潘瀾瀾,黃煒雯,王泳杰,母 剛,李秀辰,張國琛

(1 大連海洋大學(xué)機械與動力工程學(xué)院,遼寧 大連 116023;2 設(shè)施漁業(yè)教育部重點實驗室(大連海洋大學(xué)),遼寧 大連 116023;3 遼寧省海洋漁業(yè)裝備專業(yè)技術(shù)創(chuàng)新中心,遼寧 大連 116023)

菲律賓蛤仔(Ruditapesphilippinarum)是中國重要的灘涂貝類養(yǎng)殖品種,2021年中國灘涂貝類養(yǎng)殖總面積為5.85×105hm2,其中菲律賓蛤仔養(yǎng)殖面積為3.84×105hm2,占灘涂貝類養(yǎng)殖總面積的64%[1]。

清洗與分級是貝類捕撈后處理的必要環(huán)節(jié),清洗與分級設(shè)備的開發(fā)是產(chǎn)業(yè)效率提升的關(guān)鍵[2]。國內(nèi)外學(xué)者開展了貝類清洗、分級設(shè)備研制,分級方式較具有代表性的有柵條式分級機、滾筒式分級機、振動篩式分級機、滾杠式分級機。意大利研制的Italy-001-A型分級機[3]利用傳送帶將貝殼按大小進行無級分級。日本橫崎公司的自動分級機[4]可將各種海鮮類制品根據(jù)重量大小的不同分成不同的等級。日本三菱公司研制的雙殼貝類分級機[5]利用傳感器綜合測出貝類的重量、形狀和大小,與計算機中設(shè)定的數(shù)據(jù)進行對比篩分貝類。

國內(nèi)對貝類單作業(yè)的清洗、分級設(shè)備研制較多。史增錄等[6]設(shè)計了柵條滾筒式貝類分級機,新疆農(nóng)業(yè)機械研究所研究了6FG-3000型滾杠式貝類分級機[7]。歐陽杰等[8]對蛤類滾筒分級工藝參數(shù)進行研究,發(fā)現(xiàn)影響最小的是滾筒轉(zhuǎn)速。滾筒式分級設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單,可連續(xù)工作,其分級精度受滾篩結(jié)構(gòu)及運行參數(shù)影響,而分級設(shè)備的準(zhǔn)確率是其研制的關(guān)鍵。清洗方法主要有高壓清洗、滾刷清洗和超聲波清洗等。目前國內(nèi)已經(jīng)研制了滾筒清洗[9]、高壓噴淋式貝類清洗[10]、牡蠣殼清洗[11]等清洗設(shè)備。董佳旭等[12]設(shè)計了一種多作用式貝類清洗機,在工作中可將清洗好的扇貝輸送出來,提高了清洗效率。胡秋生等[13]設(shè)計的噴刷式貝類清洗機,采用了帶螺旋板和毛刷的清洗刷輥及蝸輪—蝸桿傳動形式,解決了人工清洗勞動強度低的問題。蔡維等[14]設(shè)計的基于水射流貝類清洗機械,醫(yī)用水箱中的壓力結(jié)合氣罐釋放出高壓氣流,使高壓水通過噴嘴射出來,可將貝類表面淤泥清洗掉。不同的清洗設(shè)備的運行參數(shù)、清洗方式對清洗效果影響顯著。也有學(xué)者對清洗分級一體設(shè)備進行研究,采用高壓氣流將扇貝表層污物吹走清除,此設(shè)備毛刷輥的長度、傾角都可調(diào)節(jié),提高了分級的適應(yīng)性[15]。鮑成偉等[16]設(shè)計了一種蛤蜊分級除雜裝置,利用離心法和密度原理,解決了蛤蜊分級清洗及去除雜質(zhì)的問題。貝類清洗分級一體機的面臨著產(chǎn)品功能單一,自動化程度低,并且分級精度不高和破損率的問題,即裝置分級精度無法達到90%以上且破損率約3%[17-18]。因此提高實際貝類清洗分級過程中的分級精度,減少破損率,實現(xiàn)其高效率、高品質(zhì)的清洗分級十分必要。

