鮑成偉 段 蘭 宋孟華

(1. 西北工業(yè)大學明德學院，陜西 西安 710124； 2. 西安工業(yè)大學北方信息工程學院，陜西 西安 710200)

蛤蜊是生活在海洋中的軟體動物，其肉質鮮美、營養(yǎng)價值高、具有重要的藥用價值，在中國水產養(yǎng)殖業(yè)中占有重要地位[1]。蛤蜊捕撈后一般要進行除雜和分級處理之后才能流入市場。但由于蛤蜊存活時間較短，這給從打撈到流入市場這短暫時間內高效實現(xiàn)上述處理帶來較大困難[2-3]。當下蛤蜊分級篩選主要按照蛤蜊的外形尺寸進行分類，但死亡、空殼蛤蜊主要依靠人工經驗分揀，待人工挑選清洗完畢后冷藏包裝流入市場。一般10人同時進行上述操作，平均每日可處理1 t左右蛤蜊，生產效率低且勞動強度大。在查閱國外相關產業(yè)和機械化加工發(fā)展現(xiàn)狀的基礎上[4-5]，擬設計一種蛤蜊分級除雜裝置，通過對比滾筒分級環(huán)間隙以及蛤蜊的殼厚，對蛤蜊進行除雜、篩選以及分類處理，可有效提升生產效率并降低生產成本。

1 蛤蜊生物特征性狀分析

蛤蜊的生物性狀主要包括尺寸特征性狀以及重量特征性狀兩類，其中尺寸特征包括殼高、殼寬以及殼厚[6]?？紤]到蛤蜊的稱重過程比較繁瑣，而蛤蜊的尺寸特征性狀比較容易被檢測。采用多元回歸方法分別探究蛤蜊殼高、殼寬以及殼厚等尺寸性狀對蛤蜊重量性狀影響因子的大小。

1.1 材料與方法

以遼寧丹東海灣蛤蜊作為研究樣本，其養(yǎng)殖周期為8～12個月；養(yǎng)殖地：丹東蛤蜊島；樣本獲取時間范圍：48 h 以內；樣本數(shù)量200枚(已剔除畸形蛤蜊、死亡蛤蜊)；對200枚蛤蜊樣本的殼高、殼寬、殼厚進行測量，并對這些尺寸特征進行性狀分類，如圖1所示。

因為需要探究蛤蜊殼高、殼寬以及殼厚等尺寸性狀對蛤蜊重量性狀影響因子的大小，所以除了對蛤蜊樣本的尺寸性狀進行測量外，還需對蛤蜊的活體濕重進行測量[7-8]。為了保證蛤蜊尺寸生物性狀的測量精確度，采用游標卡尺測量蛤蜊的尺寸，選用天平測量蛤蜊的重量。

圖1 蛤蜊尺寸特征性狀Figure 1 Size and properties of clams

其中，殼高指的蛤蜊扇翼邊緣到殼頂?shù)木嚯x，殼寬指的是蛤蜊扇翼邊緣的最大直線距離，殼厚指的是蛤蜊兩殼間的最大直線距離。樣本各項特征參數(shù)統(tǒng)計如表1所示。

表1 樣本各項特征參數(shù)統(tǒng)計表Table 1 Statistical tables for various characteristic parameters of samples

由表1可知，蛤蜊樣本的每一個測量參數(shù)的偏度都比較小(<0.22)，說明選取的樣本的各特征參數(shù)滿足正態(tài)要求，接下來進行相關性分析以及尺寸特征分析。

1.2 結果分析

對樣本蛤蜊的尺寸形狀數(shù)據(jù)以及活體濕重數(shù)據(jù)進行相關性分析，結果如表2所示。從表2可知，樣本蛤蜊的各參數(shù)之間都呈正相關，均達到極顯著水平，說明所選蛤蜊樣本的測量參數(shù)具有較強的可靠性以及特征性。同時，從表2還可知，在樣本蛤蜊的生物性狀參數(shù)中，蛤蜊的殼厚與其活體濕重的相關性最大，相關系數(shù)為0.798 7；其次為殼高，相關系數(shù)0.778 3；最后為殼寬，相關系數(shù)是0.657 4。

表2 蛤蜊各特征性狀數(shù)據(jù)相關分析Table 2 Data correlation analysis of clams' characteristics

