黑魚整皮剝離系統切割刀具工作參數優化與試驗

趙明巖，翟曉東，林 敏

黑魚整皮剝離系統切割刀具工作參數優化與試驗

趙明巖，翟曉東，林 敏

（中國計量大學機電工程學院，杭州 310018）

為降低黑魚整皮剝取過程中魚皮損傷，提高魚皮完整度，該研究以“杭鱧1號”黑魚為試驗對象，對刀具工作參數進行優化。以切割刀片的齒形構造、旋轉方向、刀片直徑、刀片厚度、刀片轉速為主要因素，在自行搭建的黑魚整皮剝離裝置上進行單因素試驗與正交試驗，研究各因素對切割質量、切口損傷程度及魚皮損傷的影響。單因素試驗結果表明：采用無齒圓形刀片、反向切割、刀片直徑為60～100 mm、厚度為1.2～1.8 mm之間、轉速為2 500～3 500 r/min時切割效果較好，切口整齊平滑，切割過程對切口損傷小，切口質量感官評分及切割指數分值較高。正交試驗結果表明，影響切口感官評分因素依次為：切割刀片直徑、刀片厚度、刀片轉速；影響切口切割指數因素依次為：刀片直徑、刀片轉速、刀片厚度；刀片直徑80 mm、刀片厚度1.2 mm、刀片轉速3 000 r/min時，切口感官評分及切割指數分值最高。對優化試驗結果進行驗證試驗，切口光滑平整，無明顯損傷，切口感官評分達到9.30分，切割指數可達9.15，符合黑魚剝皮的工藝要求。該研究可為魚類整皮自動化剝離系統研制提供參考。

優化；漁業；正交試驗；刀具；黑魚；魚皮剝離機

0 引 言

黑魚（學名烏鱧，Snakehead）魚皮憑借花紋美觀、韌性強、透氣、防水、抗膨脹性強等優點，在當前鱷魚皮、鯊魚皮、蛇皮等各種野生動物皮革制品被明令禁止的背景下，成為短缺野生高檔皮革原料的理想替代品。魚皮面積越大，加工出的皮革制品質量越好，紋路越精美[1-3]。因此魚皮剝取后的完整度、面積大小直接決定了魚皮深加工后的經濟價值，魚皮相關制品已成為漁民重要收入來源。目前國內大部分水產品加工企業主要采取手工剝取的方式獲取黑魚皮，效率低、魚皮完整性差、存在安全隱患，限制了水產品深加工產業的發展[4-6]。研制黑魚整皮剝離自動化裝置符合中國漁業現代化發展的客觀要求。

國內外針對魚類處理技術及裝備進行了大量研究[7-10]。陳慶余等設計了一種魚類機械去頭裝置，通過分析魚身得率及切斷面感官質量對切割刀具參數進行了優化[11]；鄭貴君等采用視覺檢測方法實現了殺魚機剖腹刀具的自動控制[12]；程世俊等[13]采用正交試驗對連續式淡水魚彈簧刷去鱗機參數進行了優化；張超等[14]基于機器視覺算法，實現了羅非魚初加工喂入量的監測與在線控制；胡曉亮等[15]設計了有關竹筴魚去臟加工用剖切刀具參數的單因素及正交試驗，通過試驗數據分析對剖切刀具參數進行優化，使去臟效果得以提高；AGEEV等[16]通過建立刀具切割金槍魚時的阻力模型，將試驗數據與數學模型的理論計算結果進行比較，分析了多個因素對金槍魚切割效果的影響。在魚類剝皮方面，鑒于東西方飲食習慣差異，西方發達國家黑魚消費量很小，尚未查到相關黑魚剝皮的研究文獻。國內鴻威科技有限公司設計了一種新型魚皮剝離機，為得到潔凈魚肉，利用上下傳送帶速度差控制剝皮輥，將魚皮破碎并剔除[17]；格蘭德比爾機械有限公司研發的型號為GB400AT的大型脫皮機，可實現鱈魚、魷魚、羅非魚、三文魚等魚種的自動脫皮[18]；笙輝機械有限公司研發的YP-50型臺式去皮機，可實現魚片（事先被分割成小塊）的自動去皮，去皮率高達99%[19]。上述3種技術旨在去皮留肉，將魚皮（已破損或碎裂）剔除并丟棄。

