黑鱼整皮剥离系统切割刀具工作参数优化与试验

赵明岩，翟晓东，林 敏

黑鱼整皮剥离系统切割刀具工作参数优化与试验

赵明岩，翟晓东，林 敏

（中国计量大学机电工程学院，杭州 310018）

为降低黑鱼整皮剥取过程中鱼皮损伤，提高鱼皮完整度，该研究以“杭鳢1号”黑鱼为试验对象，对刀具工作参数进行优化。以切割刀片的齿形构造、旋转方向、刀片直径、刀片厚度、刀片转速为主要因素，在自行搭建的黑鱼整皮剥离装置上进行单因素试验与正交试验，研究各因素对切割质量、切口损伤程度及鱼皮损伤的影响。单因素试验结果表明：采用无齿圆形刀片、反向切割、刀片直径为60～100 mm、厚度为1.2～1.8 mm之间、转速为2 500～3 500 r/min时切割效果较好，切口整齐平滑，切割过程对切口损伤小，切口质量感官评分及切割指数分值较高。正交试验结果表明，影响切口感官评分因素依次为：切割刀片直径、刀片厚度、刀片转速；影响切口切割指数因素依次为：刀片直径、刀片转速、刀片厚度；刀片直径80 mm、刀片厚度1.2 mm、刀片转速3 000 r/min时，切口感官评分及切割指数分值最高。对优化试验结果进行验证试验，切口光滑平整，无明显损伤，切口感官评分达到9.30分，切割指数可达9.15，符合黑鱼剥皮的工艺要求。该研究可为鱼类整皮自动化剥离系统研制提供参考。

优化；渔业；正交试验；刀具；黑鱼；鱼皮剥离机

0 引 言

黑鱼（学名乌鳢，Snakehead）鱼皮凭借花纹美观、韧性强、透气、防水、抗膨胀性强等优点，在当前鳄鱼皮、鲨鱼皮、蛇皮等各种野生动物皮革制品被明令禁止的背景下，成为短缺野生高档皮革原料的理想替代品。鱼皮面积越大，加工出的皮革制品质量越好，纹路越精美[1-3]。因此鱼皮剥取后的完整度、面积大小直接决定了鱼皮深加工后的经济价值，鱼皮相关制品已成为渔民重要收入来源。目前国内大部分水产品加工企业主要采取手工剥取的方式获取黑鱼皮，效率低、鱼皮完整性差、存在安全隐患，限制了水产品深加工产业的发展[4-6]。研制黑鱼整皮剥离自动化装置符合中国渔业现代化发展的客观要求。

国内外针对鱼类处理技术及装备进行了大量研究[7-10]。陈庆余等设计了一种鱼类机械去头装置，通过分析鱼身得率及切断面感官质量对切割刀具参数进行了优化[11]；郑贵君等采用视觉检测方法实现了杀鱼机剖腹刀具的自动控制[12]；程世俊等[13]采用正交试验对连续式淡水鱼弹簧刷去鳞机参数进行了优化；张超等[14]基于机器视觉算法，实现了罗非鱼初加工喂入量的监测与在线控制；胡晓亮等[15]设计了有关竹筴鱼去脏加工用剖切刀具参数的单因素及正交试验，通过试验数据分析对剖切刀具参数进行优化，使去脏效果得以提高；AGEEV等[16]通过建立刀具切割金枪鱼时的阻力模型，将试验数据与数学模型的理论计算结果进行比较，分析了多个因素对金枪鱼切割效果的影响。在鱼类剥皮方面，鉴于东西方饮食习惯差异，西方发达国家黑鱼消费量很小，尚未查到相关黑鱼剥皮的研究文献。国内鸿威科技有限公司设计了一种新型鱼皮剥离机，为得到洁净鱼肉，利用上下传送带速度差控制剥皮辊，将鱼皮破碎并剔除[17]；格兰德比尔机械有限公司研发的型号为GB400AT的大型脱皮机，可实现鳕鱼、鱿鱼、罗非鱼、三文鱼等鱼种的自动脱皮[18]；笙辉机械有限公司研发的YP-50型台式去皮机，可实现鱼片（事先被分割成小块）的自动去皮，去皮率高达99%[19]。上述3种技术旨在去皮留肉，将鱼皮（已破损或碎裂）剔除并丢弃。

