小龍蝦頭尾定向裝置設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

傅潤(rùn)澤

王愛(ài)民1

陳洪興1

潘鳳濤2

潘海艷2

(1. 鹽城工學(xué)院海洋與生物工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051；2. 鹽城市怡美食品有限公司，江蘇 鹽城 224341)

小龍蝦(Procambarusclarkii)，也稱(chēng)克氏原螯蝦，近年來(lái)其產(chǎn)業(yè)呈加速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，養(yǎng)殖產(chǎn)量和規(guī)模大幅增長(zhǎng)[1-2]。然而小龍蝦加工的前處理均是由工人手工完成，勞動(dòng)成本高，加工速度和產(chǎn)量難以提高，而且很多企業(yè)還有招工難的困境。關(guān)于蝦類(lèi)的機(jī)械化加工研究主要集中在對(duì)蝦、沼蝦等一些產(chǎn)業(yè)成熟的蝦類(lèi)品種上，如滾軸擠壓剝殼等脫殼技術(shù)[3-5]。而針對(duì)小龍蝦機(jī)械化前處理的研究較少，包括自動(dòng)化清洗分級(jí)[6-7]、超高壓脫殼[8-11]等。水產(chǎn)品機(jī)械化加工的前提是機(jī)械化定向，目前有關(guān)魚(yú)類(lèi)的頭尾定向、腹背定向研究較多[12-14]，但其定向機(jī)理對(duì)小龍蝦無(wú)借鑒意義。其他蝦類(lèi)如對(duì)蝦的定向研究也有報(bào)道[15-16]，但小龍蝦機(jī)械化頭尾定向的困難之處在于其形態(tài)特征與對(duì)蝦等蝦類(lèi)存在巨大差異，小龍蝦體型較大， 頭大尾小，蝦體粗短，與細(xì)長(zhǎng)蝦類(lèi)相比更難定向；其次小龍蝦熟制后尾部卷起，整體呈梭形，導(dǎo)致其在放置時(shí)具有不穩(wěn)定性，增加了定向難度；同時(shí)小龍蝦蝦螯較長(zhǎng)，不利于其在傳統(tǒng)技術(shù)上定向，而有關(guān)小龍蝦機(jī)械化頭尾定向的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。研究擬利用小龍蝦頭尾形態(tài)差異，提出一種小龍蝦頭尾定向方法，對(duì)小龍蝦頭尾定向裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，以期為小龍蝦定向設(shè)備的研發(fā)提供依據(jù)。

1 小龍蝦頭尾定向裝置設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 頭尾定向裝置總體結(jié)構(gòu)

小龍蝦頭尾定向裝置由滾軸輸送分級(jí)機(jī)構(gòu)、頭尾定向機(jī)構(gòu)及相關(guān)輔助機(jī)構(gòu)組成，其整體效果如圖1所示。

圖1 小龍蝦頭尾定向裝置整體效果圖Figure 1 Structural schematic sketch of device forcrawfish head and tail orientation

1.2 頭尾定向機(jī)構(gòu)

小龍蝦頭尾定向機(jī)構(gòu)由頭尾定向輸送帶、上輸送帶、下輸送帶以及帶有撥片的固定撥桿組成。頭尾定向輸送帶為垂直方向的長(zhǎng)環(huán)狀輸送帶，由一定數(shù)量的頭尾定向槽構(gòu)成(圖2)，頭尾定向槽下方設(shè)有帶彈簧的蝦螯捕捉網(wǎng)(尼龍繩網(wǎng))，由金屬外框和繃緊的繩網(wǎng)構(gòu)成，繩網(wǎng)空隙大于蝦螯而小于蝦尾。頭尾定向槽下方兩側(cè)設(shè)有固定撥桿，撥桿頂端設(shè)有向內(nèi)伸出的撥片。頭尾定向槽運(yùn)動(dòng)時(shí)撥片可以碰到蝦螯捕捉網(wǎng)。

圖2 單個(gè)頭尾定向機(jī)構(gòu)效果簡(jiǎn)圖

1.3 工作原理

頭尾定向裝置工作原理：當(dāng)頭尾定向槽寬度小于額劍到龍蝦腹部彎曲部分的距離時(shí)，小龍蝦由分級(jí)輸送裝置掉落后進(jìn)入頭尾定向槽，分為頭上尾下和頭下尾上兩種情況，小龍蝦繼續(xù)下落，碰到蝦螯捕捉網(wǎng)。

