白鰱氣動式機械去頭方法研究

劉 靜 張 帆 萬 鵬 譚鶴群

(華中農業大學工學院，湖北 武漢 430070)

白鰱氣動式機械去頭方法研究

劉 靜 張 帆 萬 鵬 譚鶴群

(華中農業大學工學院，湖北 武漢 430070)

淡水魚魚體去頭加工是淡水魚工業化前處理加工過程中的重要內容，魚體去頭加工的效果直接影響并制約著后期深加工產品的質量。以白鰱作為研究對象，提出一種利用氣缸帶動仿形去頭刀具進行魚體機械去頭加工的方法，設計并研制了仿形結構刀具以及氣動式機械去頭機樣機，以白鰱魚體去頭加工過程中的采肉率、去頭率以及切斷面評分為主要評價指標，對影響白鰱氣動式機械去頭機樣機性能參數的魚體頭部定位距離、魚體背部定位距離、刀具仿形結構、工作氣壓等關鍵因素進行試驗分析，探究各因素的變化規律，并設計正交試驗對各因素的最優組合進行研究，通過正交試驗可知：對去頭機去頭效果的影響從大到小依次為：魚體頭部定位距離>刀具仿形結構>魚體背部定位距離>誤差。綜合評價分析結果顯示：淡水魚氣動式去頭機去頭工作時，將魚體水平放置，魚體頭部定位距離為107 mm，魚體背部定位距離為55 mm，并采用厚度為2 mm的弧刃U型刀進行切割時去頭效果最好，該條件下魚體去頭采肉率為76.8%，去頭率為90.6%。

魚體去頭機；氣動式；仿形刀具；定位距離；采肉率；去頭率

淡水魚肉質細嫩、肉味鮮美，營養豐富，是人們日常最重要的蛋白質來源[1]。淡水魚產品的深加工是淡水魚養殖生產的延續[2]。目前，發達國家的水產品加工率在80%以上，而中國的水產品加工率不足30%，其中淡水魚產品加工率更低，不到10%，且加工基本以手工為主，鮮見有專業的前處理機械設備及生產線，導致漁業生產效益低下[3-5]。淡水魚加工裝備的滯后嚴重制約了淡水魚養殖業的發展，因此加快淡水魚產品加工裝備的研究勢在必行[6]。

淡水魚的“三去”加工(去鱗、去頭、去內臟)是淡水魚工業化前處理加工的重要內容，直接關系著淡水魚工業化前處理加工的速度和質量。由于淡水魚魚頭以骨質結構為主，魚肉含量較少，經常需要進行“去頭”處理，以提高魚肉制品的加工質量與產出[7]。目前，國外一些發達地區和國家，特別是歐美和日本對魚類前處理機械進行了較多研究。Andrzej等[8-9]研究了不同刀具在魚頭加工過程中切頭速度以及切割線路對魚肉損失的影響，最終選擇了V-型圓盤旋轉切刀的切割方式；同時在采用V-型法對鯉魚進行去魚頭時，比較了兩把圓形刀和一把盤型刀的使用效果，發現使用盤型刀可以降低魚體損傷區域、減小刀具直徑。德國和丹麥的公司針對遠洋拖網漁船研制了不同的魚體去頭機械[10]。而中國的淡水魚類前處理加工設備起步較晚，雖然也研制過淡水魚前處理加工機械設備，但是由于機器本身可調節性能差、適用面窄，未被廣泛使用[11-12]。陳慶宇等[13]研制了一臺典型海產小雜魚機械去頭加工試驗平臺，尋求小雜魚最適合的去頭方法。陳福禮等[14]也研制了一種淡水魚加工設備，通過鑲有插針的輸送帶固定魚體運動至由獨立的電機驅動的圓盤，完成去魚頭工序。

本研究擬以大宗淡水魚中的白鰱魚作為對象，采用氣缸作為驅動部件，設計并研制仿形結構刀具以及氣動式機械去頭機樣機，通過試驗對淡水魚魚體去頭機工作參數進行優化，為淡水魚前處理機械的開發設計進行前期研究并提供參數支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用魚體樣本為新鮮白鰱，魚體重量范圍為(1.25±0.50) kg，采購自水產品批發市場。白鰱樣本采購回來后進行去鱗、洗凈處理，并放于冰箱中在-4℃的條件下進行保存。

