陳書法，牛晏瑞，蘆新春，楊進(jìn)，董志國，馮博

(1. 江蘇海洋大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇連云港,222005; 2. 江蘇海洋大學(xué)海洋工程學(xué)院,江蘇連云港,222005; 3. 江蘇海洋大學(xué)海洋科學(xué)與水產(chǎn)學(xué)院,江蘇連云港,222005)

0 引言

扇貝是我國沿海地區(qū)最重要的海產(chǎn)品養(yǎng)殖品種之一,其肉質(zhì)肥美,具有豐富的營養(yǎng)成分,受到人們的歡迎[1-2]。扇貝加工的重要環(huán)節(jié)是將扇貝蒸煮后進(jìn)行剝殼、取肉,目前我國普遍的脫殼方式依舊是采取人工作業(yè)的形式,生產(chǎn)成本高且效率低,缺少大規(guī)模的肉殼分離設(shè)備[3]。

振動(dòng)篩是一種重要的篩分裝置,它能夠通過篩面上的篩孔將散狀顆?；旌衔锇凑沾笮∵M(jìn)行分級(jí),以滿足后續(xù)的作業(yè)要求[4-5]。由于扇貝肉在加工的過程中對(duì)肉的完整性要求較高,而直線振動(dòng)篩既可以通過激振力將蒸煮后的扇貝肉和殼輕易分離又可以保證肉質(zhì)的完整性[6-7]。但扇貝在篩面上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜多變,為了研究篩分過程中物料顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和透篩規(guī)律,需要借助離散單元法對(duì)每個(gè)獨(dú)立的單元的篩分過程進(jìn)行模擬分析。李永祥等[8]基于離散元對(duì)糧食振動(dòng)清理篩的篩分過程進(jìn)行仿真模擬,分析得出了篩分效果較好的振動(dòng)篩工藝參數(shù)。王秉[9]基于離散單元法分析了玉米顆粒在直線振動(dòng)篩上的運(yùn)動(dòng)情況,優(yōu)化了振動(dòng)篩的結(jié)構(gòu)。Zhao等[10]分析了物料顆粒在篩面上的分布情況對(duì)篩分效率的影響,研究了顆粒與篩面間的碰撞行為。Feng等[11]分析了不規(guī)則顆粒的透篩過程,發(fā)現(xiàn)了當(dāng)顆粒的質(zhì)心在與篩面接觸點(diǎn)偏左方向時(shí)透篩效果更好。Peng等[12]模擬了濕顆粒的篩分過程,得出振動(dòng)篩較優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

上述研究充分說明了離散單元法可以很好地用來優(yōu)化振動(dòng)篩的工作參數(shù),提高篩分效率[13]。但是上述研究中沒有應(yīng)用此方法對(duì)貝類海產(chǎn)品相關(guān)的篩分裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和分析,關(guān)于直線振動(dòng)篩不同工作參數(shù)下對(duì)扇貝肉殼分離效果的影響研究較少。

本研究基于離散元法模擬了扇貝顆粒在直線振動(dòng)篩不同工藝參數(shù)下的運(yùn)動(dòng)過程和透篩行為,分析振動(dòng)篩各因素對(duì)扇貝肉和扇貝殼兩種不同顆粒透篩的影響,優(yōu)化扇貝肉殼分離直線振動(dòng)篩的工作參數(shù),從而提高扇貝加工的生產(chǎn)效率,為以后貝類肉殼分離裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作參數(shù)選取提供一定的參考。

1 直線振動(dòng)篩總體設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 總體設(shè)計(jì)

扇貝肉殼分離直線振動(dòng)篩的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由篩箱、篩面、振動(dòng)電機(jī)、減振彈簧等部分組成。該直線振動(dòng)篩采用階梯式向下略微傾斜的篩面,配合振動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的激振力可以有效減少物料在篩面上的堆積,使其分布更加均勻,具有良好的篩分性能[14]。根據(jù)扇貝肉殼分離所需要的處理量要求,本研究所設(shè)計(jì)的直線振動(dòng)篩采用4個(gè)尺寸為2 000 mm×800 mm的可拆卸更換的篩面,篩面上的篩孔為直徑φ=40 mm的圓形孔,開孔率為68.2%。

