电动割草机电机刹车机构的创新设计
赵亚平1，郭旭红2，陶
（1．苏州农业职业技术学院，江苏苏州金莱克精密机械有限公司，江苏苏州摘
要：
215011）
杰1，李文飞3
215021；3．苏州
215008；2．苏州大学机电工程学院，江苏苏州
为确保割草机的使用安全，要求割草机的切割装置能够实现快速制动。国内外安全标准对电动割草机
的制动时间均有强制的规定，而刹车机构是割草机中起到制动作用的核心结构。为了提高电动割草机的刹车性能，创新性地采用电机刹车的方式，即通过电机轴上的碟形摩擦件与刹车盘之间的摩擦实现刹车功能。通过试运行可靠、成本低廉，大大提高了该款割草机产品在市场中验及批量生产实践表明：该电机刹车机构结构简单、的竞争力。
关键词：电动割草机；刹车机构；碟形件；刹车盘中图分类号：S224．4
文献标识码：A
文章编号：1003－188X （2015）10－0140－04
DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.10.031
0引言
串激电动割草机一般是通过一级带传动实现减
电机组件和刹车组件两部分组成。其中，电机是单向串激电机，刹车组件包括刹车盘、碟形刹车片、防松螺母。刹车盘通过螺钉与电机支架连接，碟形刹车片通过心部双扁式孔与电机轴配合，防松螺母把刹车片与电机轴轴向固定。刹车盘和碟形刹车片都采用高强度、高耐磨性的钢材料，刹车片被设计成碟形“花瓣状”，沿圆周六等分均布形式
。
速的［1］。电动割草机一级带传动机构示意图如图1所示，主要包括支座、固定在支座上并用于驱动的电机、一端与电机的输出轴相连的皮带、与皮带的另一端相连并相应转动的驱动轮和固定于驱动轮转轴上的旋转刀片。一般情况下，在割草机作业途中需要停机时，用户即使切断电源，旋转刀片因惯性力的作用仍会高速运转一段时间，无法满足安全标准的要求，严重时甚至会造成人身伤害。
根据安全性技术标准的要求，割草机的切割装置需在切断电源后的3s 内停止转动，因此需安装有专门的刹车装置。刹车装置一般分为机械刹车和电磁刹车。其中，常规的机械刹车结构一般需安装在从动带成轮上，结构较为复杂；电磁刹车则存在刹车不稳定、本较高等缺点。本文创新地采用电机主动轴刹车的方式，通过离心碟形摩擦件与刹车盘之间的摩擦力实现刹车功能。
1．旋转刀片2．多楔带3．支座4．串激电机5．驱动轮
图1Fig．1
电动割草机一级带传动机构示意图Electric lawn mower with transmission
mechanism
1电机刹车机构设计原理
割草机具有刹车结构的电机分解示意图如图2
所示。电机刹车机构位于电机输出轴的末端，主要由
收稿日期：2014－10－05
基金项目：江苏省产学研联合创新资金－前瞻性联合研究项目
（BY2014059－17）
作者简介：赵亚平（1981－），女，江苏泗阳人，讲师，硕士研究生，
（E －mail ）suzhouzyp@163．com 。
通讯作者：郭旭红（1963－），男，甘肃天水人，教授，硕士生导师，
（E －mail ）xuhongguo@suda．edu．cn 。
Fig．2
1．电机2．刹车盘3．螺钉4．碟形刹车片5．防松螺母
图2
具有刹车结构的电机分解示意图Segment sketches of motor with brake mechanism
当割草机电机处于静止状态时（电机处于静止或刹车状态的示意图如图3所示），刹车片与刹车盘之间通过防松螺母和碟形刹车片自身弹性存在预紧力。当人为拨动电机转子时，要克服由于预紧力造成的摩擦力，显得特别吃力。当电机通电起动并达到一定转速后，刹车片上每一片“花瓣”都会产生很大的离心力；当离心力足够克服刹车片与刹车盘之间的静摩擦力和自身重力时，刹车片就会在竖直方向脱离刹车盘（电机处于工作状态的示意图如图4所示），此时摩擦力不再做功
。
无阻尼停车时间为6 车制动的时间。一般情况下，
8s ，增加该刹车机构后电动割草机所需的停车时间可以达到1 2s ，完全符合安全标准的规定。
2
2．1
刹车机构关键部件设计计算
电机参数电机型号：0048GC
额定电压/频率：240V /50Hz 额定输入功率/W：1800额定转速/r·min －1：17500电机内组/Ω：4．8
2．2蝶形刹车片理论参数设计
蝶形刹车片设计成类似“花瓣“结构，刹车片外形
示意图如图5所示。整个结构由6片组成，每片之间半孤立设计，以提高其受力变形能力。
图5Fig．5
1．电机
图3
2．刹车盘
3．碟形刹车片
4．螺母
刹车片外形示意图Brake disc shape
为了便于研究，以下参数只对单片“花瓣”进行提取计算，如图6所示
。
电机静止或刹车状态的示意图Motor in stop or brake
state
Fig．3
D 1．支点直径
Ｒ1．理论质心半径
1．电机
2．刹车盘图4
3．碟形刹车片
4．螺母
