鄒 偉萬 鵬付 豪彭錦宇黃 俊譚鶴群

(1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖北 武漢 430070；2. 國家大宗淡水魚加工技術(shù)研發(fā)分中心﹝武漢﹞，湖北 武漢 430070)

淡水魚類產(chǎn)量在整個魚類總量中的占比約73%，而用于加工的淡水產(chǎn)品在整個淡水產(chǎn)品中的占比卻比較低，不足17%[1]?；诘~產(chǎn)業(yè)與淡水魚加工不平衡的現(xiàn)狀，研制現(xiàn)代化的淡水魚加工設(shè)備尤為重要，而去頭尾加工作為淡水魚前處理加工重要環(huán)節(jié)，其設(shè)備的研發(fā)迫在眉睫。發(fā)達(dá)國家在魚類前處理加工領(lǐng)域的研究較中國豐富，已經(jīng)研制出比較成熟的魚類前處理加工生產(chǎn)線[2]。國外魚類加工對象多為海水魚類，在魚類去頭尾加工環(huán)節(jié)，Henrak[3]的魚體加工設(shè)備能一次性切除多條魚的頭，設(shè)備中的刀具類型為平刀且刀刃長度數(shù)倍于加工魚體高度，針對選定魚類的特定尺寸能高效地進(jìn)行去魚頭加工。Henning[4]采用機(jī)器視覺技術(shù)根據(jù)魚體的幾何外形直接將魚體的姿態(tài)按要求安置在目標(biāo)位置，用計算機(jī)控制機(jī)械手臂進(jìn)行去魚頭尾加工，智能化程度高。中國對淡水魚前處理加工的機(jī)械化、自動化程度還處于較低水平，現(xiàn)有設(shè)備效率低，原材料利用率不高，致使淡水魚主要以鮮銷的方式流入市場，不僅阻礙了中國淡水魚產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也沒有合理利用淡水魚資源[5-8]。淡水魚去頭尾作為前處理加工的重要環(huán)節(jié)直接影響加工質(zhì)量。對于魚類去頭尾加工，目前，中國有針對鯪魚的前處理加工流水線設(shè)備能實(shí)現(xiàn)去頭尾工序，設(shè)備在設(shè)計時考慮到了魚體差異，能自動調(diào)整內(nèi)部機(jī)構(gòu)，確保去魚頭工序的質(zhì)量[9]。陳慶余等[10]研制了一臺去魚頭試驗(yàn)平臺，該平臺加工對象為海水小雜魚，運(yùn)用圓鋸式刀具去魚頭，生產(chǎn)效率是傳統(tǒng)手工方法的6～8倍。張帆[11]搭建了一臺去頭試驗(yàn)平臺，運(yùn)用氣動機(jī)構(gòu)斬切去頭，且刀具結(jié)構(gòu)采用仿形設(shè)計，對鰱魚去頭方法進(jìn)行了試驗(yàn)研究，尋求了白鰱去頭的最佳方法。

本研究以鳊魚、草魚為研究對象，設(shè)計一種淡水魚連續(xù)式去頭尾裝置，并進(jìn)行魚體壓縮特性試驗(yàn)、刀具類型影響試驗(yàn)等，最后進(jìn)行裝置加工效果評價試驗(yàn)，以評價裝置性能和加工效果，以期為裝置相關(guān)設(shè)計提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

淡水魚連續(xù)式去頭尾裝置主要由間歇輸送系統(tǒng)、刀具夾具驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成，見圖1。間歇輸送系統(tǒng)由調(diào)速電機(jī)2驅(qū)動，槽輪機(jī)構(gòu)3與同步帶機(jī)構(gòu)16傳動，將動力傳送至輸送帶，帶動輸送帶進(jìn)行間歇式運(yùn)動；刀具夾具驅(qū)動系統(tǒng)主要由氣缸9、刀具11、夾具12組成；控制系統(tǒng)主要由Arduino控制板、電磁閥、繼電器模塊、電源適配器、行程開關(guān)4等零部件組成，連續(xù)式去頭尾裝置中還有清洗裝置10、定位裝置13和物料收集箱7，清洗裝置主要由多個分水器、連接頭和軟管構(gòu)成，定位裝置由定位毛刷、傳動箱、驅(qū)動電機(jī)構(gòu)成，物料收集箱有3個，分別收集加工后的三部分魚體。

