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摘要：针对人工去虾头工作效率低、劳动强度大、虾仁易受细菌污染，以及机械一刀切式对虾去头方法虾肉浪费严重等问题，设计了一种高转速刀片对虾去头装置。根据对虾的体型特征和生物特性，利用仿形“V”形槽对对虾定位夹紧，利用去头圆盘刀对对虾产生的摩擦力和离心力实现对虾的去头工作，并进行原理分析。针对分级后长度为 130～150 mm的新鲜南美白对虾进行试验，结果表明，利用高转速去头圆盘刀进行对虾去头的成功率高达100%，得肉率达到了人工去头的水平，去头装置原理合理，为今后对虾去头装置的研制提供了依据和新思路。
关键词：对虾；去头；高转速圆盘刀；试验
中图分类号：S985.2 1；TS254.3 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2016）07-0407-03
对虾营养丰富、肉质细嫩、易消化，且富含蛋白质、维生素A、钙、磷、钾、镁等多种人体必需的营养元素。随着人们生活水平的不断提高，国内对对虾的需求不断上升。虾仁加工后的副产品中蛋白质丰富，脂肪含量较高[1-2]。但由于對虾头部坚硬，且近年来水体污染严重，鱼虾类吸收到体内的重金属等有害物质主要通过血液来流通，并沉积在头部。在后续的剥壳加工工序[3]中会导致设备损坏，在开背加工工序中会导致虾头内重金属流出从而污染虾仁，因此对虾去头是对虾加工工序中最重要的环节之一。然而，目前国内外均采用人工方式进行对虾去头，手工去头劳动强度大、工作效率低、产品易受细菌污染，影响产品的鲜度和品质；同时，随着劳动力的紧张，劳动力成本将成为企业难以承受的成本支出。研制自动化对虾去头装备，为虾类生产企业提供实用、性能可靠的虾类去头设备[4]，对解决对虾去头的瓶颈问题、提升对虾加工产业的技术水平、增强水产品的国际竞争力、促进渔业可持续发展具有重大战略意义[5-6]。
目前，机械一刀切式去头方式应用比较普遍，然而对对虾的物理特性参数研究发现，即使同一级别的对虾其形态特征也不尽相同，虾头长度和虾体长度均不相同，从而导致机械一刀切式去头方式浪费虾肉比较严重或去头不彻底。采用弹性辊挤压式去头方式虽可利用对虾虾头与虾体之间连接部位薄弱的特性，可保留较多虾肉，但对对虾的定位精度要求较高，且实现结构较复杂，结构的间隙性运动导致效率较低、成本较高，不适于我国市场大量使用。针对上述问题，通过研究开展对虾去头试验的方法，为研制对虾去头自动化装备提供理论基础和技术依据。
1 对虾去头试验装置总体结构
1.1 整机结构
对虾去头是对虾加工过程中最重要的环节之一，对虾机械化加工工艺流程为捕捞、清洗、分级、去头、开背、脱壳、清洗。去头是其中的重点和难点，去头的质量和效果直接影响后续开背、脱壳工序中得到的虾仁质量[7]。
对虾去头试验台的结构见图1。该去头设备主要由机架、输送进给机构、去头机构组成。输送进给机构包括电机、链轮、链条、仿形“V”形槽等，链轮通过轴和轴承座安装在机架上，通过电机带动链轮转动，使链条带着“V”形槽向前匀速输送。去头机构主要包括电机、去头圆盘刀、止跳板，去头圆盘刀在电机的驱动下实现高转速旋转。试验过程中电机Ⅰ为JS-ZYT22型电机，额定功率为500 W；电机Ⅱ为57BLY12530F型电机，转速为0～3 000 r/min可调。
1.2 工作原理
