高轉(zhuǎn)速圓盤(pán)刀對(duì)蝦去頭裝置

李鐸　張秀花　王偉

摘要：針對(duì)人工去蝦頭工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、蝦仁易受細(xì)菌污染，以及機(jī)械一刀切式對(duì)蝦去頭方法蝦肉浪費(fèi)嚴(yán)重等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種高轉(zhuǎn)速刀片對(duì)蝦去頭裝置。根據(jù)對(duì)蝦的體型特征和生物特性，利用仿形“V”形槽對(duì)對(duì)蝦定位夾緊，利用去頭圓盤(pán)刀對(duì)對(duì)蝦產(chǎn)生的摩擦力和離心力實(shí)現(xiàn)對(duì)蝦的去頭工作，并進(jìn)行原理分析。針對(duì)分級(jí)后長(zhǎng)度為 130～150 mm的新鮮南美白對(duì)蝦進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，利用高轉(zhuǎn)速去頭圓盤(pán)刀進(jìn)行對(duì)蝦去頭的成功率高達(dá)100%，得肉率達(dá)到了人工去頭的水平，去頭裝置原理合理，為今后對(duì)蝦去頭裝置的研制提供了依據(jù)和新思路。

關(guān)鍵詞：對(duì)蝦；去頭；高轉(zhuǎn)速圓盤(pán)刀；試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：S985.2+1；TS254.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2016）07-0407-03

對(duì)蝦營(yíng)養(yǎng)豐富、肉質(zhì)細(xì)嫩、易消化，且富含蛋白質(zhì)、維生素A、鈣、磷、鉀、鎂等多種人體必需的營(yíng)養(yǎng)元素。隨著人們生活水平的不斷提高，國(guó)內(nèi)對(duì)對(duì)蝦的需求不斷上升。蝦仁加工后的副產(chǎn)品中蛋白質(zhì)豐富，脂肪含量較高[1-2]。但由于對(duì)蝦頭部堅(jiān)硬，且近年來(lái)水體污染嚴(yán)重，魚(yú)蝦類(lèi)吸收到體內(nèi)的重金屬等有害物質(zhì)主要通過(guò)血液來(lái)流通，并沉積在頭部。在后續(xù)的剝殼加工工序[3]中會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞，在開(kāi)背加工工序中會(huì)導(dǎo)致蝦頭內(nèi)重金屬流出從而污染蝦仁，因此對(duì)蝦去頭是對(duì)蝦加工工序中最重要的環(huán)節(jié)之一。然而，目前國(guó)內(nèi)外均采用人工方式進(jìn)行對(duì)蝦去頭，手工去頭勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低、產(chǎn)品易受細(xì)菌污染，影響產(chǎn)品的鮮度和品質(zhì)；同時(shí)，隨著勞動(dòng)力的緊張，勞動(dòng)力成本將成為企業(yè)難以承受的成本支出。研制自動(dòng)化對(duì)蝦去頭裝備，為蝦類(lèi)生產(chǎn)企業(yè)提供實(shí)用、性能可靠的蝦類(lèi)去頭設(shè)備[4]，對(duì)解決對(duì)蝦去頭的瓶頸問(wèn)題、提升對(duì)蝦加工產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平、增強(qiáng)水產(chǎn)品的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力、促進(jìn)漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義[5-6]。

目前，機(jī)械一刀切式去頭方式應(yīng)用比較普遍，然而對(duì)對(duì)蝦的物理特性參數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，即使同一級(jí)別的對(duì)蝦其形態(tài)特征也不盡相同，蝦頭長(zhǎng)度和蝦體長(zhǎng)度均不相同，從而導(dǎo)致機(jī)械一刀切式去頭方式浪費(fèi)蝦肉比較嚴(yán)重或去頭不徹底。采用彈性輥擠壓式去頭方式雖可利用對(duì)蝦蝦頭與蝦體之間連接部位薄弱的特性，可保留較多蝦肉，但對(duì)對(duì)蝦的定位精度要求較高，且實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，結(jié)構(gòu)的間隙性運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致效率較低、成本較高，不適于我國(guó)市場(chǎng)大量使用。針對(duì)上述問(wèn)題，通過(guò)研究開(kāi)展對(duì)蝦去頭試驗(yàn)的方法，為研制對(duì)蝦去頭自動(dòng)化裝備提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)依據(jù)。