圖1 直線振動(dòng)篩整體結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

扇貝在經(jīng)過蒸煮工序后由輸送帶運(yùn)送至振動(dòng)篩的入料口進(jìn)入篩箱,入料口與篩面之間傾斜角度為120°左右,同時(shí)篩面與水平面之間傾角α=5°～9°。直線振動(dòng)篩采用兩臺(tái)振動(dòng)電機(jī),在轉(zhuǎn)子軸上各安裝一組可調(diào)偏心塊,當(dāng)安裝在篩體上的兩臺(tái)振動(dòng)電機(jī)做同步、反向運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),其偏心塊所產(chǎn)生的激振力在平行于電機(jī)軸線方向相互抵消,在垂直于電機(jī)軸方向的力相加產(chǎn)生合力通過傳振體傳遞到整個(gè)篩箱上使物料在篩面上作直線運(yùn)動(dòng),兩臺(tái)振動(dòng)電機(jī)相對(duì)篩面有一傾角,從而使篩面上的物料受其激振力在篩網(wǎng)上向前進(jìn)行跳躍運(yùn)動(dòng)。通過試驗(yàn)驗(yàn)證,蒸煮后的扇貝肉和殼之間的粘附力很小,在激振力和肉殼自重力的合力作用下扇貝在篩網(wǎng)上被拋起跳躍式向前運(yùn)動(dòng),能夠輕易達(dá)到肉殼分離的效果,分離后由于扇貝肉的尺寸較小會(huì)通過篩孔掉落至下方傳送帶上進(jìn)入下一個(gè)清洗環(huán)節(jié),而尺寸較大的扇貝殼則會(huì)停留在篩面上一直向前跳動(dòng)至出料口處被過濾掉[15-17]。

2 離散元模型及仿真參數(shù)

本研究采用離散元軟件EDEM對(duì)簡(jiǎn)化的直線振動(dòng)篩模型在不同工作參數(shù)下進(jìn)行扇貝肉殼分離的篩分過程進(jìn)行仿真,在仿真試驗(yàn)開始之前分別對(duì)扇貝肉和殼進(jìn)行顆粒建模,然后創(chuàng)建直線振動(dòng)篩的簡(jiǎn)化模型和顆粒工廠,最后設(shè)置合適的離散元接觸模型和仿真參數(shù)[18]。

2.1 顆粒建模

本研究選取連云港市贛榆區(qū)宋莊鎮(zhèn)漁民普遍養(yǎng)殖的櫛孔扇貝作為研究對(duì)象,在養(yǎng)殖塘里剛捕撈上來的鮮活扇貝里隨機(jī)挑選200個(gè),采用精度為0.01 mm的游標(biāo)卡尺分別對(duì)扇貝的肉和殼的長度、寬度、厚度進(jìn)行測(cè)量,得出扇貝肉的平均幾何尺寸為34.5 mm×30.2 mm×15.2 mm,扇貝殼的平均幾何尺寸為65.8 mm×60.3 mm×20.4 mm。EDEM軟件建模是通過球形顆粒堆疊擬合而成的,按照試驗(yàn)測(cè)得的平均尺寸建立扇貝的肉和殼的離散元顆粒模型如圖2所示。

(a) 扇貝肉顆粒模型

(b) 扇貝殼顆粒模型

2.2 篩分模型和顆粒工廠創(chuàng)建

將Creo軟件建立好的直線振動(dòng)篩三維模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化,只保留其篩箱和篩面,按照1∶1尺寸大小導(dǎo)入到EDEM軟件中,仿真過程如圖3所示。

圖3 振動(dòng)篩三維離散元模型

在仿真進(jìn)行之前還需建立一個(gè)虛擬的顆粒工廠生成扇貝下落到振動(dòng)篩上進(jìn)行模擬篩分過程,然后設(shè)置顆粒工廠為動(dòng)態(tài)生成的方式,生成扇貝顆粒的速率為200個(gè)/s,大小為平均尺寸的0.75～1.35倍之間隨機(jī)生成,最后設(shè)置模擬的時(shí)長為30 s,數(shù)據(jù)保存時(shí)間步長為0.1 s,網(wǎng)格尺寸為3Rmin(Rmin代表最小顆粒半徑)。

