趙慶龍 張秀花 王澤河 弋景剛 楊淑華

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

中國是世界上的最大的對蝦生產(chǎn)國，也是對蝦主要貿(mào)易國之一，但是對蝦加工技術(shù)和加工裝備卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于美國、日本等國家［1］。對蝦的蝦頭含有重金屬元素，且在對蝦儲(chǔ)存過程中對蝦頭部極易變質(zhì)［2］，頭部組織破裂則會(huì)污染蝦仁從而造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，此外研究［3］表明，對蝦加工中的廢棄物蝦頭中富含蝦青素等可利用物質(zhì)，對蝦頭集中處理可提高對蝦的利用率。

對蝦的開背及去頭工作是對蝦機(jī)械自動(dòng)化剝殼工藝中的重要環(huán)節(jié)［4］。目前國內(nèi)外已公布了相關(guān)的對蝦開背裝置和去頭裝置。如Edwin B等［5］設(shè)計(jì)了一種利用剪切塊去除蝦頭的去頭機(jī)；安玉平［6］設(shè)計(jì)了一種推卡阻切式去除蝦頭的設(shè)備等，但這些設(shè)備僅能對定向后的對蝦進(jìn)行去頭處理，而張麗麗等［7］設(shè)計(jì)的設(shè)備僅能對經(jīng)人工去頭后的對蝦定向并進(jìn)行開背作業(yè)。若采用以上裝置進(jìn)行對蝦的機(jī)械化開背或去頭工作時(shí)需經(jīng)過二次定向后再加工，這無疑增加了機(jī)械加工難度。迄今仍未見關(guān)于對蝦開背去頭一體機(jī)的研究，設(shè)計(jì)一種能在同一工位同時(shí)進(jìn)行對蝦的開背和去頭工作的裝置顯得非常有必要。

本試驗(yàn)擬以環(huán)渤海的南美白對蝦為研究對象，設(shè)計(jì)一種鏈板式長短V槽對蝦開背去頭一體機(jī)，對其結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行介紹，并進(jìn)行開背去頭性能的試驗(yàn)研究，旨為對蝦開背去頭設(shè)備的研制設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 對蝦開背去頭一體機(jī)總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

以環(huán)渤海的南美白對蝦為研究對象，該對蝦蝦體呈長筒形，左右側(cè)扁，長有甲殼、附肢、長須，其背部曲線呈弧形。對成品蝦按其體厚度進(jìn)行分級后，同一級別的對蝦其體長差值浮動(dòng)很小，其頭胸部長度基本一致［8］。仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)對蝦頭胸部與第一體節(jié)連接處表皮較柔軟，用刀片輕輕滑切至有破口時(shí)用手輕掰蝦頭，蝦頭極易與蝦體分離。對蝦蝦體覆蓋有堅(jiān)硬的甲殼，采用傳統(tǒng)開背刀開背時(shí)需用刀刃切割蝦體甲殼，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)都獯檀┪r殼后蝦殼將沿刀刃方向開裂。

基于對蝦的生物特性本設(shè)計(jì)的基本思路是：① 對對蝦進(jìn)行分級，使得對蝦具有相近的尺寸；② 對待加工的對蝦進(jìn)行定向排序，輸出保持同一節(jié)拍的對蝦；③ 在一次的輸送過程中完成對對蝦的開背和去頭工作；④ 進(jìn)行蝦體和蝦頭的分離及收集。裝置可采用雙鏈長短V槽固蝦輸送、復(fù)位仿形托板與固定開背刀聯(lián)合進(jìn)行開背、長短V槽相對運(yùn)動(dòng)與固定刀片滑切聯(lián)合進(jìn)行去頭的處理工藝［9，10］。

1.2 開背去頭一體機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

開背去頭一體機(jī)包括機(jī)架，機(jī)架上并排設(shè)置有5組工作單元并設(shè)有驅(qū)動(dòng)電機(jī)，見圖1。其工作單元結(jié)構(gòu)主要由送料機(jī)構(gòu)、開背機(jī)構(gòu)、壓緊機(jī)構(gòu)、去頭刀組成，見圖2。

圖1 對蝦開背去頭一體機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Structure diagram of the head－cutting and back－opening machine for shrimp

