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马铃薯连续机械式去皮机优化与试验

2024-07-29 来源:华佗健康网
马铃薯连续机械式去皮机优化与试验

孟庆书;朱立学;黄键裕;詹旭峰

【摘 要】分析了现有马铃薯去皮机的结构特点,对机械去皮机的滚筒毛刷结构做了优化设计.经单因素和响应面试验分析,得到马铃薯去皮机的最优工艺参数:滚筒转速18 r/min,滚筒高度差15 mm,喂人量39 kg/min,此条件下马铃薯的去皮率为80.93%,去皮效果较好.试验结果可为实际马铃薯采后去皮加工提供重要理论参考依据.

【期刊名称】《农业工程》

【年(卷),期】2018(008)002

【总页数】7页(P88-94)

【关键词】马铃薯;去皮机;优化设计

【作 者】孟庆书;朱立学;黄键裕;詹旭峰

【作者单位】广州达意隆包装机械股份有限公司,广州510225;仲恺农业工程学院机电工程学院,广州510225;仲恺农业工程学院机电工程学院,广州510225;仲恺农业工程学院机电工程学院,广州510225

【正文语种】中 文

【中图分类】S226.4

0 引言

当前马铃薯去皮加工技术主要有3种。方法一是机械摩擦式去皮,通过转盘转动来带动马铃薯在滚筒内部旋转,使马铃薯与内壁产生摩擦,最后达到去皮的效果,这种去皮方式的优点是去皮率高、结构简单,缺点是不连续、产量小且损失率大[1-3]。方法二是化学去皮,将马铃薯放入果蔬脱皮剂中,再借助机械的刷动使得马铃薯薯皮脱落,这种方式的优点是去皮率高、去皮后外表光滑,缺点是利用化学试剂造成一定的不安全性、试验过程中操作具有危险性,且产量小[4]。方法三是蒸汽去皮,将马铃薯放入一个密闭的容器,施加瞬间高温高压,由于热胀冷缩的原理,马铃薯表皮会立刻脱落,这种方式优点是去皮率高、去皮后马铃薯无污染,缺点是成本高、能耗大,且去皮过程产生的残渣只能做污物处理,造成原料浪费和严重的环境污染[5-7]。结合3种去皮方法的优缺点,从可行性、经济性和安全性方面综合考虑,选用机械式去皮方法。

马铃薯机械式去皮分为间歇式和连续式2种,连续机械式去皮比间歇式去皮的撞伤和碰伤少,同时大幅度提高了马铃薯的去皮效率,提高了连续作业设备的利用率,有效降低了劳动强度和损失率。因此,从马铃薯加工产业规模化和专业化发展的趋势看,连续式机械去皮设备会成为主流机型[8]。

广东省科技计划项目几年的试验研究,研制出了马铃薯连续式机械化去皮机新产品,可以有效提高马铃薯去皮效率,降低损失率,降低劳动强度,降低劳动成本,提高马铃薯的附加值,对促进马铃薯加工产业的进一步发展有非常重要的意义。

1 参数设计

连续式马铃薯去皮机由动力部分(无级变速电机)、清洗部分(水泵和水箱)、传动部分(链传动)、去皮部分(螺旋式毛刷)和机架等组成[9]。去皮结构采用螺旋式刷排,刷排材料是进口毛丝。刷排的安装螺旋方向要和电机旋转方向一致。马铃薯从入料口进料后经过高压水的冲洗和与刷子的相互摩擦,最后从出料口出料。整机结构如图1所示。

1.无级变速电机 2.入料口端盖 3.机架 4.电控柜 5.水泵 6.水箱 7.地脚螺栓 8.自来水进水口 9.进水口球阀 10.循环水管道 11.出料口端盖 12.滚筒 13.传动端盖 14.过滤网 15.排水口球阀 16.排污水管道图1 整机结构Fig.1 Whole structure

