鏈板式長短V槽對蝦開背去頭一體機的設計與試驗

趙慶龍 張秀花 王澤河 弋景剛 楊淑華

（河北農業大學機電工程學院，河北 保定 071001）

中國是世界上的最大的對蝦生產國，也是對蝦主要貿易國之一，但是對蝦加工技術和加工裝備卻遠遠落后于美國、日本等國家［1］。對蝦的蝦頭含有重金屬元素，且在對蝦儲存過程中對蝦頭部極易變質［2］，頭部組織破裂則會污染蝦仁從而造成巨大經濟損失，此外研究［3］表明，對蝦加工中的廢棄物蝦頭中富含蝦青素等可利用物質，對蝦頭集中處理可提高對蝦的利用率。

對蝦的開背及去頭工作是對蝦機械自動化剝殼工藝中的重要環節［4］。目前國內外已公布了相關的對蝦開背裝置和去頭裝置。如Edwin B等［5］設計了一種利用剪切塊去除蝦頭的去頭機；安玉平［6］設計了一種推卡阻切式去除蝦頭的設備等，但這些設備僅能對定向后的對蝦進行去頭處理，而張麗麗等［7］設計的設備僅能對經人工去頭后的對蝦定向并進行開背作業。若采用以上裝置進行對蝦的機械化開背或去頭工作時需經過二次定向后再加工，這無疑增加了機械加工難度。迄今仍未見關于對蝦開背去頭一體機的研究，設計一種能在同一工位同時進行對蝦的開背和去頭工作的裝置顯得非常有必要。

本試驗擬以環渤海的南美白對蝦為研究對象，設計一種鏈板式長短V槽對蝦開背去頭一體機，對其結構和工作原理進行介紹，并進行開背去頭性能的試驗研究，旨為對蝦開背去頭設備的研制設計提供理論依據。

1 對蝦開背去頭一體機總體設計

1.1 設計思路

以環渤海的南美白對蝦為研究對象，該對蝦蝦體呈長筒形，左右側扁，長有甲殼、附肢、長須，其背部曲線呈弧形。對成品蝦按其體厚度進行分級后，同一級別的對蝦其體長差值浮動很小，其頭胸部長度基本一致［8］。仔細觀察發現對蝦頭胸部與第一體節連接處表皮較柔軟，用刀片輕輕滑切至有破口時用手輕掰蝦頭，蝦頭極易與蝦體分離。對蝦蝦體覆蓋有堅硬的甲殼，采用傳統開背刀開背時需用刀刃切割蝦體甲殼，試驗發現，當刀尖刺穿蝦殼后蝦殼將沿刀刃方向開裂。

基于對蝦的生物特性本設計的基本思路是：① 對對蝦進行分級，使得對蝦具有相近的尺寸；② 對待加工的對蝦進行定向排序，輸出保持同一節拍的對蝦；③ 在一次的輸送過程中完成對對蝦的開背和去頭工作；④ 進行蝦體和蝦頭的分離及收集。裝置可采用雙鏈長短V槽固蝦輸送、復位仿形托板與固定開背刀聯合進行開背、長短V槽相對運動與固定刀片滑切聯合進行去頭的處理工藝［9，10］。

1.2 開背去頭一體機結構及工作原理

開背去頭一體機包括機架，機架上并排設置有5組工作單元并設有驅動電機，見圖1。其工作單元結構主要由送料機構、開背機構、壓緊機構、去頭刀組成，見圖2。

圖1 對蝦開背去頭一體機的結構示意圖Figure 1 Structure diagram of the head－cutting and back－opening machine for shrimp

