劉明勇 歐陽(yáng)周寰 韓新光 向 雪 朱 林
據(jù)調(diào)查[1],2021年中國(guó)鱔魚養(yǎng)殖產(chǎn)量達(dá)31萬(wàn)t。目前,鱔魚主要以人工宰殺為主,勞動(dòng)強(qiáng)度高、工效低、安全性差?,F(xiàn)有鱔魚剖切機(jī)構(gòu)的研究成果主要為專利。林天祥[2]發(fā)明的鱔魚宰殺器實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)鱔魚大小的功能,但仍停留在手工宰殺階段。夏明友[3]設(shè)計(jì)的鱔魚剖切裝置用一組自適應(yīng)夾持塊固定鱔魚,但缺少輸送機(jī)構(gòu),剖切效率低。別傳召[4]設(shè)計(jì)的鱔魚宰殺機(jī)設(shè)置回旋管道,利用鱔魚自身重力下滑進(jìn)入旋轉(zhuǎn)的壓鱔槽內(nèi)完成剖切,其刀片設(shè)置固定,剖切過(guò)程會(huì)產(chǎn)生較大阻力。程娟[5]發(fā)明的簡(jiǎn)易鱔魚宰殺裝置利用螺旋型刀片旋轉(zhuǎn)固定輸送鱔魚。李平等[6]研制的黃鱔初加工機(jī)臺(tái)實(shí)現(xiàn)了剖切過(guò)程自動(dòng)化,提出鱔魚宰殺需要有專門的輸送和限位裝置。
在魚類加工研究方面,國(guó)內(nèi)外學(xué)者作出了許多有益探索。劉靜等[7]得出了魚體定位距離和刀具結(jié)構(gòu)對(duì)魚體頭部切除的影響規(guī)律;夏偉偉等[8]設(shè)計(jì)了淡水魚往復(fù)式去臟裝置并獲得了較優(yōu)的工作參數(shù);黃鵬飛等[9]設(shè)計(jì)了帶式夾送淡水魚剖魚機(jī),并確定了針對(duì)白鰱魚的最優(yōu)皮帶間距高度取值范圍;譚鶴群等[10]設(shè)計(jì)的鏈?zhǔn)狡属~機(jī)使用兩瓣彈性?shī)A片夾持魚體,具有較好的喂入效果;王小琴[11]設(shè)計(jì)的高壓沖洗型剖魚機(jī)使用多對(duì)上下對(duì)稱的仿形錐運(yùn)輸魚體。國(guó)外的魚類加工平臺(tái)多為片機(jī)與輸送機(jī)[12],且較依賴人工。Ali Muhammed等[13]設(shè)計(jì)了一種用于魚類加工的小型魚肉骨分離器,使用尼龍帶輸送魚體。該機(jī)構(gòu)針對(duì)的對(duì)象為生魚片而非活魚,活魚在剖切過(guò)程會(huì)掙扎導(dǎo)致剖切質(zhì)量降低。Yamamoto[14]設(shè)計(jì)了一款通用的肉類切片機(jī),通過(guò)刀架循環(huán)上下移動(dòng)和置肉平臺(tái)向前輸送將肉切為薄片。國(guó)內(nèi)相關(guān)水產(chǎn)宰殺設(shè)計(jì)[15-16]夾持方式對(duì)于表體黏滑的鱔魚不可靠,且鱔魚頭部受到刀片剖切時(shí)身體會(huì)劇烈擺動(dòng)導(dǎo)致殺偏甚至無(wú)法宰殺。
研究擬設(shè)計(jì)一款專用于剖殺細(xì)長(zhǎng)且表面光滑的魚類剖切機(jī)構(gòu),建立魚體與夾持剖切機(jī)構(gòu)的力學(xué)模型,得出影響魚體剖切質(zhì)量和剖切時(shí)間的關(guān)鍵因素。以剖切質(zhì)量和剖切時(shí)間為指標(biāo),進(jìn)行正交試驗(yàn)工藝優(yōu)化,以期為鱔魚加工設(shè)備研發(fā)提供依據(jù)。
為降低機(jī)械振動(dòng),確??煽啃圆⒔档统杀?采用單電機(jī)驅(qū)動(dòng)。設(shè)計(jì)傳動(dòng)組將電機(jī)動(dòng)力傳遞到刀與夾輪上。相關(guān)研究[17]表明,刀片采用圓刀、逆向轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)魚體剖切的效果較好。刀片與夾輪轉(zhuǎn)向不同,故采用錐齒輪實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主體由電機(jī)、軸、軸承、帶、齒輪副組成,電機(jī)通過(guò)同步帶帶動(dòng)刀旋轉(zhuǎn);同時(shí),電機(jī)動(dòng)力通過(guò)直齒輪副和錐齒輪副帶動(dòng)夾輪旋轉(zhuǎn)?;涝O(shè)置限位塊,防止剖切時(shí)魚體受激過(guò)度擺動(dòng)無(wú)法剖殺。
