楊淑華，張志軍，弋景剛，*，劉江濤，王頡（.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北保定0700；.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，河北保定0700）

對(duì)輥式海灣扇貝分級(jí)設(shè)備的設(shè)計(jì)

楊淑華1，張志軍1，弋景剛1，*，劉江濤1，王頡2
（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北保定071001；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，河北保定071001）

通過對(duì)海灣扇貝分級(jí)設(shè)備現(xiàn)狀分析，提出研發(fā)專用扇貝分級(jí)設(shè)備的必要性。通過對(duì)海灣扇貝形態(tài)特征性狀中對(duì)重量特征性狀的相關(guān)性分析，確定了以扇貝殼長(zhǎng)進(jìn)行分級(jí)的對(duì)輥式扇貝分級(jí)機(jī)設(shè)計(jì)方案。通過兩種開槽形式試驗(yàn)效果的比較，確定了在兩輥表面開出的螺旋溝槽，運(yùn)用拼成的橢圓形螺旋分級(jí)孔長(zhǎng)軸尺寸的變化來實(shí)現(xiàn)扇貝的分級(jí)。并試制了簡(jiǎn)易的試驗(yàn)裝置，對(duì)分級(jí)效果進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。確定了分級(jí)輥結(jié)構(gòu)，為扇貝分級(jí)設(shè)備的研制奠定了基礎(chǔ)。

海灣扇貝；分級(jí)設(shè)備；螺旋分級(jí)孔；對(duì)輥式

2013扇貝年產(chǎn)量已達(dá)到97萬t，其中海灣扇貝產(chǎn)量為71萬t[1]，占扇貝總產(chǎn)量的73%。扇貝產(chǎn)業(yè)因其廣闊的市場(chǎng)規(guī)模和巨大的發(fā)展?jié)摿σ呀?jīng)成為我國漁業(yè)產(chǎn)業(yè)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，扇貝產(chǎn)業(yè)健康有序的發(fā)展對(duì)于沿海漁業(yè)產(chǎn)業(yè)的調(diào)整和漁民的增收起著十分巨大的作用。捕撈后的扇貝需經(jīng)清洗、分級(jí)、剝殼、取肉、清洗、分級(jí)、冷凍或干燥及包裝等一系列復(fù)雜的加工過程復(fù)雜的工藝過程，以凍貝柱或干貝投入市場(chǎng)進(jìn)行銷售。扇貝分級(jí)有利于扇貝尺寸的同一化、規(guī)格化，便于扇貝開殼、取肉等后續(xù)加工工序的進(jìn)行，可直接出售精品扇貝，提高了扇貝市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，滿足不同層次消費(fèi)者的需求。

目前，扇貝分級(jí)仍以手工為主，不僅加工精度差、生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品質(zhì)量和衛(wèi)生狀況較差，而且在扇貝加工旺季，一些大型水產(chǎn)加工企業(yè)需要大量的勞動(dòng)力，隨著勞動(dòng)力日益緊缺，勞動(dòng)力成本增高，扇貝加工市場(chǎng)上亟待研發(fā)一種自動(dòng)化程度高，分級(jí)效率高，操作簡(jiǎn)單方便，價(jià)格適中的扇貝分級(jí)設(shè)備。

1　扇貝分級(jí)現(xiàn)狀分析

美國、加拿大、日本等農(nóng)業(yè)比較發(fā)達(dá)的國家，消費(fèi)者習(xí)慣購買標(biāo)準(zhǔn)化的農(nóng)副產(chǎn)品，對(duì)農(nóng)副產(chǎn)品的分級(jí)一直以來都十分重視，都制定了相應(yīng)產(chǎn)品等級(jí)規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，他們的標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu)、監(jiān)督認(rèn)證機(jī)構(gòu)等都會(huì)根據(jù)實(shí)際國情制定有利于本國發(fā)展的規(guī)范化、系統(tǒng)化的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)體系。通過具體分析國外一些比較成熟的農(nóng)副產(chǎn)品評(píng)定等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)雖然人們?cè)u(píng)定扇貝品質(zhì)的主要因素包括重量、外觀、鮮活程度、質(zhì)構(gòu)、風(fēng)味等，但重量往往是人們用來衡量產(chǎn)品優(yōu)劣的最直觀的外在要素[2-3]。

傳統(tǒng)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(jí)→稱重→裝盤→速凍→脫盤→包裝→成品→冷藏[4]。分級(jí)的目的是為了得到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的扇貝貝柱。隨著扇貝加工產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，自動(dòng)化扇貝加工設(shè)備的出現(xiàn)，扇貝加工工藝流程如圖1所示，扇貝分級(jí)是扇貝產(chǎn)品加工過程中的關(guān)鍵工藝，扇貝分級(jí)后產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)同一化、規(guī)格化，有利于扇貝開殼、取肉等后續(xù)加工工序的進(jìn)行。

