摘要：針對(duì)我國(guó)紫菜育苗貝殼清洗仍采用人工洗刷的問(wèn)題，在前期研究的紫菜育苗用貝殼自動(dòng)化清洗系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)其中的清洗裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)優(yōu)化，通過(guò)理論計(jì)算分析，確定噴管上噴頭的數(shù)量、噴管的安裝高度和噴管轉(zhuǎn)角范圍，并對(duì)清洗裝置的工作參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究。以噴嘴直徑、泵的出口壓力和噴頭擺動(dòng)次數(shù)為試驗(yàn)因子，感官評(píng)分和耗水量作為響應(yīng)指標(biāo)，利用Minitab軟件設(shè)計(jì)三因素三水平試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析優(yōu)化，確定最佳參數(shù)組合。結(jié)果表明：清洗裝置在泵出口壓力為17 MPa、噴嘴直徑為1.3 mm、噴頭擺動(dòng)2次條件下工作，育苗貝殼清洗效果的感官評(píng)分為0.87，耗水量為40.12 L，優(yōu)化后的工作參數(shù)，既能滿(mǎn)足貝殼的清洗要求，又能保證設(shè)備較低的使用成本。

關(guān)鍵詞：條斑紫菜；育苗貝殼；清洗裝置；感官評(píng)分；耗水量

中圖分類(lèi)號(hào)：S233.9" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " 文章編號(hào)：2095?5553 （2024） 09?0097?07

Design and experiment of cleaning device for Porphyra yezoensis seedling shell

Mao Binbin， Zhang Shiping， Chen Jinsong

（College of Innovation and Entrepreneurship， Jiangsu Ocean University， Lianyungang， 222005， China）

Abstract： In view of the problem that manual washing is still used for the cultivation of Porphyra yezoensis seedlings and cleaning of shells in China， based on the automatic cleaning system of shells used in the previous study of Porphyra yezoensis seedlings， the structural parameters and working parameters of the cleaning device were optimized. Through theoretical calculation and analysis， the number of nozzles on the spray head， the installation height of the nozzle and the range of nozzle rotation angle were determined. The working parameters of the cleaning device were studied by experiments. The nozzle diameter， pump outlet pressure and nozzle swing times were used as experimental factors， and sensory score and water consumption were used as response indicators. A three?factor three?level experiment was designed by using Minitab software. The optimal parameter combination was determined through analysis and optimization of experimental results. The results showed that under the condition of pump outlet pressure of 17 MPa， nozzle diameter of 1.3 mm and nozzle swing 2 times， the sensory score of shell cleaning effect was 0.87 and water consumption was 40.12 L. The optimized working parameters can not only meet the requirements of shell cleaning but also ensure low equipment cost.

Keywords： Porphyra yezoensis; seedling shell; cleaning device; sensory score; water consumption

0 引言

每年4月初紫菜苗種開(kāi)始培育，將自由絲狀體噴灑在貝殼上進(jìn)行接種，培育過(guò)程中的絲狀體能夠分泌酸性物質(zhì)，并逐漸鉆入貝殼的棱柱層和珍珠層，形成貝殼絲狀體，也叫殼孢子[1]。為更好利用光照促進(jìn)絲狀體生長(zhǎng)，育苗過(guò)程中需要經(jīng)常用軟毛刷清洗沉積在貝殼珍珠層表面的藻泥和雜藻，整個(gè)育苗期清洗貝殼達(dá)十幾次之多[2， 3]。目前，洗殼環(huán)節(jié)是人工逐個(gè)收起洗刷，勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低且成本高。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)還沒(méi)有成熟的洗殼裝備，只有少數(shù)學(xué)者對(duì)機(jī)械化清洗紫菜育苗貝殼做了一些探索性研究。周小平[4]設(shè)計(jì)了一種紫菜貝殼清洗裝置，裝置的弧形噴頭通過(guò)安裝在育苗室內(nèi)壁上的移動(dòng)裝置移動(dòng)到室內(nèi)任一位置沖洗貝殼，但該裝置存在清洗效率低、清洗不徹底、清洗時(shí)貝殼四處亂串等問(wèn)題。沙臻德[5]設(shè)計(jì)了一種紫菜絲狀體貝殼附著基的清洗裝置，洗刷前先將育苗池中的貝殼移至容置槽內(nèi)，通過(guò)毛刷轉(zhuǎn)動(dòng)清洗容置槽內(nèi)的貝殼，洗完后再重新將貝殼送回育苗池并排擺，工作量極大，不利于大批量清洗育苗貝殼。張石平等[6]設(shè)計(jì)的條斑紫菜育苗貝殼網(wǎng)簾高壓水清洗裝備，機(jī)械化和清洗效率較高，但前期要將貝殼一個(gè)個(gè)縫到雙層網(wǎng)簾中，育苗完成后還要拆除網(wǎng)簾，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，同時(shí)還存在整個(gè)清洗部移池困難等問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文基于前期研究的紫菜育苗貝殼自動(dòng)化清洗系統(tǒng)的成果[7]，對(duì)裝備中的重要部件清洗裝置做進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)優(yōu)化，該裝置將單個(gè)貝殼的洗刷方式轉(zhuǎn)變?yōu)檎鹭悮で逑?，并且清洗完后無(wú)需重新排擺貝殼。通過(guò)理論分析，確定噴管上噴嘴的數(shù)量、噴管的安裝高度和噴管的轉(zhuǎn)角范圍；通過(guò)試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)清洗裝置的泵出口壓力、噴嘴直徑和噴頭擺動(dòng)次數(shù)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，為后續(xù)紫菜育苗貝殼自動(dòng)化清洗裝備的研發(fā)試制提供數(shù)據(jù)支撐。

