傅士偉 劉建華 黃道沛 劉玉良

(1. 舟山技師學(xué)院機(jī)電部，浙江 舟山 316000；2. 浙江海洋大學(xué)機(jī)電學(xué)院，浙江 舟山 316000)

對(duì)蝦具有高營(yíng)養(yǎng)、易消化、低脂肪等優(yōu)點(diǎn)，深受多種人群的喜愛(ài)。對(duì)蝦深加工后得到的蝦仁出口量占中國(guó)蝦類(lèi)海產(chǎn)品出口的首位[1-2]。對(duì)蝦加工一般包括去頭、開(kāi)背、去蝦線(xiàn)、剝殼等流程。國(guó)外開(kāi)發(fā)的自動(dòng)剝殼設(shè)備，以L(fǎng)aitram Machinery公司生產(chǎn)的A型自動(dòng)剝殼機(jī)和Gregor Jonsson公司生產(chǎn)的圓式旋轉(zhuǎn)盤(pán)自動(dòng)剝殼機(jī)為代表，前者能夠?qū)σ呀?jīng)去頭、開(kāi)背的對(duì)蝦進(jìn)行自動(dòng)剝殼，后者能夠自動(dòng)完成去頭、開(kāi)背、去蝦線(xiàn)、剝殼等過(guò)程，但仍需要人工進(jìn)行對(duì)蝦的定向進(jìn)料，且對(duì)蝦品級(jí)的分類(lèi)也需要其他設(shè)備來(lái)完成[3-5]。中國(guó)的對(duì)蝦加工仍以人工為主，研制的剝蝦設(shè)備雖然能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)開(kāi)背、去腸線(xiàn)、剝殼等步驟[6-7]，但進(jìn)料還是由人工操作，且品級(jí)分類(lèi)也是在其他設(shè)備上完成的。因此研究對(duì)蝦預(yù)處理的定向分級(jí)技術(shù)，開(kāi)發(fā)合適的對(duì)蝦自動(dòng)定位分級(jí)裝置是提高對(duì)蝦深加工效率和自動(dòng)化的關(guān)鍵。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)對(duì)蝦的自動(dòng)定位研究多集中于理論研究階段[8-9]。研究擬參考魚(yú)類(lèi)分級(jí)定位的原理[10]，以南美白對(duì)蝦為例，根據(jù)蝦體外形特征，分析其頭部、尾部特點(diǎn)，設(shè)計(jì)對(duì)蝦頭尾自動(dòng)定向與分級(jí)裝置，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以期為中國(guó)對(duì)蝦深加工預(yù)處理提供依據(jù)。

1 對(duì)蝦的頭尾自動(dòng)定向機(jī)理

1.1 對(duì)蝦的形體特征

該研究對(duì)象為南美白對(duì)蝦，主要由蝦頭(頭胸部)、蝦體(腹部)、蝦尾(尾節(jié))3部分組成(圖1)。南美白對(duì)蝦整個(gè)外形呈偏扁的長(zhǎng)筒結(jié)構(gòu)，頭大尾小，重心居中；蝦頭堅(jiān)硬且頂端細(xì)長(zhǎng)較尖，分節(jié)不明顯；蝦體分節(jié)明顯，從頭至尾逐節(jié)變小；蝦頭和蝦體間覆蓋一層頭胸甲，是蝦體的最寬處，且對(duì)蝦最寬處始終位于重心與蝦頭之間。對(duì)蝦頭大尾小、重心居中的特點(diǎn)，為后續(xù)利用自重進(jìn)行頭尾定位創(chuàng)造了條件。

1. 蝦頭 2. 蝦體 3. 蝦尾 4. 胸腹分界處 5. 重心區(qū)域 6. 分節(jié)位置

1.2 對(duì)蝦的定位機(jī)理

由圖2可知，當(dāng)對(duì)蝦最寬處(Z)與重心位置(O)中間受到垂直向上的支撐力時(shí)，蝦體將由于自重開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，保持尾部朝下、頭部朝上的姿態(tài)。觀(guān)察蝦體各部位的厚度，蝦頭胸甲至蝦尾逐漸變窄，根據(jù)此特點(diǎn)設(shè)計(jì)一組直徑漸變的傾斜定向輥來(lái)實(shí)現(xiàn)蝦體的支撐與定向。對(duì)蝦剛進(jìn)入定向輥時(shí)處于直徑漸變輥較大一端，兩輥間間距較小，對(duì)蝦蝦頭和蝦尾均有支撐，對(duì)蝦基本與軸線(xiàn)平行。隨著定向輥轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)蝦向定向輥間隙較大的一端移動(dòng)，蝦尾支撐點(diǎn)逐漸向蝦頭移動(dòng)，當(dāng)越過(guò)重心位置時(shí)，蝦尾開(kāi)始向下跌落，蝦頭翹起。

