對輥式對蝦定向機的設計

趙慶龍　張秀花　李鐸

摘要：為解決對蝦在機械自動化加工過程中的喂料難題，設計了一種對輥式對蝦定向機。根據對蝦的體型特征及摩擦特性，通過相鄰尼龍輥在軸線方向上直徑的變化以及在軸段設置的凸棱和凹槽完成對蝦定向。對定向原理進行分析，并采用分級后體厚為11～12 mm的新鮮南美白對蝦進行試驗。理論分析和試驗結果均表明，該定向機可實現對蝦的定向。本研究結果可為對蝦機械自動化剝殼加工中定向連續喂料設備的產品開發提供技術依據。

關鍵詞：尼龍輥；定向；南美白對蝦；空氣噴射

中圖分類號：S985.2+1；TS254.3 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）07-0410-03

對蝦肉質松軟，富含多種微量元素，具有重要食用價值和經濟價值[1]，深受中國人民喜愛。中國是養蝦大國，然而對蝦機械自動化剝殼加工技術較落后[2]。對蝦的開背、去頭是對蝦機械自動化剝殼工藝中的重要環節，然而對蝦去頭、開背等環節均需要進行對蝦的定向喂料，如果定向不準確，將直接導致后續加工無法正常進行。對蝦的體型結構比較特殊，導致對蝦的定向較困難，目前國內的對蝦定向大多停留于手工定向或去頭蝦定向階段[3-4]。在對蝦機械自動化加工時，為便于自動化生產，極有必要設計一種對蝦的定向裝置。解決對蝦定向的難題可極大推動對蝦加工的自動化程度。以環渤海的南美白對蝦為研究對象，以定向率為主要衡量指標，針對對蝦的生物特性設計一種對輥式對蝦定向機[5-7]，并進行定向性能的試驗，可為對蝦定向設備的研制設計提供技術依據。

1 對輥式對蝦定向機總體設計

1.1 對蝦物理參數及定向設計思路

以環渤海的南美白對蝦為研究對象，該對蝦蝦體呈長筒形，左右對稱，頭胸部有最大厚度，腹部6節厚度由前至后逐節遞減，重心偏于背部。按最大厚度對成品對蝦進行分級后，同一級別的對蝦其體長差值浮動很小，長度基本一致[8]。對蝦頭部長有眼柄和長須，兩側及背部長有甲殼，頭胸部和腹部長有附肢。筆者所在課題組選用尼龍材料進行對蝦背腹摩擦因數的測定，結果顯示，對蝦側面和腹部的摩擦因數不同，且沾水的蝦須與光滑的尼龍表面有較大的吸附力。

基于對蝦的物理特性及力學性能，本設計的基本思路如下。（1）處于同一級別的對蝦，其體厚和長度基本一致，為降低設計難度，先對對蝦進行分級。（2）由于沾水的蝦須與光滑材料之間的吸附力較大，需要進行去蝦須的工作。（3）對蝦左右對稱，側面和腹部與尼龍棒的摩擦因數不同，且頭部與腹部第1節厚度較大，通過改變相鄰尼龍輥在軸線方向上的直徑，利用相鄰定向輥的反向轉動完成對蝦的定向。

1.2 對蝦定向機的結構及工作原理

由圖1可知，對輥式對蝦定向機主要由機架、傳動系統、定向輥組、進料斗、條形輸料擋板、噴水裝置、輔助定向裝置、輸送帶、導料板等組成。定向輥組斜置于機架上，條形輸料擋板與定向輥組平行緊貼布置，在定向輥組上方設有噴水裝置，在其下方設有噴氣式輔助定向裝置。

