Diseño y experimento de una peladora combinada para castañas de agua

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 2393 (2023) Citar este artículo

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La castaña de agua es una verdura acuática característica en China, y su demanda de fruta fresca para pelar está aumentando rápidamente. Teniendo como objetivo los problemas existentes de alta intensidad de mano de obra y baja eficiencia del pelado manual, se diseñó una máquina peladora de castañas de agua combinada, que utilizaba un cuchillo rotativo para quitar la yema y la raíz, y unas correas de fricción diferencial para quitar la cáscara lateral. El rendimiento de la máquina peladora se probó con castañas de agua de Xiaogan, Hubei Provence. Bajo las condiciones de una masa de alimentación de 200 g y una velocidad de rotación de 10 r/min, se llevó a cabo la prueba de factor único con la velocidad de corte como factor de influencia y la tasa de corte de yemas y raíces como índice de evaluación. Los resultados mostraron que la tasa de corte de la fruta fresca de la yema y la raíz de la castaña de agua fue del 79,04 % y del 83,77 %, respectivamente, cuando la velocidad de corte de la cuchilla rotatoria fue de 1,2 m/s. En las correas de fricción diferencial, se tomaron como factores de influencia las velocidades lineales altas y bajas, y la tasa de eliminación de la peladura lateral se utilizó como índice de evaluación. La tasa de eliminación de la piel lateral fue del 84,93 % a la velocidad lineal de alta velocidad de 2,1 m/sy a la velocidad lineal de baja velocidad de 1,58 m/s. Se evaluó el rendimiento de toda la máquina y los resultados mostraron que la pérdida de trabajo de la máquina peladora de castañas de agua combinada fue del 43,03 % y la tasa de pelado integral fue del 77,43 %, lo que alcanzó los requisitos de diseño. Este estudio puede proporcionar una referencia para la investigación y el desarrollo del dispositivo para pelar castañas de agua.

La castaña de agua, también conocida como Eleocharis, es una de las verduras acuáticas más importantes de China. Está ampliamente plantado en Hubei, Guangxi, Zhejiang, Hunan y otros lugares, con una superficie total de 50 000 hm2, y la producción anual de frutos frescos de castaña de agua es de 600 000 a 800 000 toneladas1,2. En la actualidad, centrándose en la implementación de la estrategia nacional de revitalización rural y las necesidades del desarrollo económico del condado de "un condado, un producto", la plantación de castañas de agua en Guangxi, Hubei y otros lugares se está desarrollando rápidamente3,4,5. La castaña de agua dulce después de pelar se puede utilizar para el procesamiento de frutas confitadas y frutas enlatadas, lo que puede lograr un mayor valor económico6,7. Sin embargo, el pelado de castañas de agua todavía se realiza principalmente de forma manual, con una alta intensidad de mano de obra, baja eficiencia y alto costo de producción, lo que dificulta cumplir con los requisitos del desarrollo industrial. La tecnología de pelado se ha convertido en uno de los cuellos de botella en el desarrollo de la industria de la castaña de agua.

Académicos nacionales y extranjeros han estudiado tecnologías comunes de pelado de frutas y verduras8,9,10,11, que incluyen principalmente pelado químico, pelado con vapor, pelado mecánico, etc.12,13,14,15. El pelado al vapor hará que las castañas de agua se cocinen y pierdan su sabor fresco16,17, por lo que este método no es factible. El peeling químico se empapa en lejía, que está muy contaminada por el líquido de desecho y es propensa a dejar residuos de lejía y tiene un impacto en la seguridad alimentaria18,19,20. El pelado mecánico es el método de pelado aplicado más antiguo y más antiguo para frutas y hortalizas, y también es un método más eficiente y respetuoso con el medio ambiente21,22,23. El pelado químico y el pelado al vapor pueden ingresar una gran cantidad de frutas objetivo al mismo tiempo, por lo que puede lograr una alta eficiencia de trabajo. Sin embargo, en la actualidad, el problema de la maduración de la pulpa o de los residuos líquidos nocivos no se puede resolver. El pelado mecánico no causará riesgos potenciales para la seguridad y la salud de las frutas y cumple con los requisitos alimentarios. Por lo tanto, la industria de pelado generalmente se enfoca en maquinaria, como Cao Chengmao, quien diseñó una máquina peladora de brotes de bambú con alimentación por fricción y corte con cuchilla, pelado mecanizado de brotes de bambú24; Zeng Rong diseñó una máquina descascaradora integrada multicanal para semillas de loto frescas. La rueda ranurada de perfilado multicanal se utilizó para realizar la descarga única de semillas de loto frescas, el corte circular de cortadores internos y externos, y la separación de cáscaras y granos rodantes, para realizar el descascarillado de semillas de loto frescas25; Yu Guohong diseñó una peladora de batatas de perfil adaptativo flexible basada en las características físicas de las batatas para lograr un mejor rendimiento de pelado de batatas26. Xu Xieqing diseñó una máquina peladora de semillas de loto frescas basada en el método de pelado con chorro de agua para reducir el trabajo manual y mejorar la eficiencia del pelado27.

