對蝦剝殼設備的自動定向與分級控制

傅士偉 劉建華 黃道沛 劉玉良

(1. 舟山技師學院機電部，浙江 舟山 316000；2. 浙江海洋大學機電學院，浙江 舟山 316000)

對蝦具有高營養(yǎng)、易消化、低脂肪等優(yōu)點，深受多種人群的喜愛。對蝦深加工后得到的蝦仁出口量占中國蝦類海產(chǎn)品出口的首位[1-2]。對蝦加工一般包括去頭、開背、去蝦線、剝殼等流程。國外開發(fā)的自動剝殼設備，以Laitram Machinery公司生產(chǎn)的A型自動剝殼機和Gregor Jonsson公司生產(chǎn)的圓式旋轉盤自動剝殼機為代表，前者能夠對已經(jīng)去頭、開背的對蝦進行自動剝殼，后者能夠自動完成去頭、開背、去蝦線、剝殼等過程，但仍需要人工進行對蝦的定向進料，且對蝦品級的分類也需要其他設備來完成[3-5]。中國的對蝦加工仍以人工為主，研制的剝蝦設備雖然能夠自動實現(xiàn)開背、去腸線、剝殼等步驟[6-7]，但進料還是由人工操作，且品級分類也是在其他設備上完成的。因此研究對蝦預處理的定向分級技術，開發(fā)合適的對蝦自動定位分級裝置是提高對蝦深加工效率和自動化的關鍵。

目前，國內外對對蝦的自動定位研究多集中于理論研究階段[8-9]。研究擬參考魚類分級定位的原理[10]，以南美白對蝦為例，根據(jù)蝦體外形特征，分析其頭部、尾部特點，設計對蝦頭尾自動定向與分級裝置，并進行試驗驗證，以期為中國對蝦深加工預處理提供依據(jù)。

1 對蝦的頭尾自動定向機理

1.1 對蝦的形體特征

該研究對象為南美白對蝦，主要由蝦頭(頭胸部)、蝦體(腹部)、蝦尾(尾節(jié))3部分組成(圖1)。南美白對蝦整個外形呈偏扁的長筒結構，頭大尾小，重心居中；蝦頭堅硬且頂端細長較尖，分節(jié)不明顯；蝦體分節(jié)明顯，從頭至尾逐節(jié)變?。晃r頭和蝦體間覆蓋一層頭胸甲，是蝦體的最寬處，且對蝦最寬處始終位于重心與蝦頭之間。對蝦頭大尾小、重心居中的特點，為后續(xù)利用自重進行頭尾定位創(chuàng)造了條件。

1. 蝦頭 2. 蝦體 3. 蝦尾 4. 胸腹分界處 5. 重心區(qū)域 6. 分節(jié)位置

1.2 對蝦的定位機理

由圖2可知，當對蝦最寬處(Z)與重心位置(O)中間受到垂直向上的支撐力時，蝦體將由于自重開始旋轉，保持尾部朝下、頭部朝上的姿態(tài)。觀察蝦體各部位的厚度，蝦頭胸甲至蝦尾逐漸變窄，根據(jù)此特點設計一組直徑漸變的傾斜定向輥來實現(xiàn)蝦體的支撐與定向。對蝦剛進入定向輥時處于直徑漸變輥較大一端，兩輥間間距較小，對蝦蝦頭和蝦尾均有支撐，對蝦基本與軸線平行。隨著定向輥轉動，對蝦向定向輥間隙較大的一端移動，蝦尾支撐點逐漸向蝦頭移動，當越過重心位置時，蝦尾開始向下跌落，蝦頭翹起。

1. 對蝦 2. 定向輥

1.3 對蝦定位受力分析

對蝦受力分析如圖3所示，O1O2為定向輥軸心，F(xiàn)1、F2是蝦體所受支撐力，G為蝦體重力，對蝦在定向輥的夾持支撐力F1和F2的作用下，其合力F與重力保持平衡，對其單側進行受力分析得：

(1)