1. 機(jī)架 2. 調(diào)速電機(jī) 3. 槽輪機(jī)構(gòu) 4. 行程開關(guān) 5. 空氣壓縮機(jī) 6. 控制系統(tǒng)零部件 7. 物料收集箱 8. 二位五通氣控?fù)Q向閥 9. 氣缸 10. 清洗裝置 11. 刀具 12. 夾具 13. 定位裝置 14. 魚頭尾托板 15. 輸送帶 16. 同步帶傳動機(jī)構(gòu)

圖1 淡水魚連續(xù)式去頭尾裝置結(jié)構(gòu)示意圖

Figure 1 Schematic diagram of continuous device for cutting head and tail

當(dāng)連續(xù)式去頭尾裝置工作時，待加工魚體由輸送帶輸送至定位裝置中的定位毛刷下，毛刷旋轉(zhuǎn)推動魚體，魚體產(chǎn)生由魚尾至魚頭方向的滑動，魚體滑動至魚頭托板的定位擋板處停止滑動，此時魚體實(shí)現(xiàn)定位。隨后魚體輸送至加工區(qū)并處于停滯狀態(tài)，加工區(qū)位于夾具及刀具下方，魚體在輸送至加工區(qū)的過程中會觸發(fā)行程開關(guān)，此時行程開關(guān)發(fā)送觸發(fā)信號，控制系統(tǒng)控制氣缸加工魚體并復(fù)位，與此同時輸送帶將加工完成的魚體輸送出加工區(qū)，并輸送下一條待加工魚體至加工區(qū)，加工后的魚體被切割成魚頭、魚尾和去頭尾魚體三部分，并被分別收集到物料收集箱中。輸送帶在運(yùn)行過程中，調(diào)速電機(jī)一直處于運(yùn)行狀態(tài)，輸送帶的運(yùn)動狀態(tài)由槽輪機(jī)構(gòu)的特性決定；夾具防止加工過程中魚體發(fā)生跳動或滑動；控制系統(tǒng)的加入解決了間歇輸送系統(tǒng)與刀具夾具驅(qū)動系統(tǒng)的配合問題，因?yàn)轸~體空位無法觸發(fā)行程開關(guān)，所以裝置具有空位檢測功能。

2 關(guān)鍵零部件與控制系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 夾具的設(shè)計

夾具主要由圓柱彈簧、心軸、壓板、安裝板組成(見圖2)，圓柱彈簧3位于安裝板4和壓板6之間并外套于心軸5上，心軸與安裝板之間以滑動副配合，心軸與壓板固定連接。工作時，安裝板與心軸產(chǎn)生相對位移壓縮彈簧，彈簧通過壓板給魚體提供壓力，壓板先于刀具接觸魚體，在刀具接觸魚體之前壓板已對魚體施加了一定的壓力，且彈簧在壓縮過程提供的最大壓力小于魚體被壓壞的臨界壓力，壓板具有較高摩擦系數(shù)，所以能有效防止魚體的滑動且不會損壞魚體。

1. 魚體 2. 刀具 3. 圓柱彈簧 4. 安裝板 5. 心軸 6. 壓板7. 裝有擋板的輸送帶

2.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計

控制系統(tǒng)的核心為Arduino控制板，其他元件包括電磁閥、繼電器模塊，24 V直流電源，變壓器、行程開關(guān)等。圖4是控制系統(tǒng)流程圖。初始狀態(tài)電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)，氣動回路使氣缸活塞上拉至復(fù)位狀態(tài)，魚體在被輸送至加工區(qū)域的過程中觸發(fā)行程開關(guān)，行程開關(guān)發(fā)送觸發(fā)信號至Arduino控制板，Arduino控制板輸出信號使電磁閥處于開啟狀態(tài)，開啟狀態(tài)時間為1.5 s，氣缸推動刀具夾具加工魚體，隨后關(guān)閉電磁閥，關(guān)閉時間持續(xù)1.5 s，氣缸拉動刀具夾具至復(fù)位狀態(tài)，等待下一個觸發(fā)信號。

