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)。
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
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。
鮮活鯉魚:重量(1.5±0.5) kg,體長(zhǎng)(30±5) cm,市售。
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。
2.3.1 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。
3.1.1 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。
3.2.1 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。
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。