滕桂君 弋景剛 劉江濤 李 娜

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北保定 071001)

扇貝是世界重要的海洋漁業(yè)資源之一，其殼、肉、珍珠層具有極高的利用價(jià)值。然而，海灣扇貝原料表面沾有不少泥沙、雜草等雜質(zhì)，還附著有寄生蟲和其他寄生物，嚴(yán)重影響后續(xù)加工中的貝柱、裙邊、內(nèi)臟和貝殼的產(chǎn)品質(zhì)量。目前國(guó)內(nèi)外海灣扇貝加工過(guò)程中的清洗主要采用人工清洗，隨著海灣扇貝的需求量越來(lái)越高，生產(chǎn)效率更高的海灣扇貝清洗機(jī)也越來(lái)越受到重視。目前，國(guó)外市場(chǎng)上常見(jiàn)的清洗機(jī)主要有氣泡式、沉浸式、超聲波式、毛刷式、噴淋式、蒸發(fā)脫脂式、負(fù)壓吸干、滾筒式清洗機(jī)等，這些清洗機(jī)要么不適用于清洗海灣扇貝，要么就是價(jià)格昂貴。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上尚未見(jiàn)專門用于海灣扇貝清洗的清洗機(jī)，目前大多數(shù)工廠里使用的清洗機(jī)都是帶式或者基于帶式的組合清洗機(jī)，主要利用帶傳動(dòng)進(jìn)行流水作業(yè)，去污清洗裝置主要有刷輥和噴水管。扇貝由進(jìn)料口進(jìn)入工作區(qū)域后，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)毛刷輥轉(zhuǎn)動(dòng)，與噴水管噴出的高壓水產(chǎn)生的作用力共同作用，去除附著在海灣扇貝表面的污物;刷輥上的刷毛依靠摩擦力使物料表面的污物刷除洗凈。同時(shí)，螺旋毛刷輥還有傳送扇貝的作用。但整體清洗效果差、產(chǎn)量低、易損壞扇貝殼。本研究擬設(shè)計(jì)一種適于清洗海灣扇貝的設(shè)備，采用帶噴水管的空心螺旋毛刷輥，在刷洗的同時(shí)起到運(yùn)輸?shù)淖饔茫荚诩饶馨押成缺磺逑锤蓛?，又不損壞海灣扇貝的貝殼。

1 毛刷輥式扇貝清洗機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理

該海灣扇貝清洗機(jī)采用毛刷輥和高壓水雙重作用，可以將扇貝刷洗干凈。整個(gè)裝置(見(jiàn)圖1)由機(jī)架支撐，空心螺旋毛刷輥分別安裝于支架上。驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)鏈條帶動(dòng)毛刷輥轉(zhuǎn)動(dòng)。鏈條上布置張緊輪，以保證傳動(dòng)平穩(wěn)順利。扇貝通過(guò)左側(cè)進(jìn)料口上料，隨著毛刷輥的轉(zhuǎn)動(dòng)，邊刷洗邊運(yùn)輸，最后從右側(cè)出料。每個(gè)毛刷輥上方都有噴水管，噴水管上有多個(gè)噴水頭，提高了生產(chǎn)效率，清洗干凈徹底。在整個(gè)清洗過(guò)程中，物料隨著毛刷輥的轉(zhuǎn)動(dòng)作低速運(yùn)動(dòng)，對(duì)物料本身的機(jī)械損傷小，可保證較低的破損率。

可以根據(jù)生產(chǎn)需要對(duì)毛刷輥之間的間隙進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足厚度不同的扇貝品種的清洗要求。也可根據(jù)生產(chǎn)需要對(duì)毛輥轉(zhuǎn)速分別進(jìn)行調(diào)節(jié)，增大生產(chǎn)效率。如圖1所示，擋板2安裝于毛刷輥工作長(zhǎng)度兩端，軸承座內(nèi)側(cè)，左側(cè)與進(jìn)料裝置焊接在一起，上端高出噴水管，穿過(guò)擋板，在防止海灣扇貝從側(cè)面滑下的同時(shí)，可以起到支撐噴水管的作用，從而保證海灣扇貝被清洗干凈。

2 毛刷輥的設(shè)計(jì)

