小龍蝦頭尾定向裝置設計及試驗

傅潤澤

王愛民1

陳洪興1

潘鳳濤2

潘海艷2

(1. 鹽城工學院海洋與生物工程學院，江蘇 鹽城 224051；2. 鹽城市怡美食品有限公司，江蘇 鹽城 224341)

小龍蝦(Procambarusclarkii)，也稱克氏原螯蝦，近年來其產業呈加速增長態勢，養殖產量和規模大幅增長[1-2]。然而小龍蝦加工的前處理均是由工人手工完成，勞動成本高，加工速度和產量難以提高，而且很多企業還有招工難的困境。關于蝦類的機械化加工研究主要集中在對蝦、沼蝦等一些產業成熟的蝦類品種上，如滾軸擠壓剝殼等脫殼技術[3-5]。而針對小龍蝦機械化前處理的研究較少，包括自動化清洗分級[6-7]、超高壓脫殼[8-11]等。水產品機械化加工的前提是機械化定向，目前有關魚類的頭尾定向、腹背定向研究較多[12-14]，但其定向機理對小龍蝦無借鑒意義。其他蝦類如對蝦的定向研究也有報道[15-16]，但小龍蝦機械化頭尾定向的困難之處在于其形態特征與對蝦等蝦類存在巨大差異，小龍蝦體型較大， 頭大尾小，蝦體粗短，與細長蝦類相比更難定向；其次小龍蝦熟制后尾部卷起，整體呈梭形，導致其在放置時具有不穩定性，增加了定向難度；同時小龍蝦蝦螯較長，不利于其在傳統技術上定向，而有關小龍蝦機械化頭尾定向的研究尚未見報道。研究擬利用小龍蝦頭尾形態差異，提出一種小龍蝦頭尾定向方法，對小龍蝦頭尾定向裝置進行設計與試驗，以期為小龍蝦定向設備的研發提供依據。

1 小龍蝦頭尾定向裝置設計與工作原理

1.1 頭尾定向裝置總體結構

小龍蝦頭尾定向裝置由滾軸輸送分級機構、頭尾定向機構及相關輔助機構組成，其整體效果如圖1所示。

圖1 小龍蝦頭尾定向裝置整體效果圖Figure 1 Structural schematic sketch of device forcrawfish head and tail orientation

1.2 頭尾定向機構

小龍蝦頭尾定向機構由頭尾定向輸送帶、上輸送帶、下輸送帶以及帶有撥片的固定撥桿組成。頭尾定向輸送帶為垂直方向的長環狀輸送帶，由一定數量的頭尾定向槽構成(圖2)，頭尾定向槽下方設有帶彈簧的蝦螯捕捉網(尼龍繩網)，由金屬外框和繃緊的繩網構成，繩網空隙大于蝦螯而小于蝦尾。頭尾定向槽下方兩側設有固定撥桿，撥桿頂端設有向內伸出的撥片。頭尾定向槽運動時撥片可以碰到蝦螯捕捉網。

圖2 單個頭尾定向機構效果簡圖

1.3 工作原理

頭尾定向裝置工作原理：當頭尾定向槽寬度小于額劍到龍蝦腹部彎曲部分的距離時，小龍蝦由分級輸送裝置掉落后進入頭尾定向槽，分為頭上尾下和頭下尾上兩種情況，小龍蝦繼續下落，碰到蝦螯捕捉網。

(1) 頭下尾上小龍蝦蝦螯或尖銳額劍被繩網勾住，無法下落；頭上尾下小龍蝦因為熟制后尾部圓鈍，繩網無法勾住，一部分直接落入下方的上輸送帶槽內，上輸送帶與頭尾定向輸送帶同步同速運動；頭上尾下小龍蝦也有可能因為摩擦力等原因不能直接掉下，而停留在蝦螯捕捉網上，如圖3所示。

圖3 頭尾定向裝置工作步驟1Figure 3 Working step 1 of head and tail orientationdevice

(2) 隨著輸送帶的運動，上撥片與蝦螯捕捉網碰觸，產生輕微震顫，使小龍蝦落入下方上輸送帶槽內，輸送帶運動過程中根據工藝設置多個固定撥桿和撥片，保證小龍蝦全部落下。而頭下尾上小龍蝦因為蝦螯或尖銳額劍被勾住無法下落，如圖4所示。

