對蝦逐只分離裝置設計與試驗

熊 師 趙 博 胡小鹿 李 佳 周利明 方憲法

(1.中國農業大學工學院， 北京 100083；2.中國農業機械化科學研究院土壤植物機器系統技術國家重點實驗室， 北京 100083；3.中國農村技術開發中心， 北京 100045)

0 引言

對蝦是主要水產品之一，我國是世界上最大的對蝦生產國[1-2]，實現對蝦加工環節的機械化和自動化對水產行業的發展具有重要意義。對蝦剝制的加工流程主要包括：清洗、分級、排序定向、去頭、開背、去腸線、剝殼、蝦仁收集[3-7]。夾具轉盤式對蝦剝制機[8-9]可一次性完成開背、去腸線和剝殼環節。該機器采用逐只順序剝制的方式，需要在喂入過程將對蝦以背部朝上、尾部伸出的姿態逐只放置于輸送V型槽內，目前這一喂入工序只能依靠人工完成，其勞動強度大，極大地限制了機器效率。先將對蝦分離至單只狀態、再逐只定向是實現夾具轉盤式對蝦剝制機物料自動喂入的有效方法。逐只分離是對蝦單只定向的前提，因此需要研究對蝦的逐只分離方法，實現對蝦的逐只自動喂入，以擺脫對人工喂入的依賴。

國內外關于對蝦剝制預處理的研究主要集中在分級、去頭、開背和剝殼等方面[10-14]，在對蝦逐只分離、定向喂入方面的研究較少。文獻[15]根據對蝦的體型特征及摩擦特性，設計了對輥式對蝦定向機，通過輥子上凸棱與凹槽的配合實現腹背定向，但該機未考慮定向前的喂入環節，仍需人工逐只喂入。文獻[16]研究了對蝦在不同材料上的頭尾和腹背定向的摩擦特性，為對蝦頭尾和腹背定向裝置的設計提供了基礎數據。文獻[17]設計了對蝦平鋪單?；b置，采用三級振動分離原理，通過調節振動頻率和振動篩回角度控制對蝦的分散效果，該裝置可使相互粘連的對蝦分散，以便于后續的圖像識別，但無法實現逐只順序分離。與逐只分離方法相類似的研究多見于精量播種領域，機械式精量排種器主要有指夾式[18-19]、輪勺式[20]、勺夾式[21]等，其單粒取種的方式可為對蝦逐只分離研究提供參考。

為實現對蝦逐只自動排出，本文基于對蝦外形結構尺寸的分析，研究伸縮式夾持與分離方法，設計一種適合去頭對蝦的逐只分離裝置，以期實現夾具轉盤式對蝦剝制機的機械化喂入。

1 結構和工作原理

1.1 總體結構

逐只分離裝置主要由排料導管、前殼、進料口、側殼、分隔面、夾持器、導引勺、輪盤、后殼和傳動機構等組成，如圖1所示。導引勺均勻分布在輪盤上，每個導引勺內均嵌套一個夾持器。在傳動機構的驅動下，導引勺和夾持器可隨輪盤轉動。前殼設有進料口和分隔面，分隔面可將排料口與進料口分隔開，有效防止剛進料的蝦直接排出。后殼作為安裝固定的部件，為輪盤的旋轉提供支撐。

圖1 分離裝置結構圖Fig.1 Structure of separation device1.排料導管 2.前殼 3.進料口 4.側殼 5.分隔面 6.夾持器 7.導引勺 8.輪盤 9.傳動機構 10.后殼

1.2 工作原理

對蝦逐只分離裝置通過夾持器前后伸縮實現對蝦的單只夾持與分離。該裝置的工作過程依次劃分為填充區、夾持區、清理區、分離區、排料區，如圖2所示。

圖2 工作區域劃分Fig.2 Work area division1.分隔面 2.進料口 3.導引勺 4.輪盤 5.夾持器

填充：多只對蝦從進料口喂入，沿分隔面進入填充區，然后滑入導引勺。導引勺可對蝦體姿態進行約束，使對蝦進入夾持器與輪盤面之間的伸縮空間。夾持器受到后殼軌道的支撐，在轉動過程中夾持器隨著后殼軌道的起伏變化而前后伸縮。