马铃薯去皮机的毛刷通常采用平刷,毛刷长度一致,平行排列固定在滚筒内壁。试验发现采用平刷的马铃薯去皮机在去皮过程中有排水困难和平刷不容易更换等问题。主要原因是平刷在马铃薯去皮过程中对马铃薯没有产生向前的推力,导致去皮结束后马铃薯在滚筒内部残留较多,损失较大,且因为残留较多,有些马铃薯不能与毛刷充分接触与摩擦,导致去皮率降低。为了解决这个问题,试验研究设计了一种螺旋式刷排,刷排和有孔的钢板依次布满整个滚筒。螺旋刷排在转动的过程中和电机旋转方向一致时,能够对马铃薯施加向前的推力,这样马铃薯就能均匀连续地出料,同时滚筒内部的水可以循环利用。刷排的固定方式改为用螺钉固定,方便拆装。设计的螺旋式刷排如图2所示。

图2 螺旋式刷排Fig.2 Spiral brush row

螺旋式水平毛刷采用进口毛丝材料,黑色部分的长毛高度为38 mm,间隔部分的短

毛高度为23 mm,螺旋角度为11°。

2 单因素试验

为了确定影响马铃薯去皮率的各因素的显著性,通过试验找出每个因素的零水平,并根据单因素试验结果,确定3因素水平表,对马铃薯连续式去皮机进行单因素试验[10-12]。试验时,可以通过调节无级变速电机来改变滚筒转速,调节地脚螺栓的高度来改变滚筒高度差,调节传送带的速度来改变喂入量的大小。

2.1 试验材料

试验材料选用华南地区种植最多的粤引85-38马铃薯品种(冷藏贮藏),收获时间在每年的4月,试验时间在10—11月,马铃薯整体的外形较为均匀,果皮完整,果型饱满,马铃薯的长度为95~110 mm,宽度为60~75 mm,高度为48~60 mm,含水率为60%~70%。

2.2 设备性能参数

去皮机的主要性能参数:生产率500~600 kgh,去皮率70%~80%,工作滚筒转速17.5~37.5 rmin,配套动力4 kW,损伤率<5%。通过调整入料口和出料口两处的地脚螺栓的高度,可对去皮机的滚筒高度差进行调整,使马铃薯的去皮效果更好;传送带采用PVC2.0 L绿色皮带,皮带宽度300 mm,采用220 V300 W电机,调速器比速1∶30,调速范围1~10 mmin,独立电箱控制。

2.3 试验因素及水平

根据预试验结果,确定影响马铃薯去皮率的3个因素:滚筒转速(n)、滚筒高度差(h)和喂入量(M)。试验因素及水平如表1所示。

表1 单因素试验Tab.1 Single factor test序号滚筒转速n∕r·min-1高度差h∕mm喂入量M∕kg·min-1117.5,20.0,22.5,25.01546220.010,15,2046320.01516,31,46,61

2.4 试验指标

选定马铃薯去皮率作为试验指标,按式(1)和(2)进行计算。

(1)

(2)

式中 α1——单个马铃薯去皮率

α——马铃薯平均去皮率

S未去皮正面1——试验中随机挑选的单个的一面未去皮部分的平面面积

S未去皮反面2——试验中随机挑选的单个的另一面未去皮部分的平面面积

S总正面——随机挑选的单个一面的平面总面积

S总反面——随机挑选的单个另一面的平面总面积

马铃薯正面面积为随机放置朝上的马铃薯面,反面面积为将马铃薯旋转180°后所得。

2.5 试验方法

通过单因素控制方法和根据试验设定的滚筒高度差值,利用马铃薯去皮设备进行去皮试验[5-7]。根据试验安排,称取试验所需马铃薯的质量,启动去皮设备开关,然后将滚筒转速调转到试验所需要的参数值,接着开始准备进料,马铃薯在滚筒内进行清洗去皮工作,待所有马铃薯都从出料口出去后,停机,称量去皮后的马铃薯的质量。采用随机取样法挑选15个马铃薯作为试验取样并计算和求取其去皮率的平均值。按照试验安排表对去皮设备进行参数调整,再依次进行试验,对每一次试验结果连续测试3次并取平均值,对计算得出的去皮率进行数值分析,进一步研究不同因素水平对马铃薯去皮试验的影响变化[6,10,13-14]。