1 清洗裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

清洗裝置由噴管、壓網(wǎng)、可調(diào)節(jié)軸承座、柱塞泵、異步電機(jī)和筐等組成，如圖1所示。柱塞泵固定在異步電機(jī)端部，噴管和儲(chǔ)水桶經(jīng)軟管與柱塞泵相連，噴管軸向等距裝有若干噴頭，其兩端安裝在可調(diào)節(jié)軸承座上，通過(guò)可調(diào)節(jié)軸承座調(diào)整噴管安裝高度，減速步進(jìn)電機(jī)固定在可調(diào)節(jié)軸承座的滑塊上，通過(guò)聯(lián)軸器和噴管相連。

1.2 工作原理

清洗前，將育苗貝殼珍珠層表面向上平鋪在筐內(nèi)，貝殼上設(shè)有壓網(wǎng)，防止清洗時(shí)四處亂竄。由控制柜控制異步電機(jī)的啟停，數(shù)控裝置控制減速步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角。清洗時(shí)，柱塞泵將儲(chǔ)水桶中的水送入噴管，減速步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)噴管往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，高壓水射流以?huà)呱浞绞角逑纯鹬胸悮ぁＧ逑囱b置控制系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 噴管結(jié)構(gòu)

因?yàn)閲娮燧S線(xiàn)和筐底垂直時(shí)，射流作用在貝殼上的輻射范圍最小，所以只需保證此狀態(tài)下，射流作用寬度大于筐的寬度W，即可保證噴管轉(zhuǎn)動(dòng)清洗時(shí)覆蓋筐寬度方向上的所有貝殼，根據(jù)圖3可得到噴管上分布的噴頭間距[8]，如式（1）所示。

試驗(yàn)用的噴嘴射流擴(kuò)散角θ為25°，相鄰噴嘴射流重疊區(qū)域D為25%。

因清洗時(shí)的噴管射流作用寬度應(yīng)大于貝殼筐的內(nèi)部寬度，所以推導(dǎo)出噴管上噴嘴數(shù)量計(jì)算如式（2）所示。

2.2 噴管安裝高度和轉(zhuǎn)角范圍

2.2.1 理論分析

水射流打擊力是影響育苗貝殼清洗效果的關(guān)鍵因素，根據(jù)動(dòng)量定理，水射流理論打擊力[9]計(jì)算如式（3）所示。

式（3）只能計(jì)算水射流作用于貝殼表面的總打擊力，并不能直接反應(yīng)其清除污垢的能力，水射流作用于貝殼單位面積上的打擊力才是污垢破壞剝離的表征[10]，即打擊壓力，如式（4）所示。

從式（5）可知，射流作用面積主要受到噴管安裝高度（垂直靶距和噴管半徑之和）和噴管轉(zhuǎn)角的影響，噴管高度過(guò)小，雖然理論上打擊力較大，但在沖擊清洗目標(biāo)后的反射速度也較大，前后射流相互堆積和沖撞，造成能量損失，反而降低打擊力[13]。一般情況下的射流靶距是噴嘴直徑的150～200倍[14]，因?yàn)楸驹囼?yàn)使用的扇形噴嘴直徑為1～1.6 mm，兼顧清洗裝置的實(shí)際結(jié)構(gòu)和貝殼的高度（3～5 mm），所以初步選取噴管高度h為173 mm、193 mm、213 mm三個(gè)數(shù)值，然后通過(guò)后續(xù)的理論分析作進(jìn)一步的優(yōu)選。

