對蝦定向輸送裝置設(shè)計與參數(shù)優(yōu)化試驗

熊 師 方憲法 牛 康 苑嚴偉 趙 博 周利明

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083；2.中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院土壤植物機器系統(tǒng)技術(shù)國家重點實驗室，北京 100083)

0 引言

我國是世界上最大的對蝦生產(chǎn)國，也是對蝦主要貿(mào)易國之一，2018年對蝦總產(chǎn)量130萬噸[1-2]。蝦仁是對蝦粗加工后的主要產(chǎn)品，近年來國內(nèi)外對蝦仁的需求量越來越大，因此對對蝦預(yù)處理環(huán)節(jié)提出了更高的要求，實現(xiàn)機械化和自動化的對蝦加工對提高加工效率和加工品質(zhì)具有重要意義[3-5]。對蝦的預(yù)處理流程主要包括清洗、分級、排序定向、去頭、開背、去腸線、剝殼[6-11]等，排序定向是去頭、開背、去腸線和剝殼等工序的前提。目前，對蝦剝制機可一次性完成對蝦的開背、去腸線和剝殼3個步驟[12-13]，但仍然需要人工定向上料。對蝦外形不規(guī)則使自動定向較為困難，但定向喂入依靠人工完成，其勞動強度大、效率低。對蝦的定向排序制約著后續(xù)的預(yù)處理工序，因此，研究對蝦的定向方法及裝置是提高對蝦預(yù)處理效率和自動化水平的關(guān)鍵。

對蝦定向包括頭尾定向和腹背定向兩部分。目前國內(nèi)外關(guān)于蝦定向技術(shù)的研究較少，對蝦定向技術(shù)主要處于理論設(shè)計與試驗研究階段[14-18]，在蝦定向方面尚未見實際應(yīng)用的報道。定向技術(shù)在魚類加工方面已有較多研究[19-24]，可為蝦定向研究提供參考。目前，在對蝦定向環(huán)節(jié)仍缺少實用性裝備，關(guān)于對蝦定向技術(shù)的研究很少，因此有必要研究開發(fā)適合對蝦的定向裝置。

針對夾具轉(zhuǎn)盤式對蝦剝殼機和對蝦開背去腸機依靠人工定向喂料的問題，基于先頭尾定向、后背腹定向的整體思路，研究對蝦頭尾定向和有序輸送的實現(xiàn)方法，為背腹識別與夾持轉(zhuǎn)向創(chuàng)造條件，進而開發(fā)對蝦定向上料剝制裝備，以實現(xiàn)對蝦定向、開背、去腸線、剝殼工序的自動化和一體化。本文以南美白對蝦為研究對象，根據(jù)去頭對蝦外形特征，分析頭尾定向機理，設(shè)計對蝦定向輸送裝置，并開展參數(shù)優(yōu)化試驗研究，以期得到最佳對蝦定向性能。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 裝置結(jié)構(gòu)

對蝦定向輸送裝置主要由喂料口、定向輥、輸送推板、側(cè)滑面、傳動機構(gòu)和機架組成，如圖1所示。兩根定向輥平行排列，相向等速轉(zhuǎn)動。6個輸送推板均勻分布于定向輥上方的鏈條上，在兩定向輥間隙中勻速循環(huán)運動。傳動機構(gòu)分為兩部分：第1部分為輸送推板傳動機構(gòu)，由1號步進電機通過錐齒輪副驅(qū)動鏈輪機構(gòu)轉(zhuǎn)動；第2部分為定向輥傳動機構(gòu)，由2號步進電機驅(qū)動3個圓柱直齒輪相向轉(zhuǎn)動。定向輥軸上安裝萬向節(jié)聯(lián)軸器，使得兩輥間隙調(diào)節(jié)后定向輥的傳動不受影響。

1.2 裝置工作原理

對蝦定向輸送裝置是利用去頭對蝦頭尾厚度(蝦體兩側(cè)面的距離)差異大且兩側(cè)面對稱的特點實現(xiàn)頭尾定向的。去頭后的對蝦從喂料口滑入兩定向輥間隙中，兩定向輥沿間隙下方向上方相向轉(zhuǎn)動，對蝦在與兩定向輥接觸的過程中自動調(diào)整至尾部向下的姿態(tài)。定向后的對蝦在輸送推板的推動下勻速向前輸送。由于推板均勻排布，對蝦可實現(xiàn)有序輸送。

