貝類采捕機(jī)振動(dòng)去泥裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

李陳 方軍 羅巍 吳康 李建平

摘要：為解決泥質(zhì)灘涂貝類采捕過程中，去除淤泥，實(shí)現(xiàn)貝泥分離，設(shè)計(jì)一種基于機(jī)械振動(dòng)的貝類去泥裝置。對(duì)去泥過程的貝類進(jìn)行受力分析，測(cè)量貝類的物理尺寸，明晰影響去泥性能的主要因素，通過預(yù)試驗(yàn)確定各因素的試驗(yàn)取值范圍。以條形篩傾角、振動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速和偏心塊數(shù)量為試驗(yàn)因素，明貝率和完成時(shí)間為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以泥蛤?yàn)檠芯繉?duì)象開展正交試驗(yàn)，分析各因素對(duì)去泥性能的影響，獲得合理的參數(shù)組合，并進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。結(jié)果表明，當(dāng)條形篩傾角為12°，振動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 100 r/min和偏心塊數(shù)量為16塊時(shí)，去泥效果和效率較優(yōu)，明貝率為74%，完成時(shí)間為28 s。

關(guān)鍵詞：貝類采捕；振動(dòng)去泥裝置；正交試驗(yàn)；參數(shù)優(yōu)化；條形篩

中圖分類號(hào)：S973.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553 （2024） 06-0072-06

收稿日期：2022年7月13日

修回日期：2022年9月15日

*基金項(xiàng)目：浙江省農(nóng)業(yè)重大技術(shù)協(xié)同推廣項(xiàng)目（2020XTTGSC05）

第一作者：李陳，男，1991年生，浙江紹興人，博士研究生；研究方向?yàn)樯锷a(chǎn)機(jī)器人。E-mail： lichen2020@zju.edu.cn

通訊作者：李建平，男，1962年生，杭州人，博士，教授；研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械裝備。E-mail： jpli@zju.edu.cn

Design and experiment of the vibratory cleaning device for shellfish harvesting machine

Li Chen^{1， 2， 3}， Fang Jun⁴， Luo Wei^{1， 3}， Wu Kang^{1， 2}， Li Jianping^{1， 2， 3}

（1. College of Biosystems Engineering and Food Science， Zhejiang University， Hangzhou， 310058， China; 2. Key

Laboratory of Equipment and Informatization in Environment Controlled Agriculture， Ministry of Agriculture and Rural

Affairs， Zhejiang University， Hangzhou， 310058， China; 3. Key Laboratory of Intelligent Equipment and Robotics for

Agriculture of Zhejiang Province， Hangzhou， 310058， China; 4. Zhejiang Mariculture Research Institute， Wenzhou， 325000， China）

Abstract： In order to remove mud and realize the separation of shellfish and mud in the process of collecting and catching shellfish in muddy beach， a shellfish cleaning device based on mechanical vibration was designed. In this paper， the forces on shellfish during the cleaning process were analyzed and the physical dimensions of shellfish were measured， the main factors affecting the cleaning performance were clarified and the test value range of each factor were determined through pre-tests. The inclination angle of the screen， the rotational speed of the vibration motor and the number of eccentric blocks were taken as the test factors， the shell ratio and the completion time as the evaluation indexes， the orthogonal test was carried out with the mud clam as the research object， and the influence of each factor on the cleaning performance was analyzed， a reasonable combinations of parameters was obtained and the validation tests was performed. The results showed that when the inclination angle of bar screen was 12°， the rotational speed of vibration motor was 2 100 r/min and the number of eccentric blocks was 16， the cleaning effect and efficiency were better. The shell ratio was 74% and the completion time was 28 s.

