左景武

(北京師范大學(xué)珠海校區(qū)工程技術(shù)學(xué)院，廣東 珠海 519087)

近年來，中國核桃產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模和消費(fèi)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(nèi)消費(fèi)。2020年國內(nèi)對(duì)核桃的需求量將同比增長10%左右,核桃產(chǎn)量預(yù)計(jì)可達(dá)300萬t[1-2]，由此帶動(dòng)中國市場新的核桃消費(fèi)產(chǎn)品持續(xù)增加，其中生食核桃的主要消費(fèi)群體為在校學(xué)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(duì)家用核桃破殼器的需求量持續(xù)增長，國內(nèi)眾多的企業(yè)也轉(zhuǎn)向家用核桃破殼器市場的競爭，表現(xiàn)在對(duì)家用核桃破殼器市場的關(guān)注度越來越高[3]。然而目前對(duì)家用核桃破殼器的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)及其相關(guān)研究略顯不足。當(dāng)前市場流動(dòng)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(jī)工效差；3)不適用于未成年用戶；4)產(chǎn)品使用力度不可控；5)產(chǎn)品外觀沒有親和力。因此，有必要設(shè)計(jì)一款結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)

本文以定向施壓的方法設(shè)計(jì)核桃破殼器，因此在展開設(shè)計(jì)之前需分析核桃在破殼時(shí)所需要的壓力值。為保證新設(shè)計(jì)方案的可行性及實(shí)用性，需要對(duì)影響核桃破殼力的若干因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(duì)破殼效果的影響[4]。近年來，國內(nèi)對(duì)核桃破殼方式的研究主要集中在核桃破殼過程中的力學(xué)特性及物理特性兩方面。例如，何義川等[5]基于核桃的相關(guān)參數(shù)，從破殼力入手，分析核桃受擠壓時(shí)應(yīng)力和位移的關(guān)系、破殼效果、應(yīng)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(jìn)行破殼，本文力學(xué)實(shí)驗(yàn)采用靜態(tài)壓力法進(jìn)行，即通過一對(duì)相向施力的壓頭對(duì)核桃進(jìn)行施壓，使核桃受到碾壓作用導(dǎo)致果殼破裂。基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出最佳的破殼力度和破殼方式，可為后續(xù)設(shè)計(jì)工作指引方向。

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

核桃破殼器的破殼效果受到核桃品種、果實(shí)外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、殼體厚度、內(nèi)褶面積及施力方向等因素的影響。實(shí)驗(yàn)以國內(nèi)廣泛種植的遼核一號(hào)核桃作為樣本對(duì)象，該品種堅(jiān)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(jiān)果重9.4 g，殼厚0.9 mm(以上數(shù)據(jù)為均值)，實(shí)物圖如圖1所示。相關(guān)研究表明，核桃在破殼取仁過程中，含水率對(duì)核桃破殼效率和破殼質(zhì)量影響較大[6]。為保證實(shí)驗(yàn)質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)隨機(jī)抽取同批次核桃干果200個(gè)，采用游標(biāo)卡尺分別測量核桃橫徑a、縱徑b、棱徑c，如圖2所示。根據(jù)所測量的數(shù)據(jù)將核桃尺寸分為3個(gè)等級(jí):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(jì)結(jié)果顯示Ⅱ類核桃占86%。

圖1 遼核一號(hào)核桃實(shí)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(jīng)計(jì)算，遼核一號(hào)核桃的球度為0.87，表明遼核一號(hào)核桃的尺寸適中且球度比較大，適宜作為靜態(tài)壓力實(shí)驗(yàn)樣本。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)采用的設(shè)備為DYE-2000D電動(dòng)絲桿壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)1臺(tái)、精度為0.02 mm的游標(biāo)卡尺1把、抗壓盤夾具2個(gè)、布條夾具1個(gè)、三點(diǎn)抗折夾具多個(gè)、四點(diǎn)抗折夾具2個(gè)、多媒體電腦1臺(tái)。對(duì)核桃進(jìn)行擠壓破殼實(shí)驗(yàn)時(shí)，電腦與壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)連接，通過實(shí)驗(yàn)機(jī)的壓力傳感器對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、統(tǒng)計(jì)、分析、存儲(chǔ)，并打印報(bào)告單和實(shí)驗(yàn)曲線。

實(shí)驗(yàn)前需要設(shè)定空間直角坐標(biāo)系：以核桃的中心位置為基準(zhǔn)原點(diǎn)，原點(diǎn)指向橫軸方向?yàn)閄軸，原點(diǎn)指向核桃縫合線方向?yàn)閅軸，原點(diǎn)指向縱軸方向?yàn)閆軸。為了能夠準(zhǔn)確地研究各個(gè)因素對(duì)破殼效果的影響，在實(shí)驗(yàn)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(jìn)行研究。

具體實(shí)驗(yàn)流程如下：1) 把核桃樣本置于壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)的上下壓盤之間，對(duì)其施加壓力。2) 在核桃外殼破裂時(shí)將瞬間壓力值數(shù)據(jù)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(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)分析和繪圖軟件Origin中進(jìn)行分析。4)Origin軟件將自動(dòng)生成隨時(shí)間變化的核桃破殼壓力曲線圖。

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)適合的管狀容器，并引導(dǎo)用戶在使用破殼器時(shí)盡可能使壓頭與核桃橫徑保持垂直。

圖3 核桃壓力實(shí)驗(yàn)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(biāo)系X，Y，Z3個(gè)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?qū)颂沂┘訅毫r(shí)數(shù)據(jù)表

在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)影響破殼力大小的另一個(gè)重要因素是核桃的幾何尺寸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，破殼力與核桃尺寸成正比關(guān)系，見表2。

