysis and application

參考對上述發明原理分析，根據具體問題，找到解決方案。剝皮輥布置形式采用高低輥式布置結構，該種結構能夠保證玉米果穗在剝皮過程中橫向均勻分布，防止發生果穗擁堵堆積的現象，保證玉米剝皮的流暢性。由表2可知，果穗剝皮過程為苞葉劃開攫取、苞葉撕拽脫離、去除雜余及導流輸送共4個階段，將剝皮輥分割為4段分別進行設計，符合發明原理1(分割)。

高位輥表面花紋形式如圖4a所示，高位輥Ⅰ段花紋采用多線螺旋狀突起，并以較大螺距切出一條空心槽，保證在剝皮開始過程中玉米果穗苞葉被快速劃開并攫取。高位輥Ⅱ段花紋采用螺距較大的多線螺旋狀突起，增強剝皮輥對玉米苞葉的撕拽能力。高位輥Ⅲ段花紋采用多線螺旋狀突起的結構，并增設接近橫向的螺旋突起，實現在剝皮除雜階段增大與果穗表面未剝離部分苞葉間的摩擦力。高位輥Ⅳ段花紋采用縱向螺紋狀突起，避免對去除苞葉后的果穗表面造成損傷，同時提高剝皮效率。低位輥表面花紋形式如圖4b所示，低位輥Ⅰ段花紋采用螺距較小的螺旋突起花紋，增大開始剝皮時苞葉的運動阻力，保證剝皮輥有效攫取表面苞葉。低位輥Ⅱ段花紋在3/4圓周段采用螺距較大的多線螺旋狀突起，在1/4圓周段采用螺距較短的螺旋突起，此種花紋設計保證了在低位輥Ⅱ段將大部分已劃開的苞葉剝離。低位輥Ⅲ、Ⅳ段花紋均采用螺距較大的多線螺旋狀突起，在除雜階段保證玉米快速通過的同時又能起到顯著的除雜效果。

圖4 剝皮輥表面花紋形式Fig.4 Surface pattern of peeling roller1.高位輥Ⅰ段 2.高位輥Ⅱ段 3.高位輥Ⅲ段 4.高位輥Ⅳ段 5.低位輥Ⅰ段 6.低位輥Ⅱ段 7.低位輥Ⅲ段 8.低位輥Ⅳ段

由表3可知，若剝皮輥采用鑄鐵材料，其苞葉攫取力較高，剝凈率較高，但鑄鐵材料硬度較大，易導致玉米籽粒破碎、脫落；橡膠材料能夠降低對果穗的沖擊力，降低籽粒破碎率和落粒率。高位輥-低位輥的Ⅰ段，材料組合為鑄鐵輥-鑄鐵輥，此組合在保證剝皮效果的同時，適當降低摩擦因數，使得種子玉米果穗在初段擁有一定的初速度，保證剝皮效率，該種紋路與材料組合滿足劃開苞葉并攫取的剝皮要求；高位輥-低位輥的Ⅱ段，材料組合均選為鑄鐵輥-橡膠輥，在保證剝皮輥與種子玉米苞葉間摩擦力足夠的同時，避免對光玉米果穗造成損傷，再配合各段花紋設計，滿足種子玉米的快速高效剝皮需求。高位輥-低位輥的Ⅲ、Ⅳ段，材料組合均選為橡膠輥-橡膠輥，實現為剝皮后的玉米果穗去除雜余并導流，減輕因與剝皮輥接觸而導致籽粒破碎，符合發明原理40(復合材料)。

結合表4可知，種子玉米果穗的長度、直徑均小于大田玉米，此外種子玉米果穗苞葉的緊實度大于大田玉米，傳統剝皮輥的直徑、長度等關鍵結構尺寸無法滿足種子玉米的剝皮要求。根據所測量種子玉米果穗的物理參數，對剝皮輥進行關鍵結構參數設計，符合發明原理35(物理/化學狀態變化)。剝皮輥的各參數詳細設計可通過分析玉米果穗在剝皮機構上的受力分析確定[13]。玉米果穗在剝皮輥上的受力分析如圖5所示。由圖5中的幾何關系可得

