一款蜂王浆采集装置的设计与研究

Design and Research of a Royal Jelly Harvesting Device

摘要: 养蜂业是我国农业发展的重要支柱之一，但我国的蜂王浆产业却逐年萎缩，其主要原因是蜂王浆的采集一般依赖于人工，生产效率低下。为此，提出一款新型高效的蜂王浆采集装置设计方案，包括取浆条输送机构、蜂王浆过滤收集机构、动力切换机构和车架四大部件。将设计结果进行了三维建模，分析计算了齿形链输送速度和离心转速，并对关键零部件进行了有限元分析。结果表明该设计采集效率高，符合强度与刚度的设计要求，机械结构设计合理。通过实验验证，在1900 r/min 时装置实现了较高的出浆率(79.89%)和较低的破损率(5.5%)，相比人工操作装置效率显著提升，完成单条取浆条的总操作时间仅为人工的19.53%。

Abstract: Beekeeping is a vital pillar of China’s agricultural development, yet the royal jelly industry has been declining annually. The primary reason is the reliance on manual harvesting, resulting in low production efficiency. To address this, a novel and efficient royal jelly harvesting device is proposed, comprising four key components: a jelly strip conveying mechanism, a royal jelly filtration and collection mechanism, a power switching mechanism, and a chassis. The design was modeled in 3D, with analyses performed on toothed chain conveying speed and centrifugal rotation speed, and finite element analysis conducted on key components. Results demonstrate that the design achieves high harvesting efficiency, meets strength and rigidity requirements, and features a rational mechanical structure. Through experimental verification, the device achieved a high extraction rate (79.89%) and a low damage rate (5.5%) at 1900 r/min. Compared to manual operation, the device significantly improved efficiency, with the total operation time per extraction strip being only 19.53% of that for manual operation.

1. 引言

养蜂业是我国农业发展的重要支柱之一，我国的蜂产品产量、出口量均居世界首位[1]。蜂王浆作为主要蜂产品之一，其独特的保健效果和药用效果被消费者广泛认可，例如抗癌、抗氧化、抗衰老、抗菌、抗炎和免疫调节作用[2] [3]。目前，蜂王浆的采集主要依赖于人工，其生产模式可分为三个工序[4]：割蜡、取虫、挖浆。王台上附着有一层蜂蜡，先用割刀将王台上的蜂蜡割除，再用镊子小心地将王台内的幼虫取出，要避免幼虫破裂污染蜂王浆，最后使用挖浆勺将蜂王浆从王台内挖出，如图1所示。人工生产效率低下，食品卫生条件难以保证，蜂王浆类产品出口有较大幅度下降，据海关统计的数据显示，2022年1~12月我国鲜蜂王浆出口数量683.11吨，同比下降11.16%，出口金额1846.03万美元，同比下降11.27% [5]。因此，要改善我国的蜂王浆产业萎缩这一局面，实现蜂王浆机械化采集的生产模式势在必行。

Figure 1. Manual production mode

图1. 人工生产模式

根据文献检索，虽然已经出现一些机械化蜂王浆采集装置，但是还有很多不足之处。例如袁长银等[6]利用真空产生负压的原理设计了一款脚踏式蜂王浆抽吸器，通过踩动脚踏板将气缸内空气抽出形成一定负压将蜂王浆吸出，这款抽吸器操作方便，易携带，但需要人工操作，生产效率相对较低，且幼虫易破碎。吴鹤松等[7]设计了一款同步离心式蜂王浆取浆机，王台与滑道同步旋转，使王台内蜂王浆受离心力作用而脱离进入滑道，并由此下滑入接浆盘中收集，每次可处理上百个或更多王台，处理效率高，但是只考虑到了取浆这一单一流程，未能实现割蜡、取虫、取浆全流程自动化。苏松坤等[8]设计了一款新型挖浆机，挖浆速度快，生产效率高，但需要人工提前割蜡、取虫。范青等[9]设计了一款气吸式蜂王浆取浆机，提出了取浆条机械送进和吸浆运动传动方案，但是幼虫易在高速气流剪切、管道壁面和筛网撞击作用下破碎，破碎幼虫可能污染蜂王浆。

为了实现蜂王浆的割蜡、取虫、取浆全流程机械化，本文提出了一套完整的蜂王浆采集装置设计方案，将蜂王浆人工生产过程中的割蜡、取虫、取浆、收集功能集成于一体。装置整体体积小，可模块化组装，动力来源采用电动、手动双重控制，既满足了蜂王浆机械化采集的需求，也解决了用户在采集过程中出现的携带困难、拆卸困难、电力不足等问题。

