仿照对虾形体特征定向装置原理的可行性分析

吴翠杨，孙传聪，邹田甜，甄珍

山东药品食品职业学院（威海 264200）

我国对虾的养殖量与贸易量均位于世界前列，是世界上对虾生产大国。发展对虾机械化加工能够提高对虾整体的综合效益与产品附加值，具有重大意义。对虾机械化加工一般来说具有清洗、分级、排序定向、去头、开背、剥壳、虾仁收集、成品包装等流程。对虾排序定向是对虾机械化加工的辅助性工序，为后期对虾连续化剥壳提供一种连续高效的进料方式，具有重要意义。

1 对虾背腹定向原理的理论分析

进行定向的对虾是经过分级之后的，所以对虾具有统一的大小与厚度。选取一定量的对虾，放置于光滑实验平台，借助于凸轮机构施加驱动力。根据南美白对虾各部分摩擦特性的不同，以及对虾重心靠近对虾头胸部分的生理特征，运用振动推进的原理对对虾进行头尾定向。假设对虾有3种不同体位，即：对虾长轴垂直于虾体前进方向；对虾长轴平行于虾体前进的方向虾体的头胸部朝上；对虾长轴平行于虾体前进的方向虾体的头胸部朝下。分别对对虾进入振动台面的3种体位进行分析，从而对对虾头尾定向的可行性进行论证。

在对虾落入振动台面以长轴垂直于前进方向的情况时，受力简图如所图1示。对虾所受重力G（N），振动台面上的支承反力N（N），在振动台面上所受的摩擦力f（N），振动牵引力F（N），在这4个合力的作用下，振动筛面角为α，F与台面的法向夹角为β，对虾的质心为O。通过对对虾的受力分析，可以得到各个力对质心的矩，如式（1）所示。

图1 对虾在振动台面上受力分析简

在平行于振动台面这个方向上，对虾所受的重力G、振动牵引力F、振动台面上的支承反力N这3个力对质心的矩为零，因此在平行于振动台面的方向上，各个力对质心的合力矩在数值上就等于对虾所受摩擦力对质心的矩。

假设对虾的振动的过程中始终在振动的台面上进行，因此分析振动台面上摩擦力对质心的矩，如图2（a）所示。当对虾进入振动台面上的初始体位，头部朝前为长轴垂直于虾体前进方向时，摩擦力对质心的矩如式（2）所示（以对虾头胸部朝左为例；设逆时针方向为正）。

图2 对虾所受摩擦力简图

以对虾的质心为原点，假定对虾的长轴为X轴，建立坐标系在振动台面上。重力G和牵引力F是主要影响摩擦力的因素，假设f(x)为对虾在距离质心x处的截面面积函数，则在截面处重力对质心的矩为g×ρ1(cosα)xfxdx（左侧），或者是g×ρ2(cosα)xfxdx（右侧）。

整理得，

在式（3）~（5）中：摩擦系数μ1为对虾的质心左侧部分，无量纲；摩擦系数μ2为对虾的质心左侧部分，无量纲；虾体密度ρ1为对虾的质心左侧部分，kg/m3；虾体密度ρ2对虾的质心右侧部分的，kg/m3。

分析对虾左右两侧部分，对虾摩擦力对质心矩的大小，由于μ1＜μ2，r＜l，ρ1＜ρ2，因此，MO为非零数值。对虾在前进下行的过程中，从理论上看，是可能实现虾体头胸部绕质心向前转动的。

当对虾以长轴平行于虾体前进方向落入振动台面上时（见图2b），以同样的机理，各个力对质心的矩为M’O=fm×m-fn×n。即：

2 对虾背腹定向原理的实验分析

对虾在腹部的短轴方向上具有不对称性，M’O的值不为零，则对虾在下行运动过程中，会在理论上实现向左翻转或者向右翻转，最终形成一种对虾头胸部向前运动的姿态。

当对虾落入振动台面上，其长轴平行于前行的方向并且头胸部朝前时，由于对虾在短轴方向上具有不对称性，对虾在下行过程中也会向左或者向右翻转，在这种情况下，又转化成图2（a），最终实现对虾向前下行。

