海貝柱自動晾曬設備設計

劉 曉， 侯加林 ， 張觀山 ， 周 偉

(1 山東農業(yè)大學機械與電子工程學院，山東 泰安 271018； 2 山東乳山華信食品有限公司，山東 威海 264500)

海貝柱自動晾曬設備設計

劉 曉1， 侯加林1， 張觀山1， 周 偉2

(1 山東農業(yè)大學機械與電子工程學院，山東 泰安 271018； 2 山東乳山華信食品有限公司，山東 威海 264500)

針對當前傳統(tǒng)人工晾曬海貝柱效率低下、容易造成污染等問題。設計了海貝柱自動晾曬機械，采用階梯式晾曬生產線對濕海貝柱分級晾曬，多條晾曬生產線分時、高效的工作，機器上方設有遮板以保證晾曬作業(yè)不被污染而且不受天氣條件的影響。整機采用stm32單片機、傳感器等技術實現(xiàn)自動化作業(yè)，機器控制系統(tǒng)監(jiān)測到生產線發(fā)生故障或海貝柱出現(xiàn)堆積時會立即停止工作以便于檢查故障、減少損失。試驗結果表明：機械晾曬不會造成海貝柱內的營養(yǎng)成分的流失，機械晾曬海貝柱的干基含水率達到30%僅需12h，機械晾曬海貝柱能節(jié)省大量的干燥時間，顯著的提高了晾曬效率，避免了人工晾曬過程導致的二次污染和損失。該研究為海貝柱自動晾曬機械的研制提供了技術參考。

海貝柱；晾曬機械；傳感器；自動化

扇貝具有較高的營養(yǎng)價值及藥用價值，其閉殼肌的干制品俗稱干貝，其營養(yǎng)價值極高，深受消費者喜愛。海產貝類的干燥是貝類加工過程中的重要環(huán)節(jié)。目前干制品的生產仍然停留在較低的傳統(tǒng)加工水平上，即主要以小作坊式的自然風干加工為主，衛(wèi)生條件難以得到保證，生產周期較長，干燥手段落后和生產效率低下已經成為制約扇貝干制品發(fā)展的重要原因[3-4]。海貝柱自動晾曬設備(以下簡稱晾曬設備)是專門為智能、高效地完成貝柱干燥而設計。當扇貝柱從貝殼上脫離并煮熟冷卻之后[5-10]，晾曬設備可使多條干燥生產線分時工作，使海貝柱得到充足的晾曬，不僅提高了晾曬效率，而且可節(jié)約大量勞動力，有效帶動和促進當?shù)厣蓉愷B(yǎng)殖戶增產、增收[11-15]。

1 基本結構及工作原理

1.1基本結構

晾曬設備主要由機架、輸入輸送帶、機頭、輸出輸送帶、晾曬生產線、電機及減速機和遮板等部分組成(圖1)，可置于食品加工廠房樓頂，有助于海貝柱的自然晾曬；遮板安裝在晾曬生產線的頂部，用以遮擋雨雪和污染物，保證晾曬不受天氣條件的制約，防止晾曬過程中發(fā)生二次污染。

圖1 晾曬設備結構示意圖Fig.1 Structure of the automatic scallop drying machine

1.2工作原理

通過蒸汽式脫殼技術將海貝柱從貝殼上脫離并將海貝柱蒸煮達到可食用標準的濕海貝柱[16]，晾曬設備工作時，滑輪帶動機頭在機架上行走，當機頭和第一條晾曬生產線對齊時，滑輪停止轉動，電機及減速機開始工作，濕海貝柱由輸入輸送帶通過機頭輸送至第一條晾曬生產線上，每一條晾曬生產線分為四段階梯式晾曬紗網。當?shù)谝粭l生產線的第一段晾曬紗網鋪滿時，機頭運動至第二條生產線并與之對齊然后將第二條生產線的第一段晾曬紗網鋪滿濕海貝柱，以相同方式，直至三條生產線的晾曬紗網鋪滿濕海貝柱(圖2)。晾曬一段時間后，三條生產線把晾曬完畢的海貝柱輸送至輸出輸送帶上，將干海貝柱收集起來以便于進行封裝貯存銷售。

