Entwurf und Versuch einer kombinierten Schälmaschine für Wasserkastanien

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 2393 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Wasserkastanien sind in China ein charakteristisches Wassergemüse, und ihre Nachfrage zum Schälen frischer Früchte steigt rapide an. Um die bestehenden Probleme hoher Arbeitsintensität und geringer Effizienz beim manuellen Schälen zu lösen, wurde eine kombinierte Schälmaschine für Wasserkastanien entwickelt, die ein rotierendes Messer zum Entfernen von Knospen und Wurzeln und Differenzialreibungsbänder zum Entfernen der Seitenschale verwendet. Die Leistung der Schälmaschine wurde mit Wasserkastanien aus Xiaogan, Hubei Provence, getestet. Unter den Bedingungen von 200 g Futtermasse und 10 U/min Rotationsgeschwindigkeit wurde der Einzelfaktortest mit der Schnittgeschwindigkeit als Einflussfaktor und der Schnittgeschwindigkeit von Knospen und Wurzeln als Bewertungsindex durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass die Schnittgeschwindigkeit der frischen Früchte der Knospen und Wurzeln der Wasserkastanie 79,04 % bzw. 83,77 % betrug, wenn die Schnittgeschwindigkeit des Rotationsmessers 1,2 m/s betrug. Bei den Differenzialreibungsriemen wurden hohe und niedrige Lineargeschwindigkeiten als Einflussfaktoren herangezogen und die Seitenschälentfernungsrate als Bewertungsindex verwendet. Die Seitenschälentfernungsrate betrug 84,93 % bei der Hochgeschwindigkeits-Lineargeschwindigkeit von 2,1 m/s und der Niedriggeschwindigkeits-Lineargeschwindigkeit von 1,58 m/s. Die Leistung der gesamten Maschine wurde bewertet und die Ergebnisse zeigten, dass der Arbeitsverlust der kombinierten Wasserkastanien-Schälmaschine 43,03 % und die Gesamtschälrate 77,43 % betrug, was den Konstruktionsanforderungen entsprach. Diese Studie kann als Referenz für die Forschung und Entwicklung von Geräten zum Schälen von Wasserkastanien dienen.

Wasserkastanie, auch Eleocharis genannt, ist eines der wichtigsten Wassergemüse in China. Sie wird in Hubei, Guangxi, Zhejiang, Hunan und anderen Orten weit verbreitet angebaut, mit einer Gesamtfläche von 50.000 hm2, und die jährliche Produktion an frischen Früchten der Wasserkastanie beträgt 600.000–800.000 Tonnen1,2. Derzeit entwickelt sich der Anbau von Wasserkastanien in Guangxi, Hubei und anderen Orten rasant, wobei der Schwerpunkt auf der Umsetzung der nationalen Strategie zur Wiederbelebung des ländlichen Raums und den Bedürfnissen der wirtschaftlichen Entwicklung des Kreises „Ein Kreis, ein Produkt“ liegt3,4,5. Frische Wasserkastanien können nach dem Schälen für die Verarbeitung von kandierten Früchten und Obstkonserven verwendet werden, wodurch ein höherer wirtschaftlicher Wert erzielt werden kann6,7. Das Schälen von Wasserkastanien wird jedoch immer noch hauptsächlich manuell durchgeführt, was einen hohen Arbeitsaufwand, eine geringe Effizienz und hohe Produktionskosten verursacht, was den Anforderungen der industriellen Entwicklung nur schwer gerecht werden kann. Die Schältechnologie ist zu einem der Engpässe in der Entwicklung der Wasserkastanienindustrie geworden.

In- und ausländische Wissenschaftler haben gängige Obst- und Gemüseschältechnologien untersucht8,9,10,11, darunter hauptsächlich chemisches Schälen, Dampfschälen, mechanisches Schälen usw.12,13,14,15. Durch das Dampfpeeling werden Wasserkastanien gekocht und verlieren ihren frischen Geschmack16,17, daher ist diese Methode nicht durchführbar. Chemisches Peeling wird mit Lauge getränkt, die stark durch Abfallflüssigkeit verunreinigt ist, anfällig für Laugenrückstände ist und Auswirkungen auf die Lebensmittelsicherheit hat18,19,20. Das mechanische Schälen ist die älteste und am längsten angewandte Schälmethode für Obst und Gemüse und außerdem eine effizientere und umweltfreundlichere Methode21,22,23. Beim chemischen Schälen und Dampfschälen kann eine große Anzahl von Zielfrüchten gleichzeitig verarbeitet werden, sodass eine hohe Arbeitseffizienz erzielt werden kann. Allerdings kann das Problem der Fruchtfleischreifung oder schädlicher Flüssigkeitsrückstände derzeit nicht gelöst werden. Das mechanische Schälen stellt keine potenziellen Sicherheits- und Gesundheitsrisiken für Früchte dar und erfüllt die Lebensmittelanforderungen. Daher konzentriert sich die Schälindustrie im Allgemeinen auf Maschinen, wie Cao Chengmao, der eine Schälmaschine für Bambussprossen mit Messerschneiden und rollender Reibungszuführung sowie das maschinelle Schälen von Bambussprossen24 entwickelte; Zeng Rong hat eine integrierte Mehrkanal-Schälmaschine für frische Lotussamen entwickelt. Das Mehrkanal-Profilierrillenrad wurde verwendet, um die einmalige Entladung frischer Lotussamen, das kreisförmige Schneiden von Innen- und Außenschneidern und die Trennung rollender Schalen und Kerne zu realisieren, um so das Schälen frischer Lotussamen zu realisieren25; Yu Guohong hat einen flexiblen, adaptiven Profilierungs-Süßkartoffelschäler entwickelt, der auf den physikalischen Eigenschaften von Süßkartoffeln basiert, um eine bessere Schälleistung für Süßkartoffeln zu erzielen26. Xu Xieqing entwickelte eine Maschine zum Schälen frischer Lotussamen, die auf der Wasserstrahl-Schälmethode basiert, um die manuelle Arbeit zu reduzieren und die Schäleffizienz zu verbessern27.

