河蟹肉質(zhì)細(xì)嫩，蛋白質(zhì)含量高，不飽和脂肪酸種類豐富，并且富含鈣、磷、鐵、鋅、銅、糖類、蟹黃素、蟹紅素等營養(yǎng)物質(zhì)，是一種優(yōu)質(zhì)水產(chǎn)蛋白源，因其獨(dú)特的風(fēng)味和較高的營養(yǎng)價(jià)值而備受消費(fèi)者喜愛。蟹殼中也富含蝦青素、鈣和甲殼素，可以進(jìn)一步開發(fā)利用，變廢為寶，以獲得經(jīng)濟(jì)價(jià)值。螃蟹除了鮮活食用以外，其深加工增值也具有十分廣闊的前景。對螃蟹進(jìn)行加工，特別是進(jìn)行深加工和綜合利用，不僅可以解決其易于變質(zhì)而又集中上市的矛盾，還可以提高螃蟹的綜合利用率，從而提高螃蟹的總體經(jīng)濟(jì)效益。

目前，水產(chǎn)品加工總體上仍以勞動(dòng)密集型為主，機(jī)械化、自動(dòng)化程度不高，裝備普及率較低。手工去殼不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，耗時(shí)長，而且容易對肉質(zhì)造成污染，對食品的安全性也會(huì)產(chǎn)生影響，且甲殼堅(jiān)硬鋒利，容易對勞動(dòng)者造成傷害。與人工處理相比，機(jī)械式加工設(shè)備的生產(chǎn)效率更高，水產(chǎn)加工品的品質(zhì)也更有保證，而且可以有效防止產(chǎn)品在加工過程中受到污染，產(chǎn)品的安全性有一定的保障。根據(jù)河蟹的物理特征，設(shè)計(jì)了一種河蟹去殼設(shè)備，以提高河蟹制品生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，最大化提高河蟹的綜合利用價(jià)值。

一、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對螃蟹加工設(shè)備的研究大部分是有關(guān)螃蟹殼肉分離的相關(guān)設(shè)備，其通過滾筒、滾軸擠壓蟹殼來獲取蟹肉。李彤等發(fā)明了一種機(jī)械式蟹腳殼肉分離機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)通過上、下滾軸的擠壓，實(shí)現(xiàn)蟹腳的殼肉分離。孫剛等發(fā)明的螃蟹去殼盒，盒蓋上的刀片可以插入到螃蟹中，然后將盒蓋整個(gè)翻開，順勢將螃蟹殼打開，快捷方便，提高了使用者的效率，但是需要手動(dòng)操作。陳超等設(shè)計(jì)了一種輥筒擠壓式蟹腳殼肉分離機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)利用對輥的擠壓作用完成蟹腳的殼肉分離，但是對于蟹蓋的去除沒有提及。歐陽杰等對河蟹的機(jī)械式殼肉分離進(jìn)行了研究，結(jié)果表明皮帶擠壓最適合蟹身的殼肉分離，滾軸擠壓最適合蟹腳的殼肉分離，真空吸濾最適合蟹鉗的殼肉分離。葉韜等使用超高壓輔助螃蟹脫殼，得出與傳統(tǒng)蒸煮處理相比超高壓處理能在一定程度上縮短蟹分割加工的前處理時(shí)間。

國外對螃蟹加工設(shè)備研究的起點(diǎn)較早，起步于20世紀(jì)60年代，設(shè)備種類和功能也較為豐富，包括螃蟹的分割、清洗、蟹腮去除等。國內(nèi)對螃蟹加工設(shè)備的研究與國外的差距較大，研究的時(shí)間起點(diǎn)也滯后于國外，21世紀(jì)初才開始。國內(nèi)研究的設(shè)備的種類和功能也不及國外的豐富，國內(nèi)研究的功能主要是蟹腿殼肉分離、蟹殼分割等。

