一種蛤蜊分級(jí)除雜裝置的設(shè)計(jì)

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(dòng)物，其肉質(zhì)鮮美、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高、具有重要的藥用價(jià)值，在中國(guó)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(jí)處理之后才能流入市場(chǎng)。但由于蛤蜊存活時(shí)間較短，這給從打撈到流入市場(chǎng)這短暫時(shí)間內(nèi)高效實(shí)現(xiàn)上述處理帶來(lái)較大困難[2-3]。當(dāng)下蛤蜊分級(jí)篩選主要按照蛤蜊的外形尺寸進(jìn)行分類(lèi)，但死亡、空殼蛤蜊主要依靠人工經(jīng)驗(yàn)分揀，待人工挑選清洗完畢后冷藏包裝流入市場(chǎng)。一般10人同時(shí)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(dòng)強(qiáng)度大。在查閱國(guó)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(jì)一種蛤蜊分級(jí)除雜裝置，通過(guò)對(duì)比滾筒分級(jí)環(huán)間隙以及蛤蜊的殼厚，對(duì)蛤蜊進(jìn)行除雜、篩選以及分類(lèi)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(lèi)，其中尺寸特征包括殼高、殼寬以及殼厚[6]?？紤]到蛤蜊的稱(chēng)重過(guò)程比較繁瑣，而蛤蜊的尺寸特征性狀比較容易被檢測(cè)。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(duì)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(gè)月；養(yǎng)殖地：丹東蛤蜊島；樣本獲取時(shí)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(duì)200枚蛤蜊樣本的殼高、殼寬、殼厚進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)這些尺寸特征進(jìn)行性狀分類(lèi)，如圖1所示。

因?yàn)樾枰骄扛蝌蹥じ?、殼寬以及殼厚等尺寸性狀?duì)蛤蜊重量性狀影響因子的大小，所以除了對(duì)蛤蜊樣本的尺寸性狀進(jìn)行測(cè)量外，還需對(duì)蛤蜊的活體濕重進(jìn)行測(cè)量[7-8]。為了保證蛤蜊尺寸生物性狀的測(cè)量精確度，采用游標(biāo)卡尺測(cè)量蛤蜊的尺寸，選用天平測(cè)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(xiàng)特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 樣本各項(xiàng)特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical tables for various characteristic parameters of samples

由表1可知，蛤蜊樣本的每一個(gè)測(cè)量參數(shù)的偏度都比較小(<0.22)，說(shuō)明選取的樣本的各特征參數(shù)滿足正態(tài)要求，接下來(lái)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(duì)樣本蛤蜊的尺寸形狀數(shù)據(jù)以及活體濕重?cái)?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(shuō)明所選蛤蜊樣本的測(cè)量參數(shù)具有較強(qiáng)的可靠性以及特征性。同時(shí)，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(cè)驗(yàn)

運(yùn)用Excel軟件對(duì)蛤蜊樣本的生物性狀統(tǒng)計(jì)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(lái)設(shè)計(jì)分級(jí)除雜機(jī)。理論上要實(shí)現(xiàn)對(duì)蛤蜊的分級(jí)除雜，其重量性狀是可參考的最主要因素。但是在實(shí)際情況下，對(duì)蛤蜊進(jìn)行稱(chēng)重的過(guò)程比較繁瑣，而且容易受到雜物(泥沙、其他貝類(lèi))的影響，蛤蜊稱(chēng)重所要求的環(huán)境也相對(duì)比較苛刻，所以較難實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)化分級(jí)。而采用殼厚作為對(duì)蛤蜊分級(jí)的依據(jù)則相對(duì)比較容易實(shí)現(xiàn)，蛤蜊殼厚與其活體重量呈極顯著相關(guān)，意味著通過(guò)對(duì)蛤蜊的殼厚性狀選擇可以實(shí)現(xiàn)重量特征性狀的分級(jí)效果，因此選擇蛤蜊殼厚作為分級(jí)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(guò)一級(jí)滾筒篩選出；25 mm以上的蛤蜊通過(guò)二級(jí)滾筒篩選出。通過(guò)上述以殼厚為主要參考因素的方式將輸送來(lái)的蛤蜊進(jìn)行有效的除雜和分級(jí)。

表3 蛤蜊活體濕重對(duì)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(yàn)Table 4 Significance test of partial regression coefficient

2 蛤蜊分級(jí)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用二級(jí)滾筒分級(jí)裝置，裝置中的滾筒篩由分級(jí)環(huán)并列方式組成。利用蛤蜊殼厚與分級(jí)環(huán)之間的間隙實(shí)現(xiàn)蛤蜊的分級(jí)以及對(duì)雜物的剔出。

