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摘要：为解决对虾机械化脱壳过程中开背的难题，研制一种对辊式对虾开背装置。以环渤海的凡纳滨对虾为研究对象，以切口长度成功率、切口深度成功率和切口对称度成功率为衡量指标，在该装置上分别以不同的对辊直径、不同的对辊间隙、压紧毛刷轴和刀片轴的不同位错进行开背效果比较试验。试验结果表明，对辊直径100 mm，对辊间隙 7 mm，以毛刷轴和刀片轴在沿对辊倾斜方向上位错为-10 mm，开背效果达到最佳。该研究可以为对虾开背设备的研制提供参考。
关键词：对虾；对辊式；开背装置；切口；比较试验
中图分类号： S9852 1；TS2543文献标志码：
文章编号：1002-1302（2017）16-0211-03
收稿日期：2016-03-30
基金项目：国家公益性行业（海洋）科研专项（编号：201205031）；河北农业大学理工基金（编号：LG201501、LG20150103）；河北省高等学校科学技术研究项目（编号：ZD2016111）。
作者简介：王利光（1989—），男，硕士研究生，从事数控方面的研究。E-mail：wang20142090132@163com。
通信作者：张秀花，博士，副教授，主要从事机械设计与理论、农业机械技术装备的研究。
我国是世界上最大的对虾生产国和贸易国之一，但水产品加工远落后于发达国家，主要表现在加工技术、装备落后，深加工产品少等方面[1-2]。目前，国内对虾加工的流程主要分为：对虾清洗分级—定向排序—去头—开背—脱壳，其中各环节均有了一定的研究，可以查阅到相关的专利和文献，尤其脱壳环节，已经研制出了相关的设备[3-6]。对虾开背是机械化脱壳重要的前处理工序，开背的质量和效果直接影响脱壳后的虾仁品质。但是，目前国内机械式对虾开背发展不成熟，缺乏相应的开背装置，少量存在的对虾开背设备都存在着开背效率低、虾仁破损严重、设备成本高等缺点。针对国内对虾开背设备短缺的状况，本研究在对我国环渤海凡纳滨对虾生物特性测量的基础上，设计了一种对辊式对虾开背装置，并在该装置上进行了相关的开背试验。该试验研究可以为我国对虾开背设备的研制提供技术依据。
1总体结构及工作原理
对虾开背如图1所示，在去头后对虾弯曲的背部切出一条黑线所示的切口，切口作为对虾脱壳的薄弱环节，以有利于对虾的机械脱壳。由于对虾特有的体型特征：虾体呈长筒形，左右侧扁，分为头、胸部和腹部，腹部自前到后逐节变细，最后一节很细，末端甚尖，各体节均包有坚硬的甲壳，腹部重心位于第三节中间处且靠近背部[8-9]，且背部呈一定的弯曲曲率，使得在虾体的背部切出1条一定深度的切口很困难。对虾各体节的宽度和高度影响对辊直径和间隙的设定，现根据对虾生物特性的测量结果表1，设计了一种对辊式对虾开背装置，如图2所示。
由图2可见，对辊式对虾开背装置包括机架，机架上并排设置有5对定向辊组，每对辊组中的2只辊子间留有一定的间隙且相背转动。5对定向辊组的动力源由皮带处输入，每对辊组间和每对辊组的2只辊子间均由齿轮传动，可以满足每对辊组中的2只辊子相背转动，以完成对虾的背腹定向；辊组较高的一端设置有进料口，去头后的虾体以头朝下的姿态由进料口喂入；进入定向辊组的对虾沿辊组倾斜的方向向下滑动，虾体滑动至轴套位置，轴套在轴套驱动轮摩擦力的作用下往复转动，可以有效地防止虾体的堆叠，对虾逐次向下滑动，以更有利于虾体的背腹定向；经背腹定向的虾体以背朝下、腹朝上、头朝前的姿态向下滑动（图3）；滑动至开背工位（图4），主动毛刷压紧输送过来的虾体，相背传动的对辊保持虾体背腹定向的姿态，底部高速旋转的圆盘刀在对虾的背部切出1条切口；开背后的对虾接着沿辊组向下滑动，最后落入出料口进行收集。
