劉文博，張寒冰、2，李秀辰、2，張國琛、2，張倩、2，屈蜀光，高敬宇，樊博，母剛、2*

(1.大連海洋大學 機械與動力工程學院 (中新合作學院)，遼寧 大連 116023； 2.遼寧省漁業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，遼寧 大連 116023)

菲律賓蛤仔Ruditapesphilippinarum(以下簡稱蛤仔)是中國重要的養(yǎng)殖經(jīng)濟貝類，也是中國單種產(chǎn)量最高的養(yǎng)殖貝類，年產(chǎn)量超過3×106t，占世界總產(chǎn)量的 90%[1-2]。播苗是貝類養(yǎng)殖過程中的重要環(huán)節(jié)，目前主要采用人工播苗[3]，但勞動強度大、播撒不均、損傷嚴重等問題十分突出，嚴重影響貝類收獲質(zhì)量和產(chǎn)量，故研發(fā)高效合理的菲律賓蛤仔播苗設(shè)備可有效支撐貝類產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。蛤苗的形態(tài)性狀是播苗機械設(shè)計的基本要素，如排苗機構(gòu)常以體積形態(tài)參量為設(shè)計依據(jù)，而養(yǎng)殖區(qū)域的播苗密度是影響蛤苗生長速度的主要因素，目前播苗密度主要根據(jù)質(zhì)量計量，因此,研究蛤苗形態(tài)與質(zhì)量性狀的關(guān)系對播苗機械設(shè)計有重要意義。此外,在機械化播苗過程中，蛤苗間及蛤苗與接觸面間相對運動時，蛤苗會受到摩擦力和壓縮力的作用，不僅影響蛤苗落苗時的暢通性，還影響蛤苗的破損率和成活率，故了解蛤苗的力學特性對確定播苗機械零件材料和結(jié)構(gòu)十分重要。

近年來，有關(guān)貝類外觀形態(tài)與質(zhì)量的關(guān)系受到了諸多學者的關(guān)注，如對菲律賓蛤仔[4-5]及馬氏珠母貝[6]形態(tài)性狀和質(zhì)量性狀的相關(guān)性和通徑分析表明，形態(tài)性狀是影響質(zhì)量性狀的主要因素，并且在不同年齡和品種間作用效果不同。 有關(guān)成體貝類殼體的摩擦和壓縮特性在國內(nèi)外也有部分研究，如馬云海等[7]對環(huán)文蛤殼的微觀形貌和摩擦性能的研究表明，摩擦因數(shù)和磨損量受法向載荷、時間、滑動速度等因素影響；吳娜等[8]、楊文[9]研究表明，不同含水狀態(tài)對毛蚶殼和紫石房蛤殼承壓性能的影響較大；Zuschin等[10]研究了3種貝殼的長、寬、高、厚和質(zhì)量與破裂力的相關(guān)性，結(jié)果表明，殼厚是影響破裂力最重要的指標；Menig等[11]通過準靜態(tài)和動態(tài)力學試驗研究了鮑殼的力學響應與其微觀結(jié)構(gòu)和損傷機理的關(guān)系，結(jié)果表明，殼體的分層結(jié)構(gòu)顯著提高了其韌性(抗破壞強度)，另外，有機層的黏塑性變形和裂紋偏移，以及壓縮載荷下的塑性微彎曲是其殼體3種重要的抗損傷機理。

綜上，目前貝類形態(tài)與質(zhì)量性狀的研究品種間差異較大，且有關(guān)摩擦及力學特性的研究主要集中在成體貝類方面，對菲律賓蛤仔幼苗的生物力學特性相關(guān)研究鮮有報道，因此，本研究中以菲律賓蛤仔幼苗為研究對象，測定了蛤苗形態(tài)性狀、質(zhì)量性狀、休止角、靜滑動摩擦系數(shù)和整殼壓縮強度，研究了影響蛤苗生物學特性和力學特性的相關(guān)因素， 旨在為菲律賓蛤仔播苗設(shè)備及其相關(guān)機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化提供參數(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗用菲律賓蛤仔大苗采自山東省萊州附近海域(119°45′28″E、37°26′24″N)，小、中苗采自大連市莊河王家島附近海域(123°4′16″E、39°27′7″N)，根據(jù)苗種規(guī)格不同，分別挑選小苗(殼長5～10 mm)、中苗(殼長10～15 mm)、大苗(殼長15～20 mm)[12]各2000枚，采回后在實驗室暫養(yǎng)備用。

