摘要：清土除膜是收获花生作业的关键环节，传统分段收获作业效率较低。针对这一问题，提出了清土除膜机构的创新性设计方案。在进行花生收获一体机整体结构设计的基础上，对主要部件和作业参数进行了优化。最后，对优化后的一体机进行了性能测试。试验结果表明，设计的收获机清土效果好，除膜质量高，作业效率显著提升。

　　关键词：花生收获；清土除膜一体机；结构创新；作业参数优化；试验验证

　　1.引言

　　花生作为我国重要的经济作物之一，其种植面积和产量在世界范围内均居于前列。花生收获后的清理工序是确保花生品质的关键环节，传统的人工操作存在效率低、劳动强度大等问题。近年来，随着农业机械化的不断发展，多种花生收获机械先后问世，有效提高了花生收获的效率。但是大多数花生收获机械仅能实现将花生从地下挖掘出来，对于花生表面附着的泥土和膜皮的清理仍需要人工处理。因此，研发一种能够实现花生清土除膜一体化的收获机械，不仅能提高清理效率，降低劳动强度，而且有利于后续的加工和储藏[1]。

　　2.花生清土除膜一体机的结构创新

　　2.1整体结构设计

　　聚焦花生清土除膜作业实际需求，将优化物料流态、实现作业链路集成化定为关键设计方向，搭建起铲斗提升—脱膜分离—清选—输送的一体化刚性框架。各功能模块依作业流程依次排布，铲斗提升机构输出端与脱膜分离机构输入端采用弧形过渡紧密相连，中心对位偏差严格控制在2mm以内，保证物料转运平稳无冲击。脱膜分离机构与清选机构呈上下级联布局，借助重力让物料自然下落，避免额外输送部件造成籽粒损伤。输送机构沿清选机构出料端切线方向集成，由同一动力源驱动，使各模块运动参数协调一致，确保作业流程连续可控。整机结构兼顾作业稳定性与空间紧凑性，模块化集成有效降低动力损耗与维护成本。

　　2.2关键部件创新设计

　　2.2.1铲斗提升机构

　　设计此机构时，重点聚焦于实现物料铲取的低损伤与转运的平稳性。传动结构采用多单元短铲斗链式，铲斗前缘特意做成渐开线弧形曲面。经流体力学仿真分析，精细优化曲面曲率参数，让铲取时植株与铲斗接触面应力均匀，最大应力值严格控制在花生籽粒抗压极限的30%内。铲斗边缘装弹性耐磨橡胶镶边，橡胶由丁腈与聚氨酯复合改性制成，邵氏硬度65±5 HA，能稳固夹持植株，防止刚性接触致籽粒破损。铲斗与链条连接处采用自润滑铰链结构，轴套选聚四氟乙烯复合材料，配可调式张紧机构，动态精准调节链条张力，波动幅度±5%以内，保障起伏地形作业稳定，减少物料转运掉落。

　　2.2.2脱膜分离机构

　　进行脱膜分离作业时，该机构构建了辊筒与气流协同作用的分离体系。脱膜辊筒表面采用仿生凸点阵列排布，依据花生植株与膜质物的附着特点，将凸点精心打磨成半球形，设定凸点直径8mm、间距12mm，再经有限元分析确定凸点高度为3mm。此设计既能保证脱膜质量，又能减少对植株的机械损伤。辊筒内部设有空心轴式气流通道，与两侧对称安装的风选装置形成闭环气流场。气流速度沿辊筒径向梯度变化，近辊筒处3—5m/s，利于膜质物分离；远辊筒处1.5—2m/s，可避免夹带籽粒。辊筒进出口装有经流体仿真优化至30°角的流线型导流板，引导气流形成螺旋上升流场，提升分离效率、减少堆积[2]。

　　2.2.3清选机构

　　进行清选作业时，该机构采用多层分级振动筛网搭配定向气流的清选模式。为满足清选精度要求，筛网结构经细致规划，设计成三层分级形式。上层筛网呈菱形孔，孔径精确至15mm，主要功能是拦截大块杂质；中层筛网为圆形孔，孔径8mm，可初步分离花生籽粒与泥土颗粒；下层筛网是方形孔，孔径5mm，能进一步清除细小泥土杂质。筛网框架选用碳纤维复合材料，显著降低机构运动惯性，配合偏心块式振动激励装置，振动频率可灵活无级调控。筛网下方装有双侧对称高压风机，出风口为渐缩式喷嘴，风速最高达8—12m/s，气流与筛网振动方向呈45°角，形成定向气流场，有效吹除籽粒表面轻质膜屑与粉尘，兼顾清选效率与籽粒完整。

　　2.2.4输送机构

　　此输送机构采用螺旋输送方式。螺旋叶片运用变螺距设计，进料端螺距120mm，利于物料快速进入输送环节；中段螺距渐变至80mm，可让物料输送时压实度均匀、状态平稳；出料端螺距恢复为120mm，能减轻物料排出时的冲击。叶片表面经等离子喷涂陶瓷涂层处理，涂层厚50μm，表面粗糙度Ra≤0.8μm，大幅降低花生籽粒与叶片的摩擦，减少籽粒磨损。输送管道以25°倾斜安装，融合螺旋与重力输送优势，降低电机功率消耗。管道内壁设蜂窝状聚氨酯耐磨衬层，兼具耐磨与缓冲功能。出口处装电磁控制可调挡板，根据位移传感器反馈的物料量，实现输送量闭环调节，确保收集仓物料填充均匀。

