江達，孔德剛，弋景剛，王家忠，李珊珊

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

我國海產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)著舉足輕重的地位。其中扇貝的養(yǎng)殖面積正在逐年增大，并逐漸成為海產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的支柱產(chǎn)品[1]。因其味道鮮美且含有極高的營養(yǎng)價值和食用價值，越來越多的人開始喜歡扇貝這一海灣水產(chǎn)品，受到消費者一致好評[2-4]。隨著人們對扇貝的需求量不斷增大，海灣扇貝的加工工作變得越來越繁重，對扇貝加工機械的要求也日益增高，目前我國扇貝加工機械發(fā)展并不理想，多數(shù)扇貝清洗、分級工作都是由人工或簡單機械完成，且已存的扇貝加工機械多是將各加工工作分開進行，這些機械一方面浪費大量時間降低扇貝的新鮮程度，另一方面扇貝在各加工機械轉(zhuǎn)移的過程消耗大量人力物力。同時，人工加工及多數(shù)簡單機械加工普遍存在食品安全問題，存在加工臟亂差現(xiàn)象[5-7]。因此，為填補我國扇貝加工行業(yè)的空缺，改善扇貝加工方式，保障扇貝加工人員人身安全，在保障食品安全的前提下提高扇貝加工效率，改變扇貝加工臟亂差的現(xiàn)狀，發(fā)展自動化、一體化扇貝清洗分級機械勢在必行。

扇貝清洗分級工作是扇貝打撈上岸后的首要工作。清洗工序是保證扇貝食品安全的前提，分級工序是扇貝精深加工的關(guān)鍵。山東同泰食品機械廠生產(chǎn)的扇貝清洗機靠毛刷輥清洗扇貝并由噴淋管對扇貝沖洗，這種方式對扇貝的刷洗力度較小，效率低，消耗水資源且不能保證扇貝鮮活程度。我國市場上的滾筒式分級機通過滾筒上篩眼大小對扇貝分級，這種方式對扇貝貝殼磨損嚴重且存在效率低的缺點[8]。本文設(shè)計的扇貝清洗分級一體裝置采用上下兩排轉(zhuǎn)速相反的差速毛刷輥對扇貝進行清洗，為保證扇貝的鮮活程度，采用高壓氣流將扇貝表層污物吹走清除。清洗過的扇貝由食品輸送帶傳送到分級喂料口，利用軸輥式分級原理，每對分級軸輥轉(zhuǎn)動帶動扇貝通過分級部分，由每對分級軸輥拼成的橢圓形分級孔完成扇貝分級工作。扇貝清洗分級一體裝置通過一次送料完成扇貝清洗和分級工作，在保證工作質(zhì)量同時，大大提高工作效率，并且在完成清洗分級工作的同時，保證扇貝的鮮活程度，為后續(xù)扇貝加工工作節(jié)約時間，改善我國扇貝清洗工序大量用水造成浪費的局面。增強我國扇貝加工行業(yè)創(chuàng)新能力，實現(xiàn)扇貝加工自動化、產(chǎn)業(yè)化，轉(zhuǎn)變我國扇貝加工機具結(jié)構(gòu)簡單、功能單一的現(xiàn)狀，有利于我國扇貝加工科技水平的提高。

1 扇貝清洗分級一體裝置工作機理

隨著我國扇貝養(yǎng)殖規(guī)模迅速擴大，對于扇貝加工工作機械化的要求也越來越高。為提高扇貝加工工作效率，減少勞動力使用。同時，加工時間對扇貝鮮活程度也有影響。因此，本文設(shè)計了集扇貝清洗、分級工作于一體的機械裝置，本裝置由清洗部分、輸送部分、分級部分三部分組成，通過一次上料完成扇貝的清洗和分級工作。扇貝清洗分級一體裝置原理圖如圖1所示。

圖1 扇貝清洗分級一體裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of integrated scallop cleaning and grading device

