便攜式板栗開口器研究與設(shè)計(jì)

王晨陽 蔡雅琨 韓登鑫 韓慶秋 賈麗娜

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)渤海學(xué)院,河北 黃驊 061100)

板栗主要有兩種形狀：第一類板栗整體呈半球形，一面呈圓面一面為平面；第二類板栗兩面均為平面。目前，除了工業(yè)上大量生產(chǎn)的去殼板栗，市面上多為未開口板栗，但板栗外殼堅(jiān)硬難以直接手動(dòng)去殼。市場上流通的板栗開口器有剪刀式板栗開口器、半包容式板栗開口器和按壓式板栗開口器等[1-3]。剪刀式板栗開口器模擬剪刀的工作原理，使刀片在板栗兩側(cè)產(chǎn)生創(chuàng)口，以達(dá)到開口目的，其主要缺點(diǎn)有：安全系數(shù)低，刀片處于裸露狀態(tài)容易劃傷手指，存在安全隱患；板栗固定度低，開口器使用過程中板栗在受力的情況下容易滑出。半包容式板栗開口器本質(zhì)上是剪刀式的工作原理，其主要缺點(diǎn)有：開口效率低，刀具與板栗接觸面積小，承放器防滑程度不高，板栗容易劃出導(dǎo)致開口效率降低；安全系數(shù)較低，雖然相對于剪刀式的安全系數(shù)有所提升，但刀具完全裸露，仍存在安全問題。按壓式板栗開口器是通過按壓原理并利用彈簧的回彈原理，其主要缺點(diǎn)有：便攜程度低；果仁完整度低，此種開口器雖然有彈簧的回彈作用，但當(dāng)用力過大時(shí)，果仁易被壓碎；手部舒適度低，壓桿頂端與手掌的接觸面積小，長時(shí)間使用手掌舒適度差；適用范圍小，對兩面均為平面的板栗，弧形刀片難以劃出十字刀口。

因此，結(jié)合現(xiàn)有板栗開口器的優(yōu)缺點(diǎn)，試驗(yàn)擬設(shè)計(jì)一款高效率、安全等級高、易便攜、果仁完整度高的新型板栗開口器，并為便攜式板栗開口器的研究提供依據(jù)。

1 設(shè)計(jì)思路

1.1 尺寸確定

根據(jù)板栗形狀可將板栗分成球形、半球形、扁平形3種，其中半球形板栗數(shù)量最多，占80%左右。選取河北省板栗為研究對象，從成熟板栗總體樣本中，采用隨機(jī)抽樣的方法，抽取100顆板栗為試驗(yàn)樣本，對其外形的長、寬、高參數(shù)進(jìn)行測量分析(圖1)，測得的幾何參數(shù)見表1。

圖1 板栗幾何參數(shù)示意圖Figure 1 Schematic diagram of chestnut geometric parameters

由表1可知，板栗的寬度分布在19.5～35.5 mm，其中21.1～33.9 mm的樣本數(shù)占總數(shù)的96%，平均寬度為27.88 mm；板栗的長度分布在16.00～42.50 mm，其中18.65～39.85 mm的樣本數(shù)占總數(shù)的97%，平均長度為29.70 mm；板栗的高度分布在12.0～28.0 mm，其中13.6～24.8 mm的樣本數(shù)占總數(shù)的94%，平均高度為18.96 mm。板栗開口器承放器部分的大小需滿足大部分板栗的幾何尺寸，經(jīng)實(shí)際數(shù)據(jù)的測量可以確定滿足大部分板栗的尺寸參數(shù)，其結(jié)果：長度39.85 mm，寬度33.90 mm，高度18.96 mm。

1.2 設(shè)計(jì)原理

目前，堅(jiān)果開口的方法主要有化學(xué)開口法、物理開口法和機(jī)械開口法3大類[4]。日常生活中最為常用的方法是機(jī)械開口法，包括：① 碾壓法，通過機(jī)械使堅(jiān)果外殼受到相反的作用力，使堅(jiān)果開口；② 平磨法，通過相對平行的磨片，使堅(jiān)果外殼受到相反摩擦力作用，使堅(jiān)果開口；③ 擠壓法，依靠較堅(jiān)硬的物體產(chǎn)生的擠壓力，使堅(jiān)果開口；④ 刀片切割法，利用堅(jiān)硬鋒利刀片在待開口表面進(jìn)行劃痕，使堅(jiān)果開口[5]。碾壓法、平磨法、擠壓法適用于外殼堅(jiān)硬的堅(jiān)果，而板栗的外殼堅(jiān)硬程度較低且具有韌性，同時(shí)果仁的可變形性高，若使用以上3種方法，不利于板栗開口和保障果仁的完整度[6]。因此，試驗(yàn)采用全包容式刀片切割結(jié)構(gòu)對板栗外殼進(jìn)行開口處理，采用十字刀片縱向切割法，使板栗外殼產(chǎn)生十字創(chuàng)口，便于板栗去殼。

1.3 材料選取

1.3.1 不銹鋼 奧氏體鎳鉻不銹鋼即304級不銹鋼，此種不銹鋼具有良好的耐腐蝕性、耐熱性等優(yōu)點(diǎn)，對人體的傷害較小，已被廣泛應(yīng)用于日常的廚具中[7]，因此，板栗開口器的手柄和承放器的外殼以及彈簧均采用304級不銹鋼，可提高板栗開口器的食品安全性。