黑魚整皮剝離效果同魚頭、魚尾裝夾、頸部環切及腹部橫切、皮肉分離等操作密切相關。由于涉及后續皮肉分離及剝皮操作，選用不同參數組合的切割刀片對黑魚魚身切割質量有顯著影響，魚身切割質量直接決定了后續整皮剝取的效果。本文擬針對黑魚整皮剝取所用切割刀片的參數展開深入研究，以期提高黑魚整皮剝離效果。

本文研究了切割刀片齒形構造、刀片旋轉方向、刀片直徑、刀片厚度、刀片轉速等關鍵技術參數對整皮剝取效果的影響，并通過正交試驗分析法[20-21]，確定適合黑魚整皮剝取的較優切割刀片參數組合，擬為設計高效、穩定、切割效果好的黑魚整皮剝離裝置提供理論依據。

1 試驗設備與工作原理

1.1 試驗設備

試驗采用如圖1a所示自行搭建的黑魚整皮剝離裝置，其主要由裝夾裝置、切割機構、皮肉分離機構、剝皮終端、視覺系統組成。切割機構如圖1b所示，主要由橫向移動平臺、縱向移動平臺及切割刀具構成。設備工作及結構參數如表1所示。

圖1 黑魚整皮剝離裝置及切割機構

表1 設備工作及結構參數

1.2 工作原理

黑魚整皮剝離裝置工作流程：魚頭裝夾裝置與魚尾裝夾裝置將黑魚固定并同步旋轉360°，攝像頭采集60張魚身圖像，上位機對圖像進行處理，根據三維重構結果得出魚身空間坐標[22]；上位機根據上述坐標，規劃切割裝置路徑，依次對黑魚進行頸部環切與腹部橫切，如圖2所示。為保證黑魚皮被完全切開，切割深度必須大于魚皮厚度；但切口過深會導致魚皮剝離時扯下較多魚肉。預試驗結果表明切割深度為2 mm時切割效果較好。切割前將胸鰭剪斷，以消除其對頸部環切的影響；分別在魚腹兩側5 mm處各切割一次，避開腹鰭，以消除其對腹部橫切的影響。切割結束后，皮肉分離裝置運動至魚頸環切部位，皮肉分離刀插入背部皮肉結合層（脂肪層），魚身進行半周旋轉的同時分離刀高頻振蕩，完成黑魚頸部皮肉分離。最后剝皮終端移動至皮肉分離處，夾持背部已完成分離的魚皮，向魚尾方向拉扯，將整張魚皮剝下。

圖2 切割示意圖

2 材料與方法

2.1 試驗材料

試驗材料為2007年由杭州市農科院水科雜交培育的品種“杭鱧1號”黑魚。試驗黑魚魚長為350～440 mm，質量為600～1 100 g，表皮面積為31 000～59 000 mm2。黑魚外形呈圓柱形，魚頭近似直筒形，魚身往魚尾方向逐漸扁平，魚嘴短而圓。黑魚外形如圖3所示。

1.胸鰭 2.腹鰭 3.背鰭 4.臀鰭 5.尾鰭 6.側線 7.魚嘴

2.2 試驗方法與設計

以黑魚魚體切割面的切割質量、切口的損傷程度作為感官評分標準，結合切口切割指數的大小對切割刀片齒形構造、刀片旋轉方向、刀片直徑、刀片厚度、刀片轉速等因素進行參數優化試驗[23]。魚皮被完全切開，切割質量高，魚皮易被完全剝離；魚皮未被完全切開存在粘連，切割質量低，影響后續魚皮剝離。切口處損傷程度低，魚皮深加工價值高；切口處損傷程度高，切口粗糙，使魚皮深加工價值降低。切割指數用于評定切割后魚皮的損失程度，切割指數大，魚皮損失程度小，可獲得相對較大面積的魚皮；切割指數小，魚皮損失程度大，造成浪費。

