一种家用核桃破壳器的结构创新设计

左景武

(北京师范大学珠海校区工程技术学院，广东 珠海 519087)

近年来，中国核桃产业的生产规模和消费总量居世界第一位，除了小部分出口国外市场，其余大部分供国内消费。2020年国内对核桃的需求量将同比增长10%左右,核桃产量预计可达300万t[1-2]，由此带动中国市场新的核桃消费产品持续增加，其中生食核桃的主要消费群体为在校学生、青年工作者。生食核桃需要有专门的破壳工具。我国市场对家用核桃破壳器的需求量持续增长，国内众多的企业也转向家用核桃破壳器市场的竞争，表现在对家用核桃破壳器市场的关注度越来越高[3]。然而目前对家用核桃破壳器的结构创新设计及其相关研究略显不足。当前市场流动的核桃破壳器虽种类繁多，但大多存在如下缺陷：1)破壳难度系数大 ；2)人机工效差；3)不适用于未成年用户；4)产品使用力度不可控；5)产品外观没有亲和力。因此，有必要设计一款结构合理、易于使用的新型核桃破壳器。

1 核桃破壳静态压力实验

本文以定向施压的方法设计核桃破壳器，因此在展开设计之前需分析核桃在破壳时所需要的压力值。为保证新设计方案的可行性及实用性，需要对影响核桃破壳力的若干因素进行实验，测定所需要的破壳力数值以及核桃形态、受力方向等因素对破壳效果的影响[4]。近年来，国内对核桃破壳方式的研究主要集中在核桃破壳过程中的力学特性及物理特性两方面。例如，何义川等[5]基于核桃的相关参数，从破壳力入手，分析核桃受挤压时应力和位移的关系、破壳效果、应力分布规律等。鉴于家用核桃破壳器基本上采用定向施压法进行破壳，本文力学实验采用静态压力法进行，即通过一对相向施力的压头对核桃进行施压，使核桃受到碾压作用导致果壳破裂。基于实验数据得出最佳的破壳力度和破壳方式，可为后续设计工作指引方向。

1.1 实验样品

核桃破壳器的破壳效果受到核桃品种、果实外形、内部结构、壳体厚度、内褶面积及施力方向等因素的影响。实验以国内广泛种植的辽核一号核桃作为样本对象，该品种坚果呈圆形，果基平，果顶略成肩形，纵径35 mm，横径34 mm，棱径35 mm，坚果重9.4 g，壳厚0.9 mm(以上数据为均值)，实物图如图1所示。相关研究表明，核桃在破壳取仁过程中，含水率对核桃破壳效率和破壳质量影响较大[6]。为保证实验质量，实验随机抽取同批次核桃干果200个，采用游标卡尺分别测量核桃横径a、纵径b、棱径c，如图2所示。根据所测量的数据将核桃尺寸分为3个等级:Ⅰ类(横径34 mm以下)，Ⅱ类(横径34～37 mm)，Ⅲ类(横径37 mm以上)。统计结果显示Ⅱ类核桃占86%。

图1 辽核一号核桃实物图

图2 核桃各径向图

核桃的近似球度公式如下：

(1)

式中:S为球度;Ds为球体近似直径；Dm为最大直径。

经计算，辽核一号核桃的球度为0.87，表明辽核一号核桃的尺寸适中且球度比较大，适宜作为静态压力实验样本。

1.2 实验步骤

实验采用的设备为DYE-2000D电动丝杆压力实验机1台、精度为0.02 mm的游标卡尺1把、抗压盘夹具2个、布条夹具1个、三点抗折夹具多个、四点抗折夹具2个、多媒体电脑1台。对核桃进行挤压破壳实验时，电脑与压力实验机连接，通过实验机的压力传感器对实验数据进行采集、统计、分析、存储，并打印报告单和实验曲线。

