對蝦頭尾與背腹定向的摩擦特性

張秀花++趙慶龍++王澤河++楊淑華++弋景剛

摘要：排序定向是對蝦機械化去頭和自動化剝殼的重要前續工作。為研制對蝦頭尾和背腹定向裝置，針對分級后長度為110～130 mm南美白對蝦的體型特征及摩擦特性進行試驗研究。利用弓弦法測得對蝦背部平均彎曲半徑為40.4 mm，利用稱質量法測得對蝦的重心位于第1節與第2節交界處且靠近背部的部分，可利用對蝦自然彎曲導致的重心偏移進行背腹定向。結果表明：南美白對蝦相對于Q235鋼板，對蝦順腹部節方向的摩擦角小于逆腹部節方向的摩擦角；頭胸部分的摩擦角小于腹部的摩擦角；對蝦尾節部分的摩擦角最大；對蝦各部分的摩擦角具有差異性，但相差不大，利用體長各部分的摩擦難以進行頭尾定向。對蝦在帶有凹槽的尼龍表面上滑動時，背部的動摩擦因數全部小于1，腹部的動摩擦因數全部大于1，且腹部的摩擦力大于側面的摩擦力與重力之和，適于做背腹定向材料。本研究為確定定向原理和設計定向裝置提供基礎數據。

關鍵詞：對蝦；定向排序；摩擦特性；腹背

中圖分類號：S985.2+1；TS254.3 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）12-0344-03

收稿日期：2015-11-06

基金項目：海洋公益性行業科研專項（編號：201205031）；河北省科技支撐計劃（編號：12227169）；河北省高等學校科學技術研究項目（編號：ZD2016111）；河北農業大學理工基金（編號：LG201501）。

作者簡介：張秀花（1972—），女，河北邢臺人，博士，副教授，主要從事機械設計與理論、農業機械技術裝備研究。E-mail：zhang72xh@163.com。

國內對蝦剝殼以手工剝殼為主，勞動強度大、生產效率低，且易使產品受到細菌污染，影響產品的鮮度和品質[1-3]。對蝦排序定向是對蝦機械化去頭和自動化剝殼的重要前續工作[4]。生物物料定向原理主要包括3個方面：利用生物自身組織構造的差異進行定向整理排列；利用生物重心的位置及生物自身的不對稱性進行生物的定向整理；利用振動推進法[5]、差動法（生物重心位置、生物不同部位組織的差異、各部分摩擦角度的不同）與旋轉圓盤相結合進行定向整理。物料的定向[6]均利用物料本身的物理特性，借助現代先進設備，最終完成對物料的定向。本試驗研究對蝦的體型特征及摩擦特性，以期為確定定向原理和設計定向裝置提供基礎數據。

1對蝦的體型參數

1.1試驗材料

鮮活南美白對蝦購自河北省保定市水產市場，蝦體長為110～130 mm，蝦仁飽滿，肉質鮮嫩。

1.2對蝦彎曲度

對蝦腹部具有一定彎曲度，其長軸方向呈圓弧狀，截面呈類似楔形。使對蝦處于自然狀態，對對蝦背輪廓進行描繪（圖1）。以“弓弦法”測量原理（圖2）[7]為基礎，采用精度為0.02 mm的游標卡尺進行測量，所得圓弧半徑近似為蝦背的彎曲半徑R1。

由R2=[JB（（][SX（]L2[SX）][JB））]2+（R-H）2，可得：

[JZ（]R=[SX（]H2[SX）]+[SX（]L28H[SX）]=[SX（]L2+4H28H[SX）][JZ）][JY]（1）

利用“弓弦法”對長度為110～130 mm的20只對蝦進行測量，得到對蝦背部的平均彎曲半徑為40.4 mm。可利用對蝦自然彎曲導致的重心偏移進行背腹定向。

1.3重心

通過切割稱量與懸掛等方法測定對蝦重心所在位置。采用解剖刀垂直于對蝦對稱面將其切割，采用精度為0.01 g的電子天平稱量2個部分的質量。經過多次測量，所測定對蝦的重心所在截面位于第1節與第2節交界處。在對蝦重心所在截面處附近，利用細線對對蝦進行懸掛測量，經過多次不同位置的懸掛測量，發現對蝦的重心位于靠近背部的部分（圖3）。

[FK（W8][TPZXH3.tif]

2對蝦摩擦特性試驗

對蝦一般分為頭胸部、腹部、尾節3大部分，腹部組織豐富，尾部肌肉組織較少，對蝦各部分的生物組織構造不同，決定了其頭胸部、腹部、尾部的摩擦特性具有一定差異。對蝦腹部有多對腹足，形狀不規則，表面不光滑，蝦背和側面表面光滑，因此蝦背和蝦腹處的摩擦特性存在差異。