Los dispositivos de pelado anteriores han realizado la función de pelado de materiales agrícolas en sus respectivos campos, pero no se pueden aplicar a las castañas de agua. Con base en el statu quo, la tecnología de pelado mecánico de castañas de agua se estudió en este documento, diseñamos una especie de máquina peladora de castañas de agua combinada, utilizando el cuchillo giratorio para eliminar brotes y raíces, cinturones de fricción diferencial para eliminar la cáscara lateral. A través del análisis teórico de la ruta técnica principal, como el borrado, el posicionamiento y la transmisión. Se determinaron la estructura y el rango de parámetros de los componentes clave y se llevó a cabo la prueba de rendimiento para proporcionar una referencia para la investigación y el desarrollo de la máquina peladora de castañas de agua.

La forma general de la castaña de agua es similar a la de una linterna, pero su forma es irregular. Hay una yema en la parte superior, que sobresale hacia arriba y hacia afuera, y una raíz en la parte inferior, con la yema y la raíz hundidas en la pulpa (Fig. 1). Teniendo en cuenta la forma de la castaña de agua, propuso el siguiente esquema técnico: todo el proceso de pelado de la fruta se puede dividir en la eliminación de yemas y raíces, y la fricción para quitar la cáscara lateral en dos fases combinadas, para usar un eje central de cuchillo giratorio perpendicular a La castaña de agua, al mismo tiempo cerca de la yema y la raíz, obtuvo la eliminación de la yema y la raíz, luego se quitó la cáscara lateral por fricción, para maximizar la pulpa de la castaña de agua. Cuando se quitaron la yema y la raíz, se retuvo el grosor máximo de pulpa de acuerdo con el tamaño h que se muestra en la Fig. 1. Al frotar la cáscara lateral, se retuvo el diámetro máximo de pulpa de acuerdo con el tamaño φ, como se muestra en la Fig. 1.

Sección transversal de castaño de agua; h0 es la altura total del castaño de agua; h es el grosor máximo de la pulpa después de cortar la yema y la raíz; Φ0 es el diámetro transversal; Φ es el diámetro máximo de la pulpa después de retirar la piel lateral.

La máquina peladora de castañas de agua combinada consiste principalmente en alimentación, posicionamiento, corte, transmisión, fricción, descarga, etc. Para mejorar la eficiencia de trabajo, la máquina adopta una operación de doble canal al mismo tiempo (Fig. 2).

Estructura tridimensional de la máquina peladora de castañas de agua combinada; (1) Mecanismo de obturación; (2) mecanismo de posicionamiento; (3) mecanismo de corte; (4) mecanismo de transmisión; (5) mecanismo de fricción; (6) Mecanismo de descarga.