圖3 連續(xù)式去頭尾裝置控制系統(tǒng)流程圖

3 主要設(shè)計參數(shù)的確定

3.1 氣缸行程的設(shè)計

裝置的參數(shù)設(shè)計需要科學(xué)的理論為指導(dǎo)，為此本研究對加工對象的力學(xué)特性進(jìn)行試驗(yàn)，其中魚體壓縮特性試驗(yàn)為氣缸行程等參數(shù)的設(shè)計提供了直接理論來源。魚體壓縮特性試驗(yàn)以鳊魚(0.400±0.100) kg，草魚(1.200±0.300) kg為研究對象，在電子萬能試驗(yàn)機(jī)上研究魚體在受外力擠壓時魚體整體的壓縮變化規(guī)律。圖4分別是鳊魚、草魚壓縮量-載荷曲線圖。通過對魚體外觀的觀察和數(shù)據(jù)圖研究發(fā)現(xiàn)，可以從外觀和曲線兩方面定義魚體被破壞臨界點(diǎn)：魚體外觀破壞點(diǎn)，魚體內(nèi)臟從魚體內(nèi)涌出時刻魚體所受的壓力(N)；魚體塑性變形點(diǎn)，壓縮特性曲線中壓力峰值(N)。圖5為2個破壞點(diǎn)出現(xiàn)時，魚體感官情況。在曲線上，鳊魚外觀破壞點(diǎn)與曲線塑性變形點(diǎn)相距較遠(yuǎn)，但草魚外觀破壞點(diǎn)與曲線塑性變形點(diǎn)對應(yīng)的魚體感官特征出現(xiàn)時間點(diǎn)非常接近，所以在曲線上草魚外觀破壞點(diǎn)與曲線塑性變形點(diǎn)取同一點(diǎn)。試驗(yàn)中鳊魚外觀破壞點(diǎn)均值為545.1 N(A處)，曲線塑性變形點(diǎn)均值為1 038.8 N(B處)；草魚外觀破壞點(diǎn)與曲線塑性變形點(diǎn)取值相同，均值為725.0 N(C處)。

夾具設(shè)計最大壓力應(yīng)小于魚體被破壞的臨界點(diǎn)，本研究取外觀破壞點(diǎn)為臨界點(diǎn)，裝置夾具需保證研究的2種魚均適用，所以夾具設(shè)計最大壓力應(yīng)小于鳊魚外觀破壞點(diǎn)，鳊魚外觀破壞點(diǎn)均值為545.1 N，為了確保夾具不損壞魚體，夾具設(shè)計最大壓力取為400 N。

氣缸行程即為刀具和夾具的行程，根據(jù)夾具的設(shè)計要求，有式(1)～(3)，F(xiàn)1為設(shè)定夾緊魚體所需最小壓力，F(xiàn)2為魚體承受壓力的最大值，根據(jù)切割魚頭與魚尾的剪切力差值選取F1為150 N，根據(jù)前文壓縮試驗(yàn)研究F2取為400 N，經(jīng)統(tǒng)計最大魚體寬度為91 mm，取d3=100 mm，不同魚體△d2值不同，經(jīng)分析△d2最小值為2.5 mm，最大值為22 mm，d2=31 mm，取35 mm，G=113 N；為了防止夾具壓力過大使得在加工中壓壞魚體，切割余量應(yīng)取彈簧剛度計算所得的極小值，△d2取22 mm，切割余量d4取3 mm，d1取1 mm(能加工的最大魚體與壓板接觸面的距離)，△d1最小值為8 mm，最大值為10 mm，為了防止使魚體夾緊力不足，d2取極大值，△d1取10 mm，由式(1)、(2)得d2=35 mm，P=1.72 N/mm，繼而由式(3)得H=35+100+3+80=218 mm。

圖4 鳊魚、草魚壓縮量-載荷曲線圖

圖5 破壞點(diǎn)魚體感官特征

F1=P×(d2-△d1)+G，

(1)

