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对辊式对虾定向机的设计
赵庆龙,张秀花,李铎,等. 对辊式对虾定向机的设计［J］. 江苏农业科学,2016,44（7）：410-412.
doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.07.118
对辊式对虾定向机的设计
赵庆龙, 张秀花, 李铎, 王泽河, 袁永伟
（河北农业大学机电工程学院,河北保定 071000）
摘 要：为解决对虾在机械自动化加工过程中的喂料难题,设计了一种对辊式对虾定向机.根据对虾的体型特征及摩擦特性,通过相邻尼龙辊在轴线方向上直径的变化以及在轴段设置的凸棱和凹槽完成对虾定向.对定向原理进行分析,并采用分级后体厚为11~12 mm的新鲜南美白对虾进行试验.理论分析和试验结果均表明,该定向机可实现对虾的定向.本研究结果可为对虾机械自动化剥壳加工中定向连续喂料设备的产品开发提供技术依据.
关键词：尼龙辊；定向；南美白对虾；空气喷射
中图分类号：S985.2+1；TS254.3 文献标志码： A
文章编号：1002-1302(2016)07-0410-03
收稿日期：2015-07-14
基金项目：海洋公益性行业科研专项(编号：201205031)；河北省科技支撑计划(编号：12227169)；河北农业大学理工基金(编号：LG201501).
作者简介：赵庆龙(1989—),男,河北邢台人,硕士研究生,从事机械设计制造及其自动化研究.E-mail：zhao20132090146@163.com.
通信作者：张秀花,博士,副教授,硕士生导师,主要从事机械设计制造及其自动化研究.E-mail：zhang72xh@163.com.
对虾肉质松软,富含多种微量元素,具有重要食用价值和经济价值［1］,深受中国人民喜爱.中国是养虾大国,然而对虾机械自动化剥壳加工技术较落后［2］.对虾的开背、去头是对虾机械自动化剥壳工艺中的重要环节,然而对虾去头、开背等环节均需要进行对虾的定向喂料,如果定向不准确,将直接导致后续加工无法正常进行.对虾的体型结构比较特殊,导致对虾的定向较困难,目前国内的对虾定向大多停留于手工定向或去头虾定向阶段［3-4］.在对虾机械自动化加工时,为便于自动化生产,极有必要设计一种对虾的定向装置.解决对虾定向的难题可极大推动对虾加工的自动化程度.以环渤海的南美白对虾为研究对象,以定向率为主要衡量指标,针对对虾的生物特性设计一种对辊式对虾定向机［5-7］,并进行定向性能的试验,可为对虾定向设备的研制设计提供技术依据.
1对辊式对虾定向机总体设计
1.1对虾物理参数及定向设计思路
以环渤海的南美白对虾为研究对象,该对虾虾体呈长筒形,左右对称,头胸部有最大厚度,腹部6节厚度由前至后逐节递减,重心偏于背部.按最大厚度对成品对虾进行分级后,同一级别的对虾其体长差值浮动很小,长度基本一致［8］.对虾头部长有眼柄和长须,两侧及背部长有甲壳,头胸部和腹部长有附肢.笔者所在课题组选用尼龙材料进行对虾背腹摩擦因数的测定,结果显示,对虾侧面和腹部的摩擦因数不同,且沾水的虾须与光滑的尼龙表面有较大的吸附力.
基于对虾的物理特性及力学性能,本设计的基本思路如下.(1)处于同一级别的对虾,其体厚和长度基本一致,为降低设计难度,先对对虾进行分级.(2)由于沾水的虾须与光滑材料之间的吸附力较大,需要进行去虾须的工作.(3)对虾左右对称,侧面和腹部与尼龙棒的摩擦因数不同,且头部与腹部第1节厚度较大,通过改变相邻尼龙辊在轴线方向上的直径,利用相邻定向辊的反向转动完成对虾的定向.
1.2对虾定向机的结构及工作原理
由图1可知,对辊式对虾定向机主要由机架、传动系统、定向辊组、进料斗、条形输料挡板、喷水装置、辅助定向装置、输送带、导料板等组成.定向辊组斜置于机架上,条形输料挡板与定向辊组平行紧贴布置,在定向辊组上方设有喷水装置,在其下方设有喷气式辅助定向装置.
经过分级、去须处理的对虾,由位于定向辊组较高端处的进料斗进入定向辊组进行定向工作.相邻对辊在轴线方向上直径的变化,使对辊间隙按“小—大—小”的趋势变化,组成定向辊组的左辊和右辊进行相背运动,对虾在辊表面凹槽及自身重力的作用下沿着定向辊组轴线方向作下滑运动.当对虾处于定向辊组前端小间隙处时,挡板的设置可避免发生对虾堆叠现象,使对虾在定向辊组组成的滑槽中列队做下滑运动,完成对虾定向的送料工作.当对虾进入定向辊组中间大间隙位置时,对虾呈悬挂于两相邻辊之间的姿态,在对虾即将进入定向辊组末端小间隙时,位于定向辊组下方的辅助定向装置使对虾保持头部朝前的姿态顺利进入末端小间隙,完成对虾的头尾定向工作.当对虾进入定向辊组末端的小间隙处时,在定向辊组表面的凹槽、凸棱及对虾自身重力的作用下实现背腹定向.完成定向的对虾由位于定向辊组较低端小径处的2个“V”形槽输送带向相反方向输出.在整个定向过程中,喷水装置不间断喷水,保证对虾的鲜度及对虾在定向辊组上的顺利下滑.
