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(fā)線有效長延伸為2800米，當(dāng)車站停留車輛多，周圍環(huán)境復(fù)雜時(shí)，對防溜檢查、防溜鐵鞋的管理成為困擾作業(yè)人員的難題。針對此情況，在不改變現(xiàn)有鐵鞋材質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外形尺寸的情況下，建立力學(xué)模型,針對電子鐵鞋工作模式建立合理的數(shù)學(xué)模型，確定載荷,并進(jìn)行應(yīng)力校核，通過基于無線射頻通信技術(shù)改造鐵鞋，監(jiān)測鐵鞋的位移，實(shí)現(xiàn)在行車室可視化的遠(yuǎn)程監(jiān)控防溜鐵鞋動(dòng)態(tài)，改變了目前人工現(xiàn)場檢查防溜鐵鞋工作狀態(tài)的傳統(tǒng)方法，減輕人工作業(yè)強(qiáng)度和降低事故發(fā)生率。

防溜鐵鞋；無線射頻；遠(yuǎn)程監(jiān)控；探討

《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》（普速鐵路部分）第306條規(guī)定：中間站線路上停留車輛時(shí)，應(yīng)以鐵鞋等防溜裝置牢靠固定；從規(guī)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(shè)40個(gè)車站，其中裝卸車站19個(gè)，加上3.5億噸擴(kuò)能改造后，有10個(gè)車站具備組合重載列車條件，產(chǎn)生大量調(diào)車作業(yè)，作業(yè)過程需要對停留車列、車輛進(jìn)行防溜；傳統(tǒng)防溜鐵鞋的運(yùn)用和管理措施主要是依靠作業(yè)人員的互控、頻繁的現(xiàn)場查看來確保防溜鐵鞋的運(yùn)用狀態(tài)良好，勞動(dòng)強(qiáng)度較大。在作業(yè)繁忙的車站，由于防溜地點(diǎn)、時(shí)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(guī)作業(yè)現(xiàn)象。因此，為了能夠?qū)崟r(shí)掌握防溜鐵鞋的運(yùn)用狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)先進(jìn)、性能穩(wěn)定，具有松動(dòng)提醒、開車?yán)嵝选⑷旌驅(qū)崟r(shí)監(jiān)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(tài)良好，從而有力地保障鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)安全。

1 設(shè)計(jì)原則

1.1 電子鐵鞋符合部頒標(biāo)準(zhǔn)：在不改變現(xiàn)有鐵鞋材質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、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(dá)到自動(dòng)監(jiān)測的效果。

1.2 采用無線通信遠(yuǎn)程傳輸方式：因電子鐵鞋在野外運(yùn)用，具有安裝時(shí)間、地點(diǎn)不固定、在道時(shí)間長短不一、置于無人看守地段等特點(diǎn)，各組成設(shè)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(shè)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(huán)境能力：經(jīng)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(shí)時(shí)監(jiān)測功能：能夠?qū)⒃诘离娮予F鞋是否放置牢固、是否遠(yuǎn)離車輪、是否有拉鞋現(xiàn)象、裝置電量不足等異常信息，及時(shí)通知作業(yè)人員和值班室，便于隨時(shí)掌握和了解每只電子鐵鞋的運(yùn)用狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常情況提醒作業(yè)人員及時(shí)處理。

1.5 手持機(jī)攜帶方便、操作簡便：手持機(jī)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(shù)據(jù)發(fā)送到管理機(jī)保存顯示，手持機(jī)自身不保存記錄。當(dāng)電子鐵鞋狀態(tài)異常時(shí)，手持機(jī)接收報(bào)警并顯示信息內(nèi)容。

1.6 管理機(jī)是電子鐵鞋運(yùn)用安全揭示數(shù)據(jù)管理中心，需具備顯示所有電子鐵鞋分布狀態(tài)、異常狀態(tài)報(bào)警提示、數(shù)據(jù)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(yùn)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(tǒng)構(gòu)成及功能

防溜鐵鞋監(jiān)控系統(tǒng)由管理機(jī)、電子鐵鞋、手持機(jī)、中繼器等組成。系統(tǒng)采用工業(yè)模組化設(shè)計(jì)，集傳感技術(shù)、微電子技術(shù)、無線通信技術(shù)于一體，通過采集鐵鞋上道、巡檢、下道作業(yè)數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成和顯示防溜鐵鞋運(yùn)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(shí)，手持機(jī)和管理機(jī)立即報(bào)警提示，實(shí)現(xiàn)了鐵路站場車輛防溜的電子監(jiān)測和管理，并具有開車?yán)丸F鞋防盜提醒作用。其組成和數(shù)據(jù)流程見下圖：

2.1 信息采集手持機(jī)