圖4 頭尾定向裝置工作步驟2Figure 4 Working step 2 of head and tailorientation device

(3) 頭下尾上小龍蝦隨著投喂定向槽繼續運動，并完成垂直方向的掉頭，頭尾定向槽掉頭后的下方設有下輸送帶，一部分小龍蝦因為重力因素掉落進入下方下輸送帶槽內。另一部分因為繩網的鉤掛等原因不能直接掉下，而停留在蝦螯捕捉網上。隨著輸送帶的運動，下撥片與蝦螯捕捉網碰觸，產生震顫，下撥片與蝦螯捕捉網的碰觸面積大于上撥片，震顫幅度加大，小龍蝦落入下方下輸送帶槽內，輸送帶運動過程中有多個固定撥桿和撥片，保證小龍蝦全部落下，如圖5所示。

圖5 頭尾定向裝置工作步驟3Figure 5 Working step 3 of head and tailorientation device

2 小龍蝦頭尾定向受力分析

對小龍蝦頭尾定向進行受力分析[17]，定向槽各參數見表1。

表1 定向槽各參數Table 1 Parameters of directional slot

2.1 小龍蝦頭朝下進入定向槽

當小龍蝦頭朝下垂直方向落入定向槽，并接觸捕捉網后，小龍蝦的受力分析如圖6所示，小龍蝦受到捕捉網垂直方向上的支持力F2，平行方向上的摩檫力F1，如果捕捉網可以提供的最大靜摩擦力F1Max大于重力在捕捉網平行方向上的下滑力，那么小龍蝦蝦螯或尖銳額劍被捕捉網勾住，即滿足式(1)：

圖6 小龍蝦頭朝下進入定向槽的受力分析Figure 6 Force analysis of crayfish entering orientationgroove head down

F1Max>Gcosα。

(1)

經分析發現，F1Max與捕捉網材質、網孔大小等因素有關，重力在捕捉網平行方向上的下滑力與小龍蝦重量以及捕捉網角度α有關。試驗選用表面粗糙的尼龍網為捕捉網材質，選取不同網孔大小的尼龍網以及不同捕捉網角度進行驗證實驗。

若小龍蝦蝦螯或尖銳額劍被捕捉網勾住，在重力作用下小龍蝦倒向定向槽側板，產生水平方向的支持力F4，小龍蝦達到穩定狀態，如圖7所示。而小龍蝦觸碰到定向槽側板需要滿足一定的條件，主要與定向槽寬度有關，寬度過大的定向槽，小龍蝦碰不到側板，發生翻轉滑落。在理想條件下，小龍蝦可能有任意的掉落位置和傾斜方向，在極限條件下，若小龍蝦額劍尖端到尾部的距離L6大于定向槽對角線長度，則任何條件下都不會發生翻轉滑落；同時彈簧應該提供足夠的支持力，使捕捉網能夠支撐住小龍蝦的重量，以上條件即滿足式(2)和式(3)。

圖7 小龍蝦頭朝下傾斜狀態的受力分析Figure 7 Force analysis of tilted crayfish enteringorientation groove head down

(2)

F2=K×(線徑-L彈簧)cosα>Gsinα。

(3)

但是考慮到小龍蝦自身、彈簧以及捕捉網的形變問題，以及后期定向槽翻轉后需要小龍蝦的垂直狀態等因素，選取定向槽寬度作為操作參數進行驗證實驗，以期找到較為合適的定向槽寬度參數。如果小龍蝦蝦螯或尖銳額劍未被捕捉網勾住，重力在捕捉網平行方向上的下滑力的作用下滑出定向槽，則小龍蝦頭尾定向失敗。

2.2 小龍蝦尾朝下進入定向槽

當小龍蝦尾朝下垂直方向落入定向槽，并接觸捕捉網后，小龍蝦的受力分析如圖8所示，小龍蝦受到捕捉網垂直方向上的支持力F2，平行方向上的摩檫力F1，如果捕捉網可以提供的最大靜摩擦力F1Max小于重力在捕捉網平行方向上的下滑力，且捕捉網與定向槽側板形成的開口足夠大時，小龍蝦順利滑出定向槽。即滿足式(4)：

圖8 小龍蝦尾朝下進入定向槽的受力分析Figure 8 Force analysis of crayfish entering orientationgroove tail down

