熊 師 趙 博 胡小鹿 李 佳 周利明 方憲法

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院土壤植物機(jī)器系統(tǒng)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083；3.中國(guó)農(nóng)村技術(shù)開(kāi)發(fā)中心， 北京 100045)

0 引言

對(duì)蝦是主要水產(chǎn)品之一，我國(guó)是世界上最大的對(duì)蝦生產(chǎn)國(guó)[1-2]，實(shí)現(xiàn)對(duì)蝦加工環(huán)節(jié)的機(jī)械化和自動(dòng)化對(duì)水產(chǎn)行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。對(duì)蝦剝制的加工流程主要包括：清洗、分級(jí)、排序定向、去頭、開(kāi)背、去腸線、剝殼、蝦仁收集[3-7]。夾具轉(zhuǎn)盤式對(duì)蝦剝制機(jī)[8-9]可一次性完成開(kāi)背、去腸線和剝殼環(huán)節(jié)。該機(jī)器采用逐只順序剝制的方式，需要在喂入過(guò)程將對(duì)蝦以背部朝上、尾部伸出的姿態(tài)逐只放置于輸送V型槽內(nèi)，目前這一喂入工序只能依靠人工完成，其勞動(dòng)強(qiáng)度大，極大地限制了機(jī)器效率。先將對(duì)蝦分離至單只狀態(tài)、再逐只定向是實(shí)現(xiàn)夾具轉(zhuǎn)盤式對(duì)蝦剝制機(jī)物料自動(dòng)喂入的有效方法。逐只分離是對(duì)蝦單只定向的前提，因此需要研究對(duì)蝦的逐只分離方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)蝦的逐只自動(dòng)喂入，以擺脫對(duì)人工喂入的依賴。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于對(duì)蝦剝制預(yù)處理的研究主要集中在分級(jí)、去頭、開(kāi)背和剝殼等方面[10-14]，在對(duì)蝦逐只分離、定向喂入方面的研究較少。文獻(xiàn)[15]根據(jù)對(duì)蝦的體型特征及摩擦特性，設(shè)計(jì)了對(duì)輥式對(duì)蝦定向機(jī)，通過(guò)輥?zhàn)由贤估馀c凹槽的配合實(shí)現(xiàn)腹背定向，但該機(jī)未考慮定向前的喂入環(huán)節(jié)，仍需人工逐只喂入。文獻(xiàn)[16]研究了對(duì)蝦在不同材料上的頭尾和腹背定向的摩擦特性，為對(duì)蝦頭尾和腹背定向裝置的設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[17]設(shè)計(jì)了對(duì)蝦平鋪單?；b置，采用三級(jí)振動(dòng)分離原理，通過(guò)調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率和振動(dòng)篩回角度控制對(duì)蝦的分散效果，該裝置可使相互粘連的對(duì)蝦分散，以便于后續(xù)的圖像識(shí)別，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)逐只順序分離。與逐只分離方法相類似的研究多見(jiàn)于精量播種領(lǐng)域，機(jī)械式精量排種器主要有指夾式[18-19]、輪勺式[20]、勺夾式[21]等，其單粒取種的方式可為對(duì)蝦逐只分離研究提供參考。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)蝦逐只自動(dòng)排出，本文基于對(duì)蝦外形結(jié)構(gòu)尺寸的分析，研究伸縮式夾持與分離方法，設(shè)計(jì)一種適合去頭對(duì)蝦的逐只分離裝置，以期實(shí)現(xiàn)夾具轉(zhuǎn)盤式對(duì)蝦剝制機(jī)的機(jī)械化喂入。

1 結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

逐只分離裝置主要由排料導(dǎo)管、前殼、進(jìn)料口、側(cè)殼、分隔面、夾持器、導(dǎo)引勺、輪盤、后殼和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成，如圖1所示。導(dǎo)引勺均勻分布在輪盤上，每個(gè)導(dǎo)引勺內(nèi)均嵌套一個(gè)夾持器。在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下，導(dǎo)引勺和夾持器可隨輪盤轉(zhuǎn)動(dòng)。前殼設(shè)有進(jìn)料口和分隔面，分隔面可將排料口與進(jìn)料口分隔開(kāi)，有效防止剛進(jìn)料的蝦直接排出。后殼作為安裝固定的部件，為輪盤的旋轉(zhuǎn)提供支撐。

