对辊式海湾扇贝分级设备的设计

杨淑华，张志军，弋景刚，*，刘江涛，王颉（.河北农业大学机电工程学院，河北保定0700；.河北农业大学食品科技学院，河北保定0700）

对辊式海湾扇贝分级设备的设计

杨淑华1，张志军1，弋景刚1，*，刘江涛1，王颉2
（1.河北农业大学机电工程学院，河北保定071001；2.河北农业大学食品科技学院，河北保定071001）

通过对海湾扇贝分级设备现状分析，提出研发专用扇贝分级设备的必要性。通过对海湾扇贝形态特征性状中对重量特征性状的相关性分析，确定了以扇贝壳长进行分级的对辊式扇贝分级机设计方案。通过两种开槽形式试验效果的比较，确定了在两辊表面开出的螺旋沟槽，运用拼成的椭圆形螺旋分级孔长轴尺寸的变化来实现扇贝的分级。并试制了简易的试验装置，对分级效果进行了验证试验。确定了分级辊结构，为扇贝分级设备的研制奠定了基础。

海湾扇贝；分级设备；螺旋分级孔；对辊式

2013扇贝年产量已达到97万t，其中海湾扇贝产量为71万t[1]，占扇贝总产量的73%。扇贝产业因其广阔的市场规模和巨大的发展潜力已经成为我国渔业产业的重要支柱产业，扇贝产业健康有序的发展对于沿海渔业产业的调整和渔民的增收起着十分巨大的作用。捕捞后的扇贝需经清洗、分级、剥壳、取肉、清洗、分级、冷冻或干燥及包装等一系列复杂的加工过程复杂的工艺过程，以冻贝柱或干贝投入市场进行销售。扇贝分级有利于扇贝尺寸的同一化、规格化，便于扇贝开壳、取肉等后续加工工序的进行，可直接出售精品扇贝，提高了扇贝市场竞争力，满足不同层次消费者的需求。

目前，扇贝分级仍以手工为主，不仅加工精度差、生产效率低、产品质量和卫生状况较差，而且在扇贝加工旺季，一些大型水产加工企业需要大量的劳动力，随着劳动力日益紧缺，劳动力成本增高，扇贝加工市场上亟待研发一种自动化程度高，分级效率高，操作简单方便，价格适中的扇贝分级设备。

1　扇贝分级现状分析

美国、加拿大、日本等农业比较发达的国家，消费者习惯购买标准化的农副产品，对农副产品的分级一直以来都十分重视，都制定了相应产品等级规格标准，他们的标准制定机构、监督认证机构等都会根据实际国情制定有利于本国发展的规范化、系统化的分级标准体系。通过具体分析国外一些比较成熟的农副产品评定等级标准，发现虽然人们评定扇贝品质的主要因素包括重量、外观、鲜活程度、质构、风味等，但重量往往是人们用来衡量产品优劣的最直观的外在要素[2-3]。

传统扇贝加工工艺流程为：鲜活扇贝→水洗→开壳取肉→去脏及套膜→水洗→沥水→分级→称重→装盘→速冻→脱盘→包装→成品→冷藏[4]。分级的目的是为了得到标准规格的扇贝贝柱。随着扇贝加工产业化进程，自动化扇贝加工设备的出现，扇贝加工工艺流程如图1所示，扇贝分级是扇贝产品加工过程中的关键工艺，扇贝分级后产品可实现同一化、规格化，有利于扇贝开壳、取肉等后续加工工序的进行。

图1　扇贝加工工艺流程Fig.1　Scallop processing process

市场上贝类产品的出售主要按其外形、色泽、规格等因素，实行优质优价。分级后的贝类产品可提高销售价格。目前分级设备按工作原理分别为外形尺寸分级设备、重量式分级设备和光电式分级设备，如美国Laitram Machinery公司研发的可调式分级设备AG70[5]，是以外形尺寸对物料进行分级，它适用于球形水果、蔬菜等易损产品的分级。日本横崎公司的自动分级机[6]，可将鱼类、贝类、各种鱼类制品、各种禽类制品根据重量的不同分成不同的等级，操作复杂，成本较高，不适合我国国情。日本的佐竹公司也于1979年首次推出光电式分级设备，目前该公司生产的GS系列谷物分选机技术指标稳定，已经得到了广泛应用。2002年日本安西制造所成功的研制了世界首台小麦专用的分选机（AU），这种分选机专门用于分选低黏度的小麦[7]。

