一种连续式对虾剥壳装置的设计与试验研究

张泽明 王泽河 张秀花 王 伟 杨淑华

（河北农业大学机电工程学院，河北 保定 071001）

中国对虾（fleshy prawn），又称东方对虾，拉丁学名为Penaeus chinensis或Penaeus orientalis Kishinouye，隶 属 节肢动物门，甲壳纲，十足目，对虾科，对虾属。对虾属个体大，通称大虾。与墨西哥棕虾、圭亚那白虾并称为“世界三大名虾”。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。对虾营养丰富，且肉质松软、易消化、蛋白质含量高、脂肪含量低，并富含多种矿物质，深受人们的喜爱，随着生活水平的提高，中国对对虾的需求量也逐年上升。对虾副产品如虾头、虾壳等含有丰富的蛋白质、类胡萝卜素、碳水化合物和纤维素等营养成分［1］。

对虾剥壳是对虾加工过程中最重要的环节之一，目前，中国仍以手工剥壳为主。研制自动化虾剥壳装备，为虾类生产企业提供实用的、性能可靠的虾类剥壳设备，对解决虾剥壳的瓶颈问题，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［2］。美国Jonsson公司设计的虾剥壳机需人工把去头虾体整齐定向地排放到一系列的托盘中，之后虾体自动进行校正、压平、夹紧、开背和剥壳，自动化程度高，但剥壳过程不连续，剥壳效率比较低；美国Prawnto公司的虾加工设备主要用于虾的开背工作，需要人工对去头虾定向上料，不利于对虾的批量化加工。对于虾去头方面的研究国外未见报道。王泽河等［3，4］曾对对虾定向、排序去头、开背以及剥壳工艺进行了深入的研究，确定了对虾加工的工艺流程，并进行了对虾定向和开背方面的试验研究，初步确定了对虾定向、开背的方案。本研究采用辊组往复正反转的形式实现对虾剥壳，旨在解决对虾剥壳不连续，剥壳效率低的问题，为最终对虾加工自动化设备的研制提供依据。

1 整体结构与辊组布置方案

1.1 整体结构设计

对虾剥壳装置如图1所示，主要由虾仁收集箱、剥壳辊组、喷淋装置、喷淋装置支架、上料箱、步进电机、辊组传动箱和机架组成。对虾经去头、开背处理后送入上料箱，之后由步进电机驱动剥壳辊组往复正反旋转，对虾沿辊组往下滑动的同时将虾壳剥离，虾仁落入虾仁收集箱中；喷淋装置一方面有利于对虾往下滑动，另一方面有利于辊组的清洁；同时辊子与辊子之间的传动由辊组传动装置实现。

图1 对虾剥壳装置整体结构示意图Figure 1 The schematic diagram of whole structure for the shrimp peeling device

1.2 辊组布置方案

前期试验［5，6］得到当对辊直径较大（Φ100mm/Φ80mm）时，对辊啮角较小，两辊之间区域等同于V型槽，两辊在对挤过程中虾体始终处于进给挤压状态；转动角度过大，虾肉被挤烂；转动角度太小，虾体尾节处，虾肉与虾皮出现粘连，增大了后续虾皮、虾肉分离的难度。而且对于同一分级级别的虾体，虾的几何形状，外形尺寸又有所区别，旋转角度确定后，会导致有的虾体尾节处被挤烂，虾肉损失严重；有的虾体尾节处，虾肉与虾皮出现粘连。同时上料前需对虾体定向排序，不利于对虾剥壳过程的连续进行；当对辊直径较小（Φ15 mm/Φ10mm）时，对辊啮角较大，无法夹持虾腿，导致剥壳失败；同时当辊径不变时，对辊摩擦系数越大，对辊啮角越小，虾仁损失越严重，对虾剥壳越容易；当对虾厚度越大，对辊啮角越大，对虾剥壳越难，虾仁损失越小。

总之，随着对辊啮角变小，剥壳越容易，但虾仁损失也越严重。为了能顺利将对虾剥壳同时又不造成虾仁损失，必须对辊径组合以及辊子的布置形式加以优化，以实现连续对虾剥壳。

根据式（1）可得，为了得到尽可能大的啮角，辊径组合应有两种方案，方案一如图2所示，大辊与小辊直径相差较大且之间无间隙，对辊啮角如图3所示，为了便于小辊的布置，辊组布置采用此种布置形式；方案二如图4所示，大辊小辊直径都较小，但两辊之间有间隙，以保证合适的啮角，对辊啮角如图5所示。辊组旋转时保持连续的正转反转，辊组的旋转方向见图2、4，为了保证虾皮能从两辊之间落下要求正转角度大于反转角度。

式中：

α——对辊啮角，°；

D——大辊直径，mm；

d——小辊直径，mm；

K——对辊的摩擦系数；

l——对虾厚度参数；

ξ——对辊间隙（方案一中ξ＝0），mm。

2 材料与方法

2.1 材料

本试验所用的原料为盛产于沧州黄骅地区秋季捕捞的形态完整、发育正常、不同级别的南美白对虾，用冰水混合物处理24h。对虾的分级级别为42～50，52～60，62～70，72～80，82～100只/kg［7，8］。