經過分級、去須處理的對蝦，由位于定向輥組較高端處的進料斗進入定向輥組進行定向工作。相鄰對輥在軸線方向上直徑的變化，使對輥間隙按“小—大—小”的趨勢變化，組成定向輥組的左輥和右輥進行相背運動，對蝦在輥表面凹槽及自身重力的作用下沿著定向輥組軸線方向作下滑運動。當對蝦處于定向輥組前端小間隙處時，擋板的設置可避免發生對蝦堆疊現象，使對蝦在定向輥組組成的滑槽中列隊做下滑運動，完成對蝦定向的送料工作。當對蝦進入定向輥組中間大間隙位置時，對蝦呈懸掛于兩相鄰輥之間的姿態，在對蝦即將進入定向輥組末端小間隙時，位于定向輥組下方的輔助定向裝置使對蝦保持頭部朝前的姿態順利進入末端小間隙，完成對蝦的頭尾定向工作。當對蝦進入定向輥組末端的小間隙處時，在定向輥組表面的凹槽、凸棱及對蝦自身重力的作用下實現背腹定向。完成定向的對蝦由位于定向輥組較低端小徑處的2個“V”形槽輸送帶向相反方向輸出。在整個定向過程中，噴水裝置不間斷噴水，保證對蝦的鮮度及對蝦在定向輥組上的順利下滑。

2 關鍵工作機構的設計

2.1 定向輥組的設計與分析

2.1.1 定向輥組的設計 對蝦定向輥組傾斜安裝在機架上，由1對尼龍輥組成。定向輥組沿軸向分為3段，且垂直于軸線方向對應的兩輥截面直徑相等，分別為100、90、100 mm（圖2）。定向輥各段之間設有過渡段，使兩定向輥在過渡段形成楔形間隙。兩定向輥上表面形成近似“V”形槽且軸間距可調，兩

輥最大間隙不大于所選級別對蝦第1體節厚度，裝置適用于體厚大于10 mm的對蝦。在定向輥第3段處開有凹槽，并且在右定向輥第3段較高端設有一段凸棱，凸棱長度300 mm、高度1 mm，且沿圓周方向330 °陣列在輥表面，凸棱的設置破壞了對蝦的受力平衡，使對蝦發生一定翻轉，最終呈背部朝下的姿態輸出，完成背腹定向。

2.1.2 背腹定向機理分析 當完成頭尾定向的對蝦進入定向輥第3段時，對蝦有2種姿態，即頭朝前背朝下、頭朝前腹朝下。垂直于定向輥軸線方向，對蝦背部朝下、腹部朝下進入定向輥凸棱處的姿態變化及受力分析見圖3。圖3中將對蝦橫截面簡化為橢圓形，其中較尖端為蝦腹，對蝦的質心O位于長軸且靠近對蝦背部，A、B、C、D、E、F分別為對蝦在不同位置時與定向輥的作用點。蝦體在定向輥上所受摩擦力為f，定向輥的支撐反力為N，重力在垂直于軸線方向的分力為G，定向輥凸棱的作用力為F，在這些力的作用下進行對蝦的背腹定向。由圖3-a可知，對蝦背部朝下進入定向輥，在位置Ⅰ時各力對質心O的合力矩為：

MO=Mf+MN+MG+MF。

（1）

對蝦所受摩擦力f與定向輥的支撐反力N關于對蝦對稱面對稱，且重力分力G過質心，故摩擦力f、定向輥的支撐反力N、重力分力G對質心的合力矩為0，因此在位置Ⅰ時各力對質心的合力矩在數值上等于定向輥凸棱的作用力F對質心的矩。在合力矩的作用下，蝦體將繞質心O逆時針旋轉，由于力F遠遠大于蝦體所受重力，故蝦體將向左上方運動，運動到最高位置即位置Ⅱ。在位置Ⅱ時，對蝦在各力對作用點C的合力矩為：

MC=Mf+MN+MG。

（2）

對蝦所受摩擦力f和定向輥的支撐反力N對點C的矩為0，因此在位置Ⅱ時各力對質心的合力矩在數值上等于重力分力G對點C的矩，在合力矩的作用下對蝦將繞點C逆時針旋轉并在合力作用下沿輥面下滑，滑落至定向輥之間，保持背部朝下的姿態不變。由圖3-b可知，對蝦腹部朝下進入定向輥，在位置Ⅰ時各力對質心O的合力矩為：