(4)

若捕捉網可以提供的最大靜摩擦力F1Max大于重力在捕捉網平行方向上的下滑力，小龍蝦沒有下滑，在重力的作用下倒向定向槽側板，產生水平方向的支持力F4，如圖9所示。

圖9 小龍蝦尾朝下傾斜狀態的受力分析Figure 9 Force analysis of tilted crayfish enteringorientation groove tail down

當小龍蝦未能順利通過定向槽時，可以借助撥桿波動捕捉網，改變角度α大小，使重力在捕捉網平行方向上的下滑力增大，最終大于最大靜摩擦力F1Max，使小龍蝦順利滑落，即滿足式(5)：

(5)

3 小龍蝦頭尾定向試驗

3.1 試驗儀器與設備

小龍蝦頭尾定向簡易試驗裝置：該裝置為數個不同捕捉網角度、定向槽寬度以及網孔大小等參數的頭尾定向機構，未設置撥片機構，自制；其他主要儀器設備包括游標卡尺 (精度 0.1 mm)、鋼尺(量程 500 mm)、電子天平(精度 0.01 g)等。

3.2 試驗材料

小龍蝦市售，產地鹽城，挑選個體鮮活、蝦螯完整的小龍蝦，運至實驗室后人工挑選大小規格相同的小龍蝦，為了避免活體小龍蝦運動對頭尾定向過程的影響，將小龍蝦加熱熟制處理后待用。

3.3 小龍蝦形態參數測定

通過對小龍蝦頭尾定向機理的分析，頭尾定向槽、蝦螯捕捉網等結構參數對頭尾定向具有重要影響，其設計優化應具體參考小龍蝦的各項形態參數，故對試驗所選用的小龍蝦進行質量和外觀尺寸測量(見圖10)[18-19]。實際測量時，如頭部重量、胸部重量等參數受切割位置、角度等差異的影響，長度數據受到彎曲程度的影響，僅作為相對數據參考，不作為絕對數據，測量結果見表2和表3。

表2 小龍蝦外形尺寸測量結果Table 2 Measurement results of crayfish body size cm

表3 小龍蝦重量參數測量結果Table 3 Measurement results of crayfish body weight g

圖10 小龍蝦外觀尺寸測量示意圖Figure 10 Measurement schematic diagram of crayfishbody size

3.4 單因素試驗

采用捕獲率(頭朝下)和通過率(尾朝下)作為小龍蝦頭尾定向效果的評價指標。小龍蝦頭朝下進入定向槽被捕捉網捕獲視為捕獲成功，小龍蝦尾朝下進入定向槽未被捕捉網捕獲，能夠順利通過視為通過成功，每次選用50只小龍蝦樣本進行試驗，結果取平均值，并按式(6)、式(7) 分別計算捕獲率和通過率。

(6)

(7)

式中：

R1——捕獲率，%；

R2——通過率，%；

d1——每次試驗成功捕獲的小龍蝦個數；

d2——每次試驗成功通過的小龍蝦個數；

n——每次試驗小龍蝦樣本數。

3.4.1 捕捉網角度 由圖11可知，隨著捕捉網角度的增加，小龍蝦捕捉成功率逐漸上升，當捕捉網角度為60°時捕捉成功率最高為98%。實際試驗時僅有一只小龍蝦未能成功捕捉，可能與該只小龍蝦在同一批次中體型偏小，蝦螯短小且質地較軟有關，在工業化加工時應嚴格分級，剔除殘疾、死蝦等不良龍蝦個體，保證定位成功率。捕捉網角度越大，捕捉成功率越高，但尾朝下通過率會下降，后期可通過撥片波動捕捉網，使尾朝下小龍蝦順利落下，但應盡量降低撥片力度以降低其對捕捉率和蝦螯完整度的影響，且捕捉網角度為55°時，已經達到了很高的捕捉率，故較優的捕捉網角度為55°～60°。

3.4.2 捕捉網網孔大小 由圖12可知，隨著捕捉網網孔尺寸的增加，小龍蝦捕捉成功率逐漸上升，當捕捉網網孔尺寸為10～12 cm時，捕捉成功率達最高，可能是因為網孔越大，蝦螯越容易深入捕捉網，小龍蝦額劍也更容易被捕捉網掛住。試驗的捕捉網網孔最大孔徑為12 mm，遠小于蝦尾寬度，蝦尾不容易被捕捉網掛住。故較優的捕捉網網孔大小為10～12 mm。