2. 蜂王浆采集装置整体设计

设计了一款新型蜂王浆采集装置，如图2所示，包括四个部件：取浆条输送机构、蜂王浆过滤收集机构、动力切换机构和车架。这一装置取代人工割蜡、取虫和挖浆，实现了机械化的取浆条输送、割蜡、离心过滤去虫和收集功能。

Figure 2. Royal jelly harvesting device and its components

图2. 蜂王浆采集装置及其部件

取浆条输送机构采用一种新型包络线齿形链，带动取浆条同步运动，实现取浆条的精确传动，并在这一过程中实现割蜡功能。蜂王浆过滤收集机构采用离心过滤原理，利用转动产生的离心力和滤网实现蜂王浆、幼虫的分离，并自动收集。动力切换机构通过拨叉改变齿轮系的转速比，实现手动模式和电动模式之间的动力切换。车架可方便模块组装和移动。

3. 蜂王浆采集装置部件设计

3.1. 取浆条输送机构

取浆条输送机构主要设计了一种新型齿形链用于取浆条同步输送，同时在该机构末端增加刀片，替代了人工割蜡。

3.1.1. 取浆条输送机构设计

取浆条输送机构通过螺纹连接安装在车架后部，如图3所示，步进电机、阶梯主轴、蜗轮蜗杆、齿轮系安装在箱体内，链轮、齿形链、去蜡刀具安装在箱体上方。

Figure 3. Jelly strip conveying mechanism

图3. 取浆条输送机构

该输送机构的动力来源于步进电机。采用单一步进电机驱动，进而带动其他从动轮旋转，最终将扭矩转递到4个链轮和2条齿形链上。相比于4个电机驱动，采用单一电机驱动的方式可以提高系统的可靠性和安全性。若采用4个电机驱动，当其中某个电机出现故障，而其他电机仍在额定状态下工作，易造成齿轮卡死、轴扭转断裂、电机烧坏、取浆条形变等不良结果。除此之外，单一的电机设计可以使整个装置结构更加紧凑，体积减小，并且使得维护和安装更加方便。

取浆条输送机构通过蜗轮蜗杆传递扭矩，降低输出转速。这种设计保证了取浆条的移动速度在适当范围，减少了对取浆条的破坏。为了防止蜗杆形成悬臂梁的结构以及在轴向方向上发生轴向窜动，本设计在蜗杆两侧采用圆锥滚子轴承和轴承座等进行定位。

去蜡刀具安装在传送机构末端进行割蜡。步进电机的扭矩通过蜗轮蜗杆机构传递给齿形链，驱动取浆条进行平移，去蜡刀具可以将取浆条塑料台基以上的蜡质王台部分割去。刀片采用可拆卸式设计，刀片钝化即可更换，同时刀片的切割角度可微调，确保能彻底去除蜂蜡。

3.1.2. 齿形链的结构设计

取浆条输送机构设计了一种新型的包络线齿形链，通过齿形链的特制齿形对王台外壁实现精确啮合，把取浆条准确送入蜂王浆过滤收集机构中的卡槽位置，以实现自动取浆，同时也保证王台不受挤压破坏。

该齿形链结构参考自行车链条进行设计，链节分为两个单体，分别为内链节和外链节，内外链接两个半圆面的轴心距为两相邻王台轴线之间的距离。外链节的一侧利用王台轮廓设计齿形，形成齿形链结构，该结构可以实现王台轮廓与外链节的精准啮合，如图4所示。齿形链传动机构的优点是实现精准传输，并且链传动比准确，工作可靠。

Figure 4. Structural diagram of toothed chain

图4. 齿形链结构图

3.1.3. 齿形链输送速度计算

步进电机以300 r/min的输出转速驱动取浆条输送机构中蜗轮蜗杆。

根据公式(1)，计算蜗轮转速，蜗杆转速即电机转速。

$i=n_{杆}/n_{轮}$ (1)

蜗杆头数1，蜗轮齿数27，则减速比i为1:27，转速在经过齿轮组换向机构后，n_链轮等于$123\times 1/\left(75\times 27\right)$ 即0.061倍的电机转速，根据公式(2)，此时链条的线速度为66 mm/s，一条取浆条的总长为440 mm，一分钟即可完成六条取浆条的输送。

$v=2\pi n_{链轮}\times 11/\pi \times 10\times {10}^{-3}$ (2)

3.2. 蜂王浆过滤收集机构

蜂王浆过滤收集机构基于离心过滤原理，利用转动产生的离心力且配合滤网实现蜂王浆与幼虫的分离，最终自动收集蜂王浆。

3.2.1. 蜂王浆过滤收集机构设计

Figure 5. Royal jelly filtration and collection mechanism; (a) Inner structure; (b) Outer structure