2.6 结果分析

2.6.1 滚筒转速对去皮率的影响

滚筒转速对去皮率的影响如图3所示。图中前期为从开机到2 min,属于非正常工作状态;中期为从2 min到停机,属于正常出料状态;残留为停机后,属于非正常工作状态。滚筒转速与中期去皮率之间的关系呈二项式分布,对前期和残留在滚筒内部的马铃薯

的去皮率影响不显著。随着滚筒转速的增加,前期去皮率不会随着喂入量的改变而改变,因为前期滚筒内部马铃薯数量较少,马铃薯的活跃性较大,导致去皮效果不佳。而残留在滚筒内的马铃薯的去皮率基本也不受到影响,通过分析得出问题产生的原因是残留在滚筒内部的马铃薯磨皮时间相对较多,导致不同参数下的去皮率没有差异性。

图3 滚筒转速与去皮率的关系Fig.3 Relationship between drum speed and peeling rate

中期马铃薯的去皮率随着转速的增加开始先升高,但是滚筒转速达到20 rmin时,随着转速的继续增加,马铃薯的去皮率却在不断降低。分析得出这是因为滚筒本身入料口和出料口之间相差15 mm,马铃薯在去皮过程中处于一个爬坡的状态,而且滚筒内部所用的刷排是螺旋式的,对马铃薯有一定的送料推动作用,但是在滚筒转速<20 rmin的时候,转速很慢,马铃薯的出料速度也相应的减慢,导致入料口会随着入料的不断进入而导致堆积很多马铃薯,从而影响了马铃薯的去皮效果。当转速>20 rmin时,滚筒对马铃薯的传动效果影响越来越明显,导致马铃薯在滚筒内的磨皮时间减少,从而影响了马铃薯的去皮效果。因此滚筒转速不宜过快也不宜过慢,应当控制在17.5~22.5 rmin较为适宜。

2.6.2 滚筒高度差对去皮率的影响

滚筒高度差对去皮率的影响如图4所示。滚筒高度差与中期去皮率之间的关系呈二项式分布,曲线的斜率略大于滚筒转速,这也表明了高度差对去皮率的影响大于转速。对前期和残留在滚筒内部的马铃薯的去皮率影响不显著,但是总体呈线性的趋势。原因是随着入料口与出料口高度差的增加,前期和残留马铃薯在滚筒内部的磨皮时间会相对增加,所

以去皮率不断增大。

中期马铃薯的去皮率随着滚筒入料口与出料口之间高度差的增加,马铃薯在滚筒内磨皮的时间就越长,从而去皮率越来越高。但是随着高度的不断增加,由图4可以得到,在极限值16 mm后,如果继续增加高度差,马铃薯在滚筒内部虽然磨皮时间比较久,但是滚筒传送马铃薯的效果越来越差,导致马铃薯在滚筒内部堆积,从而影响马铃薯的整体去皮效果。因此滚筒高度差在10~20 mm的去皮效果较为理想。

图4 滚筒高度差与去皮率的关系Fig.4 Relationship between drum height difference and peeling rate

2.6.3 喂入量对去皮率的影响

喂入量对去皮率的影响如图5所示。喂入量对马铃薯中期去皮率的关系呈二项式分布,前期和残留在滚筒内部的马铃薯去皮率基本不受影响。随着喂入量的不断增加,前期去皮率不会随着喂入量的改变而改变,因为前期滚筒内的马铃薯较少,马铃薯的活跃性较大,导致去皮效果不是很好。而残留在滚筒内的马铃薯的去皮率也基本不受影响,主要是残留在滚筒内部的马铃薯磨皮时间较长,导致不同参数下的去皮率没有差异性。