3.4.3 定向槽寬度 由圖13可知，隨著定向槽寬度的增加，小龍蝦捕捉成功率逐漸下降。當定向槽寬度為5 cm時，捕捉成功率最高為100%；當定向槽寬度超過6 cm后，捕捉成功率下降較快，是因為定向槽寬度過大，頭朝下進入定向槽的小龍蝦有一定概率不能維持頭下尾上的豎直狀態，水平滑出不能順利捕捉。而隨著定向槽寬度的增加，小龍蝦尾朝下通過率逐漸上升，是因為定向槽寬度過大時，尾朝下進入定向槽的小龍蝦有一定概率不能維持頭下尾上的豎直狀態，水平滑出順利通過。故較優的定向槽寬度為4～5 cm。

3.5 正交試驗

在單因素試驗的基礎上，選取捕捉網角度、定向槽寬度、捕捉網網孔大小為試驗因素，以頭朝下捕捉率與尾朝下通過率為試驗指標，采用正交表L9(34)進行正交試驗。試驗因素水平編碼見表4，試驗設計與結果見表5。

表4 正交試驗因素水平表Table 4 Factors and levels of orthogonal test

表5 正交試驗設計及結果Table 5 Orthogonal experimental design and results

由極差分析可知，影響頭朝下捕捉成功率的主次因素為定向槽寬度>捕捉網角度>捕捉網網孔大小，最優組合為捕捉網角度55°、定向槽寬度4 cm、捕捉網網孔大小12 mm，此時頭朝下捕捉成功率達98%。雖然此條件下尾朝下通過率相對較低，但后期的撥片設計(圖2所示)可以保障通過率。綜上，最優參數為捕捉網角度55°、定向槽寬度4 cm、捕捉網網孔大小12 mm。在此參數下，采購同一規格小龍蝦，并依據規格尺寸以及蝦螯完整度進行嚴苛篩選30只進行驗證實驗， 小龍蝦頭朝下捕捉率達100%，說明試驗提出的頭尾定向方法是可行的。

3.6 頭尾定向整體裝置的可行性分析

將單個定向機構與圖1所示的小龍蝦頭尾定向裝置整體效果簡圖對比發現，模擬單個定向機構的簡易試驗裝置未能覆蓋的因素有：① 定向槽高度。定向槽越高，小龍蝦接觸捕捉網時的速度越高。較高處的小龍蝦的下落速度可以提高小龍蝦尾朝下通過率，同時對小龍蝦的蝦螯完整度有一定影響。整體定向裝置的定向槽是多層機構，定向槽高度 的設置需要考慮整體裝置的設計，同時避免速度過快，影響蝦螯完整度。② 撥片與蝦螯捕捉網的碰觸。理論設計時，為了防止尾朝下狀態小龍蝦不能順利通過定位槽，設計了撥桿和撥片，撥片輕微撥動蝦螯捕捉網，使小龍蝦落下，撥桿和撥片設計還需進一步優化。

頭尾定向槽尺寸6 cm，捕捉網網孔大小8 mm

捕捉網角度55°，頭尾定向槽寬度6 cm圖12 網孔大小對小龍蝦頭尾定向的影響

捕捉網角度55°，捕捉網網孔尺寸8 mm圖13 定向槽寬度對小龍蝦頭尾定向的影響

4 結論

利用小龍蝦頭尾形態差異，設計了一種小龍蝦頭尾定向裝置，由滾軸輸送分級機構、頭尾定向機構及相關輔助機構組成，小龍蝦沿垂直方向的長環狀頭尾定向輸送帶輸送，在捕捉網、撥片波動以及重力等因素共同作用下完成頭尾定向動作。結果表明，小龍蝦頭尾定向裝置的設計是可行的，試驗條件下的最優參數為捕捉網角度55°、定向槽寬度4 cm、捕捉網網孔大小12 mm，此時小龍蝦頭朝下捕獲率接近100%，尾朝下通過率達88%，考慮到后期撥片作用，可以認為尾朝下能夠順利通過。后續可對整體裝置的各項參數進行進一步驗證。