試驗儀器主要有數(shù)顯傾角儀(DMI810)、電子萬能試驗機(CTM8050)、自制休止角測試儀、電子天平(精度0.001 g)、游標卡尺、量筒等。

1.2 方法

1.2.1 蛤苗形態(tài)性狀和質(zhì)量性狀測定 蛤苗的大小由三軸尺寸和單枚質(zhì)量表示，且目前機械化播苗設(shè)備的研究主要以大苗的分析測定為依據(jù)[12]，故隨機選取133枚無損傷大苗，用濾紙吸干貝殼表面水分，利用游標卡尺分別測量每枚蛤仔的形態(tài)性狀，包括殼長(x1)、殼高(x2)、殼寬(x3)，其中，殼長為殼前端至殼后端的距離，殼高為殼頂至腹緣的距離，殼寬為兩殼間的最大距離[13]；在測定蛤苗形態(tài)性狀的同時，利用電子天平測量每枚蛤苗的質(zhì)量性狀，即活體質(zhì)量(w)。

1.2.2 蛤苗休止角測定 采用注入法[14]測量蛤苗休止角，選取不同規(guī)格的完整蛤苗各1500枚，每種規(guī)格分為5組，每組300枚。試驗時，將休止角測試儀固定在某一高度，使蛤苗通過測試儀的出口自由下落。用卷尺分別測定蛤苗堆積高度及底面圓直徑。蛤苗休止角計算公式為

φr=arctan(2H/D)。

(1)

其中：H為蛤苗堆積高度(mm)；D為蛤苗堆底面圓直徑(mm)。

1.2.3 蛤苗靜滑動摩擦系數(shù)測定 選取大、中、小蛤苗各60枚，每種規(guī)格分為20組，每組3枚。根據(jù)播苗設(shè)備工作環(huán)境，選取漁業(yè)機械中常用材料如不銹鋼板、有機玻璃板和PVC板作為蛤苗接觸表面材料，各板規(guī)格均為200 mm×150 mm×5 mm，測定方法如圖1所示。試驗時將1枚蛤苗放置于水平擺放的接觸表面同一位置，保持接觸板一端固定，逐漸抬高另一端，使高度H0增大，當蛤苗剛開始在接觸表面下滑時，停止抬高并記錄數(shù)顯傾角儀顯示的接觸板傾斜角度β，此時的角度為蛤苗的靜滑動摩擦角[14]，試驗重復3次，取其平均值。靜滑動摩擦系數(shù)(fc)計算公式[15]為

fc=tanβ。

(2)

其中：β為接觸板傾斜角度(°)。

1.2.4 整殼準靜態(tài)壓縮強度測定 按蛤苗規(guī)格(小、中、大)分別選取15枚，每種規(guī)格分為3組，每組5枚，采用圖2所示的自制專用夾具固定活體蛤苗，夾持時保證蛤苗上表面最高點高于固定螺母，避免壓到螺母，壓縮加載方向見圖3，其中，第1種方式為蛤仔鉸合線或張口線水平夾持，定義為X方向；第2種方式為張口向上鉸合線向下夾持，定義為Y方向；第3種方式為鉸合線或張口線垂直夾持，定義為Z方向[16]。利用CTM8050型電子萬能試驗機，選取加載方向、蛤苗規(guī)格、加載速度3因素進行正交壓縮試驗，試驗因素水平見表1，通過主控計算機分別記錄蛤苗受壓后的載荷及蛤苗沿壓縮方向形狀變化數(shù)值，即變形量，并繪制蛤苗受力載荷-變形量曲線圖，當載荷瞬間下降時表示此刻蛤殼已經(jīng)破裂，之前承受載荷的最大值為蛤苗破裂力，即蛤苗整殼準靜態(tài)壓縮強度[10]，每個因素水平重復5次，破裂力取平均值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用SPSS 17.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，參考杜家菊等[17]的方法進行蛤苗性狀間相關(guān)性分析和通徑分析，顯著性水平設(shè)為0.05。