进行对虾去头工作时，先将对虾进行定向，使定向后的对虾保持头朝前、腹朝上的统一姿态平躺于“V”形槽中，对虾头部伸出“V”形槽，头部的定位由以上对虾形体参数的统计结果和试验得到。去头圆盘刀的下刀位置在对虾头胸部连接薄弱的部位，即虾体平躺于“V”形槽中而虾头悬空在“V”形槽外。在链条的带动下，将“V”形槽中排序定向好的对虾输送到去头工位，在去头圆盘刀的高速旋转、输送机构的进给、止跳板的共同作用下完成对虾的去头工作[8-9]。
2 对虾参数统计分析
2.1 对虾的形态特征
对虾一般分为头胸部、腹部、尾肢三大部分（图2）。头胸部有最大厚度，腹部由6节构成，其中前5节较短，第6节较长，由前至后逐渐变细，最后1节尖细且具有一定弯曲度。通过对虾头部内部解剖发现，内部主要由循环系统、生殖系统、消化系统、呼吸系统、排泄系统、神经系统构成，而这些系统的连接力十分薄弱（图3）。经试验研究发现，对虾虾头和虾体连接处为对虾连接最薄弱的环节，而虾头和虾体连接最强的位置为对虾胸部附肢处，这为对虾去头的下刀位置提供了依据。
2.2 对虾物理参数统计与分析
分级后的对虾是按其厚度进行分级的[10]，然而即使分级后同一级别的对虾其形体特征也各不相同，因此有必要测量虾头长度，分析虾头长度是否在一定范围内，从而进一步确定对虾去头装置的定位尺寸。在购买的南美白对虾中选取体长为130～150 mm的对虾测量头长和体长，结果见表1。
利用SPSS软件对头长测量结果进行分析发现，对虾头长符合正态分布（图4）。进一步研究对虾全长和头长之间的相关性发现，对虾头长与全长的相关系数为0.972，呈正相关，在α=0.01的置信水平下极显著相关，表明头长与全长间存在一定数学关系。通过回归分析，利用数学模型建立起反映实际情况的数量关系，其表达式为：
y=23.430e0.005x ε（90 式中：y为对虾的头长（mm）；x为对虾的全长（mm）；ε为随机变量。因此确定了对虾头长与全长的关系，这为对虾去头过程中的对虾定位进一步提供了依据。
3 对虾去头机理分析
3.1 去头过程分析
经排序定向后，对虾在“V”形槽中通过链条带动使其到达去头工位。对虾去头过程分为2个阶段：第1阶段，对虾虾头与去头圆盘刀接触，并在对虾进给过程中初步切开小口；第2阶段，对虾在继续进给过程中，去头圆盘刀的2个侧面与对虾头部的接触面积越来越大，利用去头圆盘刀两侧与对虾头部产生的摩擦力，使虾头沿开口处将剩余连接处撕裂断开并将虾头甩飞，使虾头与虾体完全分离，而虾肉几乎无损失。 3.2 去头理论分析
在对虾去头第1阶段中，去头圆盘刀对对虾头部接触部位切开小口，此过程中去头圆盘刀刚与对虾头部接触，且对虾头部悬空，而虾体部分被仿形“V”形槽夹住匀速进给，使去头圆盘刀两侧的虾头和虾体速度不同，此时对虾头部受到剪切力。在第2阶段，由于去头圆盘刀已经进入对虾的头胸部中，圆盘刀两侧与对虾头胸部进刀处两侧均产生摩擦力，对虾截面的受力分析见图5。其中位置Ⅱ时刻对虾所受摩擦力为：
F摩擦力=A·τ=τ·[∫β αdθ∫φ3（θ）φ1（θ）f（rcosθ，rsinθ）rdr ∫γ βdθ∫φ2（θ）φ1（θ）f（rcosθ，rsinθ）rdr]。
式中：A为对虾与去头圆盘刀的实际接触面积；τ为接触界面之间的剪切应力；α为对虾截面与圆盘刀边缘接触的较低点与圆盘刀圆心之间的连线与竖直方向的夹角；β为对虾截面与圆盘刀边缘接触的较高点与圆盘刀圆心连线与竖直方向的夹角；γ为对虾截面顶端与圆盘刀圆心连线与竖直方向的夹角。
在第2阶段，高转速圆盘刀与对虾头胸部开口处两侧产生摩擦力，使对虾头胸部与高转速圆盘刀两侧接触的面瞬间产生高速。根据动量定理对虾头进行分析，虾头所受合外力冲量的增量等于虾头动量的增量，因此其瞬间产生很高的速度，使合力将虾头剩余连接部分甩飞，公式为：
F合Δt=mΔv。