Keywords： shellfish harvesting; vibratory de-sludging device; orthogonal test; parameter optimization; bar screen

0 引言

貝類營養(yǎng)豐富，味道鮮美，是餐桌上的一道美味佳肴，廣受消費(fèi)者的喜愛^{[1， 2]}。我國是貝類養(yǎng)殖大國，年產(chǎn)量約為12 000 kt，其中灘涂貝類的產(chǎn)量約占我國貝類養(yǎng)殖總產(chǎn)量的20%^[3]。隨著生活水平的不斷提高，人們對(duì)貝類的需求量逐漸增加，因此提高貝類生產(chǎn)的效率迫在眉睫。

貝類采捕是灘涂貝類養(yǎng)殖中重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)硬質(zhì)灘涂的貝類采捕進(jìn)行了相關(guān)研究。為了提高灘涂貝類采收效率，陳正等^[4]使用履帶自行走的方式設(shè)計(jì)采捕機(jī)，采用振動(dòng)挖掘機(jī)構(gòu)將貝類采捕后輸送到滾筒篩式清洗機(jī)完成貝類的清洗和分級(jí)。Holt等^[5]設(shè)計(jì)了一種水下振動(dòng)采蛤裝置，利用雪橇使采捕機(jī)在海底滑行，采用耙齒將蛤類捕獲。申屠留芳等^[6]采用機(jī)耕船牽引的方式，利用挖掘鏟采捕貝類，經(jīng)鏈網(wǎng)傳送至網(wǎng)兜，在輸送過程中用高壓水槍清洗貝類，實(shí)現(xiàn)采捕和收集。權(quán)偉等^[7]研制了一種漂浮式的貝類采收裝置，在漂浮底座上安裝采泥，排泥和貝類收集框，可以在池塘或淺海灘涂作業(yè)。

貝類去泥是貝類采捕中的重要環(huán)節(jié)，目前農(nóng)業(yè)上應(yīng)用的分離裝置主要有鏈桿式輸送器^[8]，振動(dòng)分離篩、滾筒篩^[9]等。振動(dòng)篩分裝置是貝類采捕機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其結(jié)構(gòu)和性能直接影響貝類的去泥效果。振動(dòng)篩分裝置中偏心輪振動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛，在花生收獲^{[10， 11]}，馬鈴薯收獲^[12]、玉米和谷物篩分等農(nóng)用機(jī)械中都有廣泛應(yīng)用^[13-15]。

泥質(zhì)灘涂表層土壤流變性大、抗剪與承壓能力差，泥蛤外殼上的淤泥不容易去除，國內(nèi)有關(guān)泥質(zhì)灘涂貝類機(jī)械振動(dòng)去泥的研究較少。貝類去泥主要是人工采捕，勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、工作條件差。本文以泥蛤?yàn)檠芯繉?duì)象，根據(jù)貝類的物理特性，設(shè)計(jì)一種振動(dòng)去泥裝置，對(duì)條形篩和泥蛤進(jìn)行受力分析，研究條形篩傾角、振動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速和偏心塊數(shù)量對(duì)去泥性能的影響，獲得合理的參數(shù)組合，以期解決貝類采捕過程的去泥問題。

1 去泥裝置設(shè)計(jì)

1.1 去泥裝置結(jié)構(gòu)

目前，人工去泥是通過耙爪將泥蛤和淤泥采捕進(jìn)網(wǎng)袋中，在水中來回拖動(dòng)網(wǎng)袋，將淤泥從泥蛤表面去除。但是泥蛤表面粗糙，淤泥牢牢黏附在其表面，去除較難，需要甩動(dòng)多次。

參考人工去泥的工作方式，設(shè)計(jì)了一種振動(dòng)去泥裝置，該裝置主要包括振動(dòng)電機(jī)、彈簧片，條形篩，機(jī)架等，如圖1所示。條形篩通過4根彈簧片安裝在機(jī)架上，條形篩的上方安裝一臺(tái)振動(dòng)電機(jī)，條形篩可調(diào)傾角可調(diào)，振動(dòng)電機(jī)選用HY-0.9的偏心振動(dòng)電機(jī)，彈簧片采用65錳鋼片。條形篩的質(zhì)量約為8 kg，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。彈簧片可以增大條形篩的振幅，振動(dòng)電機(jī)安裝在條形篩上方，振動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)條形篩振動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)泥蛤的拋擲運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)去泥操作。

