對輥式對蝦開背裝置的設計及試驗研究

王利光　張秀花　王澤河

摘要：為解決對蝦機械化脫殼過程中開背的難題，研制一種對輥式對蝦開背裝置。以環(huán)渤海的凡納濱對蝦為研究對象，以切口長度成功率、切口深度成功率和切口對稱度成功率為衡量指標，在該裝置上分別以不同的對輥直徑、不同的對輥間隙、壓緊毛刷軸和刀片軸的不同位錯進行開背效果比較試驗。試驗結果表明，對輥直徑100 mm，對輥間隙 7 mm，以毛刷軸和刀片軸在沿對輥傾斜方向上位錯為-10 mm，開背效果達到最佳。該研究可以為對蝦開背設備的研制提供參考。

關鍵詞：對蝦；對輥式；開背裝置；切口；比較試驗

中圖分類號： S9852+1；TS2543文獻標志碼：

文章編號：1002-1302（2017）16-0211-03

收稿日期：2016-03-30

基金項目：國家公益性行業(yè)（海洋）科研專項（編號：201205031）；河北農(nóng)業(yè)大學理工基金（編號：LG201501、LG20150103）；河北省高等學校科學技術研究項目（編號：ZD2016111）。

作者簡介：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，主要從事機械設計與理論、農(nóng)業(yè)機械技術裝備的研究。

我國是世界上最大的對蝦生產(chǎn)國和貿(mào)易國之一，但水產(chǎn)品加工遠落后于發(fā)達國家，主要表現(xiàn)在加工技術、裝備落后，深加工產(chǎn)品少等方面[1-2]。目前，國內(nèi)對蝦加工的流程主要分為：對蝦清洗分級—定向排序—去頭—開背—脫殼，其中各環(huán)節(jié)均有了一定的研究，可以查閱到相關的專利和文獻，尤其脫殼環(huán)節(jié)，已經(jīng)研制出了相關的設備[3-6]。對蝦開背是機械化脫殼重要的前處理工序，開背的質(zhì)量和效果直接影響脫殼后的蝦仁品質(zhì)。但是，目前國內(nèi)機械式對蝦開背發(fā)展不成熟，缺乏相應的開背裝置，少量存在的對蝦開背設備都存在著開背效率低、蝦仁破損嚴重、設備成本高等缺點。針對國內(nèi)對蝦開背設備短缺的狀況，本研究在對我國環(huán)渤海凡納濱對蝦生物特性測量的基礎上，設計了一種對輥式對蝦開背裝置，并在該裝置上進行了相關的開背試驗。該試驗研究可以為我國對蝦開背設備的研制提供技術依據(jù)。

1總體結構及工作原理

對蝦開背如圖1所示，在去頭后對蝦彎曲的背部切出一條黑線所示的切口，切口作為對蝦脫殼的薄弱環(huán)節(jié)，以有利于對蝦的機械脫殼。由于對蝦特有的體型特征：蝦體呈長筒形，左右側扁，分為頭、胸部和腹部，腹部自前到后逐節(jié)變細，最后一節(jié)很細，末端甚尖，各體節(jié)均包有堅硬的甲殼，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。對蝦各體節(jié)的寬度和高度影響對輥直徑和間隙的設定，現(xiàn)根據(jù)對蝦生物特性的測量結果表1，設計了一種對輥式對蝦開背裝置，如圖2所示。

由圖2可見，對輥式對蝦開背裝置包括機架，機架上并排設置有5對定向輥組，每對輥組中的2只輥子間留有一定的間隙且相背轉動。5對定向輥組的動力源由皮帶處輸入，每對輥組間和每對輥組的2只輥子間均由齒輪傳動，可以滿足每對輥組中的2只輥子相背轉動，以完成對蝦的背腹定向；輥組較高的一端設置有進料口，去頭后的蝦體以頭朝下的姿態(tài)由進料口喂入；進入定向輥組的對蝦沿輥組傾斜的方向向下滑動，蝦體滑動至軸套位置，軸套在軸套驅動輪摩擦力的作用下往復轉動，可以有效地防止蝦體的堆疊，對蝦逐次向下滑動，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（圖3）；滑動至開背工位（圖4），主動毛刷壓緊輸送過來的蝦體，相背傳動的對輥保持蝦體背腹定向的姿態(tài)，底部高速旋轉的圓盤刀在對蝦的背部切出1條切口；開背后的對蝦接著沿輥組向下滑動，最后落入出料口進行收集。

2材料與方法

21材料

2016年3月，在河北省保定市水產(chǎn)市場采購60～70尾/kg 的速凍環(huán)渤海凡納濱對蝦，該蝦體捕撈上岸經(jīng)分級后速凍，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)鮮嫩的蝦體進行試驗。試驗前需對蝦體進行解凍和去頭預處理，經(jīng)過預處理的對蝦在對輥式對蝦開背試驗平臺上進行開背試驗。

