海灣扇貝性狀分析及V型輪輥式分級機設(shè)計

吳紅雷 弋景剛 張志軍 尹欣玲

（College of Mechanical and Electrical Engineering，Agricultural University of Hebei，Baoding，Hebei 071001，China）

海灣扇貝是海產(chǎn)的雙殼貝類，屬于軟體動物門（扇貝科），除供人類食用及作為營養(yǎng)佳品以外，還有著悠久的藥用歷史，具有很高的經(jīng)濟效益和社會價值。中國扇貝深加工目前仍然止步于人工加工的前處理階段。人工剝離貝柱屬于勞動密集型產(chǎn)業(yè)，隨著中國人工成本逐年提升，扇貝加工的利潤空間不斷降低。而扇貝專用分級機仍處于研發(fā)階段，國內(nèi)外并沒有扇貝專用的分級設(shè)備。國外較早開始研究扇貝剝離機構(gòu)及成套生產(chǎn)設(shè)備，以歐美、日本等國家為代表，擁有多項專利，并且設(shè)備已較為完善。其主要產(chǎn)品有：美國NC Hyperbaric公司生產(chǎn)的超高壓扇貝加工設(shè)備；冰島Traust公司的可船載扇貝加工生產(chǎn)線；日本日興株式會社扇貝加工流水線；而分級設(shè)備多以重量式分級設(shè)備和光電式分級設(shè)備為主［1］。中國扇貝機械加工技術(shù)尚未成熟，生產(chǎn)機械化水平仍然較低，提高扇貝制品的生產(chǎn)率，降低扇貝制品生產(chǎn)成本，使其加工機械化、規(guī)范化、安全化勢在必行［2，3］。

分級是海灣扇貝進行大批量、工業(yè)化加工所必需的前處理工藝，考慮到形態(tài)性狀和重量性狀是科學分級的重要依據(jù)，因此對形態(tài)性狀和重量性狀進行相關(guān)性分析［4，5］，確定一種性狀作為分級的決定性因素，為分級機的設(shè)計提供關(guān)鍵的設(shè)計參數(shù)。針對確定的關(guān)鍵性狀、海灣扇貝物理特點及現(xiàn)有的分級技術(shù)進行其分級機結(jié)構(gòu)設(shè)計，達到高效、低損傷率的分級效果，為推動扇貝加工產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展提供基礎(chǔ)。

1 相關(guān)性分析

1.1 材料

本次研究選取山東青島海灣扇貝為試驗材料，養(yǎng)殖年齡：5個月；所屬海域：黃海；捕撈時間：48h；挑出活體扇貝（活率很高），以無寄生物或寄生物很少的200只作為研究對象，分別測定其形態(tài)性狀（圖1）殼高（X1）、殼長（X2）、殼厚（X3）和重量性狀活體濕重（Y）、軟體濕重（Z）、閉殼肌濕重（W），其中軟體濕重、閉殼肌濕重為解剖性狀。

圖1 扇貝形態(tài)性狀Figure 1 Scallops morphological traits

1.2 海灣扇貝性狀測量

材料活體運回實驗室后測量其形態(tài)性狀指標并稱量活體濕重、軟體濕重和閉殼肌濕重。殼高、殼長、殼厚用游標卡尺（測量精度：0.02mm）測量（圖1），其中殼高指殼頂?shù)礁咕壍淖畲缶嚯x，殼長指貝殼左右邊緣最大距離，殼厚指兩殼間的最大距離；重量性狀用電子秤（測量精度：0.1g）稱量，其中活體濕重指活貝全重量；軟體濕重指剝離下的殼內(nèi)全部組織的重量；閉殼肌濕重指剝離下的閉殼肌的重量。

1.3 分析方法

形態(tài)性狀和重量性狀測定結(jié)果經(jīng)統(tǒng)計整理，獲得各項表型參數(shù)統(tǒng)計量后利用Excel軟件進行分析［6］。分別進行相關(guān)分析和通徑分析，剖析這些性狀對解剖性狀的直接作用和間接影響［7，8］。

1.4 結(jié)果與分析

1.4.1 數(shù)據(jù)的正態(tài)性檢驗 利用Excel工具中的數(shù)據(jù)分析進行描述統(tǒng)計，結(jié)果見表1。統(tǒng)計結(jié)果顯示海灣扇貝各性狀數(shù)據(jù)的偏斜度很小，接近于0，說明各組數(shù)據(jù)近似滿足正態(tài)要求，進行相關(guān)和通徑分析的結(jié)果可靠。