当对虾下滑到一定程度时，到达V型面上，随着振动推进，对虾逐渐下滑，从而进行头尾的定向，虾体的受力分析图如图3所示。

图3 对虾进入V型面的受力分析

图3中，虾体在振动滑槽上所受摩擦力f，滑槽对虾的支撑力N，驱振力F，AB为滑槽对对虾的支撑点连线，设虾头至轴线AB部分质心为O1，质量为m1，轴线AB至虾尾部分质心为O2，质量为m2，O1到轴线AB的距离为l1，O2到轴线AB的距离为l2，滑槽倾角为α，O为对虾的质心，通过受力分析可以求得各力对旋转轴线的合力矩，如式（7）所示。

由力学知识及图3的受力分析可知，摩擦力f，滑槽的支撑力N，驱振力F对旋转轴线AB的力矩为零，故对轴线AB的合力矩在数值上等于质心O1，O2对轴线AB的矩，以虾尾朝前为例，设力矩逆时针为正。

质心O1，O2对轴线AB的合力矩如式（8）所示。

式中：MAB为各力对旋转轴线AB的合力矩，N·m；m1为质心O1的质量，kg；g为重力加速度，N/kg；l1为O1到轴线AB的距离，m；αi为对虾旋转过程中与水平面之间的夹角，°；m2为质心O2的质量，kg；l2为O2到轴线AB的距离，m。

由对虾的重心位置及虾体特征可知：m1＜m2，l1＜l2，又α≤αi≤90°。分析式（8）可知：MAB非负，即在此过程中对虾可绕旋转轴线AB作逆时顺旋转，直至虾体垂直于水平面时停止旋转完成头尾定向，最终的对虾以头部朝上的姿态继续前行。

3 对虾背腹定向原理的研究

头尾定向成功后的对虾，会在振动推进的作用下继续前行，从而进行背腹定向的动作。背腹定向在由2层的滑道中进行，滑道上层具有半圆曲率，下层是光滑折板。

对虾在双层滑道的运动过程为：经过头尾定向之后，对虾都是头胸部朝前下行，此时分为2种情况。一种是虾体背部朝外，图4中姿态1，由于对虾的特殊的弯曲的体型，以及对虾的重心的位置，当对虾经过半圆的弯曲弧度时，对虾向下翻转，对虾的背部线接触第2层的滑道，形成与姿态2相同的运动形式。另一种是虾体背部靠近滑道内图4中姿态2，此时对虾从上层滑道通过，从而达到背腹定向的目的。

图4 对虾背腹定向图

通过理论分析显示，振动推进过程中的对虾，由于对虾轴向的不对称性，摩擦力对质心的矩不为零，会促使虾体向对虾的头胸部的方向转动，到达V型面上。经过理论上的分析，在V型面上能够实现对虾的头部向上，尾部向下的姿态。对虾继续运动到双层的滑道上时，由于对虾的重心和对虾特殊的体型，会使对虾背部朝向滑道内侧，从上层或者下层滑道通过，从而达到背腹定向的目的。

4 结论

通过对对虾头尾定向原理的分析以及对于对虾头尾的定向，通过对对虾虾体的受力分析，计算各个不同的力对对虾产生的合力矩MO的大小，并得出合力矩是1个非零的数值，从而证明对虾在振动平面上可能会具有绕质心进行向前转动，通过对V型面上对虾进行受力分析，对虾最终能够实现头部朝上的姿态；对于对虾背腹的定向，通过对对虾的体型与重心所在的特殊位置的分析，得出对虾在双层滑道上实现背部朝靠近滑道内侧定向的可能性。对虾排序定向是对虾机械化加工的辅助性工序，为后期对虾连续化剥壳提供一种连续高效的进料方式，具有重要意义。