用吊耳法養(yǎng)殖蝦夷扇貝時(shí)左殼定向方法的研究

林艾光,馬先英,丁曉非,謝忠東

(大連海洋大學(xué)遼寧省漁業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心,遼寧大連116023)

用吊耳法養(yǎng)殖蝦夷扇貝時(shí)左殼定向方法的研究

林艾光,馬先英,丁曉非,謝忠東

(大連海洋大學(xué)遼寧省漁業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心,遼寧大連116023)

為了實(shí)現(xiàn)吊耳法養(yǎng)殖蝦夷扇貝Patinopecten yessoensis的鉆孔作業(yè)自動(dòng)化,對(duì)扇貝左殼定向方法進(jìn)行了研究。提出了利用扇貝左右殼曲率不同的形狀特征,通過(guò)控制扇貝的入水速度和角度,在水中實(shí)現(xiàn)左殼定向的方法。結(jié)果表明:扇貝在水中運(yùn)動(dòng)時(shí),左右兩殼所受的壓力不同,扇貝在流體壓力差和重力的作用下實(shí)現(xiàn)左殼朝上。在入水速度為1.0～1.5 m/s、入水角度為-30°～60°、水槽直徑為60 cm、槽深為26 cm以上的條件下,將扇貝投入靜水中,可實(shí)現(xiàn)左殼朝上定向;扇貝在水中完成定向所需時(shí)間為0.42～0.45 s。該法既可避免機(jī)械振動(dòng)和碰撞對(duì)扇貝的損傷,又能減少因加工過(guò)程中扇貝在空氣中暴露對(duì)其生長(zhǎng)的影響。

蝦夷扇貝;吊耳養(yǎng)殖;左殼;定向

蝦夷扇貝Patinopecten yessoensis的養(yǎng)殖方法主要有浮筏養(yǎng)殖(吊耳養(yǎng)殖、衣袋網(wǎng)養(yǎng)殖和燈籠網(wǎng)籠養(yǎng)殖)和底播增殖[1-4]。采用吊耳法養(yǎng)殖蝦夷扇貝,一方面可方便扇貝攝餌,其生長(zhǎng)速度比網(wǎng)籠養(yǎng)殖要快;另一方面可節(jié)省網(wǎng)具等養(yǎng)殖資材,也不用倒籠,既減輕了漁民的勞動(dòng)強(qiáng)度,還可避免底播時(shí)天敵的侵害,且收獲方便[5-8]。采用吊耳法養(yǎng)殖扇貝時(shí),需在扇貝足絲窩對(duì)應(yīng)的左殼前耳處鉆一個(gè)穿繩用的小孔,因鉆孔作業(yè)費(fèi)工[4],故該法尚未在中國(guó)普及。日本現(xiàn)已開(kāi)發(fā)了扇貝自動(dòng)鉆孔機(jī),但物料的供給仍需人工手動(dòng)進(jìn)行[6],繁雜的定向動(dòng)作,單調(diào)的連續(xù)作業(yè)會(huì)使人很快疲勞,跟不上機(jī)器的速度。因此,急需開(kāi)發(fā)一種扇貝自動(dòng)定向機(jī)構(gòu)。

蝦夷扇貝的左殼外表面為茶褐色,右殼外表面為黃白色[9-10]。五香秀治[11]提出利用兩殼的顏色特征,用光電傳感器識(shí)別,再控制機(jī)械裝置使其翻轉(zhuǎn)成同樣的姿勢(shì)。但扇貝在生長(zhǎng)過(guò)程中,貝殼外表面常附著藤壺、牡蠣、海藻等生物,還有的貝殼顏色異常,影響了光電傳感器識(shí)別的準(zhǔn)確性。另外,扇貝在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中易與機(jī)械裝置碰撞,造成貝殼邊緣碎裂,使外套膜裸露在殼外,容易導(dǎo)致扇貝發(fā)病、死亡[12-13]。本試驗(yàn)中,作者利用扇貝左右殼曲率不同的形狀特征,對(duì)扇貝在水中實(shí)現(xiàn)左殼定向的方法進(jìn)行了研究,旨在為實(shí)現(xiàn)扇貝鉆孔作業(yè)自動(dòng)化提供參考資料。