1.4.2 各性狀間的相關(guān)系數(shù) 對各性狀表型值進行相關(guān)分析，結(jié)果（見表2）表明：海灣扇貝各性狀之間均為正相關(guān)且達到顯著水平及極顯著水平，表明所選擇的指標進行相關(guān)分析具有重要的實際意義。從海灣扇貝形態(tài)性狀與重量性狀的相關(guān)性來看，其與活體濕重的相關(guān)大小依次為：殼長＞殼高＞殼厚；其與軟體濕重的相關(guān)大小依次為：殼長＞殼高＞殼厚；其與閉殼肌濕重的相關(guān)大小依次為：殼長＞殼厚＞殼高；與各重量性狀的相關(guān)性大小為活體濕重＞軟體濕重＞閉殼肌濕重。形態(tài)性狀殼長與重量性狀的相關(guān)性最大，與活體濕重、軟體濕重和閉殼肌濕重的相關(guān)系數(shù)分別為0.869 6，0.810 1，0.658 6，而殼厚與重量性狀相關(guān)性最小，與活體濕重、軟體濕重和閉殼肌濕重的相關(guān)系數(shù)分別為0.776 6，0.610 0，0.578 5。

表1 海灣扇貝各性狀描述統(tǒng)計Table 1 Descriptive statistics for each properties of bay scallops

表2 海灣扇貝各性狀間的相關(guān)系數(shù)Table 2 The correlation coefficient between each properties of bay scallops

表2 海灣扇貝各性狀間的相關(guān)系數(shù)Table 2 The correlation coefficient between each properties of bay scallops

顯著水平時的臨界α＝0.513 9，極顯著水平時的臨界γ＝0.641 1。

性狀 X1 X2 X3Y Z W X11 X2 0.912 706 1 X3 0.508 306 0.664 416 1 Y 0.800 775 0.869 603 0.776 666 1 Z 0.690 191 0.810 173 0.610 099 0.915 861 1 W 0.535 681 0.658 679 0.578 547 0.828 068 0.878 487 1

1.4.3 形態(tài)性狀對重量性狀的通徑系數(shù) 根據(jù)相關(guān)系數(shù)的組成，可將各形態(tài)性狀與重量性狀的相關(guān)系數(shù)剖分為各性狀的直接作用（通徑系數(shù)）和某一性狀通過其他形態(tài)性狀的間接作用（間接通徑系數(shù)）兩個部分。某一自變量通過另一自變量間接作用于依變量的間接通徑系數(shù)等于另一自變量的直接通徑系數(shù)乘以二者的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見表3。

由表3可知，對海灣扇貝而言：形態(tài)性狀對活體濕重的直接作用為殼厚＞殼長＞殼高，殼厚、殼高、殼長均與活體濕重呈正相關(guān)；對軟體濕重的直接作用為殼長＞殼高＞殼厚，其中殼長、殼厚與軟體濕重呈正相關(guān)，而殼高呈負相關(guān)；對閉殼肌濕重的直接作用為殼長＞殼厚＞殼高，殼長、殼厚和殼高均與閉殼肌濕重呈正相關(guān)。形態(tài)性狀殼高對重量性狀的直接作用并不是很大，主要是通過殼長的間接作用影響重量性狀的。所測各形態(tài)性狀中殼厚對活體濕重的直接影響最大（0.405 6）且大于間接影響，殼高和殼長對活體濕重的直接影響小于間接影響；殼長對軟體濕重的直接影響最大（0.976 5），殼高和殼厚的間接影響大于直接影響；殼長對閉殼肌濕重的影響最大（0.770 9），殼高和殼厚對閉殼肌濕重的間接影響大于直接影響。

1.5 關(guān)鍵性狀分析

海灣扇貝的重量性狀是最終的選擇分級性狀，而形態(tài)性狀較容易測量，通過形態(tài)性狀進行重量性狀的選擇具有重大意義。通過相關(guān)分析和通徑分析進行海灣扇貝形態(tài)性狀對重量性狀的影響研究，通徑分析表明，海灣扇貝形態(tài)性狀對各重量性狀的影響是不同的。結(jié)果表明：殼厚是影響海灣扇貝活體濕重的重要指標，但其對活體濕重的影響只是略大于殼長對活體濕重的影響；殼長對海灣扇貝軟體濕重和閉殼肌濕重具有很大的直接影響。綜合各組的影響程度，殼長對重量性狀的影響作用最大，選擇殼長作為分級工作的關(guān)鍵性狀更為合理。

