贻贝(Mytilus coruscus)，又名淡菜，是一种具有较高营养价值及药用价值的双壳类软体动物 [1-5]。厚壳贻贝是贻贝种类之一，其人工规模养殖已成为舟山嵊泗贝类经济的支柱性产业。2014年，全国贻贝产量已突破8万t，但能实现加工生产并实现出口销售量的不足800 t[6-8]。目前，国内外对贻贝取肉的方法主要采用热加工的方式进行贻贝全剥壳，如加热脱壳法[9-10]、微波脱壳法[11-12]、红外脱壳法[13-14]等，此类方法得到的贻贝肉质都是已经被蒸熟或是半成品，不能得到贻贝新鲜的肉质[15-20]。现阶段对贻贝冷加工开壳的研究及相关设备很少，如胡静艳等[21]、解秋阳等[22]进行水射流贻贝剥肉方法研究与模拟，朱松明等[23]研究超高压贻贝脱壳方法，但此类方法主要针对贻贝剥全壳方法的研究。由于很多国家的饮食习惯，需要得到比较新鲜的贻贝肉全部留在半壳上，这就需要对贻贝进行冷加工再进行出口销售。如果采用人工取肉方法，工作量大且效率低，不适合企业性的生产需求[24-27]。为了实现厚壳贻贝剥半边壳的机械化加工，设计了一种厚壳贻贝自动剥半壳装置。
1 剥半壳装置基本机构与工作原理
1.1 基本机构
通过对厚壳贻贝生理特性(图1)的研究，设计出厚壳贻贝剥半壳装置(图2)。装置主要由加工台面、支撑臂、气压缸、开壳刀具、真空吸盘、贻贝固定台和传送带等零部件组成。
图1 厚壳贻贝结构图
Fig.1 Structure map of Mytilus coruscus
图2 厚壳贻贝剥壳装置示意图
Fig.2 Schematic diagram of shelling device for Mytilus coruscus
1.2 工作原理
通过对贻贝固定台进行仿形设计，使得在一定范围内不同规格的贻贝都能实现定向固定。在进行贻贝加工时，先由人工将贻贝背部朝下、腹部朝上放置在贻贝固定台中；固定台底部两侧开有凹槽，通过“工”字形方式与工作台上的传送带连接，实现传送带与固定台的固定传动。
传动带电机在设定的PLC控制程序控制下，按照设定的时间间隔指令控制电机转动，传送带带动贻贝固定台直线移动到贻贝开壳区域，固定台到达开壳刀具下方时，传送带停止运转，开壳装置中气压缸开始驱动活塞杆移动。由于活塞杆一端连接有开壳刀具，在活塞杆的推动下，刀具抵达贻贝腹部闭合缝隙位置(图3a)，从壳外插入壳内并不断深入，切断贻贝壳内的后闭壳肌柱，实现自动开壳(图3b)。在此过程中，贻贝固定台下端设有一个V形弹簧片，开壳刀具在从贻贝壳外到壳内的过程中，贻贝受到其作用力不断下压V形弹簧片，完成贻贝后闭壳肌柱切割后，开壳刀具在气压缸活塞杆的作用下进行回位，并从贻贝壳内退出，在退出过程中，V形弹簧片失去下压作用力开始进行恢复动作，将与其接触的贻贝顶回初始放置位置。因为贻贝固定台的开口总体呈“上大下小”的V形形式，贻贝在固定台内再次回来初始放置位置，其两侧壳在失去后闭壳肌的闭合作用力而张开一定宽度。
图3 厚壳贻贝腹部闭合缝隙位置和后闭壳肌柱
Fig.3 Closed abdominal gap and posterior closed shell muscle column of Mytilus coruscus
在开壳刀具回位完成后，传送带电机通过程序控制开始运转。传动带带动贻贝固定台继续向前移动，在时间控制指令下，当固定台移动到剥肉刀具下方时，传动带电机停止运转，控制系统控制单边剥肉装置中的气压缸开始运动，气压缸外端的活塞杆一端连接真空吸盘连接杆，该杆与真空吸盘连接，在活塞杆的作用下，真空吸盘进入已张开一定宽度的贻贝壳体内，当真空吸盘到达竖直方向的最低端时，剥肉装置的气压缸停止运动，抽气电机开始启动，真空吸盘产生吸附力使贻贝半边壳上的贻贝肉从壳上脱离。真空吸盘经过一定时间后停止工作，被吸附的贻贝肉从吸盘上脱落而留在壳体内。在控制系统的控制下，真空吸盘完成回位动作。图4为厚壳贻贝剥半壳装置工作流程。
贻贝剥肉工序完成后，传动带电机开始运转，带动贻贝固定台向前移动，进入半壳贻贝分拣区，由人工分拣与包装半壳贻贝。由于剥掉的半壳上的贻贝肉转移到了另一半壳上，因此，此时留下的半壳贻贝上附着整个厚壳贻贝肉。
