對(duì)輥式對(duì)蝦開(kāi)背裝置的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

王利光　張秀花　王澤河

摘要：為解決對(duì)蝦機(jī)械化脫殼過(guò)程中開(kāi)背的難題，研制一種對(duì)輥式對(duì)蝦開(kāi)背裝置。以環(huán)渤海的凡納濱對(duì)蝦為研究對(duì)象，以切口長(zhǎng)度成功率、切口深度成功率和切口對(duì)稱度成功率為衡量指標(biāo)，在該裝置上分別以不同的對(duì)輥直徑、不同的對(duì)輥間隙、壓緊毛刷軸和刀片軸的不同位錯(cuò)進(jìn)行開(kāi)背效果比較試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)輥直徑100 mm，對(duì)輥間隙 7 mm，以毛刷軸和刀片軸在沿對(duì)輥傾斜方向上位錯(cuò)為-10 mm，開(kāi)背效果達(dá)到最佳。該研究可以為對(duì)蝦開(kāi)背設(shè)備的研制提供參考。

關(guān)鍵詞：對(duì)蝦；對(duì)輥式；開(kāi)背裝置；切口；比較試驗(yàn)

中圖分類號(hào)： S9852+1；TS2543文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

文章編號(hào)：1002-1302（2017）16-0211-03

收稿日期：2016-03-30

基金項(xiàng)目：國(guó)家公益性行業(yè)（海洋）科研專項(xiàng)（編號(hào)：201205031）；河北農(nóng)業(yè)大學(xué)理工基金（編號(hào)：LG201501、LG20150103）；河北省高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（編號(hào)：ZD2016111）。

作者簡(jiǎn)介：王利光（1989—），男，碩士研究生，從事數(shù)控方面的研究。E-mail：wang20142090132@163com。

通信作者：張秀花，博士，副教授，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與理論、農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)裝備的研究。

我國(guó)是世界上最大的對(duì)蝦生產(chǎn)國(guó)和貿(mào)易國(guó)之一，但水產(chǎn)品加工遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，主要表現(xiàn)在加工技術(shù)、裝備落后，深加工產(chǎn)品少等方面[1-2]。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)蝦加工的流程主要分為：對(duì)蝦清洗分級(jí)—定向排序—去頭—開(kāi)背—脫殼，其中各環(huán)節(jié)均有了一定的研究，可以查閱到相關(guān)的專利和文獻(xiàn)，尤其脫殼環(huán)節(jié)，已經(jīng)研制出了相關(guān)的設(shè)備[3-6]。對(duì)蝦開(kāi)背是機(jī)械化脫殼重要的前處理工序，開(kāi)背的質(zhì)量和效果直接影響脫殼后的蝦仁品質(zhì)。但是，目前國(guó)內(nèi)機(jī)械式對(duì)蝦開(kāi)背發(fā)展不成熟，缺乏相應(yīng)的開(kāi)背裝置，少量存在的對(duì)蝦開(kāi)背設(shè)備都存在著開(kāi)背效率低、蝦仁破損嚴(yán)重、設(shè)備成本高等缺點(diǎn)。針對(duì)國(guó)內(nèi)對(duì)蝦開(kāi)背設(shè)備短缺的狀況，本研究在對(duì)我國(guó)環(huán)渤海凡納濱對(duì)蝦生物特性測(cè)量的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種對(duì)輥式對(duì)蝦開(kāi)背裝置，并在該裝置上進(jìn)行了相關(guān)的開(kāi)背試驗(yàn)。該試驗(yàn)研究可以為我國(guó)對(duì)蝦開(kāi)背設(shè)備的研制提供技術(shù)依據(jù)。

1總體結(jié)構(gòu)及工作原理

對(duì)蝦開(kāi)背如圖1所示，在去頭后對(duì)蝦彎曲的背部切出一條黑線所示的切口，切口作為對(duì)蝦脫殼的薄弱環(huán)節(jié)，以有利于對(duì)蝦的機(jī)械脫殼。由于對(duì)蝦特有的體型特征：蝦體呈長(zhǎng)筒形，左右側(cè)扁，分為頭、胸部和腹部，腹部自前到后逐節(jié)變細(xì)，最后一節(jié)很細(xì)，末端甚尖，各體節(jié)均包有堅(jiān)硬的甲殼，腹部重心位于第三節(jié)中間處且靠近背部[8-9]，且背部呈一定的彎曲曲率，使得在蝦體的背部切出1條一定深度的切口很困難。對(duì)蝦各體節(jié)的寬度和高度影響對(duì)輥直徑和間隙的設(shè)定，現(xiàn)根據(jù)對(duì)蝦生物特性的測(cè)量結(jié)果表1，設(shè)計(jì)了一種對(duì)輥式對(duì)蝦開(kāi)背裝置，如圖2所示。

