螺旋擠壓式對(duì)蝦去頭裝置設(shè)計(jì)研究

苗慶波

王 偉

張秀花

李 鐸

李珊珊

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071001)

螺旋擠壓式對(duì)蝦去頭裝置設(shè)計(jì)研究

苗慶波

王 偉

張秀花

李 鐸

李珊珊

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071001)

設(shè)計(jì)了一種螺旋擠壓式對(duì)蝦去頭裝置，該裝置根據(jù)對(duì)蝦的生理特性和體型特征，利用對(duì)蝦頭部和蝦體連接處薄弱的特性，依靠2個(gè)平行螺旋輥形成的螺旋槽夾持對(duì)蝦頭部并進(jìn)行擠壓使得對(duì)蝦在頭部與蝦體分離，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)蝦的去頭工作。對(duì)按照厚度分級(jí)后體長(zhǎng)為120～150 mm的新鮮南美白對(duì)蝦進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明:螺旋擠壓式對(duì)蝦去頭效果良好，去頭率達(dá)到95%，得肉率達(dá)到68%，工作效率提高1倍多，為今后對(duì)蝦去頭裝置的研制提供了參考依據(jù)。

對(duì)蝦；去頭；螺旋擠壓

對(duì)蝦肉質(zhì)松軟，易消化，富含蛋白質(zhì)和鎂、磷、鈣等人體必需的元素，深受廣大消費(fèi)者的喜愛(ài)。中國(guó)是世界上最大的對(duì)蝦生產(chǎn)國(guó)，也是對(duì)蝦主要貿(mào)易國(guó)之一[1-3]。中國(guó)對(duì)蝦養(yǎng)殖量和捕撈量較大[4]，其中約有50%的對(duì)蝦加工成蝦仁。但是由于對(duì)蝦頭部殼體堅(jiān)硬，且近年來(lái)江河湖海污染和泄露問(wèn)題嚴(yán)重，魚(yú)蝦類吸收到體內(nèi)的有害物質(zhì)主要是通過(guò)血液流通并沉積到蝦頭部分造成重金屬的堆積[5]，在后續(xù)的加工工序中會(huì)導(dǎo)致蝦頭部分的重金屬流出，從而污染蝦仁、設(shè)備及周圍的環(huán)境，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，因此對(duì)蝦去頭成為機(jī)械化深加工過(guò)程中最重要的環(huán)節(jié)之一。然而，中國(guó)在對(duì)蝦機(jī)械化加工處理技術(shù)和裝備方面相對(duì)落后，目前大多采用人工方式進(jìn)行作業(yè)，勞動(dòng)強(qiáng)度大且對(duì)蝦的外殼堅(jiān)硬極易刺破人手，產(chǎn)品易受細(xì)菌、病菌等污染，影響其鮮度和品質(zhì)。

對(duì)蝦去頭是機(jī)械自動(dòng)化深加工過(guò)程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，去頭的質(zhì)量和效果直接影響后續(xù)開(kāi)背和剝殼工序，進(jìn)而影響蝦仁成品的質(zhì)量[6-7]。William J.Gruber等[8]發(fā)明的擺動(dòng)滾筒去頭裝置屬于攪拌式去頭裝置，該方式耗能較大且去頭過(guò)程復(fù)雜；Stephenson[9]發(fā)明的水射流去頭裝置需要在高壓水流的沖擊下完成去頭，對(duì)動(dòng)力裝置要求嚴(yán)格；Edwin等[10]發(fā)明的刀切式去頭裝置對(duì)定位要求嚴(yán)格且蝦肉浪費(fèi)較嚴(yán)重；還有學(xué)者[11]發(fā)明了一種剝落式去頭裝置，該方式需做曲線運(yùn)動(dòng)，對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡要求嚴(yán)格。以上裝置均能完成對(duì)蝦的去頭作業(yè)，但是由于這些裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)過(guò)程復(fù)雜，成本高，使其應(yīng)用受到限制。目前中國(guó)仍多采用手工去頭，加工效率低、加工環(huán)境惡劣。

