夏偉偉 孟慶國(guó) 張暢原 張 旭 徐子向

(1.大連工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 大連 116034；2.日照鑫博機(jī)械設(shè)備有限公司，山東 日照 276824)

近年來中國(guó)淡水魚市場(chǎng)迅速發(fā)展，其制品產(chǎn)量逐年上升[1]。淡水魚類產(chǎn)品前處理加工包括分級(jí)、去頭、去鱗、去臟和清洗等多道工序[2-3]。其中，去臟是魚類前處理工序中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，高質(zhì)高效去臟是整個(gè)加工過程的技術(shù)難點(diǎn)。傳統(tǒng)魚類去臟通常采用人工方式，加工效率低、質(zhì)量穩(wěn)定性差，無法滿足大批量魚類去臟加工的需求。

淡水魚去臟加工主要采用接觸式的破腹去臟方法，工作原理：魚類物料在輸送皮帶、固定夾片、仿形料槽等裝置的夾持或固定下先進(jìn)行魚腹剖切，再利用除臟輪、除臟刀、除臟刷等去臟裝置進(jìn)入魚腹，通過拉扯、刮擦作用去除內(nèi)臟[4-7]。陳慶余等[8]研究了不同除臟輪構(gòu)型及參數(shù)等對(duì)魚去臟效果的影響。胡曉亮等[9]研究了皮帶夾送形式下魚去臟工藝參數(shù)優(yōu)化方法，給出了兩種不同形體魚類的最佳去臟工藝參數(shù)。張軍文等[10]設(shè)計(jì)了用于大黃魚魚體開背和臟腔定位的仿形料槽。朱國(guó)等[11]研究了魚體在剖魚機(jī)夾片中受力有限元分析，并優(yōu)化了剖魚機(jī)夾片結(jié)構(gòu)。上述報(bào)道基于魚類形體特點(diǎn)、去臟加工要求等研究了魚去臟裝置開發(fā)、性能評(píng)估及參數(shù)優(yōu)化等，對(duì)如何提高去臟加工質(zhì)量、效率及適用性等的方法和工藝進(jìn)行了詳細(xì)探討。但此類研究仍存在不足，尤其是在針對(duì)魚去臟加工損傷的研究較為缺乏。

接觸式去臟過程中內(nèi)臟的去除程度和魚體的損傷程度均與作業(yè)深度密切相關(guān)。一般而言，去臟裝置探入魚腹的深度在一定程度上越大，其去臟效果越好，但過度接觸作用也會(huì)使魚腹損傷的可能性增大。因此，擬設(shè)計(jì)一種適合淡水魚類的主動(dòng)式去臟加工裝置，通過去臟裝置作業(yè)深度的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，以達(dá)到確定去臟效果的同時(shí)降低魚腹損傷的綜合效果。采用響應(yīng)面試驗(yàn)方法，研究除臟輪往復(fù)作業(yè)的起始位置、進(jìn)給速度、進(jìn)給量等參數(shù)對(duì)綜合去臟效果的影響，并進(jìn)行感官評(píng)定，優(yōu)化去臟參數(shù)，為魚類去臟裝置研發(fā)和工藝優(yōu)化提供依據(jù)。

1 往復(fù)式去臟裝置方案設(shè)計(jì)

1.1 去臟原理

皮帶輸送式去臟原理如圖1所示，魚體1以腹部向下的姿態(tài)從設(shè)備左側(cè)喂入，由對(duì)稱的皮帶4夾持以一定速度輸送，經(jīng)剖切裝置2剖腹，再輸送至去臟工位，經(jīng)除臟裝置3將內(nèi)臟帶出。

往復(fù)式去臟工作原理如圖2所示。設(shè)除臟刀在魚腹內(nèi)最大作業(yè)深度為H，除臟刀直徑為Φ，以魚體最前端到達(dá)除臟刀軸中心位置為作業(yè)起點(diǎn)(A點(diǎn))，B點(diǎn)為除臟刀向上給出的起始位置，此時(shí)除臟刀以給出速度V向上運(yùn)動(dòng)，到達(dá)C點(diǎn)(最大作業(yè)深度)后再以同樣速度向下運(yùn)動(dòng)，回到起始高度位置D點(diǎn)，并停留等待下一條魚到達(dá)。除臟刀最高點(diǎn)作業(yè)軌跡經(jīng)由A-B-C-D-A完成一個(gè)工作周期。

1.魚體 2.剖切裝置 3.除臟裝置 4.皮帶圖1 皮帶輸送式去臟設(shè)備原理圖Figure 1 Schematic diagram of belt conveyor decontamination equipment

曲線表示除臟刀最高點(diǎn)在魚腹中的作業(yè)軌跡圖2 往復(fù)式去臟裝置作業(yè)軌跡原理Figure 2 Working track principle of reciprocating dirt removal device