2材料与方法
21材料
2016年3月，在河北省保定市水产市场采购60～70尾/kg 的速冻环渤海凡纳滨对虾，该虾体捕捞上岸经分级后速冻，虾体的品质有保证；剔除头胸部、腹部和尾部不完整的虾体，挑选虾仁饱满、肉质鲜嫩的虾体进行试验。试验前需对虾体进行解冻和去头预处理，经过预处理的对虾在对辊式对虾开背试验平台上进行开背试验。
22方法
221指标确定
切口长度：切口的长度越长，越有利于机械脱壳，但是由于对虾第5体节和第6体节的宽度已经开始变得很小，且背部开始变得很尖，不仅给开背带来更大的困难，还易使虾仁破碎不完整。综合考虑开背长度为5节或6节时，开背长度成功。
切口长度成功率：
[JZ]P1=[SX（]N1N4[SX）]×100%。
式中：P1表示切口长度成功率；N1表示切口长度为5节或6节对虾的个数；N4表示开背试验中对虾的总个数。
切口深度：切口深度至虾体背部虾线位置时，开背刀对虾仁主体部分的损伤最小[11]，但是由于对虾腹部自前到后逐节变细和弯曲的自然特性，且虾线的深度也是不一致的，很难保证切口深度正好至虾线位置。在对辊式对虾开背实验平台上开背的虾体切口的深度也是不一致，切口的深度越大，机械脱壳过程中虾仁损伤越严重。取切口深度最大的部位作为观察的对象，当切口深度小于该节虾体高度的1/2时，开背深度成功。
切口深度成功率：
P2=[SX（]N2N4[SX）]×100%。
式中：P2表示开背深度成功率；N2表示切口深度最大部位的深度小于该虾节高度1/2对虾的个数。
切口对称度：切口对背部中央的偏离程度越小，越有利于机械脱壳，且脱壳后虾仁的品质越高。综合考虑，当有5节或6节的切口在背部中央，切口对稱度成功。
切口对称度成功率：
P3=[SX（]N3N4[SX）]×100%。
式中：P3表示切口对称度成功率；N3表示有5节或6节切口在背部中央的对虾个数。 223试验设计
以切口长度、切口深度、切口对称度成功率作为衡量开背质量的主要指标，利用对辊式对虾开背试验平台，每组取30尾对虾，以不同的对辊直径进行开背质量的比较试验；以不同的对辊间隙进行开背质量的比较试验；以毛刷轴和刀片轴在沿对辊倾斜方向上的不同位错进行开背质量比较试验。
3结果与分析
31不同的对辊直径对开背效果的影响
根据预备试验的结果[11-12]，刀片转速为1 200 r/min，对辊倾斜角度为30°，对辊转速为30 r/min，对辊间隙7 mm，毛刷轴和刀片轴在沿对辊倾斜方向上的位错为0 mm，以不同的对辊直径进行开背效果的比较试验。
试验结果由表2表明，随着对辊直径的增大，切口长度成功率和切口对称度成功率逐渐提高，切口深度成功率没有明显变化，因为对辊间隙一定时，随着对辊直径的增大，对虾在2对辊形成的“V”形夹持空间中重心的位置相对降得更低，与对辊的接触面积更大，此时对辊可以起到更好的夹持和定位作用，所以切口的长度成功率和切口对称度成功率提高；间隙一定时，虾体在毛刷的压紧力作用下，在对辊间隙中下降的高度是一样的，所以切口深度不随对辊直径变化而变化，切口深度成功率无显著差异。当对辊的直径变大时，刀片的直径也变大，刀片的直径越大，越不利于高速稳定性。综合考虑对辊直径100 mm最适，此时切口长度成功率可以达到933%，切口对称度成功率可以达到900%。
32不同的对辊间隙对开背效果的影响