根據(jù)目前中國(guó)國(guó)情和當(dāng)前市場(chǎng)的需要，本研究設(shè)計(jì)一種螺旋擠壓式對(duì)蝦去頭裝置，充分利用對(duì)蝦頭胸部和蝦體連接處薄弱，依靠去頭輥組之間的螺紋槽進(jìn)行擠壓去頭。

1 對(duì)蝦去頭裝置的總體機(jī)構(gòu)

1.1 整機(jī)機(jī)構(gòu)

對(duì)蝦去頭裝置的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。該對(duì)蝦去頭裝置主要由機(jī)架、輸送夾持機(jī)構(gòu)、去頭機(jī)構(gòu)和調(diào)整機(jī)構(gòu)組成。調(diào)整機(jī)構(gòu)分為間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)和高度調(diào)整機(jī)構(gòu)，間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)安裝在輸送夾持機(jī)構(gòu)的下方，高度調(diào)整機(jī)構(gòu)安裝在去頭機(jī)構(gòu)的上方；輸送夾持機(jī)構(gòu)主要包括輸送帶、尼龍輥、轉(zhuǎn)動(dòng)軸、張緊輥，輸送帶外表面設(shè)置有一層發(fā)泡海綿用來(lái)對(duì)對(duì)蝦進(jìn)行夾持，調(diào)整尼龍輥底部的調(diào)整裝置來(lái)調(diào)節(jié)兩條輸送帶之間的間隙，通過(guò)改變兩條輸送帶之間的間隙來(lái)滿足不同級(jí)別的對(duì)蝦蝦體夾持的要求，并進(jìn)行對(duì)蝦的輸送，在每條輸送帶上都設(shè)置有2個(gè)張緊輥，用于對(duì)輸送帶的張緊，保證對(duì)蝦蝦體的夾持力；去頭機(jī)構(gòu)主要包括齒輪2、軸承、去頭輥組3、轉(zhuǎn)軸4，去頭輥組由2個(gè)直徑相同的去頭輥組成，通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)架上的高度調(diào)整裝置8來(lái)實(shí)現(xiàn)不同級(jí)別對(duì)蝦的夾持，驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)去頭輥組轉(zhuǎn)動(dòng)，使得對(duì)蝦在2個(gè)去頭輥形成的橢圓形螺紋槽中完成對(duì)蝦的擠壓式去頭工作，并且試驗(yàn)過(guò)程中輸送夾持機(jī)構(gòu)和去頭機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度匹配。

1. 機(jī)架 2. 齒輪 3. 去頭輥組 4. 轉(zhuǎn)軸 5. 尼龍輥 6. 轉(zhuǎn)動(dòng)軸 7. 間隙調(diào)整底板 8. 高度調(diào)整裝置 9. 張緊輥 10. 輸送帶 11. 支撐底板

圖1 對(duì)蝦去頭裝置的結(jié)構(gòu)圖

Figure 1 The structure diagram of head-cutting device

1.2 工作原理

進(jìn)行去頭工作時(shí)，經(jīng)過(guò)頭尾定向后的對(duì)蝦按頭朝上的姿態(tài)由輸送夾持機(jī)構(gòu)將對(duì)蝦向前輸送，其中海綿輸送帶夾持著對(duì)蝦蝦體部分，而蝦頭部分位于輸送帶的上面不受海綿輸送帶的夾持。電機(jī)驅(qū)動(dòng)去頭輥組反向轉(zhuǎn)動(dòng)，由2個(gè)去頭輥所行成的5組凹槽也將隨著去頭輥組的轉(zhuǎn)動(dòng)向前運(yùn)動(dòng)，當(dāng)由海綿輸送帶夾持著經(jīng)頭尾定向后的對(duì)蝦輸送至對(duì)蝦去頭工位時(shí)，位于海綿輸送帶上方的對(duì)蝦頭部首先進(jìn)入去頭輥組上的螺紋所形成的大的凹槽里，隨著兩個(gè)去頭輥的反向轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)蝦頭部在去頭輥組表面的螺紋所形成的凹槽里從大的凹槽逐漸到小凹槽直至到對(duì)蝦頭部完全被擠掉，蝦仁部分在海綿輸送帶中繼續(xù)向前輸送直至掉落蝦仁收集箱內(nèi)。

