結(jié)構(gòu)功能一體化蜂箱的研制

王宏標(biāo) 華意 尹俊│文

江蘇中科聚合新材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司

目前傳統(tǒng)的蜂箱多由保溫性差的材料制成，當(dāng)溫度下降時，蜜蜂以消耗蜂蜜和群體運(yùn)動產(chǎn)生熱量來維持正常巢溫，從而影響蜂群產(chǎn)蜜效率。傳統(tǒng)的木質(zhì)材料蜂箱，不僅保溫性差，還存在占用木材資源、耐候性差（使用壽命短）、易霉變且清理難等問題。研制質(zhì)量輕、保溫性能好、經(jīng)濟(jì)耐用的蜂箱，將有助于減輕勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，從而增加養(yǎng)蜂的經(jīng)濟(jì)效益。

一、常用蜂箱的類型及特點(diǎn)

蜂箱的種類[1]主要有以下4 種劃分形式：（1）按適宜蜂種來劃分，不同蜂種在筑巢習(xí)性上也略有不同，比如有中蜂箱、意蜂箱等；（2）按設(shè)計思路來劃分，比如傳統(tǒng)蜂箱、活框蜂箱等，其中傳統(tǒng)蜂箱的巢脾是固定在箱壁上，而活框蜂箱的巢脾則可按照養(yǎng)蜂人意愿來調(diào)整；（3）按巢框數(shù)量來劃分，有十框蜂箱、十二框蜂箱、十六框蜂箱等；（4）按箱體材質(zhì)來劃分，現(xiàn)在市面上主要有木質(zhì)蜂箱、塑料蜂箱、水泥蜂箱、泡沫蜂箱等；下面簡單介紹一下這幾類蜂箱的特點(diǎn)。

1.木質(zhì)蜂箱

木質(zhì)蜂箱是傳統(tǒng)蜂箱的首選，一般選用堅固耐用而又質(zhì)輕、不易裂縫變形、沒有異味的杉木制作而成。通常有木桶蜂箱、格子蜂箱、意蜂標(biāo)準(zhǔn)箱、臥式蜂箱、中蜂標(biāo)準(zhǔn)箱等。優(yōu)點(diǎn)：接近大自然，給蜜蜂營造一種野生環(huán)境，有利于蜂群生存和繁衍。木質(zhì)蜂箱一般重量較重，起到防盜作用，適合定地養(yǎng)蜂；缺點(diǎn)：用林木資源，加工工序多，費(fèi)力費(fèi)工，隔熱保溫性差，功能單一，箱體重達(dá)5～10kg，清洗困難，不利于生產(chǎn)巢蜜，易腐朽霉變，使用壽命短。

2.水泥蜂箱

水泥蜂箱是造價低廉的蜂箱，以水泥、河砂、水等為原材料，按適當(dāng)比例進(jìn)行混合后，采用灌注法一體成型。優(yōu)點(diǎn)：堅固耐用、耐腐蝕性能好，防盜，取材方便，制作簡易，造價低廉[2,3]；缺點(diǎn)：傳熱快，保溫性能差，不利于蜂群春繁。箱體較重，不易搬運(yùn)，只適合業(yè)余休閑的定地養(yǎng)蜂，不適用于大批量飼養(yǎng)蜂群。

3.塑料蜂箱[4]

塑料蜂箱是可適應(yīng)工業(yè)化批產(chǎn)的蜂箱，通常采用聚乙烯等通用塑料注塑成型，由箱體、箱蓋、副蓋和箱底板等部件組裝而成。優(yōu)點(diǎn)：防腐性能優(yōu)于木材，蜜蜂或其他昆蟲啃咬損壞的可能性小，不易滋生有害細(xì)菌，較木材和水泥蜂箱有一定的保溫效果；缺點(diǎn)：成本較高，抗老化性能有待提高，長期陽光照射后表層材料易破裂老化。

4.泡沫蜂箱[5-8]

泡沫蜂箱是一類以泡沫材料為主體的蜂箱，一般采用聚氯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫等板材進(jìn)行分塊拼接而成。也有采用聚苯乙烯發(fā)泡珠粒、聚丙烯發(fā)泡珠粒整體成型。優(yōu)點(diǎn)：保溫性好，密封性好，遮光性好，質(zhì)量輕便于移動；缺點(diǎn)：容易被蜜蜂咬毀，不利于通風(fēng)散熱，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度偏低、耐用性差。

