转台式鸡爪分区脱皮装置的设计与实验验证

《Food and Bioproducts Processing》：Design and Experimental Validation of a Turntable-Type Chicken Foot Zone-Specific Peeling Device

　　

**摘要**

为解决手工剥鸡爪存在的劳动强度大、效率低的双重难题，以及现有滚筒式设备去皮不彻底、破损率高问题，本文提出"分区定向去皮"概念，并设计了一种转盘式分区去皮装置。基于鸡爪爪根、爪干和爪垫三区域形态差异，分别配置共轭刷辊、自转刷辊和柔性胶辊，以实现差异化去皮。通过RecurDyn F-Flex刚柔耦合仿真建立刷毛与鸡爪接触模型，揭示了自转运动学规律。在65 °C、2 min预烫预处理条件下，确定最佳运行参数（转盘5 r/min，执行器500 r/min）。开发了三菱FX3U系列PLC双驱协同控制系统，通过Modbus RTU/RS-485总线实现精确同步。样机测试结果表明：100只鸡爪的平均去皮率为81.34%（变异系数CV=6.64%），破损率为8%，交接成功率为100%。仿真结果与实验数据一致，验证了该技术路线的可行性与装置的有效性，为鸡爪自动化去皮设备的工程应用提供了理论依据和技术支撑。

**引言**

鸡爪富含胶原蛋白、钙质及多种微量元素，兼具营养价值和保健功效（Jia等, 2025；Yuan等, 2023）。2024年，中国熟制鸡爪市场规模达约554.8亿元，预计未来几年将以7.9%至8.5%的年复合增长率持续增长（Jia等, 2024）。在鸡爪深加工产业链中，去皮是关键工序，直接影响产品口感和外观质量（X. Chen等, 2025；Mariod等, 2025a）。鸡爪角质层较厚且与皮下组织紧密附着，去皮不彻底将直接影响产品感官品质和消费者接受度（Esmaeili-Kaliji等, 2025；Hashem等, 2023）。

目前，鸡爪去皮主要依赖人工操作，每只鸡爪先在60–70 °C热水中焯烫2–3分钟，再逐一手工剥皮（Grzywacz等, 2012）。该方法劳动强度大、效率低，人工成本占加工总成本的40%以上，且长期重复作业可导致工人患肌肉骨骼疾病（Barbut, 2014；Cartwright等, 2012；Schulz等, 2013）。此外，人工操作带来的交叉污染风险不容忽视（Musolin等, 2014；Yuan等, 2023）。随着劳动力成本上升和《食品安全法》等法规日益严格（Cartwright等, 2014；Musolin和Ramsey, 2017），传统手工方式已无法满足现代生产需求（Mirabelli等, 2015；STUARTBUTTLE, 1994）。

为替代人工，研究者探索了多种技术路线，但均在不同维度面临取舍矛盾。效率与质量的权衡是技术演进中贯穿始终的基本张力：例如，手工去皮效果相对可控但效率低下，而追求高效率的机械化方法往往以牺牲去皮质量或增加破损为代价。化学/热力学方法在食品安全和成本方面存在瓶颈：利用碱性或酸性溶液溶解皮肤的化学去皮法已应用于果蔬加工（Santana等, 2020；Thakur等, 2026），但用于鸡爪时存在碱残留、胶原蛋白降解和废水处理困难等风险（da Silva Araujo等, 2018；Mariod等, 2025b；Rather等, 2022；Santana等, 2020）。热力学方法依赖热膨胀差分离皮层（Mariod等, 2025b；Usman等, 2024；Zhou等, 2016），但单纯热处理难以实现皮肉完全分离（Choe和Kim, 2018）。酶解去皮法较为温和（Suychinov等, 2026），但处理时间长、成本高，目前尚未在禽副产品加工中大规模应用。上述方法均未在去皮效果、食品安全和生产效率之间实现理想平衡。

相比之下，机械去皮因适用范围广、无化学残留，已成为工业生产的主要方式（Esmaeili-Kaliji等, 2025；Nassar, 2026）。摩擦去皮是当前主流方法，通过热处理软化表皮后，利用旋转刷辊或摩擦辊进行机械剥离（Ozturk-Kerimoglu等, 2023；Selma等, 2026）。基于此原理开发了多种设备：滚筒式设备将鸡爪放入装有胶棒的滚筒内，通过翻滚和摩擦实现去皮（Liu等, 2001；Shen等, 2019）；双工位设备通过两个工位交替作业提高连续性（Aboud等, 2019）。PLC控制技术引入禽类加工设备，为工艺自动化提供了技术基础（Gao Dongming和Xu Wenyuan, 2024）。

