雙輥式對蝦分級設備的試驗與研究

李影欣 崔保健 弋景剛 楊淑華 王 偉

LI Ying－xin CUI Bao－jian YI Jing－gang YANG Shu－huaWANG Wei

（河北農業大學機電工程學院，河北 保定 071000）

（Mechanic and Electronics College，Agriculture University of Hebei，Baoding，Hebei 071000，China）

對蝦營養豐富、肉質鮮美一直受到人們的青睞。然而對蝦同其他海產品一樣，屬于易腐食品，保證對蝦的鮮度成了對蝦加工企業增加經濟效益的重要手段，這對對蝦的加工方法和加工效率提出了更高的要求［1］。市場需求的不斷增加、養殖面積的不斷增大給對蝦加工企業帶來了巨大商機和挑戰，各類對蝦加工設備也應運而生，但效率高、效果好的加工設備依然寥寥無幾。目前市場上的分級設備主要有機械式、自動重量式和光電式［2］。機械式分選設備的特點是工作原理簡單、設備成本低、對工作環境的適應性強，所以一直以來比較受國內外中小型水產加工企業喜愛，但是由于其自動化程度低，分級精度受操作人員主觀因素影響大，若不增加自動控制系統則不適用于大規模、高精度生產加工。自動重量式和光電式分選設備主要用于食品、藥品、包裝等行業的在線質量檢測，能夠實現在線稱量，檢測欠重、超重等不合格產品，以及按重量對產品進行等級劃分，它的模塊化設計使其操作簡便，生產線上的操作人員能夠迅速熟練使用，檢測精度高且易于清潔維護，但是這種設備對使用環境要求較高，若用于對蝦分級雖能滿足高精度分級的要求，但需手工上料，導致分級效率有所降低，且很難實現清洗分級一體化［3］。

雙輥式分級設備是一種機械式分級設備，對其增加自動控制系統可改善機械式分級設備分級精度低的缺點。選用分級輥對對蝦進行分級是因為對蝦個體形狀較不規則，身體截面類似鐘形，兩側扁平且身體沿軸線方向呈一定弧度［4］。分級輥作為對蝦分級設備的關鍵部件，各項參數的確定均影響到分級的效率及精度。本研究針對雙輥式分級設備的分級效率及分級精度問題，進行了一系列試驗分析，綜合考慮各項因素，最終確定可行的設備參數。

1 物理參數的測定以及分級方案探討

本試驗的研究對象是南美白對蝦，南美白對蝦學名凡納對蝦，又稱白肢蝦或白對蝦，在分類學上屬于節肢動物門、甲殼綱、十足目、對蝦科［5］是目前中國三大養殖蝦種之一。根據《蝦類性狀測定SC／T 1102—2008》的要求，選用精度為0.02 mm的游標卡尺和精度為0.001 g的微型電子稱，測量150只大小不同的對蝦的體厚（有頭蝦的腮部即頭部最大厚度）B，體重M 等各項物理參數，將測量結果繪成散點圖見圖1。

圖1 對蝦物理參數散點圖Figure 1 Scatter of shrimp physical parameters

由圖1可知，體厚變量與體重變量之間沒有表現出明確的線性關系，為了更為準確地預測體厚隨體重的變動趨勢，采用Spss軟件曲線估計的方法進行預測，曲線估計常見的線性模型有：二次曲線、復合曲線、增長曲線、對數曲線、三次曲線、指數曲線等［6，7］。

根據初步估計，選取了二次曲線、三次曲線、指數曲線和對數曲線，各模型的回歸方程［7］：

估計結果見表1。

表1 回歸分析結果摘要Table 1 Regression Analysis Results

圖2 擬合回歸線Figure 2 Fitted regression line

由表1、圖2可知，3次曲線和對數曲線的擬合優度較高分別為0.962和0.960均大于0.95，且兩種曲線的回歸系數均顯著（P＜0.05），而F統計值均較大，所以選取擬合度較高的三次曲線模型模擬體厚隨體重的變化趨勢，模型為B＝5.587＋1.114 M－0.049 M2＋0.001 M3。

