面向机械化播苗的菲律宾蛤仔幼苗生物力学特性分析

刘文博，张寒冰、2，李秀辰、2，张国琛、2，张倩、2，屈蜀光，高敬宇，樊博，母刚、2*

(1.大连海洋大学 机械与动力工程学院 (中新合作学院)，辽宁 大连 116023； 2.辽宁省渔业装备工程技术研究中心，辽宁 大连 116023)

菲律宾蛤仔Ruditapesphilippinarum(以下简称蛤仔)是中国重要的养殖经济贝类，也是中国单种产量最高的养殖贝类，年产量超过3×106t，占世界总产量的 90%[1-2]。播苗是贝类养殖过程中的重要环节，目前主要采用人工播苗[3]，但劳动强度大、播撒不均、损伤严重等问题十分突出，严重影响贝类收获质量和产量，故研发高效合理的菲律宾蛤仔播苗设备可有效支撑贝类产业的可持续发展。蛤苗的形态性状是播苗机械设计的基本要素，如排苗机构常以体积形态参量为设计依据，而养殖区域的播苗密度是影响蛤苗生长速度的主要因素，目前播苗密度主要根据质量计量，因此,研究蛤苗形态与质量性状的关系对播苗机械设计有重要意义。此外,在机械化播苗过程中，蛤苗间及蛤苗与接触面间相对运动时，蛤苗会受到摩擦力和压缩力的作用，不仅影响蛤苗落苗时的畅通性，还影响蛤苗的破损率和成活率，故了解蛤苗的力学特性对确定播苗机械零件材料和结构十分重要。

近年来，有关贝类外观形态与质量的关系受到了诸多学者的关注，如对菲律宾蛤仔[4-5]及马氏珠母贝[6]形态性状和质量性状的相关性和通径分析表明，形态性状是影响质量性状的主要因素，并且在不同年龄和品种间作用效果不同。 有关成体贝类壳体的摩擦和压缩特性在国内外也有部分研究，如马云海等[7]对环文蛤壳的微观形貌和摩擦性能的研究表明，摩擦因数和磨损量受法向载荷、时间、滑动速度等因素影响；吴娜等[8]、杨文[9]研究表明，不同含水状态对毛蚶壳和紫石房蛤壳承压性能的影响较大；Zuschin等[10]研究了3种贝壳的长、宽、高、厚和质量与破裂力的相关性，结果表明，壳厚是影响破裂力最重要的指标；Menig等[11]通过准静态和动态力学试验研究了鲍壳的力学响应与其微观结构和损伤机理的关系，结果表明，壳体的分层结构显著提高了其韧性(抗破坏强度)，另外，有机层的黏塑性变形和裂纹偏移，以及压缩载荷下的塑性微弯曲是其壳体3种重要的抗损伤机理。

综上，目前贝类形态与质量性状的研究品种间差异较大，且有关摩擦及力学特性的研究主要集中在成体贝类方面，对菲律宾蛤仔幼苗的生物力学特性相关研究鲜有报道，因此，本研究中以菲律宾蛤仔幼苗为研究对象，测定了蛤苗形态性状、质量性状、休止角、静滑动摩擦系数和整壳压缩强度，研究了影响蛤苗生物学特性和力学特性的相关因素， 旨在为菲律宾蛤仔播苗设备及其相关机械结构的设计与优化提供参数依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验用菲律宾蛤仔大苗采自山东省莱州附近海域(119°45′28″E、37°26′24″N)，小、中苗采自大连市庄河王家岛附近海域(123°4′16″E、39°27′7″N)，根据苗种规格不同，分别挑选小苗(壳长5～10 mm)、中苗(壳长10～15 mm)、大苗(壳长15～20 mm)[12]各2000枚，采回后在实验室暂养备用。

