便携式板栗开口器研究与设计

王晨阳 蔡雅琨 韩登鑫 韩庆秋 贾丽娜

(河北农业大学渤海学院,河北 黄骅 061100)

板栗主要有两种形状：第一类板栗整体呈半球形，一面呈圆面一面为平面；第二类板栗两面均为平面。目前，除了工业上大量生产的去壳板栗，市面上多为未开口板栗，但板栗外壳坚硬难以直接手动去壳。市场上流通的板栗开口器有剪刀式板栗开口器、半包容式板栗开口器和按压式板栗开口器等[1-3]。剪刀式板栗开口器模拟剪刀的工作原理，使刀片在板栗两侧产生创口，以达到开口目的，其主要缺点有：安全系数低，刀片处于裸露状态容易划伤手指，存在安全隐患；板栗固定度低，开口器使用过程中板栗在受力的情况下容易滑出。半包容式板栗开口器本质上是剪刀式的工作原理，其主要缺点有：开口效率低，刀具与板栗接触面积小，承放器防滑程度不高，板栗容易划出导致开口效率降低；安全系数较低，虽然相对于剪刀式的安全系数有所提升，但刀具完全裸露，仍存在安全问题。按压式板栗开口器是通过按压原理并利用弹簧的回弹原理，其主要缺点有：便携程度低；果仁完整度低，此种开口器虽然有弹簧的回弹作用，但当用力过大时，果仁易被压碎；手部舒适度低，压杆顶端与手掌的接触面积小，长时间使用手掌舒适度差；适用范围小，对两面均为平面的板栗，弧形刀片难以划出十字刀口。

因此，结合现有板栗开口器的优缺点，试验拟设计一款高效率、安全等级高、易便携、果仁完整度高的新型板栗开口器，并为便携式板栗开口器的研究提供依据。

1 设计思路

1.1 尺寸确定

根据板栗形状可将板栗分成球形、半球形、扁平形3种，其中半球形板栗数量最多，占80%左右。选取河北省板栗为研究对象，从成熟板栗总体样本中，采用随机抽样的方法，抽取100颗板栗为试验样本，对其外形的长、宽、高参数进行测量分析(图1)，测得的几何参数见表1。

图1 板栗几何参数示意图Figure 1 Schematic diagram of chestnut geometric parameters

由表1可知，板栗的宽度分布在19.5～35.5 mm，其中21.1～33.9 mm的样本数占总数的96%，平均宽度为27.88 mm；板栗的长度分布在16.00～42.50 mm，其中18.65～39.85 mm的样本数占总数的97%，平均长度为29.70 mm；板栗的高度分布在12.0～28.0 mm，其中13.6～24.8 mm的样本数占总数的94%，平均高度为18.96 mm。板栗开口器承放器部分的大小需满足大部分板栗的几何尺寸，经实际数据的测量可以确定满足大部分板栗的尺寸参数，其结果：长度39.85 mm，宽度33.90 mm，高度18.96 mm。

1.2 设计原理

目前，坚果开口的方法主要有化学开口法、物理开口法和机械开口法3大类[4]。日常生活中最为常用的方法是机械开口法，包括：① 碾压法，通过机械使坚果外壳受到相反的作用力，使坚果开口；② 平磨法，通过相对平行的磨片，使坚果外壳受到相反摩擦力作用，使坚果开口；③ 挤压法，依靠较坚硬的物体产生的挤压力，使坚果开口；④ 刀片切割法，利用坚硬锋利刀片在待开口表面进行划痕，使坚果开口[5]。碾压法、平磨法、挤压法适用于外壳坚硬的坚果，而板栗的外壳坚硬程度较低且具有韧性，同时果仁的可变形性高，若使用以上3种方法，不利于板栗开口和保障果仁的完整度[6]。因此，试验采用全包容式刀片切割结构对板栗外壳进行开口处理，采用十字刀片纵向切割法，使板栗外壳产生十字创口，便于板栗去壳。

1.3 材料选取

1.3.1 不锈钢 奥氏体镍铬不锈钢即304级不锈钢，此种不锈钢具有良好的耐腐蚀性、耐热性等优点，对人体的伤害较小，已被广泛应用于日常的厨具中[7]，因此，板栗开口器的手柄和承放器的外壳以及弹簧均采用304级不锈钢，可提高板栗开口器的食品安全性。