1）鐵鞋上道登記

鐵鞋上道時(shí)用手持機(jī)登記。鐵鞋放置于鋼軌上插入車輪下，用手持機(jī)進(jìn)行上道登記并報(bào)告鐵鞋放置是否穩(wěn)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(dòng)記錄作業(yè)人員工號，并將登記信息發(fā)送到室內(nèi)管理機(jī)機(jī)，同時(shí)顯示“上道成功”。只有經(jīng)過手持機(jī)進(jìn)行上道登記的鐵鞋，才能喚醒鐵鞋開始工作，并處在室內(nèi)管理機(jī)機(jī)的監(jiān)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(jī)巡檢鐵鞋。一是檢驗(yàn)鐵鞋裝置電路工作是否正常，二是檢查鐵鞋在道狀態(tài)是否完好，三是記錄巡檢信息，并將巡檢記錄發(fā)送到室內(nèi)管理機(jī)存儲。如果手持機(jī)巡檢鐵鞋裝置工作異常、或在道狀態(tài)異常，手持機(jī)會報(bào)警提示。

3）異常報(bào)警提示

手持機(jī)隨作業(yè)人員在站場區(qū)域內(nèi)活動(dòng)時(shí)，實(shí)時(shí)接收鐵鞋異常狀態(tài)信息，并報(bào)警提示，同時(shí)顯示運(yùn)用狀態(tài)異常的鐵鞋號、所在位置。

4）鐵鞋下道登記

鐵鞋撤卸下道時(shí)用手持機(jī)登記。鐵鞋經(jīng)過手持機(jī)下道登記后，鐵鞋裝置進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，注銷其在室內(nèi)管理機(jī)中的監(jiān)控和管理。

2.2 室內(nèi)管理機(jī)

1）鐵鞋運(yùn)用安全揭示和管理

室內(nèi)管理機(jī)對車站內(nèi)的所有在道鐵鞋、庫內(nèi)鞋柜上充電鐵鞋、野外閑置鐵鞋進(jìn)行全面管理。實(shí)時(shí)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(shí)間、巡檢次數(shù)和時(shí)間、鐵鞋踏面與車輪的距離、鞋底與鋼軌的密貼、作業(yè)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(yùn)用期間的所有信息包括巡檢信息保存到歷史數(shù)據(jù)庫中，以便日后查詢。

管理機(jī)界面劃分為兩大類：一是當(dāng)前界面表格顯示鐵鞋號、運(yùn)用狀態(tài)、自檢狀態(tài)、報(bào)警狀態(tài)、下道計(jì)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(xì)信息，以及設(shè)置鐵鞋計(jì)劃下道日期時(shí)間。

2）鐵鞋異常報(bào)警與提示

當(dāng)在道鐵鞋裝置監(jiān)測到鐵鞋超距、密貼不良、電量不足情況時(shí)，室內(nèi)管理機(jī)能夠接收到鐵鞋的異常信息，報(bào)警顯示鐵鞋號、股道號、方位，及時(shí)提示人工進(jìn)行處理。

3）鐵鞋下道計(jì)劃管理

在室內(nèi)管理機(jī)上，填寫某個(gè)鐵鞋下道計(jì)劃的日期時(shí)間，當(dāng)這個(gè)鐵鞋下道時(shí)間一到，室內(nèi)管理機(jī)和手持機(jī)會報(bào)警提示，通知作業(yè)人員去現(xiàn)場及時(shí)撤卸鐵鞋。

4）對鐵鞋硬件故障自檢

室內(nèi)管理機(jī)定時(shí)巡檢每個(gè)在道鐵鞋的硬件電路工作狀況，如果發(fā)現(xiàn)密貼傳感器和測距傳感器電路、無線通信故障，就會在室內(nèi)管理機(jī)上報(bào)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(shù)字化管理鐵鞋整套系統(tǒng)的數(shù)據(jù)無線轉(zhuǎn)接中心。除手持機(jī)上、下道登記和人工巡檢與鐵鞋近距離操作無需中繼器轉(zhuǎn)接外，鐵鞋狀態(tài)異常向手持機(jī)和室內(nèi)管理機(jī)報(bào)警、手持機(jī)登記和巡檢的數(shù)據(jù)傳送到室內(nèi)管理機(jī)顯示和保存、室內(nèi)管理機(jī)巡查鐵鞋電路故障，都需要經(jīng)過無線中繼器轉(zhuǎn)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(nèi)放置到鞋柜上，給電子鐵鞋進(jìn)行充電。鐵鞋充電的狀態(tài)，室內(nèi)管理機(jī)對其監(jiān)視。

2.5 便攜式給電器

由于在某些車站停留的臨客車輛時(shí)間很長，大多超過1個(gè)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(shí)充電，以保證巡檢鐵鞋電子記錄的存儲。

