利用水射流剝離海灣扇貝貝柱的方法及裝置

解秋陽(yáng) 王家忠 弋景剛

XIE Qiu－yangWANG Jia－zhongYI Jing－gang

姜海勇 徐鵬云 劉江濤

JIANG Hai－yong XU Peng－yunLIU Jiang－tao

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071000）

（College of Mechanical and Electrical Engineering，Agricultural University of Hebei，Baoding，Hebei 071000，China）

就目前而言，扇貝加工可分為人工剝離和機(jī)械剝離兩種方式，人工剝離雖然剝離精準(zhǔn)且剝離質(zhì)量高，但是剝離效率太低而且食品安全問(wèn)題無(wú)法保證。國(guó)外扇貝的機(jī)械加工起步較早，目前主要有超高壓脫殼、冷凍式脫殼、激光脫殼［1－3］等機(jī)械。超高壓脫殼機(jī)械在加工過(guò)程中調(diào)用600 MPa的靜壓來(lái)加工扇貝，在處理3 min后瞬時(shí)減壓，閉殼肌可以從貝殼上完整的剝離開(kāi)來(lái)。該設(shè)備只能將閉殼肌連同臟器一起剝離，而無(wú)法進(jìn)一步將閉殼肌同外套膜臟器分離開(kāi)來(lái)。而且超高壓難以獲得，設(shè)備成本太高。激光脫殼機(jī)械在加工過(guò)程中通過(guò)激光器產(chǎn)生激光，而后由反射鏡傳遞并通過(guò)聚集鏡照射到扇貝表面，使扇貝表面受到強(qiáng)大的熱能而溫度急劇增加，從而使閉殼肌同貝殼結(jié)合處斷裂實(shí)現(xiàn)殼肉分離。該設(shè)備也不能實(shí)現(xiàn)閉殼肌同外套膜臟器的分離，且設(shè)備昂貴。中國(guó)在此方面仍屬空白［4，5］。上述設(shè)備雖然可以實(shí)現(xiàn)扇貝脫殼加工，但在產(chǎn)量和在回收利用方面上還亟待完善。海灣扇貝貝殼呈扇形，兩殼幾乎相等，右殼稍高，后耳大于前耳，殼表面有放射肋18條，平均殼高在5 cm左右，其閉殼肌緊貼于扇貝殼體內(nèi)凹面。海灣扇貝由于其特殊的結(jié)構(gòu)，普通的剝離方式并不適用其閉殼肌的剝離，這給海灣扇貝閉殼肌的加工造成了一定的困難。因此，研究閉殼肌的新型剝離方式就顯得尤為重要。

海灣扇貝閉殼肌是一種黏彈性，圓柱型束狀纖維肌肉組織，其一端緊貼于扇貝殼體內(nèi)凹面。而內(nèi)凹面是一種復(fù)雜的曲面［6］，采用刀具剝離會(huì)導(dǎo)致殼體破壞產(chǎn)生雜質(zhì)，或者導(dǎo)致閉殼肌破裂而降低產(chǎn)品質(zhì)量。這種特殊結(jié)構(gòu)給海灣扇貝閉殼肌的加工造成了一定的困難。然而，水刀技術(shù)是以水為介質(zhì)，通過(guò)高壓發(fā)生裝置獲得能級(jí)極高的流束，從一定形狀的噴嘴中高速?lài)娚涑鰜?lái)，用以實(shí)現(xiàn)切割、破碎、剝離、清洗等作用。水刀技術(shù)在人體外科手術(shù)中已經(jīng)開(kāi)始運(yùn)用，如運(yùn)用水射流切割壞死的肝臟組織，可實(shí)現(xiàn)肝臟內(nèi)部組織的選擇性剝離，采用磨料水射流可進(jìn)行人體骨骼的切割等，而且手術(shù)效果可與常規(guī)手術(shù)效果媲美［7，8］。為保證食用安全及加工質(zhì)量，受到醫(yī)用水刀的啟發(fā)，可以通過(guò)改變射流形狀、射流壓力以及其他相應(yīng)參數(shù)，利用射流同海灣扇貝閉殼肌之間的相互作用達(dá)到剝離閉殼肌的目的。

1 利用水射流剝離貝柱方法的提出

在之前所做的水射流剝離貝柱的試驗(yàn)中，將試驗(yàn)所需樣本固定在夾具上，將射流壓力、噴嘴靶距、噴射角度、噴射時(shí)間等參數(shù)調(diào)整至適當(dāng)值，進(jìn)行水射流剝離貝柱的試驗(yàn)過(guò)程中，噴嘴固定不動(dòng)，即水射流始終沖擊一個(gè)點(diǎn)，其剝離方式見(jiàn)圖1。試驗(yàn)結(jié)果表明，絕大多數(shù)貝柱能被剝離，貝柱表面基本光滑，無(wú)傷痕，但在殼體上不免會(huì)有些許肉質(zhì)殘留。分析上述貝柱剝離過(guò)程，參照銑削加工［9］，可以移動(dòng)噴嘴，確保水射流沿著貝柱中心所在的曲線剝離貝柱，其剝離方式見(jiàn)圖2。

