鱔魚自動剖切機設計與試驗

劉明勇 歐陽周寰 韓新光 向 雪 朱 林

據調查[1],2021年中國鱔魚養殖產量達31萬t。目前,鱔魚主要以人工宰殺為主,勞動強度高、工效低、安全性差。現有鱔魚剖切機構的研究成果主要為專利。林天祥[2]發明的鱔魚宰殺器實現了自適應鱔魚大小的功能,但仍停留在手工宰殺階段。夏明友[3]設計的鱔魚剖切裝置用一組自適應夾持塊固定鱔魚,但缺少輸送機構,剖切效率低。別傳召[4]設計的鱔魚宰殺機設置回旋管道,利用鱔魚自身重力下滑進入旋轉的壓鱔槽內完成剖切,其刀片設置固定,剖切過程會產生較大阻力。程娟[5]發明的簡易鱔魚宰殺裝置利用螺旋型刀片旋轉固定輸送鱔魚。李平等[6]研制的黃鱔初加工機臺實現了剖切過程自動化,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,國內外學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構對魚體頭部切除的影響規律;夏偉偉等[8]設計了淡水魚往復式去臟裝置并獲得了較優的工作參數;黃鵬飛等[9]設計了帶式夾送淡水魚剖魚機,并確定了針對白鰱魚的最優皮帶間距高度取值范圍;譚鶴群等[10]設計的鏈式剖魚機使用兩瓣彈性夾片夾持魚體,具有較好的喂入效果;王小琴[11]設計的高壓沖洗型剖魚機使用多對上下對稱的仿形錐運輸魚體。國外的魚類加工平臺多為片機與輸送機[12],且較依賴人工。Ali Muhammed等[13]設計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。該機構針對的對象為生魚片而非活魚,活魚在剖切過程會掙扎導致剖切質量降低。Yamamoto[14]設計了一款通用的肉類切片機,通過刀架循環上下移動和置肉平臺向前輸送將肉切為薄片。國內相關水產宰殺設計[15-16]夾持方式對于表體黏滑的鱔魚不可靠,且鱔魚頭部受到刀片剖切時身體會劇烈擺動導致殺偏甚至無法宰殺。

研究擬設計一款專用于剖殺細長且表面光滑的魚類剖切機構,建立魚體與夾持剖切機構的力學模型,得出影響魚體剖切質量和剖切時間的關鍵因素。以剖切質量和剖切時間為指標,進行正交試驗工藝優化,以期為鱔魚加工設備研發提供依據。

1 自動剖切機結構設計與工作原理

1.1 機器結構設計

為降低機械振動,確保可靠性并降低成本,采用單電機驅動。設計傳動組將電機動力傳遞到刀與夾輪上。相關研究[17]表明,刀片采用圓刀、逆向轉動對魚體剖切的效果較好。刀片與夾輪轉向不同,故采用錐齒輪實現轉向。傳動機構主體由電機、軸、軸承、帶、齒輪副組成,電機通過同步帶帶動刀旋轉;同時,電機動力通過直齒輪副和錐齒輪副帶動夾輪旋轉。滑道設置限位塊,防止剖切時魚體受激過度擺動無法剖殺。

為保證傳動組的可靠性和減小整機體積,采用帶傳動連接電機軸與刀軸。采用直齒輪副和兩對錐齒輪副連接電機軸與夾輪,設計的傳動簡圖如圖1所示。

圖1 鱔鰍自動宰殺機簡圖

試驗時,啟動電機并放下集料箱,魚體滑入集料箱狹口進入滑道被夾輪捕獲向前輸送。滑道中間布置一對夾輪8。電機啟動后,轉矩由電機通過直齒輪副Ⅰ和Ⅲ、錐齒輪副Ⅳ傳遞到夾輪8上帶動夾輪旋轉;同時,電機動力通過同步帶Ⅱ傳遞到剖刀7上。夾輪旋轉定向輸送魚體,經過刀片完成剖殺。兩錐齒輪箱體10之間設置彈性件,可在滑軌9上左右滑移,可自適應不均勻魚體和不同大小的鱔魚。

1.2 剖切機關鍵參數設計

參考已有的魚類剖切除雜裝置[18],剖刀轉速范圍為800～1 100 r/min,刀軸設于滑道上方用于剖背。選取電機型號80-ST-M02430LBX,轉速0～3 000 r/min,額定功率0.75 kW。實際觀察電機轉速超過900 r/min時整機振動較明顯,設置電機初始速度為450 r/min。刀外圓與夾輪中心的前后距離為3 cm。根據文獻[19],鱔魚觸覺神經反射時間約為0.05 s。為保證夾持可靠性,預設置夾輪線速度v1為0.6 m/s。考慮宰殺機器整體體積,設計夾輪半徑R為45 mm,則夾輪轉速n1=v1/R=127 r/min。

由電機轉速和夾輪轉速得夾輪傳動組總傳動比為i1=3.6。根據質量最小原則確定各級傳動比。

其中各齒輪質量和為

(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傳動比;

i3——齒輪副Ⅲ傳動比。

設魚體輸送速度v2等于夾輪線表面速度,則魚體向前輸送的速度和刀片轉速為

(3)