2关键工作机构的设计
2.1定向辊组的设计与分析
2.1.1定向辊组的设计对虾定向辊组倾斜安装在机架上,由1对尼龙辊组成.定向辊组沿轴向分为3段,且垂直于轴线方向对应的两辊截面直径相等,分别为100、90、100 mm(图2).定向辊各段之间设有过渡段,使两定向辊在过渡段形成楔形间隙.两定向辊上表面形成近似“V”形槽且轴间距可调,两
辊最大间隙不大于所选级别对虾第1体节厚度,装置适用于体厚大于10 mm的对虾.在定向辊第3段处开有凹槽,并且在右定向辊第3段较高端设有一段凸棱,凸棱长度300 mm、高度1 mm,且沿圆周方向330 °阵列在辊表面,凸棱的设置破坏了对虾的受力平衡,使对虾发生一定翻转,最终呈背部朝下的姿态输出,完成背腹定向.
2.1.2背腹定向机理分析当完成头尾定向的对虾进入定向辊第3段时,对虾有2种姿态,即头朝前背朝下、头朝前腹朝下.垂直于定向辊轴线方向,对虾背部朝下、腹部朝下进入定向辊凸棱处的姿态变化及受力分析见图3.图3中将对虾横截面简化为椭圆形,其中较尖端为虾腹,对虾的质心O位于长轴且靠近对虾背部,A、B、C、D、E、F分别为对虾在不同位置时与定向辊的作用点.虾体在定向辊上所受摩擦力为f,定向辊的支撑反力为N,重力在垂直于轴线方向的分力为G,定向辊凸棱的作用力为F,在这些力的作用下进行对虾的背腹定向.由图3-a可知,对虾背部朝下进入定向辊,在位置Ⅰ时各力对质心O的合力矩为：
MO等于Mf+MN+MG+MF.(1)
对虾所受摩擦力f与定向辊的支撑反力N关于对虾对称面对称,且重力分力G过质心,故摩擦力f、定向辊的支撑反力N、重力分力G对质心的合力矩为0,因此在位置Ⅰ时各力对质心的合力矩在数值上等于定向辊凸棱的作用力F对质心的矩.在合力矩的作用下,虾体将绕质心O逆时针旋转,由于力F远远大于虾体所受重力,故虾体将向左上方运动,运动到最高位置即位置Ⅱ.在位置Ⅱ时,对虾在各力对作用点C的合力矩为：
MC等于Mf+MN+MG.(2)
对虾所受摩擦力f和定向辊的支撑反力N对点C的矩为0,因此在位置Ⅱ时各力对质心的合力矩在数值上等于重力分力G对点C的矩,在合力矩的作用下对虾将绕点C逆时针旋转并在合力作用下沿辊面下滑,滑落至定向辊之间,保持背部朝下的姿态不变.由图3-b可知,对虾腹部朝下进入定向辊,在位置Ⅰ时各力对质心O的合力矩为：
MO等于Mf+MN+MG+MF.(3)
对虾所受摩擦力f和定向辊的支撑反力N关于对虾对称面对称,且重力分力G过质心,故摩擦力f、定向辊的支撑反力N、重力分力G对质心的矩为0,因此在位置Ⅰ时各力对质心的合力矩在数值上等于定向辊凸棱的作用力F对质心的矩.在合力矩作用下,虾体将绕质心O顺时针旋转,由于力F大于虾体所受重力,故虾体将向左上方运动到最高位置即位置Ⅱ.在位置Ⅱ时,对虾在各力对作用点C的合力矩为：
MC等于Mf+MN+MG.(4)
对虾所受摩擦力f和定向辊的支撑反力N对点C的矩为0,因此在位置Ⅱ时各力对质心的合力矩在数值上等于重力分力G对点C的矩,在合力矩的作用下对虾将绕点C顺时针旋转并在合力作用下沿辊面下滑,滑落至位置Ⅲ.同理可分析出,在位置Ⅲ时各力对质心的合力矩在数值上等于重力分力G对点D的矩,在合力矩的作用下对虾将绕点D顺时针旋转并在合力作用下沿辊面下滑,最终滑落至双辊之间,呈头部朝前背部朝下的姿态并输出.
综上所述,定向辊第3段凸棱的设置可使对虾最终呈头部朝前、背部朝下的统一姿态输出,完成对虾的背腹定向.