1.1 清洗部分的設(shè)計

根據(jù)扇貝清洗工作要求，以及對已有扇貝清洗機的調(diào)研，制定本清洗部分工作方案。為減輕扇貝清洗過程的破損程度，采用上下兩排轉(zhuǎn)速相反的毛刷輥對扇貝進行清洗；為防止扇貝遇淡水死亡，采用高壓空氣吹洗污物，以達到扇貝清洗目的。上下兩排毛刷輥轉(zhuǎn)速不同，轉(zhuǎn)向相反，保證扇貝清洗效果。上排毛刷輥間隙上方布置高壓氣噴嘴，吹走輥刷和扇貝表面污物，保證扇貝的活性和新鮮程度。

上下兩排雙毛刷輥式清洗部分結(jié)構(gòu)緊湊，加工制造簡便，操作方便，且可適合不同品種扇貝的清洗工作，大大提高扇貝清洗效率和清洗質(zhì)量，具有較好的節(jié)水性，適應(yīng)我國目前扇貝行業(yè)發(fā)展。清洗毛刷輥結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 清洗毛刷輥結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of cleaning brush roller

1.2 輸送部分的設(shè)計

輸送部分用于將上下兩層清洗毛刷輥間隙中清洗過的扇貝輸送到分級部分入料口。輸送部分采用食品鏈板輸送帶，可實現(xiàn)正反雙向轉(zhuǎn)動。避免二次人工上料對扇貝產(chǎn)生的傷害，且大大縮短了扇貝加工時間，減少勞動力成本投入。

1.3 分級部分的設(shè)計

通過測量扇貝形體和查閱相關(guān)資料得知[9,10]，以殼長作為扇貝分級標準最準確。本文章設(shè)計的分級部分為角度可變的對輥式分級設(shè)備，由輸送部分將清洗好的扇貝送入分級入料口，兩分級輥形成的近似V型溝槽對扇貝進行分選工作，實現(xiàn)扇貝分級。

分級部分的關(guān)鍵是分級輥的設(shè)計，考慮到分級輥在工作情況下會與酸、堿、鹽等有腐蝕性的物質(zhì)接觸，且分級輥應(yīng)有較高耐磨性以保證分級精度，所以選用鑄型尼龍作為分級輥的表面材料，選用食品級不銹鋼作為分級輥的轉(zhuǎn)軸。分級輥表面的三段螺旋凹槽沿軸線方向形成分級孔。分級輥示意圖如圖3所示。

圖3 分級輥示意圖Fig.3 Schematic diagram of grading roller

2 試驗材料與方法

2.1 材料準備

本試驗選用河北省秦皇島市昌黎縣打撈上岸時間為20 h內(nèi)的鮮活扇貝。

2.2 試驗裝置

本試驗裝置由清洗、輸送、分級三部分構(gòu)成。試驗時將打撈上岸20 h內(nèi)的鮮活扇貝送入清洗分級一體裝置入料口，在上下毛刷輥的間隙中隨著毛刷輥轉(zhuǎn)動，使扇貝表面污物松動清除。清洗過程中，處在上毛刷輥間隙上方的高壓氣流機構(gòu)吹氣將扇貝表面和粘連在毛刷輥上的污物吹走清除。清洗過后的扇貝隨著輸送部分的食品鏈板輸送帶送至分級入料口。隨螺旋對輥分級輥背向旋轉(zhuǎn)，在橢圓形分級孔中經(jīng)歷旋入、掉落或旋出的過程，完成扇貝分級工作，保證扇貝分級效率與精度。

2.3 試驗方法

對扇貝試樣進行不同清洗、分級參數(shù)的試驗，最終扇貝清洗干凈程度和扇貝分級精度為試驗主要參照指標。采用感官觀測評價的方式對扇貝清洗、分級效果進行評定，確定不同清洗、分級參數(shù)對扇貝清洗干凈程度和分級精度的影響。扇貝貝殼表面無污物和寄生物為清洗合格，扇貝按尺寸大小分類，無明顯大小不一致現(xiàn)象為分級效果合格。

2.4 數(shù)據(jù)處理

對海灣扇貝的各個特征進行統(tǒng)計，通過Excel進行數(shù)據(jù)的描述統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如下表1所示。