下面通過(guò)理論計(jì)算，分析比較單個(gè)噴嘴流量為4 L/min、噴嘴直徑為1 mm的條件下，清洗區(qū)域在[-250 mmlt;xlt;250 mm]范圍內(nèi)的各打擊點(diǎn)的打擊壓力。各打擊點(diǎn)在x軸上的坐標(biāo)分別為0、25、50、75、100、125、150、175、200、225，y軸上的坐標(biāo)分別為-173、-193、-213。因?yàn)閲姽苻D(zhuǎn)角范圍相對(duì)于y軸左右對(duì)稱(chēng)，所以只分析x軸正半軸的打擊壓力，通過(guò)式（4）計(jì)算得到打擊點(diǎn)位置與打擊壓力的關(guān)系，如圖5所示。

由圖5發(fā)現(xiàn)，打擊點(diǎn)距離O點(diǎn)越遠(yuǎn)，打擊壓力越小，并且x軸上打擊點(diǎn)坐標(biāo)大于100 mm后，不論噴管高度多少，打擊壓力趨于一致；噴管高度為173 mm時(shí)的射流平均打擊壓力最大，其次為193 mm，最小為213 mm；x軸上打擊點(diǎn)位置為100 mm時(shí)，噴管高度為173 mm和193 mm的打擊壓力相同，其后隨著打擊點(diǎn)x坐標(biāo)進(jìn)一步增大，噴管高度為173 mm的打擊壓力反而小于193 mm，打擊位置為125 mm時(shí)，噴管高度為193 mm和213 mm的打擊壓力相同，其后隨著打擊點(diǎn)距離進(jìn)一步增大，噴管高度為193 mm的打擊壓力反而小于213 mm。

綜上，由于噴頭是通過(guò)勻速擺動(dòng)清洗一定面積的貝殼，所以為了保證清洗裝置獲得最佳清洗效果和較小的能耗，噴管高度選擇173 mm，而清洗效果最佳的靶面范圍為[-100 mmlt;xlt;100 mm]，對(duì)應(yīng)的噴管轉(zhuǎn)角范圍為[-122°lt;αlt;-58°]。

2.2.2 打擊力試驗(yàn)

在理論分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)打擊力試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證噴管的合理轉(zhuǎn)角范圍。測(cè)試噴管高度為173 mm和193 mm時(shí)，各打擊點(diǎn)的打擊壓力。試驗(yàn)條件同計(jì)算條件，基于理論分析結(jié)果，以橫坐標(biāo)100 mm處的打擊點(diǎn)為基準(zhǔn)，設(shè)置5個(gè)打擊點(diǎn)，分別為50 mm、75 mm、100 mm、125 mm、150 mm。試驗(yàn)裝置包括壓力傳感器和顯示儀表。

為了準(zhǔn)確反映扇型噴嘴的射流打擊壓力，壓力傳感器上表面固定一塊100 mm×75 mm的測(cè)力板，因測(cè)力板上表面至筐底的距離為32 mm，所以噴管安裝高度應(yīng)調(diào)整為205 mm和225 mm；為了保證試驗(yàn)中數(shù)據(jù)的精確可靠，射流作用在測(cè)力板上的時(shí)間不少于20 s。

試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，由于受到管道阻力、紊流、流體發(fā)熱造成能量損失等因素的影響[15， 16]，各打擊點(diǎn)對(duì)應(yīng)的打擊壓力實(shí)測(cè)值小于理論值，兩條打擊壓力曲線(xiàn)在x軸的93 mm處相交，噴管高度為173 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的噴管轉(zhuǎn)角為-60°左右，結(jié)果和理論分析較為接近，因此確定清洗時(shí)的噴管合理轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍為[-120°≤α≤-60°]。

3 育苗貝殼清洗試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)地址選在連云港某紫菜有限公司。清洗的育苗貝殼品種為大的扇貝殼，兩周未清洗，表面有一層浮灰。貝殼清洗試驗(yàn)裝置如圖7所示，其中異步電機(jī)功率為10 kW，轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，柱塞泵額定工作壓力18 MPa，最大流量40 L/min，儲(chǔ)水桶容量為100 L，壓力表量程0～25 MPa，噴管軸向安裝5個(gè)噴頭，可調(diào)節(jié)軸承座調(diào)節(jié)行程125 mm，筐的內(nèi)部長(zhǎng)為460 mm、寬為260 mm、高為95 mm。

