水射流剝離扇貝閉殼肌的試驗與參數優(yōu)化

王家忠，楊淑華，謝秋陽，弋景剛

（河北農業(yè)大學機電工程學院，保定 071001）

水射流剝離扇貝閉殼肌的試驗與參數優(yōu)化

王家忠，楊淑華，謝秋陽，弋景剛

（河北農業(yè)大學機電工程學院，保定 071001）

為了滿足扇貝閉殼肌剝離的安全性、經濟性和高效性要求，該文將水射流技術應用于海灣扇貝閉殼肌剝離中并進行試驗研究。為了保證閉殼肌的剝離質量和效率，優(yōu)化水射流噴射路徑，對水射流噴射路徑進行擬合，得到閉殼肌剝離時水射流的初始入射角。以閉殼肌剝離效果的感官評分為考核目標進行了剝離試驗，通過單因素分析，確定了射流壓力、入射角度和噴射距離的取值范圍。應用Box-Behnken design進行試驗設計，并應用響應面法對試驗數據進行分析處理，建立了剝離效果評價標準和數學模型。通過對響應面圖的分析，得出了適用于水射流剝離閉殼肌的優(yōu)化工作參數組合。結果表明：射流壓力應控制在2～4 MPa、射流入射角度控制在23°～33°、射流噴射距離控制在30～40 mm。當射流壓力為3 MPa、射流入射角為23°、噴射距離控制在30 mm時，扇貝閉殼肌剝離效果最好。該文可為扇貝剝離設備的設計及優(yōu)化提供借鑒和參考。

優(yōu)化；加工；水射流；曲線擬合；閉殼肌剝離

王家忠，楊淑華，謝秋陽，弋景剛. 水射流剝離扇貝閉殼肌的試驗與參數優(yōu)化[J]. 農業(yè)工程學報，2017，33(7)：289－294.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.038 http://www.tcsae.org

Wang Jiazhong, Yang Shuhua, Xie Qiuyang, Yi Jinggang. Experiment and operating parameter optimization using water jet technology for scallops shucking processing[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(7): 289－294. (in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.038 http://www.tcsae.org

0 引 言

扇貝中可食用的部分是閉殼肌，又稱貝柱或瑤柱，它具有很高的營養(yǎng)價值及藥用價值，被稱為“海產八珍”之一，深受人們的喜愛[1-3]。隨著居民生活水平的不斷提高，人們對閉殼肌的消費需求日益增加。但扇貝的養(yǎng)殖和收獲季節(jié)性很強，要求處理鮮活扇貝的時間盡量地短，這對閉殼肌剝離的質量和效率提出挑戰(zhàn)。

扇貝加工流程一般包括清洗、分級、開殼、去內臟、剝離閉殼肌和包裝等工藝過程，本文探討的是閉殼肌剝離工序。閉殼肌的剝離方法可概括為機械強制剝離和非機械式剝離兩類[4-9]。機械剝離法一般將開殼后的扇貝，采用特制的刀具或其他機械裝置將閉殼肌從殼體上強制剝離[4-6]。非機械法包括熱震法[10-11]、蒸汽法[12-13]、激光法[14]、微波法[15-16]和超高壓法[17]等，以上方法在閉殼肌的品質、效率和成本等方面各有優(yōu)缺點[4]。近年來，盡管出現了一些新的方法和工藝，但鑒于扇貝復雜的生理結構以及對扇貝剝離設備的安全性、經濟性和高效性要求，研制滿足質量要求的、性價比高的自動化剝離設備仍然在探索中。

水射流技術是利用水作為工作介質，經增壓設備增壓后，使其成為高能級的流束，經特定的噴嘴高速噴出，實現加工。水射流加工有以下優(yōu)點：1）水射流采用的工作介質是水，故采用該方法經濟、安全、環(huán)保；2）可通過調整噴嘴形狀、尺寸以及射流壓力、距離等參數，應用于不同領域，實現精準加工；3）屬于冷加工，熱影響區(qū)小，能保證食品的新鮮。近年來，該技術已經在機械加工、食品和醫(yī)療等領域日益得到廣泛地應用[18-25]。為了探索一種安全、經濟和高效的閉殼肌剝離方法，課題組應用水射流技術進行了閉殼肌剝離的試驗探索，取得了階段性成果[22-25]。通過對噴嘴內部流場仿真分析和試驗研究，對影響噴射性能的噴嘴參數（噴嘴錐角、出口長度及出口直徑等）進行了優(yōu)化，實現了噴嘴參數的合理配置[24]。