1 對(duì)蝦去頭試驗(yàn)裝置總體結(jié)構(gòu)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

對(duì)蝦去頭是對(duì)蝦加工過(guò)程中最重要的環(huán)節(jié)之一，對(duì)蝦機(jī)械化加工工藝流程為捕撈、清洗、分級(jí)、去頭、開(kāi)背、脫殼、清洗。去頭是其中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，去頭的質(zhì)量和效果直接影響后續(xù)開(kāi)背、脫殼工序中得到的蝦仁質(zhì)量[7]。

對(duì)蝦去頭試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。該去頭設(shè)備主要由機(jī)架、輸送進(jìn)給機(jī)構(gòu)、去頭機(jī)構(gòu)組成。輸送進(jìn)給機(jī)構(gòu)包括電機(jī)、鏈輪、鏈條、仿形“V”形槽等，鏈輪通過(guò)軸和軸承座安裝在機(jī)架上，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使鏈條帶著“V”形槽向前勻速輸送。去頭機(jī)構(gòu)主要包括電機(jī)、去頭圓盤(pán)刀、止跳板，去頭圓盤(pán)刀在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。試驗(yàn)過(guò)程中電機(jī)Ⅰ為JS-ZYT22型電機(jī)，額定功率為500 W；電機(jī)Ⅱ?yàn)?7BLY12530F型電機(jī)，轉(zhuǎn)速為0～3 000 r/min可調(diào)。

1.2 工作原理

進(jìn)行對(duì)蝦去頭工作時(shí)，先將對(duì)蝦進(jìn)行定向，使定向后的對(duì)蝦保持頭朝前、腹朝上的統(tǒng)一姿態(tài)平躺于“V”形槽中，對(duì)蝦頭部伸出“V”形槽，頭部的定位由以上對(duì)蝦形體參數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果和試驗(yàn)得到。去頭圓盤(pán)刀的下刀位置在對(duì)蝦頭胸部連接薄弱的部位，即蝦體平躺于“V”形槽中而蝦頭懸空在“V”形槽外。在鏈條的帶動(dòng)下，將“V”形槽中排序定向好的對(duì)蝦輸送到去頭工位，在去頭圓盤(pán)刀的高速旋轉(zhuǎn)、輸送機(jī)構(gòu)的進(jìn)給、止跳板的共同作用下完成對(duì)蝦的去頭工作[8-9]。

2 對(duì)蝦參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

2.1 對(duì)蝦的形態(tài)特征

對(duì)蝦一般分為頭胸部、腹部、尾肢三大部分（圖2）。頭胸部有最大厚度，腹部由6節(jié)構(gòu)成，其中前5節(jié)較短，第6節(jié)較長(zhǎng)，由前至后逐漸變細(xì)，最后1節(jié)尖細(xì)且具有一定彎曲度。通過(guò)對(duì)蝦頭部?jī)?nèi)部解剖發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部主要由循環(huán)系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、排泄系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)構(gòu)成，而這些系統(tǒng)的連接力十分薄弱（圖3）。經(jīng)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)蝦蝦頭和蝦體連接處為對(duì)蝦連接最薄弱的環(huán)節(jié)，而蝦頭和蝦體連接最強(qiáng)的位置為對(duì)蝦胸部附肢處，這為對(duì)蝦去頭的下刀位置提供了依據(jù)。

2.2 對(duì)蝦物理參數(shù)統(tǒng)計(jì)與分析

分級(jí)后的對(duì)蝦是按其厚度進(jìn)行分級(jí)的[10]，然而即使分級(jí)后同一級(jí)別的對(duì)蝦其形體特征也各不相同，因此有必要測(cè)量蝦頭長(zhǎng)度，分析蝦頭長(zhǎng)度是否在一定范圍內(nèi)，從而進(jìn)一步確定對(duì)蝦去頭裝置的定位尺寸。在購(gòu)買(mǎi)的南美白對(duì)蝦中選取體長(zhǎng)為130～150 mm的對(duì)蝦測(cè)量頭長(zhǎng)和體長(zhǎng)，結(jié)果見(jiàn)表1。