图4 厚壳贻贝剥半壳装置工作流程图
Fig.4 Working flow chart of shelling device for Mytilus coruscus
2 厚壳贻贝剥半壳装置的设计
2.1 厚壳贻贝固定装置设计
厚壳贻贝固定装置为贻贝固定台(图5)，主要实现贻贝在加工过程中的固定及传送功能。固定台采用厚壳贻贝的仿形设计，便于贻贝两半壳与贻贝固定台表面的接触。厚壳贻贝下端两侧对称设置有两条T形凹槽，便于配合T形传送带的嵌入，实现贻贝固定台传输。
图5 贻贝固定台轴测图和纵向剖视图
Fig.5 Axonometric drawing and longitudinal view of Mytilus coruscus fixed platform
在手工放置区域，将厚壳贻贝背部朝下、腹部朝上放置。同时，厚壳贻贝的啮合齿顶部紧靠贻贝固定台后端面上凸台形凹槽内。由于厚壳贻贝后闭壳肌切断后，两半壳开口的宽度从厚壳贻贝的底部向顶部逐渐减小，因此贻贝固定台前端面设计为开口形式。厚壳贻贝后端面的凸台形凹槽面具有一定深度，可与厚壳贻贝啮合齿顶部配合，实现厚壳贻贝在开壳剥肉及传动过程中的单点定位功能，配合V形弹簧片完成厚壳贻贝开壳后的回位动作。
V形弹簧片由细弹簧及V形片组成，设置在贻贝固定台下端面。细弹簧一段与V形片连接，另一端与厚壳贻贝底部固定连接。厚壳贻贝放置在固定台上时，其背部凸点区域V形片内表面相接触。厚壳贻贝在开壳过程中受到开壳刀具向下的持续作用力而不断向下挤压V形弹簧片，由于贻贝固定台呈V形，如若没有V形弹簧片恢复弹力作用，在开壳刀具作用力消除后，厚壳贻贝不能回位到上端初始放置位置而一直处于下端宽度较窄位置，致使厚壳贻贝即使被切断，其后闭壳肌柱仍处于闭壳状态。
2.2 开壳装置设计
2.2.1 开壳装置工作原理
开壳装置由开壳刀具、角度调节及连接装置、气压缸系统三部分组成，其主要功能是实现厚壳贻贝在固定装置中开壳工序。气压缸竖直固定在位于工作台上方的支撑臂上，通过连接装置将气压缸活塞杆与角度调节装置进行连接。
为了提高开壳效果，需要确定开壳刀具刃口的宽度。选取厚壳贻贝20只，分两组(每组10个)对脱肉后的贻贝内壳上的后闭壳肌痕迹[28-30]面积进行测量。因为后闭壳肌痕呈半卵形，为了简化计算，取后闭壳肌痕面积中最宽尺寸作为直径，计算圆的面积作为后闭壳肌的面积(图6)，测量结果见表1。
图6 后闭壳肌痕
Fig.6 Scar of posterior closed shell muscle
表1 20只厚壳贻贝后闭壳肌痕直径测量数据表
Tab.1 Measurement of the diameter of the scar of posterior closed shell muscle of 20 Mytilus coruscus
取表1中20个数据的平均数值8.9 mm，圆整到9 mm，作为开壳刀具刃口宽度，以保证对切断厚壳贻贝后闭壳肌的最大适应性。为保证开壳刀具在切割后闭壳肌过程中不打滑，刃口设计为对称半弧形。为便于开壳刀具从厚壳贻贝腹部闭合缝隙位置进入，刃口中间位置设计为小方形刀尖(图7、图8)。
图7 开壳刀具
Fig.7 Shell-opening cutter
图8 角度调节装置及半剖视图
Fig.8 Angle adjusting device and half sectional view
开壳刀具的刀柄台放入角度调节装置中，将螺杆1依次穿过角度调解装置的定位螺纹孔、开壳刀具定位螺纹孔，再从角度调解装置另一侧定位螺纹孔穿出，用螺母进行预固定。再用螺杆2依次穿过角度调解装置的滑槽、开壳刀具角度调解螺纹孔，再从角度调解装置另一侧滑槽穿出，对开壳刀具偏转角度进行调整后用螺母固定。
角度调节装置对开壳刀具进行刀的位置偏移角度调节并固定，实现对贻贝腹部闭合缝隙位置范围区域的对位。通过PLC主控制程序控制空气压缩机的启动，带动气压缸活塞杆的上下移动，从而实现开壳刀具沿着设定的偏移角度上下移动。