在此基礎上，本文以新鮮海灣扇貝為研究對象，優(yōu)化水射流的噴射路徑；對影響水射流剝離效果的壓力、入射角度和噴射距離3個參數進行試驗研究；應用響應面法對上述 3種影響因素進行優(yōu)化和試驗研究，以獲得閉殼肌剝離工作參數的優(yōu)化組合。

1 水射流剝離閉殼肌的路徑優(yōu)化

1.1 海灣扇貝的生理結構

海灣扇貝（Argopecten irradians）屬于軟體動物門，瓣鰓綱，珍珠貝目，扇貝科，主要分布在中國的山東沿海，其次為河北和遼寧部分沿海。其貝殼呈扇形，兩殼幾乎相等，右殼稍高，后耳大于前耳。前耳下方生有足絲孔，成體無足絲，絞合部相連且平直，肋較寬而高起，肋上無棘。生長紋較明顯。殼面有放射肋17或18條，殼面呈黑褐色、褐色、黃色或灰白色。成貝殼高60 mm左右[26]。海灣扇貝的生理結構和幾何參數如圖1所示。

圖1 海灣扇貝的生理結構及幾何參數Fig.1 Structure and geometric parameters of argopecten irradians

1.2 水射流剝離閉殼肌路徑優(yōu)化

水射流剝離閉殼肌的工作過程為：將扇貝固定在試驗臺的夾具上，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，保持噴嘴噴射方向不變，進行閉殼肌剝離工作，如圖2 a所示。該方法操作簡單，絕大多數閉殼肌能被剝離，但閉殼肌和水射流接觸面不甚光滑，在殼體上會有些許肉質殘留，剝離效率較低。為了解決上述難題，受數控銑削加工工藝的啟發(fā)，得到閉殼肌理想剝離工藝，即根據貝殼內表面曲線由數控系統(tǒng)隨時改變噴嘴的噴射方向，確保水射流沿著貝殼內表面放射肋切線方向剝離閉殼肌，如圖2 b所示。

圖2 水射流噴射方向變化貝柱剝離效果對比Fig.2 Comparison of two methods for fixed jet direction and angle variation along shell tangential

為了實現水射流理想的噴射路徑并確定水射流的初始入射角，需要對通過O1、O2且和貝殼垂直截面與貝殼內表面相交的曲線進行擬合，此處該曲線定義為曲線O1O2。

1.3 水射流噴射路徑曲線擬合

為了得到水射流噴射路徑的擬合曲線，首先確定閉殼肌中心O2的坐標。

閉殼肌的中心O2的坐標可通過下式求得

抽取50只殼高H=55～60 mm級別的新鮮扇貝作為樣本，對圖1中的L、H、d、L1、H1等參數進行測定，將所得結果應用式（1）和（2）計算并取均值，得到該級別海灣扇貝閉殼肌中心點的相對坐標為（0.318 2，0.394 6）。閉殼肌的平均直徑為12 mm。統(tǒng)計數據表明，同一級別的扇貝閉殼肌在殼體內的相對位置基本一致，表明擬合曲線有很好的代表性。通過 GetDate Graph Digitizer對殼體截面曲線上的一系列點進行反求，將所得數據利用Matlab做曲線擬合，所得擬合曲線O1O2如圖3所示。

圖3 水射流噴射軌跡擬合曲線Fig.3 Scallop shell fitting curve

擬合曲線的回歸方程為

根據公式（3），可計算得到閉殼肌中心點橫坐標為17.204，閉殼肌左側邊緣同殼體粘結處的位置坐標為（11.204,4.737）。過該點和坐標原點的直線同橫軸之間構成的α角便是水射流的初始入射角。該直線方程為

由此可推倒出初始入射角α= a rctan(0 .4228 ) =23°

2 材料與方法

2.1 試驗裝置

圖4為水射流試驗裝置，包括水射流組件和柱塞泵。其中，水射流組件包括高壓膠管、窄角扇形噴嘴（出口直徑1 mm，39°扇面）、壓力表（量程：0～25 MPa）、調壓閥、支撐臺、儲水裝置；柱塞泵（最大泵壓11 MPa，流量6 L/min）。

