利用水射流剝離海灣扇貝貝柱的方法及裝置

解秋陽 王家忠 弋景剛

XIE Qiu－yangWANG Jia－zhongYI Jing－gang

姜海勇 徐鵬云 劉江濤

JIANG Hai－yong XU Peng－yunLIU Jiang－tao

（河北農業大學機電工程學院，河北 保定 071000）

（College of Mechanical and Electrical Engineering，Agricultural University of Hebei，Baoding，Hebei 071000，China）

就目前而言，扇貝加工可分為人工剝離和機械剝離兩種方式，人工剝離雖然剝離精準且剝離質量高，但是剝離效率太低而且食品安全問題無法保證。國外扇貝的機械加工起步較早，目前主要有超高壓脫殼、冷凍式脫殼、激光脫殼［1－3］等機械。超高壓脫殼機械在加工過程中調用600 MPa的靜壓來加工扇貝，在處理3 min后瞬時減壓，閉殼肌可以從貝殼上完整的剝離開來。該設備只能將閉殼肌連同臟器一起剝離，而無法進一步將閉殼肌同外套膜臟器分離開來。而且超高壓難以獲得，設備成本太高。激光脫殼機械在加工過程中通過激光器產生激光，而后由反射鏡傳遞并通過聚集鏡照射到扇貝表面，使扇貝表面受到強大的熱能而溫度急劇增加，從而使閉殼肌同貝殼結合處斷裂實現殼肉分離。該設備也不能實現閉殼肌同外套膜臟器的分離，且設備昂貴。中國在此方面仍屬空白［4，5］。上述設備雖然可以實現扇貝脫殼加工，但在產量和在回收利用方面上還亟待完善。海灣扇貝貝殼呈扇形，兩殼幾乎相等，右殼稍高，后耳大于前耳，殼表面有放射肋18條，平均殼高在5 cm左右，其閉殼肌緊貼于扇貝殼體內凹面。海灣扇貝由于其特殊的結構，普通的剝離方式并不適用其閉殼肌的剝離，這給海灣扇貝閉殼肌的加工造成了一定的困難。因此，研究閉殼肌的新型剝離方式就顯得尤為重要。

海灣扇貝閉殼肌是一種黏彈性，圓柱型束狀纖維肌肉組織，其一端緊貼于扇貝殼體內凹面。而內凹面是一種復雜的曲面［6］，采用刀具剝離會導致殼體破壞產生雜質，或者導致閉殼肌破裂而降低產品質量。這種特殊結構給海灣扇貝閉殼肌的加工造成了一定的困難。然而，水刀技術是以水為介質，通過高壓發生裝置獲得能級極高的流束，從一定形狀的噴嘴中高速噴射出來，用以實現切割、破碎、剝離、清洗等作用。水刀技術在人體外科手術中已經開始運用，如運用水射流切割壞死的肝臟組織，可實現肝臟內部組織的選擇性剝離，采用磨料水射流可進行人體骨骼的切割等，而且手術效果可與常規手術效果媲美［7，8］。為保證食用安全及加工質量，受到醫用水刀的啟發，可以通過改變射流形狀、射流壓力以及其他相應參數，利用射流同海灣扇貝閉殼肌之間的相互作用達到剝離閉殼肌的目的。

1 利用水射流剝離貝柱方法的提出

在之前所做的水射流剝離貝柱的試驗中，將試驗所需樣本固定在夾具上，將射流壓力、噴嘴靶距、噴射角度、噴射時間等參數調整至適當值，進行水射流剝離貝柱的試驗過程中，噴嘴固定不動，即水射流始終沖擊一個點，其剝離方式見圖1。試驗結果表明，絕大多數貝柱能被剝離，貝柱表面基本光滑，無傷痕，但在殼體上不免會有些許肉質殘留。分析上述貝柱剝離過程，參照銑削加工［9］，可以移動噴嘴，確保水射流沿著貝柱中心所在的曲線剝離貝柱，其剝離方式見圖2。

圖1 射流方向唯一Figure 1 The only jet direction

圖2 射流沿曲線Figure 2 Jet along the curve

為了驗證其試驗效果，分別從45～50，50～55，55～60，60～65 mm 4個級別的扇貝中隨機選取200個作為試驗樣本，分為A、B兩組，進行剝離對比試驗，A組射流始終沖擊一個點，即不沿貝柱中心所在的內壁曲線，B組使射流沿貝柱中心所在內壁曲線剝離貝柱。試驗結果見表1、2。

表1 射流不沿貝柱中心所在內壁曲線剝離貝柱的效果Table 1 Stripping effect that jet donot along the curve

表2 射流沿貝柱中心所在內壁曲線剝離貝柱的效果Table 2 stripping effect that jet along the curve

通過分析表1、2可知，當射流沿貝柱中心所在內壁曲線剝離貝柱時，扇貝貝柱破損率要低于射流位置固定時的貝柱破損率，殼體表面的肉質殘留率也相對較低，貝柱剝離率基本相當。試驗結果證明，當射流沿貝柱中心所在內壁曲線剝離貝柱時效果更好。

2 貝柱中心所在的內壁截面曲線的擬合

2.1 曲線擬合的意義

通過上述對比試驗，證明了當射流始終沿著貝柱中心所在的內壁曲線對貝柱進行剝離時，其剝離效果要比射流方向固定時的效果要好。為進一步研究這種剝離方式，實現貝柱的自動化剝離，為后續的水射流剝離貝柱自動裝置的研發提供理論基礎，對扇貝貝柱中心所在的內壁曲線進行擬合就顯得尤為重要。