1.2 工作原理

工作時(shí)，采貝機(jī)的挖貝裝置將貝和淤泥的混合物采挖到去泥裝置上，去泥裝置的振動(dòng)動(dòng)力由振動(dòng)電機(jī)提供，調(diào)節(jié)振動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速可以控制條形篩的振動(dòng)頻率，振動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)條形篩振動(dòng)，條形篩相對(duì)于水平面傾角為α，條形篩帶動(dòng)泥蛤做拋擲運(yùn)動(dòng)，對(duì)泥蛤有較強(qiáng)的分離和輸送能力，淤泥從條形篩的間隙中漏出，泥蛤沿著斜面向低處運(yùn)動(dòng)，最后到泥蛤收集裝置。

1.3 條形篩設(shè)計(jì)

1） 篩條間距。條形篩是去泥裝置的核心部件，篩條間隙的大小影響去泥的效果，使用游標(biāo)卡尺測(cè)量泥蛤的外形參數(shù)，如圖2所示，作為振動(dòng)篩分機(jī)構(gòu)研制的基礎(chǔ)。

條形篩網(wǎng)格間距適宜，以防漏蛤。泥蛤的外形參數(shù)測(cè)量結(jié)果見表2。泥蛤外形的長、寬、高的平均值分別為31.1 mm、24.3 mm和22.1 mm。其中三個(gè)長度的最小值為高度19.3 mm。因此，條形篩兩篩桿的間距應(yīng)小于長寬高的最小值，可考慮預(yù)留1.1～1.3倍的余量，故條形篩的間距選用15 mm，篩條選用直徑為6 mm的鋼條，既有較好的去泥效果，也能防止漏貝，見圖3。

2） 條形篩傾角α。通過前期試驗(yàn)測(cè)得，泥蛤與條形篩的摩擦角為17.6°，為避免泥蛤自行向下滑動(dòng)，條形篩傾角應(yīng)小于摩擦角。通過前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，條形篩傾角小于8°時(shí)，泥蛤在條形篩的移動(dòng)速度過慢，會(huì)導(dǎo)致堵塞。條形篩傾角大于16°時(shí)，泥蛤在條形篩的移動(dòng)速度太快，會(huì)導(dǎo)致去泥效果不佳。因此取條形篩的傾角為8°～16°。

1.4 振動(dòng)電機(jī)及參數(shù)確定

振動(dòng)電機(jī)為條形篩振動(dòng)提供動(dòng)力，主要包括電機(jī)、驅(qū)動(dòng)軸和偏心塊。電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。偏心塊為半圓片狀結(jié)構(gòu)，偏心距e為12.8 mm，偏心塊重量為18.45 g，外圓半徑R₁為31.25 mm，內(nèi)圓半徑R₂為3.6 mm，厚度為1.45 mm，可拆卸地安裝在驅(qū)動(dòng)軸上，如圖4所示。

振動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的激振力

F=nmeω²（1）

式中： n——偏心塊數(shù)量；

m——偏心塊質(zhì)量；

e——偏心距；

ω——電機(jī)的角速度。

可以通過調(diào)節(jié)偏心塊數(shù)量和電機(jī)轉(zhuǎn)速，來控制激振力。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，泥蛤的去泥效果也會(huì)變化，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速小于1 800 r/min，泥蛤與篩面的振動(dòng)較慢，分離時(shí)間較長。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于2 400 r/min，泥蛤與篩面的振動(dòng)較快，對(duì)分離效果影響不大，過高的轉(zhuǎn)速會(huì)導(dǎo)致整機(jī)的可靠性降低。故取電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 800～2 400 r/min。驅(qū)動(dòng)軸一共安裝16片偏心塊，當(dāng)偏心塊少于8片，條形篩振幅較小，本裝置選擇8～16片偏心塊。