1. 對(duì)蝦 2. 定向輥

1.3 對(duì)蝦定位受力分析

對(duì)蝦受力分析如圖3所示，O1O2為定向輥軸心，F(xiàn)1、F2是蝦體所受支撐力，G為蝦體重力，對(duì)蝦在定向輥的夾持支撐力F1和F2的作用下，其合力F與重力保持平衡，對(duì)其單側(cè)進(jìn)行受力分析得：

(1)

圖3 平衡處受力圖

式中：

α——定位輥與對(duì)蝦的摩擦角，°；

F——定位輥與對(duì)蝦的摩擦力，N；

G——對(duì)蝦自重，N；

F合——單側(cè)所受合力，N；

θ——對(duì)蝦和定位輥接觸點(diǎn)與軸心連線(xiàn)在垂直方向的夾角，°。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)的對(duì)蝦頭尾自動(dòng)定向與分級(jí)控制裝置，通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)功能，主要由進(jìn)料口、定向輥、分級(jí)輸送裝置3部分組成，如圖4所示。兩根定向輥平行傾斜放置，直徑較大的一端位置稍高于另一端，工作時(shí)兩輥等速對(duì)旋。進(jìn)料口位于定向輥的一端，對(duì)面設(shè)置擋板以防止對(duì)蝦滑出。在定向輥下方，放置與定向輥平行的輸送帶，輸送帶上設(shè)計(jì)同速轉(zhuǎn)動(dòng)的等距擋環(huán)，能對(duì)定向后的對(duì)蝦進(jìn)行分級(jí)并輸送至下一道加工位置。傳動(dòng)裝置分為兩部分：① 定向輥轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，由步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行定速驅(qū)動(dòng)；② 皮帶轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，根據(jù)兩輥與水平位置的夾角調(diào)節(jié)速度，滿(mǎn)足定位后下落速度不同的對(duì)蝦的輸送要求。

1. 機(jī)架 2. 皮帶 3. 進(jìn)料擋板 4. 定向輥 5. 進(jìn)料口 6. 電機(jī)

2.2 工作原理

利用對(duì)蝦的重心位于體形最寬點(diǎn)與蝦尾之間的特點(diǎn)，進(jìn)行頭尾定向。首先，對(duì)蝦從進(jìn)料口滑入由兩傾斜放置的定向輥形成間隙中，此定向輥的直徑相同，且從間隙下方向上相對(duì)旋轉(zhuǎn)，對(duì)蝦在其作用下初步實(shí)現(xiàn)頭尾定向。然后，對(duì)蝦隨著定向輥的轉(zhuǎn)動(dòng)逐漸向較低一端移動(dòng)。由于下一段兩定向輥間的間隙逐漸增加，對(duì)蝦在自重作用下，蝦尾將先于蝦頭從間隙中掉落，實(shí)現(xiàn)對(duì)蝦頭上尾下的頭尾定向。最后，定向后的對(duì)蝦隨著定向輥間隙增大將從定向輥上脫離，掉落至輸送帶上，此過(guò)程中，蝦尾將優(yōu)先接觸輸送帶，在輸送帶的帶動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)了蝦尾在前，蝦頭在后的對(duì)蝦定位。因傾斜的定向輥設(shè)計(jì)較長(zhǎng)，在對(duì)應(yīng)的輸送帶上設(shè)置有同速轉(zhuǎn)動(dòng)的擋環(huán)，不僅能保證對(duì)蝦定位，也能實(shí)現(xiàn)對(duì)蝦厚度分級(jí)。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

3.1 對(duì)蝦外形參數(shù)

在SB/T 10524—2009《鮮活對(duì)蝦購(gòu)銷(xiāo)規(guī)范》中，將每500 g對(duì)蝦的個(gè)數(shù)作為對(duì)蝦分級(jí)的依據(jù)，會(huì)造成同一規(guī)格的對(duì)蝦體型大小差異較大，無(wú)法滿(mǎn)足試驗(yàn)對(duì)對(duì)蝦厚度的需求。因此，選用市場(chǎng)隨機(jī)采購(gòu)的一批活蝦進(jìn)行試驗(yàn)，其外形數(shù)據(jù)按圖5所示位置進(jìn)行測(cè)量。