圖1 分離裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of separation device1.排料導(dǎo)管 2.前殼 3.進(jìn)料口 4.側(cè)殼 5.分隔面 6.夾持器 7.導(dǎo)引勺 8.輪盤 9.傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 10.后殼

1.2 工作原理

對(duì)蝦逐只分離裝置通過(guò)夾持器前后伸縮實(shí)現(xiàn)對(duì)蝦的單只夾持與分離。該裝置的工作過(guò)程依次劃分為填充區(qū)、夾持區(qū)、清理區(qū)、分離區(qū)、排料區(qū)，如圖2所示。

圖2 工作區(qū)域劃分Fig.2 Work area division1.分隔面 2.進(jìn)料口 3.導(dǎo)引勺 4.輪盤 5.夾持器

填充：多只對(duì)蝦從進(jìn)料口喂入，沿分隔面進(jìn)入填充區(qū)，然后滑入導(dǎo)引勺。導(dǎo)引勺可對(duì)蝦體姿態(tài)進(jìn)行約束，使對(duì)蝦進(jìn)入夾持器與輪盤面之間的伸縮空間。夾持器受到后殼軌道的支撐，在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中夾持器隨著后殼軌道的起伏變化而前后伸縮。

夾持：導(dǎo)引勺隨輪盤逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)進(jìn)入夾持區(qū)。夾持區(qū)內(nèi)的后殼軌道高度下降，夾持器在彈簧張力的作用下向后移動(dòng)，伸縮空間逐漸減小，直至單只對(duì)蝦被夾持。

清理：進(jìn)入清理區(qū)后，導(dǎo)引勺上未被夾持的對(duì)蝦由于導(dǎo)引勺坡度的增大而滑落至填充區(qū)，完成多余對(duì)蝦的清理。

分離：導(dǎo)引勺進(jìn)入分離區(qū)后，分離區(qū)內(nèi)的后殼軌道高度增大，夾持器在軌道支撐力的推動(dòng)下逐漸向前移動(dòng)，夾持器與輪盤面的距離增大，使得對(duì)蝦與夾持器分離。

排料：對(duì)蝦從分離區(qū)下滑至排料區(qū)，從排出口落下，實(shí)現(xiàn)對(duì)蝦的單只排出。導(dǎo)引勺繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)入下一個(gè)夾持與分離循環(huán)。

2 對(duì)蝦幾何參數(shù)

夾具轉(zhuǎn)盤式對(duì)蝦剝制機(jī)所用的對(duì)蝦一般為去頭后的中大型蝦。為保證逐只分離裝置的適應(yīng)性，測(cè)量了去頭的中大型南美白對(duì)蝦自然狀態(tài)下的弧長(zhǎng)(蝦背部輪廓曲線的長(zhǎng)度)、弦長(zhǎng)(蝦前端與尾部間的距離)、寬度(蝦背部與腹部間的距離)和厚度(蝦兩側(cè)面間的距離)。由于對(duì)蝦尾部厚度小于1 mm，不適合夾持，因此尾部不作為厚度的測(cè)量范圍。測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 去頭對(duì)蝦的幾何參數(shù)Tab.1 Geometric parameters of deheading prawn mm

3 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 輪盤

輪盤為光滑圓盤，如圖3所示，其材料為ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)塑料。在輪盤表面對(duì)去頭對(duì)蝦進(jìn)行了滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)，試驗(yàn)測(cè)得動(dòng)摩擦因數(shù)的范圍為0.42～0.74，最大摩擦角為36.5°。為確保輪盤上的對(duì)蝦能自動(dòng)滑落，輪盤與水平面的夾角(輪盤傾角)α應(yīng)大于36.5°。

圖3 輪盤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of roulette

對(duì)蝦在平面上一般呈側(cè)面貼合平面的姿態(tài)，以該姿態(tài)滑至填充區(qū)可使夾持范圍限定在對(duì)蝦厚度的方向，有利于提高夾持穩(wěn)定性。為確定輪盤的最佳傾斜角度，將輪盤盤面與水平面的夾角分別設(shè)置為40°、50°、60°、70°、80°和90°，進(jìn)行對(duì)蝦下滑試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)傾斜50°時(shí)對(duì)蝦不僅能全部滑落而且下滑時(shí)不易發(fā)生翻轉(zhuǎn)，且能夠以側(cè)面接觸的姿態(tài)滑至底部，因此輪盤傾角α設(shè)計(jì)為50°。