2.3 接觸模型與仿真參數(shù)設(shè)置

在模擬顆粒在篩面上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí),顆粒和顆粒之間必然會(huì)發(fā)生接觸與碰撞,從而產(chǎn)生力的作用,又因振動(dòng)篩上的扇貝肉顆粒群和扇貝殼顆粒群與篩面之間無黏附作用,且不涉及電、熱作用的影響,所以選擇Hertz-Mindlin(no slip)接觸模型,其基礎(chǔ)模型原理如圖4所示,該模型是EDEM中默認(rèn)使用的接觸模型,在這個(gè)模型中,法向力和切向力都有阻尼分量,其中阻尼系數(shù)與恢復(fù)系數(shù)有關(guān)。切向摩擦力遵循庫侖摩擦定律,滾動(dòng)摩擦力以獨(dú)立于接觸的方向性恒定扭矩模型實(shí)現(xiàn)。

圖4 Hertz-Mindlin顆粒接觸模型簡(jiǎn)圖

在進(jìn)行仿真計(jì)算之前需對(duì)相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,包括扇貝肉和扇貝殼顆粒的物理參數(shù)和各材料之間的接觸參數(shù)。扇貝肉和殼的力學(xué)參數(shù)包含泊松比、密度和剪切模量,各材料之間的接觸參數(shù)為碰撞恢復(fù)系數(shù)、動(dòng)摩擦系數(shù)和靜摩擦系數(shù),通過查閱相關(guān)資料與文獻(xiàn)可得相關(guān)參數(shù)如表1和表2所示。

表1 材料物理參數(shù)Tab. 1 Material physical parameters

表2 各材料之間的接觸參數(shù)Tab. 2 Contact parameters between materials

3 仿真分析

3.1 直線振動(dòng)篩篩分物料性能指標(biāo)

扇貝物料顆粒的透篩數(shù)量、篩分效率和肉中帶殼比率是振動(dòng)篩作業(yè)效果評(píng)價(jià)的綜合性能指標(biāo),其中篩分效率尤為重要,當(dāng)振動(dòng)篩的篩分效率較高時(shí),能夠節(jié)省大量的工作時(shí)間和能耗。

篩分效率和肉中帶殼比率分別按式(1)和式(2)進(jìn)行計(jì)算。

(1)

(2)

式中:ηi——篩分效率;

Nf——實(shí)際透篩的扇貝肉數(shù)量;

Nt——理論應(yīng)透篩的扇貝肉數(shù)量;

ηk——肉中帶殼比率;

Nk——篩下物中扇貝殼顆粒的數(shù)量。

3.2 仿真試驗(yàn)中基準(zhǔn)工藝參數(shù)選擇

影響物料顆粒透篩效率的因素很多,在本次研究中,物料顆粒為櫛孔扇貝,其生理參數(shù)已經(jīng)確定,所以本研究從篩分設(shè)備的工藝參數(shù)上進(jìn)行優(yōu)化以提高其篩分效率。直線振動(dòng)篩的主要工藝參數(shù)有振動(dòng)頻率、振幅、篩面傾角和振動(dòng)方向角,通過查閱相關(guān)資料并對(duì)振動(dòng)篩參數(shù)的計(jì)算,確定在仿真研究中直線振動(dòng)篩的工藝參數(shù)可調(diào)范圍如表3所示。

表3 直線振動(dòng)篩工藝參數(shù)Tab. 3 Technological parameters of linear vibrating screen

為研究以上工藝參數(shù)對(duì)扇貝肉殼混合物料篩分過程的影響,利用離散元仿真軟件開展單因素影響篩分性能的研究,以振動(dòng)頻率為12 Hz、振幅為5 mm、篩面傾角為8°、振動(dòng)方向角為45°為基準(zhǔn)參數(shù),每次模擬試驗(yàn)只改變單個(gè)參數(shù),分析單因素參數(shù)對(duì)篩分效率和扇貝肉顆粒透篩數(shù)量的影響規(guī)律。