圖2 工作單元的結(jié)構(gòu)示意圖Figure 2 Structure diagram of the work units

加工時(shí)，對蝦先經(jīng)過分級裝置的分選及定向排序裝置的整隊(duì)保持背部朝下的同一姿態(tài)由接蝦口落入到同步運(yùn)動(dòng)著的長V槽和短V槽中，傾斜設(shè)置的仿形板使得對蝦保持頭部位于短V槽、蝦體位于長V槽內(nèi)，使得去頭刀刀刃對準(zhǔn)蝦頭和蝦體的連接部位，為去頭工作做準(zhǔn)備。當(dāng)對蝦輸送到去頭刀處時(shí)，蝦頭由彈片壓緊，蝦體由壓緊輪壓緊，在壓緊輪的作用下，蝦體隨仿形板下移，固定著的開背刀由仿形板的小槽處對蝦體進(jìn)行開背，完成開背工作，與此同時(shí)同步運(yùn)動(dòng)的長V槽和短V槽產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，長V槽繼續(xù)作直線運(yùn)動(dòng)，而短V槽作圓周運(yùn)動(dòng)，去頭刀劃破蝦體并在長V槽和短V槽相對運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的剪切力的作用下完成對蝦去頭工作。長V槽在長槽鏈條的驅(qū)動(dòng)下離開壓緊輪，在彈簧的作用下仿形板推動(dòng)開背后的蝦體脫離開背刀并恢復(fù)到原位并輸送蝦體到蝦體收集位置進(jìn)而進(jìn)行剝殼等后續(xù)加工，短V槽在短槽鏈條的驅(qū)動(dòng)下使蝦頭脫離彈片的擠壓，蝦頭在慣性力的作用下進(jìn)入蝦頭收集口，并由此落入蝦頭滑板進(jìn)行收集。至此，完成對蝦的開背去頭工作。

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

2.1 送料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

由前期的試驗(yàn)可知，對蝦的體厚和體長有很大的相關(guān)性。按體厚嚴(yán)格分級后，同一級別的頭胸部長度基本一致。當(dāng)蝦頭胸部與蝦體連接處有切口時(shí)，利用剪切運(yùn)動(dòng)對對蝦進(jìn)行去頭加工較方便。基于上述研究，設(shè)計(jì)了雙鏈長短V槽固蝦輸送機(jī)構(gòu)，主要由鏈輪、鏈條和若干V型槽組成。鏈條節(jié)距p為12.7mm，鏈輪齒數(shù)為25，V型槽結(jié)構(gòu)見圖3，由長V槽和短V槽組成，其中短V槽與所加工對蝦的頭胸部長度相適應(yīng)，保證V型槽總長與對蝦體長相適應(yīng)，兩槽分別安裝在兩條鏈條上且兩槽接觸端面處有2mm的間隙。位于豎直位置的兩個(gè)鏈輪II分別與位于豎直位置的兩個(gè)鏈輪I同軸且在水平位置兩鏈條平行，位于水平位置的兩鏈輪II的中心距小于兩鏈輪I的中心距，為保證兩鏈條平行及長V槽和短V槽在水平位置的同步，機(jī)架上設(shè)有帶兩條平行凹槽的鏈條支撐板。對蝦從接蝦口落入到V型槽時(shí)，頭胸部處在短V槽中而蝦體部分則處在長V槽之中，頭胸部與蝦體連接處則處在2mm的間隙處，在鏈輪的驅(qū)動(dòng)下，當(dāng)短V槽作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)將與長V槽產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，從而對對蝦產(chǎn)生剪切力進(jìn)行去頭。

圖3 V型槽結(jié)構(gòu)Figure 3 Structure of the V groove

2.2 開背機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

開背機(jī)構(gòu)安裝在長V槽中是用來對蝦體進(jìn)行開背處理的，包括仿形板、開背刀及兩對彈簧，結(jié)構(gòu)見圖4。在仿形板中間位置設(shè)有小槽并傾斜置于長V槽中，其前后各設(shè)有一對凸起與長V槽內(nèi)的滑槽相適應(yīng)，可在長V槽內(nèi)上下滑動(dòng)；開背刀固定在長V槽底部，刀刃與仿形板小槽對齊；彈簧固定在長V槽底部，支撐仿形板，使得仿形板在自然狀態(tài)下位于上極限位置，此時(shí)開背刀刀刃位于仿形板下方。為了增強(qiáng)開背的效果，開背刀刀刃曲線與蝦背曲線相適應(yīng)，刀刃為鋸齒形。

