全自動(dòng)取蜜機(jī)的結(jié)構(gòu)及控制設(shè)計(jì)

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)蜂蜜機(jī)取流程繁瑣、效率低下且搖蜜機(jī)操作不易、功能單一等問題，通過對(duì)蜜的各項(xiàng)參數(shù)和取蜜的實(shí)際情況進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)一款高效、自動(dòng)化蜂蜜提取機(jī)器。該機(jī)器主要分為6個(gè)部分：進(jìn)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(jī)器極大地提高了蜂農(nóng)的勞動(dòng)效率，推動(dòng)了蜜蜂養(yǎng)殖業(yè)的機(jī)械化進(jìn)度。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)械；離心機(jī)；小型化；取蜜；全自動(dòng)

中圖分類號(hào)：TP23文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章編號(hào)：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(duì)于每一位養(yǎng)蜂員來說風(fēng)餐露宿才是真實(shí)的生活。

目前我國(guó)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(dá)國(guó)家而言，我國(guó)養(yǎng)蜂個(gè)體戶多且機(jī)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(shì)，形成有效產(chǎn)業(yè)鏈［1］?；谶@種現(xiàn)狀，本文在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有搖蜜機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種更為高效的全自動(dòng)取蜜機(jī)。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)市場(chǎng)上現(xiàn)有取蜜機(jī)的工作原理以及整體構(gòu)架進(jìn)行分析。主要通過分析傳動(dòng)方案、掃蜂方案、取蜜方案以及機(jī)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(jì)的重中之重。

如圖1所示，全自動(dòng)取蜜機(jī)是由進(jìn)脾裝置、掃蜂裝置、熱風(fēng)裝置、兩個(gè)智能升降機(jī)械臂、取蜜系統(tǒng)等部分組成，由單片機(jī)進(jìn)行控制。取蜜機(jī)前端的電機(jī)帶動(dòng)收置欄進(jìn)入取蜜機(jī)，之后收置欄內(nèi)部的履帶會(huì)配合上方抓取軌道夾住蜂脾向機(jī)器內(nèi)部輸送；蜂脾會(huì)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(jī)［2］，弧形通道的設(shè)計(jì)可保護(hù)蜜蜂不受傷害；蜜蜂被清理干凈后，蜂脾進(jìn)入熱風(fēng)裝置并減緩履帶速率，便于兩邊的熱風(fēng)機(jī)充分吹化蜂脾蠟蓋的蜂蠟；蠟蓋被全部除掉后會(huì)由上方的兩只機(jī)械臂對(duì)蜂脾進(jìn)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(jī)來實(shí)現(xiàn)其功能，在兩個(gè)蜂脾就位后開始工作，搖出的蜂蜜會(huì)由下方的收蜜桶進(jìn)行回收，收蜜桶上的濾網(wǎng)過濾掉蜂蜜殘?jiān)蝗∶酃ぷ魍瓿珊髾C(jī)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(dòng)取蜜機(jī)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(jìn)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?dòng)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(yǎng)蜂員的工作量，提高了勞動(dòng)效率。

2 進(jìn)脾裝置設(shè)計(jì)

進(jìn)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(guó)蜂業(yè)對(duì)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(gè)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(hù)蜂脾，使蜂脾豎立以便進(jìn)入下一裝置。采用深溝球軸承和傳送帶是為了使蜂脾進(jìn)入掃蜂裝置過程中避免滑動(dòng)摩擦，減少阻力。