表1 海灣扇貝各個特征統(tǒng)計Table 1 Statistics of various characteristics of bay scallops

對各個特征值進行相關(guān)性分析，通過spss軟件得到相關(guān)性結(jié)果如表2所示。各個特征均為正相關(guān)且為顯著水平，表明相關(guān)性分析的實際意義。從而確定殼長對質(zhì)量的影響最大，確定殼長為清洗分級的重要參數(shù)。

表2 各個特征的相關(guān)性Table 2 Correlation of each feature

2.5 分級等級

對于海灣扇貝的分級工作標準，目前國內(nèi)外還沒有制定出一套通用的標準和規(guī)定。比較其他常見水產(chǎn)品分級工作時的分級工作，根據(jù)不同水產(chǎn)品的不同分級工作，他們的分級標準可以是單個水產(chǎn)品的大小、水產(chǎn)品的重量或水產(chǎn)品的新鮮程度等。通過調(diào)查分析可知，對水產(chǎn)品進行分級工作時，可根據(jù)外形特點進行分類。考慮海灣扇貝的形態(tài)特征和尺寸大小，殼長對扇貝活體濕重影響最大，因此選用扇貝殼長作為分級標準，制定分級等級如表3所示。

表3 扇貝分級等級Table 3 Scallop classification

在海灣扇貝試驗樣品中隨機選取若干枚，按照擬定分級標準將扇貝分為四個等級，從每個等級中選取12枚進行稱重測量，結(jié)果顯示，一級扇貝每500 g為11~15枚，二級扇貝每500 g為16~20枚，三級扇貝每500 g為21~24枚，四級扇貝每500 g為25~28枚。每一級別扇貝尺寸大小有明顯差異，符合評定標準。

3 結(jié)果與分析

3.1 清洗毛刷輥數(shù)量對清洗效果的影響

為確定將扇貝清洗干凈所需清洗毛刷輥個數(shù)，人工刷洗打撈上岸的扇貝，隨機選取貝殼表面無寄生物的扇貝20個，測每個扇貝刷洗干凈前后的質(zhì)量、刷洗干凈所需次數(shù)，以及每個扇貝的殼長、殼高、殼厚。分析刷洗前后的扇貝測量數(shù)據(jù)可知，每個扇貝刷洗干凈所需刷洗次數(shù)不同，但在刷洗不超過 10次的情況下，扇貝已被刷洗干凈。打撈上岸的扇貝臟凈程度對清洗扇貝的刷洗次數(shù)的影響最大，經(jīng)過試驗確定扇貝清洗分級一體裝置清洗部分的清洗毛刷輥下排用 10根毛刷輥，上排用 9根毛刷輥，上下排毛刷輥共 19根可保證將經(jīng)過清洗部分的扇貝清洗干凈。

3.2 毛刷輥距離對清洗效果的影響

通過試驗，當(dāng)扇貝直徑小于50 mm時，扇貝會在清洗部分產(chǎn)生堆積現(xiàn)象，在清洗毛刷輥上不能向前運輸，導(dǎo)致扇貝清洗分級一體裝置不能繼續(xù)正常工作。因此設(shè)計清洗部分毛刷輥排列方式如圖4所示。

圖4 清洗部分毛刷輥排列方式Fig.4 Arrangement of brush rollers for cleaning part

這種毛刷輥排列方式中，同排毛刷輥間距固定，上下排毛刷輥間距可調(diào)，可適應(yīng)不同大小扇貝的清洗工作。下排毛刷輥間距大于10 mm的毛刷輥之間安裝有一個細軸，細軸不轉(zhuǎn)動但上下位置可以調(diào)節(jié)。保證扇貝在清洗的過程中不會產(chǎn)生堆積現(xiàn)象。

通過對毛刷輥清洗扇貝清洗原理進行分析，得出上下輥間距以及各輥轉(zhuǎn)速影響扇貝清洗干凈程度。選擇上下輥間距離、下排兩邊毛刷輥轉(zhuǎn)速、下排中間毛刷輥轉(zhuǎn)速、上排毛刷輥轉(zhuǎn)速四個因素進行正交試驗，確定扇貝清洗效果最佳參數(shù)是上下兩排毛刷輥的輥芯間距為111 mm，下排布置在兩側(cè)毛刷輥轉(zhuǎn)速v1為120 r/min，下排布置在中部毛刷輥轉(zhuǎn)速v2為360 r/min，上排毛刷輥轉(zhuǎn)速v3為200 r/min。