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

市場(chǎng)上貝類產(chǎn)品的出售主要按其外形、色澤、規(guī)格等因素，實(shí)行優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)。分級(jí)后的貝類產(chǎn)品可提高銷售價(jià)格。目前分級(jí)設(shè)備按工作原理分別為外形尺寸分級(jí)設(shè)備、重量式分級(jí)設(shè)備和光電式分級(jí)設(shè)備，如美國Laitram Machinery公司研發(fā)的可調(diào)式分級(jí)設(shè)備AG70[5]，是以外形尺寸對(duì)物料進(jìn)行分級(jí)，它適用于球形水果、蔬菜等易損產(chǎn)品的分級(jí)。日本橫崎公司的自動(dòng)分級(jí)機(jī)[6]，可將魚類、貝類、各種魚類制品、各種禽類制品根據(jù)重量的不同分成不同的等級(jí)，操作復(fù)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(jí)設(shè)備，目前該公司生產(chǎn)的GS系列谷物分選機(jī)技術(shù)指標(biāo)穩(wěn)定，已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。2002年日本安西制造所成功的研制了世界首臺(tái)小麥專用的分選機(jī)（AU），這種分選機(jī)專門用于分選低黏度的小麥[7]。

國內(nèi)分級(jí)設(shè)備的相關(guān)研究起步較晚，發(fā)展較為落后，許多此類產(chǎn)品主要是成套引進(jìn)研究，目前市場(chǎng)上銷售的外形尺寸式分級(jí)產(chǎn)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(jí)設(shè)備，加以改進(jìn)研究，通過大量的研究學(xué)習(xí)，扇貝分級(jí)機(jī)械產(chǎn)品也在不斷成熟、發(fā)展。這種分級(jí)設(shè)備的優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易，便于操作，維護(hù)方便，但由于其生產(chǎn)效率偏低、轉(zhuǎn)動(dòng)過程對(duì)物料磨損嚴(yán)重，不適合扇貝這類易損物料分級(jí)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(jí)的重要依據(jù)，主要分為形態(tài)特征性狀和重量特征性狀兩個(gè)方面。通過對(duì)海灣扇貝形態(tài)特征性狀中對(duì)重量特征性狀的相關(guān)性分析，確定了對(duì)輥式扇貝分級(jí)機(jī)分級(jí)的主要參數(shù)為以扇貝殼長(zhǎng)。

2.1試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)選取山東青島海灣扇貝為試驗(yàn)對(duì)象，繁殖年齡：5個(gè)月；養(yǎng)殖水域：黃海；捕撈時(shí)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(duì)象，分別測(cè)定其形態(tài)特征性狀如圖2。

圖2　扇貝形態(tài)特征性狀Fig.2　Scallops morphologicaltraits

殼高（X1）、殼長(zhǎng)（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(duì)選取的扇貝進(jìn)行形態(tài)特征性狀測(cè)量，并稱量活體濕重、軟體濕重和閉殼肌濕重。殼高、殼長(zhǎng)、殼厚用游標(biāo)卡尺（測(cè)量精度：0.02 mm）測(cè)量（圖2），其中殼高指殼頂?shù)礁咕壍淖畲笾本€距離，殼長(zhǎng)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(cè)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(nèi)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(tài)特征性狀和重量特征性狀測(cè)定結(jié)果經(jīng)整理后利用EXCEL軟件進(jìn)行分析。

2.2結(jié)果與分析

2.2.1數(shù)據(jù)的正態(tài)性檢驗(yàn)

采用EXCEL工具中的數(shù)據(jù)分析對(duì)扇貝各個(gè)特征性狀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表1所示。

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

由表可看出海灣扇貝的各個(gè)特征性狀數(shù)據(jù)的偏斜度很小，較接近于0，這表明各組特征性狀數(shù)據(jù)近似滿足正態(tài)要求，所以接下來的相關(guān)、回歸和通徑分析的結(jié)果可靠[10]。

2.2.2相關(guān)系數(shù)

對(duì)各特征性狀數(shù)值進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果表明：海灣扇貝各特征性狀之間均為正相關(guān)且均達(dá)到極顯著水平，形態(tài)特征性狀因素與活體濕重的相關(guān)性大小依次為：殼長(zhǎng)＞殼高＞殼厚；形態(tài)特征性狀與各重量特征性狀因素的相關(guān)性大小為活體濕重＞軟體濕重＞閉殼肌濕重。其中，形態(tài)特征性狀中的殼長(zhǎng)對(duì)重量特征性狀的相關(guān)性最大，與活體濕重、軟體濕重和閉殼肌濕重的相關(guān)系數(shù)分別為0.869 6、0.810 1和0.658 6[11]。

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

2.2.3回歸方程的建立和顯著性測(cè)驗(yàn)

