萬 鵬，黃 俊，譚鶴群，朱 明，趙竣威

（1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢430070；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430070）

0 引 言

中國(guó)是世界淡水養(yǎng)殖大國(guó)，2017年淡水養(yǎng)殖總產(chǎn)量為2 905.29萬t，其中淡水魚養(yǎng)殖產(chǎn)量為2 540.98萬t，占整個(gè)淡水養(yǎng)殖總產(chǎn)量的87.46%，淡水產(chǎn)品加工量為408.19萬t，占淡水產(chǎn)品總產(chǎn)量的18.36%[1]，淡水產(chǎn)品總體加工率偏低。淡水魚前處理加工是淡水魚加工過程的首要和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要包括：清洗、分級(jí)、定向、去頭尾、除鱗、去內(nèi)臟等幾個(gè)關(guān)鍵步驟[2-4]。目前國(guó)內(nèi)部分學(xué)者對(duì)淡水魚前處理加工技術(shù)和裝備做了相應(yīng)研究：譚鶴群等[5]設(shè)計(jì)研發(fā)了針對(duì)鳊魚和白鰱剖切用的剖魚機(jī)；程世俊等[6-8]設(shè)計(jì)研發(fā)了淡水魚連續(xù)式彈簧刷去鱗機(jī)；鄒偉等[9-10]研制了淡水魚連續(xù)式去頭尾裝置；黃鵬飛等[11-12]改進(jìn)和研制了帶式夾送淡水魚剖魚機(jī)；彭三河等[13-16]設(shè)計(jì)了仿形除鱗輥揉搓除鱗機(jī)和鏈?zhǔn)降~加工前處理裝置。這些淡水魚前處理加工單機(jī)設(shè)備在工作時(shí)，都需要對(duì)魚體進(jìn)行定向處理，即按照一定的頭尾朝向和腹背朝向?qū)Ⅳ~體送入設(shè)備進(jìn)行喂料；傳統(tǒng)的喂料方式多由人工完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，在一定程度上制約了淡水魚前處理加工業(yè)的發(fā)展，因此研究淡水魚魚體定向方法和裝備對(duì)淡水魚前處理加工業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。

魚體腹背定向是魚體定向的主要內(nèi)容，國(guó)外相關(guān)學(xué)者和企業(yè)進(jìn)行了較多研究，并研發(fā)出了一些與魚體工廠化流水線加工相適應(yīng)的魚體定向設(shè)備。巴德魚類加工機(jī)械制造廠設(shè)計(jì)制造了“巴德”481型自動(dòng)加料機(jī)[17]，采用驅(qū)動(dòng)壓輪和壓板相結(jié)合的方式同時(shí)對(duì)魚背和魚腹進(jìn)行擠壓從而實(shí)現(xiàn)魚體腹背定向；瑞典Vmp公司生產(chǎn)的鯡魚定量輸送機(jī)，利用振動(dòng)槽和圓盤的作用實(shí)現(xiàn)了魚體頭尾和腹背定向[18]；Leander[19]設(shè)計(jì)了一種魚體腹背定向系統(tǒng)，利用腹背定向機(jī)構(gòu)和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)共同作用實(shí)現(xiàn)魚體腹背定向；Andresen等[20]利用魚體頭部剛度較大這一特性，設(shè)計(jì)了一種魚體頭尾定向裝置；Pegoraro等[21]設(shè)計(jì)了一種魚體頭尾定向系統(tǒng)，利用傳感器檢測(cè)輸送帶上的魚體姿勢(shì)，結(jié)合相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)魚體頭尾定向；Knyszewki等[22]設(shè)計(jì)了用于細(xì)棘長(zhǎng)吻魚魚體頭尾和腹背定向的高位振動(dòng)平臺(tái)和低位振動(dòng)平臺(tái)。由于國(guó)內(nèi)魚體定向方面的研究起步較晚，故研究成果較少。徐頌波等[23]基于大多數(shù)紡錘或扁平體形的魚體重心在腹部這一特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種橫截面不斷變化、深度不斷加深的滑道，實(shí)現(xiàn)了魚體腹背定向；高星星等[24-25]設(shè)計(jì)了一種淡水魚頭尾與腹背定向裝置，采用傾斜的振動(dòng)臺(tái)面與漸變滑道相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)鰱魚魚體的頭尾與腹背定向。綜上，國(guó)外魚體定向設(shè)備處理對(duì)象主要是海水魚，而海水魚外觀體型與本土淡水魚差別較大，因此國(guó)外魚體定向設(shè)備并不一定適用于本土淡水魚的定向；國(guó)內(nèi)魚體定向設(shè)備，主要利用漸變滑道對(duì)魚體腹背同時(shí)施加擠壓力，使魚體腹背實(shí)現(xiàn)定向，但漸變滑道無法主動(dòng)施加分離力，將魚體分離出定向裝置，一般得依靠?jī)A斜臺(tái)面和魚體自身的重力作用，故有必要研究并開發(fā)適用于淡水魚的定向方法及設(shè)備。本文以魚體腹部橫截面近似為楔形的典型大宗淡水魚鯽魚為研究對(duì)象，在魚體腹背受力擠壓力學(xué)特性研究的基礎(chǔ)上，提出了一種淡水魚魚體腹背定向方法，設(shè)計(jì)并試制了淡水魚魚體腹背定向試驗(yàn)裝置，以定向成功率和定向時(shí)間為試驗(yàn)指標(biāo)，開展了相關(guān)試驗(yàn)研究，以期為魚體定向設(shè)備研發(fā)提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)