圖1 射流方向唯一Figure 1 The only jet direction

圖2 射流沿曲線Figure 2 Jet along the curve

為了驗(yàn)證其試驗(yàn)效果，分別從45～50，50～55，55～60，60～65 mm 4個(gè)級(jí)別的扇貝中隨機(jī)選取200個(gè)作為試驗(yàn)樣本，分為A、B兩組，進(jìn)行剝離對(duì)比試驗(yàn)，A組射流始終沖擊一個(gè)點(diǎn)，即不沿貝柱中心所在的內(nèi)壁曲線，B組使射流沿貝柱中心所在內(nèi)壁曲線剝離貝柱。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1、2。

表1 射流不沿貝柱中心所在內(nèi)壁曲線剝離貝柱的效果Table 1 Stripping effect that jet donot along the curve

表2 射流沿貝柱中心所在內(nèi)壁曲線剝離貝柱的效果Table 2 stripping effect that jet along the curve

通過(guò)分析表1、2可知，當(dāng)射流沿貝柱中心所在內(nèi)壁曲線剝離貝柱時(shí)，扇貝貝柱破損率要低于射流位置固定時(shí)的貝柱破損率，殼體表面的肉質(zhì)殘留率也相對(duì)較低，貝柱剝離率基本相當(dāng)。試驗(yàn)結(jié)果證明，當(dāng)射流沿貝柱中心所在內(nèi)壁曲線剝離貝柱時(shí)效果更好。

2 貝柱中心所在的內(nèi)壁截面曲線的擬合

2.1 曲線擬合的意義

通過(guò)上述對(duì)比試驗(yàn)，證明了當(dāng)射流始終沿著貝柱中心所在的內(nèi)壁曲線對(duì)貝柱進(jìn)行剝離時(shí)，其剝離效果要比射流方向固定時(shí)的效果要好。為進(jìn)一步研究這種剝離方式，實(shí)現(xiàn)貝柱的自動(dòng)化剝離，為后續(xù)的水射流剝離貝柱自動(dòng)裝置的研發(fā)提供理論基礎(chǔ)，對(duì)扇貝貝柱中心所在的內(nèi)壁曲線進(jìn)行擬合就顯得尤為重要。

2.2 曲線擬合的過(guò)程

為了擬合出扇貝貝柱中心所在的內(nèi)壁曲線并得到其方程，首先要確定貝柱在殼體上的分布位置。將海灣扇貝按直徑L 不同分為45～50，50～55，55～60，60～65 mm 4個(gè)級(jí)別。貝柱所在殼體上的相對(duì)位置見(jiàn)圖3，經(jīng)測(cè)量計(jì)算并統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，得出45～50，50～55，55～60，60～65 mm 4個(gè)級(jí)別的扇貝貝柱中心在殼體內(nèi)的L和H 方向的相對(duì)位置分別為（0.360 2，0.385 3），（0.361 8，0.390 1），（0.366 4，0.394 6），（0.372 5，0.398 3）。

圖3 貝柱位置Figure 3 Scallop column position

貝柱的位置確定后，在殼體內(nèi)壁上描繪出貝柱中心所在的曲線并將殼體沿該曲線切割，將此曲線掃描至計(jì)算機(jī)，運(yùn)用getdata graph digitizer軟件描點(diǎn)得到曲線上的一系列點(diǎn)的坐標(biāo)，然后通過(guò) MATLAB軟件進(jìn)行曲線的擬合［10，11］。隨機(jī)挑選50～55 mm級(jí)別中的一個(gè)扇貝，以此為例來(lái)說(shuō)明MATLAB的曲線擬合結(jié)果，輸入下列程序：

程序中x和y后面括號(hào)內(nèi)對(duì)應(yīng)的是描點(diǎn)得到的一系列點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)值，執(zhí)行此程序后進(jìn)入曲線擬合界面，選擇多項(xiàng)式的擬合方式，分別進(jìn)行5、6、7次多項(xiàng)式的擬合。擬合結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 五、六、七次多項(xiàng)式的擬合結(jié)果Figure 4 5，6，7 polynomial fitting results

對(duì)應(yīng)的五次多項(xiàng)式擬合方程為

偏差平方和為0.049 32，相關(guān)指數(shù)為0.998 1，對(duì)應(yīng)的六次多項(xiàng)式擬合方程為

偏差平方和為0.031 98，相關(guān)指數(shù)為0.998 8，對(duì)應(yīng)的七次多項(xiàng)式擬合方程為

偏差平方和為0.050 32，相關(guān)指數(shù)為0.998 3，比較擬合結(jié)果可得，六次多項(xiàng)式的擬合方程其偏差平方和小于五次多項(xiàng)式和七次多項(xiàng)式擬合方程的，且其相關(guān)指數(shù)也大于五次多項(xiàng)式和七次多項(xiàng)式擬合方程的。通過(guò)對(duì)比擬合得出的各個(gè)方程的偏差平方和及相關(guān)指數(shù)并結(jié)合圖像可以得出，采用六次多項(xiàng)式所得擬合結(jié)果要好于五次和七次多項(xiàng)式的。六次多項(xiàng)式的擬合結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 六次多項(xiàng)式的擬合結(jié)果Figure 5 6th polynomial fitting results

