海灣扇貝性狀分析及V型輪輥式分級機設計

吳紅雷 弋景剛 張志軍 尹欣玲

（College of Mechanical and Electrical Engineering，Agricultural University of Hebei，Baoding，Hebei 071001，China）

海灣扇貝是海產的雙殼貝類，屬于軟體動物門（扇貝科），除供人類食用及作為營養佳品以外，還有著悠久的藥用歷史，具有很高的經濟效益和社會價值。中國扇貝深加工目前仍然止步于人工加工的前處理階段。人工剝離貝柱屬于勞動密集型產業，隨著中國人工成本逐年提升，扇貝加工的利潤空間不斷降低。而扇貝專用分級機仍處于研發階段，國內外并沒有扇貝專用的分級設備。國外較早開始研究扇貝剝離機構及成套生產設備，以歐美、日本等國家為代表，擁有多項專利，并且設備已較為完善。其主要產品有：美國NC Hyperbaric公司生產的超高壓扇貝加工設備；冰島Traust公司的可船載扇貝加工生產線；日本日興株式會社扇貝加工流水線；而分級設備多以重量式分級設備和光電式分級設備為主［1］。中國扇貝機械加工技術尚未成熟，生產機械化水平仍然較低，提高扇貝制品的生產率，降低扇貝制品生產成本，使其加工機械化、規范化、安全化勢在必行［2，3］。

分級是海灣扇貝進行大批量、工業化加工所必需的前處理工藝，考慮到形態性狀和重量性狀是科學分級的重要依據，因此對形態性狀和重量性狀進行相關性分析［4，5］，確定一種性狀作為分級的決定性因素，為分級機的設計提供關鍵的設計參數。針對確定的關鍵性狀、海灣扇貝物理特點及現有的分級技術進行其分級機結構設計，達到高效、低損傷率的分級效果，為推動扇貝加工產業快速發展提供基礎。

1 相關性分析

1.1 材料

本次研究選取山東青島海灣扇貝為試驗材料，養殖年齡：5個月；所屬海域：黃海；捕撈時間：48h；挑出活體扇貝（活率很高），以無寄生物或寄生物很少的200只作為研究對象，分別測定其形態性狀（圖1）殼高（X1）、殼長（X2）、殼厚（X3）和重量性狀活體濕重（Y）、軟體濕重（Z）、閉殼肌濕重（W），其中軟體濕重、閉殼肌濕重為解剖性狀。

圖1 扇貝形態性狀Figure 1 Scallops morphological traits

1.2 海灣扇貝性狀測量

材料活體運回實驗室后測量其形態性狀指標并稱量活體濕重、軟體濕重和閉殼肌濕重。殼高、殼長、殼厚用游標卡尺（測量精度：0.02mm）測量（圖1），其中殼高指殼頂到腹緣的最大距離，殼長指貝殼左右邊緣最大距離，殼厚指兩殼間的最大距離；重量性狀用電子秤（測量精度：0.1g）稱量，其中活體濕重指活貝全重量；軟體濕重指剝離下的殼內全部組織的重量；閉殼肌濕重指剝離下的閉殼肌的重量。

1.3 分析方法

形態性狀和重量性狀測定結果經統計整理，獲得各項表型參數統計量后利用Excel軟件進行分析［6］。分別進行相關分析和通徑分析，剖析這些性狀對解剖性狀的直接作用和間接影響［7，8］。

1.4 結果與分析

1.4.1 數據的正態性檢驗 利用Excel工具中的數據分析進行描述統計，結果見表1。統計結果顯示海灣扇貝各性狀數據的偏斜度很小，接近于0，說明各組數據近似滿足正態要求，進行相關和通徑分析的結果可靠。

