條斑紫菜育苗用貝殼清洗設備設計

毛彬彬，張石平，韓服善，夏 靜

（江蘇省海洋資源開發(fā)研究院，江蘇 連云港 222000）

0 引言

在條斑紫菜貝殼絲狀體培育過程中，被接種的貝殼要經(jīng)常清洗，目的是為了洗去沉積在貝殼表面的雜物和底棲硅藻，促進苗菌藻體更好地生長。紫菜在育苗期內(nèi)，貝殼需要清洗十幾次[1]。洗殼時需人工收起逐個洗刷，勞動強度大、工作效率低且成本高。

為了提高清洗效率，降低成本，本文設計了一種育苗用貝殼清洗設備。為了配合設備的使用，需要改變原來將貝殼直接平鋪于池底的育苗方式，將貝殼內(nèi)面全部向上的排擺在方形塑料筐中，這樣就將單個貝殼的清洗變成整筐貝殼的清洗，設備在清洗完一筐貝殼后，輸送裝置立即將其送至已洗刷干凈的育苗池中，避免了二次污染，而且整個育苗期，貝殼只需排擺一次，不像傳統(tǒng)方法，洗一次貝殼就得重新排擺一次[2]。

本設備采用高壓水射流技術清洗育苗貝殼表面的污垢，高壓水射流去污速度快、力量大且無污染，已廣泛應用于清洗去污行業(yè)。魏春華[3]等研制開發(fā)了一種高壓水射流全自動密閉清洗系統(tǒng)，用于復雜槳葉反應釜內(nèi)部壁垢的清洗。趙章風[4]等為提高顆粒型農(nóng)產(chǎn)品的洗凈率，提出了連續(xù)非淹沒式水射流振動清洗方案，探討了振動槽振動頻率和初始角、噴嘴入口壓力和方向角對洗凈率的影響。新疆科學所崔寬波、李忠新（2013）[5]等人研制的連續(xù)式核桃清洗機，利用特制毛刷和高壓噴淋設備的組合對核桃進行清洗。紫菜的室內(nèi)育苗環(huán)境較好，幾乎沒有污染物，所以放在海水中育苗的貝殼表面僅僅會有一些浮灰和雜藻，另外清洗的僅是貝殼較為光滑的內(nèi)面，且清洗頻率較高，因此使用高壓水射流清洗貝殼表面的方案可行。本文通過理論分析與計算，獲得噴管在轉(zhuǎn)動清洗貝殼過程中，射流作用在貝殼表面的最小打擊壓力，對比高壓沖洗車清洗地面的試驗結(jié)果，驗證射流機構(gòu)關鍵設計參數(shù)的合理性。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

條斑紫菜育苗用貝殼清洗設備主要由雙梁行車、剪叉式升降機構(gòu)、抓取機構(gòu)、壓緊機構(gòu)、射流機構(gòu)以及往復運動機構(gòu)等組成，主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 貝殼清洗設備結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理

首先通過雙梁行車將清洗裝置輸送到育苗池既定位置，然后升降機構(gòu)帶動清洗裝置降至抓鉤和塑料筐上的吊孔等高位置，啟動4個電動推桿，推動抓鉤由內(nèi)向外逐漸插入塑料筐的4個吊孔后，推桿斷電，壓緊機構(gòu)的壓網(wǎng)進入塑料筐并且輕輕壓在貝殼上，接下來升降機構(gòu)提起塑料筐，脫離水面后，啟動高壓清洗機清洗貝殼，同時往復運動機構(gòu)帶動4根噴水管左右轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)高壓水射流在一定范圍內(nèi)清洗。一筐貝殼清洗完后，行車的大車縱向移動，將清洗裝置送至另一個洗刷干凈的育苗池相對應位置，通過升降機構(gòu)將塑料筐送入育苗池中，接下來輸送裝置再次回到待洗池上方，繼續(xù)清洗下一筐貝殼。

2 關鍵部件設計

2.1 往復運動機構(gòu)

往復運動機構(gòu)的主要作用是通過推桿的左右移動，帶動兩根水管上的噴嘴左右轉(zhuǎn)動，擴大清洗范圍，該機構(gòu)主要由扇形齒輪、齒條、減速電機、同步帶、帶輪及推桿等組成，如圖2所示。其中，電機軸和小帶輪同軸，小帶輪通過皮帶和大帶輪相連，大帶輪和扇形齒輪同軸，扇形齒輪在轉(zhuǎn)動過程中依次和上下兩個齒條分別嚙合，上下兩個齒條為整體框型結(jié)構(gòu)，安裝在上下兩個滑槽內(nèi)，兩邊各固連一根推桿，推桿兩端設有齒條，此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是推桿在移動過程中可以保持勻速運動。

圖2 往復運動機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2.2 射流機構(gòu)

射流機構(gòu)主要由水管、噴嘴、堵頭、管接頭、軟管、高壓清洗機及扇形齒輪等組成，如圖3所示。清洗時，通過扇形齒輪和推桿上的齒條嚙合，帶動噴嘴左右轉(zhuǎn)動。

圖3 射流機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2.3 壓緊機構(gòu)

壓緊機構(gòu)的主要作用是在清洗過程中，利用壓網(wǎng)壓住貝殼，防止在高壓水沖擊下，改變貝殼的位置，該機構(gòu)主要由電機、壓網(wǎng)、4根導桿、螺母懸臂支架和接近開關等組成。