圖2 工作單元的結構示意圖Figure 2 Structure diagram of the work units

加工時，對蝦先經過分級裝置的分選及定向排序裝置的整隊保持背部朝下的同一姿態由接蝦口落入到同步運動著的長V槽和短V槽中，傾斜設置的仿形板使得對蝦保持頭部位于短V槽、蝦體位于長V槽內，使得去頭刀刀刃對準蝦頭和蝦體的連接部位，為去頭工作做準備。當對蝦輸送到去頭刀處時，蝦頭由彈片壓緊，蝦體由壓緊輪壓緊，在壓緊輪的作用下，蝦體隨仿形板下移，固定著的開背刀由仿形板的小槽處對蝦體進行開背，完成開背工作，與此同時同步運動的長V槽和短V槽產生相對運動，長V槽繼續作直線運動，而短V槽作圓周運動，去頭刀劃破蝦體并在長V槽和短V槽相對運動產生的剪切力的作用下完成對蝦去頭工作。長V槽在長槽鏈條的驅動下離開壓緊輪，在彈簧的作用下仿形板推動開背后的蝦體脫離開背刀并恢復到原位并輸送蝦體到蝦體收集位置進而進行剝殼等后續加工，短V槽在短槽鏈條的驅動下使蝦頭脫離彈片的擠壓，蝦頭在慣性力的作用下進入蝦頭收集口，并由此落入蝦頭滑板進行收集。至此，完成對蝦的開背去頭工作。

2 關鍵工作部件的結構設計

2.1 送料機構的設計

由前期的試驗可知，對蝦的體厚和體長有很大的相關性。按體厚嚴格分級后，同一級別的頭胸部長度基本一致。當蝦頭胸部與蝦體連接處有切口時，利用剪切運動對對蝦進行去頭加工較方便。基于上述研究，設計了雙鏈長短V槽固蝦輸送機構，主要由鏈輪、鏈條和若干V型槽組成。鏈條節距p為12.7mm，鏈輪齒數為25，V型槽結構見圖3，由長V槽和短V槽組成，其中短V槽與所加工對蝦的頭胸部長度相適應，保證V型槽總長與對蝦體長相適應，兩槽分別安裝在兩條鏈條上且兩槽接觸端面處有2mm的間隙。位于豎直位置的兩個鏈輪II分別與位于豎直位置的兩個鏈輪I同軸且在水平位置兩鏈條平行，位于水平位置的兩鏈輪II的中心距小于兩鏈輪I的中心距，為保證兩鏈條平行及長V槽和短V槽在水平位置的同步，機架上設有帶兩條平行凹槽的鏈條支撐板。對蝦從接蝦口落入到V型槽時，頭胸部處在短V槽中而蝦體部分則處在長V槽之中，頭胸部與蝦體連接處則處在2mm的間隙處，在鏈輪的驅動下，當短V槽作圓周運動時將與長V槽產生相對運動，從而對對蝦產生剪切力進行去頭。

圖3 V型槽結構Figure 3 Structure of the V groove

2.2 開背機構的設計

開背機構安裝在長V槽中是用來對蝦體進行開背處理的，包括仿形板、開背刀及兩對彈簧，結構見圖4。在仿形板中間位置設有小槽并傾斜置于長V槽中，其前后各設有一對凸起與長V槽內的滑槽相適應，可在長V槽內上下滑動；開背刀固定在長V槽底部，刀刃與仿形板小槽對齊；彈簧固定在長V槽底部，支撐仿形板，使得仿形板在自然狀態下位于上極限位置，此時開背刀刀刃位于仿形板下方。為了增強開背的效果，開背刀刀刃曲線與蝦背曲線相適應，刀刃為鋸齒形。

圖4 開背機構Figure 4 Back－opening mechanism

2.3 壓緊機構的設計

為了給開背機構提供相應的壓力及保證長短V槽相對運動剪切去頭時對蝦體的固定，設計了壓緊機構（見圖5），主要包括壓緊輪和彈片。壓緊輪位于水平位置長V槽的上方與長V槽嚙合，彈片位于將要作圓周運動的短V槽的上方，彈片與壓緊輪前后對齊。當送料機構將對蝦輸送到開背去頭工位時，壓緊輪一方面對開背機構提供外在壓力，另一方面可保證蝦體在開背時的固定，彈片可以保證在加工時對蝦頭的固定。由前期的試驗可知，成品蝦蝦線距離蝦背最高端為3～5mm，保證仿形板在壓緊輪的作用下可下移5mm。

2.4 去頭刀的設計

本試驗采用了一種弧形刀刃的去頭刀，具有鋒利的刀刃且刀片厚度不超過2mm，結構見圖5。去頭刀固定安裝在長V槽與短V槽之間的縫隙內，這種結構能夠保證在工作中去頭刀只起滑切的作用，降低了刀體和對蝦在作用時的相互損傷。