Cuando la máquina peladora funciona, la castaña de agua ingresa al embudo de alimentación por el mecanismo de alimentación, y el extremo de descarga del embudo es un cepillo. La castaña de agua se puede centralizar y mover al orificio de posicionamiento del mecanismo de posicionamiento; el mecanismo de posicionamiento está provisto de una placa de soporte ajustable y la fuente de vibración está instalada debajo de la placa de soporte. Cuando el mecanismo de posicionamiento gira la castaña de agua, la vibración de la placa de soporte hace que el capullo suba y la raíz baje. Después de la alineación, la castaña de agua se mueve hacia el lugar de corte impulsada por el disco de posicionamiento, y el cuchillo giratorio gira para eliminar el capullo y la raíz de la castaña de agua al mismo tiempo; Después de quitar el capullo y la raíz, la castaña de agua con cáscara lateral que es similar al tambor ingresa al mecanismo de transmisión y luego ingresa al canal de transporte compuesto por correas de fricción diferencial y correa plana de transporte bajo su guía. Luego, bajo la acción del roce diferencial de las correas de fricción en ambos lados, se retira la cáscara lateral de la castaña de agua y la castaña de agua pelada se recicla uniformemente en el lugar de descarga. El proceso de trabajo de toda la máquina se muestra en la Fig. 3.

Flujo de trabajo de la máquina peladora de castañas de agua combinada.

El mecanismo de posicionamiento de la máquina peladora se muestra en la Fig. 4. Su proceso de trabajo es el siguiente: la castaña de agua cae a la superficie superior del disco de posicionamiento con el orificio de apertura a través de la tolva de alimentación, y el disco de posicionamiento gira bajo el impulso de el motor. Bajo la acción de la fricción en la superficie del disco de posicionamiento y la tracción auxiliar del cepillo en el fondo de la tolva, la castaña de agua cae a su vez en el orificio de posicionamiento. El diámetro del orificio de posicionamiento está diseñado para garantizar que solo pueda entrar una castaña de agua, por lo que el cepillo enviará la castaña de agua sobrante alimentada por la tolva posterior a lo largo de la superficie del disco de posicionamiento y la hará deslizar a lo largo de la superficie del disco en el siguiente orificio de posicionamiento.

Mecanismo de obturación (1) Tolva de obturación; (2) Cepillo; (3) Disco de posicionamiento; (4) Cuchilla giratoria; (5) Engranaje impulsor; (6) placa de soporte; (7) Viga de apoyo.

Además, el cepillo también puede ajustar la postura de la castaña de agua. De acuerdo con las características de la forma, solo hay dos formas de colocar la castaña de agua: ① Cuando la yema está hacia arriba y la parte inferior está hacia abajo, la castaña de agua es relativamente estable y no se verá afectada por el cepillo; ② Cuando el capullo está hacia abajo, la castaña de agua es extremadamente inestable. Bajo el efecto del cepillo, se girará automáticamente para colocar el cogollo hacia arriba.

El mecanismo de corte se muestra en la Fig. 5. Se colocó una placa de soporte de acero inoxidable en el lado inferior del disco de posicionamiento para sujetar la castaña de agua que cae en el orificio de posicionamiento. Había un espacio δ entre la placa de soporte y el disco, que se puede configurar ajustando la posición de instalación de la placa de soporte. Al trabajar, la cuchilla inferior giraba cerca de la superficie inferior del disco de posicionamiento para eliminar la raíz de la castaña de agua, mientras que la cuchilla superior giraba cerca de la superficie superior del disco de posicionamiento para eliminar la parte del capullo de la castaña de agua; Se puede ver en la Fig. 1 que tanto la yema como la raíz de la castaña de agua tienen depresión, y la velocidad de corte de la yema (raíz) se puede controlar ajustando el espacio δ y el grosor del disco h1. Para tener en cuenta una mayor tasa de corte de yemas (raíces) y un grosor de pulpa h, este estudio se centró en el tamaño medio de la castaña de agua, el espacio se fijó en 3 mm y el grosor del disco se fijó en 15 mm.

Mecanismo de corte (1) Centro de rotación de la cuchilla giratoria; (2) Cuchilla giratoria; (3) disco; (4) placa de soporte; δ es el espacio entre el disco y la placa de soporte; h1 es el grosor del disco de posicionamiento.

Después de quitar el brote y la raíz, la pulpa entró en el siguiente procedimiento; la yema y la raíz abandonaron el área del disco bajo el impacto y la fricción del cuchillo, cayeron naturalmente y se reciclaron uniformemente. Para compactar la estructura y reducir el tamaño externo de toda la máquina, el diámetro del disco de posicionamiento se fijó en 380 mm, el número de orificios de posicionamiento en el disco fue de 8 y la distancia desde el centro de cada orificio de posicionamiento hasta el centro. del eje de giro era de 140 mm.