2.2.1 單因素試驗

分別以切割刀片齒形構造（斜齒圓形刀片、直齒圓形刀片、無齒圓形刀片）如圖4所示，切割刀片旋轉方向（同向旋轉、反向旋轉）如圖5所示，設計試驗研究其對黑魚切割效果的影響。較大的刀片直徑會擠占空間，使機構各部件之間產生干涉；刀片直徑太小，則會降低切割效率。綜合考慮上述原因，選擇直徑為60～140 mm的切割刀片進行單因素試驗。刀片太厚，魚皮損失較大；刀片太薄，旋轉時動量小，切割時易卡頓，綜合考慮上述因素，選擇厚度為1～2 mm的切割刀片進行單因素試驗。刀片轉速太慢，無法將魚皮完全切開，甚至卡入魚身，切割效率低；刀片轉速太快，會導致切割處魚肉碎屑脫離魚身飛出，且有魚皮翻邊現象，綜合考慮上述因素，以1 500～3 500 r/min的轉速進行單因素試驗。

a. 斜齒刀片 a. Skewed tooth cutting discb. 直齒刀片 b. Straight tooth cutting discc. 無齒刀片 c. Toothless cutting disc

注：H為魚頭朝向，D為刀片運動軌跡方向，F為魚身旋轉方向，C為切割刀片旋轉方向。

切割刀片齒形構造單因素試驗中，刀片旋轉方向為反向切割、刀片直徑為80 mm、刀片厚度為1.2 mm、刀片旋轉速度為3 000 r/min；切割刀片旋轉方向單因素試驗中，刀片齒形構造為無齒圓刀、刀片直徑為80 mm、刀片厚度為1.2 mm、刀片旋轉速度為3 000 r/min；切割刀片直徑單因素試驗中，刀片齒形構造為無齒圓刀，刀片旋轉方向為反向旋轉、刀片厚度為1.2 mm、刀片旋轉速度為3 000 r/min；切割刀片厚度單因素試驗中，刀片齒形構造為無齒圓刀、刀片旋轉方向為反向旋轉、刀片直徑為80 mm、刀片旋轉速度為3 000 r/min；切割刀片旋轉速度單因素試驗中，刀片齒形構造為無齒圓刀、刀片旋轉方向為反向旋轉、刀片直徑為80 mm、刀片厚度為1.2 mm。每一水平下每組試驗重復3次后取其平均值。

2.2.2 正交試驗

為進一步研究切割刀片參數對黑魚切割效果的影響，以獲得最佳參數組合，依據單因素試驗結論，挑選對黑魚切割效果有顯著影響的因素（刀片直徑、厚度、轉速等）設計正交試驗，以切割質量、切口損傷程度、切割指數作為評價各因素對黑魚切割效果影響程度的評判指標，從而確定較優的切割刀片參數組合。采用水平正交法，每組試驗重復3次后取其平均值。

2.3 指標計算

2.3.1 黑魚切割后感官評分測定

為獲取高品質、低損傷的魚皮，切割時盡量避免魚皮損傷。試驗采用感官評分法[24-25]，組織5名試驗人員成立感官評定小組，根據魚體切割面的切割質量、切口損傷程度，對試驗結果依次進行綜合打分并取平均值。感官評定標準參考表2。

表2 感官評分標準

2.3.2 黑魚魚身切割指數測定

采用測量法，分別測量每批次試驗刀片的厚度與試驗魚體腹部及頸部的切口寬度，根據刀片厚度與切口寬度平均值的比值得出魚體切割指數，每組試驗重復3次，取試驗結果的平均值，切割指數為

=10L/

式中為切割指數；L為試驗刀片厚度，mm；為魚體腹部或頸部切口寬度的平均值，mm。

3 結果與分析

3.1 單因素試驗

3.1.1 切割刀片齒形構造對切割效果的影響

為研究切割刀片齒形構造對黑魚切割效果的影響，分別用齒形構造為斜齒圓刀、直齒圓刀、無齒圓刀的刀片對黑魚進行切割試驗，切割效果如表3所示。不同齒形構造的切割刀片對黑魚魚身切口的切割指數及感官評分影響差異顯著，采用無齒圓形刀片對黑魚進行切割效果最佳，魚體切割指數較高，測定結果為9.01，魚身切口處平整光滑，切口幾乎無損傷，感官評分可達9.25；采用斜齒圓形刀片對黑魚進行切割后，魚身切口處較為粗糙，且存在一定損傷，切割指數較低，測定結果為5.74，感官評分僅為6.25；采用直齒圓形刀片切割后測得的切割指數適中，但切口紋路不整齊，魚皮切口受損并向外翻起。上述結果表明，無齒刀片在切割時僅對魚皮產生切割壓力，切割過程平順，切割阻力較小；帶齒刀片在切割時會對魚皮產生切割拉力，刀齒鉤住魚鱗及魚皮增加了切割阻力，且使魚皮受損并向外翻起[26]。

