一种蛤蜊分级除杂装置的设计

鲍成伟 段 兰 宋孟华

(1. 西北工业大学明德学院，陕西 西安 710124； 2. 西安工业大学北方信息工程学院，陕西 西安 710200)

蛤蜊是生活在海洋中的软体动物，其肉质鲜美、营养价值高、具有重要的药用价值，在中国水产养殖业中占有重要地位[1]。蛤蜊捕捞后一般要进行除杂和分级处理之后才能流入市场。但由于蛤蜊存活时间较短，这给从打捞到流入市场这短暂时间内高效实现上述处理带来较大困难[2-3]。当下蛤蜊分级筛选主要按照蛤蜊的外形尺寸进行分类，但死亡、空壳蛤蜊主要依靠人工经验分拣，待人工挑选清洗完毕后冷藏包装流入市场。一般10人同时进行上述操作，平均每日可处理1 t左右蛤蜊，生产效率低且劳动强度大。在查阅国外相关产业和机械化加工发展现状的基础上[4-5]，拟设计一种蛤蜊分级除杂装置，通过对比滚筒分级环间隙以及蛤蜊的壳厚，对蛤蜊进行除杂、筛选以及分类处理，可有效提升生产效率并降低生产成本。

1 蛤蜊生物特征性状分析

蛤蜊的生物性状主要包括尺寸特征性状以及重量特征性状两类，其中尺寸特征包括壳高、壳宽以及壳厚[6]。考虑到蛤蜊的称重过程比较繁琐，而蛤蜊的尺寸特征性状比较容易被检测。采用多元回归方法分别探究蛤蜊壳高、壳宽以及壳厚等尺寸性状对蛤蜊重量性状影响因子的大小。

1.1 材料与方法

以辽宁丹东海湾蛤蜊作为研究样本，其养殖周期为8～12个月；养殖地：丹东蛤蜊岛；样本获取时间范围：48 h 以内；样本数量200枚(已剔除畸形蛤蜊、死亡蛤蜊)；对200枚蛤蜊样本的壳高、壳宽、壳厚进行测量，并对这些尺寸特征进行性状分类，如图1所示。

因为需要探究蛤蜊壳高、壳宽以及壳厚等尺寸性状对蛤蜊重量性状影响因子的大小，所以除了对蛤蜊样本的尺寸性状进行测量外，还需对蛤蜊的活体湿重进行测量[7-8]。为了保证蛤蜊尺寸生物性状的测量精确度，采用游标卡尺测量蛤蜊的尺寸，选用天平测量蛤蜊的重量。

图1 蛤蜊尺寸特征性状Figure 1 Size and properties of clams

其中，壳高指的蛤蜊扇翼边缘到壳顶的距离，壳宽指的是蛤蜊扇翼边缘的最大直线距离，壳厚指的是蛤蜊两壳间的最大直线距离。样本各项特征参数统计如表1所示。

表1 样本各项特征参数统计表Table 1 Statistical tables for various characteristic parameters of samples

由表1可知，蛤蜊样本的每一个测量参数的偏度都比较小(<0.22)，说明选取的样本的各特征参数满足正态要求，接下来进行相关性分析以及尺寸特征分析。

1.2 结果分析

对样本蛤蜊的尺寸形状数据以及活体湿重数据进行相关性分析，结果如表2所示。从表2可知，样本蛤蜊的各参数之间都呈正相关，均达到极显著水平，说明所选蛤蜊样本的测量参数具有较强的可靠性以及特征性。同时，从表2还可知，在样本蛤蜊的生物性状参数中，蛤蜊的壳厚与其活体湿重的相关性最大，相关系数为0.798 7；其次为壳高，相关系数0.778 3；最后为壳宽，相关系数是0.657 4。

