高轉(zhuǎn)速圓盤刀對蝦去頭裝置

李鐸　張秀花　王偉

摘要：針對人工去蝦頭工作效率低、勞動強度大、蝦仁易受細菌污染，以及機械一刀切式對蝦去頭方法蝦肉浪費嚴重等問題，設(shè)計了一種高轉(zhuǎn)速刀片對蝦去頭裝置。根據(jù)對蝦的體型特征和生物特性，利用仿形“V”形槽對對蝦定位夾緊，利用去頭圓盤刀對對蝦產(chǎn)生的摩擦力和離心力實現(xiàn)對蝦的去頭工作，并進行原理分析。針對分級后長度為 130～150 mm的新鮮南美白對蝦進行試驗，結(jié)果表明，利用高轉(zhuǎn)速去頭圓盤刀進行對蝦去頭的成功率高達100%，得肉率達到了人工去頭的水平，去頭裝置原理合理，為今后對蝦去頭裝置的研制提供了依據(jù)和新思路。

關(guān)鍵詞：對蝦；去頭；高轉(zhuǎn)速圓盤刀；試驗

中圖分類號：S985.2+1；TS254.3 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）07-0407-03

對蝦營養(yǎng)豐富、肉質(zhì)細嫩、易消化，且富含蛋白質(zhì)、維生素A、鈣、磷、鉀、鎂等多種人體必需的營養(yǎng)元素。隨著人們生活水平的不斷提高，國內(nèi)對對蝦的需求不斷上升。蝦仁加工后的副產(chǎn)品中蛋白質(zhì)豐富，脂肪含量較高[1-2]。但由于對蝦頭部堅硬，且近年來水體污染嚴重，魚蝦類吸收到體內(nèi)的重金屬等有害物質(zhì)主要通過血液來流通，并沉積在頭部。在后續(xù)的剝殼加工工序[3]中會導(dǎo)致設(shè)備損壞，在開背加工工序中會導(dǎo)致蝦頭內(nèi)重金屬流出從而污染蝦仁，因此對蝦去頭是對蝦加工工序中最重要的環(huán)節(jié)之一。然而，目前國內(nèi)外均采用人工方式進行對蝦去頭，手工去頭勞動強度大、工作效率低、產(chǎn)品易受細菌污染，影響產(chǎn)品的鮮度和品質(zhì)；同時，隨著勞動力的緊張，勞動力成本將成為企業(yè)難以承受的成本支出。研制自動化對蝦去頭裝備，為蝦類生產(chǎn)企業(yè)提供實用、性能可靠的蝦類去頭設(shè)備[4]，對解決對蝦去頭的瓶頸問題、提升對蝦加工產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平、增強水產(chǎn)品的國際競爭力、促進漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義[5-6]。

目前，機械一刀切式去頭方式應(yīng)用比較普遍，然而對對蝦的物理特性參數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，即使同一級別的對蝦其形態(tài)特征也不盡相同，蝦頭長度和蝦體長度均不相同，從而導(dǎo)致機械一刀切式去頭方式浪費蝦肉比較嚴重或去頭不徹底。采用彈性輥擠壓式去頭方式雖可利用對蝦蝦頭與蝦體之間連接部位薄弱的特性，可保留較多蝦肉，但對對蝦的定位精度要求較高，且實現(xiàn)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，結(jié)構(gòu)的間隙性運動導(dǎo)致效率較低、成本較高，不適于我國市場大量使用。針對上述問題，通過研究開展對蝦去頭試驗的方法，為研制對蝦去頭自動化裝備提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)依據(jù)。

1 對蝦去頭試驗裝置總體結(jié)構(gòu)

1.1 整機結(jié)構(gòu)

對蝦去頭是對蝦加工過程中最重要的環(huán)節(jié)之一，對蝦機械化加工工藝流程為捕撈、清洗、分級、去頭、開背、脫殼、清洗。去頭是其中的重點和難點，去頭的質(zhì)量和效果直接影響后續(xù)開背、脫殼工序中得到的蝦仁質(zhì)量[7]。

對蝦去頭試驗臺的結(jié)構(gòu)見圖1。該去頭設(shè)備主要由機架、輸送進給機構(gòu)、去頭機構(gòu)組成。輸送進給機構(gòu)包括電機、鏈輪、鏈條、仿形“V”形槽等，鏈輪通過軸和軸承座安裝在機架上，通過電機帶動鏈輪轉(zhuǎn)動，使鏈條帶著“V”形槽向前勻速輸送。去頭機構(gòu)主要包括電機、去頭圓盤刀、止跳板，去頭圓盤刀在電機的驅(qū)動下實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。試驗過程中電機Ⅰ為JS-ZYT22型電機，額定功率為500 W；電機Ⅱ為57BLY12530F型電機，轉(zhuǎn)速為0～3 000 r/min可調(diào)。