3.1.2 切割刀片旋轉方向對切割效果的影響

為研究切割刀片旋轉方向對黑魚切割效果的影響，分別采用不同旋轉方向的刀片對黑魚進行切割試驗，切割效果如表3所示。試驗結果顯示，刀片旋轉方向不同時切割效果差異較大，試驗數據如表3所示，采用同向旋轉的刀片對黑魚進行切割后，切口出現未完全切開的情況，且魚皮切口處出現輕微損傷，感官評分僅為7.45，切割指數為8.96。相同條件下改變刀片旋轉方向為反向后再次進行切割試驗，切口光滑平整且被完全切開，切口處未發現明顯損傷，感官評分可達到9.08，切割指數提高至9.23。

3.1.3 切割刀片直徑對切割效果的影響

為研究切割刀片直徑對黑魚切割效果的影響，分別用直徑為60、80、100、120、140 mm的刀片對黑魚進行切割試驗。試驗發現，對于黑魚特有的形態特征，在切割時選用不同直徑的刀片，切割效果具有明顯差異，基于切割裝置的負載能力，選用5種不同直徑的刀片進行試驗。如表3所示，刀片直徑為80 mm時魚身切割指數較大可達到9.27，魚皮完全切開，切口處平整光滑，切口幾乎無損傷，切割效果較優，感官評分均分可達到9.14。選用直徑范圍在60～100 mm的刀片時切割效果較好，當刀片直徑超過100 mm時切割質量下降，切口較為粗糙，且存在不同程度的突起，切割指數及切口感官評分隨刀片直徑增加呈下降趨勢。上述結果表明，若直徑增加，刀片切入時與魚體接觸面積增大，增加了刀片旋轉時的摩擦阻力，不利于刀片切入。另外刀片直徑增大會增大偏擺幅度，造成魚皮切割損傷。而刀片直徑減小時，刀片線速度及切割力減小，容易卡頓。

3.1.4 切割刀片厚度對切割效果的影響

為研究切割刀片厚度對黑魚切割效果的影響，分別用厚度為1.0、1.2、1.5、1.8、2.0 mm的刀片對黑魚進行切割試驗，試驗結果如表3所示，上述5種不同厚度的切割刀片對黑魚切割的切口質量具有不同程度的影響，使用厚度為1.2 mm的刀片進行切割時，切割效果相對較好，切口處的感官評分均分達9.40，切割指數可達9.02，魚皮切口幾乎無損傷。刀片過薄和過厚都會使切割質量降低，當刀片的厚度為1.0 mm時，切口處存在小范圍粘連的情況，且切割指數出現下降；而當采用厚度為2.0 mm的刀片進行切割試驗時，切割后的切口粗糙且切口處魚皮向外翻起，感官評分降低，均分僅為7.08，切割指數僅為6.76。綜合切口質量感官評分與切割指數，當刀片厚度取值范圍在1.2～1.8 mm時可得到較好的切割效果。上述結果表明，當刀片過薄時其質量較小，旋轉時動量小，切割時易被卡住；而刀片厚度過大，切口寬度增加，會增大魚皮損耗。