2 振動(dòng)過程的受力分析

2.1 條形篩受力分析

振動(dòng)條形篩在振動(dòng)過程中，其位移可表示為

S=Bsinωt（2）

式中： S——條形篩振動(dòng)的總位移；

B——條形篩沿振動(dòng)方向的振幅；

t——轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間。

將條形篩振動(dòng)的總位移按照平行條形篩為x軸和垂直條形篩為y軸進(jìn)行分解，其在x方向和y方向分量如式（3）所示。

S_x=Bsinωtcos（α+β）

S_y=Bsinωtsin（α+β）（3）

式中： α——篩面與水平面的夾角；

β——彈簧片垂線與篩面的夾角。

對(duì)式（2）進(jìn)行一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)，即可以得到x方向、y方向的速度和加速度。

v_x=Bωcosωtcos（α+β）

v_y=Bωcosωtsin（α+β）（4）

a_x=-Bω²sinωtsin（α+β）

a_y=-Bω²sinωtcos（α+β）（5）

2.2 泥蛤受力分析

泥蛤在條形篩上進(jìn)行拋擲運(yùn)動(dòng)，受力情況見圖5。

為了簡化分析過程，忽略泥蛤之間的相互摩擦和碰撞，取單個(gè)泥蛤?yàn)檠芯繉?duì)象，以其重心為原點(diǎn)，平行于條形篩方向?yàn)閤軸，垂直于條形篩方向?yàn)閥軸建立坐標(biāo)系^[16]。由圖5分析可知

Fsin（α+β）+F_N-Gcosα=0

Fcos（α+β）+Gsinα-F_f=ma（6）

令F_f=μF_N，μ=tanφ，φ為動(dòng)摩擦角。

ma=Fcos[φ－（α+β）]+Gsin（α+β）cosφ（7）

為了確保泥蛤不會(huì)自行滑動(dòng)，一般有α<φ。

若泥蛤從靜止?fàn)顟B(tài)開始正向滑動(dòng)，即a>0，則有

cos[φ－（α+β）]>0（8）

F>Gsin（φ－α）cos[φ－（α+β）]（9）

振動(dòng)條形篩的振動(dòng)強(qiáng)度

K=Bω²g（10）

則振動(dòng)條形篩的振動(dòng)強(qiáng)度K大于正向滑移臨界振動(dòng)強(qiáng)度K_下滑時(shí)，泥蛤開始相對(duì)條形篩平面向下滑移。

K>Gsin（φ-α）cos[φ－（α+β）]=K_下滑（11）

以上理論分析顯示：條形篩的傾角，振動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和條形篩的振幅，都影響泥蛤的振動(dòng)過程。

3 試驗(yàn)測(cè)試

2022年3月于浙江大學(xué)紫金港校區(qū)農(nóng)生環(huán)D座進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示。

試驗(yàn)材料來自浙江溫州樂清灣某灘涂泥蛤養(yǎng)殖場(chǎng)，主要包括泥蛤和淤泥。傾角儀為滬豪H69020104，測(cè)振儀為希瑪AS63B，數(shù)字轉(zhuǎn)速器采用希瑪AR925。

試驗(yàn)對(duì)象選用浙江省海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖研究所培育的清江1號(hào)泥蛤，從養(yǎng)殖塘中捕撈50顆泥蛤。

3.1 測(cè)量參數(shù)確定

通過2.1節(jié)分析可知，條形篩的位移和加速度與篩面傾角、振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅度有著密切的關(guān)系。

為明確各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)工作條形篩分離效果的影響，以明貝率和完成時(shí)間為指標(biāo)，條形篩傾角、振動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速和偏心塊數(shù)量作為試驗(yàn)因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，探究3個(gè)因素的最優(yōu)組合。根據(jù)正交試驗(yàn)的特點(diǎn)選擇3因素3水平試驗(yàn)，因素水平表^[17]如表3所示。

3.2 測(cè)定方法

為滿足相同的試驗(yàn)條件，每次投以相同喂入量，稱取篩分后泥蛤的重量。隨機(jī)稱取至少30個(gè)泥蛤，用電子秤稱得其質(zhì)量為W₁，混合入1 000 g的淤泥。將泥蛤和淤泥投放到振動(dòng)條形篩上，去泥完成后，對(duì)分離后的泥蛤進(jìn)行稱重W₂。計(jì)算明貝率，并記錄試驗(yàn)所需時(shí)間。明貝率的計(jì)算如式（12）所示。