F2=P×(d2+d3-d1-△d2+d4+L0)+G，

(2)

H=d2+d3+d4+L0，

(3)

式中：

d1——壓板接觸面距魚體的最小距離，mm；

d2——壓板接觸面距刀尖的距離，mm；

d3——彈簧自有高度時壓板接觸面距托板的距離，mm；

d4——切割余量，mm；

△d1——夾緊時魚體壓縮量，mm；

△d2——最大壓力時魚體壓縮量，mm；

H——刀具夾具行程，mm；

L0——刀具超出托板的長度，取80 mm；

P——夾具彈簧剛度，N/mm；

G——夾具自重，N。

3.2 刀具的選擇

本研究參考現(xiàn)有切割魚頭的主要方式[12]，根據(jù)刀具是否仿形和刀刃類型(尖刃、平刃)兩方面因素組合自行設(shè)計并制造了圖6中4種刀具，并對4種刀具對魚體得率和切割魚體所需剪切力的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，以此研究為指導(dǎo)確定裝置刀具選擇方案。試驗(yàn)對象為鳊魚(0.400±0.100) kg，草魚(1.200±0.300) kg，試驗(yàn)儀器主要為電子萬能試驗(yàn)機(jī)。

1. 平刀 2. 尖刀 3. 仿形平刀 4. 仿形尖刀

刀具類型對剪切力影響試驗(yàn)結(jié)果見圖7。方差分析表明，刀具類型對切割鳊魚所需最大剪切力影響極顯著(P≤0.01)，對切割草魚所需最大剪切力影響極顯著(P≤0.01)。無論鳊魚還是草魚，刀具類型對切割魚頭所需剪切力變化的趨勢相同，尖刀切割魚頭所需剪切力最小，仿形平刀所需剪切力最大。頭占比即切割分離的魚頭重量與魚體總重量的比值，魚頭占比越低則魚體得率越高，刀具類型對魚頭占比影響的試驗(yàn)結(jié)果見圖8。方差分析表明，刀具類型對鳊魚魚頭占比影響不顯著(P>0.05)；刀具類型對草魚魚頭占比影響顯著(0.01

圖7 刀具類型對最大剪切力的影響

圖8 刀具類型對魚頭占比的影響

裝置設(shè)計刀具選擇時優(yōu)先考慮魚體得率，其次考慮省力，故采用仿形刀具，魚尾結(jié)構(gòu)與魚頭結(jié)構(gòu)不同，無需仿形設(shè)計，且研究發(fā)現(xiàn)用尖刃類型的刀具較平刃刀具加工魚體省力，所以刀具方案定為去頭刀具為仿形尖刀，魚尾刀具為尖刀。

4 裝置加工效果評價試驗(yàn)

研制出淡水魚連續(xù)式去頭尾裝置樣機(jī)之后，本研究進(jìn)行了裝置加工效果評價試驗(yàn)，研究主要從裝置魚體得率、加工成功率、魚體切斷面感官得分三方面檢驗(yàn)裝置的加工效果，并在試驗(yàn)中尋找裝置設(shè)計中的不足之處。

4.1 試驗(yàn)材料與儀器

試驗(yàn)材料：鳊魚(0.400±0.100) kg，草魚(1.200±0.300) kg，為常見淡水魚中體形差異性較大的2種魚，鳊魚為平扁型，草魚為紡錘型，購于華中農(nóng)業(yè)大學(xué)生鮮超市。

電子秤：ACS-3型，精度0.1 g，衡新電子有限公司；

淡水魚連續(xù)式去頭尾裝置：自制。

4.2 試驗(yàn)指標(biāo)與方法

試驗(yàn)主要從魚體得率Pd、加工成功率S、魚體切斷面感官得分G三方面評價加工效果。魚體得率Pd由式(4)計算得出。

Pd=1-Pt-Pw，

(4)

(5)

(6)

