張秀花++趙慶龍++王澤河++楊淑華++弋景剛

摘要：排序定向是對(duì)蝦機(jī)械化去頭和自動(dòng)化剝殼的重要前續(xù)工作。為研制對(duì)蝦頭尾和背腹定向裝置，針對(duì)分級(jí)后長(zhǎng)度為110～130 mm南美白對(duì)蝦的體型特征及摩擦特性進(jìn)行試驗(yàn)研究。利用弓弦法測(cè)得對(duì)蝦背部平均彎曲半徑為40.4 mm，利用稱質(zhì)量法測(cè)得對(duì)蝦的重心位于第1節(jié)與第2節(jié)交界處且靠近背部的部分，可利用對(duì)蝦自然彎曲導(dǎo)致的重心偏移進(jìn)行背腹定向。結(jié)果表明：南美白對(duì)蝦相對(duì)于Q235鋼板，對(duì)蝦順腹部節(jié)方向的摩擦角小于逆腹部節(jié)方向的摩擦角；頭胸部分的摩擦角小于腹部的摩擦角；對(duì)蝦尾節(jié)部分的摩擦角最大；對(duì)蝦各部分的摩擦角具有差異性，但相差不大，利用體長(zhǎng)各部分的摩擦難以進(jìn)行頭尾定向。對(duì)蝦在帶有凹槽的尼龍表面上滑動(dòng)時(shí)，背部的動(dòng)摩擦因數(shù)全部小于1，腹部的動(dòng)摩擦因數(shù)全部大于1，且腹部的摩擦力大于側(cè)面的摩擦力與重力之和，適于做背腹定向材料。本研究為確定定向原理和設(shè)計(jì)定向裝置提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：對(duì)蝦；定向排序；摩擦特性；腹背

中圖分類號(hào)：S985.2+1；TS254.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）12-0344-03

收稿日期：2015-11-06

基金項(xiàng)目：海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（編號(hào)：201205031）；河北省科技支撐計(jì)劃（編號(hào)：12227169）；河北省高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（編號(hào)：ZD2016111）；河北農(nóng)業(yè)大學(xué)理工基金（編號(hào)：LG201501）。

作者簡(jiǎn)介：張秀花（1972—），女，河北邢臺(tái)人，博士，副教授，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與理論、農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)裝備研究。E-mail：zhang72xh@163.com。

國(guó)內(nèi)對(duì)蝦剝殼以手工剝殼為主，勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低，且易使產(chǎn)品受到細(xì)菌污染，影響產(chǎn)品的鮮度和品質(zhì)[1-3]。對(duì)蝦排序定向是對(duì)蝦機(jī)械化去頭和自動(dòng)化剝殼的重要前續(xù)工作[4]。生物物料定向原理主要包括3個(gè)方面：利用生物自身組織構(gòu)造的差異進(jìn)行定向整理排列；利用生物重心的位置及生物自身的不對(duì)稱性進(jìn)行生物的定向整理；利用振動(dòng)推進(jìn)法[5]、差動(dòng)法（生物重心位置、生物不同部位組織的差異、各部分摩擦角度的不同）與旋轉(zhuǎn)圓盤相結(jié)合進(jìn)行定向整理。物料的定向[6]均利用物料本身的物理特性，借助現(xiàn)代先進(jìn)設(shè)備，最終完成對(duì)物料的定向。本試驗(yàn)研究對(duì)蝦的體型特征及摩擦特性，以期為確定定向原理和設(shè)計(jì)定向裝置提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1對(duì)蝦的體型參數(shù)

1.1試驗(yàn)材料

鮮活南美白對(duì)蝦購(gòu)自河北省保定市水產(chǎn)市場(chǎng)，蝦體長(zhǎng)為110～130 mm，蝦仁飽滿，肉質(zhì)鮮嫩。

1.2對(duì)蝦彎曲度

對(duì)蝦腹部具有一定彎曲度，其長(zhǎng)軸方向呈圓弧狀，截面呈類似楔形。使對(duì)蝦處于自然狀態(tài)，對(duì)對(duì)蝦背輪廓進(jìn)行描繪（圖1）。以“弓弦法”測(cè)量原理（圖2）[7]為基礎(chǔ)，采用精度為0.02 mm的游標(biāo)卡尺進(jìn)行測(cè)量，所得圓弧半徑近似為蝦背的彎曲半徑R1。