2.1 蛤蜊分級(jí)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)以及工作原理

設(shè)計(jì)的蛤蜊分級(jí)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(dòng)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(duì)蛤蜊進(jìn)行分級(jí)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(dòng)篩的傾角；撥動(dòng)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(jí)環(huán)處于同一平面，當(dāng)滾筒篩轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)向撥桿與滾筒篩呈相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

蛤蜊分級(jí)機(jī)的工作原理：① 當(dāng)蛤蜊原料通過(guò)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(guò)振動(dòng)初步篩選小型貝類(lèi)、泥沙等雜物落入雜物箱內(nèi)，此作為一級(jí)篩選；② 通過(guò)一級(jí)篩的蛤蜊利用重力落于導(dǎo)料板中，此時(shí)一級(jí)滾筒篩處于工作狀態(tài)，一級(jí)滾筒篩的分級(jí)環(huán)間隙設(shè)定值較小，通過(guò)電機(jī)(50 r/min)連接滾筒篩的篩選可將小蛤蜊沿著滾動(dòng)篩傾斜方向進(jìn)入到儲(chǔ)料桶中，大型蛤蜊通過(guò)導(dǎo)向撥桿沿著槽進(jìn)入到二級(jí)滾筒篩中，此作為二級(jí)篩選；③ 較大蛤蜊通過(guò)一級(jí)篩中的導(dǎo)向裝置向二級(jí)篩方向運(yùn)動(dòng)，二者之間通過(guò)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(jí)滾動(dòng)篩的分級(jí)環(huán)間隙設(shè)定值較大，通過(guò)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(jí)篩選。通過(guò)三級(jí)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(jì)

設(shè)計(jì)的喂料裝置如圖3所示，該裝置分為喂料斗以及撥動(dòng)桿兩個(gè)部分。來(lái)料均勻是實(shí)現(xiàn)蛤蜊分級(jí)的前提條件，蛤蜊從喂料斗進(jìn)入喂料箱中時(shí)堆積在撥動(dòng)桿的周?chē)?，撥通通過(guò)左右反復(fù)擺動(dòng)可使蛤蜊原料均勻下落到傳送帶上。為了使撥動(dòng)桿能夠進(jìn)行左右擺動(dòng)，在撥動(dòng)桿兩側(cè)配置了同樣長(zhǎng)度和彈性系數(shù)的彈簧，當(dāng)喂料裝置不工作時(shí)，撥動(dòng)桿處于正中間位置。而且通過(guò)變動(dòng)撥動(dòng)桿的工作頻率可以調(diào)整出口的蛤蜊原料流量，同時(shí)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(dòng)板的參數(shù)設(shè)計(jì)

圖4為撥動(dòng)板的兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，撥動(dòng)板往復(fù)運(yùn)動(dòng)的頻率以及轉(zhuǎn)角角度對(duì)喂料裝置的工作性能有較大影響。撥動(dòng)板在擺動(dòng)過(guò)程中，擺動(dòng)轉(zhuǎn)角的角度既不能過(guò)小也不能過(guò)大，過(guò)小容易使撥動(dòng)板被物料壓實(shí)卡住，過(guò)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(duì)撥動(dòng)板的參數(shù)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。

1. 入料口 2. 彈簧 3. 喂料斗 4. 撥動(dòng)板

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

通過(guò)圖4可知，當(dāng)撥動(dòng)板處于正中間位置時(shí)，可按式(1) 計(jì)算出撥動(dòng)板與喂料箱之間的間距d；撥動(dòng)板處擺動(dòng)到極限位置時(shí)，可按式(2)～(4)計(jì)算撥動(dòng)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(dòng)板與喂料箱間距，mm；

B——喂料箱寬度，mm；

L——撥動(dòng)板寬度，mm；

a——撥桿長(zhǎng)度，mm；

b——撥桿到撥動(dòng)板中心的距離，mm；

α——撥動(dòng)板與喂料箱中心平面的夾角，(°)；

β——撥動(dòng)板之間的夾角，(°)；

dmin——撥動(dòng)板與喂料箱最小間距，mm；

dmax——撥動(dòng)板與喂料箱最大間距，mm。

但撥動(dòng)板在往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其與喂料斗之間的距離最小值為dmin，最大值為dmax。通過(guò)上述分析表明，撥動(dòng)板擺動(dòng)轉(zhuǎn)角的角度過(guò)小容易使撥動(dòng)板被物料壓實(shí)卡住，過(guò)大容易使得出口物料流量不均勻。因此撥動(dòng)板擺弧長(zhǎng)要控制在2～3個(gè)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(dòng)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(dòng)桿與撥動(dòng)板位置Figure 5 The position of toggle lever and toggle plate