图5. 蜂王浆过滤收集机构；(a)内层结构；(b)外层结构

蜂王浆过滤收集机构通过螺纹连接安装在车架中部，该机构与动力切换机构的输出轴相连接。如图5所示，该机构从内到外由旋转支架、导轨、滤网、密封罩、上层保护罩、下层保护罩组成，两侧还装有挡板、密封硅胶和安全扣，收集口处设有舵机。

取浆条输送机构带动取浆条同步运动，此同步运动的轨迹刚好与蜂王浆过滤收集机构内的导轨方向重合，因此，取浆条传送到蜂王浆过滤收集机构时刚好可以嵌入导轨内，每放入一根取浆条，动力机构的输出轴带动密封罩旋转30度，为下一根取浆条预留位置。蜂王浆过滤收集机构设有对称的六根导轨，两侧各三条，因此总共可以放置六根取浆条。待取浆条放满六根导轨后，合上密封罩，扣上安全扣，在高速运转时防止取浆条在轴向发生移动，保证离心转动过程的安全性。

随后，旋转支架开始旋转，带动导轨、滤网、密封罩等零件开始转动。在高速运转过程中，密封硅胶把密封罩的两侧面密封，形成了封闭空间，防止离心转动过程中蜂王浆的外流，并减少对蜂王浆的污染。在离心力的作用下，蜂王浆可以透过滤网到达外侧，幼虫则被滤网拦截，留在滤网内侧，如图6所示，这一机构取代了人工取虫和挖浆。

Figure 6. Centrifugal filtration principle

图6. 离心过滤原理

离心转动结束后，在重力作用下，蜂王浆将顺着密封罩内壁的凹槽汇集到收集口附近，如图7a所示，待储存到一定量时，从下层保护罩处用瓶口对准收集口，然后控制使舵机发生转动，实现收集口的开合，如图7b所示。

Figure 7. Structure at the collection port

图7. 收集口处结构

3.2.2. 离心转速分析计算

蜂王浆采集装置一次可以实现六条取浆条的采集工作；其中一条取浆条装有两排王台，一排36个王台，共7个；王台内径9.45 mm，高度16 mm，其中蜂王浆高度8 mm，可容纳561.1 mm³。

根据公式(3)，计算液体重力(幼虫重量忽略不计)

$M=\rho gV$ (3)

1) 计算最小离心力

查阅资料后，已知蜂王浆密度约为1.1 g/cm³。

算出一条取浆条所含蜂王浆的重力

$M浆=1.1g/{\text{cm}}^{\text{3}}\times 9.8/\text{kg}\text{N}\times 561.1{\text{mm}}^3\times 72=44.4g\times 9.8\text{N/kg}=0.435\text{N}$

一次取浆所需克服的阻力包括六条取浆条内含的蜂王浆重力、蜂王浆与王台内壁的粘附力以及摩擦力等阻力。假设最低转速下需要50倍重力实现离心，则最小离心力为21.75 N。

• 计算最大离心力

已知幼虫皮肤所能承受的最大压强在400~500 kPa范围内，取最大压强450 kPa。根据文献[10]，滤网选用18目尼龙网，滤网表面积为84171.6 mm²。

根据压强公式(4)

$P=F/A$ (4)

计算得出，在不使幼虫破碎的情况下，最大离心力为

$F=450\text{kPa}\times 84171.6{\text{mm}}^{\text{3}}=37877.2\text{N}$

3) 计算转速范围

在有效离心半径为100 mm的情况下，离心转速公式(5)为

$n=\sqrt{G/\left(10\times 11.18\times {10}^{-6}\right)}$ (5)

计算得出：最小转速$n\min =143\text{r/min}$

最高转速$n\max =5880\text{r}/\text{min}$

4) 求得最佳转速

已知伺服电机额定输出功率为0.8 kw,额定输出转矩为4 N・m。

根据公式(6)

$T=9550\times P/n$ (6)

