一種蛤蜊分級除雜裝置的設(shè)計

鮑成偉 段 蘭 宋孟華

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

蛤蜊是生活在海洋中的軟體動物，其肉質(zhì)鮮美、營養(yǎng)價值高、具有重要的藥用價值，在中國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中占有重要地位[1]。蛤蜊捕撈后一般要進(jìn)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(nèi)高效實現(xiàn)上述處理帶來較大困難[2-3]。當(dāng)下蛤蜊分級篩選主要按照蛤蜊的外形尺寸進(jìn)行分類，但死亡、空殼蛤蜊主要依靠人工經(jīng)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(jìn)行上述操作，平均每日可處理1 t左右蛤蜊，生產(chǎn)效率低且勞動強(qiáng)度大。在查閱國外相關(guān)產(chǎn)業(yè)和機(jī)械化加工發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上[4-5]，擬設(shè)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(jìn)行除雜、篩選以及分類處理，可有效提升生產(chǎn)效率并降低生產(chǎn)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]。考慮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(nèi)；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(jìn)行測量，并對這些尺寸特征進(jìn)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(jìn)行測量外，還需對蛤蜊的活體濕重進(jìn)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(biāo)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(jìn)行相關(guān)性分析以及尺寸特征分析。

1.2 結(jié)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(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)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(guān)，均達(dá)到極顯著水平，說明所選蛤蜊樣本的測量參數(shù)具有較強(qiáng)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(guān)性最大，相關(guān)系數(shù)為0.798 7；其次為殼高，相關(guān)系數(shù)0.778 3；最后為殼寬，相關(guān)系數(shù)是0.657 4。

表2 蛤蜊各特征性狀數(shù)據(jù)相關(guān)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(yùn)用Excel軟件對蛤蜊樣本的生物性狀統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)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(jié)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(dá)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(shè)計分級除雜機(jī)。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(jìn)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(jī)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(guān)，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(dāng)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(jìn)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(guān)R=0.915 8；R2=0.838 8；矯正R2=0.801 6；標(biāo)準(zhǔn)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(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)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(jī)的整體結(jié)構(gòu)以及工作原理

設(shè)計的蛤蜊分級篩選機(jī)主要結(jié)構(gòu)包括：喂料口、傳送帶、滾筒篩、機(jī)架、電機(jī)、螺旋升降桿、撥動板以及導(dǎo)向撥桿等，整體結(jié)構(gòu)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(jìn)行分級和除雜；電機(jī)同于調(diào)整滾筒篩以及傳送的轉(zhuǎn)速；螺旋升降桿可以調(diào)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(dǎo)向撥桿與分級環(huán)處于同一平面，當(dāng)滾筒篩轉(zhuǎn)動時，導(dǎo)向撥桿與滾筒篩呈相對運(yùn)動。

蛤蜊分級機(jī)的工作原理：① 當(dāng)蛤蜊原料通過喂料口放入，帶有濾網(wǎng)的傳送帶(其運(yùn)行速度由電機(jī)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(nèi)，此作為一級篩選；② 通過一級篩的蛤蜊利用重力落于導(dǎo)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(shè)定值較小，通過電機(jī)(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(jìn)入到儲料桶中，大型蛤蜊通過導(dǎo)向撥桿沿著槽進(jìn)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(dǎo)向裝置向二級篩方向運(yùn)動，二者之間通過斜向上帶有隔板的傳輸板運(yùn)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(shè)定值較大，通過電機(jī)(100 r/min)連接滾筒，在重力和導(dǎo)向軸套上導(dǎo)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(jié)構(gòu)圖Figure 2 Overall structure diagram

2.2 喂料裝置的設(shè)計

設(shè)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(jìn)入喂料箱中時堆積在撥動桿的周圍，撥通通過左右反復(fù)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(jìn)行左右擺動，在撥動桿兩側(cè)配置了同樣長度和彈性系數(shù)的彈簧，當(dāng)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(diào)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(shè)計

