辊轴式虾剥壳机开发设计与试验

2021-03-14马道宽张汉月张林泉叶开愚

现代农业装备 2021年1期

马道宽，龚丽，张汉月，刘军，张林泉，叶开愚

（1.广东省现代农业装备研究所，广东广州 510630；2.广东弘科农业机械研究开发有限公司，广东广州 510555，3.国家农产品加工技术装备研发分中心，广东广州 510630）

0 引言

中国作为水产大国，水产品加工远落后于发达国家，主要表现在水产品加工的技术装备落后和深加工产品少等方面。剥壳是虾加工过程中最重要的环节之一，目前国内以手工剥壳为主。手工剥壳易使产品受细菌污染，严重影响产品鲜度和品质；近来受国际性疫情的影响，市场对产品品质的要求越来越高，且随着劳动成本逐渐上涨，大多数企业难以承受日益增长的人工成本和品质提升支出成本[1-3]。

针对我国虾剥壳技术装备落后和国外机械设备不能适应在国内大量使用的状况，国内的研究机构做了大量的研究，目前国内市场比较成熟的虾剥壳设备为转盘式虾剥壳机，其可以生产蝴蝶虾、凤尾虾、虾仁等，但其剥壳产能为60～100 kg/h，对虾的大小有一定的要求，且需要人工摆料，对工业化生产有很大制约[4]。辊轴式虾剥壳机在剥壳过程具有人工需求少、产能大等优点，成为国内虾剥壳设备研究的热点。

本文研发的辊轴式虾剥壳关键技术装备，为虾类生产企业提供了实用、性能可靠、高效的虾类剥壳设备，从而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，促进相关产业可持续发展[5-9]。

1 辊轴式虾剥壳整机设计和工艺

1.1 辊轴式虾剥壳机结构

辊轴式虾剥壳机主要由动力机构、控制电箱、机架、揉搓挤压剥壳机构、碾压机构、虾壳集料盘、虾仁接料槽组成，整机结构如图1 所示，基本参数见表1。

1.2 虾剥壳机的工艺要求

虾为冰冻南美白对虾，冰冻保存1 个月以上，用水解冻，解冻后保存在0 ℃的冰水中，人工将虾头部去除，去头虾在浓度为1.7%、温度为0 ℃冰盐水中浸泡1 h，再进行剥壳。虾剥壳机剥壳工序流程:上料—揉搓—壳肉分离—虾仁出料[10]。

2 关键机构设计

2.1 碾压机构设计

图1 辊轴式虾剥壳机结构图Fig.1 Structure drawing of shrimp shelling machine

表1 辊轴式虾剥壳机主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of shrimp shelling machine

在剥壳之前，去头虾首先要经过碾压揉搓，使虾肉与虾壳分离，碾压揉搓的程度决定了虾的剥壳率和虾仁的完整性。

碾压机构如图2 所示，由若干碾压触脚、高度调节机构、凸轮机构、喷淋管、弹簧压架、碾压框架等组成[10]。碾压触脚在凸轮机构的带动下上下运动，揉搓下方经过的去头虾；高度调节机构调节整个碾压机构的高度，进而调节碾压的力度。

图2 碾压机构结构图Fig.2 Structure drawing of rolling mechanism

2.1.1 碾压触脚设计

考虑到在剥壳过程中不同批次虾的厚度不同，碾压触脚采用柔性可调结构，如图3 所示，碾压触脚由碾压挺杆、压缩弹簧、挡圈、卡簧等组成。在碾压揉搓虾体的过程中，碾压挺杆压在虾体上，挺杆通过挡圈顶起弹簧使其柔性碾压揉搓去头虾体，其碾压力为