1.2 往復(fù)式去臟裝置設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)去臟作業(yè)深度的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)功能，設(shè)計(jì)一種可上下往復(fù)給進(jìn)的去臟裝置(見圖3)，該裝置主要由電機(jī)、皮帶、皮帶輪及傳動(dòng)軸、除臟刀、托板和升降氣缸構(gòu)成。工作原理：電機(jī)1經(jīng)由帶式傳動(dòng)帶動(dòng)除臟刀6實(shí)現(xiàn)去臟功能，除臟裝置置于托板4上，托板4一端與機(jī)架鉸接，其在升降氣缸5作用下進(jìn)行一定角度的擺動(dòng)，由于擺動(dòng)過程中除臟刀的上下位移量遠(yuǎn)大于左右位移量，因此除臟裝置可近似視為往復(fù)上下進(jìn)給。通過除臟裝置上下進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和魚體水平夾送運(yùn)動(dòng)的聯(lián)合作用，從而實(shí)現(xiàn)如圖2所示的去臟軌跡規(guī)劃。

該往復(fù)式進(jìn)給去臟裝置的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖4所示。向上進(jìn)給作業(yè)時(shí)，進(jìn)給氣缸推進(jìn)且氣缸自身繞O點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)托板O′A從水平位置繞O′逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到O′A′位置，夾角為β。當(dāng)除臟刀從初始工位A運(yùn)動(dòng)至A′時(shí)，達(dá)到魚腹內(nèi)的最大作業(yè)深度H。設(shè)該過程中進(jìn)給氣缸推進(jìn)距離為ΔL，擺角為α，則擺角α與托板長(zhǎng)度P和ΔL的關(guān)系為：

(1)

1.電機(jī) 2.皮帶輪及傳動(dòng)軸 3.皮帶 4.托板 5.升降氣缸 6.除臟刀圖3 往復(fù)式進(jìn)給去臟裝置示意圖Figure 3 Schematic diagram of reciprocating feed device

圖4 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Figure 4 Mechanism movement diagram

式中：

P——托板長(zhǎng)度，mm；

β——托板擺角，rad；

α——?dú)飧讛[角，rad；

L——?dú)飧壮跏奸L(zhǎng)度，mm；

L′——?dú)飧捉K止長(zhǎng)度，mm；

ΔL——?dú)飧淄七M(jìn)距離，mm；

H——魚腹最大作業(yè)深度，mm。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

鮮活鯉魚：重量(1.5±0.5) kg，體長(zhǎng)(30±5) cm，市售。

2.2 設(shè)備及工作過程

淡水魚往復(fù)式去臟機(jī)(圖5)：大連工業(yè)大學(xué)和日照鑫博機(jī)械設(shè)備有限公司聯(lián)合研制；

工作過程：將魚體腹部朝下沿機(jī)架凹槽部分喂入夾送裝置，魚體經(jīng)由剖切、除臟刀去臟、滾刷刷洗及水射流清洗等工序，最后從卸料口滑落。

2.3 試驗(yàn)方法

2.3.1 單因素試驗(yàn) 淡水魚往復(fù)式去臟機(jī)作業(yè)時(shí)，去臟效果主要受除臟刀向上進(jìn)給的起始位置(給進(jìn)起始點(diǎn)與作業(yè)起點(diǎn)的相對(duì)位置)、進(jìn)給速度(氣缸推進(jìn)平均速度)、進(jìn)給量(魚腹最大作業(yè)深度)3個(gè)參數(shù)影響。帶傳送速度設(shè)定為0.2 m/s，除臟刀直徑設(shè)定為200 mm，除臟刀轉(zhuǎn)速設(shè)定為1 200 r/min。經(jīng)預(yù)試驗(yàn)確定起始位置為10～50 mm，進(jìn)給速度為0.1～0.3 m/s，進(jìn)給量為40～80 mm。

(1) 起始位置對(duì)去臟效果的影響：固定進(jìn)給速度為0.2 m/s，進(jìn)給量為60 mm，考察起始位置(10，20，30，40，50 mm)對(duì)內(nèi)臟去除程度和魚腹完整程度的影響。

(2) 進(jìn)給速度對(duì)去臟效果的影響：固定起始位置為30 mm，進(jìn)給量為60 mm，考察進(jìn)給速度(0.10，0.15，0.20，0.25，0.30 m/s)對(duì)內(nèi)臟去除程度和魚腹完整程度的影響。

圖5 淡水魚往復(fù)式去臟機(jī)Figure 5 Freshwater fish reciprocating dirty machine

(3) 進(jìn)給量對(duì)去臟效果的影響：固定起始位置為30 mm，進(jìn)給速度為0.2 m/s，考察進(jìn)給量(40，50，60，70，80 mm)對(duì)內(nèi)臟去除程度和魚腹完整程度的影響。