利用EXCEL數(shù)據(jù)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(zhǎng)（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(shù)顯著性檢驗(yàn)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(yàn)達(dá)極顯著水平（F= 22.551 9 Significance F=1.98×10-5），各偏回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)為截距接近極顯著水平，殼厚達(dá)顯著水平，殼高與殼長(zhǎng)不顯著。因此，應(yīng)首先去掉最不顯著的殼高建立最優(yōu)回歸方程。方差分析（剔除殼高）見表4，偏回歸系數(shù)（剔除殼高）顯著性檢驗(yàn)見表5。

表3　偏回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)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(shù)（剔除殼高）顯著性檢驗(yàn)Table 5　Partialregression coefficients（excluding shellheight）significanttest

由表4和表5的分析結(jié)果建立的回歸方程：達(dá)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(yàn)結(jié)果達(dá)極顯著水平，殼長(zhǎng)達(dá)極顯著水平，殼厚達(dá)顯著水平。

2.3結(jié)論

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出，形態(tài)特征性狀主要是通過殼長(zhǎng)的直接或間接作用影響到重量特征性狀的。因此，選擇殼長(zhǎng)作為分級(jí)機(jī)分級(jí)時(shí)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)。

3　扇貝分級(jí)機(jī)總體方案設(shè)計(jì)

分級(jí)機(jī)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3　分級(jí)機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.3　Grader structure chart

對(duì)輥式扇貝設(shè)備結(jié)構(gòu)圖，由機(jī)架、喂料部分、分級(jí)部分和輸送部分組成，喂料斗、條形輸料擋板均與機(jī)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(shí)入料輸送帶將扇貝成批運(yùn)送至分級(jí)機(jī)喂料斗上方；待分級(jí)的扇貝由輸送帶運(yùn)送到喂料斗內(nèi)，喂料斗下端出料口處正對(duì)著兩分級(jí)輥形成的近似V型的分選通道，在機(jī)架上方并排傾斜設(shè)有定向分級(jí)輥組，扇貝通過與兩分級(jí)輥的摩擦在分級(jí)輥上向下滑動(dòng)，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(diào)整扇貝落到分選通道時(shí)的姿態(tài)。在定向分級(jí)輥兩端經(jīng)軸承座固定在機(jī)架上，在定向輥組較高端設(shè)有傳動(dòng)齒輪與傳動(dòng)系統(tǒng)相連；在定向分級(jí)輥組上方護(hù)料擋板，所述條形輸料擋板與定向分級(jí)輥組平行緊貼布置；在定向分級(jí)輥組下方設(shè)置有導(dǎo)料滑板，當(dāng)扇貝到達(dá)合適的間隙時(shí)，便從分級(jí)輥上落下，從而將扇貝分成相應(yīng)的等級(jí)。導(dǎo)料滑板收口處連接有出料輸料帶，可進(jìn)行扇貝收集。在定向分級(jí)輥組低端小徑處設(shè)有出料導(dǎo)板，用于最后級(jí)規(guī)格較大的扇貝收集。

4　關(guān)鍵零部件對(duì)輥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

分級(jí)孔是整個(gè)扇貝分級(jí)設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)，分級(jí)輥決定扇貝分級(jí)精度的最關(guān)鍵部件，所以分級(jí)孔的設(shè)計(jì)對(duì)于分級(jí)設(shè)備的有效、順利的工作顯得至關(guān)重要。通過查閱大量扇貝相關(guān)文獻(xiàn)和對(duì)扇貝外形特征的具體觀察、分析和總結(jié)，得出扇貝外形特征的一般規(guī)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(shí)，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(zhǎng)軸長(zhǎng)度即為扇貝殼長(zhǎng)長(zhǎng)度。這一特性規(guī)律，剛好適用于依據(jù)扇貝殼長(zhǎng)對(duì)扇貝進(jìn)行分級(jí)的分級(jí)原理，根據(jù)這一特性規(guī)律，運(yùn)用三維建模軟件，設(shè)計(jì)出初步分級(jí)孔結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　初級(jí)分級(jí)輥實(shí)物圖Fig.5　Completed grading device

