淡水魚連續(xù)式去頭尾裝置的研制

鄒 偉萬 鵬付 豪彭錦宇黃 俊譚鶴群

(1. 華中農(nóng)業(yè)大學工學院，湖北 武漢 430070；2. 國家大宗淡水魚加工技術研發(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)，其設備的研發(fā)迫在眉睫。發(fā)達國家在魚類前處理加工領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]的魚體加工設備能一次性切除多條魚的頭，設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行去魚頭加工。Henning[4]采用機器視覺技術根據(jù)魚體的幾何外形直接將魚體的姿態(tài)按要求安置在目標位置，用計算機控制機械手臂進行去魚頭尾加工，智能化程度高。中國對淡水魚前處理加工的機械化、自動化程度還處于較低水平，現(xiàn)有設備效率低，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備能實現(xiàn)去頭尾工序，設備在設計時考慮到了魚體差異，能自動調整內部機構，確保去魚頭工序的質量[9]。陳慶余等[10]研制了一臺去魚頭試驗平臺，該平臺加工對象為海水小雜魚，運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平臺，運用氣動機構斬切去頭，且刀具結構采用仿形設計，對鰱魚去頭方法進行了試驗研究，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，設計一種淡水魚連續(xù)式去頭尾裝置，并進行魚體壓縮特性試驗、刀具類型影響試驗等，最后進行裝置加工效果評價試驗，以評價裝置性能和加工效果，以期為裝置相關設計提供理論依據(jù)和實踐指導。

1 整體結構與工作原理

淡水魚連續(xù)式去頭尾裝置主要由間歇輸送系統(tǒng)、刀具夾具驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成，見圖1。間歇輸送系統(tǒng)由調速電機2驅動，槽輪機構3與同步帶機構16傳動，將動力傳送至輸送帶，帶動輸送帶進行間歇式運動；刀具夾具驅動系統(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、連接頭和軟管構成，定位裝置由定位毛刷、傳動箱、驅動電機構成，物料收集箱有3個，分別收集加工后的三部分魚體。

1. 機架 2. 調速電機 3. 槽輪機構 4. 行程開關 5. 空氣壓縮機 6. 控制系統(tǒng)零部件 7. 物料收集箱 8. 二位五通氣控換向閥 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. 同步帶傳動機構

圖1 淡水魚連續(xù)式去頭尾裝置結構示意圖

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

當連續(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，此時行程開關發(fā)送觸發(fā)信號，控制系統(tǒng)控制氣缸加工魚體并復位，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。輸送帶在運行過程中，調速電機一直處于運行狀態(tài)，輸送帶的運動狀態(tài)由槽輪機構的特性決定；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)與刀具夾具驅動系統(tǒng)的配合問題，因為魚體空位無法觸發(fā)行程開關，所以裝置具有空位檢測功能。

2 關鍵零部件與控制系統(tǒng)的設計

2.1 夾具的設計

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、行程開關等。圖4是控制系統(tǒng)流程圖。初始狀態(tài)電磁閥處于關閉狀態(tài)，氣動回路使氣缸活塞上拉至復位狀態(tài)，魚體在被輸送至加工區(qū)域的過程中觸發(fā)行程開關，行程開關發(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，隨后關閉電磁閥，關閉時間持續(xù)1.5 s，氣缸拉動刀具夾具至復位狀態(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 主要設計參數(shù)的確定

3.1 氣缸行程的設計

裝置的參數(shù)設計需要科學的理論為指導，為此本研究對加工對象的力學特性進行試驗，其中魚體壓縮特性試驗為氣缸行程等參數(shù)的設計提供了直接理論來源。魚體壓縮特性試驗以鳊魚(0.400±0.100) kg，草魚(1.200±0.300) kg為研究對象，在電子萬能試驗機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：魚體外觀破壞點，魚體內臟從魚體內涌出時刻魚體所受的壓力(N)；魚體塑性變形點，壓縮特性曲線中壓力峰值(N)。圖5為2個破壞點出現(xiàn)時，魚體感官情況。在曲線上，鳊魚外觀破壞點與曲線塑性變形點相距較遠，但草魚外觀破壞點與曲線塑性變形點對應的魚體感官特征出現(xiàn)時間點非常接近，所以在曲線上草魚外觀破壞點與曲線塑性變形點取同一點。試驗中鳊魚外觀破壞點均值為545.1 N(A處)，曲線塑性變形點均值為1 038.8 N(B處)；草魚外觀破壞點與曲線塑性變形點取值相同，均值為725.0 N(C處)。

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

氣缸行程即為刀具和夾具的行程，根據(jù)夾具的設計要求，有式(1)～(3)，F(xiàn)1為設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行了試驗研究，以此研究為指導確定裝置刀具選擇方案。試驗對象為鳊魚(0.400±0.100) kg，草魚(1.200±0.300) kg，試驗儀器主要為電子萬能試驗機。

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結果見圖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結果見圖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，魚尾結構與魚頭結構不同，無需仿形設計，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

研制出淡水魚連續(xù)式去頭尾裝置樣機之后，本研究進行了裝置加工效果評價試驗，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裝置的加工效果，并在試驗中尋找裝置設計中的不足之處。

4.1 試驗材料與儀器

試驗材料：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 試驗指標與方法

試驗主要從魚體得率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。

切斷面感官評分標準：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，魚肉脫落嚴重為0.0～0.2分[13]。由5位經(jīng)過感官評價訓練的鑒定人員對切斷面進行感官評價評分，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 結果與分析

表1表明，鳊魚加工后魚頭占比均值為15.20%，標準差為0.002 6，魚尾占比均值為2.20%，標準差為0.003 3，草魚加工后魚頭占比均值為21.20%，標準差為0.007 8，魚尾占比均值為1.68%，標準差為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，標準差為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，標準差為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。試驗中各指標標準差值較小，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 。試驗中樣機的加工魚體數(shù)量有限，每條魚加工的平均時間為2.67 s，所以樣機理論加工效率為1 350條/h。

試驗結果還表明，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為樣機加工魚體切斷面效果。

圖9 魚體切斷面效果

指標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 結論

(1) 淡水魚連續(xù)式去頭尾裝置的研制，實現(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，所以裝置有待于進一步優(yōu)化，可從刀具結構，夾具壓板結構等方面進行改進優(yōu)化。

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