圖3 平衡處受力圖

式中：

α——定位輥與對蝦的摩擦角，°；

F——定位輥與對蝦的摩擦力，N；

G——對蝦自重，N；

F合——單側所受合力，N；

θ——對蝦和定位輥接觸點與軸心連線在垂直方向的夾角，°。

2 機械結構設計

2.1 機械結構

試驗設計的對蝦頭尾自動定向與分級控制裝置，通過機械結構的特殊設計實現(xiàn)功能，主要由進料口、定向輥、分級輸送裝置3部分組成，如圖4所示。兩根定向輥平行傾斜放置，直徑較大的一端位置稍高于另一端，工作時兩輥等速對旋。進料口位于定向輥的一端，對面設置擋板以防止對蝦滑出。在定向輥下方，放置與定向輥平行的輸送帶，輸送帶上設計同速轉動的等距擋環(huán)，能對定向后的對蝦進行分級并輸送至下一道加工位置。傳動裝置分為兩部分：① 定向輥轉動裝置，由步進電機進行定速驅動；② 皮帶轉動裝置，根據(jù)兩輥與水平位置的夾角調節(jié)速度，滿足定位后下落速度不同的對蝦的輸送要求。

1. 機架 2. 皮帶 3. 進料擋板 4. 定向輥 5. 進料口 6. 電機

2.2 工作原理

利用對蝦的重心位于體形最寬點與蝦尾之間的特點，進行頭尾定向。首先，對蝦從進料口滑入由兩傾斜放置的定向輥形成間隙中，此定向輥的直徑相同，且從間隙下方向上相對旋轉，對蝦在其作用下初步實現(xiàn)頭尾定向。然后，對蝦隨著定向輥的轉動逐漸向較低一端移動。由于下一段兩定向輥間的間隙逐漸增加，對蝦在自重作用下，蝦尾將先于蝦頭從間隙中掉落，實現(xiàn)對蝦頭上尾下的頭尾定向。最后，定向后的對蝦隨著定向輥間隙增大將從定向輥上脫離，掉落至輸送帶上，此過程中，蝦尾將優(yōu)先接觸輸送帶，在輸送帶的帶動下，實現(xiàn)了蝦尾在前，蝦頭在后的對蝦定位。因傾斜的定向輥設計較長，在對應的輸送帶上設置有同速轉動的擋環(huán)，不僅能保證對蝦定位，也能實現(xiàn)對蝦厚度分級。

3 關鍵部件設計

3.1 對蝦外形參數(shù)

在SB/T 10524—2009《鮮活對蝦購銷規(guī)范》中，將每500 g對蝦的個數(shù)作為對蝦分級的依據(jù)，會造成同一規(guī)格的對蝦體型大小差異較大，無法滿足試驗對對蝦厚度的需求。因此，選用市場隨機采購的一批活蝦進行試驗，其外形數(shù)據(jù)按圖5所示位置進行測量。

圖5 對蝦外形尺寸位置示意圖

為保證后續(xù)設備研發(fā)的需要，對選購對蝦中體型最大、最小以及隨機選擇的4個參照對象進行測量記錄，結果見表1。

表1 對蝦外形尺寸數(shù)據(jù)

3.2 定向輥設計

定向輥是對蝦頭尾自動定向與分級裝置的核心部件，其直徑是影響工作性能的主要參數(shù)，定向輥根據(jù)直徑大小分為兩部分：進料口處的不變直徑段和分級定位作用的變直徑段。

在直徑不變段，實現(xiàn)初步定向，并將蝦體輸送至下一工序現(xiàn)場，由圖6可知，當兩輥間隙一定時，定向輥的直徑越大，對蝦越容易滑落在S區(qū)域內，越容易實現(xiàn)初步定位。根據(jù)表1的尺寸測量結果，取兩輥間間隙為10 mm。

圖6 直徑不變段定位示意圖

由于定向輥與水平方向有一定夾角，在轉動過程中，對蝦會因自重向水平位置較低的一段滑動，逐漸進入定向輥的定位直徑段，該部分定位輥直徑逐漸減小，兩輥間間隙逐漸增大，如圖7所示；該段用來實現(xiàn)所有對蝦頭朝上尾朝下的定位要求，并將對蝦輸送至下一工序。由于對蝦從定位段滑出跌落至皮帶上的最佳位置是蝦體最寬處脫離定位輥時蝦尾剛好觸碰到皮帶，因此此段定位輥各處半徑應小于對應位置滑落對蝦的蝦體長度。又因為厚度較小的對蝦會先從縫隙較小處滑落，即漸變定向輥直徑較大的一邊開始，因此直徑較大處滿足需求時，較小處必然滿足。根據(jù)對蝦形體數(shù)據(jù)表，以及定位輥直徑不變段的需求，定向輥直徑漸變段最大端半徑為40 mm，直徑不變段半徑為40 mm。