1 材料與方法

1.1 材料

供試貝選擇沒(méi)有附著物和附著有藤壺的扇貝,平均殼長(zhǎng)為70 mm,殼厚為15 mm,質(zhì)量為32 g。試驗(yàn)用海水的密度為1.023 g/cm3,溫度為15℃。

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。在長(zhǎng)方形水槽中充入海水,水槽長(zhǎng)為80 cm,寬為40 cm,高為40 cm,水深為35 cm。在水槽上方設(shè)置導(dǎo)向板,導(dǎo)向板與水面垂線(xiàn)的夾角(以下簡(jiǎn)稱(chēng)入水角)可通過(guò)調(diào)節(jié)臺(tái)上的夾子調(diào)節(jié)。為了解扇貝在水中下落時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡,在水槽正面的中央放置攝像機(jī),在水槽后面畫(huà)上間距5 cm的方格線(xiàn)作為測(cè)量基準(zhǔn)。

1.2 方法

1.2.1 入水速度和入水角度對(duì)左殼朝上率的影響試驗(yàn) 將沒(méi)有附著物的扇貝以不同的入水速度和角度沿導(dǎo)向板滑入水中,觀(guān)察記錄扇貝著底后左殼的朝上率。首先將扇貝從不同高度滑入水中,使其入水速度分別為0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m/s,觀(guān)察入水速度對(duì)左殼朝上率的影響(入水角度為0°)。

將導(dǎo)向板的角度由-60°到60°,每隔15°變化一次,觀(guān)察入水速度為0.5、1.0、1.5 m/s時(shí)不同入水角度對(duì)左殼朝上率的影響。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 The experimental device

1.2.2 左殼朝上運(yùn)動(dòng)所需距離與時(shí)間的試驗(yàn) 讓沒(méi)有附著物的扇貝在入水角度為0°,入水速度分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m/s的條件下滑入水中,用攝像機(jī)將扇貝在水中的運(yùn)動(dòng)情況記錄下來(lái)。用圖像解析裝置PIAS3將每一禎的運(yùn)動(dòng)情況數(shù)據(jù)化,測(cè)算扇貝在水中完成左殼朝上運(yùn)動(dòng)所需的運(yùn)動(dòng)距離和時(shí)間。

1.2.3 附著物與活性度對(duì)左殼朝上率的影響試驗(yàn)將附著有藤壺和張口的扇貝在入水角度為0°,入水速度也為0 m/s的狀態(tài)下投入水中,觀(guān)察附著物和開(kāi)口與否對(duì)左殼朝上率的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 左殼朝上運(yùn)動(dòng)與入水速度及入水角度的關(guān)系

2.1.1 入水速度對(duì)左殼朝上率的影響 圖2是入水角度為0°時(shí),左殼朝上率與入水速度的關(guān)系。由圖2可見(jiàn),入水速度為1.5 m/s以下時(shí),左殼朝上率達(dá)到100%;入水速度大于1.5 m/s時(shí),左殼朝上率下降,且速度越快,左殼朝上率越低。觀(guān)察發(fā)現(xiàn),當(dāng)扇貝入水速度過(guò)快時(shí),由于慣性作用使左殼已經(jīng)朝上的扇貝繼續(xù)旋轉(zhuǎn)變?yōu)橛覛こ?。因?扇貝的入水速度應(yīng)控制在1.5 m/s以下。

2.1.2 入水角度對(duì)左殼朝上率的影響 圖3是在不同速度下,左殼朝上率與入水角度的關(guān)系。由圖3可見(jiàn):入水角度為正(左殼朝上供給)、入水速度控制在1.5 m/s以下時(shí),扇貝左殼朝上率均能達(dá)到100%。入水角度為負(fù)(左殼朝下供給)、入水速度控制在0.5 m/s時(shí),入水角度越小,左殼朝上率越低。入水速度為1.0～1.5 m/s、入水角度為-30°～0°時(shí),左殼朝上率達(dá)到100%;入水角度為-30°以下時(shí),左殼朝上率明顯下降。