式中：F合为虾头重力与虾头所受摩擦力的合力，Δt为时间变化量，m为虾头质量，Δv为虾头的速度变化量。
4 材料与方法
4.1 设备与原料
试验设备包括SP-200型图显推拉力计（温州山度仪器有限公司）、刀片、电子天平、游标卡尺。试验原料为鲜活南美白对虾，购自河北省保定市水产市场。抽取体长为 130～150 mm的对虾作为试验样品。
4.2 试验方法
圆盘刀转速最高可达到3 000 r/min，可通过电位器进行任意调节，并通过显示器显示转速值。为验证去头原理的可行性及去头圆盘刀转速对去头效果的影响，试验时对圆盘刀转速由0开始每隔100 r/min进行调节，并进行1组试验。试验时每组取10尾对虾，共30组，由5名试验人员对对虾去头效果进行感官质量评定，评分标准见表2。观察并统计各组转速下的去头成功率及去头效果。
4.3 结果与分析
4.3.1 圆盘刀转速对对虾去头质量的影响 对去头圆盘刀进行不同的转速试验，结果显示，当转速在2 000 r/min以上时，去头成功率高达100%。由对虾去头理论分析可知，去头圆盘刀的转速直接影响去头时对虾头产生的离心力，从而影响去头的效果和质量。试验结果表明，去头圆盘刀转速在 0～2 000 r/min范围内时，去头效果和质量随转速的提高具有明显提升；当转速大于2 000 r/min时，去头效果和质量趋于稳定，没有明显改变（图6）。
4.3.2 一刀切式对虾去头与高转速圆盘刀对虾去头比较试验 利用一刀切式对虾去头，对虾定位尺寸一定，而经过分级后的对虾其头长尺寸仍大小不一，实现同一级别对虾头尾彻底分离必须按虾头最大尺寸来定位，导致一刀切式对虾去头方法严重浪费虾肉[11]。采用高转速圆盘刀方法去虾头，高转速圆盘刀与对虾开口处两侧产生摩擦力，使虾头在头尾连接薄弱处断开，虾肉几乎不缺损（图7）。
5 结论
高转速圆盘刀式对虾去头解决了一刀切式对虾去头虾肉浪费严重、对辊挤压式对虾去头效率低的问题，为今后对虾去头装置的研制提供了新思路。高转速圆盘刀式对虾去头过程分为2个阶段，第1阶段虾头与去头圆盘刀接触，并使对虾在进给过程中初步切开小口；第2阶段，在对虾继续进给的过程中，去头圆盘刀两侧与对虾头部开口处两侧的接触面积越来越大，产生的摩擦力使对虾头部沿开口处与剩余连接处断开，并将虾头甩飞，从而使虾头与虾体完全分离，几乎不损失虾肉。对虾去头效果随去头圆盘刀转速的提高而变好，当转速超过2 000 r/min时去头效果趋于稳定，没有明显变化。为避免功率的浪费，选取去头圆盘刀的转速为2 000 r/min。
参考文献：
[1]李学英，迟 海，杨宪时，等. 南极磷虾冷藏过程中的品质变化[J]. 食品科学，2010，31（20）：464-468.
[2]常耀光，李兆杰，薛长湖，等. 超高压处理对南美白对虾在冷藏过程中贮藏特性的影响[J]. 农业工程学报，2008，24（12）：230-237.
[3]张秀花，赵庆龙，赵玉达，等. 对虾对辊挤压式剥壳工艺参数及预处理条件优化[J]. 农业工程学报，2014，30（14）：308-314.
[4]赵玉达，张秀花，王泽河，等. 对虾背腹定向装置试验[J]. 江苏农业科学，2014，42（2）：356-358.
[5]崔 禾. 纵观全球养殖对虾产业现状 分析我国对虾产业发展趋势（连载一）[J]. 中国水产，2006（4）：14-17.
[6]廖泽芳，宁 凌. 中国对虾产业分析[J]. 海洋开发与管理，2009，26（4）：31-35.
[7]易俊洁，丁国微，胡小松，等. 南美白对虾脱壳工艺比较及其对虾仁品质的影响[J]. 农业工程学报，2012，28（17）：287-292.
