熊 師 方憲法 牛 康 苑嚴(yán)偉 趙 博 周利明

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院土壤植物機(jī)器系統(tǒng)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

0 引言

我國(guó)是世界上最大的對(duì)蝦生產(chǎn)國(guó)，也是對(duì)蝦主要貿(mào)易國(guó)之一，2018年對(duì)蝦總產(chǎn)量130萬(wàn)噸[1-2]。蝦仁是對(duì)蝦粗加工后的主要產(chǎn)品，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)蝦仁的需求量越來(lái)越大，因此對(duì)對(duì)蝦預(yù)處理環(huán)節(jié)提出了更高的要求，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化的對(duì)蝦加工對(duì)提高加工效率和加工品質(zhì)具有重要意義[3-5]。對(duì)蝦的預(yù)處理流程主要包括清洗、分級(jí)、排序定向、去頭、開背、去腸線、剝殼[6-11]等，排序定向是去頭、開背、去腸線和剝殼等工序的前提。目前，對(duì)蝦剝制機(jī)可一次性完成對(duì)蝦的開背、去腸線和剝殼3個(gè)步驟[12-13]，但仍然需要人工定向上料。對(duì)蝦外形不規(guī)則使自動(dòng)定向較為困難，但定向喂入依靠人工完成，其勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低。對(duì)蝦的定向排序制約著后續(xù)的預(yù)處理工序，因此，研究對(duì)蝦的定向方法及裝置是提高對(duì)蝦預(yù)處理效率和自動(dòng)化水平的關(guān)鍵。

對(duì)蝦定向包括頭尾定向和腹背定向兩部分。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于蝦定向技術(shù)的研究較少，對(duì)蝦定向技術(shù)主要處于理論設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究階段[14-18]，在蝦定向方面尚未見(jiàn)實(shí)際應(yīng)用的報(bào)道。定向技術(shù)在魚類加工方面已有較多研究[19-24]，可為蝦定向研究提供參考。目前，在對(duì)蝦定向環(huán)節(jié)仍缺少實(shí)用性裝備，關(guān)于對(duì)蝦定向技術(shù)的研究很少，因此有必要研究開發(fā)適合對(duì)蝦的定向裝置。

針對(duì)夾具轉(zhuǎn)盤式對(duì)蝦剝殼機(jī)和對(duì)蝦開背去腸機(jī)依靠人工定向喂料的問(wèn)題，基于先頭尾定向、后背腹定向的整體思路，研究對(duì)蝦頭尾定向和有序輸送的實(shí)現(xiàn)方法，為背腹識(shí)別與夾持轉(zhuǎn)向創(chuàng)造條件，進(jìn)而開發(fā)對(duì)蝦定向上料剝制裝備，以實(shí)現(xiàn)對(duì)蝦定向、開背、去腸線、剝殼工序的自動(dòng)化和一體化。本文以南美白對(duì)蝦為研究對(duì)象，根據(jù)去頭對(duì)蝦外形特征，分析頭尾定向機(jī)理，設(shè)計(jì)對(duì)蝦定向輸送裝置，并開展參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)研究，以期得到最佳對(duì)蝦定向性能。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 裝置結(jié)構(gòu)

對(duì)蝦定向輸送裝置主要由喂料口、定向輥、輸送推板、側(cè)滑面、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和機(jī)架組成，如圖1所示。兩根定向輥平行排列，相向等速轉(zhuǎn)動(dòng)。6個(gè)輸送推板均勻分布于定向輥上方的鏈條上，在兩定向輥間隙中勻速循環(huán)運(yùn)動(dòng)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分為兩部分：第1部分為輸送推板傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，由1號(hào)步進(jìn)電機(jī)通過(guò)錐齒輪副驅(qū)動(dòng)鏈輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)；第2部分為定向輥傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，由2號(hào)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)3個(gè)圓柱直齒輪相向轉(zhuǎn)動(dòng)。定向輥軸上安裝萬(wàn)向節(jié)聯(lián)軸器，使得兩輥間隙調(diào)節(jié)后定向輥的傳動(dòng)不受影響。

