黃鵬飛 譚鶴群 張春吉 萬 鵬 聶 杰

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖北 武漢 430070)

帶式夾送淡水魚剖魚機的研制

黃鵬飛 譚鶴群 張春吉 萬 鵬 聶 杰

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖北 武漢 430070)

依據(jù)鰱魚的結(jié)構(gòu)特征和對產(chǎn)品品質(zhì)的要求，研制了一款帶式夾送淡水魚剖魚機，并以鰱魚為試驗對象進行了剖魚試驗。該剖魚機由機架、夾送系統(tǒng)、剖切系統(tǒng)組成。夾送系統(tǒng)皮帶間距、皮帶轉(zhuǎn)速、剖切系統(tǒng)刀盤高度等關(guān)鍵部件工藝參數(shù)均可調(diào)節(jié)，配套功率共為3.7 kW，其中剖切系統(tǒng)電機1.5 kW，夾送系統(tǒng)電機2.2 kW。以(1.50±0.25) kg鰱魚為剖切對象所進行的試驗結(jié)果表明：皮帶間距對進料、剖切、出料均有顯著影響，皮帶間距40 mm時，可以實現(xiàn)100%順利進料、平穩(wěn)剖切和順利出料；刀盤高度則對剖切質(zhì)量影響顯著，從魚頭到魚尾完整剖開魚體要求刀盤高度不高于190 mm，完整保留魚鰾要求刀盤高度不低于210 mm，不破壞魚膽要求刀盤高度不低于180 mm。皮帶間距取40 mm，刀盤高度取180～190 mm時，剖魚機運行穩(wěn)定且剖切效果最優(yōu)，處理速度可達1 200 尾/h。

淡水魚；剖切；剖魚機；帶式夾送

淡水魚是中國主要的魚類食材，產(chǎn)量占水產(chǎn)品總產(chǎn)量的50%以上，加工比例僅占20%[1]，且大多為冷凍保鮮等低附加值加工而高附加值加工是淡水魚產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向[2]。

日本及歐美在水產(chǎn)品加工領(lǐng)域方面已經(jīng)形成了適合本國或本地區(qū)特點的水產(chǎn)加工機械設(shè)備[3]，如日本東洋水產(chǎn)機械株式會社生產(chǎn)的TOYO-167NM小型魚類處理機、德國BADDER公司生產(chǎn)的魚片加工機組、瑞典Vmp公司生產(chǎn)的鮭魚處理設(shè)備[4]。但其大多針對海水魚類，對淡水魚的適應(yīng)性較差[5]。中國相關(guān)研究機構(gòu)及高校近年對水產(chǎn)品加工展開了積極研究，如胡小亮等[6]對竹夾魚去臟用剖切刀具的優(yōu)化，陳慶余等[7]對典型海產(chǎn)小雜魚去臟進行了研究。剖切效果良好，但主要針對小型海產(chǎn)魚，對大宗淡水魚的適用性較差。彭三河等[8]針對淡水魚等設(shè)計了一種鏈?zhǔn)狡属~機，可實現(xiàn)剖腹去臟的功能，但無法完成背部剖切，且采用魚盒夾持，對不同魚種及不同規(guī)格適用性較差。本課題組于2006年開始研制的鏈?zhǔn)狡属~機[9]，已制作出第二代剖魚機樣機并申請專利一項[10]，樣機已投入到生產(chǎn)實踐中，效果良好[11]，但因針對不同魚種需定制并更換夾具故而影響生產(chǎn)效率?，F(xiàn)針對大宗淡水魚加工剖切工序設(shè)計了一種帶式夾送淡水魚剖切裝置，以提高對不同魚種不同規(guī)格的適用性，實現(xiàn)連續(xù)加工的目的，并針對常見規(guī)格白鰱與對該裝置的夾送機構(gòu)及剖切機構(gòu)進行了試驗，以確定該裝置最優(yōu)工藝參數(shù)。

