双辊式对虾分级设备的试验与研究

2014-05-03李影欣崔保健弋景刚杨淑华

食品与机械 2014年3期

李影欣崔保健弋景刚杨淑华王伟

LI Ying－xin CUI Bao－jian YI Jing－gang YANG Shu－huaWANG Wei

（河北农业大学机电工程学院，河北保定 071000）

（Mechanic and Electronics College，Agriculture University of Hebei，Baoding，Hebei 071000，China）

对虾营养丰富、肉质鲜美一直受到人们的青睐。然而对虾同其他海产品一样，属于易腐食品，保证对虾的鲜度成了对虾加工企业增加经济效益的重要手段，这对对虾的加工方法和加工效率提出了更高的要求［1］。市场需求的不断增加、养殖面积的不断增大给对虾加工企业带来了巨大商机和挑战，各类对虾加工设备也应运而生，但效率高、效果好的加工设备依然寥寥无几。目前市场上的分级设备主要有机械式、自动重量式和光电式［2］。机械式分选设备的特点是工作原理简单、设备成本低、对工作环境的适应性强，所以一直以来比较受国内外中小型水产加工企业喜爱，但是由于其自动化程度低，分级精度受操作人员主观因素影响大，若不增加自动控制系统则不适用于大规模、高精度生产加工。自动重量式和光电式分选设备主要用于食品、药品、包装等行业的在线质量检测，能够实现在线称量，检测欠重、超重等不合格产品，以及按重量对产品进行等级划分，它的模块化设计使其操作简便，生产线上的操作人员能够迅速熟练使用，检测精度高且易于清洁维护，但是这种设备对使用环境要求较高，若用于对虾分级虽能满足高精度分级的要求，但需手工上料，导致分级效率有所降低，且很难实现清洗分级一体化［3］。

双辊式分级设备是一种机械式分级设备，对其增加自动控制系统可改善机械式分级设备分级精度低的缺点。选用分级辊对对虾进行分级是因为对虾个体形状较不规则，身体截面类似钟形，两侧扁平且身体沿轴线方向呈一定弧度［4］。分级辊作为对虾分级设备的关键部件，各项参数的确定均影响到分级的效率及精度。本研究针对双辊式分级设备的分级效率及分级精度问题，进行了一系列试验分析，综合考虑各项因素，最终确定可行的设备参数。

1 物理参数的测定以及分级方案探讨

本试验的研究对象是南美白对虾，南美白对虾学名凡纳对虾，又称白肢虾或白对虾，在分类学上属于节肢动物门、甲壳纲、十足目、对虾科［5］是目前中国三大养殖虾种之一。根据《虾类性状测定SC／T 1102—2008》的要求，选用精度为0.02 mm的游标卡尺和精度为0.001 g的微型电子称，测量150只大小不同的对虾的体厚（有头虾的腮部即头部最大厚度）B，体重M 等各项物理参数，将测量结果绘成散点图见图1。

图1 对虾物理参数散点图Figure 1 Scatter of shrimp physical parameters

由图1可知，体厚变量与体重变量之间没有表现出明确的线性关系，为了更为准确地预测体厚随体重的变动趋势，采用Spss软件曲线估计的方法进行预测，曲线估计常见的线性模型有：二次曲线、复合曲线、增长曲线、对数曲线、三次曲线、指数曲线等［6，7］。

根据初步估计，选取了二次曲线、三次曲线、指数曲线和对数曲线，各模型的回归方程［7］：

估计结果见表1。

表1 回归分析结果摘要Table 1 Regression Analysis Results

图2 拟合回归线Figure 2 Fitted regression line

由表1、图2可知，3次曲线和对数曲线的拟合优度较高分别为0.962和0.960均大于0.95，且两种曲线的回归系数均显著（P＜0.05），而F统计值均较大，所以选取拟合度较高的三次曲线模型模拟体厚随体重的变化趋势，模型为B＝5.587＋1.114 M－0.049 M2＋0.001 M3。

观察上述模型可以发现对虾的体厚B随着体重M 的增加呈明显增加趋势，因此可以采用双辊式分级设备，利用体厚这个物理特性对对虾进行分级，这种分级方法不仅可以将对虾分成体重不同的各个等级，而且可为后续深加工的夹持、定位打下良好的基础。