实验前需要设定空间直角坐标系：以核桃的中心位置为基准原点，原点指向横轴方向为X轴，原点指向核桃缝合线方向为Y轴，原点指向纵轴方向为Z轴。为了能够准确地研究各个因素对破壳效果的影响，在实验中将核桃的形状、尺寸及施压方向、速度等因素作为单一因素进行研究。

具体实验流程如下：1) 把核桃样本置于压力实验机的上下压盘之间，对其施加压力。2) 在核桃外壳破裂时将瞬间压力值数据通过传感器传输到电脑并记录下来。3) 把采集到的数据导入数据分析和绘图软件Origin中进行分析。4)Origin软件将自动生成随时间变化的核桃破壳压力曲线图。

1.3 实验数据分析

实验数据如图3所示，横径方向破壳力最小值为387.07 N，最大值为461.55 N，平均值为434.86 N；纵径方向破壳力最小值为398.22 N，最大值为482.37 N，平均值为445.69 N；棱径方向破壳力最小值为401.63 N，最大值为531.06 N，平均值为453.03 N。由此可见，由于核桃施压方向的差异，破壳力也随之变化。横径方向受力值最小，纵径方向次之，棱径方向上受力值最大。因此想要破壳省力，则需要设计适合的管状容器，并引导用户在使用破壳器时尽可能使压头与核桃横径保持垂直。

图3 核桃压力实验破壳压力曲线图

由表1可知，破壳过程中分别沿着空间直角坐标系X，Y，Z3个轴向施加压力，破壳力差别较大，其中破壳力最大的为Y轴方向，其次为Z轴方向，最小的是X轴方向，并且该方向破壳效果最好。

表1 沿不同轴向对核桃施加压力时数据表

在实验中发现影响破壳力大小的另一个重要因素是核桃的几何尺寸。实验结果显示，破壳力与核桃尺寸成正比关系，见表2。

表2 对不同尺寸核桃施压时破壳力平均值

通过压力试验机对核桃破壳过程进行压力实验并对实验数据进行分析，较真实地模拟了核桃的破壳机制，为方案设计提供了较坚实的理论基础。

2 破壳器设计

该核桃破壳器面向10岁以上的未成年人及青年人群设计。这类潜在用户对使用方式和产品造型有新颖性的需求，同时要求以比较省力的方式操作破壳器。因此该设计方案应以人机工程学和结构力学作为出发点。用户在使用核桃破壳器时，组成了一个小的“人机”系统，如果想要使这个系统达到最高的效率，就需将人的生理状况和产品视为一个整体[7]。为此必须采集与之相关的人机数据，使产品在功能结构、外观造型和信息显示等方面得到合理的设计。

2.1 结构设计

本方案设计了一个杠杆系统，由左手柄、右手柄和管状容器组成。管状容器为破壳器的核桃放置区域。针对核桃沿不同径向施加压力产生破壳效果的差异，在容器内壁设计了若干个卡笋结构，用户可根据不同的核桃形态进行限位，选择不同的破壳部位。针对不同核桃品种的形态差异，容器内壁直径设定为58 mm，内壁两侧限位凸笋最小间距为47 mm，既可以方便放置核桃，又能限制核桃的不同受力部位。通过权衡杠杆力矩和使用便捷性之间的关系，左右手柄长度均设定为144 mm。整体方案结构简单，操作方便，容器内壁设置螺纹，手柄前端的压头插入容器后只要双手反方向轻轻旋转，使压头缓慢向破壳器中心推进，即可完成破壳。整个过程力度可控，在不同径向上破壳均能保证较高的整仁率。由于手柄力臂较长，通过杠杆原理进行破壳所需的力更小，因此适用人群更加广泛。设计方案整体造型如图4所示。

图4 设计方案草图

基于潜在用户定位，以核桃破壳器整体架构为基础，10～12岁儿童的手掌尺寸为设计依据，针对不同品种核桃的形态、尺寸及所需最大的破壳力进行分析计算，得出了产品设计方案中各个零部件的尺寸。设计方案尺寸如图5所示。

