電子鐵鞋的可行性分析

李林貴

朔黃鐵路原平分公司

電子鐵鞋的可行性分析

李林貴

朔黃鐵路原平分公司

朔黃鐵路目前采用防溜器具為“三防”鐵鞋，部分車站改造后，到發線有效長延伸為2800米，當車站停留車輛多，周圍環境復雜時，對防溜檢查、防溜鐵鞋的管理成為困擾作業人員的難題。針對此情況，在不改變現有鐵鞋材質、內部結構、外形尺寸的情況下，建立力學模型,針對電子鐵鞋工作模式建立合理的數學模型，確定載荷,并進行應力校核，通過基于無線射頻通信技術改造鐵鞋，監測鐵鞋的位移，實現在行車室可視化的遠程監控防溜鐵鞋動態，改變了目前人工現場檢查防溜鐵鞋工作狀態的傳統方法，減輕人工作業強度和降低事故發生率。

防溜鐵鞋；無線射頻；遠程監控；探討

《鐵路技術管理規程》（普速鐵路部分）第306條規定：中間站線路上停留車輛時，應以鐵鞋等防溜裝置牢靠固定；從規章上明確了鐵鞋是車輛停留防溜是必要器具。目前，朔黃線東西海拔落差1500米，沿線共設40個車站，其中裝卸車站19個，加上3.5億噸擴能改造后，有10個車站具備組合重載列車條件，產生大量調車作業，作業過程需要對停留車列、車輛進行防溜；傳統防溜鐵鞋的運用和管理措施主要是依靠作業人員的互控、頻繁的現場查看來確保防溜鐵鞋的運用狀態良好，勞動強度較大。在作業繁忙的車站，由于防溜地點、時間、人員不固定，巡檢不到位等主觀和客觀因素，往往存在著防溜鐵鞋該裝未裝或列車開出未撤拉鞋的違規作業現象。因此，為了能夠實時掌握防溜鐵鞋的運用狀態，及時發現防溜鐵鞋與鋼軌密貼不良、車輛溜逸等異常情況，有必要研制一種結構簡單、技術先進、性能穩定，具有松動提醒、開車拉鞋提醒、全天候實時監控的電子鐵鞋，并輔助人工電子巡檢，確保電子鐵鞋在線狀態良好，從而有力地保障鐵路運輸生產安全。

1 設計原則

1.1 電子鐵鞋符合部頒標準：在不改變現有鐵鞋材質、內部結構、外形尺寸、承載重力的情況下，輔以傳感器件、控制檢測電路、無線通信電路、電池、充電接口，達到自動監測的效果。

1.2 采用無線通信遠程傳輸方式：因電子鐵鞋在野外運用，具有安裝時間、地點不固定、在道時間長短不一、置于無人看守地段等特點，各組成設備又不能固定在一起，且鐵路站場股道密集，施工難度較大，因此子設備之間須采用無線通信工作方式。

1.3 電子鐵鞋具備抗惡劣環境能力：經得起碰撞摔打，能在雨雪、高低溫、電氣化鐵路上正常工作。

1.4 電子鐵鞋具備實時監測功能：能夠將在道電子鐵鞋是否放置牢固、是否遠離車輪、是否有拉鞋現象、裝置電量不足等異常信息，及時通知作業人員和值班室，便于隨時掌握和了解每只電子鐵鞋的運用狀態，發現異常情況提醒作業人員及時處理。

1.5 手持機攜帶方便、操作簡便：手持機具有電子鐵鞋上道和下道登記、人工巡檢功能，并將登記和操作數據發送到管理機保存顯示，手持機自身不保存記錄。當電子鐵鞋狀態異常時，手持機接收報警并顯示信息內容。