然而，上述机械去皮设备在处理鸡爪时面临第三个深层次矛盾：均匀加工方式与鸡爪各区域形态差异之间存在根本性不匹配。鸡爪爪根骨骼较厚、角质层较厚，需要较大的机械力去除；爪干近似圆柱形，需绕自身轴线旋转以实现均匀环向去皮；爪垫表面高度起伏、褶皱密集，需要柔性执行器贴合其轮廓。然而，现有设备对所有区域施加无差别的摩擦力，导致两个并发的后果：在趾尖和趾间等复杂区域施力不足，残留大量表皮（J. Chen等, 2025；Jenkinson等, 2024）；在爪根和掌部等区域施力过大，造成皮肤撕裂、肉质损伤甚至骨折（Jia等, 2024）。此外，现有设备的开发高度依赖经验式原型制作，缺乏基于多体动力学的系统性仿真分析。对去皮过程中接触力学和运动学规律认识不足，限制了相关机构的科学化优化（Malison等, 2021）。

在更广泛的食品加工领域，差异化或分区操作概念已在多种应用中得到探索。例如，在果蔬去皮中，采用多辊系统，各辊表面纹理不同，以适应不同水果的尺寸和表皮附着特性（Zhou等, 2023）。然而，在禽类加工中，针对分区机械处理的研究仍十分有限。现有研究主要集中于均匀摩擦法（Gao Dongming和Xu Wenyuan, 2024），对解剖区域间形态差异关注不足。据我们所知，此前尚无研究通过针对爪根、爪干和爪垫不同几何特征设计分区执行器配置来系统解决鸡爪去皮问题。本研究通过提出"分区定向去皮"策略填补了这一空白。

针对上述问题，本文提出"分区定向去皮"概念——基于爪根、爪干和爪垫三个区域的形态差异，配置差异化执行器。本文的核心贡献如下：（i）提出分区定向去皮概念，为每个区域开发了三种不同的执行器（爪根区配置共轭刷辊，爪干区配置自转刷辊，爪垫区配置柔性胶辊），并结合双转盘对转输送机构，实现鸡爪连续定向输送。（ii）引入RecurDyn F-Flex刚柔耦合仿真技术，建立刷毛与鸡爪之间的动态接触模型，揭示去皮过程中的运动学和力学机制，为优化机械参数提供理论依据。在此基础上，开发了三菱FX3U系列PLC双驱协同控制系统（通过Modbus RTU/RS-485总线实现转盘输送与去皮操作的精确同步），并完成样机制造与综合性能验证测试。

**试验材料**

试验所用鸡爪购自赣州响泰屠宰场，均为同批次鲜冻白羽鸡爪，符合GB 2707—2016《食品安全国家标准—鲜（冻）畜禽产品》的要求。测试前，鸡爪在4 °C条件下缓慢解冻12小时至室温。选择外形完整、无损伤的样本。

**仿真结果**

为验证双转盘对转输送机构的合理性和评估鸡爪在整个输送过程中的姿态稳定性，本研究通过RecurDyn刚体动力学模型进行了运动学仿真分析，涵盖从鸡爪上料至薄转盘到从厚转盘出料的全过程。图4展示了鸡爪在四个关键阶段的运动姿态：薄转盘……

**结论**

（1）基于鸡爪爪根、爪干和爪垫区域间显著的形态差异，本文提出"分区定向去皮"概念，并据此设计了一种转盘式鸡爪去皮装置，包括双转盘对转输送机构和差异化执行器。双转盘同步对转实现了鸡爪连续定向输送和姿态稳定；

**未引用参考文献**

（Chen等, 2025；da Silva Araujo等, 2018；Dongming和Wenyuan, 2024）

**作者贡献声明（CRediT）**

Shu Zhengjie：初稿撰写。Chen Qi：方法论。Liu Muhua：资源支持。Huang Shuanggen：可视化。Li Jiuxiang：审校与编辑。Zhao Jinhui：项目监督。Huang Junshi：数据整理。

**生成式AI及AI辅助技术使用声明**

在本文撰写过程中，作者使用了基于OpenAI的工具进行润色改写。在使用该工具后，作者对内容进行了审校和编辑，并对已发表论文的全部内容承担全部责任。

**利益冲突声明**

作者声明不存在已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本文所报道的工作。

**致谢**

作者感谢赵金辉教授在本研究中提供的宝贵指导和支持。感谢实验室成员在样机测试过程中提供的协助。特别感谢赣州响泰屠宰场为本研究提供鸡爪样本。

**作者单位**

Shu Zhengjie | Li Jiuxiang | Huang Shuanggen | Liu Muhua | Chen Qi | Huang Junshi | Zhao Jinhui

江西农业大学生态农业装备江西省重点实验室，中国南昌，330045