王泽河 张丽丽 张秀花 弋景刚

（河北农业大学机电工程学院，河北 保定 071001）

中国是世界上最大的对虾产品生产国，也是世界上对虾产品的主要贸易国［1］。虾仁是对虾加工后的重要产品，但现有的虾仁大部分仍为手工剥壳，劳动强度大、生产效率低，易受细菌污染，影响产品鲜度和品质。所以机械化生产是目前虾类脱壳研究领域的一个重要发展方向［2］。但在机械式对虾加工过程中，对虾需要做开背处理。由于对虾本身体呈长筒形，左右侧扁［3］，且体节中腹部有多对腹足，形状不规则，给开背前的定向带来了极大的困难。目前国内外对虾加工过程中主要采用人工定向，占用了大量的劳动力资源。本研究根据对虾的生物力学特性，提出了双棍式对虾粗定向方法，并做了大量的相关试验，验证方法的可行性，为对虾的定向提供理论依据。

1 对虾切面的确定

由于去头后的对虾体呈长筒形，左右侧扁，且身体呈现一定弧度。如图1所示，定义对虾头部与腹部体节分开处切面为横切面，横切面与对虾的相交面近似椭圆，过对虾肠腺和对虾5对腹肢的对称中心线为竖切面。对虾以竖切面为对称面，左右对称。

图1 对虾切面图Figure1 The sectional view of the shrimp

2 辊子轴线与水平面平行

试验发现，当去头对虾以任意姿态落入一对相背转动的辊子间隙时，对虾的竖切面与两辊子中间的对称面夹角随两辊子直径和辊子间隙的变化而变化。

当辊子直径过小，此时如果对虾没有恰好落入两辊子之间的间隙时，对虾易随辊子的转动而飞出；当两辊子间隙过小时，由于对虾虾体呈现一定弧度，此时如果对虾姿态不是以背部向下腹部向上的姿态落入间隙，对虾尾部不能落入两辊子之间的间隙，使得对虾竖切面与两辊子中间的对称面重合；反之，当辊子直径较大，且间隙较大时，无论对虾姿态如何，总可使竖切面与两辊子中间的对称面重合；但当间隙过大时，对虾横切面易与辊子端面形成夹角，使得对虾粗定向效果较差。

由试验可知，对虾粗定向的影响因素为辊子直径和两辊子的间隙，以80头／kg的对虾为研究对象，对其去头处理，进行试验。用游标卡尺对100只去头对虾的横切面的椭圆截面中的短轴进行测量，发现短轴的取值范围为12～13 mm，对虾腹部体的第7节即尾节，短轴的取值范围为4～5 mm。利用单因素试验，两辊子直径60mm，两辊子以60r／min的转速相背转动为定量，改变双辊间隙，以对虾不随辊子飞出且竖切面与两辊子中间的对称面重合且对虾横切面不与辊子端面形成夹角为指标，设计试验。

2．1 双辊间隙对对虾定向的影响

选取对虾质量为每千克80头特定大小的对虾，对其去头处理，进行试验，把去头对虾以不同姿态单个依次的从辊子间隙上方放下，观察现象并记录。由于对虾存在个体差异，每组试验20次［4，5］，试验方法及结果见表1。

表1 双辊间隙对对虾定向的影响Table1 The record table of influence on the directing of double rollers’gap

由表1可知，当辊子间隙为5～9mm 时，由于此间隙数值大于对虾尾节处截面短轴的数值，且小于对虾最大横截面的数值较多，使得所有对虾无论何种姿态，均不会随辊子飞出，调整一段时间后稳稳落入两辊子间隙中，且竖切面与两辊子中间的对称面重合，对虾横切面不与辊子端面形成夹角，达到了粗排序。

2．2 双辊直径对对虾定向的影响

利用单因素试验，两辊子间隙6mm，两辊子以60r／min的转速相背转动为定量，改变双辊直径，以所有对虾均不随辊子飞出、竖切面与两辊子中间的对称面重合且对虾横切面不与辊子端面形成夹角为评价指标。当辊子直径为20mm，把去头对虾以不同姿态单个依次的从辊子间隙上方放下，观察现象，发现部分对虾随辊子的转动而飞出，未飞出的对虾竖切面与两辊子的中间的对称面重合且对虾横切面不与辊子端面形成夹角；改变辊子直径为60，100 mm 重复上述步骤并观察，发现所有对虾均不随辊子飞出、竖切面与两辊子的中间的对称面重合且对虾横切面不与辊子端面形成夹角。