Fig．6
图6
L 1．质心力臂
D2．摩擦力所在圆周直径
单片摩擦片参数图
电机工作状态的示意图
Motor in work state
Single friction piece parameter
Fig．4
单片摩擦片参数如下：厚度为0．6mm ；预压行程为2mm ；支点直径D 1为21mm ；质心质量G 为2．08g ；理论质心半径Ｒ1为24．9mm ；质心力臂L 1为3．5mm ；实测预压紧力F 1为50N ；刹车片与刹车盘之间的摩擦系数为f 为0．2；摩擦力所在圆周直径D 2为62mm 。
理论阻力矩（也称最大静摩擦力矩）为
T 1=（F 1·D 2·f ）/1000=（50·62·0．2）/1000
=0．62N ·m
当割草机电机切断电源时，随着电机转速的降低，离心力的分力小于预紧力，刹车片又要回到初始位置（如图3所示），此时摩擦力会产生巨大的阻力，阻止电机转子由于惯性力产生的继续运转。摩擦力克服惯性力做功，在刹车盘与刹车片之间产生大量的热能，使得电机转速迅速降低至0，此时摩擦力成为制动力。由于制动力的存在，大大减少了割草机电机停
2015年10月
实测阻力矩T 2为0．79N ·m 。2．32．3．1
蝶形刹车片试验测量参数
电机起动瞬间（刹车片尚未脱离刹车盘）
农机化研究第10期
启动转速9275r /min 。理论计算与实际实验数据表明：该蝶形刹车盘的设计参数满足割草机在极端状态下的运行条件，结构设计安全余量较大。结合割草机电的使用环境可知：即使遇到很深的草，当负载很大、机转速较低时，刹车片仍然能够脱离刹车盘无额外负荷运转
。
为了得到刹车片脱离刹车盘的临界状态，把电压从240V 逐步降低，通过高速摄像机观察刹车片脱离刹车盘的工作状态，得到临界状态参数如下：
临界电压V 1/V：145临界电流I 1/A：30．2
临界转速n 1/r·min －1：12180临界状态电机输出扭矩/N·m ：1．892．3．2
电机起动过程中（刹车片脱离刹车盘瞬间）临界电压V 1/V：145V 临界输入功率P 1/W：430
根据瞬间平衡原理，临界状态下单片刹车片离心力F 2为
F 2=［（N 1·（D 2－D 1）］/（2·L 1·6）=48．8N 根据上式，反推理论转速n 2为
1/2
n 2=［900·N 2/（G ·Ｒ1·π2）］·1000
1．刹车片2．刹车盘
图7Fig．7
刹车片与刹车盘的位置变化示意图Position change of brake disc and brake flange
3试验验证
根据安全标准要求，对电动割草机电机刹车机构
进行刹车试验。试验要求整机在额定电压下进行开停测试：测试以45s 运行、15s 停止作为一个工作循环，总共运行5000个循环，总计运行83．3h ［1］。通过对割草机进行刹车试验，记录每次刹车时间并做详细的统计。割草机5000次刹车时间的统计曲线如图8所示。
由图8曲线可以看出：割草机5000次刹车时间均分布在1．0 2．0s 之间。这表明，该刹车机构在实际运行中可靠地实现了刹车功能。除了对割草机刹车机构的刹车时间测试之外，在刹车循环试验中通过热电偶法测量刹车盘表面温度得知：刹车盘的表面温度在刹车循环第150次左右达到平衡，最大温度可达到60ħ ，远远低于刹车盘周围材料的耐热温度限值，完全满足设计要求。
=9275r /min
实测刹车时间为0．83s ，实测刹车片脱离刹车盘距离H =2．5mm 。
刹车片与刹车盘位置变化如图7所示。其中，H 为刹车片在轴向方向的变形量。2．3．3
电机额定电压下（即正常运转状态下）电压/V：240，50Hz 转速/r·min －1：17500刹车时间/s：1．5
通过理论计算和实际测试参数可知：割草机电机启动状态下的扭矩大于最大静摩擦力矩，即1．89N ·m ＞0．79N ·m ；启动转速12180r /min 远远大于理论
图8Fig．8
割草机5000次刹车时间曲线
Lawn mower 5K cycles brake time curve
2015年10月农机化研究第10期
4结论
本文创新设计的电机刹车机构主要是利用电机
［2］苑爱峰，董娇，秋艳，等．一种创新割草机的研究与设计
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轴上的碟形件与刹车盘之间的摩擦实现刹车功能，具有结构简单、新颖、所占空间小、刹车性能可靠、成本低等诸多优点，已经广泛应用于某公司的割草机、松土机等园林机械产品中，具有很强的通用性。此项创新设计使得该类割草机产品在同行中具有很强的竞争优势，市场满意度较高。参考文献：
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Innovative Brake Mechanism Design of Electric Lawn Mower