本文淡水魚魚體腹背定向試驗(yàn)裝置作為一種試驗(yàn)探究性質(zhì)的裝置，裝置相關(guān)部分運(yùn)行參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)根據(jù)魚體外觀尺寸和試驗(yàn)要求能實(shí)現(xiàn)可控可調(diào)。淡水魚魚體腹背定向試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，機(jī)架主體由型號(hào)40 mm×40 mm和80 mm×40 mm的鋁合金型材搭建而成，主要包括輸送裝置和對(duì)輥擠壓裝置兩部分。輸送裝置主體為輸送機(jī)，表面輸送帶為綠色PVC輸送帶，上部安裝有活動(dòng)擋板，由伺服電機(jī)2（型號(hào)80ST-M02430，額定功率0.75kW，額定扭矩2.39N·m，額定轉(zhuǎn)速3000r/min）通過同步輪與同步帶進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；對(duì)輥擠壓裝置主要包括上支撐板和下支撐板兩部分，上支撐板和下支撐板安裝于機(jī)架上，上支撐板上布置有2個(gè)對(duì)輥（直徑150 mm），下支撐板上布置有由同步輪和雙面齒同步帶組成的傳動(dòng)系統(tǒng)，伺服電機(jī)1（型號(hào)80ST-M02430，額定功率0.75kW，額定扭矩2.39 N·m，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min）安裝于下支撐板下部的機(jī)架上，與減速器（型號(hào)NMRV050，減速比10:1）連接。

圖1 淡水魚魚體腹背定向試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural schematic diagram of text device for freshwater fishes"abdomen and back orientation

對(duì)輥擠壓裝置的對(duì)輥傳動(dòng)系統(tǒng)及對(duì)輥間隙調(diào)節(jié)如圖2所示，從動(dòng)同步輪、張緊同步輪和主動(dòng)同步輪布置于下支撐板上，相互之間通過雙面齒同步帶的嚙合作用組成對(duì)輥傳動(dòng)系統(tǒng)。兩從動(dòng)同步輪上部通過傳動(dòng)軸與兩對(duì)輥相連，下部加工有相應(yīng)的滑槽；試驗(yàn)時(shí)可根據(jù)試驗(yàn)要求，同時(shí)移動(dòng)兩從動(dòng)同步輪，通過改變兩從動(dòng)同步輪的中心距來調(diào)節(jié)兩對(duì)輥之間的間隙；張緊同步輪下部同樣加工有相應(yīng)的滑槽，保證在移動(dòng)兩從動(dòng)同步輪時(shí)，雙面齒同步帶處于張緊狀態(tài)；主動(dòng)同步輪下部通過傳動(dòng)軸與減速器相連，通過伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)作用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輥旋轉(zhuǎn)方向相反的轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2 對(duì)輥傳動(dòng)系統(tǒng)及對(duì)輥間隙調(diào)節(jié)示意圖Fig.2 Adjustment schematic diagram of dual roller drive system and roller gap