2 试验机设计及影响因素分析

2.1 分级试验机的设计

设计了双辊式分级装置见图3。

图3 试验机结构示意图Figure 3 Schematic diagram of the test machine

它包括接两个直径变化的阶梯辊，中心距调节板，倾角可调的分级床，角度显示盘，角度调节装置，机架。调整好中心距的双辊在电机的带动下反向旋转，对虾从上方落入，在两辊轴间沿轴线方向向下移动，不同规格的虾在不同间隙处落下，从而实现分级。该试验设备中辊轴可调间距范围为0～30 mm，分级辊转速在30～90 r／min连续可调，床体倾角在0～40°连续可调，分级床角度可以在显示盘上读取。

2.2 影响因素的分析

2.2.1 分级辊直径对分级精度的影响通过试验发现，在分级过程中当分级辊的直径较小时，对虾非常容易飞出分选道，随着分级辊直径的增大，对虾飞出分选道的问题逐渐缓解，为此进行下述分析，分析过程见图4、5。

由图4、5及式（5）、（6）可知，随着辊轴直径的增大，β角逐渐减小，沿切线方向分力FY逐渐增大，当此方向的分力大于或等于虾在辊轴上的最大静摩擦力时虾和辊轴产生相对滑动，使虾在合适间隙处顺利落下。

通过试验得到对虾与尼龙棒之间的动摩擦因数为0.5～0.7，由式（7）得到，摩擦角的范围为26.57～34.99°，若想使对虾与尼龙棒间产生相对滑动，应使α≥34.99°，令辊轴中心距为a，则有sinα＝，当对虾恰好通过两轴间隙时a＝2R＋B，于是得到辊轴和对虾发生相对滑动的临界条件是R≥，当对虾体厚B为32 mm时，R≥21.51 mm时对虾才可克服摩擦力顺利下滑而不会飞出分选道。

图4 双辊截面图Figure 4 Pairs of roller－sectional view

图5 受力图Figure 5 The force analysis

2.2.2 分级辊的转速对分级效果的影响为了分析分级辊转速对分级效率的影响，选择了5组26～30只／500 g的虾共100只，控制双辊最大间隙为11 mm，倾角为15°，调整辊轴转速分别为15，35，55，60，70，80 r／min使虾在不同转速下依次下滑至相同位置（1 000 mm处）并记录所用时间，图6显示的是本次试验的结果。

图6 转速试验结果Figure 6 The results of speed test

由图6可知，对虾下滑到指定位置所需的时间在辊轴转速由15 r／min变到35 r／min时变化显著，在辊轴转速大于35 r／min后变化趋于平缓，从整体来看随着辊轴转速的增大下滑所需时间逐渐减少，即下滑速度逐渐增大。用Spss对试验结果进行曲线回归分析，通过比较相关系数的平方值（R2）选取二次模型进行拟合［7］，其拟合结果为y＝78.324－2.256x＋0.018x2。图7是拟合出的曲线模型，从图7中可以看出在62 r／min时对虾下滑时间达到最短，也就是说在上述参数下此转速时分级效率较高。

图7 拟合回归曲线Figure 7 Fitted regression curve

2.2.3 分级辊倾角对分级效果的影响分级辊的倾角即辊子轴线与水平面的夹角，倾角的大小直接影响到设备的分级效率与分级精度。分级过程中对虾在重力G和辊子推力F的作用下克服摩擦力f在两个反向转动的辊子之间沿轴线方向滑动。当倾角较小时对虾的运动速度较慢，严重影响了分级效率，试验证明，当倾角小于5°时，对虾滑动十分缓慢，且极易飞出分选道；当倾角太大时对虾将沿着辊子轴线方向向下翻滚，试验过程中，数只对虾同时落入双辊之间时，当倾角达到摩擦角（26.57°）附近时，重叠的对虾落入后瞬间有翻滚现象出现，这将严重影响设备的分级精度。

3 正交试验设计与数据分析

3.1 试验目的

3.2 试验因素及水平的确定

通过对双辊式分级设备的分级机理分析以及对上述影响因素的比较得出，试验中影响试验结果的因素有分级辊直径、分级辊转速、分级辊倾角。通过分析对比正交试验表格并考虑试验实际情况，选择三水平的正交试验表格来安排试验。试验为3因素3水平试验，应当选L9（34）正交表［8］。这9个因素依次为分级辊直径、分级辊转速、分级辊倾角。通过上述影响因素的分析，确定各试验因素选用如下3个水平，参数确定见表2。