3.3 風(fēng)速對清洗效果的影響

本文設(shè)計的扇貝清洗分級一體裝置清洗部分采用毛刷輥刷洗與高壓空氣吹除污物的方式清洗扇貝，所以吹除污物的空氣風(fēng)速大小也對清洗效果有很大的影響。選用鼓風(fēng)機進行本次試驗，扇貝和出風(fēng)噴嘴的距離和風(fēng)力的大小都會影響扇貝清洗干凈程度。將上下毛刷輥間距、毛刷輥轉(zhuǎn)速調(diào)整到清洗效果最好的狀態(tài)進行試驗，由圖5可知，風(fēng)力越大，去除毛刷輥上污物效果越好，直至曲線趨于水平。出風(fēng)口與扇貝距離越小，在毛刷輥上風(fēng)力越大，除污效果越好，但會增加裝置中噴嘴的數(shù)量，造成電量浪費。最終確定風(fēng)力大小0.8 MPa、噴嘴距扇貝20 mm。

圖5 風(fēng)力和噴嘴距離對清洗效果的影響Fig.5 The influence of wind force and nozzle distance on cleaning effect

3.4 分級輥轉(zhuǎn)速對分級效果的影響

分級效果的影響因素之一是分級輥轉(zhuǎn)速，選取規(guī)格大致相同的扇貝60枚并分成6組，每組扇貝外形和重量基本相同，其他外界條件基本相同的情況下，設(shè)置分級輥的轉(zhuǎn)速分別為15、35、55、60、70、80，單位為r/min。記錄分級輥設(shè)置不同轉(zhuǎn)速時實現(xiàn)扇貝分級所需時間。實驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 分級輥轉(zhuǎn)速試驗結(jié)果Fig.6 Speed test results of classifying roller

由圖6可知，扇貝下落所用時間與分級輥轉(zhuǎn)速成負相關(guān)，從整體趨勢上看，轉(zhuǎn)速越大，下落速度越快，對試驗結(jié)果進行回歸分析，選用二次模型進行擬合，擬合結(jié)果是：y=75.11-1.87x+0.01x2，其中x是分級輥轉(zhuǎn)速，y為扇貝下落所用時間。通過擬合的結(jié)果可知，分級輥轉(zhuǎn)速為67 r/min時，扇貝分級完成最快，效果較好。

3.5 分級輥傾角對分級效果的影響

分級輥傾角即為分級輥傾斜角度，是分級輥軸線與水平面之間的夾角，傾斜角度大小直接影響清洗分級一體裝置的分級效果，傾角過大導(dǎo)致海灣扇貝從分級輥上迅速滑落，不能達到分級的目的；傾角過小導(dǎo)致海灣扇貝在分級輥上動作緩慢，造成扇貝堆積現(xiàn)象。分級過程中應(yīng)使分級輥傾角處于適當(dāng)?shù)膬A斜角度，保證海灣扇貝在與分級輥摩擦力及自身重力條件下，沿分級輥滑動，并從適當(dāng)大小的兩背向轉(zhuǎn)動的分級輥形成的分級孔中落下，保證分級工作的精度。

為了找到最適合扇貝分級工作的分級輥傾斜角度，探究傾斜角度對海灣扇貝分級工作的影響，隨機選取海灣扇貝60枚進行試驗，將選取的扇貝等分成6組，每組扇貝大小大致相同，探究傾斜角度對分級效率的影響，將清洗分級一體裝置的分級輥的直徑設(shè)定為130 mm，轉(zhuǎn)速設(shè)定為60 r/min，分級輥傾斜角度分別調(diào)整為 2°、5°、7°、10°、15°、20°，將每組扇貝逐個從相同的位置投入分級輥之間，記錄扇貝下滑至相應(yīng)分級孔落下所需的時間，在不同的分級輥傾斜角度下逐次進行試驗。試驗結(jié)果如表4所示。

