王澤河 張麗麗 張秀花 弋景剛

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071001）

中國(guó)是世界上最大的對(duì)蝦產(chǎn)品生產(chǎn)國(guó)，也是世界上對(duì)蝦產(chǎn)品的主要貿(mào)易國(guó)［1］。蝦仁是對(duì)蝦加工后的重要產(chǎn)品，但現(xiàn)有的蝦仁大部分仍為手工剝殼，勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低，易受細(xì)菌污染，影響產(chǎn)品鮮度和品質(zhì)。所以機(jī)械化生產(chǎn)是目前蝦類脫殼研究領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向［2］。但在機(jī)械式對(duì)蝦加工過(guò)程中，對(duì)蝦需要做開背處理。由于對(duì)蝦本身體呈長(zhǎng)筒形，左右側(cè)扁［3］，且體節(jié)中腹部有多對(duì)腹足，形狀不規(guī)則，給開背前的定向帶來(lái)了極大的困難。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)蝦加工過(guò)程中主要采用人工定向，占用了大量的勞動(dòng)力資源。本研究根據(jù)對(duì)蝦的生物力學(xué)特性，提出了雙棍式對(duì)蝦粗定向方法，并做了大量的相關(guān)試驗(yàn)，驗(yàn)證方法的可行性，為對(duì)蝦的定向提供理論依據(jù)。

1 對(duì)蝦切面的確定

由于去頭后的對(duì)蝦體呈長(zhǎng)筒形，左右側(cè)扁，且身體呈現(xiàn)一定弧度。如圖1所示，定義對(duì)蝦頭部與腹部體節(jié)分開處切面為橫切面，橫切面與對(duì)蝦的相交面近似橢圓，過(guò)對(duì)蝦腸腺和對(duì)蝦5對(duì)腹肢的對(duì)稱中心線為豎切面。對(duì)蝦以豎切面為對(duì)稱面，左右對(duì)稱。

圖1 對(duì)蝦切面圖Figure1 The sectional view of the shrimp

2 輥?zhàn)虞S線與水平面平行

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)去頭對(duì)蝦以任意姿態(tài)落入一對(duì)相背轉(zhuǎn)動(dòng)的輥?zhàn)娱g隙時(shí)，對(duì)蝦的豎切面與兩輥?zhàn)又虚g的對(duì)稱面夾角隨兩輥?zhàn)又睆胶洼佔(zhàn)娱g隙的變化而變化。

當(dāng)輥?zhàn)又睆竭^(guò)小，此時(shí)如果對(duì)蝦沒有恰好落入兩輥?zhàn)又g的間隙時(shí)，對(duì)蝦易隨輥?zhàn)拥霓D(zhuǎn)動(dòng)而飛出；當(dāng)兩輥?zhàn)娱g隙過(guò)小時(shí)，由于對(duì)蝦蝦體呈現(xiàn)一定弧度，此時(shí)如果對(duì)蝦姿態(tài)不是以背部向下腹部向上的姿態(tài)落入間隙，對(duì)蝦尾部不能落入兩輥?zhàn)又g的間隙，使得對(duì)蝦豎切面與兩輥?zhàn)又虚g的對(duì)稱面重合；反之，當(dāng)輥?zhàn)又睆捷^大，且間隙較大時(shí)，無(wú)論對(duì)蝦姿態(tài)如何，總可使豎切面與兩輥?zhàn)又虚g的對(duì)稱面重合；但當(dāng)間隙過(guò)大時(shí)，對(duì)蝦橫切面易與輥?zhàn)佣嗣嫘纬蓨A角，使得對(duì)蝦粗定向效果較差。