表1 正交試驗因素水平表Tab.1 Factors and level table in the orthogonal experiment

2 結(jié)果與分析

2.1 蛤苗形態(tài)性狀對活體質(zhì)量的通徑分析

對133枚大蛤苗形態(tài)形狀、質(zhì)量性狀的統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。從表2可見：蛤仔的殼長>殼高>殼寬，殼長大約是殼寬的2.5倍；殼長和殼高的變異系數(shù)相對較小，蛤苗的質(zhì)量性狀即活體質(zhì)量的變異系數(shù)最大(28.074%)，表明活體質(zhì)量個體間差異較大，由于活體質(zhì)量由殼質(zhì)量和軟體質(zhì)量構(gòu)成，而形態(tài)性狀的變異系數(shù)不大，造成活體質(zhì)量變異系數(shù)大的原因可能是由于軟體質(zhì)量個體間差異較大。正態(tài)性K-S檢驗顯示，所有性狀的P值均大于0.05，可見形態(tài)性狀和質(zhì)量性狀均符合正態(tài)分布。

表2 大蛤苗性狀測定結(jié)果及正態(tài)分布統(tǒng)計量(n=133)

Tab.2 Determination results and normal distribution statistics of characters in large Manila clam (n=133)

性狀trait平均值±標準差mean±S.D.變異系數(shù)/%CVZ值Z valueP值P value殼長x1/mm19.800±1.8989.5861.2420.091殼高x2/mm13.680±1.2909.4301.1980.113殼寬x3/mm 8.126±1.06813.1431.1230.160活體質(zhì)量w/g 1.464±0.41128.0741.1510.141

從表3可見：蛤苗殼長、殼高和殼寬與質(zhì)量性狀的相關(guān)系數(shù)均達到極顯著水平(P<0.01)，分別為0.859、0.790和0.690，可見質(zhì)量性狀與殼長的相關(guān)性最強；殼長對質(zhì)量性狀的直接通徑系數(shù)最大，為0.536，而殼高和殼寬則相差不大，并且殼長、殼高和殼寬對質(zhì)量性狀的直接作用均達到極顯著水平(P<0.01)，具有統(tǒng)計學意義；形態(tài)性狀對質(zhì)量性狀的間接通徑系數(shù)總和由大到小為殼高、殼寬、殼長，其中殼高最大，為0.561。通徑分析結(jié)果表明，殼長對活體質(zhì)量的直接作用最大，是影響質(zhì)量性狀最主要的因素；殼高對活體質(zhì)量的間接影響最大，是影響質(zhì)量性狀的次要因素。此外，蛤苗殼體形態(tài)性狀對質(zhì)量性狀的相關(guān)指數(shù)為0.798，即形態(tài)性狀對質(zhì)量性狀的表征程度達到近80%，說明除了形態(tài)性狀對質(zhì)量性狀的影響外，某些條件也是影響質(zhì)量性狀的重要因素[18]。

通過逐步回歸法建立形態(tài)性狀對體質(zhì)量性狀的多元回歸模型為

w=-2.539+0.116x1+0.073x2+0.088x3。

(3)

其中：w為活體質(zhì)量(g)；x1為殼長(mm)；x2為殼高(mm)；x3為殼寬(mm)。由回歸模型的顯著性檢驗結(jié)果可知，質(zhì)量性狀與各形態(tài)性狀間的回歸關(guān)系均為極顯著(P<0.01)。

表3 蛤苗形態(tài)性狀對體質(zhì)量性狀的通徑分析Tab.3 Path analysis of morphological traits to body weight of juvenile Manila clam

注：**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)

Note： ** denotes significantly correlated at the level of 0.01 (bilateral)

2.2 蛤苗殼摩擦特性

蛤苗的休止角及蛤苗與不同摩擦表面靜滑動摩擦系數(shù)測定結(jié)果如圖4所示，其中，休止角的度數(shù)隨著蛤苗規(guī)格的增大呈上升趨勢且近似呈線性增加，本試驗條件下測得的小苗、中苗和大苗的休止角分別為34.94°、36.40°和39.66°，小苗、中苗的休止角與大苗間有顯著性差異(P<0.05)，而小苗與中苗間無顯著性差異(P>0.05)。

