Results of laboratory studies on the physico-mechanical properties of castor fruits and seeds

Abstract

The aim of the study is to investigate the physicomechanical properties of castor fruits and seeds (Ricinus communis L.) to substantiate the design and technological parameters of machines and equipment intended for their extraction and cleaning. Laboratory research on specialized equipment was conducted to determine the primary physical-mechanical properties of castor bean fruits and their components (segments, seeds, and capsule particles). These properties include geometric dimensions (length L and width B), mass M, bulk ρb and true ρd densities, angle of repose φ, friction coefficients (sliding μ' and static μ), and terminal velocity V. It was found that seeds exhibit the highest true density (567 ± 54 kg/m³) and the lowest friction coefficients, contributing to their superior flowability and mobility in technological processes. Fruits have the largest mass (1.18 ± 0.13 g) and terminal velocity (11.75 ± 1.43 m/s), influencing their cleaning and sorting methods. Capsule particles have the lowest density (101 ± 17 kg/m³) and terminal velocity (3.21 ± 0.51 m/s), allowing for effective separation using aerodynamic techniques. The results were applied in numerical modeling for a castor bean seed cleaning machine. Rheological analysis of the compression behavior of castor bean fruits and seeds revealed a pronounced nonlinear dependence on time and absolute deformation. The deformation process of fruits involves multiple stages: an initial linear increase in force within elastic deformation, capsule cracking (Ff1 = 63.67 ± 3.52 N, Δxf1 = 3.32 ± 0.75 mm), slowing of force growth in the plastic phase, a sharp drop during capsule rupture (Ff2 = 172.96 ± 9.55 N, Δxf2 = 7.19 ± 0.79 mm), followed by a smooth increase in force during internal compression. A similar pattern is observed for seeds, but rupture (Fs2 = 48.91 ± 8.34 N, Δxs2 = 2.4 ± 0.62 mm) is accompanied by a sharp force decrease without a distinct plastic deformation phase. Statistical analysis confirmed that the force and deformation distributions conform to the normal distribution law. Метою дослідження є вивчення фізико-механічних властивостей плодів і насіння рицини (Ricinus communis L.) для обґрунтування розрахункових і технологічних параметрів машин і обладнання, призначених для їхнього видобутку та очищення. Лабораторні дослідження на спеціалізованому обладнанні були проведені для визначення основних фізико-механічних властивостей плодів рицини та їх компонентів (сегментів, насіння та частинок коробочки). Ці властивості включають геометричні розміри (довжина L і ширина B), масу M, насипну ρb і дійсну ρd щільність, кут природного укосу φ, коефіцієнти тертя (ковзання μ' і спокою μ), а також швидкість витання V. Встановлено, що насіння має найвищу дійсну щільність (567 ± 54 кг/м³) та найнижчі коефіцієнти тертя, що забезпечує йому кращу сипучість і рухливість у технологічних процесах. Плоди мають найбільшу масу (1,18 ± 0,13 г) та швидкість витання (11,75 ± 1,43 м/с), що впливає на методи їх очищення та сортування. Частинки коробочки мають найменшу щільність (101 ± 17 кг/м³) і найнижчу швидкість витання (3,21 ± 0,51 м/с), що дозволяє ефективно їх відокремлювати за допомогою аеродинамічних методів. Отримані результати будуть використані під час чисельного моделювання машини для очищення насіння рицини. Реологічний аналіз поведінки плодів і насіння рицини під час стиснення показав виражену нелінійну залежність від часу та абсолютної деформації. Процес деформації плодів включає кілька етапів: початкове лінійне зростання сили в межах пружної деформації, момент розтріскування оболонки (Ff1 = 63,67 ± 3,52 Н, Δxf1 = 3,32 ± 0,75 мм), уповільнення росту сили в фазі пластичної деформації, різкий спад при руйнуванні оболонки (Ff2 = 172,96 ± 9,55 Н, Δxf2 = 7,19 ± 0,79 мм), і подальше плавне зростання сили під час стискання внутрішньої частини плоду. Подібний характер деформації спостерігається й для насіння, однак момент руйнування (Fs2 = 48,91 ± 8,34 Н, Δxs2 = 2,4 ± 0,62 мм) супроводжується різким зниженням сили без вираженої стадії пластичної деформації. Статистичний аналіз підтвердив, що розподіли сил і деформацій відповідають закону нормального розподілу..