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(jī)械化去頭和自動化剝殼的重要前續(xù)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(jìn)行試驗(yàn)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(zhì)量法測得對蝦的重心位于第1節(jié)與第2節(jié)交界處且靠近背部的部分，可利用對蝦自然彎曲導(dǎo)致的重心偏移進(jìn)行背腹定向。結(jié)果表明：南美白對蝦相對于Q235鋼板，對蝦順腹部節(jié)方向的摩擦角小于逆腹部節(jié)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(jié)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(jìn)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(shù)全部小于1，腹部的動摩擦因數(shù)全部大于1，且腹部的摩擦力大于側(cè)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(shè)計(jì)定向裝置提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

關(guān)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(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）12-0344-03

收稿日期：2015-11-06

基金項(xiàng)目：海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（編號：201205031）；河北省科技支撐計(jì)劃（編號：12227169）；河北省高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（編號：ZD2016111）；河北農(nóng)業(yè)大學(xué)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(jī)械設(shè)計(jì)與理論、農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)裝備研究。E-mail：zhang72xh@163.com。

國內(nèi)對蝦剝殼以手工剝殼為主，勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低，且易使產(chǎn)品受到細(xì)菌污染，影響產(chǎn)品的鮮度和品質(zhì)[1-3]。對蝦排序定向是對蝦機(jī)械化去頭和自動化剝殼的重要前續(xù)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(gòu)造的差異進(jìn)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(jìn)行生物的定向整理；利用振動推進(jìn)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(zhuǎn)圓盤相結(jié)合進(jìn)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(xiàn)代先進(jìn)設(shè)備，最終完成對物料的定向。本試驗(yàn)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(shè)計(jì)定向裝置提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1對蝦的體型參數(shù)

1.1試驗(yàn)材料

鮮活南美白對蝦購自河北省保定市水產(chǎn)市場，蝦體長為110～130 mm，蝦仁飽滿，肉質(zhì)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(tài)，對對蝦背輪廓進(jìn)行描繪（圖1）。以“弓弦法”測量原理（圖2）[7]為基礎(chǔ)，采用精度為0.02 mm的游標(biāo)卡尺進(jìn)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(jìn)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(dǎo)致的重心偏移進(jìn)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(zhì)量。經(jīng)過多次測量，所測定對蝦的重心所在截面位于第1節(jié)與第2節(jié)交界處。在對蝦重心所在截面處附近，利用細(xì)線對對蝦進(jìn)行懸掛測量，經(jīng)過多次不同位置的懸掛測量，發(fā)現(xiàn)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(yàn)

對蝦一般分為頭胸部、腹部、尾節(jié)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(gòu)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(guī)則，表面不光滑，蝦背和側(cè)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(yàn)材料

鮮活南美白對蝦購自河北省保定市水產(chǎn)市場，蝦體長為110～130 mm，質(zhì)量為11.5～12.0 g，剔除死亡個體，挑選蝦仁飽滿、肉質(zhì)鮮嫩的對蝦進(jìn)行試驗(yàn)。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(yàn)設(shè)備及用具

計(jì)算機(jī)；量程為3 N，精確到0.01 N的數(shù)顯推拉力計(jì)；解剖刀；冷凍箱。

2.3試驗(yàn)方法

利用伺服電機(jī)控制升降臺的前進(jìn)，將數(shù)顯推拉力計(jì)放置在升降臺上，帶動對蝦勻速前進(jìn)，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(shù)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(jié)、逆腹部節(jié)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(jié)相對于Q235鋼板的摩擦力。上述情況分別進(jìn)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(nèi)，進(jìn)行-18 ℃冷凍30 min預(yù)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(jìn)行摩擦力的測量。試驗(yàn)中采用變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)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(yàn)結(jié)果與分析

3.1對蝦體長方向的摩擦特性

順腹部節(jié)對蝦摩擦因數(shù)測定數(shù)據(jù)見表1，逆腹部節(jié)對蝦摩擦因數(shù)測定數(shù)據(jù)見表2，對蝦頭部摩擦因數(shù)測定數(shù)據(jù)見表3，對蝦腹部摩擦因數(shù)測定數(shù)據(jù)見表4。

根據(jù)上述結(jié)果計(jì)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(jié)的摩擦角小于逆腹部節(jié)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(jié)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(jìn)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(tài)置于Q235振動臺面進(jìn)行試驗(yàn)（圖4、圖5）[8-12]。試驗(yàn)過程中下滑的對蝦最終無特定下滑姿態(tài)，對蝦呈頭部朝下下滑姿態(tài)的現(xiàn)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(jīng)-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(jìn)行試驗(yàn)，所測得的摩擦力見表6。圖6為根據(jù)表6計(jì)算得到的對應(yīng)動摩擦因數(shù)。

由圖6可知，在光滑的尼龍板上，對蝦各面的動摩擦因數(shù)相差不大；在光滑的橡膠上，對蝦各面的動摩擦因數(shù)不同，且腹部的動摩擦因數(shù)均大于側(cè)面，對蝦側(cè)面、腹部與橡膠表面的動摩擦因數(shù)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(shù)不同，腹部的動摩擦因數(shù)均大于側(cè)面，對蝦側(cè)面、腹部與帶凹槽尼龍表面的動摩擦因數(shù)均值分別為0.625、1.759。側(cè)面的動摩擦因數(shù)均小于1，腹部的動摩擦因數(shù)均大于1，且腹部的動摩擦因數(shù)均大于側(cè)面動摩擦因數(shù)與1之和。可見，當(dāng)對蝦側(cè)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(cè)面接觸時的摩擦力與重力之和。試驗(yàn)結(jié)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(jié)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(zhì)量法測得對蝦的重心位于第1節(jié)與第2節(jié)交界處且靠近背部的部分，可利用對蝦自然彎曲導(dǎo)致的重心偏移進(jìn)行背腹定向。

南美白對蝦相對于Q235鋼板，對蝦順腹部節(jié)方向的摩擦角小于逆腹部節(jié)方向，頭胸部分的摩擦角小于腹部，對蝦尾節(jié)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(jìn)行頭尾定向。

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

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