仿照對蝦形體特征定向裝置原理的可行性分析

吳翠楊，孫傳聰，鄒田甜，甄珍

山東藥品食品職業學院（威海 264200）

我國對蝦的養殖量與貿易量均位于世界前列，是世界上對蝦生產大國。發展對蝦機械化加工能夠提高對蝦整體的綜合效益與產品附加值，具有重大意義。對蝦機械化加工一般來說具有清洗、分級、排序定向、去頭、開背、剝殼、蝦仁收集、成品包裝等流程。對蝦排序定向是對蝦機械化加工的輔助性工序，為后期對蝦連續化剝殼提供一種連續高效的進料方式，具有重要意義。

1 對蝦背腹定向原理的理論分析

進行定向的對蝦是經過分級之后的，所以對蝦具有統一的大小與厚度。選取一定量的對蝦，放置于光滑實驗平臺，借助于凸輪機構施加驅動力。根據南美白對蝦各部分摩擦特性的不同，以及對蝦重心靠近對蝦頭胸部分的生理特征，運用振動推進的原理對對蝦進行頭尾定向。假設對蝦有3種不同體位，即：對蝦長軸垂直于蝦體前進方向；對蝦長軸平行于蝦體前進的方向蝦體的頭胸部朝上；對蝦長軸平行于蝦體前進的方向蝦體的頭胸部朝下。分別對對蝦進入振動臺面的3種體位進行分析，從而對對蝦頭尾定向的可行性進行論證。

在對蝦落入振動臺面以長軸垂直于前進方向的情況時，受力簡圖如所圖1示。對蝦所受重力G（N），振動臺面上的支承反力N（N），在振動臺面上所受的摩擦力f（N），振動牽引力F（N），在這4個合力的作用下，振動篩面角為α，F與臺面的法向夾角為β，對蝦的質心為O。通過對對蝦的受力分析，可以得到各個力對質心的矩，如式（1）所示。

圖1 對蝦在振動臺面上受力分析簡

在平行于振動臺面這個方向上，對蝦所受的重力G、振動牽引力F、振動臺面上的支承反力N這3個力對質心的矩為零，因此在平行于振動臺面的方向上，各個力對質心的合力矩在數值上就等于對蝦所受摩擦力對質心的矩。

假設對蝦的振動的過程中始終在振動的臺面上進行，因此分析振動臺面上摩擦力對質心的矩，如圖2（a）所示。當對蝦進入振動臺面上的初始體位，頭部朝前為長軸垂直于蝦體前進方向時，摩擦力對質心的矩如式（2）所示（以對蝦頭胸部朝左為例；設逆時針方向為正）。

圖2 對蝦所受摩擦力簡圖

以對蝦的質心為原點，假定對蝦的長軸為X軸，建立坐標系在振動臺面上。重力G和牽引力F是主要影響摩擦力的因素，假設f(x)為對蝦在距離質心x處的截面面積函數，則在截面處重力對質心的矩為g×ρ1(cosα)xfxdx（左側），或者是g×ρ2(cosα)xfxdx（右側）。

整理得，

在式（3）~（5）中：摩擦系數μ1為對蝦的質心左側部分，無量綱；摩擦系數μ2為對蝦的質心左側部分，無量綱；蝦體密度ρ1為對蝦的質心左側部分，kg/m3；蝦體密度ρ2對蝦的質心右側部分的，kg/m3。

分析對蝦左右兩側部分，對蝦摩擦力對質心矩的大小，由于μ1＜μ2，r＜l，ρ1＜ρ2，因此，MO為非零數值。對蝦在前進下行的過程中，從理論上看，是可能實現蝦體頭胸部繞質心向前轉動的。

當對蝦以長軸平行于蝦體前進方向落入振動臺面上時（見圖2b），以同樣的機理，各個力對質心的矩為M’O=fm×m-fn×n。即：

2 對蝦背腹定向原理的實驗分析

對蝦在腹部的短軸方向上具有不對稱性，M’O的值不為零，則對蝦在下行運動過程中，會在理論上實現向左翻轉或者向右翻轉，最終形成一種對蝦頭胸部向前運動的姿態。

當對蝦落入振動臺面上，其長軸平行于前行的方向并且頭胸部朝前時，由于對蝦在短軸方向上具有不對稱性，對蝦在下行過程中也會向左或者向右翻轉，在這種情況下，又轉化成圖2（a），最終實現對蝦向前下行。