Die oben genannten Schälgeräte haben die Schälfunktion von landwirtschaftlichen Materialien auf ihren jeweiligen Feldern realisiert, können jedoch nicht auf Wasserkastanien angewendet werden. Basierend auf dem Status quo, der in diesem Artikel untersuchten mechanischen Schältechnologie für Wasserkastanien, haben wir eine Art kombinierte Schälmaschine für Wasserkastanien entwickelt, die das rotierende Messer zum Entfernen von Knospen und Wurzeln und Differentialreibungsbänder zum Entfernen der Seitenschale verwendet. Durch die theoretische Analyse der wichtigsten technischen Routen wie Austastung, Positionierung und Durchleitung. Die Struktur und der Parameterbereich der Schlüsselkomponenten wurden bestimmt und ein Leistungstest durchgeführt, um eine Referenz für die Forschung und Entwicklung von Wasserkastanien-Schälmaschinen zu liefern.

Die Gesamtform der Wasserkastanie ähnelt der einer Laterne, ihre Form ist jedoch unregelmäßig. Im oberen Teil befindet sich eine Knospe, die nach oben und außen ragt, und auf der Unterseite eine Wurzel, wobei sowohl die Knospe als auch die Wurzel im Fleisch versunken sind (Abb. 1). In Anbetracht der Form der Wasserkastanie schlug das folgende technische Schema vor: Der gesamte Prozess der Fruchtschälung kann in die Entfernung von Knospen und Wurzeln sowie die Reibung zur Entfernung der Seitenschale in zwei Phasen in Kombination unterteilt werden, wobei ein rotierendes Messer senkrecht zur Mittelachse verwendet wird Bei der Wasserkastanie, die sich gleichzeitig in der Nähe von Knospe und Wurzel befindet, werden Knospe und Wurzel entfernt und anschließend die Seitenschale durch Reibung entfernt, um das Fruchtfleisch der Wasserkastanie zu maximieren. Wenn Knospen und Wurzeln entfernt wurden, blieb die maximale Dicke des Fruchtfleischs gemäß der in Abb. 1 gezeigten Größe h erhalten. Beim Reiben der Seitenschale blieb der maximale Fruchtfleischdurchmesser gemäß der in Abb. 1 gezeigten Größe φ erhalten.

Querschnitt einer Wasserkastanie; h0 ist die Gesamthöhe der Wasserkastanie; h ist die maximale Dicke des Fruchtfleisches nach dem Schneiden von Knospe und Wurzel; Φ0 ist der Querdurchmesser; Φ ist der maximale Fleischdurchmesser nach Entfernung der Seitenschale.

Die kombinierte Wasserkastanienschälmaschine besteht hauptsächlich aus Zuführung, Positionierung, Schneiden, Übertragung, Reibung, Entladung usw. Um die Arbeitseffizienz zu verbessern, übernimmt die Maschine gleichzeitig den Doppelkanalbetrieb (Abb. 2).

Dreidimensionale Struktur einer kombinierten Wasserkastanienschälmaschine; (1) Austastmechanismus; (2) Positionierungsmechanismus; (3) Schneidmechanismus; (4) Übertragungsmechanismus; (5) Reibungsmechanismus; (6) Entlademechanismus.