圖2 左殼朝上率與入水速度的關(guān)系Fig.2 Relationship between percentage of left shell upward and entering when the test scallops are put into water

圖3 左殼朝上率與入水角度的關(guān)系Fig.3 Relationship between percentage of left shell upward and angle of the scallops entering into water

2.2 左殼朝上的運(yùn)動(dòng)原理

蝦夷扇貝的外形如圖4所示。蝦夷扇貝的殼長(zhǎng)L和殼高H近似相等,從垂直于殼長(zhǎng)和殼高組成的平面看類(lèi)似圓形[9-10]。左右兩殼的曲率不同,左殼曲率小,右殼曲率大。

圖4 蝦夷扇貝的外貌Fig.4 Schematic diagram of the scallop

扇貝入水后的受力情況如圖5所示。扇貝入水后受到流體作用力和重力的作用。由于左右兩殼的曲率不同,扇貝在水中運(yùn)動(dòng)時(shí),兩殼側(cè)面的水流速

度也不同。假設(shè)扇貝不動(dòng),周?chē)牧黧w運(yùn)動(dòng),則扇貝周?chē)牧黧w流動(dòng)情況如圖6所示。

圖5 扇貝在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的力Fig.5 Forces applied to the scallop which moves in water

圖6 扇貝周?chē)黧w流動(dòng)示意圖Fig.6 Schematic diagram of fluid flow around the scallop

根據(jù)連續(xù)流原理[14]:

因?yàn)樯蓉愓紦?jù)一定的空間,使通流面積A2、A′2變小,流速v2、v′2變大,即

又因?yàn)樽髿で时扔覛で市?所以,左殼側(cè)面流體流速比右殼側(cè)面的流速小,即

根據(jù)能量守恒定律[14]:

因?yàn)榱黧w的位能、壓能和動(dòng)能總能量守恒,左殼上側(cè)流速v2小,壓強(qiáng)p2大;右殼下側(cè)流速v′2大,壓強(qiáng)p′2小,即

因此,作用在左右兩殼表面的總壓力不平衡,產(chǎn)生了指向右殼的壓力FL:

將扇貝邊緣在前進(jìn)方向的最前端作為支點(diǎn),扇貝受到的總轉(zhuǎn)矩為流體作用在扇貝上的轉(zhuǎn)矩和重力作用在扇貝上的轉(zhuǎn)矩之和,即

其中:MT為扇貝受到的總轉(zhuǎn)矩(N·m);MF為流體作用在扇貝上的轉(zhuǎn)矩(N·m);MG為重力作用在扇貝上的轉(zhuǎn)矩(N·m)。

扇貝在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)受到來(lái)自流體的轉(zhuǎn)矩MF表示為

其中:ρ為流體的密度(g/cm3);v為扇貝在水中的運(yùn)動(dòng)速度(m/s);L為扇貝的殼長(zhǎng)(mm);W為扇貝的殼厚(mm);WR為扇貝右殼的厚度(mm);WL為扇貝左殼的厚度(mm)。重力作用在扇貝上的扭矩MG表示為

其中:m為扇貝的質(zhì)量(g);g為重力加速度(m/s2);θ為左右殼嚙合線(xiàn)與重力方向的夾角(°)。

將式(8)和式(9)代入式(7),扇貝受到的總扭矩為

由式(10)可見(jiàn):扇貝在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的扭矩MT與扇貝運(yùn)動(dòng)速度v、左右殼嚙合線(xiàn)與重力方向的夾角θ及左右兩殼的厚度差(WR-WL)有關(guān)。速度v越大,角度θ越大,兩殼的厚度差也越大,扇貝所受的扭矩MT也就越大。