1.3 回歸方程的建立以及顯著性測驗

運用Excel軟件對蛤蜊樣本的生物性狀統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行回歸分析[9-10]。建立的回歸方程(y=1.507x-0.116)中，蛤蜊的殼高(H)、殼寬(B)、殼厚(T)為自變量，蛤蜊的活體濕重為因變量，結果如表3所示。

由表3、4可知，蛤蜊殼厚性狀與其活體濕重性狀達到極顯著水平，而殼高以及殼寬與活體濕重呈現(xiàn)一般顯著水平。所以可以根據(jù)蛤蜊的殼厚數(shù)值來設計分級除雜機。理論上要實現(xiàn)對蛤蜊的分級除雜，其重量性狀是可參考的最主要因素。但是在實際情況下，對蛤蜊進行稱重的過程比較繁瑣，而且容易受到雜物(泥沙、其他貝類)的影響，蛤蜊稱重所要求的環(huán)境也相對比較苛刻，所以較難實現(xiàn)機械自動化分級。而采用殼厚作為對蛤蜊分級的依據(jù)則相對比較容易實現(xiàn)，蛤蜊殼厚與其活體重量呈極顯著相關，意味著通過對蛤蜊的殼厚性狀選擇可以實現(xiàn)重量特征性狀的分級效果，因此選擇蛤蜊殼厚作為分級的主要參考因素。樣本中大部分蛤蜊殼寬在12～35 mm，故將10 mm以下的物體當作雜物篩除；10～25 mm 的蛤蜊通過一級滾筒篩選出；25 mm以上的蛤蜊通過二級滾筒篩選出。通過上述以殼厚為主要參考因素的方式將輸送來的蛤蜊進行有效的除雜和分級。

表3 蛤蜊活體濕重對尺寸特征性狀的回歸分布?Table 3 Characteristics of size and characteristics of wet weight in clams

? 多元相關R=0.915 8；R2=0.838 8；矯正R2=0.801 6；標準誤差為1.783 8。

表4 偏回歸系數(shù)顯著性檢驗Table 4 Significance test of partial regression coefficient

2 蛤蜊分級機的結構設計

采用二級滾筒分級裝置，裝置中的滾筒篩由分級環(huán)并列方式組成。利用蛤蜊殼厚與分級環(huán)之間的間隙實現(xiàn)蛤蜊的分級以及對雜物的剔出。

2.1 蛤蜊分級機的整體結構以及工作原理

設計的蛤蜊分級篩選機主要結構包括：喂料口、傳送帶、滾筒篩、機架、電機、螺旋升降桿、撥動板以及導向撥桿等，整體結構如圖2所示[9]。喂料口用于放入蛤蜊原料；傳送帶的作用是分散和傳輸蛤蜊；滾筒篩的作用是對蛤蜊進行分級和除雜；電機同于調整滾筒篩以及傳送的轉速；螺旋升降桿可以調整滾動篩的傾角；撥動板置于喂料口中，可以起到分散蛤蜊原料，防止原料堵塞的作用；導向撥桿與分級環(huán)處于同一平面，當滾筒篩轉動時，導向撥桿與滾筒篩呈相對運動。

蛤蜊分級機的工作原理：① 當蛤蜊原料通過喂料口放入，帶有濾網的傳送帶(其運行速度由電機控制)通過振動初步篩選小型貝類、泥沙等雜物落入雜物箱內，此作為一級篩選；② 通過一級篩的蛤蜊利用重力落于導料板中，此時一級滾筒篩處于工作狀態(tài)，一級滾筒篩的分級環(huán)間隙設定值較小，通過電機(50 r/min)連接滾筒篩的篩選可將小蛤蜊沿著滾動篩傾斜方向進入到儲料桶中，大型蛤蜊通過導向撥桿沿著槽進入到二級滾筒篩中，此作為二級篩選；③ 較大蛤蜊通過一級篩中的導向裝置向二級篩方向運動，二者之間通過斜向上帶有隔板的傳輸板運送，隔板的高度和間隙分別是10 cm和30 cm。二級滾動篩的分級環(huán)間隙設定值較大，通過電機(100 r/min)連接滾筒，在重力和導向軸套上導向撥桿的共同作用下篩選大蛤蜊到出料斗，此為三級篩選。通過三級層層篩選可有效篩出清潔、不同尺寸且存活的蛤蜊[10-13]。

