摘 要：針對傳統(tǒng)蜂蜜機取流程繁瑣、效率低下且搖蜜機操作不易、功能單一等問題，通過對蜜的各項參數(shù)和取蜜的實際情況進行分析，設(shè)計一款高效、自動化蜂蜜提取機器。該機器主要分為6個部分：進脾裝置、掃蜂裝置、熱風(fēng)裝置、抓取裝置、取蜜裝置和收蜜桶等結(jié)構(gòu)。該機器極大地提高了蜂農(nóng)的勞動效率，推動了蜜蜂養(yǎng)殖業(yè)的機械化進度。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機械；離心機；小型化；取蜜；全自動

中圖分類號：TP23文獻標(biāo)志碼：B文章編號：1671-5276（2024）03-0255-04

Structure and Control Design of Automatic Honey Extractor

Abstract：To overcome the complexity and inefficiency of traditional honey extraction process and the difficulty in operating the existing single-functioned honey shaker， an efficient and automatic honey extraction machine is designed based on the analysis of the parameters of honey shaker and the actual situation of honey extraction. This designed machine， mainly consisting of six parts such as spleen feeding device， bee sweeping device， hot air device， grabbing device， honey taking device and honey collecting barrel， improves the labor efficiency of bee farmers and promotes the mechanization progress of bee breeding industry.

Keywords：agricultural machinery; centrifuge; miniaturization; take honey; fully automatic

0 引言

“養(yǎng)蜂苦，養(yǎng)蜂累，養(yǎng)蜂一年帳篷睡”，這是養(yǎng)蜂行業(yè)內(nèi)廣為流傳的一句話。雖然養(yǎng)蜂工作看上去追花逐蜜，可對于每一位養(yǎng)蜂員來說風(fēng)餐露宿才是真實的生活。

目前我國在養(yǎng)蜂規(guī)模和蜂產(chǎn)品產(chǎn)量上都位居世界首位，但相較于部分發(fā)達國家而言，我國養(yǎng)蜂個體戶多且機械化程度低，無論是技術(shù)層面上還是在銷售層面上，都呈現(xiàn)出滯后之態(tài)，沒有發(fā)揮出應(yīng)有的群體優(yōu)勢，形成有效產(chǎn)業(yè)鏈［1］?；谶@種現(xiàn)狀，本文在國內(nèi)外現(xiàn)有搖蜜機的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種更為高效的全自動取蜜機。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

根據(jù)市場上現(xiàn)有取蜜機的工作原理以及整體構(gòu)架進行分析。主要通過分析傳動方案、掃蜂方案、取蜜方案以及機架的整體結(jié)構(gòu)，從中選擇出最優(yōu)的方案。其中掃蜂方案和取蜜方案是本設(shè)計的重中之重。

如圖1所示，全自動取蜜機是由進脾裝置、掃蜂裝置、熱風(fēng)裝置、兩個智能升降機械臂、取蜜系統(tǒng)等部分組成，由單片機進行控制。取蜜機前端的電機帶動收置欄進入取蜜機，之后收置欄內(nèi)部的履帶會配合上方抓取軌道夾住蜂脾向機器內(nèi)部輸送；蜂脾會先經(jīng)由柔性毛刷、風(fēng)扇組成的過掃蜂裝置，在毛刷將蜜蜂掃落后，向上的風(fēng)扇通過弧形通道將蜜蜂吹出取蜜機［2］，弧形通道的設(shè)計可保護蜜蜂不受傷害；蜜蜂被清理干凈后，蜂脾進入熱風(fēng)裝置并減緩履帶速率，便于兩邊的熱風(fēng)機充分吹化蜂脾蠟蓋的蜂蠟；蠟蓋被全部除掉后會由上方的兩只機械臂對蜂脾進行抓取并將蜂脾分別放入到取蜜系統(tǒng)中［3］；取蜜系統(tǒng)利用高速離心機來實現(xiàn)其功能，在兩個蜂脾就位后開始工作，搖出的蜂蜜會由下方的收蜜桶進行回收，收蜜桶上的濾網(wǎng)過濾掉蜂蜜殘渣；取蜜工作完成后機械臂將蜂脾分別取出并放置于蜂脾箱，蜂脾箱重力感應(yīng)到10片蜂巢后綠燈亮，至此取蜜過程結(jié)束［4］。全自動取蜜機工作流程如圖2所示。