利用SPSS軟件對(duì)頭長(zhǎng)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)蝦頭長(zhǎng)符合正態(tài)分布（圖4）。進(jìn)一步研究對(duì)蝦全長(zhǎng)和頭長(zhǎng)之間的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，對(duì)蝦頭長(zhǎng)與全長(zhǎng)的相關(guān)系數(shù)為0.972，呈正相關(guān)，在α=0.01的置信水平下極顯著相關(guān)，表明頭長(zhǎng)與全長(zhǎng)間存在一定數(shù)學(xué)關(guān)系。通過(guò)回歸分析，利用數(shù)學(xué)模型建立起反映實(shí)際情況的數(shù)量關(guān)系，其表達(dá)式為：

y=23.430e0.005x+ε（90

式中：y為對(duì)蝦的頭長(zhǎng)（mm）；x為對(duì)蝦的全長(zhǎng)（mm）；ε為隨機(jī)變量。因此確定了對(duì)蝦頭長(zhǎng)與全長(zhǎng)的關(guān)系，這為對(duì)蝦去頭過(guò)程中的對(duì)蝦定位進(jìn)一步提供了依據(jù)。

3 對(duì)蝦去頭機(jī)理分析

3.1 去頭過(guò)程分析

經(jīng)排序定向后，對(duì)蝦在“V”形槽中通過(guò)鏈條帶動(dòng)使其到達(dá)去頭工位。對(duì)蝦去頭過(guò)程分為2個(gè)階段：第1階段，對(duì)蝦蝦頭與去頭圓盤(pán)刀接觸，并在對(duì)蝦進(jìn)給過(guò)程中初步切開(kāi)小口；第2階段，對(duì)蝦在繼續(xù)進(jìn)給過(guò)程中，去頭圓盤(pán)刀的2個(gè)側(cè)面與對(duì)蝦頭部的接觸面積越來(lái)越大，利用去頭圓盤(pán)刀兩側(cè)與對(duì)蝦頭部產(chǎn)生的摩擦力，使蝦頭沿開(kāi)口處將剩余連接處撕裂斷開(kāi)并將蝦頭甩飛，使蝦頭與蝦體完全分離，而蝦肉幾乎無(wú)損失。

3.2 去頭理論分析

在對(duì)蝦去頭第1階段中，去頭圓盤(pán)刀對(duì)對(duì)蝦頭部接觸部位切開(kāi)小口，此過(guò)程中去頭圓盤(pán)刀剛與對(duì)蝦頭部接觸，且對(duì)蝦頭部懸空，而蝦體部分被仿形“V”形槽夾住勻速進(jìn)給，使去頭圓盤(pán)刀兩側(cè)的蝦頭和蝦體速度不同，此時(shí)對(duì)蝦頭部受到剪切力。在第2階段，由于去頭圓盤(pán)刀已經(jīng)進(jìn)入對(duì)蝦的頭胸部中，圓盤(pán)刀兩側(cè)與對(duì)蝦頭胸部進(jìn)刀處兩側(cè)均產(chǎn)生摩擦力，對(duì)蝦截面的受力分析見(jiàn)圖5。其中位置Ⅱ時(shí)刻對(duì)蝦所受摩擦力為：

F摩擦力=A·τ=τ·[∫β αdθ∫φ3（θ）φ1（θ）f（rcosθ，rsinθ）rdr+∫γ βdθ∫φ2（θ）φ1（θ）f（rcosθ，rsinθ）rdr]。

式中：A為對(duì)蝦與去頭圓盤(pán)刀的實(shí)際接觸面積；τ為接觸界面之間的剪切應(yīng)力；α為對(duì)蝦截面與圓盤(pán)刀邊緣接觸的較低點(diǎn)與圓盤(pán)刀圓心之間的連線與豎直方向的夾角；β為對(duì)蝦截面與圓盤(pán)刀邊緣接觸的較高點(diǎn)與圓盤(pán)刀圓心連線與豎直方向的夾角；γ為對(duì)蝦截面頂端與圓盤(pán)刀圓心連線與豎直方向的夾角。