1.2 試驗儀器與設備

電子分析天平：AUE-210型，長沙湘儀天平儀器廠；

本試驗所用自制不同刃口結構刀具見圖1。

1. 直刃平刀 2. 直刃U型刀 3. 弧刃平刀 4. 弧刃U型刀

其中，直刃平刀為常見平口砍刀結構；直刃U型刀將直刃平口加工為U型結構，可以使刀具刃口更容易切入魚體；弧刃平刀和弧刃U型刀按照魚頭鰓蓋骨的外沿輪廓結構進行仿形加工，可以在切斷魚頭的同時使魚頭后部的魚肉更多地保留在魚體上。

本試驗所用白鰱氣動式機械去頭機樣機結構見圖2。

白鰱氣動式機械去頭機樣機由機架、魚體去頭平臺、去頭刀片、去頭刀架、去頭刀架導軌、氣缸、氣缸控制按鈕等組成。其中機架由方鋼搭建構成上下兩層框架結構，機架下層的框架邊緣設置有氣缸控制按鈕；魚體去頭平臺由平板、魚體限位板、魚頭限位板組成，通過限位板安裝長條孔可以調節魚體限位板和魚頭限位板的位置；魚體去頭刀片通過螺栓固定在魚體去頭刀架下面，去頭刀架的4個角上有導向孔，沿著去頭刀架導軌上下移動；氣缸固定在支撐板上面；氣動式機械去頭機上的氣缸通過管路與氣缸控制按鈕和空氣壓縮機相連。

1. 機架 2. 去頭平臺 3. 刀片 4. 氣缸 5. 刀架導軌 6. 刀架 7. 氣缸控制按鈕

1.3 試驗評價指標

白鰱魚體在去頭加工試驗過程中要求采肉率、去頭率高，即切下的魚頭上連帶的魚肉越少越好，其次是要求切斷面光滑整齊，在保證產量的同時做到美觀。為了評價魚體去頭機樣機的去頭性能指標的效果，定義采肉率為：

(1)

式中：

P1——單尾魚的采肉率，%；

m0——魚體總重量，g；

m1——經去頭機加工后的魚體頭部質量，g。

定義魚體去頭率為：

(2)

式中：

P2——單尾魚的去頭率，%；

S0——去頭前魚頭鰓蓋骨曲線內的總面積，mm2；

S1——經去頭機加工去掉的魚頭總面積，mm2。

其中，S0和S1數據該部分面積的獲得首先通過相機拍照采集魚體去頭前以及去頭后的魚頭圖像，然后利用Photoshop將采集到的魚頭圖像和標準尺圖像分別進行分割比對，并提取相應的輪廓導入Matlab中進行面積的計算。

通過感官檢驗訓練的食品專業人士5人組成評定小組，根據食品質量感官評分標準對剪切試驗切斷面結果進行評定，感官評定得分取平均分，以100分計，則魚體去頭切斷面質量感官評定標準為：一等切斷面感官評分為80～100分，標準為魚體外形保持完好，魚身切斷面十分光滑平整有光澤，去頭后魚身無明顯缺損；二等切段面感官評分為60～80分，標準為魚體外形保持比較完好，無明顯損傷或缺肉；三等切段面感官評分為40～60分，標準為魚身橫斷面平整但略微粗糙，魚體外形遭到破壞，有一些缺損或撕裂；四等切段面感官評分為20～40分，標準為魚身橫斷面不平整且比較粗糙，魚體外形遭受破壞，有多處損傷及缺肉，魚肉有部分脫落。

1.4 試驗內容與方法

1.4.1 刀具結構對魚體去頭效果影響試驗 刀具結構對魚體去頭效率及去頭效果產生直接影響，本試驗采用弧刃平刀、直刃平刀、弧刃U型刀、直刃U型刀研究不同結構刀具對魚體去頭效果的影響，其中切割刀具的安裝位置與魚體頭部吻端定位面及背部定位面之間的距離見圖3。