2 對蝦頭尾定向機理分析

去頭對蝦在腹背方向所成的形狀可近似為倒立的等腰梯形，如圖2所示。對蝦的厚度從尾部至頭部逐漸增大，根據(jù)幾何特征，當(dāng)在重心上方對腰部施加一對對稱的支持力F1和F2時，蝦體可達到受力平衡狀態(tài)，此時蝦體能夠穩(wěn)定保持頭部向上尾部向下的姿態(tài)。

在對蝦的分級和剝殼工序中，常采用尼龍材料制成的圓柱對輥作為支撐和工作部件。尼龍輥表面光滑，不會造成蝦體損傷。兩對輥間形成的雙曲面空間可自適應(yīng)蝦體的外形機構(gòu)和尺寸差異。本文基于對輥作用特性和對蝦外形特征，利用平行圓柱對輥相向旋轉(zhuǎn)的方式，對處于兩輥間隙的蝦體施加支持力與摩擦力，使蝦體產(chǎn)生頭尾轉(zhuǎn)向運動，從而實現(xiàn)對蝦的頭尾定向。

2.1 定向前對蝦受力分析

對蝦落入對輥間隙中，當(dāng)兩側(cè)面與輥面接觸時，蝦體受力分析如圖3所示。圖中，O為對蝦重心位置，A為對蝦與定向輥的接觸點。s表示OA的距離，G表示對蝦重力，N表示蝦體所受支持力在豎直方向的合力，f表示蝦體所受摩擦力在豎直方向的合力，N1表示左側(cè)定向輥對蝦體的支持力，N2表示右側(cè)定向輥對蝦體的支持力，f1表示對蝦受到左側(cè)定向輥的摩擦力，f2表示對蝦受到右側(cè)定向輥的摩擦力，α表示支持力N1與豎直方向夾角。

由圖3a可知，該狀態(tài)下的蝦體在豎直方向的受力不穩(wěn)定，存在合力矩M=Gs，因此蝦體在力矩作用下會繞A點轉(zhuǎn)動。當(dāng)OA處于豎直方向時，合力矩為零，蝦體處于頭上尾下的豎直狀態(tài)。對蝦能否成功定向取決于s的大小，s減小導(dǎo)致M減小，蝦體不易產(chǎn)生轉(zhuǎn)向運動，當(dāng)s為零時蝦體無法定向。因此接觸點A需位于重心O點與蝦頭之間。由于A點位置由對輥間隙l決定，因此適當(dāng)增大對輥間隙l有利于蝦體的頭尾轉(zhuǎn)向運動。

根據(jù)上文分析，為實現(xiàn)對蝦的頭尾定向，對輥間隙l的取值范圍需滿足

h2

(1)

式中h1——蝦體頭部厚度，mm

h2——蝦體重心處厚度，mm

由圖3b可得蝦體在水平方向的受力為

(2)

式中μ1——對蝦與左側(cè)定向輥摩擦因數(shù)

μ2——對蝦與右側(cè)定向輥摩擦因數(shù)

F——對蝦水平方向合力，N

對蝦與兩輥組成軸對稱結(jié)構(gòu)，因此支持力N1=N2。蝦體兩側(cè)面與輥面的摩擦因數(shù)也相等，即μ1=μ2?？傻煤狭=0，即蝦體在水平方向受力平衡。

2.2 定向后對蝦受力分析

對蝦實現(xiàn)頭尾定向后仍然存在不穩(wěn)定的情況，蝦體受力分析如圖4所示。圖中，B為對蝦與左側(cè)定向輥的接觸點，C為對蝦與右側(cè)定向輥的接觸點。G1表示對蝦重力在B點的分力，G2表示對蝦重力在C點的分力。

對蝦在B點的受力關(guān)系為

(3)

式中F3——對蝦在B點受力的合力，N

β——對蝦與定向輥的摩擦角，(°)

