鮮活黃鱔剖切裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

萬 鵬，汪 榮，李夢珂，雷 翔，李 平，朱 明

·農(nóng)產(chǎn)品加工工程·

鮮活黃鱔剖切裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

萬 鵬1,2,3，汪 榮1,2，李夢珂1,2，雷 翔1,2，李 平4，朱 明1,2,3

（1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)施工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070；3. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070；4. 荊州市集創(chuàng)機(jī)電科技股份有限公司，荊州 434025）

針對目前鱔鰍類淡水魚類人工剖切勞動強(qiáng)度大、工作效率低、安全性差等問題，該研究以黃鱔（）為試驗(yàn)對象，基于黃鱔生活習(xí)性及魚體特征，在黃鱔魚體夾持受力特性分析的基礎(chǔ)上，開展了黃鱔魚體頭尾及腹背定向和魚體夾送剖切方法研究，設(shè)計(jì)并研制了鮮活黃鱔剖切裝置。剖切裝置由傾斜料斗、進(jìn)魚通道、夾持對輥、剖切刀盤等組成，其中進(jìn)魚通道長180 mm，入口處直徑28 mm；夾持輥邊緣為上寬下窄的鋸齒狀結(jié)構(gòu)；剖切刀盤直徑114 mm。以夾持輥直徑、夾持輥初始間隙、夾持輥轉(zhuǎn)速、刀盤露出高度為影響因素，以剖切可接受性評分為評價(jià)指標(biāo)開展相關(guān)試驗(yàn)，通過單因素試驗(yàn)探究了各因素對黃鱔剖切效果的影響。試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)夾持輥直徑為180 mm時(shí)夾送效果較好；夾持輥初始間隙為8 mm時(shí)魚體腹部剖面感官評分最高；夾持輥直徑一定時(shí)，高轉(zhuǎn)速下的夾送效果明顯優(yōu)于低轉(zhuǎn)速；隨著刀盤露出支撐面高度的增加，黃鱔腹部剖切效果的感官評分逐漸增加。正交試驗(yàn)結(jié)果表明：夾持輥轉(zhuǎn)速為180 r/min、刀盤露出支撐面高度為22 mm、夾持輥初始間隙為8 mm時(shí)，黃鱔腹部剖切效果的感官評分最高；通用性試驗(yàn)結(jié)果表明：該裝置能夠較好地適用于不同規(guī)格大小的黃鱔，滿足實(shí)際加工要求，生產(chǎn)量可以達(dá)到24.3條/min。研究結(jié)果可為鱔鰍類淡水魚剖切裝置的研發(fā)提供參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；設(shè)計(jì)；試驗(yàn)；剖切裝置；鮮活黃鱔

0 引 言

黃鱔（）是重要的經(jīng)濟(jì)性魚類，廣泛分布于除西北高原外各淡水水域。黃鱔刺少肉厚、味道鮮美、營養(yǎng)豐富、藥用價(jià)值高，深受群眾喜愛。2020年全國黃鱔養(yǎng)殖產(chǎn)量為30.72萬t，其中僅湖北省產(chǎn)量就達(dá)到了13.36萬t，占全國總產(chǎn)量的43.49%[1]。黃鱔魚體細(xì)長無鱗片，體表光滑附有粘液，這導(dǎo)致黃鱔魚體難以抓取及剖切。目前國內(nèi)淡水魚類前處理加工技術(shù)和裝備的發(fā)展相對落后，基本以手工作業(yè)為主[2]，針對黃鱔等特種經(jīng)濟(jì)魚類的前處理加工裝備更是缺乏。人工作業(yè)不僅勞動強(qiáng)度大、工作效率低，而且黃鱔不易抓取，導(dǎo)致加工安全性差，這極大限制了黃鱔前處理加工及深加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此研發(fā)工作性能穩(wěn)定、生產(chǎn)率高、操作簡單的黃鱔剖切設(shè)備，對于促進(jìn)黃鱔養(yǎng)殖業(yè)及加工業(yè)的發(fā)展都具有重要意義。