毛刷輥種類有帶軸刷輥，空心刷輥，組合刷輥，螺旋刷輥，彈簧刷輥;鋼帶纏繞式:鋼板夾毛式;鋼片穿毛式，打孔穿毛式。刷毛長(zhǎng)度不限，刷絲直徑0.05～2.00 mm，刷體最小值25 mm。刷毛可按要求排列成特殊形狀，可以植毛加工和舊刷翻新。本設(shè)計(jì)中扇貝清洗機(jī)刷毛用尼龍，刷輥用45#鋼。

圖1 毛刷輥式扇貝清洗裝置［1］Figure 1 Brush roll washing machine of scallops

用尼龍的刷輥對(duì)海灣扇貝進(jìn)行清洗，要求刷絲抗壓、彈性好，但又不能擦傷被清洗物。食品機(jī)械毛刷材料采用PA6、PA66、611、612、010 刷絲等，輥芯使用 45#圓鋼或不銹鋼件，注塑，植入耐高溫尼龍刷絲，用于清洗物質(zhì)表面污垢;刷毛多選用防菌尼龍1010刷絲，耐溫耐磨，刷絲不回彎，不掉毛。

毛刷輥如圖2所示。

圖2 毛刷輥Figure 2 Brush roller

3 電動(dòng)機(jī)的選用

(1)摩擦負(fù)載功率的計(jì)算:要求海灣扇貝清洗機(jī)的產(chǎn)量為500 kg/h，扇貝的平均質(zhì)量為30 g，所以產(chǎn)量大約為300個(gè)/min，選毛刷輥長(zhǎng)度600 mm，海灣扇貝平均直徑60 mm，所以機(jī)架上常有海灣扇貝質(zhì)量為3 000 g。

海灣扇貝在毛刷輥上受到摩擦力的作用向前運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生負(fù)載功率。

直線運(yùn)動(dòng)，則

式中:

F——扇貝在毛刷輥上所受的摩擦力，N;

μ——扇貝在毛刷輥上的摩擦因數(shù);

G——毛刷輥上扇貝的重量，N;

P——克服摩擦力的功率，W;

v——扇貝的運(yùn)動(dòng)速度，m/s。

(2)空載時(shí)，初定有10根毛刷輥，選用外徑為150 mm的毛刷輥，則傳送帶傳輸距離為1.5 m，海灣扇貝在放進(jìn)去到清洗完畢所經(jīng)過(guò)的時(shí)間為20 s。

傳動(dòng)的功率:

式中:

K1——空載運(yùn)行功率系數(shù);

Lh——毛刷輥總長(zhǎng)度，m;

v ——鏈速，m/s;

K2——物料水平運(yùn)行功率系數(shù);

Q ——輸送量，t/h;

K3——附加功率系數(shù)。

查文獻(xiàn)［2］可知，清洗機(jī)中毛刷輥的轉(zhuǎn)速大于等于500 r/min。

所以此海灣扇貝清洗機(jī)運(yùn)行時(shí)所需的總功率為:

(3)計(jì)算電動(dòng)機(jī)功率:查文獻(xiàn)［3］可知鏈輪與鏈條的傳動(dòng)效率 η1=0.96，一對(duì)滾動(dòng)軸承的傳動(dòng)效率 η2=0.97，聯(lián)軸器的傳動(dòng)效率η3=0.99。因?yàn)橛?0條毛刷輥，所以有10對(duì)滾動(dòng)軸承，有9對(duì)鏈輪。則

由式(4)可以計(jì)算出P總，傳動(dòng)效率已知，所以可以計(jì)算出 P電［4］。

4 鏈條的選擇

海灣扇貝清洗機(jī)有多個(gè)毛刷輥排列共同清洗海灣扇貝，則毛刷輥之間需要有傳動(dòng)裝置鏈接。且海灣扇貝清洗機(jī)為實(shí)行機(jī)構(gòu)，其性能的好壞直接影響清洗機(jī)的清洗效果，常用的傳動(dòng)方式有帶傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)。根據(jù)文獻(xiàn)［5］比較各種傳動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選用鏈傳動(dòng)。

已知:設(shè)計(jì)中要求毛刷輥的轉(zhuǎn)速為500 r/min，因?yàn)楣ぷ鬏d荷較平穩(wěn)，所以鏈輪懸臂裝于軸上。

(1)鏈輪齒數(shù):因?yàn)楦鬏佀俣认嗤?，所以選擇傳動(dòng)比i=Z2/Z1=1。

(2)轉(zhuǎn)速:主動(dòng)軸鏈輪轉(zhuǎn)速n1=500 r/min，從動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速n2=500 r/min。