1.6 管理機是電子鐵鞋運用安全揭示數據管理中心，需具備顯示所有電子鐵鞋分布狀態、異常狀態報警提示、數據保存和歷史記錄查詢等功能。

1.7 電子鐵鞋柜具備存放電子鐵鞋和充電功能。

1.8 在電子鐵鞋被車輪壓死，無法下道充電的情況下，需運用便攜式給電器給電子鐵鞋供電巡檢，確保巡檢信息完整。

2.系統構成及功能

防溜鐵鞋監控系統由管理機、電子鐵鞋、手持機、中繼器等組成。系統采用工業模組化設計，集傳感技術、微電子技術、無線通信技術于一體，通過采集鐵鞋上道、巡檢、下道作業數據，自動生成和顯示防溜鐵鞋運用日志、查詢歷史記錄等功能；能夠在鐵鞋與鋼軌密貼不良、與車輪超距、鐵鞋電量不足等異常情況時，手持機和管理機立即報警提示，實現了鐵路站場車輛防溜的電子監測和管理，并具有開車拉鞋和鐵鞋防盜提醒作用。其組成和數據流程見下圖：

2.1 信息采集手持機

1）鐵鞋上道登記

鐵鞋上道時用手持機登記。鐵鞋放置于鋼軌上插入車輪下，用手持機進行上道登記并報告鐵鞋放置是否穩妥牢固。如果鐵鞋放置到位，則能夠正常登記鐵鞋所在的股道號、方位，自動記錄作業人員工號，并將登記信息發送到室內管理機機，同時顯示“上道成功”。只有經過手持機進行上道登記的鐵鞋，才能喚醒鐵鞋開始工作，并處在室內管理機機的監控管理之中。

2）電子巡檢鐵鞋

采用非接觸無線通信方式，用手持機巡檢鐵鞋。一是檢驗鐵鞋裝置電路工作是否正常，二是檢查鐵鞋在道狀態是否完好，三是記錄巡檢信息，并將巡檢記錄發送到室內管理機存儲。如果手持機巡檢鐵鞋裝置工作異常、或在道狀態異常，手持機會報警提示。

3）異常報警提示

手持機隨作業人員在站場區域內活動時，實時接收鐵鞋異常狀態信息，并報警提示，同時顯示運用狀態異常的鐵鞋號、所在位置。

4）鐵鞋下道登記

鐵鞋撤卸下道時用手持機登記。鐵鞋經過手持機下道登記后，鐵鞋裝置進入待機狀態，注銷其在室內管理機中的監控和管理。

2.2 室內管理機

1）鐵鞋運用安全揭示和管理

室內管理機對車站內的所有在道鐵鞋、庫內鞋柜上充電鐵鞋、野外閑置鐵鞋進行全面管理。實時顯示在線鐵鞋的分布狀況，包括鐵鞋號、所在股道號和方位、上道日期時間、巡檢次數和時間、鐵鞋踏面與車輪的距離、鞋底與鋼軌的密貼、作業人員信息，即使是鐵鞋下道收回到電子鐵鞋柜上存放充電。鐵鞋操作下道后，把運用期間的所有信息包括巡檢信息保存到歷史數據庫中，以便日后查詢。

管理機界面劃分為兩大類：一是當前界面表格顯示鐵鞋號、運用狀態、自檢狀態、報警狀態、下道計劃；二是通過功能菜單操作，可以查詢顯示歷史記錄，如上道、巡檢、下道的詳細信息，以及設置鐵鞋計劃下道日期時間。

2）鐵鞋異常報警與提示

當在道鐵鞋裝置監測到鐵鞋超距、密貼不良、電量不足情況時，室內管理機能夠接收到鐵鞋的異常信息，報警顯示鐵鞋號、股道號、方位，及時提示人工進行處理。

3）鐵鞋下道計劃管理

在室內管理機上，填寫某個鐵鞋下道計劃的日期時間，當這個鐵鞋下道時間一到，室內管理機和手持機會報警提示，通知作業人員去現場及時撤卸鐵鞋。

4）對鐵鞋硬件故障自檢

室內管理機定時巡檢每個在道鐵鞋的硬件電路工作狀況，如果發現密貼傳感器和測距傳感器電路、無線通信故障，就會在室內管理機上報告故障鐵鞋號、所在位置信息。

2.3 中繼器

中繼器既是無線信號放大器，又是數字化管理鐵鞋整套系統的數據無線轉接中心。除手持機上、下道登記和人工巡檢與鐵鞋近距離操作無需中繼器轉接外，鐵鞋狀態異常向手持機和室內管理機報警、手持機登記和巡檢的數據傳送到室內管理機顯示和保存、室內管理機巡查鐵鞋電路故障，都需要經過無線中繼器轉接。