按照上述擬合方法，分別從45～50，50～55，55～60，60～65 mm 4個(gè)級(jí)別的扇貝中隨機(jī)挑選50個(gè)，對(duì)其貝柱中心所在曲線分別進(jìn)行五，六，七次多項(xiàng)式擬合。由擬合結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，采用六次多項(xiàng)式所得到的擬合結(jié)果均好于采用五次和七次多項(xiàng)式的。因此采用六次多項(xiàng)式的擬合方程對(duì)曲線進(jìn)行描述。

對(duì)比每個(gè)級(jí)別所得出的50個(gè)六次擬合方程，發(fā)現(xiàn)方程對(duì)應(yīng)項(xiàng)的系數(shù)差別非常小，因此，為實(shí)現(xiàn)水射流剝離貝柱的自動(dòng)化，對(duì)相應(yīng)各點(diǎn)取平均值后得到平均曲線，用它來(lái)近似描述4個(gè)級(jí)別的扇貝貝柱中心所在曲線。圖6～9分別為擬合出的45～50，50～55，55～60，60～65 mm 4個(gè)級(jí)別的扇貝貝柱中心曲線的平均曲線及其方程：

圖6 45～50 mm級(jí)別貝柱中心曲線的平均曲線Figure 6 The average curve of the level 45～50 mm

圖7 50～55 mm級(jí)別貝柱中心曲線的平均曲線Figure 7 The average curve of the level 50～55 mm

圖8 55～60 mm級(jí)別貝柱中心曲線的平均曲線Figure 8 The average curve of the level 55～60 mm

圖9 60～65 mm級(jí)別貝柱中心曲線的平均曲線Figure 9 The average curve of the level 60～65 mm

3 水射流剝離貝柱的數(shù)控裝置

水射流剝離貝柱數(shù)控裝置應(yīng)由控制部分和機(jī)械部分兩部分組成。在控制系統(tǒng)中，預(yù)先將擬合出的4個(gè)級(jí)別的扇貝貝柱中心曲線的平均曲線的方程存入，然后根據(jù)所要?jiǎng)冸x的扇貝的級(jí)別從系統(tǒng)中選取相應(yīng)級(jí)別的貝柱中心平均曲線對(duì)剝離過(guò)程進(jìn)行控制。機(jī)械部分主要有夾具部分、夾具體進(jìn)給部分、夾具角度擺動(dòng)部分、射流噴嘴高度調(diào)整部分及射流噴嘴角度擺動(dòng)部分。各部分運(yùn)動(dòng)均由伺服電機(jī)進(jìn)行精確控制。裝置工作時(shí)，首先將所要加工的扇貝置于夾具中夾緊，控制系統(tǒng)根據(jù)扇貝級(jí)別調(diào)取相應(yīng)的控制信息，調(diào)整射流噴嘴和扇貝位置，使其處于設(shè)定的噴射角度和靶距。通過(guò)噴嘴高度調(diào)整，角度調(diào)整以及扇貝隨夾具體的進(jìn)給和角度擺動(dòng)這幾個(gè)動(dòng)作同步協(xié)調(diào)進(jìn)行，控制水射流按設(shè)定的曲線對(duì)貝柱進(jìn)行剝離。裝置總體構(gòu)成圖見(jiàn)圖10。

圖10 總體構(gòu)成圖Figure 10 The overall configuration diagram

4 結(jié)論

本研究基于海灣扇貝的生物特性，受醫(yī)用水刀及銑削加工的啟發(fā)，提出了利用水射流沿貝柱中心所在曲線對(duì)貝柱進(jìn)行剝離的方法，并通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)得出了該方法的可行性及剝離質(zhì)量好、剝離率高的優(yōu)點(diǎn)。而后擬合得出了4個(gè)級(jí)別的扇貝貝柱中心所在曲線的平均曲線，根據(jù)利用水射流沿貝柱中心曲線剝離貝柱的方法，以擬合得到的4條平均曲線為理論依據(jù)給出了水射流剝離貝柱的數(shù)控裝置的初步設(shè)想。由于水射流自身具有干凈衛(wèi)生的特點(diǎn)，因此該方法在貝柱剝離方面具有很大的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿?，水射流剝離貝柱數(shù)控裝置還需進(jìn)一步設(shè)計(jì)、優(yōu)化，以便達(dá)到更佳的剝離效果。

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