萬 鵬，黃 俊，譚鶴群，朱 明，趙竣威

（1.華中農業(yè)大學工學院，武漢430070；2.農業(yè)農村部長江中下游農業(yè)裝備重點實驗室，武漢430070）

0 引 言

中國是世界淡水養(yǎng)殖大國，2017年淡水養(yǎng)殖總產量為2 905.29萬t，其中淡水魚養(yǎng)殖產量為2 540.98萬t，占整個淡水養(yǎng)殖總產量的87.46%，淡水產品加工量為408.19萬t，占淡水產品總產量的18.36%[1]，淡水產品總體加工率偏低。淡水魚前處理加工是淡水魚加工過程的首要和關鍵環(huán)節(jié)，主要包括：清洗、分級、定向、去頭尾、除鱗、去內臟等幾個關鍵步驟[2-4]。目前國內部分學者對淡水魚前處理加工技術和裝備做了相應研究：譚鶴群等[5]設計研發(fā)了針對鳊魚和白鰱剖切用的剖魚機；程世俊等[6-8]設計研發(fā)了淡水魚連續(xù)式彈簧刷去鱗機；鄒偉等[9-10]研制了淡水魚連續(xù)式去頭尾裝置；黃鵬飛等[11-12]改進和研制了帶式夾送淡水魚剖魚機；彭三河等[13-16]設計了仿形除鱗輥揉搓除鱗機和鏈式淡水魚加工前處理裝置。這些淡水魚前處理加工單機設備在工作時，都需要對魚體進行定向處理，即按照一定的頭尾朝向和腹背朝向將魚體送入設備進行喂料；傳統(tǒng)的喂料方式多由人工完成，勞動強度大、效率低，在一定程度上制約了淡水魚前處理加工業(yè)的發(fā)展，因此研究淡水魚魚體定向方法和裝備對淡水魚前處理加工業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。

魚體腹背定向是魚體定向的主要內容，國外相關學者和企業(yè)進行了較多研究，并研發(fā)出了一些與魚體工廠化流水線加工相適應的魚體定向設備。巴德魚類加工機械制造廠設計制造了“巴德”481型自動加料機[17]，采用驅動壓輪和壓板相結合的方式同時對魚背和魚腹進行擠壓從而實現魚體腹背定向；瑞典Vmp公司生產的鯡魚定量輸送機，利用振動槽和圓盤的作用實現了魚體頭尾和腹背定向[18]；Leander[19]設計了一種魚體腹背定向系統(tǒng)，利用腹背定向機構和翻轉機構共同作用實現魚體腹背定向；Andresen等[20]利用魚體頭部剛度較大這一特性，設計了一種魚體頭尾定向裝置；Pegoraro等[21]設計了一種魚體頭尾定向系統(tǒng)，利用傳感器檢測輸送帶上的魚體姿勢，結合相應執(zhí)行機構，實現魚體頭尾定向；Knyszewki等[22]設計了用于細棘長吻魚魚體頭尾和腹背定向的高位振動平臺和低位振動平臺。由于國內魚體定向方面的研究起步較晚，故研究成果較少。徐頌波等[23]基于大多數紡錘或扁平體形的魚體重心在腹部這一特點，設計了一種橫截面不斷變化、深度不斷加深的滑道，實現了魚體腹背定向；高星星等[24-25]設計了一種淡水魚頭尾與腹背定向裝置，采用傾斜的振動臺面與漸變滑道相結合的方式，實現鰱魚魚體的頭尾與腹背定向。綜上，國外魚體定向設備處理對象主要是海水魚，而海水魚外觀體型與本土淡水魚差別較大，因此國外魚體定向設備并不一定適用于本土淡水魚的定向；國內魚體定向設備，主要利用漸變滑道對魚體腹背同時施加擠壓力，使魚體腹背實現定向，但漸變滑道無法主動施加分離力，將魚體分離出定向裝置，一般得依靠傾斜臺面和魚體自身的重力作用，故有必要研究并開發(fā)適用于淡水魚的定向方法及設備。本文以魚體腹部橫截面近似為楔形的典型大宗淡水魚鯽魚為研究對象，在魚體腹背受力擠壓力學特性研究的基礎上，提出了一種淡水魚魚體腹背定向方法，設計并試制了淡水魚魚體腹背定向試驗裝置，以定向成功率和定向時間為試驗指標，開展了相關試驗研究，以期為魚體定向設備研發(fā)提供理論依據和技術參考。