Zhao Yaping 1，Guo Xuhong 2，Tao Jie 1，Li Wenfei 3
（1．Suzhou Polytechnic Institute of Agriculture ，Suzhou 215008，China ；2．College of Mechanical and Electrical Engi-neering ，Soochow University ，Suzhou 215021，China ；3．Suzhou King Clean Electric Co．，LTD ，Suzhou 215011，China ）Abstract ：In order to ensure safe operation of lawn mower ，it requires cutting device must realize prompt braking．There is mandatory requirement about electric lawn mower braking time in the safety standards at home and aboard ，while brake mechanism is the core structure in lawn mower to play the brake role．For the purpose of improving brake performance ，we adopt innovative motor brake ，by the friction between disc friction piece and brake flange to realize braking function．Through test and production verification ，this brake mechanism is with non －complicated structure ，reliable operation ，low cost ，it helps earn more competitiveness for this lawn mower from marketing．Key words ：electric lawn mower ；brake mechanism ；disc friction piece ；brake flange （上接第139页）
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Abstract ID ：1003－188X （2015）10－0137－EA
Design of Test Device of ＲapeExtractions of Wind
2
Shen Yufeng 1a ，Wu Mingliang 1a ，，Guan Chunyun 1b
（1．Hunan Agricultural Uiversity a．College of Engineering ；b．Oilseeds Crops Institute ，Changsha 410128，China ；2．Hunan Province Modern Agricultural Equipment Engineering Technology ＲesearchCenter ，Changsha 410128，China ）Abstract ：Cleaning is an important part thresher work ，research on cleaning device is conducive to better overall per-formance improvement thresher．For the current status of research ＲapeExtractions means cleaning the lack of wind ，de-veloped the rape extractions wind cleaning device test bench．The test stand has a simple structure ，test full －featured ，easy to operate and adjust features ，enabling rape extractions wind cleaning the whole process for the future to further im-prove the design of rapeseed winnowing device provides a test basis．Key words ：rape ；extractions ；the wind cleaning ；test bench