Wenn die Schälmaschine arbeitet, gelangt die Wasserkastanie durch den Zuführmechanismus in den Einfülltrichter, und das Auslassende des Trichters ist eine Bürste. Die Wasserkastanie kann zentriert und in das Positionierungsloch des Positionierungsmechanismus bewegt werden; Der Positionierungsmechanismus ist mit einer verstellbaren Stützplatte ausgestattet und die Vibrationsquelle ist unterhalb der Stützplatte installiert. Wenn die Wasserkastanie durch den Positionierungsmechanismus gedreht wird, bewegt die Vibration der Stützplatte die Knospe nach oben und die Wurzel nach unten. Nach der Ausrichtung bewegt sich die Wasserkastanie mithilfe der Positionierungsscheibe zum Schnittpunkt, und das rotierende Messer dreht sich, um gleichzeitig die Knospe und Wurzel der Wasserkastanie zu entfernen. Nachdem die Knospe und die Wurzel entfernt wurden, gelangt die Wasserkastanie mit der trommelähnlichen Seitenschale in den Übertragungsmechanismus und dann in den Förderkanal, der aus Differentialreibungsbändern und einem von ihr geführten Förderflachband besteht. Dann wird durch die Wirkung der unterschiedlichen Reibung der Reibbänder auf beiden Seiten die seitliche Schale der Wasserkastanie entfernt und die geschälte Wasserkastanie wird am Entladeort gleichmäßig recycelt. Der Arbeitsablauf der gesamten Maschine ist in Abb. 3 dargestellt.

Arbeitsablauf der kombinierten Wasserkastanienschälmaschine.

Der Positionierungsmechanismus der Schälmaschine ist in Abb. 4 dargestellt. Sein Arbeitsvorgang ist wie folgt: Wasserkastanien fallen mit dem Öffnungsloch durch den Einfülltrichter auf die Oberseite der Positionierungsscheibe, und die Positionierungsscheibe dreht sich unter dem Antrieb von der Motor. Unter der Wirkung der Reibung auf der Oberfläche der Positionierungsscheibe und dem zusätzlichen Ziehen der Bürste am Boden des Trichters fällt die Wasserkastanie wiederum in das Positionierungsloch. Der Durchmesser des Positionierungslochs ist so ausgelegt, dass nur eine Wasserkastanie eindringen kann, sodass die Bürste die überschüssige Wasserkastanie, die vom nachfolgenden Trichter zugeführt wird, entlang der Oberfläche der Positionierungsscheibe schickt und sie entlang der Oberfläche der Scheibe gleiten lässt das nächste Positionierungsloch.

Blanking-Mechanismus (1) Blanking-Trichter; (2) Pinsel; (3) Positionierungsscheibe; (4) Rotationsmesser; (5) Antriebsausrüstung; (6) Stützplatte; (7) Stützbalken.

Darüber hinaus kann die Bürste auch die Haltung der Wasserkastanie anpassen. Abhängig von den Formmerkmalen gibt es nur zwei Möglichkeiten, die Wasserkastanie zu platzieren: ① Wenn die Knospe nach oben und der Boden nach unten zeigt, ist die Wasserkastanie relativ stabil und wird von der Bürste nicht beeinträchtigt; ② Wenn die Knospe nach unten zeigt, ist die Wasserkastanie äußerst instabil. Unter der Wirkung des Pinsels dreht er sich automatisch um und platziert die Knospe nach oben.

Der Schneidmechanismus ist in Abb. 5 dargestellt. An der Unterseite der Positionierungsscheibe wurde eine Stützplatte aus rostfreiem Stahl angebracht, um die in das Positionierungsloch fallende Wasserkastanie zu halten. Zwischen Trägerplatte und Scheibe bestand ein Spalt δ, der durch Verstellen der Einbaulage der Trägerplatte eingestellt werden kann. Beim Arbeiten drehte sich das Untermesser nahe an der Unterseite der Positionierungsscheibe, um die Wasserkastanienwurzel zu entfernen, während sich das Obermesser nahe an der Oberseite der Positionierungsscheibe drehte, um den Teil der Wasserkastanienknospen zu entfernen. Aus Abb. 1 ist ersichtlich, dass sowohl die Knospe als auch die Wurzel der Wasserkastanie eine Vertiefung aufweisen und die Schnittgeschwindigkeit der Knospe (Wurzel) durch Anpassen des Spalts δ und der Scheibendicke h1 gesteuert werden kann. Um eine höhere Knospen-(Wurzel-)Schnittgeschwindigkeit und Fleischdicke h zu berücksichtigen, konzentrierte sich diese Studie auf die durchschnittliche Größe der Wasserkastanie, der Spalt wurde auf 3 mm und die Scheibendicke auf 15 mm festgelegt.

Schneidmechanismus (1) Drehzentrum des Rotationsmessers; (2) Rotationsmesser; (3) Festplatte; (4) Stützplatte; δ ist der Spalt zwischen Scheibe und Trägerplatte; h1 ist die Dicke der Positionierungsscheibe.

Nach dem Entfernen der Knospe und der Wurzel wurde das Fruchtfleisch dem nächsten Verfahren zugeführt; Knospen und Wurzeln verließen unter dem Einfluss und der Reibung des Messers den Scheibenbereich, fielen auf natürliche Weise ab und wurden gleichmäßig recycelt. Um die Struktur zu verdichten und die Außengröße der gesamten Maschine zu reduzieren, wurde der Durchmesser der Positionierungsscheibe auf 380 mm festgelegt, die Anzahl der Positionierungslöcher auf der Scheibe betrug 8 und der Abstand von der Mitte jedes Positionierungslochs zur Mitte der Drehachse betrug 140 mm.