1.2 試驗(yàn)裝置工作原理

試驗(yàn)裝置的工作原理是：將魚體頭部朝向?qū)仈D壓裝置，放于輸送裝置尾端，置于兩活動(dòng)擋板組成的滑道間，兩活動(dòng)擋板的間距可以根據(jù)魚體體寬進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證魚體以平臥的姿勢(shì)隨輸送帶一起運(yùn)動(dòng)進(jìn)入兩對(duì)輥的間隙間；進(jìn)入兩對(duì)輥間的魚體，通過兩對(duì)輥的擠壓作用，實(shí)現(xiàn)魚體腹背定向。

試驗(yàn)時(shí)，魚體輸送速度和對(duì)輥轉(zhuǎn)速可通過調(diào)節(jié)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)，魚體輸送速度V和對(duì)輥轉(zhuǎn)速N計(jì)算式為

式中V為魚體輸送速度，m/s；N為對(duì)輥轉(zhuǎn)速，r/min；R為輸送滾筒半徑，mm；n為伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；i為減速器的減速比。

2 魚體腹背定向機(jī)理分析

在養(yǎng)殖的大宗淡水魚中，多數(shù)魚體腹部橫截面形狀近似為楔形，如圖3所示。

圖3 魚體腹部橫截面示意圖Fig.3 Schematic diagram of fish body abdomen cross-section

相關(guān)研究表明[26-27]：由于魚體近似為楔形的腹部橫截面結(jié)構(gòu)，當(dāng)魚體側(cè)臥于水平面放置時(shí)，魚體腹部中心C點(diǎn)與背部中心D點(diǎn)的連線，與水平面成一定角度，當(dāng)魚體的腹背同時(shí)受到相向擠壓時(shí)，由于魚體背腹的高度差異（H1＞H2），導(dǎo)致魚體腹背所受擠壓力的作用線相對(duì)于魚體腹部橫截面處質(zhì)心O不在同一直線上，且魚體背部所受擠壓力F1的作用線在魚腹部所受擠壓力F2的作用線之上，二力相對(duì)于魚體質(zhì)心O，形成一對(duì)力矩，使魚體發(fā)生腹部朝下、背部朝上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，魚體被抬起。通過上述分析，可知在正常情況下，魚體繞魚體橫截面處質(zhì)心發(fā)生腹部朝下，背部朝上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)在理論上是可以實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)魚體受到外部較強(qiáng)的干擾，迫使魚體腹背高度位置發(fā)生改變，若出現(xiàn)腹背所受擠壓力在同一水平直線上（H1=H2）的情況，則二力無法形成一對(duì)力矩，魚體將不會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；若出現(xiàn)魚體背部所受擠壓力F1的作用線在魚腹部所受擠壓力F2的作用線之下（H1＜H2）的情況，魚體將發(fā)生腹部朝上、背部朝下的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，與正常情況下的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方向相反。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，常利用有棱對(duì)輥旋轉(zhuǎn)擠壓作用抓取農(nóng)業(yè)物料[28-29]，本文基于魚體腹背力學(xué)特性和對(duì)輥?zhàn)饔锰匦?，利用旋轉(zhuǎn)方向相反的對(duì)輥對(duì)處于其間隙間的魚體腹背同時(shí)施加擠壓力，使魚體發(fā)生腹部朝下，背部朝上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)魚體腹背定向；同時(shí)利用對(duì)輥與魚體腹背之間的摩擦力，在魚體發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，將魚體分離出去，輔以相應(yīng)的導(dǎo)向滑道，分離出去的魚體便按照一定的腹背朝向進(jìn)入下一道加工工序中，由于魚體頭部形狀呈類V形，兩對(duì)輥在旋轉(zhuǎn)的任意時(shí)刻也應(yīng)形成相應(yīng)的類V形空間，可保證在對(duì)輥旋轉(zhuǎn)的任意時(shí)刻，魚體都能順利進(jìn)入對(duì)輥間隙，故對(duì)輥棱邊數(shù)至少應(yīng)大于4，魚體在對(duì)輥?zhàn)饔孟碌氖芰Ψ治鋈鐖D4所示。