圖5 玉米果穗受力示意圖Fig.5 Corn-ear force analysis

(N1+N2)cosβ=(P1+P2)sinβ=μ(N1+N2)sinβ

式中N1——低位輥對玉米果穗的支撐力，N

N2——高位輥對玉米果穗的支撐力，N

P1——低位輥作用于玉米果穗的切向摩擦力，N

P2——高位輥作用于玉米果穗的切向摩擦力，N

β——剝皮輥抓取角，(°)

μ——果穗與剝皮輥之間的摩擦因數

1.3.2擺桿設計及傾角調節架設計

結合1.2節分析，為了克服傳統壓送裝置的不足，采用擺桿機構替代傳統壓送裝置降低了矛盾沖突，但由于改變了壓送裝置的形狀參數，并需要外設電機驅動擺桿繞轉動軸線進行左右周期性擺動，增加功率消耗。此外，壓送裝置能夠推動玉米果穗向前運動，但在提高剝皮效率的同時會對果穗產生沖擊而導致籽粒破碎或落粒增加。通過增設剝皮輥傾角調節架，可實現皮輥角度的調節，為種子玉米剝皮沿剝皮輥向下運動提供重力場，但提高了剝皮裝置復雜性，同時增加功率消耗。根據上述分析，應用TRIZ理論的創新設計流程，將上述矛盾沖突問題歸納為：31物體產生的有害因素(玉米果穗跳動導致籽粒的損傷及落粒增加)、35適應性及多用性(根據種子玉米果穗形狀尺寸調整重力場)與12形狀(擺桿及傾角調節架形狀設計)、21功率(驅動擺桿和傾角調節架消耗功率)、36裝置復雜性(設置多組擺桿和增設傾角調節架)之間的矛盾；利用阿奇舒勒矛盾矩陣，定位改善和惡化通用工程參數交叉單元，確定發明原理。根據擺桿及傾角調節架的功能作用，在矛盾矩陣中查找適合于本問題的子矩陣，如表5所示。

表5 壓送裝置的矛盾沖突矩陣Tab.5 Conflict matrix of delivery mechanism

在阿奇舒勒矛盾矩陣中定位改善和惡化通用工程參數交叉單元后，對表5中的發明原理進行分析，了解各個發明原理的具體描述，結合擺桿及傾角調節架對于種子玉米剝皮機的意義，篩選有價值的發明原理，改善31物體產生的有害因素可采用的發明原理有：1(分割)和19(周期性運動)，改善35適應性及多用性可采用的發明原理有：15(動態化)和29(氣壓與液壓結構)。最后依據有價值的發明原理探究有價值內容詳解，參考內容提示進行發明原理的分析應用，即采取技術手段解決對應難點。表6為物體產生的有害因素工程參數所選2個有價值發明原理的分析應用，表7為適應性及多用性工程參數所選2個有價值發明原理的分析應用。

表6 物體產生的有害因素有價值發明原理分析與應用Tab.6 Object produced harmful factor valuable invention principle analysis and application

表7 適應性及多用性有價值發明原理分析與應用Tab.7 Adaptability and versatility valuable invention principle analysis and application

參考對上述發明原理分析，根據具體問題，找到解決方案。由表6可知，為了克服傳統壓送裝置的不足，在剝皮單體間采用多組擺桿機構代替傳統的壓送裝置，容易安裝拆卸，方便維修調整，符合發明原理1(分割)的具體要求；擺桿繞轉動軸線進行左右周期性擺動，將彈出的玉米果穗撥回兩剝皮輥間，使其保持運動均勻平穩，提高剝皮前段玉米果穗剝皮效率，并削弱在剝皮輥后段產生的有害作用，符合發明原理19(周期性作用)的具體要求。通過上述分析，所設計擺桿結構如圖6所示，擺桿位于剝皮輥兩側且平行于剝皮輥，以提高剝皮裝置分離苞葉的效率，并降低剝皮過程所耗費的時間，通過調整電機輸出端搭配的偏心軸實現左右周期性擺動，擺桿長度與剝皮輥長度相等。