由圖2可見(jiàn)，對(duì)輥式對(duì)蝦開(kāi)背裝置包括機(jī)架，機(jī)架上并排設(shè)置有5對(duì)定向輥組，每對(duì)輥組中的2只輥?zhàn)娱g留有一定的間隙且相背轉(zhuǎn)動(dòng)。5對(duì)定向輥組的動(dòng)力源由皮帶處輸入，每對(duì)輥組間和每對(duì)輥組的2只輥?zhàn)娱g均由齒輪傳動(dòng)，可以滿足每對(duì)輥組中的2只輥?zhàn)酉啾侈D(zhuǎn)動(dòng)，以完成對(duì)蝦的背腹定向；輥組較高的一端設(shè)置有進(jìn)料口，去頭后的蝦體以頭朝下的姿態(tài)由進(jìn)料口喂入；進(jìn)入定向輥組的對(duì)蝦沿輥組傾斜的方向向下滑動(dòng)，蝦體滑動(dòng)至軸套位置，軸套在軸套驅(qū)動(dòng)輪摩擦力的作用下往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，可以有效地防止蝦體的堆疊，對(duì)蝦逐次向下滑動(dòng)，以更有利于蝦體的背腹定向；經(jīng)背腹定向的蝦體以背朝下、腹朝上、頭朝前的姿態(tài)向下滑動(dòng)（圖3）；滑動(dòng)至開(kāi)背工位（圖4），主動(dòng)毛刷壓緊輸送過(guò)來(lái)的蝦體，相背傳動(dòng)的對(duì)輥保持蝦體背腹定向的姿態(tài)，底部高速旋轉(zhuǎn)的圓盤(pán)刀在對(duì)蝦的背部切出1條切口；開(kāi)背后的對(duì)蝦接著沿輥組向下滑動(dòng)，最后落入出料口進(jìn)行收集。

2材料與方法

21材料

2016年3月，在河北省保定市水產(chǎn)市場(chǎng)采購(gòu)60～70尾/kg 的速凍環(huán)渤海凡納濱對(duì)蝦，該蝦體捕撈上岸經(jīng)分級(jí)后速凍，蝦體的品質(zhì)有保證；剔除頭胸部、腹部和尾部不完整的蝦體，挑選蝦仁飽滿、肉質(zhì)鮮嫩的蝦體進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)前需對(duì)蝦體進(jìn)行解凍和去頭預(yù)處理，經(jīng)過(guò)預(yù)處理的對(duì)蝦在對(duì)輥式對(duì)蝦開(kāi)背試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行開(kāi)背試驗(yàn)。

22方法

221指標(biāo)確定

切口長(zhǎng)度：切口的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，越有利于機(jī)械脫殼，但是由于對(duì)蝦第5體節(jié)和第6體節(jié)的寬度已經(jīng)開(kāi)始變得很小，且背部開(kāi)始變得很尖，不僅給開(kāi)背帶來(lái)更大的困難，還易使蝦仁破碎不完整。綜合考慮開(kāi)背長(zhǎng)度為5節(jié)或6節(jié)時(shí)，開(kāi)背長(zhǎng)度成功。

切口長(zhǎng)度成功率：

[JZ]P1=[SX（]N1N4[SX）]×100%。

式中：P1表示切口長(zhǎng)度成功率；N1表示切口長(zhǎng)度為5節(jié)或6節(jié)對(duì)蝦的個(gè)數(shù)；N4表示開(kāi)背試驗(yàn)中對(duì)蝦的總個(gè)數(shù)。

切口深度：切口深度至蝦體背部蝦線位置時(shí)，開(kāi)背刀對(duì)蝦仁主體部分的損傷最小[11]，但是由于對(duì)蝦腹部自前到后逐節(jié)變細(xì)和彎曲的自然特性，且蝦線的深度也是不一致的，很難保證切口深度正好至蝦線位置。在對(duì)輥式對(duì)蝦開(kāi)背實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上開(kāi)背的蝦體切口的深度也是不一致，切口的深度越大，機(jī)械脫殼過(guò)程中蝦仁損傷越嚴(yán)重。取切口深度最大的部位作為觀察的對(duì)象，當(dāng)切口深度小于該節(jié)蝦體高度的1/2時(shí)，開(kāi)背深度成功。

切口深度成功率：

P2=[SX（]N2N4[SX）]×100%。

式中：P2表示開(kāi)背深度成功率；N2表示切口深度最大部位的深度小于該蝦節(jié)高度1/2對(duì)蝦的個(gè)數(shù)。

切口對(duì)稱度：切口對(duì)背部中央的偏離程度越小，越有利于機(jī)械脫殼，且脫殼后蝦仁的品質(zhì)越高。綜合考慮，當(dāng)有5節(jié)或6節(jié)的切口在背部中央，切口對(duì)稱度成功。