3.2 夾持器

夾持器是夾持和分離對(duì)蝦的關(guān)鍵部件，包括夾持片、伸縮軸、彈簧、底座和滾動(dòng)軸承，如圖4所示。在輪盤的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)下，夾持器通過(guò)滾動(dòng)軸承沿后殼軌道運(yùn)動(dòng)。由于軌道高度的變化，彈簧的壓縮量發(fā)生變化。夾持片在彈簧壓縮力的驅(qū)動(dòng)下前后伸縮，實(shí)現(xiàn)對(duì)蝦的夾持與分離。

圖4 夾持器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of clamper1.夾持片 2.伸縮軸 3.彈簧 4.底座 5.滾動(dòng)軸承

3.2.1夾持片

夾持片是夾持對(duì)蝦的直接接觸部件，如圖5所示，其夾持長(zhǎng)度需依據(jù)對(duì)蝦外形參數(shù)確定。一般情況下，夾持長(zhǎng)度超過(guò)對(duì)蝦寬度的0.6倍可穩(wěn)定夾持單只蝦，夾持長(zhǎng)度超過(guò)對(duì)蝦寬度的1.5倍可能會(huì)夾持兩只蝦。因此根據(jù)單只夾持要求，夾持長(zhǎng)度s需滿足

0.6smax

(1)

式中smin——對(duì)蝦最小寬度，mm

smax——對(duì)蝦最大寬度，mm

圖5 夾持片結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure diagram of clamping slice

根據(jù)表1可得15.1 mm

對(duì)蝦腹部截面為類似楔形的輪廓，因此平面形夾持片在夾持過(guò)程中與對(duì)蝦的接觸面積小，同時(shí)考慮到對(duì)蝦表面光滑，會(huì)增大對(duì)蝦滑落的可能性。因此為提高夾持片與對(duì)蝦的接觸面積，夾持片表面形狀設(shè)計(jì)為半徑r=18 mm、弦長(zhǎng)l=16 mm的圓弧面，如圖5所示。

3.2.2彈簧

夾持片與輪盤面的距離在填充區(qū)取得最大值h1，在清理區(qū)取得最小值h2。由于從對(duì)蝦體厚度方向進(jìn)行夾持，h1需滿足

h1=hmax+Δ=15.4+Δ=16.4～17.4 mm

(2)

式中hmax——去頭對(duì)蝦的最大厚度，mm

Δ——夾持冗余量，取1～2 mm

h1根據(jù)實(shí)際加工需要取整為17 mm。夾持片與輪盤面的距離值為最小值h2時(shí)，彈簧可達(dá)到最大伸長(zhǎng)量，即彈簧的壓縮量為零。為確保最小厚度的對(duì)蝦能被夾持，h2需小于6.8 mm，此時(shí)彈簧的壓縮量為6.8-h2，彈簧的壓縮量需保證彈簧產(chǎn)生對(duì)蝦體足夠的壓力以防止對(duì)蝦滑落。最終h2取3 mm，經(jīng)計(jì)算3.8 mm的彈簧壓縮量可使所選彈簧滿足要求。因此夾持器的伸縮行程為：h=h1-h2=14 mm。

由伸縮行程可知彈簧的最大壓縮量為14 mm，彈簧的設(shè)計(jì)需滿足被夾持的對(duì)蝦既不滑落也不會(huì)受壓破損。對(duì)蝦被夾持時(shí)的靜態(tài)受力分析如圖6所示。

圖6 對(duì)蝦受力分析Fig.6 Force analysis of prawn1.夾持片 2.對(duì)蝦 3.輪盤面

保證對(duì)蝦不滑落受力關(guān)系應(yīng)滿足

(3)