刀片转速1 200 r/min，对辊倾斜角度30°，对辊转速 30 r/min，对辊直径100 mm，毛刷轴和刀片轴在沿对辊倾斜方向上的位错为0 mm，以不同的对辊间隙进行开背效果的比较试验。由表3可见，随着对辊间隙的增大，切口长度成功率和切口对称度成功率先增高后降低，因为随着对辊间隙的增大，虾体在两对辊的间隙中下降越多，夹持的稳定性提高，但是定位的准确性有所降低，尤其宽度和高度较小的尾节部位，导致切口长度成功率和切口对称度成功率先增高后降低；切口深度成功率随着对辊间隙的变大而降低，因为对辊间隙越大，宽度和高度较小的尾节在毛刷的压紧力作用下下降得越多，导致尾节的切口越深；综合考虑，对辊间隙7 mm最适，此时的切口长度、切口深度和切口对称度成功率均可达到90%以上。
33毛刷轴和刀片轴不同位错的开背效果比较试验
刀片转速1 200 r/min，对辊倾斜角度30°，对辊转速 30 r/min，对辊直径100 mm，对辊间隙7 mm，以毛刷轴和刀片轴在沿对辊倾斜方向上的不同位错进行开背效果的比较试验。
试验结果（表4）表明，切口长度成功率和切口对称度成功率随着毛刷轴和刀片轴位错的变化并没有明显变化，因为切口长度和切口对称度的变化取决于对辊夹持的稳定性和定位的准确性，位错的变化并没有影响这2个因素；切口深度成功率随着毛刷轴相对于刀片轴沿着对辊倾斜方向的位错由负到正的变化而降低，当位错为负时，进入开背工位的虾体，先压紧再接触开背圆盘刀，宽度和高度较小的尾节接触刀片时，压紧力减小，切口深度减小。当位错为正时，尾节在接触和离开刀片的全程都受到毛刷压紧力的作用，所以导致尾节部位的切口较深。综合考虑各项指标，毛刷轴相对于刀片轴的位错为 -10 mm 时（图5中B点）最适，即在开背的过程中，对虾先受到压紧毛刷的作用，后接触到高速圆盘刀，此时开背效果达到最佳（图6）。
4结论
（1）在对辊式对虾开背装置上，通过比较试验确定了使开[CM（25]背效果最佳的工艺参数：对辊直径100[KG3]mm，对辊间隙7 mm，在沿对辊倾斜方向上毛刷轴相对于刀片轴的位错为 -10 mm。
（2）在该开背装置上，相背转动的对辊起到稳定夹持和准确定位的作用，虾体与对辊间的摩擦力起到至关重要的作用，在以后的研究中应对不同材料的对辊进行试验，以便确定最优的对辊材料。
参考文献：
陈文汉，Ning L 中国对虾产业现状及相关研究综述[J] 渔业经济研究，2008（2）：21-27
贾公树 我国水产品加工与装备综述[J] 渔业现代化，2002（2）：12-14
[3]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（3）：94-97
[4]王泽河，张丽丽，张秀花，等 双辊式对虾粗定向方法的试验与研究[J] 食品与机械，2013（6）：99-101
[5]赵庆龙，张秀花，韩翠，等 一种对虾开背去头装置：CN2013207606583[P] 2014-05-07
[6]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
[7]Sawyer D，Mills C Shrimp-cutting machine for cutting intermediate joints： US8079896 [P] 2011-12-20[HJ2mm]
[8]赵庆龙，张秀花，王泽河，等 基于对虾体型特征的定向排序装置设计[J] 江苏农业科学，2015，43（8）：394-396
[9]张秀花，王泽河，杨淑华，等 一种对虾头尾与背腹定向装置的设计与试验[J] 河北农业大学学报，2016，39（1）：131-135
[10]王泽河，张秀花，张丽丽，等 对辊上料对虾开背装置的设计与试验[J] 食品与机械，2015（3）：108-110，139