圖4 水射流試驗裝置Fig.4 Water jet test device

2.2 試驗材料

產地：河北昌黎海灣扇貝；扇貝級別：高度為 55～60 mm的1 a生鮮活海灣扇貝；樣本要求：去除上殼、裙邊、內臟等，只保留下殼和閉殼肌，如圖1所示。

2.3 試驗設計

2.3.1 閉殼肌剝離效果感觀評分設計

對試驗樣本通過調整工作參數進行試驗，以閉殼肌剝離的難易程度、貝肉完整程度、殼體表面肉質殘留程度為主要的評價指標，采用感官評分值進行閉殼肌剝離效果評定，以確定剝離試驗中不同參數對剝離效果的影響[27-30]。試驗由 5名具有感官評定經驗的教師和研究生組成，取3項評分的平均值作為綜合感官評分，表1為感官評分依據。其中，80分以上為1級，表示剝離效果極佳，65～80分為2級，表示剝離效果比較滿意，65分以下為3級，表示剝離效果不理想。

表1 閉殼肌剝離效果感觀評分標準Table1 Criteria of sensory evaluation for stripping effect

2.3.2 單因素試驗設計

本次試驗在噴嘴參數已經確定的情況下進行，選用窄角扇形噴嘴，噴嘴參數為：錐角為 60°，出口長度為4 mm，出口直徑為1 mm。以水射流的壓力、入射角和噴射距離 3個參數分別對新鮮海灣扇貝進行單因素試驗，以確定各參數的合理取值范圍。

2.3.3 閉殼肌剝離組合試驗設計

根據單因素試驗的所得結果，確定了各參數的合理取值范圍。應用Box-Behnken design中心組合試驗理論，選取水射流的壓力、射流入射角和噴射距離 3個因素作為調節(jié)變量，按照3因素3水平進行水平編碼，表2為因素水平編碼表。

表2 因素水平編碼表Table2 Factors and level coding table

響應面分析主要采用非線性擬合的方法，得到多項式擬合方程。采用繪制的響應面圖和綜合考慮實際影響因素獲得最優(yōu)匹配參數。本文按照表 2設計試驗方案，以剝離效果為考察目標，進行組合試驗[29-30]，分析各因素交互作用對閉殼肌剝離效果的影響，根據Box-Behnken design設計理論，以感官評分值為響應值，進行響應面分析，得到最佳的工作參數匹配。

3 結果與分析

3.1 單因素試驗結果與分析

3.1.1 不同射流壓力對閉殼肌剝離效果的影響

取射流入射角度為 30°，射流噴射距離設定在40 mm，將射流壓力順序調整為1、2、3、4、5 MPa實施閉殼肌剝離試驗。

圖5a表明，閉殼肌剝離效果感官評分和射流壓力P呈現為非線性。當P在1～3 MPa范圍內逐步增大時，感官評分也逐步上升。當射流壓力達到3 MPa，感官評分值也逐漸趨近于83分，閉殼肌的剝離率基本達到100%。但隨著射流壓力繼續(xù)增大，感官評分隨之下降，表明被剝離的閉殼肌表面質量越來越差。綜合閉殼肌剝離感官評分、剝離質量以及剝離速率等因素，射流壓力范圍宜選2～4 MPa。此時，感官評分值較高，滿足閉殼肌剝離要求。

圖5 不同因素對閉殼肌剝離效果Fig.5 Effects of different factors on stripping effect

3.1.2 不同入射角度對閉殼肌剝離效果的影響

將射流壓力設定在 3 MPa，射流噴射距離設定為40 mm，將射流入射角度在23°、28°、33°、38°和43°條件下進行閉殼肌剝離試驗。

圖5b表明，閉殼肌剝離效果感官評分與射流入射角度呈現非線性。試驗發(fā)現，射流入射角≤33°時，感官評分值＞81分，閉殼肌比較容易被完全剝離，閉殼肌剝離率和剝離質量高，閉殼肌表面光滑。當射流入射角＞33°時，感官評分下降，閉殼肌被完全剝離的難度加大，閉殼肌出現被縱向撕裂的情況，殼體內表面開始出現肉質殘留，剝離率也逐漸降低。其原因為：當射流入射角逐漸增大時，射流作用到閉殼肌上的切向力逐漸減小，縱向力逐漸增大，使得該切向力不能完全克服閉殼肌同殼體的粘附力。綜合考慮閉殼肌剝離質量以及剝離效率等因素，入射角度控制在23°～33°比較合適。

