郝致恒　程云青

摘要：瓶裝飲料由于其攜帶方便的特點，幾乎成為人們?nèi)粘Ｉ畹谋匦杵贰Ｔ趯嶋H使用中，總會發(fā)現(xiàn)需要他人幫忙開蓋的尷尬情況。以市場上幾種主要品牌飲用水為對象，以高中女生為目標(biāo)人群，以BTEPrimusRS運動測量評估系統(tǒng)為手段，對螺紋瓶蓋的開啟力和力矩范圍進(jìn)行實驗測量，對實驗測定的數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，提出應(yīng)從降低瓶蓋擰開力矩和優(yōu)化瓶蓋外觀設(shè)計兩個方面改進(jìn)產(chǎn)品包裝的建議。

關(guān)鍵詞：飲用水；螺紋瓶蓋；開啟能力

中圖分類號：TP302 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）36-0225-03

螺紋瓶蓋作為市場上最為常見的密封形式，被廣泛應(yīng)用于各大品牌飲用水的包裝之中[1-2]。目前，飲用水的生產(chǎn)廠商大多從密封角度考慮螺紋瓶蓋的結(jié)構(gòu)和外觀設(shè)計[3]，缺乏關(guān)于消費者尤其是婦女和兒童等特殊群體對于螺紋瓶蓋開啟能力的研究，導(dǎo)致部分消費者在飲用過程中需要花費較大力氣甚至無法獨立完成瓶蓋的開啟，影響了產(chǎn)品的消費體驗。因此，進(jìn)行特征人群螺紋瓶蓋開啟能力研究，有助于飲用水生產(chǎn)廠商改進(jìn)產(chǎn)品包裝設(shè)計，改善消費者的使用體驗，從而提高產(chǎn)品在市場上的競爭力。本文以高中女生人群作為對象，研究其對于螺紋瓶蓋的開啟能力。

1 實驗過程設(shè)計

1.1 實驗樣本

1）飲用水樣本的選取

選取市面上較為常見的七種品牌飲用水作為研究對象，包括農(nóng)夫山泉（380mL和510mL）、娃哈哈（550mL和596mL）、康師傅（550mL和560mL）、百歲山（348mL和570mL）、昆侖山（350mL和510mL）、恒大冰泉（350mL和500mL）以及怡寶（350mL和555mL）。于石家莊北國超市購買上述七種品牌飲用水，實驗樣品的質(zhì)量可以得到保證。

2）特征人群樣本的選取

從石家莊第三十五中學(xué)隨機選擇高一至高三年級女生30名，每個年級各10人。學(xué)生身體健康，無上肢疼痛及外傷史，實驗前無生病或身體不適癥狀。經(jīng)講解和示范，受試者了解實驗過程和測量方式，并全部完成規(guī)定的實驗項目。

1.2 實驗儀器與設(shè)備

1）BTEPrimusRS運動測量評估系統(tǒng)（BTETechnologies， Inc.）[4]。美國BTE公司生產(chǎn)的BTEPrimusRS運動測量評估系統(tǒng)主要用于神經(jīng)肌肉功能的測試、評估和康復(fù)訓(xùn)練，可用于測量評估人體運動過程中的關(guān)節(jié)肌力、活動度和疲勞度等。BTE系統(tǒng)的訓(xùn)練動力頭可調(diào)節(jié)高度并360度旋轉(zhuǎn)，其測量系統(tǒng)由計算機控制，能夠?qū)崟r顯示目標(biāo)時間力曲線。本文將使用BTE系統(tǒng)完成瓶蓋擰開力矩和特征人群開啟能力的測量和記錄。

2）特制測力夾具。根據(jù)BTE系統(tǒng)的工作原理和飲用水瓶的外觀特征，設(shè)計出如圖所示的測力夾具連接飲用水瓶身和BTE系統(tǒng)以實現(xiàn)力矩的測量。