聯(lián)立式(3)可得F3=0.5Gcosα(tanβ-tanα)，同理可得接觸點C受力的合力F4與F3大小相等，因此蝦體所受合力F5=(F3+F4)sinα=Gsinαcosα(tanβ-tanα)。當(dāng)α<β時，可得F5>0，方向豎直向上。此時蝦體在豎直方向受力不平衡，會出現(xiàn)上下跳動的現(xiàn)象，甚至?xí)膬奢佉绯觥８鶕?jù)上述分析，為提高對蝦頭尾定向的穩(wěn)定性，應(yīng)滿足α≥β。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計

3.1 對蝦外形尺寸測量

根據(jù)實際生產(chǎn)中對蝦分級的規(guī)格劃分，進一步將54～110只/kg范圍的對蝦歸類為中型蝦，將低于54只/kg的對蝦歸類為大型蝦。由于規(guī)格過小的對蝦一般不適用于開背、去腸、取仁這一定向剝制工序，因此定向裝置的設(shè)計以中大型對蝦為參考。以南美白對蝦為對象，對去頭后對蝦的參數(shù)進行測量，測量方法如圖5所示。圖中，L表示頭尾距離，L1表示重心至第6節(jié)距離，H表示蝦體厚度。

選取中型規(guī)格對蝦和大型規(guī)格對蝦各50只作為測量樣本，去頭對蝦尺寸的測量結(jié)果如表1所示。

表1 對蝦外形尺寸測量結(jié)果

3.2 側(cè)滑面

為防止對蝦從對輥間隙中溢出，促進對蝦從喂料口順利滑至定向輥，設(shè)計了如圖6所示的側(cè)滑面。兩個側(cè)滑面均由尼龍材料制成，分別置于對輥上方，與輥面接觸，在定向輥軸向方向形成V形空間。根據(jù)對蝦頭尾定向受力分析可知α≥β，因此側(cè)滑面在輥面的接觸點與豎直方向所成角度θ=β。通過試驗測量得到去頭對蝦在光滑尼龍表面的摩擦角為36.5°，為實現(xiàn)對蝦的穩(wěn)定定向，θ設(shè)計為36.5°。為保證對蝦在側(cè)滑面上順利下滑，側(cè)滑面的表面傾斜角δ>36.5°，實際取45°。

3.3 定向輥

定向輥是實現(xiàn)對蝦頭尾定向的主要工作部件，是由尼龍材料制成的光滑圓柱輥。定向輥半徑為主要的設(shè)計參數(shù)。

圖7(圖中d表示兩個側(cè)滑面底部之間的距離，r表示定向輥半徑)為定向輥與側(cè)滑面在定向輥軸向所成結(jié)構(gòu)，對蝦從兩個側(cè)滑面底部之間的空隙進入對輥，對輥間隙l決定落入兩定向輥間的對蝦能否成功定向，因此對輥參數(shù)應(yīng)滿足

(4)

式中h——去頭對蝦的最大厚度，mm

聯(lián)立上述各式，計算得

(5)

根據(jù)表1對蝦外形尺寸的測量結(jié)果可得r>10.6 mm。由式(4)可知，當(dāng)l一定時，r越大，d越大，對蝦更易落入對輥間隙中完成定向，因此增大定向輥半徑有利于對蝦定向。

由于對蝦頭尾定向后還需從定向輥底部夾持蝦尾以實現(xiàn)腹背定向，為保證后續(xù)研究中蝦體尾部夾持的可行性，定向后的蝦體尾部需低于定向輥底面，即定向輥半徑小于蝦體重心至第6節(jié)距離，可得r<30.8 mm。綜合上述分析定向輥半徑設(shè)計為30 mm。

3.4 輸送推板

輸送推板的作用是推動蝦體勻速向前運動，實現(xiàn)對蝦的有序輸送。其設(shè)計應(yīng)滿足兩個要求：推動對蝦有序輸送、不阻礙蝦體的頭尾轉(zhuǎn)向運動。