(4)

式中:

v2——魚體輸送速度,m/s;

n2——刀片轉速,r/min;

R——夾輪半徑,mm;

n3——伺服電機轉速,r/min;

i4——同步帶Ⅱ傳動比。

根據已知條件,計算剖切機參數如表1所示,建立的剖切機模型如圖2所示。

表1 自動剖切機參數

圖2 鱔鰍自動宰殺試驗平臺結構示意圖

2 喂入及夾持剖切作業機理

2.1 喂入過程

魚體在滑道中受重力和自身生物特性影響,下滑經過滑道與夾輪接觸。此時受自身重力和滑道、夾輪的共同作用,其主要受1對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 魚體喂入過程受力分析

根據靜力平衡原理可得

(5)

式中:

β——滑道與水平面夾角,°;

k——形狀參數(與φ大小和夾輪限位形狀有關);

μ——魚體與滑道的摩擦系數。

鱔魚順利進入夾輪應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,通過調整夾輪間距,改變夾輪表面形狀會改變k值大小,從而增大夾輪對魚的作用力,促使魚體進入夾輪。同時,增大滑道β角,擴大FG值也有利于魚體向前進入夾輪。

2.2 夾持剖切過程

鱔魚骨質在魚頭部分分布較多,剖切時頭部會產生較大阻力,因此在剖切過程中只考慮頭部接觸剖刀后的受力情況。試驗發現,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 魚體夾持剖切過程受力分析

根據魚體與夾輪的幾何關系可知

(8)

式中:

φ——魚頭部斜角,°;

α——剖刀對魚作用力的法向分力與滑道的夾角,°。

根據圖4,魚體順利經過剖刀并完成剖切,受力應滿足:

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——剖刀對魚作用力的切向分力,N;

Fn——剖刀對魚作用力的法向分力,N。

夾持過程中鱔魚所受夾輪壓力FX1與鱔魚對夾輪的壓力FX2大小相等,故

K1x1=K2x2。

(11)

彈性件變形量x1與鱔魚單側法向壓縮變形量x2的關系為

b*-2x1-(d-2h)=x2。

(12)

將式(11)代入式(12)得

(13)

則

(14)

式中:

b*——魚體正常狀態寬度,m;

b——夾輪未設限位的間隙寬度,m;

h——夾輪表面限位高度,m;

x1——夾持過程魚體單側法向壓縮變形量,m;

x2——夾持過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。

由式(10)和式(14)可知,通過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。通過加快剖刀轉速,減小剖刀作用力FT、Fn,增大滑道β角或降低滑道摩擦系數μ均有利于魚體向前輸送完成剖切。

3 鱔魚剖切試驗

3.1 試驗設備與材料

主要試驗設備為鱔魚自動宰殺機,其他儀器設備及配件包括游標卡尺、鋼尺 、電子秤(精度 0.1 g)、量角器、秒表、圓形刀片等。為確保試驗的一致性,排除無關變量,試驗對象統一選取長度37～43 cm、質量70～90 g的成年鱔魚。共測50尾魚的體長與體重,統計結果見圖5。

圖5 鱔魚物理參數測定結果

3.2 試驗評價指標

剖切質量的結果評分包括剖切程度、魚體損傷程度、感官指標。客觀指標中,剖切程度的切口長度采用測量法,用游標卡尺測量切口長度和體長得到。剖切程度中剖切深度、魚體損傷程度和感官指標等為主觀指標,由3位實驗員觀察后評分取平均值。參考現有標準[20],設計質量評定標準見表2。

表2 剖切質量評定標準

3.3 影響魚體剖切指標的優化試驗

更換不同齒數帶輪使剖刀與夾輪轉速比可調。以剖切質量和剖切時間為評價指標,探究剖切結果與限位類型(矩形、梯形和圓形)、限位高度(4,5,6 mm)、刀片轉速(375,563,750,938,1 125,1 500 r/min)、夾輪轉速(83,125,167,208,222,250 r/min)的關系。并在此基礎上,以限位高度、刀片轉速和夾輪轉速為因素,設計三因素三水平正交試驗優化剖切質量和剖切時間的最佳工藝條件。

3.4 結果與分析

3.4.1 夾輪表面限位形狀對魚體剖切質量的影響 鱔魚表面無魚鱗,摩擦系數較小,所以輸送魚體需要設置專門的柔性夾具[21-22]或設置特殊表面結構[23]。因此,夾輪限位形狀設置矩形限位、半圓形限位和梯形限位3種,設定刀片轉速1 080 r/min,凸起高度4 mm。

試驗表明,圓形限位在低轉速時剖切效果較差,剖切時頭部一側組織被大量切除。調高轉速后再進行試驗,發現矩形限位在高轉速時會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。兩種試驗條件下魚體的切口長度均較短,而梯形限位并未出現此類結果。因此,后續試驗使用梯形限位。