本研究對目前現(xiàn)有的去殼加工方法進(jìn)行參考分析，根據(jù)河蟹的物理特征，針對不同的部位，采取不同的方法，以實(shí)現(xiàn)對河蟹的背甲去除，蟹黃分離，蟹腮去除，蟹肉分離。其中：以切割理論為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了去背甲剖切機(jī)構(gòu)；以氣壓理論為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種蟹黃氣壓分離裝置；以高壓水噴射原理為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了除蟹鰓裝置；以柔性體受壓理論為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種機(jī)械式殼肉分離裝置。

二、河蟹的物理特征及分割工藝流程

河蟹的外部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 河蟹的外部結(jié)構(gòu)圖

中華絨螯蟹，俗稱河蟹、大閘蟹、毛蟹，屬節(jié)肢動(dòng)物、甲殼綱、十足目。河蟹的外部結(jié)構(gòu)主要分為頭胸部、腹甲、胸足幾個(gè)部分。河蟹的頭部和胸部統(tǒng)稱為頭胸部，由背甲和腹甲包被。頭胸甲表面凹凸不平，有很多與內(nèi)臟相對應(yīng)的區(qū)域。蟹臍折疊在頭胸部下方，共有7節(jié)組成，雄蟹呈三角形，雌蟹呈半圓形。胸足一共有5對。包括1對螯足和4對步足。

根據(jù)河蟹的身體組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對其進(jìn)行科學(xué)的分割加工保鮮處理，加工出蟹鉗、蟹腿、蟹柳、雄黃、雌黃、蟹膏、蟹粉、碎肉、邊角料、炒制蟹黃粉等十余種系列制品。河蟹的分割工藝流程：保鮮→清洗→蒸煮→冷卻→去腿、剝殼、剝離蟹肉和蟹黃→檢驗(yàn)→貯存、輸送。河蟹的去背甲、收集蟹黃、剝離蟹肉是機(jī)械化加工工藝過程中的主要技術(shù)難題，本研究主要針對這幾個(gè)方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究。

三、整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

河蟹去殼設(shè)備的整機(jī)結(jié)構(gòu)主要由夾持機(jī)構(gòu)、蟹黃氣壓分離裝置、剖切機(jī)構(gòu)、蟹身擠壓分離裝置等組成。結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 河蟹去殼設(shè)備

將清洗好的河蟹背部朝上，頭部朝右放置，使用夾持機(jī)構(gòu)的夾齒夾在河蟹蟹足于腹甲之間凹進(jìn)的位置；隨著導(dǎo)軌輸送到剖切機(jī)構(gòu)的位置，剖切機(jī)構(gòu)工作，切除河蟹背甲；輸送到氣壓分離裝置工作的位置，氣壓分離裝置工作，將蟹黃吹落到蟹黃收集槽；輸送到除蟹腮裝置的位置，除蟹腮裝置工作，去除蟹鰓等雜質(zhì)；輸送到河蟹收集槽上方，導(dǎo)軌逐漸變寬，夾持機(jī)構(gòu)隨彈簧的拉伸而張開，河蟹掉落到河蟹收集槽里；然后對河蟹進(jìn)行蒸煮、去蟹足、清洗等處理，將處理好的河蟹腹部朝下放置在傳送帶上，輸送到擠壓分離裝置的位置，通過擠壓滾筒和滑槽的擠壓對蟹身進(jìn)行殼肉分離，最后蟹肉收集在擠壓滾筒內(nèi)部，蟹殼從滑槽右側(cè)擠出。

四、關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

（1）夾持機(jī)構(gòu)

夾持機(jī)構(gòu)的作用是把蟹體夾持住，把待加工的蟹體傳送到不同的工位進(jìn)行切除背甲、收集蟹黃、去腮等。夾持機(jī)構(gòu)主要由夾齒、滾珠、殼體等組成，結(jié)構(gòu)示意圖及原理圖如圖3所示。

圖3 夾持機(jī)構(gòu)

