對輥式海灣扇貝分級設備的設計

楊淑華，張志軍，弋景剛，*，劉江濤，王頡（.河北農業大學機電工程學院，河北保定0700；.河北農業大學食品科技學院，河北保定0700）

對輥式海灣扇貝分級設備的設計

楊淑華1，張志軍1，弋景剛1，*，劉江濤1，王頡2
（1.河北農業大學機電工程學院，河北保定071001；2.河北農業大學食品科技學院，河北保定071001）

通過對海灣扇貝分級設備現狀分析，提出研發專用扇貝分級設備的必要性。通過對海灣扇貝形態特征性狀中對重量特征性狀的相關性分析，確定了以扇貝殼長進行分級的對輥式扇貝分級機設計方案。通過兩種開槽形式試驗效果的比較，確定了在兩輥表面開出的螺旋溝槽，運用拼成的橢圓形螺旋分級孔長軸尺寸的變化來實現扇貝的分級。并試制了簡易的試驗裝置，對分級效果進行了驗證試驗。確定了分級輥結構，為扇貝分級設備的研制奠定了基礎。

海灣扇貝；分級設備；螺旋分級孔；對輥式

2013扇貝年產量已達到97萬t，其中海灣扇貝產量為71萬t[1]，占扇貝總產量的73%。扇貝產業因其廣闊的市場規模和巨大的發展潛力已經成為我國漁業產業的重要支柱產業，扇貝產業健康有序的發展對于沿海漁業產業的調整和漁民的增收起著十分巨大的作用。捕撈后的扇貝需經清洗、分級、剝殼、取肉、清洗、分級、冷凍或干燥及包裝等一系列復雜的加工過程復雜的工藝過程，以凍貝柱或干貝投入市場進行銷售。扇貝分級有利于扇貝尺寸的同一化、規格化，便于扇貝開殼、取肉等后續加工工序的進行，可直接出售精品扇貝，提高了扇貝市場競爭力，滿足不同層次消費者的需求。

目前，扇貝分級仍以手工為主，不僅加工精度差、生產效率低、產品質量和衛生狀況較差，而且在扇貝加工旺季，一些大型水產加工企業需要大量的勞動力，隨著勞動力日益緊缺，勞動力成本增高，扇貝加工市場上亟待研發一種自動化程度高，分級效率高，操作簡單方便，價格適中的扇貝分級設備。

1　扇貝分級現狀分析

美國、加拿大、日本等農業比較發達的國家，消費者習慣購買標準化的農副產品，對農副產品的分級一直以來都十分重視，都制定了相應產品等級規格標準，他們的標準制定機構、監督認證機構等都會根據實際國情制定有利于本國發展的規范化、系統化的分級標準體系。通過具體分析國外一些比較成熟的農副產品評定等級標準，發現雖然人們評定扇貝品質的主要因素包括重量、外觀、鮮活程度、質構、風味等，但重量往往是人們用來衡量產品優劣的最直觀的外在要素[2-3]。

傳統扇貝加工工藝流程為：鮮活扇貝→水洗→開殼取肉→去臟及套膜→水洗→瀝水→分級→稱重→裝盤→速凍→脫盤→包裝→成品→冷藏[4]。分級的目的是為了得到標準規格的扇貝貝柱。隨著扇貝加工產業化進程，自動化扇貝加工設備的出現，扇貝加工工藝流程如圖1所示，扇貝分級是扇貝產品加工過程中的關鍵工藝，扇貝分級后產品可實現同一化、規格化，有利于扇貝開殼、取肉等后續加工工序的進行。

圖1　扇貝加工工藝流程Fig.1　Scallop processing process

市場上貝類產品的出售主要按其外形、色澤、規格等因素，實行優質優價。分級后的貝類產品可提高銷售價格。目前分級設備按工作原理分別為外形尺寸分級設備、重量式分級設備和光電式分級設備，如美國Laitram Machinery公司研發的可調式分級設備AG70[5]，是以外形尺寸對物料進行分級，它適用于球形水果、蔬菜等易損產品的分級。日本橫崎公司的自動分級機[6]，可將魚類、貝類、各種魚類制品、各種禽類制品根據重量的不同分成不同的等級，操作復雜，成本較高，不適合我國國情。日本的佐竹公司也于1979年首次推出光電式分級設備，目前該公司生產的GS系列谷物分選機技術指標穩定，已經得到了廣泛應用。2002年日本安西制造所成功的研制了世界首臺小麥專用的分選機（AU），這種分選機專門用于分選低黏度的小麥[7]。