靜滑動摩擦系數(shù)結(jié)果顯示：隨蛤苗規(guī)格的增大，在同一種材料表面的摩擦系數(shù)總體呈下降趨勢；小、中、大苗與有機玻璃板的靜滑動摩擦系數(shù)分別為0.43、0.35和0.34，小苗的靜滑動摩擦系數(shù)顯著大于中苗和大苗(P<0.05)；當表面材料為PVC板時，大苗的靜滑動摩擦系數(shù)顯著低于小苗(P<0.05)，為小苗的73.9%，可見，蛤苗規(guī)格越大，與接觸面的摩擦系數(shù)越小；材料不同對蛤苗的摩擦特性也有較大影響，如小苗與PVC板、有機玻璃板和不銹鋼板的摩擦系數(shù)分別為0.46、0.43和0.32，可見小苗與不銹鋼板的摩擦系數(shù)最小且顯著低于另外兩種材料(P<0.05)(圖4)。

2.3 蛤苗準靜態(tài)壓縮強度

從圖5可見：不同規(guī)格蛤苗在X方向、1 mm/min加載速度條件下的載荷-變形量變化趨勢總體相同，受力載荷均隨變形量的增加而增大，其中，小苗的受力載荷隨變形量的增加呈對數(shù)增長趨勢，而中、大苗呈現(xiàn)指數(shù)增長趨勢；小、中、大苗的破裂力分別為22.69、54.77、86.30 N，大苗抵抗破裂能力為小苗的3.8倍，可見蛤苗規(guī)格對破裂力的影響較大；當載荷隨變形量增大到某一值后，載荷突然下降，說明此時蛤殼已經(jīng)破裂，載荷大小即為蛤苗的破裂力，即蛤殼的壓縮破裂強度。

蛤苗壓縮正交試驗結(jié)果見表4，極差分析顯示，極差(R值)的大小為RA>RC>RB，即影響蛤苗破裂的最主要因素是蛤苗規(guī)格，其次為加載方向，影響最小的是加載速度。另由k值大小可知，蛤苗規(guī)格越大破裂力越大，并且X方向的抗壓能力最強，Y方向、Z方向的抗壓能力分別比X方向低41.7%和38.8%。方差分析結(jié)果顯示，蛤苗規(guī)格(因素A)和加載方向(因素C)對破裂力的影響均為極顯著(P<0.01)，加載速度(因素B)對破裂力無顯著性影響(P>0.05)；3因素中，蛤苗規(guī)格對破裂力的影響最大(表4)。

對正交試驗結(jié)果采用逐步法構(gòu)建多元回歸方程，因加載速度對破裂力的影響不顯著，故將其去除，得到破裂力與蛤苗規(guī)格、加載方向的回歸模型為

F=18.847+17.976y1-9.95y3。

(4)

其中：F為蛤苗破裂力(N)；y1為蛤苗規(guī)格；y3為加載方向。

由回歸模型的顯著性檢驗結(jié)果可知，蛤苗破裂力與蛤苗規(guī)格和加載方向間的回歸關(guān)系均為極顯著(P<0.01)，表明回歸模型可用于預測不同蛤苗規(guī)格和加載方向條件下的蛤苗破裂力。

表4 蛤苗壓縮正交試驗結(jié)果及其極差和方差分析

Tab.4 Variance analysis and range analysis of the results of compression orthogonal test in juvenile Manila clam

試驗號No.A蛤苗規(guī)格size of Manila clam B加載速度loading speedC加載方向loading directionD破裂力/Nrupture force111116.37±1.96212216.29±5.05313311.31±1.95421331.20±9.96522130.48±9.22623256.62±21.24731241.62±5.72832370.13±22.41933140.07±7.68k114.6629.7347.71k239.4338.9729.19k350.6136.0027.80R35.959.2419.91P0.0000.1280.000