切口對(duì)稱度成功率：

P3=[SX（]N3N4[SX）]×100%。

式中：P3表示切口對(duì)稱度成功率；N3表示有5節(jié)或6節(jié)切口在背部中央的對(duì)蝦個(gè)數(shù)。

223試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以切口長(zhǎng)度、切口深度、切口對(duì)稱度成功率作為衡量開(kāi)背質(zhì)量的主要指標(biāo)，利用對(duì)輥式對(duì)蝦開(kāi)背試驗(yàn)平臺(tái)，每組取30尾對(duì)蝦，以不同的對(duì)輥直徑進(jìn)行開(kāi)背質(zhì)量的比較試驗(yàn)；以不同的對(duì)輥間隙進(jìn)行開(kāi)背質(zhì)量的比較試驗(yàn)；以毛刷軸和刀片軸在沿對(duì)輥傾斜方向上的不同位錯(cuò)進(jìn)行開(kāi)背質(zhì)量比較試驗(yàn)。

3結(jié)果與分析

31不同的對(duì)輥直徑對(duì)開(kāi)背效果的影響

根據(jù)預(yù)備試驗(yàn)的結(jié)果[11-12]，刀片轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，對(duì)輥傾斜角度為30°，對(duì)輥轉(zhuǎn)速為30 r/min，對(duì)輥間隙7 mm，毛刷軸和刀片軸在沿對(duì)輥傾斜方向上的位錯(cuò)為0 mm，以不同的對(duì)輥直徑進(jìn)行開(kāi)背效果的比較試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果由表2表明，隨著對(duì)輥直徑的增大，切口長(zhǎng)度成功率和切口對(duì)稱度成功率逐漸提高，切口深度成功率沒(méi)有明顯變化，因?yàn)閷?duì)輥間隙一定時(shí)，隨著對(duì)輥直徑的增大，對(duì)蝦在2對(duì)輥形成的“V”形夾持空間中重心的位置相對(duì)降得更低，與對(duì)輥的接觸面積更大，此時(shí)對(duì)輥可以起到更好的夾持和定位作用，所以切口的長(zhǎng)度成功率和切口對(duì)稱度成功率提高；間隙一定時(shí)，蝦體在毛刷的壓緊力作用下，在對(duì)輥間隙中下降的高度是一樣的，所以切口深度不隨對(duì)輥直徑變化而變化，切口深度成功率無(wú)顯著差異。當(dāng)對(duì)輥的直徑變大時(shí)，刀片的直徑也變大，刀片的直徑越大，越不利于高速穩(wěn)定性。綜合考慮對(duì)輥直徑100 mm最適，此時(shí)切口長(zhǎng)度成功率可以達(dá)到933%，切口對(duì)稱度成功率可以達(dá)到900%。

32不同的對(duì)輥間隙對(duì)開(kāi)背效果的影響

刀片轉(zhuǎn)速1 200 r/min，對(duì)輥傾斜角度30°，對(duì)輥轉(zhuǎn)速 30 r/min，對(duì)輥直徑100 mm，毛刷軸和刀片軸在沿對(duì)輥傾斜方向上的位錯(cuò)為0 mm，以不同的對(duì)輥間隙進(jìn)行開(kāi)背效果的比較試驗(yàn)。由表3可見(jiàn)，隨著對(duì)輥間隙的增大，切口長(zhǎng)度成功率和切口對(duì)稱度成功率先增高后降低，因?yàn)殡S著對(duì)輥間隙的增大，蝦體在兩對(duì)輥的間隙中下降越多，夾持的穩(wěn)定性提高，但是定位的準(zhǔn)確性有所降低，尤其寬度和高度較小的尾節(jié)部位，導(dǎo)致切口長(zhǎng)度成功率和切口對(duì)稱度成功率先增高后降低；切口深度成功率隨著對(duì)輥間隙的變大而降低，因?yàn)閷?duì)輥間隙越大，寬度和高度較小的尾節(jié)在毛刷的壓緊力作用下下降得越多，導(dǎo)致尾節(jié)的切口越深；綜合考慮，對(duì)輥間隙7 mm最適，此時(shí)的切口長(zhǎng)度、切口深度和切口對(duì)稱度成功率均可達(dá)到90%以上。

33毛刷軸和刀片軸不同位錯(cuò)的開(kāi)背效果比較試驗(yàn)