1.3.2 刀片 氧化锆陶瓷刀片具有锋利度高、耐磨性强、耐腐蚀性强、切割无异味的优点[10]；而不锈钢刀片在长期使用中，若不及时养护易出现腐蚀、锋利度降低现象，并且陶瓷刀片质量较轻，有利于减少开口器的整体质量。因此，采用新型的氧化锆陶瓷刀片。

1.3.3 硅胶 食品级硅胶的柔韧度高、耐老化、耐热性强、卫生性能高、能与硬质材料良好结合，目前，食品级硅胶常用于婴儿制品上[11]。由于凹型托盘与板栗直接接触，所以选取此种材料更加安全卫生，因此，手柄处与承放器处的防滑层以及环形保护圈均采用食品级硅胶。

2 结构设计

2.1 全包容式开口器设计

采用全包容式的板栗承放器，上部承放器中设有平直式十字锯齿形刀片，下部承放器中设有防滑垫层，同时，上、下承放器边缘均设置环形保护圈，防止板栗在开口过程中因压力滑出，其示意图如图2所示。使用过程中手持开口器将板栗放至下部承放器中，将手柄上下合并，使板栗上部受到刀片的作用力，当作用力逐渐增大时板栗上部产生十字创口，从而达到板栗开口效果。

图2 承放器示意图Figure 2 Schematic diagram of receptacle

上部承放器外壳为弧形设计，此种设计可以将板栗和十字刀片完全包容，防止板栗划出，同时防止手指被刀片划伤。在上部弧形部件内放置用于开口的刀片，为增大刀片的适用范围、提高刀片的开口效果，刀片的形式采用平直式十字形锯齿形状。下部承放器为凹型托盘，并且在托盘上增设防滑层，增大板栗与托盘间的摩擦力，防止板栗在开口过程中滑出。上、下承放器边缘设有环形保护圈，使上、下承放器边缘可以完全重合，此设计可以使板栗开口器在使用过程中达到全包容的状态，同时可以在按压过程中产生缓冲，减少对手部的伤害并保护刀片。为满足市面上大部分板栗的尺寸，板栗开口器的承放器尺寸设计如表2所示，其承放器位置为距手柄连接处8 cm。

表1 板栗的几何参数统计表

2.2 手柄设计

板栗开口器手柄设计呈弧状，此种设计在使用过程中不易伤手，并在手柄外表面使用硅胶进行包裹，不仅可以减轻长时间使用时手掌产生的不适，还能增大手掌与手柄间的摩擦力防止开口器滑落。为提高手柄的舒适度和开口器的便携程度，设计中手柄长度为14 cm，宽度为2 cm，硅胶包裹长度为10 cm，厚度为2 mm。手柄使用不锈钢铆钉连接，此种连接方式不易断裂，并且在靠近连接处1.5 cm处增设弹簧，如图3所示，目的是使开口器在完成板栗开口后可以自行弹起，提高工作效率和使用的便捷性，并且增设的弹簧可以控制作用力的大小，从而确保果仁的完整程度。弹簧采用线径1 mm，外径7 mm的不锈钢弹簧。

图3 弹簧示意图Figure 3 Spring

除上述设计外，试验在手柄末端增设了不锈钢固定扣，如图4所示，目的在于板栗开口器不使用时，将其固定在弹簧压缩的合并状态，此种设计不仅可以节省空间，还可以在开口器处于合并状态时，十字刀片被包含在承放器中，防止十字刀片对人体的伤害，提高板栗开口器的使用安全性。

图4 不锈钢固定扣示意图Figure 4 Schematic diagram of stainless steel fastener

综上，板栗开口器的三维整体设计图如图5所示。

图5 板栗开口器示意图Figure 5 Schematic diagram of chestnut mouth opener

3 结论

针对家庭日常生活中板栗开口过程中出现的问题，设计了一款新型的板栗开口器，其中在刀片处采用新型的氧化锆陶瓷十字刀片，板栗承放器和手柄处设置防滑层，以此增加摩擦力和提高手部舒适度，手柄处设计的长度与宽度合理，可提高便携度。试验设计的新型板栗开口器可以满足消费者在安全系数、开口效率、便携度、食品安全问题等方面的需求，适用于家庭生活中生板栗与熟板栗的开口。由于添加了硅胶防滑层、弹簧、固定卡扣等部件，对开口器在制作过程的工艺要求较高，使制作过程变得复杂；试验设计的开口器主体结构和卡扣等部件使用食品级不锈钢、食品级硅胶和氧化锆陶瓷刀片，因此，板栗开口器的制作成本较高，后续将主要针对上述不足进行改进优化。