黑鱼整皮剥离效果同鱼头、鱼尾装夹、颈部环切及腹部横切、皮肉分离等操作密切相关。由于涉及后续皮肉分离及剥皮操作，选用不同参数组合的切割刀片对黑鱼鱼身切割质量有显著影响，鱼身切割质量直接决定了后续整皮剥取的效果。本文拟针对黑鱼整皮剥取所用切割刀片的参数展开深入研究，以期提高黑鱼整皮剥离效果。

本文研究了切割刀片齿形构造、刀片旋转方向、刀片直径、刀片厚度、刀片转速等关键技术参数对整皮剥取效果的影响，并通过正交试验分析法[20-21]，确定适合黑鱼整皮剥取的较优切割刀片参数组合，拟为设计高效、稳定、切割效果好的黑鱼整皮剥离装置提供理论依据。

1 试验设备与工作原理

1.1 试验设备

试验采用如图1a所示自行搭建的黑鱼整皮剥离装置，其主要由装夹装置、切割机构、皮肉分离机构、剥皮终端、视觉系统组成。切割机构如图1b所示，主要由横向移动平台、纵向移动平台及切割刀具构成。设备工作及结构参数如表1所示。

图1 黑鱼整皮剥离装置及切割机构

表1 设备工作及结构参数

1.2 工作原理

黑鱼整皮剥离装置工作流程：鱼头装夹装置与鱼尾装夹装置将黑鱼固定并同步旋转360°，摄像头采集60张鱼身图像，上位机对图像进行处理，根据三维重构结果得出鱼身空间坐标[22]；上位机根据上述坐标，规划切割装置路径，依次对黑鱼进行颈部环切与腹部横切，如图2所示。为保证黑鱼皮被完全切开，切割深度必须大于鱼皮厚度；但切口过深会导致鱼皮剥离时扯下较多鱼肉。预试验结果表明切割深度为2 mm时切割效果较好。切割前将胸鳍剪断，以消除其对颈部环切的影响；分别在鱼腹两侧5 mm处各切割一次，避开腹鳍，以消除其对腹部横切的影响。切割结束后，皮肉分离装置运动至鱼颈环切部位，皮肉分离刀插入背部皮肉结合层（脂肪层），鱼身进行半周旋转的同时分离刀高频振荡，完成黑鱼颈部皮肉分离。最后剥皮终端移动至皮肉分离处，夹持背部已完成分离的鱼皮，向鱼尾方向拉扯，将整张鱼皮剥下。

图2 切割示意图

2 材料与方法

2.1 试验材料

试验材料为2007年由杭州市农科院水科杂交培育的品种“杭鳢1号”黑鱼。试验黑鱼鱼长为350～440 mm，质量为600～1 100 g，表皮面积为31 000～59 000 mm2。黑鱼外形呈圆柱形，鱼头近似直筒形，鱼身往鱼尾方向逐渐扁平，鱼嘴短而圆。黑鱼外形如图3所示。

1.胸鳍 2.腹鳍 3.背鳍 4.臀鳍 5.尾鳍 6.侧线 7.鱼嘴

2.2 试验方法与设计

以黑鱼鱼体切割面的切割质量、切口的损伤程度作为感官评分标准，结合切口切割指数的大小对切割刀片齿形构造、刀片旋转方向、刀片直径、刀片厚度、刀片转速等因素进行参数优化试验[23]。鱼皮被完全切开，切割质量高，鱼皮易被完全剥离；鱼皮未被完全切开存在粘连，切割质量低，影响后续鱼皮剥离。切口处损伤程度低，鱼皮深加工价值高；切口处损伤程度高，切口粗糙，使鱼皮深加工价值降低。切割指数用于评定切割后鱼皮的损失程度，切割指数大，鱼皮损失程度小，可获得相对较大面积的鱼皮；切割指数小，鱼皮损失程度大，造成浪费。

