全自动取蜜机的结构及控制设计

摘 要：针对传统蜂蜜机取流程繁琐、效率低下且摇蜜机操作不易、功能单一等问题，通过对蜜的各项参数和取蜜的实际情况进行分析，设计一款高效、自动化蜂蜜提取机器。该机器主要分为6个部分：进脾装置、扫蜂装置、热风装置、抓取装置、取蜜装置和收蜜桶等结构。该机器极大地提高了蜂农的劳动效率，推动了蜜蜂养殖业的机械化进度。

关键词：农业机械；离心机；小型化；取蜜；全自动

中图分类号：TP23文献标志码：B文章编号：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

“养蜂苦，养蜂累，养蜂一年帐篷睡”，这是养蜂行业内广为流传的一句话。虽然养蜂工作看上去追花逐蜜，可对于每一位养蜂员来说风餐露宿才是真实的生活。

目前我国在养蜂规模和蜂产品产量上都位居世界首位，但相较于部分发达国家而言，我国养蜂个体户多且机械化程度低，无论是技术层面上还是在销售层面上，都呈现出滞后之态，没有发挥出应有的群体优势，形成有效产业链［1］。基于这种现状，本文在国内外现有摇蜜机的基础上，设计了一种更为高效的全自动取蜜机。

1 总体结构设计方案

根据市场上现有取蜜机的工作原理以及整体构架进行分析。主要通过分析传动方案、扫蜂方案、取蜜方案以及机架的整体结构，从中选择出最优的方案。其中扫蜂方案和取蜜方案是本设计的重中之重。

如图1所示，全自动取蜜机是由进脾装置、扫蜂装置、热风装置、两个智能升降机械臂、取蜜系统等部分组成，由单片机进行控制。取蜜机前端的电机带动收置栏进入取蜜机，之后收置栏内部的履带会配合上方抓取轨道夹住蜂脾向机器内部输送；蜂脾会先经由柔性毛刷、风扇组成的过扫蜂装置，在毛刷将蜜蜂扫落后，向上的风扇通过弧形通道将蜜蜂吹出取蜜机［2］，弧形通道的设计可保护蜜蜂不受伤害；蜜蜂被清理干净后，蜂脾进入热风装置并减缓履带速率，便于两边的热风机充分吹化蜂脾蜡盖的蜂蜡；蜡盖被全部除掉后会由上方的两只机械臂对蜂脾进行抓取并将蜂脾分别放入到取蜜系统中［3］；取蜜系统利用高速离心机来实现其功能，在两个蜂脾就位后开始工作，摇出的蜂蜜会由下方的收蜜桶进行回收，收蜜桶上的滤网过滤掉蜂蜜残渣；取蜜工作完成后机械臂将蜂脾分别取出并放置于蜂脾箱，蜂脾箱重力感应到10片蜂巢后绿灯亮，至此取蜜过程结束［4］。全自动取蜜机工作流程如图2所示。

取蜜系统是在传统手摇取蜜的基础上改进而来，有着更加合理的空间利用率，还将取蜜系统的工作变为自动化，在取蜜工作方面直接脱离了人工的参与，极大地减少了养蜂员的工作量，提高了劳动效率。

2 进脾装置设计

进脾装置主要由收置栏和输送结构组成。收置栏用于存放新鲜的蜂脾并由输送带把蜂脾送入扫蜂装置。我国蜂业对蜂脾规格有明确标准，本文选取普及范围最广的标准尺寸：415mm×200mm［5］，所以收置栏结构由2块450mm×250mm的硬铝板、6个深沟球轴承以及绕在大径为200mm的滚筒上。宽为50mm的传送带组成，硬铝板用以稳定并保护蜂脾，使蜂脾竖立以便进入下一装置。采用深沟球轴承和传送带是为了使蜂脾进入扫蜂装置过程中避免滑动摩擦，减少阻力。