1.3.2 刀片 氧化鋯陶瓷刀片具有鋒利度高、耐磨性強(qiáng)、耐腐蝕性強(qiáng)、切割無異味的優(yōu)點(diǎn)[10]；而不銹鋼刀片在長期使用中，若不及時(shí)養(yǎng)護(hù)易出現(xiàn)腐蝕、鋒利度降低現(xiàn)象，并且陶瓷刀片質(zhì)量較輕，有利于減少開口器的整體質(zhì)量。因此，采用新型的氧化鋯陶瓷刀片。

1.3.3 硅膠 食品級硅膠的柔韌度高、耐老化、耐熱性強(qiáng)、衛(wèi)生性能高、能與硬質(zhì)材料良好結(jié)合，目前，食品級硅膠常用于嬰兒制品上[11]。由于凹型托盤與板栗直接接觸，所以選取此種材料更加安全衛(wèi)生，因此，手柄處與承放器處的防滑層以及環(huán)形保護(hù)圈均采用食品級硅膠。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 全包容式開口器設(shè)計(jì)

采用全包容式的板栗承放器，上部承放器中設(shè)有平直式十字鋸齒形刀片，下部承放器中設(shè)有防滑墊層，同時(shí)，上、下承放器邊緣均設(shè)置環(huán)形保護(hù)圈，防止板栗在開口過程中因壓力滑出，其示意圖如圖2所示。使用過程中手持開口器將板栗放至下部承放器中，將手柄上下合并，使板栗上部受到刀片的作用力，當(dāng)作用力逐漸增大時(shí)板栗上部產(chǎn)生十字創(chuàng)口，從而達(dá)到板栗開口效果。

圖2 承放器示意圖Figure 2 Schematic diagram of receptacle

上部承放器外殼為弧形設(shè)計(jì)，此種設(shè)計(jì)可以將板栗和十字刀片完全包容，防止板栗劃出，同時(shí)防止手指被刀片劃傷。在上部弧形部件內(nèi)放置用于開口的刀片，為增大刀片的適用范圍、提高刀片的開口效果，刀片的形式采用平直式十字形鋸齒形狀。下部承放器為凹型托盤，并且在托盤上增設(shè)防滑層，增大板栗與托盤間的摩擦力，防止板栗在開口過程中滑出。上、下承放器邊緣設(shè)有環(huán)形保護(hù)圈，使上、下承放器邊緣可以完全重合，此設(shè)計(jì)可以使板栗開口器在使用過程中達(dá)到全包容的狀態(tài)，同時(shí)可以在按壓過程中產(chǎn)生緩沖，減少對手部的傷害并保護(hù)刀片。為滿足市面上大部分板栗的尺寸，板栗開口器的承放器尺寸設(shè)計(jì)如表2所示，其承放器位置為距手柄連接處8 cm。

表1 板栗的幾何參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

2.2 手柄設(shè)計(jì)

板栗開口器手柄設(shè)計(jì)呈弧狀，此種設(shè)計(jì)在使用過程中不易傷手，并在手柄外表面使用硅膠進(jìn)行包裹，不僅可以減輕長時(shí)間使用時(shí)手掌產(chǎn)生的不適，還能增大手掌與手柄間的摩擦力防止開口器滑落。為提高手柄的舒適度和開口器的便攜程度，設(shè)計(jì)中手柄長度為14 cm，寬度為2 cm，硅膠包裹長度為10 cm，厚度為2 mm。手柄使用不銹鋼鉚釘連接，此種連接方式不易斷裂，并且在靠近連接處1.5 cm處增設(shè)彈簧，如圖3所示，目的是使開口器在完成板栗開口后可以自行彈起，提高工作效率和使用的便捷性，并且增設(shè)的彈簧可以控制作用力的大小，從而確保果仁的完整程度。彈簧采用線徑1 mm，外徑7 mm的不銹鋼彈簧。

圖3 彈簧示意圖Figure 3 Spring

除上述設(shè)計(jì)外，試驗(yàn)在手柄末端增設(shè)了不銹鋼固定扣，如圖4所示，目的在于板栗開口器不使用時(shí)，將其固定在彈簧壓縮的合并狀態(tài)，此種設(shè)計(jì)不僅可以節(jié)省空間，還可以在開口器處于合并狀態(tài)時(shí)，十字刀片被包含在承放器中，防止十字刀片對人體的傷害，提高板栗開口器的使用安全性。

圖4 不銹鋼固定扣示意圖Figure 4 Schematic diagram of stainless steel fastener

綜上，板栗開口器的三維整體設(shè)計(jì)圖如圖5所示。

圖5 板栗開口器示意圖Figure 5 Schematic diagram of chestnut mouth opener

3 結(jié)論

針對家庭日常生活中板栗開口過程中出現(xiàn)的問題，設(shè)計(jì)了一款新型的板栗開口器，其中在刀片處采用新型的氧化鋯陶瓷十字刀片，板栗承放器和手柄處設(shè)置防滑層，以此增加摩擦力和提高手部舒適度，手柄處設(shè)計(jì)的長度與寬度合理，可提高便攜度。試驗(yàn)設(shè)計(jì)的新型板栗開口器可以滿足消費(fèi)者在安全系數(shù)、開口效率、便攜度、食品安全問題等方面的需求，適用于家庭生活中生板栗與熟板栗的開口。由于添加了硅膠防滑層、彈簧、固定卡扣等部件，對開口器在制作過程的工藝要求較高，使制作過程變得復(fù)雜；試驗(yàn)設(shè)計(jì)的開口器主體結(jié)構(gòu)和卡扣等部件使用食品級不銹鋼、食品級硅膠和氧化鋯陶瓷刀片，因此，板栗開口器的制作成本較高，后續(xù)將主要針對上述不足進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。