表2 對(duì)不同尺寸核桃施壓時(shí)破殼力平均值

通過壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)核桃破殼過程進(jìn)行壓力實(shí)驗(yàn)并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，較真實(shí)地模擬了核桃的破殼機(jī)制，為方案設(shè)計(jì)提供了較堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

2 破殼器設(shè)計(jì)

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

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本方案設(shè)計(jì)了一個(gè)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(duì)核桃沿不同徑向施加壓力產(chǎn)生破殼效果的差異，在容器內(nèi)壁設(shè)計(jì)了若干個(gè)卡筍結(jié)構(gòu)，用戶可根據(jù)不同的核桃形態(tài)進(jìn)行限位，選擇不同的破殼部位。針對(duì)不同核桃品種的形態(tài)差異，容器內(nèi)壁直徑設(shè)定為58 mm，內(nèi)壁兩側(cè)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(quán)衡杠桿力矩和使用便捷性之間的關(guān)系，左右手柄長度均設(shè)定為144 mm。整體方案結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，容器內(nèi)壁設(shè)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(zhuǎn)，使壓頭緩慢向破殼器中心推進(jìn)，即可完成破殼。整個(gè)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(jìn)行破殼所需的力更小，因此適用人群更加廣泛。設(shè)計(jì)方案整體造型如圖4所示。

圖4 設(shè)計(jì)方案草圖

基于潛在用戶定位，以核桃破殼器整體架構(gòu)為基礎(chǔ)，10～12歲兒童的手掌尺寸為設(shè)計(jì)依據(jù)，針對(duì)不同品種核桃的形態(tài)、尺寸及所需最大的破殼力進(jìn)行分析計(jì)算，得出了產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案中各個(gè)零部件的尺寸。設(shè)計(jì)方案尺寸如圖5所示。

該設(shè)計(jì)方案一改現(xiàn)有的一體式鉸鏈結(jié)構(gòu)，采用分體式結(jié)構(gòu)。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(jìn)行破殼，實(shí)現(xiàn)了一物多用，增添了操作的趣味性。在此基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的深化，使產(chǎn)品在整體造型與比例尺寸方面都更符合人機(jī)功效，并且豐富了產(chǎn)品在使用過程中的人機(jī)交互細(xì)節(jié)。為更好地實(shí)現(xiàn)敲擊破殼功能，增加了一個(gè)臼狀附件，使設(shè)計(jì)方案的功能更加完善。

2.2 設(shè)計(jì)方案使用方式

結(jié)合當(dāng)前市場上各類核桃破殼器產(chǎn)品優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)方案更多地考慮了使用時(shí)的人機(jī)交互體驗(yàn)和個(gè)性化需求，解決了現(xiàn)有產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)、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(shè)計(jì)方案還提供了敲擊破殼方式，實(shí)現(xiàn)了一物多用，給用戶帶來了更豐富有趣的使用體驗(yàn)。設(shè)計(jì)方案使用方式如圖6所示。

圖5 設(shè)計(jì)方案尺寸圖

圖6 產(chǎn)品使用方式

3 設(shè)計(jì)創(chuàng)新評(píng)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(fèi)力且力度不可控，整仁率很低，對(duì)用戶體驗(yàn)產(chǎn)生較大影響。本文設(shè)計(jì)方案把直接施壓轉(zhuǎn)變?yōu)榕ちκ?，以漸進(jìn)式施壓進(jìn)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(hù)裝置，易使核桃的外殼碎屑飛濺，對(duì)用戶眼睛造成潛在危害，本文設(shè)計(jì)方案以封閉的管狀容器作為保護(hù)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?zèng)_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(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，用戶在使用時(shí)雙手握持手柄，結(jié)構(gòu)簡單耐用。管狀容器采用高強(qiáng)度聚碳酸酯塑料注塑成型，時(shí)尚美觀，還可隨時(shí)觀察手柄推進(jìn)不同階段的破殼效果。

3.3 用戶體驗(yàn)創(chuàng)新

傳統(tǒng)的核桃夾由于力度不可控，往往導(dǎo)致破殼的同時(shí)桃仁破碎，用戶心里往往存在挫敗感。本文設(shè)計(jì)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(yàn)。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(shí)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(chǎn)品使用的趣味性。

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)當(dāng)前市場上的家用核桃破殼器現(xiàn)狀進(jìn)行分析，總結(jié)了其存在的缺陷。對(duì)國內(nèi)廣泛種植的核桃品種進(jìn)行壓力實(shí)驗(yàn)，并對(duì)核桃殼體的壓力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了力學(xué)特性分析，得到了沿核桃的各個(gè)軸向施壓時(shí)所需的破殼力數(shù)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為后續(xù)的破殼器設(shè)計(jì)方案的確定提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。本文設(shè)計(jì)方案在功能、造型、用戶體驗(yàn)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(jié)果表明，該方案符合要求，具備設(shè)計(jì)合理性與可行性。雖然本文設(shè)計(jì)方案提出了新的形態(tài)架構(gòu)和破殼方式，但仍有較大改進(jìn)空間：一是不同品種的核桃存在形態(tài)差異，破殼效果也會(huì)有所差異，因此可以設(shè)計(jì)若干組件并結(jié)合不同尺寸的限位凸筍以滿足不同種類堅(jiān)果破殼需求。二是設(shè)計(jì)更合理的結(jié)構(gòu)對(duì)核桃施力方向進(jìn)行引導(dǎo)，手柄施加壓力時(shí)核桃隨之滾動(dòng)，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(dāng)前，全國核桃種植面積和產(chǎn)量呈現(xiàn)出遞增趨勢，核桃消費(fèi)市場對(duì)核桃破殼器具的需求也會(huì)隨之增多。因此，以后在核桃破殼器具方面的研究也會(huì)有更豐富的成果出現(xiàn)。