式中μ——對(duì)蝦在輪盤面的動(dòng)摩擦因數(shù)

k——彈簧的彈性系數(shù)，N/mm

x1——彈簧的壓縮長(zhǎng)度，mm

m——去頭對(duì)蝦質(zhì)量，kg

F——夾持片對(duì)對(duì)蝦的壓力，N

FN——輪盤面對(duì)對(duì)蝦的支持力，N

f1——對(duì)蝦受到輪盤面的摩擦力，N

f2——對(duì)蝦受到夾持片的摩擦力，N

得到k≥0.022 N/mm。因此選擇彈性系數(shù)為0.2 N/mm的彈簧可滿足需要。彈簧壓縮量最大時(shí)，對(duì)蝦受到的壓力最大，為2.8 N。由對(duì)蝦壓縮試驗(yàn)的結(jié)果可知，對(duì)蝦在不破損狀態(tài)下所能承受的最小載荷為19.8 N，因此彈簧的設(shè)計(jì)不會(huì)造成對(duì)蝦損傷。

3.3 導(dǎo)引勺

3.3.1結(jié)構(gòu)

由于對(duì)蝦為近似圓弧的外形結(jié)構(gòu)，對(duì)蝦易出現(xiàn)背部朝上的凸形和腹部朝上的凹形兩種姿態(tài)。為適應(yīng)不同姿態(tài)，設(shè)計(jì)了導(dǎo)引勺如圖7所示。導(dǎo)引勺由承托面、后弧面和滑槽構(gòu)成。滑槽貫穿導(dǎo)引勺，作為夾持器伸縮軸的安裝位置。承托面是導(dǎo)引勺的主要功能部位，用以承托對(duì)蝦并引導(dǎo)對(duì)蝦進(jìn)入伸縮空間。

圖7 導(dǎo)引勺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Structure diagram of guide spoon1.后弧面 2.承托面 3.滑槽

3.3.2承托面曲線設(shè)計(jì)

承托面的輪廓曲線是根據(jù)對(duì)蝦外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的。由于對(duì)蝦尾節(jié)的厚度極小，為無(wú)法夾持區(qū)域，因此去掉對(duì)蝦尾節(jié)長(zhǎng)度后得到去頭對(duì)蝦的有效輪廓為弧長(zhǎng)90.3 mm、弦長(zhǎng)83.8 mm的圓弧。對(duì)蝦存在凸形和凹形兩種姿態(tài)，其有效輪廓分別為圓弧ABC和圓弧CEF，將兩者結(jié)合起來(lái)可得到曲線ABCEF，如圖8所示。理想狀態(tài)下，凸形對(duì)蝦可貼合在曲線ABC上，凹形對(duì)蝦可貼合在曲線CEF上。

圖8 設(shè)計(jì)曲線Fig.8 Curve of design

3.3.3承托面曲線優(yōu)化

為保證在曲線ABCEF上的對(duì)蝦能夠被夾持，夾持片需置于曲線中點(diǎn)C處。但是當(dāng)曲線上同時(shí)存在兩種姿態(tài)的對(duì)蝦時(shí)，兩只對(duì)蝦各占夾持片寬度的一半，因此夾持片會(huì)同時(shí)夾住兩只蝦，這樣就達(dá)不到逐只分離的目的。

為解決該問(wèn)題，通過(guò)相互交叉使兩曲線融合的方法來(lái)改進(jìn)曲線設(shè)計(jì)。圖8中有曲線ABC和曲線CEF，取弧BC的中點(diǎn)D。將曲線CEF從C點(diǎn)平移至D點(diǎn)，得到新曲線ABDCEF，如圖9所示。DC之間的交叉區(qū)域設(shè)為夾持片的夾持區(qū)，夾持片寬度d需滿足d≤lDC=20.1 mm。

圖9 優(yōu)化曲線Fig.9 Curve of optimization

為提高曲線ABDCEF對(duì)未被夾持蝦的清理能力，取弧AB的中點(diǎn)G，截去弧AG后得到曲線GBDCEF。當(dāng)凸形蝦貼合在弧GBD上時(shí)，弧線的縮短會(huì)導(dǎo)致凸形蝦重心不穩(wěn)，因此未被夾持的凸形蝦易掉落。