3 討論

3.1 蛤苗形態(tài)性狀與質(zhì)量性狀的關(guān)系及其工程應用

本研究中，蛤苗形態(tài)性狀和質(zhì)量性狀試驗結(jié)果表明，殼長是影響質(zhì)量性狀最主要的因素，其直接影響作用最大，次要因素是殼高，對質(zhì)量性狀的間接影響作用最大。劉輝等[4]對3齡成體菲律賓蛤仔橙色品系進行了形態(tài)性狀對質(zhì)量性狀的通徑分析，得到殼寬是影響質(zhì)量性狀最主要的因素，殼高是次要因素,該研究結(jié)果與本研究結(jié)果不一致，可能是因為在幼苗期蛤仔殼體生長速度較快，而成熟期蛤仔殼體發(fā)育已較為完備[12]，因此，蛤仔幼苗期和成熟期的形態(tài)性狀對質(zhì)量性狀的影響有差異。常亞青等[19]研究表明，1齡蝦夷扇貝幼苗殼長是影響活體質(zhì)量的主要因素，殼高是次要因素，這一結(jié)論與本研究結(jié)果相同，可見當貝類處于幼苗期時，殼長和殼高對其質(zhì)量性狀的影響較大。張根芳等[20]對1齡三角帆蚌幼苗的通徑分析也表明，殼長對活體質(zhì)量的直接影響作用最大，殼高則通過殼長間接影響活體質(zhì)量。

可見，在蛤苗的相關(guān)工程設(shè)計中，用殼長表征其質(zhì)量性狀具有代表性和合理性，因此，殼長是播苗機械相關(guān)設(shè)計的第一要素，同時也要根據(jù)實際情況考慮殼高等因素。

3.2 蛤苗規(guī)格對休止角的影響及其工程應用

休止角反映了散粒物料的內(nèi)摩擦特性和散落性，其大小與物料本身性質(zhì)緊密相關(guān)。本研究中，蛤苗休止角測試結(jié)果表明，蛤苗規(guī)格越大休止角越大，可能是因為蛤苗個體較大，其殼體生長紋較深[12]，殼體間的摩擦力較大，導致休止角較大。本試驗條件下測得蛤苗休止角范圍為34.94°～39.66°，而Ituen[21]對蛤殼休止角的測試結(jié)果為8.58°，與本研究中的測定結(jié)果不一致，原因可能是Ituen研究的對象是淡水蛤類，而本研究中的菲律賓蛤仔為海水養(yǎng)殖品種，另外Ituen測定蛤殼休止角前對貝殼進行過干燥處理，所以殼體含水率遠低于本試驗，而含水率是影響休止角的重要因素[14]，因此，兩個試驗結(jié)果存在差異。唐漢[22]對不同大小玉米籽粒的休止角進行研究，結(jié)果顯示，籽粒越大休止角越大，該結(jié)論與本研究結(jié)果相同，可能是因為玉米籽粒不是規(guī)則的幾何形狀，且表面有凹陷、尖角，這些特點與一般的農(nóng)業(yè)物料(大豆、水稻)不同，但與蛤苗相似，因而結(jié)論相同。

可見，在設(shè)計播苗相關(guān)機械時，應考慮到蛤苗休止角對物料散落的影響。

3.3 蛤苗規(guī)格及接觸材料對摩擦系數(shù)的影響及其工程應用

本研究中，蛤苗靜滑動摩擦系數(shù)測試結(jié)果表明，蛤苗規(guī)格越大，與同一材料表面的靜滑動摩擦系數(shù)越小，這可能是因為大苗的殼體表面的曲率半徑小[21]，使其接觸面積減小，從而使大苗更易滑動，靜滑動摩擦系數(shù)越小。當蛤苗規(guī)格一定時，其在不銹鋼表面的靜滑動摩擦系數(shù)最小，其中小苗與不銹鋼板的摩擦系數(shù)為0.32。梨本勝昭等[23]測量成體日本蛤蜊在鐵板表面的摩擦系數(shù)為0.5，Ituen[21]測試得在低碳鋼表面的靜滑動摩擦系數(shù)為0.649，在膠合板表面的摩擦系數(shù)為0.577，這些結(jié)果均與本研究結(jié)果差距較大，可能是由于摩擦系數(shù)與測試對象及接觸面材料的表面粗糙程度有關(guān)，因此，不同品種的貝類、不同接觸面材料的試驗結(jié)果不同，另外，蛤苗與成體貝類殼體發(fā)育程度不同，也會影響試驗結(jié)果。目前對于貝類滑動摩擦系數(shù)的研究鮮有報道，但在農(nóng)業(yè)物料的研究中，靜滑動摩擦系數(shù)是研究摩擦特性的重要指標，有許多學者對其進行研究，得到了與本研究類似的結(jié)論。如楊作梅等[24]測定了黍子在不同接觸面材料上的靜滑動摩擦系數(shù)，表明在同一含水率條件下，與鐵板和亞克力板對比，黍子與鋼板間的摩擦系數(shù)最低，張勇等[25]對綠豆種子的測試結(jié)果也顯示，與鋼板的摩擦系數(shù)較小。