2.2.1 单因素试验

分别以切割刀片齿形构造（斜齿圆形刀片、直齿圆形刀片、无齿圆形刀片）如图4所示，切割刀片旋转方向（同向旋转、反向旋转）如图5所示，设计试验研究其对黑鱼切割效果的影响。较大的刀片直径会挤占空间，使机构各部件之间产生干涉；刀片直径太小，则会降低切割效率。综合考虑上述原因，选择直径为60～140 mm的切割刀片进行单因素试验。刀片太厚，鱼皮损失较大；刀片太薄，旋转时动量小，切割时易卡顿，综合考虑上述因素，选择厚度为1～2 mm的切割刀片进行单因素试验。刀片转速太慢，无法将鱼皮完全切开，甚至卡入鱼身，切割效率低；刀片转速太快，会导致切割处鱼肉碎屑脱离鱼身飞出，且有鱼皮翻边现象，综合考虑上述因素，以1 500～3 500 r/min的转速进行单因素试验。

a. 斜齿刀片 a. Skewed tooth cutting discb. 直齿刀片 b. Straight tooth cutting discc. 无齿刀片 c. Toothless cutting disc

注：H为鱼头朝向，D为刀片运动轨迹方向，F为鱼身旋转方向，C为切割刀片旋转方向。

切割刀片齿形构造单因素试验中，刀片旋转方向为反向切割、刀片直径为80 mm、刀片厚度为1.2 mm、刀片旋转速度为3 000 r/min；切割刀片旋转方向单因素试验中，刀片齿形构造为无齿圆刀、刀片直径为80 mm、刀片厚度为1.2 mm、刀片旋转速度为3 000 r/min；切割刀片直径单因素试验中，刀片齿形构造为无齿圆刀，刀片旋转方向为反向旋转、刀片厚度为1.2 mm、刀片旋转速度为3 000 r/min；切割刀片厚度单因素试验中，刀片齿形构造为无齿圆刀、刀片旋转方向为反向旋转、刀片直径为80 mm、刀片旋转速度为3 000 r/min；切割刀片旋转速度单因素试验中，刀片齿形构造为无齿圆刀、刀片旋转方向为反向旋转、刀片直径为80 mm、刀片厚度为1.2 mm。每一水平下每组试验重复3次后取其平均值。

2.2.2 正交试验

为进一步研究切割刀片参数对黑鱼切割效果的影响，以获得最佳参数组合，依据单因素试验结论，挑选对黑鱼切割效果有显著影响的因素（刀片直径、厚度、转速等）设计正交试验，以切割质量、切口损伤程度、切割指数作为评价各因素对黑鱼切割效果影响程度的评判指标，从而确定较优的切割刀片参数组合。采用水平正交法，每组试验重复3次后取其平均值。

2.3 指标计算

2.3.1 黑鱼切割后感官评分测定

为获取高品质、低损伤的鱼皮，切割时尽量避免鱼皮损伤。试验采用感官评分法[24-25]，组织5名试验人员成立感官评定小组，根据鱼体切割面的切割质量、切口损伤程度，对试验结果依次进行综合打分并取平均值。感官评定标准参考表2。

表2 感官评分标准

2.3.2 黑鱼鱼身切割指数测定

采用测量法，分别测量每批次试验刀片的厚度与试验鱼体腹部及颈部的切口宽度，根据刀片厚度与切口宽度平均值的比值得出鱼体切割指数，每组试验重复3次，取试验结果的平均值，切割指数为

=10L/

式中为切割指数；L为试验刀片厚度，mm；为鱼体腹部或颈部切口宽度的平均值，mm。

3 结果与分析

3.1 单因素试验

3.1.1 切割刀片齿形构造对切割效果的影响

为研究切割刀片齿形构造对黑鱼切割效果的影响，分别用齿形构造为斜齿圆刀、直齿圆刀、无齿圆刀的刀片对黑鱼进行切割试验，切割效果如表3所示。不同齿形构造的切割刀片对黑鱼鱼身切口的切割指数及感官评分影响差异显著，采用无齿圆形刀片对黑鱼进行切割效果最佳，鱼体切割指数较高，测定结果为9.01，鱼身切口处平整光滑，切口几乎无损伤，感官评分可达9.25；采用斜齿圆形刀片对黑鱼进行切割后，鱼身切口处较为粗糙，且存在一定损伤，切割指数较低，测定结果为5.74，感官评分仅为6.25；采用直齿圆形刀片切割后测得的切割指数适中，但切口纹路不整齐，鱼皮切口受损并向外翻起。上述结果表明，无齿刀片在切割时仅对鱼皮产生切割压力，切割过程平顺，切割阻力较小；带齿刀片在切割时会对鱼皮产生切割拉力，刀齿钩住鱼鳞及鱼皮增加了切割阻力，且使鱼皮受损并向外翻起[26]。