表2 蛤蜊各特征性状数据相关分析Table 2 Data correlation analysis of clams' characteristics

1.3 回归方程的建立以及显著性测验

运用Excel软件对蛤蜊样本的生物性状统计数据进行回归分析[9-10]。建立的回归方程(y=1.507x-0.116)中，蛤蜊的壳高(H)、壳宽(B)、壳厚(T)为自变量，蛤蜊的活体湿重为因变量，结果如表3所示。

由表3、4可知，蛤蜊壳厚性状与其活体湿重性状达到极显著水平，而壳高以及壳宽与活体湿重呈现一般显著水平。所以可以根据蛤蜊的壳厚数值来设计分级除杂机。理论上要实现对蛤蜊的分级除杂，其重量性状是可参考的最主要因素。但是在实际情况下，对蛤蜊进行称重的过程比较繁琐，而且容易受到杂物(泥沙、其他贝类)的影响，蛤蜊称重所要求的环境也相对比较苛刻，所以较难实现机械自动化分级。而采用壳厚作为对蛤蜊分级的依据则相对比较容易实现，蛤蜊壳厚与其活体重量呈极显著相关，意味着通过对蛤蜊的壳厚性状选择可以实现重量特征性状的分级效果，因此选择蛤蜊壳厚作为分级的主要参考因素。样本中大部分蛤蜊壳宽在12～35 mm，故将10 mm以下的物体当作杂物筛除；10～25 mm 的蛤蜊通过一级滚筒筛选出；25 mm以上的蛤蜊通过二级滚筒筛选出。通过上述以壳厚为主要参考因素的方式将输送来的蛤蜊进行有效的除杂和分级。

表3 蛤蜊活体湿重对尺寸特征性状的回归分布†Table 3 Characteristics of size and characteristics of wet weight in clams

† 多元相关R=0.915 8；R2=0.838 8；矫正R2=0.801 6；标准误差为1.783 8。

表4 偏回归系数显著性检验Table 4 Significance test of partial regression coefficient

2 蛤蜊分级机的结构设计

采用二级滚筒分级装置，装置中的滚筒筛由分级环并列方式组成。利用蛤蜊壳厚与分级环之间的间隙实现蛤蜊的分级以及对杂物的剔出。

2.1 蛤蜊分级机的整体结构以及工作原理

设计的蛤蜊分级筛选机主要结构包括：喂料口、传送带、滚筒筛、机架、电机、螺旋升降杆、拨动板以及导向拨杆等，整体结构如图2所示[9]。喂料口用于放入蛤蜊原料；传送带的作用是分散和传输蛤蜊；滚筒筛的作用是对蛤蜊进行分级和除杂；电机同于调整滚筒筛以及传送的转速；螺旋升降杆可以调整滚动筛的倾角；拨动板置于喂料口中，可以起到分散蛤蜊原料，防止原料堵塞的作用；导向拨杆与分级环处于同一平面，当滚筒筛转动时，导向拨杆与滚筒筛呈相对运动。

蛤蜊分级机的工作原理：① 当蛤蜊原料通过喂料口放入，带有滤网的传送带(其运行速度由电机控制)通过振动初步筛选小型贝类、泥沙等杂物落入杂物箱内，此作为一级筛选；② 通过一级筛的蛤蜊利用重力落于导料板中，此时一级滚筒筛处于工作状态，一级滚筒筛的分级环间隙设定值较小，通过电机(50 r/min)连接滚筒筛的筛选可将小蛤蜊沿着滚动筛倾斜方向进入到储料桶中，大型蛤蜊通过导向拨杆沿着槽进入到二级滚筒筛中，此作为二级筛选；③ 较大蛤蜊通过一级筛中的导向装置向二级筛方向运动，二者之间通过斜向上带有隔板的传输板运送，隔板的高度和间隙分别是10 cm和30 cm。二级滚动筛的分级环间隙设定值较大，通过电机(100 r/min)连接滚筒，在重力和导向轴套上导向拨杆的共同作用下筛选大蛤蜊到出料斗，此为三级筛选。通过三级层层筛选可有效筛出清洁、不同尺寸且存活的蛤蜊[10-13]。