由R2=[JB（（][SX（]L2[SX）][JB））]2+（R-H）2，可得：

[JZ（]R=[SX（]H2[SX）]+[SX（]L28H[SX）]=[SX（]L2+4H28H[SX）][JZ）][JY]（1）

利用“弓弦法”對(duì)長(zhǎng)度為110～130 mm的20只對(duì)蝦進(jìn)行測(cè)量，得到對(duì)蝦背部的平均彎曲半徑為40.4 mm?？衫脤?duì)蝦自然彎曲導(dǎo)致的重心偏移進(jìn)行背腹定向。

1.3重心

通過(guò)切割稱量與懸掛等方法測(cè)定對(duì)蝦重心所在位置。采用解剖刀垂直于對(duì)蝦對(duì)稱面將其切割，采用精度為0.01 g的電子天平稱量2個(gè)部分的質(zhì)量。經(jīng)過(guò)多次測(cè)量，所測(cè)定對(duì)蝦的重心所在截面位于第1節(jié)與第2節(jié)交界處。在對(duì)蝦重心所在截面處附近，利用細(xì)線對(duì)對(duì)蝦進(jìn)行懸掛測(cè)量，經(jīng)過(guò)多次不同位置的懸掛測(cè)量，發(fā)現(xiàn)對(duì)蝦的重心位于靠近背部的部分（圖3）。

[FK（W8][TPZXH3.tif]

2對(duì)蝦摩擦特性試驗(yàn)

對(duì)蝦一般分為頭胸部、腹部、尾節(jié)3大部分，腹部組織豐富，尾部肌肉組織較少，對(duì)蝦各部分的生物組織構(gòu)造不同，決定了其頭胸部、腹部、尾部的摩擦特性具有一定差異。對(duì)蝦腹部有多對(duì)腹足，形狀不規(guī)則，表面不光滑，蝦背和側(cè)面表面光滑，因此蝦背和蝦腹處的摩擦特性存在差異。

2.1試驗(yàn)材料

鮮活南美白對(duì)蝦購(gòu)自河北省保定市水產(chǎn)市場(chǎng)，蝦體長(zhǎng)為110～130 mm，質(zhì)量為11.5～12.0 g，剔除死亡個(gè)體，挑選蝦仁飽滿、肉質(zhì)鮮嫩的對(duì)蝦進(jìn)行試驗(yàn)。Q235鋼板、表面光滑的尼龍板、表面刻有凹槽的尼龍板、食品及橡膠板各1塊。

2.2試驗(yàn)設(shè)備及用具

計(jì)算機(jī)；量程為3 N，精確到0.01 N的數(shù)顯推拉力計(jì)；解剖刀；冷凍箱。

2.3試驗(yàn)方法

利用伺服電機(jī)控制升降臺(tái)的前進(jìn)，將數(shù)顯推拉力計(jì)放置在升降臺(tái)上，帶動(dòng)對(duì)蝦勻速前進(jìn)，測(cè)出對(duì)蝦相對(duì)于不同表面的摩擦力F。利用公式F=μmg求出摩擦因數(shù)μ，利用公式μ=tanα求出對(duì)蝦相對(duì)于不同表面的摩擦角α。

測(cè)量完整南美白對(duì)蝦順腹部節(jié)、逆腹部節(jié)相對(duì)于Q235鋼板的摩擦力。測(cè)量用解剖刀分割后的頭胸部、腹部、尾節(jié)相對(duì)于Q235鋼板的摩擦力。上述情況分別進(jìn)行干燥表面和給水潤(rùn)滑表面的測(cè)量，并分別測(cè)量3次求均值。

將去頭后的對(duì)蝦置于冷凍箱內(nèi)，進(jìn)行-18 ℃冷凍30 min預(yù)處理，之后分別放置在表面光滑的尼龍板、食品級(jí)橡膠板、表面刻有凹槽的尼龍板等接觸材料上進(jìn)行摩擦力的測(cè)量。試驗(yàn)中采用變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，將對(duì)蝦滑動(dòng)速度比較精確地控制在2.5 mm/s。

3摩擦試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1對(duì)蝦體長(zhǎng)方向的摩擦特性

順腹部節(jié)對(duì)蝦摩擦因數(shù)測(cè)定數(shù)據(jù)見表1，逆腹部節(jié)對(duì)蝦摩擦因數(shù)測(cè)定數(shù)據(jù)見表2，對(duì)蝦頭部摩擦因數(shù)測(cè)定數(shù)據(jù)見表3，對(duì)蝦腹部摩擦因數(shù)測(cè)定數(shù)據(jù)見表4。