3.1.3 不同噴射距離對閉殼肌剝離效果的影響

將射流壓力設定在3 MPa，射流入射角度控制在30°，將射流噴射距離分別取20、30、40、50和60 mm，實施閉殼肌剝離試驗。

圖5c表明，當射流噴射距離≤30 mm時，隨著噴射距離的逐漸增大，感官評分值逐漸趨近于85分，閉殼肌的剝離質量越來越高。當噴射距離增加至40 mm時，閉殼肌剝離質量略有下降。但當噴射距離再繼續(xù)增大時，閉殼肌被完全剝離的難度加大，剝離質量也越來越差，閉殼肌表面存在明顯的射流沖擊痕跡。綜合考慮感官評分以及閉殼肌的剝離質量和剝離效率等因素，射流噴射距離宜選30～40 mm。

3.2 組合試驗結果與分析

根據Box-Behnken design設計理論，組合試驗分析試驗設計方案以及對應試驗數據如表3所示。

表3 Box-Behnken設計方案以及試驗結果Table3 Design of Box-Behnken and corresponding results

3.2.1 感官評分值的數學模型構建及方差分析

將射流壓力A、入射角度B以及噴射距離C三因素作為自變量，將剝離效果感官評分Y作為響應值。應用Design-Expert8.05b分析表3所得結果，得到閉殼肌剝離效果感官評分Y的回歸方程

方差分析見表4。表4表明,該模型的F檢驗表現為極顯著，AdjR2=0.999 8。失擬項檢驗F=0.019，P=0.898 0＞0.05呈不顯著，復相關系數R=0.999 9，說明該模型用來剖析試驗結果是可行的。同時，分析該回歸模型還能夠看出：射流壓力、射流入射角度和射流噴射距離與閉殼肌剝離效果感官評分表現為二次非線性關系。應用貢獻率法計算得出A、B、C的貢獻率分別是：ΔA=4.491 5，ΔB=2.497 0，ΔC=3.992 5。故上述 3個參量對Y值的作用大小分別為：射流壓力A＞射流噴射距離C＞射流入射角度B。

表4 方差分析Table4 Variance analysis

3.2.2 響應面分析

圖6a為射流壓力A、射流入射角度B對感官評分Y影響對應的響應面圖；圖6b為射流入射角度B、噴射距離C對感官評分Y影響對應的響應面圖；圖6c為射流壓力A、噴射距離C對感官評分Y影響對應的響應面圖。

圖6 射流壓力、入射角度、噴射距離對感官評分的響應面Fig.6 Response surfaces of shucking effects with different jet pressure, jet incidence angle and distance on sensory score

圖6a表明，在射流入射角度B各個水平下，在射流壓力A逐漸增大的過程中，閉殼肌剝離效果的感官評分Y均呈現先升后降的趨勢。要使Y取得最大值，A應該取0水平附近。當A在?1～0之間變化時，感官評分隨著射流入射角度的增大而逐漸減小。當A在0～1水平之間變化，當B逐步變大時，感官評分Y開始下降而后上升。要使Y取得最大值，B應該取?1水平附近取值。

圖6b表明，在射流噴射距離C的各個水平下，在B逐步變大的過程中，感官評分Y均呈遞減趨勢。在B的各個水平下，在C逐步變大的過程中，Y也呈遞減趨勢。要使Y取得最大值，B應在?1水平附近，相對應的C也應在?1水平附近。

圖6c表明，在射流壓力A各個水平下，隨著射流噴射距離C的增加，感官評分Y均呈減小趨勢，要使Y最大，C應該在?1水平附近取值。

3.3 參數優(yōu)化

選用Design-Expert軟件對上述結果進行參數優(yōu)化，所得的優(yōu)化參數組合為：射流壓力水平A=?0.037（射流壓力3 MPa）、入射角水平B=?1.0（射流入射角23°）、噴射距離水平C=?1.0（射流噴射距離30 mm），此時閉殼肌剝離效果感觀評分S=91.02分。

3.4 試驗驗證

為了驗證上述參數組合的正確性與有效性，選取閉殼肌剝離的最優(yōu)參數值，即射流壓力為3 MPa、初始入射角度為23°、噴射距離為30 mm進行試驗，隨著剝離過程的進行，入射角度沿扇貝內表面曲面切線方向實時調整。驗證結果如表5。