2.3.2 Box-Behnken設(shè)計(jì) 根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選取進(jìn)給起始位置、進(jìn)給速度、進(jìn)給量3個(gè)因素作為考察對(duì)象，以內(nèi)臟去除程度和魚腹完整程度的綜合感官評(píng)分作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，設(shè)計(jì)三因素三水平響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化往復(fù)式去臟工藝條件。

2.3.3 感官評(píng)定 根據(jù)文獻(xiàn)[12]的方法評(píng)判內(nèi)臟去除程度和魚腹完整程度。由10名專業(yè)人員對(duì)去臟試驗(yàn)后的魚體進(jìn)行評(píng)判并取平均值。魚內(nèi)臟去除程度和魚腹完整程度感官評(píng)分權(quán)重系數(shù)分別為0.6，0.4，其標(biāo)準(zhǔn)見表1。

2.3.4 數(shù)據(jù)處理 每組試驗(yàn)取3個(gè)試驗(yàn)樣本，分別計(jì)算內(nèi)臟去除程度和魚腹完整程度得分，取平均值作為該組試驗(yàn)的最后結(jié)果。利用Origin軟件和Design-exper軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述與分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 單因素試驗(yàn)

3.1.1 起始位置 由圖6可知，隨著起始位置的后移，內(nèi)臟去除程度先升高后降低，魚腹完整程度逐漸降低。當(dāng)起始位置太靠前(≤10 mm)時(shí)，除臟刀過早完成給進(jìn)動(dòng)作并退出魚腹，未造成魚腹損傷，但不能有效清除魚腹后半段內(nèi)臟。當(dāng)起始位置太靠后(≥50 mm)時(shí)，除臟刀在上升階段來不及清除魚腹前半段內(nèi)臟，而在下降階段則會(huì)對(duì)魚腹后半段造成損傷。

表1 內(nèi)臟去除程度和魚腹完整程度感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Sensory scoring standards for the degree of visceral removal

圖6 起始位置對(duì)去臟效果的影響Figure 6 Effect of starting position on dirt removal

3.1.2 進(jìn)給速度 由圖7可知，內(nèi)臟去除程度隨進(jìn)給速度的增大而降低，魚腹完整程度隨進(jìn)給速度的增大而提高。進(jìn)給速度低除臟刀在魚腹內(nèi)作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，不影響去臟效果，但刀具下降得太慢則可能劃傷魚腹。當(dāng)進(jìn)給速度為0.10～0.15 m/s時(shí)，刀具不但損傷了魚腹，還劃傷了后方魚體，評(píng)分大幅降低。進(jìn)給速度越快，除臟刀越早退出魚腹，造成的損傷越小，但也導(dǎo)致魚腹后半段去臟效果不佳。

3.1.3 進(jìn)給量 由圖8可知，內(nèi)臟去除程度隨進(jìn)給量的增大而增大，魚腹完整程度隨進(jìn)給量的增大而降低。進(jìn)給量過小，除臟刀的作業(yè)深度不足，去臟效果不佳，但除臟刀劃傷腹膜的機(jī)會(huì)也越少；進(jìn)給量越大，除臟刀在魚腹較深處作業(yè)的時(shí)間越長(zhǎng)，去臟效果越好，但刀具劃傷腹膜的可能性也越大，尤其是當(dāng)進(jìn)給量大于魚腹實(shí)際最大深度時(shí)，必然會(huì)造成腹部損傷。

3.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析 試驗(yàn)因素與水平編碼表見表2，試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果見表3。

圖7 進(jìn)給速度對(duì)去臟效果的影響Figure 7 Effect of operational speed on dirt removal

圖8 進(jìn)給量對(duì)去臟效果的影響Figure 8 Effect of feed rate on dirt removal

3.2.2 模型的建立及方差分析 對(duì)表3結(jié)果進(jìn)行多元二次方程回歸分析[13]，建立內(nèi)臟去除程度Y1和魚腹完整程度Y2的函數(shù)關(guān)系：

(2)

(3)

表2 因素及水平編碼表Table 2 Factor level coding table

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 3 Experimental design and results

3.2.3 響應(yīng)面分析 由圖9可知，當(dāng)進(jìn)給量不變，隨著進(jìn)給速度的增加，除臟刀在魚體內(nèi)作業(yè)時(shí)間減少，魚體在除臟刀作業(yè)時(shí)的位移變小，內(nèi)臟去除程度評(píng)分逐漸下降；隨著起始位置的增大，除臟刀無法徹底去除魚內(nèi)臟，內(nèi)臟去除程度評(píng)分逐漸下降。當(dāng)進(jìn)給速度不變時(shí)，隨著進(jìn)給量的增加，除臟刀在魚體內(nèi)探入的深度和作業(yè)時(shí)間均增加，當(dāng)進(jìn)給量達(dá)到65 mm后，內(nèi)臟去除程度評(píng)分基本保持不變；隨著起始位置的增大，內(nèi)臟去除程度評(píng)分先增大后減小。當(dāng)起始位置不變時(shí)，隨著進(jìn)給量的增加，內(nèi)臟去除程度評(píng)分先上升后趨于穩(wěn)定，這是因?yàn)楫?dāng)進(jìn)給量到達(dá)一定程度后內(nèi)臟已被完全去除，因此內(nèi)臟去除程度評(píng)分不再變化；隨著進(jìn)給速度的增加，除臟刀在魚體內(nèi)作業(yè)時(shí)間減少，內(nèi)臟去除程度評(píng)分逐漸降低。