為保證傳動(dòng)組的可靠性和減小整機(jī)體積,采用帶傳動(dòng)連接電機(jī)軸與刀軸。采用直齒輪副和兩對(duì)錐齒輪副連接電機(jī)軸與夾輪,設(shè)計(jì)的傳動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。
圖1 鱔鰍自動(dòng)宰殺機(jī)簡(jiǎn)圖
試驗(yàn)時(shí),啟動(dòng)電機(jī)并放下集料箱,魚體滑入集料箱狹口進(jìn)入滑道被夾輪捕獲向前輸送?;乐虚g布置一對(duì)夾輪8。電機(jī)啟動(dòng)后,轉(zhuǎn)矩由電機(jī)通過(guò)直齒輪副Ⅰ和Ⅲ、錐齒輪副Ⅳ傳遞到夾輪8上帶動(dòng)夾輪旋轉(zhuǎn);同時(shí),電機(jī)動(dòng)力通過(guò)同步帶Ⅱ傳遞到剖刀7上。夾輪旋轉(zhuǎn)定向輸送魚體,經(jīng)過(guò)刀片完成剖殺。兩錐齒輪箱體10之間設(shè)置彈性件,可在滑軌9上左右滑移,可自適應(yīng)不均勻魚體和不同大小的鱔魚。
參考已有的魚類剖切除雜裝置[18],剖刀轉(zhuǎn)速范圍為800~1 100 r/min,刀軸設(shè)于滑道上方用于剖背。選取電機(jī)型號(hào)80-ST-M02430LBX,轉(zhuǎn)速0~3 000 r/min,額定功率0.75 kW。實(shí)際觀察電機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)900 r/min時(shí)整機(jī)振動(dòng)較明顯,設(shè)置電機(jī)初始速度為450 r/min。刀外圓與夾輪中心的前后距離為3 cm。根據(jù)文獻(xiàn)[19],鱔魚觸覺(jué)神經(jīng)反射時(shí)間約為0.05 s。為保證夾持可靠性,預(yù)設(shè)置夾輪線速度v1為0.6 m/s??紤]宰殺機(jī)器整體體積,設(shè)計(jì)夾輪半徑R為45 mm,則夾輪轉(zhuǎn)速n1=v1/R=127 r/min。
由電機(jī)轉(zhuǎn)速和夾輪轉(zhuǎn)速得夾輪傳動(dòng)組總傳動(dòng)比為i1=3.6。根據(jù)質(zhì)量最小原則確定各級(jí)傳動(dòng)比。
其中各齒輪質(zhì)量和為
(1)
D1=D3,i1=i2×i3,代入式(1)得
(2)
式中:
ρ——齒輪材料密度,g/mm3;
w——齒輪質(zhì)量和,kg;
b——齒寬,mm;
D1、D2——齒輪副Ⅰ分度圓直徑,mm;
D3、D4——齒輪副Ⅲ分度圓直徑,mm;
i2——齒輪副Ⅰ傳動(dòng)比;
i3——齒輪副Ⅲ傳動(dòng)比。
設(shè)魚體輸送速度v2等于夾輪線表面速度,則魚體向前輸送的速度和刀片轉(zhuǎn)速為
(3)
(4)
式中:
v2——魚體輸送速度,m/s;
n2——刀片轉(zhuǎn)速,r/min;
R——夾輪半徑,mm;
n3——伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速,r/min;
i4——同步帶Ⅱ傳動(dòng)比。
根據(jù)已知條件,計(jì)算剖切機(jī)參數(shù)如表1所示,建立的剖切機(jī)模型如圖2所示。
表1 自動(dòng)剖切機(jī)參數(shù)
圖2 鱔鰍自動(dòng)宰殺試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖
魚體在滑道中受重力和自身生物特性影響,下滑經(jīng)過(guò)滑道與夾輪接觸。此時(shí)受自身重力和滑道、夾輪的共同作用,其主要受1對(duì)夾輪給予的大小相同的切向力FT1、FT2和法向力Fn1、Fn2、滑道的水平向摩擦力f和重力沿滑道方向的分力FG(圖3)。
圖3 魚體喂入過(guò)程受力分析
根據(jù)靜力平衡原理可得
(5)
式中:
β——滑道與水平面夾角,°;
k——形狀參數(shù)(與φ大小和夾輪限位形狀有關(guān));
μ——魚體與滑道的摩擦系數(shù)。
鱔魚順利進(jìn)入夾輪應(yīng)滿足水平向右方向的合力大于水平向左方向的合力,則
FG+FT1sinγ+FT1sinγ>Fn1cosγ+Fn2cosγ+f,
(6)
式中:
γ——法向力與水平方向夾角,°。
將式(5)代入式(6)得
G[sinβ-(cosβ)2μ]+2Fn1(k·cosγ-sinγ)>0。
(7)
由式(7)可知,通過(guò)調(diào)整夾輪間距,改變夾輪表面形狀會(huì)改變k值大小,從而增大夾輪對(duì)魚的作用力,促使魚體進(jìn)入夾輪。同時(shí),增大滑道β角,擴(kuò)大FG值也有利于魚體向前進(jìn)入夾輪。
鱔魚骨質(zhì)在魚頭部分分布較多,剖切時(shí)頭部會(huì)產(chǎn)生較大阻力,因此在剖切過(guò)程中只考慮頭部接觸剖刀后的受力情況。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),若頭部剖切成功則魚體能順利完成剖切。頭部接觸剖刀后受力分析如圖4所示,魚體主要受重力G、夾輪摩擦力F、滑道摩擦阻力f1,剖刀切向力Fn和法向力FT。
圖4 魚體夾持剖切過(guò)程受力分析
根據(jù)魚體與夾輪的幾何關(guān)系可知
(8)
式中:
φ——魚頭部斜角,°;
α——剖刀對(duì)魚作用力的法向分力與滑道的夾角,°。
根據(jù)圖4,魚體順利經(jīng)過(guò)剖刀并完成剖切,受力應(yīng)滿足:
Gsinβ+Fcosβ-f1>FTsinα+Fnsinα。
(9)
將式(8)代入式(9)得
G(sinβ-μcosβ)+Fcosβ>FTsin(φ+β)(1-μ)+Fncos(φ+β)(1+μ),
(10)
式中:
FT——剖刀對(duì)魚作用力的切向分力,N;
Fn——剖刀對(duì)魚作用力的法向分力,N。
夾持過(guò)程中鱔魚所受夾輪壓力FX1與鱔魚對(duì)夾輪的壓力FX2大小相等,故
K1x1=K2x2。
(11)
彈性件變形量x1與鱔魚單側(cè)法向壓縮變形量x2的關(guān)系為
b*-2x1-(d-2h)=x2。
(12)
將式(11)代入式(12)得
(13)
則
(14)
式中:
b*——魚體正常狀態(tài)寬度,m;
b——夾輪未設(shè)限位的間隙寬度,m;
h——夾輪表面限位高度,m;
x1——夾持過(guò)程魚體單側(cè)法向壓縮變形量,m;
x2——夾持過(guò)程錐齒輪箱體間彈性件拉伸變形量,m;
k1——錐齒輪箱體間彈性件剛度,N/m;
k2——魚體綜合剛度,N/m;
μ*——魚體與夾輪的摩擦系數(shù)。
由式(10)和式(14)可知,通過(guò)改變夾輪間隙或表面形狀,增加h從而增大F有利于魚體輸送。通過(guò)加快剖刀轉(zhuǎn)速,減小剖刀作用力FT、Fn,增大滑道β角或降低滑道摩擦系數(shù)μ均有利于魚體向前輸送完成剖切。
主要試驗(yàn)設(shè)備為鱔魚自動(dòng)宰殺機(jī),其他儀器設(shè)備及配件包括游標(biāo)卡尺、鋼尺 、電子秤(精度 0.1 g)、量角器、秒表、圓形刀片等。為確保試驗(yàn)的一致性,排除無(wú)關(guān)變量,試驗(yàn)對(duì)象統(tǒng)一選取長(zhǎng)度37~43 cm、質(zhì)量70~90 g的成年鱔魚。共測(cè)50尾魚的體長(zhǎng)與體重,統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖5。
圖5 鱔魚物理參數(shù)測(cè)定結(jié)果