觀察上述模型可以發現對蝦的體厚B隨著體重M 的增加呈明顯增加趨勢，因此可以采用雙輥式分級設備，利用體厚這個物理特性對對蝦進行分級，這種分級方法不僅可以將對蝦分成體重不同的各個等級，而且可為后續深加工的夾持、定位打下良好的基礎。

2 試驗機設計及影響因素分析

2.1 分級試驗機的設計

設計了雙輥式分級裝置見圖3。

圖3 試驗機結構示意圖Figure 3 Schematic diagram of the test machine

它包括接兩個直徑變化的階梯輥，中心距調節板，傾角可調的分級床，角度顯示盤，角度調節裝置，機架。調整好中心距的雙輥在電機的帶動下反向旋轉，對蝦從上方落入，在兩輥軸間沿軸線方向向下移動，不同規格的蝦在不同間隙處落下，從而實現分級。該試驗設備中輥軸可調間距范圍為0～30 mm，分級輥轉速在30～90 r／min連續可調，床體傾角在0～40°連續可調，分級床角度可以在顯示盤上讀取。

2.2 影響因素的分析

2.2.1 分級輥直徑對分級精度的影響 通過試驗發現，在分級過程中當分級輥的直徑較小時，對蝦非常容易飛出分選道，隨著分級輥直徑的增大，對蝦飛出分選道的問題逐漸緩解，為此進行下述分析，分析過程見圖4、5。

由圖4、5及式（5）、（6）可知，隨著輥軸直徑的增大，β角逐漸減小，沿切線方向分力FY逐漸增大，當此方向的分力大于或等于蝦在輥軸上的最大靜摩擦力時蝦和輥軸產生相對滑動，使蝦在合適間隙處順利落下。

通過試驗得到對蝦與尼龍棒之間的動摩擦因數為0.5～0.7，由式（7）得到，摩擦角的范圍為26.57～34.99°，若想使對蝦與尼龍棒間產生相對滑動，應使α≥34.99°，令輥軸中心距為a，則有sinα＝，當對蝦恰好通過兩軸間隙時a＝2R＋B，于是得到輥軸和對蝦發生相對滑動的臨界條件是R≥，當對蝦體厚B為32 mm時，R≥21.51 mm時對蝦才可克服摩擦力順利下滑而不會飛出分選道。

圖4 雙輥截面圖Figure 4 Pairs of roller－sectional view

圖5 受力圖Figure 5 The force analysis

2.2.2 分級輥的轉速對分級效果的影響 為了分析分級輥轉速對分級效率的影響，選擇了5組26～30只／500 g的蝦共100只，控制雙輥最大間隙為11 mm，傾角為15°，調整輥軸轉速分別為15，35，55，60，70，80 r／min使蝦在不同轉速下依次下滑至相同位置（1 000 mm處）并記錄所用時間，圖6顯示的是本次試驗的結果。

圖6 轉速試驗結果Figure 6 The results of speed test

由圖6可知，對蝦下滑到指定位置所需的時間在輥軸轉速由15 r／min變到35 r／min時變化顯著，在輥軸轉速大于35 r／min后變化趨于平緩，從整體來看隨著輥軸轉速的增大下滑所需時間逐漸減少，即下滑速度逐漸增大。用Spss對試驗結果進行曲線回歸分析，通過比較相關系數的平方值（R2）選取二次模型進行擬合［7］，其擬合結果為y＝78.324－2.256x＋0.018x2。圖7是擬合出的曲線模型，從圖7中可以看出在62 r／min時對蝦下滑時間達到最短，也就是說在上述參數下此轉速時分級效率較高。

圖7 擬合回歸曲線Figure 7 Fitted regression curve

2.2.3 分級輥傾角對分級效果的影響 分級輥的傾角即輥子軸線與水平面的夾角，傾角的大小直接影響到設備的分級效率與分級精度。分級過程中對蝦在重力G和輥子推力F的作用下克服摩擦力f在兩個反向轉動的輥子之間沿軸線方向滑動。當傾角較小時對蝦的運動速度較慢，嚴重影響了分級效率，試驗證明，當傾角小于5°時，對蝦滑動十分緩慢，且極易飛出分選道；當傾角太大時對蝦將沿著輥子軸線方向向下翻滾，試驗過程中，數只對蝦同時落入雙輥之間時，當傾角達到摩擦角（26.57°）附近時，重疊的對蝦落入后瞬間有翻滾現象出現，這將嚴重影響設備的分級精度。