(1) 頭下尾上小龍蝦蝦螯或尖銳額劍被繩網(wǎng)勾住，無(wú)法下落；頭上尾下小龍蝦因?yàn)槭熘坪笪膊繄A鈍，繩網(wǎng)無(wú)法勾住，一部分直接落入下方的上輸送帶槽內(nèi)，上輸送帶與頭尾定向輸送帶同步同速運(yùn)動(dòng)；頭上尾下小龍蝦也有可能因?yàn)槟Σ亮Φ仍虿荒苤苯拥粝?，而停留在蝦螯捕捉網(wǎng)上，如圖3所示。

圖3 頭尾定向裝置工作步驟1Figure 3 Working step 1 of head and tail orientationdevice

(2) 隨著輸送帶的運(yùn)動(dòng)，上撥片與蝦螯捕捉網(wǎng)碰觸，產(chǎn)生輕微震顫，使小龍蝦落入下方上輸送帶槽內(nèi)，輸送帶運(yùn)動(dòng)過(guò)程中根據(jù)工藝設(shè)置多個(gè)固定撥桿和撥片，保證小龍蝦全部落下。而頭下尾上小龍蝦因?yàn)槲r螯或尖銳額劍被勾住無(wú)法下落，如圖4所示。

圖4 頭尾定向裝置工作步驟2Figure 4 Working step 2 of head and tailorientation device

(3) 頭下尾上小龍蝦隨著投喂定向槽繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，并完成垂直方向的掉頭，頭尾定向槽掉頭后的下方設(shè)有下輸送帶，一部分小龍蝦因?yàn)橹亓σ蛩氐袈溥M(jìn)入下方下輸送帶槽內(nèi)。另一部分因?yàn)槔K網(wǎng)的鉤掛等原因不能直接掉下，而停留在蝦螯捕捉網(wǎng)上。隨著輸送帶的運(yùn)動(dòng)，下?lián)芷c蝦螯捕捉網(wǎng)碰觸，產(chǎn)生震顫，下?lián)芷c蝦螯捕捉網(wǎng)的碰觸面積大于上撥片，震顫幅度加大，小龍蝦落入下方下輸送帶槽內(nèi)，輸送帶運(yùn)動(dòng)過(guò)程中有多個(gè)固定撥桿和撥片，保證小龍蝦全部落下，如圖5所示。

圖5 頭尾定向裝置工作步驟3Figure 5 Working step 3 of head and tailorientation device

2 小龍蝦頭尾定向受力分析

對(duì)小龍蝦頭尾定向進(jìn)行受力分析[17]，定向槽各參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 定向槽各參數(shù)Table 1 Parameters of directional slot

2.1 小龍蝦頭朝下進(jìn)入定向槽

當(dāng)小龍蝦頭朝下垂直方向落入定向槽，并接觸捕捉網(wǎng)后，小龍蝦的受力分析如圖6所示，小龍蝦受到捕捉網(wǎng)垂直方向上的支持力F2，平行方向上的摩檫力F1，如果捕捉網(wǎng)可以提供的最大靜摩擦力F1Max大于重力在捕捉網(wǎng)平行方向上的下滑力，那么小龍蝦蝦螯或尖銳額劍被捕捉網(wǎng)勾住，即滿足式(1)：

圖6 小龍蝦頭朝下進(jìn)入定向槽的受力分析Figure 6 Force analysis of crayfish entering orientationgroove head down

F1Max>Gcosα。

(1)

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)1Max與捕捉網(wǎng)材質(zhì)、網(wǎng)孔大小等因素有關(guān)，重力在捕捉網(wǎng)平行方向上的下滑力與小龍蝦重量以及捕捉網(wǎng)角度α有關(guān)。試驗(yàn)選用表面粗糙的尼龍網(wǎng)為捕捉網(wǎng)材質(zhì)，選取不同網(wǎng)孔大小的尼龍網(wǎng)以及不同捕捉網(wǎng)角度進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

若小龍蝦蝦螯或尖銳額劍被捕捉網(wǎng)勾住，在重力作用下小龍蝦倒向定向槽側(cè)板，產(chǎn)生水平方向的支持力F4，小龍蝦達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，如圖7所示。而小龍蝦觸碰到定向槽側(cè)板需要滿足一定的條件，主要與定向槽寬度有關(guān)，寬度過(guò)大的定向槽，小龍蝦碰不到側(cè)板，發(fā)生翻轉(zhuǎn)滑落。在理想條件下，小龍蝦可能有任意的掉落位置和傾斜方向，在極限條件下，若小龍蝦額劍尖端到尾部的距離L6大于定向槽對(duì)角線長(zhǎng)度，則任何條件下都不會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)滑落；同時(shí)彈簧應(yīng)該提供足夠的支持力，使捕捉網(wǎng)能夠支撐住小龍蝦的重量，以上條件即滿足式(2)和式(3)。