剖切質(zhì)量的結(jié)果評(píng)分包括剖切程度、魚體損傷程度、感官指標(biāo)??陀^指標(biāo)中,剖切程度的切口長(zhǎng)度采用測(cè)量法,用游標(biāo)卡尺測(cè)量切口長(zhǎng)度和體長(zhǎng)得到。剖切程度中剖切深度、魚體損傷程度和感官指標(biāo)等為主觀指標(biāo),由3位實(shí)驗(yàn)員觀察后評(píng)分取平均值。參考現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)[20],設(shè)計(jì)質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。
表2 剖切質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)
更換不同齒數(shù)帶輪使剖刀與夾輪轉(zhuǎn)速比可調(diào)。以剖切質(zhì)量和剖切時(shí)間為評(píng)價(jià)指標(biāo),探究剖切結(jié)果與限位類型(矩形、梯形和圓形)、限位高度(4,5,6 mm)、刀片轉(zhuǎn)速(375,563,750,938,1 125,1 500 r/min)、夾輪轉(zhuǎn)速(83,125,167,208,222,250 r/min)的關(guān)系。并在此基礎(chǔ)上,以限位高度、刀片轉(zhuǎn)速和夾輪轉(zhuǎn)速為因素,設(shè)計(jì)三因素三水平正交試驗(yàn)優(yōu)化剖切質(zhì)量和剖切時(shí)間的最佳工藝條件。
3.4.1 夾輪表面限位形狀對(duì)魚體剖切質(zhì)量的影響 鱔魚表面無(wú)魚鱗,摩擦系數(shù)較小,所以輸送魚體需要設(shè)置專門的柔性?shī)A具[21-22]或設(shè)置特殊表面結(jié)構(gòu)[23]。因此,夾輪限位形狀設(shè)置矩形限位、半圓形限位和梯形限位3種,設(shè)定刀片轉(zhuǎn)速1 080 r/min,凸起高度4 mm。
試驗(yàn)表明,圓形限位在低轉(zhuǎn)速時(shí)剖切效果較差,剖切時(shí)頭部一側(cè)組織被大量切除。調(diào)高轉(zhuǎn)速后再進(jìn)行試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)矩形限位在高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)使魚頭和魚體表面磨損一部分,且切口大部分不為一條直線。兩種試驗(yàn)條件下魚體的切口長(zhǎng)度均較短,而梯形限位并未出現(xiàn)此類結(jié)果。因此,后續(xù)試驗(yàn)使用梯形限位。
3.4.2 夾輪限位高度對(duì)魚體剖切結(jié)果的影響 設(shè)置刀片轉(zhuǎn)速900 r/min,夾輪轉(zhuǎn)速150 r/min,探究夾輪限位高度對(duì)剖切結(jié)果和剖切時(shí)間的影響。由表3可知,隨著限位高度的增加,剖切時(shí)間縮短,夾持輸送速度變快,剖切深度降低。限位高度較低時(shí),魚體剖切切口不為直線,是因?yàn)橄尬桓叨容^低魚體經(jīng)過(guò)夾輪時(shí)身體會(huì)過(guò)度擺動(dòng)。而夾輪限位過(guò)高會(huì)使兩夾輪與滑道形成的間隙變小,過(guò)度擠壓導(dǎo)致鱔魚在試驗(yàn)過(guò)程中血液流出較多。
表3 限位高度對(duì)剖切質(zhì)量的影響