3.1.5 切割刀片轉速對切割效果的影響

為研究切割刀片旋轉速度對黑魚切割效果的影響，分別用旋轉速度為1 500、2 000、2 500、3 000、3 500 r/min的刀片對黑魚進行切割試驗。試驗發現，當切割刀片轉速較低時，切口有較嚴重損傷，且存在魚皮未被完全切開現象。如表3所示，當刀片轉速為1 500 r/min時，感官評分均分僅5.20。隨著轉速的逐步提升，切割質量提高，感官評分也隨之升高。轉速達到3 000 r/min時，切割后的切口感官評分為9.14，魚皮被完全切開，切口處平整光滑，魚皮切口處幾乎無損傷，切割效果較優。當轉速升高至3 500 r/min時，高轉速刀片對切口處魚皮造成損傷，切口存在輕微突起，切割后的切口感官評分降低至7.86，且切口的切割指數出現一定程度降低。上述結果表明，刀片低速旋轉時動量較小，且魚鱗具有較大硬度，導致刀片難以切入，甚至卡頓；而刀片轉速過高則會導致魚肉碎屑脫離魚體飛出，且切口邊緣向外翻起。綜合切口質量感官評分與切割指數，刀片轉速選取不同，對黑魚魚身切口質量感官評分與切割指數存在較明顯差異，當刀片轉速取值范圍在2 500～3 500 r/min時，切割效果較優，利于后續皮肉分離操作。

表3 單因素試驗結果

3.2 正交試驗

參考單因素試驗結果，選取刀片齒形為無齒、刀片旋轉方向為反向后，黑魚切割操作后的切割效果主要與刀片直徑、刀片厚度、刀片轉速有關，將上述因素分別作為正交試驗因素、。以切割后的切割質量和切口損傷程度的感官評分及切割指數作為評判標準，采用L9(34)正交試驗，得出切割效果較優的刀片參數組合，試驗因素水平表如表4所示[27-28]。

表4 正交試驗的因素和水平

正交試驗結果如表5所示，各因素影響切割后魚身切口感官評分的主次排序依次為：刀片直徑、刀片厚度、刀片轉速；各因素影響切割后魚身切口切割指數程度的主次排序依次為：刀片直徑、刀片轉速、刀片厚度。如表6所示，經過方差分析，僅從切割后的切口質量感官評分考慮，在0.05水平下刀片直徑和刀片厚度兩項因素對切割效果影響顯著；僅從整皮剝取后的切割指數值考慮，在0.05水平下刀片直徑和刀片轉速兩項因素對切割效果影響顯著。對極差進行分析[29]，基于感官評分評價指標和切割指數指標的切割刀片最優參數組合為212，即刀片的最大直徑為80 mm、刀片厚度為1.2 mm、刀片的旋轉速度為3 000 r/min。

表5 正交試驗設計及試驗結果

注：、、分別為各個因素的水平值；1、2、3為各因素在所有水平的試驗數據平均值；為1、2、3之間的極差值。

Note:,,are the levels of factors;1,2and3are defined as the mean value of the test date of all levels in each factor;is defined as the range between the maximun and minimun of1,2and3.

表6 方差分析

注：*表示在0.05水平下差異顯著。

Note: * indicates significant differences at the 0.05 level.

3.3 驗證試驗結果

根據正交試驗結果，采用具有較優參數組合的切割刀片進行驗證試驗，刀片直徑為80 mm、刀片厚度為1.2 mm、刀片轉速為3 000 r/min，剝取后的黑魚整皮如圖6所示。驗證試驗結果表明，用具有此較優參數組合的切割刀片進行黑魚切割后，黑魚魚身切口光滑平整，魚皮切口無明顯損傷，切口感官評分均分達9.30，切割指數達9.15，切割效果理想，可進行后續皮肉分離及整皮剝離作業。

圖6 剝取的黑魚整皮

4 結 論

在自行設計的黑魚整皮自動剝離裝置上進行了切割試驗，采用感官評分法，根據魚體切割部位的切口質量、魚皮損傷程度，研究了切割刀片齒形構造、刀片旋轉方向、刀片直徑、刀片厚度及刀片轉速對切割效果的影響，得出如下主要結論：

1）試驗數據表明：選用齒形構造為無齒圓形、直徑為80 mm切割刀片，切割效果較優，魚身切口處平整光滑，切割指數及感官評分較高。選用的切割刀片厚度為1.2 mm時，切割效果較好，而當切割刀片厚度超過1.8 mm時，切割作業后的切口開始出現損傷，感官評分逐步降低；