本研究針對蛤仔形態(tài)特性,設(shè)計了一套清洗分級一體機并優(yōu)化整機結(jié)構(gòu)及運行參數(shù),以提高實際工作中的分級精度,減少破損率,實現(xiàn)對菲律賓蛤仔的高效率、高品質(zhì)的清洗分級。

1 清洗分級整機工作原理

清洗分級機主要由上料、清洗、送料、分級四部分構(gòu)成(圖1)。蛤仔從喂料池投入進入清洗部分,完成清洗作業(yè)后進入分級環(huán)節(jié),蛤仔在滾筒篩內(nèi)沿滾筒壁向前運動,完成菲律賓蛤仔的清洗分級。

圖1 菲律賓蛤仔清洗分級一體機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of Ruditapes philippinarum cleaning and grading machine

2 關(guān)鍵部件及運動學(xué)結(jié)構(gòu)分析

2.1 滾筒篩結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1.1 滾筒篩分級總體結(jié)構(gòu)

分級部分主要由滾筒篩、從動輥軸、出料口、傳動電機、傳動鏈、主動滾軸和機架組成(圖2)。

圖2 菲律賓蛤仔分級部分結(jié)構(gòu)Fig.2 Hierarchical structure of Ruditapes philippinarum

2.1.2 蛤仔在滾筒篩的受力分析

將菲律賓蛤仔外形近似為一個球體,以蛤仔的質(zhì)心P為原點,滾筒篩切向為X軸方向,滾筒篩法向為Y軸方向,其蛤仔在滾筒篩的受力如圖3所示。

圖3 蛤仔滾筒篩內(nèi)受力圖Fig.3 Internal force diagram of Ruditapes philippinarum drum screen

當(dāng)蛤仔在篩筒內(nèi)做圓周運動時,在升角為某一值時,蛤仔P沿滾筒壁向下滾動的臨界條件是:

FC+mgsinα=F

(1)

經(jīng)簡化后可得:

(2)

式中:μ為蛤仔與滾筒表面的摩擦系數(shù);α為蛤仔的升角;m為物料的質(zhì)量,kg;g為重力加速度,m/s2;R為滾筒的半徑,m;ω為物料運動的角速度,rad/s;F為F推和fB的合力。

式(2)表示蛤仔在篩筒內(nèi)的升角α大于某一值時,蛤仔可以沿著篩筒壁轉(zhuǎn)動進行向下滾動分級。經(jīng)計算,升角為2°～6°時,蛤仔在篩筒內(nèi)沿筒壁均勻向前運動,可見蛤仔在筒內(nèi)翻動與過篩均有效[19]。

2.1.3 滾筒篩直徑及長度確定

滾筒篩直徑、長度是滾筒篩的主要核心參數(shù),決定著蛤仔分級的效率和分級精度[20-21]。滾筒篩長度過短,蛤仔不能充分分級;滾筒篩直徑過小,分級效率下降。

當(dāng)滾筒篩轉(zhuǎn)速為n時,蛤仔軸向移動速度為[20]:

v=nx=DKvtanθ

(3)

式中:Kv為速度修正系數(shù)

取θ=3°時,Kv=1.35,當(dāng)θ=5°,Kv=1.85,滾筒直徑表示為:

(4)

式中:Qm為進料率,kg/m3;θ為滾筒傾角,(°);Kv為速度修正系數(shù);db為容積密度,kg/m3;F為填充率。

在菲律賓蛤仔的分級過程中,蛤仔分級的有效區(qū)域接近1/3圓周[22],取整滾筒篩直徑800 mm。為了充分篩分,延長蛤仔在滾筒一級分級的停留時間,第一級篩網(wǎng)長度為1 000 mm,二級篩網(wǎng)長度為860 mm。

