电子铁鞋的可行性分析

李林贵

朔黄铁路原平分公司

电子铁鞋的可行性分析

李林贵

朔黄铁路原平分公司

朔黄铁路目前采用防溜器具为“三防”铁鞋，部分车站改造后，到发线有效长延伸为2800米，当车站停留车辆多，周围环境复杂时，对防溜检查、防溜铁鞋的管理成为困扰作业人员的难题。针对此情况，在不改变现有铁鞋材质、内部结构、外形尺寸的情况下，建立力学模型,针对电子铁鞋工作模式建立合理的数学模型，确定载荷,并进行应力校核，通过基于无线射频通信技术改造铁鞋，监测铁鞋的位移，实现在行车室可视化的远程监控防溜铁鞋动态，改变了目前人工现场检查防溜铁鞋工作状态的传统方法，减轻人工作业强度和降低事故发生率。

防溜铁鞋；无线射频；远程监控；探讨

《铁路技术管理规程》（普速铁路部分）第306条规定：中间站线路上停留车辆时，应以铁鞋等防溜装置牢靠固定；从规章上明确了铁鞋是车辆停留防溜是必要器具。目前，朔黄线东西海拔落差1500米，沿线共设40个车站，其中装卸车站19个，加上3.5亿吨扩能改造后，有10个车站具备组合重载列车条件，产生大量调车作业，作业过程需要对停留车列、车辆进行防溜；传统防溜铁鞋的运用和管理措施主要是依靠作业人员的互控、频繁的现场查看来确保防溜铁鞋的运用状态良好，劳动强度较大。在作业繁忙的车站，由于防溜地点、时间、人员不固定，巡检不到位等主观和客观因素，往往存在着防溜铁鞋该装未装或列车开出未撤拉鞋的违规作业现象。因此，为了能够实时掌握防溜铁鞋的运用状态，及时发现防溜铁鞋与钢轨密贴不良、车辆溜逸等异常情况，有必要研制一种结构简单、技术先进、性能稳定，具有松动提醒、开车拉鞋提醒、全天候实时监控的电子铁鞋，并辅助人工电子巡检，确保电子铁鞋在线状态良好，从而有力地保障铁路运输生产安全。

1 设计原则

1.1 电子铁鞋符合部颁标准：在不改变现有铁鞋材质、内部结构、外形尺寸、承载重力的情况下，辅以传感器件、控制检测电路、无线通信电路、电池、充电接口，达到自动监测的效果。

1.2 采用无线通信远程传输方式：因电子铁鞋在野外运用，具有安装时间、地点不固定、在道时间长短不一、置于无人看守地段等特点，各组成设备又不能固定在一起，且铁路站场股道密集，施工难度较大，因此子设备之间须采用无线通信工作方式。

1.3 电子铁鞋具备抗恶劣环境能力：经得起碰撞摔打，能在雨雪、高低温、电气化铁路上正常工作。

1.4 电子铁鞋具备实时监测功能：能够将在道电子铁鞋是否放置牢固、是否远离车轮、是否有拉鞋现象、装置电量不足等异常信息，及时通知作业人员和值班室，便于随时掌握和了解每只电子铁鞋的运用状态，发现异常情况提醒作业人员及时处理。

1.5 手持机携带方便、操作简便：手持机具有电子铁鞋上道和下道登记、人工巡检功能，并将登记和操作数据发送到管理机保存显示，手持机自身不保存记录。当电子铁鞋状态异常时，手持机接收报警并显示信息内容。

1.6 管理机是电子铁鞋运用安全揭示数据管理中心，需具备显示所有电子铁鞋分布状态、异常状态报警提示、数据保存和历史记录查询等功能。

1.7 电子铁鞋柜具备存放电子铁鞋和充电功能。

1.8 在电子铁鞋被车轮压死，无法下道充电的情况下，需运用便携式给电器给电子铁鞋供电巡检，确保巡检信息完整。

2.系统构成及功能

防溜铁鞋监控系统由管理机、电子铁鞋、手持机、中继器等组成。系统采用工业模组化设计，集传感技术、微电子技术、无线通信技术于一体，通过采集铁鞋上道、巡检、下道作业数据，自动生成和显示防溜铁鞋运用日志、查询历史记录等功能；能够在铁鞋与钢轨密贴不良、与车轮超距、铁鞋电量不足等异常情况时，手持机和管理机立即报警提示，实现了铁路站场车辆防溜的电子监测和管理，并具有开车拉鞋和铁鞋防盗提醒作用。其组成和数据流程见下图：

2.1 信息采集手持机

1）铁鞋上道登记

铁鞋上道时用手持机登记。铁鞋放置于钢轨上插入车轮下，用手持机进行上道登记并报告铁鞋放置是否稳妥牢固。如果铁鞋放置到位，则能够正常登记铁鞋所在的股道号、方位，自动记录作业人员工号，并将登记信息发送到室内管理机机，同时显示“上道成功”。只有经过手持机进行上道登记的铁鞋，才能唤醒铁鞋开始工作，并处在室内管理机机的监控管理之中。