1 帶式夾送淡水魚剖切機的設(shè)計方案

1.1 設(shè)計要求

本裝置針對常見淡水魚如1.25～2.25 kg鰱魚、0.35～0.75 kg鳊魚、1.7～2.3 kg草魚、1.2～1.8 kg鯉魚進行加工，在夾送過程中，針對不同魚種體型規(guī)格差異大，夾持輸送機構(gòu)需要具有適應(yīng)性，并需要有足夠大的夾持壓力保證魚體穩(wěn)定輸送，剖切工序需要將魚背完全剖開，以便后續(xù)風(fēng)干食品的調(diào)味及干燥。剖切時要避開魚膽，避免魚膽破裂影響魚肉風(fēng)味。依據(jù)以上要求剖魚機需要夾持機構(gòu)適應(yīng)性強、穩(wěn)定牢靠，刀具剖切力足夠剖開魚背[12]。另外，剖魚機還需要滿足結(jié)構(gòu)簡單體積小巧、操作安全、環(huán)保節(jié)能等要求。

1.2 剖魚機總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

帶式夾送剖魚機主要由機架、夾持輸送機構(gòu)、剖切機構(gòu)組成。其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

1. 機架 2. 夾送皮帶 3. 刀盤 4. 刀盤軸 5. V帶輪 6. 電機皮帶 7. 張緊輪 8. 剖切系統(tǒng)電機 9. 夾送系統(tǒng)電機 10. T6換向減速器 11. 同步帶輪 12. 同步帶 13. 托魚槽 14. 從動輥 15. 主動輥

圖1 帶式夾送剖魚機結(jié)構(gòu)示意圖

Figure 1 Sketch of the belt-camp fish slitter

機架總體由支撐不同零部件的結(jié)構(gòu)所組成，夾送系統(tǒng)由類彈簧柱塞陣列、夾板、輥輪、夾送皮帶、動力部件等主要部分組成，夾送皮帶2由主動輥15以及從動輥14驅(qū)動，通過導(dǎo)向輪保證流暢運轉(zhuǎn)。夾板支撐類彈簧柱塞陣列，通過彈簧柱塞陣列對夾送帶的張緊力達到夾緊魚的效果。

剖魚機剖切系統(tǒng)主要由剖切刀盤3、刀盤軸4、刀盤軸支架、電機8以及傳動部件組成。刀盤安裝在刀盤軸上，刀盤軸通過帶座軸承安裝在刀架支板上。電機通過帶傳動帶動刀盤軸旋轉(zhuǎn)以達到剖切效果。刀盤軸支架安裝在機架的刀架上，可在刀架上沿豎直方向滑動，以調(diào)節(jié)刀盤的剖切深度。夾送系統(tǒng)傳動裝置包括電動機、聯(lián)軸器、減速器錐齒輪組、輥和同步帶輪組，傳動比為1∶5。剖切系統(tǒng)傳動裝置由電動機、皮帶輪和V帶，傳動比為1∶1。

1.3 剖魚機加工流程和工作原理

1.3.1 加工流程

裝置啟動→人工進料→夾持輸送機構(gòu)輸送魚體→剖切機構(gòu)剖開魚背→出料

1.3.2 工作原理 工作時，人工將魚按頭朝前背朝上的方式送入夾持皮帶，魚體在彈簧柱塞壓力下，被皮帶夾送至高速旋轉(zhuǎn)的剖切刀盤下方并被繼續(xù)向前夾送至剖開背部。被剖開的魚體被皮帶繼續(xù)夾送至出料口。出料口設(shè)計為斜面，魚體借助自身重力滑出完成整個剖魚過程。剖魚機剖切過程示意圖見圖2。

1. 魚體 2. 皮帶 3. 刀盤軸 4. 類彈簧柱塞陣列 5. 主動輥 6. 導(dǎo)向輪 7. 刀盤 8. 從動輥

2 剖魚機主要工作部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 夾板的設(shè)計

根據(jù)魚的尺寸范圍、彈簧柱塞及導(dǎo)向輪的安裝、夾板間距及夾角的可調(diào)節(jié)等要求，設(shè)計如圖3夾板，單側(cè)彈簧柱塞數(shù)量為42個。

1. 夾板1 2. 夾板2 3. 夾板3 4. 夾板4 5. 夾板支軸 6. 支撐螺栓

圖3 夾板結(jié)構(gòu)圖

Figure 3 Structure diagram of splint

依照夾板設(shè)計要求，夾板的間距、張角要可以調(diào)節(jié)。夾板1和夾板2的底座部分為軸對稱關(guān)系，利用底座上的孔和圓弧槽可以在機架上進行調(diào)節(jié)，使夾板能同步調(diào)節(jié)間距和張角。