求得最佳转速为1910 r/min。

3.2.3. 关键零部件有限元分析

由于旋转支架、导轨、密封罩与蜂王浆直接接触，因此材料采用食品级的304不锈钢，其材料特性如表1所示。

Table 1. Material properties of Q304

表1. Q304材料属性

材料名称	密度(Kg/m^3)	泊松比	弹性模量(GPa)	屈服强度(MPa)
Q304	7850	0.28	2.06	345

对蜂王浆过滤收集机构的关键零部件进行分析，集成旋转支架、导轨和密封罩的三维实体模型并采用实体单元划分后的网格图如图8所示。

Figure 8. Model and mesh division of key components

图8. 关键零部件的模型及网格划分

根据3.2.2节中的计算，对图8所示研究对象施加1910 r/min的角速度，观察其应力分布和位移分布，如图9a所示，可知最大应力为0.055 MPa，最大应力点为旋转支架、导轨连接处，远小于材料的屈服极限206 MPa，因此强度满足安全性能要求。由图9b可知，在最佳转速下运转，该研究对象最大位移位置位于密封罩边缘，最大位移为6.246 mm，不会发生严重变形。

Figure 9. Stress distribution and displacement distribution of key components; (a) Stress distribution; (b) Displacement distribution

图9. 关键零部件的应力分布及位移分布；(a)应力分布；(b)位移分布

3.3. 动力切换机构

动力切换机构提供手动和电动两种模式的动力输入。通过移动拨叉，带动输出轴上双联滑移齿轮轴向移动，利用双联齿轮上不同齿轮的啮合，实现手动、电动两种模式。

3.3.1. 动力切换机构设计

动力切换机构通过螺纹连接安装在车架前部，如图10所示，该机构由电机、摇柄、切换开关、拨叉、双联滑移齿轮和输出轴等零件组成。

Figure 10. Power switching mechanism; (a) Isometric view; (b) Side view

图10. 动力切换机构；(a)轴测图方向；(b)侧视图方向

动力切换机构的整体构造为齿轮–轴系设计，参考了汽车变速器设计。整体结构分为切换机构、手摇传动机构和电机传动机构，主要零件分别是摇杆–拨叉机构、两组手动加速齿轮、整体传动比为1的电动齿轮组以及相关轴和轴承。

3.3.2. 动力切换机构的两种工作模式

如图11所示，为了解决蜂农常常在野外采集蜂王浆，很有可能发生电力不足等问题，该装置可以通过摇杆–拨叉机构驱动输出轴上的双联滑移齿轮进行轴向移动，以实现电动/手动两种动力模式的平稳切换。

Figure 11. Two working modes

图11. 两种工作模式

电动模式下所工作的零件如图12(a)所示。推动切换开关，拨叉杆向前移动，同时带动拨叉和双联滑移齿轮向前运动，其中较大的双联滑移齿轮Z40进入啮合状态。此时动力直接由加速器上层的伺服电机提供，电机输出轴上的扭矩通过电机齿轮Z40和过渡齿轮Z40的啮合，传递到短轴上。最后在过渡齿轮与双联滑移齿轮Z40的啮合下，电机的扭矩传递到输出轴上，整个过程的加速比为1:1，理论输出转速2000~2200 r/min。

手动模式下所工作的零件如图12(b)所示。拉动切换开关，拨叉杆向后运动，同时带动拔叉和双联滑移齿轮向后运动，其中较小的双联滑移齿轮Z20进入啮合状态。此时动力通过摇柄输入，输入轴上的扭矩通过一级加速齿轮，传递到中间轴；中间轴上的二级大齿轮Z100与输出轴上双联滑移齿轮Z20啮合，形成第二级加速齿轮对，整个过程的总加速比为30:1，理论输出转速1500~2100 r/min。

Figure 12. Components operating in different modes; (a) Components in electric mode; (b) Components in manual mode

图12. 不同模式下工作的零件；(a)电动模式下的零件；(b)手动模式下的零件

4. 实验验证

4.1. 不同驱动转速对取浆效果的影响

实验探究了不同驱动转速对取浆效果的影响，取浆效果以蜂王浆的出浆率和幼虫的平均破损率作为评价指标。出浆率越大，平均破损率越小，取浆效果越好。不同驱动转速下的取浆效果如表2所示。

Table 2. Extraction efficiency at different driving speeds

表2. 不同驱动转速的取浆效果

实验序号	驱动转速/r/min	采集前取浆条重量/kg	采集后取浆条重量/kg	出浆率/%	平均破损率/%
1	1500	1.15	0.54	71.76	4.1
2	1600	1.14	0.53	72.62	4.8
3	1700	1.15	0.51	75.29	5.2
4	1800	1.16	0.48	79.07	5.1
5	1900	1.20	0.49	78.89	5.5
6	2000	1.15	0.48	78.82	6.1
7	2100	1.16	0.49	77.91	6.4
8	2200	1.10	0.47	78.75	6.5
9	2300	1.11	0.47	79.01	6.7
10	2400	1.12	0.48	78.05	7.7