1.2 裝置工作原理

對(duì)蝦定向輸送裝置是利用去頭對(duì)蝦頭尾厚度(蝦體兩側(cè)面的距離)差異大且兩側(cè)面對(duì)稱的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)頭尾定向的。去頭后的對(duì)蝦從喂料口滑入兩定向輥間隙中，兩定向輥沿間隙下方向上方相向轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)蝦在與兩定向輥接觸的過(guò)程中自動(dòng)調(diào)整至尾部向下的姿態(tài)。定向后的對(duì)蝦在輸送推板的推動(dòng)下勻速向前輸送。由于推板均勻排布，對(duì)蝦可實(shí)現(xiàn)有序輸送。

2 對(duì)蝦頭尾定向機(jī)理分析

去頭對(duì)蝦在腹背方向所成的形狀可近似為倒立的等腰梯形，如圖2所示。對(duì)蝦的厚度從尾部至頭部逐漸增大，根據(jù)幾何特征，當(dāng)在重心上方對(duì)腰部施加一對(duì)對(duì)稱的支持力F1和F2時(shí)，蝦體可達(dá)到受力平衡狀態(tài)，此時(shí)蝦體能夠穩(wěn)定保持頭部向上尾部向下的姿態(tài)。

在對(duì)蝦的分級(jí)和剝殼工序中，常采用尼龍材料制成的圓柱對(duì)輥?zhàn)鳛橹魏凸ぷ鞑考?。尼龍輥表面光滑，不?huì)造成蝦體損傷。兩對(duì)輥間形成的雙曲面空間可自適應(yīng)蝦體的外形機(jī)構(gòu)和尺寸差異。本文基于對(duì)輥?zhàn)饔锰匦院蛯?duì)蝦外形特征，利用平行圓柱對(duì)輥相向旋轉(zhuǎn)的方式，對(duì)處于兩輥間隙的蝦體施加支持力與摩擦力，使蝦體產(chǎn)生頭尾轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)蝦的頭尾定向。

2.1 定向前對(duì)蝦受力分析

對(duì)蝦落入對(duì)輥間隙中，當(dāng)兩側(cè)面與輥面接觸時(shí)，蝦體受力分析如圖3所示。圖中，O為對(duì)蝦重心位置，A為對(duì)蝦與定向輥的接觸點(diǎn)。s表示OA的距離，G表示對(duì)蝦重力，N表示蝦體所受支持力在豎直方向的合力，f表示蝦體所受摩擦力在豎直方向的合力，N1表示左側(cè)定向輥對(duì)蝦體的支持力，N2表示右側(cè)定向輥對(duì)蝦體的支持力，f1表示對(duì)蝦受到左側(cè)定向輥的摩擦力，f2表示對(duì)蝦受到右側(cè)定向輥的摩擦力，α表示支持力N1與豎直方向夾角。

由圖3a可知，該狀態(tài)下的蝦體在豎直方向的受力不穩(wěn)定，存在合力矩M=Gs，因此蝦體在力矩作用下會(huì)繞A點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)OA處于豎直方向時(shí)，合力矩為零，蝦體處于頭上尾下的豎直狀態(tài)。對(duì)蝦能否成功定向取決于s的大小，s減小導(dǎo)致M減小，蝦體不易產(chǎn)生轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)s為零時(shí)蝦體無(wú)法定向。因此接觸點(diǎn)A需位于重心O點(diǎn)與蝦頭之間。由于A點(diǎn)位置由對(duì)輥間隙l決定，因此適當(dāng)增大對(duì)輥間隙l有利于蝦體的頭尾轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)上文分析，為實(shí)現(xiàn)對(duì)蝦的頭尾定向，對(duì)輥間隙l的取值范圍需滿足

h2

(1)

式中h1——蝦體頭部厚度，mm

h2——蝦體重心處厚度，mm

由圖3b可得蝦體在水平方向的受力為

(2)

式中μ1——對(duì)蝦與左側(cè)定向輥摩擦因數(shù)