夾持：導引勺隨輪盤逆時針旋轉進入夾持區。夾持區內的后殼軌道高度下降，夾持器在彈簧張力的作用下向后移動，伸縮空間逐漸減小，直至單只對蝦被夾持。

清理：進入清理區后，導引勺上未被夾持的對蝦由于導引勺坡度的增大而滑落至填充區，完成多余對蝦的清理。

分離：導引勺進入分離區后，分離區內的后殼軌道高度增大，夾持器在軌道支撐力的推動下逐漸向前移動，夾持器與輪盤面的距離增大，使得對蝦與夾持器分離。

排料：對蝦從分離區下滑至排料區，從排出口落下，實現對蝦的單只排出。導引勺繼續轉動進入下一個夾持與分離循環。

2 對蝦幾何參數

夾具轉盤式對蝦剝制機所用的對蝦一般為去頭后的中大型蝦。為保證逐只分離裝置的適應性，測量了去頭的中大型南美白對蝦自然狀態下的弧長(蝦背部輪廓曲線的長度)、弦長(蝦前端與尾部間的距離)、寬度(蝦背部與腹部間的距離)和厚度(蝦兩側面間的距離)。由于對蝦尾部厚度小于1 mm，不適合夾持，因此尾部不作為厚度的測量范圍。測量結果如表1所示。

表1 去頭對蝦的幾何參數Tab.1 Geometric parameters of deheading prawn mm

3 關鍵部件結構設計

3.1 輪盤

輪盤為光滑圓盤，如圖3所示，其材料為ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)塑料。在輪盤表面對去頭對蝦進行了滑動摩擦試驗，試驗測得動摩擦因數的范圍為0.42～0.74，最大摩擦角為36.5°。為確保輪盤上的對蝦能自動滑落，輪盤與水平面的夾角(輪盤傾角)α應大于36.5°。

圖3 輪盤結構示意圖Fig.3 Structure diagram of roulette

對蝦在平面上一般呈側面貼合平面的姿態，以該姿態滑至填充區可使夾持范圍限定在對蝦厚度的方向，有利于提高夾持穩定性。為確定輪盤的最佳傾斜角度，將輪盤盤面與水平面的夾角分別設置為40°、50°、60°、70°、80°和90°，進行對蝦下滑試驗。試驗發現傾斜50°時對蝦不僅能全部滑落而且下滑時不易發生翻轉，且能夠以側面接觸的姿態滑至底部，因此輪盤傾角α設計為50°。

3.2 夾持器

夾持器是夾持和分離對蝦的關鍵部件，包括夾持片、伸縮軸、彈簧、底座和滾動軸承，如圖4所示。在輪盤的旋轉驅動下，夾持器通過滾動軸承沿后殼軌道運動。由于軌道高度的變化，彈簧的壓縮量發生變化。夾持片在彈簧壓縮力的驅動下前后伸縮，實現對蝦的夾持與分離。

圖4 夾持器結構示意圖Fig.4 Structure diagram of clamper1.夾持片 2.伸縮軸 3.彈簧 4.底座 5.滾動軸承

3.2.1夾持片

夾持片是夾持對蝦的直接接觸部件，如圖5所示，其夾持長度需依據對蝦外形參數確定。一般情況下，夾持長度超過對蝦寬度的0.6倍可穩定夾持單只蝦，夾持長度超過對蝦寬度的1.5倍可能會夾持兩只蝦。因此根據單只夾持要求，夾持長度s需滿足

0.6smax

(1)

式中smin——對蝦最小寬度，mm

smax——對蝦最大寬度，mm

圖5 夾持片結構示意圖Fig.5 Structure diagram of clamping slice

根據表1可得15.1 mm

對蝦腹部截面為類似楔形的輪廓，因此平面形夾持片在夾持過程中與對蝦的接觸面積小，同時考慮到對蝦表面光滑，會增大對蝦滑落的可能性。因此為提高夾持片與對蝦的接觸面積，夾持片表面形狀設計為半徑r=18 mm、弦長l=16 mm的圓弧面，如圖5所示。