3.3 直線振動(dòng)篩工藝參數(shù)對(duì)篩分效果影響分析

利用EDEM軟件對(duì)以上各工藝參數(shù)進(jìn)行模擬獲得每個(gè)參數(shù)對(duì)篩分效率以及扇貝肉透篩數(shù)量的影響后,可以將軟件模擬分析的數(shù)據(jù)導(dǎo)出,然后進(jìn)行匯總編輯,繪制成曲線圖可以更直觀地對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析,最后得到較優(yōu)的工藝參數(shù)。

3.3.1 振動(dòng)頻率對(duì)篩分效果影響

為研究直線振動(dòng)篩的振動(dòng)頻率對(duì)篩分效果的影響,在仿真試驗(yàn)中,分別取振動(dòng)篩的振動(dòng)頻率為8 Hz、10 Hz、12 Hz、14 Hz、16 Hz,其余參數(shù)均為基準(zhǔn)參數(shù)保持不變,共進(jìn)行5次針對(duì)振動(dòng)頻率的篩分性能仿真試驗(yàn),計(jì)算出扇貝肉顆粒透篩數(shù)量、篩分效率、扇貝殼顆粒透篩數(shù)量和肉中帶殼比率并繪制曲線圖,如圖5所示。

(a) 對(duì)扇貝肉顆粒透篩數(shù)量的影響

(b) 對(duì)篩分效率的影響

(c) 對(duì)扇貝殼顆粒透篩數(shù)量的影響

(d) 對(duì)肉中帶殼比率的影響

本次仿真試驗(yàn)共向直線振動(dòng)篩均勻放料扇貝肉殼顆粒各5 000顆,由圖5(a)和圖5(c)可以看出,扇貝肉和殼顆粒的透篩數(shù)量隨著時(shí)間的變化呈增長的趨勢(shì),從生產(chǎn)需求上來看,扇貝肉透篩的數(shù)量越多生產(chǎn)效率則越高,而扇貝殼透篩的數(shù)量則是越少越符合生產(chǎn)要求,因此可以看出當(dāng)振動(dòng)篩的振動(dòng)頻率為12 Hz是篩分的效果最好,但是當(dāng)振動(dòng)頻率為8 Hz時(shí)扇貝殼的透篩數(shù)量異常的多,究其原因,振動(dòng)頻率太低導(dǎo)致振動(dòng)篩的入料口的物料顆粒產(chǎn)生堆積,底部的扇貝殼受到上面堆積的物料擠壓作用從篩孔通過,當(dāng)振動(dòng)頻率增大后,篩面上物料的松散度明顯提高,篩分效果明顯好轉(zhuǎn)。圖5(b)是根據(jù)不同振動(dòng)頻率工況下扇貝肉顆粒透篩的總數(shù)計(jì)算得出的篩分效率,圖5(d)是根據(jù)不同振動(dòng)頻率工況下透篩的扇貝殼顆?？倲?shù)和扇貝肉顆?？倲?shù)計(jì)算得出的肉中帶殼比率,由圖5(b)和圖5(d)可以更加直觀地看出當(dāng)振動(dòng)頻率為12 Hz時(shí)振動(dòng)篩的篩分效果最好,篩分效率達(dá)到97%,而當(dāng)頻率為8 Hz時(shí)篩分效果最差。