在對(duì)不同級(jí)別的對(duì)蝦進(jìn)行去頭工作時(shí)，需要對(duì)去頭裝置的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，采用了去頭輥組與輸送機(jī)構(gòu)的間隙可調(diào)、海綿輸送帶的間隙可調(diào)的機(jī)械機(jī)構(gòu)。針對(duì)不同級(jí)別的對(duì)蝦調(diào)整好參數(shù)后，用螺栓進(jìn)行擰緊固定。

2 關(guān)鍵工作部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 去頭輥組的設(shè)計(jì)

去頭輥組的主要參數(shù)包括去頭輥的直徑、輥的表面硬度、輥表面上的螺距、螺紋的深度、輥的長(zhǎng)度等因素，其不僅直接關(guān)系到對(duì)蝦去頭的效果以及效率，還決定了對(duì)蝦去頭裝置的整體結(jié)構(gòu)尺寸及其他與之相關(guān)的零部件的參數(shù)，所以對(duì)蝦去頭輥組的設(shè)計(jì)是去頭裝置的重要內(nèi)容。

本設(shè)計(jì)基于擠壓去頭的基礎(chǔ)上，對(duì)去頭輥進(jìn)一步優(yōu)化，對(duì)蝦去頭輥組采用表面變徑的螺紋，通過(guò)螺紋直徑、深度以及寬度方向的變化，并通過(guò)去頭輥組的反向轉(zhuǎn)動(dòng)，利用去頭輥組與對(duì)蝦接觸表面的摩擦力對(duì)對(duì)蝦頭胸部進(jìn)行擠壓和拉拔，使得去頭輥組在對(duì)對(duì)蝦的頭胸部進(jìn)行擠壓的同時(shí)對(duì)對(duì)蝦的頭胸部拉拔，直至頭尾分離，對(duì)蝦去頭輥組的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 去頭輥組的結(jié)構(gòu)圖Figure 2 The structure diagram of head-cutting rollers

參考前期的大量試驗(yàn)[1-7]數(shù)據(jù)，設(shè)置去頭輥組的2個(gè)去頭輥的直徑相同，以保證對(duì)蝦的頭胸部擠壓過(guò)程中的受力均勻，設(shè)定去頭輥的最大直徑為40 mm。根據(jù)測(cè)得的對(duì)蝦的頭胸部的最大厚度約為18 mm，為了保證能對(duì)所有級(jí)別的對(duì)蝦進(jìn)行去頭，須保證對(duì)蝦的頭胸部能完全順利進(jìn)入到去頭輥組的一端的最大凹槽中，設(shè)定去頭輥的最大單邊螺紋槽深度為10 mm，由去頭輥組所組成的橢圓形凹槽的直徑為20 mm大于南美白對(duì)蝦頭胸部最大直徑18 mm。對(duì)蝦頭胸部在進(jìn)入去頭對(duì)輥的凹槽后，在去頭輥組的反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，需要對(duì)對(duì)蝦的頭胸部有一個(gè)漸進(jìn)的擠壓力，通過(guò)設(shè)置數(shù)控加工錐螺紋，其錐螺紋最大直徑為60 mm，最小直徑為40 mm，去頭輥表面的螺距為40 mm，其螺紋有效長(zhǎng)度為200 mm，故去頭輥組可形成大小間隙不同的5個(gè)凹槽，保證了對(duì)蝦在去頭過(guò)程中的平穩(wěn)進(jìn)給。