2.2辅助定向装置的设计与分析
2.2.1辅助定向装置的设计对虾进入定向辊第2段时,其姿态呈头部朝上、尾部朝下,但其背腹朝向无规律.当对虾呈背部朝前姿态进入定向辊第2段和第3段之间的楔形间隙时,对虾背部先与两辊楔面接触,反向转动的对辊带动对虾尾部腹部蜷缩并作上升运动,直到虾体升至辊上表面,使对虾尾部朝前进入定向辊第3段,这与头部朝前进入第3段的设计要求不相符,定向失败.为提高对虾头尾定向的成功率,设计一种喷气式辅助定向装置,其结构和安装位置见图4.喷气式辅助定向装置主要由气泵、气管、固定管、固定挡片组成,气泵型号为OLF-2524,气管嵌套在固定管之中并保证气管口位于定向辊组的正下方,喷射流量由开关阀控制,喷射角度由安装在机架上的固定管进行调节.
2.2.2头尾定向机理分析由于对虾头部和腹部第1节尺寸较大,在定向辊第2段呈头部朝上的姿态.由于定向辊在定向辊组第2段处尺寸参数相同,将对虾在辊组上的受力简化到对辊对称面进行对虾的受力分析(图5).图5中A、B、C分别为固定挡片对对虾的作用点,O为对虾的重心,气管喷气对对虾的作用力为F,对虾所受重力为G,反向转动的定向对辊对对虾支持力的合力为FN,固定挡板的力为N,所受辊的
摩擦力为f.
由图5-a可知,对虾腹部朝前进入定向辊第2段,在位置Ⅰ时对虾尾部先接触到固定挡板,各力对支撑点A的合力矩为：MA等于Mf+MF+MG+MFN.为达到辅助定向的作用,需要调整气泵喷气流量,使得满足｜MF｜>｜Mf｜+｜MG｜+｜MFN｜,且保证对虾不飞出定向辊.对虾在气管所喷气体的作用力F下将沿辊向下滑动,在合力矩MA的作用下对虾将绕尾部支撑点A顺时针旋转,最终呈位置Ⅱ姿态.在位置Ⅱ时,对虾头胸部进入定向辊的楔形间隙内,在气管喷气作用力F和双辊楔面对虾向上的托力F1的作用下,对虾实现头部朝前进入定向辊组第3段,完成对虾的头尾定向.
由图5-b可知,对虾背部朝前进入定向辊第2段,挡板对虾体的阻挡使对虾头胸部先进入对辊楔形间隙,在气管喷气作用力F和双辊楔面对虾向上的托力F1的作用下,对虾实现头部朝前进入定向辊组第3段,完成对虾的头尾定向.
综上所述,辅助定向装置的设置可使对虾保持头部朝前的统一姿态进入定向辊第3段,完成对虾的头尾定向.
3对虾定向试验
3.1试验材料
试验材料为河北省保定市水产市场采购的鲜活南美白对虾,体形呈长筒形,左右侧扁,头胸部、腹部、尾部均完整,虾仁饱满,肉质鲜嫩.对所购对虾按体厚度进行分级后,取体厚为11~12 mm的对虾作为定向试验对象.所筛选的对虾在试验前经冰水混合物浸泡处理30 min以降低对虾的活性,并进行去须处理.
3.2试验方法
为验证原理的可行性,试验前将定向辊转速调整为 150 r/min,气泵阀门旋开1/4周,定向辊倾角为5°.试验时取对虾50尾/组,共4组,由进料斗随机落至1组定向辊上,观察定向辊末端对虾的最终状态,统计装置的头尾定向率、背腹定向率、定向成功率. 头尾定向率：对虾头部朝前输出成功数占总数的百分比(%).背腹定向率：对虾背部朝下输出成功数占总数的百分比(%).成功率：对虾头部朝前且背部朝下输出成功数占总数的百分比(%).
3.3试验结果分析
由表1可知,对辊式对虾定向机的头尾定向率可达100%,背腹定向率均值达到98%,装置定向原理可靠、定向效果良好；但需要在对虾定向之前进行去须工作,如果虾须处理不当,虾须将会缠绕在对辊上而影响机器的定向成功率.喷气流量、对辊转速、定向辊倾角等因素对机器处理能力及定向成功率有较大影响,为使机器达到最优性能,须进行参数优化.
表1对虾试验参数
组别头尾定向率(%)背腹定向率(%)成功率(%)
11009898
2100100100
310096100
41009898
均值1009898
4结论
理论分析和试验结果表明,通过改变相邻尼龙辊在轴线方向上的直径,使对辊间隙按“小—大—小”的趋势变化,利用对辊形成的大间隙及辅助定向装置实现头尾定向,利用定向辊第3段处设置的凸棱、凹槽及辊的反向转动实现对虾的背腹定向是可行的.试验过程中,头尾定向率达到100%,背腹定向率略低,为98%,定向成功率达到98%.本研究设计的对辊式对虾定向机定向效果良好,可为对虾定向设备的研制设计提供技术依据.
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