表4 分級輥傾斜角度對分級效率的影響Table 4 The effect of the inclination angle of the grading roller on the efficiency

從試驗結(jié)果及表中的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)分級輥傾斜角度小于等于5°時，扇貝在分級輥之間下落緩慢且產(chǎn)生堆積現(xiàn)象，隨著傾斜角度加大，扇貝下落速度也逐漸增大。當(dāng)傾斜角度增至 15°時，扇貝下落速度漲勢開始趨于平緩，且扇貝出現(xiàn)翻滾現(xiàn)象。

為更深一步探究分級輥傾斜角度對分級效果的影響，將多枚扇貝同時落入裝置，模擬實際扇貝分級工作，將分級輥傾斜角度分別調(diào)整為13°、15°、17°、20°、23°、25°，測試不同傾斜角度下扇貝的下落情況。試驗結(jié)果表明，當(dāng)傾斜角度調(diào)整為20°時，落入分級輥之間的重疊扇貝會產(chǎn)生翻滾現(xiàn)象；傾斜角度調(diào)整為 23°，扇貝翻滾現(xiàn)象明顯，不利于清洗分級一體裝置對扇貝的分級工作，影響分級精度。因此，為保證分級精度，將分級輥傾斜角度調(diào)整至5°~15°之間。

3.6 裝置分析

扇貝清洗分析一體裝置對海灣扇貝的清洗效率可達500~1000 kg/h，清洗破損率小于等于2%，分級效率可達1400 kg/h，分級精度大于95%，分級破損率小于 1%。與已有海灣扇貝清洗、分級裝置相比，在提高清洗分級工作效率的同時，簡化加工操作步驟，減少勞動力的投入，節(jié)約加工成本，保證海灣扇貝新鮮程度。并且清洗效果及分級精度明顯高于傳統(tǒng)扇貝清洗、分級加工機械。

3.7 裝置效果

海灣扇貝清洗分級一體裝置工作效率高，清洗分級過的扇貝可達到海灣扇貝清洗分級要求。經(jīng)對比，清洗分級一體裝置清洗過的海灣扇貝干凈程度與水洗過的扇貝干凈程度相似，均能達到清洗要求，如圖7所示為水洗與裝置清洗對比圖，左圖為水洗效果，右圖為裝置清洗效果。兩種方式對海灣扇貝活性影響很大，經(jīng)過三個小時的放置，本裝置清洗過的扇貝仍保持活性，水洗扇貝因扇貝浸入淡水已經(jīng)失活。

圖7 水洗與裝置清洗效果對比圖Fig.7 Comparison of the effect of water washing and device cleaning

再分析扇貝分級工作效果，將裝置分級與人工分級進行對比，經(jīng)過相同工作量的扇貝分級工作，對比結(jié)果如表5所示。從數(shù)據(jù)可以看出，清洗分級一體裝置分級精度與破損率與人工分級方式相差不大，能達到分級工作要求，分級效果良好，且耗時短，大大提高工作效率。

表5 裝置分級與人工分級效果對比Table 5 Comparison of device classification and manual classification effects

4 結(jié)論

4.1 根據(jù)扇貝外形特點和結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計本扇貝清洗分級一體裝置，分為清洗部分、輸送部分、分級部分。通過試驗確定扇貝清洗分級一體裝置的最佳參數(shù)設(shè)計，減少清洗分級工作中扇貝上料次數(shù)，節(jié)約扇貝加工時間，保證扇貝活性，并且減少勞動力的投入。

4.2 經(jīng)過實驗測試和數(shù)據(jù)分析，確定扇貝清洗分級一體裝置的工作參數(shù)，清洗毛刷輥上排用9根、下排用10根，上下兩排毛刷輥的輥芯間距為111 mm、下排布置在兩側(cè)毛刷輥的轉(zhuǎn)速v1為120 r/min、下排布置在中部毛刷輥的轉(zhuǎn)速v2為360 r/min、上排毛刷輥的轉(zhuǎn)速v3為200 r/min，分級輥的轉(zhuǎn)速為67 r/min，此時扇貝清洗分級的效果最好，達到扇貝清洗分級的標準。