2.1 魚體分離運(yùn)動(dòng)受力分析

魚體在對(duì)輥間隙間，對(duì)輥能抓取魚體，魚體能被對(duì)輥分離出去，受力應(yīng)滿足

式中μ1為魚體背部沿對(duì)輥徑向滑動(dòng)時(shí)的摩擦因數(shù)，μ2為魚體腹部沿對(duì)輥徑向滑動(dòng)時(shí)的摩擦因數(shù)。

圖4 魚體受力分析Fig.4 Force analysis of fish body

聯(lián)立上述各式，計(jì)算得

同時(shí)，由圖4可知

式中H為魚體腹部橫截面處直徑，mm；h為對(duì)輥間隙，mm；R為對(duì)輥直徑，mm。

由式(5)可知增加對(duì)輥直徑R、增加對(duì)輥間隙h均可減小魚腹和魚背處與對(duì)輥的接觸角α，結(jié)合式(4)可得，在對(duì)輥對(duì)魚體背腹處的法向作用力N1和N2一定的情況下，增加魚體背腹沿對(duì)輥徑向滑動(dòng)時(shí)的摩擦因數(shù)μ1和μ2，增加對(duì)輥直徑R、增加對(duì)輥間隙h均有利于魚體被分離出去。

2.2 魚體翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)受力分析

魚體在兩對(duì)輥間隙間能發(fā)生背部朝上，腹部朝下的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，魚體在腹部橫截面處受力應(yīng)滿足

式中μ3為魚體背部沿對(duì)輥軸向滑動(dòng)時(shí)的摩擦因數(shù)，μ4為魚體腹部沿對(duì)輥軸向滑動(dòng)時(shí)的摩擦因數(shù)。

聯(lián)立上述各式，計(jì)算得

由式（7）可知在魚體背腹法向作用力N1和N2一定的情況下，減小魚體背腹沿對(duì)輥軸向滑動(dòng)時(shí)的摩擦力f1和f2的力臂d1與d2，即適當(dāng)減小對(duì)輥間隙h有利于魚體在兩輥間的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

3 魚體腹背定向試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

本文主要試驗(yàn)設(shè)備為淡水魚魚體腹背定向試驗(yàn)裝置，其他主要儀器設(shè)備包括游標(biāo)卡尺（精度0.1 mm）、鋼尺（量程500 mm）、電子秤（精度0.1 g）、秒表（精度0.01 s）等。

3.2 試驗(yàn)材料

本文選取魚體腹部橫截面近似為楔形的典型大宗淡水魚鯽魚為試驗(yàn)對(duì)象，試驗(yàn)所選用鯽魚購于華中農(nóng)業(yè)大學(xué)某市場(chǎng)，個(gè)體新鮮、外表完整，魚體在前處理加工過程中，為了避免活魚運(yùn)動(dòng)對(duì)前處理加工過程造成影響，常將活魚作凍暈或敲暈處理，本文在實(shí)驗(yàn)室條件下，將試驗(yàn)魚體作敲暈處理；通過上文對(duì)魚體腹背定向機(jī)理的分析，對(duì)輥間隙的大小對(duì)魚體腹背定向具有重要的影響，對(duì)輥的間隙的大小應(yīng)根據(jù)魚體的體寬和體厚來設(shè)計(jì)，原則上對(duì)輥間隙的大小可調(diào)范圍應(yīng)不小于魚體的體厚，不大于魚體的體寬；此外輸送裝置上兩活動(dòng)擋板間的距離也根據(jù)魚體體寬設(shè)計(jì)。故對(duì)試驗(yàn)所選用的15條鯽魚進(jìn)行了魚體質(zhì)量和外觀尺寸測(cè)量，測(cè)量方法如圖5所示。

圖5 魚體外觀尺寸測(cè)量示意圖Fig.5 Measurement schematic diagram of fish body size

測(cè)量結(jié)果如表1所示，可知所選取的試驗(yàn)魚體個(gè)體差異較小，比較均勻。

表1 魚體質(zhì)量和外觀尺寸測(cè)量結(jié)果Table 1 Measurement results of fish body weight and size