黃鱔屬于淡水魚中的特種經(jīng)濟(jì)魚類，其前處理加工與淡水魚類似，包括清洗、分級、剖切、去頭尾、去內(nèi)臟等步驟[3-5]。國外科研單位和企業(yè)較早開展了魚類前處理加工裝備相關(guān)研究[6]。Hermann等[7]設(shè)計(jì)了一種魚體去頭裝置，利用固定于裝置頂端的刀具對豎直旋轉(zhuǎn)的魚體進(jìn)行去頭。Urushibara等[8]設(shè)計(jì)了臥式夾持輸送去頭除臟裝置，利用獨(dú)特的除臟輥通過擠壓的方式從去頭后的魚體斷口處排出內(nèi)臟。Grosseholz等[9]設(shè)計(jì)了一款機(jī)械臂形式的剖切機(jī)，可對豎直裝夾于V形夾槽中的魚體實(shí)現(xiàn)剖切。此外，日本東洋水產(chǎn)機(jī)械株式會社[10]、瑞典ARENCO公司[11]等企業(yè)設(shè)計(jì)研發(fā)了魚體前處理生產(chǎn)線，可以實(shí)現(xiàn)魚體的剖切、除臟、去頭、切塊等連續(xù)自動化生產(chǎn)。國內(nèi)淡水魚前處理加工機(jī)械化程度較低，目前研究主要集中在去頭去內(nèi)臟部分。張華等[12]設(shè)計(jì)了一種利用定位桿實(shí)現(xiàn)魚體定位、對傳送中的魚體進(jìn)行剖切、去臟的剖魚機(jī)。雷樹德等[13-14]研發(fā)了一種鏈?zhǔn)狡属~機(jī)，采用小齒刀盤從背部對魚體進(jìn)行剖切。陳慶余等[15-17]設(shè)計(jì)并優(yōu)化了剖魚裝置結(jié)構(gòu)、刀具構(gòu)型，實(shí)現(xiàn)了某些小雜魚的低損傷剖切去臟。此外，黃鵬飛等[18-19]對帶式夾送淡水魚剖魚機(jī)、鄒偉等[20-21]對連續(xù)式魚體去頭尾裝置等進(jìn)行了研發(fā)。以上裝置都是針對常見淡水魚類，對黃鱔等經(jīng)濟(jì)魚類沒有適用性；同時(shí)，現(xiàn)有的黃鱔剖切裝置也存在剖切效率不高、易漏剖、易堵塞魚體通道等問題[22-24]，不能滿足黃鱔的機(jī)械化加工生產(chǎn)需求。

本文以鮮活黃鱔為研究對象，針對黃鱔前處理加工工序，根據(jù)黃鱔喜愛鉆洞的生活習(xí)性和魚體細(xì)長等結(jié)構(gòu)特征設(shè)計(jì)進(jìn)魚通道，在分析魚體受壓力學(xué)特性的基礎(chǔ)上提出一種黃鱔機(jī)械化剖切方法，并設(shè)計(jì)試制了相應(yīng)剖切裝置，開展相關(guān)試驗(yàn)。

1 剖切裝置總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 剖切裝置總體結(jié)構(gòu)

黃鱔喜愛鉆洞，受到外界驚擾等應(yīng)激時(shí)具有選擇洞穴逃避、利用肌肉收縮鉆洞爬行前移的生活習(xí)性，且黃鱔魚體細(xì)長柔軟呈蛇形、體表富有粘液[25]。本文基于黃鱔的生活習(xí)性及魚體特征設(shè)計(jì)了黃鱔剖切裝置，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.機(jī)架 2.夾持輥電機(jī) 3.夾持輥電機(jī)支座 4.滑臺 5.滑臺支座 6.同步帶輪1 7.剖切刀盤安裝架 8.剖切刀盤 9.同步帶 10.同步帶輪2 11.剖切電機(jī)及支座 12.夾持輥1 13.滑桿 14.剖切通道 15.彈簧 16.夾持輥2 17.擋片 18.限位裝置 19.傾斜料斗

剖切裝置主體材料采用304不銹鋼，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.2 工作原理

黃鱔魚體按頭尾順序和腹下背上定向輸送是黃鱔剖切裝置工作的前提，本文根據(jù)黃鱔的生活習(xí)性、魚體特征實(shí)現(xiàn)黃鱔魚體的頭尾排序和腹背定向。工作時(shí)，將黃鱔倒進(jìn)傾斜料斗，利用料斗傾斜使黃鱔向進(jìn)魚通道聚集；通過剖切裝置的機(jī)械振動及人工隨機(jī)攪動，使黃鱔受到外界驚擾應(yīng)激進(jìn)入進(jìn)魚通道；在進(jìn)魚通道內(nèi)，黃鱔肌肉收縮向前爬行，在爬行過程中魚體腹部與通道接觸，在通道兩側(cè)支持力作用下向前移動，實(shí)現(xiàn)頭尾排序和腹背定向。同時(shí)，進(jìn)魚通道為圓形進(jìn)口—類橢圓形出口的漸變結(jié)構(gòu)，沿程截面逐漸縮小，黃鱔依次從進(jìn)魚通道鉆出后，立即被高速轉(zhuǎn)動的夾持輥夾住并隨夾持輥轉(zhuǎn)動在魚體支撐板上快速向前輸送；當(dāng)魚體經(jīng)過高速轉(zhuǎn)動的剖切刀盤時(shí)，刀盤作用于魚體，從腹部將黃鱔剖開，并從出料口輸出。

表1 黃鱔剖切裝置主要技術(shù)參數(shù)