μ2——對(duì)蝦與右側(cè)定向輥摩擦因數(shù)

F——對(duì)蝦水平方向合力，N

對(duì)蝦與兩輥組成軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此支持力N1=N2。蝦體兩側(cè)面與輥面的摩擦因數(shù)也相等，即μ1=μ2?？傻煤狭=0，即蝦體在水平方向受力平衡。

2.2 定向后對(duì)蝦受力分析

對(duì)蝦實(shí)現(xiàn)頭尾定向后仍然存在不穩(wěn)定的情況，蝦體受力分析如圖4所示。圖中，B為對(duì)蝦與左側(cè)定向輥的接觸點(diǎn)，C為對(duì)蝦與右側(cè)定向輥的接觸點(diǎn)。G1表示對(duì)蝦重力在B點(diǎn)的分力，G2表示對(duì)蝦重力在C點(diǎn)的分力。

對(duì)蝦在B點(diǎn)的受力關(guān)系為

(3)

式中F3——對(duì)蝦在B點(diǎn)受力的合力，N

β——對(duì)蝦與定向輥的摩擦角，(°)

聯(lián)立式(3)可得F3=0.5Gcosα(tanβ-tanα)，同理可得接觸點(diǎn)C受力的合力F4與F3大小相等，因此蝦體所受合力F5=(F3+F4)sinα=Gsinαcosα(tanβ-tanα)。當(dāng)α<β時(shí)，可得F5>0，方向豎直向上。此時(shí)蝦體在豎直方向受力不平衡，會(huì)出現(xiàn)上下跳動(dòng)的現(xiàn)象，甚至?xí)膬奢佉绯?。根?jù)上述分析，為提高對(duì)蝦頭尾定向的穩(wěn)定性，應(yīng)滿足α≥β。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

3.1 對(duì)蝦外形尺寸測(cè)量

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)蝦分級(jí)的規(guī)格劃分，進(jìn)一步將54～110只/kg范圍的對(duì)蝦歸類為中型蝦，將低于54只/kg的對(duì)蝦歸類為大型蝦。由于規(guī)格過(guò)小的對(duì)蝦一般不適用于開背、去腸、取仁這一定向剝制工序，因此定向裝置的設(shè)計(jì)以中大型對(duì)蝦為參考。以南美白對(duì)蝦為對(duì)象，對(duì)去頭后對(duì)蝦的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量方法如圖5所示。圖中，L表示頭尾距離，L1表示重心至第6節(jié)距離，H表示蝦體厚度。

選取中型規(guī)格對(duì)蝦和大型規(guī)格對(duì)蝦各50只作為測(cè)量樣本，去頭對(duì)蝦尺寸的測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 對(duì)蝦外形尺寸測(cè)量結(jié)果

3.2 側(cè)滑面

為防止對(duì)蝦從對(duì)輥間隙中溢出，促進(jìn)對(duì)蝦從喂料口順利滑至定向輥，設(shè)計(jì)了如圖6所示的側(cè)滑面。兩個(gè)側(cè)滑面均由尼龍材料制成，分別置于對(duì)輥上方，與輥面接觸，在定向輥軸向方向形成V形空間。根據(jù)對(duì)蝦頭尾定向受力分析可知α≥β，因此側(cè)滑面在輥面的接觸點(diǎn)與豎直方向所成角度θ=β。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量得到去頭對(duì)蝦在光滑尼龍表面的摩擦角為36.5°，為實(shí)現(xiàn)對(duì)蝦的穩(wěn)定定向，θ設(shè)計(jì)為36.5°。為保證對(duì)蝦在側(cè)滑面上順利下滑，側(cè)滑面的表面傾斜角δ>36.5°，實(shí)際取45°。

3.3 定向輥

定向輥是實(shí)現(xiàn)對(duì)蝦頭尾定向的主要工作部件，是由尼龍材料制成的光滑圓柱輥。定向輥半徑為主要的設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖7(圖中d表示兩個(gè)側(cè)滑面底部之間的距離，r表示定向輥半徑)為定向輥與側(cè)滑面在定向輥軸向所成結(jié)構(gòu)，對(duì)蝦從兩個(gè)側(cè)滑面底部之間的空隙進(jìn)入對(duì)輥，對(duì)輥間隙l決定落入兩定向輥間的對(duì)蝦能否成功定向，因此對(duì)輥參數(shù)應(yīng)滿足