[11]赵玉达，张秀花，王泽河，等 对虾背腹定向裝置试验[J] 江苏农业科学，2014，42（2）：356-358
[12]陈庆余，沈建，欧阳杰，等 典型海产小杂鱼机械去脏试验[J] 农业工程学报，2013，29（20）：278-285
关键词：对虾；对辊式；开背装置；切口；比较试验
中图分类号： S9852 1；TS2543文献标志码：
文章编号：1002-1302（2017）16-0211-03
收稿日期：2016-03-30
基金项目：国家公益性行业（海洋）科研专项（编号：201205031）；河北农业大学理工基金（编号：LG201501、LG20150103）；河北省高等学校科学技术研究项目（编号：ZD2016111）。
作者简介：王利光（1989—），男，硕士研究生，从事数控方面的研究。E-mail：wang20142090132@163com。
通信作者：张秀花，博士，副教授，主要从事机械设计与理论、农业机械技术装备的研究。
我国是世界上最大的对虾生产国和贸易国之一，但水产品加工远落后于发达国家，主要表现在加工技术、装备落后，深加工产品少等方面[1-2]。目前，国内对虾加工的流程主要分为：对虾清洗分级—定向排序—去头—开背—脱壳，其中各环节均有了一定的研究，可以查阅到相关的专利和文献，尤其脱壳环节，已经研制出了相关的设备[3-6]。对虾开背是机械化脱壳重要的前处理工序，开背的质量和效果直接影响脱壳后的虾仁品质。但是，目前国内机械式对虾开背发展不成熟，缺乏相应的开背装置，少量存在的对虾开背设备都存在着开背效率低、虾仁破损严重、设备成本高等缺点。针对国内对虾开背设备短缺的状况，本研究在对我国环渤海凡纳滨对虾生物特性测量的基础上，设计了一种对辊式对虾开背装置，并在该装置上进行了相关的开背试验。该试验研究可以为我国对虾开背设备的研制提供技术依据。
1总体结构及工作原理
对虾开背如图1所示，在去头后对虾弯曲的背部切出一条黑线所示的切口，切口作为对虾脱壳的薄弱环节，以有利于对虾的机械脱壳。由于对虾特有的体型特征：虾体呈长筒形，左右侧扁，分为头、胸部和腹部，腹部自前到后逐节变细，最后一节很细，末端甚尖，各体节均包有坚硬的甲壳，腹部重心位于第三节中间处且靠近背部[8-9]，且背部呈一定的弯曲曲率，使得在虾体的背部切出1条一定深度的切口很困难。对虾各体节的宽度和高度影响对辊直径和间隙的设定，现根据对虾生物特性的测量结果表1，设计了一种对辊式对虾开背装置，如图2所示。
由图2可见，对辊式对虾开背装置包括机架，机架上并排设置有5对定向辊组，每对辊组中的2只辊子间留有一定的间隙且相背转动。5对定向辊组的动力源由皮带处输入，每对辊组间和每对辊组的2只辊子间均由齿轮传动，可以满足每对辊组中的2只辊子相背转动，以完成对虾的背腹定向；辊组较高的一端设置有进料口，去头后的虾体以头朝下的姿态由进料口喂入；进入定向辊组的对虾沿辊组倾斜的方向向下滑动，虾体滑动至轴套位置，轴套在轴套驱动轮摩擦力的作用下往复转动，可以有效地防止虾体的堆叠，对虾逐次向下滑动，以更有利于虾体的背腹定向；经背腹定向的虾体以背朝下、腹朝上、头朝前的姿态向下滑动（图3）；滑动至开背工位（图4），主动毛刷压紧输送过来的虾体，相背传动的对辊保持虾体背腹定向的姿态，底部高速旋转的圆盘刀在对虾的背部切出1条切口；开背后的对虾接着沿辊组向下滑动，最后落入出料口进行收集。
2材料与方法
21材料