圖7 變直徑段定位示意圖

由圖7可知，定向輥直徑漸變的大小應小于蝦體漸變的最大值，否則對蝦可能頭尾同時向下滑落，甚至蝦頭部先下落。根據(jù)表1可以求出對蝦兩側的輪廓線相對蝦體軸線的變化趨勢，其擬合直線的斜率見表2，其中最小值k=0.060 2，試驗取k=0.05進行計算。由表2可知，對蝦最大寬度為15.2 mm，取20 mm進行變直徑定位輥設計。又因定位輥漸變段的初始最小間隙為10 mm，求得定位輥變直徑段總長度為100 mm，即圖7中R1=40 mm，R2=35 mm，L=100 mm。

表2 對蝦外形變化斜率

3.3 輸送帶設計

由于對蝦的大小各有不同，在對蝦的后續(xù)加工處理中，需對對蝦進行分級，試驗設計了具有等距擋環(huán)的皮帶來完成分級處理。在定向輥直徑不變段，由于整體長度較短且間隙均為10 mm，因此此段只能分離出厚度小于此間隙的對蝦，考慮到10 mm厚度的對蝦較小，因此在此段不再進行細分。在定向輥的漸變段，設計3道同步擋環(huán)，不僅將厚度每增加4 mm的對蝦進行分級，也能保障對蝦下滑至皮帶上的頭尾定向。

對蝦在定向過程中，當蝦體的最寬處通過定向輥的軸線時，蝦體開始下落，又因同樣厚度的對蝦長度變化較小，因此皮帶與定向輥軸線平行安裝，安裝高度能保障最長的對蝦能很好的落至皮帶上即可。

4 對蝦頭尾定向試驗

4.1 試驗設備和材料

對對蝦頭尾自動定位裝置的關鍵部件進行試驗驗證。試驗設備包括墊高塊(用于調整定向輥角度)、游標卡尺(測量精度0.02 mm，測量蝦體厚度和長度)和自動定向輥機構(用于試驗驗證定向效果)。試驗材料為浙江舟山水產(chǎn)市場隨機采購的一批對蝦，蝦體最寬處厚度為11～17 mm。

4.2 試驗目的

該試驗目的是驗證對蝦頭尾定向的成功率，以及對蝦大小分類的準確性。當對蝦頭上尾下從定向輥滑落時，視為成功定位，其余姿態(tài)或從定向輥兩側掉落視為失敗，按式(2)計算定位成功率。

(2)

式中：

p——定位成功率，%；

p1——每組試驗成功定向的對蝦個數(shù)；

p2——每次試驗的總個數(shù)。

隨機選取采購對蝦中的20只作為一組，每組試驗3次，結果取平均值。

4.3 試驗及結果分析

4.3.1 試驗方案 定向輥軸線與水平線之間的夾角β從水平位置開始，每上升5°進行一組對比試驗，測定不同速度下對蝦定位的成功率和分級準確率。

4.3.2 試驗結果及分析 由圖8可知，當β<20°時，定位成功率接近100%，隨著角度的增加，定位成功率逐漸下降，當β為40°時，定位成功率受轉速直接影響，當β>45°時，定位成功率主要受對蝦進入角度影響，試驗裝置有一定作用，但幾乎可以忽略。

圖8 定向輥與水平線夾角對定位成功率的影響

由圖9可知，當β<20°時，轉速對定位基本無影響，當β為20°～50°時，隨著轉速的增加，定位成功率逐漸下降；當β>50°時，試驗裝置幾乎失去作用。

圖9 轉速對定位成功率的影響

參照試驗結果，在保障該裝置工作效率與定位準確性的前提下，結合對蝦在定向輥上的下滑速度，確定定向輥軸線與水平線夾角β為15°，定向輥轉速為60 r/min為最優(yōu)選擇。通過試驗驗證，此條件下，蝦體下滑速度均勻，定位效果較好，同時，無論對蝦以何種姿態(tài)進入，在對蝦的前進方向上，其始終只有頭上尾下背前腹后或頭上尾下背后腹前兩種姿態(tài)，即該裝置實現(xiàn)了對蝦的頭尾定位。

5 結論

在分析對蝦形體特征的基礎上，設計了對蝦頭尾自動定向與分級裝置。經(jīng)試驗，證明了該設備的可行性，且當定向輥軸線與水平線夾角為15°，定向輥轉速為60 r/min時，對蝦下滑速度平緩均勻，有利于輸送帶的分級輸送；實現(xiàn)了對蝦頭尾的自動定位，方便后續(xù)對蝦剝殼處理等工藝，大大減輕了工人的勞動強度。另外，該試驗裝置若考慮定向輥與對蝦間摩擦力的作用，以及進料速度對定向成功率的影響，將進一步提高工作效率。