[8]陈庆余，沈 建，傅润泽，等. 典型海产小杂鱼机械去头方法研究[J]. 渔业现代化，2012，39（5）：38-42.
[9]李小强，王芬娥，郭维俊，等. 橄榄根茎切割力影响因素分析[J]. 农业工程学报，2013，29（10）：42-48.
[10]李影欣，崔保健，弋景刚，等. 双辊式对虾分级设备的试验与研究[J]. 食品与机械，2014，30（3）：94-97.
[11]王泽河，张泽明，张秀花，等. 对虾去头方法试驗与研究[J]. 现代食品科技，2015，31（2）：151-156.
关键词：对虾；去头；高转速圆盘刀；试验
中图分类号：S985.2 1；TS254.3 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2016）07-0407-03
对虾营养丰富、肉质细嫩、易消化，且富含蛋白质、维生素A、钙、磷、钾、镁等多种人体必需的营养元素。随着人们生活水平的不断提高，国内对对虾的需求不断上升。虾仁加工后的副产品中蛋白质丰富，脂肪含量较高[1-2]。但由于對虾头部坚硬，且近年来水体污染严重，鱼虾类吸收到体内的重金属等有害物质主要通过血液来流通，并沉积在头部。在后续的剥壳加工工序[3]中会导致设备损坏，在开背加工工序中会导致虾头内重金属流出从而污染虾仁，因此对虾去头是对虾加工工序中最重要的环节之一。然而，目前国内外均采用人工方式进行对虾去头，手工去头劳动强度大、工作效率低、产品易受细菌污染，影响产品的鲜度和品质；同时，随着劳动力的紧张，劳动力成本将成为企业难以承受的成本支出。研制自动化对虾去头装备，为虾类生产企业提供实用、性能可靠的虾类去头设备[4]，对解决对虾去头的瓶颈问题、提升对虾加工产业的技术水平、增强水产品的国际竞争力、促进渔业可持续发展具有重大战略意义[5-6]。
目前，机械一刀切式去头方式应用比较普遍，然而对对虾的物理特性参数研究发现，即使同一级别的对虾其形态特征也不尽相同，虾头长度和虾体长度均不相同，从而导致机械一刀切式去头方式浪费虾肉比较严重或去头不彻底。采用弹性辊挤压式去头方式虽可利用对虾虾头与虾体之间连接部位薄弱的特性，可保留较多虾肉，但对对虾的定位精度要求较高，且实现结构较复杂，结构的间隙性运动导致效率较低、成本较高，不适于我国市场大量使用。针对上述问题，通过研究开展对虾去头试验的方法，为研制对虾去头自动化装备提供理论基础和技术依据。
1 对虾去头试验装置总体结构
1.1 整机结构
对虾去头是对虾加工过程中最重要的环节之一，对虾机械化加工工艺流程为捕捞、清洗、分级、去头、开背、脱壳、清洗。去头是其中的重点和难点，去头的质量和效果直接影响后续开背、脱壳工序中得到的虾仁质量[7]。
对虾去头试验台的结构见图1。该去头设备主要由机架、输送进给机构、去头机构组成。输送进给机构包括电机、链轮、链条、仿形“V”形槽等，链轮通过轴和轴承座安装在机架上，通过电机带动链轮转动，使链条带着“V”形槽向前匀速输送。去头机构主要包括电机、去头圆盘刀、止跳板，去头圆盘刀在电机的驱动下实现高转速旋转。试验过程中电机Ⅰ为JS-ZYT22型电机，额定功率为500 W；电机Ⅱ为57BLY12530F型电机，转速为0～3 000 r/min可调。
1.2 工作原理
进行对虾去头工作时，先将对虾进行定向，使定向后的对虾保持头朝前、腹朝上的统一姿态平躺于“V”形槽中，对虾头部伸出“V”形槽，头部的定位由以上对虾形体参数的统计结果和试验得到。去头圆盘刀的下刀位置在对虾头胸部连接薄弱的部位，即虾体平躺于“V”形槽中而虾头悬空在“V”形槽外。在链条的带动下，将“V”形槽中排序定向好的对虾输送到去头工位，在去头圆盘刀的高速旋转、输送机构的进给、止跳板的共同作用下完成对虾的去头工作[8-9]。