2016年3月，在河北省保定市水产市场采购60～70尾/kg 的速冻环渤海凡纳滨对虾，该虾体捕捞上岸经分级后速冻，虾体的品质有保证；剔除头胸部、腹部和尾部不完整的虾体，挑选虾仁饱满、肉质鲜嫩的虾体进行试验。试验前需对虾体进行解冻和去头预处理，经过预处理的对虾在对辊式对虾开背试验平台上进行开背试验。
22方法
221指标确定
切口长度：切口的长度越长，越有利于机械脱壳，但是由于对虾第5体节和第6体节的宽度已经开始变得很小，且背部开始变得很尖，不仅给开背带来更大的困难，还易使虾仁破碎不完整。综合考虑开背长度为5节或6节时，开背长度成功。
切口长度成功率：
[JZ]P1=[SX（]N1N4[SX）]×100%。
式中：P1表示切口长度成功率；N1表示切口长度为5节或6节对虾的个数；N4表示开背试验中对虾的总个数。
切口深度：切口深度至虾体背部虾线位置时，开背刀对虾仁主体部分的损伤最小[11]，但是由于对虾腹部自前到后逐节变细和弯曲的自然特性，且虾线的深度也是不一致的，很难保证切口深度正好至虾线位置。在对辊式对虾开背实验平台上开背的虾体切口的深度也是不一致，切口的深度越大，机械脱壳过程中虾仁损伤越严重。取切口深度最大的部位作为观察的对象，当切口深度小于该节虾体高度的1/2时，开背深度成功。
切口深度成功率：
P2=[SX（]N2N4[SX）]×100%。
式中：P2表示开背深度成功率；N2表示切口深度最大部位的深度小于该虾节高度1/2对虾的个数。
切口对称度：切口对背部中央的偏离程度越小，越有利于机械脱壳，且脱壳后虾仁的品质越高。综合考虑，当有5节或6节的切口在背部中央，切口对稱度成功。
切口对称度成功率：
P3=[SX（]N3N4[SX）]×100%。
式中：P3表示切口对称度成功率；N3表示有5节或6节切口在背部中央的对虾个数。 223试验设计
以切口长度、切口深度、切口对称度成功率作为衡量开背质量的主要指标，利用对辊式对虾开背试验平台，每组取30尾对虾，以不同的对辊直径进行开背质量的比较试验；以不同的对辊间隙进行开背质量的比较试验；以毛刷轴和刀片轴在沿对辊倾斜方向上的不同位错进行开背质量比较试验。
3结果与分析
31不同的对辊直径对开背效果的影响
根据预备试验的结果[11-12]，刀片转速为1 200 r/min，对辊倾斜角度为30°，对辊转速为30 r/min，对辊间隙7 mm，毛刷轴和刀片轴在沿对辊倾斜方向上的位错为0 mm，以不同的对辊直径进行开背效果的比较试验。
试验结果由表2表明，随着对辊直径的增大，切口长度成功率和切口对称度成功率逐渐提高，切口深度成功率没有明显变化，因为对辊间隙一定时，随着对辊直径的增大，对虾在2对辊形成的“V”形夹持空间中重心的位置相对降得更低，与对辊的接触面积更大，此时对辊可以起到更好的夹持和定位作用，所以切口的长度成功率和切口对称度成功率提高；间隙一定时，虾体在毛刷的压紧力作用下，在对辊间隙中下降的高度是一样的，所以切口深度不随对辊直径变化而变化，切口深度成功率无显著差异。当对辊的直径变大时，刀片的直径也变大，刀片的直径越大，越不利于高速稳定性。综合考虑对辊直径100 mm最适，此时切口长度成功率可以达到933%，切口对称度成功率可以达到900%。
32不同的对辊间隙对开背效果的影响
刀片转速1 200 r/min，对辊倾斜角度30°，对辊转速 30 r/min，对辊直径100 mm，毛刷轴和刀片轴在沿对辊倾斜方向上的位错为0 mm，以不同的对辊间隙进行开背效果的比较试验。由表3可见，随着对辊间隙的增大，切口长度成功率和切口对称度成功率先增高后降低，因为随着对辊间隙的增大，虾体在两对辊的间隙中下降越多，夹持的稳定性提高，但是定位的准确性有所降低，尤其宽度和高度较小的尾节部位，导致切口长度成功率和切口对称度成功率先增高后降低；切口深度成功率随着对辊间隙的变大而降低，因为对辊间隙越大，宽度和高度较小的尾节在毛刷的压紧力作用下下降得越多，导致尾节的切口越深；综合考虑，对辊间隙7 mm最适，此时的切口长度、切口深度和切口对称度成功率均可达到90%以上。