式中 F0为初始预压力，N；K为弹簧弹性系数，N/mm；s为弹簧压缩量，mm。

压缩弹簧的初始预紧力可以通过调节调整螺栓调节初始预紧力F0的大小，本文试验时的虾剥壳机压缩弹簧初始预压力F0为5 N，弹簧弹性系数k为0.6 N/mm。

图3 碾压机构示意图Fig.3 Diagram of rolling mechanism

碾压挺杆主要由杆部、凹槽、限位部、头部组成，如图4 所示，凹槽用于安装卡簧，限位部起到限制碾压挺杆在工作过程中转动的作用，头部为了使在碾压过程中虾体受力均匀，采用食品级塑料材质仿形结构。

图4 碾压挺杆示意图Fig.4 Schematic diagram of rolling tappet

2.1.2 高度调整机构设计

图5 高度调节机构设计图Fig.5 Design drawings of height adjustment mechanism

高度调节机构由摇动把手、连接杆、螺杆、蜗杆机构等组成，如图5 所示。摇动把手摇动蜗杆转动带动蜗轮转动，蜗轮带有螺纹，转动时沿螺杆上下移动，带动整个碾压机构上下移动；4 个蜗杆都由连接杆连接，并且连接杆由伞齿轮联动，使其调节高度具有同步性，蜗杆传动转动转数与揉搓机构提升高度的关系为

式中 Δh为揉搓机构提升高度，mm；p为螺杆螺距，mm；z1为蜗杆头数；z2为涡轮齿数。

本试验样机采用的螺距为3 mm，螺杆头数为3，涡轮齿数为27。

2.1.3 凸轮机构设计

凸轮机构由凸轮、螺杆、驱动连杆组成，如图6 所示；凸轮为偏心圆，由塑料套、轴承、轴承盖等组成，如图7 所示，避免了传统凸轮结构，顶杆顶端或者从动轮磨损严重的问题；螺杆为凸轮结构的顶杆。凸轮机构最大压力角α为

图6 凸轮机构示意图Fig.6 Schematic diagram of cam mechanism

式中 D为偏心距，mm；Rt为凸轮半径，mm。

为了使顶杆无干涉，则塑料套与顶杆的摆动角β≥α。本辊轴式虾剥壳机为Rt为60 mm，D为10 mm，α=9.6°，β=12°。

2.2 揉搓挤压剥壳机构设计

揉搓挤压剥壳机构由揉搓辊轴、挤压剥壳辊轴两部分组成，如图8 所示。揉搓辊轴部分仅揉搓去头虾，减少虾壳与虾肉之间粘连；挤压剥壳部分将去头虾的虾壳扯拽下，达到剥壳的目的。其中揉搓辊轴、挤压剥壳辊轴的辊轴Ⅰ为同一辊轴。

图8 揉搓挤压剥壳机构结构图Fig.8 Structure diagram of shelling mechanism

2.2.1 揉搓辊轴部分

揉搓辊轴部分为五辊轴机构[11]，如图9 所示，辊轴Ⅰ、Ⅱ同向摆动，并平行放置，辊轴Ⅲ塞在辊轴Ⅰ、Ⅱ形成的V 形槽中，辊轴Ⅲ封住辊轴Ⅰ和辊轴Ⅱ产生的间隙，避免了碾压挺杆没有完全揉搓好冰冻虾就拉扯虾壳。辊轴Ⅱ在弹簧拉力作用下虾紧紧的贴在上下两辊轴上，辊轴Ⅲ内部为销子套环结构，销子为耐磨材料[12]。辊轴Ⅰ、Ⅱ材料采用不锈钢芯部、外部尼龙包胶，增加辊轴的摩擦力，辊轴Ⅰ直径为90 mm，辊轴Ⅱ直径为70 mm。