3.2.2彈簧

夾持片與輪盤面的距離在填充區取得最大值h1，在清理區取得最小值h2。由于從對蝦體厚度方向進行夾持，h1需滿足

h1=hmax+Δ=15.4+Δ=16.4～17.4 mm

(2)

式中hmax——去頭對蝦的最大厚度，mm

Δ——夾持冗余量，取1～2 mm

h1根據實際加工需要取整為17 mm。夾持片與輪盤面的距離值為最小值h2時，彈簧可達到最大伸長量，即彈簧的壓縮量為零。為確保最小厚度的對蝦能被夾持，h2需小于6.8 mm，此時彈簧的壓縮量為6.8-h2，彈簧的壓縮量需保證彈簧產生對蝦體足夠的壓力以防止對蝦滑落。最終h2取3 mm，經計算3.8 mm的彈簧壓縮量可使所選彈簧滿足要求。因此夾持器的伸縮行程為：h=h1-h2=14 mm。

由伸縮行程可知彈簧的最大壓縮量為14 mm，彈簧的設計需滿足被夾持的對蝦既不滑落也不會受壓破損。對蝦被夾持時的靜態受力分析如圖6所示。

圖6 對蝦受力分析Fig.6 Force analysis of prawn1.夾持片 2.對蝦 3.輪盤面

保證對蝦不滑落受力關系應滿足

(3)

式中μ——對蝦在輪盤面的動摩擦因數

k——彈簧的彈性系數，N/mm

x1——彈簧的壓縮長度，mm

m——去頭對蝦質量，kg

F——夾持片對對蝦的壓力，N

FN——輪盤面對對蝦的支持力，N

f1——對蝦受到輪盤面的摩擦力，N

f2——對蝦受到夾持片的摩擦力，N

得到k≥0.022 N/mm。因此選擇彈性系數為0.2 N/mm的彈簧可滿足需要。彈簧壓縮量最大時，對蝦受到的壓力最大，為2.8 N。由對蝦壓縮試驗的結果可知，對蝦在不破損狀態下所能承受的最小載荷為19.8 N，因此彈簧的設計不會造成對蝦損傷。

3.3 導引勺

3.3.1結構

由于對蝦為近似圓弧的外形結構，對蝦易出現背部朝上的凸形和腹部朝上的凹形兩種姿態。為適應不同姿態，設計了導引勺如圖7所示。導引勺由承托面、后弧面和滑槽構成。滑槽貫穿導引勺，作為夾持器伸縮軸的安裝位置。承托面是導引勺的主要功能部位，用以承托對蝦并引導對蝦進入伸縮空間。

圖7 導引勺結構示意圖Fig.7 Structure diagram of guide spoon1.后弧面 2.承托面 3.滑槽

3.3.2承托面曲線設計

承托面的輪廓曲線是根據對蝦外形結構設計的。由于對蝦尾節的厚度極小，為無法夾持區域，因此去掉對蝦尾節長度后得到去頭對蝦的有效輪廓為弧長90.3 mm、弦長83.8 mm的圓弧。對蝦存在凸形和凹形兩種姿態，其有效輪廓分別為圓弧ABC和圓弧CEF，將兩者結合起來可得到曲線ABCEF，如圖8所示。理想狀態下，凸形對蝦可貼合在曲線ABC上，凹形對蝦可貼合在曲線CEF上。

圖8 設計曲線Fig.8 Curve of design

3.3.3承托面曲線優化

為保證在曲線ABCEF上的對蝦能夠被夾持，夾持片需置于曲線中點C處。但是當曲線上同時存在兩種姿態的對蝦時，兩只對蝦各占夾持片寬度的一半，因此夾持片會同時夾住兩只蝦，這樣就達不到逐只分離的目的。

為解決該問題，通過相互交叉使兩曲線融合的方法來改進曲線設計。圖8中有曲線ABC和曲線CEF，取弧BC的中點D。將曲線CEF從C點平移至D點，得到新曲線ABDCEF，如圖9所示。DC之間的交叉區域設為夾持片的夾持區，夾持片寬度d需滿足d≤lDC=20.1 mm。