圖6 擺桿結構圖Fig.6 Structure of swing bar

剝皮機構的安裝傾角影響果穗在剝皮機構上的通過能力，進而影響機構的工作效率、剝凈率、籽粒破碎率和功耗等質量[15]。通過在種子玉米剝皮機上增設剝皮輥傾角調節架，增強種子玉米果穗在剝皮輥上的通過能力，提升剝皮性能。由表7可知，調節架進行升降調節時，前立柱上升，后立柱若固定則會發生干涉，影響剝皮輥的傾角調節。因此利用滑輪-滑軌代替傳統支座支撐，根據前立柱升降變化，后立柱在滑軌上滑動相應的距離，以避免前立柱升降時與后立柱支腿的干涉，符合發明原理15(動態化)的具體要求。此外，傾角調節架的前側升降系統，設計應簡單且具有較強的可操作性。因此，在前立柱內設置一套液壓升降結構實現前立柱的升降，結構簡單且操作性強，符合發明原理29(氣壓與液壓結構)具體要求。

傾角調節架的結構如圖7所示，其包括一對前立柱和一對后立柱，兩前立柱通過內設液壓缸調整升降。根據文獻[16]可知，帶有壓送器的玉米剝皮裝置，對剝皮輥傾角以10°～15°為宜[17]。本文使用擺桿代替傳統壓送器，對果穗施加的力不連續，果穗下滑速度較快，與剝皮輥接觸時間短，因此本文設計的種子玉米剝皮機剝皮輥傾角范圍為5°～10°，根據幾何關系求得前立柱最大上升行程為900 mm。

圖7 傾角調節架結構圖Fig.7 Structure of inclination adjustment shelf

2 剝皮系統仿真

2.1 種子玉米果穗與剝皮機構仿真模型建立

為了驗證所設計的種子玉米剝皮機構性能，采用LS-DYNA對種子玉米剝皮過程進行顯式動力學仿真[18]。本次試驗選用“偉科702”種子玉米果穗，其具有典型的短筒型輪廓特征，上、中、下3段徑向尺寸較為均勻，如圖8所示。隨機選取150株種子玉米，測量種子玉米果穗中段直徑作為玉米果穗徑向參數，平均直徑為48.72 mm。測量種子玉米果穗玉米長度作為玉米果穗軸向參數，平均長度為144.5 mm。

圖8 種子玉米果穗Fig.8 Seed corn-ear

種子玉米的剝皮質量主要與剝皮輥、傾角調節架、擺桿有關，為了減少仿真時的計算量，通過Creo軟件建立剝皮輥、種子玉米果穗以及擺桿三維仿真模型，關鍵結構參數及裝配關系參數如表8所示。

表8 結構參數與裝配關系參數Tab.8 Parameters of structure and assembly relationship

仿真模型各結構的材料參數如表9所示，對剝皮輥和玉米果穗模型表面添加SHELL單元，并采用適合處理復雜模型的四面體網格對各部件進行網格劃分，得到有限元模型。然后對剝皮輥加載繞自身軸線的勻速旋轉，對玉米果穗加載自身重力，對擺桿加載周期性擺動。

表9 材料參數Tab.9 Material parameter

2.2 仿真試驗方案

選擇剝皮輥轉速、剝皮輥傾角和擺桿擺動幅度為試驗因素，其中，根據工程經驗和文獻[19-21]，剝皮輥的最佳轉速與剝皮機構型式、果穗力學特性等密切相關，當剝皮輥轉速在300～400 r/min時，苞葉剝凈率達到85%以上，剝皮輥的轉速范圍選擇為300～400 r/min；剝皮輥傾角的調節范圍為5°～10°；根據剝皮輥排布方式與擺桿之間的幾何關系，在不妨礙剝皮輥正常工作的前提下，同時滿足剝皮效率要求，設定擺桿擺動幅度為30°。設計3種工況仿真方案如表10所示。