由圖3(b)可以看出，夾持機(jī)構(gòu)是通過夾齒的壓力和摩擦力將蟹體夾住，同時(shí)夾齒的尖端比較尖銳以增加對蟹體的夾緊力，使之能承受蟹背甲切除時(shí)的拉力作用。由圖3(a)可知，夾持機(jī)構(gòu)上有兩個(gè)相互鉸接的夾齒，夾齒可以轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)夾持功能；設(shè)置有3根彈簧支桿，以保證傳送過程中的平穩(wěn)性；后續(xù)的剖切工序是從河蟹背甲部分切除，夾齒只需夾住蟹足和蟹腹中間凹進(jìn)的部分，而不是夾住整個(gè)蟹體。因此，夾齒設(shè)計(jì)應(yīng)與蟹體大小相匹配，確保河蟹腹部朝下、背部朝上，能夠被夾持住。夾持機(jī)構(gòu)上的支桿一端與夾齒連接，另一端設(shè)置有彈簧和滾珠。夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與導(dǎo)軌相匹配，當(dāng)滾珠與導(dǎo)軌接觸時(shí)，在導(dǎo)軌的作用下兩側(cè)的支桿被擠壓，使得夾齒夾緊。導(dǎo)軌是可以調(diào)整間距的，其目的是調(diào)節(jié)夾齒的作用范圍來適應(yīng)不同大小的蟹體。當(dāng)完成整個(gè)工作過程時(shí)，導(dǎo)軌逐漸變寬，夾齒在彈簧的作用下張開，進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)。

（2）剖切機(jī)構(gòu)

剖切機(jī)構(gòu)的作用是把河蟹的背甲切開，主要由刀具、電機(jī)、和刀架等組成。工作原理圖如圖4所示。

圖4 剖切機(jī)構(gòu)原理圖

剖切機(jī)構(gòu)在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，沿蟹體尾部附近切除背甲。為了更好地切割背甲，剖切機(jī)構(gòu)設(shè)置3個(gè)旋轉(zhuǎn)的刀片，刀片的刀尖有一定的弧度；刀片安裝在刀架上，可通過調(diào)節(jié)刀架的上下位置來達(dá)到更好的切割位置。在刀架上下方位，可以調(diào)節(jié)刀架的上下位置來達(dá)到更好的切割位置。刀具刀片在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，沿著蟹體尾部附近切除背甲。

（3）氣壓分離裝置

氣壓分離裝置如圖5所示。

圖5 氣壓分離裝置

河蟹隨著夾具移動(dòng)到蟹背與噴嘴平行的位置時(shí)，氣壓分離裝置開始工作，蟹黃隨著氣流掉落到蟹黃收集槽。氣壓分離裝置的作用是通過氣壓將剝離背甲的河蟹中間部位的蟹黃吹離進(jìn)蟹黃收集箱。氣壓分離裝置主要由空氣壓縮機(jī)、貯氣罐、噴嘴等組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖5(a)所示。蟹黃通過噴嘴噴出的氣流從蟹身分離，工作原理如圖5(b)。為滿足氣流寬度覆蓋蟹體，從而達(dá)到最大程度收集蟹黃的目的，要求噴嘴將低壓壓縮空氣轉(zhuǎn)換為目標(biāo)高速集中的扁平氣流，分布均勻，噴霧形狀統(tǒng)一，故設(shè)計(jì)為扁平噴嘴。

（4）擠壓分離裝置

擠壓分離裝置的作用是將蟹肉從剩下的蟹殼中分離，其剖視圖如圖6所示。

圖6 擠壓分離裝置

擠壓分離裝置是基于柔性體受壓理論設(shè)計(jì)的，河蟹經(jīng)擠壓滾筒與滑槽的擠壓后發(fā)生形變，從而迫使蟹肉與蟹殼分離。其中滑槽是該機(jī)構(gòu)最關(guān)鍵的部件之一，是擠壓過程中的活躍區(qū)域，其曲率的設(shè)計(jì)要求與滾筒的表面相匹配。滑槽與擠壓滾筒的間隙逐漸變窄，可以得到更好的分離效果，同時(shí)可以起到緩沖好的作用；擠壓輪上面均勻分布了2～5毫米的小孔，蟹肉可以通過小孔，被擠壓進(jìn)入擠壓滾筒內(nèi)部；凸輪用于調(diào)節(jié)擠壓滾筒與滑槽的間距；刮板用于刮落粘在擠壓滾筒上面的蟹殼；其中擠壓滾筒可由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。將前處理好的河蟹腹部朝下放置在傳送帶上，從殼肉分離裝置左側(cè)進(jìn)入滑槽，經(jīng)過擠壓滾筒和滑槽的擠壓后，蟹肉通過小孔的擠壓和剪切進(jìn)入擠壓滾筒內(nèi)部，蟹殼從滑槽右側(cè)擠出。