2.1.4 篩孔尺寸及排列方式確定

在保證滾筒篩強度、剛度的條件下,采用45°錯排時篩面有效面積最大,分級更充分[23]。蛤仔轉(zhuǎn)動時在滾筒內(nèi)也會進行自轉(zhuǎn),通過分析蛤仔下落時的兩種狀態(tài)(圖4),結(jié)合菲律賓蛤仔殼長、殼寬參數(shù),最終滾筒篩的篩孔確定為23 mm、28 mm。為防止蛤仔在滾筒中容易造成堆積,影響分級效率,以滾筒篩中軸為中心,安裝一個長13 cm,高3 cm的鋼板,軸向布置三排(圖5)。

圖4 菲律賓蛤仔下落示意圖Fig.4 Schematic diagram of Ruditapes philippinarum

圖5 滾筒篩內(nèi)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of inner structure of drum screen

2.2 清洗機結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵部件設(shè)計

2.2.1 清洗總體結(jié)構(gòu)

菲律賓蛤仔清洗裝置結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 菲律賓蛤仔清洗裝置結(jié)構(gòu)Fig.6 Cleaning device structure of Ruditapes philippinarum

清洗部分主要由傳送帶、步進電機、擺針輪減速器、機架、毛刷輥、高壓噴嘴、水泵、濾水箱、過濾網(wǎng)等零部件組成。為防止蛤仔滑落作用,在送料傳送帶網(wǎng)帶上每隔400 mm,設(shè)置高30 mm的鋼板;在毛刷輥下方的濾水箱上安裝600目、1 000目過濾網(wǎng),循環(huán)泵將過濾后的水從噴嘴噴出循環(huán)利用。

2.2.2 高壓噴淋機構(gòu)及毛刷輥選型

噴嘴作為清洗部分的關(guān)鍵執(zhí)行元件,結(jié)合圓柱形噴嘴既能聚集能力又能聚集射擊,可以獲得最大打擊力的優(yōu)點[24-25]。為減少高壓水射流在噴嘴中的壓力損失,因此選用圓柱形噴嘴,并配以壓力為10 MPa,額定流量96 L/min、泵速332 r/min、功率為18 kW的柱塞泵。高壓噴淋機構(gòu)如圖7所示。

圖7 高壓噴淋機構(gòu)Fig.7 High pressure spray structure

高壓射流清洗公式如下:

(5)

式中:d為噴嘴內(nèi)徑,mm;Q為清洗蛤仔時高壓柱塞泵的額定流量,L/min;P為高壓柱塞泵的額定壓強,MPa;n為噴嘴個數(shù);U為噴嘴結(jié)構(gòu)系數(shù),0.6～0.7。

取Q=90 L/min,U=0.6,n=66,P=3 MPa,將數(shù)據(jù)代入公式中,d=1.2 mm,取d=1.5 mm。

當(dāng)入射角為90°時,打擊力最大,清洗效果最好,因此噴嘴垂直向下安裝[26]。當(dāng)靶距為噴嘴直徑100倍時,射流打擊力最大,噴嘴直徑為1.5 mm,則靶距為150 mm,噴嘴每排3個,22排,共66個噴嘴。

蛤仔經(jīng)過上料區(qū)進入清洗區(qū)域通過毛刷輥的作用力進行清洗,蛤仔在毛刷輥上受到5個力,分別是蛤仔自身重力mg,兩毛刷輥的支持力FN1、FN2,以及兩個摩擦力f1、f2,將蛤仔近似為一個橢圓,a、b、c分別代表橢圓長軸距離、短軸距離、焦距、l為周長。

合力矩為:

mo2=FN1(a+b+c)2sin(α-θ)-mgαsinθ-f1l+αcos(α+θ)>0

(6)

合力矩mo2是對蛤仔在毛刷輥上所受支持力、摩擦力以及其他所有分力的力矩的代數(shù)和,其大于零,蛤仔在毛刷輥的摩擦作用下向前運動,通過毛刷輥進一步清洗蛤仔代謝物,并輸送至分級環(huán)節(jié),刷洗裝置毛刷輥材料采用PA1010[27],設(shè)置為26組,直徑110 mm,總長度2 600 mm。