圖4 開背機(jī)構(gòu)Figure 4 Back－opening mechanism

2.3 壓緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為了給開背機(jī)構(gòu)提供相應(yīng)的壓力及保證長短V槽相對運(yùn)動(dòng)剪切去頭時(shí)對蝦體的固定，設(shè)計(jì)了壓緊機(jī)構(gòu)（見圖5），主要包括壓緊輪和彈片。壓緊輪位于水平位置長V槽的上方與長V槽嚙合，彈片位于將要作圓周運(yùn)動(dòng)的短V槽的上方，彈片與壓緊輪前后對齊。當(dāng)送料機(jī)構(gòu)將對蝦輸送到開背去頭工位時(shí)，壓緊輪一方面對開背機(jī)構(gòu)提供外在壓力，另一方面可保證蝦體在開背時(shí)的固定，彈片可以保證在加工時(shí)對蝦頭的固定。由前期的試驗(yàn)可知，成品蝦蝦線距離蝦背最高端為3～5mm，保證仿形板在壓緊輪的作用下可下移5mm。

2.4 去頭刀的設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用了一種弧形刀刃的去頭刀，具有鋒利的刀刃且刀片厚度不超過2mm，結(jié)構(gòu)見圖5。去頭刀固定安裝在長V槽與短V槽之間的縫隙內(nèi)，這種結(jié)構(gòu)能夠保證在工作中去頭刀只起滑切的作用，降低了刀體和對蝦在作用時(shí)的相互損傷。

圖5 壓緊機(jī)構(gòu)及去頭刀Figure 5 Pressing mechanism and the head－cutting knife

3 對蝦開背去頭試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為2014年7月份在河北保定市水產(chǎn)市場采購的鮮活南美白對蝦，體型呈長筒形，左右側(cè)扁，頭胸部、腹部和尾部均完整，蝦仁飽滿，肉質(zhì)鮮嫩。對所購對蝦按其體厚度進(jìn)行分級后，取體厚為11～12mm的對蝦作為開背去頭的試驗(yàn)對象。為了保證開背去頭工作的有序進(jìn)行，所篩選的對蝦在試驗(yàn)之前需經(jīng)過冰水混合物浸泡處理30min以降低對蝦的活性。

3.2 試驗(yàn)方法

為了評估機(jī)器的整體加工能力和可靠性，試驗(yàn)時(shí)同取100只對蝦進(jìn)行開背去頭試驗(yàn)，分別統(tǒng)計(jì)機(jī)器和人工的開背率、去頭率、成功率及加工效率，得出機(jī)器的整體性能指標(biāo)。由于整機(jī)的5個(gè)工作單元加工能力相同且各單元相互獨(dú)立，本試驗(yàn)采用對蝦開背去頭一體機(jī)的1個(gè)工作單元進(jìn)行加工，試驗(yàn)前先將機(jī)器調(diào)整到最佳狀態(tài)。為了滿足對蝦定向的問題，控制鏈條輸送速度為0.2m/s。

（1）開背率：對蝦開背6節(jié)成功數(shù)占加工總數(shù)的百分比，%；

（2）去頭率：對蝦去頭成功數(shù)占加工總數(shù)的百分比，%；

（3）成功率：對蝦開背6節(jié)且去頭成功數(shù)占加工總數(shù)的百分比，%；

（4）加工速度：單位時(shí)間內(nèi)加工對蝦的數(shù)量，只/min。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

對機(jī)器進(jìn)行試驗(yàn)得到的結(jié)果見表1。由表1可知，V槽式對蝦開背去頭一體機(jī)的加工效果良好，處理能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人工，但是機(jī)器需要對蝦裝料時(shí)的嚴(yán)格定向且對對蝦的尺寸較敏感，如果對蝦尺寸過大則會(huì)造成V型槽輸料困難，如果對蝦尺寸過小則會(huì)在去頭時(shí)切掉部分蝦肉而造成浪費(fèi)。

表1 對蝦試驗(yàn)參數(shù)表Table 1 Parameter table of shrimp experiment

4 結(jié)論

本試驗(yàn)研制了一種集開背、去頭加工于一體的對蝦加工設(shè)備。該機(jī)結(jié)構(gòu)獨(dú)特，經(jīng)定向裝置輸送來的對蝦背部朝下落入V型槽內(nèi)，在斜置的仿形板及自身重力的作用下使得對蝦呈待加工狀態(tài)，利用長短V槽的同步運(yùn)動(dòng)進(jìn)行對蝦的輸送，在長短V槽相對運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的剪切力及去頭刀對蝦體的劃傷進(jìn)行去頭。由壓緊輪、仿形板、彈簧和固定的開背刀組合成開背單元實(shí)現(xiàn)對蝦開背加工。試驗(yàn)表明，該對蝦開背去頭一體機(jī)加工效果好，開背率達(dá)到95%，去頭率達(dá)到100%；1個(gè)工作單元的處理能力約為237只/min，能夠?qū)崿F(xiàn)對蝦開背及去頭工作同時(shí)進(jìn)行，可為對蝦開背去頭設(shè)備的研制提供技術(shù)依據(jù)。

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