试验仪器主要有数显倾角仪(DMI810)、电子万能试验机(CTM8050)、自制休止角测试仪、电子天平(精度0.001 g)、游标卡尺、量筒等。

1.2 方法

1.2.1 蛤苗形态性状和质量性状测定 蛤苗的大小由三轴尺寸和单枚质量表示，且目前机械化播苗设备的研究主要以大苗的分析测定为依据[12]，故随机选取133枚无损伤大苗，用滤纸吸干贝壳表面水分，利用游标卡尺分别测量每枚蛤仔的形态性状，包括壳长(x1)、壳高(x2)、壳宽(x3)，其中，壳长为壳前端至壳后端的距离，壳高为壳顶至腹缘的距离，壳宽为两壳间的最大距离[13]；在测定蛤苗形态性状的同时，利用电子天平测量每枚蛤苗的质量性状，即活体质量(w)。

1.2.2 蛤苗休止角测定 采用注入法[14]测量蛤苗休止角，选取不同规格的完整蛤苗各1500枚，每种规格分为5组，每组300枚。试验时，将休止角测试仪固定在某一高度，使蛤苗通过测试仪的出口自由下落。用卷尺分别测定蛤苗堆积高度及底面圆直径。蛤苗休止角计算公式为

φr=arctan(2H/D)。

(1)

其中：H为蛤苗堆积高度(mm)；D为蛤苗堆底面圆直径(mm)。

1.2.3 蛤苗静滑动摩擦系数测定 选取大、中、小蛤苗各60枚，每种规格分为20组，每组3枚。根据播苗设备工作环境，选取渔业机械中常用材料如不锈钢板、有机玻璃板和PVC板作为蛤苗接触表面材料，各板规格均为200 mm×150 mm×5 mm，测定方法如图1所示。试验时将1枚蛤苗放置于水平摆放的接触表面同一位置，保持接触板一端固定，逐渐抬高另一端，使高度H0增大，当蛤苗刚开始在接触表面下滑时，停止抬高并记录数显倾角仪显示的接触板倾斜角度β，此时的角度为蛤苗的静滑动摩擦角[14]，试验重复3次，取其平均值。静滑动摩擦系数(fc)计算公式[15]为

fc=tanβ。

(2)

其中：β为接触板倾斜角度(°)。

1.2.4 整壳准静态压缩强度测定 按蛤苗规格(小、中、大)分别选取15枚，每种规格分为3组，每组5枚，采用图2所示的自制专用夹具固定活体蛤苗，夹持时保证蛤苗上表面最高点高于固定螺母，避免压到螺母，压缩加载方向见图3，其中，第1种方式为蛤仔铰合线或张口线水平夹持，定义为X方向；第2种方式为张口向上铰合线向下夹持，定义为Y方向；第3种方式为铰合线或张口线垂直夹持，定义为Z方向[16]。利用CTM8050型电子万能试验机，选取加载方向、蛤苗规格、加载速度3因素进行正交压缩试验，试验因素水平见表1，通过主控计算机分别记录蛤苗受压后的载荷及蛤苗沿压缩方向形状变化数值，即变形量，并绘制蛤苗受力载荷-变形量曲线图，当载荷瞬间下降时表示此刻蛤壳已经破裂，之前承受载荷的最大值为蛤苗破裂力，即蛤苗整壳准静态压缩强度[10]，每个因素水平重复5次，破裂力取平均值。

1.3 数据处理

用SPSS 17.0软件对试验数据进行统计分析，参考杜家菊等[17]的方法进行蛤苗性状间相关性分析和通径分析，显著性水平设为0.05。

表1 正交试验因素水平表Tab.1 Factors and level table in the orthogonal experiment

2 结果与分析

2.1 蛤苗形态性状对活体质量的通径分析

对133枚大蛤苗形态形状、质量性状的统计结果如表2所示。从表2可见：蛤仔的壳长>壳高>壳宽，壳长大约是壳宽的2.5倍；壳长和壳高的变异系数相对较小，蛤苗的质量性状即活体质量的变异系数最大(28.074%)，表明活体质量个体间差异较大，由于活体质量由壳质量和软体质量构成，而形态性状的变异系数不大，造成活体质量变异系数大的原因可能是由于软体质量个体间差异较大。正态性K-S检验显示，所有性状的P值均大于0.05，可见形态性状和质量性状均符合正态分布。

表2 大蛤苗性状测定结果及正态分布统计量(n=133)