國內分級設備的相關研究起步較晚，發展較為落后，許多此類產品主要是成套引進研究，目前市場上銷售的外形尺寸式分級產品多為篩筒或篩條式[8-9]。都是借鑒已有的其他物料例如核桃、橘子、蘋果等物料的專用的分級設備，加以改進研究，通過大量的研究學習，扇貝分級機械產品也在不斷成熟、發展。這種分級設備的優勢在于結構簡易，便于操作，維護方便，但由于其生產效率偏低、轉動過程對物料磨損嚴重，不適合扇貝這類易損物料分級使用。

2　海灣扇貝生物特性分析

扇貝的生物特征性狀是扇貝分級的重要依據，主要分為形態特征性狀和重量特征性狀兩個方面。通過對海灣扇貝形態特征性狀中對重量特征性狀的相關性分析，確定了對輥式扇貝分級機分級的主要參數為以扇貝殼長。

2.1試驗材料與方法

試驗選取山東青島海灣扇貝為試驗對象，繁殖年齡：5個月；養殖水域：黃海；捕撈時間：48 h；已剔除出死貝的新鮮扇貝（活率很高），無寄生物或寄生物較少的200枚作為研究對象，分別測定其形態特征性狀如圖2。

圖2　扇貝形態特征性狀Fig.2　Scallops morphologicaltraits

殼高（X1）、殼長（X2）、殼厚（X3）和重量特征性狀活體濕重（Y）、軟體濕重（Z）、閉殼肌濕重（W），其中軟體濕重、閉殼肌濕重為解剖性狀。

對選取的扇貝進行形態特征性狀測量，并稱量活體濕重、軟體濕重和閉殼肌濕重。殼高、殼長、殼厚用游標卡尺（測量精度：0.02 mm）測量（圖2），其中殼高指殼頂到腹緣的最大直線距離，殼長指貝殼左右邊緣最大直線距離，殼厚指兩殼間的最大直線距離；重量特征性狀用電子秤（測量精度：0.1 g）稱量，其中活體濕重指活貝總重量；軟體濕重指剝離下的殼內全部組織的重量；閉殼肌濕重指剝離下的閉殼肌的重量。形態特征性狀和重量特征性狀測定結果經整理后利用EXCEL軟件進行分析。

2.2結果與分析

2.2.1數據的正態性檢驗

采用EXCEL工具中的數據分析對扇貝各個特征性狀進行統計分析，結果如表1所示。

表1　海灣扇貝各特征性狀描述統計[11]Table 1　Descriptive statistics for each trait of bay scallops

由表可看出海灣扇貝的各個特征性狀數據的偏斜度很小，較接近于0，這表明各組特征性狀數據近似滿足正態要求，所以接下來的相關、回歸和通徑分析的結果可靠[10]。

2.2.2相關系數

對各特征性狀數值進行相關分析，結果表明：海灣扇貝各特征性狀之間均為正相關且均達到極顯著水平，形態特征性狀因素與活體濕重的相關性大小依次為：殼長＞殼高＞殼厚；形態特征性狀與各重量特征性狀因素的相關性大小為活體濕重＞軟體濕重＞閉殼肌濕重。其中，形態特征性狀中的殼長對重量特征性狀的相關性最大，與活體濕重、軟體濕重和閉殼肌濕重的相關系數分別為0.869 6、0.810 1和0.658 6[11]。

根據相關系數的組成，可將扇貝的殼高、長、厚的形態特征性狀系數劃分為某一形態特征性狀對重量特征性狀的直接作用（通徑系數）和某一特征性狀通過其他形態特征性狀對重量特征性狀的間接作用（間接通徑系數）兩個部分。對海灣扇貝而言：形態特征性狀對活體濕重的直接作用大小為：殼厚＞殼長＞殼高，其中殼厚、殼高、殼長均與活體濕重成正相關；

2.2.3回歸方程的建立和顯著性測驗

利用EXCEL數據分析中的回歸分析分別建立以活體濕重為因變量，殼高（X1）、殼長（X2）、殼厚（X3）為自變量的3組多元線性回歸方程[12]。方差分析見表2，偏回歸系數顯著性檢驗見表3。