3.3 試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

進(jìn)行魚體腹背定向相關(guān)試驗(yàn)時(shí)，采用定向成功率Wx和定向時(shí)間To作為魚體腹背定向效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

魚體在輸送帶上以一定速度進(jìn)入兩對(duì)輥間隙之間，經(jīng)過兩輥的作用，能順利完成背部朝上，腹背朝下的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作視為定向成功，除此之外，出現(xiàn)其余各現(xiàn)象均視為定向失敗，定向成功率計(jì)算公式如式（8）所示

式中Wx為定向成功率，%；Wy為每次試驗(yàn)中定向成功的魚體數(shù)；Wz為每次試驗(yàn)魚體樣本數(shù)。

從魚體接觸兩對(duì)輥開始計(jì)時(shí)，魚體經(jīng)對(duì)輥?zhàn)饔茫留~體完全立起來停止計(jì)時(shí)，整個(gè)過程的總時(shí)間為定向時(shí)間為To。

每次試驗(yàn)從所選用的15條魚體樣本中隨機(jī)選取5條，試驗(yàn)重復(fù)3次，共15次試驗(yàn)，結(jié)果取平均值。

3.4 影響魚體腹背定向效果的單因素試驗(yàn)

根據(jù)上文對(duì)魚體腹背定向機(jī)理的分析，可知對(duì)輥間隙過小，魚體不易被分離出去，對(duì)輥間隙過大，則不利于魚體的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，故對(duì)輥間隙不宜過大也不宜過小，根據(jù)前期預(yù)試驗(yàn)結(jié)果和魚體外觀尺寸測(cè)量結(jié)果，對(duì)輥間隙取30～70 mm。此外通過前期預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)輥形、魚體輸送速度、對(duì)輥轉(zhuǎn)速等因素對(duì)魚體腹背定向也有一定程度影響。由于對(duì)輥棱變數(shù)至少應(yīng)大于4，則初選輥形為六棱輥、八棱棍、十棱輥。通過預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)魚體輸送速度和對(duì)輥轉(zhuǎn)速過低時(shí)，定向時(shí)間較長(zhǎng)，效率較低，當(dāng)魚體輸送速度和對(duì)輥轉(zhuǎn)速過大時(shí)，繼續(xù)增加魚體輸送速度和對(duì)輥轉(zhuǎn)速，對(duì)魚體定向成功率和定向時(shí)間影響較小，且過高的魚體輸送速度和對(duì)輥轉(zhuǎn)速也會(huì)影響試驗(yàn)裝置的穩(wěn)定性，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，魚體輸送速度取0.2～1.0 m/s，對(duì)輥轉(zhuǎn)速取10～90 r/min。故設(shè)置輥形、對(duì)輥間隙、魚體輸送速度、對(duì)輥轉(zhuǎn)速為單因素試驗(yàn)因素，探究各因素對(duì)魚體腹背定向的影響規(guī)律，以鯽魚為試驗(yàn)對(duì)象，以定向成功率Wx和定向時(shí)間To為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行單因素試驗(yàn)，試驗(yàn)因素水平如表2所示。

表2 單因素試驗(yàn)因素水平表Table 2 Factors and levels of single factor tests

3.4.1 輥形對(duì)魚體腹背定向的影響

設(shè)定對(duì)輥間隙60 mm，對(duì)輥轉(zhuǎn)速10 r/min，魚體輸送速度0.2 m/s，分別探究六棱輥、八棱棍、十棱棍對(duì)魚體腹背定向的影響，結(jié)果如表3所示。

表3 輥形對(duì)魚體腹背定向的影響Table 3 Effects of roller shape on abdomen and back orientation of fish body

從表3中可以看出，輥形為六棱輥時(shí)，定向成功率較低，為80%，輥形為八棱棍和十棱輥時(shí)，定向成功率較高，均為93.33%；輥形為六棱輥時(shí)，定向時(shí)間較長(zhǎng)，輥形為十棱輥時(shí)，定向時(shí)間較短。綜合考慮魚體腹背定向效果、對(duì)輥加工工藝難度和加工成本等各方面綜合因素，選取八棱輥?zhàn)鳛轸~體腹背定向輥較為合適，故在后續(xù)試驗(yàn)中，重點(diǎn)探究在八棱輥?zhàn)鳛轸~體腹背定向輥條件下，裝置各主要參數(shù)對(duì)魚體腹背定向的影響。