1.4.2 各性狀間的相關系數 對各性狀表型值進行相關分析，結果（見表2）表明：海灣扇貝各性狀之間均為正相關且達到顯著水平及極顯著水平，表明所選擇的指標進行相關分析具有重要的實際意義。從海灣扇貝形態性狀與重量性狀的相關性來看，其與活體濕重的相關大小依次為：殼長＞殼高＞殼厚；其與軟體濕重的相關大小依次為：殼長＞殼高＞殼厚；其與閉殼肌濕重的相關大小依次為：殼長＞殼厚＞殼高；與各重量性狀的相關性大小為活體濕重＞軟體濕重＞閉殼肌濕重。形態性狀殼長與重量性狀的相關性最大，與活體濕重、軟體濕重和閉殼肌濕重的相關系數分別為0.869 6，0.810 1，0.658 6，而殼厚與重量性狀相關性最小，與活體濕重、軟體濕重和閉殼肌濕重的相關系數分別為0.776 6，0.610 0，0.578 5。

表1 海灣扇貝各性狀描述統計Table 1 Descriptive statistics for each properties of bay scallops

表2 海灣扇貝各性狀間的相關系數Table 2 The correlation coefficient between each properties of bay scallops

表2 海灣扇貝各性狀間的相關系數Table 2 The correlation coefficient between each properties of bay scallops

顯著水平時的臨界α＝0.513 9，極顯著水平時的臨界γ＝0.641 1。

性狀 X1 X2 X3Y Z W X11 X2 0.912 706 1 X3 0.508 306 0.664 416 1 Y 0.800 775 0.869 603 0.776 666 1 Z 0.690 191 0.810 173 0.610 099 0.915 861 1 W 0.535 681 0.658 679 0.578 547 0.828 068 0.878 487 1

1.4.3 形態性狀對重量性狀的通徑系數 根據相關系數的組成，可將各形態性狀與重量性狀的相關系數剖分為各性狀的直接作用（通徑系數）和某一性狀通過其他形態性狀的間接作用（間接通徑系數）兩個部分。某一自變量通過另一自變量間接作用于依變量的間接通徑系數等于另一自變量的直接通徑系數乘以二者的相關系數，結果見表3。

由表3可知，對海灣扇貝而言：形態性狀對活體濕重的直接作用為殼厚＞殼長＞殼高，殼厚、殼高、殼長均與活體濕重呈正相關；對軟體濕重的直接作用為殼長＞殼高＞殼厚，其中殼長、殼厚與軟體濕重呈正相關，而殼高呈負相關；對閉殼肌濕重的直接作用為殼長＞殼厚＞殼高，殼長、殼厚和殼高均與閉殼肌濕重呈正相關。形態性狀殼高對重量性狀的直接作用并不是很大，主要是通過殼長的間接作用影響重量性狀的。所測各形態性狀中殼厚對活體濕重的直接影響最大（0.405 6）且大于間接影響，殼高和殼長對活體濕重的直接影響小于間接影響；殼長對軟體濕重的直接影響最大（0.976 5），殼高和殼厚的間接影響大于直接影響；殼長對閉殼肌濕重的影響最大（0.770 9），殼高和殼厚對閉殼肌濕重的間接影響大于直接影響。

1.5 關鍵性狀分析

海灣扇貝的重量性狀是最終的選擇分級性狀，而形態性狀較容易測量，通過形態性狀進行重量性狀的選擇具有重大意義。通過相關分析和通徑分析進行海灣扇貝形態性狀對重量性狀的影響研究，通徑分析表明，海灣扇貝形態性狀對各重量性狀的影響是不同的。結果表明：殼厚是影響海灣扇貝活體濕重的重要指標，但其對活體濕重的影響只是略大于殼長對活體濕重的影響；殼長對海灣扇貝軟體濕重和閉殼肌濕重具有很大的直接影響。綜合各組的影響程度，殼長對重量性狀的影響作用最大，選擇殼長作為分級工作的關鍵性狀更為合理。