由試驗(yàn)可知，對(duì)蝦粗定向的影響因素為輥?zhàn)又睆胶蛢奢佔(zhàn)拥拈g隙，以80頭／kg的對(duì)蝦為研究對(duì)象，對(duì)其去頭處理，進(jìn)行試驗(yàn)。用游標(biāo)卡尺對(duì)100只去頭對(duì)蝦的橫切面的橢圓截面中的短軸進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)短軸的取值范圍為12～13 mm，對(duì)蝦腹部體的第7節(jié)即尾節(jié)，短軸的取值范圍為4～5 mm。利用單因素試驗(yàn)，兩輥?zhàn)又睆?0mm，兩輥?zhàn)右?0r／min的轉(zhuǎn)速相背轉(zhuǎn)動(dòng)為定量，改變雙輥間隙，以對(duì)蝦不隨輥?zhàn)语w出且豎切面與兩輥?zhàn)又虚g的對(duì)稱面重合且對(duì)蝦橫切面不與輥?zhàn)佣嗣嫘纬蓨A角為指標(biāo)，設(shè)計(jì)試驗(yàn)。

2．1 雙輥間隙對(duì)對(duì)蝦定向的影響

選取對(duì)蝦質(zhì)量為每千克80頭特定大小的對(duì)蝦，對(duì)其去頭處理，進(jìn)行試驗(yàn)，把去頭對(duì)蝦以不同姿態(tài)單個(gè)依次的從輥?zhàn)娱g隙上方放下，觀察現(xiàn)象并記錄。由于對(duì)蝦存在個(gè)體差異，每組試驗(yàn)20次［4，5］，試驗(yàn)方法及結(jié)果見表1。

表1 雙輥間隙對(duì)對(duì)蝦定向的影響Table1 The record table of influence on the directing of double rollers’gap

由表1可知，當(dāng)輥?zhàn)娱g隙為5～9mm 時(shí)，由于此間隙數(shù)值大于對(duì)蝦尾節(jié)處截面短軸的數(shù)值，且小于對(duì)蝦最大橫截面的數(shù)值較多，使得所有對(duì)蝦無(wú)論何種姿態(tài)，均不會(huì)隨輥?zhàn)语w出，調(diào)整一段時(shí)間后穩(wěn)穩(wěn)落入兩輥?zhàn)娱g隙中，且豎切面與兩輥?zhàn)又虚g的對(duì)稱面重合，對(duì)蝦橫切面不與輥?zhàn)佣嗣嫘纬蓨A角，達(dá)到了粗排序。

2．2 雙輥直徑對(duì)對(duì)蝦定向的影響

利用單因素試驗(yàn)，兩輥?zhàn)娱g隙6mm，兩輥?zhàn)右?0r／min的轉(zhuǎn)速相背轉(zhuǎn)動(dòng)為定量，改變雙輥直徑，以所有對(duì)蝦均不隨輥?zhàn)语w出、豎切面與兩輥?zhàn)又虚g的對(duì)稱面重合且對(duì)蝦橫切面不與輥?zhàn)佣嗣嫘纬蓨A角為評(píng)價(jià)指標(biāo)。當(dāng)輥?zhàn)又睆綖?0mm，把去頭對(duì)蝦以不同姿態(tài)單個(gè)依次的從輥?zhàn)娱g隙上方放下，觀察現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)部分對(duì)蝦隨輥?zhàn)拥霓D(zhuǎn)動(dòng)而飛出，未飛出的對(duì)蝦豎切面與兩輥?zhàn)拥闹虚g的對(duì)稱面重合且對(duì)蝦橫切面不與輥?zhàn)佣嗣嫘纬蓨A角；改變輥?zhàn)又睆綖?0，100 mm 重復(fù)上述步驟并觀察，發(fā)現(xiàn)所有對(duì)蝦均不隨輥?zhàn)语w出、豎切面與兩輥?zhàn)拥闹虚g的對(duì)稱面重合且對(duì)蝦橫切面不與輥?zhàn)佣嗣嫘纬蓨A角。