Nachdem die Knospe und die Wurzel durch das rotierende Messer abgeschnitten wurden, bewegte sich die Wasserkastanie mit der Positionierungsscheibe in einer kreisförmigen Bewegung weiter, und als sie sich zur Öffnung der Stützplatte bewegte, fiel sie durch die Schwerkraft in die Reibschälvorrichtung. Um sicherzustellen, dass die Wasserkastanie reibungslos aus der Öffnung in das nächste Element des Reibungsmechanismus fallen kann, wurde der Prozess analysiert. Das Bewegungsmodell des Prozesses wird wie in Abb. 6 dargestellt erstellt.

Analyse des Fallvorgangs der Wasserkastanie (1) Positionierungsscheibe; (2) Stützplatte; (3) Förderer; Die Wasserkastanienlaufbahn ist A → B → C, A zeigt die Ausgangsposition der Wasserkastanie an, B zeigt an, dass die Wasserkastanie gerade in die Öffnung gefallen ist, und C zeigt an, dass die Wasserkastanie Kontakt mit dem Wasserkastanienförderer hat; h2 ist die Dicke der Trägerplatte, h3 ist der Abstand zwischen der Trägerplatte und dem Fördermechanismus, L1 ist der Abstand von A nach B, L2 ist der Abstand von A nach C, H1 ist die Höhe von A nach B für die Wasserkastanie, H2 ist die Fallhöhe der Wasserkastanie von A nach C, d1 ist der Durchmesser des Blindlochs für Wasserkastanien, d2 ist der Fördermechanismus und der Abstand des Blindlochs der Trägerplatte.

Der Fallvorgang der Wasserkastanie ist eine flache Wurfbewegung und ihre horizontale Geschwindigkeit v beträgt:

Die Formel zur Berechnung der Größe d1 an der Öffnung der Vibrationsplatte lautet wie folgt:

Die Berechnungsformel für die Installationsgröße des Wasserkastanien-Transfermechanismus lautet wie folgt:

wobei v die lineare Geschwindigkeit der Wasserkastanie im Positionierungsloch in einer kreisförmigen Bewegung mit der Positionierungsscheibe ist, m/s; ω ist die Winkelgeschwindigkeit der Scheibe, rad/s; n ist die Drehzahl der Scheibe, U/min; r ist der Rotationsradius des Positionierungslochs, m; t1 ist die Zeit, die die Wasserkastanie benötigt, um von A nach B zu gelangen, s; t2 ist die Zeit, die die Wasserkastanie benötigt, um von A nach C zu gelangen.

Der Auslegungsbereich der Scheibenrotationsgeschwindigkeit betrug 10–60 U/min; Die Dicke der Trägerplatte hatte keinen direkten Einfluss auf den Arbeitsprozess, daher betrug die Dicke 2 mm, was der üblicherweise verwendeten Edelstahlplatte entspricht; Um die gesamte Maschinenstruktur kompakter zu machen, betrug der Abstand zwischen der Stützplatte und dem Übertragungsmechanismus h3 100 mm; Nach Gl. (2) und (3), die Abmessung der Öffnung d1 ≥ 82 mm und der Abstand zwischen der Einbauposition des Übertragungsmechanismus und dem linken Ende der Öffnung der Trägerplatte d2 ≤ 43 mm.

Nachdem die Wasserkastanie in das Positionierungsloch eingedrungen ist, wird ein profilierender Positionierungsblock entwickelt, damit sie sich mit der Positionierungsscheibe im Positionierungsloch gleichmäßig dreht und verhindert, dass sie beim Schneiden aus dem Loch herausspringt. Der Strukturentwurfsprozess war wie folgt.

Die x-Achse wurde entlang des Mittelpunkts der Wasserkastanie in horizontaler Querrichtung und die y-Achse in vertikaler Richtung in Längsrichtung festgelegt (Abb. 7). Die Abmessung der Wasserkastanie wurde entlang der Längsschnittkontur gemessen und zufällig 20 Größen gemessen, die der durchschnittlichen Wasserkastanie nahe kamen Die Konturgröße, die Außenkonturkurve der Wasserkastanie, wurde durch MATLAB-Simulationsdaten ermittelt und anhand des Konturlokalisierungsstücks der Umrisskurve ermittelt, wodurch die Wasserkastanie und ihre innere Passform eng zusammenpassen können.

Außenkonturbeschlag aus Wasserkastanie. (a) Festlegung des Koordinatensystems der Wasserkastanie; (b) Anpassungskurve der Außenkontur einer Wasserkastanie. Das rote Rechteck ist die endgültige Auswahl zum Erstellen des Profilierungspositionierungsblocks.