圖3 魚體定位尺寸示意圖Figure 3 Fish body positioning size diagram

為了保證試驗時魚體在去頭加工平臺上放置位置的一致性，根據魚體形態特征統計結果，設定切割刀具安裝平面與魚體頭部吻端定位面之間的魚體頭部定位距離L為107 mm，該長度可以保證試驗魚體頭部均能被切割刀具進行完整切割；切割刀具安裝中心法面與魚體背部定位面之間的魚體背部定位距離D為55 mm；此外，去頭機的工作氣壓設定p為 0.4 MPa。以4種結構的刀具為4個水平進行試驗，對比研究刀具結構對魚體去頭效果的影響，每個水平重復10次，計算分析刀具結構與各試驗指標之間的關系。

1.4.2 工作氣壓對魚體去頭效果的影響試驗 魚體去頭刀具是在氣缸的驅動下進行上下運動對魚體頭部進行切斷，不同工作氣壓下刀具的運動速度各不相同，會影響魚體頭部切斷面的質量。

試驗中設定切割刀具安裝平面與魚體頭部吻端定位面之間的魚體頭部定位距離L為107 mm；切割刀具安裝中心法面與魚體背部定位面之間的魚體背部定位距離D為55 mm；切割刀具采用弧刃U型刀。調整氣缸的工作氣壓p分別為 0.2，0.4，0.6 MPa，對比研究不同工作氣壓對魚體去頭效果的影響；每個壓力水平重復10次，計算分析去頭機樣機的工作氣壓與各試驗指標之間的關系。

1.4.3 頭部定位距離對魚體去頭效果影響試驗 在對魚體進行機械去頭加工時，應能將魚體頭部完整切下，并使魚頭盡可能少的保留魚肉，因此魚體頭部的定位距離對魚體去頭效果會產生影響。

試驗中設定切割刀具安裝中心法面與魚體背部定位面之間的魚體背部定位距離為D=55 mm；調節氣缸工作氣壓為p=0.4 MPa；切割刀具采用弧刃U型刀。根據魚體頭部的形態特征參數，以試驗魚體樣本的魚頭長度平均值107 mm 為基準，設定魚體頭部定位距離分別為98，107，116 mm 3個水平進行試驗，對比研究魚體頭部定位距離對魚體去頭效果的影響，每個水平重復10次，計算分析魚體頭部定位距離與各試驗指標之間的關系。

而怒江大峽谷國家公園在進行規劃時，就為社區發展預留了空間。加之這些區域與國家退耕還林，異地扶貧搬遷政策相重疊，社區失去的一些資源權利通過這些政策得到一定的補償。對于怒江的世居民族社區更為重要的是如何面對國家公園所帶的機遇和挑戰。機遇是較好的經濟效益與生態效率，并帶動其它產業，如生態旅游產業，而面臨的挑戰則是，隨著外來投資進入，本地居民資源開發權利邊緣化，大量游客涌入帶來的資源、能源消耗對生態系統也造成的巨大壓力。

1.4.4 背部定位距離對魚體去頭效果影響試驗 魚體的背部定位可以使魚體頭部切斷面位于切割刀具的切斷范圍之內，保證魚體去頭效果。

試驗中設定切割刀具安裝平面與魚體頭部吻端定位面之間的魚體頭部定位距離L為107 mm；氣缸工作氣壓p為 0.4 MPa；切割刀具采用弧刃U型刀。根據魚體頭部的形態特征參數，以試驗魚體樣本的魚頭寬度平均值55 mm為基準，設定魚體背部定位距離分別為51，55，59 mm 3個水平進行試驗，對比研究魚體背部定位距離對魚體去頭效果的影響，每個水平重復10次，計算分析魚體背部定位與各試驗指標之間的關系。