3 輥?zhàn)虞S線與水平面成一定角度

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知：去頭對(duì)蝦以任意姿態(tài)落入一對(duì)反向轉(zhuǎn)動(dòng)的輥?zhàn)娱g隙時(shí)，若輥?zhàn)又睆胶烷g隙合適，對(duì)蝦總可使豎切面與兩輥?zhàn)拥闹虚g的對(duì)稱面重合。根據(jù)這一性質(zhì)，把輥?zhàn)虞S線放置與水平面成一定角度，取輥?zhàn)又睆綖?0 mm，兩輥?zhàn)娱g隙為6mm，對(duì)對(duì)蝦受力分析如圖2所示，其中，對(duì)蝦受豎直向下的重力G，垂直于第一個(gè)輥?zhàn)忧芯€方向的支持力FN1，垂直于第二個(gè)輥?zhàn)忧芯€方向的支持力FN2，由于輥?zhàn)颖诚蜣D(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)蝦受到垂直于支持力FN1與轉(zhuǎn)向方向相反的摩擦力f′1，和垂直于支持力FN2與轉(zhuǎn)向方向相反的摩擦力f′2，沿第一個(gè)輥?zhàn)虞S線方向向下的摩擦力f1，沿第二個(gè)輥?zhàn)虞S線方向向下的摩擦力f2，由受力分析可知，對(duì)蝦合力沿輥?zhàn)虞S線方向向下。

圖2 對(duì)蝦受力分析示意圖Figure2 The schematic diagram of shrimp’s force analysis

通過(guò)預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，輥?zhàn)虞S線與水平面夾角的大小和輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速?zèng)Q定對(duì)蝦在輥?zhàn)由系倪\(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。針對(duì)對(duì)蝦質(zhì)量為每千克80頭特定大小的對(duì)蝦，其橫切面橢圓短軸約為12～13mm，對(duì)其去頭處理，進(jìn)行試驗(yàn)。由于對(duì)蝦加工設(shè)備不宜過(guò)大，所以試驗(yàn)用的雙輥長(zhǎng)度初取為1 m，直徑為60mm，間隙為6mm，設(shè)計(jì)試驗(yàn)。

3．1 雙輥與水平面夾角對(duì)對(duì)蝦定向的影響

利用單因素試驗(yàn)，兩輥?zhàn)又睆?0 mm，兩輥?zhàn)?0r／min的轉(zhuǎn)速相背轉(zhuǎn)動(dòng)為定量，調(diào)整輥?zhàn)虞S線與水平面夾角，所有對(duì)蝦均可調(diào)整好姿態(tài)，不隨輥?zhàn)语w出且豎切面與兩輥?zhàn)拥闹虚g的對(duì)稱面重合，以向輥?zhàn)酉路交瑒?dòng)為評(píng)價(jià)指標(biāo)。調(diào)整輥?zhàn)虞S線與水平面夾角為10°，把去頭對(duì)蝦以不同姿態(tài)依次地從輥?zhàn)娱g隙上方放下，觀察現(xiàn)象，所有對(duì)蝦均可調(diào)整好姿態(tài)，不隨輥?zhàn)语w出且豎切面與兩輥?zhàn)又虚g的對(duì)稱面重合，對(duì)蝦橫切面不與輥?zhàn)佣嗣嫘纬蓨A角，快速向輥?zhàn)酉露嘶瑒?dòng)；調(diào)整輥?zhàn)虞S線與水平面夾角為20°，30°，重復(fù)上述步驟觀察現(xiàn)象，所有對(duì)蝦均可調(diào)整好姿態(tài)，不隨輥?zhàn)语w出且豎切面與兩輥?zhàn)拥闹虚g的對(duì)稱面重合，對(duì)蝦橫切面不與輥?zhàn)佣嗣嫘纬蓨A角，更快速向輥?zhàn)酉露嘶瑒?dòng)；調(diào)整輥?zhàn)虞S線與水平面夾角為40°，重復(fù)上述步驟觀察現(xiàn)象，所有對(duì)蝦均不隨輥?zhàn)语w出且豎切面與兩輥?zhàn)拥闹虚g的對(duì)稱面重合，但部分對(duì)蝦滾動(dòng)向輥?zhàn)酉露艘苿?dòng)；調(diào)整輥?zhàn)虞S線與水平面夾角為50°，重復(fù)上述步驟觀察現(xiàn)象，所有對(duì)蝦均不隨輥?zhàn)语w出且豎切面與兩輥?zhàn)拥闹虚g的對(duì)稱面重合，但所有對(duì)蝦均滾動(dòng)向輥?zhàn)酉露艘苿?dòng)［6，7］，如圖3所示。