(4)

式中h——去頭對(duì)蝦的最大厚度，mm

聯(lián)立上述各式，計(jì)算得

(5)

根據(jù)表1對(duì)蝦外形尺寸的測(cè)量結(jié)果可得r>10.6 mm。由式(4)可知，當(dāng)l一定時(shí)，r越大，d越大，對(duì)蝦更易落入對(duì)輥間隙中完成定向，因此增大定向輥半徑有利于對(duì)蝦定向。

由于對(duì)蝦頭尾定向后還需從定向輥底部夾持蝦尾以實(shí)現(xiàn)腹背定向，為保證后續(xù)研究中蝦體尾部夾持的可行性，定向后的蝦體尾部需低于定向輥底面，即定向輥半徑小于蝦體重心至第6節(jié)距離，可得r<30.8 mm。綜合上述分析定向輥半徑設(shè)計(jì)為30 mm。

3.4 輸送推板

輸送推板的作用是推動(dòng)蝦體勻速向前運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)蝦的有序輸送。其設(shè)計(jì)應(yīng)滿足兩個(gè)要求：推動(dòng)對(duì)蝦有序輸送、不阻礙蝦體的頭尾轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)蝦有序輸送，輸送推板的外形需適應(yīng)側(cè)滑面和對(duì)輥形成的V形輪廓結(jié)構(gòu)。根據(jù)定向輥和側(cè)滑面結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的輸送推板如圖8所示，相鄰輸送推板間可形成相互獨(dú)立的空間。

為了便于蝦體滑落至對(duì)輥上，相鄰輸送推板間距k需大于對(duì)蝦頭尾距離，即k>106.8 mm，因此k設(shè)計(jì)為6個(gè)鏈條節(jié)距，為114.3 mm。為了不阻礙蝦體的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，對(duì)蝦從喂料口下滑至輥面時(shí)后續(xù)輸送推板尚未對(duì)蝦體施加推力，即蝦體的下滑時(shí)間t1應(yīng)小于輸送推板前進(jìn)至推送位置所用的時(shí)間t2，因此輸送推板應(yīng)滿足

(6)

式中m——對(duì)蝦質(zhì)量，kg

v1——對(duì)蝦下滑至對(duì)輥間隙時(shí)的速度，m/s

s1——對(duì)蝦下滑的距離，m

f′——對(duì)蝦受到來(lái)自側(cè)滑面的摩擦力，N

μ——對(duì)蝦沿側(cè)滑面下滑的摩擦因數(shù)

s2——喂料口的長(zhǎng)度，m

v2——輸送推板運(yùn)動(dòng)速度，m/s

g——重力加速度，m/s2

聯(lián)立式(6)計(jì)算得v2<81.6 mm/s，因此輸送推板運(yùn)動(dòng)速度需小于81.6 mm/s，適當(dāng)減小輸送推板的速度有利于對(duì)蝦的頭尾定向。

4 對(duì)蝦頭尾定向試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

本文主要試驗(yàn)設(shè)備為對(duì)蝦定向輸送裝置，如圖9所示。其它儀器設(shè)備包括游標(biāo)卡尺(精度0.1 mm)和電子秤(精度0.1 g)。

4.2 試驗(yàn)材料

選取南美白對(duì)蝦為試驗(yàn)對(duì)象，所用對(duì)蝦購(gòu)于北京某超市，蝦體新鮮完整。通過(guò)稱量將試驗(yàn)材料分為中型蝦和大型蝦兩種規(guī)格，然后對(duì)每只蝦進(jìn)行去頭處理。

4.3 試驗(yàn)指標(biāo)

