摘要：針對我國紫菜育苗貝殼清洗仍采用人工洗刷的問題，在前期研究的紫菜育苗用貝殼自動化清洗系統(tǒng)的基礎上，對其中的清洗裝置進行結構參數(shù)和工作參數(shù)優(yōu)化，通過理論計算分析，確定噴管上噴頭的數(shù)量、噴管的安裝高度和噴管轉角范圍，并對清洗裝置的工作參數(shù)進行試驗研究。以噴嘴直徑、泵的出口壓力和噴頭擺動次數(shù)為試驗因子，感官評分和耗水量作為響應指標，利用Minitab軟件設計三因素三水平試驗，通過對試驗結果進行分析優(yōu)化，確定最佳參數(shù)組合。結果表明：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2次條件下工作，育苗貝殼清洗效果的感官評分為0.87，耗水量為40.12 L，優(yōu)化后的工作參數(shù)，既能滿足貝殼的清洗要求，又能保證設備較低的使用成本。

關鍵詞：條斑紫菜；育苗貝殼；清洗裝置；感官評分；耗水量

中圖分類號：S233.9" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：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月初紫菜苗種開始培育，將自由絲狀體噴灑在貝殼上進行接種，培育過程中的絲狀體能夠分泌酸性物質，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絲狀體生長，育苗過程中需要經(jīng)常用軟毛刷清洗沉積在貝殼珍珠層表面的藻泥和雜藻，整個育苗期清洗貝殼達十幾次之多[2， 3]。目前，洗殼環(huán)節(jié)是人工逐個收起洗刷，勞動強度大、工作效率低且成本高。

當前國內外市場還沒有成熟的洗殼裝備，只有少數(shù)學者對機械化清洗紫菜育苗貝殼做了一些探索性研究。周小平[4]設計了一種紫菜貝殼清洗裝置，裝置的弧形噴頭通過安裝在育苗室內壁上的移動裝置移動到室內任一位置沖洗貝殼，但該裝置存在清洗效率低、清洗不徹底、清洗時貝殼四處亂串等問題。沙臻德[5]設計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，通過毛刷轉動清洗容置槽內的貝殼，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]設計的條斑紫菜育苗貝殼網(wǎng)簾高壓水清洗裝備，機械化和清洗效率較高，但前期要將貝殼一個個縫到雙層網(wǎng)簾中，育苗完成后還要拆除網(wǎng)簾，費時費力，同時還存在整個清洗部移池困難等問題。

針對上述問題，本文基于前期研究的紫菜育苗貝殼自動化清洗系統(tǒng)的成果[7]，對裝備中的重要部件清洗裝置做進一步的結構和工作參數(shù)優(yōu)化，該裝置將單個貝殼的洗刷方式轉變?yōu)檎鹭悮で逑?，并且清洗完后無需重新排擺貝殼。通過理論分析，確定噴管上噴嘴的數(shù)量、噴管的安裝高度和噴管的轉角范圍；通過試驗平臺，對清洗裝置的泵出口壓力、噴嘴直徑和噴頭擺動次數(shù)三個參數(shù)進行優(yōu)化，為后續(xù)紫菜育苗貝殼自動化清洗裝備的研發(fā)試制提供數(shù)據(jù)支撐。

1 清洗裝置結構及工作原理

1.1 總體結構

清洗裝置由噴管、壓網(wǎng)、可調節(jié)軸承座、柱塞泵、異步電機和筐等組成，如圖1所示。柱塞泵固定在異步電機端部，噴管和儲水桶經(jīng)軟管與柱塞泵相連，噴管軸向等距裝有若干噴頭，其兩端安裝在可調節(jié)軸承座上，通過可調節(jié)軸承座調整噴管安裝高度，減速步進電機固定在可調節(jié)軸承座的滑塊上，通過聯(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，貝殼上設有壓網(wǎng)，防止清洗時四處亂竄。由控制柜控制異步電機的啟停，數(shù)控裝置控制減速步進電機的轉速和轉角。清洗時，柱塞泵將儲水桶中的水送入噴管，減速步進電機帶動噴管往復轉動，高壓水射流以掃射方式清洗筐中貝殼。清洗裝置控制系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

2 關鍵部件設計

2.1 噴管結構

因為噴嘴軸線和筐底垂直時，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，即可保證噴管轉動清洗時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。