图5 喂入量与去皮率的关系Fig.5 Relationship between feed quantity and peeling rate

中期去皮率随着喂入量的增加先增加后减小。因为开始喂入量很小的时候,滚筒内部马铃薯活动性较大,喂入量达到30~35 kgmin,去皮率达到峰值,之后随着喂入量的增

加,由于滚筒转速是一定的,导致入料口堆积很多马铃薯,从而影响马铃薯与毛刷接触摩擦的空间,最终影响马铃薯的整体去皮效果。因此喂入量选择在30~48 kgmin较为合适。

3 响应面试验

单因素试验后,得到了每个因素的零水平,利用响应面法求得回归方程来分析该去皮设备实际生产的最优化参数,寻求一种较理想的去皮工艺条件。

3.1 因素水平

基于单因素试验的结果分析,得出影响马铃薯去皮试验的关键因数有滚筒转速n、滚筒倾斜角度h和喂入量M。考虑到设备结构设计,针对马铃薯去皮滚筒转速为20 rmin,滚筒高度差为15 mm,喂入量为39 kgmin,试验零水平的选取参考实际参数作为中心预测值,其他水平的选取在零水平的20%~40%波动范围内进行选取,并根据单因素试验结果,确定因素水平。具体因素水平参数如表2所示,以马铃薯去皮过程中的去皮率作为试验指标,进行去皮试验。

表2 试验因素水平Tab.2 Test factor level序号滚筒转速n∕r·min-1滚筒高度差h∕mm喂入量M∕kg·min-1117.51031220.01539322.52046

3.2 试验设计与方法

试验设计应用响应面中心组合设计理论。响应面中心组合设计分析模型能用较少的试验次数进行全面的分析研究。根据相关文献和单因素试验,选取滚筒转速、滚筒高度差和

喂入量进行响应面的分析试验。

对于3个试验因素(自变量),试验指标为去皮率,其二次回归方程的一般形式为

α=b0+b1x1+b2x2+b3x3+b12x1x2+b13x1x3+b23x2x3+b11x12+b22x22+b33x32

(3)

式中 α——去皮率响应值

b0——截距项

b1、b2、b3——线性系数

b12、b13、b23——交互项系数

b11、b22、b33——二次项系数

x1——滚筒转速

x2——滚筒高度差

x3——喂入量

以滚筒转速x1、滚筒高度差x2和喂入量x3为试验因素,以去皮率α为考核指标进行响应面中心组合设计。根据前期单因素试验的结果,确定滚筒转速x1、滚筒高度差x2和喂入量x3的水平如表3所示。

表3 中心组合因素水平Tab.3 Center combination factor level水平因素滚筒转速x1∕r·min-1高度差x2∕mm喂入量x3∕kg·min-1122.52047020.01539-117.51031

3.3 结果与分析

3.3.1 试验方案及结果

根据中心组合试验设计原理,用滚筒转速x1、滚筒高度差x2和喂入量x3共3个因素水平,采用综合评价的方法对马铃薯去皮工艺进行响应面分析。表4所示为响应面试验设计与试验结果。借助于Design Expert 8.0.6软件中心组合设计(BBD),设计得出3因素3水平17个试验点的设计方案进行试验,对试验中得到的数据进行二次回归拟合回归方程;在三维坐标图上对方程中的面及投影的线进行讨论分析,可直观看出最佳条件所在区域及投影,也可以指导下一步优化的方向。

表4 中心组合设计方案及试验结果Tab.4 Center combination design scheme and test result试验号ABC去皮率∕%1-1-1071.5921-1056.363-11067.36411065.365-10-180.65610-169.257-10177.69810170.3590-1-162.251001-164.48110-1162.641201165.351300079.881400078.661500079.781600078.691700079.85