2）电子巡检铁鞋

采用非接触无线通信方式，用手持机巡检铁鞋。一是检验铁鞋装置电路工作是否正常，二是检查铁鞋在道状态是否完好，三是记录巡检信息，并将巡检记录发送到室内管理机存储。如果手持机巡检铁鞋装置工作异常、或在道状态异常，手持机会报警提示。

3）异常报警提示

手持机随作业人员在站场区域内活动时，实时接收铁鞋异常状态信息，并报警提示，同时显示运用状态异常的铁鞋号、所在位置。

4）铁鞋下道登记

铁鞋撤卸下道时用手持机登记。铁鞋经过手持机下道登记后，铁鞋装置进入待机状态，注销其在室内管理机中的监控和管理。

2.2 室内管理机

1）铁鞋运用安全揭示和管理

室内管理机对车站内的所有在道铁鞋、库内鞋柜上充电铁鞋、野外闲置铁鞋进行全面管理。实时显示在线铁鞋的分布状况，包括铁鞋号、所在股道号和方位、上道日期时间、巡检次数和时间、铁鞋踏面与车轮的距离、鞋底与钢轨的密贴、作业人员信息，即使是铁鞋下道收回到电子铁鞋柜上存放充电。铁鞋操作下道后，把运用期间的所有信息包括巡检信息保存到历史数据库中，以便日后查询。

管理机界面划分为两大类：一是当前界面表格显示铁鞋号、运用状态、自检状态、报警状态、下道计划；二是通过功能菜单操作，可以查询显示历史记录，如上道、巡检、下道的详细信息，以及设置铁鞋计划下道日期时间。

2）铁鞋异常报警与提示

当在道铁鞋装置监测到铁鞋超距、密贴不良、电量不足情况时，室内管理机能够接收到铁鞋的异常信息，报警显示铁鞋号、股道号、方位，及时提示人工进行处理。

3）铁鞋下道计划管理

在室内管理机上，填写某个铁鞋下道计划的日期时间，当这个铁鞋下道时间一到，室内管理机和手持机会报警提示，通知作业人员去现场及时撤卸铁鞋。

4）对铁鞋硬件故障自检

室内管理机定时巡检每个在道铁鞋的硬件电路工作状况，如果发现密贴传感器和测距传感器电路、无线通信故障，就会在室内管理机上报告故障铁鞋号、所在位置信息。

2.3 中继器

中继器既是无线信号放大器，又是数字化管理铁鞋整套系统的数据无线转接中心。除手持机上、下道登记和人工巡检与铁鞋近距离操作无需中继器转接外，铁鞋状态异常向手持机和室内管理机报警、手持机登记和巡检的数据传送到室内管理机显示和保存、室内管理机巡查铁鞋电路故障，都需要经过无线中继器转接。

2.4 电子铁鞋柜

电子铁鞋柜具备铁鞋存放、充电功能，放置在鞋柜上的铁鞋，方便易于看到铁鞋号码，且充电电源安全可靠。铁鞋撤卸下道送回到库内放置到鞋柜上，给电子铁鞋进行充电。铁鞋充电的状态，室内管理机对其监视。

2.5 便携式给电器

由于在某些车站停留的临客车辆时间很长，大多超过1个月，电子铁鞋的电量肯定耗尽，在铁鞋被车辆压死无法取下充电的情况下，就采用便携式给电器给铁鞋临时充电，以保证巡检铁鞋电子记录的存储。

3.电子铁鞋结构力学分析

3.1 模型说明及假设条件

(1)电子铁鞋静态防溜原理示意图，如图3-1所示。

图3 -1电子铁鞋防溜原理示意图

(2)由于目前电子铁鞋主要起到静态防溜的作用，因此，只考虑静态平衡，不考虑冲击及牵引力。

(3)静态防溜条件下，电子铁鞋工作最不利条件为：整个车轮重量全部作用在踏面上。以车轮刚刚脱离碾压点状态为假设条件进行计算。

(4)设定计算轴重值为24 t（实际运用最大轴重23 t），盈余1 t，相对应的轮重为12 t。

根据以上说明及简化条件，针对电子铁鞋该种工作模式建立合理的数学模型，并进行分析、计算。

3.2 确定载荷

图3 -2防溜受力示意图

(1)根据铁道行业标准TB/T 3162.3—2007关于防溜铁鞋的标准要求，车轮碾压点在距离鞋尖位置45mm处。

(2)以车轮刚刚脱离碾压点时进行计算，受力示意图如图3-2所示。

其中轮对半径取值按TB/T 3162.3—2007要求取车辆轮对R=420 mm，车轮踏面和电子铁鞋踏面密贴，因此电子铁鞋踏面和轮对踏面取值一致为420mm[22]。

由上述图2-2所示几何关系可得：

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∘

在此平衡条件下，以O′为中心点取矩可得：

由上述假设计算条件：Py=12(t)

得：Px=9.108(t)