2）正交試驗得出較優參數組合為：切割刀片直徑為80 mm、刀片厚度為1.2 mm、刀片轉速為3 000 r/min。以此參數組合進行驗證試驗，黑魚魚身切口光滑平整，魚皮切口處無明顯損傷，切口感官評分均分為9.30，切割指數可達到9.15，符合預期加工要求。

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Optimization and test of the working parameters of the cutting disc for the whole-skin peeling system of snakehead

ZHAO Mingyan, ZHAI Xiaodong, LIN Min

(310018,)

This study aims to reduce the damage to fish skin during the whole-skin peeling process. The integrity of the whole fish skin can also be achieved after peeling. A single-factor orthogonal test was carried out to optimize the cutting disc parameters in the self-built whole-skin peeling device of snakehead. Test results showed that the parameters of the cutting disc posed a significant effect on the whole-skin peeling process of snakehead. In addition, the cutting steps greatly contributed to the subsequent separation steps during skin and flesh peeling. Hence, the cutting disc parameters indirectly dominated the development of the fish industry. Taking snakehead with the typical morphological characteristics as the testing object, a systematic investigation was made to determine the relationships between the cutting performance and the cutting disc parameters in the cutting tests. Sensory evaluation and cutting index were used as the evaluation criteria, indicating the cutting quality and the injury degree of fish skin. Specifically, the higher the sensory score was, the higher the deep processing value of the fish skin was obtained. The cutting index represented the loss of fish skin after cutting, where the higher the cutting index was, the less waste of fish skin was. The testing factors were set as the cutting disc tooth structure (skewed, straight, and toothless cutting disc), and cutting disc rotation direction (consequent cutting and converse cutting). An optimal combination was achieved in the range of cutting disc diameter, thickness, and rotational speed were 60-140 mm, 1.0-2.0 mm, and 1 500-3 500 r/min, according to the equipment parameters and the morphological characteristics of the snakehead. Some factors with a significant influence in the single-factor test were selected for the orthogonal test. The single-factor test showed that the toothless cutting disc performed the best cutting performance, and the converse cutting was better than the consequent cutting. When the cutting discs with a diameter range of 60-100 mm were used, the cut of the fish skin was smooth and the cutting index presented a relatively high value after cutting. The optimal range of cutting disc thickness was 1.2-1.8 mm, leading to the high cutting index value and sensory evaluation score. Furthermore, the low rotation speed was used to prevent the fish skin from being cut through completely under the same conditions. As such, the cutting effect was gradually improved, as the rotation speed increased. The orthogonal test showed that the diameter and thickness of the cutting disc were the primary factors for the sensory evaluation, whereas, the diameter and rotation speed of the cutting disc were the primary factors for the cutting index. The best parameters were achieved in the cutting process of the whole skin peeling for the snakehead: the cutting disc diameter, thickness, and rotation speed were 80 mm, 1.2 mm, and 3 000 r/min, respectively.The parameter optimization tests demonstrated that the cutting disc with the optimal parameter combination performed the best in the validation test on the whole-skin peeling device of snakehead, indicating the excellent cutting effect. Specifically, there were smooth incisions without outstanding damage, while the sensory score of the incision reached 9.30 points and the cutting index reached 9.15. The cutting disc with the optimal parameter combination fully met the process requirements of whole-skin peeling of snakehead. The finding can provide theoretical support for the development of the whole fish skin peeling device.

optimization; fishery; orthogonal test; cutting tools; snakehead; fish skin peeling device

10.11975/j.issn.1002-6819.202301064

S985.1

A

1002-6819(2023)-05-0249-07

趙明巖，翟曉東，林敏. 黑魚整皮剝離系統切割刀具工作參數優化與試驗[J]. 農業工程學報，2023，39(5)：249-255.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202301064 http://www.tcsae.org

ZHAO Mingyan, ZHAI Xiaodong, LIN Min. Optimization and test of the working parameters of the cutting disc for the whole-skin peeling system of snakehead[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2023, 39(5): 249-255. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202301064 http://www.tcsae.org

2023-01-13

2023-02-06

浙江省基礎公益項目（LGN22E050003）

趙明巖，副教授，研究方向為現代農業裝備與農業機器人。Email：zhaomingyan@cjlu.edu.cn