表3 間接通徑系數(shù)Table 3 Path coefficients

圖2 扇貝分級機的結(jié)構(gòu)示意圖Figure 2 Structure diagram of scallop classifier

2 分級機結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)上述形態(tài)性狀與重量性狀相關(guān)性分析，得出殼長作為分級工作的關(guān)鍵性狀。綜合分析現(xiàn)有的分級機包括格柵滾筒式、珠式、多滾筒式和輥式分級機優(yōu)缺點［9－11］，結(jié)合海灣扇貝貝殼呈扇形，兩殼幾乎相等，后耳大于前耳，殼面有放射肋18條，肋較寬且高起，肋上無棘等物理特性，本設(shè)計采用V型輪輥式分級方法，可通過連續(xù)調(diào)節(jié)相鄰兩V型輪間距大小來對海灣扇貝進行分級。扇貝分級機結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。圖3為分級機的三維整機模型。

海灣扇貝分級機的工作原理：整機分三步工序：① 定向，上層的光桿安裝在第一變螺距絲杠上，光桿間隙逐漸變大，第一變螺距絲桿在減速電機帶動下驅(qū)動光桿旋轉(zhuǎn)，從而將扇貝向后輸送，扇貝在光桿與自身的物理特性作用下，當光桿間隙達到扇貝殼厚后，落入光桿間隙中，扇貝落到V型輪上且背緣朝上，完成定向；② 分級，下層的V型輪安裝在支撐軸上，支撐軸由鏈條串聯(lián)在一起，V型輪在起分級作用時，支撐軸由第二變螺距絲杠驅(qū)動，V型輪間隙由左向右逐漸變大，當V型輪間隙等于殼長時扇貝落入相應(yīng)級的輸料帶上，V型輪完成分級工作后，支撐軸由鏈條經(jīng)兩側(cè)安裝的鏈輪繼續(xù)循環(huán)運動；③ 輸料，扇貝落入相應(yīng)級別的輸料帶后，被輸送到收集箱內(nèi)，完成分級。

3 關(guān)鍵零部件V型輪設(shè)計

圖3 扇貝分級機三維立體圖Figure 3 Three-dimensional stereogram of scallops classifier

根據(jù)上述對海灣扇貝的形態(tài)性狀與重量性狀相關(guān)性分析與通徑分析，得出由殼長作為最終判定分級級別，因此如何控制扇貝殼長如其它分級機控制直徑成為扇貝分級機的關(guān)鍵一樣，由此設(shè)計了V型輪輥式的分級方式，V型輪卡住扇貝的腹緣。V型輪穿在支撐軸上，當V型輪支撐軸間距增大時，相鄰兩V型輪間支撐的扇貝就會在與自己殼長相同時從兩V型輪間落下。

V型輪尺寸的確定：經(jīng)過大量測量與觀測得出扇貝距左右兩側(cè)腹緣15mm時殼寬度L1、L2波動范圍不大（見圖4）。由此測出100只扇貝X2、X3、L1、L2并做描述統(tǒng)計。結(jié)果表明：隨機抽取扇貝的殼長在44.10～61.98mm變化時，其L1、L2波動量相對較小，L1示偏斜度為0.062 8，L2示偏斜度為0.859 0。由L1殼平均尺寸為15.166mm，最小值為14.18mm。L1平均尺寸為14.584mm，最小值為14.08mm。由此確定V型槽的寬度和深度見圖5。

圖4 分級參數(shù)測量Figure 4 The measurement of grader parameters

圖5 V型輪結(jié)構(gòu)圖Figure 5 The structure of V wheel

針對設(shè)計的V型輪，制作小型實驗裝置進行驗證，實驗裝置見圖6，每根支撐軸上穿5個V型輪，隨機選取扇貝5個一組，共10組。并對其進行測量記錄，以組為單位進行分級驗證實驗，實驗結(jié)果驗證了理論分析。

4 結(jié)束語

（1）通過對海灣扇貝形態(tài)性狀與重量性狀的相關(guān)性分析與通徑分析，發(fā)現(xiàn)殼長對軟體濕重和閉殼肌濕重有很大的直接影響，確定殼長作為分級工作的關(guān)鍵性狀。

（2）結(jié)合海灣扇貝的物理特性和分級要求，以殼長為分級性狀，綜合現(xiàn)有分級技術(shù)設(shè)計了一種V型輪輥式海灣扇貝分級機；并對其分級理論進行了實驗驗證，結(jié)果表明設(shè)計合理、結(jié)構(gòu)新穎，滿足了分級的要求。

（3）利用Solid-works搭建了V型輪輥式海灣扇貝分級機三維整機模型。

圖6 扇貝分級實驗效果圖Figure 6 Test rendering of scallops grading

整機的合理化設(shè)計是一個復(fù)雜的過程，有必要利用Solid-works對三維模型做進一步的運動仿真與分析，確定傳動參數(shù)，實現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計，最后制作樣機。

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