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

在清洗紫菜育苗貝殼過(guò)程中，除了需洗掉貝殼表面沉積的浮灰，還要清除生長(zhǎng)在貝殼上一些雜藻。清洗時(shí)噴頭往復(fù)擺動(dòng)，每組試驗(yàn)前重新更換一筐貝殼。清洗效果采用感官評(píng)定法[17， 18]，感官評(píng)定小組由多名技術(shù)員組成，技術(shù)員通過(guò)放大鏡、毛刷和游標(biāo)卡尺等工具對(duì)清洗效果按表1進(jìn)行感官評(píng)分，取平均值。兼顧綠色、節(jié)能和節(jié)水等因素，要求感官評(píng)分大于0.85，即達(dá)到清洗要求，所以將感官評(píng)分和耗水量作為本試驗(yàn)研究的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3.3 單因素試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)，噴管轉(zhuǎn)速為1 r/min，每組試驗(yàn)取3個(gè)樣本，取感官評(píng)分平均值作為該組試驗(yàn)的最后結(jié)果。

3.3.1 泵出口壓力對(duì)感官評(píng)分的影響

試驗(yàn)條件：噴嘴直徑1.6 mm，噴頭擺動(dòng)2次。由圖8可知，隨著泵出口壓力的增加，感官評(píng)分的增幅先大后小，泵出口壓力達(dá)到16 MPa后，感官評(píng)分大于0.85，育苗貝殼的清洗效果滿(mǎn)足要求。在噴嘴直徑一定的情況下，增加射流壓力對(duì)打擊力的影響會(huì)逐漸減小，甚至?xí)p壞溢流閥等密封件。

3.3.2 噴嘴直徑對(duì)感官評(píng)分的影響

試驗(yàn)條件：泵出口壓力為16 MPa，噴頭擺動(dòng)2次。由圖9可知，感官評(píng)分隨著噴嘴直徑先增大后減小，噴嘴直徑為1.3 mm時(shí)，清洗效果最好，并且滿(mǎn)足清洗要求。在泵出口壓力一定的情況下，適當(dāng)?shù)馗淖儑娮熘睆娇梢允箟毫εc流量相匹配，以便獲得最大的射流打擊力。

3.3.3 噴頭擺動(dòng)次數(shù)對(duì)感官評(píng)分的影響

試驗(yàn)條件：泵出口壓力為16 MPa，噴嘴直徑為1.3 mm。由圖10可知，隨著噴頭擺動(dòng)次數(shù)的增加，感官評(píng)分增加的幅度越來(lái)越小，擺動(dòng)2次及以上，感官評(píng)分滿(mǎn)足要求。增加貝殼清洗次數(shù)會(huì)提高感官評(píng)分，但隨著貝殼上的污垢越來(lái)越少，增加到一定清洗次數(shù)后，只能造成能源和水資源的浪費(fèi)。

3.4 正交試驗(yàn)

3.4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證以上3個(gè)因素的交互作用對(duì)清洗效果的影響，以單因素試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，確定因素范圍，泵出口壓力范圍為14～18 MPa，噴嘴直徑范圍為1～1.6 mm，噴頭擺動(dòng)次數(shù)為2～4次，因素水平見(jiàn)表2。

3.4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

利用Minitab 21.1軟件，以x1、x2、x3 分別表示泵出口壓力、噴嘴直徑、噴頭擺動(dòng)次數(shù)，y1、y2分別表示感官評(píng)分和耗水量，根據(jù)中心復(fù)合試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)20組三因素三水平正交試驗(yàn)[19， 20]，試驗(yàn)方案與結(jié)果見(jiàn)表3，方差結(jié)果見(jiàn)表4。

從表4可知，感官評(píng)分y1模型中x1、x2、x3、x12、x22、x1x2對(duì)回歸模型具有極顯著影響（Plt;0.01），x1x3對(duì)回歸模型具有顯著影響（0.01lt;Plt;0.05）；耗水量y2模型中x1、x2、x3、x22、x2x3對(duì)回歸模型具有極顯著影響（Plt;0.01），其他因素均不顯著，y1和y2模型中的失擬項(xiàng)都不失擬（Pgt;0.05），表明所使用的模型能夠較好地解釋數(shù)據(jù)的變化。

通過(guò)Minitab軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析和因素方差分析，篩選出較為顯著因素，將不顯著回歸項(xiàng)從模型中剔除，進(jìn)而得出評(píng)價(jià)指標(biāo)和影響因素間的回歸方程為