菲律賓蛤仔毛刷輥上受力如圖8所示。

圖8 菲律賓蛤仔毛刷輥上受力示意圖Fig.8 Force diagram onRuditapes philippinarum brush roller

3 EDEM離散元仿真及優(yōu)化試驗

3.1 離散元仿真試驗設(shè)計

為開展清洗分級機整機分級精度優(yōu)化,開展毛刷輥轉(zhuǎn)速、滾筒篩轉(zhuǎn)速和滾筒篩傾角參數(shù)的仿真,忽略蛤仔顆粒與蛤仔顆粒之間的粘附力,選擇Hert-Mindlin無滑動接觸模型[28],用多球形顆粒填充蛤仔模型,建立菲律賓蛤仔離散元仿真(EDEM) 模型如圖9所示。

圖9 菲律賓蛤仔清洗分級過程仿真試驗?zāi)Ｐ虵ig.9 Test model of cleaning and grading simulation process for Ruditapes philippinarum

確定蛤仔和鋼的基本物理和力學(xué)性能參數(shù)相關(guān)仿真參數(shù)(表1、表2)[29]。用EDEM后處理Selection模塊在所創(chuàng)建平面上方建立Bin Group,統(tǒng)計一定時間內(nèi)在每級收料斗區(qū)域內(nèi)蛤仔的數(shù)量[31]。

表1 材料間的接觸參數(shù)Tab.1 The contact parameters of materials

分析毛刷輥轉(zhuǎn)速、滾筒篩轉(zhuǎn)速和滾筒篩傾角對分級精度的影響,結(jié)合仿真結(jié)果,確定菲律賓蛤仔清洗分級裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)組合。

為探討菲律賓蛤仔的分級效果,以分級精度作為評價指標(biāo),計算公式為:

(6)

式中:P為分級精度;n為正確落入目標(biāo)料斗的總數(shù)目;N為試驗總的顆粒目數(shù)。

分別以毛刷輥轉(zhuǎn)速、滾筒篩轉(zhuǎn)速和滾筒篩傾角為試驗因素,以分級精度作為評價指標(biāo),進行分級作業(yè)的離散元仿真。由于篩筒傾角影響蛤仔在篩面上縱向運動的加速度,滾筒篩傾角過大或過小都會造成分級不充分[32]。

當(dāng)傾角增大時,加速度也增加,蛤仔通過篩面的時間短,蛤仔不能充分過篩,造成分級不完全。當(dāng)傾角增大到一定值時,蛤仔在篩面上跳動劇烈,會增加蛤仔破損率。傾角過小,蛤仔向前運動緩慢,產(chǎn)生堆積。結(jié)合蛤仔在滾筒內(nèi)的受力分析,確保蛤仔充分分級,確定滾筒篩傾角范圍2°～4°。蛤仔在滾筒篩內(nèi)做軸向運動,在蛤仔所受重力與離心力相等范圍內(nèi)設(shè)定篩筒轉(zhuǎn)速, 因此篩筒調(diào)速范圍設(shè)定10～20 r/min。由于清洗作業(yè)時蛤仔停留時間影響清洗效果,與毛刷輥的轉(zhuǎn)速尺寸相關(guān),本機毛刷輥為26組,總長度為2 600 mm,當(dāng)毛刷輥為2～4 r/min時,保證了蛤仔清洗停留時間,可有效地沖刷掉蛤仔表面的泥沙。依據(jù)上述分析,運用Design-Expert軟件進行響應(yīng)面優(yōu)化試驗設(shè)計,擬定3種因素的水平范圍,分級試驗方案如表 3所示。

表3 試驗方案及結(jié)果Tab.3 Test scheme and results

3.2 試驗結(jié)果與分析

菲律賓蛤仔分級作業(yè)的EDEM仿真結(jié)果如圖10所示,經(jīng)過后處理將滾筒中的蛤仔進行顏色標(biāo)記,并在出料口邊緣設(shè)置收集箱,通過計算可以準(zhǔn)確得出在不同參數(shù)條件下蛤仔的分級情況。