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

性状trait平均值±标准差mean±S.D.变异系数/%CVZ值Z valueP值P value壳长x1/mm19.800±1.8989.5861.2420.091壳高x2/mm13.680±1.2909.4301.1980.113壳宽x3/mm 8.126±1.06813.1431.1230.160活体质量w/g 1.464±0.41128.0741.1510.141

从表3可见：蛤苗壳长、壳高和壳宽与质量性状的相关系数均达到极显著水平(P<0.01)，分别为0.859、0.790和0.690，可见质量性状与壳长的相关性最强；壳长对质量性状的直接通径系数最大，为0.536，而壳高和壳宽则相差不大，并且壳长、壳高和壳宽对质量性状的直接作用均达到极显著水平(P<0.01)，具有统计学意义；形态性状对质量性状的间接通径系数总和由大到小为壳高、壳宽、壳长，其中壳高最大，为0.561。通径分析结果表明，壳长对活体质量的直接作用最大，是影响质量性状最主要的因素；壳高对活体质量的间接影响最大，是影响质量性状的次要因素。此外，蛤苗壳体形态性状对质量性状的相关指数为0.798，即形态性状对质量性状的表征程度达到近80%，说明除了形态性状对质量性状的影响外，某些条件也是影响质量性状的重要因素[18]。

通过逐步回归法建立形态性状对体质量性状的多元回归模型为

w=-2.539+0.116x1+0.073x2+0.088x3。

(3)

其中：w为活体质量(g)；x1为壳长(mm)；x2为壳高(mm)；x3为壳宽(mm)。由回归模型的显著性检验结果可知，质量性状与各形态性状间的回归关系均为极显著(P<0.01)。

表3 蛤苗形态性状对体质量性状的通径分析Tab.3 Path analysis of morphological traits to body weight of juvenile Manila clam

注：**表示在0.01水平(双侧)上显著相关

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

2.2 蛤苗壳摩擦特性

蛤苗的休止角及蛤苗与不同摩擦表面静滑动摩擦系数测定结果如图4所示，其中，休止角的度数随着蛤苗规格的增大呈上升趋势且近似呈线性增加，本试验条件下测得的小苗、中苗和大苗的休止角分别为34.94°、36.40°和39.66°，小苗、中苗的休止角与大苗间有显著性差异(P<0.05)，而小苗与中苗间无显著性差异(P>0.05)。

静滑动摩擦系数结果显示：随蛤苗规格的增大，在同一种材料表面的摩擦系数总体呈下降趋势；小、中、大苗与有机玻璃板的静滑动摩擦系数分别为0.43、0.35和0.34，小苗的静滑动摩擦系数显著大于中苗和大苗(P<0.05)；当表面材料为PVC板时，大苗的静滑动摩擦系数显著低于小苗(P<0.05)，为小苗的73.9%，可见，蛤苗规格越大，与接触面的摩擦系数越小；材料不同对蛤苗的摩擦特性也有较大影响，如小苗与PVC板、有机玻璃板和不锈钢板的摩擦系数分别为0.46、0.43和0.32，可见小苗与不锈钢板的摩擦系数最小且显著低于另外两种材料(P<0.05)(图4)。

2.3 蛤苗准静态压缩强度

从图5可见：不同规格蛤苗在X方向、1 mm/min加载速度条件下的载荷-变形量变化趋势总体相同，受力载荷均随变形量的增加而增大，其中，小苗的受力载荷随变形量的增加呈对数增长趋势，而中、大苗呈现指数增长趋势；小、中、大苗的破裂力分别为22.69、54.77、86.30 N，大苗抵抗破裂能力为小苗的3.8倍，可见蛤苗规格对破裂力的影响较大；当载荷随变形量增大到某一值后，载荷突然下降，说明此时蛤壳已经破裂，载荷大小即为蛤苗的破裂力，即蛤壳的压缩破裂强度。

蛤苗压缩正交试验结果见表4，极差分析显示，极差(R值)的大小为RA>RC>RB，即影响蛤苗破裂的最主要因素是蛤苗规格，其次为加载方向，影响最小的是加载速度。另由k值大小可知，蛤苗规格越大破裂力越大，并且X方向的抗压能力最强，Y方向、Z方向的抗压能力分别比X方向低41.7%和38.8%。方差分析结果显示，蛤苗规格(因素A)和加载方向(因素C)对破裂力的影响均为极显著(P<0.01)，加载速度(因素B)对破裂力无显著性影响(P>0.05)；3因素中，蛤苗规格对破裂力的影响最大(表4)。