圖4為撥動板的兩種運(yùn)動狀態(tài)，撥動板往復(fù)運(yùn)動的頻率以及轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dá)不到工作要求，因此需要對撥動板的參數(shù)進(jìn)行分析和設(shè)計。

1. 入料口 2. 彈簧 3. 喂料斗 4. 撥動板

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

通過圖4可知，當(dāng)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(fù)運(yùn)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(zhuǎn)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(nèi)。設(shè)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(nèi)，綜合考慮，設(shè)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(jìn)行往復(fù)運(yùn)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(shè)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(shè)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(dǎo)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(shè)置分級環(huán)間隙過大容易導(dǎo)致分級機(jī)的篩選精度降低，起不到良好的分級作用。而設(shè)置的分級環(huán)間隙過小，容易使得蛤蜊被分級環(huán)卡住，進(jìn)而導(dǎo)致滾筒篩內(nèi)部蛤蜊的原料堵塞和堆積。所以合理地設(shè)置分級環(huán)之間的間距有著重要意義，試驗結(jié)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(shè)置為12 mm，設(shè)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(dǎo)向裝置的設(shè)計

導(dǎo)向裝置不僅可以對滾筒篩內(nèi)的蛤蜊進(jìn)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(diào)整蛤蜊姿態(tài)，提高蛤蜊分級效率。試驗設(shè)計的蛤蜊導(dǎo)向裝置如圖7所示。

1. 撥桿 2. 導(dǎo)向軸套 3. 固定螺栓

從圖7可知，設(shè)計的蛤蜊導(dǎo)向裝置主要由撥桿1、導(dǎo)向軸套2以及固定螺栓3組成。撥桿可以波動滾筒篩內(nèi)的蛤蜊，起到導(dǎo)向作用。導(dǎo)向軸套是基于軸承工作的，其與主軸之間用軸承進(jìn)行連接，可以實現(xiàn)小幅度擺動或者不動的狀態(tài)。當(dāng)分級機(jī)工作時，對于導(dǎo)向軸套，滾筒篩相轉(zhuǎn)速比較快，所以蛤蜊會受到導(dǎo)向桿力的作用。設(shè)計的導(dǎo)向桿處于交叉分布，每個導(dǎo)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(dǎo)向效果，設(shè)計的導(dǎo)向撥桿與分級環(huán)都能處于同一平面。因為滾筒篩內(nèi)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(dǎo)向桿時，選擇有一定強(qiáng)度、韌性、耐磨損的碳素鋼材料。

3 仿真分析

因喂料斗中導(dǎo)向裝置受力情況最復(fù)雜，故對此裝置進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變、安全系數(shù)仿真分析。通過ANSYS軟件對其導(dǎo)向撥桿進(jìn)行有限元分析，導(dǎo)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(wǎng)格劃分類型選為Curvature類型，得到細(xì)化網(wǎng)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(shè)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(jīng)過導(dǎo)向裝置的一側(cè)，得到導(dǎo)向裝置的網(wǎng)格劃分圖、應(yīng)力分布云圖及總變形量云圖如圖8所示。

由圖8可看出，導(dǎo)向桿旋轉(zhuǎn)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(dǎo)向桿根部受力最大，應(yīng)力集中處極限值為212 MPa，小于其屈服極限。而整體結(jié)構(gòu)的大部分應(yīng)力<25 MPa，安全系數(shù)符合國家標(biāo)準(zhǔn)，因此結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足使用要求。

圖8 ANSYS分析圖Figure 8 ANSYS analysis

4 結(jié)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(yùn)動狀態(tài)并結(jié)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(nèi)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(jìn)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(jìn)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(guān)鍵部件的仿真分析，裝置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(yīng)用，較大程度地提高了生產(chǎn)效率并降低了企業(yè)生產(chǎn)成本[14]。