根據(jù)上述結(jié)果計(jì)算各部分摩擦角的平均值（表5）。由表5[CM（25*5]可知，對(duì)蝦順腹部節(jié)的摩擦角小于逆腹部節(jié)的摩擦角，對(duì)蝦

頭胸部的摩擦角小于腹部的摩擦角，對(duì)蝦尾節(jié)的摩擦角最大，給水潤(rùn)滑時(shí)的對(duì)蝦摩擦角小于干燥情況下的對(duì)蝦摩擦角。對(duì)蝦各部分的摩擦角具有差異性，但摩擦角相差不大，利用蝦體各部分的摩擦難以進(jìn)行頭尾定向。

將對(duì)蝦分別以長(zhǎng)軸垂直于下滑方向、長(zhǎng)軸平行于下滑方向的姿態(tài)置于Q235振動(dòng)臺(tái)面進(jìn)行試驗(yàn)（圖4、圖5）[8-12]。試驗(yàn)過(guò)程中下滑的對(duì)蝦最終無(wú)特定下滑姿態(tài)，對(duì)蝦呈頭部朝下下滑姿態(tài)的現(xiàn)象不明顯，即在振動(dòng)臺(tái)面上對(duì)蝦頭尾定向效果不明顯。

3.2對(duì)蝦背腹摩擦特性

將經(jīng)-18 ℃冷凍30 min的去頭對(duì)蝦分別放置在表面光滑的尼龍板、食品級(jí)橡膠板、表面刻有凹槽的尼龍板等接觸材料上進(jìn)行試驗(yàn)，所測(cè)得的摩擦力見表6。圖6為根據(jù)表6計(jì)算得到的對(duì)應(yīng)動(dòng)摩擦因數(shù)。

由圖6可知，在光滑的尼龍板上，對(duì)蝦各面的動(dòng)摩擦因數(shù)相差不大；在光滑的橡膠上，對(duì)蝦各面的動(dòng)摩擦因數(shù)不同，且腹部的動(dòng)摩擦因數(shù)均大于側(cè)面，對(duì)蝦側(cè)面、腹部與橡膠表面的動(dòng)摩擦因數(shù)均值分別為0.467、0.603；在帶有凹槽的尼龍表面上，對(duì)蝦各面的動(dòng)摩擦因數(shù)不同，腹部的動(dòng)摩擦因數(shù)均大于側(cè)面，對(duì)蝦側(cè)面、腹部與帶凹槽尼龍表面的動(dòng)摩擦因數(shù)均值分別為0.625、1.759。側(cè)面的動(dòng)摩擦因數(shù)均小于1，腹部的動(dòng)摩擦因數(shù)均大于1，且腹部的動(dòng)摩擦因數(shù)均大于側(cè)面動(dòng)摩擦因數(shù)與1之和?？梢?，當(dāng)對(duì)蝦側(cè)面與帶有凹槽的尼龍表面接觸時(shí)，摩擦力均小于自身重力，而腹部與之接觸時(shí)摩擦力均大于側(cè)面接觸時(shí)的摩擦力與重力之和。試驗(yàn)結(jié)果表明，可選取帶有凹槽的尼龍表面作為對(duì)蝦背腹定向的材料。

4結(jié)論

針對(duì)分級(jí)后長(zhǎng)度為110～130 mm的南美白對(duì)蝦，利用弓弦法測(cè)得對(duì)蝦背部的平均彎曲半徑為40.4 mm，利用稱質(zhì)量法測(cè)得對(duì)蝦的重心位于第1節(jié)與第2節(jié)交界處且靠近背部的部分，可利用對(duì)蝦自然彎曲導(dǎo)致的重心偏移進(jìn)行背腹定向。

南美白對(duì)蝦相對(duì)于Q235鋼板，對(duì)蝦順腹部節(jié)方向的摩擦角小于逆腹部節(jié)方向，頭胸部分的摩擦角小于腹部，對(duì)蝦尾節(jié)部分的摩擦角最大。相對(duì)于Q235鋼板，對(duì)蝦各部分的摩擦角具有差異性，但相差不大，利用體長(zhǎng)各部分的摩擦難以進(jìn)行頭尾定向。

對(duì)蝦在帶有凹槽的尼龍表面上滑動(dòng)時(shí)，側(cè)面的動(dòng)摩擦因數(shù)均小于1，腹部的動(dòng)摩擦因數(shù)均大于1，且腹部的摩擦力大于側(cè)面的摩擦力與重力之和，適于做背腹定向材料。

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