Después de cortar la yema y la raíz con el cuchillo giratorio, la castaña de agua continuó moviéndose en un movimiento circular con el disco de posicionamiento, y cuando se movió hacia la abertura de la placa de soporte, cayó en el dispositivo de pelado por fricción por gravedad. Para garantizar que la castaña de agua pueda caer suavemente desde la abertura para ingresar al siguiente elemento del mecanismo de fricción, se analizó el proceso. El modelo de movimiento del proceso se establece como se muestra en la Fig. 6.

Análisis del proceso de caída de la castaña de agua (1) Disco posicionador; (2) placa de soporte; (3) transportador; La pista de carreras de castañas de agua es A → B → C, A indica la posición inicial de la castaña de agua, B indica que la castaña de agua acaba de caer en la abertura y C indica que la castaña de agua está en contacto con el transportador de castañas de agua; h2 es el grosor de la placa de soporte, h3 es la distancia entre la placa de soporte y el mecanismo de transporte, L1 es la distancia de A a B, L2 es la distancia de A a C, H1 es la altura de A a B para el castaña de agua, H2 es la altura de caída de la castaña de agua de A a C, d1 es el diámetro del orificio de obturación de la castaña de agua, d2 es el mecanismo de transporte y el espaciado del orificio de obturación de la placa de soporte.

El proceso de caída de la castaña de agua es un movimiento de lanzamiento plano, y su velocidad horizontal v es:

La fórmula para calcular el tamaño d1 en la apertura de la placa vibratoria es la siguiente:

La fórmula de cálculo para el tamaño de instalación del mecanismo de transferencia de castañas de agua es la siguiente:

donde v es la velocidad lineal de la castaña de agua en el orificio de posicionamiento en un movimiento circular con el disco de posicionamiento, m/s; ω es la velocidad angular del disco, rad/s; n es la velocidad de rotación del disco, r/min; r es el radio de rotación del orificio de posicionamiento, m; t1 es el tiempo que tarda la castaña de agua en pasar de A a B, s; t2 es el tiempo requerido para que la castaña de agua se mueva de A a C.

El rango de diseño de la velocidad de rotación del disco fue de 10 a 60 r/min; El espesor de la placa de soporte no influyó directamente en el proceso de trabajo, por lo que el espesor fue de 2 mm, que era la placa de acero inoxidable de uso común; Para compactar toda la estructura de la máquina, la distancia entre la placa de soporte y el mecanismo de transmisión h3 fue de 100 mm; De acuerdo con las Ecs. (2) y (3), la dimensión de la abertura d1 ≥ 82 mm, y la distancia entre la posición de instalación del mecanismo de transmisión y el extremo izquierdo de la abertura de la placa de soporte d2 ≤ 43 mm.

Después de que la castaña de agua entró en el orificio de posicionamiento, para hacer que gire constantemente con el disco de posicionamiento en el orificio de posicionamiento y evitar que se salga del orificio durante el corte, se diseña un bloque de posicionamiento de perfilado. El proceso de diseño estructural fue el siguiente.

Establecido el eje x a lo largo del punto medio transversal horizontal de la castaña de agua, y establecido el eje y longitudinal vertical (Fig. 7), la dimensión de la castaña de agua se midió a lo largo del contorno de la sección longitudinal, midiendo aleatoriamente 20 tamaños cercanos a la castaña de agua promedio, midiendo El tamaño del contorno, la curva de contorno exterior de la castaña de agua se obtuvo mediante datos de simulación de MATLAB, establecidos de acuerdo con la pieza de ubicación del contorno de la curva de contorno, puede hacer que la castaña de agua y su ajuste interno se ajusten estrechamente.

Ajuste de contorno externo de castaño de agua. (a) Establecimiento del sistema de coordenadas de la castaña de agua; (b) Curva de ajuste del contorno externo de castaño de agua. El rectángulo rojo es la selección final para establecer el bloque de posicionamiento del perfilado.