图2 整体结构图Figure 2 Overall structure diagram

2.2 喂料装置的设计

设计的喂料装置如图3所示，该装置分为喂料斗以及拨动杆两个部分。来料均匀是实现蛤蜊分级的前提条件，蛤蜊从喂料斗进入喂料箱中时堆积在拨动杆的周围，拨通通过左右反复摆动可使蛤蜊原料均匀下落到传送带上。为了使拨动杆能够进行左右摆动，在拨动杆两侧配置了同样长度和弹性系数的弹簧，当喂料装置不工作时，拨动杆处于正中间位置。而且通过变动拨动杆的工作频率可以调整出口的蛤蜊原料流量，同时还可以避免蛤蜊原料堆积、喂料斗堵塞的情况出现。

2.3 拨动板的参数设计

图4为拨动板的两种运动状态，拨动板往复运动的频率以及转角角度对喂料装置的工作性能有较大影响。拨动板在摆动过程中，摆动转角的角度既不能过小也不能过大，过小容易使拨动板被物料压实卡住，过大使得物料出口流量的均匀度达不到工作要求，因此需要对拨动板的参数进行分析和设计。

1. 入料口 2. 弹簧 3. 喂料斗 4. 拨动板

图4 蛤蜊拨动板运动状态图Figure 4 Motion diagram of clam's toggle plate

通过图4可知，当拨动板处于正中间位置时，可按式(1) 计算出拨动板与喂料箱之间的间距d；拨动板处摆动到极限位置时，可按式(2)～(4)计算拨动板与喂料箱的最小间距dmin和最大间距dmax。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：

d——拨动板与喂料箱间距，mm；

B——喂料箱宽度，mm；

L——拨动板宽度，mm；

a——拨杆长度，mm；

b——拨杆到拨动板中心的距离，mm；

α——拨动板与喂料箱中心平面的夹角，(°)；

β——拨动板之间的夹角，(°)；

dmin——拨动板与喂料箱最小间距，mm；

dmax——拨动板与喂料箱最大间距，mm。

但拨动板在往复运动时，其与喂料斗之间的距离最小值为dmin，最大值为dmax。通过上述分析表明，拨动板摆动转角的角度过小容易使拨动板被物料压实卡住，过大容易使得出口物料流量不均匀。因此拨动板摆弧长要控制在2～3个蛤蜊的壳宽尺寸以内。设定间隙变化值为：

D=dmax-dmin，

(5)

(6)

式中：

D——拨动板最大间隙，mm。

样本中大部分蛤蜊壳宽处于122～35 mm的范围内，综合考虑，设定D=80 mm。

图5 拨动杆与拨动板位置Figure 5 The position of toggle lever and toggle plate

在喂料装置工作过程中，需要拨动杆来推动拨动板进行往复运动，因此需要使拨动杆与拨动板能够顺利接触，拨动杆长度需要满足：

(7)

综合式(7)和实际情况，设定L为180 mm，a为80 mm，b为110 mm，β为70°。

2.4 分级环直径的确定

蛤蜊与分级环的接触受力情况如图6所示，蛤蜊受到自身的重力作用G，分级环对蛤蜊的支撑力为Fn1和Fn2，其计算过程：

(8)

(9)

显然B要比d1小，设定B与d1的差值为C，有

(10)

(11)