該裝置的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)為對(duì)蝦定向成功率，蝦體保持頭部向上尾部向下的姿態(tài)且順利被輸送至定向輥末端視為定向成功，出現(xiàn)對(duì)蝦未定向或從間隙掉落等情況均視為定向失敗。

定向成功率計(jì)算公式為

(7)

式中W1——每次試驗(yàn)中定向成功的對(duì)蝦個(gè)數(shù)

W2——每次試驗(yàn)的對(duì)蝦樣本數(shù)

每次試驗(yàn)從所選用的對(duì)蝦樣本中隨機(jī)選取50只作為一組，試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。

4.4 單因素試驗(yàn)

根據(jù)上文分析可知，對(duì)輥間隙和輸送推板運(yùn)動(dòng)速度對(duì)蝦體頭尾定向效果有影響。結(jié)合理論計(jì)算和實(shí)際測(cè)量結(jié)果，中型蝦和大型蝦對(duì)應(yīng)的對(duì)輥間隙范圍分別取8～12 mm和11～15 mm。輸送推板運(yùn)動(dòng)過(guò)慢會(huì)導(dǎo)致對(duì)蝦輸送效率過(guò)低，因此輸送推板運(yùn)動(dòng)速度范圍取20～80 mm/s。通過(guò)裝置的預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，定向輥轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)出現(xiàn)對(duì)蝦無(wú)法轉(zhuǎn)向的情況；定向輥轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)，對(duì)蝦兩側(cè)面與輥面的摩擦加劇，造成蝦體外殼磨損，會(huì)影響對(duì)蝦的品質(zhì)。因此定向輥轉(zhuǎn)速對(duì)對(duì)蝦的頭尾定向有影響，定向輥轉(zhuǎn)速范圍取10～130 r/min。

以對(duì)輥間隙、輸送推板運(yùn)動(dòng)速度、定向輥轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素，以定向成功率為試驗(yàn)指標(biāo)，分別以中型蝦和大型蝦兩種規(guī)格的對(duì)蝦為試驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行單因素試驗(yàn)，試驗(yàn)因素水平如表2所示。

表2 單因素試驗(yàn)因素水平

4.4.1對(duì)輥間隙

設(shè)定輸送推板運(yùn)動(dòng)速度為40 mm/s，定向輥轉(zhuǎn)速為70 r/min。以中型蝦為試驗(yàn)對(duì)象時(shí)對(duì)輥間隙調(diào)整為8～12 mm共5個(gè)水平，以大型蝦為試驗(yàn)對(duì)象對(duì)輥間隙調(diào)整為11～15 mm共5個(gè)水平，探究對(duì)輥間隙對(duì)蝦體頭尾定向效果的影響，結(jié)果如圖10所示。

從圖10可看出，兩種規(guī)格的對(duì)蝦對(duì)應(yīng)的折線圖趨勢(shì)相同，隨著對(duì)輥間隙的增大，定向成功率先增大后減小。結(jié)合對(duì)蝦頭尾定向機(jī)理的分析可知，當(dāng)對(duì)輥間隙較小時(shí)，蝦體與輥面的接觸點(diǎn)距離蝦體重心較近，蝦體所受力矩較小，導(dǎo)致對(duì)蝦不易轉(zhuǎn)向；當(dāng)對(duì)輥間隙較大時(shí)，蝦體與輥面的接觸點(diǎn)逐漸接近蝦頭部，雖然可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，但由于同一規(guī)格對(duì)蝦的厚度仍有差別，厚度較小的對(duì)蝦會(huì)從間隙中掉落，導(dǎo)致定向失敗。故較優(yōu)的對(duì)輥間隙對(duì)應(yīng)的水平值為2～4，即中型蝦的較優(yōu)對(duì)輥間隙為9～11 mm，大型蝦的較優(yōu)對(duì)輥間隙為12～14 mm。

4.4.2輸送推板運(yùn)動(dòng)速度

設(shè)定定向輥轉(zhuǎn)速為70 r/min，中型蝦和大型蝦所對(duì)應(yīng)的對(duì)輥間隙分別為10 mm和12 mm。逐漸調(diào)整輸送推板運(yùn)動(dòng)速度，探究輸送推板運(yùn)動(dòng)速度對(duì)蝦體頭尾定向的影響，結(jié)果如圖11所示。