(3)电子铁鞋载荷关系

经过简化处理之后，电子铁鞋的受力图如图3-3所示。

图3 -3防溜受力示意图

由Py=12(t)

由机械手册查得，其中摩擦系数μ=0.4

得：μPy=0.4×12=4.8(t)

由此得电子铁鞋在正常静态防溜工作状态下，电子铁鞋所受的最大水平方向载荷为：

3.3 应力校核

3.3.1 电子铁鞋立板AE截面应力校核

电子铁鞋立板受力截面如图所示，立板ABCD在垂直方向上，最危险截面为AE截面。

电子铁鞋立板截面图

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，承载面积

S=2×AE×δ=1475.152(mm2)

压应力：

由此得出：σ<σs=275(MPa)

因此，立板AECD在垂直方向载荷下是安全的。

在X方向上，根据以上计算关系，由于承载的力更小，同时，承载截面积更大，所以，相应的压应力更小。

ΔABE截面上的应力将在对踏面应力校核的时候进行计算验证说明，验证的结果也是正常的，因此，电子铁鞋立板在正常工作下是完全安全可靠的。

3.3.2 踏面应力校核

由Px、Pyα得：

β=α=37.398∘

切向载荷：

Pt=Pxcosβ+Pysinβ=11101.477(kg)

径向载荷：

Pr=-Pxsinβ+Pycosβ=6617.959(kg)

由于电子铁鞋两个立板之间距离为45mm,因此，转化为踏面横向直线载荷得：

电子铁鞋受力简图

车轮（铁鞋踏面）受力分析如图所示。

根据弹性力学可知，在圆弧上径向应力：

接触圆弧的角度由前面计算结果可知：

径向力：

因此，-0.151P=1470.658(kg/cm)

解之得：P=-9739.457(kg/cm)

车轮应力图

最大径向应力：

若假设电子铁鞋没有踏面钢板

切向应力[23]

经简化得：4.5×0.1512P=11101.477

解之得：P=16316.104(kg/cm)

最大切向应力：

同理假设在没有电子铁鞋踏面钢板条件下，最大切向应力为：

3.3.3 结果分析

(1)由车轮（电子铁鞋）的完全力学模型可知：①接触应力主要存在于接触劣弧AB所对应的接触面上。②优弧ACB对应的非接触面表面不存在接触应力，但是在车轮内部依旧存在压应力。内部压应力大小如下式所示：

对上式进行分析，由前面的计算过程可知，车轮（电子铁鞋）内部的线性载荷P的值相比以前减小，相应的踏面内部应力也在减小，因此，分析结果表明设计足够安全、可靠。

(2)踏面的应力和AB截面的应力都是在安全范围内的。由上述计算结果可知，踏面钢板和AE截面上的应力都处在安全范围之内，同时根据应力的连续性可知：ΔABE面对应的内部应力在两者之间，因此也处于安全、可靠状态。

(3)电子铁鞋材质要求的屈服强度σs≥275MPa[24-25]，因此，设计安全、可靠。

4.试验结果

4.1 在对电子铁鞋进行变更设计之后，按照TB/T 3162.3-2007要求对电子铁鞋进行了型式试验，对电子铁鞋外形尺寸进行了校核检验，检验结果表明，其外形尺寸要求满足TB/T3162.3-2007要求。

4.2 电子铁鞋制动试验

为对电子铁鞋的强度进行进一步的现场验证，对极限工作条件下电子铁鞋工作状态进行了现场测试，试验结果表明电子铁鞋强度完全能够满足静态防溜的作业要求。

4.3 电子铁鞋淋雨密封试验

电子铁鞋在嵌入电子设备之后，在室外工作条件下，对防雨密封要求等级较高。因此，在严格按照安装要求对电子铁鞋进行封装后，对电子铁鞋的防水密封性能进行了淋雨测试，检验结果表明电子铁鞋防水等级达到IPX5，能够满足铁鞋在恶劣阴雨天气环境下正常工作。

4.4 电子铁鞋高低温试验

为保证电子铁鞋在夏季高温和冬季低温极限环境下能够正常工作，进行高温+600℃、低温−100℃试验，检验结果表明电子铁鞋在检验温度条件下能够正常工作。

4.5 轨道电路影响测试

由于电子铁鞋内部安装了一套电子装置，其中电子元器件是否影响轨道电路的正常工作直接关系到电子铁鞋能否现场实际应用。同时，轨道电路是否影响电子铁鞋的正常工作关系到电子铁鞋应用的可靠性。在对电路严格设计的基础上，进行了轨道电路测试实验测试结果表明电子铁鞋在正常工作的同时对轨道电路参数没有造成任何不利影响，两者相互之间无任何负面影响。

4.6.结束语

经现场试用和相关检验报告表明，该设备能够满足防溜铁鞋运用状况的管理要求；且设备界面友好、操作简便、性能稳定，实现了对铁路站场防溜铁鞋的监测和电子巡检。

李林贵（1976-），男，汉族，工程师，石家庄铁道大学在职硕士研究生，现任朔黄铁路原平分公司运输生产部副主任