夏偉偉 孟慶國 張暢原 張 旭 徐子向

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

近年來中國淡水魚市場迅速發(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、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重要環(huán)節(jié)，高質(zhì)高效去臟是整個加工過程的技術(shù)難點。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行魚腹剖切，再利用除臟輪、除臟刀、除臟刷等去臟裝置進入魚腹，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)計了用于大黃魚魚體開背和臟腔定位的仿形料槽。朱國等[11]研究了魚體在剖魚機夾片中受力有限元分析，并優(yōu)化了剖魚機夾片結(jié)構(gòu)。上述報道基于魚類形體特點、去臟加工要求等研究了魚去臟裝置開發(fā)、性能評估及參數(shù)優(yōu)化等，對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行了詳細探討。但此類研究仍存在不足，尤其是在針對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使魚腹損傷的可能性增大。因此，擬設(shè)計一種適合淡水魚類的主動式去臟加工裝置，通過去臟裝置作業(yè)深度的動態(tài)調(diào)節(jié)，以達到確定去臟效果的同時降低魚腹損傷的綜合效果。采用響應(yīng)面試驗方法，研究除臟輪往復(fù)作業(yè)的起始位置、進給速度、進給量等參數(shù)對綜合去臟效果的影響，并進行感官評定，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

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，以魚體最前端到達除臟刀軸中心位置為作業(yè)起點(A點)，B點為除臟刀向上給出的起始位置，此時除臟刀以給出速度V向上運動，到達C點(最大作業(yè)深度)后再以同樣速度向下運動，回到起始高度位置D點，并停留等待下一條魚到達。除臟刀最高點作業(yè)軌跡經(jīng)由A-B-C-D-A完成一個工作周期。

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

為實現(xiàn)去臟作業(yè)深度的動態(tài)調(diào)節(jié)功能，設(shè)計一種可上下往復(fù)給進的去臟裝置(見圖3)，該裝置主要由電機、皮帶、皮帶輪及傳動軸、除臟刀、托板和升降氣缸構(gòu)成。工作原理：電機1經(jīng)由帶式傳動帶動除臟刀6實現(xiàn)去臟功能，除臟裝置置于托板4上，托板4一端與機架鉸接，其在升降氣缸5作用下進行一定角度的擺動，由于擺動過程中除臟刀的上下位移量遠大于左右位移量，因此除臟裝置可近似視為往復(fù)上下進給。通過除臟裝置上下進給運動和魚體水平夾送運動的聯(lián)合作用，從而實現(xiàn)如圖2所示的去臟軌跡規(guī)劃。

該往復(fù)式進給去臟裝置的機構(gòu)運動簡圖如圖4所示。向上進給作業(yè)時，進給氣缸推進且氣缸自身繞O點逆時針旋轉(zhuǎn)，帶動托板O′A從水平位置繞O′逆時針旋轉(zhuǎn)到O′A′位置，夾角為β。當(dāng)除臟刀從初始工位A運動至A′時，達到魚腹內(nèi)的最大作業(yè)深度H。設(shè)該過程中進給氣缸推進距離為ΔL，擺角為α，則擺角α與托板長度P和ΔL的關(guān)系為：

(1)

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

圖4 機構(gòu)運動簡圖Figure 4 Mechanism movement diagram

式中：

P——托板長度，mm；

β——托板擺角，rad；

α——氣缸擺角，rad；

L——氣缸初始長度，mm；

L′——氣缸終止長度，mm；

ΔL——氣缸推進距離，mm；

H——魚腹最大作業(yè)深度，mm。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

鮮活鯉魚：重量(1.5±0.5) kg，體長(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(圖5)：大連工業(yè)大學(xué)和日照鑫博機械設(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 試驗方法

2.3.1 單因素試驗 淡水魚往復(fù)式去臟機作業(yè)時，去臟效果主要受除臟刀向上進給的起始位置(給進起始點與作業(yè)起點的相對位置)、進給速度(氣缸推進平均速度)、進給量(魚腹最大作業(yè)深度)3個參數(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)試驗確定起始位置為10～50 mm，進給速度為0.1～0.3 m/s，進給量為40～80 mm。

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

(2) 進給速度對去臟效果的影響：固定起始位置為30 mm，進給量為60 mm，考察進給速度(0.10，0.15，0.20，0.25，0.30 m/s)對內(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Figure 5 Freshwater fish reciprocating dirty machine

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

2.3.2 Box-Behnken設(shè)計 根據(jù)單因素試驗結(jié)果，選取進給起始位置、進給速度、進給量3個因素作為考察對象，以內(nèi)臟去除程度和魚腹完整程度的綜合感官評分作為評價指標，設(shè)計三因素三水平響應(yīng)面試驗優(yōu)化往復(fù)式去臟工藝條件。

2.3.3 感官評定 根據(jù)文獻[12]的方法評判內(nèi)臟去除程度和魚腹完整程度。由10名專業(yè)人員對去臟試驗后的魚體進行評判并取平均值。魚內(nèi)臟去除程度和魚腹完整程度感官評分權(quán)重系數(shù)分別為0.6，0.4，其標準見表1。

2.3.4 數(shù)據(jù)處理 每組試驗取3個試驗樣本，分別計算內(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的最后結(jié)果。利用Origin軟件和Design-exper軟件對試驗數(shù)據(jù)進行描述與分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 單因素試驗