圖11表明，隨著輸送推板運(yùn)動(dòng)速度的增加，對(duì)蝦定向成功率整體上呈逐步下降的趨勢(shì)。當(dāng)輸送推板運(yùn)動(dòng)速度超過(guò)60 mm/s時(shí)，定向成功率明顯下降。結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象分析，試驗(yàn)中出現(xiàn)輸送推板推著蝦尾向前輸送的情況，這是由于蝦體還未完成轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí)后續(xù)輸送推板已經(jīng)接觸蝦體并向蝦體施加推力，此時(shí)對(duì)蝦尾部在受到水平推力的作用下達(dá)到受力平衡，對(duì)蝦無(wú)法繼續(xù)轉(zhuǎn)向，因此定向失敗。輸送推板運(yùn)動(dòng)速度越快，留給蝦體的轉(zhuǎn)向時(shí)間就越短，對(duì)蝦的定向過(guò)程就越容易受到影響。因此輸送推板運(yùn)動(dòng)速度在20～60 mm/s范圍內(nèi)定向成功率處于較優(yōu)水平。

由于輸送推板運(yùn)動(dòng)速度決定裝置的輸送效率，因此需要考慮定向裝置的工作效率。裝置的輸送效率與輸送推板運(yùn)動(dòng)速度成正比，由于輸送推板運(yùn)動(dòng)速度范圍為20～80 r/min，因此輸送效率可根據(jù)比例設(shè)為25%、37.5%、50%、62.5%、75%、87.5%、100%。輸送推板運(yùn)動(dòng)速度的選取方法是在保證較好定向成功率的同時(shí)提高輸送效率，根據(jù)優(yōu)先級(jí)關(guān)系設(shè)置兩個(gè)指標(biāo)的權(quán)重為：定向成功率0.8、輸送效率0.2。

對(duì)定向成功率和輸送效率加權(quán)求和后得到綜合指標(biāo)與輸送推板運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系，如圖12所示。

由圖12可知，隨著輸送推板運(yùn)動(dòng)速度的增加，綜合指標(biāo)總體呈先增大后減小的趨勢(shì)。40～60 mm/s對(duì)應(yīng)的綜合指標(biāo)最高，因此輸送推板運(yùn)動(dòng)速度的較優(yōu)范圍為40～60 mm/s。

4.4.3定向輥轉(zhuǎn)速

設(shè)定中型蝦和大型蝦所對(duì)應(yīng)的對(duì)輥間隙分別為10 mm和12 mm，輸送推板運(yùn)動(dòng)速度為40 mm/s，探究定向輥轉(zhuǎn)速對(duì)蝦體頭尾定向效果的影響，結(jié)果如圖13所示。

從圖13中可以看出，兩條折線走勢(shì)相似。隨著定向輥轉(zhuǎn)速的增加，定向成功率先逐漸增大，然后趨于穩(wěn)定。定向輥轉(zhuǎn)速在70～130 r/min時(shí)定向成功率處于較高水平。定向輥在較高轉(zhuǎn)速下，輥面上附著的水在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)下對(duì)蝦頭產(chǎn)生向上的沖擊力，會(huì)促進(jìn)蝦體由水平至豎直方向的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，因此對(duì)蝦更易定向。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，定向輥轉(zhuǎn)速為130 r/min時(shí)少量對(duì)蝦的外殼表面會(huì)出現(xiàn)一定程度的磨損，但外殼均無(wú)破裂現(xiàn)象。為保證定向后的對(duì)蝦品質(zhì)，確定定向輥轉(zhuǎn)速的較優(yōu)范圍為70～110 r/min。

4.5 正交試驗(yàn)