Die Konturparameter des Profilierungs-Positionierungsblocks wurden einem Teil der Konturkurve der Wasserkastanie entnommen, wie im roten Rechteck in Abb. 7 dargestellt. Aufgrund seiner komplexen Kurvenform wurde der Positionierungs-Profilierungsblock im 3D-Druck hergestellt. und seine äußere zylindrische Oberfläche wurde an der Innenwand des Positionierungslochs festgeklebt und befestigt, wie in Abb. 8 gezeigt, wobei die obere Oberfläche mit der Positionierungsscheibe bündig war. Wenn die Wasserkastanie in das Positionierungsloch eindringt, wird ihre Seite unter Einwirkung der Zentrifugalkraft mit dem Positionierungsblock versehen. Im Vergleich zum zylindrischen Durchgangsloch vergrößert der entworfene Profilierungspositionierungsblock nicht nur die Kraftkontaktfläche, sondern erleichtert auch die Bildung von stabiler Stützschnitt.

Schematische Darstellung der Profiliervorrichtung (1) Trägerplatte; (2) Positionierungsscheibe; (3) Wasserkastanie; (4) Profilierungsblock.

Nach dem Schneiden der Knospe und der Wurzel fiel die Wasserkastanie in die Y-förmige Zufuhröffnung am Blindloch der Stützplatte, wie in Abb. 9 dargestellt, und der seitliche Schalenentfernungsprozess wurde fortgesetzt. Unterhalb der Y-förmigen Zufuhröffnung ist ein Förderband angeordnet, und die Wasserkastanie wurde durch die gemeinsame Wirkung der Führungsplatten auf beiden Seiten den Differentialreibungsbändern zugeführt. Um sicherzustellen, dass Wasserkastanien besser aus dem Y-förmigen Hafen importiert werden können, ist das Förderband geneigt ausgelegt. Nach mehreren Tests wurde der Neigungswinkel auf 10° eingestellt und die Wirkung der Wasserkastanie beim Eintritt in das Förderband war am besten.

Schematische Darstellung der Führungsvorrichtung (1) Y-förmiger Anschluss; (2) Förderband; (3) Reibriemen I; (4) Reibriemen II; d3 ist der innere Abstand des Reibungsbandes.

Der Reibungsriemenabstand d3 kann durch die Einbauposition der Synchronriemenachse angepasst werden, und seine Größe entspricht dem in Abb. 1 gezeigten Φ. Stellen Sie den Reibungsriemenabstand d3 = 40 mm entsprechend der Größe des Testobjekts ein . Die Wasserkastanie wurde durch zwei Differentialreibungsriemen gequetscht und gerieben und dreht sich im Kanal vorwärts, um eine Rundumschälung zu erreichen. Das Prinzip wurde in Abb. 10 dargestellt.

Prinzip des Reibschälens (1) Reibband I; (2) Wasserkastanie; (3) Reibriemen II; vI > vI; vI ist die Geschwindigkeitsrichtung des Reibriemens I; vII ist die Geschwindigkeitsrichtung des Reibriemens II; vIII ist die tatsächliche Laufrichtung der Wasserkastanie; ωIII ist die tatsächliche Winkelgeschwindigkeitsrichtung der Wasserkastanie.

Die Wasserkastanie drehte sich und bewegte sich unter der Klemmwirkung zweier Differentialreibungsriemen vorwärts, und ihre Geschwindigkeit betrug ωIII, die Vorwärtsgeschwindigkeit betrug vIII; vI und vII waren die linearen Geschwindigkeiten des Hochgeschwindigkeitsbandes bzw. des Niedergeschwindigkeitsbandes, die durch die Motorgeschwindigkeit gesteuert und einstellbar waren; Wenn der Unterschied zwischen der linearen Geschwindigkeit des Differentialreibungsriemens vI und vII größer war, war die Vorwärtsgeschwindigkeit der Wasserkastanie vIII größer; Während des Tests wurde die lineare Geschwindigkeit des Differenzialbandes durch Anpassen der Motorgeschwindigkeit gesteuert und anschließend die Vorwärtsgeschwindigkeit der Wasserkastanie geändert, um die entsprechende Arbeitsgeschwindigkeit für den besten Schäleffekt zu ermitteln.

Der Reibriemen wurde vom Team entwickelt und bestand aus einem Synchronriemen, einer Schwammschicht und Reibpartikeln (Abb. 11). Synchronriemen und Motorriemenscheibe sind verbunden und spielen eine Antriebsrolle; In Kombination mit der Außenkonturgröße der Wasserkastanie wurde die Schwammschichtdicke h4 = 4 mm eingestellt. Durch das Hinzufügen der Schwammschicht kann diese eine Puffer- und Dekompressionsfunktion übernehmen, die Quetschschäden des Reibungsbandes an der Wasserkastanie während des Schälens effektiv reduzieren, den Fruchtfleischverlust reduzieren und eine hohe Schälqualität gewährleisten. Reibungspartikel bestehen aus Sandpartikeln unterschiedlicher Größe. Um einen besseren Schäleffekt zu gewährleisten, beträgt die durchschnittliche Partikelgröße der Reibungspartikel h5 = 2 mm, die auf der Grundlage des tatsächlichen Experiments festgelegt wird, und die Partikelform ist polyedrisch mit scharfen Kanten und Ecken, um die seitliche Wasserablösung schnell zu entfernen Kastanie.