五、關(guān)鍵部位仿真分析

（1）氣壓分離裝置仿真分析

1.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

氣壓分離裝置作為去殼設(shè)備的關(guān)鍵部分之一，其氣壓產(chǎn)生的流場很難用理論的公式進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。在本設(shè)計(jì)中掌握氣流的狀態(tài)是很重要的，需要采用一定的分析方法。借助ANSYS Fluent分析軟件可以很方便地對氣壓產(chǎn)生的流場進(jìn)行模擬仿真的分析，得到不同的氣流速度下流場的狀態(tài)。本研究采用ANSYS Workbench有限元分析軟件中的CFX模塊進(jìn)行流場的仿真分析。

為了分析不同氣流速度下蟹黃粒子的移動(dòng)情況，設(shè)置50個(gè)半徑為1～2 毫米的離散型顆粒替代蟹黃，顆粒的密度500kg/m3。選取4種不同的進(jìn)口氣流速度進(jìn)行建模分析：(1)進(jìn)口氣流速度為1m/s；(2)進(jìn)口氣流速度為0.8m/s；(3)進(jìn)口氣流速度為0.6m/s；(4)進(jìn)口氣流速度為0.5m/s。

網(wǎng)格劃分對模型的計(jì)算有著非常重要的意義，其好壞直接決定了計(jì)算模型的計(jì)算誤差和計(jì)算效率?？紤]到在同等網(wǎng)格尺寸下大大減少網(wǎng)格數(shù)量，并且可提高網(wǎng)格質(zhì)量和計(jì)算精度，本研究將網(wǎng)格尺寸控制為0.2毫米，并采用多面體網(wǎng)格。在模型尺寸較小的結(jié)構(gòu)處，為了提高計(jì)算精度，適當(dāng)?shù)募?xì)化網(wǎng)格尺寸。同時(shí)為使仿真結(jié)果更接近于真實(shí)情況，網(wǎng)格劃分中在管道邊界插入膨脹層。根據(jù)該裝置的工作情況，網(wǎng)格模型設(shè)置為半徑2.5厘米，高50厘米的圓柱。流場的邊界條件為：(1)氣流進(jìn)口為速度進(jìn)口；(2)出口設(shè)置為流過出口。采取上述辦法將模型劃分網(wǎng)格后如圖7所示。

圖7 流域網(wǎng)格模型

1.2 仿真結(jié)果分析

通過仿真計(jì)算，得出4種氣流狀態(tài)下蟹黃粒子的運(yùn)動(dòng)情況，仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 ANSYS FLUEN仿真結(jié)果

由圖8可以得到4種氣流速度下粒子的運(yùn)動(dòng)情況。從圖8(d)可以看出，進(jìn)口氣流速度為0.5m/s的情況下蟹黃粒子的最遠(yuǎn)位移量低于0.01米，幾乎沒有移動(dòng)；從圖8(c)可以看出，進(jìn)口氣流速度為0.6m/s的情況下只有部分粒子的位移量達(dá)到0.5米；從圖8(a)和圖8(b)可以看出，0.8m/s和1m/s的進(jìn)口氣流速度均可以使全部粒子位移量達(dá)到0.5米。

綜上所述，0.8m/s的氣流速度是使蟹黃粒子受到氣壓后產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的臨界值。當(dāng)氣流速度小于0.8m/s時(shí)，無法滿足工作要求；當(dāng)氣流速度大于0.8m/s時(shí)，可以滿足工作要求。因此，可以選擇1m/s的進(jìn)口氣流速度來滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）擠壓分離裝置仿真分析