2.2.2 挤压剥壳辊轴部分

图9 揉搓辊轴部分剖面图Fig.9 Section of kneading roller shaft

图10 挤压剥壳部分刨面图Fig.10 Section of extrusion stripping

挤压剥壳辊轴部分为三辊轴机构形成V 型槽，如图10 所示，辊轴Ⅰ、Ⅳ平行放置，且直径相同；辊轴Ⅰ在上部，且仅固定一端，另一端悬空，辊轴Ⅳ在下部，两端固定，两辊轴形成一个V 字形的槽，并由辊轴Ⅰ带动辊轴Ⅳ周期性相向转动；当剥壳时，辊轴Ⅰ在挤压虾壳产生的反作用力作用下，产生挠度变形，产生合适的间隙，使虾皮顺利通过，虾肉留在辊轴上，实现虾肉的剥离，避免了间隙的过大或者过小影响剥虾率；辊轴周期性往复转动避免了辊轴持续拉扯虾壳损伤虾肉。为了使虾能够完全剥出虾壳，则

式中 RG为挤拉辊轴半径，mm；αG为辊轴的摆幅，（°）；L为去头虾长度，mm。

2.3 动力机构设计

虾剥壳机的动力结构如图11 所示，主要有两套动力系统组成，辊轴动力系统和揉搓机构动力系统。辊轴动力系统由1 台伺服电机提供动力，揉搓和挤压辊轴的往复转动的频率和转动角度依靠编程调节伺服电机的正反转实现；揉搓机构动力系统由1 台变频减速电机提供，依靠变频器调节电机的转速实现上下揉搓频率的变化。伺服电机功率为3 kW，变频减速电机功率为0.75 kW。

伺服电机输出动力通过联轴器将动力输送给辊轴Ⅰ、辊轴Ⅱ的驱动齿轮，辊轴Ⅰ、辊轴Ⅱ通过过渡齿轮同向运动，如图12 所示。

变频调速减速电机将动力通过联轴器和变速箱将动力传递给凸轮为动揉搓机构提供动力。

图11 动力机构示意图Fig.11 Schematic diagram of power mechanism

图12 齿轮箱剖面图Fig.12 Profile of gearbox

3 整机试验

3.1 试验条件与方法

试验的南美白对虾采购自湛江塘口，虾的大小为100～250 只/kg。鲜虾运送到冷库速冻至-18 ℃，用冷链运输车将冷冻虾运送到实验室冷柜中储藏，在-18 ℃的温度下存放2 个月。试验时取出冷冻虾，解冻，人工去头，去头虾长度为49～85 mm，再将去头虾放入0 ℃的冰盐水中备用[13,14]。

3.2 试验设计

选取对虾剥壳影响较大的两个因素：辊轴摆幅角度、辊轴往复频率进行试验，记录各指标变化[15]。

3.2.1 得肉率W1（%）

式中 M1为虾仁的质量，g；M0为去头虾的质量，g。

3.2.2 剥壳率W2（%）

式中 S2为取样未剥下虾壳质量，g；M样为取样剥壳机剥下虾仁的质量，g；S0为取样去头虾质量，g；S1为取样去头虾人工剥下虾壳质量，g。

取去头虾质量20 000 g 作为1 个批次，在每批中取样S0为1 000 g，人工剥壳得出虾壳S1的质量，人工剥壳得肉率均值为77.4%；剩余去头虾M0为19 000 g 用于辊轴式虾剥壳机剥壳试验，记录剥壳机剥出虾仁质量M1，取样虾仁M样为1 000 g，人工将取样虾仁上的剩余虾壳剥虾，记录未剥掉虾壳质量为S2，试验结果如表2。

表2 辊轴式虾剥壳机试验结果Tab.2 Experimental results of shrimp shelling machine

3.3 试验结果分析

试验表明在频率70 r/min、摆动幅度为100°和频率75 r/min、摆动幅度为90°时剥壳率均为90.7%，频率75 r/min、摆动幅度为90°时，得肉率较高，但与人工剥壳相比低5%。摆角完全符合公式（4）中去头虾长度中位数的要求，且辊轴转动弧长不可超出去头虾长度过长。但是由于试验过程中，仅做了摆幅的单因素实验，因此还无法得出最优剥壳率和得仁率的最佳参数，后续还需要进行多因素试验。