国内分级设备的相关研究起步较晚，发展较为落后，许多此类产品主要是成套引进研究，目前市场上销售的外形尺寸式分级产品多为筛筒或筛条式[8-9]。都是借鉴已有的其他物料例如核桃、橘子、苹果等物料的专用的分级设备，加以改进研究，通过大量的研究学习，扇贝分级机械产品也在不断成熟、发展。这种分级设备的优势在于结构简易，便于操作，维护方便，但由于其生产效率偏低、转动过程对物料磨损严重，不适合扇贝这类易损物料分级使用。

2　海湾扇贝生物特性分析

扇贝的生物特征性状是扇贝分级的重要依据，主要分为形态特征性状和重量特征性状两个方面。通过对海湾扇贝形态特征性状中对重量特征性状的相关性分析，确定了对辊式扇贝分级机分级的主要参数为以扇贝壳长。

2.1试验材料与方法

试验选取山东青岛海湾扇贝为试验对象，繁殖年龄：5个月；养殖水域：黄海；捕捞时间：48 h；已剔除出死贝的新鲜扇贝（活率很高），无寄生物或寄生物较少的200枚作为研究对象，分别测定其形态特征性状如图2。

图2　扇贝形态特征性状Fig.2　Scallops morphologicaltraits

壳高（X1）、壳长（X2）、壳厚（X3）和重量特征性状活体湿重（Y）、软体湿重（Z）、闭壳肌湿重（W），其中软体湿重、闭壳肌湿重为解剖性状。

对选取的扇贝进行形态特征性状测量，并称量活体湿重、软体湿重和闭壳肌湿重。壳高、壳长、壳厚用游标卡尺（测量精度：0.02 mm）测量（图2），其中壳高指壳顶到腹缘的最大直线距离，壳长指贝壳左右边缘最大直线距离，壳厚指两壳间的最大直线距离；重量特征性状用电子秤（测量精度：0.1 g）称量，其中活体湿重指活贝总重量；软体湿重指剥离下的壳内全部组织的重量；闭壳肌湿重指剥离下的闭壳肌的重量。形态特征性状和重量特征性状测定结果经整理后利用EXCEL软件进行分析。

2.2结果与分析

2.2.1数据的正态性检验

采用EXCEL工具中的数据分析对扇贝各个特征性状进行统计分析，结果如表1所示。

表1　海湾扇贝各特征性状描述统计[11]Table 1　Descriptive statistics for each trait of bay scallops

由表可看出海湾扇贝的各个特征性状数据的偏斜度很小，较接近于0，这表明各组特征性状数据近似满足正态要求，所以接下来的相关、回归和通径分析的结果可靠[10]。

2.2.2相关系数

对各特征性状数值进行相关分析，结果表明：海湾扇贝各特征性状之间均为正相关且均达到极显著水平，形态特征性状因素与活体湿重的相关性大小依次为：壳长＞壳高＞壳厚；形态特征性状与各重量特征性状因素的相关性大小为活体湿重＞软体湿重＞闭壳肌湿重。其中，形态特征性状中的壳长对重量特征性状的相关性最大，与活体湿重、软体湿重和闭壳肌湿重的相关系数分别为0.869 6、0.810 1和0.658 6[11]。

根据相关系数的组成，可将扇贝的壳高、长、厚的形态特征性状系数划分为某一形态特征性状对重量特征性状的直接作用（通径系数）和某一特征性状通过其他形态特征性状对重量特征性状的间接作用（间接通径系数）两个部分。对海湾扇贝而言：形态特征性状对活体湿重的直接作用大小为：壳厚＞壳长＞壳高，其中壳厚、壳高、壳长均与活体湿重成正相关；