2.2 輸送夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

輸送機(jī)構(gòu)在本設(shè)計(jì)中起著輸送和夾持的雙重作用，因此輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是整個(gè)去頭裝置的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于對(duì)蝦自身所具有的物理和生理特性(蝦體部分具有柔性特性)，對(duì)蝦去頭過(guò)程中夾持力太小不能使得對(duì)蝦順利實(shí)現(xiàn)去頭，夾持力太大容易對(duì)對(duì)蝦的蝦體部分造成損傷，因此針對(duì)對(duì)蝦所具有的柔性特性且不同級(jí)別對(duì)蝦蝦體厚度不同，設(shè)計(jì)了輸送機(jī)構(gòu)間隙可調(diào)的且具有彈性的海綿體輸送帶。

根據(jù)前期試驗(yàn)[5-6]測(cè)得的對(duì)蝦各物理幾何參數(shù)，分別對(duì)對(duì)蝦的前4節(jié)的體長(zhǎng)和體厚進(jìn)行了測(cè)量，并進(jìn)行了簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)可得，對(duì)蝦蝦體在長(zhǎng)度方向上逐漸變薄，即成一定的錐度，根據(jù)測(cè)得的各節(jié)的長(zhǎng)度和厚度計(jì)算對(duì)蝦蝦體長(zhǎng)度方向的錐角，并對(duì)相同級(jí)別的對(duì)蝦進(jìn)行錐角驗(yàn)證，如圖3所示，可得對(duì)蝦蝦體在長(zhǎng)度方向上的錐角大約為6°～7°，因此設(shè)計(jì)輸送帶在其寬度方向上的角度為3°，兩條輸送帶在豎直方向上所形成的夾角即為6°，因?yàn)楹＞d體本身具有彈性，保證了瘦長(zhǎng)、矮胖等不同類型的對(duì)蝦都能受到輸送帶的預(yù)緊力。

1. 全長(zhǎng) 2. 體長(zhǎng) 3. 第1節(jié) 4. 第2節(jié) 5. 第3節(jié) 6. 第4節(jié)圖3 對(duì)蝦測(cè)量尺寸簡(jiǎn)圖Figure 3 The schematic diagram of shrimp measurements

為了滿足不同級(jí)別對(duì)蝦的去頭，需對(duì)輸送機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，輸送機(jī)構(gòu)間隙調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4，其中固定板固定在機(jī)架上，固定板和移動(dòng)塊上的中間及兩側(cè)分別設(shè)置有對(duì)應(yīng)的圓孔和長(zhǎng)槽，移動(dòng)塊上的圓孔安裝有軸承以承載帶輪軸，固定板和移動(dòng)塊上的長(zhǎng)槽分別相對(duì)應(yīng)，通過(guò)調(diào)節(jié)固定板上的左右2個(gè)移動(dòng)塊的距離來(lái)調(diào)節(jié)兩個(gè)輸送帶的間隙，通過(guò)固定板和移動(dòng)塊上的長(zhǎng)槽，使用調(diào)節(jié)裝置來(lái)固定移動(dòng)塊與固定板的位置，以此確定2個(gè)輸送帶的間隙。

1. 移動(dòng)塊 2. 固定板圖4 輸送機(jī)構(gòu)間隙調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)Figure 4 The structure of gap adjustment of conveying mechanism

3 對(duì)蝦擠壓去頭試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

拉力測(cè)試機(jī)：FGS-500TV-S型，最大負(fù)荷100 N，精度0.01 N，福建艾普儀器有限公司；

電子天平：JM-A2003型，測(cè)量精度0.01 g，余姚市紀(jì)銘稱重校驗(yàn)設(shè)備有限公司；

游標(biāo)卡尺：601型，測(cè)量精度0.02 mm，哈爾濱量具刃具集團(tuán)有限責(zé)任公司。

3.2 試驗(yàn)材料

鮮活南美白對(duì)蝦：采購(gòu)于河北保定市水產(chǎn)市場(chǎng)，其體型呈長(zhǎng)筒形，蝦體六節(jié)完整，選取體長(zhǎng)為120～150 mm的作為試驗(yàn)樣品。