3.3.4承托面曲線數(shù)學(xué)模型

以D點(diǎn)為原點(diǎn)建立平面直角坐標(biāo)系，計(jì)算得到各點(diǎn)坐標(biāo)為：G(-44.2 mm,0)、B(-22.1 mm,3.7 mm)、D(0,0)、C(19.8 mm,-10.9 mm)、E(41.9 mm,-14.6 mm)、F(83.8 mm,0)。通過(guò)曲線擬合得出擬合曲線如圖10所示，其決定系數(shù)為0.977 7。因此導(dǎo)引勺承托面曲線的數(shù)學(xué)模型為

f(x)=0.000 094x3-0.003 341x2-0.361 7x-1.347
(-44.2 mm≤x≤83.8 mm)

(4)

圖10 擬合曲線Fig.10 Curve of fitting

3.3.5承托面曲線的可行性分析

兩種姿態(tài)的對(duì)蝦在曲線GBDCEF上的分布情況如圖11所示。

圖11 對(duì)蝦在曲線上的姿態(tài)Fig.11 Posture of prawn on curve

圖11a和圖11b表示凸形對(duì)蝦1先貼合曲線。由于接觸面GBDC仍占對(duì)蝦1弧長(zhǎng)的3/4，因此對(duì)蝦1不會(huì)掉落。由于DC區(qū)域已被占用，隨后而至的凹形對(duì)蝦2存在兩種情況：緊靠凸形蝦背部置于DCEF區(qū)域，由于夾持片夾持空間的長(zhǎng)度是根據(jù)逐只對(duì)蝦寬度設(shè)計(jì)的，因此凹形蝦不會(huì)被夾持；貼合曲線CEF并在C點(diǎn)與凸形蝦端部接觸，此時(shí)凹形蝦在F處伸出一段，由于夾持片寬度不超過(guò)DC長(zhǎng)度，因此只會(huì)夾持凸形蝦。未被夾持的凹形蝦在進(jìn)入清理區(qū)后會(huì)自然滑落，實(shí)現(xiàn)逐只分離。

圖11c和圖11d表示凹形對(duì)蝦2先貼合曲線。由于DC區(qū)域已被占用，隨后而至的凸形對(duì)蝦1也存在與上述原理一致的兩種情況，因此夾持片只會(huì)夾持凹形蝦。在圖11d情況下，由于接觸面CBD只占對(duì)蝦1弧長(zhǎng)的1/2，則對(duì)蝦1重心處于曲線邊緣容易掉落，提高了清理對(duì)蝦的能力。因此曲線GBDCEF可滿足對(duì)蝦夾持與分離過(guò)程的需求。

3.3.6導(dǎo)引勺傾斜設(shè)計(jì)

導(dǎo)引勺在輪盤上的排布如圖12所示。將導(dǎo)引勺向左傾斜以擴(kuò)大張角，有利于對(duì)蝦順利滑入輪盤底部的導(dǎo)引勺承托面上。承托面曲線兩端點(diǎn)的連線GF為導(dǎo)引勺主軸線，GF與輪盤外圓切線FH間的夾角即為導(dǎo)引勺的傾斜角β。從分離裝置整體工作過(guò)程考慮，β不宜過(guò)大。綜合考慮導(dǎo)引勺傾斜角β設(shè)計(jì)為120°。

圖12 導(dǎo)引勺排布Fig.12 Arrangement of guide spoon

3.4 后殼

后殼為分離裝置的支撐部件，其表面分布的環(huán)狀軌道為夾持器提供滾動(dòng)路徑，如圖13所示。夾持器與后殼環(huán)狀軌道組成圓柱凸輪機(jī)構(gòu)。后殼上的環(huán)狀軌道分為高軌道(遠(yuǎn)休止)、收縮軌道(回程)、低軌道(近休止)和伸長(zhǎng)軌道(推程)4個(gè)區(qū)域，依次推動(dòng)夾持器實(shí)現(xiàn)對(duì)蝦的填充、夾緊、保持和分離。夾持器的伸縮行程即是夾持器的推程和回程位移，為14 mm。

