克氏原螯蝦連續(xù)夾拉式去腸機設計與試驗

王樹才　梅志敏　夏高兵　成　芳

(1.華中農(nóng)業(yè)大學工學院， 武漢 430070; 2.浙江大學生物系統(tǒng)工程與食品科學學院， 杭州 310058)

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克氏原螯蝦連續(xù)夾拉式去腸機設計與試驗

王樹才1梅志敏1夏高兵1成芳2

(1.華中農(nóng)業(yè)大學工學院， 武漢 430070; 2.浙江大學生物系統(tǒng)工程與食品科學學院， 杭州 310058)

針對目前克氏原螯蝦加工去除蝦腸主要依靠手工，存在勞動強度大、生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品易污染的問題，設計了一種連續(xù)夾拉式克氏原螯蝦去腸機，將經(jīng)過去頭工序的克氏原螯蝦蝦尾放在蝦尾夾下夾上，隨著蝦尾夾一起運動，在夾蓋導軌和彈簧的作用下使蝦尾夾上蓋閉合，夾住蝦尾運動到去蝦腸裝置時，去蝦腸組件在鏈條的帶動下運動，尾扇沿著尾扇導板進入去腸夾嘴中，去腸夾嘴將尾扇先夾緊，后連同蝦腸一起拉出。詳細闡述了克氏原螯蝦去腸機的關鍵部件設計，包括去蝦腸機構、去蝦腸導軌、輸送裝置、蝦尾夾緊自鎖、蝦腸清掃等，并完成傳動系統(tǒng)的設計和樣機試制，設計的樣機通過調節(jié)蝦尾夾與去腸夾嘴的相對位置，對不同大小的克氏原螯蝦適應性好。通過樣機試驗測試，其去腸率達91.0%，去凈率達86.5%，單組機構生產(chǎn)效率為1.4個/s。

克氏原螯蝦； 連續(xù)； 去腸機； 設計； 試驗

引言

食用克氏原螯蝦前需要將蝦腸線從克氏原螯蝦體內拉出，國內克氏原螯蝦加工企業(yè)去除蝦腸主要依靠傳統(tǒng)的手工操作，勞動強度大、生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品易污染，嚴重制約了克氏原螯蝦產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。國內外對蝦的生物特性、分級、剝殼等有所研究，但克氏原螯蝦去腸機械化研究相關文獻很少。彭德權、張秀花等設計了以手工為主的剝殼和快速切背裝置[1-11]，目前還處于專利和科研階段，Laitran Machinery公司也致力于蝦剝殼研究并擁有多項專利技術，Jonnsson公司研制對蝦上料到分離的過程，生產(chǎn)的剝殼系統(tǒng)種類多、效率高，但不能去除其腸線[12-17]。

為解決上述問題，本文設計克氏原螯蝦去腸機，并進行分析和試驗。

1　整機結構與工作原理

圖1　克氏原螯蝦去腸機整機結構示意圖Fig.1　Structure of intestine removing machine for Procambarus clarkii1.蝦尾蓋打開導板　2.蝦尾夾主鏈輪　3.蝦尾夾組件　4.蝦尾蓋閉合導軌　5.蝦尾夾從鏈輪　6.去腸內導軌　7.鏈條附件　8.去腸外導軌　9.去蝦腸機構　10.去腸從動鏈輪　11.去腸主動鏈輪

設計的克氏原螯蝦連續(xù)夾拉式去腸機總體結構如圖1。由蝦尾夾緊自鎖機構、去蝦腸裝置夾-拉機構、導軌、回收清理部分、輸送機構和傳動系統(tǒng)等構成。電動機啟動后，通過聯(lián)軸器和圓錐齒輪的配合將動力傳輸給蝦尾夾緊裝置和去蝦腸裝置，工作時，經(jīng)過去頭工序的克氏原螯蝦蝦尾被放在蝦尾夾上并隨蝦尾夾一起運動，在夾蓋導軌和彈簧的作用下蝦尾夾上蓋閉合，當蝦尾運動到去蝦腸裝置時，去蝦腸組件在鏈條的帶動下運動，尾扇沿著尾扇導板進入去腸夾嘴中。去腸夾嘴將尾扇先夾緊，后連同蝦腸一起拉出。蝦腸取出后，蝦尾夾帶著蝦尾繼續(xù)運動，當接觸到蝦尾夾張開導板時，蝦尾夾自動張開，去腸后的蝦尾掉落至蝦尾回收槽。夾嘴中的蝦腸用毛刷刷掉且用清水沖洗干凈。該設計中，為保證蝦尾的尾扇順利進入內夾嘴，去腸裝置和蝦尾夾緊裝置的同步以及內夾嘴的設計非常重要，同時由于蝦尾尾扇向下彎曲，還需要尾扇導板進行導向，從而完成整個去腸過程。