3.3 試驗(yàn)方法與結(jié)果

先將經(jīng)頭尾定向的對(duì)蝦放入到去頭裝置輸送帶外側(cè)的發(fā)泡海綿上，在驅(qū)動(dòng)裝置的帶動(dòng)下輸送夾持機(jī)構(gòu)和去頭機(jī)構(gòu)共同作業(yè)實(shí)現(xiàn)對(duì)蝦的去頭工作。計(jì)算對(duì)蝦去頭的去頭率、得肉率及加工時(shí)間。去頭率為對(duì)蝦頭尾完全分離成功數(shù)占對(duì)蝦總數(shù)的百分比，得肉率為對(duì)蝦去頭成功后質(zhì)量占整個(gè)對(duì)蝦質(zhì)量的百分比，加工時(shí)間為每只對(duì)蝦完成去頭所需用的時(shí)間。該裝置能夠滿足機(jī)械自動(dòng)化去頭裝置的要求，去頭效果良好，并與手工去頭方式進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果(見(jiàn)表1)表明，對(duì)蝦去頭率達(dá)到95%，得肉率為68%，加工時(shí)間較手工去頭少了50%以上，利用對(duì)蝦頭胸部和蝦體連接部位薄弱的生理特性進(jìn)行擠壓去頭，能夠保留較多的蝦肉避免浪費(fèi)。

表1 對(duì)蝦對(duì)比試驗(yàn)參數(shù)表Table 1 Shrimp comparison test parameter table

4 結(jié)論

結(jié)合對(duì)蝦的體型特征，以對(duì)蝦頭胸部為依據(jù)，在擠壓去頭方式的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一種新型的對(duì)蝦去頭裝置，裝置的去頭輥組表面采用變徑的螺紋槽，利用裝置去頭輥組形成變徑的螺紋槽夾持對(duì)蝦并進(jìn)行擠壓去頭。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，去頭后的對(duì)蝦蝦肉損失較少，解決了機(jī)械一刀切去頭蝦肉浪費(fèi)嚴(yán)重的問(wèn)題，為以后對(duì)蝦去頭裝置的研究提供了一種新的思路和方法。對(duì)蝦去頭過(guò)程中對(duì)蝦頭胸部的重金屬會(huì)對(duì)后續(xù)工序帶來(lái)污染，因此在該裝置上加裝噴淋裝置十分必要。為了更深入地研究噴淋對(duì)去頭效果的影響，后續(xù)可以對(duì)不同的噴淋方式、角度和速度作進(jìn)一步的研究。

[1] 張秀花, 趙慶龍, 趙玉達(dá), 等. 對(duì)蝦對(duì)輥擠壓式剝殼工藝參數(shù)及預(yù)處理?xiàng)l件優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2014, 30(14): 308-314.

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Design and experimental researchon the screw extrusion device for shrimp head-cutting

MIAOQing-bo

WANGWei

ZHANGXiu-hua

LIDuo

LIShan-shan

(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,AgriculturalUniversityofHebei,Baoding,Hebei071001,China)

A kind of screw extrusion device for shrimp head-cutting was designed. According to the physiological and somatic characteristics, using the characteristic that shrimp head and the shrimp body poor connection, the device relied on the thread groove,which is formed by two parallel helical rollers, to hold the shrimp head and squeeze the shrimp head, to realized the seperation of shrimp body and head. The experimental study on the sample shrimps were selected with a body length from 120 mm to 150 mm. The results showed that the device of using the screw extrusion head-cutting was well, the head-cutting rate was 95%, the meat yield was 68%, and the work efficiency was double, which provided reference for the development of shrimp head-cutting device.

shrimp; head-cutting; screw extrusion

海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(編號(hào)：201205031)；河北農(nóng)業(yè)大學(xué)理工基金(編號(hào)：LG201501)；河北農(nóng)業(yè)大學(xué)理工基金(編號(hào)：LG20150104)；河北省高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(編號(hào)：ZD2016111)

苗慶波，男，河北農(nóng)業(yè)大學(xué)在讀碩士研究生。

王偉(1984—)，男，河北農(nóng)業(yè)大學(xué)講師，碩士。 E-mail：401182521@qq.com

2017—02—25

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.05.022