1 試驗裝置結構與工作原理

1.1 試驗裝置結構

本文淡水魚魚體腹背定向試驗裝置作為一種試驗探究性質的裝置，裝置相關部分運行參數和結構參數應根據魚體外觀尺寸和試驗要求能實現可控可調。淡水魚魚體腹背定向試驗裝置結構如圖1所示，機架主體由型號40 mm×40 mm和80 mm×40 mm的鋁合金型材搭建而成，主要包括輸送裝置和對輥擠壓裝置兩部分。輸送裝置主體為輸送機，表面輸送帶為綠色PVC輸送帶，上部安裝有活動擋板，由伺服電機2（型號80ST-M02430，額定功率0.75kW，額定扭矩2.39N·m，額定轉速3000r/min）通過同步輪與同步帶進行驅動；對輥擠壓裝置主要包括上支撐板和下支撐板兩部分，上支撐板和下支撐板安裝于機架上，上支撐板上布置有2個對輥（直徑150 mm），下支撐板上布置有由同步輪和雙面齒同步帶組成的傳動系統(tǒng)，伺服電機1（型號80ST-M02430，額定功率0.75kW，額定扭矩2.39 N·m，額定轉速3 000 r/min）安裝于下支撐板下部的機架上，與減速器（型號NMRV050，減速比10:1）連接。

圖1 淡水魚魚體腹背定向試驗裝置結構示意圖Fig.1 Structural schematic diagram of text device for freshwater fishes"abdomen and back orientation

對輥擠壓裝置的對輥傳動系統(tǒng)及對輥間隙調節(jié)如圖2所示，從動同步輪、張緊同步輪和主動同步輪布置于下支撐板上，相互之間通過雙面齒同步帶的嚙合作用組成對輥傳動系統(tǒng)。兩從動同步輪上部通過傳動軸與兩對輥相連，下部加工有相應的滑槽；試驗時可根據試驗要求，同時移動兩從動同步輪，通過改變兩從動同步輪的中心距來調節(jié)兩對輥之間的間隙；張緊同步輪下部同樣加工有相應的滑槽，保證在移動兩從動同步輪時，雙面齒同步帶處于張緊狀態(tài)；主動同步輪下部通過傳動軸與減速器相連，通過伺服電機的驅動作用，從而實現對輥旋轉方向相反的轉動。

圖2 對輥傳動系統(tǒng)及對輥間隙調節(jié)示意圖Fig.2 Adjustment schematic diagram of dual roller drive system and roller gap

1.2 試驗裝置工作原理

試驗裝置的工作原理是：將魚體頭部朝向對輥擠壓裝置，放于輸送裝置尾端，置于兩活動擋板組成的滑道間，兩活動擋板的間距可以根據魚體體寬進行調節(jié)，保證魚體以平臥的姿勢隨輸送帶一起運動進入兩對輥的間隙間；進入兩對輥間的魚體，通過兩對輥的擠壓作用，實現魚體腹背定向。

試驗時，魚體輸送速度和對輥轉速可通過調節(jié)伺服電機的轉速來實現，魚體輸送速度V和對輥轉速N計算式為

式中V為魚體輸送速度，m/s；N為對輥轉速，r/min；R為輸送滾筒半徑，mm；n為伺服電機轉速，r/min；i為減速器的減速比。

2 魚體腹背定向機理分析

在養(yǎng)殖的大宗淡水魚中，多數魚體腹部橫截面形狀近似為楔形，如圖3所示。

圖3 魚體腹部橫截面示意圖Fig.3 Schematic diagram of fish body abdomen cross-section

相關研究表明[26-27]：由于魚體近似為楔形的腹部橫截面結構，當魚體側臥于水平面放置時，魚體腹部中心C點與背部中心D點的連線，與水平面成一定角度，當魚體的腹背同時受到相向擠壓時，由于魚體背腹的高度差異（H1＞H2），導致魚體腹背所受擠壓力的作用線相對于魚體腹部橫截面處質心O不在同一直線上，且魚體背部所受擠壓力F1的作用線在魚腹部所受擠壓力F2的作用線之上，二力相對于魚體質心O，形成一對力矩，使魚體發(fā)生腹部朝下、背部朝上的旋轉運動，魚體被抬起。通過上述分析，可知在正常情況下，魚體繞魚體橫截面處質心發(fā)生腹部朝下，背部朝上的旋轉運動在理論上是可以實現的。當魚體受到外部較強的干擾，迫使魚體腹背高度位置發(fā)生改變，若出現腹背所受擠壓力在同一水平直線上（H1=H2）的情況，則二力無法形成一對力矩，魚體將不會發(fā)生旋轉運動；若出現魚體背部所受擠壓力F1的作用線在魚腹部所受擠壓力F2的作用線之下（H1＜H2）的情況，魚體將發(fā)生腹部朝上、背部朝下的旋轉運動，與正常情況下的旋轉運動方向相反。