圖5 對(duì)蝦外形尺寸位置示意圖

為保證后續(xù)設(shè)備研發(fā)的需要，對(duì)選購(gòu)對(duì)蝦中體型最大、最小以及隨機(jī)選擇的4個(gè)參照對(duì)象進(jìn)行測(cè)量記錄，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 對(duì)蝦外形尺寸數(shù)據(jù)

3.2 定向輥設(shè)計(jì)

定向輥是對(duì)蝦頭尾自動(dòng)定向與分級(jí)裝置的核心部件，其直徑是影響工作性能的主要參數(shù)，定向輥根據(jù)直徑大小分為兩部分：進(jìn)料口處的不變直徑段和分級(jí)定位作用的變直徑段。

在直徑不變段，實(shí)現(xiàn)初步定向，并將蝦體輸送至下一工序現(xiàn)場(chǎng)，由圖6可知，當(dāng)兩輥間隙一定時(shí)，定向輥的直徑越大，對(duì)蝦越容易滑落在S區(qū)域內(nèi)，越容易實(shí)現(xiàn)初步定位。根據(jù)表1的尺寸測(cè)量結(jié)果，取兩輥間間隙為10 mm。

圖6 直徑不變段定位示意圖

由于定向輥與水平方向有一定夾角，在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，對(duì)蝦會(huì)因自重向水平位置較低的一段滑動(dòng)，逐漸進(jìn)入定向輥的定位直徑段，該部分定位輥直徑逐漸減小，兩輥間間隙逐漸增大，如圖7所示；該段用來(lái)實(shí)現(xiàn)所有對(duì)蝦頭朝上尾朝下的定位要求，并將對(duì)蝦輸送至下一工序。由于對(duì)蝦從定位段滑出跌落至皮帶上的最佳位置是蝦體最寬處脫離定位輥時(shí)蝦尾剛好觸碰到皮帶，因此此段定位輥各處半徑應(yīng)小于對(duì)應(yīng)位置滑落對(duì)蝦的蝦體長(zhǎng)度。又因?yàn)楹穸容^小的對(duì)蝦會(huì)先從縫隙較小處滑落，即漸變定向輥直徑較大的一邊開(kāi)始，因此直徑較大處滿(mǎn)足需求時(shí)，較小處必然滿(mǎn)足。根據(jù)對(duì)蝦形體數(shù)據(jù)表，以及定位輥直徑不變段的需求，定向輥直徑漸變段最大端半徑為40 mm，直徑不變段半徑為40 mm。

圖7 變直徑段定位示意圖

由圖7可知，定向輥直徑漸變的大小應(yīng)小于蝦體漸變的最大值，否則對(duì)蝦可能頭尾同時(shí)向下滑落，甚至蝦頭部先下落。根據(jù)表1可以求出對(duì)蝦兩側(cè)的輪廓線(xiàn)相對(duì)蝦體軸線(xiàn)的變化趨勢(shì)，其擬合直線(xiàn)的斜率見(jiàn)表2，其中最小值k=0.060 2，試驗(yàn)取k=0.05進(jìn)行計(jì)算。由表2可知，對(duì)蝦最大寬度為15.2 mm，取20 mm進(jìn)行變直徑定位輥設(shè)計(jì)。又因定位輥漸變段的初始最小間隙為10 mm，求得定位輥?zhàn)冎睆蕉慰傞L(zhǎng)度為100 mm，即圖7中R1=40 mm，R2=35 mm，L=100 mm。

表2 對(duì)蝦外形變化斜率

3.3 輸送帶設(shè)計(jì)

由于對(duì)蝦的大小各有不同，在對(duì)蝦的后續(xù)加工處理中，需對(duì)對(duì)蝦進(jìn)行分級(jí)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了具有等距擋環(huán)的皮帶來(lái)完成分級(jí)處理。在定向輥直徑不變段，由于整體長(zhǎng)度較短且間隙均為10 mm，因此此段只能分離出厚度小于此間隙的對(duì)蝦，考慮到10 mm厚度的對(duì)蝦較小，因此在此段不再進(jìn)行細(xì)分。在定向輥的漸變段，設(shè)計(jì)3道同步擋環(huán)，不僅將厚度每增加4 mm的對(duì)蝦進(jìn)行分級(jí)，也能保障對(duì)蝦下滑至皮帶上的頭尾定向。