圖13 后殼結(jié)構(gòu)示意圖Fig.13 Structure diagram of back shell

當(dāng)導(dǎo)引勺從豎直狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)至水平狀態(tài)時(shí)，夾持器的填充過(guò)程就此結(jié)束，隨后進(jìn)入夾持區(qū)，因此導(dǎo)引勺處于水平狀態(tài)的位置即為高軌道與收縮軌道的分界線。根據(jù)分離裝置的工作原理，在排料區(qū)和填充區(qū)時(shí)夾持器位于高軌道，在夾持區(qū)時(shí)夾持器位于收縮軌道，在清理區(qū)時(shí)夾持器位于低軌道，在分離區(qū)時(shí)夾持器位于伸長(zhǎng)軌道。因此結(jié)合導(dǎo)引勺傾斜角度和分離裝置的工作區(qū)分配，收縮軌道和伸長(zhǎng)軌道所占區(qū)域角度設(shè)計(jì)為30°，高軌道設(shè)計(jì)為120°，低軌道設(shè)計(jì)為180°。

3.5 分離裝置轉(zhuǎn)速

根據(jù)分離裝置的工作原理，進(jìn)入清理區(qū)后，導(dǎo)引勺上未被夾持的對(duì)蝦會(huì)在自身重力的作用下沿盤面下滑，實(shí)現(xiàn)逐只分離。分離裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)對(duì)蝦產(chǎn)生離心力作用，離心力過(guò)大可能會(huì)抵消對(duì)蝦重力引起的下滑效果。因此分離裝置的轉(zhuǎn)速會(huì)影響清理區(qū)的對(duì)蝦清理過(guò)程。

在清理區(qū)，未被夾持的對(duì)蝦在轉(zhuǎn)動(dòng)角超過(guò)60°時(shí)就不再受到導(dǎo)引勺的支持作用，因此轉(zhuǎn)動(dòng)角60°～120°的區(qū)域?yàn)閷?duì)蝦的自由下滑區(qū)，該區(qū)未被夾持對(duì)蝦在輪盤面方向的受力分析如圖14所示。

圖14 對(duì)蝦的動(dòng)態(tài)受力分析Fig.14 Dynamic stress analysis of prawn

為保證轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中未被夾持對(duì)蝦能順利下滑，需滿足

(5)

式中n——分離裝置轉(zhuǎn)速，r/min

r1——對(duì)蝦到圓心的距離，m

FG——對(duì)蝦重力沿輪盤面向下的分力，N

Fl——對(duì)蝦受到的離心力，N

f——對(duì)蝦受到的摩擦力，N

θ——輪盤轉(zhuǎn)動(dòng)角，(°)

γ——摩擦力f與水平線的夾角，(°)

根據(jù)對(duì)蝦受力分析可知，隨著轉(zhuǎn)動(dòng)角θ的增大，γ也逐漸增大。當(dāng)θ為90°時(shí)，f、Fl與FG處于同一直線上，sinθ與sinγ均為最大值1，可得n<41.6 r/min。

綜上所述，對(duì)蝦逐只分離裝置的轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)為n<41.6 r/min。

4 試驗(yàn)材料與方法

4.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為世界上養(yǎng)殖量最大的南美白對(duì)蝦，采購(gòu)的大型對(duì)蝦規(guī)格為20～50只/kg。對(duì)每只對(duì)蝦進(jìn)行去頭處理。

4.2 試驗(yàn)條件

為測(cè)試對(duì)蝦逐只分離裝置的分離效果，搭建了對(duì)蝦逐只分離裝置試驗(yàn)臺(tái)，主要由喂料斗、喂料軟管、逐只分離裝置、臺(tái)架和輸送帶組成，如圖15所示。試驗(yàn)臺(tái)上設(shè)置兩套逐只分離裝置可實(shí)現(xiàn)雙通道的排料，輸送帶勻速運(yùn)動(dòng)可記錄對(duì)蝦的逐只排出效果。

采用圖像采集系統(tǒng)記錄分離裝置的工作過(guò)程，用以分析對(duì)蝦的夾持與分離過(guò)程。該圖像采集系統(tǒng)如圖16所示，由攝像頭和計(jì)算機(jī)組成。由于對(duì)蝦分離裝置的轉(zhuǎn)速低，無(wú)需采集高速圖像，因此試驗(yàn)采用c920 USB型攝像頭作為圖像采集設(shè)備，使用基于LabVIEW開(kāi)發(fā)的圖像采集軟件進(jìn)行圖像抓取與存儲(chǔ)，圖像抓取間隔設(shè)置為100 ms。