圖2 整體結構圖Figure 2 Overall structure diagram

2.2 喂料裝置的設計

設計的喂料裝置如圖3所示，該裝置分為喂料斗以及撥動桿兩個部分。來料均勻是實現(xiàn)蛤蜊分級的前提條件，蛤蜊從喂料斗進入喂料箱中時堆積在撥動桿的周圍，撥通通過左右反復擺動可使蛤蜊原料均勻下落到傳送帶上。為了使撥動桿能夠進行左右擺動，在撥動桿兩側配置了同樣長度和彈性系數(shù)的彈簧，當喂料裝置不工作時，撥動桿處于正中間位置。而且通過變動撥動桿的工作頻率可以調整出口的蛤蜊原料流量，同時還可以避免蛤蜊原料堆積、喂料斗堵塞的情況出現(xiàn)。

2.3 撥動板的參數(shù)設計

圖4為撥動板的兩種運動狀態(tài)，撥動板往復運動的頻率以及轉角角度對喂料裝置的工作性能有較大影響。撥動板在擺動過程中，擺動轉角的角度既不能過小也不能過大，過小容易使撥動板被物料壓實卡住，過大使得物料出口流量的均勻度達不到工作要求，因此需要對撥動板的參數(shù)進行分析和設計。

1. 入料口 2. 彈簧 3. 喂料斗 4. 撥動板

圖4 蛤蜊撥動板運動狀態(tài)圖Figure 4 Motion diagram of clam's toggle plate

通過圖4可知，當撥動板處于正中間位置時，可按式(1) 計算出撥動板與喂料箱之間的間距d；撥動板處擺動到極限位置時，可按式(2)～(4)計算撥動板與喂料箱的最小間距dmin和最大間距dmax。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：

d——撥動板與喂料箱間距，mm；

B——喂料箱寬度，mm；

L——撥動板寬度，mm；

a——撥桿長度，mm；

b——撥桿到撥動板中心的距離，mm；

α——撥動板與喂料箱中心平面的夾角，(°)；

β——撥動板之間的夾角，(°)；

dmin——撥動板與喂料箱最小間距，mm；

dmax——撥動板與喂料箱最大間距，mm。

但撥動板在往復運動時，其與喂料斗之間的距離最小值為dmin，最大值為dmax。通過上述分析表明，撥動板擺動轉角的角度過小容易使撥動板被物料壓實卡住，過大容易使得出口物料流量不均勻。因此撥動板擺弧長要控制在2～3個蛤蜊的殼寬尺寸以內。設定間隙變化值為：

D=dmax-dmin，

(5)

(6)

式中：

D——撥動板最大間隙，mm。

樣本中大部分蛤蜊殼寬處于122～35 mm的范圍內，綜合考慮，設定D=80 mm。

圖5 撥動桿與撥動板位置Figure 5 The position of toggle lever and toggle plate

在喂料裝置工作過程中，需要撥動桿來推動撥動板進行往復運動，因此需要使撥動桿與撥動板能夠順利接觸，撥動桿長度需要滿足：

(7)

綜合式(7)和實際情況，設定L為180 mm，a為80 mm，b為110 mm，β為70°。

2.4 分級環(huán)直徑的確定

蛤蜊與分級環(huán)的接觸受力情況如圖6所示，蛤蜊受到自身的重力作用G，分級環(huán)對蛤蜊的支撐力為Fn1和Fn2，其計算過程：

(8)

(9)

顯然B要比d1小，設定B與d1的差值為C，有

(10)

(11)

式中：

Fn1——分級環(huán)支撐力，N；

Fn2——分級環(huán)支撐力，N；

G——蛤蜊重量，N；

α——支撐力與水平面的夾角，(°)；

B——分級環(huán)之間的間隙，mm；

d1——蛤蜊殼厚，mm；

d2——分級環(huán)直徑，mm；

C——分級環(huán)之間的間隙與蛤蜊殼厚的差值，mm。

從式(4)～(11)可知，在C值固定的情況下，如果增加分級環(huán)的直徑，會使得蛤蜊受到的支持力Fn1以及Fn2增大，導致蛤蜊受到分級環(huán)帶來的擠壓力也增大。殼厚小于分級環(huán)間隙的蛤蜊會被滾筒篩剔除，但是設置分級環(huán)間隙過大容易導致分級機的篩選精度降低，起不到良好的分級作用。而設置的分級環(huán)間隙過小，容易使得蛤蜊被分級環(huán)卡住，進而導致滾筒篩內部蛤蜊的原料堵塞和堆積。所以合理地設置分級環(huán)之間的間距有著重要意義，試驗結合樣本蛤蜊殼厚數(shù)據(jù)的統(tǒng)計情況，將分級環(huán)之間的間距設置為12 mm，設計的滾筒直徑為610 mm。