對(duì)蝦在定向過(guò)程中，當(dāng)蝦體的最寬處通過(guò)定向輥的軸線(xiàn)時(shí)，蝦體開(kāi)始下落，又因同樣厚度的對(duì)蝦長(zhǎng)度變化較小，因此皮帶與定向輥軸線(xiàn)平行安裝，安裝高度能保障最長(zhǎng)的對(duì)蝦能很好的落至皮帶上即可。

4 對(duì)蝦頭尾定向試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)設(shè)備和材料

對(duì)對(duì)蝦頭尾自動(dòng)定位裝置的關(guān)鍵部件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)設(shè)備包括墊高塊(用于調(diào)整定向輥角度)、游標(biāo)卡尺(測(cè)量精度0.02 mm，測(cè)量蝦體厚度和長(zhǎng)度)和自動(dòng)定向輥機(jī)構(gòu)(用于試驗(yàn)驗(yàn)證定向效果)。試驗(yàn)材料為浙江舟山水產(chǎn)市場(chǎng)隨機(jī)采購(gòu)的一批對(duì)蝦，蝦體最寬處厚度為11～17 mm。

4.2 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

該試驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證對(duì)蝦頭尾定向的成功率，以及對(duì)蝦大小分類(lèi)的準(zhǔn)確性。當(dāng)對(duì)蝦頭上尾下從定向輥滑落時(shí)，視為成功定位，其余姿態(tài)或從定向輥兩側(cè)掉落視為失敗，按式(2)計(jì)算定位成功率。

(2)

式中：

p——定位成功率，%；

p1——每組試驗(yàn)成功定向的對(duì)蝦個(gè)數(shù)；

p2——每次試驗(yàn)的總個(gè)數(shù)。

隨機(jī)選取采購(gòu)對(duì)蝦中的20只作為一組，每組試驗(yàn)3次，結(jié)果取平均值。

4.3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

4.3.1 試驗(yàn)方案 定向輥軸線(xiàn)與水平線(xiàn)之間的夾角β從水平位置開(kāi)始，每上升5°進(jìn)行一組對(duì)比試驗(yàn)，測(cè)定不同速度下對(duì)蝦定位的成功率和分級(jí)準(zhǔn)確率。

4.3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析 由圖8可知，當(dāng)β<20°時(shí)，定位成功率接近100%，隨著角度的增加，定位成功率逐漸下降，當(dāng)β為40°時(shí)，定位成功率受轉(zhuǎn)速直接影響，當(dāng)β>45°時(shí)，定位成功率主要受對(duì)蝦進(jìn)入角度影響，試驗(yàn)裝置有一定作用，但幾乎可以忽略。

圖8 定向輥與水平線(xiàn)夾角對(duì)定位成功率的影響

由圖9可知，當(dāng)β<20°時(shí)，轉(zhuǎn)速對(duì)定位基本無(wú)影響，當(dāng)β為20°～50°時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，定位成功率逐漸下降；當(dāng)β>50°時(shí)，試驗(yàn)裝置幾乎失去作用。

圖9 轉(zhuǎn)速對(duì)定位成功率的影響

參照試驗(yàn)結(jié)果，在保障該裝置工作效率與定位準(zhǔn)確性的前提下，結(jié)合對(duì)蝦在定向輥上的下滑速度，確定定向輥軸線(xiàn)與水平線(xiàn)夾角β為15°，定向輥轉(zhuǎn)速為60 r/min為最優(yōu)選擇。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，此條件下，蝦體下滑速度均勻，定位效果較好，同時(shí)，無(wú)論對(duì)蝦以何種姿態(tài)進(jìn)入，在對(duì)蝦的前進(jìn)方向上，其始終只有頭上尾下背前腹后或頭上尾下背后腹前兩種姿態(tài)，即該裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)蝦的頭尾定位。

5 結(jié)論

在分析對(duì)蝦形體特征的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了對(duì)蝦頭尾自動(dòng)定向與分級(jí)裝置。經(jīng)試驗(yàn)，證明了該設(shè)備的可行性，且當(dāng)定向輥軸線(xiàn)與水平線(xiàn)夾角為15°，定向輥轉(zhuǎn)速為60 r/min時(shí)，對(duì)蝦下滑速度平緩均勻，有利于輸送帶的分級(jí)輸送；實(shí)現(xiàn)了對(duì)蝦頭尾的自動(dòng)定位，方便后續(xù)對(duì)蝦剝殼處理等工藝，大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。另外，該試驗(yàn)裝置若考慮定向輥與對(duì)蝦間摩擦力的作用，以及進(jìn)料速度對(duì)定向成功率的影響，將進(jìn)一步提高工作效率。