試驗用的噴嘴射流擴散角θ為25°，相鄰噴嘴射流重疊區(qū)域D為25%。

因清洗時的噴管射流作用寬度應大于貝殼筐的內部寬度，所以推導出噴管上噴嘴數(shù)量計算如式（2）所示。

2.2 噴管安裝高度和轉角范圍

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鍵因素，根據(jù)動量定理，水射流理論打擊力[9]計算如式（3）所示。

式（3）只能計算水射流作用于貝殼表面的總打擊力，并不能直接反應其清除污垢的能力，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）和噴管轉角的影響，噴管高度過小，雖然理論上打擊力較大，但在沖擊清洗目標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]，因為本試驗使用的扇形噴嘴直徑為1～1.6 mm，兼顧清洗裝置的實際結構和貝殼的高度（3～5 mm），所以初步選取噴管高度h為173 mm、193 mm、213 mm三個數(shù)值，然后通過后續(xù)的理論分析作進一步的優(yōu)選。

下面通過理論計算，分析比較單個噴嘴流量為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]范圍內的各打擊點的打擊壓力。各打擊點在x軸上的坐標分別為0、25、50、75、100、125、150、175、200、225，y軸上的坐標分別為-173、-193、-213。因為噴管轉角范圍相對于y軸左右對稱，所以只分析x軸正半軸的打擊壓力，通過式（4）計算得到打擊點位置與打擊壓力的關系，如圖5所示。

由圖5發(fā)現(xiàn)，打擊點距離O點越遠，打擊壓力越小，并且x軸上打擊點坐標大于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軸上打擊點位置為100 mm時，噴管高度為173 mm和193 mm的打擊壓力相同，其后隨著打擊點x坐標進一步增大，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，噴管高度為193 mm和213 mm的打擊壓力相同，其后隨著打擊點距離進一步增大，噴管高度為193 mm的打擊壓力反而小于213 mm。

綜上，由于噴頭是通過勻速擺動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]，對應的噴管轉角范圍為[-122°lt;αlt;-58°]。

2.2.2 打擊力試驗

在理論分析的基礎上，通過打擊力試驗進一步驗證噴管的合理轉角范圍。測試噴管高度為173 mm和193 mm時，各打擊點的打擊壓力。試驗條件同計算條件，基于理論分析結果，以橫坐標100 mm處的打擊點為基準，設置5個打擊點，分別為50 mm、75 mm、100 mm、125 mm、150 mm。試驗裝置包括壓力傳感器和顯示儀表。

為了準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的測力板，因測力板上表面至筐底的距離為32 mm，所以噴管安裝高度應調整為205 mm和225 mm；為了保證試驗中數(shù)據(jù)的精確可靠，射流作用在測力板上的時間不少于20 s。

試驗結果如圖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]，各打擊點對應的打擊壓力實測值小于理論值，兩條打擊壓力曲線在x軸的93 mm處相交，噴管高度為173 mm時，對應的噴管轉角為-60°左右，結果和理論分析較為接近，因此確定清洗時的噴管合理轉動角度范圍為[-120°≤α≤-60°]。

3 育苗貝殼清洗試驗

3.1 試驗條件

試驗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。貝殼清洗試驗裝置如圖7所示，其中異步電機功率為10 kW，轉速為1 450 r/min，柱塞泵額定工作壓力18 MPa，最大流量40 L/min，儲水桶容量為100 L，壓力表量程0～25 MPa，噴管軸向安裝5個噴頭，可調節(jié)軸承座調節(jié)行程125 mm，筐的內部長為460 mm、寬為260 mm、高為95 mm。

3.2 評價指標

在清洗紫菜育苗貝殼過程中，除了需洗掉貝殼表面沉積的浮灰，還要清除生長在貝殼上一些雜藻。清洗時噴頭往復擺動，每組試驗前重新更換一筐貝殼。清洗效果采用感官評定法[17， 18]，感官評定小組由多名技術員組成，技術員通過放大鏡、毛刷和游標卡尺等工具對清洗效果按表1進行感官評分，取平均值。兼顧綠色、節(jié)能和節(jié)水等因素，要求感官評分大于0.85，即達到清洗要求，所以將感官評分和耗水量作為本試驗研究的評價指標。