二、功能一體化蜂箱的設(shè)計思路

1.夾層復(fù)合材料

如圖1 所示，由輕質(zhì)芯材與兩層剛度大、強(qiáng)度高的蒙皮制成的結(jié)構(gòu)件，稱為夾層結(jié)構(gòu)。夾層結(jié)構(gòu)運(yùn)用工程中“工”字梁（見圖2）的原理，芯材對蒙皮的分隔增大了結(jié)構(gòu)的慣性矩。由圖3 可見，在整個夾層結(jié)構(gòu)的質(zhì)量增加不多的情況下，夾層結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度得到很大提升，夾層結(jié)構(gòu)常用于有輕量化設(shè)計要求的場合。

圖1 夾層結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 “工”字梁結(jié)構(gòu)

圖3 夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能示意圖

夾層復(fù)合材料是具有夾層結(jié)構(gòu)的一類復(fù)合材料的統(tǒng)稱。一般是由上面板、上面板與芯材的粘結(jié)層、芯材、下面板與芯材的粘結(jié)層以及下面板所構(gòu)成。圖4 為夾層結(jié)構(gòu)承受彎曲載荷時的受力情況：面板主要承受拉伸或壓縮載荷，而芯材則傳遞剪切力。

圖4 夾層結(jié)構(gòu)受力示意圖

2.樹脂基泡沫夾層復(fù)合材料及其性能特點(diǎn)

樹脂基泡沫夾層復(fù)合材料是一類以纖維增強(qiáng)復(fù)合材料材料為面板（蒙皮）、輕質(zhì)泡沫為芯材的夾層結(jié)構(gòu)形式，具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、易于加工成型、耐腐蝕、可設(shè)計性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料面板是由高性能纖維浸漬功能樹脂而成的，根據(jù)不同使用工況的要求，纖維可涉及玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、玄武巖纖維等單向纖維或纖維織物；樹脂涉及不飽和、乙烯基、環(huán)氧、酚醛等熱固性樹脂以及一些熱塑性樹脂。與傳統(tǒng)的夾層復(fù)合材料相比，樹脂基泡沫夾層復(fù)合材料具有以下優(yōu)點(diǎn)[9-15]：

（1）彎曲剛度高

根據(jù)復(fù)合材料層合板理論，復(fù)合材料的彎曲剛度與其厚度的三次方成正比。復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)通過在面板間加入一塊輕而厚的泡沫來增加材料的厚度，從而提高復(fù)合材料的彎曲剛度。

（2）重量輕

在相同的強(qiáng)度和剛度條件下，樹脂基泡沫夾層復(fù)合材料與傳統(tǒng)復(fù)合材料相比，具有明顯重量輕的優(yōu)勢。這主要是因為傳統(tǒng)復(fù)合材料要達(dá)到一定的強(qiáng)度和剛度要求，需要增加這種高密度材料的使用，相比較而言，樹脂基泡沫夾層復(fù)合材料則是通過改變傳統(tǒng)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)形式，即將輕而厚的泡沫設(shè)計到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，從而提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，使之達(dá)到設(shè)計要求；同時，使用低密度的泡沫材料能夠大大降低結(jié)構(gòu)的重量，減重效果非常明顯。

（3）具有隔熱、吸音、減震等功能性

樹脂基泡沫夾層復(fù)合材料中的泡沫材料本身就是一種很好的隔熱、吸音、降噪材料，所以樹脂基泡沫夾層復(fù)合材料同樣具有這些功能。

（4）提高夾層結(jié)構(gòu)層間剝離強(qiáng)度、抗壓性能

通過交聯(lián)樹脂的界面粘接和層間錨接，能有效提高樹脂基泡沫夾層復(fù)合材料層間剝離強(qiáng)度，降低膠接質(zhì)量問題的風(fēng)險，且能在一定程度上提高泡沫夾層復(fù)合材料的抗壓性能。