2.2.3回归方程的建立和显著性测验

利用EXCEL数据分析中的回归分析分别建立以活体湿重为因变量，壳高（X1）、壳长（X2）、壳厚（X3）为自变量的3组多元线性回归方程[12]。方差分析见表2，偏回归系数显著性检验见表3。

表2　方差分析Table 2　Analysis of variance

由表2、表3可知，模型检验达极显著水平（F= 22.551 9 Significance F=1.98×10-5），各偏回归系数显著性检验为截距接近极显著水平，壳厚达显著水平，壳高与壳长不显著。因此，应首先去掉最不显著的壳高建立最优回归方程。方差分析（剔除壳高）见表4，偏回归系数（剔除壳高）显著性检验见表5。

表3　偏回归系数显著性检验Table 3　Partialregression coefficientsignificanttest

表4　方差分析（剔除壳高）Table 4　Analysis ofvariance（excluding shellheight）

表5　偏回归系数（剔除壳高）显著性检验Table 5　Partialregression coefficients（excluding shellheight）significanttest

由表4和表5的分析结果建立的回归方程：达极显著水平（F=33.469 4 Significance F=4.63×10-6）。该方程截距-25.557 7检验结果达极显著水平，壳长达极显著水平，壳厚达显著水平。

2.3结论

由试验数据分析得出，形态特征性状主要是通过壳长的直接或间接作用影响到重量特征性状的。因此，选择壳长作为分级机分级时的主要设计参数。

3　扇贝分级机总体方案设计

分级机结构图如图3所示。

图3　分级机结构图Fig.3　Grader structure chart

对辊式扇贝设备结构图，由机架、喂料部分、分级部分和输送部分组成，喂料斗、条形输料挡板均与机架固定相连[13]。喂料部分由入料输送带和喂料斗1组成，工作时入料输送带将扇贝成批运送至分级机喂料斗上方；待分级的扇贝由输送带运送到喂料斗内，喂料斗下端出料口处正对着两分级辊形成的近似V型的分选通道，在机架上方并排倾斜设有定向分级辊组，扇贝通过与两分级辊的摩擦在分级辊上向下滑动，避免扇贝堆积在出料口处。出料口左右两边缘由柔性材料制成，可调整扇贝落到分选通道时的姿态。在定向分级辊两端经轴承座固定在机架上，在定向辊组较高端设有传动齿轮与传动系统相连；在定向分级辊组上方护料挡板，所述条形输料挡板与定向分级辊组平行紧贴布置；在定向分级辊组下方设置有导料滑板，当扇贝到达合适的间隙时，便从分级辊上落下，从而将扇贝分成相应的等级。导料滑板收口处连接有出料输料带，可进行扇贝收集。在定向分级辊组低端小径处设有出料导板，用于最后级规格较大的扇贝收集。

4　关键零部件对辊结构设计

分级孔是整个扇贝分级设备的关键技术，分级辊决定扇贝分级精度的最关键部件，所以分级孔的设计对于分级设备的有效、顺利的工作显得至关重要。通过查阅大量扇贝相关文献和对扇贝外形特征的具体观察、分析和总结，得出扇贝外形特征的一般规律，如图4所示。

图4　扇贝轮廓示意图Fig.4　Schematic ofscallop contour

扇贝直立时，正俯视于扇贝，可视扇贝轮廓近似为一椭圆形，近似椭圆形的长轴长度即为扇贝壳长长度。这一特性规律，刚好适用于依据扇贝壳长对扇贝进行分级的分级原理，根据这一特性规律，运用三维建模软件，设计出初步分级孔结构如图5所示。

图5　初级分级辊实物图Fig.5　Completed grading device

分级装置倾斜布置且设三级椭圆形分级孔[13]，每一级孔径轴向最大长度分别设为50、55、60 mm呈依次增大趋势，刚好可将扇贝按照扇贝分级参考等级分为四等级，并在校工厂制作出如图5试验装置。进行分级效果试验，在倾斜布置的分级辊组较高端放入扇贝，扇贝直立在两分级辊之间，并在自身重力和背向转动的两分级辊表面摩擦力的作用下沿着分级通道下滑，经过第一级椭圆形分级孔即轴向长轴长度为50 mm时，壳长小于50 mm的扇贝可经过该级分级孔掉落，壳长大于50 mm的扇贝不能掉落，完成第一级的分选。但是壳长大于50 mm的扇贝，陷入该级分级孔后会卡在该分级孔内，不能继续滑向下一等级分级孔进行分选。