4.5.1試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為探究裝置的各影響因素對(duì)蝦體頭尾定向影響的主次順序，確定最優(yōu)的水平組合，在單因素試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，進(jìn)行正交試驗(yàn)。以對(duì)輥間隙、輸送推板運(yùn)動(dòng)速度、定向輥轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素，以定向成功率為試驗(yàn)指標(biāo)，分別進(jìn)行中型和大型兩種規(guī)格對(duì)蝦的正交試驗(yàn)。因素水平如表3所示，采用正交表L9(34)進(jìn)行試驗(yàn)。

表3 正交試驗(yàn)因素水平

4.5.2試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)蝦定向輸送裝置正交試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，表中A、B、C分別表示對(duì)輥間隙、輸送推板運(yùn)動(dòng)速度、定向輥轉(zhuǎn)速的水平值。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，得到影響中型和大型兩種規(guī)格對(duì)蝦的定向成功率的因素主次順序一致，均為對(duì)輥間隙A、輸送推板運(yùn)動(dòng)速度B、定向輥轉(zhuǎn)速C，最優(yōu)組合均為A2B1C2，即輸送推板運(yùn)動(dòng)速度取40 mm/s，定向輥轉(zhuǎn)速取90 r/min，當(dāng)定向中型蝦時(shí)對(duì)輥間隙取10 mm，定向大型蝦時(shí)對(duì)輥間隙取13 mm，在該參數(shù)下試驗(yàn)裝置的工作效果最好。

4.5.3驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證裝置的定向效果，在最優(yōu)參數(shù)組合下進(jìn)行試驗(yàn)，定向試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖14所示。設(shè)置對(duì)輥間隙10 mm，輸送推板運(yùn)動(dòng)速度40 mm/s，定向輥轉(zhuǎn)速90 r/min。從中型規(guī)格的對(duì)蝦樣本中隨機(jī)選取50只進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果取平均值，得到定向成功率為97.3%。設(shè)置對(duì)輥間隙13 mm，輸送推板運(yùn)動(dòng)速度40 mm/s，定向輥轉(zhuǎn)速90 r/min。從大型規(guī)格的對(duì)蝦樣本中隨機(jī)選取50只進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)重復(fù)3次，計(jì)算平均值得到定向成功率為94.7%。試驗(yàn)中蝦體均無(wú)損傷，能夠?qū)崿F(xiàn)有序輸送，定向效果達(dá)到最優(yōu)。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)去頭對(duì)蝦頭尾定向機(jī)理的分析和試驗(yàn)表明：采用平行對(duì)輥相向轉(zhuǎn)動(dòng)的方式進(jìn)行對(duì)蝦頭尾定向是可行的，結(jié)合對(duì)蝦外形尺寸設(shè)計(jì)的對(duì)蝦定向輸送裝置，能夠獲得蝦體頭部向上、尾部向下的定向效果，達(dá)到有序輸送的目的。

(2)通過(guò)單因素試驗(yàn)研究了對(duì)輥間隙、輸送推板運(yùn)動(dòng)速度和定向輥轉(zhuǎn)速對(duì)蝦體頭尾定向的影響規(guī)律。結(jié)果表明：定向成功率隨對(duì)輥間隙的增加呈先增、后減的趨勢(shì)，隨輸送推板運(yùn)動(dòng)速度的增加呈逐步下降的趨勢(shì)，隨定向輥轉(zhuǎn)速的增加呈先增大、后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。通過(guò)分析確定了3個(gè)因素的較優(yōu)范圍。

(3)進(jìn)行了兩種規(guī)格南美白對(duì)蝦的正交試驗(yàn)，結(jié)果表明，影響頭尾定向成功率的因素主次順序?yàn)閷?duì)輥間隙、輸送推板運(yùn)動(dòng)速度、定向輥轉(zhuǎn)速。最優(yōu)參數(shù)組合為：輸送推板運(yùn)動(dòng)速度40 mm/s、定向輥轉(zhuǎn)速90 r/min、中型蝦對(duì)應(yīng)的對(duì)輥間隙10 mm、大型蝦對(duì)應(yīng)的對(duì)輥間隙13 mm，在最優(yōu)參數(shù)組合下中型蝦和大型蝦的定向成功率分別為97.3%、94.7%。