壓力傳感器會(huì)檢測(cè)到蜂脾放入收置欄并傳遞控制器信號(hào)，由控制器接通電機(jī)，通過齒條傳動(dòng)將傳送桿緩慢送入裝置內(nèi)部。收置欄運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，上方傳送帶將夾取蜂脾，當(dāng)傳送帶夾住蜂脾的1/2時(shí)，收置欄傳送電機(jī)會(huì)停止并反轉(zhuǎn)，將收置欄送出機(jī)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(jìn)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(jī)輔助蜜蜂離開設(shè)備內(nèi)部，達(dá)到清除蜜蜂的目的。收置欄固定在軌道上通過電機(jī)帶動(dòng)進(jìn)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(shí)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(jī)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(hù)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(fèi)。蜂農(nóng)在去除蠟蓋時(shí)需一手扶巢框，一手持刀切除蠟蓋，不時(shí)還需清洗刀具，占用大量時(shí)間、人力資源［7］，效率極低。

蜂脾由傳送帶運(yùn)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(shí)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(shí)間內(nèi)融化蜂蠟而不會(huì)浪費(fèi)蜂蜜。采用熱風(fēng)裝置去除蠟蓋有以下優(yōu)點(diǎn)：第一不會(huì)因人工因素對(duì)蜂脾造成額外損傷，減少蜂蜜浪費(fèi)；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(dòng)強(qiáng)度和工作時(shí)間。

熱風(fēng)裝置溫度可調(diào)，履帶夾帶蜂脾進(jìn)入后，履帶降低速率通過熱風(fēng)裝置，由于蜂蠟具有熔點(diǎn)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(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)抓取裝置的控制。由于機(jī)械爪對(duì)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(jī)，同時(shí)為了保證機(jī)械爪水平面內(nèi)移動(dòng)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(diǎn)。

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(shí)即可達(dá)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(jìn)入搖蜜架，重力感應(yīng)器傳遞脈沖信號(hào)，搖蜜架驅(qū)動(dòng)器接收到信號(hào)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)開始工作，設(shè)定好的二級(jí)傳動(dòng)比，保證旋轉(zhuǎn)電機(jī)在啟動(dòng)加速階段不會(huì)因轉(zhuǎn)矩過大而使蜂脾受損［10］。在旋轉(zhuǎn)電機(jī)達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí)，60%的蜂蜜已經(jīng)被分離，所以當(dāng)電機(jī)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(dòng)搖蜜機(jī)在一次搖蜜后需人工更換蜂脾方向。本設(shè)計(jì)采用活頁結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)蜂脾自動(dòng)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(jī)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?yàn)槭剑?）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(shí)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(jì)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(jiǎn)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(cè)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(jī)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(shí)際取蜜情況，對(duì)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(cè)量取0.1m，則

啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為

M=3.5×9.8×0.1=3.43（4）

啟動(dòng)功率為

P=2π×3.43×200/60=86.2（5）

故選取常規(guī)步進(jìn)電機(jī)即可滿足本設(shè)計(jì)要求，且此類電機(jī)成本也相對(duì)較低。

7 移動(dòng)調(diào)平裝置設(shè)計(jì)

因我國(guó)蜜蜂養(yǎng)殖基地大多位于山區(qū)野外，故設(shè)備的可移動(dòng)性以及對(duì)復(fù)雜地面環(huán)境的適應(yīng)性同樣重要。該設(shè)備的移動(dòng)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(duì)稱布置，相比平行布置更加靈活。隔條可固定機(jī)器主體。四角的可調(diào)節(jié)支撐腳使機(jī)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(shí)，通過調(diào)節(jié)支撐腳，即可將機(jī)器調(diào)至水平（圖7）。

8 結(jié)語

在我國(guó)養(yǎng)蜂是一項(xiàng)傳統(tǒng)的養(yǎng)殖項(xiàng)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(duì)于蜂農(nóng)來說高效、低成本取蜜是整個(gè)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之后，全自動(dòng)取蜜機(jī)的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了取蜜過程的自動(dòng)化，只需要蜂農(nóng)將蜂脾放入取蜜機(jī)中，隨后取蜜機(jī)可自動(dòng)完成掃蜂、去除蠟蓋、搖蜜功能，實(shí)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(shí)的勞動(dòng)負(fù)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(fèi)，提高了蜂蜜的產(chǎn)出效益。