響應(yīng)面模型ANOVA分析如表4所示。

表4 響應(yīng)面模型ANOVA分析Tab.4 Response surface model ANOVA analysis

運用Design Expert軟件進行回歸分析,建立各因素關(guān)于蛤仔分級精度的影響程度的擬合方程,并進行響應(yīng)面分析,探究影響因素交互作用對分級精度的影響規(guī)律。從表4可知,所建立的回歸模型極顯著(P<0.000 1),失擬不顯著,表明模型能較好地反映各因素對分級精度的影響,并進行較好預(yù)估。

Yc=-236.89000+11.06800X1+114.47000X2

+9.37750X3-0.23200X1X2+0.07520X1X3

(7)

方差分析表中顯著項交互作用對分級精度影響的響應(yīng)面分析,結(jié)果如圖11所示。

圖11 交互作用的響應(yīng)面分析Fig.11 Response surface analysis of interaction

由圖11a可見:隨著滾筒篩轉(zhuǎn)速的增大,分級精度有上升趨勢;但是增大滾筒篩傾角,分級精度反而下降。當(dāng)滾筒篩轉(zhuǎn)速在16～20 r/min之間時,此時分級精度受滾筒篩轉(zhuǎn)速的影響比較明顯。隨著滾筒篩轉(zhuǎn)速減小到15 r/min時分級精度達到91%。圖11b可見:毛刷輥轉(zhuǎn)速在2 r/min時,蛤仔在毛刷輥上行駛速度緩慢,分級時間長;分級精度隨毛刷輥轉(zhuǎn)速增加而增加,隨滾筒篩轉(zhuǎn)速增加而下降,二者的交互作用對分級精度有明顯影響。毛刷輥轉(zhuǎn)速2～3 r/min時,分級精度上升至最高點,同時滾筒篩轉(zhuǎn)速在15 r/min后也存在下降的趨勢。圖11c可見,設(shè)定的毛刷輥轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),蛤仔分級精度受滾筒篩傾角的影響不明顯。

3.3 參數(shù)優(yōu)化分析

參數(shù)優(yōu)化結(jié)果如圖12所示。

圖12 參數(shù)優(yōu)化結(jié)果圖Fig.12 Parameter optimization result diagram

根據(jù)所得的回歸方程,選擇Design-Expert軟件的中心組合響應(yīng)曲面設(shè)計進行作業(yè)參數(shù)優(yōu)化,以菲律賓蛤仔分級精度為目標(biāo)函數(shù),尋求目標(biāo)函數(shù)的最小值。在滾筒篩傾角為3°、毛刷輥轉(zhuǎn)速為3 r/min、滾筒篩轉(zhuǎn)速為15 r/min的最優(yōu)參數(shù)條件下,裝置的蛤仔分級精度最優(yōu)仿真值為91%。

4 樣機制造及其作業(yè)試驗

4.1 樣機制造

樣機生產(chǎn)能力可達150～200 kg/h,樣機整機主要由送料帶、減速電機、高壓清洗機構(gòu)、水泵、電控箱、滾筒篩等零件組成(圖13),選用功率0.75 kW的傳送帶電機(YE2-80M2-4)和功率2.2 kW的滾筒電機(YE2-100L-4),并配以功率3 kW,流量5.9 m3/h的離心泵(IRG40-200),滾筒篩傾角依靠機架地腳螺絲調(diào)節(jié)。

圖13 菲律賓蛤仔清洗分級樣機Fig.13 Cleaning and grading prototype of Ruditapes philippinarum

4.2 作業(yè)試驗設(shè)計

蛤仔清洗分級過程中入料總量為100 kg,設(shè)定滾筒篩轉(zhuǎn)速15 r/min,滾筒篩傾角3°,毛刷輥轉(zhuǎn)速3 r/min,水壓3 MPa為作業(yè)參數(shù),開展設(shè)備作業(yè)測定。