2 試驗結果與分析

2.1 刀具結構對魚體去頭的影響

采用4種不同結構的刀具進行魚體去頭試驗，則采肉率、去頭率和魚體切斷面評分結果見圖4。

圖4 不同結構刀具去頭試驗結果Figure 4 The effect of different knives specification

由圖4可知：在本試驗所用樣本的質量等級范圍內，雖然魚體的體型特征有所差異，但采用平刀結構刀具(直刃平刀和弧刃平刀)進行魚體去頭時平均采肉率為69.8%，采用U型結構刀具(直刃U型刀和弧刃U型刀)進行魚體去頭時平均采肉率為75.6%，采用U型結構刀具的平均采肉率要高于平刀結構刀具的；采用平刀結構刀具的平均去頭率為75.8%，采用U型結構刀具的平均去頭率為91.0%，采用經魚頭鰓蓋骨外沿仿形設計的U型結構刀具的平均去頭率要顯著高于平刀結構刀具的；同時，由圖4可以看出，弧形刃口刀具(弧刃平刀、弧刃U型刀)的魚頭切斷面評分要顯著高于直刃刀具(直刃平刀，直刃U型刀)的魚頭切斷面評分。

對比不同結構刀具對魚體去頭的影響可知，仿魚頭鰓蓋骨外沿結構的弧刃U型刀在進行魚體去頭時采肉率和切斷面評分最高，去頭率略小于直刃U型刀，其綜合去頭效果最優。弧刃U型刀與直刃平刀去頭效果見圖5。

圖5 U型刀和平刀的去頭效果比較Figure 5 The effect of U-shaped knife and flat knife

分析其原因可知，盡管鰱魚體型特征各異，但本試驗選用(1.25±0.50) kg的白鰱樣本，魚頭特征尺寸變化不大；采用仿魚頭鰓蓋骨外沿結構的弧刃U型刀進行魚體去頭加工時可以最大限度地保留魚體上的魚肉，提高采肉率；同時U型刀具在切割魚體過程中刃口逐步進入魚體，與魚體接觸面由小增大，變直刃刀具的正切為滑切，增加了魚體與刀具的作用時間和實際切割距離，減小了切割阻力，對魚體的位置擾動較小，切口更加整齊明亮。因此，在本試驗中采用弧刃U型刀作為魚頭切割刀具。

2.2 工作氣壓對魚體去頭的影響

圖6 不同工作氣壓的去頭效果Figure 6 The effect of different working pressure

由圖6可知，在不同工作氣壓下進行魚體去頭試驗，采肉率與去頭率變化不大。這是因為在試驗過程中，魚頭切割刀具安裝平面與魚體頭部吻端定位面間的定位距離L2確定為107 mm，切割刀具安裝中心法面與魚體背部定位面間的魚體背部定位距離D2確定為55 mm，切割刀具為弧刃U型刀，即相關的3個參數已經確定了魚體的實際切割去頭加工區域，故采肉率和去頭率的變化僅與魚體本身體型有關；而本試驗選用的魚體樣本差異不是很大，故魚體采肉率與去頭率變化較小。同時，從圖6中可知，魚頭切斷面的評分顯著增加。這是因為隨著工作氣壓的升高，氣缸活塞桿的最大工作速度加大，帶動切割刀具運動速度增加，切割魚頭瞬時作用力增加，魚體去頭加工時間變短，因此切斷面更加光滑。

2.3 頭部定位距離對魚體去頭的影響

在不同魚體頭部定位距離下進行魚體去頭試驗，則魚體采肉率、去頭率和切斷面評分結果見圖7。

圖7 魚體頭部定位距離去頭效果Figure 7 The effect of head positioning distance

由圖7可知，在工作氣壓為0.4 MPa、采用弧刃U型刀進行去頭試驗時，魚體的平均采肉率隨魚體頭部定位距離的增加逐步下降，但幅度不是很大；平均去頭率隨著魚體頭部定位距離的增大而顯著減小，但在定位距離為98 mm時，平均去頭率超過100%，即存在魚頭切割不完整的現象，使得采肉率出現虛高；平均切斷面評分隨著魚體頭部定位距離的增大而顯著增加，但在定位距離為98 mm時，有部分魚體魚頭切割不完全，導致整體的切斷面評分較低，在定位距離為116 mm時，所有魚頭完整切割，切斷面整體都整齊明亮。