圖7 小龍蝦頭朝下傾斜狀態(tài)的受力分析Figure 7 Force analysis of tilted crayfish enteringorientation groove head down

(2)

F2=K×(線徑-L彈簧)cosα>Gsinα。

(3)

但是考慮到小龍蝦自身、彈簧以及捕捉網(wǎng)的形變問(wèn)題，以及后期定向槽翻轉(zhuǎn)后需要小龍蝦的垂直狀態(tài)等因素，選取定向槽寬度作為操作參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，以期找到較為合適的定向槽寬度參數(shù)。如果小龍蝦蝦螯或尖銳額劍未被捕捉網(wǎng)勾住，重力在捕捉網(wǎng)平行方向上的下滑力的作用下滑出定向槽，則小龍蝦頭尾定向失敗。

2.2 小龍蝦尾朝下進(jìn)入定向槽

當(dāng)小龍蝦尾朝下垂直方向落入定向槽，并接觸捕捉網(wǎng)后，小龍蝦的受力分析如圖8所示，小龍蝦受到捕捉網(wǎng)垂直方向上的支持力F2，平行方向上的摩檫力F1，如果捕捉網(wǎng)可以提供的最大靜摩擦力F1Max小于重力在捕捉網(wǎng)平行方向上的下滑力，且捕捉網(wǎng)與定向槽側(cè)板形成的開(kāi)口足夠大時(shí)，小龍蝦順利滑出定向槽。即滿足式(4)：

圖8 小龍蝦尾朝下進(jìn)入定向槽的受力分析Figure 8 Force analysis of crayfish entering orientationgroove tail down

(4)

若捕捉網(wǎng)可以提供的最大靜摩擦力F1Max大于重力在捕捉網(wǎng)平行方向上的下滑力，小龍蝦沒(méi)有下滑，在重力的作用下倒向定向槽側(cè)板，產(chǎn)生水平方向的支持力F4，如圖9所示。

圖9 小龍蝦尾朝下傾斜狀態(tài)的受力分析Figure 9 Force analysis of tilted crayfish enteringorientation groove tail down

當(dāng)小龍蝦未能順利通過(guò)定向槽時(shí)，可以借助撥桿波動(dòng)捕捉網(wǎng)，改變角度α大小，使重力在捕捉網(wǎng)平行方向上的下滑力增大，最終大于最大靜摩擦力F1Max，使小龍蝦順利滑落，即滿足式(5)：

(5)

3 小龍蝦頭尾定向試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

小龍蝦頭尾定向簡(jiǎn)易試驗(yàn)裝置：該裝置為數(shù)個(gè)不同捕捉網(wǎng)角度、定向槽寬度以及網(wǎng)孔大小等參數(shù)的頭尾定向機(jī)構(gòu)，未設(shè)置撥片機(jī)構(gòu)，自制；其他主要儀器設(shè)備包括游標(biāo)卡尺 (精度 0.1 mm)、鋼尺(量程 500 mm)、電子天平(精度 0.01 g)等。

3.2 試驗(yàn)材料

小龍蝦市售，產(chǎn)地鹽城，挑選個(gè)體鮮活、蝦螯完整的小龍蝦，運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室后人工挑選大小規(guī)格相同的小龍蝦，為了避免活體小龍蝦運(yùn)動(dòng)對(duì)頭尾定向過(guò)程的影響，將小龍蝦加熱熟制處理后待用。

3.3 小龍蝦形態(tài)參數(shù)測(cè)定

通過(guò)對(duì)小龍蝦頭尾定向機(jī)理的分析，頭尾定向槽、蝦螯捕捉網(wǎng)等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)頭尾定向具有重要影響，其設(shè)計(jì)優(yōu)化應(yīng)具體參考小龍蝦的各項(xiàng)形態(tài)參數(shù)，故對(duì)試驗(yàn)所選用的小龍蝦進(jìn)行質(zhì)量和外觀尺寸測(cè)量(見(jiàn)圖10)[18-19]。實(shí)際測(cè)量時(shí)，如頭部重量、胸部重量等參數(shù)受切割位置、角度等差異的影響，長(zhǎng)度數(shù)據(jù)受到彎曲程度的影響，僅作為相對(duì)數(shù)據(jù)參考，不作為絕對(duì)數(shù)據(jù)，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2和表3。

