一種家用核桃破殼器的結構創(chuàng)新設計

左景武

(北京師范大學珠海校區(qū)工程技術學院，廣東 珠海 519087)

近年來，中國核桃產業(yè)的生產規(guī)模和消費總量居世界第一位，除了小部分出口國外市場，其余大部分供國內消費。2020年國內對核桃的需求量將同比增長10%左右,核桃產量預計可達300萬t[1-2]，由此帶動中國市場新的核桃消費產品持續(xù)增加，其中生食核桃的主要消費群體為在校學生、青年工作者。生食核桃需要有專門的破殼工具。我國市場對家用核桃破殼器的需求量持續(xù)增長，國內眾多的企業(yè)也轉向家用核桃破殼器市場的競爭，表現(xiàn)在對家用核桃破殼器市場的關注度越來越高[3]。然而目前對家用核桃破殼器的結構創(chuàng)新設計及其相關研究略顯不足。當前市場流動的核桃破殼器雖種類繁多，但大多存在如下缺陷：1)破殼難度系數(shù)大 ；2)人機工效差；3)不適用于未成年用戶；4)產品使用力度不可控；5)產品外觀沒有親和力。因此，有必要設計一款結構合理、易于使用的新型核桃破殼器。

1 核桃破殼靜態(tài)壓力實驗

本文以定向施壓的方法設計核桃破殼器，因此在展開設計之前需分析核桃在破殼時所需要的壓力值。為保證新設計方案的可行性及實用性，需要對影響核桃破殼力的若干因素進行實驗，測定所需要的破殼力數(shù)值以及核桃形態(tài)、受力方向等因素對破殼效果的影響[4]。近年來，國內對核桃破殼方式的研究主要集中在核桃破殼過程中的力學特性及物理特性兩方面。例如，何義川等[5]基于核桃的相關參數(shù)，從破殼力入手，分析核桃受擠壓時應力和位移的關系、破殼效果、應力分布規(guī)律等。鑒于家用核桃破殼器基本上采用定向施壓法進行破殼，本文力學實驗采用靜態(tài)壓力法進行，即通過一對相向施力的壓頭對核桃進行施壓，使核桃受到碾壓作用導致果殼破裂?；趯嶒灁?shù)據得出最佳的破殼力度和破殼方式，可為后續(xù)設計工作指引方向。

1.1 實驗樣品

核桃破殼器的破殼效果受到核桃品種、果實外形、內部結構、殼體厚度、內褶面積及施力方向等因素的影響。實驗以國內廣泛種植的遼核一號核桃作為樣本對象，該品種堅果呈圓形，果基平，果頂略成肩形，縱徑35 mm，橫徑34 mm，棱徑35 mm，堅果重9.4 g，殼厚0.9 mm(以上數(shù)據為均值)，實物圖如圖1所示。相關研究表明，核桃在破殼取仁過程中，含水率對核桃破殼效率和破殼質量影響較大[6]。為保證實驗質量，實驗隨機抽取同批次核桃干果200個，采用游標卡尺分別測量核桃橫徑a、縱徑b、棱徑c，如圖2所示。根據所測量的數(shù)據將核桃尺寸分為3個等級:Ⅰ類(橫徑34 mm以下)，Ⅱ類(橫徑34～37 mm)，Ⅲ類(橫徑37 mm以上)。統(tǒng)計結果顯示Ⅱ類核桃占86%。

圖1 遼核一號核桃實物圖

圖2 核桃各徑向圖

核桃的近似球度公式如下：

(1)

式中:S為球度;Ds為球體近似直徑；Dm為最大直徑。

經計算，遼核一號核桃的球度為0.87，表明遼核一號核桃的尺寸適中且球度比較大，適宜作為靜態(tài)壓力實驗樣本。

1.2 實驗步驟

實驗采用的設備為DYE-2000D電動絲桿壓力實驗機1臺、精度為0.02 mm的游標卡尺1把、抗壓盤夾具2個、布條夾具1個、三點抗折夾具多個、四點抗折夾具2個、多媒體電腦1臺。對核桃進行擠壓破殼實驗時，電腦與壓力實驗機連接，通過實驗機的壓力傳感器對實驗數(shù)據進行采集、統(tǒng)計、分析、存儲，并打印報告單和實驗曲線。