這是因為，當魚體頭部定位距離過小時，一些魚體會出現魚頭切割不完全的現象，使得部分魚頭還留在魚身上，切下的魚頭重量輕，其面積比實際魚頭面積小，切口血肉模糊不整齊，所以出現采肉率較高、去頭率大于100%、切斷面等級卻很差的現象；而當魚體頭部定位距離過大時，會出現魚體魚頭過切的現象，使得大部分魚肉還留在魚頭上，切下的魚頭重量重，其面積比實際魚頭面積大，但由于切割部位都是在魚身，切斷面整齊明亮，所以出現采肉率和去頭率較低、切斷面評分較高的現象。為了達到最優的去頭效果，魚體頭部定位距離應取與魚體質量等級相對應的魚頭均長。在本試驗中，根據魚體質量等級，取魚體頭部定位距離為107 mm時，綜合去頭效果最好。

2.4 背部定位距離對魚體去頭的影響

在不同魚體背部定位距離下進行魚體去頭試驗，則魚體采肉率、去頭率和切斷面評分結果見圖8。

由圖8可知，在工作氣壓為0.4 MPa，魚體的頭部定位距離為107 mm，采用弧刃U型刀進行去頭試驗時，魚體的平均采肉率隨著魚體背部定位距離的變化并沒有呈現明顯變化趨勢，采肉率保持在75.8%左右；魚體的平均去頭率呈現先增加后減小的變化趨勢，但變化不顯著，在背部定位距離D為55 mm時平均去頭率相對最高，為90.6%；魚體的平均切斷面評分則呈現顯著的先增加后減小的變化趨勢，且在背部定位距離D為55 mm時取得最大值。

這是因為魚體外觀為紡錘型結構，當魚體背腹軸的垂直法面與切割刀具安裝中心法面重合時，大部分魚體都能進行完美切割；但當魚體背部定位距離取值過大時，魚體的切割曲面往魚腹的方向偏移，導致試樣魚體的頭背骨被部分切掉，并使腹上的肉連同魚頭一起被切除，因此表現為平均去頭率降低，切斷面評分也較低；當魚體背部定位距離取值過小時，切割曲面往魚背的方向偏移，導致試樣魚體的魚鰓骨被部分切掉，并使魚背上的肉連同魚頭一起被切掉，因此也表現為平均去頭率降低，切斷面評分也較低；此外，由于魚頭背部頭骨顱腔內為魚體腦組織，魚頭腹部處為魚肉實體，兩處組織結構不同，密度不一樣，造成影響去頭效果的各項指標在魚體背部定位距離過大時的變化量比魚體背部定位距離過小時的變化量要小。在本試驗中，綜合對比魚體去頭的各項試驗指標，取魚體腹背定位距離為55 mm時，綜合去頭效果最好。

圖8 魚體背部定位距離去頭效果Figure 8 The effect of back positioning distance

2.5 影響魚體去頭效果各因素的正交試驗分析

由影響魚體去頭效果4種因素的試驗分析結果，選定魚體的頭部定位距離、背部定位距離、刀具仿形結構(主要是U型刀和平刀的區別)作為主要因素進行魚體去頭加工試驗；利用正交試驗探尋3種試驗因素在魚體去頭機加工過程中的最優條件組合。本試驗所用正交表的試驗因素水平見表1。

表1 去頭機試驗因素水平表Table 1 Factors and levels ofhead-cutting machine

在企業生產過程中，提高魚體去頭加工產量是首要目標，同時提高魚體采肉率比增加去頭率更重要，在此忽略魚體切斷面評分，計算魚體平均去頭率和采肉率。為了綜合評價去頭效果，將去頭率和采肉率兩項指標轉換成其對應的指標隸屬度，指標隸屬度按式(3)計算：

(3)

式中：

IMi——指標隸屬度；

IDi——指標值，%；

INi——指標最小值，%；

IAi——指標最大值，%；

i——指標序號，取值1或2，1 表示去頭率，2表示采肉率。

可見，對于轉換后的各指標隸屬度存在如下關系：

0 ≤IMi≤ 1，i=1,2。

采用綜合分數指標評價魚體的去頭效果，則綜合分數指標按式(4)計算：

CD=IM1×0.4+IM2×0.6，

(4)