表10 3種工況仿真試驗方案Tab.10 Three working conditions of simulation experiment

2.3 玉米果穗剝皮運動仿真結果

將仿真計算出的d3plot文件導入軟件LS-PREPOST中，得到顯式動力學仿真結果，記錄仿真過程以便于與樣機試驗進行對比。

使用RCFORC功能提取玉米果穗在剝皮輥上運動時的受力-時間曲線，如圖9a所示，隨著剝皮傾角和剝皮輥轉速的增加，玉米果穗受到來自剝皮輥作用的平均作用力越大，且所受力的波動性越大，在剝皮輥上運動的時間越短，3種工況下玉米果穗所受最大作用力分別為24.88、25.97、28.78 N。剝皮輥轉速越高，玉米果穗越容易產生跳動，則作用在玉米果穗上沖擊力增加，在各工況中，剝皮輥對玉米果穗的最大作用力均出現在剝皮輥Ⅰ段，有利于玉米果穗苞葉的攫取；在剝皮輥Ⅱ、Ⅲ段上作用力依然較大，保證了苞葉剝離同時盡量減少對玉米籽粒的損傷；在剝皮輥Ⅳ段上作用力降到最小，防止在除雜階段對剝凈的玉米果穗產生損傷。

圖9 種子玉米果穗參數-時間曲線Fig.9 Ear parameter-time curves of seed corn

使用History功能提取玉米果穗沿剝皮輥軸方向運動的速度-時間曲線，如圖9b所示，3種工況下玉米果穗平均運動速度分別為0.41、0.45、0.58 m/s，玉米果穗沿剝皮輥的速度先增大后趨于平穩波動的狀態；且隨著剝皮輥轉速及傾角的加大，果穗沿輥軸方向的平均速度逐漸變大，且速度波動也變大。隨剝皮輥轉速的提高，玉米果穗更易于產生輕微跳動，會減少向前運動時的阻力，加快玉米果穗的剝皮過程，提高剝皮效率。

使用LS-PrePost功能提取種子玉米繞軸線旋轉的角速度-時間曲線，如圖9c所示。3種工況下玉米果穗平均角速度分別為3.03、3.21、4.23 rad/s，隨著剝皮輥轉速和剝皮傾角的增加，果穗繞自身軸線旋轉的平均角速度逐漸增加，即剝皮輥對果穗產生的旋轉力矩增大。在3種工況下，玉米果穗繞自身軸線的最大平均角速度均出現在剝皮輥Ⅰ、Ⅱ段，證明苞葉的剝離集中在剝皮輥前兩段；在剝皮輥Ⅲ、Ⅳ段上，玉米果穗的平均角速度較小，證明剝皮輥對其旋轉力矩較小，保證剝皮的同時減少了玉米果穗的表面損傷。

以工況2為例，果穗在剝皮輥上受力如圖10所示，從圖中得到：在剝皮輥Ⅰ段，隨剝皮輥轉動攫取苞葉，果穗頂部受力最大，最大值為25.26 N，其余部分受力比較均勻；在剝皮輥Ⅱ段，進行苞葉撕拽脫離過程，果穗整體受力較大且均勻，在23 N左右；在剝皮輥Ⅲ段，進行果穗去除雜余過程，果穗只有局部受力大于其他部分，最大值為17.25 N，其余部分在15 N左右；在剝皮輥Ⅳ段，進行果穗輸送導流過程，果穗整體受力較小且均勻，受力在11 N左右。果穗在整個剝皮過程中受到剝皮輥的作用力逐漸減小，滿足種子玉米果穗的剝皮要求。果穗在剝皮輥上的運動狀態如圖11所示，從圖中得到：在剝皮過程中，果穗主要沿剝皮輥向下滑動，運動過程流暢且運動狀態穩定，無較大的軸向跳動，驗證了擺桿結構的設計合理性。

圖10 果穗在剝皮輥上受力情況Fig.10 Stress of ear on peeling roller

圖11 果穗在剝皮輥上的運動狀態Fig.11 Movement of ear on peeling roller

3 臺架試驗

3.1 高速攝像臺架試驗

2020年10月在酒泉奧凱種子機械股份有限公司搭建了高速攝像試驗臺(圖12)，其主要包括高速攝像機(Phantom V9.1)、升降平臺、補光燈和剝皮機構。將高速攝像機放置于剝皮機構正前方，采用點霧燈與大功率照明燈為試驗臺補光。