3.3.2 振動(dòng)振幅對(duì)篩分效果影響

在篩分作業(yè)進(jìn)行時(shí),物料顆粒通過與篩面碰撞獲得不斷運(yùn)動(dòng)的能量,所以振幅的大小直接影響顆粒和篩網(wǎng)之間的碰撞強(qiáng)度進(jìn)而影響顆粒透篩的情況[19]。為了研究直線振動(dòng)篩振幅對(duì)扇貝顆粒篩分效果的影響,在仿真試驗(yàn)中保持其他篩分工藝參數(shù)為基準(zhǔn)參數(shù),只改變振幅大小分別為3 mm、4 mm、5 mm、6 mm、7 mm,共進(jìn)行5次振幅仿真,計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出,隨著篩分作業(yè)的進(jìn)行,扇貝肉和扇貝殼的透篩數(shù)量隨著時(shí)間的變化呈遞增的趨勢(shì),當(dāng)振幅為4 mm時(shí),最終扇貝肉透篩數(shù)量最多且篩分效率最高,效率達(dá)到了98.1%,同時(shí)扇貝殼透篩數(shù)量最少肉中帶殼比率也最低。較小的振幅篩分效果逐漸下降,而過大的振幅扇貝殼的透篩數(shù)量明顯增大,分析其原因可知:振幅小時(shí),振動(dòng)篩的拋射強(qiáng)度不大,較大的物料顆粒容易堵孔,物料在振動(dòng)篩上不容易分散開,產(chǎn)生堆積,扇貝肉被扇貝殼裹挾運(yùn)動(dòng)至出料口造成損失。振幅過大時(shí),扇貝殼顆粒與篩面間的接觸力較大,當(dāng)扇貝殼跳動(dòng)至篩孔時(shí)比較容易透篩,所以篩下物肉中帶殼的比率急劇增大。

3.3.3 篩面傾角對(duì)篩分效果影響

篩面傾角是直線振動(dòng)篩的重要工藝參數(shù),主要影響物料顆粒沿著篩面長度方向上的重力分量。為研究直線振動(dòng)篩的篩面傾角對(duì)扇貝物料顆粒篩分效果的影響,在進(jìn)行仿真試驗(yàn)之前依然設(shè)置振動(dòng)頻率12 Hz、振幅5 mm、振動(dòng)方向角45°為基本參數(shù)不變,取篩面傾角分別為4°、6°、8°、10°、12°各做一組仿真模擬,計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

根據(jù)圖7(a)和圖7(b)可以看出,隨著篩分作業(yè)的進(jìn)行,扇貝肉顆粒透篩的數(shù)量和篩分效率先隨著篩面傾角的增大而增加,當(dāng)篩面傾角為6°時(shí),篩分效率最高,達(dá)到98.5%,隨后篩面傾角越大篩分效率逐漸下降。

(a) 對(duì)扇貝肉顆粒透篩數(shù)量的影響

(b) 對(duì)篩分效率的影響

(c) 對(duì)扇貝殼顆粒透篩數(shù)量的影響

(d) 對(duì)肉中帶殼比率的影響

通過分析其篩分過程可知:篩面傾角過小時(shí),隨著進(jìn)料端物料不斷增加,物料在篩面上停留的時(shí)間較長且拋擲指數(shù)低,造成物料在扇面上產(chǎn)生堆積,上層的扇貝肉顆粒不能與篩面直接接觸,被下面的扇貝殼顆粒裹挾運(yùn)動(dòng)至出料口進(jìn)入扇貝殼廢料箱內(nèi)。所以適當(dāng)?shù)脑龃蠛Y面傾角可以使物料顆粒沿著篩面長度方向的重力分量與拋擲指數(shù)增大,有利于扇貝肉顆粒的透篩,可以有效地提高生產(chǎn)效率。但是當(dāng)篩面傾角過大時(shí),物料沿著篩面向下滑動(dòng)的速度急劇增大,這樣會(huì)導(dǎo)致扇貝肉快速劃過篩孔至出料口造成物料大量浪費(fèi),篩分效率降低。

(a) 對(duì)扇貝肉顆粒透篩數(shù)量的影響

(b) 對(duì)篩分效率的影響

(c) 對(duì)扇貝殼顆粒透篩數(shù)量的影響

(d) 對(duì)肉中帶殼比率的影響

通過圖7(c)和圖7(d)可以看出,扇貝殼顆粒透篩數(shù)量和肉中帶殼比率也隨著篩面傾角增大而減少和降低,原因與上述相同,傾角越大扇貝殼向下運(yùn)動(dòng)的速度越快越不容易通過篩孔,只有少數(shù)的尺寸較小的扇貝殼會(huì)通過篩孔進(jìn)入到扇貝肉物中。但是要以扇貝肉的透篩數(shù)量和篩分效率為主要考慮參數(shù),且當(dāng)篩面傾角為6°時(shí),扇貝殼透篩的數(shù)量并不是很多,肉中帶殼的比率僅為1.2%左右。

