河蟹去壳装备的设计与研究

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21世纪以来,中国的河蟹养殖规模迅速扩大,捕捞量不断增加,河蟹的产量以及蟹黄、蟹肉等河蟹制品的产量也一直保持着持续增长。目前中国养殖的河蟹一部分采用活体销售,购买者自行使用工具手工剥壳,这部分主要包括质量在100g以上的河蟹,而100 g以下个体河蟹数量庞大,价格低廉,不易储存和售卖,因此可考虑将小体格的低值河蟹进行深加工。但是目前的河蟹深加工仍然以人工为主,自动化、智能化程度不高,装备普及率低。人工剥壳的主要问题之一是熟练的剥壳工人严重短缺,河蟹的供应受季节、气候、环境等诸多因素的影响,能全职工作的剥壳工人并不多;此外,人工去壳不仅耗费人力,而且容易对蟹黄蟹肉造成污染,对蟹黄蟹肉的品质和安全性产生影响。因此,研究河蟹去壳加工装备对于水产品深加工行业的发展有很重要的意义。本文通过对河蟹的物理特征进行分析,对河蟹关键尺寸进行数据采集,并以此为基础,研究了针对100g以下的小规格河蟹的自动化去壳装备,实现了顺次对河蟹的去背甲壳、蟹黄分离与收集、除蟹腮和蟹身壳肉分离等操作,并对其关键机构进行了仿真分析及实验验证,具体研究内容如下:(1)设计了河蟹自动化去壳加工方案,可以顺次对河蟹进行去背甲壳、蟹黄分离与收集、除蟹腮和蟹身壳肉分离。(2)以河蟹的物理特征以及采集的关键尺寸数据为基础,根据机械设计理论对各个关键机构进行了设计,使用三维设计软件Solid Works设计了河蟹去壳装备的整机结构,并对关键机构进行了设计,设计了基于切割理论的去背甲剖切机构,设计了基于气压原理的蟹黄气压分离装置,设计了基于高压水喷射原理的除蟹腮装置,设计了基于挤压原理的蟹身挤压分离装置,为各部分选择了合适的材料,确定了相关尺寸,并制做出了壳肉分离装置的实物模型。(3)使用有限元分析软件ANSYS和运动学分析软件ADAMS对河蟹去壳装备的关键机构进行了仿真分析。为确定蟹黄气压分离装置最佳工作参数,以蟹黄移动距离为指标对蟹黄气压分离进行了仿真实验,仿真结果表明:当气流速度大于6m/s时,可使蟹黄移动50cm以上距离,能实现蟹黄的分离和收集。然后以蟹身的运动轨迹为指标对蟹身壳肉分离装置进行了仿真分析,结果表明:当挤压滚筒转速为30r/min时,可使蟹身完成挤压从而分离蟹肉。最后对挤压分离装置中的滑槽机构进行了有限元仿真分析,并通过观察仿真生成的云图,确定了滑槽机构的可靠性。(4)设计了河蟹去壳装备的控制系统,选用STM32F1系列的芯片作为该控制系统主控芯片,对该去壳装备控制系统所需要的CAN总线、EEPROM等外围电路进行了硬件设计;使用Keil软件结合C语言对控制系统进行了软件设计,开发了基于STM32的具有CAN通讯功能的河蟹去壳装备控制器,使用制作的控制器进行了CAN通讯实验,实验结果表明:可以通过CAN报文命令来控制继电器的工作状态,从而实现对河蟹去壳装备的控制。(5)对蟹黄气压分离装置,除蟹腮装置和蟹身挤压分离装置进行了实验验证。以气流速度、气流角度和作用时间为实验因素,以蟹黄分离评分为标准,使用气压分离装置进行了蟹黄分离正交实验,得出了进行蟹黄分离的最佳工作条件为气流角度10°,气流速度30m/s,作用时间15s;使用除蟹腮装置对河蟹进行了蟹腮去除正交实验,以水流角度、工作压力、作用时间为试验因素,以蟹腮的去除效果为指标,得出了水流角度45°,水压0.3MPa,作用时间15s的工作条件为去除蟹腮的最佳工作条件;使用挤压分离装置对蟹身进行了挤压分离实验,以手工分离蟹肉得出的质量分数为标准,得出了挤压分离装置的得肉率为75.78%。
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