Los parámetros de contorno del bloque de posicionamiento de perfilado se tomaron de una parte de la curva de contorno de la castaña de agua, como se muestra en el rectángulo rojo de la Fig. 7. Debido a su forma de curva compleja, el bloque de perfilado de posicionamiento se fabricó mediante impresión 3D, y su superficie cilíndrica exterior se pegó y fijó en la pared interior del orificio de posicionamiento, como se muestra en la figura 8, con la superficie superior enrasada con el disco de posicionamiento. Cuando la castaña de agua entró en el orificio de posicionamiento, su lado equipado con el bloque de posicionamiento bajo la acción de la fuerza centrífuga, en comparación con el orificio pasante cilíndrico, el bloque de posicionamiento de perfil diseñado no solo aumentó el área de contacto de la fuerza, sino que también facilitó la formación de corte de apoyo estable.

Diagrama esquemático del accesorio de perfilado (1) Placa de soporte; (2) Disco de posicionamiento; (3) Castaña de agua; (4) Bloque de perfilado.

Después de cortar la yema y la raíz, la castaña de agua cayó en el puerto de alimentación en forma de Y en el orificio ciego de la placa de soporte, como se muestra en la Fig. 9, se continuó con el proceso de eliminación de la cáscara lateral. Una cinta transportadora está dispuesta debajo del puerto de alimentación en forma de Y, y la castaña de agua se alimentaba a las cintas de fricción diferencial por la acción conjunta de las placas guía en ambos lados. Para garantizar que la castaña de agua se importara mejor desde el puerto en forma de Y, la cinta transportadora está diseñada en un estado inclinado. Después de varias pruebas, el ángulo de inclinación se fijó en 10° y el efecto de la castaña de agua al entrar en la cinta transportadora fue el mejor.

Diagrama esquemático del dispositivo de guía (1) puerto en forma de Y; (2) cinta transportadora; (3) correa de fricción I; (4) correa de fricción II; d3 es la distancia interior de la banda de fricción.

El espacio de la correa de fricción d3 se puede ajustar mediante la posición de instalación del eje de la correa síncrona, y su tamaño era el mismo que el Φ que se muestra en la Fig. 1, configure el espacio de la correa de fricción d3 = 40 mm de acuerdo con el tamaño del objeto de prueba . La castaña de agua fue apretada y frotada por dos correas de fricción diferenciales y gira hacia adelante en el canal para realizar el pelado por todas partes. El principio se mostró en la Fig. 10.

Principio de pelado por fricción (1) Cinturón de fricción I; (2) Castaña de agua; (3) correa de fricción II; VI > VI; vI es la dirección de la velocidad de la correa de fricción I; vii es la dirección de la velocidad de la correa de fricción II; VIII es la dirección actual de funcionamiento de la castaña de agua; ωIII es la dirección de la velocidad angular real de la castaña de agua.

La castaña de agua giraba y avanzaba bajo el efecto de sujeción de dos cinturones de fricción diferencial, y su velocidad era ωIII, la velocidad de avance era vIII; vI y viI fueron la velocidad lineal de la correa de alta velocidad y la correa de baja velocidad respectivamente, que fueron controladas por la velocidad del motor y ajustables; Cuando la diferencia entre la velocidad lineal de la correa de fricción diferencial vI y vII era mayor, la velocidad de avance de la castaña de agua vIII era mayor; durante la prueba, la velocidad lineal de la correa diferencial se controló ajustando la velocidad del motor, y luego se cambió la velocidad de avance de la castaña de agua para explorar la velocidad de trabajo correspondiente para obtener el mejor efecto de pelado.