2　關鍵部件設計

2.1克氏原螯蝦蝦尾尺寸測定

在設計克氏原螯蝦去腸機時，蝦尾的尺寸參數(shù)決定了夾拉機構的設計參數(shù)，因此蝦尾尺寸非常重要，特別是尾扇的尺寸，如圖2?？耸显r質量范圍為20～40 g，其蝦尾的尺寸為：蝦尾底部從尾扇根至第一節(jié)的長度為38～50 mm；最大節(jié)的底部寬度為14～18 mm，厚度為11～13 mm；最小節(jié)底部寬度為9～12 mm，厚度為4～6 mm；中間尾扇長10～12 mm，寬12～14 mm。為防止蝦尾擺動，設計蝦尾槽時，取其長度為52 mm，寬度為13 mm；為防止蝦尾擠壓變形，在設計蝦尾夾和雙層夾嘴間距時，以尾扇與腹節(jié)相連接處對齊靠內側去腸夾為準。為防止拉腸時蝦尾從蝦尾夾中拉脫，蝦尾夾緊蓋設計成斜度為(13-6)/52=0.135的梯形形狀；通過人工拉蝦腸，測得最小拉力應大于15 N，中間尾扇和蝦腸才能被拉出。

圖2　蝦尾形狀和結構Fig.2　Structure and shape of shrimp tail 1.側邊尾扇　2.蝦尾腹節(jié)　3.蝦尾腹節(jié)底面　4.蝦仁　5.中間尾扇簧　6.蝦腸　7.側邊尾扇底面　8.蝦腸拉出位置

2.2蝦尾夾緊自鎖機構

蝦尾夾緊自鎖機構既要滿足蝦尾放在蝦尾固定塊的蝦槽上后，蝦尾夾緊蓋能自動蓋住并夾緊不同大小的蝦尾，又要滿足去除蝦腸后，蝦尾夾緊蓋打開，使去腸后的蝦尾掉出。同時，在接下一個蝦尾時，蝦尾夾緊蓋要能自鎖，一直保持張開的狀態(tài)，以便放置下一個蝦尾。蝦尾夾緊自鎖機構如圖3所示，主要包括蝦尾夾、夾緊自鎖彈簧和上蓋翻轉扇形塊。

圖3　蝦尾夾緊自鎖機構原理圖Fig.3　Schematic diagram of shrimp tail clamping and self-locking device1.蝦尾夾緊蓋　2.上蓋翻轉扇形撥塊　3.鎖緊螺母　4.扇形塊支撐螺栓　5.蝦尾夾緊自鎖彈簧　6.蝦尾蓋轉軸　7.旋轉連接片　8.蝦尾固定塊　9.自鎖彈簧固定螺栓

2.2.1蝦尾夾

根據(jù)蝦尾的尺寸，蝦尾夾緊蓋長、寬、高設計為70 mm×40 mm×20 mm，在其下表面開有類似蝦尾背部形狀的圓弧槽，蝦尾固定塊長、寬、高為70 mm×40 mm×30 mm，其上表面開有蝦尾槽，用來放置蝦尾。蝦尾夾緊蓋和蝦尾固定塊的兩側面分別與不銹鋼鉸鏈的旋轉連接片連接，使蝦尾夾緊蓋能繞著蝦尾蓋轉軸旋轉，其轉動的角度與不銹鋼鉸鏈旋轉的角度相同，從0°到159°，如圖3。在蝦尾夾的側面分別安裝有彈簧和上蓋翻轉扇形撥塊，用來驅動蝦尾夾緊蓋翻轉閉合、打開和夾緊。

圖5　蝦尾夾緊彈簧受力分析圖Fig.5　Force analysis of shrimp tail clamping spring

圖4為蝦尾槽縱向夾緊和拉腸示意圖，圖中

F1=F2/cosθ

(1)

F3=fF1

(2)

F4=F1-F3sinθ

(3)

F5=fF4

(4)

F6=F5+F1tanθ+F3cosθ

(5)