1.2 工作原理

進行對蝦去頭工作時，先將對蝦進行定向，使定向后的對蝦保持頭朝前、腹朝上的統(tǒng)一姿態(tài)平躺于“V”形槽中，對蝦頭部伸出“V”形槽，頭部的定位由以上對蝦形體參數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果和試驗得到。去頭圓盤刀的下刀位置在對蝦頭胸部連接薄弱的部位，即蝦體平躺于“V”形槽中而蝦頭懸空在“V”形槽外。在鏈條的帶動下，將“V”形槽中排序定向好的對蝦輸送到去頭工位，在去頭圓盤刀的高速旋轉(zhuǎn)、輸送機構(gòu)的進給、止跳板的共同作用下完成對蝦的去頭工作[8-9]。

2 對蝦參數(shù)統(tǒng)計分析

2.1 對蝦的形態(tài)特征

對蝦一般分為頭胸部、腹部、尾肢三大部分（圖2）。頭胸部有最大厚度，腹部由6節(jié)構(gòu)成，其中前5節(jié)較短，第6節(jié)較長，由前至后逐漸變細，最后1節(jié)尖細且具有一定彎曲度。通過對蝦頭部內(nèi)部解剖發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部主要由循環(huán)系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、排泄系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)構(gòu)成，而這些系統(tǒng)的連接力十分薄弱（圖3）。經(jīng)試驗研究發(fā)現(xiàn)，對蝦蝦頭和蝦體連接處為對蝦連接最薄弱的環(huán)節(jié)，而蝦頭和蝦體連接最強的位置為對蝦胸部附肢處，這為對蝦去頭的下刀位置提供了依據(jù)。

2.2 對蝦物理參數(shù)統(tǒng)計與分析

分級后的對蝦是按其厚度進行分級的[10]，然而即使分級后同一級別的對蝦其形體特征也各不相同，因此有必要測量蝦頭長度，分析蝦頭長度是否在一定范圍內(nèi)，從而進一步確定對蝦去頭裝置的定位尺寸。在購買的南美白對蝦中選取體長為130～150 mm的對蝦測量頭長和體長，結(jié)果見表1。

利用SPSS軟件對頭長測量結(jié)果進行分析發(fā)現(xiàn)，對蝦頭長符合正態(tài)分布（圖4）。進一步研究對蝦全長和頭長之間的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，對蝦頭長與全長的相關(guān)系數(shù)為0.972，呈正相關(guān)，在α=0.01的置信水平下極顯著相關(guān)，表明頭長與全長間存在一定數(shù)學(xué)關(guān)系。通過回歸分析，利用數(shù)學(xué)模型建立起反映實際情況的數(shù)量關(guān)系，其表達式為：

y=23.430e0.005x+ε（90

式中：y為對蝦的頭長（mm）；x為對蝦的全長（mm）；ε為隨機變量。因此確定了對蝦頭長與全長的關(guān)系，這為對蝦去頭過程中的對蝦定位進一步提供了依據(jù)。

3 對蝦去頭機理分析

3.1 去頭過程分析

經(jīng)排序定向后，對蝦在“V”形槽中通過鏈條帶動使其到達去頭工位。對蝦去頭過程分為2個階段：第1階段，對蝦蝦頭與去頭圓盤刀接觸，并在對蝦進給過程中初步切開小口；第2階段，對蝦在繼續(xù)進給過程中，去頭圓盤刀的2個側(cè)面與對蝦頭部的接觸面積越來越大，利用去頭圓盤刀兩側(cè)與對蝦頭部產(chǎn)生的摩擦力，使蝦頭沿開口處將剩余連接處撕裂斷開并將蝦頭甩飛，使蝦頭與蝦體完全分離，而蝦肉幾乎無損失。

3.2 去頭理論分析

在對蝦去頭第1階段中，去頭圓盤刀對對蝦頭部接觸部位切開小口，此過程中去頭圓盤刀剛與對蝦頭部接觸，且對蝦頭部懸空，而蝦體部分被仿形“V”形槽夾住勻速進給，使去頭圓盤刀兩側(cè)的蝦頭和蝦體速度不同，此時對蝦頭部受到剪切力。在第2階段，由于去頭圓盤刀已經(jīng)進入對蝦的頭胸部中，圓盤刀兩側(cè)與對蝦頭胸部進刀處兩側(cè)均產(chǎn)生摩擦力，對蝦截面的受力分析見圖5。其中位置Ⅱ時刻對蝦所受摩擦力為：

F摩擦力=A·τ=τ·[∫β αdθ∫φ3（θ）φ1（θ）f（rcosθ，rsinθ）rdr+∫γ βdθ∫φ2（θ）φ1（θ）f（rcosθ，rsinθ）rdr]。

式中：A為對蝦與去頭圓盤刀的實際接觸面積；τ為接觸界面之間的剪切應(yīng)力；α為對蝦截面與圓盤刀邊緣接觸的較低點與圓盤刀圓心之間的連線與豎直方向的夾角；β為對蝦截面與圓盤刀邊緣接觸的較高點與圓盤刀圓心連線與豎直方向的夾角；γ為對蝦截面頂端與圓盤刀圓心連線與豎直方向的夾角。