圖12 高速攝像試驗臺Fig.12 High-speed camera experiment bench1.升降平臺 2.高速攝像機 3.補光燈 4.剝皮機構

通過以太網口將高速攝像機與計算機相連，并設置相機分辨率為960像素×480像素。此外，為保證能清晰記錄下剝皮的完整過程，且盡量縮小儲存攝像所需要的內存，設置相機的拍攝幀率為400 f/s。試驗時，調整剝皮機構工作參數與仿真試驗中的3種工況相一致，將剝皮輥轉速依次調至300、350、400 r/min，并對應將剝皮傾角依次調至5°、7.5°、10°，擺桿擺動幅度為30°。為避免隨機因素的影響，每種工況的高速攝像試驗重復進行3次，每次試驗喂入6～8個種子玉米果穗。

3.2 試驗結果分析

通過對高速攝像視頻進行逐幀查看，挑選出在工況1、2、3下種子玉米果穗在剝皮輥各段上運動狀態如圖13所示，分別為采集的部分剝皮作業過程中的圖像。種子玉米在隨剝皮輥運動過程中，基本沒有發生較大的跳動，運動狀態相對穩定，并計算種子玉米在各工況下沿剝皮輥軸向運動的平均速度如表11所示，通過與仿真結果對比得到以下結論：在工況1下，由于在剝皮輥Ⅰ、Ⅱ段上果穗存在苞葉，摩擦因數略有增加，并且受苞葉剝離影響，平均速度較仿真結果偏小，平均速度最大誤差為0.035 m/s。在工況2、3下，在剝皮輥Ⅰ、Ⅱ段上由于苞葉的存在，摩擦因數略有增加，苞葉基本在剝皮輥Ⅱ段剝離，因此平均速度較仿真結果偏小，實際剝皮結果與仿真結果最大誤差分別為0.066 m/s和0.095 m/s。由于在仿真中未在果穗表面對苞葉進行建模，在剝皮輥的前段果穗實際運動速度小于仿真結果，但偏移量較小，可認為在種子玉米剝皮過程中玉米果穗運動的實際平均速度與仿真結果基本一致。高速攝像試驗結果驗證了種子玉米剝皮機構設計的合理性。

圖13 剝皮過程高速攝像圖像Fig.13 Skinning high-speed camera pictures under working

表11 實際與仿真平均速度對比Tab.11 Comparison of actual and simulated average speeds m/s

參照國家標準GB/T 5262—2008《農業機械試驗條件測定方法的一般規定》、GB 5667—2008《農業機械生產試驗方法》，結合其它玉米剝皮的相關規定，選定苞葉剝凈率R1、落粒率R2、籽粒破碎率R3為檢驗指標。在種子玉米剝皮機構上開展種子玉米剝皮試驗，在3種工況下各進行3組重復試驗，試驗結果如表12所示。3種工況下的試驗結果均滿足種子玉米剝皮要求，驗證了種子玉米剝皮機構設計的高效性及合理性。

表12 種子玉米剝皮試驗結果Tab.12 Results of seed corn peeling experiment %

4 結論

(1)基于TRIZ理論建立種子玉米剝皮系統的“物-場”模型，分析了擺桿、剝皮輥材料、表面結構設計和傾角調整架結構創新設計中的多對矛盾沖突，利用阿奇舒勒矩陣確定發明原理，基于此，確定了剝皮系統的關鍵部件結構設計方案和參數，并完成了種子玉米剝皮機構整體詳細設計。

(2)利用LS-DYNA建立了“種子玉米果穗-剝皮輥”相互作用的顯式動力學模型，開展了剝皮機構在3種工況下的仿真試驗，通過分析玉米果穗速度-時間曲線、力-時間曲線和角速度-時間曲線，得出在3種工況下，玉米果穗平均運動速度分別為0.41、0.45、0.58 m/s；玉米果穗所受最大作用力分別為24.88、25.97、28.78 N；玉米果穗平均角速度分別為3.03、3.21、4.23 rad/s。

(3)搭建了種子玉米剝皮高速攝像試驗臺，采集了3種工況下種子玉米剝皮過程的圖像，逐幀分析圖像并與仿真數據進行對比，結果表明玉米果穗速度誤差分別為0.035、0.066、0.095 m/s，驗證了剝皮輥分段設計的合理性。在3種工況下選擇苞葉剝凈率R1、落粒率R2和籽粒破碎率R3為檢驗指標，開展種子玉米剝皮驗證試驗，剝皮結果滿足種子玉米剝皮農藝要求。