為驗證菲律賓蛤仔分級的仿真分析結(jié)果,進行樣機性能試驗,并重復(fù)3次。其中指標(biāo)評價采用如下方法。

(1)準(zhǔn)確率。蛤仔樣品,分級后其中準(zhǔn)確分級的個體占分級總質(zhì)量的百分比,未準(zhǔn)確分級包括錯誤分級個體和未完成分級的個體,準(zhǔn)確率如式(8):

(8)

式中:A為準(zhǔn)確率;W0為蛤仔樣品總質(zhì)量;W1為單次試驗后未完成分級的蛤仔數(shù)量;W2為單次試驗后錯分蛤仔數(shù)量。

(2)損傷率。表面有裂痕、表面打破,出現(xiàn)缺口的蛤仔質(zhì)量,占蛤仔總質(zhì)量的百分比,損傷率如式(9):

(9)

式中:G為蛤仔機械損傷率;Gs為測定中損傷蛤仔質(zhì)量;Gy為測定樣品蛤仔質(zhì)量。

作業(yè)測試現(xiàn)場如圖14所示。

圖14 性能試驗現(xiàn)場Fig.14 Performance test site

(3)洗凈率。通過查閱相關(guān)文獻引入感官評價,目前海產(chǎn)品清洗裝備性能試驗的國家,沒有定量評價蛤類是否清洗干凈的判斷標(biāo)準(zhǔn),故采用清洗后觀察蛤類表面沒有泥沙、黏液等雜質(zhì)即為清洗干凈[33],洗凈率如式(10):

(10)

式中:Q為蛤仔洗凈率;Qs為清洗干凈的蛤仔數(shù)量;Qy未被清洗干凈的蛤仔數(shù)量。

4.3 作業(yè)試驗結(jié)果分析

菲律賓蛤仔清洗分級一體機性能試驗結(jié)果如表5所示,蛤仔分級準(zhǔn)確率平均值91%,破損率平均值1.3%。

表5 作業(yè)試驗結(jié)果Tab.5 Results of practical test

清洗前后效果對比如圖15所示。

圖15 清洗前后效果對比Fig.15 Effect comparison after cleaning operation

由圖15可知,蛤仔泥沙均被沖洗干凈,表面附著物被清除,洗凈率100%。即滾筒篩轉(zhuǎn)速15 r/min、滾筒篩傾角3°、毛刷輥轉(zhuǎn)速3 r/min,分級精度、破損率、洗凈率均符合設(shè)備作業(yè)要求,在此參數(shù)下分級精度達到91%,蛤仔破損率在1%～2%之間,其殼體附著泥沙沖洗干凈。與已有研制的其他貝類清洗分級一體裝置相比[34],本機降低了蛤仔分級清洗過程的破損率,提高了分級準(zhǔn)確度,并且入料、清洗、分級功能集成,自動化程度較高。但本機分級結(jié)束后缺乏集成稱重測量包裝要求,今后將進一步優(yōu)化集成清洗、分級、稱重功能,提高其自動化及智能化程度。

5 結(jié)論

面向菲律賓蛤仔清洗分級一體設(shè)備自動化程度不高,清洗分級準(zhǔn)確率低,菲律賓蛤仔易破碎等問題,本研究結(jié)合蛤仔形態(tài)特性,設(shè)計了一套清洗分級一體機,并優(yōu)化了整機結(jié)構(gòu)及運行參數(shù)。采用高壓噴淋與毛刷輥結(jié)合的清洗方式清洗蛤仔,蛤仔泥沙均被沖洗干凈,表面附著物被清除,洗凈率100%;滾筒篩分級結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計,使設(shè)備分級精度達91%;清洗分級機作業(yè)測定發(fā)現(xiàn)蛤仔破損率僅為1%～2%。通過設(shè)備EDEM仿真及作業(yè)性能試驗發(fā)現(xiàn),在滾筒篩轉(zhuǎn)速15 r/min、滾筒篩傾角3°、毛刷輥轉(zhuǎn)速3 r/min作業(yè)參數(shù)下,蛤仔的洗凈率、破損率、分級精度均符合設(shè)備設(shè)計要求,本機實現(xiàn)了對菲律賓蛤仔的高分級精度、低破損率的清洗分級。