由圖10可知，當(dāng)進(jìn)給量不變時(shí)，隨著進(jìn)給速度的增加，除臟刀在魚體內(nèi)作業(yè)時(shí)間減少，魚體在除臟刀作業(yè)時(shí)的位移變小，因此魚腹完整程度評(píng)分逐漸上升；隨著起始位置的增大，魚腹完整程度逐漸下降。當(dāng)進(jìn)給速度不變時(shí)，隨著進(jìn)給量的增加，魚腹完整程度評(píng)分基本保持不變，因?yàn)榇藭r(shí)除臟刀僅在魚體內(nèi)完成去臟動(dòng)作后就從魚體內(nèi)退出，此時(shí)產(chǎn)生的位移并不能使除臟刀在退出魚體時(shí)損傷到魚腹；隨著起始位置的增大，魚腹完整程度評(píng)分基本保持不變。當(dāng)起始位置不變時(shí)，隨著進(jìn)給量的增加，除臟刀在魚體內(nèi)作業(yè)時(shí)間延長(zhǎng)，魚體在除臟刀作業(yè)時(shí)的位移變大，但在一定的位移范圍內(nèi)，除臟刀對(duì)魚腹的損傷基本為0，因此魚腹完整程度評(píng)分先保持不變后降低；隨著進(jìn)給速度的增加，除臟刀在魚腹內(nèi)作業(yè)時(shí)間快速下降，當(dāng)進(jìn)給速度達(dá)到0.25 m/s后，魚腹完整程度評(píng)分基本保持不變，魚腹完整程度評(píng)分先快速上升后保持穩(wěn)定。

表4 回歸系數(shù)顯著性分析?Table 4 Significance analysis of regression coefficient

圖9 兩因素交互作用對(duì)內(nèi)臟去除程度的響應(yīng)面圖Figure 9 The response surface of the two-factor interaction to the degree of visceral removal

3.2.4 工藝參數(shù)優(yōu)化 對(duì)式(2)、(3)進(jìn)行歸一化處理，根據(jù)其權(quán)重系數(shù)分配，最終得到綜合優(yōu)化方程：

(4)

根據(jù)綜合優(yōu)化方程得最佳往復(fù)式去臟工藝參數(shù)為：起始位置26.66 mm，進(jìn)給速度0.232 m/s，進(jìn)給量63.78 mm，此條件下內(nèi)臟去除程度和魚腹完整程度評(píng)分分別為4.52，4.75。為便于操作，將去臟工藝條件修正為起始位置27 mm，進(jìn)給速度0.23 m/s，進(jìn)給量64 mm，進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到內(nèi)臟去除程度和魚腹完整程度評(píng)分分別為4.65，4.82，與預(yù)測(cè)值相接近；各組試驗(yàn)魚內(nèi)臟基本完全去除，魚腹無明顯損傷，說明該去臟模型預(yù)測(cè)優(yōu)化往復(fù)式魚去臟裝置工藝參數(shù)較為合適。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種具有可往復(fù)作業(yè)的主動(dòng)式魚去臟裝置，該裝置可以實(shí)現(xiàn)除臟刀上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，作業(yè)時(shí)除臟刀上升深入魚腹去除內(nèi)臟，非作業(yè)時(shí)間除臟刀下移，避免了除臟刀與魚腹干涉引起的作業(yè)損傷。結(jié)果表明，增大起始位置和進(jìn)給量，減少進(jìn)給速度有利于提升內(nèi)臟去除程度，但同時(shí)容易對(duì)魚腹造成損傷。影響綜合去臟效果的主次因素為進(jìn)給速度>進(jìn)給量>起始位置。當(dāng)起始位置為27 mm，進(jìn)給速度為0.23 m/s，進(jìn)給量為64 mm時(shí)，內(nèi)臟去除程度和魚腹完整程度評(píng)分分別為4.65，4.82，該方案的綜合去臟效果最佳。試驗(yàn)未能建立除臟參數(shù)與除臟效果的定量關(guān)系，后續(xù)可研究大量不同淡水魚樣本，將模型進(jìn)行補(bǔ)充與優(yōu)化，提高建模精度。