圖3 對(duì)蝦定向狀態(tài)Figure3 The shrimp’s directional state

3．2 雙輥轉(zhuǎn)速對(duì)對(duì)蝦定向的影響

利用單因素試驗(yàn)，兩輥?zhàn)虞S線與水平面夾角30°，輥?zhàn)又睆?0mm，輥?zhàn)娱g隙6mm 為定量，改變兩輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速，以所有對(duì)蝦均可調(diào)整好姿態(tài)，不隨輥?zhàn)语w出且豎切面與兩輥?zhàn)拥闹虚g的對(duì)稱面重合，對(duì)蝦橫切面不與輥?zhàn)佣嗣嫘纬蓨A角為評(píng)價(jià)指標(biāo)。當(dāng)雙輥以20r／min的轉(zhuǎn)速相背轉(zhuǎn)動(dòng)，把去頭對(duì)蝦以不同姿態(tài)依次地從輥?zhàn)娱g隙上方放下，觀察現(xiàn)象，所有對(duì)蝦均可調(diào)整好姿態(tài)，不隨輥?zhàn)语w出且豎切面與兩輥?zhàn)拥闹虚g的對(duì)稱面重合，對(duì)蝦橫切面不與輥?zhàn)佣嗣嫘纬蓨A角，快速向輥?zhàn)酉露嘶瑒?dòng)；改變輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速為60r／min，重復(fù)上述步驟觀察現(xiàn)象，所有對(duì)蝦均可調(diào)整好姿態(tài)，不隨輥?zhàn)语w出且豎切面與兩輥?zhàn)拥闹虚g的對(duì)稱面重合，對(duì)蝦橫切面不與輥?zhàn)佣嗣嫘纬蓨A角，以更快的速度向輥?zhàn)酉露嘶瑒?dòng)；改變輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速為100r／min，重復(fù)上述步驟觀察現(xiàn)象，所有對(duì)蝦均可調(diào)整好姿態(tài)，不隨輥?zhàn)语w出且豎切面與兩輥?zhàn)拥闹虚g的對(duì)稱面重合，對(duì)蝦橫切面不與輥?zhàn)佣嗣嫘纬蓨A角，以極快的速度向輥?zhàn)酉露嘶瑒?dòng)。

4 結(jié)論

相同直徑的雙輥相背轉(zhuǎn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)去頭對(duì)蝦的粗排序，但實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的影響因素較多，其中當(dāng)輥?zhàn)又睆叫柽h(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)蝦的截面尺寸，兩輥?zhàn)又g的間隙與對(duì)蝦的截面尺寸最大處和最小處的值有關(guān)，在合理的范圍內(nèi)取值，輥?zhàn)虞S線與水平面夾角需在40°以內(nèi)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)蝦的粗定向。輥?zhàn)拥霓D(zhuǎn)速大小，輥?zhàn)虞S線與水平面的夾角大小可決定對(duì)蝦在輥?zhàn)由系幕瑒?dòng)速度，可根據(jù)對(duì)蝦開背工序的效率對(duì)這兩者進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到設(shè)備整體運(yùn)行的協(xié)調(diào)。

1 陳文漢，寧凌．中國(guó)對(duì)蝦產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及相關(guān)研究綜述［J］．漁業(yè)經(jīng)濟(jì)研究，2008，5（2）：21～27．

2 張進(jìn)疆，張林泉，趙錫和，等．蝦剝殼裝備研究與設(shè)計(jì)［J］．現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備，2011（7）：50～52．

3 紀(jì)成林．中國(guó)對(duì)蝦養(yǎng)殖新技術(shù)［M］．北京：金盾出版社，1999：1～10．

4 陳魁．試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2005：3～10．

5 王頡．試驗(yàn)設(shè)計(jì)與SPSS應(yīng)用［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007：1～16．

6 呂長(zhǎng)安．大棗自動(dòng)定向輸送切片機(jī)的研究設(shè)計(jì)方案［J］．現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2010（12）：225～226．

7 張素梅．竹片自動(dòng)定向排序裝置研究［J］．林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2008，36（6）：14～15．