電機通過絲杠傳動機構(gòu)帶動4根導桿上下運動，導桿下端內(nèi)部裝有接近開關，接近開關檢測距離3 mm，導桿和壓網(wǎng)通過連接套筒上的法蘭相固連，套筒內(nèi)設有彈簧，結(jié)構(gòu)如圖4所示。在壓網(wǎng)壓在貝殼上時，導桿端部的彈簧起到緩沖作用，避免壓壞貝殼，然后導桿繼續(xù)向下運動，壓緊貝殼，當導桿端部的接近開關距離連接套筒底部3 mm時，電機停轉(zhuǎn)。

圖4 導桿和壓網(wǎng)連接部分結(jié)構(gòu)爆炸圖

壓網(wǎng)四邊各有一個長方形的開口槽，以便于抓鉤的桿部在槽中移動，壓網(wǎng)的尺寸略小于塑料筐內(nèi)壁尺寸，使其可以進入筐內(nèi)，直接壓在貝殼表面，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 壓網(wǎng)和筐的結(jié)構(gòu)圖

3 射流機構(gòu)清洗參數(shù)計算

3.1 清洗作業(yè)寬度和噴頭數(shù)量

貝殼筐起吊后，噴嘴軸線和筐底垂直時，兩者距離H=200 mm，噴嘴轉(zhuǎn)動角度β=56°，如圖6所示。

圖6 噴頭擺動范圍

因為噴嘴軸線和筐底垂直時，射流在貝殼上的輻射面積最小，噴嘴射流擴散角，所以依此來計算噴管上分布的噴頭數(shù)量，如圖7所示。

圖7 噴頭擺動范圍

單個噴嘴的作業(yè)寬度：

根據(jù)扇形噴嘴的射流中間段沖擊力最大、兩端沖擊力稍弱的特點，相鄰兩噴頭的射流應有部分的重疊區(qū)，這樣就能實現(xiàn)整個噴射區(qū)沖擊力大小均勻，重疊區(qū)域在25%～30%。射流機構(gòu)的重疊區(qū)域設為25%，根據(jù)筐的寬度計算出每根噴管上噴頭數(shù)量為11個。

3.2 水射流的初始參數(shù)

初始參數(shù)主要包括射流初速度u0、初始流量Q0和噴嘴處驅(qū)動壓力p0[6-9]。

通過伯努利方程推導出射流初速度u0。

式（2）中：p0—噴嘴處驅(qū)動壓力；

γ—單位體積流體所具有的重量稱為重度；

u—噴嘴上游速度；

pa—大氣壓；

u0—初速度；

ξ—噴嘴局部阻力系數(shù)。

因為u＜＜u0，pa＜＜p0，所以射流初速度：

式（5）中：A0—噴嘴的出口面積，A0=πR20；

R0—噴嘴出口直徑；

ε—噴嘴截面收縮系數(shù)；

ρ—流體的密度。

由式（5）得到噴嘴處驅(qū)動壓力：

3.3 貝殼表面的打擊壓力

射流對貝殼的平均打擊壓力為：

式（7）中，F(xiàn)和S分別為射流打擊力和射流對貝殼的作用面積，扇形射流作用面積如圖8所示，其計算公式分別為：

圖8 扇形射流作用面積

式（9）中:B1—射流作用長度；

B2—射流作用寬度；

Cd—噴嘴的流量系數(shù)，Cd=εφ；

H1—噴管軸線到筐底放入距離，H1=H+R+l；

R—噴管半徑；

l—噴頭在噴管外的長度。

3.4 射流機構(gòu)工作參數(shù)計算結(jié)果

貝殼清洗設備中柱塞泵的流量為70 L/min，噴管上等距安裝11個噴頭，噴嘴直徑1 mm，面積A0=0.785 mm2，擴散角θ=25°，ε=0.98，φ=0.96，ρ=998.2 kg/m3，將參數(shù)代入以上公式，得到計算結(jié)果：初始流量Q0=6.36 L/min，射流初速度u0=136 m/s，噴嘴驅(qū)動壓力p0=11 MPa。

因為噴管轉(zhuǎn)到最大清洗角度28°時，射流對貝殼的打擊壓力最小，如果此打擊壓力滿足清洗要求，那么噴管轉(zhuǎn)動過程中的其他清洗角度也一定能滿足清洗要求，所以文中只分析清洗角度為28°時，射流作用在貝殼表面的打擊壓力，通過公式（7）計算出貝殼平均打擊壓力pd=0.15 MPa，高壓沖洗車清洗地面的試驗結(jié)果證明[9]，在此打擊壓力下，完全可以清洗掉貝殼表面的浮灰和其他污垢，所以清洗機構(gòu)關鍵參數(shù)設計合理。

4 結(jié)論

（1）針對育苗貝殼的清洗仍是手工完成的現(xiàn)狀，設計了一種紫菜自動清洗設備，實現(xiàn)了育苗貝殼的自動清洗和輸送。同時將筐作為貝殼的載體，不僅可以實現(xiàn)批量清洗，而且方便輸送，每次清洗完成后，也無需重新排擺貝殼。

（2）通過理論計算，證明貝殼清洗設備中柱塞泵的流量為70 L/min，每根噴管安裝11個噴頭，噴嘴直徑為1 mm，擴散角θ為25°，滿足清洗壓力要求，說明清洗參數(shù)設計合理。