3.1.2 切割刀片旋转方向对切割效果的影响

为研究切割刀片旋转方向对黑鱼切割效果的影响，分别采用不同旋转方向的刀片对黑鱼进行切割试验，切割效果如表3所示。试验结果显示，刀片旋转方向不同时切割效果差异较大，试验数据如表3所示，采用同向旋转的刀片对黑鱼进行切割后，切口出现未完全切开的情况，且鱼皮切口处出现轻微损伤，感官评分仅为7.45，切割指数为8.96。相同条件下改变刀片旋转方向为反向后再次进行切割试验，切口光滑平整且被完全切开，切口处未发现明显损伤，感官评分可达到9.08，切割指数提高至9.23。

3.1.3 切割刀片直径对切割效果的影响

为研究切割刀片直径对黑鱼切割效果的影响，分别用直径为60、80、100、120、140 mm的刀片对黑鱼进行切割试验。试验发现，对于黑鱼特有的形态特征，在切割时选用不同直径的刀片，切割效果具有明显差异，基于切割装置的负载能力，选用5种不同直径的刀片进行试验。如表3所示，刀片直径为80 mm时鱼身切割指数较大可达到9.27，鱼皮完全切开，切口处平整光滑，切口几乎无损伤，切割效果较优，感官评分均分可达到9.14。选用直径范围在60～100 mm的刀片时切割效果较好，当刀片直径超过100 mm时切割质量下降，切口较为粗糙，且存在不同程度的突起，切割指数及切口感官评分随刀片直径增加呈下降趋势。上述结果表明，若直径增加，刀片切入时与鱼体接触面积增大，增加了刀片旋转时的摩擦阻力，不利于刀片切入。另外刀片直径增大会增大偏摆幅度，造成鱼皮切割损伤。而刀片直径减小时，刀片线速度及切割力减小，容易卡顿。

3.1.4 切割刀片厚度对切割效果的影响

为研究切割刀片厚度对黑鱼切割效果的影响，分别用厚度为1.0、1.2、1.5、1.8、2.0 mm的刀片对黑鱼进行切割试验，试验结果如表3所示，上述5种不同厚度的切割刀片对黑鱼切割的切口质量具有不同程度的影响，使用厚度为1.2 mm的刀片进行切割时，切割效果相对较好，切口处的感官评分均分达9.40，切割指数可达9.02，鱼皮切口几乎无损伤。刀片过薄和过厚都会使切割质量降低，当刀片的厚度为1.0 mm时，切口处存在小范围粘连的情况，且切割指数出现下降；而当采用厚度为2.0 mm的刀片进行切割试验时，切割后的切口粗糙且切口处鱼皮向外翻起，感官评分降低，均分仅为7.08，切割指数仅为6.76。综合切口质量感官评分与切割指数，当刀片厚度取值范围在1.2～1.8 mm时可得到较好的切割效果。上述结果表明，当刀片过薄时其质量较小，旋转时动量小，切割时易被卡住；而刀片厚度过大，切口宽度增加，会增大鱼皮损耗。