出浆率随着驱动转速的增加呈现逐步提升的趋势。在驱动转速为1500 r/min时，出浆率最低，仅为71.76%；在1800 r/min后，出浆率开始快速提升，并在1900 r/min时达到最高值79.89%。此后随着驱动转速的进一步增加，出浆率维持在78%左右的高水平，波动较小。

平均破损率同样随着驱动转速的增加而上升。在1500 r/min时，平均破损率为4.1%，是所有驱动转速中最低的。而在最高驱动转速2400 r/min时，平均破损率升至7.7%，为所有实验中最大值。这表明随着驱动转速的提升，取浆过程可能对幼虫产生更大破坏。

在1900 r/min附近驱动转速范围内，出浆率逐渐增加，而平均破损率增长相对较缓。然而，当驱动转速超过2000 r/min后，虽然出浆率维持在较高水平，但平均破损率显著增加，可能会对整体取浆质量产生不利影响。因此，建议在实际操作中选择1900 r/min附近驱动转速作为较优的工作转速，以达到出浆率和平均破损率的平衡。

4.2. 不同滤网结构对平均破损率的影响

该装置中的蜂王浆过滤收集机构采用了滤网结构，实验发现不同滤网结构(如滤网目数、距离)会影响幼虫的平均破损率。平均破损率越小，蜂王浆品质越高，取浆效果越好。在使用相同取浆条和相同驱动转速条件下进行实验，不同滤网结构对平均破损率的影响如表3所示。

Table 3. Effect of different filter structures on average damage rate

表3. 不同滤网结构对平均破损率的影响

实验序号	目数/目	距离/mm	平均破损率/%
1	16	7	7.7
2	16	10	5.8
3	16	15	4.1
4	17	7	2.2
5	17	10	0.7
6	17	15	0.4
7	18	7	5.6
8	18	10	0.8
9	18	15	1.0

通过表3可知，为了降低平均破损率，该装置采用目数为17目、距离为15 mm的尼龙网为宜。

4.3. 装置与人工采集效率对比

本文所述蜂王浆采集装置的设计目的在于实现割蜡、取虫、取浆的全流程机械化，进而提高蜂王浆的采集效率。为了较为准确地得到该装置相对于人工采集效率的提高程度，需要对各个工序的运行过程与时间做进一步分析。该装置与人工采集蜂王浆各个工序时间对照如表4所示。

Table 4. Comparison table of time required for colleting royal jelly: device vs. manual operation

表4. 装置与人工采集蜂王浆各工序时间对照表

	割蜡	取虫	取浆	完成单条总操作时间
人工耗时/s	5	227	65	297
装置耗时/s	10	24	24	58

在表4中，各工序的人工耗时数据来源于对某蜂场蜂农进行相关操作时的计时，并取其平均值。由于蜂农操作熟练程度不同，该数据略有差异。通过对比表格数据可以看出，该装置虽在割蜡这一工序时间略有落后，但是在取虫、取浆两个工序耗时却大大缩短，该装置在取虫工序耗时为人工耗时的10.57%，在取浆工序为人工耗时的36.92%。该装置在完成单条取浆条的总操作时间仅为人工的19.53%，这主要得益于该装置的蜂王浆离心过滤机构可同时处理6条取浆条，大大降低了蜂农劳动强度，提高了采集效率。

4.4. 装置能耗、噪声性能指标评价

该装置整体能耗较低，装置的额定运行功率约为100 W，在正常负载、额定转速条件下可保持稳定的功率输出，根据实际应用场景和工作模式，功率消耗可能会在80 W至150 W之间波动，在手动模式下，装置能耗降至最低。

经过实测和优化设计，该装置的运行噪声维持在65分贝以下(距离1米处测量)，符合农业机械噪声标准。通过采用轴承、润滑和封闭式箱体，有效减少了机械振动和空气噪声传播，确保装置在运行时不会对蜂群活动产生干扰，也为用户操作提供了更加舒适的体验。

5. 结论

本文设计了一款蜂王浆采集装置，主要特点有：

(1) 设计基于新型包络线齿形链的输送机构。通过分析取浆条中王台的轮廓，根据王台外壁轮廓的包络线设计出一种具有包络线齿形的外链节，从而达到精准运送取浆条的功能。

(2) 设计新型离心过滤机构。基于离心过滤原理，利用转动产生的离心力且配合滤网实现蜂王浆和幼虫的分离。

(3) 设计新型动力切换机构实现不同动力模式切换。提供电动和手动两种模式的动力输入，利用双联滑移齿轮上不同齿轮的啮合，实现电动、手动两种工作模式。