Schematische Darstellung des Reibbandes (1) Reibpartikel; (2) Schwammige Schicht; (3) Synchronriemen; h4 ist die Dicke der Schwammschicht; h5 ist die durchschnittliche Sandkorngröße.

Das Testmaterial war die lokale traditionelle Wasserkastaniensorte, die in der Stadt Xiaogan in der Provinz Hubei weithin angebaut wird. Die Größe und Spezifikationen waren nach der Klassifizierung und dem Screening vor dem Test relativ konsistent. Die durchschnittliche Masse der einzelnen Früchte betrug 29,03 g, der durchschnittliche maximale Querdurchmesser Φ0 betrug 44,99 mm, die durchschnittliche gesamte Fruchtfleischhöhe h0 betrug 29,66 mm und der durchschnittliche Feuchtigkeitsgehalt der nassen Basis betrug 83,32 %. Zur Testausrüstung gehörten ein Wassergehaltsmessgerät, eine elektronische Waage, ein Geschwindigkeitskalibriergerät, ein Messschieber, ein Kartonschneider, Rasterpapier, ein Markierungsstift usw.

Laut Vortest kann eine kontinuierliche Zuführung gewährleistet werden, wenn die Einzelzuführung 200 g beträgt und die Scheibenrotationsgeschwindigkeit 10 U/min beträgt. Unter diesen Bedingungen wurde die Messerrotationsgeschwindigkeit als Einflussfaktor herangezogen, der Bereich der Messerrotationsgeschwindigkeit n wurde auf 100 bis 300 U/min eingestellt und die Schnittgeschwindigkeit von Knospen und Wurzeln wurde als Bewertungsindex für die Durchführung genommen Einfaktorexperiment zur optimalen Schnittgeschwindigkeit der Schälmaschine zum Schneiden von Wurzeln und Knospen.

Es wurde festgestellt, dass Wasserkastanien beim Schneiden mit hoher Geschwindigkeit wiederholt geschnitten werden (Abb. 12). Wiederholtes Schneiden führt zu einer verringerten Dicke der Wasserkastanie (Abb. 12b) oder zur Fragmentierung der Wasserkastanie (Abb. 12c), was zu zusätzlichen Schälverlusten führt.

Wasserkastanie nach wiederholtem Schneiden (a) Normales Schneiden; (b) Wiederholtes Schneiden 1; (c) Wiederholtes Schneiden 2.

Die Analyse des Grundes ergab, dass die Schnittgeschwindigkeit hoch war und die Positionierungsscheibe die Wasserkastanie nach dem Schneiden nicht rechtzeitig aus dem Schnittbereich beförderte, was zu einem sekundären Schnitt führte. Die wichtigsten Einflussfaktoren waren die Messergeschwindigkeit, die Rotationsgeschwindigkeit der Positionierungsscheibe, der Achsabstand des Positionierungslochs usw. In dieser Studie wurde die Rotationsgeschwindigkeit von Messer und Scheibe als Einflussfaktor herangezogen.

Die Schnittgeschwindigkeit v1 ist die Summe der Lineargeschwindigkeiten der Stellscheibe und des Messers:

wobei ω die Winkelgeschwindigkeit der Scheibe ist, rad/s; r ist der Rotationsradius des Positionierungslochs, m; ω1 ist die Winkelgeschwindigkeit des Messers, rad/s; r1 ist die Messerlänge, m.

Die Schnittrate der Wasserkastanienknospen (Wurzel) wurde nach der folgenden Formel berechnet:

wobei y1 die Schnittrate der Knospe (Wurzel) ist, %; Sa ist die Schnittfläche nach der Knospen-(Wurzel-)Exzision, mm2; Sr ist die verbleibende Knospenfläche (Wurzelfläche), mm2.

Das Testergebnis ist in Abb. 13 dargestellt. Für den Knospen- und Wurzelentfernungstest von Wasserkastanien wurde eine Varianzanalyse durchgeführt, wie in Tabelle 1 gezeigt. Es ist ersichtlich, dass die Schnittgeschwindigkeit keinen signifikanten Einfluss auf das Schneiden von Knospen und Wurzeln hat Wasserkastanie im Testbereich, und der Unterschied in der Schnittgeschwindigkeit ist mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit gering.

Ergebnis der Knospen- und Wurzelresektion.

Innerhalb des Testbereichs war laut Mittelwertanalyse bei einer Schnittgeschwindigkeit von 1,2 m/s die Entfernungswirkung von Wasserkastanienknospen und -wurzeln relativ am besten.