3.1.5 切割刀片转速对切割效果的影响

为研究切割刀片旋转速度对黑鱼切割效果的影响，分别用旋转速度为1 500、2 000、2 500、3 000、3 500 r/min的刀片对黑鱼进行切割试验。试验发现，当切割刀片转速较低时，切口有较严重损伤，且存在鱼皮未被完全切开现象。如表3所示，当刀片转速为1 500 r/min时，感官评分均分仅5.20。随着转速的逐步提升，切割质量提高，感官评分也随之升高。转速达到3 000 r/min时，切割后的切口感官评分为9.14，鱼皮被完全切开，切口处平整光滑，鱼皮切口处几乎无损伤，切割效果较优。当转速升高至3 500 r/min时，高转速刀片对切口处鱼皮造成损伤，切口存在轻微突起，切割后的切口感官评分降低至7.86，且切口的切割指数出现一定程度降低。上述结果表明，刀片低速旋转时动量较小，且鱼鳞具有较大硬度，导致刀片难以切入，甚至卡顿；而刀片转速过高则会导致鱼肉碎屑脱离鱼体飞出，且切口边缘向外翻起。综合切口质量感官评分与切割指数，刀片转速选取不同，对黑鱼鱼身切口质量感官评分与切割指数存在较明显差异，当刀片转速取值范围在2 500～3 500 r/min时，切割效果较优，利于后续皮肉分离操作。

表3 单因素试验结果

3.2 正交试验

参考单因素试验结果，选取刀片齿形为无齿、刀片旋转方向为反向后，黑鱼切割操作后的切割效果主要与刀片直径、刀片厚度、刀片转速有关，将上述因素分别作为正交试验因素、。以切割后的切割质量和切口损伤程度的感官评分及切割指数作为评判标准，采用L9(34)正交试验，得出切割效果较优的刀片参数组合，试验因素水平表如表4所示[27-28]。

表4 正交试验的因素和水平

正交试验结果如表5所示，各因素影响切割后鱼身切口感官评分的主次排序依次为：刀片直径、刀片厚度、刀片转速；各因素影响切割后鱼身切口切割指数程度的主次排序依次为：刀片直径、刀片转速、刀片厚度。如表6所示，经过方差分析，仅从切割后的切口质量感官评分考虑，在0.05水平下刀片直径和刀片厚度两项因素对切割效果影响显著；仅从整皮剥取后的切割指数值考虑，在0.05水平下刀片直径和刀片转速两项因素对切割效果影响显著。对极差进行分析[29]，基于感官评分评价指标和切割指数指标的切割刀片最优参数组合为212，即刀片的最大直径为80 mm、刀片厚度为1.2 mm、刀片的旋转速度为3 000 r/min。

表5 正交试验设计及试验结果

注：、、分别为各个因素的水平值；1、2、3为各因素在所有水平的试验数据平均值；为1、2、3之间的极差值。

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水平下差异显著。

Note: * indicates significant differences at the 0.05 level.

3.3 验证试验结果

根据正交试验结果，采用具有较优参数组合的切割刀片进行验证试验，刀片直径为80 mm、刀片厚度为1.2 mm、刀片转速为3 000 r/min，剥取后的黑鱼整皮如图6所示。验证试验结果表明，用具有此较优参数组合的切割刀片进行黑鱼切割后，黑鱼鱼身切口光滑平整，鱼皮切口无明显损伤，切口感官评分均分达9.30，切割指数达9.15，切割效果理想，可进行后续皮肉分离及整皮剥离作业。

图6 剥取的黑鱼整皮

4 结 论

在自行设计的黑鱼整皮自动剥离装置上进行了切割试验，采用感官评分法，根据鱼体切割部位的切口质量、鱼皮损伤程度，研究了切割刀片齿形构造、刀片旋转方向、刀片直径、刀片厚度及刀片转速对切割效果的影响，得出如下主要结论：

1）试验数据表明：选用齿形构造为无齿圆形、直径为80 mm切割刀片，切割效果较优，鱼身切口处平整光滑，切割指数及感官评分较高。选用的切割刀片厚度为1.2 mm时，切割效果较好，而当切割刀片厚度超过1.8 mm时，切割作业后的切口开始出现损伤，感官评分逐步降低；

2）正交试验得出较优参数组合为：切割刀片直径为80 mm、刀片厚度为1.2 mm、刀片转速为3 000 r/min。以此参数组合进行验证试验，黑鱼鱼身切口光滑平整，鱼皮切口处无明显损伤，切口感官评分均分为9.30，切割指数可达到9.15，符合预期加工要求。

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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

赵明岩，翟晓东，林敏. 黑鱼整皮剥离系统切割刀具工作参数优化与试验[J]. 农业工程学报，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

浙江省基础公益项目（LGN22E050003）

赵明岩，副教授，研究方向为现代农业装备与农业机器人。Email：zhaomingyan@cjlu.edu.cn