圖16 圖像采集系統(tǒng)Fig.16 Image acquisition system

4.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)對(duì)蝦逐只分離裝置的設(shè)計(jì)可知，裝置對(duì)對(duì)蝦的尺寸和姿態(tài)具有自適應(yīng)能力，因此物料個(gè)體變化不作為試驗(yàn)因素。物料的喂入是對(duì)蝦從裝滿對(duì)蝦的喂料斗自動(dòng)滑入分離裝置的過(guò)程，轉(zhuǎn)速越大對(duì)蝦下滑越快，喂入量可隨轉(zhuǎn)速自動(dòng)變化，因此喂入量不作為試驗(yàn)因素。所以影響分離裝置工作性能的主要因素是轉(zhuǎn)速。以分離裝置轉(zhuǎn)速為因素，以重排率、漏排率、對(duì)蝦破損率、排料速率為指標(biāo)，進(jìn)行對(duì)蝦逐只分離裝置的單因素試驗(yàn)。

試驗(yàn)前將攝像頭放置在分離裝置的輪盤面正上方，將喂料斗中裝滿對(duì)蝦，然后依次啟動(dòng)輸送帶、圖像采集系統(tǒng)和分離裝置，試驗(yàn)開(kāi)始。試驗(yàn)臺(tái)每次排料結(jié)束后測(cè)量輸送帶上相鄰對(duì)蝦間的距離，記錄破損對(duì)蝦個(gè)數(shù)和排出的對(duì)蝦總個(gè)數(shù)，并記錄每次試驗(yàn)的時(shí)間。

輸送帶上的對(duì)蝦理論間距k1計(jì)算公式為

(6)

式中v1——輸送帶速度，m/s

將試驗(yàn)記錄的對(duì)蝦實(shí)際間距與理論間距進(jìn)行對(duì)比，并參考GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》，計(jì)算得到重排率和漏排率。

對(duì)蝦破損率和排料速率計(jì)算式為：

破損率

(7)

單套分離裝置排料速率

(8)

式中w——對(duì)蝦破損數(shù)，只

W——排出對(duì)蝦的總數(shù)，只

t——每次試驗(yàn)時(shí)間，min

試驗(yàn)分為轉(zhuǎn)速10、20、30、40 r/min共4組，每組試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行5次，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

5.1 工作過(guò)程分析

為驗(yàn)證對(duì)蝦逐只分離裝置的設(shè)計(jì)可行性，采用圖像采集系統(tǒng)記錄了分離裝置工作過(guò)程的圖像，然后對(duì)整個(gè)夾持與分離循環(huán)過(guò)程進(jìn)行分析。

5.1.1填充、分離與排料過(guò)程

圖17記錄了對(duì)蝦在填充區(qū)、分離區(qū)與排料區(qū)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。對(duì)蝦1和對(duì)蝦2從喂料口進(jìn)入后呈側(cè)面貼合盤面的姿態(tài)向?qū)б谆?。然后?duì)蝦1先滑入伸縮空間，對(duì)蝦2滑向另一個(gè)導(dǎo)引勺，隨后將進(jìn)入下一個(gè)伸縮空間。被夾持的對(duì)蝦3逐漸與夾持片分離，在排料區(qū)脫離導(dǎo)引勺，隨后從排出口滑出。因此對(duì)蝦分離裝置的填充、分離與排料過(guò)程滿足設(shè)計(jì)要求。

圖17 填充、分離與排料過(guò)程Fig.17 Filling, separation and discharging process

圖18 夾持與清理過(guò)程Fig.18 Clamping and cleaning process

5.1.2夾持與清理過(guò)程

圖18記錄了對(duì)蝦從夾持區(qū)進(jìn)入清理區(qū)的變化過(guò)程。對(duì)蝦1和對(duì)蝦2滑入同一導(dǎo)引勺內(nèi)，兩只蝦前后排列，但只有對(duì)蝦1被夾持片夾持，對(duì)蝦2未被夾持，這證明了夾持片夾持長(zhǎng)度設(shè)計(jì)的合理性。對(duì)蝦3為另一導(dǎo)引勺上未被夾持的蝦，隨導(dǎo)引勺進(jìn)入清理區(qū)后，由于導(dǎo)引勺坡度增大，對(duì)蝦3在重力作用下滑落。因此夾持與清理過(guò)程滿足設(shè)計(jì)要求。