(3)查文獻(xiàn)［5］可知，鏈條標(biāo)記:根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果采用單排08A滾子鏈，節(jié)距為12.7 mm。

(4)試驗(yàn)中相鄰兩鏈輪的中心距是可調(diào)的，兩輥中心距按照試驗(yàn)要求確定。

本試驗(yàn)選擇的滾子鏈的基本尺寸見(jiàn)表1。

表1 滾子鏈的基本尺寸Table 1 The basic size of roller chain mm

5 試驗(yàn)分析

通過(guò)試驗(yàn)確定毛刷輥中心距對(duì)扇貝清潔度(扇貝清潔度可以用去除雜質(zhì)比重表示，按式(6)計(jì)算)的影響。如圖3所示，把扇貝隨機(jī)分為4組，每組扇貝個(gè)數(shù)相等。設(shè)置輥與輥的間距分別為 95，100，105，110 mm 進(jìn)行 4 次試驗(yàn)［6］。

式中:

c——去除雜質(zhì)比重，%;

m1——清洗前扇貝質(zhì)量，g;

m2——清洗后扇貝質(zhì)量，g。

試驗(yàn)表明，扇貝上所帶雜質(zhì)的質(zhì)量不同，其比重也有差異。由圖3可知，當(dāng)毛刷輥的距離分別為105，100，95 mm時(shí)折線的最大值與最小值相近，且平均值也相近，所以這三者刷洗效果相近;當(dāng)毛刷輥距離為110 mm時(shí)，折線的最大值、最小值及平均值均小于前三者，刷洗效果也最差。當(dāng)毛刷輥距離為100，95 mm時(shí)刷絲的彎曲率較大，是因?yàn)槊捕容^高，距離太近會(huì)使刷絲受損嚴(yán)重;此外，當(dāng)刷絲相互交叉時(shí)，會(huì)增加設(shè)備的能耗。因此選用毛刷輥的距離為105 mm。

圖3 毛刷輥之間的距離與刷洗效果的關(guān)系Figure 3 The relationship between the roll distance and the brush effect

試驗(yàn)結(jié)束后檢測(cè)海灣扇貝的損傷率及其存活率，結(jié)果(圖4)表明:當(dāng)毛刷輥間的距離為105 mm時(shí)，無(wú)論是潔凈度，還是損傷率成活率都滿足要求。

6 結(jié)論

針對(duì)海灣扇貝機(jī)械加工生產(chǎn)困難，勞動(dòng)力浪費(fèi)嚴(yán)重問(wèn)題，研究了海灣扇貝機(jī)加工的第一步——海灣扇貝的清洗。試驗(yàn)證明海灣扇貝機(jī)械清洗是可以實(shí)現(xiàn)的。本清洗機(jī)改善了其它清洗機(jī)清洗扇貝時(shí)，貝殼破損率高、清洗效果不明顯等問(wèn)題，為海灣扇貝后續(xù)加工奠定了基礎(chǔ)。而且用本清洗設(shè)備清洗扇貝時(shí)，扇貝在螺旋毛刷輥上運(yùn)動(dòng)，對(duì)物料的機(jī)械損傷小，且清洗的效率高。因此，本螺旋毛刷輥式扇貝清洗機(jī)的清洗效果和工作效率能夠很好地符合扇貝加工工廠的清洗要求，具有較高的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益，有較強(qiáng)的使用和推廣價(jià)值。但本設(shè)備耗水量大，所以在節(jié)約用水方面應(yīng)繼續(xù)研究，實(shí)現(xiàn)水的循環(huán)利用，為水資源保護(hù)做出貢獻(xiàn)。

圖4 損傷率與存活率Figure 4 The damage rate and survival rate

海灣扇貝加工設(shè)備的研制在中國(guó)還處于初級(jí)階段。從前處理設(shè)備(如清洗設(shè)備)著手，不斷深入研究、開(kāi)發(fā)海灣扇貝加工設(shè)備，對(duì)提高加工水平，促進(jìn)海灣扇貝產(chǎn)業(yè)發(fā)展將起到積極的推動(dòng)作用。

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