為實現(xiàn)對蝦有序輸送，輸送推板的外形需適應(yīng)側(cè)滑面和對輥形成的V形輪廓結(jié)構(gòu)。根據(jù)定向輥和側(cè)滑面結(jié)構(gòu)，設(shè)計的輸送推板如圖8所示，相鄰輸送推板間可形成相互獨立的空間。

為了便于蝦體滑落至對輥上，相鄰輸送推板間距k需大于對蝦頭尾距離，即k>106.8 mm，因此k設(shè)計為6個鏈條節(jié)距，為114.3 mm。為了不阻礙蝦體的轉(zhuǎn)向運動，對蝦從喂料口下滑至輥面時后續(xù)輸送推板尚未對蝦體施加推力，即蝦體的下滑時間t1應(yīng)小于輸送推板前進至推送位置所用的時間t2，因此輸送推板應(yīng)滿足

(6)

式中m——對蝦質(zhì)量，kg

v1——對蝦下滑至對輥間隙時的速度，m/s

s1——對蝦下滑的距離，m

f′——對蝦受到來自側(cè)滑面的摩擦力，N

μ——對蝦沿側(cè)滑面下滑的摩擦因數(shù)

s2——喂料口的長度，m

v2——輸送推板運動速度，m/s

g——重力加速度，m/s2

聯(lián)立式(6)計算得v2<81.6 mm/s，因此輸送推板運動速度需小于81.6 mm/s，適當(dāng)減小輸送推板的速度有利于對蝦的頭尾定向。

4 對蝦頭尾定向試驗

4.1 試驗儀器與設(shè)備

本文主要試驗設(shè)備為對蝦定向輸送裝置，如圖9所示。其它儀器設(shè)備包括游標(biāo)卡尺(精度0.1 mm)和電子秤(精度0.1 g)。

4.2 試驗材料

選取南美白對蝦為試驗對象，所用對蝦購于北京某超市，蝦體新鮮完整。通過稱量將試驗材料分為中型蝦和大型蝦兩種規(guī)格，然后對每只蝦進行去頭處理。

4.3 試驗指標(biāo)

該裝置的主要評價指標(biāo)為對蝦定向成功率，蝦體保持頭部向上尾部向下的姿態(tài)且順利被輸送至定向輥末端視為定向成功，出現(xiàn)對蝦未定向或從間隙掉落等情況均視為定向失敗。

定向成功率計算公式為

(7)

式中W1——每次試驗中定向成功的對蝦個數(shù)

W2——每次試驗的對蝦樣本數(shù)

每次試驗從所選用的對蝦樣本中隨機選取50只作為一組，試驗重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。

4.4 單因素試驗

根據(jù)上文分析可知，對輥間隙和輸送推板運動速度對蝦體頭尾定向效果有影響。結(jié)合理論計算和實際測量結(jié)果，中型蝦和大型蝦對應(yīng)的對輥間隙范圍分別取8～12 mm和11～15 mm。輸送推板運動過慢會導(dǎo)致對蝦輸送效率過低，因此輸送推板運動速度范圍取20～80 mm/s。通過裝置的預(yù)試驗發(fā)現(xiàn)，定向輥轉(zhuǎn)速過低時出現(xiàn)對蝦無法轉(zhuǎn)向的情況；定向輥轉(zhuǎn)速過高時，對蝦兩側(cè)面與輥面的摩擦加劇，造成蝦體外殼磨損，會影響對蝦的品質(zhì)。因此定向輥轉(zhuǎn)速對對蝦的頭尾定向有影響，定向輥轉(zhuǎn)速范圍取10～130 r/min。

以對輥間隙、輸送推板運動速度、定向輥轉(zhuǎn)速為試驗因素，以定向成功率為試驗指標(biāo)，分別以中型蝦和大型蝦兩種規(guī)格的對蝦為試驗對象，進行單因素試驗，試驗因素水平如表2所示。

表2 單因素試驗因素水平

4.4.1對輥間隙

設(shè)定輸送推板運動速度為40 mm/s，定向輥轉(zhuǎn)速為70 r/min。以中型蝦為試驗對象時對輥間隙調(diào)整為8～12 mm共5個水平，以大型蝦為試驗對象對輥間隙調(diào)整為11～15 mm共5個水平，探究對輥間隙對蝦體頭尾定向效果的影響，結(jié)果如圖10所示。