刀片轉(zhuǎn)速1 200 r/min，對(duì)輥傾斜角度30°，對(duì)輥轉(zhuǎn)速 30 r/min，對(duì)輥直徑100 mm，對(duì)輥間隙7 mm，以毛刷軸和刀片軸在沿對(duì)輥傾斜方向上的不同位錯(cuò)進(jìn)行開(kāi)背效果的比較試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果（表4）表明，切口長(zhǎng)度成功率和切口對(duì)稱度成功率隨著毛刷軸和刀片軸位錯(cuò)的變化并沒(méi)有明顯變化，因?yàn)榍锌陂L(zhǎng)度和切口對(duì)稱度的變化取決于對(duì)輥夾持的穩(wěn)定性和定位的準(zhǔn)確性，位錯(cuò)的變化并沒(méi)有影響這2個(gè)因素；切口深度成功率隨著毛刷軸相對(duì)于刀片軸沿著對(duì)輥傾斜方向的位錯(cuò)由負(fù)到正的變化而降低，當(dāng)位錯(cuò)為負(fù)時(shí)，進(jìn)入開(kāi)背工位的蝦體，先壓緊再接觸開(kāi)背圓盤(pán)刀，寬度和高度較小的尾節(jié)接觸刀片時(shí)，壓緊力減小，切口深度減小。當(dāng)位錯(cuò)為正時(shí)，尾節(jié)在接觸和離開(kāi)刀片的全程都受到毛刷壓緊力的作用，所以導(dǎo)致尾節(jié)部位的切口較深。綜合考慮各項(xiàng)指標(biāo)，毛刷軸相對(duì)于刀片軸的位錯(cuò)為 -10 mm 時(shí)（圖5中B點(diǎn)）最適，即在開(kāi)背的過(guò)程中，對(duì)蝦先受到壓緊毛刷的作用，后接觸到高速圓盤(pán)刀，此時(shí)開(kāi)背效果達(dá)到最佳（圖6）。

4結(jié)論

（1）在對(duì)輥式對(duì)蝦開(kāi)背裝置上，通過(guò)比較試驗(yàn)確定了使開(kāi)[CM（25]背效果最佳的工藝參數(shù)：對(duì)輥直徑100[KG3]mm，對(duì)輥間隙7 mm，在沿對(duì)輥傾斜方向上毛刷軸相對(duì)于刀片軸的位錯(cuò)為 -10 mm。

（2）在該開(kāi)背裝置上，相背轉(zhuǎn)動(dòng)的對(duì)輥起到穩(wěn)定夾持和準(zhǔn)確定位的作用，蝦體與對(duì)輥間的摩擦力起到至關(guān)重要的作用，在以后的研究中應(yīng)對(duì)不同材料的對(duì)輥進(jìn)行試驗(yàn)，以便確定最優(yōu)的對(duì)輥材料。

參考文獻(xiàn)：

陳文漢，Ning L 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（2）：21-27

賈公樹(shù) 我國(guó)水產(chǎn)品加工與裝備綜述[J] 漁業(yè)現(xiàn)代化，2002（2）：12-14

[3]李影欣，崔保健，弋景剛，等 雙輥式對(duì)蝦分級(jí)設(shè)備的試驗(yàn)與研究[J] 食品與機(jī)械，2014（3）：94-97

[4]王澤河，張麗麗，張秀花，等 雙輥式對(duì)蝦粗定向方法的試驗(yàn)與研究[J] 食品與機(jī)械，2013（6）：99-101

[5]趙慶龍，張秀花，韓翠，等 一種對(duì)蝦開(kāi)背去頭裝置：CN2013207606583[P] 2014-05-07

[6]張秀花，趙慶龍，趙玉達(dá)，等 對(duì)蝦對(duì)輥擠壓式剝殼工藝參數(shù)及預(yù)處理?xiàng)l件優(yōu)化[J] 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30（14）：308-314

[7]Sawyer D，Mills C Shrimp-cutting machine for cutting intermediate joints： US8079896 [P] 2011-12-20[HJ2mm]

[8]趙慶龍，張秀花，王澤河，等 基于對(duì)蝦體型特征的定向排序裝置設(shè)計(jì)[J] 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（8）：394-396

[9]張秀花，王澤河，楊淑華，等 一種對(duì)蝦頭尾與背腹定向裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J] 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，39（1）：131-135

[10]王澤河，張秀花，張麗麗，等 對(duì)輥上料對(duì)蝦開(kāi)背裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J] 食品與機(jī)械，2015（3）：108-110，139

[11]趙玉達(dá)，張秀花，王澤河，等 對(duì)蝦背腹定向裝置試驗(yàn)[J] 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42（2）：356-358

[12]陳慶余，沈建，歐陽(yáng)杰，等 典型海產(chǎn)小雜魚(yú)機(jī)械去臟試驗(yàn)[J] 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（20）：278-285