2.4 電子鐵鞋柜

電子鐵鞋柜具備鐵鞋存放、充電功能，放置在鞋柜上的鐵鞋，方便易于看到鐵鞋號碼，且充電電源安全可靠。鐵鞋撤卸下道送回到庫內放置到鞋柜上，給電子鐵鞋進行充電。鐵鞋充電的狀態，室內管理機對其監視。

2.5 便攜式給電器

由于在某些車站停留的臨客車輛時間很長，大多超過1個月，電子鐵鞋的電量肯定耗盡，在鐵鞋被車輛壓死無法取下充電的情況下，就采用便攜式給電器給鐵鞋臨時充電，以保證巡檢鐵鞋電子記錄的存儲。

3.電子鐵鞋結構力學分析

3.1 模型說明及假設條件

(1)電子鐵鞋靜態防溜原理示意圖，如圖3-1所示。

圖3 -1電子鐵鞋防溜原理示意圖

(2)由于目前電子鐵鞋主要起到靜態防溜的作用，因此，只考慮靜態平衡，不考慮沖擊及牽引力。

(3)靜態防溜條件下，電子鐵鞋工作最不利條件為：整個車輪重量全部作用在踏面上。以車輪剛剛脫離碾壓點狀態為假設條件進行計算。

(4)設定計算軸重值為24 t（實際運用最大軸重23 t），盈余1 t，相對應的輪重為12 t。

根據以上說明及簡化條件，針對電子鐵鞋該種工作模式建立合理的數學模型，并進行分析、計算。

3.2 確定載荷

圖3 -2防溜受力示意圖

(1)根據鐵道行業標準TB/T 3162.3—2007關于防溜鐵鞋的標準要求，車輪碾壓點在距離鞋尖位置45mm處。

(2)以車輪剛剛脫離碾壓點時進行計算，受力示意圖如圖3-2所示。

其中輪對半徑取值按TB/T 3162.3—2007要求取車輛輪對R=420 mm，車輪踏面和電子鐵鞋踏面密貼，因此電子鐵鞋踏面和輪對踏面取值一致為420mm[22]。

由上述圖2-2所示幾何關系可得：

其中R=420，h=57.6得到：α1=30.361°

其中R=420，l=L/2=50,得到：α2=6.837°

在此平衡條件下，以O′為中心點取矩可得：

由上述假設計算條件：Py=12(t)

得：Px=9.108(t)

(3)電子鐵鞋載荷關系

經過簡化處理之后，電子鐵鞋的受力圖如圖3-3所示。

圖3 -3防溜受力示意圖

由Py=12(t)

由機械手冊查得，其中摩擦系數μ=0.4

得：μPy=0.4×12=4.8(t)

由此得電子鐵鞋在正常靜態防溜工作狀態下，電子鐵鞋所受的最大水平方向載荷為：

3.3 應力校核

3.3.1 電子鐵鞋立板AE截面應力校核

電子鐵鞋立板受力截面如圖所示，立板ABCD在垂直方向上，最危險截面為AE截面。

電子鐵鞋立板截面圖

由∠BCD=78.24°，∠ADC=50°，AF=EG=57.6， DC=152.52

由此可得：CG=c tan78.24°×57.6=11.991

DF=c tan50°×57.6=48.332

由此得：AE=FG=152.52-11.991-48.332=92.197

由板厚δ=8，所以，承載面積

S=2×AE×δ=1475.152(mm2)

壓應力：

由此得出：σ<σs=275(MPa)

因此，立板AECD在垂直方向載荷下是安全的。

在X方向上，根據以上計算關系，由于承載的力更小，同時，承載截面積更大，所以，相應的壓應力更小。

ΔABE截面上的應力將在對踏面應力校核的時候進行計算驗證說明，驗證的結果也是正常的，因此，電子鐵鞋立板在正常工作下是完全安全可靠的。

3.3.2 踏面應力校核

由Px、Pyα得：

β=α=37.398°

切向載荷：

Pt=Pxcosβ+Pysinβ=11101.477(kg)