圖2 貝柱晾曬流程圖Fig.2 Structure of the automatic scallop drying machine

2 晾曬設備設計

2.1機頭機構

機頭機構包括機架、輸送帶2～4、滑輪、行程開關、擋板和電機及減速機1～3(圖3)。

圖3 機頭機構結構示意圖Fig.3 Structure of the nose mechanism

機架為整體結構框架，輸送帶2上垂直設置柔性材料的撥板，海貝柱由輸送帶2末端位置落至輸送帶3上，輸送帶4安裝在機架上，機架下方設有可活動滑輪，滑輪內有電機，滑輪滑動帶動機架在輸入輸送帶上前后滑動，行程開關安裝在機架下側，用以檢測整個機架所在位置；擋板安裝在機架上并位于輸送帶3的左側以防海貝柱濺落。機頭工作時，輸送帶2將來自輸入輸送帶的海貝柱撥至輸送帶3上，輸送帶4將海貝柱輸送至晾曬生產線。

2.2晾曬生產線

晾曬生產線包括機架3、驅動部分、從動部分、晾曬紗網1～4、鏈條、電機及減速機4～7、激光對射傳感器和滑板(圖4)。機架III為晾曬設備的整體框架，每一段晾曬紗網前后各對應設有一個驅動部分和從動部分，用于帶動每層晾曬紗網運動，晾曬紗網固定在鏈條上。晾曬紗網包括晾曬紗網1～4，呈階梯下降設置；激光對射傳感器用以檢測海貝柱是否到達晾曬紗網1的末端；滑板安裝在晾曬紗網2的后端，海貝柱通過滑板從晾曬紗網2滑落至晾曬紗網3，再從高階梯晾曬紗網3落至低階梯晾曬紗網4。

圖4 晾曬生產線結構示意圖Fig.4 Structure of the drying production line

驅動帶座軸承焊接在機架3上，以帶動驅動輪軸的旋轉；電機及減速機安裝在驅動輪軸的右側，用以提供動力；驅動輪軸左右兩側各安裝有一個驅動鏈輪，用以帶動鏈條運動(圖5)。電機及減速機帶動各個驅動鏈輪旋轉，驅動鏈輪帶動鏈條和晾曬紗網運動，同時鏈條帶動從動鏈輪旋轉。從動部分和滑板安裝在晾曬生產線末端位置(圖6)。從動部分的作用是輔助驅動部分的運動更加平穩(wěn)。每條晾曬生產線的上方都設有透光遮板，既能遮擋雨雪和雜物，又能使貝柱得到充分日曬。

圖5 驅動部分結構示意圖Fig.5 Structure of the drive part

圖6 從動部分結構示意圖Fig.6 Structure of the driven part

2.3自動化控制

干燥生產線自動控制是全自動遠程智能調節(jié)系統(tǒng)。通過控制輸入輸出輸送帶、機頭、各晾曬生產線，實現(xiàn)貝柱自動生產干燥一體化。同時，系統(tǒng)具有故障檢測功能，當系統(tǒng)監(jiān)測到故障并停止運轉，或者出現(xiàn)貝柱堆積情況，中心節(jié)點立即發(fā)送控制信號，各生產線立即停止工作，以便檢查故障。自動控制系統(tǒng)由stm32單片機、網關節(jié)點(協(xié)調器)、功能節(jié)點(路由器)組成。協(xié)調器和路由器統(tǒng)稱為全功能設備(FFD)。為了方便網絡的布置，本系統(tǒng)中的功能節(jié)點全都設置成路由節(jié)點。協(xié)調器節(jié)點建立網絡和配置網絡當中的各種參數(shù)，一旦建網成功后協(xié)調器就充當路由器。路由器節(jié)點負責上傳自身或其他節(jié)點向協(xié)調器發(fā)送的數(shù)據(jù)包。硬件設計有激光對射傳感器和行程開關。

采用M12激光對射光電開關傳感器輔助監(jiān)測生產線運行狀態(tài)，以及監(jiān)測干燥生產線貝柱鋪設程度[17]。圖7為激光對射開關實物圖。在控制系統(tǒng)中，使用行程開關[18]檢測機頭確定機頭所在的位置。各節(jié)點采用太陽能供電系統(tǒng)[19]。

圖7 激光對射傳感器Fig.7 Laser beam sensor

2.4系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)采用星型網絡拓撲結構，網絡中設置了一個協(xié)調器節(jié)點和多個終端設備節(jié)點[20]。軟件流程圖如圖8所示。

圖8 軟件流程圖Fig.8 Software flow diagram

2.5晾曬設備樣機

根據(jù)上述設計方案，采用SolidWorks軟件對機器建立三維幾何模型并進行樣機試制，機器的主要技術參數(shù)為：生產線長度24 m，生產線數(shù)量3個，階梯電機功率0.75 kW，配套減速機減速比20∶1。