2.2 曲線擬合的過程

為了擬合出扇貝貝柱中心所在的內壁曲線并得到其方程，首先要確定貝柱在殼體上的分布位置。將海灣扇貝按直徑L 不同分為45～50，50～55，55～60，60～65 mm 4個級別。貝柱所在殼體上的相對位置見圖3，經測量計算并統計數據，得出45～50，50～55，55～60，60～65 mm 4個級別的扇貝貝柱中心在殼體內的L和H 方向的相對位置分別為（0.360 2，0.385 3），（0.361 8，0.390 1），（0.366 4，0.394 6），（0.372 5，0.398 3）。

圖3 貝柱位置Figure 3 Scallop column position

貝柱的位置確定后，在殼體內壁上描繪出貝柱中心所在的曲線并將殼體沿該曲線切割，將此曲線掃描至計算機，運用getdata graph digitizer軟件描點得到曲線上的一系列點的坐標，然后通過 MATLAB軟件進行曲線的擬合［10，11］。隨機挑選50～55 mm級別中的一個扇貝，以此為例來說明MATLAB的曲線擬合結果，輸入下列程序：

程序中x和y后面括號內對應的是描點得到的一系列點的橫縱坐標值，執行此程序后進入曲線擬合界面，選擇多項式的擬合方式，分別進行5、6、7次多項式的擬合。擬合結果見圖4。

圖4 五、六、七次多項式的擬合結果Figure 4 5，6，7 polynomial fitting results

對應的五次多項式擬合方程為

偏差平方和為0.049 32，相關指數為0.998 1，對應的六次多項式擬合方程為

偏差平方和為0.031 98，相關指數為0.998 8，對應的七次多項式擬合方程為

偏差平方和為0.050 32，相關指數為0.998 3，比較擬合結果可得，六次多項式的擬合方程其偏差平方和小于五次多項式和七次多項式擬合方程的，且其相關指數也大于五次多項式和七次多項式擬合方程的。通過對比擬合得出的各個方程的偏差平方和及相關指數并結合圖像可以得出，采用六次多項式所得擬合結果要好于五次和七次多項式的。六次多項式的擬合結果見圖5。

圖5 六次多項式的擬合結果Figure 5 6th polynomial fitting results

按照上述擬合方法，分別從45～50，50～55，55～60，60～65 mm 4個級別的扇貝中隨機挑選50個，對其貝柱中心所在曲線分別進行五，六，七次多項式擬合。由擬合結果可以發現，采用六次多項式所得到的擬合結果均好于采用五次和七次多項式的。因此采用六次多項式的擬合方程對曲線進行描述。

對比每個級別所得出的50個六次擬合方程，發現方程對應項的系數差別非常小，因此，為實現水射流剝離貝柱的自動化，對相應各點取平均值后得到平均曲線，用它來近似描述4個級別的扇貝貝柱中心所在曲線。圖6～9分別為擬合出的45～50，50～55，55～60，60～65 mm 4個級別的扇貝貝柱中心曲線的平均曲線及其方程：

圖6 45～50 mm級別貝柱中心曲線的平均曲線Figure 6 The average curve of the level 45～50 mm

圖7 50～55 mm級別貝柱中心曲線的平均曲線Figure 7 The average curve of the level 50～55 mm

圖8 55～60 mm級別貝柱中心曲線的平均曲線Figure 8 The average curve of the level 55～60 mm

圖9 60～65 mm級別貝柱中心曲線的平均曲線Figure 9 The average curve of the level 60～65 mm

3 水射流剝離貝柱的數控裝置

水射流剝離貝柱數控裝置應由控制部分和機械部分兩部分組成。在控制系統中，預先將擬合出的4個級別的扇貝貝柱中心曲線的平均曲線的方程存入，然后根據所要剝離的扇貝的級別從系統中選取相應級別的貝柱中心平均曲線對剝離過程進行控制。機械部分主要有夾具部分、夾具體進給部分、夾具角度擺動部分、射流噴嘴高度調整部分及射流噴嘴角度擺動部分。各部分運動均由伺服電機進行精確控制。裝置工作時，首先將所要加工的扇貝置于夾具中夾緊，控制系統根據扇貝級別調取相應的控制信息，調整射流噴嘴和扇貝位置，使其處于設定的噴射角度和靶距。通過噴嘴高度調整，角度調整以及扇貝隨夾具體的進給和角度擺動這幾個動作同步協調進行，控制水射流按設定的曲線對貝柱進行剝離。裝置總體構成圖見圖10。

圖10 總體構成圖Figure 10 The overall configuration diagram

4 結論

本研究基于海灣扇貝的生物特性，受醫用水刀及銑削加工的啟發，提出了利用水射流沿貝柱中心所在曲線對貝柱進行剝離的方法，并通過對比試驗得出了該方法的可行性及剝離質量好、剝離率高的優點。而后擬合得出了4個級別的扇貝貝柱中心所在曲線的平均曲線，根據利用水射流沿貝柱中心曲線剝離貝柱的方法，以擬合得到的4條平均曲線為理論依據給出了水射流剝離貝柱的數控裝置的初步設想。由于水射流自身具有干凈衛生的特點，因此該方法在貝柱剝離方面具有很大的應用前景和發展潛力，水射流剝離貝柱數控裝置還需進一步設計、優化，以便達到更佳的剝離效果。

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