由式(1)～(5)得

F6=(ftanθ+f/cosθ+tanθ-f2tanθ)F1

圖4　蝦尾夾緊裝置受力分析圖Fig.4　Force analysis of shrimp tail clamping device

式中F1——垂直于上夾蓋的力，N

F2——夾緊力，N

F3、F5——夾蓋與蝦腸的摩擦力，N

F4——垂直于下夾蓋的力，N

F6——拉腸力，N

f——摩擦因子

當設計的蝦尾夾緊蓋斜度為0.135時，θ=7.7°，為了增加夾緊蝦尾的摩擦力，蝦尾槽內腔表面設計成魚鱗狀，實測蝦尾槽內腔與蝦尾摩擦因數(shù)為0.68，拉出蝦腸的最小拉力F6應大于15 N，代入后解得F2=17.64 N，試驗顯示，當夾緊力F2>5 N時，蝦尾易變形和壓潰，所以，設計中不能靠蝦尾夾的夾緊力來保證拉腸時的拉力，本文拉腸時的加緊力來自于夾-拉機構的外層夾嘴。

2.2.2夾緊自鎖彈簧

蝦尾夾緊自鎖主要是通過彈簧的作用來實現(xiàn)的，彈簧的安裝位置、彈簧的彈力大小是決定蝦尾夾緊蓋能否順利自由翻轉和夾緊的關鍵。同時需要考慮蝦尾夾運動到蝦尾夾鏈條的下方時，蝦尾蓋在重力作用下不會翻動。如圖5c所示，蝦尾夾重力產(chǎn)生的繞蝦尾夾蓋鉸鏈旋轉中心的扭矩為

T1=G1L1=19.8 N·mm

(6)

扇形撥塊繞蝦尾夾蓋鉸鏈旋轉中心的扭矩為

T2=G2L2=12.45 N·mm

(7)

而彈簧產(chǎn)生的彈力要繞蝦尾夾蓋鉸鏈旋轉中心的扭矩滿足式(3)，在運動過程中才能將蝦尾蓋鎖緊，即

T3=F7L3>T1+T2=32.25 N·mm

(8)

式中T——扭矩，N·mm

G2——扇形撥塊重力，0.3 N

G1——蝦尾夾蓋重力，0.75 N

F7——彈簧拉力，N

L1、L2、L3——F1、F2、F7到轉動中心O的力臂，mm

得出F7>3.3 N，此時的彈簧長度為32 mm。

圖5a為夾緊狀態(tài)，同理可分析得出夾緊力F2<3 N時，F(xiàn)7>2.44 N，此時的彈簧長度為25 mm。由此可以得出彈簧剛度；處于圖5b位置曲度系數(shù)K=0.123時，彈簧長度為37 mm，此時，F(xiàn)7=4.55 N，此狀態(tài)為臨界點，彈簧力的作用線通過蝦尾夾蓋的回轉中心，無轉矩。

初選65Mn彈簧鋼，選擇旋繞比c=12，則曲度系數(shù)K為

(9)

根據(jù)彈簧的安裝空間初設彈簧中徑D=7 mm，彈簧絲的許用應力為σb=1 800 MPa，則彈簧鋼絲直徑為

(10)

取彈簧鋼絲標準直徑為d=0.7 mm，中徑為

D=cd′=8.4 mm

(11)

彈簧的工作圈數(shù)

彈簧自由高度

H0=np+L4=24 mm

式中G——彈簧的切變模量，MPa

p——節(jié)距，mm

L4——彈簧掛鉤軸向長度，mm

2.3去腸裝置夾-拉機構

去蝦腸機構的作用是將蝦腸先夾住后拉出。主要包括去腸固定外殼、雙層夾嘴、去腸旋轉臂、去腸壓緊輥、去腸壓緊彈簧、復位扭轉彈簧、去腸連接銷、去腸回轉銷等。雙層夾嘴主要由外層夾嘴和內夾組成，包括內去腸上夾、內去腸下夾、內夾銷軸、外下夾嘴、外上夾嘴、上刀片、限位板等。外上夾嘴的兩側壁通過鉚釘固定在去腸固定外殼的內側壁上，去腸旋轉臂和外下夾嘴均位于外上夾嘴尾部的下方，去腸壓緊彈簧一端通過去腸壓緊輥壓緊去腸旋轉臂，以保證去腸旋轉臂先繞著去腸連接銷轉動，然后再繞著去腸回轉銷轉動，同時提供夾嘴的壓緊力。如圖6，外上夾嘴固定不動，外下夾嘴隨著去腸旋轉臂繞著去腸連接銷轉動，轉到與外上夾嘴接觸時，停止轉動，此時外下夾嘴向上轉動的位置被限制，去腸旋轉臂只能繞著去腸回轉銷繼續(xù)轉動，同時帶著夾住蝦尾的去腸上夾和去腸下夾沿著外夾嘴的滑道滑動，將蝦腸拉出，如圖7。