3 辊子轴线与水平面成一定角度

由上述试验结果可知：去头对虾以任意姿态落入一对反向转动的辊子间隙时，若辊子直径和间隙合适，对虾总可使竖切面与两辊子的中间的对称面重合。根据这一性质，把辊子轴线放置与水平面成一定角度，取辊子直径为60 mm，两辊子间隙为6mm，对对虾受力分析如图2所示，其中，对虾受竖直向下的重力G，垂直于第一个辊子切线方向的支持力FN1，垂直于第二个辊子切线方向的支持力FN2，由于辊子背向转动，对虾受到垂直于支持力FN1与转向方向相反的摩擦力f′1，和垂直于支持力FN2与转向方向相反的摩擦力f′2，沿第一个辊子轴线方向向下的摩擦力f1，沿第二个辊子轴线方向向下的摩擦力f2，由受力分析可知，对虾合力沿辊子轴线方向向下。

图2 对虾受力分析示意图Figure2 The schematic diagram of shrimp’s force analysis

通过预试验发现，辊子轴线与水平面夹角的大小和辊子转速决定对虾在辊子上的运动速度和运动状态。针对对虾质量为每千克80头特定大小的对虾，其横切面椭圆短轴约为12～13mm，对其去头处理，进行试验。由于对虾加工设备不宜过大，所以试验用的双辊长度初取为1 m，直径为60mm，间隙为6mm，设计试验。

3．1 双辊与水平面夹角对对虾定向的影响

利用单因素试验，两辊子直径60 mm，两辊子60r／min的转速相背转动为定量，调整辊子轴线与水平面夹角，所有对虾均可调整好姿态，不随辊子飞出且竖切面与两辊子的中间的对称面重合，以向辊子下方滑动为评价指标。调整辊子轴线与水平面夹角为10°，把去头对虾以不同姿态依次地从辊子间隙上方放下，观察现象，所有对虾均可调整好姿态，不随辊子飞出且竖切面与两辊子中间的对称面重合，对虾横切面不与辊子端面形成夹角，快速向辊子下端滑动；调整辊子轴线与水平面夹角为20°，30°，重复上述步骤观察现象，所有对虾均可调整好姿态，不随辊子飞出且竖切面与两辊子的中间的对称面重合，对虾横切面不与辊子端面形成夹角，更快速向辊子下端滑动；调整辊子轴线与水平面夹角为40°，重复上述步骤观察现象，所有对虾均不随辊子飞出且竖切面与两辊子的中间的对称面重合，但部分对虾滚动向辊子下端移动；调整辊子轴线与水平面夹角为50°，重复上述步骤观察现象，所有对虾均不随辊子飞出且竖切面与两辊子的中间的对称面重合，但所有对虾均滚动向辊子下端移动［6，7］，如图3所示。

图3 对虾定向状态Figure3 The shrimp’s directional state

3．2 双辊转速对对虾定向的影响

利用单因素试验，两辊子轴线与水平面夹角30°，辊子直径60mm，辊子间隙6mm 为定量，改变两辊子转速，以所有对虾均可调整好姿态，不随辊子飞出且竖切面与两辊子的中间的对称面重合，对虾横切面不与辊子端面形成夹角为评价指标。当双辊以20r／min的转速相背转动，把去头对虾以不同姿态依次地从辊子间隙上方放下，观察现象，所有对虾均可调整好姿态，不随辊子飞出且竖切面与两辊子的中间的对称面重合，对虾横切面不与辊子端面形成夹角，快速向辊子下端滑动；改变辊子转速为60r／min，重复上述步骤观察现象，所有对虾均可调整好姿态，不随辊子飞出且竖切面与两辊子的中间的对称面重合，对虾横切面不与辊子端面形成夹角，以更快的速度向辊子下端滑动；改变辊子转速为100r／min，重复上述步骤观察现象，所有对虾均可调整好姿态，不随辊子飞出且竖切面与两辊子的中间的对称面重合，对虾横切面不与辊子端面形成夹角，以极快的速度向辊子下端滑动。

4 结论

相同直径的双辊相背转动可实现去头对虾的粗排序，但实现这一目标的影响因素较多，其中当辊子直径需远远大于对虾的截面尺寸，两辊子之间的间隙与对虾的截面尺寸最大处和最小处的值有关，在合理的范围内取值，辊子轴线与水平面夹角需在40°以内时，可实现对虾的粗定向。辊子的转速大小，辊子轴线与水平面的夹角大小可决定对虾在辊子上的滑动速度，可根据对虾开背工序的效率对这两者进行调整，以达到设备整体运行的协调。

1 陈文汉，宁凌．中国对虾产业现状及相关研究综述［J］．渔业经济研究，2008，5（2）：21～27．

2 张进疆，张林泉，赵锡和，等．虾剥壳装备研究与设计［J］．现代农业装备，2011（7）：50～52．

3 纪成林．中国对虾养殖新技术［M］．北京：金盾出版社，1999：1～10．

4 陈魁．试验设计与分析［M］．北京：清华大学出版社，2005：3～10．

5 王颉．试验设计与SPSS应用［M］．北京：化学工业出版社，2007：1～16．

6 吕长安．大枣自动定向输送切片机的研究设计方案［J］．现代农业科技，2010（12）：225～226．

7 张素梅．竹片自动定向排序装置研究［J］．林业机械与木工设备，2008，36（6）：14～15．