2.1 模型建立

用三維軟件SolidWorks建立擠壓分離裝置三維模型。為了便于仿真、減少約束，并且根據(jù)研究的內(nèi)容和目的，模型中只保留該裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)(即滑槽和擠壓滾筒)，其他無須研究和不影響仿真效果的零件被省略，同時(shí)省略了軸承、螺栓、螺母和墊圈等仿真無關(guān)標(biāo)準(zhǔn)件，用于仿真分析的蟹身簡化為扁形幾何體。將建好的模型導(dǎo)出為Parasolid格式，裝配關(guān)系要保證正確，零件不要有干涉，然后將其導(dǎo)入到ADAMS中，完成SolidWorks和ADAMS之間的圖形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，導(dǎo)入后的模型如圖9所示。定義坐標(biāo)軸如下:X軸正方向平行于滾筒軸中心線向前，Y軸正方向垂直向上，Z軸正方向垂直與輥軸中心線向左。

圖9 ADAMS仿真模型

2.2 仿真結(jié)果分析

滑槽和擠壓滾筒均采用304號不銹鋼材料，密度為7930 kg/m3；蟹身厚度為10毫米，密度500 kg/m3。蟹身與零件的接觸參數(shù)設(shè)置為：接觸剛度1×105N/mm，剛度貢獻(xiàn)指數(shù)2.2，阻尼系數(shù)10，全阻尼穿透值0.1毫米。定義輥軸轉(zhuǎn)速為30r/min，仿真時(shí)間為1s。蟹身在Y軸向的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖10所示。

由圖10可知，蟹身在0～0.3s內(nèi)Y軸向位移量下降，到達(dá)滑槽的底部。0.3～0.7s內(nèi)Y軸向位移量上升，該段時(shí)間內(nèi)，蟹身與擠壓滾筒接觸，在擠壓滾筒的摩擦力作用下，蟹身沿滑槽繼續(xù)移動(dòng)。蟹體在擠壓滾筒的帶動(dòng)下，沿著滑槽移動(dòng)，大概在0.7s后，蟹殼從滑槽右側(cè)擠出。

圖10 Y軸向運(yùn)動(dòng)軌跡

由上述結(jié)果可以得出，蟹身在于滾筒開始接觸時(shí)開始進(jìn)行擠壓，通過滾筒的壓力和小孔剪切力將蟹肉與蟹殼分離。擠壓過程中滑槽與滾筒的間距逐漸縮小至1毫米，最終完成蟹肉與蟹殼的完全分離。該機(jī)構(gòu)使用了曲率與滾筒相匹配的滑槽，與皮帶擠壓和滾棒擠壓的方法相比，使用滑槽與滾筒配合的方法，可有效避免皮帶與滾筒間距不合適或者蟹肉不方便收集的問題。

六、結(jié)論

通過對河蟹去殼設(shè)備的夾持機(jī)構(gòu)、剖切機(jī)構(gòu)、氣壓分離裝置及擠壓分離裝置等的設(shè)計(jì)，能夠高效地實(shí)現(xiàn)河蟹背甲切除、蟹黃收集和蟹肉分離。使用ANSYS Fluent對氣壓分離裝置進(jìn)行蟹黃分離仿真，仿真結(jié)果顯示，1m/s的氣流速度能夠使蟹黃在氣流作用下移動(dòng)50厘米以上的距離，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)要求；使用ADAMS對殼肉分離裝置進(jìn)行仿真，得到了蟹身在受到轉(zhuǎn)速為30r/min的滾筒擠壓后的運(yùn)動(dòng)軌跡，該運(yùn)動(dòng)軌跡與預(yù)期相符合，證明了該模型的設(shè)計(jì)是合理的。

來源：漁業(yè)現(xiàn)代化 2021年2期

作者：趙 煜，鄢銘亮，朱建平，汪 康，趙家賓

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