MO=Mf+MN+MG+MF。

（3）

對蝦所受摩擦力f和定向輥的支撐反力N關于對蝦對稱面對稱，且重力分力G過質心，故摩擦力f、定向輥的支撐反力N、重力分力G對質心的矩為0，因此在位置Ⅰ時各力對質心的合力矩在數值上等于定向輥凸棱的作用力F對質心的矩。在合力矩作用下，蝦體將繞質心O順時針旋轉，由于力F大于蝦體所受重力，故蝦體將向左上方運動到最高位置即位置Ⅱ。在位置Ⅱ時，對蝦在各力對作用點C的合力矩為：

MC=Mf+MN+MG。

（4）

對蝦所受摩擦力f和定向輥的支撐反力N對點C的矩為0，因此在位置Ⅱ時各力對質心的合力矩在數值上等于重力分力G對點C的矩，在合力矩的作用下對蝦將繞點C順時針旋轉并在合力作用下沿輥面下滑，滑落至位置Ⅲ。同理可分析出，在位置Ⅲ時各力對質心的合力矩在數值上等于重力分力G對點D的矩，在合力矩的作用下對蝦將繞點D順時針旋轉并在合力作用下沿輥面下滑，最終滑落至雙輥之間，呈頭部朝前背部朝下的姿態并輸出。

綜上所述，定向輥第3段凸棱的設置可使對蝦最終呈頭部朝前、背部朝下的統一姿態輸出，完成對蝦的背腹定向。

2.2 輔助定向裝置的設計與分析

2.2.1 輔助定向裝置的設計 對蝦進入定向輥第2段時，其姿態呈頭部朝上、尾部朝下，但其背腹朝向無規律。當對蝦呈背部朝前姿態進入定向輥第2段和第3段之間的楔形間隙時，對蝦背部先與兩輥楔面接觸，反向轉動的對輥帶動對蝦尾部腹部蜷縮并作上升運動，直到蝦體升至輥上表面，使對蝦尾部朝前進入定向輥第3段，這與頭部朝前進入第3段的設計要求不相符，定向失敗。為提高對蝦頭尾定向的成功率，設計一種噴氣式輔助定向裝置，其結構和安裝位置見圖4。噴氣式輔助定向裝置主要由氣泵、氣管、固定管、固定擋片組成，氣泵型號為OLF-2524，氣管嵌套在固定管之中并保證氣管口位于定向輥組的正下方，噴射流量由開關閥控制，噴射角度由安裝在機架上的固定管進行調節。

2.2.2 頭尾定向機理分析 由于對蝦頭部和腹部第1節尺寸較大，在定向輥第2段呈頭部朝上的姿態。由于定向輥在定向輥組第2段處尺寸參數相同，將對蝦在輥組上的受力簡化到對輥對稱面進行對蝦的受力分析（圖5）。圖5中A、B、C分別為固定擋片對對蝦的作用點，O為對蝦的重心，氣管噴氣對對蝦的作用力為F，對蝦所受重力為G，反向轉動的定向對輥對對蝦支持力的合力為FN，固定擋板的力為N，所受輥的

摩擦力為f。

由圖5-a可知，對蝦腹部朝前進入定向輥第2段，在位置Ⅰ時對蝦尾部先接觸到固定擋板，各力對支撐點A的合力矩為：MA=Mf+MF+MG+MFN。為達到輔助定向的作用，需要調整氣泵噴氣流量，使得滿足|MF|>|Mf|+|MG|+|MFN|，且保證對蝦不飛出定向輥。對蝦在氣管所噴氣體的作用力F下將沿輥向下滑動，在合力矩MA的作用下對蝦將繞尾部支撐點A順時針旋轉，最終呈位置Ⅱ姿態。在位置Ⅱ時，對蝦頭胸部進入定向輥的楔形間隙內，在氣管噴氣作用力F和雙輥楔面對蝦向上的托力F1的作用下，對蝦實現頭部朝前進入定向輥組第3段，完成對蝦的頭尾定向。

