河蟹去殼設備的設計與關鍵部位仿真分析

河蟹肉質細嫩，蛋白質含量高，不飽和脂肪酸種類豐富，并且富含鈣、磷、鐵、鋅、銅、糖類、蟹黃素、蟹紅素等營養物質，是一種優質水產蛋白源，因其獨特的風味和較高的營養價值而備受消費者喜愛。蟹殼中也富含蝦青素、鈣和甲殼素，可以進一步開發利用，變廢為寶，以獲得經濟價值。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。對螃蟹進行加工，特別是進行深加工和綜合利用，不僅可以解決其易于變質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濟效益。

目前，水產品加工總體上仍以勞動密集型為主，機械化、自動化程度不高，裝備普及率較低。手工去殼不僅勞動強度大，耗時長，而且容易對肉質造成污染，對食品的安全性也會產生影響，且甲殼堅硬鋒利，容易對勞動者造成傷害。與人工處理相比，機械式加工設備的生產效率更高，水產加工品的品質也更有保證，而且可以有效防止產品在加工過程中受到污染，產品的安全性有一定的保障。根據河蟹的物理特征，設計了一種河蟹去殼設備，以提高河蟹制品生產率，降低生產成本，最大化提高河蟹的綜合利用價值。

一、國內外研究現狀

國內對螃蟹加工設備的研究大部分是有關螃蟹殼肉分離的相關設備，其通過滾筒、滾軸擠壓蟹殼來獲取蟹肉。李彤等發明了一種機械式蟹腳殼肉分離機構，該機構通過上、下滾軸的擠壓，實現蟹腳的殼肉分離。孫剛等發明的螃蟹去殼盒，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，但是需要手動操作。陳超等設計了一種輥筒擠壓式蟹腳殼肉分離機構，該機構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械式殼肉分離進行了研究，結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間。

國外對螃蟹加工設備研究的起點較早，起步于20世紀60年代，設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。國內對螃蟹加工設備的研究與國外的差距較大，研究的時間起點也滯后于國外，21世紀初才開始。國內研究的設備的種類和功能也不及國外的豐富，國內研究的功能主要是蟹腿殼肉分離、蟹殼分割等。

本研究對目前現有的去殼加工方法進行參考分析，根據河蟹的物理特征，針對不同的部位，采取不同的方法，以實現對河蟹的背甲去除，蟹黃分離，蟹腮去除，蟹肉分離。其中：以切割理論為基礎，設計了去背甲剖切機構；以氣壓理論為基礎，設計了一種蟹黃氣壓分離裝置；以高壓水噴射原理為基礎設計了除蟹鰓裝置；以柔性體受壓理論為基礎，設計了一種機械式殼肉分離裝置。

二、河蟹的物理特征及分割工藝流程

河蟹的外部結構如圖1所示。

圖1 河蟹的外部結構圖

中華絨螯蟹，俗稱河蟹、大閘蟹、毛蟹，屬節肢動物、甲殼綱、十足目。河蟹的外部結構主要分為頭胸部、腹甲、胸足幾個部分。河蟹的頭部和胸部統稱為頭胸部，由背甲和腹甲包被。頭胸甲表面凹凸不平，有很多與內臟相對應的區域。蟹臍折疊在頭胸部下方，共有7節組成，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。

根據河蟹的身體組織結構特點，對其進行科學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→貯存、輸送。河蟹的去背甲、收集蟹黃、剝離蟹肉是機械化加工工藝過程中的主要技術難題，本研究主要針對這幾個方面進行了設計和研究。

三、整機結構及工作原理

河蟹去殼設備的整機結構主要由夾持機構、蟹黃氣壓分離裝置、剖切機構、蟹身擠壓分離裝置等組成。結構示意圖如圖2所示。

圖2 河蟹去殼設備

將清洗好的河蟹背部朝上，頭部朝右放置，使用夾持機構的夾齒夾在河蟹蟹足于腹甲之間凹進的位置；隨著導軌輸送到剖切機構的位置，剖切機構工作，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；輸送到河蟹收集槽上方，導軌逐漸變寬，夾持機構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行殼肉分離，最后蟹肉收集在擠壓滾筒內部，蟹殼從滑槽右側擠出。

四、關鍵部件設計

（1）夾持機構

夾持機構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行切除背甲、收集蟹黃、去腮等。夾持機構主要由夾齒、滾珠、殼體等組成，結構示意圖及原理圖如圖3所示。

圖3 夾持機構

由圖3(b)可以看出，夾持機構是通過夾齒的壓力和摩擦力將蟹體夾住，同時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的拉力作用。由圖3(a)可知，夾持機構上有兩個相互鉸接的夾齒，夾齒可以轉動實現夾持功能；設置有3根彈簧支桿，以保證傳送過程中的平穩性；后續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的部分，而不是夾住整個蟹體。因此，夾齒設計應與蟹體大小相匹配，確保河蟹腹部朝下、背部朝上，能夠被夾持住。夾持機構上的支桿一端與夾齒連接，另一端設置有彈簧和滾珠。夾持機構的設計與導軌相匹配，當滾珠與導軌接觸時，在導軌的作用下兩側的支桿被擠壓，使得夾齒夾緊。導軌是可以調整間距的，其目的是調節夾齒的作用范圍來適應不同大小的蟹體。當完成整個工作過程時，導軌逐漸變寬，夾齒在彈簧的作用下張開，進入下一個工作循環。