3.4.2 對(duì)輥間隙對(duì)魚體腹背定向的影響

設(shè)定魚體輸送速度0.2 m/s，對(duì)輥轉(zhuǎn)速10 r/min，對(duì)輥間隙30～70 mm，探究對(duì)輥間隙對(duì)魚體腹背定向的影響，結(jié)果如圖6所示。

圖6 對(duì)輥間隙對(duì)魚體腹背定向的影響Fig.6 Effect of roller gap on abdomen and back orientation of fish body

從圖6中可以看出，魚體定向成功率呈先增大后減小的趨勢(shì)，在對(duì)輥間隙為30和70 mm時(shí)，魚體定向成功率明顯低于其他間隙條件下魚體定向成功率，原因分析：結(jié)合前文魚體腹背定向機(jī)理，當(dāng)對(duì)輥間隙為30 mm時(shí)，間隙較小，魚體不易被分離出去，當(dāng)對(duì)輥間隙為70 mm時(shí)，間隙較大，魚體不易發(fā)生翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，故較優(yōu)的對(duì)輥間隙區(qū)間為40～60 mm。

3.4.3 魚體輸送速度對(duì)魚體腹背定向的影響

設(shè)定對(duì)輥間隙60 mm，對(duì)輥轉(zhuǎn)速為10 r/min，魚體輸送速度0.2～1.0 m/s，探究魚體輸送速度對(duì)魚體腹背定向的影響，結(jié)果如圖7所示。

圖7 魚體輸送速度對(duì)魚體腹背定向的影響Fig.7 Effect of fish body transport speed on abdomen and back orientation of fish body

從圖7中可以看出，魚體定向成功率整體變化趨勢(shì)不大；定向時(shí)間整體呈下降趨勢(shì)，當(dāng)魚體輸送速度小于0.6 m/s時(shí)，下降趨勢(shì)較大，說明在此區(qū)間內(nèi)魚體輸送速度對(duì)魚體定向時(shí)間的影響較大，當(dāng)魚體輸送速度大于0.6 m/s時(shí)，下降趨勢(shì)較平緩，說明在此區(qū)間內(nèi)魚體輸送速度對(duì)魚體定向時(shí)間的影響較小。

3.4.4 對(duì)輥轉(zhuǎn)速對(duì)魚體腹背定向的影響

設(shè)定對(duì)輥間隙60 mm，魚體輸送速度為0.2 m/s，對(duì)輥轉(zhuǎn)速10～90 r/min，探究對(duì)輥轉(zhuǎn)速對(duì)魚體腹背定向的影響，結(jié)果如圖8所示。

圖8 對(duì)輥轉(zhuǎn)速對(duì)魚體腹背定向的影響Fig.8 Effect of roller rotation rate on abdomen and back orientation of fish body

從圖8中可以看出，魚體定向成功率整體變化趨勢(shì)不大；定向時(shí)間整體呈下降趨勢(shì)，當(dāng)對(duì)輥轉(zhuǎn)速小于50 r/min時(shí)，下降趨勢(shì)較大，說明在此區(qū)間內(nèi)，對(duì)輥轉(zhuǎn)速對(duì)魚體定向時(shí)間的影響較大，當(dāng)對(duì)輥轉(zhuǎn)速大于50 r/min時(shí)，下降趨勢(shì)較平緩，說明在此區(qū)間內(nèi)，對(duì)輥轉(zhuǎn)速對(duì)魚體定向時(shí)間的影響較小。

3.5 正交試驗(yàn)

3.5.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了探究各因素對(duì)魚體腹背定向的主次順序，確定最優(yōu)水平組合，在前期單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，選取對(duì)輥間隙、魚體輸送速度、對(duì)輥轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素，因素水平編碼見表4。以定向成功率Wx與定向時(shí)間To為試驗(yàn)指標(biāo)，采用正交表L934進(jìn)行正交試驗(yàn)[30]。

