河蟹高效自動(dòng)捆扎裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*

孫龍霞 ，朱 虹 ，劉思源 ，沈啟揚(yáng) ，葛迅一 ，肖茂華

（1.江蘇省農(nóng)機(jī)具開發(fā)應(yīng)用中心，江蘇 南京 210017；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇 南京 210031）

0 引言

河蟹，學(xué)名中華絨螯蟹，廣泛分布于我國沿海各大水系，是我國重要的養(yǎng)殖蟹類與江蘇淡水經(jīng)濟(jì)的重要農(nóng)產(chǎn)品[1-3]。近10 年來，由于過度捕撈等原因，野生河蟹資源急劇下降，難以滿足市場需求[4]。在市場需求推動(dòng)下，河蟹人工養(yǎng)殖在我國大部分地區(qū)迅速發(fā)展，據(jù)悉，近年來河蟹養(yǎng)殖年產(chǎn)量基本保持在75 萬t～82 萬t，河蟹市場規(guī)模在2020 年已達(dá)1 500 億元左右[5]。《中國漁業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒》表明，2014—2018年，全國有河蟹生產(chǎn)記錄的城市已達(dá)到29 個(gè)，其中江蘇河蟹產(chǎn)量占全國半壁江山[6-7]。

但是，當(dāng)下河蟹的捆扎方法主要是依靠人工進(jìn)行捆扎，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且人工捆扎效率低。此外，對(duì)于上游的河蟹加工方而言，活潑的河蟹對(duì)人工捆綁工作也會(huì)造成不小的困難，使得人工捆扎效率相對(duì)低下。例如在涵蓋碼爪、按鉗、棉線打圈捆綁的工序中，不僅要時(shí)刻小心被蟹鉗夾住，還要謹(jǐn)防河蟹逃脫。

面對(duì)不斷蓬勃發(fā)展的河蟹產(chǎn)業(yè)，相關(guān)河蟹養(yǎng)殖技術(shù)以及自動(dòng)化養(yǎng)殖機(jī)械方面仍然比較落后，不能滿足工業(yè)化、規(guī)模化的養(yǎng)殖需求，阻礙了河蟹產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步擴(kuò)大發(fā)展[8-9]。在科技不斷發(fā)展的大背景下，加速推動(dòng)食品機(jī)械的革新是滿足生產(chǎn)需求的重要助力，在此背景下，創(chuàng)新打造河蟹捆扎設(shè)備也將成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)。為此，本文提出了一種改進(jìn)現(xiàn)有捆扎機(jī)的河蟹高效自動(dòng)化捆扎裝置，并進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)驗(yàn)證其性能。

1 河蟹自動(dòng)捆扎裝置整體結(jié)構(gòu)

河蟹自動(dòng)化捆扎裝置主要是由機(jī)架、拿蟹組件、整形組件、捆蟹組件、切繩機(jī)構(gòu)、裝扣機(jī)構(gòu)、氣源供應(yīng)組件以及控制系統(tǒng)等組成。

河蟹自動(dòng)捆扎裝置工作時(shí)，將河蟹放置在載蟹平臺(tái)內(nèi)，推蟹至整形工位，將河蟹兩側(cè)腿向體下收攏；下側(cè)兩個(gè)推蟹氣缸伸出，將河蟹推到捆蟹位置，一次纏繞后，一個(gè)推蟹氣缸縮回從而實(shí)現(xiàn)讓位功能，轉(zhuǎn)蟹馬達(dá)將河蟹旋轉(zhuǎn)90°，再次纏繞；纏繞完成后壓繩氣缸將捆蟹繩壓住，并將蟹移動(dòng)到切繩工位，切斷捆蟹繩后再移動(dòng)至裝扣工位，將捆蟹的兩個(gè)繩頭進(jìn)行固定；完成捆扎后的河蟹通過滑道落入河蟹收集框內(nèi)，計(jì)數(shù)器此時(shí)完成一次計(jì)數(shù)。此外，操作者能夠在觸摸屏上調(diào)整參數(shù)，捆扎不同規(guī)格大小的河蟹，該捆扎裝置還具有松緊調(diào)節(jié)功能，以更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)河蟹的捆扎功能。

2 河蟹自動(dòng)捆扎裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 推料機(jī)構(gòu)

捆扎裝置的推料機(jī)構(gòu)采用直線氣缸將河蟹推送到指定位置并進(jìn)行夾緊，以便于進(jìn)行捆扎，由于要保證在推行過程中的平穩(wěn)性，該氣缸采用帶導(dǎo)桿氣缸。氣缸前推板固定一個(gè)方形推塊將河蟹兩側(cè)腿向體下收攏并夾緊[10]。

2.2 下拉拖板機(jī)構(gòu)

當(dāng)河蟹被運(yùn)到指定位置后，采用雙軸氣缸將河蟹推送至捆蟹位置，其中一個(gè)氣缸設(shè)置后拖板機(jī)構(gòu)，以便于對(duì)河蟹進(jìn)行另一個(gè)方向的捆扎。氣缸后加鉸接裝置以便于整體機(jī)構(gòu)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。氣缸前推板同樣安裝一個(gè)河蟹仿形塊，以便于固定，減少對(duì)河蟹的損傷。

