全自動取蜜機的結構及控制設計

摘 要：針對傳統蜂蜜機取流程繁瑣、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和取蜜的實際情況進行分析，設計一款高效、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、熱風裝置、抓取裝置、取蜜裝置和收蜜桶等結構。該機器極大地提高了蜂農的勞動效率，推動了蜜蜂養殖業的機械化進度。

關鍵詞：農業機械；離心機；小型化；取蜜；全自動

中圖分類號：TP23文獻標志碼：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

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

目前我國在養蜂規模和蜂產品產量上都位居世界首位，但相較于部分發達國家而言，我國養蜂個體戶多且機械化程度低，無論是技術層面上還是在銷售層面上，都呈現出滯后之態，沒有發揮出應有的群體優勢，形成有效產業鏈［1］。基于這種現狀，本文在國內外現有搖蜜機的基礎上，設計了一種更為高效的全自動取蜜機。

1 總體結構設計方案

根據市場上現有取蜜機的工作原理以及整體構架進行分析。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構，從中選擇出最優的方案。其中掃蜂方案和取蜜方案是本設計的重中之重。

如圖1所示，全自動取蜜機是由進脾裝置、掃蜂裝置、熱風裝置、兩個智能升降機械臂、取蜜系統等部分組成，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，之后收置欄內部的履帶會配合上方抓取軌道夾住蜂脾向機器內部輸送；蜂脾會先經由柔性毛刷、風扇組成的過掃蜂裝置，在毛刷將蜜蜂掃落后，向上的風扇通過弧形通道將蜜蜂吹出取蜜機［2］，弧形通道的設計可保護蜜蜂不受傷害；蜜蜂被清理干凈后，蜂脾進入熱風裝置并減緩履帶速率，便于兩邊的熱風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中［3］；取蜜系統利用高速離心機來實現其功能，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，蜂脾箱重力感應到10片蜂巢后綠燈亮，至此取蜜過程結束［4］。全自動取蜜機工作流程如圖2所示。

取蜜系統是在傳統手搖取蜜的基礎上改進而來，有著更加合理的空間利用率，還將取蜜系統的工作變為自動化，在取蜜工作方面直接脫離了人工的參與，極大地減少了養蜂員的工作量，提高了勞動效率。

2 進脾裝置設計

進脾裝置主要由收置欄和輸送結構組成。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。我國蜂業對蜂脾規格有明確標準，本文選取普及范圍最廣的標準尺寸：415mm×200mm［5］，所以收置欄結構由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部。收置欄運動的同時，上方傳送帶將夾取蜂脾，當傳送帶夾住蜂脾的1/2時，收置欄傳送電機會停止并反轉，將收置欄送出機器內部，為下一蜂脾的收置做準備。

3 掃蜂裝置

由于新鮮蜂脾上存在大量滯留的蜜蜂，導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裝置的傳送過程中，柔性旋轉毛刷可刷去附著在蜂脾上的蜜蜂，且裝置下方的風機輔助蜜蜂離開設備內部，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，摩擦系數大，可最大程度上穩定夾取蜂脾。圖3所示為掃蜂裝置內部結構。

掃蜂裝置安裝在固定外殼內部，風機吹出上升氣流驅使蜜蜂離開，外殼弧形結構可避免蜜蜂受到傷害（圖4）。

4 熱風裝置

原始蜂脾的表面存在一層蠟蓋保護內部蜂蜜，故搖蜜前需去除蠟蓋。傳統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。通常蜂農為保證蜂蜜的純凈而選擇過度切除蠟蓋，導致蜂蜜大量浪費。蜂農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，經過掃蜂裝置清除蜜蜂后，通過熱風裝置去除蠟蓋。熱風裝置為兩排可轉向熱風槍，蜂脾經過時熱風槍吹開蠟蓋，由于蜂房結構存在9°～14°左右的角度可防止蜂蜜流出，故熱風裝置可在極短的時間內融化蜂蠟而不會浪費蜂蜜。采用熱風裝置去除蠟蓋有以下優點：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，極大地降低了蜂農的勞動強度和工作時間。