3.4.3 夾輪轉(zhuǎn)速對(duì)魚體剖切結(jié)果的影響 設(shè)置限位高度5 mm,刀片轉(zhuǎn)速900 r/min,探究夾輪轉(zhuǎn)速對(duì)剖切質(zhì)量和剖切效率的影響。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)速為250 r/min時(shí),魚體表皮出現(xiàn)少量磨損;轉(zhuǎn)速為83 r/min時(shí),魚體頭部被剖刀切開后身體劇烈擺動(dòng),導(dǎo)致魚體身體部分組織損失較多,切口不為連續(xù)直線型,魚體表面破壞嚴(yán)重。由圖6可知,隨著夾輪轉(zhuǎn)速的增加,3類評(píng)分先增大后減小。低轉(zhuǎn)速下各類評(píng)分均較低,主要是夾持過(guò)程不可靠。高轉(zhuǎn)速下魚體損傷嚴(yán)重,剖切程度也相對(duì)較差。
圖6 夾輪轉(zhuǎn)速對(duì)魚體剖切質(zhì)量評(píng)分的影響
由圖7可知,夾輪轉(zhuǎn)速對(duì)剖切時(shí)間有直接影響,隨著夾輪轉(zhuǎn)速的增加,剖切時(shí)間明顯縮短。當(dāng)夾輪轉(zhuǎn)速為225 r/min時(shí),剖切時(shí)間下降較平緩,而機(jī)械振動(dòng)明顯。
圖7 夾輪轉(zhuǎn)速對(duì)魚體剖切效果的影響
3.4.4 刀片轉(zhuǎn)速對(duì)魚體剖切結(jié)果的影響 設(shè)置限位高度5 mm,夾輪轉(zhuǎn)速167 r/min,探究刀片轉(zhuǎn)速對(duì)剖切質(zhì)量和剖切效率的影響。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),刀片轉(zhuǎn)速過(guò)低,魚頭接觸剖刀后會(huì)卡住一段時(shí)間,受到刺激后頻繁扭動(dòng)身體后再擠出夾輪,導(dǎo)致頭部大部分組織被切除。同時(shí)魚身也有多處非剖切的損傷。
由圖8可知,刀片轉(zhuǎn)速越快,其剖切程度評(píng)分也越高。這是因?yàn)榈镀D(zhuǎn)速越快,刀鋒部分在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)魚肉做的功也越大,破壞魚體組織也越容易。轉(zhuǎn)速過(guò)快會(huì)使魚肉破損,切口的感官評(píng)分較低。
圖8 刀片轉(zhuǎn)速對(duì)魚體剖切質(zhì)量評(píng)分的影響
由圖9可知,隨著刀片轉(zhuǎn)速的增大,剖切時(shí)間下降。當(dāng)?shù)镀D(zhuǎn)速>540 r/min時(shí),剖切時(shí)間下降緩慢,說(shuō)明轉(zhuǎn)速滿足切割頭部和魚肉的條件后,剖切時(shí)間與刀片轉(zhuǎn)速關(guān)系不大。開始時(shí)剖切質(zhì)量評(píng)分隨刀片轉(zhuǎn)速的增大而上升,當(dāng)?shù)镀D(zhuǎn)速達(dá)到1 350 r/min時(shí)開始有下降趨勢(shì)。
3.4.5 正交試驗(yàn) 根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果,選擇夾輪限位高度、刀片轉(zhuǎn)速、夾輪轉(zhuǎn)速3個(gè)因素進(jìn)行正交試驗(yàn),各因素水平見(jiàn)表4,試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表5。根據(jù)極差分析,影響剖切質(zhì)量評(píng)分的因素排序?yàn)榈镀D(zhuǎn)速>限位高位>夾輪轉(zhuǎn)速,最優(yōu)組合為A2B3C2;影響剖切時(shí)間的因素排序?yàn)閵A輪轉(zhuǎn)速>限位高度>刀片轉(zhuǎn)速,最優(yōu)組合為A3B3C3。為進(jìn)一步探究各因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的顯著性影響,運(yùn)用SPSS 20.0軟件進(jìn)行方差分析,結(jié)果見(jiàn)表6。
表4 正交試驗(yàn)因素水平表
表5 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果
表6 方差分析?