取蜜系統(tǒng)是在傳統(tǒng)手搖取蜜的基礎(chǔ)上改進而來，有著更加合理的空間利用率，還將取蜜系統(tǒng)的工作變?yōu)樽詣踊?，在取蜜工作方面直接脫離了人工的參與，極大地減少了養(yǎng)蜂員的工作量，提高了勞動效率。

2 進脾裝置設(shè)計

進脾裝置主要由收置欄和輸送結(jié)構(gòu)組成。收置欄用于存放新鮮的蜂脾并由輸送帶把蜂脾送入掃蜂裝置。我國蜂業(yè)對蜂脾規(guī)格有明確標(biāo)準(zhǔn)，本文選取普及范圍最廣的標(biāo)準(zhǔn)尺寸：415mm×200mm［5］，所以收置欄結(jié)構(gòu)由2塊450mm×250mm的硬鋁板、6個深溝球軸承以及繞在大徑為200mm的滾筒上。寬為50mm的傳送帶組成，硬鋁板用以穩(wěn)定并保護蜂脾，使蜂脾豎立以便進入下一裝置。采用深溝球軸承和傳送帶是為了使蜂脾進入掃蜂裝置過程中避免滑動摩擦，減少阻力。

壓力傳感器會檢測到蜂脾放入收置欄并傳遞控制器信號，由控制器接通電機，通過齒條傳動將傳送桿緩慢送入裝置內(nèi)部。收置欄運動的同時，上方傳送帶將夾取蜂脾，當(dāng)傳送帶夾住蜂脾的1/2時，收置欄傳送電機會停止并反轉(zhuǎn)，將收置欄送出機器內(nèi)部，為下一蜂脾的收置做準(zhǔn)備。

3 掃蜂裝置

由于新鮮蜂脾上存在大量滯留的蜜蜂，導(dǎo)致下一步去除蜂脾蠟蓋無法進行，而掃蜂裝置在蜂脾由收置欄至熱風(fēng)裝置的傳送過程中，柔性旋轉(zhuǎn)毛刷可刷去附著在蜂脾上的蜜蜂，且裝置下方的風(fēng)機輔助蜜蜂離開設(shè)備內(nèi)部，達到清除蜜蜂的目的。收置欄固定在軌道上通過電機帶動進傳送裝置，再由上方履帶夾取蜂脾［6］。履帶之間寬度略小于蜂脾，同時履帶選用橡膠材料，摩擦系數(shù)大，可最大程度上穩(wěn)定夾取蜂脾。圖3所示為掃蜂裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

掃蜂裝置安裝在固定外殼內(nèi)部，風(fēng)機吹出上升氣流驅(qū)使蜜蜂離開，外殼弧形結(jié)構(gòu)可避免蜜蜂受到傷害（圖4）。

4 熱風(fēng)裝置

原始蜂脾的表面存在一層蠟蓋保護內(nèi)部蜂蜜，故搖蜜前需去除蠟蓋。傳統(tǒng)去除蠟蓋的方式主要為人工刀切，該方式效率極低且蠟蓋切除厚度難以控制。通常蜂農(nóng)為保證蜂蜜的純凈而選擇過度切除蠟蓋，導(dǎo)致蜂蜜大量浪費。蜂農(nóng)在去除蠟蓋時需一手扶巢框，一手持刀切除蠟蓋，不時還需清洗刀具，占用大量時間、人力資源［7］，效率極低。