在第2階段，高轉(zhuǎn)速圓盤(pán)刀與對(duì)蝦頭胸部開(kāi)口處兩側(cè)產(chǎn)生摩擦力，使對(duì)蝦頭胸部與高轉(zhuǎn)速圓盤(pán)刀兩側(cè)接觸的面瞬間產(chǎn)生高速。根據(jù)動(dòng)量定理對(duì)蝦頭進(jìn)行分析，蝦頭所受合外力沖量的增量等于蝦頭動(dòng)量的增量，因此其瞬間產(chǎn)生很高的速度，使合力將蝦頭剩余連接部分甩飛，公式為：

F合Δt=mΔv。

式中：F合為蝦頭重力與蝦頭所受摩擦力的合力，Δt為時(shí)間變化量，m為蝦頭質(zhì)量，Δv為蝦頭的速度變化量。

4 材料與方法

4.1 設(shè)備與原料

試驗(yàn)設(shè)備包括SP-200型圖顯推拉力計(jì)（溫州山度儀器有限公司）、刀片、電子天平、游標(biāo)卡尺。試驗(yàn)原料為鮮活南美白對(duì)蝦，購(gòu)自河北省保定市水產(chǎn)市場(chǎng)。抽取體長(zhǎng)為 130～150 mm的對(duì)蝦作為試驗(yàn)樣品。

4.2 試驗(yàn)方法

圓盤(pán)刀轉(zhuǎn)速最高可達(dá)到3 000 r/min，可通過(guò)電位器進(jìn)行任意調(diào)節(jié)，并通過(guò)顯示器顯示轉(zhuǎn)速值。為驗(yàn)證去頭原理的可行性及去頭圓盤(pán)刀轉(zhuǎn)速對(duì)去頭效果的影響，試驗(yàn)時(shí)對(duì)圓盤(pán)刀轉(zhuǎn)速由0開(kāi)始每隔100 r/min進(jìn)行調(diào)節(jié)，并進(jìn)行1組試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)每組取10尾對(duì)蝦，共30組，由5名試驗(yàn)人員對(duì)對(duì)蝦去頭效果進(jìn)行感官質(zhì)量評(píng)定，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。觀察并統(tǒng)計(jì)各組轉(zhuǎn)速下的去頭成功率及去頭效果。

4.3 結(jié)果與分析

4.3.1 圓盤(pán)刀轉(zhuǎn)速對(duì)對(duì)蝦去頭質(zhì)量的影響 對(duì)去頭圓盤(pán)刀進(jìn)行不同的轉(zhuǎn)速試驗(yàn)，結(jié)果顯示，當(dāng)轉(zhuǎn)速在2 000 r/min以上時(shí)，去頭成功率高達(dá)100%。由對(duì)蝦去頭理論分析可知，去頭圓盤(pán)刀的轉(zhuǎn)速直接影響去頭時(shí)對(duì)蝦頭產(chǎn)生的離心力，從而影響去頭的效果和質(zhì)量。試驗(yàn)結(jié)果表明，去頭圓盤(pán)刀轉(zhuǎn)速在 0～2 000 r/min范圍內(nèi)時(shí)，去頭效果和質(zhì)量隨轉(zhuǎn)速的提高具有明顯提升；當(dāng)轉(zhuǎn)速大于2 000 r/min時(shí)，去頭效果和質(zhì)量趨于穩(wěn)定，沒(méi)有明顯改變（圖6）。

4.3.2 一刀切式對(duì)蝦去頭與高轉(zhuǎn)速圓盤(pán)刀對(duì)蝦去頭比較試驗(yàn) 利用一刀切式對(duì)蝦去頭，對(duì)蝦定位尺寸一定，而經(jīng)過(guò)分級(jí)后的對(duì)蝦其頭長(zhǎng)尺寸仍大小不一，實(shí)現(xiàn)同一級(jí)別對(duì)蝦頭尾徹底分離必須按蝦頭最大尺寸來(lái)定位，導(dǎo)致一刀切式對(duì)蝦去頭方法嚴(yán)重浪費(fèi)蝦肉[11]。采用高轉(zhuǎn)速圓盤(pán)刀方法去蝦頭，高轉(zhuǎn)速圓盤(pán)刀與對(duì)蝦開(kāi)口處兩側(cè)產(chǎn)生摩擦力，使蝦頭在頭尾連接薄弱處斷開(kāi)，蝦肉幾乎不缺損（圖7）。