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

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實現對抓取裝置的控制。由于機械爪對于自身位置的準確度有一定的要求，故選擇準確性較高的伺服電機，同時為了保證機械爪水平面內移動的精度而選用精度較高的絲杠結構［8］，且絲杠結構還具有可自鎖、穩定性高等優點。

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成，當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，當蜂脾進入搖蜜架，重力感應器傳遞脈沖信號，搖蜜架驅動器接收到信號，旋轉電機開始工作，設定好的二級傳動比，保證旋轉電機在啟動加速階段不會因轉矩過大而使蜂脾受損［10］。在旋轉電機達到穩定轉速時，60%的蜂蜜已經被分離，所以當電機穩定工作5s后，蜂脾內95%以上的蜂蜜都已被甩至桶壁上［11］。

因蜂脾非通孔結構，故而電動搖蜜機在一次搖蜜后需人工更換蜂脾方向。本設計采用活頁結構實現蜂脾自動轉向，解決了當前搖蜜系統的一大難題。當一次搖蜜結束后，搖蜜架旋轉電機通過控制活頁結構，使搖蜜架旋轉90°將蜂脾換向并繼續搖蜜，至此蜂脾取蜜完成，抓取裝置取出蜂脾放置于蜂脾箱。重復以上步驟，即可完成多次取蜜任務。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 蜜滴的質量，kg；r為蜂脾距旋轉軸心的距離，m；

n為 取蜜系統的轉速，r/min；g為重力加速度。

因為式（1）中g≈π2，則

f≈mrn2/900（2）

從離心力公式得知：假設轉速是定量，離心力的大小主要取決于旋轉軸心與蜂脾的距離，即搖蜜架的尺寸；搖蜜架的尺寸主要取決于取蜜桶內壁直徑和蜂脾的尺寸，若使離心力翻倍，則需取蜜系統內壁直徑增加1倍，同時搖蜜架的尺寸也相應增加［12］；若將搖蜜架的尺寸作為定量，增加搖蜜裝置的轉速，由公式可知，轉速和離心力之間的數值大小為平方關系，當轉速加大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，改變轉速更簡單有效。故確定取蜜裝置的尺寸后，可變因素僅為轉速。經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得到初步的數據如表1所示。

電機功率和轉矩的換算公式為

式中：

P為功率，W；

M為轉矩，Nm；

r為轉速，r/min。

根據實際取蜜情況，對大量的實驗數據進行分析處理，初步估算，假設蜂脾質量為3.5kg，轉速為200r/min，力臂經測量取0.1m，則

啟動轉矩為

M=3.5×9.8×0.1=3.43（4）

啟動功率為

P=2π×3.43×200/60=86.2（5）

故選取常規步進電機即可滿足本設計要求，且此類電機成本也相對較低。

7 移動調平裝置設計

因我國蜜蜂養殖基地大多位于山區野外，故設備的可移動性以及對復雜地面環境的適應性同樣重要。該設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。四角的可調節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，通過調節支撐腳，即可將機器調至水平（圖7）。

8 結語

在我國養蜂是一項傳統的養殖項目，養殖蜜蜂可獲取蜂蜜、蜂王漿及蜂蠟等產品，而取蜜是養蜂的主要目的之一。所以對于蜂農來說高效、低成本取蜜是整個養蜂產業的關鍵問題所在。在征集蜂農的反饋意見并總結大量的實驗數據之后，全自動取蜜機的設計取得了初步成功。該設備主要用于蜂蜜的收取工作，基本實現了取蜜過程的自動化，只需要蜂農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，實現無人取蜜工作。該設備操作方便、成本較低且小巧方便，不僅極大地減少了蜂農取蜜時的勞動負擔，也提高了蜂農的工作效率，增加了蜂農的收益，且最大程度上避免了人工操作導致的蜂蜜品質下降和浪費，提高了蜂蜜的產出效益。