由表6可知,在95%置信度下,刀片轉(zhuǎn)速對(duì)剖切質(zhì)量評(píng)分影響顯著,是由于刀片轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了單位時(shí)間內(nèi)刀鋒部分對(duì)肉體組織做的功,其做的功需要大于生物組織的切割能[24]才能順利完成剖切。夾持輪限位高度決定了兩夾持輪與滑道形成的間隙,影響夾持力大小進(jìn)而影響夾持過(guò)程對(duì)魚體的摩擦力。摩擦力增大,魚體輸送速度也會(huì)變快,而夾持力過(guò)大會(huì)使魚體過(guò)度變形,過(guò)小會(huì)使夾持不可靠、魚體擺動(dòng)過(guò)度,所以?shī)A持輪凸起高度對(duì)剖切質(zhì)量評(píng)分和剖切時(shí)間的影響均顯著。
夾輪轉(zhuǎn)速對(duì)剖切時(shí)間的影響為極顯著,是因?yàn)閵A持輪表面線速度越快,單位時(shí)間內(nèi)摩擦力對(duì)魚體做功越多,魚體動(dòng)能越大。為了在保證剖切質(zhì)量評(píng)分最優(yōu)時(shí)盡量縮短剖切時(shí)間,選取組合A2B3C2即夾持輪限位高度5 mm、刀片轉(zhuǎn)速1 350 r/min、夾輪轉(zhuǎn)速167 r/min。此時(shí)剖切完成后被輸送出來(lái)的鱔魚切口深至腹部且從頭至尾,多樣本加工后只有少數(shù)魚體兩側(cè)表皮出現(xiàn)較小破損,且剖切時(shí)間較短,適合大批量加工。
通過(guò)對(duì)魚體夾持過(guò)程和剖切過(guò)程的理論分析,得出了鱔魚宰殺機(jī)的關(guān)鍵影響因素。試驗(yàn)表明,針對(duì)鱔魚這種細(xì)長(zhǎng)且截面類似橢圓的魚體,需要有專門的夾持輸送裝置。刀片轉(zhuǎn)速達(dá)到剖切條件后對(duì)剖切時(shí)間的影響不大,夾輪轉(zhuǎn)速是影響剖切時(shí)間的主要因素,但過(guò)快的夾輪轉(zhuǎn)速會(huì)使剖切效果變差,也會(huì)增加機(jī)體震動(dòng)。綜上,鱔魚宰殺機(jī)的相對(duì)最優(yōu)工作參數(shù)為夾輪限位高度5 mm,夾輪轉(zhuǎn)速167 r/min,刀片轉(zhuǎn)速1 350 r/min,此時(shí)的剖切時(shí)間較短且剖切效果較好。試驗(yàn)設(shè)計(jì)的宰殺機(jī)對(duì)一定尺寸范圍內(nèi)的鱔魚宰殺效果良好,尺寸過(guò)大或過(guò)小則需要額外的自適應(yīng)裝置保證輸送的穩(wěn)定性,且整體重量較大,需進(jìn)行輕量化優(yōu)化,后續(xù)可通過(guò)仿真軟件進(jìn)行整機(jī)迭代。