3.3.4 振動(dòng)方向角對(duì)篩分效果影響

振動(dòng)方向角也叫拋射角,是篩箱的振動(dòng)方向與篩面之間的夾角,是影響篩面上物料顆粒跳躍的重要參數(shù)。合理的振動(dòng)方向角可以使篩面上的物料分布地更加均勻,有利于物料的透篩從而提高篩分效率。為研究直線振動(dòng)篩的振動(dòng)方向角對(duì)扇貝篩分效果的影響,在仿真試驗(yàn)中,依然設(shè)置其余工藝參數(shù)為基準(zhǔn)參數(shù),振動(dòng)方向角分別取15°、30°、45°、60°、75°,共進(jìn)行5次仿真模擬,計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

由圖8(a)和圖8(b)可知,扇貝肉透篩數(shù)量和篩分效率隨著振動(dòng)方向角的增大呈先遞增再遞減的趨勢(shì),當(dāng)振動(dòng)方向角在30°時(shí)篩分效果較好,篩分效率為98.7%。分析認(rèn)為:當(dāng)振動(dòng)方向角較小時(shí),篩面上的物料顆粒受到沿著篩面方向的力較大,而受篩面法向力較小,物料顆粒的拋擲效果不理想導(dǎo)致篩分效果差。適當(dāng)?shù)卦黾诱駝?dòng)方向角,篩面上的物料顆粒受到法向力變大,拋擲的效果變好,物料顆粒在篩面上運(yùn)動(dòng)活躍度增大,篩分效果明顯變好。但是當(dāng)振動(dòng)方向角過大時(shí),物料顆粒在篩面上受到的法向力過大,跳躍的高度過大,導(dǎo)致物料顆粒與篩面不能夠充分接觸,篩分效率降低。

由圖8(c)和圖8(d)可以看出,當(dāng)振動(dòng)方向角過低或者過高時(shí),扇貝殼透篩的數(shù)量明顯較多,肉中帶殼的比率明顯較高,當(dāng)振動(dòng)方向角為30°～45°時(shí),扇貝殼透篩的數(shù)量較少,出現(xiàn)這種情況的原因是:當(dāng)振動(dòng)方向角過小時(shí),物料在篩面上的拋擲效果和分散情況較差,下層的扇貝殼受到擠壓從而透篩的數(shù)量較多,而振動(dòng)方向角過大時(shí),扇貝殼跳躍高度較高,受到篩面的法向力較大,當(dāng)扇貝殼顆粒恰好落至篩孔出容易透篩,因此振動(dòng)方向角過大或者過小時(shí)扇貝殼的透篩數(shù)量會(huì)增多。

綜上所述,扇貝物料在篩面上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和篩分效果分別受直線振動(dòng)篩的振動(dòng)頻率、幅度、篩面傾角和振動(dòng)方向角的影響。通過EDEM仿真試驗(yàn)可得,當(dāng)直線振動(dòng)篩的振動(dòng)頻率為12 Hz、振幅為4 mm、篩面傾角為6°、振動(dòng)方向角為30°時(shí),更有利于扇貝肉顆粒運(yùn)動(dòng)及透篩,篩分性能相對(duì)較優(yōu)。

(a) 對(duì)扇貝肉顆粒透篩數(shù)量的影響

(b) 對(duì)篩分效率的影響

(c) 對(duì)扇貝殼顆粒透篩數(shù)量的影響

(d) 對(duì)肉中帶殼比率的影響

4 扇貝篩分臺(tái)架試驗(yàn)