2 剖切裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 喂入部件

喂入部件包括傾斜料斗和進(jìn)魚通道，使聚集的黃鱔魚體依次進(jìn)入剖切部件。喂入部件的傾斜料斗中設(shè)置有均勻分布的3根立柱，可以避免黃鱔相互纏繞；進(jìn)魚通道的入口與傾斜料斗末端連接，是圓形進(jìn)口—類橢圓形出口的漸變結(jié)構(gòu)，利用黃鱔受到外界驚擾等應(yīng)激時(shí)鉆洞逃逸的生活習(xí)性，借助漸變結(jié)構(gòu)使黃鱔在進(jìn)魚通道內(nèi)向前爬行并保持魚體腹部朝下背部朝上狀態(tài)。進(jìn)魚通道是黃鱔剖切裝置的關(guān)鍵部件之一，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

注：P1、P2為進(jìn)魚通道對魚體兩側(cè)的支持力，N；G為魚體自身重力，N。

為保證黃鱔能順利進(jìn)入進(jìn)魚通道且只有1條黃鱔通過，進(jìn)魚口直徑應(yīng)大于單條黃鱔魚體平均直徑而小于2條黃鱔魚體疊加后的平均直徑，即進(jìn)魚通道只能供1條黃鱔魚體通過，即：

式中表示魚體平均體寬，mm；表示進(jìn)魚通道進(jìn)魚口直徑，mm。

本文通過試驗(yàn)測得黃鱔平均體寬為14.2 mm，故設(shè)計(jì)通道口直徑為28 mm。根據(jù)黃鱔國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T22911—2008[26]，最小魚體體長180 mm，故設(shè)計(jì)進(jìn)魚通道長度為180 mm，以保證單條黃鱔通過。

2.2 夾持部件

夾持部件由夾持輥、電機(jī)、滑臺及滑臺支座、間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等組成，主要實(shí)現(xiàn)黃鱔魚體的夾持輸送，并保證在剖切過程中魚體姿態(tài)不發(fā)生變化。黃鱔夾持部件的電機(jī)安裝于滑臺及其支座上，夾持輥安裝在電機(jī)的輸出軸上，兩夾持輥之間的距離通過間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)整滑臺位置進(jìn)行控制；兩滑臺之間采用彈簧連接，以適應(yīng)不同尺寸魚體的夾持要求。夾持輥是夾持部件的核心部件，必須使黃鱔在夾持輥間被穩(wěn)定夾持而不滑脫，夾持輥與黃鱔的接觸角記為，夾持輥轉(zhuǎn)速一定時(shí)，夾持輥直徑越大，接觸角越大，夾持輥對魚體的作用力越大，越容易夾持魚體[27]，夾持輥夾持黃鱔時(shí)的受力關(guān)系如圖3所示。

1.夾持輥 2.魚體

1.Roller 2.Fish body

注：為魚體與夾持輥的接觸角，rad；1、2、3為魚體與不同直徑夾持輥的接觸角，rad；1、2為左右兩側(cè)夾持輥對魚體兩側(cè)的法向作用力，N；F1、F2為黃鱔沿夾持輥滑動時(shí)魚體左右兩側(cè)所受的切向摩擦力，N。

Note:is the contact angle between the fish body and rollers, rad;1、2、3are the contact angles between the fish body and the different diameter rollers, rad;1and2are the normal force of rollers on the left and right sides of the fish body, N;F1andF2are the tangential friction force on the left and right sides of the fish body when sliding along rollers, N.

圖3 魚體受力分析及夾持輥與魚體接觸角示意圖

Fig.3 Fish body force analysis and diagram of the contact angle between the roller and the fish body

依據(jù)黃鱔魚體的平均體高為16 mm設(shè)計(jì)夾持輥厚度為30 mm；因魚體表面光滑有黏液，為了更好夾持住魚體，夾持輥邊緣設(shè)計(jì)為上寬下窄的鋸齒狀，保證夾持輸送及剖切過程中魚體姿態(tài)不發(fā)生變化。夾持輥結(jié)構(gòu)及實(shí)物如圖4所示。

2.3 剖切部件

剖切部件主要由剖切刀盤、魚體支撐板、電機(jī)、同步帶、刀盤調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等組成，主要實(shí)現(xiàn)黃鱔魚體的腹部剖切。剖切刀盤通過同步帶與電機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)刀盤的高速轉(zhuǎn)動；刀盤調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)用于調(diào)整刀盤相對于魚體支撐板的高度，以實(shí)現(xiàn)對黃鱔魚體腹部的準(zhǔn)確剖切，剖切通道結(jié)構(gòu)如圖5所示。

注：D為夾持輥直徑，mm；B為夾持輥厚度，mm。

1.剖切通道 2.進(jìn)魚通道 3.夾持輥 4.剖切刀盤 5.魚體支撐板

1.Sectioning channel 2.Fish inlet channel 3.Roller 4.Blade disc 5.Fish body support plate

注：為刀盤露出高度，mm，為刀盤旋轉(zhuǎn)方向，為黃鱔運(yùn)動方向。

Note:is the exposed height of the blade disc/mm,is the rotation direction of the blade disc,is the motion direction of.