表4 正交試驗(yàn)因素水平表Table 4 Factors and levels of orthogonal test

3.5.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

正交試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Orthogonal test results

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果作極差分析，可得影響定向成功率的因素主次順序?yàn)閷?duì)輥間隙A、對(duì)輥轉(zhuǎn)速C、魚體輸送速度B，最優(yōu)組合為A2C3B3；影響定向時(shí)間的因素主次順序?yàn)閷?duì)輥轉(zhuǎn)速C、魚體輸送速度B、對(duì)輥間隙A，最優(yōu)組合為C3B3A2。兩指標(biāo)下，因素水平組合相同，因素主次順序不同，本文是在保證魚體定向成功率的前提下，盡量縮短定向時(shí)間，應(yīng)用綜合權(quán)衡法可得最優(yōu)組合為A2C3B3，即當(dāng)對(duì)輥間隙取50 mm，對(duì)輥轉(zhuǎn)速取50 r/min，魚體輸送速度取0.6 m/s時(shí)，試驗(yàn)裝置工作運(yùn)行參數(shù)最佳。

3.5.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

設(shè)定對(duì)輥間隙50 mm，魚體輸送速度0.6 m/s，對(duì)輥轉(zhuǎn)速50 r/min，在此條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，每次試驗(yàn)從15條魚體樣本中隨機(jī)選取5條，試驗(yàn)重復(fù)3次，共15次試驗(yàn)，結(jié)果取平均值，試驗(yàn)條件下魚體定向成功率為100%，定向時(shí)間為0.55 s，各項(xiàng)指標(biāo)均為最優(yōu)。

4 結(jié) 論

1）本文通過對(duì)魚體腹背定向機(jī)理的分析和相關(guān)試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：采用旋轉(zhuǎn)方向相反的對(duì)輥對(duì)魚體腹背擠壓使魚體腹背定向的方法是可行的。

2）單因素試驗(yàn)探究了對(duì)輥輥形、對(duì)輥間隙、魚體輸送速度、對(duì)輥轉(zhuǎn)速等裝置主要參數(shù)對(duì)魚體腹背定向的影響規(guī)律。在本文研究范圍內(nèi)，輥形為八棱輥和十棱輥時(shí)，定向成功率較高，均為93.33%，輥形為十棱輥時(shí)，定向成功時(shí)間較短，綜合考慮魚體腹背定向效果、對(duì)輥加工工藝難度和加工成本等各方面綜合因素，取八棱輥?zhàn)鳛轸~體腹背定向輥較為合適；在對(duì)輥間隙為30 mm和70 mm條件下，定向成功率較低，明顯低于其他試驗(yàn)水平條件下的成功率，故對(duì)輥間隙的較優(yōu)水平區(qū)間40～60 mm；在對(duì)輥轉(zhuǎn)速10～50 r/min，魚體輸送速度0.2～0.6 m/s條件下魚體定向時(shí)間隨對(duì)輥轉(zhuǎn)速和魚體輸送速度增大而下降，且下降趨勢(shì)較大，故這2個(gè)水平區(qū)間內(nèi)對(duì)輥轉(zhuǎn)速和魚體輸送速度對(duì)魚體腹背定向影響較大。

3）正交試驗(yàn)結(jié)果表明影響定向成功率的因素主次順序?yàn)閷?duì)輥間隙A、對(duì)輥轉(zhuǎn)速C、魚體輸送速度B，最優(yōu)組合為A2C3B3；影響定向時(shí)間的因素主次順序?yàn)閷?duì)輥轉(zhuǎn)速C、魚體輸送速度B、對(duì)輥間隙A，最優(yōu)組合為C3B3A2。即當(dāng)對(duì)輥間隙取50 mm，對(duì)輥轉(zhuǎn)速取50 r/min，魚體輸送速度取0.6 m/s時(shí)，裝置工作運(yùn)行參數(shù)最佳。

4）正交優(yōu)化驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明魚體定向成功率為100%，定向時(shí)間為0.55 s，各項(xiàng)指標(biāo)均為最優(yōu)。

本文以魚體腹部橫截面近似為楔形的典型大宗淡水魚鯽魚為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)魚體腹背定向方法進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證和參數(shù)優(yōu)化，由于淡水魚種類繁多，不同種類的魚體間體型差異顯著，故本文所得結(jié)論是否適用于其他種類的淡水魚，尚需進(jìn)一步研究。