22方法

221指標確定

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

切口長度成功率：

[JZ]P1=[SX（]N1N4[SX）]×100%。

式中：P1表示切口長度成功率；N1表示切口長度為5節(jié)或6節(jié)對蝦的個數(shù)；N4表示開背試驗中對蝦的總個數(shù)。

切口深度：切口深度至蝦體背部蝦線位置時，開背刀對蝦仁主體部分的損傷最小[11]，但是由于對蝦腹部自前到后逐節(jié)變細和彎曲的自然特性，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。在對輥式對蝦開背實驗平臺上開背的蝦體切口的深度也是不一致，切口的深度越大，機械脫殼過程中蝦仁損傷越嚴重。取切口深度最大的部位作為觀察的對象，當切口深度小于該節(jié)蝦體高度的1/2時，開背深度成功。

切口深度成功率：

P2=[SX（]N2N4[SX）]×100%。

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

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

切口對稱度成功率：

P3=[SX（]N3N4[SX）]×100%。

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

223試驗設計

以切口長度、切口深度、切口對稱度成功率作為衡量開背質(zhì)量的主要指標，利用對輥式對蝦開背試驗平臺，每組取30尾對蝦，以不同的對輥直徑進行開背質(zhì)量的比較試驗；以不同的對輥間隙進行開背質(zhì)量的比較試驗；以毛刷軸和刀片軸在沿對輥傾斜方向上的不同位錯進行開背質(zhì)量比較試驗。

3結果與分析

31不同的對輥直徑對開背效果的影響

根據(jù)預備試驗的結果[11-12]，刀片轉速為1 200 r/min，對輥傾斜角度為30°，對輥轉速為30 r/min，對輥間隙7 mm，毛刷軸和刀片軸在沿對輥傾斜方向上的位錯為0 mm，以不同的對輥直徑進行開背效果的比較試驗。

試驗結果由表2表明，隨著對輥直徑的增大，切口長度成功率和切口對稱度成功率逐漸提高，切口深度成功率沒有明顯變化，因為對輥間隙一定時，隨著對輥直徑的增大，對蝦在2對輥形成的“V”形夾持空間中重心的位置相對降得更低，與對輥的接觸面積更大，此時對輥可以起到更好的夾持和定位作用，所以切口的長度成功率和切口對稱度成功率提高；間隙一定時，蝦體在毛刷的壓緊力作用下，在對輥間隙中下降的高度是一樣的，所以切口深度不隨對輥直徑變化而變化，切口深度成功率無顯著差異。當對輥的直徑變大時，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。綜合考慮對輥直徑100 mm最適，此時切口長度成功率可以達到933%，切口對稱度成功率可以達到900%。

32不同的對輥間隙對開背效果的影響

刀片轉速1 200 r/min，對輥傾斜角度30°，對輥轉速 30 r/min，對輥直徑100 mm，毛刷軸和刀片軸在沿對輥傾斜方向上的位錯為0 mm，以不同的對輥間隙進行開背效果的比較試驗。由表3可見，隨著對輥間隙的增大，切口長度成功率和切口對稱度成功率先增高后降低，因為隨著對輥間隙的增大，蝦體在兩對輥的間隙中下降越多，夾持的穩(wěn)定性提高，但是定位的準確性有所降低，尤其寬度和高度較小的尾節(jié)部位，導致切口長度成功率和切口對稱度成功率先增高后降低；切口深度成功率隨著對輥間隙的變大而降低，因為對輥間隙越大，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，導致尾節(jié)的切口越深；綜合考慮，對輥間隙7 mm最適，此時的切口長度、切口深度和切口對稱度成功率均可達到90%以上。

33毛刷軸和刀片軸不同位錯的開背效果比較試驗

刀片轉速1 200 r/min，對輥傾斜角度30°，對輥轉速 30 r/min，對輥直徑100 mm，對輥間隙7 mm，以毛刷軸和刀片軸在沿對輥傾斜方向上的不同位錯進行開背效果的比較試驗。

試驗結果（表4）表明，切口長度成功率和切口對稱度成功率隨著毛刷軸和刀片軸位錯的變化并沒有明顯變化，因為切口長度和切口對稱度的變化取決于對輥夾持的穩(wěn)定性和定位的準確性，位錯的變化并沒有影響這2個因素；切口深度成功率隨著毛刷軸相對于刀片軸沿著對輥傾斜方向的位錯由負到正的變化而降低，當位錯為負時，進入開背工位的蝦體，先壓緊再接觸開背圓盤刀，寬度和高度較小的尾節(jié)接觸刀片時，壓緊力減小，切口深度減小。當位錯為正時，尾節(jié)在接觸和離開刀片的全程都受到毛刷壓緊力的作用，所以導致尾節(jié)部位的切口較深。綜合考慮各項指標，毛刷軸相對于刀片軸的位錯為 -10 mm 時（圖5中B點）最適，即在開背的過程中，對蝦先受到壓緊毛刷的作用，后接觸到高速圓盤刀，此時開背效果達到最佳（圖6）。

4結論

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

（2）在該開背裝置上，相背轉動的對輥起到穩(wěn)定夾持和準確定位的作用，蝦體與對輥間的摩擦力起到至關重要的作用，在以后的研究中應對不同材料的對輥進行試驗，以便確定最優(yōu)的對輥材料。

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