η=W₁W₂（12）

式中： W₁——泥蛤的初始重量；

W₂——篩分后泥蛤混合物的重量；

η——明貝率。

每次做完試驗(yàn)，清洗泥蛤，重新將原來的泥蛤類增加1 000 g淤泥，混合均勻，每種條件下重復(fù)試驗(yàn)3次，取平均值。

3.3 正交試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果為明貝率和試驗(yàn)時(shí)間，試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，其中A、B、C為因素編碼值，D組為空白對(duì)照組。

因素第i個(gè)水平的均值

k_i=K_iN（13）

式中： K_i——與該因素第i個(gè)水平有關(guān)的試驗(yàn)結(jié)果之和；

N——水平i的試驗(yàn)次數(shù)。

極差

R=maxi≠jk_i-k_j（14）

明貝率方差分析結(jié)果如表5所示。

完成時(shí)間方差分析結(jié)果如表6所示。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)于指標(biāo)明貝率因素影響的主次順序是A、C、B，條形篩傾角A對(duì)明貝率影響顯著，偏心塊數(shù)量對(duì)明貝率影響較顯著，電機(jī)轉(zhuǎn)速B振對(duì)明貝率影響較小，傾角越小明貝率越高，但是花費(fèi)時(shí)間越長。

對(duì)于指標(biāo)完成時(shí)間因素影響的主次順序是A、C、B，條形篩傾角A對(duì)完成時(shí)間影響顯著，電機(jī)轉(zhuǎn)速B和偏心塊數(shù)量C振對(duì)完成時(shí)間影響較小，傾角越大完成時(shí)間越短，但是明貝率越低。

振動(dòng)去泥裝置作業(yè)時(shí)的各個(gè)因素，因根據(jù)實(shí)際情況而定，篩分時(shí)的振動(dòng)頻率過高或振幅過大，會(huì)提高機(jī)器的故障率；篩分網(wǎng)傾角過大，會(huì)加速泥蛤下落，進(jìn)而加快篩分時(shí)間，但是淤泥和泥蛤的分離不夠。應(yīng)考慮機(jī)器的可靠性，在保證收獲效率的同時(shí)，考慮收獲質(zhì)量?？紤]采貝機(jī)的前進(jìn)和挖掘速度，去泥時(shí)間不超過30 s。綜上所述，較為合理的參數(shù)為A₂B₂C₃，即分離網(wǎng)傾角12°，電機(jī)轉(zhuǎn)速2 100 r/min，偏心塊數(shù)量16塊。在此參數(shù)組合下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，經(jīng)過5次試驗(yàn)，其平均篩分率為74%，平均完成時(shí)間為28 s。

4 結(jié)論

1） 設(shè)計(jì)一種振動(dòng)去泥裝置，采用振動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)條形篩；對(duì)泥蛤的物理特性進(jìn)行研究，得到泥蛤長度、寬度、厚度和摩擦力等物理參數(shù)，對(duì)條形篩進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)振動(dòng)電機(jī)進(jìn)行參數(shù)確定。

2） 對(duì)條形篩和泥蛤的振動(dòng)過程進(jìn)行受力分析，得到影響試驗(yàn)的關(guān)鍵因素，通過試驗(yàn)得到各因素對(duì)去泥效果的影響，條形篩傾斜角度對(duì)明貝率和完成時(shí)間有顯著影響，偏心塊數(shù)量效果次之。振動(dòng)頻率和偏心塊數(shù)量對(duì)完成時(shí)間有顯著影響。

3） 在條形篩傾角為12°，電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 100 r/min，偏心塊數(shù)量為16塊時(shí)，去泥效果較優(yōu)。在該參數(shù)下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明，其篩分率為74%，完成時(shí)間為28 s，無明顯堵塞現(xiàn)象，優(yōu)于目前人工收獲質(zhì)量，滿足泥蛤收獲作業(yè)要求。

4） 本文為江浙沿海泥質(zhì)灘涂貝類振動(dòng)去泥提供解決辦法，促進(jìn)泥質(zhì)灘涂貝類從人工采收向機(jī)械化轉(zhuǎn)型。

參 考 文 獻(xiàn)

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