3 試驗

3.1試驗條件

試驗地點在威海乳山市乳山口鎮(zhèn)工業(yè)園華信集團晾曬場。天氣晴朗，溫度26℃，相對濕度45%。海灣扇貝濕貝柱樣品購于威海乳山市某海鮮市場。晾曬前濕貝柱質量為(36.01±0.15)g，平均干基含水率235%。試驗設備：天平、自動定氮儀、苯酚-硫酸試劑、無水乙醚試劑、烤箱。

3.2試驗過程及結果分析

由于干貝柱加工處理沒有相關標準，試驗參照魷魚干標準，當海貝柱樣品的含水率降至30%時即達到干燥終點[21]。干基含水率以下式計算:

式中：X—貝柱干基含水率，%；m—濕貝柱的質量，g；mc—絕干貝柱的質量，g。

運用常壓干燥法測得海貝柱的含水率，使用自動定氮儀測定海貝柱的蛋白質含量，采用硫酸-苯酚法測得總糖含量，采用索氏抽提法測得粗脂肪含量(表1)。

表1 不同干燥方法海貝柱基本成分的比較Tab.1 Comparison of basic components in scallops for different drying methods

海貝柱樣品經過人工晾曬和機械晾曬后，其基本成分發(fā)生了變化(表1)。兩種晾曬方法都能顯著增加蛋白質含量，而對總糖和脂肪含量沒有顯著變化。這是由于晾曬后，大量的水分流失會導致其他成分占的比例增加，同時可看出經過這兩種自然晾曬后，各成分所占比重差異并不明顯。

在試驗過程中，人工晾曬每2.5 h、機械晾曬每1 h從樣品中取濕貝柱測其質量，并計算出其干基含水率。圖10可以看出，機械晾曬的含水率下降速度明顯大于人工晾曬，干基含水率達到30%，機械晾曬需要12 h，人工晾曬需要50 h，表明使用機械晾曬海貝柱能節(jié)省大量干燥時間。

圖10 干基含水率和晾曬時間的關系Fig.10 Relationship between moisture content of drying base and drying time

4 結論

晾曬生產線使用的晾曬紗網具有通透性，可提高海貝柱晾曬效率；采用鏈傳動，傳動平穩(wěn)，適用于遠距離輸送，并能防止打滑現(xiàn)象；晾曬生產線階梯式，可有效降低人工翻曬海貝柱的勞動強度；晾曬設備上方設有遮板，可讓晾曬在雨雪天氣進行，同時避免了二次污染。試驗表明：機械晾曬方式與熱風干燥等方式相比，能保持干貝的風味和口感，且不會造成營養(yǎng)物質的破壞；與人工晾曬相比，能節(jié)約大量勞動力，提高海貝柱晾曬的工作效率。

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DesignofautomaticdryingscallopmachineLIUXiao1,HOUJialin1,ZHANGGuanshan

1,ZHOUWei2

(1CollegeofMechanicalandElectronicEngineering，ShandongAgriculturalUniversity，Taian271018，China; 2ShandongRushanHuaxinFoodstuffsCo.,Ltd,Weihai264500，China)

In view that the current traditional drying process operated by manual labor is inefficient and may cause pollution and other issues, in this paper, the automatic machine for drying scallop was designed and the wet scallops were dried in a step-wise drying production line after being classified. This drying production line was time-sharing and efficient. The machine had a shutter on its upper surface to ensure that the drying operation was not polluted and weatherproof. The whole machine uses stm32 microcontroller, sensors and other technologies, thus achieving automation operations. If monitoring any failure on the production line or the emergence of accumulation in any scallop, the machine control system will immediately stop working to check the failure, thereby reducing the loss. The experiment showed that the drying process by machine would not cause loss of nutrients in scallops and the drying rate of the dry base of the sea pillars is 30%(which will only take 12 hours). The drying process by machine for scallops can save a lot of drying time, improve drying efficiency and avoid the secondary pollutions and losses caused by drying process by manual labor. This study provides a technical reference for the development of automatic drying machine.

scallop; drying by machine; sensor; automation

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.05.010

2017-08-02

山東省重點產業(yè)關鍵技術創(chuàng)新工程項目(2016CYJS03A02-3)

劉曉(1993—)，男，碩士研究生，研究方向：農業(yè)機械與裝備。E-mail：535441091@qq.com

侯加林(1963—)，男，教授，博士生導師，研究方向：現(xiàn)代農業(yè)裝備技術。E-mail：jlhou@sdau.edu.cn

S986.1

A

1007-9580(2017)05-050-05