圖6　去蝦腸夾-拉機構結構圖Fig.6　Structure of clamping and pulling device for intestine removing machine1.去腸連接銷　2.上夾嘴　3.去腸下夾　4.去腸旋轉臂　5.去腸上夾　6.下夾嘴　7.扭轉彈簧銷軸　8.尾扇夾持刀片　9.去腸固定外殼　10.去腸壓緊輥　11.內夾嘴旋轉銷　12.去腸壓緊彈簧　13.復位扭轉彈簧　14.內夾嘴支撐扭轉彈簧　15.壓緊彈簧調節(jié)銷　16.去腸回轉銷

圖7　夾-拉機構受力分析圖Fig.7　Force analysis diagram of clamping and pulling device

圖7a是機構張開狀態(tài)，此時，去腸外導軌作用外力Fy給去腸旋轉臂，則機構以B為轉動中心轉動到圖7b位置，上下外夾嘴夾住蝦腸的兩片邊扇，內夾嘴夾住蝦腸的中間扇片，按照圖中的結構尺寸，平衡時夾力Fj=1.18Fy；蝦尾夾緊后，機構下夾嘴成為和上夾嘴一樣規(guī)定不動的機架，此時，去腸旋轉臂以A為轉動中心轉動到圖7c位置，內夾嘴在旋轉臂作用下在下外夾嘴的滑槽中沿水平移動，因為內夾嘴為薄鋼片，具有變形能力，此時，機構雖自由度為零，但內夾嘴可以向右移動一定的距離；按照圖中的結構尺寸，平衡時拉力Fl=0.89Fy；按拉出蝦腸的最小拉力，F(xiàn)l=15 N，F(xiàn)y=16.85 N即可，而此時的夾緊力Fj將近20 N，且作用面積很小，完全可以將蝦尾夾緊，但又因為該夾緊力作用在尾扇上，不會壓潰蝦尾肉體部分。

2.4傳動系統(tǒng)

克氏原螯蝦去腸機的傳動系統(tǒng)如圖8所示。

圖8　傳動系統(tǒng)示意圖Fig.8　Schematic diagram of transmission system 1.蝦尾夾安裝鏈條　2.去腸從動鏈輪　3.軸承　4.夾拉機構安裝鏈輪　5.電動機　6.減速器　7.聯(lián)軸器　8.去腸主動鏈輪　9.主動圓錐齒輪　10.從動圓錐齒輪　11.蝦尾夾主動鏈輪　12.蝦尾夾從動鏈輪

蝦尾送料夾緊和蝦尾去除蝦腸的裝置通過一個電動機帶動，同時要保證兩者之間相互協(xié)調運動。帶減速器的電動機通過聯(lián)軸器直接驅動去腸主轉軸，將動力輸出給去腸主轉軸上的去腸主動鏈輪和去腸主動錐齒輪，通過去腸鏈條帶動蝦尾去蝦腸機構沿著去腸鏈條轉動，其中去腸主動鏈輪和去腸從動鏈輪大小相同，通過調節(jié)鏈輪的中心距來保證鏈條的張緊。同時為了實現(xiàn)蝦尾夾嘴夾住蝦尾尾扇，將去腸鏈條水平布置以保證其功能完成。去蝦腸機構的去腸旋轉臂和去腸固定殼分別與內外導軌接觸并沿導軌運動。而去腸主轉軸和蝦尾夾緊主轉軸通過一對錐齒輪傳動，錐齒輪的傳動比為1∶1，使去腸主轉軸和蝦尾夾緊主轉軸的轉速一致。蝦尾夾主動鏈輪和從動錐齒輪安裝在一根軸上，將動力傳送給蝦尾夾主動鏈輪，蝦尾夾主動鏈輪和蝦尾夾從動鏈輪的傳動比為1∶1，帶動與其配合的蝦尾夾鏈條轉動，而鏈條上的附件帶動蝦尾夾緊機構運動，其上的扇形撥動塊分別與蝦尾夾閉合導軌和蝦尾夾張開導軌接觸，使蝦尾夾緊機構能夾緊蝦尾，去除蝦腸后松開蝦尾。

3　性能試驗

克氏原螯蝦去腸機的性能試驗于2015年5月10日在湖北省武漢市漢陽區(qū)恒達五金加工廠進行，樣機如圖9，試驗用克氏原螯蝦為湖北潛江地區(qū)不同品種的克氏原螯蝦。試驗時，選取20～40 g的克氏原螯蝦，打開電動機，隨機選取克氏原螯蝦放在蝦尾夾上，開始記錄時間和克氏原螯蝦個數(shù)，得出去腸機的效率和去腸率、去凈率，去腸率是相對于未去腸的克氏原螯蝦而言，去凈率是指完全將蝦腸拉出的比例。