圖5 魚體剖切通道結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.5 Structural diagram of the body sectioning channel

依據(jù)黃鱔魚體的外形尺寸和夾持輥厚度，將黃鱔完全剖開所需的刀盤露出高度至少為30 mm，考慮刀盤調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)長度為54 mm，設(shè)計(jì)刀盤直徑應(yīng)不小于2(114 mm)。

當(dāng)黃鱔魚體在夾持輥的作用下向前輸送與刀盤作用時(shí)，若魚體前進(jìn)方向與刀盤旋轉(zhuǎn)方向一致為同向剖切，反之為逆向剖切。

由魚體剖切通道結(jié)構(gòu)可知，刀盤轉(zhuǎn)速與魚體輸送速度相同時(shí)，逆向剖切時(shí)刀盤對魚體的剖切作用要強(qiáng)于同向剖切，且刀盤轉(zhuǎn)速與魚體輸送速度相差越大，對魚體的剖切作用越強(qiáng)。因此，可以在保持刀盤逆向轉(zhuǎn)速不變的同時(shí)，通過調(diào)節(jié)夾持輥轉(zhuǎn)速改變魚體的輸送速度來實(shí)現(xiàn)魚體的高效剖切，提高加工效率。單條黃鱔魚體的剖切加工時(shí)間與夾持輥轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系如下：

式中為黃鱔魚體平均長度，mm。

由式（2）可知，黃鱔加工時(shí)間和夾持輥轉(zhuǎn)速、夾持輥直徑有關(guān)，即增加夾持輥轉(zhuǎn)速或增大夾持輥直徑均可減小黃鱔魚體的加工時(shí)間。

3 黃鱔夾持及剖切過程受力分析

進(jìn)行魚體剖切時(shí)，需要避免魚體游動，且要使魚體保持背部在上腹部在下的狀態(tài)，并在輸送過程中完成剖切。本文對黃鱔魚體夾持輸送過程進(jìn)行受力分析以確定魚體夾持及剖切部件參數(shù)[28]。

當(dāng)黃鱔從進(jìn)魚通道出來接觸到旋轉(zhuǎn)的夾持輥時(shí)，夾持輥與魚體之間的摩擦力將魚體夾持并向前方輸送，同時(shí)夾持輥對黃鱔魚體兩側(cè)施加作用力，控制魚體姿態(tài)。假設(shè)黃鱔魚體左右結(jié)構(gòu)對稱，夾持輥與黃鱔魚體接觸時(shí)魚體的受力狀態(tài)如圖6所示，則魚體受力應(yīng)滿足：

式中為魚體與夾持輥間的摩擦系數(shù)。

由式（3）可得：

由式（4）可知，要實(shí)現(xiàn)魚體的夾持輸送，魚體與夾持輥之間的摩擦系數(shù)應(yīng)大于魚體與夾持輥接觸角的正切值，即增加摩擦系數(shù)或減小接觸角均可增強(qiáng)夾持輥?zhàn)ト『洼斔汪~體的效果。本文采取在夾持輥表面加工細(xì)小齒狀結(jié)構(gòu)來增加摩擦系數(shù)。

注：1、2為夾持輥圓心；、為黃鱔與夾持輥的接觸點(diǎn)；為黃鱔體寬，mm；為夾持輥初始間隙，mm；為夾持輥直徑，mm；為夾持輥旋轉(zhuǎn)角速度，rad·s-1。

Note:1and2are the center of the roller;andis the contact point betweenand the roller;is the body width of, mm;is the gap between rollers,mm;is the diameter of the roller, mm;is the angular speed of the roller, rad·s-1.

圖6 魚體與夾持輥接觸時(shí)的受力分析

Fig.6 Force analysis of the fish body in contact with the roller

魚體與夾持輥接觸角會影響對輥夾持黃鱔的能力，進(jìn)而影響黃鱔的剖切加工。由圖6可知，魚體與夾持輥接觸角應(yīng)滿足：

由式（5）可知，魚體大小一定時(shí)，魚體與夾持輥接觸角由夾持輥初始間隙和夾持輥直徑?jīng)Q定。

注：FN為剖切通道對黃鱔的支持力，N；F1、F2為該方向上左右兩側(cè)夾持輥對黃鱔魚體兩側(cè)的法向作用力，N；θ為兩輥母線所成夾角，rad。

4 剖切裝置參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)

為了分析黃鱔剖切裝置結(jié)構(gòu)對剖切效果的影響，并對夾持部件及剖切部件進(jìn)行優(yōu)化，本文開展黃鱔剖切裝置參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)。