從圖10可看出，兩種規(guī)格的對蝦對應(yīng)的折線圖趨勢相同，隨著對輥間隙的增大，定向成功率先增大后減小。結(jié)合對蝦頭尾定向機理的分析可知，當(dāng)對輥間隙較小時，蝦體與輥面的接觸點距離蝦體重心較近，蝦體所受力矩較小，導(dǎo)致對蝦不易轉(zhuǎn)向；當(dāng)對輥間隙較大時，蝦體與輥面的接觸點逐漸接近蝦頭部，雖然可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，但由于同一規(guī)格對蝦的厚度仍有差別，厚度較小的對蝦會從間隙中掉落，導(dǎo)致定向失敗。故較優(yōu)的對輥間隙對應(yīng)的水平值為2～4，即中型蝦的較優(yōu)對輥間隙為9～11 mm，大型蝦的較優(yōu)對輥間隙為12～14 mm。

4.4.2輸送推板運動速度

設(shè)定定向輥轉(zhuǎn)速為70 r/min，中型蝦和大型蝦所對應(yīng)的對輥間隙分別為10 mm和12 mm。逐漸調(diào)整輸送推板運動速度，探究輸送推板運動速度對蝦體頭尾定向的影響，結(jié)果如圖11所示。

圖11表明，隨著輸送推板運動速度的增加，對蝦定向成功率整體上呈逐步下降的趨勢。當(dāng)輸送推板運動速度超過60 mm/s時，定向成功率明顯下降。結(jié)合試驗現(xiàn)象分析，試驗中出現(xiàn)輸送推板推著蝦尾向前輸送的情況，這是由于蝦體還未完成轉(zhuǎn)向運動時后續(xù)輸送推板已經(jīng)接觸蝦體并向蝦體施加推力，此時對蝦尾部在受到水平推力的作用下達到受力平衡，對蝦無法繼續(xù)轉(zhuǎn)向，因此定向失敗。輸送推板運動速度越快，留給蝦體的轉(zhuǎn)向時間就越短，對蝦的定向過程就越容易受到影響。因此輸送推板運動速度在20～60 mm/s范圍內(nèi)定向成功率處于較優(yōu)水平。

由于輸送推板運動速度決定裝置的輸送效率，因此需要考慮定向裝置的工作效率。裝置的輸送效率與輸送推板運動速度成正比，由于輸送推板運動速度范圍為20～80 r/min，因此輸送效率可根據(jù)比例設(shè)為25%、37.5%、50%、62.5%、75%、87.5%、100%。輸送推板運動速度的選取方法是在保證較好定向成功率的同時提高輸送效率，根據(jù)優(yōu)先級關(guān)系設(shè)置兩個指標(biāo)的權(quán)重為：定向成功率0.8、輸送效率0.2。

對定向成功率和輸送效率加權(quán)求和后得到綜合指標(biāo)與輸送推板運動速度的關(guān)系，如圖12所示。

由圖12可知，隨著輸送推板運動速度的增加，綜合指標(biāo)總體呈先增大后減小的趨勢。40～60 mm/s對應(yīng)的綜合指標(biāo)最高，因此輸送推板運動速度的較優(yōu)范圍為40～60 mm/s。

4.4.3定向輥轉(zhuǎn)速

設(shè)定中型蝦和大型蝦所對應(yīng)的對輥間隙分別為10 mm和12 mm，輸送推板運動速度為40 mm/s，探究定向輥轉(zhuǎn)速對蝦體頭尾定向效果的影響，結(jié)果如圖13所示。

從圖13中可以看出，兩條折線走勢相似。隨著定向輥轉(zhuǎn)速的增加，定向成功率先逐漸增大，然后趨于穩(wěn)定。定向輥轉(zhuǎn)速在70～130 r/min時定向成功率處于較高水平。定向輥在較高轉(zhuǎn)速下，輥面上附著的水在旋轉(zhuǎn)運動下對蝦頭產(chǎn)生向上的沖擊力，會促進蝦體由水平至豎直方向的轉(zhuǎn)向運動，因此對蝦更易定向。試驗中發(fā)現(xiàn)，定向輥轉(zhuǎn)速為130 r/min時少量對蝦的外殼表面會出現(xiàn)一定程度的磨損，但外殼均無破裂現(xiàn)象。為保證定向后的對蝦品質(zhì)，確定定向輥轉(zhuǎn)速的較優(yōu)范圍為70～110 r/min。