3.4.2 夾輪限位高度對魚體剖切結果的影響 設置刀片轉速900 r/min,夾輪轉速150 r/min,探究夾輪限位高度對剖切結果和剖切時間的影響。由表3可知,隨著限位高度的增加,剖切時間縮短,夾持輸送速度變快,剖切深度降低。限位高度較低時,魚體剖切切口不為直線,是因為限位高度較低魚體經過夾輪時身體會過度擺動。而夾輪限位過高會使兩夾輪與滑道形成的間隙變小,過度擠壓導致鱔魚在試驗過程中血液流出較多。

表3 限位高度對剖切質量的影響

3.4.3 夾輪轉速對魚體剖切結果的影響 設置限位高度5 mm,刀片轉速900 r/min,探究夾輪轉速對剖切質量和剖切效率的影響。試驗發現,轉速為250 r/min時,魚體表皮出現少量磨損;轉速為83 r/min時,魚體頭部被剖刀切開后身體劇烈擺動,導致魚體身體部分組織損失較多,切口不為連續直線型,魚體表面破壞嚴重。由圖6可知,隨著夾輪轉速的增加,3類評分先增大后減小。低轉速下各類評分均較低,主要是夾持過程不可靠。高轉速下魚體損傷嚴重,剖切程度也相對較差。

圖6 夾輪轉速對魚體剖切質量評分的影響

由圖7可知,夾輪轉速對剖切時間有直接影響,隨著夾輪轉速的增加,剖切時間明顯縮短。當夾輪轉速為225 r/min時,剖切時間下降較平緩,而機械振動明顯。

圖7 夾輪轉速對魚體剖切效果的影響

3.4.4 刀片轉速對魚體剖切結果的影響 設置限位高度5 mm,夾輪轉速167 r/min,探究刀片轉速對剖切質量和剖切效率的影響。試驗發現,刀片轉速過低,魚頭接觸剖刀后會卡住一段時間,受到刺激后頻繁扭動身體后再擠出夾輪,導致頭部大部分組織被切除。同時魚身也有多處非剖切的損傷。

由圖8可知,刀片轉速越快,其剖切程度評分也越高。這是因為刀片轉速越快,刀鋒部分在單位時間內對魚肉做的功也越大,破壞魚體組織也越容易。轉速過快會使魚肉破損,切口的感官評分較低。

圖8 刀片轉速對魚體剖切質量評分的影響

由圖9可知,隨著刀片轉速的增大,剖切時間下降。當刀片轉速>540 r/min時,剖切時間下降緩慢,說明轉速滿足切割頭部和魚肉的條件后,剖切時間與刀片轉速關系不大。開始時剖切質量評分隨刀片轉速的增大而上升,當刀片轉速達到1 350 r/min時開始有下降趨勢。

3.4.5 正交試驗 根據單因素試驗結果,選擇夾輪限位高度、刀片轉速、夾輪轉速3個因素進行正交試驗,各因素水平見表4,試驗設計及結果見表5。根據極差分析,影響剖切質量評分的因素排序為刀片轉速>限位高位>夾輪轉速,最優組合為A2B3C2;影響剖切時間的因素排序為夾輪轉速>限位高度>刀片轉速,最優組合為A3B3C3。為進一步探究各因素對評價指標的顯著性影響,運用SPSS 20.0軟件進行方差分析,結果見表6。

表4 正交試驗因素水平表

表5 正交試驗設計及結果

表6 方差分析?

由表6可知,在95%置信度下,刀片轉速對剖切質量評分影響顯著,是由于刀片轉速決定了單位時間內刀鋒部分對肉體組織做的功,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,影響夾持力大小進而影響夾持過程對魚體的摩擦力。摩擦力增大,魚體輸送速度也會變快,而夾持力過大會使魚體過度變形,過小會使夾持不可靠、魚體擺動過度,所以夾持輪凸起高度對剖切質量評分和剖切時間的影響均顯著。

夾輪轉速對剖切時間的影響為極顯著,是因為夾持輪表面線速度越快,單位時間內摩擦力對魚體做功越多,魚體動能越大。為了在保證剖切質量評分最優時盡量縮短剖切時間,選取組合A2B3C2即夾持輪限位高度5 mm、刀片轉速1 350 r/min、夾輪轉速167 r/min。此時剖切完成后被輸送出來的鱔魚切口深至腹部且從頭至尾,多樣本加工后只有少數魚體兩側表皮出現較小破損,且剖切時間較短,適合大批量加工。

4 結論

通過對魚體夾持過程和剖切過程的理論分析,得出了鱔魚宰殺機的關鍵影響因素。試驗表明,針對鱔魚這種細長且截面類似橢圓的魚體,需要有專門的夾持輸送裝置。刀片轉速達到剖切條件后對剖切時間的影響不大,夾輪轉速是影響剖切時間的主要因素,但過快的夾輪轉速會使剖切效果變差,也會增加機體震動。綜上,鱔魚宰殺機的相對最優工作參數為夾輪限位高度5 mm,夾輪轉速167 r/min,刀片轉速1 350 r/min,此時的剖切時間較短且剖切效果較好。試驗設計的宰殺機對一定尺寸范圍內的鱔魚宰殺效果良好,尺寸過大或過小則需要額外的自適應裝置保證輸送的穩定性,且整體重量較大,需進行輕量化優化,后續可通過仿真軟件進行整機迭代。