2.3 旋轉(zhuǎn)拖板機(jī)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)拖板機(jī)構(gòu)與下拉拖板機(jī)構(gòu)相同，推塊同樣需要仿形，同時(shí)整個(gè)機(jī)構(gòu)靠氣缸實(shí)現(xiàn)90°的旋轉(zhuǎn)，以便繩子進(jìn)行纏繞。其中旋轉(zhuǎn)拖板機(jī)構(gòu)采用雙軸氣缸，雙軸氣缸采用標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式安裝固定形式，可以節(jié)省大量空間。安裝板上的安裝孔是三邊形的，允許多位置加載。

2.4 供線機(jī)構(gòu)

供線機(jī)構(gòu)由電機(jī)帶動(dòng)齒輪，齒輪上固定旋轉(zhuǎn)橫桿，通過帶動(dòng)線對(duì)河蟹進(jìn)行纏繞，線團(tuán)放在線籠里，在繞線桿上固定環(huán)，此機(jī)構(gòu)還包括夾線機(jī)構(gòu)，將線的另一端固定好，采用氣缸加帽將線壓住，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)河蟹進(jìn)行捆扎的動(dòng)作。

2.5 送料裝置

河蟹捆扎完需要將線剪斷，同時(shí)將下一河蟹運(yùn)送到指定位置進(jìn)行捆扎，送料裝置選擇直線傳動(dòng)的方式，本設(shè)計(jì)采用絲杠導(dǎo)軌傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

3 實(shí)地試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

1）規(guī)格范圍的測定：取河蟹若干，測量得所選河蟹規(guī)格范圍為100 g～275 g，將河蟹劃分為100 g～124 g、125 g～149 g、150 g～174 g、175 g～199 g、200 g～224 g、225 g～249 g、250 g～275 g，共7 組，每組隨機(jī)選取20只河蟹依次投入捆扎裝置捆扎，觀察所選河蟹是否能夠完成捆扎。

2）捆扎速度的測定：在規(guī)格范圍測定后進(jìn)行，取足夠數(shù)量符合捆扎裝置規(guī)格范圍的河蟹，將其依次投入捆扎裝置，待1 h 后記錄捆扎河蟹數(shù)量，重復(fù)3 次，按式（1）計(jì)算捆扎裝置捆扎速度。

式中：V為捆扎速度，只/h；N為試驗(yàn)中河蟹數(shù)，只；T為試驗(yàn)所費(fèi)時(shí)間，h。

3）失效率的測定：在規(guī)格范圍測定后進(jìn)行，取品貌完好的公母混雜河蟹，規(guī)格范圍為100 g～275 g。將河蟹按照規(guī)格范圍分為3 組，分別為100 g～149 g、150 g～199 g、200 g～275 g，每組又按雌雄劃分為2組。試驗(yàn)時(shí)，捆扎機(jī)在規(guī)定作業(yè)速度下工作，以1 只河蟹由自由狀態(tài)進(jìn)入捆扎裝置為起始，以河蟹通過滑道落入河蟹收集框內(nèi)、計(jì)數(shù)器完成1 次計(jì)數(shù)為結(jié)束，記為1 次作業(yè)行程。在作業(yè)行程中若有河蟹脫離捆扎裝置的運(yùn)行流程或作業(yè)行程結(jié)束后河蟹未被捆扎成功，記為1 次失效。記錄總作業(yè)行程內(nèi)的失效次數(shù)，按式（2）計(jì)算失效率。

式中：A為失效率；N0為試驗(yàn)中捆扎裝置作業(yè)行程總數(shù)，次；N1為總作業(yè)后失效次數(shù)，次。

4）損傷率的測定：與失效率測定同時(shí)進(jìn)行，測定總作業(yè)行程內(nèi)的河蟹總數(shù)和損傷河蟹數(shù)，按式（3）計(jì)算損傷率。

式中：B為損傷率；S0為試驗(yàn)中捆扎裝置捆扎的河蟹總數(shù)，只；S1為試驗(yàn)中損傷河蟹數(shù)，只。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1、表2、表3、表4所示。

表1 捆扎規(guī)格試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 捆扎速度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 失效率試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 損傷率試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.3 試驗(yàn)分析

本研究進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的可行性。試驗(yàn)所選河蟹具有隨機(jī)性，包括100 g～275 g的規(guī)格范圍，完成了300多次捆扎作業(yè)，具有一定的普適性。所得到的失效率為0.49%，損傷率為0.17%，證明了該機(jī)械結(jié)構(gòu)具有可行性。所得到的捆扎速度最終取值為330只/h，動(dòng)作響應(yīng)快，節(jié)約了時(shí)間成本，在降低人工成本、提高工作效率方面具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)論

1）本設(shè)計(jì)內(nèi)容為河蟹高效自動(dòng)捆扎裝置，根據(jù)河蟹捆扎的要求，設(shè)計(jì)了推料機(jī)構(gòu)、下拉拖板機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)拖板機(jī)構(gòu)、供線機(jī)構(gòu)、送料裝置等部件。

2）使用該河蟹捆扎裝置進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)，測得捆扎裝置規(guī)格范圍為100 g～275 g；通過計(jì)數(shù)規(guī)定時(shí)間內(nèi)河蟹捆扎裝置所捆扎河蟹數(shù)量，測得捆扎速度為330 只/h；取300 只河蟹進(jìn)行了捆扎后，測得失效率為0.49%，損傷率僅為0.17%。

3）試驗(yàn)結(jié)果說明該河蟹捆扎機(jī)具備調(diào)節(jié)靈活、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效替代手工捆扎操作，且在一定程度上提高捆扎效率，可以在實(shí)際工作中完成進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，具有一定的實(shí)用價(jià)值和推廣前景。