表2　方差分析Table 2　Analysis of variance

由表2、表3可知，模型檢驗達極顯著水平（F= 22.551 9 Significance F=1.98×10-5），各偏回歸系數顯著性檢驗為截距接近極顯著水平，殼厚達顯著水平，殼高與殼長不顯著。因此，應首先去掉最不顯著的殼高建立最優回歸方程。方差分析（剔除殼高）見表4，偏回歸系數（剔除殼高）顯著性檢驗見表5。

表3　偏回歸系數顯著性檢驗Table 3　Partialregression coefficientsignificanttest

表4　方差分析（剔除殼高）Table 4　Analysis ofvariance（excluding shellheight）

表5　偏回歸系數（剔除殼高）顯著性檢驗Table 5　Partialregression coefficients（excluding shellheight）significanttest

由表4和表5的分析結果建立的回歸方程：達極顯著水平（F=33.469 4 Significance F=4.63×10-6）。該方程截距-25.557 7檢驗結果達極顯著水平，殼長達極顯著水平，殼厚達顯著水平。

2.3結論

由試驗數據分析得出，形態特征性狀主要是通過殼長的直接或間接作用影響到重量特征性狀的。因此，選擇殼長作為分級機分級時的主要設計參數。

3　扇貝分級機總體方案設計

分級機結構圖如圖3所示。

圖3　分級機結構圖Fig.3　Grader structure chart

對輥式扇貝設備結構圖，由機架、喂料部分、分級部分和輸送部分組成，喂料斗、條形輸料擋板均與機架固定相連[13]。喂料部分由入料輸送帶和喂料斗1組成，工作時入料輸送帶將扇貝成批運送至分級機喂料斗上方；待分級的扇貝由輸送帶運送到喂料斗內，喂料斗下端出料口處正對著兩分級輥形成的近似V型的分選通道，在機架上方并排傾斜設有定向分級輥組，扇貝通過與兩分級輥的摩擦在分級輥上向下滑動，避免扇貝堆積在出料口處。出料口左右兩邊緣由柔性材料制成，可調整扇貝落到分選通道時的姿態。在定向分級輥兩端經軸承座固定在機架上，在定向輥組較高端設有傳動齒輪與傳動系統相連；在定向分級輥組上方護料擋板，所述條形輸料擋板與定向分級輥組平行緊貼布置；在定向分級輥組下方設置有導料滑板，當扇貝到達合適的間隙時，便從分級輥上落下，從而將扇貝分成相應的等級。導料滑板收口處連接有出料輸料帶，可進行扇貝收集。在定向分級輥組低端小徑處設有出料導板，用于最后級規格較大的扇貝收集。

4　關鍵零部件對輥結構設計

分級孔是整個扇貝分級設備的關鍵技術，分級輥決定扇貝分級精度的最關鍵部件，所以分級孔的設計對于分級設備的有效、順利的工作顯得至關重要。通過查閱大量扇貝相關文獻和對扇貝外形特征的具體觀察、分析和總結，得出扇貝外形特征的一般規律，如圖4所示。

圖4　扇貝輪廓示意圖Fig.4　Schematic ofscallop contour

扇貝直立時，正俯視于扇貝，可視扇貝輪廓近似為一橢圓形，近似橢圓形的長軸長度即為扇貝殼長長度。這一特性規律，剛好適用于依據扇貝殼長對扇貝進行分級的分級原理，根據這一特性規律，運用三維建模軟件，設計出初步分級孔結構如圖5所示。

圖5　初級分級輥實物圖Fig.5　Completed grading device

分級裝置傾斜布置且設三級橢圓形分級孔[13]，每一級孔徑軸向最大長度分別設為50、55、60 mm呈依次增大趨勢，剛好可將扇貝按照扇貝分級參考等級分為四等級，并在校工廠制作出如圖5試驗裝置。進行分級效果試驗，在傾斜布置的分級輥組較高端放入扇貝，扇貝直立在兩分級輥之間，并在自身重力和背向轉動的兩分級輥表面摩擦力的作用下沿著分級通道下滑，經過第一級橢圓形分級孔即軸向長軸長度為50 mm時，殼長小于50 mm的扇貝可經過該級分級孔掉落，殼長大于50 mm的扇貝不能掉落，完成第一級的分選。但是殼長大于50 mm的扇貝，陷入該級分級孔后會卡在該分級孔內，不能繼續滑向下一等級分級孔進行分選。