4.1 試驗(yàn)設(shè)備與儀器

本文試驗(yàn)設(shè)備為基于上述結(jié)構(gòu)和原理加工研制的黃鱔剖切裝置樣機(jī)，如圖8所示。

圖8 黃鱔剖切裝置實(shí)物圖

測量工具及儀器：鋼直尺（量程500 mm，精度1 mm）、游標(biāo)卡尺（量程150 mm，精度0.1 mm）、電子秤（香山EK3862量程5 kg，精度0.1 g）、秒表（YS-802，精度0.01 s）、變頻器（瓊羽DFL200N-OR75-HYGS3）等。

4.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)以市售鮮活且健康的黃鱔為對象，魚體完整無損傷、大小基本一致。

黃鱔樣本購置回來后放于水桶中進(jìn)行儲存，同時(shí)對黃鱔體質(zhì)量及魚體尺寸進(jìn)行測量。

測量時(shí)將黃鱔樣本放于平板上，將魚體拉直，用鋼尺測量魚體長度，用游標(biāo)卡尺測量魚體高度和魚體寬度，同時(shí)采用電子秤稱量魚體的質(zhì)量。

對300條黃鱔樣本進(jìn)行測量，魚體質(zhì)量及外觀尺寸測量結(jié)果如表2所示。

表2 黃鱔體質(zhì)量和體尺寸測量結(jié)果

4.3 評價(jià)指標(biāo)

本文以黃鱔剖切后的可接受性評分為評價(jià)指標(biāo)。根據(jù)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，黃鱔剖切后的感官評價(jià)內(nèi)容包含3項(xiàng)，分別是魚體剖切狀況，即黃鱔腹部是否完全剖開；剖面質(zhì)量，即黃鱔腹部剖切面的感官狀態(tài)；剖切后魚體內(nèi)膽是否破裂。黃鱔切片加工對魚體剖切長度有要求，切口長度越長越容易加工，人工操作時(shí)從黃鱔頭部位置剖切到生殖孔處，因此剖切程度以切口長度占魚體體長的比例作為評分標(biāo)準(zhǔn)，考慮到黃鱔尾部細(xì)長不必剖切，按照魚體去掉尾部長度的體長與剖切長度的比值0.875為第一等級，依次設(shè)置3個(gè)等級進(jìn)行評定；剖面質(zhì)量按照黃鱔剖切面的平直度和粗糙程度進(jìn)行感官評定，剖切不平直會影響后續(xù)切段加工的均勻性和美觀度；黃鱔內(nèi)膽味苦，破裂的內(nèi)膽會影響黃鱔肉質(zhì)的口感。

由5名從事黃鱔加工的熟練工人成評定小組，根據(jù)黃鱔剖切時(shí)剖切口的質(zhì)量、內(nèi)膽是否破裂綜合打分后取平均值。具體評分標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 黃鱔可接受性評分標(biāo)準(zhǔn)

4.4 黃鱔頭尾腹背定向試驗(yàn)

為了驗(yàn)證傾斜料斗和進(jìn)魚通道部件的魚體頭尾排序和腹背定向效果，使用直徑180 mm的夾持輥，夾持輥初始間隙8 mm，刀盤露出高度22 mm，夾持輥轉(zhuǎn)速180 r/min，在該條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。隨機(jī)選取50條黃鱔樣本，分為5組，每次將10條黃鱔倒入傾斜料斗，記錄所有黃鱔從進(jìn)魚通道出口處的頭尾和腹背狀況。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

由表4可知，50條黃鱔樣本在出口處全部為背朝上腹朝下，其中49條黃鱔頭朝前尾朝后，僅有1條黃鱔呈尾朝前頭朝后的狀態(tài)，但該條黃鱔也被剖開，傾斜料斗和進(jìn)魚通道部件能夠較好地實(shí)現(xiàn)黃鱔頭尾和腹背定向輸送。剖切加工過程中黃鱔頭尾腹背定向效果如圖 9所示。

表4 黃鱔頭尾腹背定向試驗(yàn)結(jié)果

圖9 黃鱔頭尾腹背定向效果

4.5 單因素試驗(yàn)

以能夠剖開魚體且剖口平整為目標(biāo)，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)，剖切刀盤轉(zhuǎn)速達(dá)到750 r/min時(shí)能實(shí)現(xiàn)對黃鱔魚體的正常剖切。在此條件下選取夾持輥直徑、夾持輥初始間隙、夾持輥轉(zhuǎn)速、刀盤露出支撐板高度為試驗(yàn)因素，以黃鱔剖切后的可接受性評分為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行單因素試驗(yàn)，探索各因素變化對黃鱔魚體剖切效果的影響規(guī)律。通過黃鱔魚體在夾持及輸送過程中的受力分析可知，夾持輥直徑和夾持輥初始間隙是影響魚體抓取和輸送的主要因素。夾持輥直徑越大線速度越大，魚體輸送越快，剖切加工時(shí)間越短，會導(dǎo)致魚體腹部剖切不完全；夾持輥直徑越小線速度越小，魚體輸送速度越慢，會導(dǎo)致剖切過程變長、剖切面不平整。結(jié)合樣機(jī)整體尺寸和夾持輥夾持受力分析結(jié)果，夾持輥直徑選取135 、160 和180 mm三個(gè)水平。夾持輥初始間隙理論上應(yīng)盡可能取大值，但應(yīng)小于黃鱔樣本的平均體寬。同時(shí)，夾持輥轉(zhuǎn)速過低會影響黃鱔的輸送效率，過高會影響魚體的剖切面質(zhì)量；刀盤露出魚體支撐板的高度過大會導(dǎo)致魚體剖成兩半，過小可能不能對黃鱔魚體進(jìn)行剖切，影響剖切效果。