压力传感器会检测到蜂脾放入收置栏并传递控制器信号，由控制器接通电机，通过齿条传动将传送杆缓慢送入装置内部。收置栏运动的同时，上方传送带将夹取蜂脾，当传送带夹住蜂脾的1/2时，收置栏传送电机会停止并反转，将收置栏送出机器内部，为下一蜂脾的收置做准备。

3 扫蜂装置

由于新鲜蜂脾上存在大量滞留的蜜蜂，导致下一步去除蜂脾蜡盖无法进行，而扫蜂装置在蜂脾由收置栏至热风装置的传送过程中，柔性旋转毛刷可刷去附着在蜂脾上的蜜蜂，且装置下方的风机辅助蜜蜂离开设备内部，达到清除蜜蜂的目的。收置栏固定在轨道上通过电机带动进传送装置，再由上方履带夹取蜂脾［6］。履带之间宽度略小于蜂脾，同时履带选用橡胶材料，摩擦系数大，可最大程度上稳定夹取蜂脾。图3所示为扫蜂装置内部结构。

扫蜂装置安装在固定外壳内部，风机吹出上升气流驱使蜜蜂离开，外壳弧形结构可避免蜜蜂受到伤害（图4）。

4 热风装置

原始蜂脾的表面存在一层蜡盖保护内部蜂蜜，故摇蜜前需去除蜡盖。传统去除蜡盖的方式主要为人工刀切，该方式效率极低且蜡盖切除厚度难以控制。通常蜂农为保证蜂蜜的纯净而选择过度切除蜡盖，导致蜂蜜大量浪费。蜂农在去除蜡盖时需一手扶巢框，一手持刀切除蜡盖，不时还需清洗刀具，占用大量时间、人力资源［7］，效率极低。

蜂脾由传送带运输，经过扫蜂装置清除蜜蜂后，通过热风装置去除蜡盖。热风装置为两排可转向热风枪，蜂脾经过时热风枪吹开蜡盖，由于蜂房结构存在9°～14°左右的角度可防止蜂蜜流出，故热风装置可在极短的时间内融化蜂蜡而不会浪费蜂蜜。采用热风装置去除蜡盖有以下优点：第一不会因人工因素对蜂脾造成额外损伤，减少蜂蜜浪费；第二效果佳，保证蜂蜜的纯净；第三效率高，极大地降低了蜂农的劳动强度和工作时间。

热风装置温度可调，履带夹带蜂脾进入后，履带降低速率通过热风装置，由于蜂蜡具有熔点低、凝固快、不与蜂蜜相容等特性，经过热风装置短暂加热即可融化，离开热风装置后迅速凝固。

5 抓取装置

蜂脾去除蜡盖后通过抓取装置（图5），将蜂脾送入取蜜装置的摇蜜架即可开始摇蜜，通过单片机控制系统实现对抓取装置的控制。由于机械爪对于自身位置的准确度有一定的要求，故选择准确性较高的伺服电机，同时为了保证机械爪水平面内移动的精度而选用精度较高的丝杠结构［8］，且丝杠结构还具有可自锁、稳定性高等优点。

6 取蜜装置

取蜜装置（图6）摇蜜桶的工作原理为离心力原理。向心力由蜜滴与蜂脾之间的摩擦力和蜜滴的黏滞力构成，当向心力小于离心力时即可达到分离蜜滴的效果［9］。摇蜜架为2块450mm×250mm的铝合金框架，当蜂脾进入摇蜜架，重力感应器传递脉冲信号，摇蜜架驱动器接收到信号，旋转电机开始工作，设定好的二级传动比，保证旋转电机在启动加速阶段不会因转矩过大而使蜂脾受损［10］。在旋转电机达到稳定转速时，60%的蜂蜜已经被分离，所以当电机稳定工作5s后，蜂脾内95%以上的蜂蜜都已被甩至桶壁上［11］。