Da es derzeit keinen Qualitätsbewertungsstandard für das Schälen von Wasserkastanien gibt, wurde eine Bewertungsmethode basierend auf der aktuellen Forschungslage vorgeschlagen. Die Entfernungsrate der Seitenschale der Wasserkastanie kann mit der folgenden Formel berechnet werden:

wobei y2 die seitliche Schälentfernungsrate ist, %; S1 ist der kutikuläre Bereich der Wasserkastanie vor dem Entfernen der Seitenschale, mm2; S2 ist die epidermale Fläche der Wasserkastanie nach Entfernung der Seitenschale, mm2.

Um die Auswirkung der Arbeitsparameter auf die seitliche Schälentfernung durch Reibung zu untersuchen, wurde ein Vollfaktorexperiment mit Wasserkastanien mit entfernten Knospen und Wurzeln als Objekt und der Geschwindigkeit des Differentialriemens als Einflussfaktor durchgeführt. Die Hauptfunktion des Synchronriemens besteht darin, die Wasserkastanie sanft in die Y-förmige Öffnung zu führen und sicherzustellen, dass sich die Wasserkastanie beim Reibschälen immer zwischen den beiden Riemen befindet, gemäß dem tatsächlichen Test, wenn die Seitenschale der Wasserkastanie entfernt wird wird hauptsächlich durch die Reibung zwischen den beiden Reibriemen beeinflusst und steht nicht in Kontakt mit dem unteren Synchronriemen, daher hatte seine Geschwindigkeit keinen Einfluss und wurde daher nicht als Testfaktor verwendet.

Die Faktoren und Stufen dieses Tests sind in Tabelle 2 aufgeführt. Je nach Strukturgröße wurde die Rotationsgeschwindigkeit des Reibungsriemens in eine lineare Geschwindigkeit umgewandelt. Band I war das Hochgeschwindigkeitsband und Band II war das Niedriggeschwindigkeitsband. Die Testergebnisse sind in Abb. 14 dargestellt.

Entfernungsrate der Seitenschale der Wasserkastanie.

Das Aussehen der Wasserkastanie nach dem Schälen ist in Abb. 15 dargestellt. Die Ergebnisse der Varianzanalyse sind in Tabelle 3 dargestellt. Die Geschwindigkeit der beiden Reibbänder hatte keinen signifikanten Einfluss auf den Schäleffekt (P > 0,05), jedoch mit hoher Die Geschwindigkeit des Geschwindigkeitsbandes nahm zu, und die Entfernungsrate der Seitenschale zeigte einen Abwärtstrend, hauptsächlich aufgrund von: Wenn die Seitenschale der Wasserkastanie zwischen den Differentialkanälen der beiden Reibungsbänder entfernt wurde, verringerte sich der relative Gleitabstand zwischen der Seitenschale und den Reibungsbändern war immer länger als der Außenumfang der Wasserkastanie, und ein gewisser Teil der Seitenschale kann entfernt werden. Mit der Erhöhung der Hochgeschwindigkeitsbandgeschwindigkeit nahm jedoch der relative Gleitabstand zwischen der Wasserkastanie und den Reibbändern leicht ab, sodass die Abtragsrate abnahm. Im Testbereich betrug gemäß der Mittelwertanalyse der Testdaten bei vI = 2,1 m/s und vII = 1,58 m/s die höchste Entfernungsrate der Seitenschale der Wasserkastanie 84,93 %.

Wasserkastanie nach dem Reibschälen (a). Ansicht; (B). Ansicht von oben.

Die kombinierte Wasserkastanienschälmaschine ist in Abb. 16 dargestellt. Die Parameter der Maschine wurden gemäß den oben genannten Tests angepasst und die Leistung der gesamten Maschine wurde unter der optimalen Parameterkombination für jedes Projekt bewertet. Das Experiment wurde 20 Mal wiederholt und die Schälverlustrate bzw. die Gesamtschälrate wurden ermittelt.

Kombinierte Schälmaschine für Wasserkastanien.

Die Schälverlustrate wurde nach folgender Formel berechnet:

wobei y3 die Verlustrate ist, %; m1 ist die Gesamtmasse der Wasserkastanie vor dem Schälen, g; m2 ist die Masse der Wasserkastanie nach dem Schälen, g.

Die Gesamtschälrate wurde nach folgender Formel berechnet:

wobei y4 die Gesamtschälrate in % ist; y1 ist die Schnittrate der Knospe (Wurzel), %; y2 ist die Entfernungsrate der seitlichen Ablösung, %.