圖5 壓緊機構及去頭刀Figure 5 Pressing mechanism and the head－cutting knife

3 對蝦開背去頭試驗

3.1 試驗材料

試驗材料為2014年7月份在河北保定市水產市場采購的鮮活南美白對蝦，體型呈長筒形，左右側扁，頭胸部、腹部和尾部均完整，蝦仁飽滿，肉質鮮嫩。對所購對蝦按其體厚度進行分級后，取體厚為11～12mm的對蝦作為開背去頭的試驗對象。為了保證開背去頭工作的有序進行，所篩選的對蝦在試驗之前需經過冰水混合物浸泡處理30min以降低對蝦的活性。

3.2 試驗方法

為了評估機器的整體加工能力和可靠性，試驗時同取100只對蝦進行開背去頭試驗，分別統計機器和人工的開背率、去頭率、成功率及加工效率，得出機器的整體性能指標。由于整機的5個工作單元加工能力相同且各單元相互獨立，本試驗采用對蝦開背去頭一體機的1個工作單元進行加工，試驗前先將機器調整到最佳狀態。為了滿足對蝦定向的問題，控制鏈條輸送速度為0.2m/s。

（1）開背率：對蝦開背6節成功數占加工總數的百分比，%；

（2）去頭率：對蝦去頭成功數占加工總數的百分比，%；

（3）成功率：對蝦開背6節且去頭成功數占加工總數的百分比，%；

（4）加工速度：單位時間內加工對蝦的數量，只/min。

3.3 試驗結果

對機器進行試驗得到的結果見表1。由表1可知，V槽式對蝦開背去頭一體機的加工效果良好，處理能力遠遠高于人工，但是機器需要對蝦裝料時的嚴格定向且對對蝦的尺寸較敏感，如果對蝦尺寸過大則會造成V型槽輸料困難，如果對蝦尺寸過小則會在去頭時切掉部分蝦肉而造成浪費。

表1 對蝦試驗參數表Table 1 Parameter table of shrimp experiment

4 結論

本試驗研制了一種集開背、去頭加工于一體的對蝦加工設備。該機結構獨特，經定向裝置輸送來的對蝦背部朝下落入V型槽內，在斜置的仿形板及自身重力的作用下使得對蝦呈待加工狀態，利用長短V槽的同步運動進行對蝦的輸送，在長短V槽相對運動時產生的剪切力及去頭刀對蝦體的劃傷進行去頭。由壓緊輪、仿形板、彈簧和固定的開背刀組合成開背單元實現對蝦開背加工。試驗表明，該對蝦開背去頭一體機加工效果好，開背率達到95%，去頭率達到100%；1個工作單元的處理能力約為237只/min，能夠實現對蝦開背及去頭工作同時進行，可為對蝦開背去頭設備的研制提供技術依據。

1 廖澤芳，寧凌.中國對蝦產業分析［J］.海洋開發與管理，2009，26（4）：32～35.

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

3 劉洪亮，陳麗嬌.對蝦蝦頭、蝦殼副產品綜合利用的研究概況［J］.福建水產，2011，33（2）：65～69.

4 張秀花，趙慶龍，趙玉達，等.對蝦對輥擠壓式剝殼工藝參數及預處理條件優化［J］.農業工程學報，2014，30（14）：308～314.

5 Edwin B.Apparatus for sizing and deheading shrimp：United States，US706832［P］.1976—10—07.

6 安玉平.機械加工蝦類的方法和設備：中國，92103822.4［P］.1993—12—15.

7 張麗麗，王澤河，張秀花，等.對蝦開背工藝方案的設計與研究［J］.食品與機械，2013，29（5）：127～130.

8 李影欣，崔保健，弋景剛，等.雙輥式對蝦分級設備的試驗與研究［J］.食品與機械，2014，30（3）：94～97.

9 陳慶余，沈建，傅潤澤，等.典型海產小雜魚機械去頭方法研究［J］.漁業現代化，2012，39（5）：38～42.

10 彭三河，徐武.鏈式淡水魚加工前處理裝置的研制［J］.食品與機械，2013，29（2）：139～142.