对正交试验结果采用逐步法构建多元回归方程，因加载速度对破裂力的影响不显著，故将其去除，得到破裂力与蛤苗规格、加载方向的回归模型为

F=18.847+17.976y1-9.95y3。

(4)

其中：F为蛤苗破裂力(N)；y1为蛤苗规格；y3为加载方向。

由回归模型的显著性检验结果可知，蛤苗破裂力与蛤苗规格和加载方向间的回归关系均为极显著(P<0.01)，表明回归模型可用于预测不同蛤苗规格和加载方向条件下的蛤苗破裂力。

表4 蛤苗压缩正交试验结果及其极差和方差分析

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

试验号No.A蛤苗规格size of Manila clam B加载速度loading speedC加载方向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 讨论

3.1 蛤苗形态性状与质量性状的关系及其工程应用

本研究中，蛤苗形态性状和质量性状试验结果表明，壳长是影响质量性状最主要的因素，其直接影响作用最大，次要因素是壳高，对质量性状的间接影响作用最大。刘辉等[4]对3龄成体菲律宾蛤仔橙色品系进行了形态性状对质量性状的通径分析，得到壳宽是影响质量性状最主要的因素，壳高是次要因素,该研究结果与本研究结果不一致，可能是因为在幼苗期蛤仔壳体生长速度较快，而成熟期蛤仔壳体发育已较为完备[12]，因此，蛤仔幼苗期和成熟期的形态性状对质量性状的影响有差异。常亚青等[19]研究表明，1龄虾夷扇贝幼苗壳长是影响活体质量的主要因素，壳高是次要因素，这一结论与本研究结果相同，可见当贝类处于幼苗期时，壳长和壳高对其质量性状的影响较大。张根芳等[20]对1龄三角帆蚌幼苗的通径分析也表明，壳长对活体质量的直接影响作用最大，壳高则通过壳长间接影响活体质量。

可见，在蛤苗的相关工程设计中，用壳长表征其质量性状具有代表性和合理性，因此，壳长是播苗机械相关设计的第一要素，同时也要根据实际情况考虑壳高等因素。

3.2 蛤苗规格对休止角的影响及其工程应用

休止角反映了散粒物料的内摩擦特性和散落性，其大小与物料本身性质紧密相关。本研究中，蛤苗休止角测试结果表明，蛤苗规格越大休止角越大，可能是因为蛤苗个体较大，其壳体生长纹较深[12]，壳体间的摩擦力较大，导致休止角较大。本试验条件下测得蛤苗休止角范围为34.94°～39.66°，而Ituen[21]对蛤壳休止角的测试结果为8.58°，与本研究中的测定结果不一致，原因可能是Ituen研究的对象是淡水蛤类，而本研究中的菲律宾蛤仔为海水养殖品种，另外Ituen测定蛤壳休止角前对贝壳进行过干燥处理，所以壳体含水率远低于本试验，而含水率是影响休止角的重要因素[14]，因此，两个试验结果存在差异。唐汉[22]对不同大小玉米籽粒的休止角进行研究，结果显示，籽粒越大休止角越大，该结论与本研究结果相同，可能是因为玉米籽粒不是规则的几何形状，且表面有凹陷、尖角，这些特点与一般的农业物料(大豆、水稻)不同，但与蛤苗相似，因而结论相同。