圖9 優化曲線Fig.9 Curve of optimization

為提高曲線ABDCEF對未被夾持蝦的清理能力，取弧AB的中點G，截去弧AG后得到曲線GBDCEF。當凸形蝦貼合在弧GBD上時，弧線的縮短會導致凸形蝦重心不穩，因此未被夾持的凸形蝦易掉落。

3.3.4承托面曲線數學模型

以D點為原點建立平面直角坐標系，計算得到各點坐標為：G(-44.2 mm,0)、B(-22.1 mm,3.7 mm)、D(0,0)、C(19.8 mm,-10.9 mm)、E(41.9 mm,-14.6 mm)、F(83.8 mm,0)。通過曲線擬合得出擬合曲線如圖10所示，其決定系數為0.977 7。因此導引勺承托面曲線的數學模型為

f(x)=0.000 094x3-0.003 341x2-0.361 7x-1.347
(-44.2 mm≤x≤83.8 mm)

(4)

圖10 擬合曲線Fig.10 Curve of fitting

3.3.5承托面曲線的可行性分析

兩種姿態的對蝦在曲線GBDCEF上的分布情況如圖11所示。

圖11 對蝦在曲線上的姿態Fig.11 Posture of prawn on curve

圖11a和圖11b表示凸形對蝦1先貼合曲線。由于接觸面GBDC仍占對蝦1弧長的3/4，因此對蝦1不會掉落。由于DC區域已被占用，隨后而至的凹形對蝦2存在兩種情況：緊靠凸形蝦背部置于DCEF區域，由于夾持片夾持空間的長度是根據逐只對蝦寬度設計的，因此凹形蝦不會被夾持；貼合曲線CEF并在C點與凸形蝦端部接觸，此時凹形蝦在F處伸出一段，由于夾持片寬度不超過DC長度，因此只會夾持凸形蝦。未被夾持的凹形蝦在進入清理區后會自然滑落，實現逐只分離。

圖11c和圖11d表示凹形對蝦2先貼合曲線。由于DC區域已被占用，隨后而至的凸形對蝦1也存在與上述原理一致的兩種情況，因此夾持片只會夾持凹形蝦。在圖11d情況下，由于接觸面CBD只占對蝦1弧長的1/2，則對蝦1重心處于曲線邊緣容易掉落，提高了清理對蝦的能力。因此曲線GBDCEF可滿足對蝦夾持與分離過程的需求。

3.3.6導引勺傾斜設計

導引勺在輪盤上的排布如圖12所示。將導引勺向左傾斜以擴大張角，有利于對蝦順利滑入輪盤底部的導引勺承托面上。承托面曲線兩端點的連線GF為導引勺主軸線，GF與輪盤外圓切線FH間的夾角即為導引勺的傾斜角β。從分離裝置整體工作過程考慮，β不宜過大。綜合考慮導引勺傾斜角β設計為120°。

圖12 導引勺排布Fig.12 Arrangement of guide spoon

3.4 后殼

后殼為分離裝置的支撐部件，其表面分布的環狀軌道為夾持器提供滾動路徑，如圖13所示。夾持器與后殼環狀軌道組成圓柱凸輪機構。后殼上的環狀軌道分為高軌道(遠休止)、收縮軌道(回程)、低軌道(近休止)和伸長軌道(推程)4個區域，依次推動夾持器實現對蝦的填充、夾緊、保持和分離。夾持器的伸縮行程即是夾持器的推程和回程位移，為14 mm。

圖13 后殼結構示意圖Fig.13 Structure diagram of back shell

當導引勺從豎直狀態轉動至水平狀態時，夾持器的填充過程就此結束，隨后進入夾持區，因此導引勺處于水平狀態的位置即為高軌道與收縮軌道的分界線。根據分離裝置的工作原理，在排料區和填充區時夾持器位于高軌道，在夾持區時夾持器位于收縮軌道，在清理區時夾持器位于低軌道，在分離區時夾持器位于伸長軌道。因此結合導引勺傾斜角度和分離裝置的工作區分配，收縮軌道和伸長軌道所占區域角度設計為30°，高軌道設計為120°，低軌道設計為180°。