在農業(yè)生產中，常利用有棱對輥旋轉擠壓作用抓取農業(yè)物料[28-29]，本文基于魚體腹背力學特性和對輥作用特性，利用旋轉方向相反的對輥對處于其間隙間的魚體腹背同時施加擠壓力，使魚體發(fā)生腹部朝下，背部朝上的旋轉運動，實現魚體腹背定向；同時利用對輥與魚體腹背之間的摩擦力，在魚體發(fā)生旋轉運動的同時，將魚體分離出去，輔以相應的導向滑道，分離出去的魚體便按照一定的腹背朝向進入下一道加工工序中，由于魚體頭部形狀呈類V形，兩對輥在旋轉的任意時刻也應形成相應的類V形空間，可保證在對輥旋轉的任意時刻，魚體都能順利進入對輥間隙，故對輥棱邊數至少應大于4，魚體在對輥作用下的受力分析如圖4所示。

2.1 魚體分離運動受力分析

魚體在對輥間隙間，對輥能抓取魚體，魚體能被對輥分離出去，受力應滿足

式中μ1為魚體背部沿對輥徑向滑動時的摩擦因數，μ2為魚體腹部沿對輥徑向滑動時的摩擦因數。

圖4 魚體受力分析Fig.4 Force analysis of fish body

聯(lián)立上述各式，計算得

同時，由圖4可知

式中H為魚體腹部橫截面處直徑，mm；h為對輥間隙，mm；R為對輥直徑，mm。

由式(5)可知增加對輥直徑R、增加對輥間隙h均可減小魚腹和魚背處與對輥的接觸角α，結合式(4)可得，在對輥對魚體背腹處的法向作用力N1和N2一定的情況下，增加魚體背腹沿對輥徑向滑動時的摩擦因數μ1和μ2，增加對輥直徑R、增加對輥間隙h均有利于魚體被分離出去。

2.2 魚體翻轉運動受力分析

魚體在兩對輥間隙間能發(fā)生背部朝上，腹部朝下的旋轉運動，魚體在腹部橫截面處受力應滿足

式中μ3為魚體背部沿對輥軸向滑動時的摩擦因數，μ4為魚體腹部沿對輥軸向滑動時的摩擦因數。

聯(lián)立上述各式，計算得

由式（7）可知在魚體背腹法向作用力N1和N2一定的情況下，減小魚體背腹沿對輥軸向滑動時的摩擦力f1和f2的力臂d1與d2，即適當減小對輥間隙h有利于魚體在兩輥間的旋轉運動。

3 魚體腹背定向試驗研究

3.1 試驗儀器與設備

本文主要試驗設備為淡水魚魚體腹背定向試驗裝置，其他主要儀器設備包括游標卡尺（精度0.1 mm）、鋼尺（量程500 mm）、電子秤（精度0.1 g）、秒表（精度0.01 s）等。

3.2 試驗材料

本文選取魚體腹部橫截面近似為楔形的典型大宗淡水魚鯽魚為試驗對象，試驗所選用鯽魚購于華中農業(yè)大學某市場，個體新鮮、外表完整，魚體在前處理加工過程中，為了避免活魚運動對前處理加工過程造成影響，常將活魚作凍暈或敲暈處理，本文在實驗室條件下，將試驗魚體作敲暈處理；通過上文對魚體腹背定向機理的分析，對輥間隙的大小對魚體腹背定向具有重要的影響，對輥的間隙的大小應根據魚體的體寬和體厚來設計，原則上對輥間隙的大小可調范圍應不小于魚體的體厚，不大于魚體的體寬；此外輸送裝置上兩活動擋板間的距離也根據魚體體寬設計。故對試驗所選用的15條鯽魚進行了魚體質量和外觀尺寸測量，測量方法如圖5所示。

圖5 魚體外觀尺寸測量示意圖Fig.5 Measurement schematic diagram of fish body size

測量結果如表1所示，可知所選取的試驗魚體個體差異較小，比較均勻。

表1 魚體質量和外觀尺寸測量結果Table 1 Measurement results of fish body weight and size

3.3 試驗評價指標

進行魚體腹背定向相關試驗時，采用定向成功率Wx和定向時間To作為魚體腹背定向效果的評價指標。

魚體在輸送帶上以一定速度進入兩對輥間隙之間，經過兩輥的作用，能順利完成背部朝上，腹背朝下的旋轉動作視為定向成功，除此之外，出現其余各現象均視為定向失敗，定向成功率計算公式如式（8）所示