圖6 與分級環(huán)接觸受力圖Figure 6 Contact force diagram with grading ring

2.5 導向裝置的設計

導向裝置不僅可以對滾筒篩內的蛤蜊進行波動，防止原料堆積以及蛤蜊卡在分級環(huán)之間等情況出現(xiàn)，還可以調整蛤蜊姿態(tài)，提高蛤蜊分級效率。試驗設計的蛤蜊導向裝置如圖7所示。

1. 撥桿 2. 導向軸套 3. 固定螺栓

從圖7可知，設計的蛤蜊導向裝置主要由撥桿1、導向軸套2以及固定螺栓3組成。撥桿可以波動滾筒篩內的蛤蜊，起到導向作用。導向軸套是基于軸承工作的，其與主軸之間用軸承進行連接，可以實現(xiàn)小幅度擺動或者不動的狀態(tài)。當分級機工作時，對于導向軸套，滾筒篩相轉速比較快，所以蛤蜊會受到導向桿力的作用。設計的導向桿處于交叉分布，每個導向桿之間的間距為分級環(huán)直徑的4倍，同時考慮到實際導向效果，設計的導向撥桿與分級環(huán)都能處于同一平面。因為滾筒篩內可能發(fā)生蛤蜊卡在分級間或者堵塞的情況，所以在選取制作導向桿時，選擇有一定強度、韌性、耐磨損的碳素鋼材料。

3 仿真分析

因喂料斗中導向裝置受力情況最復雜，故對此裝置進行應力、應變、安全系數(shù)仿真分析。通過ANSYS軟件對其導向撥桿進行有限元分析，導向撥桿材料為Q235，定義其密度為7 850 kg/m3，彈性模量為2.0E011 Pa，泊松比為0.25。根據(jù)模型特征其網格劃分類型選為Curvature類型，得到細化網格的有限元模型的節(jié)點為124 612，單元數(shù)為79 422。載荷及約束設定之前統(tǒng)計的200枚蛤蜊(評價活體濕重量為7.8 g/個)樣本經過導向裝置的一側，得到導向裝置的網格劃分圖、應力分布云圖及總變形量云圖如圖8所示。

由圖8可看出，導向桿旋轉中心變形量較小而邊緣的變形量最大，最大值為0.82 mm，滿足剛度要求。導向桿根部受力最大，應力集中處極限值為212 MPa，小于其屈服極限。而整體結構的大部分應力<25 MPa，安全系數(shù)符合國家標準，因此結構強度滿足使用要求。

圖8 ANSYS分析圖Figure 8 ANSYS analysis

4 結論

(1) 利用離心法和不同密度原理提出了一種由三級分層環(huán)組成的滾筒式蛤蜊分揀除雜裝置，通過研究撥動板的運動狀態(tài)并結合分析蛤蜊的生物性狀，發(fā)現(xiàn)撥動板擺弧長需控制在2～3個蛤蜊的殼寬尺寸以內才能保證蛤蜊順利通過，通過計算確定撥動板最大間隙D=80 mm，進而確定了喂料裝置。

(2) 通過理論分析發(fā)現(xiàn)，隨著入料量的增加，篩筒的理論長度增加，再對蛤蜊與分級環(huán)接觸受力進行分析，在確保蛤蜊不受分級環(huán)較大擠壓力的情況下，得到分級環(huán)間間隙B=12 mm，滾筒直徑d2=610 mm。

(3) 通過對關鍵部件的仿真分析，裝置的結構強度及剛度滿足工作要求。兩人共同操作即可實現(xiàn)該裝置的正常應用，較大程度地提高了生產效率并降低了企業(yè)生產成本[14]。