该设计方案一改现有的一体式铰链结构，采用分体式结构。加长的手柄可以组合成另外一种破壳工件，可采用敲击方式进行破壳，实现了一物多用，增添了操作的趣味性。在此基础上做进一步的深化，使产品在整体造型与比例尺寸方面都更符合人机功效，并且丰富了产品在使用过程中的人机交互细节。为更好地实现敲击破壳功能，增加了一个臼状附件，使设计方案的功能更加完善。

2.2 设计方案使用方式

结合当前市场上各类核桃破壳器产品优缺点，本设计方案更多地考虑了使用时的人机交互体验和个性化需求，解决了现有产品在结构、功能、外观上存在的缺陷。用户在使用破壳器的过程中，透明管道容器既能够观察核桃破壳情况，又可避免核桃外壳碎屑四处散落；较长的手柄也能在破壳过程中提供较大的力矩，省力高效。此外，该设计方案还提供了敲击破壳方式，实现了一物多用，给用户带来了更丰富有趣的使用体验。设计方案使用方式如图6所示。

图5 设计方案尺寸图

图6 产品使用方式

3 设计创新评估

3.1 功能创新

传统的核桃夹采用上下方向向中心施压的破壳方式，费力且力度不可控，整仁率很低，对用户体验产生较大影响。本文设计方案把直接施压转变为扭力施压，以渐进式施压进行破壳，省力便捷，力度可控。在安全方面，传统家用核桃破壳器在破壳过程中由于没有保护装置，易使核桃的外壳碎屑飞溅，对用户眼睛造成潜在危害，本文设计方案以封闭的管状容器作为保护装置，确保了用户的安全。

3.2 造型创新

为节省成本，传统的核桃夹多为金属冲压件铆钉铰接，握把单薄，不利于握持。核桃夹与核桃接触面沟槽结构较多，不便于清理碎屑，容易藏污纳垢，且造型不够饱满美观。本文设计方案的外观不同于传统一体式核桃破壳器，采用了分体式设计，用户在使用时双手握持手柄，结构简单耐用。管状容器采用高强度聚碳酸酯塑料注塑成型，时尚美观，还可随时观察手柄推进不同阶段的破壳效果。

3.3 用户体验创新

传统的核桃夹由于力度不可控，往往导致破壳的同时桃仁破碎，用户心里往往存在挫败感。本文设计方案在使用过程中施力较小且力度可控，大大改善了用户的心理体验。该方案有较长的手柄，无需较大的力就能破壳，即使是10岁左右的未成年用户也能轻松驾驭。此外，该方案在破壳多样性方面实现了一套装置多种破壳方式，满足用户的多样性选择，增加了产品使用的趣味性。

4 结束语

本文通过对当前市场上的家用核桃破壳器现状进行分析，总结了其存在的缺陷。对国内广泛种植的核桃品种进行压力实验，并对核桃壳体的压力实验数据进行了力学特性分析，得到了沿核桃的各个轴向施压时所需的破壳力数值。实验结果为后续的破壳器设计方案的确定提供了设计依据。本文设计方案在功能、造型、用户体验方面均有所创新，并能够解决传统家用核桃破壳器在使用过程中存在的安全隐患。测试结果表明，该方案符合要求，具备设计合理性与可行性。虽然本文设计方案提出了新的形态架构和破壳方式，但仍有较大改进空间：一是不同品种的核桃存在形态差异，破壳效果也会有所差异，因此可以设计若干组件并结合不同尺寸的限位凸笋以满足不同种类坚果破壳需求。二是设计更合理的结构对核桃施力方向进行引导，手柄施加压力时核桃随之滚动，就能够使核桃在各方向上均匀受力，更有利于破壳，从总体上提高破壳器的破壳精度。当前，全国核桃种植面积和产量呈现出递增趋势，核桃消费市场对核桃破壳器具的需求也会随之增多。因此，以后在核桃破壳器具方面的研究也会有更丰富的成果出现。