綜上，為降低摩擦選擇材料時，應盡可能選擇鋼材等與蛤苗殼體滑動摩擦系數(shù)較小的材料，反之，需利用摩擦時，則應選擇有機玻璃、PVC等材料。

3.4 蛤苗規(guī)格和加載方向?qū)嚎s強度的影響及其工程應用

本研究中，蛤苗受力載荷-變形量變化規(guī)律顯示，蛤苗的受力載荷隨位移量的增加而增大，且載荷隨變形量瞬間下降的點為蛤苗的壓縮破裂力，由此可見，蛤殼的破裂伴隨著載荷的急劇下降，說明蛤殼呈現(xiàn)脆性材料特性，無延展性。Ma等[26]在研究蛤殼的微觀結(jié)構(gòu)和壓縮破裂時證實了貝殼是一種典型的脆性材料，Taylor等[27]也說明了大多數(shù)雙殼貝類殼體呈現(xiàn)脆性材料特征。

本研究中，蛤苗壓縮強度試驗顯示，影響蛤苗抗壓能力的主次因素依次為蛤苗規(guī)格>加載方向>加載速度，母剛[28]對成體蛤仔的研究也得到了相同規(guī)律。通過方差分析可知，蛤苗規(guī)格是影響破裂力的重要因素(P<0.01)，本試驗中測得，大苗平均破裂力是小苗的3.5倍，這可能是由于蛤苗規(guī)格越大，其殼體越厚，蛤殼抵抗破裂能力越強，承受的破裂力也越大，母剛[28]和Mondal等[29]的研究均表明，較厚的貝殼能承受更大的力。另外，加載方向不同蛤苗的破裂力也存在較大差異(P<0.01)，其中，X方向抗壓能力最強，可能是蛤苗外形不規(guī)則，當X方向夾持時蛤苗受力面積大，當載荷相同時，壓強更小。另外，在本試驗中還觀察到大部分裂紋沿生長紋展開，生長紋是貝殼礦化過程中因季節(jié)及環(huán)境周期性變化導致間歇性生長形成的[30]，這些間歇在貝殼結(jié)構(gòu)形成時扮演了重要角色，生長紋可視為微裂紋，會導致一定載荷下貝殼的破裂[31]。

工程應用中，為防止蛤苗破碎，選取最小破裂力組合為A1B1C3，即5～10 mm小苗、加載速度為0.5 mm/min、加載方向Y，根據(jù)模型(2)預測，在該組合下蛤苗承受的破裂力不能超過6.97 N。

4 結(jié)論

(1) 蛤仔形態(tài)性狀對質(zhì)量性狀的直接通徑系數(shù)依次為殼長>殼高>殼寬，其中，蛤苗殼長與質(zhì)量性狀的直接影響作用最大。

(2) 蛤苗的休止角隨蛤苗規(guī)格增大而增大，休止角范圍為34.94°～39.66°；同一材料條件下，蛤苗規(guī)格越大，靜滑動摩擦系數(shù)越小。不銹鋼、有機玻璃和PVC三者相比，蛤苗與不銹鋼的靜滑動摩擦系數(shù)最小。

(3) 蛤苗準靜態(tài)壓縮試驗表明，蛤苗規(guī)格是導致蛤苗破碎的主要因素，其次是加載方向。通過逐步回歸法建立破裂力與蛤苗規(guī)格、加載方向的多元回歸模型，在小苗、Y方向、0.5 mm/min加載速度條件下，蛤苗的最小破裂力預測值為6.97 N。