2.2 彈簧柱塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計

類彈簧柱塞結(jié)構(gòu)主要原理是使柱塞結(jié)構(gòu)在彈簧載荷的作用下僅沿著軸向一個自由度的方向滑動。萬向滾珠1通過端蓋內(nèi)的定位螺母3的預(yù)緊力定位于尼龍端蓋2上，預(yù)緊力的拉伸作用同時可以拉緊萬向滾珠的螺紋段，使?jié)L珠流暢滾動。尼龍柱5和尼龍端蓋2、限位螺母6通過螺紋連接。夾板位于彈簧4和限位螺母6中間段，尼龍柱穿于夾板孔中。其結(jié)構(gòu)見圖4。

2.3 皮帶的選型

因魚身表面有黏液，不利于夾持牢固。因此剖魚機夾送系統(tǒng)皮帶選用表面粗糙，與魚體表面摩擦較大的PVC防滑草坪紋爬坡帶，其結(jié)構(gòu)見圖5。

2.4 夾送系統(tǒng)傳動方式的設(shè)計

夾送系統(tǒng)整體傳動方案為：電機經(jīng)過減速器的錐齒輪組，再通過聯(lián)軸器與輥連接，主動輥經(jīng)過夾送皮帶將動力傳給從動輥。而主動輥則通過同步帶輪組將動力傳遞給另一條夾送皮帶，完成電機帶動兩條夾送皮帶等速反向轉(zhuǎn)動。同步帶輪組傳動示意圖見圖6。

1. 萬向滾珠 2. 尼龍端蓋 3. 定位螺母 4. 彈簧 5. 尼龍柱 6. 限位螺母

Figure 4 Structure diagram ofthe fish clamping structure similar to spring-loaded plunger

圖5 草坪紋PVC輸送帶

1. 張緊同步帶輪 2. 輔助同步帶輪輪 3、4. 主傳動同步帶輪

3 主要設(shè)計參數(shù)確定

3.1 皮帶的速度設(shè)計

剖魚完整工作行程為魚頭進夾送皮帶間隙到魚尾離開夾送皮帶間隙。其值取夾送系統(tǒng)導(dǎo)向輪中心距與魚身長平均值之和，剖魚機夾送系統(tǒng)導(dǎo)向輪中心距為850 mm，魚身長平均值取400 mm，理論剖魚單位時間取3 s。夾送皮帶的運行速度按式(1)計算：

(1)

式中：

v——夾送皮帶的運行速度，mm/s；

Lb——剖魚機夾送系統(tǒng)導(dǎo)向輪中心距，mm；

L0——魚體總長，mm；

t——理論剖魚單位時間，s。

經(jīng)過計算v=416.7 mm/s。

3.2 彈簧參數(shù)選擇

彈簧指數(shù)C取值范圍為4～16，為保證彈簧在夾持魚體的過程中彈簧靈活形變，C值可在范圍內(nèi)適當(dāng)取大。依據(jù)彈簧柱塞的設(shè)計尺寸，取彈簧外徑Ds=26 mm，線徑d=2.2 mm。則C=(Ds-d)÷d=10.82，曲度系數(shù)K=1.11。由此確定彈簧柱塞結(jié)構(gòu)中彈簧的設(shè)計技術(shù)要求為旋向：右旋；外徑：Ds=26 mm；線徑：d=2.2 mm；有效圈數(shù)：n1=7；總?cè)?shù)：n=9；彈簧節(jié)距：p=5.27 mm；彈簧自由高度：H0=40 mm。

3.3 剖切刀具選擇

依據(jù)白鰱的魚體結(jié)構(gòu)研究，將魚背完全剖開所需的剖切深度Ld至少為50 mm，如圖7所示，考慮安裝和強度的因素，刀盤軸直徑M設(shè)計為30 mm，為了不使魚體與刀盤軸發(fā)生干涉，刀盤直徑應(yīng)不小于D=2×Ld+M=130 mm。針對不同魚種不同規(guī)格可依據(jù)體型進行更換。