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，除臟刀過早完成給進動作并退出魚腹，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，除臟刀在上升階段來不及清除魚腹前半段內(nèi)臟，而在下降階段則會對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分標準Table 1 Sensory scoring standards for the degree of visceral removal

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

3.1.2 進給速度 由圖7可知，內(nèi)臟去除程度隨進給速度的增大而降低，魚腹完整程度隨進給速度的增大而提高。進給速度低除臟刀在魚腹內(nèi)作業(yè)時間長，不影響去臟效果，但刀具下降得太慢則可能劃傷魚腹。當(dāng)進給速度為0.10～0.15 m/s時，刀具不但損傷了魚腹，還劃傷了后方魚體，評分大幅降低。進給速度越快，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 進給量 由圖8可知，內(nèi)臟去除程度隨進給量的增大而增大，魚腹完整程度隨進給量的增大而降低。進給量過小，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會也越少；進給量越大，除臟刀在魚腹較深處作業(yè)的時間越長，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)進給量大于魚腹實際最大深度時，必然會造成腹部損傷。

3.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗

3.2.1 試驗設(shè)計與分析 試驗因素與水平編碼表見表2，試驗設(shè)計與結(jié)果見表3。

圖7 進給速度對去臟效果的影響Figure 7 Effect of operational speed on dirt removal

圖8 進給量對去臟效果的影響Figure 8 Effect of feed rate on dirt removal

3.2.2 模型的建立及方差分析 對表3結(jié)果進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 試驗設(shè)計與結(jié)果Table 3 Experimental design and results

3.2.3 響應(yīng)面分析 由圖9可知，當(dāng)進給量不變，隨著進給速度的增加，除臟刀在魚體內(nèi)作業(yè)時間減少，魚體在除臟刀作業(yè)時的位移變小，內(nèi)臟去除程度評分逐漸下降；隨著起始位置的增大，除臟刀無法徹底去除魚內(nèi)臟，內(nèi)臟去除程度評分逐漸下降。當(dāng)進給速度不變時，隨著進給量的增加，除臟刀在魚體內(nèi)探入的深度和作業(yè)時間均增加，當(dāng)進給量達到65 mm后，內(nèi)臟去除程度評分基本保持不變；隨著起始位置的增大，內(nèi)臟去除程度評分先增大后減小。當(dāng)起始位置不變時，隨著進給量的增加，內(nèi)臟去除程度評分先上升后趨于穩(wěn)定，這是因為當(dāng)進給量到達一定程度后內(nèi)臟已被完全去除，因此內(nèi)臟去除程度評分不再變化；隨著進給速度的增加，除臟刀在魚體內(nèi)作業(yè)時間減少，內(nèi)臟去除程度評分逐漸降低。

由圖10可知，當(dāng)進給量不變時，隨著進給速度的增加，除臟刀在魚體內(nèi)作業(yè)時間減少，魚體在除臟刀作業(yè)時的位移變小，因此魚腹完整程度評分逐漸上升；隨著起始位置的增大，魚腹完整程度逐漸下降。當(dāng)進給速度不變時，隨著進給量的增加，魚腹完整程度評分基本保持不變，因為此時除臟刀僅在魚體內(nèi)完成去臟動作后就從魚體內(nèi)退出，此時產(chǎn)生的位移并不能使除臟刀在退出魚體時損傷到魚腹；隨著起始位置的增大，魚腹完整程度評分基本保持不變。當(dāng)起始位置不變時，隨著進給量的增加，除臟刀在魚體內(nèi)作業(yè)時間延長，魚體在除臟刀作業(yè)時的位移變大，但在一定的位移范圍內(nèi)，除臟刀對魚腹的損傷基本為0，因此魚腹完整程度評分先保持不變后降低；隨著進給速度的增加，除臟刀在魚腹內(nèi)作業(yè)時間快速下降，當(dāng)進給速度達到0.25 m/s后，魚腹完整程度評分基本保持不變，魚腹完整程度評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 對式(2)、(3)進行歸一化處理，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，進給速度0.232 m/s，進給量63.78 mm，此條件下內(nèi)臟去除程度和魚腹完整程度評分分別為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，進給速度0.23 m/s，進給量64 mm，進行3次實驗驗證，得到內(nèi)臟去除程度和魚腹完整程度評分分別為4.65，4.82，與預(yù)測值相接近；各組試驗魚內(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)計了一種具有可往復(fù)作業(yè)的主動式魚去臟裝置，該裝置可以實現(xiàn)除臟刀上下往復(fù)運動，作業(yè)時除臟刀上升深入魚腹去除內(nèi)臟，非作業(yè)時間除臟刀下移，避免了除臟刀與魚腹干涉引起的作業(yè)損傷。結(jié)果表明，增大起始位置和進給量，減少進給速度有利于提升內(nèi)臟去除程度，但同時容易對魚腹造成損傷。影響綜合去臟效果的主次因素為進給速度>進給量>起始位置。當(dāng)起始位置為27 mm，進給速度為0.23 m/s，進給量為64 mm時，內(nèi)臟去除程度和魚腹完整程度評分分別為4.65，4.82，該方案的綜合去臟效果最佳。試驗未能建立除臟參數(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，將模型進行補充與優(yōu)化，提高建模精度。