為解決扇貝在分級過程中卡頓問題，設計出了對輥分級裝置如圖6所示。

圖6　優化后分級輥示意圖Fig.6　Schematic ofimproved grading roller drive

分級輥組[14]由左旋分級輥和右旋分級輥組成，分級輥組沿軸線方向設有三段螺旋凹槽，各段螺旋凹槽的橫截面皆為弧狀，且沿軸線方向各段螺旋凹槽的弧弦長度依次增大，同段內螺旋凹槽的深度按由淺及深再由深至淺的趨勢漸變，左旋分級輥表面螺旋凹為左旋，右旋分級輥表面螺旋凹槽為右旋，左旋分輥與右旋分級輥沿軸線方向各處螺旋凹槽對稱布置且拼成分級孔。又因為通過上文對海灣扇貝的數據分析得出：扇貝的最大殼厚≤30 mm，所以設橢圓形分級孔的短軸最大長度為30 mm，以保證扇貝都能通過分級孔，掉入相應收集區域內。

按照扇貝分級參照標準，如圖6所示，在分級輥上設置出三段橢圓形螺旋分級孔即可，每一級分級孔軸向最大長度依次分別設為：50、55、60 mm，扇貝在滑過每一級橢圓形螺旋分級孔時經歷旋入，掉落或旋出的過程。

優化后分級輥方案制成的簡易試驗裝置，如圖7所示。

圖7　優化后分級輥實物圖Fig.7　Improved device of grading

經試驗，優化后的結構可解決原來扇貝卡在橢圓形分級孔不能出來的的問題。扇貝依次旋入若干段軸向尺寸逐漸增大的對輥表面螺旋溝槽形成的橢圓形分級孔，扇貝殼長若小于旋入段的分級孔軸向長度則掉落到相應分級區域內，若大于旋入段的分級孔軸向長度則會旋出該段分級孔繼續向下一級分級孔滑動，最終殼長尺寸不同的扇貝在相應的分級孔落入相應的收集區域，實現分級。試驗效果較好。

5　結論

本文設計的對輥式扇貝分級設備充分的利用扇貝的外形特點，通過兩分級輥反向轉動，使落到兩輥之間的姿態不同扇貝在自身重力和分級輥面的摩擦力作用下而直立在雙輥之間形成的滑道中，實現對扇貝的定向。

通過對分級輥結構的優化，采用帶有橢圓形螺旋槽分級孔形式，有效的解決了原方案中扇貝的卡頓和堆積，實現扇貝的分級作業。為扇貝分級自動化設備的設計提供了重要的基礎。

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Design of Bay Scallop Roll Grading Equipment

YANG Shu-hua1，ZHANG Zhi-jun1，YIJing-gang1，*，LIU Jiang-tao1，WANG Jie2
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Agricultural University of Hebei，Baoding 071001，Hebei，China；2.College of Food Science and Technology，Agricultural University of Hebei，Baoding 071001，Hebei，China）

By analyzing the status bay scallop grading equipment，put forward the necessity of research and development for scallop grading equipment.Through the correlation analysis bay scallops morphological traits characteristic traits of the weight，determined design ofa roller grading classifier based scallop shell length.By comparing test results of two slotted form，identifying the surface of the roll out of the spiral grooves，using changes in ellipticalspiral classifier makes up a major diameter size to achieve scallops classification.And producd a simple test apparatus，carried out verification tests for grading effect.Determined the classification roll structure，itlaid the foundation for the development of scallop grading equipment.

bay scallops；grading equipment；spiralclassifier hole；roll

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.12.051

海洋公益性行業科研專項《扇貝對蝦加工關鍵技術與設備研發及扇貝養殖生態環境保障技術的應用與示范》（201205031）；河北省科技支撐計劃（12227169）

楊淑華（1975—），女（漢），講師，碩士，主要從事智能化農業裝備與技術研究。

弋景剛（1961—），男（漢），教授，主要從事農業機械技術裝備的研究。

2015-07-07