當對蝦下滑到一定程度時，到達V型面上，隨著振動推進，對蝦逐漸下滑，從而進行頭尾的定向，蝦體的受力分析圖如圖3所示。

圖3 對蝦進入V型面的受力分析

圖3中，蝦體在振動滑槽上所受摩擦力f，滑槽對蝦的支撐力N，驅振力F，AB為滑槽對對蝦的支撐點連線，設蝦頭至軸線AB部分質心為O1，質量為m1，軸線AB至蝦尾部分質心為O2，質量為m2，O1到軸線AB的距離為l1，O2到軸線AB的距離為l2，滑槽傾角為α，O為對蝦的質心，通過受力分析可以求得各力對旋轉軸線的合力矩，如式（7）所示。

由力學知識及圖3的受力分析可知，摩擦力f，滑槽的支撐力N，驅振力F對旋轉軸線AB的力矩為零，故對軸線AB的合力矩在數值上等于質心O1，O2對軸線AB的矩，以蝦尾朝前為例，設力矩逆時針為正。

質心O1，O2對軸線AB的合力矩如式（8）所示。

式中：MAB為各力對旋轉軸線AB的合力矩，N·m；m1為質心O1的質量，kg；g為重力加速度，N/kg；l1為O1到軸線AB的距離，m；αi為對蝦旋轉過程中與水平面之間的夾角，°；m2為質心O2的質量，kg；l2為O2到軸線AB的距離，m。

由對蝦的重心位置及蝦體特征可知：m1＜m2，l1＜l2，又α≤αi≤90°。分析式（8）可知：MAB非負，即在此過程中對蝦可繞旋轉軸線AB作逆時順旋轉，直至蝦體垂直于水平面時停止旋轉完成頭尾定向，最終的對蝦以頭部朝上的姿態繼續前行。

3 對蝦背腹定向原理的研究

頭尾定向成功后的對蝦，會在振動推進的作用下繼續前行，從而進行背腹定向的動作。背腹定向在由2層的滑道中進行，滑道上層具有半圓曲率，下層是光滑折板。

對蝦在雙層滑道的運動過程為：經過頭尾定向之后，對蝦都是頭胸部朝前下行，此時分為2種情況。一種是蝦體背部朝外，圖4中姿態1，由于對蝦的特殊的彎曲的體型，以及對蝦的重心的位置，當對蝦經過半圓的彎曲弧度時，對蝦向下翻轉，對蝦的背部線接觸第2層的滑道，形成與姿態2相同的運動形式。另一種是蝦體背部靠近滑道內圖4中姿態2，此時對蝦從上層滑道通過，從而達到背腹定向的目的。

圖4 對蝦背腹定向圖

通過理論分析顯示，振動推進過程中的對蝦，由于對蝦軸向的不對稱性，摩擦力對質心的矩不為零，會促使蝦體向對蝦的頭胸部的方向轉動，到達V型面上。經過理論上的分析，在V型面上能夠實現對蝦的頭部向上，尾部向下的姿態。對蝦繼續運動到雙層的滑道上時，由于對蝦的重心和對蝦特殊的體型，會使對蝦背部朝向滑道內側，從上層或者下層滑道通過，從而達到背腹定向的目的。

4 結論

通過對對蝦頭尾定向原理的分析以及對于對蝦頭尾的定向，通過對對蝦蝦體的受力分析，計算各個不同的力對對蝦產生的合力矩MO的大小，并得出合力矩是1個非零的數值，從而證明對蝦在振動平面上可能會具有繞質心進行向前轉動，通過對V型面上對蝦進行受力分析，對蝦最終能夠實現頭部朝上的姿態；對于對蝦背腹的定向，通過對對蝦的體型與重心所在的特殊位置的分析，得出對蝦在雙層滑道上實現背部朝靠近滑道內側定向的可能性。對蝦排序定向是對蝦機械化加工的輔助性工序，為后期對蝦連續化剝殼提供一種連續高效的進料方式，具有重要意義。