實驗前需要設定空間直角坐標系：以核桃的中心位置為基準原點，原點指向橫軸方向為X軸，原點指向核桃縫合線方向為Y軸，原點指向縱軸方向為Z軸。為了能夠準確地研究各個因素對破殼效果的影響，在實驗中將核桃的形狀、尺寸及施壓方向、速度等因素作為單一因素進行研究。

具體實驗流程如下：1) 把核桃樣本置于壓力實驗機的上下壓盤之間，對其施加壓力。2) 在核桃外殼破裂時將瞬間壓力值數(shù)據通過傳感器傳輸?shù)诫娔X并記錄下來。3) 把采集到的數(shù)據導入數(shù)據分析和繪圖軟件Origin中進行分析。4)Origin軟件將自動生成隨時間變化的核桃破殼壓力曲線圖。

1.3 實驗數(shù)據分析

實驗數(shù)據如圖3所示，橫徑方向破殼力最小值為387.07 N，最大值為461.55 N，平均值為434.86 N；縱徑方向破殼力最小值為398.22 N，最大值為482.37 N，平均值為445.69 N；棱徑方向破殼力最小值為401.63 N，最大值為531.06 N，平均值為453.03 N。由此可見，由于核桃施壓方向的差異，破殼力也隨之變化。橫徑方向受力值最小，縱徑方向次之，棱徑方向上受力值最大。因此想要破殼省力，則需要設計適合的管狀容器，并引導用戶在使用破殼器時盡可能使壓頭與核桃橫徑保持垂直。

圖3 核桃壓力實驗破殼壓力曲線圖

由表1可知，破殼過程中分別沿著空間直角坐標系X，Y，Z3個軸向施加壓力，破殼力差別較大，其中破殼力最大的為Y軸方向，其次為Z軸方向，最小的是X軸方向，并且該方向破殼效果最好。

表1 沿不同軸向對核桃施加壓力時數(shù)據表

在實驗中發(fā)現(xiàn)影響破殼力大小的另一個重要因素是核桃的幾何尺寸。實驗結果顯示，破殼力與核桃尺寸成正比關系，見表2。

表2 對不同尺寸核桃施壓時破殼力平均值

通過壓力試驗機對核桃破殼過程進行壓力實驗并對實驗數(shù)據進行分析，較真實地模擬了核桃的破殼機制，為方案設計提供了較堅實的理論基礎。

2 破殼器設計

該核桃破殼器面向10歲以上的未成年人及青年人群設計。這類潛在用戶對使用方式和產品造型有新穎性的需求，同時要求以比較省力的方式操作破殼器。因此該設計方案應以人機工程學和結構力學作為出發(fā)點。用戶在使用核桃破殼器時，組成了一個小的“人機”系統(tǒng)，如果想要使這個系統(tǒng)達到最高的效率，就需將人的生理狀況和產品視為一個整體[7]。為此必須采集與之相關的人機數(shù)據，使產品在功能結構、外觀造型和信息顯示等方面得到合理的設計。

2.1 結構設計

本方案設計了一個杠桿系統(tǒng)，由左手柄、右手柄和管狀容器組成。管狀容器為破殼器的核桃放置區(qū)域。針對核桃沿不同徑向施加壓力產生破殼效果的差異，在容器內壁設計了若干個卡筍結構，用戶可根據不同的核桃形態(tài)進行限位，選擇不同的破殼部位。針對不同核桃品種的形態(tài)差異，容器內壁直徑設定為58 mm，內壁兩側限位凸筍最小間距為47 mm，既可以方便放置核桃，又能限制核桃的不同受力部位。通過權衡杠桿力矩和使用便捷性之間的關系，左右手柄長度均設定為144 mm。整體方案結構簡單，操作方便，容器內壁設置螺紋，手柄前端的壓頭插入容器后只要雙手反方向輕輕旋轉，使壓頭緩慢向破殼器中心推進，即可完成破殼。整個過程力度可控，在不同徑向上破殼均能保證較高的整仁率。由于手柄力臂較長，通過杠桿原理進行破殼所需的力更小，因此適用人群更加廣泛。設計方案整體造型如圖4所示。

圖4 設計方案草圖

基于潛在用戶定位，以核桃破殼器整體架構為基礎，10～12歲兒童的手掌尺寸為設計依據，針對不同品種核桃的形態(tài)、尺寸及所需最大的破殼力進行分析計算，得出了產品設計方案中各個零部件的尺寸。設計方案尺寸如圖5所示。