各試驗(yàn)因素水平如表5所示。

表5 單因素試驗(yàn)水平表

4.5.1 夾持輥直徑對黃鱔剖切效果的影響

根據(jù)預(yù)試驗(yàn)，設(shè)定夾持輥轉(zhuǎn)速為180 r/min，夾持輥初始間隙為10 mm，刀盤露出支撐板高度為22 mm；從黃鱔樣本中隨機(jī)選取30個(gè)樣本，每個(gè)夾持輥直徑水平用10個(gè)樣本進(jìn)行試驗(yàn)，取各樣本的可接受性評分平均值作為各水平的評分值，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 夾持輥直徑對剖切效果的影響

由表6可知，當(dāng)夾持輥直徑由135 mm增大為160 mm時(shí)，剖切效果可接受性評分增加約8%，但夾持輥直徑繼續(xù)增加到180 mm，可接受性評分并無明顯變化。這是因?yàn)閵A持輥轉(zhuǎn)速一定的情況下，增加夾持輥直徑使得夾持輥的線速度增加，即魚體的輸送速度增加，但是對黃鱔魚體剖切效果的影響并不大。由于黃鱔魚體輸送速度增加會提高剖切裝置的加工效率，結(jié)合黃鱔剖切裝置的尺寸結(jié)構(gòu)，本文選取夾持輥直徑180 mm為該因素的最優(yōu)水平，并該水平下分析其余各因素對剖切效果的影響。

4.5.2 夾持輥轉(zhuǎn)速對黃鱔剖切效果的影響

為了探索夾持輥轉(zhuǎn)速對黃鱔魚體剖切效果的影響規(guī)律，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)，設(shè)定夾持輥的初始間隙為10 mm，夾持輥直徑為180 mm，刀盤露出高度為22 mm；從黃鱔樣本中隨機(jī)選取50個(gè)樣本，每個(gè)夾持輥轉(zhuǎn)速水平用10個(gè)樣本進(jìn)行試驗(yàn)，取各樣本的可接受性評分平均值作為各水平的評分值，試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 夾持輥轉(zhuǎn)速對剖切效果的影響

由圖10可知，夾持輥轉(zhuǎn)速由60 r/min增加到90 r/min時(shí)，可接受性評分略有下降，這可能是由于夾持輥轉(zhuǎn)速相對較低時(shí)，黃鱔的體型差異和鮮活程度對試驗(yàn)結(jié)果有一定的影響。之后，隨著夾持輥轉(zhuǎn)速的增加，黃鱔剖切效果的可接受性評分總體呈增大的趨勢。這是因?yàn)殡S著夾持輥轉(zhuǎn)速的增加，黃鱔魚體的輸送速度加快，魚體與剖切刀盤的作用時(shí)間變短，剖切效果更好。但是，夾持輥轉(zhuǎn)速過高會導(dǎo)致剖切均勻性及穩(wěn)定性變差[29]，影響剖切效果。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，夾持輥轉(zhuǎn)速在180 r/min時(shí)剖切效果更佳。

4.5.3 夾持輥初始間隙對黃鱔剖切效果的影響

為了探索夾持輥的初始間隙對黃鱔魚體剖切效果的影響規(guī)律，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)，設(shè)定夾持輥轉(zhuǎn)速為180 r/min，夾持輥直徑為180 mm，刀盤露出高度為22 mm；從黃鱔樣本中隨機(jī)選取50條樣本，每個(gè)夾持輥間隙水平用10條樣本進(jìn)行試驗(yàn)，取各樣本的可接受性評分平均值作為各水平的評分值，試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

圖11 夾持輥初始間隙對剖切效果的影響

由圖11可知，隨著夾持輥初始間隙的逐漸增加，可接受評分呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在夾持輥初始間隙為8 mm時(shí)可接受性評分最高。這是因?yàn)閵A持輥間隙較小時(shí)，黃鱔受夾持輥擠壓作用較強(qiáng)，魚體剖切過程中受力均勻穩(wěn)定，剖切效果的可接受性評分較高；間隙變大以后，黃鱔受夾持輥擠壓作用變?nèi)酰~體在夾持輥及刀盤共同作用下，剖切受力均勻性穩(wěn)定性變差，導(dǎo)致魚體剖切效果的可接受性評分降低。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，夾持輥的初始間隙為8 mm時(shí)剖切效果最好。