將供試貝的參數(shù)(殼長(zhǎng)L=70 mm,殼厚W= 15.2 mm,左殼厚WL=7.1 mm,右殼厚WR=8.1 mm,質(zhì)量m=32 g)代入式(10),計(jì)算得到扇貝入水時(shí)所受的扭矩MT與入水速度v0及入水角度θ0的關(guān)系如圖7所示。從圖7可見(jiàn):入水速度v0= 0.5 m/s,入水角度θ0=-60°～-15°時(shí),扇貝受到負(fù)的扭矩作用,左殼朝下回轉(zhuǎn)后著底;入水速度v0=1.0～1.5 m/s,入水角度θ0=-30°～60°時(shí),扇

貝受到正的扭矩作用,左殼朝上回轉(zhuǎn)后著底。

實(shí)際上扇貝入水后受到水的阻力,運(yùn)動(dòng)速度v會(huì)比入水速度v0小;而運(yùn)動(dòng)方向改變后,左右殼嚙合線(xiàn)與重力方向的夾角θ和入水角度θ0不同,使重力作用在扇貝上的扭矩變小。但是,入水速度越快,扇貝所受正的扭矩越大,使左殼朝上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)是一樣的。

圖7 總扭矩與入水速度、入水角度的關(guān)系Fig.7 Relationship between theoretic resultant moment (MT)and angle(θ0)and velocity(v0)of the scallop entering water

由以上分析可知,在入水速度v0=1.0～1.5 m/s,入水角度θ0=-30°～60°的條件下,將扇貝投入靜水中,扇貝左殼朝上著底,實(shí)現(xiàn)左殼定向是可能的。

2.3 左殼朝上運(yùn)動(dòng)所需的距離與時(shí)間

圖8 是扇貝在不同入水速度下左殼朝上運(yùn)動(dòng)所需要的距離。從圖8可見(jiàn):入水速度越大,扇貝完成左殼朝上運(yùn)動(dòng)所需的距離越小。當(dāng)扇貝的入水速度為0.5 m/s時(shí),扇貝在水中水平方向的運(yùn)動(dòng)距離為24.5 cm,垂直方向的運(yùn)動(dòng)距離為27 cm;入水速度為1.0 m/s時(shí),扇貝在水中水平方向的運(yùn)動(dòng)距離為28 cm,垂直方向的運(yùn)動(dòng)距離為26 cm;入水速度為1.5 m/s時(shí),扇貝在水中水平方向的運(yùn)動(dòng)距離為30 cm,垂直方向的距離為22 cm;入水速度為3 m/s時(shí),扇貝在水中水平方向的運(yùn)動(dòng)距離為12 cm,垂直方向的運(yùn)動(dòng)距離僅為8 cm。為了避免扇貝在水下運(yùn)動(dòng)時(shí)與水槽的側(cè)壁發(fā)生沖撞,扇貝定向用水槽的直徑必須在60 cm,槽深在26 cm以上。

圖8 扇貝左殼朝上運(yùn)動(dòng)所需的距離Fig.8 Moving distance required during scallop turning left shell upward in water

圖9 為左殼朝上運(yùn)動(dòng)所需時(shí)間與入水速度的關(guān)系。從圖9可見(jiàn),入水速度越大,扇貝在水中完成左殼朝上運(yùn)動(dòng)所需的時(shí)間越短。入水速度為0.5 m/s時(shí),所需時(shí)間為0.54 s;入水速度為3 m/s時(shí),時(shí)間僅為0.09 s。

圖9 左殼朝上所需時(shí)間與入水速度的關(guān)系Fig.9 Relationship between time(t)required for turning left shell upward and velocity(v0)of the scallop entering water

由式(10)可知,流體作用在扇貝上的扭矩與入水速度的平方成正比,入水速度越快,流體作用在扇貝上的扭矩越大,扇貝回轉(zhuǎn)速度越快,完成左殼朝上動(dòng)作所需的距離和時(shí)間也就越短。

自動(dòng)鉆孔機(jī)的生產(chǎn)率為60～100個(gè)/min,即需要每隔0.6～1 s供給一個(gè)扇貝。本方法在0.42～0.45 s(入水速度為1.0～1.5 m/s)內(nèi)完成定向,能夠滿(mǎn)足要求。