式中：

Pt——魚頭占比；

Pw——魚尾占比；

mt——魚頭重量，N；

mw——魚尾重量，N；

M——魚體重量，N。

切斷面感官評分標(biāo)準(zhǔn)：滿分1.0分，切斷面平整有光澤無缺損為0.8～1.0分；切斷面平整無明顯缺損為0.6～0.8分；切斷面略微粗糙有一些缺損為0.2～0.4分；切斷面比較粗糙，魚肉有部分脫落為0.2～0.4分；切斷面十分粗糙，魚體不能成型，魚肉脫落嚴(yán)重為0.0～0.2分[13]。由5位經(jīng)過感官評價訓(xùn)練的鑒定人員對切斷面進(jìn)行感官評價評分，取平均值，最后根據(jù)切斷面感官評價得分進(jìn)行分級，一級為0.8～1.0，二級為0.6～0.8，三級為0.4～0.6，四級為0.2～0.4，五級為0～0.2。

4.3 結(jié)果與分析

表1表明，鳊魚加工后魚頭占比均值為15.20%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.002 6，魚尾占比均值為2.20%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.003 3，草魚加工后魚頭占比均值為21.20%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.007 8，魚尾占比均值為1.68%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.002 1，計算而得鳊魚得率均值為82.70%，草魚為76.30%；鳊魚切斷面感官評價得分均值為0.81，標(biāo)準(zhǔn)差為0.033 1，感官得分為一級；草魚切斷面感官評價得分均值為0.79，標(biāo)準(zhǔn)差為0.042 2，感官得分為二級；鳊魚加工成功率為90.00%，草魚加工成功率為85.00%。加工過程中裝置夾具對魚體損傷較小，夾具不會對魚體造成損壞。試驗(yàn)中各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差值較小，數(shù)據(jù)波動小，所以裝置加工狀態(tài)穩(wěn)定。樣機(jī)加工鳊魚的重量范圍為(0.400±0.100) kg，加工草魚的重量范圍為(1.200±0.300) kg 。試驗(yàn)中樣機(jī)的加工魚體數(shù)量有限，每條魚加工的平均時間為2.67 s，所以樣機(jī)理論加工效率為1 350條/h。

試驗(yàn)結(jié)果還表明，2種魚的魚體各部分所占比例不同所以魚體得率不同；雖然魚體腹部已被夾具夾緊，但魚頭魚尾還是有一定滑動概率，且魚頭出現(xiàn)滑動的概率小于魚尾，所以去頭成功率比去尾成功率要高，其中鳊魚去頭成功率最高為100.00%；夾具作用平扁型的鳊魚時要比作用紡錘型的草魚更加穩(wěn)定，所以鳊魚加工成功率高于紡錘形的草魚；草魚魚腹處在去頭加工過程中較鳊魚更容易被刀具損傷，所以草魚的切斷面感官評分較低，圖9為樣機(jī)加工魚體切斷面效果。

圖9 魚體切斷面效果

指標(biāo)單位魚種鳊魚草魚魚頭占比平均值%15.2021.20魚尾占比平均值%2.201.68魚體得率平均值%82.7076.30去頭率%100.0095.00去尾率%90.0085.00加工成功率%90.0085.00斷面感官評分均值0.810.79

5 結(jié)論

(1) 淡水魚連續(xù)式去頭尾裝置的研制，實(shí)現(xiàn)了淡水魚高效連續(xù)式的去頭尾加工，大大降低了對人工的依賴，為淡水魚去頭尾加工提供了一種新思路。

(2) 試驗(yàn)表明，裝置對不同種類的淡水魚有著不同加工效果，加工鳊魚的效果優(yōu)于加工草魚的。鳊魚加工成功率為90.00%，草魚加工成功率為85.00%；該裝置加工鳊魚、草魚魚體的率分別為82.70%，76.30%，感官得分分別為0.81，0.79，理論加工效率為1 350條/h。

(3) 試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)加工淡水魚時，雖然有夾具對淡水魚起到固定作用，但是魚頭和魚尾發(fā)生滑動仍有一定概率，可能導(dǎo)致加工失敗，其中魚尾較魚頭發(fā)生滑動的概率高，所以裝置有待于進(jìn)一步優(yōu)化，可從刀具結(jié)構(gòu)，夾具壓板結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。

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