3 正交試驗設計與數據分析

3.1 試驗目的

3.2 試驗因素及水平的確定

通過對雙輥式分級設備的分級機理分析以及對上述影響因素的比較得出，試驗中影響試驗結果的因素有分級輥直徑、分級輥轉速、分級輥傾角。通過分析對比正交試驗表格并考慮試驗實際情況，選擇三水平的正交試驗表格來安排試驗。試驗為3因素3水平試驗，應當選L9（34）正交表［8］。這9個因素依次為分級輥直徑、分級輥轉速、分級輥傾角。通過上述影響因素的分析，確定各試驗因素選用如下3個水平，參數確定見表2。

表2 試驗參數Table 2 Parameters of the test

3.3 試驗數據分析

試驗材料是從水產市場隨機購買的21～25，26～30，31～35，36～40只／500 g 4種規格的對蝦，每種規格90只。試驗開始前，將4種規格的對蝦分別分成9小組，每組10只，然后從每個規格中分別取出一部分組成一組，重組后共9個大組，每組共有不同大小的蝦40只。

調整好試驗設備后，開始對每組對蝦進行分級試驗，把試驗參數條件和試驗結果指標依次填入L9（34）正交表中見表3。

表3 正交試驗數據表Table 3 Orthogonal Data

3.3.1 極差分析 由表3可知，3個因素對分級精度的影響A最顯著，B、C次之；而對時間的影響B最顯著，C、A次之。當因素組合為A3B2C3時分級精度及效率均最高。即：分級輥直徑為120 mm、分級輥轉速為70 r／min、分級輥傾角為25°。

3.3.2 驗證實驗及試驗結論 通過正交試驗和數據分析，找到比較合理的工藝參數。為了驗證該工藝參數的科學性與合理性，選取了上述試驗中分級效果比較好的幾組參數如試驗5、7、8做重復試驗。試驗結果見表4。

表4 驗證實驗數據表Table 4 Validation test data table

由表4可知，在分級輥直徑為120 mm，分級輥轉速為70 r／min，分級輥傾角為25°時，分級率最高且分級所用時間最短，故該組合為最優組合。

4 結論

（1）南美白對蝦的體厚和質量兩物理參數之間呈一定的函數關系，測量150只對蝦的體厚和質量，對測得數據進行回歸分析，確定了回歸方程為B＝5.587＋1.114 M－0.049 M2＋0.001 M3，為對蝦分級設備的設計與研制奠定了理論基礎。

（2）研制了雙輥式對蝦分級試驗設備，經過理論分析確定分級輥半徑R≥21.51 mm時才能基本實現不同質量對蝦的分級，經過試驗研究確定了試驗裝置在分級輥直徑為120 mm，分級輥轉速為70 r／min，分級輥傾角為25°時分級精度較好，分級效率較高。

1 高學禮，李月娟.對蝦加工鮮度控制及檢驗［J］.中國釀造，2009（6）：144～145.

2 劉小龍，張杰.輥式尺寸分級機的基本原理及種類［J］.新疆農機化，2010（4）：12～13.

3 盛楠.光電分選機分選系統的設計與實現［D］.大連：大連理工大學，2006.

4 陳文漢，寧凌.中國對蝦產業現狀及相關研究綜述［J］.漁業經濟研究，2008，5（2）：21～27.

5 王樂，陳淑湘.冷藏處理方式對南美白蝦品質的影響［J］.食品與機械，2012，28（4）：168～171.

6 王頡.試驗設計與SPSS應用［M］.北京：化學工業出版社，2007：1～16.

7 陳魁.試驗設計與分析［M］.北京：清華大學出版社，1996：399.

8 吳貴生.試驗設計與數據處理［M］.北京：冶金工藝出版社，1997：234.