连接装置主要是采用联轴器将气压缸活塞杆与角度调节装置进行连接，由于联轴器只承受扭矩而在轴向方向不承受载荷，多数联轴带键槽口以便与连接轴上的键进行配合。但在此处，活塞杆与角度调节装置仅是实现轴向连接作用，且避免由于在活塞杆上铣键或开键槽而产生对活塞杆的破坏，因此，选择套筒式联轴器将活塞杆与角度调节装置上的连接杆进行连接。
2.2.2 开壳刀具的仿真分析
根据20只厚壳贻贝的平均宽度，设计开壳刀具长度为105 mm。为确保开壳刀具在开壳过程中不发生断裂，对开壳刀具结构进行模拟分析[31]。采用指针式数显拉力计对20只具有活性的厚壳贻贝试验样本进行后闭壳肌拉断实验，取试验中的最大数值900 N作为开壳刀具刀柄端的外加载荷，刀具材料选用合金钢，采用Solidworks SimulationXpress进行模拟分析，分析结果见图9、图10。
图9 开壳刀具刀尖最大静位移分析
Fig.9 Analysis of maximum static displacement of the nose for shell-opening cutter
图10 开壳刀具刀尖应力分析
Fig.10 Stress analysis ofthe nose for shell-opening cutter
图9显示，开壳刀具刀尖最大静位移量为4.208 mm，满足厚壳贻贝开壳加工要求。从图10可以看出，开壳刀具刀尖最大屈服应力小于材料的屈服强度6.204×108 N/m2，开壳刀具满足设计要求。
2.3 剥肉装置设计
剥肉装置由真空吸盘、抽气机系统和气压缸系统组成，其主要功能是实现在贻贝完成开壳工序后进行贻贝半边壳的剥肉工序。与开壳装置工作原理相似，气压缸竖直固定在支撑臂上，通过螺栓将活塞杆与吸盘进行连接。在执行半壳剥肉工序过程中，真空吸盘随着活塞杆进入贻贝壳体内，到达设定位置时活塞杆停止下移，吸盘启动，将半壳上的贻贝肉从壳体表面吸附下来。完成吸附动作后，抽气机停机，吸附的贻贝肉从吸盘上脱落下来留着壳体内。
为了避免真空吸盘上的吸附力直接大面积作用在厚壳贻贝肉上造成中间作用力大(图11)、边缘作用力较小，使得贻贝肉脱离破碎又脱离不完全，同时还可能产生碎肉、碎屑堵塞吸盘内的抽气管道，因此在吸盘表面设计有一层筛网，使得吸盘直接产生主气流分散为数个分支小气流，并从筛网孔进入，这样可使吸盘表面产生的吸附力较为均匀，可提高剥肉效果。
图11 真空吸盘及其筛网
Fig.11 Vacuum sucker and its screen
2.4 控制系统设计
控制系统设计主要采用三菱FX2N作为主控单元，通过对电机的延时开关及正转来控制传送带上贻贝的输送。电磁阀控制气压缸活塞杆动作及剥肉真空吸盘的开闭，气压缸霍尔传感器实现对厚壳贻贝开壳刀具及剥肉真空吸盘上下移动的检测，整套控制系统可对贻贝开壳装备进行自动控制[32]。具体工作流程见图12，并根据图12工序进行控制程序I/O分配及编程元件地址分配，如表2、表3所示。
图12 贻贝加工控制流程图
Fig.12 Flow chart of Mytilus coruscus processing control
表2 贻贝开壳装备控制程序I/O分配图
Tab.2 I/O distribution chart for control procedures ofMytilus coruscus shell-opening equipment
表3 主要编程元件地址分配表
Tab.3 Address assignment table for major programming components
3 结论
厚壳贻贝剥半装置通过刀具开壳与吸盘脱肉实现厚壳贻贝机械化加工，可以让整个新鲜的厚壳贻贝肉全部留在半壳上，满足企业生产需要。装置上的贻贝固定台与传送带采用T形配合，便于安装与拆卸；贻贝固定台的个数可根据实际加工生产需要而增加，具有较大的灵活性。通过对厚壳贻贝生理参数采样并进行相关力学实验及仿真模拟，确定了厚壳贻贝开壳刀具的刃口宽9 mm，长105 mm，对刀柄作用力为900 N。该设计有利于减轻目前手工开壳的繁重劳动，有利于提高厚壳贻贝加工出口产量，增加贻贝食品冷加工产业的经济收入。
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