由圖5-b可知，對蝦背部朝前進入定向輥第2段，擋板對蝦體的阻擋使對蝦頭胸部先進入對輥楔形間隙，在氣管噴氣作用力F和雙輥楔面對蝦向上的托力F1的作用下，對蝦實現頭部朝前進入定向輥組第3段，完成對蝦的頭尾定向。

綜上所述，輔助定向裝置的設置可使對蝦保持頭部朝前的統一姿態進入定向輥第3段，完成對蝦的頭尾定向。

3 對蝦定向試驗

3.1 試驗材料

試驗材料為河北省保定市水產市場采購的鮮活南美白對蝦，體形呈長筒形，左右側扁，頭胸部、腹部、尾部均完整，蝦仁飽滿，肉質鮮嫩。對所購對蝦按體厚度進行分級后，取體厚為11～12 mm的對蝦作為定向試驗對象。所篩選的對蝦在試驗前經冰水混合物浸泡處理30 min以降低對蝦的活性，并進行去須處理。

3.2 試驗方法

為驗證原理的可行性，試驗前將定向輥轉速調整為 150 r/min，氣泵閥門旋開1/4周，定向輥傾角為5°。試驗時取對蝦50尾/組，共4組，由進料斗隨機落至1組定向輥上，觀察定向輥末端對蝦的最終狀態，統計裝置的頭尾定向率、背腹定向率、定向成功率。 頭尾定向率：對蝦頭部朝前輸出成功數占總數的百分比（%）。背腹定向率：對蝦背部朝下輸出成功數占總數的百分比（%）。成功率：對蝦頭部朝前且背部朝下輸出成功數占總數的百分比（%）。

3.3 試驗結果分析

由表1可知，對輥式對蝦定向機的頭尾定向率可達100%，背腹定向率均值達到98%，裝置定向原理可靠、定向效果良好；但需要在對蝦定向之前進行去須工作，如果蝦須處理不當，蝦須將會纏繞在對輥上而影響機器的定向成功率。噴氣流量、對輥轉速、定向輥傾角等因素對機器處理能力及定向成功率有較大影響，為使機器達到最優性能，須進行參數優化。

4 結論

理論分析和試驗結果表明，通過改變相鄰尼龍輥在軸線方向上的直徑，使對輥間隙按“小—大—小”的趨勢變化，利用對輥形成的大間隙及輔助定向裝置實現頭尾定向，利用定向輥第3段處設置的凸棱、凹槽及輥的反向轉動實現對蝦的背腹定向是可行的。試驗過程中，頭尾定向率達到100%，背腹定向率略低，為98%，定向成功率達到98%。本研究設計的對輥式對蝦定向機定向效果良好，可為對蝦定向設備的研制設計提供技術依據。

參考文獻：

[1]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.

[2]廖澤芳，寧 凌. 中國對蝦產業分析[J]. 海洋開發與管理，2009，26（4）：31-35.

[3]王澤河，張麗麗，張秀花，等. 雙輥式對蝦粗定向方法的試驗與研究[J]. 食品與機械，2013（6）：99-101.

[4]趙玉達，張秀花，王澤河，等. 對蝦背腹定向裝置試驗[J]. 江蘇農業科學，2014，42（2）：356-358.

[5]高星星，譚鶴群. 淡水魚頭尾與腹背定向裝置的設計與試驗[J]. 農業工程學報，2011，27（5）：342-347.

[6]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.

[7]徐諧慶，饒洪輝，李 濤，等. 全自動蓮子剝殼去皮機的設計與試驗[J]. 農業工程學報，2014，30（13）：28-34.

[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.