式中Wx為定向成功率，%；Wy為每次試驗中定向成功的魚體數；Wz為每次試驗魚體樣本數。

從魚體接觸兩對輥開始計時，魚體經對輥作用，至魚體完全立起來停止計時，整個過程的總時間為定向時間為To。

每次試驗從所選用的15條魚體樣本中隨機選取5條，試驗重復3次，共15次試驗，結果取平均值。

3.4 影響魚體腹背定向效果的單因素試驗

根據上文對魚體腹背定向機理的分析，可知對輥間隙過小，魚體不易被分離出去，對輥間隙過大，則不利于魚體的翻轉運動，故對輥間隙不宜過大也不宜過小，根據前期預試驗結果和魚體外觀尺寸測量結果，對輥間隙取30～70 mm。此外通過前期預試驗發(fā)現輥形、魚體輸送速度、對輥轉速等因素對魚體腹背定向也有一定程度影響。由于對輥棱變數至少應大于4，則初選輥形為六棱輥、八棱棍、十棱輥。通過預試驗發(fā)現，當魚體輸送速度和對輥轉速過低時，定向時間較長，效率較低，當魚體輸送速度和對輥轉速過大時，繼續(xù)增加魚體輸送速度和對輥轉速，對魚體定向成功率和定向時間影響較小，且過高的魚體輸送速度和對輥轉速也會影響試驗裝置的穩(wěn)定性，根據預試驗結果，魚體輸送速度取0.2～1.0 m/s，對輥轉速取10～90 r/min。故設置輥形、對輥間隙、魚體輸送速度、對輥轉速為單因素試驗因素，探究各因素對魚體腹背定向的影響規(guī)律，以鯽魚為試驗對象，以定向成功率Wx和定向時間To為試驗指標進行單因素試驗，試驗因素水平如表2所示。

表2 單因素試驗因素水平表Table 2 Factors and levels of single factor tests

3.4.1 輥形對魚體腹背定向的影響

設定對輥間隙60 mm，對輥轉速10 r/min，魚體輸送速度0.2 m/s，分別探究六棱輥、八棱棍、十棱棍對魚體腹背定向的影響，結果如表3所示。

表3 輥形對魚體腹背定向的影響Table 3 Effects of roller shape on abdomen and back orientation of fish body

從表3中可以看出，輥形為六棱輥時，定向成功率較低，為80%，輥形為八棱棍和十棱輥時，定向成功率較高，均為93.33%；輥形為六棱輥時，定向時間較長，輥形為十棱輥時，定向時間較短。綜合考慮魚體腹背定向效果、對輥加工工藝難度和加工成本等各方面綜合因素，選取八棱輥作為魚體腹背定向輥較為合適，故在后續(xù)試驗中，重點探究在八棱輥作為魚體腹背定向輥條件下，裝置各主要參數對魚體腹背定向的影響。

3.4.2 對輥間隙對魚體腹背定向的影響

設定魚體輸送速度0.2 m/s，對輥轉速10 r/min，對輥間隙30～70 mm，探究對輥間隙對魚體腹背定向的影響，結果如圖6所示。

圖6 對輥間隙對魚體腹背定向的影響Fig.6 Effect of roller gap on abdomen and back orientation of fish body

從圖6中可以看出，魚體定向成功率呈先增大后減小的趨勢，在對輥間隙為30和70 mm時，魚體定向成功率明顯低于其他間隙條件下魚體定向成功率，原因分析：結合前文魚體腹背定向機理，當對輥間隙為30 mm時，間隙較小，魚體不易被分離出去，當對輥間隙為70 mm時，間隙較大，魚體不易發(fā)生翻轉運動，故較優(yōu)的對輥間隙區(qū)間為40～60 mm。

3.4.3 魚體輸送速度對魚體腹背定向的影響

設定對輥間隙60 mm，對輥轉速為10 r/min，魚體輸送速度0.2～1.0 m/s，探究魚體輸送速度對魚體腹背定向的影響，結果如圖7所示。

圖7 魚體輸送速度對魚體腹背定向的影響Fig.7 Effect of fish body transport speed on abdomen and back orientation of fish body

從圖7中可以看出，魚體定向成功率整體變化趨勢不大；定向時間整體呈下降趨勢，當魚體輸送速度小于0.6 m/s時，下降趨勢較大，說明在此區(qū)間內魚體輸送速度對魚體定向時間的影響較大，當魚體輸送速度大于0.6 m/s時，下降趨勢較平緩，說明在此區(qū)間內魚體輸送速度對魚體定向時間的影響較小。