　　3.主要作业参数的优化

　　3.1土壤切割参数优化

　　花生收获作业时，土壤切割环节至关重要。入土角度α、切割线速度v以及铲斗入土深度h这几个参数，对铲斗提升机构的入土效率和土体破碎质量有着极大影响。土壤与铲斗相互作用时，遵循剪切破坏的物理规律。切割阻力并非一成不变，随着入土角度增大，先减小后增大。入土角度过大，土壤会被压实，花生籽粒就易被夹带掩埋。依据土壤力学理论，能构建切割阻力与各参数的量化关系模型：

　　其中，F是土壤切割阻力，γ为土壤容重，B是铲斗宽度，μ是土壤-铲斗摩擦系数，c是土壤黏聚力，φ是土壤内摩擦角。结合渐开线弧形铲斗结构特性，以最小化切割阻力、保证土体破碎粒径≤30mm为目标优化。最终确定入土角度α在12°—15°,切割线速度v与行进速度协同，控制在0.9—1.2m/s，铲斗入土深度h根据花生种植深度控制在80—100mm，确保切割后土体松散均匀，减少籽粒损伤与夹带。

　　3.2膜层撕拉参数优化

　　膜层撕拉参数对脱膜分离效果影响极大，脱膜辊筒转速n、辊筒间隙d和气流速度梯度Δv是关键因素。膜层与花生植株分离，靠机械撕拉和气流拖拽协同。参数匹配不当，易出现膜层残留或植株受损。基于膜层断裂力学特性，构建脱膜效率预测模型：

　　n=l-exp[-k(nd AV)]（2）

　　其中，η是膜层脱除效率，k为膜层特性系数，n是脱膜辊筒转速，d是辊筒间隙，Δv是径向气流速度梯度。结合仿生凸点辊筒结构参数，以脱膜效率≥95%、籽粒损伤率≤2%为约束优化。最终确定辊筒转速n为320—380r/min，辊筒间隙d依植株直径动态调至18—22mm，气流速度梯度Δv控制在2.0-3.0m/s，实现膜层高效撕离。

　　3.3花生株保护参数优化

　　作业中，控制花生株籽粒脱落与损伤是保护核心。振动筛振幅A、振动频率f和螺旋输送线速度v是关键参数。因籽粒与果柄连接强度有限，振动冲击和摩擦易致籽粒脱落，需建立参数与损伤率量化关系：

　　d=k(Af+vu)（3）

　　其中，δ是籽粒损伤率，k为品种相关系数，A是振动筛振幅，f是振动频率，v是螺旋输送线速度，μ是籽粒与输送面摩擦系数。结合清选与输送机构结构设计，以损伤率≤2%为目标优化。最终确定振动筛振幅A为8—12mm、频率f为18—22Hz，螺旋输送线速度v为0.5—0.7m/s，有效保护花生植株。

　　4.实验结果分析

　　为精准、全面评估新型花生清土除膜一体机性能，研究人员于多种作业场景展开系统对比研究。以优化参数组合为关键变量，选取砂壤土、中壤土两类典型种植土壤，设定1.2km/h、1.5km/h、1.8km/h三个作业速度。对清土率等四项核心指标量化分析，探究结构创新与参数优化的协同成效。

　　4.1试验方法

　　试验地块选定于华北花生主产区一块极具代表性的田块，将其细致划分为6个试验小区与2个对照小区，每个小区面积统一为300m2（20m×15m）。对土壤容重严格管理，让其稳定处于1.2—1.4g/cm3的区间，土壤含水率也精准控制在18%—22%。种植品种选用当地大面积推广种植的冀花16号，种植密度设定为30万株/hm2，地膜选用厚度0.01mm的聚乙烯材质。试验组启用新型清土除膜一体机，按优化参数作业；对照组采用传统分段收获设备，依常规参数操作。作业结束后，用五点取样法取样，统计数据算指标，记录作业面积算效率[3]。

　　4.2试验结果

　　试验结果显示，新型一体机在不同土壤类型和作业速度下性能优异，核心指标明显优于传统设备。具体数据如表1所示：

　　分析数据可知，新型一体机清土率和脱膜效率稳定在92%以上。即便在1.8km/h作业速度下，中壤土最低清土率仍有92.7%，脱膜效率93.5%，高于传统设备。籽粒损伤率控制在2.0%以内，较传统设备降幅超60%，这得益于部件协同降低了机械冲击。作业效率最高达1.32hm2/h，是传统设备的1.8—2.2倍，一体化作业减少了非作业耗时[4]。不同土壤对比显示，砂壤土下一体机性能略优，验证了参数优化对土壤适应性的提升。

　　5.结语

　　该一体机通过结构创新与参数优化，有效解决了传统收获中清土除膜难、籽粒损伤大的痛点。田间试验证实其在不同土壤条件下均保持高效作业，显著降低了破损率。该研究为实现花生收获全程机械化、降低生产损耗提供了有力的技术支撑，具有广阔的应用前景。

参考文献：

　　[1]赵福勇，自动进料智能控制花生秧除膜揉切机.山东省，日照市福勇智能装备有限公司，2022(12).

　　[2]刘勇，郑孟坤，赵福勇，等.风筛组合式花生秧粉碎除膜机设计与试验[J].农机化研究，2025,47(2):159-164.

　　[3]霍珊珊.“山花9号”春花生膜上覆土高产种植技术[J]．农村新技术,2025(02):10-12.

　　[4]杨猛，张延化，张冲，等.先揉切后分离风筛组合式花生膜秧分离装置设计与试验[J].农业机械学报，2020.