圖7 刀盤結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

4 剖魚機試驗

4.1 試驗材料與儀器

鮮活白鰱魚：(1.50±0.25) kg，采購于華中農(nóng)業(yè)大學(xué)生鮮超市；

電子秤：kf-00051型，浙江凱豐集團有限公司；

卷尺：GW-366-5型，寧波長城精工有限公司；

變頻器：G5M-5.5T4-1A型，杭州安川電氣有限公司；

帶式夾送剖魚機：自制。

4.2 夾送系統(tǒng)皮帶間距試驗

4.2.1 試驗方法與指標(biāo) 試驗過程中，皮帶速度設(shè)定為150 mm/s，剖切深度以剖開上唇不剖開下唇為基準(zhǔn)。通過調(diào)節(jié)夾送系統(tǒng)夾板以皮帶間距L為試驗因素，以剖切過程中進料成功率a、平穩(wěn)剖切率b、出料成功率c作為試驗指標(biāo)。L的取值范圍在魚體剛好能順利夾送到魚體將要無法順利喂入之間取5個水平。共采用25尾鰱魚進行試驗，每個水平3次重復(fù)試驗。

對于試驗中定性指標(biāo)的準(zhǔn)確定義為：

(1) 順利進料：將魚體魚頭向出料方向自然放入喂料端的皮帶間，皮帶能自動將魚體卷入則為能順利進料。

(2) 平穩(wěn)剖切：在魚體克服刀盤剪切力經(jīng)過刀盤位置的運動過程中，若沒有出現(xiàn)魚頭或魚尾大幅度翻轉(zhuǎn)使得魚體無法繼續(xù)在夾送皮帶帶動下前進為平穩(wěn)剖切。

(3) 順利出料：魚體在切剖完成后，魚頭通過夾送系統(tǒng)彈簧柱塞整列能自動從托魚槽的卸料斜槽滑落為順利出料。

4.2.2 試驗結(jié)果與分析 由表1可知：皮帶間距為L=40 mm時剖切效果最佳。

表1 不同皮帶間距剖切效果試驗結(jié)果

4.3 剖切系統(tǒng)刀盤高度試驗

4.3.1 試驗方法與指標(biāo) 以刀盤高度S(見圖8)為試驗因素。以魚體剖開率(剖切長度/魚體體長)和剖切質(zhì)量(感官評價)為試驗指標(biāo)。S取值介于未切開魚腹部腔體的刀盤高度剖切過程使內(nèi)臟大部分嚴重受損的刀盤高度之間(220，210，200，190，180 mm)。每個水平取3尾魚進行重復(fù)試驗。

1. 托魚槽 2. 刀盤

4.3.2 試驗結(jié)果與分析 由表2可知：① 刀盤高度對白鰱剖開率的影響極顯著(P<0.01)；② 刀盤高度逐漸下降的過程中，剖開率逐漸增大，在220，210，200 mm水平下魚體頭骨不能完全剖開，魚體背部也不能完全向兩側(cè)平鋪開。在190，180 mm水平下魚體頭部、背部均完全剖開，魚背可輕易向兩側(cè)平鋪；③ 只有220 mm水平下魚鰾可確保保留，而在180 mm水平下魚膽開始破損，將嚴重影響剖切后魚的風(fēng)味。故180 mm水平不適用于剖切白鰱。

表2 剖魚機剖切系統(tǒng)刀盤高度試驗結(jié)果?

? 同列不同的上標(biāo)字母表示經(jīng)多重比較(新復(fù)極差法)具有顯著差異(P<0.05)。

綜合以上分析可得：過高的刀盤高度不能完全剖開魚體，過低的刀盤高度會使魚體魚膽破裂，影響魚肉風(fēng)味。而魚鰾也是一種比較受歡迎的食材，保留魚鰾和完全剖開魚體難以同時實現(xiàn)，因此需要根據(jù)不同的需求來選擇完全剖開魚體且不損傷魚膽的刀盤高度和能保留住魚鰾的刀盤高度。若要保留魚鰾，刀盤高度水平取值范圍為210 mm

5 結(jié)論

(1) 彈簧柱塞陣列提供夾持力的皮帶夾送機構(gòu)，能夠保證魚體在傳送過程中的緊固和對中，確保剖切和出料過程順利可靠，并對不同魚種具有很強適應(yīng)性，可針對0.5～3.0 kg常見淡水魚進行加工。