图2 方案一辊组布置形式Figure 2 The roller group’s layout of the first scheme

图3 方案一对辊啮角Figure 3 The roller’s nip angle of the first scheme

图4 方案二辊组布置形式Figure 4 The roller group’s layout of the second scheme

图5 方案二对辊啮角Figure 5 The roller’s nip angle of the second scheme

2.2 仪器与设备

对虾剥壳试验设备由河北农业大学“海洋公益性行业科研专项”课题组研制，辊径组合25mm/20mm，间隙0.5mm，辊组表面经辊花处理，游标卡尺，钢直尺，电子天平秤，西门子S7－200CPU为224XP的PLC，时代超群公司生产的型号为ZD－6560－V3的步进电机驱动器和型号为57BYGH652－03的步进电机。

图6 对虾剥壳装置示意图Figure 6 The schematic diagram of the peeling device for shrimp

2.3 试验设计

剥壳前将对虾去头开背，开背长度6节，并称得其质量，连续旋转5个循环，记录剥壳成功时所旋转的圈数并再次称得虾皮与虾肉的质量和，虾仁损失率通过式（2）算得。剥壳效果通过表1的感官评分评定。剥壳效果感官评分为虾皮与虾肉粘连程度感官评分与剥壳成功时的旋转圈数感官评分的平均值。虾皮与虾肉粘连程度感官评分代表着剥壳成功率，剥壳成功时的旋转圈数感官评分代表着剥壳的难易程度。

表1 对虾剥壳效果评定Table 1 The standard of sensory evaluation for shrimp’s peeling

式中：

P——虾仁损失率，%；

Ms——剥壳完成后虾皮与虾仁的质量和，g；

M0——剥壳前去头开背对虾的质量，g。

为保证虾皮能从两辊之间的间隙掉下，设定正转角度比反转角度多36°。将选取的对虾分别以对虾厚度、旋转速度、旋转角度3个参数为影响因子逐一进行单因素试验，观察各指标的变化趋势。

（1）对虾厚度试验：辊径组合25mm/20mm，间隙0.5mm，旋转速度30r/min，旋转角度为正转360°反转324°，采用不同分级级别的对虾依次为42～50，52～60，62～70，72～80，82～100只/kg对应不同的对虾厚度。

（2）旋转速度试验：对虾分级级别82～100只/kg，辊径组合25mm/20mm，对辊间隙0.5mm，旋转角度为正转360°反转324°，旋转速度依次选为15，30，45，60r/min，取对虾10只/组，共4组。

（3）旋转角度试验：对虾分级级别82～100只/kg，辊径组合25mm/20mm，对辊间隙0.5mm，旋转速度30r/min，正反转角度依次为90°/54°，180°/144°，270°/234°，360°/324°，450°/414°，取对虾10只/组，共5组。

3 结果与分析

3.1 对虾厚度单因素试验结果与分析

对虾厚度单因素试验结果见表2。试验表明随着对虾厚度的减小，虾仁损失率逐渐增加，而代表剥壳成功率和剥壳难易程度的感官评分逐渐增大。因此选择对虾分级级别为82～100只/kg，充分保证剥壳成功率。

3.2 旋转速度单因素试验结果与分析

辊组旋转速度单因素试验结果见表3。试验表明随着旋转速度的增大，虾仁损失率和感官评分都是先逐渐降低后又有所增长，因此确定最佳转速为45r/min。

表2 对虾厚度单因素试验结果Table 2 The single factor test results of shrimp’s thickness

表3 旋转速度单因素试验结果Table 3 The single factor test results of rotating speed

3.3 旋转角度单因素试验结果与分析

辊组旋转角度单因素试验结果见表4。试验表明随着旋转角度的增大，虾仁损失率也随之增大；旋转角度太小，虾肉与虾皮粘连严重，剥壳失败。因此确定旋转角度270°/234°，使对虾剥壳成功的前提下，虾仁损失率最低。

表4 旋转角度单因素试验结果Table 4 The single factor test results of rotating angle

4 结论

（1）连续式对虾剥壳方案，避免了对虾剥壳前需定向、排序的难题，为今后对虾剥壳装置的研制提供了新的思路。

（2）通过前期大量试验得到了辊式对虾剥壳的理论公式。试验表明对于同一分级级别的对虾，对辊啮角越小虾肉损失越严重；对辊啮角太大，对虾剥壳难度加大；对于不同厚度的对虾，当辊径组合和对辊间隙一定时，其对应不同的啮角，啮角不同直接影响剥壳的效果。

（3）试验表明随着对虾厚度的减小，虾仁损失率逐渐增加，而代表剥壳成功率和剥壳难易程度的感官评分逐渐增大，因此选择对虾分级级别为82～100只/kg，充分保证剥壳成功率；随着旋转速度的增大，虾仁损失率和感官评分都是先逐渐降低后又有所增长，因此确定最佳转速为45r/min；随着旋转角度的增大，虾仁损失率也随之增大，旋转角度太小，虾肉与虾皮粘连严重，剥壳失败，因此确定旋转角度270°/234°，使对虾剥壳成功的前提下，虾仁损失率最低。将经去头开背分级级别82～100只/kg的对虾送入辊径组合25mm/20mm，对辊间隙0.5mm，旋转角度270°/234°，旋转速度45r/min的辊组，得到虾仁损失率为2.6%，感官评分4.9分。

1 郭南麟，陈雪忠，陈思行，等.发展我国南极磷虾渔业的探讨［J］.海洋渔业，1996，18（2）：58～66.

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 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，2013，29（6）：99～101.

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5 郑晓伟，沈建，蔡淑君，等.南极磷虾等径滚轴挤压剥壳工艺优化［J］.农业工程学报，2013，29（增刊1）：286～293.

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 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.

8 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.