以克氏原螯蝦去腸率和去凈率為試驗指標，去腸率、去凈率以試驗后的克氏原螯蝦個數(shù)來計算。試驗過程中實測并記錄克氏原螯蝦去腸機去腸機構實際轉速及其試驗指標，所得試驗結果如表1所示。

結果表明，設計的克氏原螯蝦連續(xù)夾拉式去腸機去腸效果較好，如圖10。由于個別試驗對象試驗時出現(xiàn)掉落，去腸率達到91.0%，且去凈率達到86.5%。

圖9　克氏原螯蝦連續(xù)夾拉式去腸機樣機Fig.9　Continuous clip pull Procambarus clarkii im machine

樣本總數(shù)/個上料速度/(個·s-1)去腸數(shù)/個去凈數(shù)/個去腸率/%去凈率/%2001.4018217391.086.5

圖10　去腸機及去腸效果Fig.10　Procambarus clarkii im machine and its effect

4　結論

(1)克氏原螯蝦連續(xù)夾拉式去腸機，通過去腸夾-拉機構外層夾嘴夾住克氏原螯蝦的兩個邊尾扇，內夾夾住中間尾扇并將其拉出，在水平鏈條上安裝多組去腸夾-拉機構，并隨鏈條一起運動，配合克氏原螯蝦輸送和夾緊機構，可以實現(xiàn)克氏原螯蝦的機械去蝦腸。

(2)克氏原螯蝦去腸機的蝦尾夾緊自鎖機構，采用蝦尾固定塊、可翻轉的上蓋、彈簧和翻轉扇形撥塊，將蝦尾夾緊在固定塊和上蓋的型槽內，由于設計了彈簧自鎖和復位裝置，能夠可靠地夾緊蝦尾和打開放下蝦尾。

(3)整機結構緊湊，傳動合理，上料、夾緊、拉蝦腸、清洗、收集等工序速度同步。

(4)試驗表明，該機能連續(xù)對克氏原螯蝦進行機械去腸，去腸率和去凈率分別達到91.0%和86.5%。

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Design and Experiment of Continuous Clamping and Pulling Intestine Removing Machine forProcambarusclarkii

Wang Shucai1Mei Zhimin1Xia Gaobing1Cheng Fang2

(1.CollegeofEngineering，HuazhongAgriculturalofUniversity,Wuhan430070，China2.CollegeofBiosystemsEngineeringandFoodScience,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China)

At present,Procambarusclarkiiprocessing enterprises mainly remove shrimp intestines manually. The problems of large labor intensity, low production efficiency and easy to pollution were existed. A continuous clamping and pulling intestine removing machine forProcambarusclarkiiwas designed. After the head-removing process, the shrimp tail was put in the clamping device and moved with it at the same time. The upper cover of the shrimp tail was closed with the action of the clip cover guide rail and the spring. When the shrimp tail moved to the intestine removing device, the shrimp sausage component was driven by chains. The tail fan got into the intestine removing clamp mouth along the tail fan guide. The intestine removing clamp mouth first clamped the tail fan, and then pulled it out with the shrimp intestines. The key parts of continuous clamping and pulling intestine removing machine were descripted, including shrimp intestines institutions, shrimp intestines guide rail, conveyer, shrimp tail clamp lock, shrimp intestine cleaning, etc. The transmission system design and prototype test were also accomplished. Though adjusting the relative position of the shrimp tail clamp and intestinal clamp mouth, different sizes ofProcambarusclarkiicould adapted well. Through the prototype test, the following result could be got as intestine removing rate of 91.0%, net rate of 86.5%, production efficiency of single mechanism of 1.4 shrimp per second.

Procambarusclarkii; continuous; intestine removing machine; design; experiment

10.6041/j.issn.1000-1298.2016.09.019

2016-01-25

2016-04-08

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2012BAD29B04-4)

王樹才(1966—)，男，教授，博士生導師，主要從事農(nóng)產(chǎn)品加工技術與設備研究，E-mail： wsc01@mail.hzau.edu.cn

成芳(1969—)，女，教授，博士生導師，主要從事農(nóng)產(chǎn)品品質信息技術與智能裝備研究，E-mail: fcheng@zju.edu.cn

TS254.3; S985.2+1

A

1000-1298(2016)09-0128-06