表2 小龍蝦外形尺寸測(cè)量結(jié)果Table 2 Measurement results of crayfish body size cm

表3 小龍蝦重量參數(shù)測(cè)量結(jié)果Table 3 Measurement results of crayfish body weight g

圖10 小龍蝦外觀尺寸測(cè)量示意圖Figure 10 Measurement schematic diagram of crayfishbody size

3.4 單因素試驗(yàn)

采用捕獲率(頭朝下)和通過(guò)率(尾朝下)作為小龍蝦頭尾定向效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)。小龍蝦頭朝下進(jìn)入定向槽被捕捉網(wǎng)捕獲視為捕獲成功，小龍蝦尾朝下進(jìn)入定向槽未被捕捉網(wǎng)捕獲，能夠順利通過(guò)視為通過(guò)成功，每次選用50只小龍蝦樣本進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果取平均值，并按式(6)、式(7) 分別計(jì)算捕獲率和通過(guò)率。

(6)

(7)

式中：

R1——捕獲率，%；

R2——通過(guò)率，%；

d1——每次試驗(yàn)成功捕獲的小龍蝦個(gè)數(shù)；

d2——每次試驗(yàn)成功通過(guò)的小龍蝦個(gè)數(shù)；

n——每次試驗(yàn)小龍蝦樣本數(shù)。

3.4.1 捕捉網(wǎng)角度 由圖11可知，隨著捕捉網(wǎng)角度的增加，小龍蝦捕捉成功率逐漸上升，當(dāng)捕捉網(wǎng)角度為60°時(shí)捕捉成功率最高為98%。實(shí)際試驗(yàn)時(shí)僅有一只小龍蝦未能成功捕捉，可能與該只小龍蝦在同一批次中體型偏小，蝦螯短小且質(zhì)地較軟有關(guān)，在工業(yè)化加工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格分級(jí)，剔除殘疾、死蝦等不良龍蝦個(gè)體，保證定位成功率。捕捉網(wǎng)角度越大，捕捉成功率越高，但尾朝下通過(guò)率會(huì)下降，后期可通過(guò)撥片波動(dòng)捕捉網(wǎng)，使尾朝下小龍蝦順利落下，但應(yīng)盡量降低撥片力度以降低其對(duì)捕捉率和蝦螯完整度的影響，且捕捉網(wǎng)角度為55°時(shí)，已經(jīng)達(dá)到了很高的捕捉率，故較優(yōu)的捕捉網(wǎng)角度為55°～60°。

3.4.2 捕捉網(wǎng)網(wǎng)孔大小 由圖12可知，隨著捕捉網(wǎng)網(wǎng)孔尺寸的增加，小龍蝦捕捉成功率逐漸上升，當(dāng)捕捉網(wǎng)網(wǎng)孔尺寸為10～12 cm時(shí)，捕捉成功率達(dá)最高，可能是因?yàn)榫W(wǎng)孔越大，蝦螯越容易深入捕捉網(wǎng)，小龍蝦額劍也更容易被捕捉網(wǎng)掛住。試驗(yàn)的捕捉網(wǎng)網(wǎng)孔最大孔徑為12 mm，遠(yuǎn)小于蝦尾寬度，蝦尾不容易被捕捉網(wǎng)掛住。故較優(yōu)的捕捉網(wǎng)網(wǎng)孔大小為10～12 mm。

3.4.3 定向槽寬度 由圖13可知，隨著定向槽寬度的增加，小龍蝦捕捉成功率逐漸下降。當(dāng)定向槽寬度為5 cm時(shí)，捕捉成功率最高為100%；當(dāng)定向槽寬度超過(guò)6 cm后，捕捉成功率下降較快，是因?yàn)槎ㄏ虿蹖挾冗^(guò)大，頭朝下進(jìn)入定向槽的小龍蝦有一定概率不能維持頭下尾上的豎直狀態(tài)，水平滑出不能順利捕捉。而隨著定向槽寬度的增加，小龍蝦尾朝下通過(guò)率逐漸上升，是因?yàn)槎ㄏ虿蹖挾冗^(guò)大時(shí)，尾朝下進(jìn)入定向槽的小龍蝦有一定概率不能維持頭下尾上的豎直狀態(tài)，水平滑出順利通過(guò)。故較優(yōu)的定向槽寬度為4～5 cm。