5.1.3導(dǎo)引勺適應(yīng)性分析

圖19顯示了對(duì)蝦在導(dǎo)引勺上的兩種姿態(tài)。凸形蝦1、4和凹形蝦2、5、6、8均貼合在導(dǎo)引勺上，被夾持片穩(wěn)定夾持。凹形蝦6和凸形蝦7被同一導(dǎo)引勺承托，凹形蝦2和凸形蝦3也被同一導(dǎo)引勺承托，該現(xiàn)象與圖11d的分析一致，處于伸縮空間的對(duì)蝦2和對(duì)蝦6被夾持，處于伸縮空間外的對(duì)蝦3和對(duì)蝦7會(huì)隨著導(dǎo)引勺的繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)而滑落。因此導(dǎo)引勺的設(shè)計(jì)適合對(duì)蝦的外形特征，能夠承托凸形和凹形兩種姿態(tài)的對(duì)蝦。

圖19 導(dǎo)引勺上對(duì)蝦姿態(tài)Fig.19 Prawn posture on guide spoon

5.2 單因素試驗(yàn)

按照試驗(yàn)方法中所述過(guò)程計(jì)算得到的各試驗(yàn)指標(biāo)如表2所示。

表2 對(duì)蝦逐只分離裝置試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experimental results of single separation device

由表2可知，隨轉(zhuǎn)速的增加，重排率、漏排率、破損率和排料速率均增大。

當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)30 r/min后，轉(zhuǎn)速過(guò)快使對(duì)蝦經(jīng)過(guò)清理區(qū)的時(shí)間縮短，多余對(duì)蝦在清理區(qū)未來(lái)得及滑落就進(jìn)入下一環(huán)節(jié)，導(dǎo)致導(dǎo)引勺上存在多只蝦，因此轉(zhuǎn)速低于30 r/min時(shí)重排率較優(yōu)。

夾持器未能夾持住對(duì)蝦是出現(xiàn)漏排的主要原因，較低的轉(zhuǎn)速有利于降低漏排率。從喂料口和清理區(qū)滑落的對(duì)蝦會(huì)與導(dǎo)引勺和夾持片產(chǎn)生碰撞，同時(shí)處于輪盤邊緣的對(duì)蝦在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)與側(cè)殼產(chǎn)生摩擦。轉(zhuǎn)速的增加會(huì)加大碰撞力和摩擦力，導(dǎo)致對(duì)蝦破損增多。轉(zhuǎn)速在10～20 r/min時(shí)破損率不超過(guò)3%，處于較低水平。

轉(zhuǎn)速增加會(huì)提高單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)排料口的夾持器數(shù)量，導(dǎo)致對(duì)蝦排出量增多，因此轉(zhuǎn)速增加有利于提高排料速率。從實(shí)際生產(chǎn)效率考慮，排料速率越高越好。

因此綜合考慮，對(duì)蝦逐只分離裝置的最優(yōu)轉(zhuǎn)速為20 r/min，對(duì)應(yīng)的重排率為9.2%、漏排率為7.7%、對(duì)蝦破損率為2.5%、每套逐只分離裝置的排料速率為164只/min。

6 結(jié)論

(1)根據(jù)對(duì)蝦外形特性，設(shè)計(jì)了基于伸縮式夾持與分離方法的對(duì)蝦逐只分離裝置，該裝置能夠?qū)?duì)蝦雜亂無(wú)序的狀態(tài)變?yōu)橹鹬惠敵龅臓顟B(tài)，解決了對(duì)蝦無(wú)法逐只自動(dòng)喂入的問(wèn)題。

(2)確定了對(duì)蝦逐只分離裝置的主要結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵參數(shù)，通過(guò)圖像采集系統(tǒng)對(duì)分離裝置的工作過(guò)程進(jìn)行了分析，結(jié)果表明該裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足要求。

(3)對(duì)對(duì)蝦逐只分離裝置進(jìn)行了單因素試驗(yàn)，得出其最優(yōu)轉(zhuǎn)速為20 r/min，在該轉(zhuǎn)速下重排率為9.2%、漏排率為7.7%、對(duì)蝦破損率為2.5%、排料速率為164只/min。