表3 間接通徑系數Table 3 Path coefficients

圖2 扇貝分級機的結構示意圖Figure 2 Structure diagram of scallop classifier

2 分級機結構設計

根據上述形態性狀與重量性狀相關性分析，得出殼長作為分級工作的關鍵性狀。綜合分析現有的分級機包括格柵滾筒式、珠式、多滾筒式和輥式分級機優缺點［9－11］，結合海灣扇貝貝殼呈扇形，兩殼幾乎相等，后耳大于前耳，殼面有放射肋18條，肋較寬且高起，肋上無棘等物理特性，本設計采用V型輪輥式分級方法，可通過連續調節相鄰兩V型輪間距大小來對海灣扇貝進行分級。扇貝分級機結構示意圖見圖2。圖3為分級機的三維整機模型。

海灣扇貝分級機的工作原理：整機分三步工序：① 定向，上層的光桿安裝在第一變螺距絲杠上，光桿間隙逐漸變大，第一變螺距絲桿在減速電機帶動下驅動光桿旋轉，從而將扇貝向后輸送，扇貝在光桿與自身的物理特性作用下，當光桿間隙達到扇貝殼厚后，落入光桿間隙中，扇貝落到V型輪上且背緣朝上，完成定向；② 分級，下層的V型輪安裝在支撐軸上，支撐軸由鏈條串聯在一起，V型輪在起分級作用時，支撐軸由第二變螺距絲杠驅動，V型輪間隙由左向右逐漸變大，當V型輪間隙等于殼長時扇貝落入相應級的輸料帶上，V型輪完成分級工作后，支撐軸由鏈條經兩側安裝的鏈輪繼續循環運動；③ 輸料，扇貝落入相應級別的輸料帶后，被輸送到收集箱內，完成分級。

3 關鍵零部件V型輪設計

圖3 扇貝分級機三維立體圖Figure 3 Three-dimensional stereogram of scallops classifier

根據上述對海灣扇貝的形態性狀與重量性狀相關性分析與通徑分析，得出由殼長作為最終判定分級級別，因此如何控制扇貝殼長如其它分級機控制直徑成為扇貝分級機的關鍵一樣，由此設計了V型輪輥式的分級方式，V型輪卡住扇貝的腹緣。V型輪穿在支撐軸上，當V型輪支撐軸間距增大時，相鄰兩V型輪間支撐的扇貝就會在與自己殼長相同時從兩V型輪間落下。

V型輪尺寸的確定：經過大量測量與觀測得出扇貝距左右兩側腹緣15mm時殼寬度L1、L2波動范圍不大（見圖4）。由此測出100只扇貝X2、X3、L1、L2并做描述統計。結果表明：隨機抽取扇貝的殼長在44.10～61.98mm變化時，其L1、L2波動量相對較小，L1示偏斜度為0.062 8，L2示偏斜度為0.859 0。由L1殼平均尺寸為15.166mm，最小值為14.18mm。L1平均尺寸為14.584mm，最小值為14.08mm。由此確定V型槽的寬度和深度見圖5。

圖4 分級參數測量Figure 4 The measurement of grader parameters

圖5 V型輪結構圖Figure 5 The structure of V wheel

針對設計的V型輪，制作小型實驗裝置進行驗證，實驗裝置見圖6，每根支撐軸上穿5個V型輪，隨機選取扇貝5個一組，共10組。并對其進行測量記錄，以組為單位進行分級驗證實驗，實驗結果驗證了理論分析。

4 結束語

（1）通過對海灣扇貝形態性狀與重量性狀的相關性分析與通徑分析，發現殼長對軟體濕重和閉殼肌濕重有很大的直接影響，確定殼長作為分級工作的關鍵性狀。

（2）結合海灣扇貝的物理特性和分級要求，以殼長為分級性狀，綜合現有分級技術設計了一種V型輪輥式海灣扇貝分級機；并對其分級理論進行了實驗驗證，結果表明設計合理、結構新穎，滿足了分級的要求。

（3）利用Solid-works搭建了V型輪輥式海灣扇貝分級機三維整機模型。

圖6 扇貝分級實驗效果圖Figure 6 Test rendering of scallops grading

整機的合理化設計是一個復雜的過程，有必要利用Solid-works對三維模型做進一步的運動仿真與分析，確定傳動參數，實現最優化設計，最后制作樣機。

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