蜂脾由傳送帶運輸，經(jīng)過掃蜂裝置清除蜜蜂后，通過熱風(fēng)裝置去除蠟蓋。熱風(fēng)裝置為兩排可轉(zhuǎn)向熱風(fēng)槍，蜂脾經(jīng)過時熱風(fēng)槍吹開蠟蓋，由于蜂房結(jié)構(gòu)存在9°～14°左右的角度可防止蜂蜜流出，故熱風(fēng)裝置可在極短的時間內(nèi)融化蜂蠟而不會浪費蜂蜜。采用熱風(fēng)裝置去除蠟蓋有以下優(yōu)點：第一不會因人工因素對蜂脾造成額外損傷，減少蜂蜜浪費；第二效果佳，保證蜂蜜的純凈；第三效率高，極大地降低了蜂農(nóng)的勞動強度和工作時間。

熱風(fēng)裝置溫度可調(diào)，履帶夾帶蜂脾進入后，履帶降低速率通過熱風(fēng)裝置，由于蜂蠟具有熔點低、凝固快、不與蜂蜜相容等特性，經(jīng)過熱風(fēng)裝置短暫加熱即可融化，離開熱風(fēng)裝置后迅速凝固。

5 抓取裝置

蜂脾去除蠟蓋后通過抓取裝置（圖5），將蜂脾送入取蜜裝置的搖蜜架即可開始搖蜜，通過單片機控制系統(tǒng)實現(xiàn)對抓取裝置的控制。由于機械爪對于自身位置的準(zhǔn)確度有一定的要求，故選擇準(zhǔn)確性較高的伺服電機，同時為了保證機械爪水平面內(nèi)移動的精度而選用精度較高的絲杠結(jié)構(gòu)［8］，且絲杠結(jié)構(gòu)還具有可自鎖、穩(wěn)定性高等優(yōu)點。

6 取蜜裝置

取蜜裝置（圖6）搖蜜桶的工作原理為離心力原理。向心力由蜜滴與蜂脾之間的摩擦力和蜜滴的黏滯力構(gòu)成，當(dāng)向心力小于離心力時即可達到分離蜜滴的效果［9］。搖蜜架為2塊450mm×250mm的鋁合金框架，當(dāng)蜂脾進入搖蜜架，重力感應(yīng)器傳遞脈沖信號，搖蜜架驅(qū)動器接收到信號，旋轉(zhuǎn)電機開始工作，設(shè)定好的二級傳動比，保證旋轉(zhuǎn)電機在啟動加速階段不會因轉(zhuǎn)矩過大而使蜂脾受損［10］。在旋轉(zhuǎn)電機達到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時，60%的蜂蜜已經(jīng)被分離，所以當(dāng)電機穩(wěn)定工作5s后，蜂脾內(nèi)95%以上的蜂蜜都已被甩至桶壁上［11］。

因蜂脾非通孔結(jié)構(gòu)，故而電動搖蜜機在一次搖蜜后需人工更換蜂脾方向。本設(shè)計采用活頁結(jié)構(gòu)實現(xiàn)蜂脾自動轉(zhuǎn)向，解決了當(dāng)前搖蜜系統(tǒng)的一大難題。當(dāng)一次搖蜜結(jié)束后，搖蜜架旋轉(zhuǎn)電機通過控制活頁結(jié)構(gòu)，使搖蜜架旋轉(zhuǎn)90°將蜂脾換向并繼續(xù)搖蜜，至此蜂脾取蜜完成，抓取裝置取出蜂脾放置于蜂脾箱。重復(fù)以上步驟，即可完成多次取蜜任務(wù)。由于蜂蜜具有黏性且蜂房存在一定角度，故若使蜂蜜甩出，轉(zhuǎn)速必須滿足以下公式：