1.3 實驗方法及過程

1）飲用水螺紋瓶蓋擰開力矩實驗

第一步：將被試飲用水樣本放置在夾具中心，調(diào)整四個夾頭將瓶身夾緊，并確保瓶身縱軸垂直通過夾具中心點；

第二步：通過BTE系統(tǒng)的附屬配件將夾具與訓(xùn)練動力頭相連接；

第三步：調(diào)用BTE系統(tǒng)的靜態(tài)等長肌力測量模塊，用手緩慢擰動瓶蓋至其與鎖圈脫離并完全松開，保存并記錄力矩隨時間的變化曲線；

第四步：重復(fù)上述步驟，完成所有樣本的測量和記錄。

2）特征人群開啟能力（最大腕部橫向力矩）實驗

第一步：選取康師傅（優(yōu)悅）、農(nóng)夫山泉和昆侖山這三種具有不同瓶蓋側(cè)面積和接觸面花紋的飲用水各一瓶，利用502膠水將其瓶蓋緊密粘合在初始密封位置，將被試飲用水樣本放置在夾具中心，調(diào)整四個夾頭將瓶身夾緊，并確保瓶身縱軸垂直通過夾具中心點；

第二步：通過BTE系統(tǒng)的附屬配件將夾具與訓(xùn)練動力頭相連接，并根據(jù)被試者的要求調(diào)整動力頭的高度和角度至其舒適開啟位置；

第三步：調(diào)用BTE系統(tǒng)的靜態(tài)等長肌力測量模塊，指導(dǎo)被試者按照日常開啟瓶蓋的習(xí)慣，均衡勻速地加力旋擰瓶蓋至最大力量，記錄下測量數(shù)據(jù)；

第四步：重復(fù)上述步驟，完成所有被試人員最大腕部橫向力矩的測量和記錄。

（3）特征人群瓶蓋旋擰負(fù)荷實驗

第一、二步同特征人群開啟能力實驗；

第三步：調(diào)用BTE系統(tǒng)的動態(tài)等張肌力測量模塊，選取0.34N·m、0.51N·m、0.68N·m、0.85N·m、1.02N·m等5種阻力水平值，指導(dǎo)被試者按照日常開啟瓶蓋的習(xí)慣，用手旋擰瓶蓋至瓶身轉(zhuǎn)動或自身最大力量，之后立即讓被試者參照Borg'sRPE-Scale6-20量表根據(jù)主觀感受對旋擰負(fù)荷做出評判[5]，結(jié)果以分值表示。

第四步：重復(fù)上述步驟，完成所有被試人員三種飲用水樣本的施力負(fù)荷測量。

2 實驗數(shù)據(jù)處理與結(jié)果

2.1 飲用水螺紋瓶蓋擰開力矩實驗

（1）飲用水瓶蓋的擰開力矩

根據(jù)1.3節(jié)規(guī)劃的實驗步驟，獲得7種礦泉水瓶蓋的開啟力測量數(shù)據(jù)。表1所示為農(nóng)夫山泉飲用天然水瓶蓋測試數(shù)據(jù)。

測試結(jié)果顯示，上述七種品牌飲用水螺紋瓶蓋的擰開力矩范圍為0.7～1.8Nm。按照擰開力矩的平均值從小到大排序為：農(nóng)夫山泉380mL<娃哈哈550mL<娃哈哈（氧道）550mL<農(nóng)夫山泉510mL<康師傅（優(yōu)悅）560mL<娃哈哈596mL<百歲山348mL<昆侖山350mL<康師傅550mL<恒大冰泉500mL<怡寶555mL<恒大冰泉350mL<怡寶350mL<百歲山570mL<昆侖山510mL。

（2）飲用水瓶蓋的阻力模式

通過對測量數(shù)據(jù)的觀察發(fā)現(xiàn)，不同品牌不同規(guī)格的飲用水螺紋瓶蓋在旋擰開啟過程中會出現(xiàn)兩個阻力峰，從而呈現(xiàn)出以下兩種阻力模式。

分析兩個阻力峰的產(chǎn)生原因，第一阻力峰的產(chǎn)生是為了克服瓶蓋與瓶口螺紋副之間的初始靜摩擦力矩，第二阻力峰的產(chǎn)生則是為了克服瓶蓋與鎖圈之間連接橋的拉力及帶來的額外摩擦力矩。