式中：

Fn1——分级环支撑力，N；

Fn2——分级环支撑力，N；

G——蛤蜊重量，N；

α——支撑力与水平面的夹角，(°)；

B——分级环之间的间隙，mm；

d1——蛤蜊壳厚，mm；

d2——分级环直径，mm；

C——分级环之间的间隙与蛤蜊壳厚的差值，mm。

从式(4)～(11)可知，在C值固定的情况下，如果增加分级环的直径，会使得蛤蜊受到的支持力Fn1以及Fn2增大，导致蛤蜊受到分级环带来的挤压力也增大。壳厚小于分级环间隙的蛤蜊会被滚筒筛剔除，但是设置分级环间隙过大容易导致分级机的筛选精度降低，起不到良好的分级作用。而设置的分级环间隙过小，容易使得蛤蜊被分级环卡住，进而导致滚筒筛内部蛤蜊的原料堵塞和堆积。所以合理地设置分级环之间的间距有着重要意义，试验结合样本蛤蜊壳厚数据的统计情况，将分级环之间的间距设置为12 mm，设计的滚筒直径为610 mm。

图6 与分级环接触受力图Figure 6 Contact force diagram with grading ring

2.5 导向装置的设计

导向装置不仅可以对滚筒筛内的蛤蜊进行波动，防止原料堆积以及蛤蜊卡在分级环之间等情况出现，还可以调整蛤蜊姿态，提高蛤蜊分级效率。试验设计的蛤蜊导向装置如图7所示。

1. 拨杆 2. 导向轴套 3. 固定螺栓

从图7可知，设计的蛤蜊导向装置主要由拨杆1、导向轴套2以及固定螺栓3组成。拨杆可以波动滚筒筛内的蛤蜊，起到导向作用。导向轴套是基于轴承工作的，其与主轴之间用轴承进行连接，可以实现小幅度摆动或者不动的状态。当分级机工作时，对于导向轴套，滚筒筛相转速比较快，所以蛤蜊会受到导向杆力的作用。设计的导向杆处于交叉分布，每个导向杆之间的间距为分级环直径的4倍，同时考虑到实际导向效果，设计的导向拨杆与分级环都能处于同一平面。因为滚筒筛内可能发生蛤蜊卡在分级间或者堵塞的情况，所以在选取制作导向杆时，选择有一定强度、韧性、耐磨损的碳素钢材料。

3 仿真分析

因喂料斗中导向装置受力情况最复杂，故对此装置进行应力、应变、安全系数仿真分析。通过ANSYS软件对其导向拨杆进行有限元分析，导向拨杆材料为Q235，定义其密度为7 850 kg/m3，弹性模量为2.0E011 Pa，泊松比为0.25。根据模型特征其网格划分类型选为Curvature类型，得到细化网格的有限元模型的节点为124 612，单元数为79 422。载荷及约束设定之前统计的200枚蛤蜊(评价活体湿重量为7.8 g/个)样本经过导向装置的一侧，得到导向装置的网格划分图、应力分布云图及总变形量云图如图8所示。

由图8可看出，导向杆旋转中心变形量较小而边缘的变形量最大，最大值为0.82 mm，满足刚度要求。导向杆根部受力最大，应力集中处极限值为212 MPa，小于其屈服极限。而整体结构的大部分应力<25 MPa，安全系数符合国家标准，因此结构强度满足使用要求。

图8 ANSYS分析图Figure 8 ANSYS analysis

4 结论

(1) 利用离心法和不同密度原理提出了一种由三级分层环组成的滚筒式蛤蜊分拣除杂装置，通过研究拨动板的运动状态并结合分析蛤蜊的生物性状，发现拨动板摆弧长需控制在2～3个蛤蜊的壳宽尺寸以内才能保证蛤蜊顺利通过，通过计算确定拨动板最大间隙D=80 mm，进而确定了喂料装置。

(2) 通过理论分析发现，随着入料量的增加，筛筒的理论长度增加，再对蛤蜊与分级环接触受力进行分析，在确保蛤蜊不受分级环较大挤压力的情况下，得到分级环间间隙B=12 mm，滚筒直径d2=610 mm。

(3) 通过对关键部件的仿真分析，装置的结构强度及刚度满足工作要求。两人共同操作即可实现该装置的正常应用，较大程度地提高了生产效率并降低了企业生产成本[14]。