为解决扇贝在分级过程中卡顿问题，设计出了对辊分级装置如图6所示。

图6　优化后分级辊示意图Fig.6　Schematic ofimproved grading roller drive

分级辊组[14]由左旋分级辊和右旋分级辊组成，分级辊组沿轴线方向设有三段螺旋凹槽，各段螺旋凹槽的横截面皆为弧状，且沿轴线方向各段螺旋凹槽的弧弦长度依次增大，同段内螺旋凹槽的深度按由浅及深再由深至浅的趋势渐变，左旋分级辊表面螺旋凹为左旋，右旋分级辊表面螺旋凹槽为右旋，左旋分辊与右旋分级辊沿轴线方向各处螺旋凹槽对称布置且拼成分级孔。又因为通过上文对海湾扇贝的数据分析得出：扇贝的最大壳厚≤30 mm，所以设椭圆形分级孔的短轴最大长度为30 mm，以保证扇贝都能通过分级孔，掉入相应收集区域内。

按照扇贝分级参照标准，如图6所示，在分级辊上设置出三段椭圆形螺旋分级孔即可，每一级分级孔轴向最大长度依次分别设为：50、55、60 mm，扇贝在滑过每一级椭圆形螺旋分级孔时经历旋入，掉落或旋出的过程。

优化后分级辊方案制成的简易试验装置，如图7所示。

图7　优化后分级辊实物图Fig.7　Improved device of grading

经试验，优化后的结构可解决原来扇贝卡在椭圆形分级孔不能出来的的问题。扇贝依次旋入若干段轴向尺寸逐渐增大的对辊表面螺旋沟槽形成的椭圆形分级孔，扇贝壳长若小于旋入段的分级孔轴向长度则掉落到相应分级区域内，若大于旋入段的分级孔轴向长度则会旋出该段分级孔继续向下一级分级孔滑动，最终壳长尺寸不同的扇贝在相应的分级孔落入相应的收集区域，实现分级。试验效果较好。

5　结论

本文设计的对辊式扇贝分级设备充分的利用扇贝的外形特点，通过两分级辊反向转动，使落到两辊之间的姿态不同扇贝在自身重力和分级辊面的摩擦力作用下而直立在双辊之间形成的滑道中，实现对扇贝的定向。

通过对分级辊结构的优化，采用带有椭圆形螺旋槽分级孔形式，有效的解决了原方案中扇贝的卡顿和堆积，实现扇贝的分级作业。为扇贝分级自动化设备的设计提供了重要的基础。

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Design of Bay Scallop Roll Grading Equipment

YANG Shu-hua1，ZHANG Zhi-jun1，YIJing-gang1，*，LIU Jiang-tao1，WANG Jie2
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Agricultural University of Hebei，Baoding 071001，Hebei，China；2.College of Food Science and Technology，Agricultural University of Hebei，Baoding 071001，Hebei，China）

By analyzing the status bay scallop grading equipment，put forward the necessity of research and development for scallop grading equipment.Through the correlation analysis bay scallops morphological traits characteristic traits of the weight，determined design ofa roller grading classifier based scallop shell length.By comparing test results of two slotted form，identifying the surface of the roll out of the spiral grooves，using changes in ellipticalspiral classifier makes up a major diameter size to achieve scallops classification.And producd a simple test apparatus，carried out verification tests for grading effect.Determined the classification roll structure，itlaid the foundation for the development of scallop grading equipment.

bay scallops；grading equipment；spiralclassifier hole；roll

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.12.051

海洋公益性行业科研专项《扇贝对虾加工关键技术与设备研发及扇贝养殖生态环境保障技术的应用与示范》（201205031）；河北省科技支撑计划（12227169）

杨淑华（1975—），女（汉），讲师，硕士，主要从事智能化农业装备与技术研究。

弋景刚（1961—），男（汉），教授，主要从事农业机械技术装备的研究。

2015-07-07