3.5 分離裝置轉速

根據分離裝置的工作原理，進入清理區后，導引勺上未被夾持的對蝦會在自身重力的作用下沿盤面下滑，實現逐只分離。分離裝置的轉動對對蝦產生離心力作用，離心力過大可能會抵消對蝦重力引起的下滑效果。因此分離裝置的轉速會影響清理區的對蝦清理過程。

在清理區，未被夾持的對蝦在轉動角超過60°時就不再受到導引勺的支持作用，因此轉動角60°～120°的區域為對蝦的自由下滑區，該區未被夾持對蝦在輪盤面方向的受力分析如圖14所示。

圖14 對蝦的動態受力分析Fig.14 Dynamic stress analysis of prawn

為保證轉動過程中未被夾持對蝦能順利下滑，需滿足

(5)

式中n——分離裝置轉速，r/min

r1——對蝦到圓心的距離，m

FG——對蝦重力沿輪盤面向下的分力，N

Fl——對蝦受到的離心力，N

f——對蝦受到的摩擦力，N

θ——輪盤轉動角，(°)

γ——摩擦力f與水平線的夾角，(°)

根據對蝦受力分析可知，隨著轉動角θ的增大，γ也逐漸增大。當θ為90°時，f、Fl與FG處于同一直線上，sinθ與sinγ均為最大值1，可得n<41.6 r/min。

綜上所述，對蝦逐只分離裝置的轉速設計為n<41.6 r/min。

4 試驗材料與方法

4.1 試驗材料

試驗材料為世界上養殖量最大的南美白對蝦，采購的大型對蝦規格為20～50只/kg。對每只對蝦進行去頭處理。

4.2 試驗條件

為測試對蝦逐只分離裝置的分離效果，搭建了對蝦逐只分離裝置試驗臺，主要由喂料斗、喂料軟管、逐只分離裝置、臺架和輸送帶組成，如圖15所示。試驗臺上設置兩套逐只分離裝置可實現雙通道的排料，輸送帶勻速運動可記錄對蝦的逐只排出效果。

采用圖像采集系統記錄分離裝置的工作過程，用以分析對蝦的夾持與分離過程。該圖像采集系統如圖16所示，由攝像頭和計算機組成。由于對蝦分離裝置的轉速低，無需采集高速圖像，因此試驗采用c920 USB型攝像頭作為圖像采集設備，使用基于LabVIEW開發的圖像采集軟件進行圖像抓取與存儲，圖像抓取間隔設置為100 ms。

圖16 圖像采集系統Fig.16 Image acquisition system

4.3 試驗方法

根據對蝦逐只分離裝置的設計可知，裝置對對蝦的尺寸和姿態具有自適應能力，因此物料個體變化不作為試驗因素。物料的喂入是對蝦從裝滿對蝦的喂料斗自動滑入分離裝置的過程，轉速越大對蝦下滑越快，喂入量可隨轉速自動變化，因此喂入量不作為試驗因素。所以影響分離裝置工作性能的主要因素是轉速。以分離裝置轉速為因素，以重排率、漏排率、對蝦破損率、排料速率為指標，進行對蝦逐只分離裝置的單因素試驗。

試驗前將攝像頭放置在分離裝置的輪盤面正上方，將喂料斗中裝滿對蝦，然后依次啟動輸送帶、圖像采集系統和分離裝置，試驗開始。試驗臺每次排料結束后測量輸送帶上相鄰對蝦間的距離，記錄破損對蝦個數和排出的對蝦總個數，并記錄每次試驗的時間。

輸送帶上的對蝦理論間距k1計算公式為

(6)

式中v1——輸送帶速度，m/s

將試驗記錄的對蝦實際間距與理論間距進行對比，并參考GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》，計算得到重排率和漏排率。

對蝦破損率和排料速率計算式為：

破損率

(7)

單套分離裝置排料速率

(8)