3.4.4 對輥轉速對魚體腹背定向的影響

設定對輥間隙60 mm，魚體輸送速度為0.2 m/s，對輥轉速10～90 r/min，探究對輥轉速對魚體腹背定向的影響，結果如圖8所示。

圖8 對輥轉速對魚體腹背定向的影響Fig.8 Effect of roller rotation rate on abdomen and back orientation of fish body

從圖8中可以看出，魚體定向成功率整體變化趨勢不大；定向時間整體呈下降趨勢，當對輥轉速小于50 r/min時，下降趨勢較大，說明在此區(qū)間內，對輥轉速對魚體定向時間的影響較大，當對輥轉速大于50 r/min時，下降趨勢較平緩，說明在此區(qū)間內，對輥轉速對魚體定向時間的影響較小。

3.5 正交試驗

3.5.1 試驗方案設計

為了探究各因素對魚體腹背定向的主次順序，確定最優(yōu)水平組合，在前期單因素試驗結果的基礎上，選取對輥間隙、魚體輸送速度、對輥轉速為試驗因素，因素水平編碼見表4。以定向成功率Wx與定向時間To為試驗指標，采用正交表L934進行正交試驗[30]。

表4 正交試驗因素水平表Table 4 Factors and levels of orthogonal test

3.5.2 試驗結果分析

正交試驗結果如表5所示。

表5 正交試驗結果Table 5 Orthogonal test results

對試驗結果作極差分析，可得影響定向成功率的因素主次順序為對輥間隙A、對輥轉速C、魚體輸送速度B，最優(yōu)組合為A2C3B3；影響定向時間的因素主次順序為對輥轉速C、魚體輸送速度B、對輥間隙A，最優(yōu)組合為C3B3A2。兩指標下，因素水平組合相同，因素主次順序不同，本文是在保證魚體定向成功率的前提下，盡量縮短定向時間，應用綜合權衡法可得最優(yōu)組合為A2C3B3，即當對輥間隙取50 mm，對輥轉速取50 r/min，魚體輸送速度取0.6 m/s時，試驗裝置工作運行參數最佳。

3.5.3 驗證試驗

設定對輥間隙50 mm，魚體輸送速度0.6 m/s，對輥轉速50 r/min，在此條件下進行驗證試驗，每次試驗從15條魚體樣本中隨機選取5條，試驗重復3次，共15次試驗，結果取平均值，試驗條件下魚體定向成功率為100%，定向時間為0.55 s，各項指標均為最優(yōu)。

4 結 論

1）本文通過對魚體腹背定向機理的分析和相關試驗研究，結果表明：采用旋轉方向相反的對輥對魚體腹背擠壓使魚體腹背定向的方法是可行的。

2）單因素試驗探究了對輥輥形、對輥間隙、魚體輸送速度、對輥轉速等裝置主要參數對魚體腹背定向的影響規(guī)律。在本文研究范圍內，輥形為八棱輥和十棱輥時，定向成功率較高，均為93.33%，輥形為十棱輥時，定向成功時間較短，綜合考慮魚體腹背定向效果、對輥加工工藝難度和加工成本等各方面綜合因素，取八棱輥作為魚體腹背定向輥較為合適；在對輥間隙為30 mm和70 mm條件下，定向成功率較低，明顯低于其他試驗水平條件下的成功率，故對輥間隙的較優(yōu)水平區(qū)間40～60 mm；在對輥轉速10～50 r/min，魚體輸送速度0.2～0.6 m/s條件下魚體定向時間隨對輥轉速和魚體輸送速度增大而下降，且下降趨勢較大，故這2個水平區(qū)間內對輥轉速和魚體輸送速度對魚體腹背定向影響較大。

3）正交試驗結果表明影響定向成功率的因素主次順序為對輥間隙A、對輥轉速C、魚體輸送速度B，最優(yōu)組合為A2C3B3；影響定向時間的因素主次順序為對輥轉速C、魚體輸送速度B、對輥間隙A，最優(yōu)組合為C3B3A2。即當對輥間隙取50 mm，對輥轉速取50 r/min，魚體輸送速度取0.6 m/s時，裝置工作運行參數最佳。

4）正交優(yōu)化驗證試驗結果表明魚體定向成功率為100%，定向時間為0.55 s，各項指標均為最優(yōu)。

本文以魚體腹部橫截面近似為楔形的典型大宗淡水魚鯽魚為試驗對象，對魚體腹背定向方法進行了試驗驗證和參數優(yōu)化，由于淡水魚種類繁多，不同種類的魚體間體型差異顯著，故本文所得結論是否適用于其他種類的淡水魚，尚需進一步研究。