2 对虾参数统计分析
2.1 对虾的形态特征
对虾一般分为头胸部、腹部、尾肢三大部分（图2）。头胸部有最大厚度，腹部由6节构成，其中前5节较短，第6节较长，由前至后逐渐变细，最后1节尖细且具有一定弯曲度。通过对虾头部内部解剖发现，内部主要由循环系统、生殖系统、消化系统、呼吸系统、排泄系统、神经系统构成，而这些系统的连接力十分薄弱（图3）。经试验研究发现，对虾虾头和虾体连接处为对虾连接最薄弱的环节，而虾头和虾体连接最强的位置为对虾胸部附肢处，这为对虾去头的下刀位置提供了依据。
2.2 对虾物理参数统计与分析
分级后的对虾是按其厚度进行分级的[10]，然而即使分级后同一级别的对虾其形体特征也各不相同，因此有必要测量虾头长度，分析虾头长度是否在一定范围内，从而进一步确定对虾去头装置的定位尺寸。在购买的南美白对虾中选取体长为130～150 mm的对虾测量头长和体长，结果见表1。
利用SPSS软件对头长测量结果进行分析发现，对虾头长符合正态分布（图4）。进一步研究对虾全长和头长之间的相关性发现，对虾头长与全长的相关系数为0.972，呈正相关，在α=0.01的置信水平下极显著相关，表明头长与全长间存在一定数学关系。通过回归分析，利用数学模型建立起反映实际情况的数量关系，其表达式为：
y=23.430e0.005x ε（90
3 对虾去头机理分析
3.1 去头过程分析
经排序定向后，对虾在“V”形槽中通过链条带动使其到达去头工位。对虾去头过程分为2个阶段：第1阶段，对虾虾头与去头圆盘刀接触，并在对虾进给过程中初步切开小口；第2阶段，对虾在继续进给过程中，去头圆盘刀的2个侧面与对虾头部的接触面积越来越大，利用去头圆盘刀两侧与对虾头部产生的摩擦力，使虾头沿开口处将剩余连接处撕裂断开并将虾头甩飞，使虾头与虾体完全分离，而虾肉几乎无损失。 3.2 去头理论分析
在对虾去头第1阶段中，去头圆盘刀对对虾头部接触部位切开小口，此过程中去头圆盘刀刚与对虾头部接触，且对虾头部悬空，而虾体部分被仿形“V”形槽夹住匀速进给，使去头圆盘刀两侧的虾头和虾体速度不同，此时对虾头部受到剪切力。在第2阶段，由于去头圆盘刀已经进入对虾的头胸部中，圆盘刀两侧与对虾头胸部进刀处两侧均产生摩擦力，对虾截面的受力分析见图5。其中位置Ⅱ时刻对虾所受摩擦力为：
F摩擦力=A·τ=τ·[∫β αdθ∫φ3（θ）φ1（θ）f（rcosθ，rsinθ）rdr ∫γ βdθ∫φ2（θ）φ1（θ）f（rcosθ，rsinθ）rdr]。
式中：A为对虾与去头圆盘刀的实际接触面积；τ为接触界面之间的剪切应力；α为对虾截面与圆盘刀边缘接触的较低点与圆盘刀圆心之间的连线与竖直方向的夹角；β为对虾截面与圆盘刀边缘接触的较高点与圆盘刀圆心连线与竖直方向的夹角；γ为对虾截面顶端与圆盘刀圆心连线与竖直方向的夹角。
在第2阶段，高转速圆盘刀与对虾头胸部开口处两侧产生摩擦力，使对虾头胸部与高转速圆盘刀两侧接触的面瞬间产生高速。根据动量定理对虾头进行分析，虾头所受合外力冲量的增量等于虾头动量的增量，因此其瞬间产生很高的速度，使合力将虾头剩余连接部分甩飞，公式为：
F合Δt=mΔv。
式中：F合为虾头重力与虾头所受摩擦力的合力，Δt为时间变化量，m为虾头质量，Δv为虾头的速度变化量。
4 材料与方法
4.1 设备与原料
试验设备包括SP-200型图显推拉力计（温州山度仪器有限公司）、刀片、电子天平、游标卡尺。试验原料为鲜活南美白对虾，购自河北省保定市水产市场。抽取体长为 130～150 mm的对虾作为试验样品。
4.2 试验方法