3.3.2 回归方程模型建立及显著性分析

试验结果如表5和表6所示。利用Design Expert 8.0.6软件统计分析中的RSREG程序对17个试验点数据进行回归计算,建立二次响应面回归模型,如式(4)所示,并对回归方程进行方差分析和方程系数显著性检验,进行可靠性分析,为进一步确定各因素对去皮率的影响程度。

Y=79.37-4.5A+121B-0.075C+3.31AB+1.02AC+0.12BC-1.7A2-12.5B2-3.19C2

(4)

式中 A——滚筒转速对应的编码值

B——高度差对应的编码值

C——喂入量对应的编码值

由表5可知,该模型极显著(P<0.01),一次项滚筒转速A极显著,高度差B显著,喂入量C不显著;二次项A2显著,B2、C2极显著;交互项AB、AC和BC均显著。模拟方程也极显著(P<0.000 1),同时失拟项不显著(P=0.406 9>0.05),即该模型是稳定的。

由表6可知,上述二次回归全模型方程的回归系数同时CV值较低,说明该模型与试验拟合较好,自变量与响应值之间的关系显著,可信度较好,即该模型是稳定的,能较好地预测各因素对马铃薯去皮率的变化情况。因此,可以采用此模型对马铃薯去皮率进行分析和预测。

表5 回归模型显著性检验及方差分析Tab.5 Regression model significance test and variance analysis方差来源平方和自由度均方F值P值显著性模型970.339107.81241.08<0.0001**A-滚筒转速161.731161.73361.64<0.0001**B-高度差

11.79111.7926.350.0013*C-喂

0.04510.0450.100.7603--

AB43.76143.7697.85<0.0001*AC4.1214.129.210.0190*BC0.05810.0580.130.7303--A212.16112.1627.200.0012*B2658.391658.391472.21<0.0001**C242.77142.7795.64<0.0001**剩余3.1370.45失拟1.5130.501.240.4069--误差1.6340.41总值973.4616

注:“**”差异极显著(P<0.01),“*”差异显著(P<0.05),“--”差异不显著(P>0.05)

表6 回归方程可信度分析Tab.6 Analysis of credibility of regression equation项目平均值标准差R2R2adjCV数值71.190.670.99680.99260.94%

3.3.3 各因素重要性分析

由表5的均方和可看出,A、B、C的均方分别为161.63、11.79、0.045,由此可知,影响马铃薯去皮设备去皮率的3因素主次顺序是A>B>C,即滚筒转速>高度差>喂入量。

3.3.4 模型交互项的解析

根据回归方程(4)作出响应面图,如图6~8所示,考察响应面图的形状,分析滚筒转速A、高度差B和喂入量C对马铃薯去皮率的影响。从图6~8可以看出,滚筒转速A与高度差B的交互作用显著;滚筒转速A和喂入量C的交互作用也显著,但是交互作用没

有AB的强;高度差B和喂入量C的交互作用不显著,这与前面的计算分析结果是一致的。

由图6可知,当高度差在14~16 mm,滚筒转速在17.5~20.0 rmin时,马铃薯的去皮率达到最高。升高或降低高度差都不会使去皮率有所提高,原因可能是高度差过高会导致马铃薯在入料口堆积,出料困难,甚至可能从入料口出去,不能保证每个马铃薯都能够充分和毛刷接触;而降低高度差反而会使马铃薯的出料速度变得很快,导致马铃薯在滚筒内部的磨皮时间缩短,因此去皮率不是很理想。

图6 滚筒转速与高度差对马铃薯去皮率的影响(C=39 kgmin)Fig.6 Effect of rotation speed and height difference of the drum on potato peeling rate(C=39 kgmin)

图7 滚筒转速与喂入量对马铃薯去皮率的影响(B=15 mm)Fig.7 Effect of drum rotation speed and feed quantity on potato peeling rate(B=15 mm)