4.5.4 刀盤露出高度對黃鱔剖切效果的影響

為了探索刀盤露出支撐板高度對黃鱔剖切效果的影響規(guī)律，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)，設(shè)定夾持輥轉(zhuǎn)速為180 r/min，夾持輥直徑為180 mm，夾持輥初始間隙為10 mm；從黃鱔樣本中隨機(jī)選取50個(gè)樣本，每個(gè)刀盤露出高度水平用10個(gè)樣本進(jìn)行試驗(yàn)，取各樣本的可接受性評分平均值作為各水平的評分值，試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。

由圖12可知，隨著刀盤露出支撐板高度的增加，黃鱔剖切效果的可接受性評分總體呈增大趨勢。黃鱔樣本的體高平均為16.0 mm，在輸送過程中，受夾持輥的夾持作用及刀盤的剖切作用，魚體變形高度增加，魚體不一定與支撐板接觸。增加刀盤露出支撐板的高度可使剖刀更好地剖切魚體。但是刀盤露出支撐板高度太多，剖刀作用于黃鱔魚體背部的幾率增大，導(dǎo)致魚體被剖成兩半。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，刀盤露出高度為21 mm時(shí)魚體的剖切效果最好。

圖12 刀盤露出高度對剖切效果的影響

4.6 正交試驗(yàn)

為了探究各因素對黃鱔剖切效果影響的主次順序，確定黃鱔剖切裝置的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取夾持輥轉(zhuǎn)速、夾持輥初始間隙、刀盤露出高度為因素，以黃鱔剖切效果的可接受性評分為評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行正交試驗(yàn)。其中，在滿足剖切功能的條件下，夾持輥電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為180 r/min，為了評估不同加持輥轉(zhuǎn)速下各因素之間的相互作用，夾持輥轉(zhuǎn)速分別設(shè)為120、150和180 r/min，試驗(yàn)因素水平編碼如表7所示。

表7 正交試驗(yàn)因素水平表

采用正交表9(34)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)從黃鱔樣本中隨機(jī)選取90個(gè)樣本，每個(gè)因素組合用10個(gè)樣本進(jìn)行試驗(yàn)，取各樣本的可接受性評分平均值作為各因素組合的評分值，正交試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

由表8可知，對黃鱔剖切效果可接受性評分影響的主次順序?yàn)閵A持輥初始間隙、刀盤露出高度、夾持輥轉(zhuǎn)速，最優(yōu)參數(shù)組合為123。即取夾持輥初始間隙8 mm，刀盤露出高度22 mm，夾持輥轉(zhuǎn)速180 r/min時(shí)，黃鱔剖切效果最佳。

4.7 驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)定夾持輥初始間隙8 mm，刀盤露出高度22 mm，夾持輥轉(zhuǎn)速180 r/min，在該條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。取黃鱔樣本100條，連續(xù)倒入料斗進(jìn)行試驗(yàn)并測定剖切效率。試驗(yàn)結(jié)果表明，黃鱔腹部基本都能完全剖開，剖切口光滑平整，內(nèi)膽基本呈完整狀態(tài)，魚體剖切效果的可接受性評分平均值為9.53，生產(chǎn)量達(dá)到24.3條/min。

表8 正交試驗(yàn)結(jié)果

注：、、分別為刀盤露出高度、夾持輥初始間隙、夾持輥轉(zhuǎn)速的水平值。

Note:are the level values for the exposed height of blade disc, the roller initial gap and the roller rotation speed.

4.8 剖切裝置通用性試驗(yàn)

為了驗(yàn)證剖切裝置對不同尺寸大小黃鱔的剖切效果，根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)定夾持輥初始間隙8 mm，刀盤露出高度22 mm，夾持輥轉(zhuǎn)速180 r/min，在該條件下進(jìn)行通用性試驗(yàn)。依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T22911—2008，根據(jù)黃鱔體型選取30條黃鱔樣本，按照大、中、小分為3組，每組10條，分別倒入傾斜料斗進(jìn)行試驗(yàn)并測定，魚體質(zhì)量及體尺寸測量結(jié)果如表9所示。

表9 黃鱔體尺寸測量結(jié)果

試驗(yàn)完成后測量剖切長度，共有25條黃鱔魚體腹部剖切程度超過0.875，剖切部位平整，內(nèi)膽基本保持完整，試驗(yàn)結(jié)果表明，黃鱔剖切裝置能夠較好地適用于不同規(guī)格大小黃鱔的剖切。黃鱔剖切效果如圖13所示。