在第2階段，高轉(zhuǎn)速圓盤刀與對蝦頭胸部開口處兩側(cè)產(chǎn)生摩擦力，使對蝦頭胸部與高轉(zhuǎn)速圓盤刀兩側(cè)接觸的面瞬間產(chǎn)生高速。根據(jù)動量定理對蝦頭進行分析，蝦頭所受合外力沖量的增量等于蝦頭動量的增量，因此其瞬間產(chǎn)生很高的速度，使合力將蝦頭剩余連接部分甩飛，公式為：

F合Δt=mΔv。

式中：F合為蝦頭重力與蝦頭所受摩擦力的合力，Δt為時間變化量，m為蝦頭質(zhì)量，Δv為蝦頭的速度變化量。

4 材料與方法

4.1 設(shè)備與原料

試驗設(shè)備包括SP-200型圖顯推拉力計（溫州山度儀器有限公司）、刀片、電子天平、游標卡尺。試驗原料為鮮活南美白對蝦，購自河北省保定市水產(chǎn)市場。抽取體長為 130～150 mm的對蝦作為試驗樣品。

4.2 試驗方法

圓盤刀轉(zhuǎn)速最高可達到3 000 r/min，可通過電位器進行任意調(diào)節(jié)，并通過顯示器顯示轉(zhuǎn)速值。為驗證去頭原理的可行性及去頭圓盤刀轉(zhuǎn)速對去頭效果的影響，試驗時對圓盤刀轉(zhuǎn)速由0開始每隔100 r/min進行調(diào)節(jié)，并進行1組試驗。試驗時每組取10尾對蝦，共30組，由5名試驗人員對對蝦去頭效果進行感官質(zhì)量評定，評分標準見表2。觀察并統(tǒng)計各組轉(zhuǎn)速下的去頭成功率及去頭效果。

4.3 結(jié)果與分析

4.3.1 圓盤刀轉(zhuǎn)速對對蝦去頭質(zhì)量的影響 對去頭圓盤刀進行不同的轉(zhuǎn)速試驗，結(jié)果顯示，當轉(zhuǎn)速在2 000 r/min以上時，去頭成功率高達100%。由對蝦去頭理論分析可知，去頭圓盤刀的轉(zhuǎn)速直接影響去頭時對蝦頭產(chǎn)生的離心力，從而影響去頭的效果和質(zhì)量。試驗結(jié)果表明，去頭圓盤刀轉(zhuǎn)速在 0～2 000 r/min范圍內(nèi)時，去頭效果和質(zhì)量隨轉(zhuǎn)速的提高具有明顯提升；當轉(zhuǎn)速大于2 000 r/min時，去頭效果和質(zhì)量趨于穩(wěn)定，沒有明顯改變（圖6）。

4.3.2 一刀切式對蝦去頭與高轉(zhuǎn)速圓盤刀對蝦去頭比較試驗 利用一刀切式對蝦去頭，對蝦定位尺寸一定，而經(jīng)過分級后的對蝦其頭長尺寸仍大小不一，實現(xiàn)同一級別對蝦頭尾徹底分離必須按蝦頭最大尺寸來定位，導(dǎo)致一刀切式對蝦去頭方法嚴重浪費蝦肉[11]。采用高轉(zhuǎn)速圓盤刀方法去蝦頭，高轉(zhuǎn)速圓盤刀與對蝦開口處兩側(cè)產(chǎn)生摩擦力，使蝦頭在頭尾連接薄弱處斷開，蝦肉幾乎不缺損（圖7）。

5 結(jié)論

高轉(zhuǎn)速圓盤刀式對蝦去頭解決了一刀切式對蝦去頭蝦肉浪費嚴重、對輥擠壓式對蝦去頭效率低的問題，為今后對蝦去頭裝置的研制提供了新思路。高轉(zhuǎn)速圓盤刀式對蝦去頭過程分為2個階段，第1階段蝦頭與去頭圓盤刀接觸，并使對蝦在進給過程中初步切開小口；第2階段，在對蝦繼續(xù)進給的過程中，去頭圓盤刀兩側(cè)與對蝦頭部開口處兩側(cè)的接觸面積越來越大，產(chǎn)生的摩擦力使對蝦頭部沿開口處與剩余連接處斷開，并將蝦頭甩飛，從而使蝦頭與蝦體完全分離，幾乎不損失蝦肉。對蝦去頭效果隨去頭圓盤刀轉(zhuǎn)速的提高而變好，當轉(zhuǎn)速超過2 000 r/min時去頭效果趨于穩(wěn)定，沒有明顯變化。為避免功率的浪費，選取去頭圓盤刀的轉(zhuǎn)速為2 000 r/min。

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