分級(jí)裝置傾斜布置且設(shè)三級(jí)橢圓形分級(jí)孔[13]，每一級(jí)孔徑軸向最大長(zhǎng)度分別設(shè)為50、55、60 mm呈依次增大趨勢(shì)，剛好可將扇貝按照扇貝分級(jí)參考等級(jí)分為四等級(jí)，并在校工廠制作出如圖5試驗(yàn)裝置。進(jìn)行分級(jí)效果試驗(yàn)，在傾斜布置的分級(jí)輥組較高端放入扇貝，扇貝直立在兩分級(jí)輥之間，并在自身重力和背向轉(zhuǎn)動(dòng)的兩分級(jí)輥表面摩擦力的作用下沿著分級(jí)通道下滑，經(jīng)過第一級(jí)橢圓形分級(jí)孔即軸向長(zhǎng)軸長(zhǎng)度為50 mm時(shí)，殼長(zhǎng)小于50 mm的扇貝可經(jīng)過該級(jí)分級(jí)孔掉落，殼長(zhǎng)大于50 mm的扇貝不能掉落，完成第一級(jí)的分選。但是殼長(zhǎng)大于50 mm的扇貝，陷入該級(jí)分級(jí)孔后會(huì)卡在該分級(jí)孔內(nèi)，不能繼續(xù)滑向下一等級(jí)分級(jí)孔進(jìn)行分選。

為解決扇貝在分級(jí)過程中卡頓問題，設(shè)計(jì)出了對(duì)輥分級(jí)裝置如圖6所示。

圖6　優(yōu)化后分級(jí)輥示意圖Fig.6　Schematic ofimproved grading roller drive

分級(jí)輥組[14]由左旋分級(jí)輥和右旋分級(jí)輥組成，分級(jí)輥組沿軸線方向設(shè)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(zhǎng)度依次增大，同段內(nèi)螺旋凹槽的深度按由淺及深再由深至淺的趨勢(shì)漸變，左旋分級(jí)輥表面螺旋凹為左旋，右旋分級(jí)輥表面螺旋凹槽為右旋，左旋分輥與右旋分級(jí)輥沿軸線方向各處螺旋凹槽對(duì)稱布置且拼成分級(jí)孔。又因?yàn)橥ㄟ^上文對(duì)海灣扇貝的數(shù)據(jù)分析得出：扇貝的最大殼厚≤30 mm，所以設(shè)橢圓形分級(jí)孔的短軸最大長(zhǎng)度為30 mm，以保證扇貝都能通過分級(jí)孔，掉入相應(yīng)收集區(qū)域內(nèi)。

按照扇貝分級(jí)參照標(biāo)準(zhǔn)，如圖6所示，在分級(jí)輥上設(shè)置出三段橢圓形螺旋分級(jí)孔即可，每一級(jí)分級(jí)孔軸向最大長(zhǎng)度依次分別設(shè)為：50、55、60 mm，扇貝在滑過每一級(jí)橢圓形螺旋分級(jí)孔時(shí)經(jīng)歷旋入，掉落或旋出的過程。

優(yōu)化后分級(jí)輥方案制成的簡(jiǎn)易試驗(yàn)裝置，如圖7所示。

圖7　優(yōu)化后分級(jí)輥實(shí)物圖Fig.7　Improved device of grading

經(jīng)試驗(yàn)，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)可解決原來扇貝卡在橢圓形分級(jí)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(duì)輥表面螺旋溝槽形成的橢圓形分級(jí)孔，扇貝殼長(zhǎng)若小于旋入段的分級(jí)孔軸向長(zhǎng)度則掉落到相應(yīng)分級(jí)區(qū)域內(nèi)，若大于旋入段的分級(jí)孔軸向長(zhǎng)度則會(huì)旋出該段分級(jí)孔繼續(xù)向下一級(jí)分級(jí)孔滑動(dòng)，最終殼長(zhǎng)尺寸不同的扇貝在相應(yīng)的分級(jí)孔落入相應(yīng)的收集區(qū)域，實(shí)現(xiàn)分級(jí)。試驗(yàn)效果較好。

5　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的對(duì)輥式扇貝分級(jí)設(shè)備充分的利用扇貝的外形特點(diǎn)，通過兩分級(jí)輥反向轉(zhuǎn)動(dòng)，使落到兩輥之間的姿態(tài)不同扇貝在自身重力和分級(jí)輥面的摩擦力作用下而直立在雙輥之間形成的滑道中，實(shí)現(xiàn)對(duì)扇貝的定向。

通過對(duì)分級(jí)輥結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，采用帶有橢圓形螺旋槽分級(jí)孔形式，有效的解決了原方案中扇貝的卡頓和堆積，實(shí)現(xiàn)扇貝的分級(jí)作業(yè)。為扇貝分級(jí)自動(dòng)化設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了重要的基礎(chǔ)。

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[14]張志軍,弋景剛,劉江濤,等．一種螺旋式雙輥扇貝分級(jí)裝置:2015-20203497．7[P]．2015-4-8

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(yè)科研專項(xiàng)《扇貝對(duì)蝦加工關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)備研發(fā)及扇貝養(yǎng)殖生態(tài)環(huán)境保障技術(shù)的應(yīng)用與示范》（201205031）；河北省科技支撐計(jì)劃（12227169）

楊淑華（1975—），女（漢），講師，碩士，主要從事智能化農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)研究。

弋景剛（1961—），男（漢），教授，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)裝備的研究。

2015-07-07