2.2 特征人群開啟能力實驗

根據(jù)1.3節(jié)規(guī)劃的實驗步驟，獲得被試者最大腕部橫向力矩的測試數(shù)據(jù)，并運用SPSS21.0對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到被試者的最大腕部橫向力矩分布如下圖所示。

并計算得到第5、10、25、50、75、90、95百分位數(shù)值，表2所示為康師傅（優(yōu)悅）的最大腕部橫向力矩百分位數(shù)。

2.3特征人群瓶蓋旋擰負(fù)荷實驗

根據(jù)1.3節(jié)中的實驗步驟，獲得被試者在不同力矩水平下的旋擰負(fù)荷評價分值和相應(yīng)的散點圖如下所示。

通過觀察散點圖發(fā)現(xiàn)，阻力力矩數(shù)值與負(fù)荷評價分值之間近似服從指數(shù)分布，運用SPSS21.0對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行指數(shù)分布的曲線估計，得到負(fù)荷評價分值[B]與擰開力矩[T]之間的函數(shù)關(guān)系式為：

[B康師傅（優(yōu)悅）=4.62×e1.40×T] （1）

[B農(nóng)夫山泉=4.15×e1.50×T] （2）

[B昆侖山=3.93×e1.33×T] （3）

將負(fù)荷評價分值[B=13]（“比較費力”的最低一級）代入式（1）～（3）中，求得其相應(yīng)的力矩為0.68N·m、0.71N·m和0.84N·m。

3 結(jié)論與建議

3.1 飲用水螺紋瓶蓋擰開力矩的允許值

實驗結(jié)果表明，為確保至少75%的高中女學(xué)生能夠獨立擰開飲用水瓶蓋，考慮到不同瓶蓋外觀的影響，其擰開力矩應(yīng)小于1.1N·m。然而，參與實驗的15種類型的飲用水中只有6種滿足上述要求，其余飲用水的擰開力矩均大于這一數(shù)值，部分樣本的擰開力矩甚至超過了1.7N·m，這意味著至少90%的高中女學(xué)生在沒有他人幫助的情況下無法獨立擰開瓶蓋。

3.2 飲用水螺紋瓶蓋擰開力矩的建議值

針對高中女學(xué)生這一特殊人群，為使其能夠在不太費力的情況下獨立擰開飲用水瓶蓋，瓶蓋的擰開力矩應(yīng)小于0.84N·m。在參與測試的15種類型飲用水中只有一種滿足這一要求，其余類型的飲用水螺紋瓶蓋對于高中女學(xué)生而言，即使能夠擰開也需要付出較大的努力，影響了這一人群的消費體驗，不利于產(chǎn)品的推廣和銷售。

3.3 飲用水螺紋瓶蓋的改進(jìn)設(shè)計建議

1）由于螺紋瓶蓋在開啟過程中存在兩個阻力峰，為了減小瓶蓋的擰開力矩，在改進(jìn)設(shè)計時不僅僅要考慮降低出廠包裝時的初始擰緊力矩，也要注意減小瓶蓋與鎖圈之間連接橋的強度，避免因瓶蓋與鎖圈之間連接過緊而導(dǎo)致擰開力矩增大。

2）除了直接減小瓶蓋的擰開力矩，改善瓶蓋的外觀設(shè)計也是較為有效的改進(jìn)手段。從實驗結(jié)果中可以看出，更大的瓶蓋側(cè)面積和更加柔和的接觸面花紋設(shè)計，有利于被試者更好地進(jìn)行手部施力并降低相應(yīng)的負(fù)荷感受，從而提高被試者對于瓶蓋的開啟能力。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 劉鐵峰.我國PET瓶的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].塑料包裝，2010，20（3）：19-20.

[3] 董淼鑫.聚酯瓶自動旋蓋機理蓋機構(gòu)的設(shè)計與研究[D].西安：西安工業(yè)大學(xué)，2012.

[4] BTETechnologies，Inc. BTEPrimusRSOperatorsManual[Z].2015.

[5] BorgG. Perceivedexertionasanindicatorofsomaticstress.ScandJRehabilMed，1970，2（3）：92–98.

[6] 張紅坡，張海鋒.SPSS統(tǒng)計分析使用寶典[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.