式中：

CD——綜合分數；

IM1——去頭率指標隸屬度；

IM2——采肉率指標隸屬度。

其中，0.6為采肉率權重，0.4為去頭率權重，綜合分數指標滿分為1.00。則試驗結果見表2。

表2 樣機試驗方案與結果Table 2 Scheme and result of experiment

由表2可以看出，本試驗的3個因素對去頭效果的影響從大到小依次為A魚體頭部定位距離>C刀具仿形結構>B魚體背部定位距離。在不考慮交互作用的情況下，最優方案為A3B2C3，即魚體去頭時，魚體頭部定位距離為107 mm，背部軸定位距離為55 mm，采用弧刃U型刀。按此最優組合進行實驗驗證，白鰱魚體去頭采肉率可達到76.8%，去頭率可達到90.6%。

3 結論

以白鰱魚體去頭加工過程中的采肉率、去頭率以及斷面評分作為評價指標，研究了不同結構刀具、工作氣壓、魚體頭部定位距離、魚體背部定位距離等因素對氣動式白鰱魚體去頭機去頭效果的影響，得到了各因素的變化規律以及最佳參數值，并通過正交試驗驗證了各因素的最優參數組合。結論如下：

(1) 不同結構刀具對魚體去頭加工過程中的采肉率、去頭率和切斷面評分都有顯著的影響；采用經魚頭鰓蓋骨外沿仿形設計的弧刃U型刀的平均采肉率為75.6%，平均去頭率為91.0%，魚頭切斷面評分最高；

(2) 不同的工作氣壓對魚體去頭加工過程中的采肉率、去頭率影響不顯著；但對魚體魚頭切斷面評分具有顯著影響。

(3) 隨著魚體頭部定位距離的增加，魚體平均采肉率逐步下降，去頭率顯著減小，且存在魚頭切割不完整的現象，并導致平均切斷面評分的顯著變化。

(4) 隨著魚體背部定位距離的變化，魚體的平均采肉率沒有明顯變化；平均去頭率呈現先增加后減小的變化趨勢，但變化不顯著；魚體的平均切斷面評分則呈現顯著先增加后減小的變化趨勢。

(5) 通過正交試驗確定了氣動式淡水魚去頭機樣機工作的最優方案為魚體頭部定位距離為107 mm，魚體背部定位距離為55 mm，去頭刀具為弧刃U型刀，在此基礎上進行實驗驗證，魚體去頭加工的采肉率為76.8%，去頭率為90.6%。

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Freshwater fish pneumatic machinery to head-cutting method research

LIU JingZHANGFanWANPengTANHe-qun

(CollegeofEngineering,HuazhongAgriculturalUniversity,Wuhan,Hubei430070,China)

Freshwater fish head before processing as a freshwater fish processing a difficult point in the process of automated processing, to head the processing effect directly affects and restricts the freshwater fish late deep processing of the quality of the products. This paper presents A use of pneumatic cylinders contour design tool for freshwater fish mechanical processing way to head, is designed and developed A pneumatic head machine prototype, to go head machine prototype meat rate and recovery rate of head as the main performance indexes, performance parameters affecting the freshwater fish head machine prototype of fish head positioning distance, the back of the fish body position distance, tool shape structure, the working pressure, etc. The key factor to determine the test index and orthogonal experiment design and analysis, it is concluded that: to go head to head machine effect from large to small in the order: A fish head positioning distance > C cutter contour structure > B > fish back positioning distance D error. Comprehensive evaluation of the results of the analysis shows that: freshwater fish go pneumatic head machine head work, put the fish body horizontal, fish head positioning distance is 107 mm, the back of the fish body positioning distance is 55 mm, and the thickness of 2 mm of u-shaped arc blade knife cutting head effect is best, at this time the fish head meat at a rate of 76.8%, to head a rate of 90.6%.

fish head-cutting machine; pneumatic; profiling tool; positioning distance; the flesh rate; the head off rate

中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(編號：2013PY126)；國家現代農業產業技術體系建設專項(編號：CARS-46-23)

劉靜，女，華中農業大學講師，博士。

萬鵬(1980—)，男，華中農業大學副教授，博士。 E-mail：wanpeng09@mail.hzau.edu.cn

2016—09—21

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.01.021