仿照對(duì)蝦形體特征定向裝置原理的可行性分析

吳翠楊，孫傳聰，鄒田甜，甄珍

山東藥品食品職業(yè)學(xué)院（威海 264200）

我國(guó)對(duì)蝦的養(yǎng)殖量與貿(mào)易量均位于世界前列，是世界上對(duì)蝦生產(chǎn)大國(guó)。發(fā)展對(duì)蝦機(jī)械化加工能夠提高對(duì)蝦整體的綜合效益與產(chǎn)品附加值，具有重大意義。對(duì)蝦機(jī)械化加工一般來(lái)說(shuō)具有清洗、分級(jí)、排序定向、去頭、開(kāi)背、剝殼、蝦仁收集、成品包裝等流程。對(duì)蝦排序定向是對(duì)蝦機(jī)械化加工的輔助性工序，為后期對(duì)蝦連續(xù)化剝殼提供一種連續(xù)高效的進(jìn)料方式，具有重要意義。

1 對(duì)蝦背腹定向原理的理論分析

進(jìn)行定向的對(duì)蝦是經(jīng)過(guò)分級(jí)之后的，所以對(duì)蝦具有統(tǒng)一的大小與厚度。選取一定量的對(duì)蝦，放置于光滑實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，借助于凸輪機(jī)構(gòu)施加驅(qū)動(dòng)力。根據(jù)南美白對(duì)蝦各部分摩擦特性的不同，以及對(duì)蝦重心靠近對(duì)蝦頭胸部分的生理特征，運(yùn)用振動(dòng)推進(jìn)的原理對(duì)對(duì)蝦進(jìn)行頭尾定向。假設(shè)對(duì)蝦有3種不同體位，即：對(duì)蝦長(zhǎng)軸垂直于蝦體前進(jìn)方向；對(duì)蝦長(zhǎng)軸平行于蝦體前進(jìn)的方向蝦體的頭胸部朝上；對(duì)蝦長(zhǎng)軸平行于蝦體前進(jìn)的方向蝦體的頭胸部朝下。分別對(duì)對(duì)蝦進(jìn)入振動(dòng)臺(tái)面的3種體位進(jìn)行分析，從而對(duì)對(duì)蝦頭尾定向的可行性進(jìn)行論證。

在對(duì)蝦落入振動(dòng)臺(tái)面以長(zhǎng)軸垂直于前進(jìn)方向的情況時(shí)，受力簡(jiǎn)圖如所圖1示。對(duì)蝦所受重力G（N），振動(dòng)臺(tái)面上的支承反力N（N），在振動(dòng)臺(tái)面上所受的摩擦力f（N），振動(dòng)牽引力F（N），在這4個(gè)合力的作用下，振動(dòng)篩面角為α，F(xiàn)與臺(tái)面的法向夾角為β，對(duì)蝦的質(zhì)心為O。通過(guò)對(duì)對(duì)蝦的受力分析，可以得到各個(gè)力對(duì)質(zhì)心的矩，如式（1）所示。

圖1 對(duì)蝦在振動(dòng)臺(tái)面上受力分析簡(jiǎn)

在平行于振動(dòng)臺(tái)面這個(gè)方向上，對(duì)蝦所受的重力G、振動(dòng)牽引力F、振動(dòng)臺(tái)面上的支承反力N這3個(gè)力對(duì)質(zhì)心的矩為零，因此在平行于振動(dòng)臺(tái)面的方向上，各個(gè)力對(duì)質(zhì)心的合力矩在數(shù)值上就等于對(duì)蝦所受摩擦力對(duì)質(zhì)心的矩。

假設(shè)對(duì)蝦的振動(dòng)的過(guò)程中始終在振動(dòng)的臺(tái)面上進(jìn)行，因此分析振動(dòng)臺(tái)面上摩擦力對(duì)質(zhì)心的矩，如圖2（a）所示。當(dāng)對(duì)蝦進(jìn)入振動(dòng)臺(tái)面上的初始體位，頭部朝前為長(zhǎng)軸垂直于蝦體前進(jìn)方向時(shí)，摩擦力對(duì)質(zhì)心的矩如式（2）所示（以對(duì)蝦頭胸部朝左為例；設(shè)逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?/p>