El cinturón de fricción fue desarrollado por el equipo y constaba de un cinturón síncrono, una capa de esponja y partículas de fricción (Fig. 11). La correa síncrona y la polea del motor están conectadas y desempeñan un papel de conducción; en combinación con el tamaño del contorno externo de la castaña de agua, se fijó el grosor de la capa de esponja h4 = 4 mm. Al agregar la capa de esponja, puede desempeñar un papel de amortiguación y descompresión, reduce efectivamente el daño por aplastamiento de la correa de fricción en la castaña de agua durante el pelado, reduce la pérdida de pulpa y garantiza una alta calidad de pelado. Las partículas de fricción están compuestas por partículas de arena de diferentes tamaños. Para garantizar un mejor efecto de pelado, el tamaño promedio de partícula de las partículas de fricción h5 = 2 mm, que se establece según el experimento real, y la forma de partícula es poliédrica con bordes y esquinas afiladas, para eliminar rápidamente la cáscara lateral de agua castaña.

Diagrama esquemático de la banda de fricción (1) Partículas de fricción; (2) capa esponjosa; (3) correa síncrona; h4 es el espesor de la capa esponjosa; h5 es el tamaño medio de grano de arena.

El material de prueba fue la variedad de castaña de agua tradicional local ampliamente cultivada en la ciudad de Xiaogan, provincia de Hubei. El tamaño y las especificaciones fueron relativamente consistentes después de la clasificación y el cribado antes de la prueba. La masa promedio de una sola fruta fue de 29,03 g, el diámetro transversal máximo promedio Φ0 fue de 44,99 mm, la altura de pulpa total promedio h0 fue de 29,66 mm y el contenido de humedad base húmeda promedio fue de 83,32%. El equipo de prueba incluía un instrumento de medición del contenido de agua, una balanza electrónica, un instrumento de calibración de velocidad, un pie de rey, un cortador de cajas, papel cuadriculado, rotulador, etc.

De acuerdo con la prueba previa, se puede garantizar la alimentación continua cuando la alimentación única fue de 200 gy la velocidad de rotación del disco fue de 10 r/min. En estas condiciones, se tomó como factor de influencia la velocidad de rotación de la cuchilla, se fijó el rango de velocidad de rotación de la cuchilla n de 100 a 300 r/min, y se tomó como índice de evaluación la velocidad de corte de yema y raíz para realizar la evaluación. experimento de un solo factor sobre la velocidad de corte óptima de la máquina peladora para cortar raíces y brotes.

Se encontró que la castaña de agua se cortaba repetidamente cuando se cortaba a alta velocidad (Fig. 12). El corte repetido da como resultado la reducción del grosor de la castaña de agua (Fig. 12b) o la fragmentación de la castaña de agua (Fig. 12c), lo que aumenta las pérdidas adicionales por pelado.

Castaño de agua después del corte repetido (a) corte normal; (b) Corte repetido 1; (c) Corte repetido 2.

El análisis de la razón fue que la velocidad de corte era grande, el disco de posicionamiento no envió la castaña de agua después de cortar fuera del rango de corte a tiempo, lo que condujo a un corte secundario. Los principales factores que influyeron fueron la velocidad de la cuchilla, la velocidad de rotación del disco de posicionamiento, la distancia entre centros del orificio de posicionamiento, etc. En este estudio, la velocidad de rotación de la cuchilla y el disco se tomaron como factor de influencia.

La velocidad de corte v1 es la suma de la velocidad lineal del disco de posicionamiento y la cuchilla:

donde ω es la velocidad angular del disco, rad/s; r es el radio de rotación del orificio de posicionamiento, m; ω1 es la velocidad angular del cuchillo, rad/s; r1 es la longitud del cuchillo, m.

La tasa de corte de la yema de castaño de agua (raíz) se calculó mediante la siguiente fórmula:

donde y1 es la tasa de corte de yema (raíz), %; Sa es el área de la sección después de la escisión de la yema (raíz), mm2; Sr es el área residual de la yema (raíz), mm2.

El resultado de la prueba se muestra en la Fig. 13. Se realizó un análisis de varianza para la prueba de escisión de la yema y la raíz de la castaña de agua como se muestra en la Tabla 1. Se puede ver que la velocidad de corte no tiene un efecto significativo en el corte de la yema y la raíz de la castaña de agua. castaño de agua en el rango de prueba, y la diferencia en la velocidad de corte es pequeña con el aumento de la velocidad de corte.

Resultado de la resección de yema y raíz.

Dentro del rango de prueba, de acuerdo con el análisis del valor medio, cuando la velocidad de corte fue de 1,2 m/s, el efecto de eliminación de la yema y la raíz de la castaña de agua fue relativamente el mejor.