3.4.3 交互作用結(jié)果分析

圖11為各因素兩兩交互作用對(duì)感官評(píng)分的響應(yīng)曲面圖。由圖11（a）可知，感官評(píng)分隨著泵出口壓力和噴嘴直徑的增大而增加，且兩個(gè)因素對(duì)感官評(píng)分的影響相近，從試驗(yàn)結(jié)果看，噴嘴直徑的影響略顯著。由圖11（b）可知，感官評(píng)分隨著泵出口壓力和噴頭擺動(dòng)次數(shù)的增加而增加，但泵出口壓力對(duì)感官評(píng)分的影響更大。由圖11（c）可知，感官評(píng)分隨著噴嘴直徑和噴頭擺動(dòng)次數(shù)的增加而增加，但噴嘴直徑對(duì)感官評(píng)分的影響顯著大于噴頭擺動(dòng)次數(shù)。通過(guò)以上分析可知，噴嘴直徑對(duì)感官評(píng)分影響最顯著，其次是泵出口壓力，最后是噴頭擺動(dòng)次數(shù)。

圖12為各因素兩兩交互作用對(duì)耗水量的響應(yīng)曲面圖。由圖12（a）可知，隨著泵出口壓力和噴嘴直徑的增加，噴嘴直徑對(duì)耗水量的影響顯著大于泵出口壓力。由圖12（b）可知，泵出口壓力和噴頭擺動(dòng)次數(shù)都會(huì)增加耗水量，但噴頭擺動(dòng)次數(shù)影響更顯著。由圖12（c）可知，噴嘴直徑和噴頭擺動(dòng)次數(shù)都會(huì)增加耗水量，但噴頭擺動(dòng)次數(shù)影響更顯著。通過(guò)以上分析可知，噴頭擺動(dòng)次數(shù)對(duì)耗水量的影響最顯著，其次是噴嘴直徑，最后是泵出口壓力。

3.4.4 試驗(yàn)優(yōu)化與驗(yàn)證

為了使育苗貝殼清洗效果滿(mǎn)足要求，兼顧節(jié)能節(jié)水的生產(chǎn)模式，利用Matlab軟件優(yōu)化模塊，對(duì)試驗(yàn)因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。建立參數(shù)化數(shù)學(xué)模型，結(jié)合試驗(yàn)因素的邊界條件，對(duì)感官評(píng)分和耗水量的回歸方程進(jìn)行分析，得到其非線(xiàn)性規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型[21， 22]。

優(yōu)化結(jié)果表明，當(dāng)泵出口壓力為17.35 MPa、噴嘴出口直徑為1.28 mm、噴頭擺動(dòng)2次時(shí)，感官評(píng)分為0.86，耗水量為38.14 L?？紤]到試驗(yàn)的可操作性，將優(yōu)化的試驗(yàn)條件調(diào)整為：泵出口壓力17 MPa、噴嘴出口直徑為1.3 mm、噴頭擺動(dòng)2次。重復(fù)5次試驗(yàn)并取平均值，感官評(píng)分為0.87，耗水量為40.12 L，相對(duì)優(yōu)化結(jié)果的誤差在5%以?xún)?nèi)，驗(yàn)證試驗(yàn)與優(yōu)化結(jié)果基本符合，說(shuō)明優(yōu)化參數(shù)有效可靠。

4 結(jié)論

1） 為實(shí)現(xiàn)紫菜育苗貝殼清洗的機(jī)械化和自動(dòng)化，前期研究設(shè)計(jì)一種自動(dòng)清洗裝備，其中清洗裝置決定貝殼清洗效果和裝備的能耗，因此通過(guò)對(duì)清洗裝置的試驗(yàn)研究，進(jìn)一步優(yōu)化裝置的結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)。

2） 通過(guò)理論分析與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，確定清洗裝置的噴管安裝高度為173 mm、噴管上噴頭的數(shù)量為5個(gè)、噴管的轉(zhuǎn)角范圍為[-120°≤α≤-60°]。

3） 通過(guò)單因素試驗(yàn)，得到試驗(yàn)裝置工作參數(shù)的最佳范圍，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行正交試驗(yàn)。從交互作用的結(jié)果可知：影響感官評(píng)分因素的順序依次為噴嘴直徑、泵出口壓力和噴頭擺動(dòng)次數(shù)，影響耗水量因素的順序依次為噴頭擺動(dòng)次數(shù)、噴嘴直徑、泵出口壓力。在優(yōu)化參數(shù)條件下進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)泵出口壓力17 MPa、噴嘴直徑為1.3 mm、噴頭擺動(dòng)2次時(shí)，感官評(píng)分為0.87，耗水量為40.12 L，說(shuō)明紫菜育苗貝殼清洗裝置能以較低的能耗獲得較好的清洗效果。

參 考 文 獻(xiàn)

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