因蜂脾非通孔结构，故而电动摇蜜机在一次摇蜜后需人工更换蜂脾方向。本设计采用活页结构实现蜂脾自动转向，解决了当前摇蜜系统的一大难题。当一次摇蜜结束后，摇蜜架旋转电机通过控制活页结构，使摇蜜架旋转90°将蜂脾换向并继续摇蜜，至此蜂脾取蜜完成，抓取装置取出蜂脾放置于蜂脾箱。重复以上步骤，即可完成多次取蜜任务。由于蜂蜜具有黏性且蜂房存在一定角度，故若使蜂蜜甩出，转速必须满足以下公式：

式中：

f为蜜滴所受的离心力，N；m为 蜜滴的质量，kg；r为蜂脾距旋转轴心的距离，m；

n为 取蜜系统的转速，r/min；g为重力加速度。

因为式（1）中g≈π2，则

f≈mrn2/900（2）

从离心力公式得知：假设转速是定量，离心力的大小主要取决于旋转轴心与蜂脾的距离，即摇蜜架的尺寸；摇蜜架的尺寸主要取决于取蜜桶内壁直径和蜂脾的尺寸，若使离心力翻倍，则需取蜜系统内壁直径增加1倍，同时摇蜜架的尺寸也相应增加［12］；若将摇蜜架的尺寸作为定量，增加摇蜜装置的转速，由公式可知，转速和离心力之间的数值大小为平方关系，当转速加大1倍，离心力则为原来的4倍。由于蜂脾尺寸固定，变更摇蜜架的尺寸将降低该设计的通用性和便利性，因此相较于改变尺寸增加离心力，改变转速更简单有效。故确定取蜜装置的尺寸后，可变因素仅为转速。经过伊犁黑蜂蜜和百花蜜两批手工蜂蜜的采集测试，在确保蜂蜜能被取下且速度理想的范围内得到初步的数据如表1所示。

电机功率和转矩的换算公式为

式中：

P为功率，W；

M为转矩，Nm；

r为转速，r/min。

根据实际取蜜情况，对大量的实验数据进行分析处理，初步估算，假设蜂脾质量为3.5kg，转速为200r/min，力臂经测量取0.1m，则

启动转矩为

M=3.5×9.8×0.1=3.43（4）

启动功率为

P=2π×3.43×200/60=86.2（5）

故选取常规步进电机即可满足本设计要求，且此类电机成本也相对较低。

7 移动调平装置设计

因我国蜜蜂养殖基地大多位于山区野外，故设备的可移动性以及对复杂地面环境的适应性同样重要。该设备的移动装置主要分为四部分：承重轮、万向轮、钢架低盘、可调支撑脚。

承重轮和万向轮采用对称布置，相比平行布置更加灵活。隔条可固定机器主体。四角的可调节支撑脚使机器在较为恶劣的地面条件下仍可保持水平。在地面凹凸不平时，通过调节支撑脚，即可将机器调至水平（图7）。

8 结语

在我国养蜂是一项传统的养殖项目，养殖蜜蜂可获取蜂蜜、蜂王浆及蜂蜡等产品，而取蜜是养蜂的主要目的之一。所以对于蜂农来说高效、低成本取蜜是整个养蜂产业的关键问题所在。在征集蜂农的反馈意见并总结大量的实验数据之后，全自动取蜜机的设计取得了初步成功。该设备主要用于蜂蜜的收取工作，基本实现了取蜜过程的自动化，只需要蜂农将蜂脾放入取蜜机中，随后取蜜机可自动完成扫蜂、去除蜡盖、摇蜜功能，实现无人取蜜工作。该设备操作方便、成本较低且小巧方便，不仅极大地减少了蜂农取蜜时的劳动负担，也提高了蜂农的工作效率，增加了蜂农的收益，且最大程度上避免了人工操作导致的蜂蜜品质下降和浪费，提高了蜂蜜的产出效益。