3.3 單因素試驗

試驗時，噴管轉速為1 r/min，每組試驗取3個樣本，取感官評分平均值作為該組試驗的最后結果。

3.3.1 泵出口壓力對感官評分的影響

試驗條件：噴嘴直徑1.6 mm，噴頭擺動2次。由圖8可知，隨著泵出口壓力的增加，感官評分的增幅先大后小，泵出口壓力達到16 MPa后，感官評分大于0.85，育苗貝殼的清洗效果滿足要求。在噴嘴直徑一定的情況下，增加射流壓力對打擊力的影響會逐漸減小，甚至會損壞溢流閥等密封件。

3.3.2 噴嘴直徑對感官評分的影響

試驗條件：泵出口壓力為16 MPa，噴頭擺動2次。由圖9可知，感官評分隨著噴嘴直徑先增大后減小，噴嘴直徑為1.3 mm時，清洗效果最好，并且滿足清洗要求。在泵出口壓力一定的情況下，適當?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 噴頭擺動次數(shù)對感官評分的影響

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

3.4 正交試驗

3.4.1 試驗設計

為驗證以上3個因素的交互作用對清洗效果的影響，以單因素試驗結果為依據(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，噴頭擺動次數(shù)為2～4次，因素水平見表2。

3.4.2 試驗結果與分析

利用Minitab 21.1軟件，以x1、x2、x3 分別表示泵出口壓力、噴嘴直徑、噴頭擺動次數(shù)，y1、y2分別表示感官評分和耗水量，根據(jù)中心復合試驗方法設計20組三因素三水平正交試驗[19， 20]，試驗方案與結果見表3，方差結果見表4。

從表4可知，感官評分y1模型中x1、x2、x3、x12、x22、x1x2對回歸模型具有極顯著影響（Plt;0.01），x1x3對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Minitab軟件對試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析和因素方差分析，篩選出較為顯著因素，將不顯著回歸項從模型中剔除，進而得出評價指標和影響因素間的回歸方程為

3.4.3 交互作用結果分析

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

圖12為各因素兩兩交互作用對耗水量的響應曲面圖。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次數(shù)都會增加耗水量，但噴頭擺動次數(shù)影響更顯著。由圖12（c）可知，噴嘴直徑和噴頭擺動次數(shù)都會增加耗水量，但噴頭擺動次數(shù)影響更顯著。通過以上分析可知，噴頭擺動次數(shù)對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 試驗優(yōu)化與驗證

為了使育苗貝殼清洗效果滿足要求，兼顧節(jié)能節(jié)水的生產模式，利用Matlab軟件優(yōu)化模塊，對試驗因素進行優(yōu)化設計。建立參數(shù)化數(shù)學模型，結合試驗因素的邊界條件，對感官評分和耗水量的回歸方程進行分析，得到其非線性規(guī)劃的數(shù)學模型[21， 22]。

優(yōu)化結果表明，當泵出口壓力為17.35 MPa、噴嘴出口直徑為1.28 mm、噴頭擺動2次時，感官評分為0.86，耗水量為38.14 L?？紤]到試驗的可操作性，將優(yōu)化的試驗條件調整為：泵出口壓力17 MPa、噴嘴出口直徑為1.3 mm、噴頭擺動2次。重復5次試驗并取平均值，感官評分為0.87，耗水量為40.12 L，相對優(yōu)化結果的誤差在5%以內，驗證試驗與優(yōu)化結果基本符合，說明優(yōu)化參數(shù)有效可靠。

4 結論

1） 為實現(xiàn)紫菜育苗貝殼清洗的機械化和自動化，前期研究設計一種自動清洗裝備，其中清洗裝置決定貝殼清洗效果和裝備的能耗，因此通過對清洗裝置的試驗研究，進一步優(yōu)化裝置的結構和工作參數(shù)。

2） 通過理論分析與試驗相結合的方法，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、噴管的轉角范圍為[-120°≤α≤-60°]。

3） 通過單因素試驗，得到試驗裝置工作參數(shù)的最佳范圍，并在此基礎上進行正交試驗。從交互作用的結果可知：影響感官評分因素的順序依次為噴嘴直徑、泵出口壓力和噴頭擺動次數(shù)，影響耗水量因素的順序依次為噴頭擺動次數(shù)、噴嘴直徑、泵出口壓力。在優(yōu)化參數(shù)條件下進行試驗，當泵出口壓力17 MPa、噴嘴直徑為1.3 mm、噴頭擺動2次時，感官評分為0.87，耗水量為40.12 L，說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

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