新型便携式板栗剥壳器的多功能设计与研究

◎ 李雪萌，蔡雅琨，王玉涵，时德通，卜丁东

（河北农业大学渤海校区，河北 黄骅 061100）

板栗，又称栗、风腊，有“干果之王”的美称，是一种壳斗科栗属植物。板栗作为一种人们经常食用的食品，其营养丰富，维生素C含量较高，甚至比西红柿、苹果等本身富含维生素C的蔬菜水果要高出几倍，对于人体补充维生素有较好的作用。并且，板栗中的矿物质也很全面，钾、锌、铁等元素的含量远远高出其他食品，尤其是含钾量比苹果高出3倍[1]。

目前，还没有更好更合理的方式进行家庭板栗脱壳工作。人们在对生板栗或者炒熟的板栗剥壳的过程中经常会被板栗外壳刮伤，容易损伤人手指皮肤组织。市场上还没有适合于家庭用的板栗剥壳器。但是，工业上有多种方法，比如火烧脱壳法、蒸汽脱壳法、机械脱壳法、真空爆壳法和微波去壳法等[2]。对于家庭来说，这些方法都不能有效且安全地得到完整的栗仁，其中所需要的条件如高温火烧、真空爆壳等[3]，不易实现且不安全。所以，适用于家庭用的板栗剥壳法依旧要依据物理原理机械脱壳。

本课题研究家庭用安全有效板栗剥壳器的设计优化。本着节省材料、成本低廉、安全简易、高效率的原则，设计一种便携、简易、耐用且有效的新型家用板栗剥壳器。

1 设计思路

1.1 实验材料

市面上常见的是迁西板栗，所以选用迁西板栗作为实验材料。板栗尺寸测量采用直尺、数码游标卡尺，每次测量样本容量在300～400，测量结果见表1。

表1 板栗测量尺寸平均值表

1.2 剥壳器的设计原理

机械剥壳法在日常家庭生活中是较为方便且易实现的方法。我们对机械剥壳的物理原理进行分析，大致有以下几种。一是挤压法，利用类似轧辊结构的坚硬物体挤压使壳破碎。二是撞击法，利用打板的高速撞击作用使皮壳破碎变形。三是碾压法，利用具有粗糙面的结构对所要脱壳的食品进行碾压，利用较大的摩擦力使皮壳破损。四是剪切法，利用尖锐面的剪切作用使皮壳有明显豁口[4]。

综合分析，挤压法、撞击法、碾压法都只适用于外壳具有坚硬结构的坚果脱壳，如核桃脱壳机、花生脱壳机、松子脱壳机等。板栗的棕色皮壳没有像核桃那样坚硬的结构和组织，具有韧性，外壳内皮软薄，相对来说坚硬的外壳上面没有结合缝，一般的挤压、撞击和碾压会使其变形，但是并不能对其造成破损性的伤害，以致于板栗剥壳不能起到很好的效果。家庭最主要使用的还是剪切法[5]。

本文主要设计剪钳式结构对板栗底部坚硬部分进行创口处理，刀纵向切割技术，让板栗底部有破裂裂口，易于剥开。初步确定的装置三维图如图1所示。

图1 剪钳式结构装置三维图

2 系统关键部位优化设计

2.1 钳式结构优化

板栗剥壳器最主要部位为钳式结构。如图1所示，设计双侧都加上刀片。左侧刀片为平刀刃，右侧刀片为锯齿状刀刃。锯齿状刀刃是为了让板栗有较大摩擦力以及对板栗本体有一个恰当的支持力，让其在剪切时有一定的稳定性，我们采取刀片不倾斜状，头部不安排凹槽。板栗手持，通过2个刀片对板栗底部的剪切力达到剪下底部硬壳的目的，使其剪切下底部硬壳，如图2所示。根据板栗外壳和内部红衣的结构，发现底部硬壳的剪切有利于内部红衣的脱皮，较为方便地得到板栗果仁。

图2 板栗剥壳器剥壳流程图

在进行剪切工作时，手持板栗头部，让板栗底部放在两刀刃之间，双侧夹击。给底部硬壳与软壳组织连接处一定力的作用，足够的压强能够给其大小适中的豁口。考虑到便携性、小巧美观，刀片嵌入在树脂基部，基部宽为8 mm；考虑到这样不伤及果仁，刀片设计长30 mm，刀片总宽为5 mm，双侧刀刃均宽3 mm，如图3所示。

图3 板栗剥壳器设计图

2.2 手柄优化

设计手柄之间添加弹簧结构。目的是为了让两刀片之间的角度不会过大或过小。依靠于弹簧的弹力，两刀片之间的角度通过手的作用力来控制，同样也能控制用力大小有效控制刀片剪切深度，保护栗仁完整。

手柄连接处下方设计添加2个半凹槽。长度25 mm，总宽15 mm，深5 mm，凹槽内部加入食品级橡胶垫材料。目的是为了增加板栗与凹槽的摩擦力，起到一定稳固作用。

板栗壳较核桃、花生、松子等干鲜果，不具有足够的坚硬、脆性等性状。板栗壳不易裂开，容易受潮，有韧性。还有给予其足够的剪切面，裂口才能更好地脱壳。所以，此设计的优化在于在右手柄凹槽中央固定一个十字花刀。刀长10 mm，刀刃宽4 mm。当板栗壳底部在钳式部位有剪切口之后，拿到此处，再次利用手部力量进行夹击，弹簧控制深度，有效缓冲，给板栗头部以十字型的切口，这样便可板栗壳有多处破裂口，易于剥开。手柄细节如图4所示。

图4 板栗剥壳器手柄细节图

2.3 材料选用

整个板栗剥壳器的材质都要用到食品级安全材料。全体除刀片外的材质选用ABS树脂材料。该材料耐热耐磨耐酸且无毒，较为适用于板栗剥壳器的身体部位。304不锈钢材料的优势为强度良好（抗拉强度σb≥520 MPa，条件屈服强度σ0.2≥205 MPa），硬度较强（参数≤187HB；≤90HRB；≤200HV），耐磨性良好，耐高温（800 ℃），加工性能好，韧性高，其材料组成包括铅等重金属含量低，保证了食品的安全卫生。

3 结语

本研究主要针对家庭用便携式板栗剥壳器设计。在刀片和整体上都对板栗剥壳器进行优化。包括刀片、刀刃的宽度，形状和材质。设计手柄处合理的宽度，并且在手柄两侧各加上一个凹槽，其中右侧凹槽内部有十字花刀，给板栗的头部也进行切口处理，保证板栗壳能够最大限度地受到破损且不损毁板栗果仁。该优化设计结构合理，造价低，便携性好，主要适用于家庭。板栗脱壳效果好，栗仁剥出完整，安全卫生且有效，值得大力推广使用。

参考文献：

[1]张文斌.自动板栗脱壳机的设计[J].农机化研究，2015，37（8）：104-106.

[2]袁越锦，徐英英，党新安，等.板栗脱壳技术与破壳机理研究现状及发展趋势[J].食品工业科技，2008，30（10）：301-305.

[3]张艳华，党新安.板栗脱壳设备的研究与开发[J].机械，2004，31（7）：45-47.

[4]张林泉，龚 丽.剥壳机具的现状及效果改进方法的探讨[J].食品与机械，2006，22（4）：72-74.

[5]杨雪银，齐延兴.机械式板栗脱壳技术研究初探[J].农业装备与车辆工程，2006，44（5）：42-44.