圆盘刀转速最高可达到3 000 r/min，可通过电位器进行任意调节，并通过显示器显示转速值。为验证去头原理的可行性及去头圆盘刀转速对去头效果的影响，试验时对圆盘刀转速由0开始每隔100 r/min进行调节，并进行1组试验。试验时每组取10尾对虾，共30组，由5名试验人员对对虾去头效果进行感官质量评定，评分标准见表2。观察并统计各组转速下的去头成功率及去头效果。
4.3 结果与分析
4.3.1 圆盘刀转速对对虾去头质量的影响 对去头圆盘刀进行不同的转速试验，结果显示，当转速在2 000 r/min以上时，去头成功率高达100%。由对虾去头理论分析可知，去头圆盘刀的转速直接影响去头时对虾头产生的离心力，从而影响去头的效果和质量。试验结果表明，去头圆盘刀转速在 0～2 000 r/min范围内时，去头效果和质量随转速的提高具有明显提升；当转速大于2 000 r/min时，去头效果和质量趋于稳定，没有明显改变（图6）。
4.3.2 一刀切式对虾去头与高转速圆盘刀对虾去头比较试验 利用一刀切式对虾去头，对虾定位尺寸一定，而经过分级后的对虾其头长尺寸仍大小不一，实现同一级别对虾头尾彻底分离必须按虾头最大尺寸来定位，导致一刀切式对虾去头方法严重浪费虾肉[11]。采用高转速圆盘刀方法去虾头，高转速圆盘刀与对虾开口处两侧产生摩擦力，使虾头在头尾连接薄弱处断开，虾肉几乎不缺损（图7）。
5 结论
高转速圆盘刀式对虾去头解决了一刀切式对虾去头虾肉浪费严重、对辊挤压式对虾去头效率低的问题，为今后对虾去头装置的研制提供了新思路。高转速圆盘刀式对虾去头过程分为2个阶段，第1阶段虾头与去头圆盘刀接触，并使对虾在进给过程中初步切开小口；第2阶段，在对虾继续进给的过程中，去头圆盘刀两侧与对虾头部开口处两侧的接触面积越来越大，产生的摩擦力使对虾头部沿开口处与剩余连接处断开，并将虾头甩飞，从而使虾头与虾体完全分离，几乎不损失虾肉。对虾去头效果随去头圆盘刀转速的提高而变好，当转速超过2 000 r/min时去头效果趋于稳定，没有明显变化。为避免功率的浪费，选取去头圆盘刀的转速为2 000 r/min。
参考文献：
[1]李学英，迟 海，杨宪时，等. 南极磷虾冷藏过程中的品质变化[J]. 食品科学，2010，31（20）：464-468.
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[3]张秀花，赵庆龙，赵玉达，等. 对虾对辊挤压式剥壳工艺参数及预处理条件优化[J]. 农业工程学报，2014，30（14）：308-314.
[4]赵玉达，张秀花，王泽河，等. 对虾背腹定向装置试验[J]. 江苏农业科学，2014，42（2）：356-358.
[5]崔 禾. 纵观全球养殖对虾产业现状 分析我国对虾产业发展趋势（连载一）[J]. 中国水产，2006（4）：14-17.
[6]廖泽芳，宁 凌. 中国对虾产业分析[J]. 海洋开发与管理，2009，26（4）：31-35.
[7]易俊洁，丁国微，胡小松，等. 南美白对虾脱壳工艺比较及其对虾仁品质的影响[J]. 农业工程学报，2012，28（17）：287-292.
[8]陈庆余，沈 建，傅润泽，等. 典型海产小杂鱼机械去头方法研究[J]. 渔业现代化，2012，39（5）：38-42.
[9]李小强，王芬娥，郭维俊，等. 橄榄根茎切割力影响因素分析[J]. 农业工程学报，2013，29（10）：42-48.
[10]李影欣，崔保健，弋景刚，等. 双辊式对虾分级设备的试验与研究[J]. 食品与机械，2014，30（3）：94-97.
[11]王泽河，张泽明，张秀花，等. 对虾去头方法试驗与研究[J]. 现代食品科技，2015，31（2）：151-156.