2.1試驗材料

鮮活南美白對蝦購自河北省保定市水產市場，蝦體長為110～130 mm，質量為11.5～12.0 g，剔除死亡個體，挑選蝦仁飽滿、肉質鮮嫩的對蝦進行試驗。Q235鋼板、表面光滑的尼龍板、表面刻有凹槽的尼龍板、食品及橡膠板各1塊。

2.2試驗設備及用具

計算機；量程為3 N，精確到0.01 N的數顯推拉力計；解剖刀；冷凍箱。

2.3試驗方法

利用伺服電機控制升降臺的前進，將數顯推拉力計放置在升降臺上，帶動對蝦勻速前進，測出對蝦相對于不同表面的摩擦力F。利用公式F=μmg求出摩擦因數μ，利用公式μ=tanα求出對蝦相對于不同表面的摩擦角α。

測量完整南美白對蝦順腹部節、逆腹部節相對于Q235鋼板的摩擦力。測量用解剖刀分割后的頭胸部、腹部、尾節相對于Q235鋼板的摩擦力。上述情況分別進行干燥表面和給水潤滑表面的測量，并分別測量3次求均值。

將去頭后的對蝦置于冷凍箱內，進行-18 ℃冷凍30 min預處理，之后分別放置在表面光滑的尼龍板、食品級橡膠板、表面刻有凹槽的尼龍板等接觸材料上進行摩擦力的測量。試驗中采用變頻器控制電機轉速，將對蝦滑動速度比較精確地控制在2.5 mm/s。

3摩擦試驗結果與分析

3.1對蝦體長方向的摩擦特性

順腹部節對蝦摩擦因數測定數據見表1，逆腹部節對蝦摩擦因數測定數據見表2，對蝦頭部摩擦因數測定數據見表3，對蝦腹部摩擦因數測定數據見表4。

根據上述結果計算各部分摩擦角的平均值（表5）。由表5[CM（25*5]可知，對蝦順腹部節的摩擦角小于逆腹部節的摩擦角，對蝦

頭胸部的摩擦角小于腹部的摩擦角，對蝦尾節的摩擦角最大，給水潤滑時的對蝦摩擦角小于干燥情況下的對蝦摩擦角。對蝦各部分的摩擦角具有差異性，但摩擦角相差不大，利用蝦體各部分的摩擦難以進行頭尾定向。

將對蝦分別以長軸垂直于下滑方向、長軸平行于下滑方向的姿態置于Q235振動臺面進行試驗（圖4、圖5）[8-12]。試驗過程中下滑的對蝦最終無特定下滑姿態，對蝦呈頭部朝下下滑姿態的現象不明顯，即在振動臺面上對蝦頭尾定向效果不明顯。

3.2對蝦背腹摩擦特性

將經-18 ℃冷凍30 min的去頭對蝦分別放置在表面光滑的尼龍板、食品級橡膠板、表面刻有凹槽的尼龍板等接觸材料上進行試驗，所測得的摩擦力見表6。圖6為根據表6計算得到的對應動摩擦因數。

由圖6可知，在光滑的尼龍板上，對蝦各面的動摩擦因數相差不大；在光滑的橡膠上，對蝦各面的動摩擦因數不同，且腹部的動摩擦因數均大于側面，對蝦側面、腹部與橡膠表面的動摩擦因數均值分別為0.467、0.603；在帶有凹槽的尼龍表面上，對蝦各面的動摩擦因數不同，腹部的動摩擦因數均大于側面，對蝦側面、腹部與帶凹槽尼龍表面的動摩擦因數均值分別為0.625、1.759。側面的動摩擦因數均小于1，腹部的動摩擦因數均大于1，且腹部的動摩擦因數均大于側面動摩擦因數與1之和。可見，當對蝦側面與帶有凹槽的尼龍表面接觸時，摩擦力均小于自身重力，而腹部與之接觸時摩擦力均大于側面接觸時的摩擦力與重力之和。試驗結果表明，可選取帶有凹槽的尼龍表面作為對蝦背腹定向的材料。

4結論

針對分級后長度為110～130 mm的南美白對蝦，利用弓弦法測得對蝦背部的平均彎曲半徑為40.4 mm，利用稱質量法測得對蝦的重心位于第1節與第2節交界處且靠近背部的部分，可利用對蝦自然彎曲導致的重心偏移進行背腹定向。

南美白對蝦相對于Q235鋼板，對蝦順腹部節方向的摩擦角小于逆腹部節方向，頭胸部分的摩擦角小于腹部，對蝦尾節部分的摩擦角最大。相對于Q235鋼板，對蝦各部分的摩擦角具有差異性，但相差不大，利用體長各部分的摩擦難以進行頭尾定向。

對蝦在帶有凹槽的尼龍表面上滑動時，側面的動摩擦因數均小于1，腹部的動摩擦因數均大于1，且腹部的摩擦力大于側面的摩擦力與重力之和，適于做背腹定向材料。

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