圖2 對(duì)蝦所受摩擦力簡(jiǎn)圖

以對(duì)蝦的質(zhì)心為原點(diǎn)，假定對(duì)蝦的長(zhǎng)軸為X軸，建立坐標(biāo)系在振動(dòng)臺(tái)面上。重力G和牽引力F是主要影響摩擦力的因素，假設(shè)f(x)為對(duì)蝦在距離質(zhì)心x處的截面面積函數(shù)，則在截面處重力對(duì)質(zhì)心的矩為g×ρ1(cosα)xfxdx（左側(cè)），或者是g×ρ2(cosα)xfxdx（右側(cè)）。

整理得，

在式（3）~（5）中：摩擦系數(shù)μ1為對(duì)蝦的質(zhì)心左側(cè)部分，無(wú)量綱；摩擦系數(shù)μ2為對(duì)蝦的質(zhì)心左側(cè)部分，無(wú)量綱；蝦體密度ρ1為對(duì)蝦的質(zhì)心左側(cè)部分，kg/m3；蝦體密度ρ2對(duì)蝦的質(zhì)心右側(cè)部分的，kg/m3。

分析對(duì)蝦左右兩側(cè)部分，對(duì)蝦摩擦力對(duì)質(zhì)心矩的大小，由于μ1＜μ2，r＜l，ρ1＜ρ2，因此，MO為非零數(shù)值。對(duì)蝦在前進(jìn)下行的過(guò)程中，從理論上看，是可能實(shí)現(xiàn)蝦體頭胸部繞質(zhì)心向前轉(zhuǎn)動(dòng)的。

當(dāng)對(duì)蝦以長(zhǎng)軸平行于蝦體前進(jìn)方向落入振動(dòng)臺(tái)面上時(shí)（見(jiàn)圖2b），以同樣的機(jī)理，各個(gè)力對(duì)質(zhì)心的矩為M’O=fm×m-fn×n。即：

2 對(duì)蝦背腹定向原理的實(shí)驗(yàn)分析

對(duì)蝦在腹部的短軸方向上具有不對(duì)稱性，M’O的值不為零，則對(duì)蝦在下行運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，會(huì)在理論上實(shí)現(xiàn)向左翻轉(zhuǎn)或者向右翻轉(zhuǎn)，最終形成一種對(duì)蝦頭胸部向前運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)。

當(dāng)對(duì)蝦落入振動(dòng)臺(tái)面上，其長(zhǎng)軸平行于前行的方向并且頭胸部朝前時(shí)，由于對(duì)蝦在短軸方向上具有不對(duì)稱性，對(duì)蝦在下行過(guò)程中也會(huì)向左或者向右翻轉(zhuǎn)，在這種情況下，又轉(zhuǎn)化成圖2（a），最終實(shí)現(xiàn)對(duì)蝦向前下行。

當(dāng)對(duì)蝦下滑到一定程度時(shí)，到達(dá)V型面上，隨著振動(dòng)推進(jìn)，對(duì)蝦逐漸下滑，從而進(jìn)行頭尾的定向，蝦體的受力分析圖如圖3所示。

圖3 對(duì)蝦進(jìn)入V型面的受力分析

圖3中，蝦體在振動(dòng)滑槽上所受摩擦力f，滑槽對(duì)蝦的支撐力N，驅(qū)振力F，AB為滑槽對(duì)對(duì)蝦的支撐點(diǎn)連線，設(shè)蝦頭至軸線AB部分質(zhì)心為O1，質(zhì)量為m1，軸線AB至蝦尾部分質(zhì)心為O2，質(zhì)量為m2，O1到軸線AB的距離為l1，O2到軸線AB的距離為l2，滑槽傾角為α，O為對(duì)蝦的質(zhì)心，通過(guò)受力分析可以求得各力對(duì)旋轉(zhuǎn)軸線的合力矩，如式（7）所示。

由力學(xué)知識(shí)及圖3的受力分析可知，摩擦力f，滑槽的支撐力N，驅(qū)振力F對(duì)旋轉(zhuǎn)軸線AB的力矩為零，故對(duì)軸線AB的合力矩在數(shù)值上等于質(zhì)心O1，O2對(duì)軸線AB的矩，以蝦尾朝前為例，設(shè)力矩逆時(shí)針為正。