33毛刷轴和刀片轴不同位错的开背效果比较试验
刀片转速1 200 r/min，对辊倾斜角度30°，对辊转速 30 r/min，对辊直径100 mm，对辊间隙7 mm，以毛刷轴和刀片轴在沿对辊倾斜方向上的不同位错进行开背效果的比较试验。
试验结果（表4）表明，切口长度成功率和切口对称度成功率随着毛刷轴和刀片轴位错的变化并没有明显变化，因为切口长度和切口对称度的变化取决于对辊夹持的稳定性和定位的准确性，位错的变化并没有影响这2个因素；切口深度成功率随着毛刷轴相对于刀片轴沿着对辊倾斜方向的位错由负到正的变化而降低，当位错为负时，进入开背工位的虾体，先压紧再接触开背圆盘刀，宽度和高度较小的尾节接触刀片时，压紧力减小，切口深度减小。当位错为正时，尾节在接触和离开刀片的全程都受到毛刷压紧力的作用，所以导致尾节部位的切口较深。综合考虑各项指标，毛刷轴相对于刀片轴的位错为 -10 mm 时（图5中B点）最适，即在开背的过程中，对虾先受到压紧毛刷的作用，后接触到高速圆盘刀，此时开背效果达到最佳（图6）。
4结论
（1）在对辊式对虾开背装置上，通过比较试验确定了使开[CM（25]背效果最佳的工艺参数：对辊直径100[KG3]mm，对辊间隙7 mm，在沿对辊倾斜方向上毛刷轴相对于刀片轴的位错为 -10 mm。
（2）在该开背装置上，相背转动的对辊起到稳定夹持和准确定位的作用，虾体与对辊间的摩擦力起到至关重要的作用，在以后的研究中应对不同材料的对辊进行试验，以便确定最优的对辊材料。
参考文献：
陈文汉，Ning L 中国对虾产业现状及相关研究综述[J] 渔业经济研究，2008（2）：21-27
贾公树 我国水产品加工与装备综述[J] 渔业现代化，2002（2）：12-14
[3]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（3）：94-97
[4]王泽河，张丽丽，张秀花，等 双辊式对虾粗定向方法的试验与研究[J] 食品与机械，2013（6）：99-101
[5]赵庆龙，张秀花，韩翠，等 一种对虾开背去头装置：CN2013207606583[P] 2014-05-07
[6]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
[7]Sawyer D，Mills C Shrimp-cutting machine for cutting intermediate joints： US8079896 [P] 2011-12-20[HJ2mm]
[8]赵庆龙，张秀花，王泽河，等 基于对虾体型特征的定向排序装置设计[J] 江苏农业科学，2015，43（8）：394-396
[9]张秀花，王泽河，杨淑华，等 一种对虾头尾与背腹定向装置的设计与试验[J] 河北农业大学学报，2016，39（1）：131-135
[10]王泽河，张秀花，张丽丽，等 对辊上料对虾开背装置的设计与试验[J] 食品与机械，2015（3）：108-110，139
[11]赵玉达，张秀花，王泽河，等 对虾背腹定向裝置试验[J] 江苏农业科学，2014，42（2）：356-358
[12]陈庆余，沈建，欧阳杰，等 典型海产小杂鱼机械去脏试验[J] 农业工程学报，2013，29（20）：278-285