表5 優(yōu)化方案的驗證結果Table5 Verification results of optimization program

閉殼肌剝離效果感官評分的相對誤差為3.68% ，和理論值基本相符，證明上述優(yōu)化方案對提高閉殼肌的剝離效果是有效的。

4 結論與討論

本文針對高度為55～60 mm級別的海灣扇貝閉殼肌進行剝離試驗研究與仿真分析，分析了水射流參數對閉殼肌剝離效果影響，得到以下結論：

1）優(yōu)化了水射流的噴射路徑，并對水射流噴射路徑進行擬合，得出了閉殼肌剝離時水射流的初始入射角為23°。

2）利用單因素試驗分析了射流壓力、射流入射角度、射流噴射距離對閉殼肌剝離效果的影響，得到各參數有效取值范圍，分別為：射流壓力2～4 MPa、射流入射角度23°～33°、射流噴射距離30～40 mm。

3）應用貢獻率法得到3個參數對閉殼肌剝離效果感官評分Y值的作用大小，分別為：射流壓力＞射流噴射距離＞射流入射角度。

4）采用響應面分析法得出了扇貝閉殼肌剝離的優(yōu)化參數組合，即射流壓力為3 MPa、射流入射角為23°和射流噴射距離為30 mm。

本文采用水射流技術針對閉殼肌剝離工序進行試驗研究與參數優(yōu)化，實現了靈活、環(huán)保和低成本剝離加工，但加工效率還有待提高。課題組將繼續(xù)在提高效率上進行研究。另外，探討采用水射流技術完成扇貝從清洗、開殼、去內臟到分離閉殼肌大部分加工工藝，將工序進行銜接，以形成高效自動化生產線，需要對水射流的噴嘴及噴射參數進行更深入的探討。

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Experiment and operating parameter optimization using water jet technology for scallops shucking processing

Wang Jiazhong, Yang Shuhua, Xie Qiuyang, Yi Jinggang
(College of Mechanical and Electrical Engineering, Hebei Agricultural University, Baoding 071001, China)

Shucking processing in scallop adductor muscle is a hotspot and also a difficulty point in the research field of seafood processing. Scallop shucking method is generally divided into mechanical and non-mechanical method. However, due to its special physiological structure, the ideal shell shucking method has not been found yet. It is a critical job for us to find advance technologies that are effective, inexpensive and safer than previously available technologies. At present, the main method of implementing the shelling processing is by hand in China. Water jet cutter technology is based on the naturally erosive effects of water. Water jet cutters work with the same principle as high pressure washers, which essentially “cut” the dirt off of the surfaces on which they are used. Water jet technology is a safe and green technology. In recent years, water jet is applied to many fields of industries and has been widely used in food and medical fields. One of the main advantages of this technology is that the technology has not thermal effect on machined material. In order to meet the safety, economy and efficiency requirements, the water jet technology is introduced into the study on shell adductor muscle shucking of argopecten irradians. In this paper, the simulation analysis and experimental study of the effect of water jet parameters on the adductor muscle shucking were conducted with the bay scallop sample with the height of 55-60 mm. The idea of shucking the adductor muscle along the tangential direction of the shell was proposed, and in the scallop shell body curve fitting, the initial incidence angle was 23°. Through the single factor experimental study, the scopes of the parameters which affect the stripping effect, including the jet pressure, the angle of incidence and the injection distance, were determined. The results showed that the scopes were as follows: The jet pressure of 2-4 MPa, the incidence angle of 23°-33° and the injection distance of 30-40 mm. The contributions of parameters to the sensory score were different using the contribution rate method. They were jet pressure ＞ injection distance ＞ incident angle. Box-Behnken design was used for experiment design and response surface method was applied to analyze the test data; the mathematical models, which involved the shucking effect evaluation standard about the above 3 parameters, were established. Through the analysis of the contour map and the response surface figure, the optimal combination of the 3 parameters above was obtained, which was jet pressure of 3 MPa, incident angle of 23° and injection distance of 30 mm. The research on the water jet technology has very important application value for the design and optimization of scallops shelling equipment.

optimization; processing; water jet technology; curve fitting; scallops shucking processing

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.038

S985.3+6; TS254.3

A

1002-6819(2017)-07-0289-06

2016-08-04

2017-04-01

海洋公益性行業(yè)科研專項（201205031）；河北省科技支撐計劃（12227169）

王家忠，男，河北阜城人，教授，博士，主要從事數控技術與特種加工的研究。保定 河北農業(yè)大學機電工程學院，071001。

Email：wjz9001@163.com