(2) 夾送系統(tǒng)整體傳動結(jié)構(gòu)簡單、效率高、兩邊皮帶速度精確同步，且系統(tǒng)整體傳動結(jié)構(gòu)緊湊。

(3) 刀架可根據(jù)不同魚種及剖切要求進行微調(diào)節(jié)，能更好地達到預(yù)期的剖切效果。

(4) 通過試驗確定了針對(1.50±0.25) kg白鰱魚的最優(yōu)皮帶間距及刀盤高度取值范圍。

(5) 本裝置實際加工效率較高，通過實驗，加工效率可達1 200 尾/h，剖切效果達到預(yù)期。后續(xù)將繼續(xù)優(yōu)化主要部件并對不同魚種及不同規(guī)格進行試驗確定相應(yīng)工藝參數(shù)，使該裝置得以適應(yīng)實際加工生產(chǎn)需要。

[1] 陳奇, 袁木平. 淡水魚工業(yè)化生產(chǎn)的探討[J]. 食品與機械, 2005, 21(1): 40-42.

[2] 萬鵬, 潘海兵, 龍長江, 等. 基于機器視覺技術(shù)淡水魚品種在線識別裝置設(shè)計[J]. 食品與機械, 2012, 28(6): 164-167.

[3] 柏蕓, 熊善柏. 我國淡水魚加工業(yè)現(xiàn)狀、問題與對策[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué), 2010, 49(12): 3 159-3 161, 3 167.

[4] 李楷模, 文躍兵. 視覺引導(dǎo)淡水魚自動去頭尾系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)[J]. 食品與機械, 2014, 30(5): 141-143.

[5] 勵建榮, 馬永鈞. 中國水產(chǎn)品加工業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展[J]. 食品科技, 2008, 33(1): 1-4.

[6] 胡曉亮, 陳慶余, 沈建. 竹筴魚去臟加工用剖切刀具的優(yōu)化試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2014, 30(12): 270-277.

[7] 陳慶余, 沈建, 歐陽杰, 等. 典型海產(chǎn)小雜魚機械去臟試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2013, 29(20): 278-285.

[8] 彭三河, 徐武. 鏈?zhǔn)降~加工前處理裝置的研制[J]. 食品與機械, 2013, 29(2): 139-142.

[9] 朱國, 譚鶴群. 魚體在剖魚機夾片中受力有限元分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2008, 24(4): 44-48.

[10] 譚鶴群, 熊善柏, 張濤, 等. 一種鏈?zhǔn)降~剖魚機: 中國, CN201123357[P]. 2008-10-01.

[11] 譚鶴群, 高星星. 鏈?zhǔn)狡属~機工藝參數(shù)優(yōu)化試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2011, 27(6): 332-336.

[12] 黃興元, 熊偉明, 京玉海, 等. 滾切式蓮子剝殼機及其試驗研究[J]. 食品與機械, 2012, 28(4): 139-142.

Design of freshwater fish slitter by belt-clamp

HUANG Peng-feiTANHe-qunZHANGChun-jiWANPengNIEJie

(CollegeofMechanicalEngineeringHuazhongAgriculturalUniversity,Wuhan,Hubei430070,China)

This study is about the design and manufacture of a new belt-clamp freshwater fish slitter which is based on the research of characteristic parameters ofhypophthalmichthysmolitrix.. The fish slitter consists of machine frame, nip-deliver system, cutting system. The key processing parameters of fish slitter can be adjusted, such as belt spacing of nip-deliver system, belt speed, circular saw height of cutting system. The rated power is 3.7 kW, consist of 1.5 kW cutting system motor and 2.2 kW nip-deliver system motor. The final results of experiments with (1.5±0.25) kghypophthalmichthysmolitrix: The level of belt spacing has significant impact on charging, cutting and discharging; it can be 100% success rate when the level of belt spacing isL=40 mm. The level of circular saw height has significant impact on cutting quality, for the fish fully cut open from the head to the tail requires circular saw height not more than 190 mm, for complete preservation of the swim bladder requires circular saw height not less than 210 mm, for not to destroy the fish bile requires circular saw height not less than 180 mm. The fish slitter running stable and has the best cutting quality when the level of belt spacing of nip-deliver system isL=40 mm, the level range of circular saw height of cutting system are from 180 mm to 190 mm.

freshwater fish; slit; fish slitter; belt-clamp

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.12.018

湖北省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新崗位課題(編號：4006-3671600304)

黃鵬飛，男，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)在讀碩士研究生。

譚鶴群(1968—)，男，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)副教授，博士。 E-mail：thq@mail.hzau.edu.cn

2016—11—15