在喂料裝置工作過(guò)程中，需要撥動(dòng)桿來(lái)推動(dòng)撥動(dòng)板進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因此需要使撥動(dòng)桿與撥動(dòng)板能夠順利接觸，撥動(dòng)桿長(zhǎng)度需要滿足：

(7)

綜合式(7)和實(shí)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(jí)環(huán)直徑的確定

蛤蜊與分級(jí)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(jí)環(huán)對(duì)蛤蜊的支撐力為Fn1和Fn2，其計(jì)算過(guò)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(jí)環(huán)支撐力，N；

Fn2——分級(jí)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(jí)環(huán)之間的間隙，mm；

d1——蛤蜊殼厚，mm；

d2——分級(jí)環(huán)直徑，mm；

C——分級(jí)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(jí)環(huán)的直徑，會(huì)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(jí)環(huán)帶來(lái)的擠壓力也增大。殼厚小于分級(jí)環(huán)間隙的蛤蜊會(huì)被滾筒篩剔除，但是設(shè)置分級(jí)環(huán)間隙過(guò)大容易導(dǎo)致分級(jí)機(jī)的篩選精度降低，起不到良好的分級(jí)作用。而設(shè)置的分級(jí)環(huán)間隙過(guò)小，容易使得蛤蜊被分級(jí)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(jí)環(huán)之間的間距有著重要意義，試驗(yàn)結(jié)合樣本蛤蜊殼厚數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)情況，將分級(jí)環(huán)之間的間距設(shè)置為12 mm，設(shè)計(jì)的滾筒直徑為610 mm。

圖6 與分級(jí)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(jì)

導(dǎo)向裝置不僅可以對(duì)滾筒篩內(nèi)的蛤蜊進(jìn)行波動(dòng)，防止原料堆積以及蛤蜊卡在分級(jí)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(jí)效率。試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(jì)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(dòng)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(shí)現(xiàn)小幅度擺動(dòng)或者不動(dòng)的狀態(tài)。當(dāng)分級(jí)機(jī)工作時(shí)，對(duì)于導(dǎo)向軸套，滾筒篩相轉(zhuǎn)速比較快，所以蛤蜊會(huì)受到導(dǎo)向桿力的作用。設(shè)計(jì)的導(dǎo)向桿處于交叉分布，每個(gè)導(dǎo)向桿之間的間距為分級(jí)環(huán)直徑的4倍，同時(shí)考慮到實(shí)際導(dǎo)向效果，設(shè)計(jì)的導(dǎo)向撥桿與分級(jí)環(huán)都能處于同一平面。因?yàn)闈L筒篩內(nèi)可能發(fā)生蛤蜊卡在分級(jí)間或者堵塞的情況，所以在選取制作導(dǎo)向桿時(shí)，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(duì)此裝置進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變、安全系數(shù)仿真分析。通過(guò)ANSYS軟件對(duì)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(lèi)型選為Curvature類(lèi)型，得到細(xì)化網(wǎng)格的有限元模型的節(jié)點(diǎn)為124 612，單元數(shù)為79 422。載荷及約束設(shè)定之前統(tǒng)計(jì)的200枚蛤蜊(評(píng)價(jià)活體濕重量為7.8 g/個(gè))樣本經(jīng)過(guò)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(guó)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(jí)分層環(huán)組成的滾筒式蛤蜊分揀除雜裝置，通過(guò)研究撥動(dòng)板的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并結(jié)合分析蛤蜊的生物性狀，發(fā)現(xiàn)撥動(dòng)板擺弧長(zhǎng)需控制在2～3個(gè)蛤蜊的殼寬尺寸以內(nèi)才能保證蛤蜊順利通過(guò)，通過(guò)計(jì)算確定撥動(dòng)板最大間隙D=80 mm，進(jìn)而確定了喂料裝置。

(2) 通過(guò)理論分析發(fā)現(xiàn)，隨著入料量的增加，篩筒的理論長(zhǎng)度增加，再對(duì)蛤蜊與分級(jí)環(huán)接觸受力進(jìn)行分析，在確保蛤蜊不受分級(jí)環(huán)較大擠壓力的情況下，得到分級(jí)環(huán)間間隙B=12 mm，滾筒直徑d2=610 mm。

(3) 通過(guò)對(duì)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(shí)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]。