4.1 材料與方法

為驗(yàn)證EDEM離散元仿真的可靠性,在連云港市贛榆區(qū)某烘干廠進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn),試驗(yàn)材料選取完成蒸煮作業(yè)后的開殼櫛孔扇貝為研究對(duì)象。按照離散元仿真所得的工藝參數(shù)調(diào)整樣機(jī)的振動(dòng)頻率為12 Hz、振幅為4 mm、篩面傾角為6°、振動(dòng)方向角為30°。將篩分效率與肉中帶殼比率作為試驗(yàn)指標(biāo),待設(shè)備啟動(dòng)工況穩(wěn)定后,向振動(dòng)篩入料口均勻投放一定數(shù)量的開殼扇貝,篩分作業(yè)完成后,將設(shè)備關(guān)停,記錄篩下物料中扇貝肉和扇貝殼的數(shù)量,計(jì)算其與投放扇貝數(shù)量的比值即為篩分效率和含雜率。試驗(yàn)共進(jìn)行3次,取其結(jié)果的平均值與仿真結(jié)果作對(duì)比。

篩分試驗(yàn)所用到的設(shè)備與輔料主要包括:直線振動(dòng)篩試制樣機(jī)、電子秤、燒杯、塑封袋等。

4.2 臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果與分析

本試驗(yàn)共進(jìn)行3組,每組隨機(jī)選取鮮活扇貝2 000顆(約68 kg)放入蒸煮箱內(nèi)開殼后直接由輸送帶運(yùn)送至振動(dòng)篩入料口進(jìn)行篩分,待篩分作業(yè)完成后統(tǒng)計(jì)篩下透篩的扇貝和碎殼的數(shù)量。經(jīng)過多次計(jì)數(shù)與統(tǒng)計(jì),3組試驗(yàn)透篩的扇貝肉數(shù)量分別為1 951顆、1 966顆、1 987 顆,扇貝殼及碎貝的數(shù)量分別為59顆、38顆、35顆。根據(jù)篩分試驗(yàn)所記錄的數(shù)據(jù)計(jì)算出篩分效率和肉中帶殼比率,取其平均值與仿真模擬的結(jié)果對(duì)比如表4所示。

表4 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab. 4 Comparison of test results

由表4可知,在篩分效率上,仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差較小,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察可知造成這部分誤差的原因是有少數(shù)扇貝為死貝,蒸煮后沒有完全開殼,另外有個(gè)別扇貝通過閉殼肌粘附在貝殼上無法分離。而肉中帶殼比率誤差相對(duì)較高,現(xiàn)場(chǎng)研究發(fā)現(xiàn),篩下物中的貝殼主要為碎貝,在篩分過程中有少數(shù)較脆弱的貝殼在篩面上被振碎,通過篩孔下落到篩下物中。試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果誤差小于2%,總體效果非常接近,進(jìn)一步驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)直線振動(dòng)篩模型的可靠性,也表明了離散元法建模與仿真是研究顆粒物料分離的有效方法。

5 結(jié)論

1) 設(shè)計(jì)了一款針對(duì)貝類海產(chǎn)品肉殼分離的直線振動(dòng)篩,采用振動(dòng)電機(jī)為篩箱提供激振力,物料在篩面上獲得向前跳躍運(yùn)動(dòng)的力從而完成篩分的過程。

2) 運(yùn)用EDEM軟件建立了物料顆粒和振動(dòng)篩模型并對(duì)直線振動(dòng)篩的各項(xiàng)工藝參數(shù)進(jìn)行離散元仿真分析,根據(jù)仿真結(jié)果繪制了工藝參數(shù)和篩分效率等關(guān)系曲線,結(jié)果表明:直線振動(dòng)篩的振動(dòng)頻率、振幅、篩面傾角和振動(dòng)方向角對(duì)扇貝肉和殼篩分效率的影響都是隨其增大呈先增大后減小的趨勢(shì),當(dāng)振動(dòng)頻率為12 Hz,振幅為4 mm,篩面傾角為6°,振動(dòng)方向角為30°時(shí),篩分效果相對(duì)較好。

3) 采用試制樣機(jī)進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn),臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果顯示,該直線振動(dòng)篩的篩分效率和篩下肉中帶殼比率分別為98.40%和2.24%。試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果非常接近,證明本文利用離散元法得出的貝類肉殼分離直線振動(dòng)篩最優(yōu)工藝參數(shù)是可靠的,為以后針對(duì)貝類海產(chǎn)品肉殼分離裝置的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)與參考。