（5）提高夾層結(jié)構(gòu)抗溫變性能，方便維修

通過整體非金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計替代金屬-非金屬組合結(jié)構(gòu)，能減少因材料熱膨脹系數(shù)差異而引起夾層復(fù)合材料層間缺陷問題的發(fā)生。

（6）可設(shè)計性強(qiáng)

樹脂基泡沫夾層復(fù)合材料可以像玻璃鋼一樣成型各類復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)，可設(shè)計性強(qiáng)；傳統(tǒng)的復(fù)合材料成型工藝，如手糊、噴射、RTM、真空導(dǎo)入等均能適用。

（7）維修方便

樹脂基泡沫夾層復(fù)合材料局部破壞后可以像玻璃鋼件一樣修補(bǔ)，維修方便。

3.功能一體化蜂箱設(shè)計

基于上述幾類蜂箱的問題及樹脂基泡沫夾層復(fù)合材料的性能特點(diǎn)，我們提出以泡沫夾層復(fù)合材料為蜂箱主體結(jié)構(gòu)，同時設(shè)計輔助加熱功能的新型蜂箱方案。首先，以高性能泡沫為芯材、高強(qiáng)度蒙皮的三明治結(jié)構(gòu)可在保證應(yīng)用場景下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗變形能力，實(shí)現(xiàn)蜂箱主體的輕量化設(shè)計；其次，輔助加熱單元的引入，可以在外界氣溫比較低的情況下，實(shí)現(xiàn)蜂箱內(nèi)部的溫度調(diào)節(jié)干預(yù)；第三，泡沫芯材的使用能極大提升蜂箱的保溫效果，也能有效屏蔽加熱單元熱量的外泄，能源利用率比較高。我們設(shè)計出如下結(jié)構(gòu)的蜂箱主體：如圖5。

圖5 結(jié)構(gòu)功能一體化蜂箱結(jié)構(gòu)示意圖

三、功能一體化蜂箱的研制

為了更好地驗證上述設(shè)計方案，參考一款中蜂蜂箱的尺寸，制定了新型結(jié)構(gòu)功能一體化蜂箱的要求如表1 所示：

表1 結(jié)構(gòu)功能一體化蜂箱要求

以蜜蜂不排斥（材料上有蜂蠟）的材料為基礎(chǔ)，通過仿真計算出泡沫夾層復(fù)合材料的鋪層結(jié)構(gòu)，并通過粘接復(fù)合工藝制備出蜂箱主體（圖7）。

圖7 新型結(jié)構(gòu)功能一體化蜂箱

對研制的結(jié)構(gòu)功能一體化蜂箱，進(jìn)行了性能檢測，結(jié)果如表2 所示：

表2 結(jié)構(gòu)功能一體化蜂箱性能

考慮到安全性，對擬選的箱體材料進(jìn)行生物相容性驗證測試，具體如圖6 所示。

圖6 材料與蜜蜂的生物相容性驗證

四、總結(jié)

本文通過特定結(jié)構(gòu)設(shè)計及環(huán)保材料的選用，制備出帶有輔助加熱功能的泡沫夾層結(jié)構(gòu)，得到了一種輕質(zhì)且具有溫度調(diào)節(jié)功能的蜂箱復(fù)合材料。該蜂箱具有輕質(zhì)、強(qiáng)度高的性能特點(diǎn)，方便蜂農(nóng)轉(zhuǎn)場運(yùn)輸，大大減輕轉(zhuǎn)地的勞動強(qiáng)度。同時隔熱性能好的泡沫芯材能減少內(nèi)側(cè)加熱單元的熱量往蜂箱外傳遞，能夠較好地保持蜂箱溫度，能源利用率高。在冬季能抵御外界寒冷，減少養(yǎng)蜂人采取其他保暖措施；而夏季又能阻擋外界高熱進(jìn)入蜂箱，可謂冬暖夏涼。

蜂箱材料種類繁多，結(jié)構(gòu)功能一體化蜂箱的研制，作為未來養(yǎng)蜂業(yè)工具材料的創(chuàng)新應(yīng)用，將有助于減輕勞動強(qiáng)度，提高勞動力及生產(chǎn)效率，提升蜂產(chǎn)品的附加值，增加養(yǎng)蜂的經(jīng)濟(jì)效益。