3.5 正交試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取捕捉網(wǎng)角度、定向槽寬度、捕捉網(wǎng)網(wǎng)孔大小為試驗(yàn)因素，以頭朝下捕捉率與尾朝下通過(guò)率為試驗(yàn)指標(biāo)，采用正交表L9(34)進(jìn)行正交試驗(yàn)。試驗(yàn)因素水平編碼見(jiàn)表4，試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 正交試驗(yàn)因素水平表Table 4 Factors and levels of orthogonal test

表5 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 5 Orthogonal experimental design and results

由極差分析可知，影響頭朝下捕捉成功率的主次因素為定向槽寬度>捕捉網(wǎng)角度>捕捉網(wǎng)網(wǎng)孔大小，最優(yōu)組合為捕捉網(wǎng)角度55°、定向槽寬度4 cm、捕捉網(wǎng)網(wǎng)孔大小12 mm，此時(shí)頭朝下捕捉成功率達(dá)98%。雖然此條件下尾朝下通過(guò)率相對(duì)較低，但后期的撥片設(shè)計(jì)(圖2所示)可以保障通過(guò)率。綜上，最優(yōu)參數(shù)為捕捉網(wǎng)角度55°、定向槽寬度4 cm、捕捉網(wǎng)網(wǎng)孔大小12 mm。在此參數(shù)下，采購(gòu)?fù)灰?guī)格小龍蝦，并依據(jù)規(guī)格尺寸以及蝦螯完整度進(jìn)行嚴(yán)苛篩選30只進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)， 小龍蝦頭朝下捕捉率達(dá)100%，說(shuō)明試驗(yàn)提出的頭尾定向方法是可行的。

3.6 頭尾定向整體裝置的可行性分析

將單個(gè)定向機(jī)構(gòu)與圖1所示的小龍蝦頭尾定向裝置整體效果簡(jiǎn)圖對(duì)比發(fā)現(xiàn)，模擬單個(gè)定向機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)易試驗(yàn)裝置未能覆蓋的因素有：① 定向槽高度。定向槽越高，小龍蝦接觸捕捉網(wǎng)時(shí)的速度越高。較高處的小龍蝦的下落速度可以提高小龍蝦尾朝下通過(guò)率，同時(shí)對(duì)小龍蝦的蝦螯完整度有一定影響。整體定向裝置的定向槽是多層機(jī)構(gòu)，定向槽高度 的設(shè)置需要考慮整體裝置的設(shè)計(jì)，同時(shí)避免速度過(guò)快，影響蝦螯完整度。② 撥片與蝦螯捕捉網(wǎng)的碰觸。理論設(shè)計(jì)時(shí)，為了防止尾朝下?tīng)顟B(tài)小龍蝦不能順利通過(guò)定位槽，設(shè)計(jì)了撥桿和撥片，撥片輕微撥動(dòng)蝦螯捕捉網(wǎng)，使小龍蝦落下，撥桿和撥片設(shè)計(jì)還需進(jìn)一步優(yōu)化。

頭尾定向槽尺寸6 cm，捕捉網(wǎng)網(wǎng)孔大小8 mm

捕捉網(wǎng)角度55°，頭尾定向槽寬度6 cm圖12 網(wǎng)孔大小對(duì)小龍蝦頭尾定向的影響

捕捉網(wǎng)角度55°，捕捉網(wǎng)網(wǎng)孔尺寸8 mm圖13 定向槽寬度對(duì)小龍蝦頭尾定向的影響

4 結(jié)論

利用小龍蝦頭尾形態(tài)差異，設(shè)計(jì)了一種小龍蝦頭尾定向裝置，由滾軸輸送分級(jí)機(jī)構(gòu)、頭尾定向機(jī)構(gòu)及相關(guān)輔助機(jī)構(gòu)組成，小龍蝦沿垂直方向的長(zhǎng)環(huán)狀頭尾定向輸送帶輸送，在捕捉網(wǎng)、撥片波動(dòng)以及重力等因素共同作用下完成頭尾定向動(dòng)作。結(jié)果表明，小龍蝦頭尾定向裝置的設(shè)計(jì)是可行的，試驗(yàn)條件下的最優(yōu)參數(shù)為捕捉網(wǎng)角度55°、定向槽寬度4 cm、捕捉網(wǎng)網(wǎng)孔大小12 mm，此時(shí)小龍蝦頭朝下捕獲率接近100%，尾朝下通過(guò)率達(dá)88%，考慮到后期撥片作用，可以認(rèn)為尾朝下能夠順利通過(guò)。后續(xù)可對(duì)整體裝置的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。