該設計方案一改現(xiàn)有的一體式鉸鏈結構，采用分體式結構。加長的手柄可以組合成另外一種破殼工件，可采用敲擊方式進行破殼，實現(xiàn)了一物多用，增添了操作的趣味性。在此基礎上做進一步的深化，使產品在整體造型與比例尺寸方面都更符合人機功效，并且豐富了產品在使用過程中的人機交互細節(jié)。為更好地實現(xiàn)敲擊破殼功能，增加了一個臼狀附件，使設計方案的功能更加完善。

2.2 設計方案使用方式

結合當前市場上各類核桃破殼器產品優(yōu)缺點，本設計方案更多地考慮了使用時的人機交互體驗和個性化需求，解決了現(xiàn)有產品在結構、功能、外觀上存在的缺陷。用戶在使用破殼器的過程中，透明管道容器既能夠觀察核桃破殼情況，又可避免核桃外殼碎屑四處散落；較長的手柄也能在破殼過程中提供較大的力矩，省力高效。此外，該設計方案還提供了敲擊破殼方式，實現(xiàn)了一物多用，給用戶帶來了更豐富有趣的使用體驗。設計方案使用方式如圖6所示。

圖5 設計方案尺寸圖

圖6 產品使用方式

3 設計創(chuàng)新評估

3.1 功能創(chuàng)新

傳統(tǒng)的核桃夾采用上下方向向中心施壓的破殼方式，費力且力度不可控，整仁率很低，對用戶體驗產生較大影響。本文設計方案把直接施壓轉變?yōu)榕ちκ?，以漸進式施壓進行破殼，省力便捷，力度可控。在安全方面，傳統(tǒng)家用核桃破殼器在破殼過程中由于沒有保護裝置，易使核桃的外殼碎屑飛濺，對用戶眼睛造成潛在危害，本文設計方案以封閉的管狀容器作為保護裝置，確保了用戶的安全。

3.2 造型創(chuàng)新

為節(jié)省成本，傳統(tǒng)的核桃夾多為金屬沖壓件鉚釘鉸接，握把單薄，不利于握持。核桃夾與核桃接觸面溝槽結構較多，不便于清理碎屑，容易藏污納垢，且造型不夠飽滿美觀。本文設計方案的外觀不同于傳統(tǒng)一體式核桃破殼器，采用了分體式設計，用戶在使用時雙手握持手柄，結構簡單耐用。管狀容器采用高強度聚碳酸酯塑料注塑成型，時尚美觀，還可隨時觀察手柄推進不同階段的破殼效果。

3.3 用戶體驗創(chuàng)新

傳統(tǒng)的核桃夾由于力度不可控，往往導致破殼的同時桃仁破碎，用戶心里往往存在挫敗感。本文設計方案在使用過程中施力較小且力度可控，大大改善了用戶的心理體驗。該方案有較長的手柄，無需較大的力就能破殼，即使是10歲左右的未成年用戶也能輕松駕馭。此外，該方案在破殼多樣性方面實現(xiàn)了一套裝置多種破殼方式，滿足用戶的多樣性選擇，增加了產品使用的趣味性。

4 結束語

本文通過對當前市場上的家用核桃破殼器現(xiàn)狀進行分析，總結了其存在的缺陷。對國內廣泛種植的核桃品種進行壓力實驗，并對核桃殼體的壓力實驗數(shù)據進行了力學特性分析，得到了沿核桃的各個軸向施壓時所需的破殼力數(shù)值。實驗結果為后續(xù)的破殼器設計方案的確定提供了設計依據。本文設計方案在功能、造型、用戶體驗方面均有所創(chuàng)新，并能夠解決傳統(tǒng)家用核桃破殼器在使用過程中存在的安全隱患。測試結果表明，該方案符合要求，具備設計合理性與可行性。雖然本文設計方案提出了新的形態(tài)架構和破殼方式，但仍有較大改進空間：一是不同品種的核桃存在形態(tài)差異，破殼效果也會有所差異，因此可以設計若干組件并結合不同尺寸的限位凸筍以滿足不同種類堅果破殼需求。二是設計更合理的結構對核桃施力方向進行引導，手柄施加壓力時核桃隨之滾動，就能夠使核桃在各方向上均勻受力，更有利于破殼，從總體上提高破殼器的破殼精度。當前，全國核桃種植面積和產量呈現(xiàn)出遞增趨勢，核桃消費市場對核桃破殼器具的需求也會隨之增多。因此，以后在核桃破殼器具方面的研究也會有更豐富的成果出現(xiàn)。