由图7可知,当喂入量固定在37 kgmin以下某一值,滚筒转速17.5~19.5 rmin时,马铃薯的去皮率随着滚筒转速的增加而增加;当喂入量固定在37 kgmin以上某一值,滚筒转速在20~22.5 rmin时,马铃薯的去皮率随着滚筒转速的增大而降低。原因可能是滚筒转速太快会加快马铃薯的出料速度,导致马铃薯在滚筒内部的磨皮时间缩短;相反滚筒转速过慢,会导致马铃薯在入料口堆积,在滚筒内部不能充分摩擦,导致去皮率降低。由此可以看出,滚筒转速和喂入量及其交互作用对马铃薯去皮率有较大的影响。

由图8可知,当喂入量较低时,需增加高度差来提高马铃薯的去皮率;喂入量较高时,

过大的高度差反而使去皮率降低。从等高线图可以看出,高度差在14~17 mm,喂入量在35~43 kgmin时,马铃薯的去皮率达到峰值。当二者水平过高或过低都将使去皮率降低,所以高度差和喂入量都有各自适宜的水平。

图8 高度差与喂入量对马铃薯去皮率的影响(A=20 rmin)Fig.8 Effect of height difference and feed quantity on potato peeling rate(A=20 rmin)

3.3.5 最佳工艺条件确定及模型验证

(1)最佳工艺条件确定。

利用Design Expert 8.0.6软件对数值分析结果进行寻优,分析结果表明,当滚筒转速为17.96 rmin,高度差为14.40 mm,喂入量为40.06 kgmin时,该环境条件下的去皮效果最好,此时的预测值为81.730 2%。

(2)模型验证。

基于Design Expert 8.0.6软件的优化功能获得最优去皮工艺条件,马铃薯去皮率最大预测值为81.730 2%,此时3个关键因子的取值为滚筒转速18 rmin,高度差15 mm,喂入量39 kgmin。为了验证模型的有效性,取响应值为81.730 2%进行3次模型验证试验,结果如表7所示。

由表7可知,马铃薯去皮率的预测值与实际值相近,相对误差均在2%以下,证明应用响应面法优化马铃薯去皮工艺参数的关键因子是可行的,得到的马铃薯去皮率参数真实

可靠,具有实际应用的参考价值。

表7 回归模型的3组参数及验证结果Tab.7 Three parameters of regression model and verification results序号滚筒转速∕r·min-1高度差∕mm喂入量∕kg·min-1预测

∕%

∕%

∕%118153981.7382.220.6218153981.7380.241.8318153981.7380.341.7

4 结论

(1)参考3种马铃薯去皮技术原理和优缺点,根据现有的需求设计了马铃薯连续式机械化去皮机毛刷的螺旋结构,并做了一系列的单因素去皮试验来验证螺旋式毛刷对马铃薯去皮的效果,得出滚筒转速在17.5~22.5 rmin、滚筒高度差在10~20 mm、喂入量在30~48 kgmin时,马铃薯的去皮效果较好,为下一步的正交试验找出了3个试验因素的最佳水平范围。

(2)根据响应面中心组合设计理论对马铃薯去皮率的试验结果得出,滚筒转速对马铃薯去皮率的影响最大,高度差次之,喂入量最小。

(3)利用Design Expert 8.0.6软件建立了马铃薯去皮率与滚筒转速、高度差和喂入量的二次项回归模型,得到最佳去皮参数的预测值,滚筒转速17.96 rmin,高度差14.40 mm,喂入量40.06 kgmin时,此时的预测值为81.730 2%。经试验验证,当滚筒转速为18 rmin,高度差为15 mm,喂入量为39 kgmin时,得到实际的平均去皮率80.93%。预测值与实际值的相对误差为0.98%。实际值与理论值基本吻合,证明了该模

型是稳定的。

(4)响应面法直观地分析了因素交互项的影响,滚筒转速与高度差、滚筒转速与喂入量的交互作用对马铃薯去皮率的影响显著,而高度差与喂入量的交互作用不显著。

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