5 結(jié)論

高轉(zhuǎn)速圓盤(pán)刀式對(duì)蝦去頭解決了一刀切式對(duì)蝦去頭蝦肉浪費(fèi)嚴(yán)重、對(duì)輥擠壓式對(duì)蝦去頭效率低的問(wèn)題，為今后對(duì)蝦去頭裝置的研制提供了新思路。高轉(zhuǎn)速圓盤(pán)刀式對(duì)蝦去頭過(guò)程分為2個(gè)階段，第1階段蝦頭與去頭圓盤(pán)刀接觸，并使對(duì)蝦在進(jìn)給過(guò)程中初步切開(kāi)小口；第2階段，在對(duì)蝦繼續(xù)進(jìn)給的過(guò)程中，去頭圓盤(pán)刀兩側(cè)與對(duì)蝦頭部開(kāi)口處兩側(cè)的接觸面積越來(lái)越大，產(chǎn)生的摩擦力使對(duì)蝦頭部沿開(kāi)口處與剩余連接處斷開(kāi)，并將蝦頭甩飛，從而使蝦頭與蝦體完全分離，幾乎不損失蝦肉。對(duì)蝦去頭效果隨去頭圓盤(pán)刀轉(zhuǎn)速的提高而變好，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)2 000 r/min時(shí)去頭效果趨于穩(wěn)定，沒(méi)有明顯變化。為避免功率的浪費(fèi)，選取去頭圓盤(pán)刀的轉(zhuǎn)速為2 000 r/min。

參考文獻(xiàn)：

[1]李學(xué)英，遲 海，楊憲時(shí)，等. 南極磷蝦冷藏過(guò)程中的品質(zhì)變化[J]. 食品科學(xué)，2010，31（20）：464-468.

[2]常耀光，李兆杰，薛長(zhǎng)湖，等. 超高壓處理對(duì)南美白對(duì)蝦在冷藏過(guò)程中貯藏特性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24（12）：230-237.

[3]張秀花，趙慶龍，趙玉達(dá)，等. 對(duì)蝦對(duì)輥擠壓式剝殼工藝參數(shù)及預(yù)處理?xiàng)l件優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30（14）：308-314.

[4]趙玉達(dá)，張秀花，王澤河，等. 對(duì)蝦背腹定向裝置試驗(yàn)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42（2）：356-358.

[5]崔 禾. 縱觀全球養(yǎng)殖對(duì)蝦產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀 分析我國(guó)對(duì)蝦產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)（連載一）[J]. 中國(guó)水產(chǎn)，2006（4）：14-17.

[6]廖澤芳，寧 凌. 中國(guó)對(duì)蝦產(chǎn)業(yè)分析[J]. 海洋開(kāi)發(fā)與管理，2009，26（4）：31-35.

[7]易俊潔，丁國(guó)微，胡小松，等. 南美白對(duì)蝦脫殼工藝比較及其對(duì)蝦仁品質(zhì)的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（17）：287-292.

[8]陳慶余，沈 建，傅潤(rùn)澤，等. 典型海產(chǎn)小雜魚(yú)機(jī)械去頭方法研究[J]. 漁業(yè)現(xiàn)代化，2012，39（5）：38-42.

[9]李小強(qiáng)，王芬娥，郭維俊，等. 橄欖根莖切割力影響因素分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（10）：42-48.

[10]李影欣，崔保健，弋景剛，等. 雙輥式對(duì)蝦分級(jí)設(shè)備的試驗(yàn)與研究[J]. 食品與機(jī)械，2014，30（3）：94-97.

[11]王澤河，張澤明，張秀花，等. 對(duì)蝦去頭方法試驗(yàn)與研究[J]. 現(xiàn)代食品科技，2015，31（2）：151-156.