徑向載荷：

Pr=-Pxsinβ+Pycosβ=6617.959(kg)

由于電子鐵鞋兩個立板之間距離為45mm,因此，轉化為踏面橫向直線載荷得：

電子鐵鞋受力簡圖

車輪（鐵鞋踏面）受力分析如圖所示。

根據彈性力學可知，在圓弧上徑向應力：

接觸圓弧的角度由前面計算結果可知：

徑向力：

因此，-0.151P=1470.658(kg/cm)

解之得：P=-9739.457(kg/cm)

車輪應力圖

最大徑向應力：

若假設電子鐵鞋沒有踏面鋼板

切向應力[23]

經簡化得：4.5×0.1512P=11101.477

解之得：P=16316.104(kg/cm)

最大切向應力：

同理假設在沒有電子鐵鞋踏面鋼板條件下，最大切向應力為：

3.3.3 結果分析

(1)由車輪（電子鐵鞋）的完全力學模型可知：①接觸應力主要存在于接觸劣弧AB所對應的接觸面上。②優弧ACB對應的非接觸面表面不存在接觸應力，但是在車輪內部依舊存在壓應力。內部壓應力大小如下式所示：

對上式進行分析，由前面的計算過程可知，車輪（電子鐵鞋）內部的線性載荷P的值相比以前減小，相應的踏面內部應力也在減小，因此，分析結果表明設計足夠安全、可靠。

(2)踏面的應力和AB截面的應力都是在安全范圍內的。由上述計算結果可知，踏面鋼板和AE截面上的應力都處在安全范圍之內，同時根據應力的連續性可知：ΔABE面對應的內部應力在兩者之間，因此也處于安全、可靠狀態。

(3)電子鐵鞋材質要求的屈服強度σs≥275MPa[24-25]，因此，設計安全、可靠。

4.試驗結果

4.1 在對電子鐵鞋進行變更設計之后，按照TB/T 3162.3-2007要求對電子鐵鞋進行了型式試驗，對電子鐵鞋外形尺寸進行了校核檢驗，檢驗結果表明，其外形尺寸要求滿足TB/T3162.3-2007要求。

4.2 電子鐵鞋制動試驗

為對電子鐵鞋的強度進行進一步的現場驗證，對極限工作條件下電子鐵鞋工作狀態進行了現場測試，試驗結果表明電子鐵鞋強度完全能夠滿足靜態防溜的作業要求。

4.3 電子鐵鞋淋雨密封試驗

電子鐵鞋在嵌入電子設備之后，在室外工作條件下，對防雨密封要求等級較高。因此，在嚴格按照安裝要求對電子鐵鞋進行封裝后，對電子鐵鞋的防水密封性能進行了淋雨測試，檢驗結果表明電子鐵鞋防水等級達到IPX5，能夠滿足鐵鞋在惡劣陰雨天氣環境下正常工作。

4.4 電子鐵鞋高低溫試驗

為保證電子鐵鞋在夏季高溫和冬季低溫極限環境下能夠正常工作，進行高溫+600℃、低溫?100℃試驗，檢驗結果表明電子鐵鞋在檢驗溫度條件下能夠正常工作。

4.5 軌道電路影響測試

由于電子鐵鞋內部安裝了一套電子裝置，其中電子元器件是否影響軌道電路的正常工作直接關系到電子鐵鞋能否現場實際應用。同時，軌道電路是否影響電子鐵鞋的正常工作關系到電子鐵鞋應用的可靠性。在對電路嚴格設計的基礎上，進行了軌道電路測試實驗測試結果表明電子鐵鞋在正常工作的同時對軌道電路參數沒有造成任何不利影響，兩者相互之間無任何負面影響。

4.6.結束語

經現場試用和相關檢驗報告表明，該設備能夠滿足防溜鐵鞋運用狀況的管理要求；且設備界面友好、操作簡便、性能穩定，實現了對鐵路站場防溜鐵鞋的監測和電子巡檢。

李林貴（1976-），男，漢族，工程師，石家莊鐵道大學在職碩士研究生，現任朔黃鐵路原平分公司運輸生產部副主任