Dado que actualmente no existe un estándar de evaluación de calidad para el pelado de castañas de agua, se propuso un método de evaluación basado en la situación actual de la investigación. La tasa de eliminación de la piel lateral de la castaña de agua se puede calcular mediante la siguiente fórmula:

donde y2 es la tasa de eliminación de la piel lateral, %; S1 es el área cuticular de la castaña de agua antes de quitar la cáscara lateral, mm2; S2 es el área epidérmica de la castaña de agua después de quitar la cáscara lateral, mm2.

Con el fin de investigar el efecto de los parámetros de trabajo sobre la eliminación de la cáscara lateral por fricción, se llevó a cabo un experimento de factor completo con castaña de agua con brote y raíz eliminados como objeto y la velocidad de la correa diferencial como factor de influencia. La función principal de la correa síncrona es guiar suavemente la castaña de agua hacia el puerto en forma de Y y garantizar que la castaña de agua esté siempre entre las dos correas durante el pelado por fricción, de acuerdo con la prueba real, al quitar la cáscara lateral, la castaña de agua se ve afectado principalmente por la fricción entre las dos correas de fricción y no está en contacto con la correa síncrona inferior, por lo que su velocidad no tuvo ningún efecto, por lo que no se tomó como factor de prueba.

Los factores y niveles de esta prueba se muestran en la Tabla 2. De acuerdo con el tamaño de la estructura, la velocidad de rotación de la correa de fricción se convirtió en velocidad lineal. La correa I era la correa de alta velocidad y la correa II era la correa de baja velocidad. Los resultados de la prueba se muestran en la Fig. 14.

Tasa de eliminación de la piel lateral de la castaña de agua.

La apariencia de la castaña de agua después del pelado se muestra en la Fig. 15. Los resultados del análisis de varianza se muestran en la Tabla 3. La velocidad de las dos correas de fricción no tuvo una influencia significativa en el efecto del pelado (P > 0,05), pero con alta La velocidad de la correa aumentó, la tasa de eliminación de la cáscara lateral tuvo una tendencia a la baja, principalmente debido a: Cuando se eliminó la cáscara lateral de la castaña de agua entre los canales diferenciales de las dos correas de fricción, la distancia de deslizamiento relativa entre la cáscara lateral y las correas de fricción siempre fue más largo que la circunferencia exterior de la castaña de agua, y se puede quitar una cierta cantidad de cáscara lateral. Sin embargo, con el aumento de la velocidad de la correa de alta velocidad, la distancia de deslizamiento relativa entre la castaña de agua y las correas de fricción disminuyó ligeramente, por lo que disminuyó la tasa de extracción. En el rango de prueba, según el análisis del valor medio de los datos de la prueba, cuando vI = 2,1 m/s y vii = 1,58 m/s, la tasa de eliminación más alta de la cáscara lateral de la castaña de agua fue del 84,93 %.

Castaña de agua después del pelado por fricción (a). vista en alzado; (b). Vista superior.

La máquina peladora de castañas de agua combinada se muestra en la Fig. 16. Los parámetros de la máquina se ajustaron de acuerdo con las pruebas anteriores, y el rendimiento de toda la máquina se evaluó bajo la combinación óptima de parámetros de cada proyecto. El experimento se repitió 20 veces y se obtuvieron, respectivamente, la tasa de pérdida por descamación y la tasa de descamación completa.

Peladora combinada para castañas de agua.

La tasa de pérdida por pelado se calculó mediante la siguiente fórmula:

donde y3 es la tasa de pérdida, %; m1 es la masa total de castaña de agua antes de pelar, g; m2 es la masa de castaña de agua después de pelar, g.

La tasa de pelado completo se calculó mediante la siguiente fórmula:

donde y4 es la tasa de pelado integral, %; y1 es la tasa de corte de yema (raíz), %; y2 es la tasa de eliminación de la exfoliación lateral, %.