式中：

f為蜜滴所受的離心力，N；m為 蜜滴的質(zhì)量，kg；r為蜂脾距旋轉(zhuǎn)軸心的距離，m；

n為 取蜜系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速，r/min；g為重力加速度。

因為式（1）中g(shù)≈π2，則

f≈mrn2/900（2）

從離心力公式得知：假設(shè)轉(zhuǎn)速是定量，離心力的大小主要取決于旋轉(zhuǎn)軸心與蜂脾的距離，即搖蜜架的尺寸；搖蜜架的尺寸主要取決于取蜜桶內(nèi)壁直徑和蜂脾的尺寸，若使離心力翻倍，則需取蜜系統(tǒng)內(nèi)壁直徑增加1倍，同時搖蜜架的尺寸也相應(yīng)增加［12］；若將搖蜜架的尺寸作為定量，增加搖蜜裝置的轉(zhuǎn)速，由公式可知，轉(zhuǎn)速和離心力之間的數(shù)值大小為平方關(guān)系，當(dāng)轉(zhuǎn)速加大1倍，離心力則為原來的4倍。由于蜂脾尺寸固定，變更搖蜜架的尺寸將降低該設(shè)計的通用性和便利性，因此相較于改變尺寸增加離心力，改變轉(zhuǎn)速更簡單有效。故確定取蜜裝置的尺寸后，可變因素僅為轉(zhuǎn)速。經(jīng)過伊犁黑蜂蜜和百花蜜兩批手工蜂蜜的采集測試，在確保蜂蜜能被取下且速度理想的范圍內(nèi)得到初步的數(shù)據(jù)如表1所示。

電機功率和轉(zhuǎn)矩的換算公式為

式中：

P為功率，W；

M為轉(zhuǎn)矩，Nm；

r為轉(zhuǎn)速，r/min。

根據(jù)實際取蜜情況，對大量的實驗數(shù)據(jù)進行分析處理，初步估算，假設(shè)蜂脾質(zhì)量為3.5kg，轉(zhuǎn)速為200r/min，力臂經(jīng)測量取0.1m，則

啟動轉(zhuǎn)矩為

M=3.5×9.8×0.1=3.43（4）

啟動功率為

P=2π×3.43×200/60=86.2（5）

故選取常規(guī)步進電機即可滿足本設(shè)計要求，且此類電機成本也相對較低。

7 移動調(diào)平裝置設(shè)計

因我國蜜蜂養(yǎng)殖基地大多位于山區(qū)野外，故設(shè)備的可移動性以及對復(fù)雜地面環(huán)境的適應(yīng)性同樣重要。該設(shè)備的移動裝置主要分為四部分：承重輪、萬向輪、鋼架低盤、可調(diào)支撐腳。

承重輪和萬向輪采用對稱布置，相比平行布置更加靈活。隔條可固定機器主體。四角的可調(diào)節(jié)支撐腳使機器在較為惡劣的地面條件下仍可保持水平。在地面凹凸不平時，通過調(diào)節(jié)支撐腳，即可將機器調(diào)至水平（圖7）。

8 結(jié)語

在我國養(yǎng)蜂是一項傳統(tǒng)的養(yǎng)殖項目，養(yǎng)殖蜜蜂可獲取蜂蜜、蜂王漿及蜂蠟等產(chǎn)品，而取蜜是養(yǎng)蜂的主要目的之一。所以對于蜂農(nóng)來說高效、低成本取蜜是整個養(yǎng)蜂產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵問題所在。在征集蜂農(nóng)的反饋意見并總結(jié)大量的實驗數(shù)據(jù)之后，全自動取蜜機的設(shè)計取得了初步成功。該設(shè)備主要用于蜂蜜的收取工作，基本實現(xiàn)了取蜜過程的自動化，只需要蜂農(nóng)將蜂脾放入取蜜機中，隨后取蜜機可自動完成掃蜂、去除蠟蓋、搖蜜功能，實現(xiàn)無人取蜜工作。該設(shè)備操作方便、成本較低且小巧方便，不僅極大地減少了蜂農(nóng)取蜜時的勞動負擔(dān)，也提高了蜂農(nóng)的工作效率，增加了蜂農(nóng)的收益，且最大程度上避免了人工操作導(dǎo)致的蜂蜜品質(zhì)下降和浪費，提高了蜂蜜的產(chǎn)出效益。