圖13 黃鱔剖切效果

5 結(jié) 論

本文利用黃鱔受到外界應(yīng)激時(shí)選擇洞穴逃避、肌肉收縮鉆洞爬行前移的特性實(shí)現(xiàn)魚體頭尾及腹背定向，根據(jù)黃鱔魚體特征確定了剖切裝置關(guān)鍵部件的參數(shù)，設(shè)計(jì)并試制了黃鱔剖切裝置，通過試驗(yàn)對剖切裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，主要結(jié)論如下：

1）進(jìn)行了剖切裝置的喂入部件、夾持部件和剖切部件的設(shè)計(jì)，確定進(jìn)魚通道的結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)魚口直徑為28 mm，長度為180 mm；夾持輥直徑為180 mm，厚度為30 mm；剖切刀盤的直徑為114 mm。

2）為了進(jìn)一步優(yōu)化剖切裝置的結(jié)構(gòu)，提升剖切效果，分析了黃鱔在接觸和進(jìn)入夾持輥過程中的受力情況，確定了影響魚體夾持剖切的主要因素為夾持輥初始間隙、夾持輥直徑、夾持輥轉(zhuǎn)速和刀盤露出高度。

3）測試了進(jìn)魚通道結(jié)構(gòu)對黃鱔頭尾腹背定向的影響，開展了剖切裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，夾持輥初始間隙為8 mm，刀盤露出高度為22 mm，對輥轉(zhuǎn)速為180 r/min時(shí)，黃鱔剖切裝置工作性能最佳驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，黃鱔剖切后的可接受性評分平均值為9.53，剖切效果良好，裝置的生產(chǎn)量達(dá)到24.3條/min，且能夠較好地適用于不同規(guī)格大小的黃鱔，符合預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

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Design and experiments of the sectioning device for the fresh

Wan Peng1,2,3, Wang Rong1,2, Li Mengke1,2, Lei Xiang1,2, Li Ping4, Zhu Ming1,2,3

(1.,,430070,; 2.,,430070,;3.-,,430070,;4..,,,434025,)

Fresh water products is one of the most valuable nutrients in nature, due to the high protein content rich in amino acids and vitamins. Among them, the Asian swamp eel () is one of the most widely distributed freshwater fish in China. However, a great challenge is still remained in the aquatic products processing, due mainly to the manual sectioning with high labor intensity, low work efficiency and low safety, particularly for theand pond loach () freshwater fish. Taking the freshas the test object, this study aims to design and develop a new sectioning device, according to the fish habits and body characteristics. A series of experiments were carried out to determine the fish body clamping and force characteristics, in order to analyze the fish feeding, body positioning and clamping behavior. The sectioning device was composed of the tilting hopper, fish inlet channel, counter roller, and blade disc. Specifically, the structural parameters of the sectioning device were set, where the fish inlet channel was 180 mm long and the diameter at the fish inlet was 28 mm; the edge of the roller was serrated with a wide top and narrow bottom; and the diameter of the blade disc was 114 mm. The influencing factors of the sectioning were selected as the diameter of the roller, the initial gap of the roller, the rotation of the roller, and the exposed height of the blade disc. An optimization test was carried out with the impact factors of roller diameter, roller initial gap, roller rotation speed, and the exposed height of the blade disc as the influencing factors, and the acceptability score of the sectioning as the evaluation index. The results showed that the better clamping performance of the fish body was achieved in the roller diameter of 180 mm. The highest acceptability score of the abdominal section was obtained in the roller initial gap of 8 mm. Furthermore, the clamping performance was significantly better at the high roller rotation speed than that at the low one in the constant roller diameter. The acceptability score of the abdominal section increased gradually with the increase of the exposed height of the fish body support plate by the blade disc. The orthogonal test showed that the highest acceptability score of abdominal dissection was obtained, when the roller rotation rate was 180 r/min, the exposed height of the blade disc to the support surface was 22 mm, and the roller initial gap was 8 mm. The generality test showed that the new section device can be expected to better apply to freshwater fish with different body sizes, fully meeting the actual processing requirements. The optimal production capacity reached 24.3 pieces/min. The finding can also provide a strong reference to developing sectioning devices for freshwater fish.

agricultural machinery; design; experiments; sectioning device; fresh

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.22.024

S985.1

A

1002-6819(2022)-22-0220-09

萬鵬，汪榮，李夢珂，等. 鮮活黃鱔剖切裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2022，38(22)：220-228.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.22.024 http://www.tcsae.org

Wan Peng, Wang Rong, Li Mengke, et al. Design and experiments of the sectioning device for the fresh[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(22): 220-228. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.22.024 http://www.tcsae.org

2022-07-14

2022-11-06

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2018YFD0700903-2）；湖北省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新中心2020年重大科技研發(fā)專項(xiàng)（2020-620-000-002-03）；湖北省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新中心創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（2016620000001044）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（107-11041910103)

萬鵬，博士，副教授，研究方向?yàn)樗a(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)施裝備、水產(chǎn)品加工技術(shù)與裝備、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的智能檢測與評價(jià)等。Email：wanpeng09@mail.hzau.edu.cn