（2）剖切機構

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

圖4 剖切機構原理圖

剖切機構在電機的驅動下高速旋轉，沿蟹體尾部附近切除背甲。為了更好地切割背甲，剖切機構設置3個旋轉的刀片，刀片的刀尖有一定的弧度；刀片安裝在刀架上，可通過調節刀架的上下位置來達到更好的切割位置。在刀架上下方位，可以調節刀架的上下位置來達到更好的切割位置。刀具刀片在電機的驅動下高速旋轉，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

河蟹隨著夾具移動到蟹背與噴嘴平行的位置時，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蟹黃收集箱。氣壓分離裝置主要由空氣壓縮機、貯氣罐、噴嘴等組成，結構示意圖如圖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，從而達到最大程度收集蟹黃的目的，要求噴嘴將低壓壓縮空氣轉換為目標高速集中的扁平氣流，分布均勻，噴霧形狀統一，故設計為扁平噴嘴。

（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計的，河蟹經擠壓滾筒與滑槽的擠壓后發生形變，從而迫使蟹肉與蟹殼分離。其中滑槽是該機構最關鍵的部件之一，是擠壓過程中的活躍區域，其曲率的設計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，被擠壓進入擠壓滾筒內部；凸輪用于調節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驅動。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進入滑槽，經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入擠壓滾筒內部，蟹殼從滑槽右側擠出。

五、關鍵部位仿真分析

（1）氣壓分離裝置仿真分析

1.1 模型建立及網格劃分

氣壓分離裝置作為去殼設備的關鍵部分之一，其氣壓產生的流場很難用理論的公式進行準確計算。在本設計中掌握氣流的狀態是很重要的，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生的流場進行模擬仿真的分析，得到不同的氣流速度下流場的狀態。本研究采用ANSYS Workbench有限元分析軟件中的CFX模塊進行流場的仿真分析。

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

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

圖7 流域網格模型

1.2 仿真結果分析

通過仿真計算，得出4種氣流狀態下蟹黃粒子的運動情況，仿真結果如圖8所示。

圖8 ANSYS FLUEN仿真結果

由圖8可以得到4種氣流速度下粒子的運動情況。從圖8(d)可以看出，進口氣流速度為0.5m/s的情況下蟹黃粒子的最遠位移量低于0.01米，幾乎沒有移動；從圖8(c)可以看出，進口氣流速度為0.6m/s的情況下只有部分粒子的位移量達到0.5米；從圖8(a)和圖8(b)可以看出，0.8m/s和1m/s的進口氣流速度均可以使全部粒子位移量達到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生運動的臨界值。當氣流速度小于0.8m/s時，無法滿足工作要求；當氣流速度大于0.8m/s時，可以滿足工作要求。因此，可以選擇1m/s的進口氣流速度來滿足設計要求。

（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，并且根據研究的內容和目的，模型中只保留該裝置的執行機構(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，同時省略了軸承、螺栓、螺母和墊圈等仿真無關標準件，用于仿真分析的蟹身簡化為扁形幾何體。將建好的模型導出為Parasolid格式，裝配關系要保證正確，零件不要有干涉，然后將其導入到ADAMS中，完成SolidWorks和ADAMS之間的圖形數據轉換，導入后的模型如圖9所示。定義坐標軸如下: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設置為：接觸剛度1×105N/mm，剛度貢獻指數2.2，阻尼系數10，全阻尼穿透值0.1毫米。定義輥軸轉速為30r/min，仿真時間為1s。蟹身在Y軸向的運動軌跡如圖10所示。

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

圖10 Y軸向運動軌跡

由上述結果可以得出，蟹身在于滾筒開始接觸時開始進行擠壓，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。該機構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、結論

通過對河蟹去殼設備的夾持機構、剖切機構、氣壓分離裝置及擠壓分離裝置等的設計，能夠高效地實現河蟹背甲切除、蟹黃收集和蟹肉分離。使用ANSYS Fluent對氣壓分離裝置進行蟹黃分離仿真，仿真結果顯示，1m/s的氣流速度能夠使蟹黃在氣流作用下移動50厘米以上的距離，達到預期的設計要求；使用ADAMS對殼肉分離裝置進行仿真，得到了蟹身在受到轉速為30r/min的滾筒擠壓后的運動軌跡，該運動軌跡與預期相符合，證明了該模型的設計是合理的。

來源：漁業現代化 2021年2期

作者：趙 煜，鄢銘亮，朱建平，汪 康，趙家賓

備注：西南漁業網對內容有修改

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