可见，在设计播苗相关机械时，应考虑到蛤苗休止角对物料散落的影响。

3.3 蛤苗规格及接触材料对摩擦系数的影响及其工程应用

本研究中，蛤苗静滑动摩擦系数测试结果表明，蛤苗规格越大，与同一材料表面的静滑动摩擦系数越小，这可能是因为大苗的壳体表面的曲率半径小[21]，使其接触面积减小，从而使大苗更易滑动，静滑动摩擦系数越小。当蛤苗规格一定时，其在不锈钢表面的静滑动摩擦系数最小，其中小苗与不锈钢板的摩擦系数为0.32。梨本勝昭等[23]测量成体日本蛤蜊在铁板表面的摩擦系数为0.5，Ituen[21]测试得在低碳钢表面的静滑动摩擦系数为0.649，在胶合板表面的摩擦系数为0.577，这些结果均与本研究结果差距较大，可能是由于摩擦系数与测试对象及接触面材料的表面粗糙程度有关，因此，不同品种的贝类、不同接触面材料的试验结果不同，另外，蛤苗与成体贝类壳体发育程度不同，也会影响试验结果。目前对于贝类滑动摩擦系数的研究鲜有报道，但在农业物料的研究中，静滑动摩擦系数是研究摩擦特性的重要指标，有许多学者对其进行研究，得到了与本研究类似的结论。如杨作梅等[24]测定了黍子在不同接触面材料上的静滑动摩擦系数，表明在同一含水率条件下，与铁板和亚克力板对比，黍子与钢板间的摩擦系数最低，张勇等[25]对绿豆种子的测试结果也显示，与钢板的摩擦系数较小。

综上，为降低摩擦选择材料时，应尽可能选择钢材等与蛤苗壳体滑动摩擦系数较小的材料，反之，需利用摩擦时，则应选择有机玻璃、PVC等材料。

3.4 蛤苗规格和加载方向对压缩强度的影响及其工程应用

本研究中，蛤苗受力载荷-变形量变化规律显示，蛤苗的受力载荷随位移量的增加而增大，且载荷随变形量瞬间下降的点为蛤苗的压缩破裂力，由此可见，蛤壳的破裂伴随着载荷的急剧下降，说明蛤壳呈现脆性材料特性，无延展性。Ma等[26]在研究蛤壳的微观结构和压缩破裂时证实了贝壳是一种典型的脆性材料，Taylor等[27]也说明了大多数双壳贝类壳体呈现脆性材料特征。

本研究中，蛤苗压缩强度试验显示，影响蛤苗抗压能力的主次因素依次为蛤苗规格>加载方向>加载速度，母刚[28]对成体蛤仔的研究也得到了相同规律。通过方差分析可知，蛤苗规格是影响破裂力的重要因素(P<0.01)，本试验中测得，大苗平均破裂力是小苗的3.5倍，这可能是由于蛤苗规格越大，其壳体越厚，蛤壳抵抗破裂能力越强，承受的破裂力也越大，母刚[28]和Mondal等[29]的研究均表明，较厚的贝壳能承受更大的力。另外，加载方向不同蛤苗的破裂力也存在较大差异(P<0.01)，其中，X方向抗压能力最强，可能是蛤苗外形不规则，当X方向夹持时蛤苗受力面积大，当载荷相同时，压强更小。另外，在本试验中还观察到大部分裂纹沿生长纹展开，生长纹是贝壳矿化过程中因季节及环境周期性变化导致间歇性生长形成的[30]，这些间歇在贝壳结构形成时扮演了重要角色，生长纹可视为微裂纹，会导致一定载荷下贝壳的破裂[31]。

工程应用中，为防止蛤苗破碎，选取最小破裂力组合为A1B1C3，即5～10 mm小苗、加载速度为0.5 mm/min、加载方向Y，根据模型(2)预测，在该组合下蛤苗承受的破裂力不能超过6.97 N。

4 结论

(1) 蛤仔形态性状对质量性状的直接通径系数依次为壳长>壳高>壳宽，其中，蛤苗壳长与质量性状的直接影响作用最大。

(2) 蛤苗的休止角随蛤苗规格增大而增大，休止角范围为34.94°～39.66°；同一材料条件下，蛤苗规格越大，静滑动摩擦系数越小。不锈钢、有机玻璃和PVC三者相比，蛤苗与不锈钢的静滑动摩擦系数最小。

(3) 蛤苗准静态压缩试验表明，蛤苗规格是导致蛤苗破碎的主要因素，其次是加载方向。通过逐步回归法建立破裂力与蛤苗规格、加载方向的多元回归模型，在小苗、Y方向、0.5 mm/min加载速度条件下，蛤苗的最小破裂力预测值为6.97 N。