Para evitar la variación de masa de la castaña de agua debido a la pérdida de agua, se utilizó una balanza electrónica para pesar la castaña de agua inmediatamente después de la prueba. Los resultados mostraron que bajo los parámetros óptimos, la eficiencia de trabajo de la máquina superó los 6 kg/min, muy superior a la del pelado manual; En cuanto a la calidad del pelado, la tasa de pérdida por pelado de la peladora combinada de castañas de agua fue del 43,03 % y la tasa de pelado completo fue del 77,43 %. La tasa de pelado de toda la máquina fue diferente de la de la prueba de pelado de brote único, raíz y lateral. La razón principal fue que el proceso de pelado de toda la máquina se completó automáticamente, por lo que puede haber una desviación en la transferencia de la castaña de agua en diferentes procesos, lo que resultó en un efecto deficiente.

Los datos mostraron que la cáscara de la castaña de agua madura representó una alta proporción, alrededor del 20-25% de la masa total de la fruta28,29,30. Si se tiene en cuenta que la forma irregular de la castaña de agua provocará una pérdida por corte excesivo31,32 durante el pelado mecánico, combinado con la investigación real, la pérdida de masa del pelado manual es de alrededor del 40 %. Esta máquina peladora puede lograr una pérdida por pelado del 43,03 % y una tasa de pelado integral del 77,43 % respectivamente, logrando el objetivo de diseño de reemplazo inicial del manual. Sin embargo, la superficie de la castaña de agua después de pelarla es áspera y la percepción es deficiente, lo que debe mejorarse.

En este estudio, se diseñó una máquina peladora de castañas de agua combinada, que utilizó un cuchillo rotatorio para eliminar la yema y la raíz y un grupo de correas de fricción diferencial para eliminar la cáscara lateral. Se adoptó el modo de operación combinado para eliminar la yema, la raíz y la piel lateral de la castaña de agua por turnos. A través del análisis teórico del proceso de posicionamiento y transmisión del blanking, se determinaron la forma estructural y el rango de parámetros del dispositivo.

Se llevaron a cabo pruebas de banco en el corte de yemas y raíces y la fricción lateral de la cáscara de la castaña de agua. Los resultados mostraron que cuando la velocidad de corte era de 1,2 m/s, la tasa de corte de yema y raíz de castaño de agua podía alcanzar 79,04% y 83,77%; Correa de alta velocidad vI = 2,1 m/s, correa de baja velocidad vii = 1,58 m/s, y la tasa de eliminación de la piel lateral de la castaña de agua fue del 84,93 %. Se evaluó el desempeño de toda la máquina bajo la combinación óptima de parámetros de cada eslabón. Los resultados mostraron que la eficiencia de trabajo de la máquina puede superar los 6 kg/min, y la tasa de pérdida por pelado de toda la máquina fue del 43,03 %, y la tasa de limpieza integral es del 77,43 %. Los índices de trabajo de toda la máquina básicamente cumplen con el objetivo de diseño de reemplazar el trabajo manual. Sin embargo, la castaña de agua pelada tiene una superficie rugosa y una gran pérdida, lo que debe mejorarse en el próximo estudio.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado y todos los datos incluidos en este estudio están disponibles previa solicitud por contacto con el autor correspondiente.

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El financiamiento fue proporcionado por el proyecto de subsidio especial del sistema de tecnología de la industria de vegetales característicos nacionales.

Estos autores contribuyeron por igual: Guozhong Zhang y Liming Chen.

Facultad de Ingeniería, Universidad Agrícola de Huazhong, Wuhan, 430070, China

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

Laboratorio clave de equipos agrícolas en el medio-bajo río Yangtze, Ministerio de Agricultura y Asuntos Rurales, Wuhan, 430070, China

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

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GZ proporcionó ideas y orientación para escribir; LC realizó el experimento y escribió el primer borrador; ZG ensambló la máquina; LH y DZ proporcionaron soporte de equipo; LF proporcionó ideas de diseño; Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Guozhong Zhang.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Zhang, G., Chen, L., Guo, Z. et al. Diseño y experimentación de una peladora combinada para castañas de agua. Informe científico 13, 2393 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-28472-9

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Recibido: 16 mayo 2022

Aceptado: 18 de enero de 2023

Publicado: 10 febrero 2023

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

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