4.5 正交試驗

4.5.1試驗方案設(shè)計

為探究裝置的各影響因素對蝦體頭尾定向影響的主次順序，確定最優(yōu)的水平組合，在單因素試驗結(jié)果基礎(chǔ)上，進行正交試驗。以對輥間隙、輸送推板運動速度、定向輥轉(zhuǎn)速為試驗因素，以定向成功率為試驗指標(biāo)，分別進行中型和大型兩種規(guī)格對蝦的正交試驗。因素水平如表3所示，采用正交表L9(34)進行試驗。

表3 正交試驗因素水平

4.5.2試驗結(jié)果分析

對蝦定向輸送裝置正交試驗結(jié)果如表4所示，表中A、B、C分別表示對輥間隙、輸送推板運動速度、定向輥轉(zhuǎn)速的水平值。

表4 正交試驗結(jié)果

對試驗結(jié)果進行極差分析，得到影響中型和大型兩種規(guī)格對蝦的定向成功率的因素主次順序一致，均為對輥間隙A、輸送推板運動速度B、定向輥轉(zhuǎn)速C，最優(yōu)組合均為A2B1C2，即輸送推板運動速度取40 mm/s，定向輥轉(zhuǎn)速取90 r/min，當(dāng)定向中型蝦時對輥間隙取10 mm，定向大型蝦時對輥間隙取13 mm，在該參數(shù)下試驗裝置的工作效果最好。

4.5.3驗證試驗

為驗證裝置的定向效果，在最優(yōu)參數(shù)組合下進行試驗，定向試驗現(xiàn)場如圖14所示。設(shè)置對輥間隙10 mm，輸送推板運動速度40 mm/s，定向輥轉(zhuǎn)速90 r/min。從中型規(guī)格的對蝦樣本中隨機選取50只進行試驗，試驗重復(fù)3次，結(jié)果取平均值，得到定向成功率為97.3%。設(shè)置對輥間隙13 mm，輸送推板運動速度40 mm/s，定向輥轉(zhuǎn)速90 r/min。從大型規(guī)格的對蝦樣本中隨機選取50只進行試驗，試驗重復(fù)3次，計算平均值得到定向成功率為94.7%。試驗中蝦體均無損傷，能夠?qū)崿F(xiàn)有序輸送，定向效果達到最優(yōu)。

5 結(jié)論

(1)通過對去頭對蝦頭尾定向機理的分析和試驗表明：采用平行對輥相向轉(zhuǎn)動的方式進行對蝦頭尾定向是可行的，結(jié)合對蝦外形尺寸設(shè)計的對蝦定向輸送裝置，能夠獲得蝦體頭部向上、尾部向下的定向效果，達到有序輸送的目的。

(2)通過單因素試驗研究了對輥間隙、輸送推板運動速度和定向輥轉(zhuǎn)速對蝦體頭尾定向的影響規(guī)律。結(jié)果表明：定向成功率隨對輥間隙的增加呈先增、后減的趨勢，隨輸送推板運動速度的增加呈逐步下降的趨勢，隨定向輥轉(zhuǎn)速的增加呈先增大、后趨于穩(wěn)定的趨勢。通過分析確定了3個因素的較優(yōu)范圍。

(3)進行了兩種規(guī)格南美白對蝦的正交試驗，結(jié)果表明，影響頭尾定向成功率的因素主次順序為對輥間隙、輸送推板運動速度、定向輥轉(zhuǎn)速。最優(yōu)參數(shù)組合為：輸送推板運動速度40 mm/s、定向輥轉(zhuǎn)速90 r/min、中型蝦對應(yīng)的對輥間隙10 mm、大型蝦對應(yīng)的對輥間隙13 mm，在最優(yōu)參數(shù)組合下中型蝦和大型蝦的定向成功率分別為97.3%、94.7%。