質(zhì)心O1，O2對(duì)軸線AB的合力矩如式（8）所示。

式中：MAB為各力對(duì)旋轉(zhuǎn)軸線AB的合力矩，N·m；m1為質(zhì)心O1的質(zhì)量，kg；g為重力加速度，N/kg；l1為O1到軸線AB的距離，m；αi為對(duì)蝦旋轉(zhuǎn)過(guò)程中與水平面之間的夾角，°；m2為質(zhì)心O2的質(zhì)量，kg；l2為O2到軸線AB的距離，m。

由對(duì)蝦的重心位置及蝦體特征可知：m1＜m2，l1＜l2，又α≤αi≤90°。分析式（8）可知：MAB非負(fù)，即在此過(guò)程中對(duì)蝦可繞旋轉(zhuǎn)軸線AB作逆時(shí)順旋轉(zhuǎn)，直至蝦體垂直于水平面時(shí)停止旋轉(zhuǎn)完成頭尾定向，最終的對(duì)蝦以頭部朝上的姿態(tài)繼續(xù)前行。

3 對(duì)蝦背腹定向原理的研究

頭尾定向成功后的對(duì)蝦，會(huì)在振動(dòng)推進(jìn)的作用下繼續(xù)前行，從而進(jìn)行背腹定向的動(dòng)作。背腹定向在由2層的滑道中進(jìn)行，滑道上層具有半圓曲率，下層是光滑折板。

對(duì)蝦在雙層滑道的運(yùn)動(dòng)過(guò)程為：經(jīng)過(guò)頭尾定向之后，對(duì)蝦都是頭胸部朝前下行，此時(shí)分為2種情況。一種是蝦體背部朝外，圖4中姿態(tài)1，由于對(duì)蝦的特殊的彎曲的體型，以及對(duì)蝦的重心的位置，當(dāng)對(duì)蝦經(jīng)過(guò)半圓的彎曲弧度時(shí)，對(duì)蝦向下翻轉(zhuǎn)，對(duì)蝦的背部線接觸第2層的滑道，形成與姿態(tài)2相同的運(yùn)動(dòng)形式。另一種是蝦體背部靠近滑道內(nèi)圖4中姿態(tài)2，此時(shí)對(duì)蝦從上層滑道通過(guò)，從而達(dá)到背腹定向的目的。

圖4 對(duì)蝦背腹定向圖

通過(guò)理論分析顯示，振動(dòng)推進(jìn)過(guò)程中的對(duì)蝦，由于對(duì)蝦軸向的不對(duì)稱性，摩擦力對(duì)質(zhì)心的矩不為零，會(huì)促使蝦體向?qū)ξr的頭胸部的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，到達(dá)V型面上。經(jīng)過(guò)理論上的分析，在V型面上能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)蝦的頭部向上，尾部向下的姿態(tài)。對(duì)蝦繼續(xù)運(yùn)動(dòng)到雙層的滑道上時(shí)，由于對(duì)蝦的重心和對(duì)蝦特殊的體型，會(huì)使對(duì)蝦背部朝向滑道內(nèi)側(cè)，從上層或者下層滑道通過(guò)，從而達(dá)到背腹定向的目的。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)對(duì)蝦頭尾定向原理的分析以及對(duì)于對(duì)蝦頭尾的定向，通過(guò)對(duì)對(duì)蝦蝦體的受力分析，計(jì)算各個(gè)不同的力對(duì)對(duì)蝦產(chǎn)生的合力矩MO的大小，并得出合力矩是1個(gè)非零的數(shù)值，從而證明對(duì)蝦在振動(dòng)平面上可能會(huì)具有繞質(zhì)心進(jìn)行向前轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)對(duì)V型面上對(duì)蝦進(jìn)行受力分析，對(duì)蝦最終能夠?qū)崿F(xiàn)頭部朝上的姿態(tài)；對(duì)于對(duì)蝦背腹的定向，通過(guò)對(duì)對(duì)蝦的體型與重心所在的特殊位置的分析，得出對(duì)蝦在雙層滑道上實(shí)現(xiàn)背部朝靠近滑道內(nèi)側(cè)定向的可能性。對(duì)蝦排序定向是對(duì)蝦機(jī)械化加工的輔助性工序，為后期對(duì)蝦連續(xù)化剝殼提供一種連續(xù)高效的進(jìn)料方式，具有重要意義。