式中w——對蝦破損數，只

W——排出對蝦的總數，只

t——每次試驗時間，min

試驗分為轉速10、20、30、40 r/min共4組，每組試驗重復進行5次，對試驗結果取平均值。

5 試驗結果與分析

5.1 工作過程分析

為驗證對蝦逐只分離裝置的設計可行性，采用圖像采集系統記錄了分離裝置工作過程的圖像，然后對整個夾持與分離循環過程進行分析。

5.1.1填充、分離與排料過程

圖17記錄了對蝦在填充區、分離區與排料區的運動過程。對蝦1和對蝦2從喂料口進入后呈側面貼合盤面的姿態向導引勺滑落。然后對蝦1先滑入伸縮空間，對蝦2滑向另一個導引勺，隨后將進入下一個伸縮空間。被夾持的對蝦3逐漸與夾持片分離，在排料區脫離導引勺，隨后從排出口滑出。因此對蝦分離裝置的填充、分離與排料過程滿足設計要求。

圖17 填充、分離與排料過程Fig.17 Filling, separation and discharging process

圖18 夾持與清理過程Fig.18 Clamping and cleaning process

5.1.2夾持與清理過程

圖18記錄了對蝦從夾持區進入清理區的變化過程。對蝦1和對蝦2滑入同一導引勺內，兩只蝦前后排列，但只有對蝦1被夾持片夾持，對蝦2未被夾持，這證明了夾持片夾持長度設計的合理性。對蝦3為另一導引勺上未被夾持的蝦，隨導引勺進入清理區后，由于導引勺坡度增大，對蝦3在重力作用下滑落。因此夾持與清理過程滿足設計要求。

5.1.3導引勺適應性分析

圖19顯示了對蝦在導引勺上的兩種姿態。凸形蝦1、4和凹形蝦2、5、6、8均貼合在導引勺上，被夾持片穩定夾持。凹形蝦6和凸形蝦7被同一導引勺承托，凹形蝦2和凸形蝦3也被同一導引勺承托，該現象與圖11d的分析一致，處于伸縮空間的對蝦2和對蝦6被夾持，處于伸縮空間外的對蝦3和對蝦7會隨著導引勺的繼續轉動而滑落。因此導引勺的設計適合對蝦的外形特征，能夠承托凸形和凹形兩種姿態的對蝦。

圖19 導引勺上對蝦姿態Fig.19 Prawn posture on guide spoon

5.2 單因素試驗

按照試驗方法中所述過程計算得到的各試驗指標如表2所示。

表2 對蝦逐只分離裝置試驗結果Tab.2 Experimental results of single separation device

由表2可知，隨轉速的增加，重排率、漏排率、破損率和排料速率均增大。

當轉速超過30 r/min后，轉速過快使對蝦經過清理區的時間縮短，多余對蝦在清理區未來得及滑落就進入下一環節，導致導引勺上存在多只蝦，因此轉速低于30 r/min時重排率較優。

夾持器未能夾持住對蝦是出現漏排的主要原因，較低的轉速有利于降低漏排率。從喂料口和清理區滑落的對蝦會與導引勺和夾持片產生碰撞，同時處于輪盤邊緣的對蝦在旋轉過程中會與側殼產生摩擦。轉速的增加會加大碰撞力和摩擦力，導致對蝦破損增多。轉速在10～20 r/min時破損率不超過3%，處于較低水平。

轉速增加會提高單位時間內經過排料口的夾持器數量，導致對蝦排出量增多，因此轉速增加有利于提高排料速率。從實際生產效率考慮，排料速率越高越好。

因此綜合考慮，對蝦逐只分離裝置的最優轉速為20 r/min，對應的重排率為9.2%、漏排率為7.7%、對蝦破損率為2.5%、每套逐只分離裝置的排料速率為164只/min。

6 結論

(1)根據對蝦外形特性，設計了基于伸縮式夾持與分離方法的對蝦逐只分離裝置，該裝置能夠將對蝦雜亂無序的狀態變為逐只輸出的狀態，解決了對蝦無法逐只自動喂入的問題。

(2)確定了對蝦逐只分離裝置的主要結構和關鍵參數，通過圖像采集系統對分離裝置的工作過程進行了分析，結果表明該裝置結構設計滿足要求。

(3)對對蝦逐只分離裝置進行了單因素試驗，得出其最優轉速為20 r/min，在該轉速下重排率為9.2%、漏排率為7.7%、對蝦破損率為2.5%、排料速率為164只/min。