2.4 附著物與活性度對(duì)左殼朝上率的影響

將貝殼表面附著有藤壺的扇貝在入水角度為0°,入水速度也為0 m/s的狀態(tài)下投入靜水中,左殼朝上率比沒(méi)有附著物的低。藤壺附著面積約為35 mm2,高度約為3 mm時(shí),扇貝左殼的朝上率為97%;附著面積約為80 mm2,高度約為5 mm時(shí),扇貝左殼朝上率降為84%。扇貝左殼附著異物后重心位置有變化,流體阻力增加,影響了左殼朝上運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性。實(shí)際生產(chǎn)中,應(yīng)先將扇貝表面的附著物除掉。另外,受到觸動(dòng)后活性好的扇貝左右兩

殼立即閉合,活性差的兩殼張開(kāi)不變。兩殼開(kāi)口在5 mm以上時(shí),左殼朝上率只有57%,所以,扇貝要在活性好的情況下進(jìn)行處理。

3 結(jié)論

本研究中,對(duì)實(shí)現(xiàn)吊耳法養(yǎng)殖蝦夷扇貝的鉆孔作業(yè)自動(dòng)化必需的左殼定向方法進(jìn)行了研究。提出利用扇貝左右殼曲率不同的形狀特征,通過(guò)控制入水速度和角度,使扇貝在靜水中左殼朝上運(yùn)動(dòng)后著底,實(shí)現(xiàn)左殼定向。另外,從理論上分析了扇貝在水中左殼朝上運(yùn)動(dòng)的原理,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)定向條件——入水速度和角度及完成左殼朝上運(yùn)動(dòng)所需運(yùn)動(dòng)距離和時(shí)間進(jìn)行了討論,為定向裝置的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1)扇貝在水中運(yùn)動(dòng)時(shí),左右兩殼所受壓力不同,扇貝在流體壓力差和重力的作用下實(shí)現(xiàn)左殼朝上。

2)在入水速度為1.0～1.5 m/s、入水角度為-30～60°、水槽的直徑為60 cm、槽深為26 cm以上的條件下,可實(shí)現(xiàn)扇貝左殼朝上定向,完成定向所需時(shí)間為0.42～0.45 s。因?yàn)樵摱ㄏ蚍椒ㄊ窃谒型瓿傻?避免了機(jī)械定向中振動(dòng)、碰撞對(duì)扇貝的損傷,并減小了因加工過(guò)程中扇貝在空氣中暴露對(duì)其生長(zhǎng)的影響。

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A left shell orientation method in scallop suspending culture via a hinge

LIN Ai-guang,MA Xian-ying,DING Xiao-fei,XIE Zhong-dong
(Research Center of Fisheries Equipment and Engineering of Liaoning Province,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China)

Yesso scallop(Patinopecten yessoensis)suspending culture drilling of a hole in the hinge on the left shell,and the scallops are often damaged,even death due to the vibration.A novel method to ensure the left shell orientation in water was studied by the different radius of left-right shell curvature and by regulation of the speed and angle of scallop entering water for automatic in-line positioning and posturing of the scallop shell.The results showed that the pressure on the left and right shells was found different when the scallop moved in the water.The left shell moved up under the different levels of fluid pressure and the role of gravity,that is,showed up-oriented at water current varying from 1.0 to 1.5 m/s,in a 60 cm diameter and 26 cm depth tank within 0.42 s to 0.45 s when the scallop was put into the water at a angle from-30°to 60°.This method is characterized by undamaged scallops caused by vibration and impact,and less the influence on growth of the scallop exposed to the air.

scallop;culture via a hinge method;left shell;orientation

S951

A

2095-1388(2011)05-0381-05

2010-12-18

遼寧省海洋與漁業(yè)廳資助項(xiàng)目(200806)

林艾光(1959-),女,博士,副教授。E-mail:linagcn@yahoo.com.cn