Um Massenschwankungen der Wasserkastanie aufgrund von Wasserverlust zu verhindern, wurde eine elektronische Waage verwendet, um die Wasserkastanie unmittelbar nach dem Test zu wiegen. Die Ergebnisse zeigten, dass unter optimalen Parametern die Arbeitseffizienz der Maschine 6 kg/min überstieg, was viel höher war als beim manuellen Schälen; Was die Schälqualität betrifft, so betrug die Schälverlustrate der kombinierten Wasserkastanien-Schälmaschine 43,03 % und die Gesamtschälrate 77,43 %. Die Schälgeschwindigkeit der gesamten Maschine unterschied sich von der des Einzelknospen-, Wurzel- und Seitenschältests. Der Hauptgrund dafür war, dass der Schälvorgang der gesamten Maschine automatisch abgeschlossen wurde, sodass es bei verschiedenen Prozessen zu Abweichungen bei der Übertragung der Wasserkastanie kommen kann, was zu einer schlechten Wirkung führt.

Die Daten zeigten, dass die Schale reifer Wasserkastanien einen hohen Anteil ausmachte, etwa 20–25 % der gesamten Fruchtmasse28,29,30. Wenn man bedenkt, dass die unregelmäßige Form der Wasserkastanie beim mechanischen Schälen zu übermäßigem Schnittverlust31,32 führt, beträgt der Massenverlust beim manuellen Schälen in Kombination mit der tatsächlichen Untersuchung etwa 40 %. Mit dieser Schälmaschine kann ein Schälverlust von 43,03 % bzw. eine Gesamtschälrate von 77,43 % erzielt werden, wodurch das Konstruktionsziel des ersten Austauschs des Handbuchs erreicht wird. Allerdings ist die Oberfläche der Wasserkastanie nach dem Schälen rau und die Wahrnehmung schlecht, was verbessert werden muss.

In dieser Studie wurde eine kombinierte Wasserkastanien-Schälmaschine entwickelt, die ein rotierendes Messer zum Entfernen von Knospen und Wurzeln und eine Differentialreibungsriemengruppe zum Entfernen der Seitenschale verwendet. Der kombinierte Betriebsmodus wurde übernommen, um nacheinander Knospen, Wurzeln und Seitenschalen der Wasserkastanie zu entfernen. Durch die theoretische Analyse des Prozesses der Austastpositionierung und -übertragung wurden die Strukturform und der Parameterbereich des Geräts bestimmt.

Es wurden Prüfstandstests am Knospen- und Wurzelschneiden sowie an der seitlichen Schalenreibung der Wasserkastanie durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass bei einer Schnittgeschwindigkeit von 1,2 m/s die Schnittrate der Knospen und Wurzeln der Wasserkastanie 79,04 % bzw. 83,77 % erreichen konnte; Hochgeschwindigkeitsband vI = 2,1 m/s, Niedergeschwindigkeitsband vII = 1,58 m/s und die Entfernungsrate der Wasserkastanienseitenschale betrug 84,93 %. Die Leistung der gesamten Maschine wurde unter der optimalen Parameterkombination jeder Verbindung bewertet. Die Ergebnisse zeigten, dass die Arbeitseffizienz der Maschine 6 kg/min überschreiten kann, die Schälverlustrate der gesamten Maschine 43,03 % betrug und die Gesamtreinigungsrate 77,43 % beträgt. Die Arbeitsindizes der gesamten Maschine erfüllen grundsätzlich das Konstruktionsziel, manuelle Arbeit zu ersetzen. Allerdings weist die geschälte Wasserkastanie eine raue Oberfläche und einen hohen Verlust auf, was in der nächsten Studie verbessert werden muss.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten und alle in dieser Studie enthaltenen Daten sind auf Anfrage durch Kontaktaufnahme mit dem entsprechenden Autor erhältlich.

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Die Finanzierung erfolgte durch ein spezielles Subventionsprojekt des landesweit charakteristischen Technologiesystems der Gemüseindustrie.

Diese Autoren trugen gleichermaßen bei: Guozhong Zhang und Liming Chen.

College of Engineering, Huazhong Agricultural University, Wuhan, 430070, China

Guozhong Zhang, Liming Chen, Zhou Guo, Haopeng Liu, Zhao Dong und Fang Liang

Schlüssellabor für landwirtschaftliche Ausrüstung im mittleren und unteren Jangtsekiang, Ministerium für Landwirtschaft und ländliche Angelegenheiten, Wuhan, 430070, China

Guozhong Zhang, Liming Chen, Zhou Guo, Haopeng Liu, Zhao Dong und Fang Liang

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GZ lieferte Ideen und Schreibanleitungen; LC führte ein Experiment durch und schrieb den ersten Entwurf; ZG baute die Maschine zusammen; LH und DZ leisteten Ausrüstungsunterstützung; LF lieferte Designideen; Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Guozhong Zhang.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Zhang, G., Chen, L., Guo, Z. et al. Entwurf und Versuch einer kombinierten Schälmaschine für Wasserkastanien. Sci Rep 13, 2393 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-28472-9

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Eingegangen: 16. Mai 2022

Angenommen: 18. Januar 2023

Veröffentlicht: 10. Februar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-28472-9

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