3.電子鐵鞋結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

3.1 模型說明及假設(shè)條件

(1)電子鐵鞋靜態(tài)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(tài)防溜的作用，因此，只考慮靜態(tài)平衡，不考慮沖擊及牽引力。

(3)靜態(tài)防溜條件下，電子鐵鞋工作最不利條件為：整個(gè)車輪重量全部作用在踏面上。以車輪剛剛脫離碾壓點(diǎn)狀態(tài)為假設(shè)條件進(jìn)行計(jì)算。

(4)設(shè)定計(jì)算軸重值為24 t（實(shí)際運(yùn)用最大軸重23 t），盈余1 t，相對應(yīng)的輪重為12 t。

根據(jù)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(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行分析、計(jì)算。

3.2 確定載荷

圖3 -2防溜受力示意圖

(1)根據(jù)鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3162.3—2007關(guān)于防溜鐵鞋的標(biāo)準(zhǔn)要求，車輪碾壓點(diǎn)在距離鞋尖位置45mm處。

(2)以車輪剛剛脫離碾壓點(diǎn)時(shí)進(jìn)行計(jì)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(guān)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(shè)′為中心點(diǎn)取矩可得：

由上述假設(shè)計(jì)算條件：Py=12(t)

得：Px=9.108(t)

(3)電子鐵鞋載荷關(guān)系

經(jīng)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(jī)械手冊查得，其中摩擦系數(shù)μ=0.4

得：μPy=0.4×12=4.8(t)

由此得電子鐵鞋在正常靜態(tài)防溜工作狀態(tài)下，電子鐵鞋所受的最大水平方向載荷為：

3.3 應(yīng)力校核

3.3.1 電子鐵鞋立板AE截面應(yīng)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(xiǎn)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(yīng)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(jù)以上計(jì)算關(guān)系，由于承載的力更小，同時(shí)，承載截面積更大，所以，相應(yīng)的壓應(yīng)力更小。

ΔABE截面上的應(yīng)力將在對踏面應(yīng)力校核的時(shí)候進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證說明，驗(yàn)證的結(jié)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(yīng)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(gè)立板之間距離為45mm,因此，轉(zhuǎn)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(jù)彈性力學(xué)可知，在圓弧上徑向應(yīng)力：

接觸圓弧的角度由前面計(jì)算結(jié)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(yīng)力圖

最大徑向應(yīng)力：

若假設(shè)電子鐵鞋沒有踏面鋼板

切向應(yīng)力[23]

經(jīng)簡化得：4.5×0.1512P=11101.477

解之得：P=16316.104(kg/cm)

最大切向應(yīng)力：

同理假設(shè)在沒有電子鐵鞋踏面鋼板條件下，最大切向應(yīng)力為：

3.3.3 結(jié)果分析

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

對上式進(jìn)行分析，由前面的計(jì)算過程可知，車輪（電子鐵鞋）內(nèi)部的線性載荷P的值相比以前減小，相應(yīng)的踏面內(nèi)部應(yīng)力也在減小，因此，分析結(jié)果表明設(shè)計(jì)足夠安全、可靠。

(2)踏面的應(yīng)力和AB截面的應(yīng)力都是在安全范圍內(nèi)的。由上述計(jì)算結(jié)果可知，踏面鋼板和AE截面上的應(yīng)力都處在安全范圍之內(nèi)，同時(shí)根據(jù)應(yīng)力的連續(xù)性可知：ΔABE面對應(yīng)的內(nèi)部應(yīng)力在兩者之間，因此也處于安全、可靠狀態(tài)。

(3)電子鐵鞋材質(zhì)要求的屈服強(qiáng)度σs≥275MPa[24-25]，因此，設(shè)計(jì)安全、可靠。

4.試驗(yàn)結(jié)果

4.1 在對電子鐵鞋進(jìn)行變更設(shè)計(jì)之后，按照TB/T 3162.3-2007要求對電子鐵鞋進(jìn)行了型式試驗(yàn)，對電子鐵鞋外形尺寸進(jìn)行了校核檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)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(dòng)試驗(yàn)

為對電子鐵鞋的強(qiáng)度進(jìn)行進(jìn)一步的現(xiàn)場驗(yàn)證，對極限工作條件下電子鐵鞋工作狀態(tài)進(jìn)行了現(xiàn)場測試，試驗(yàn)結(jié)果表明電子鐵鞋強(qiáng)度完全能夠滿足靜態(tài)防溜的作業(yè)要求。

4.3 電子鐵鞋淋雨密封試驗(yàn)

電子鐵鞋在嵌入電子設(shè)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(yán)格按照安裝要求對電子鐵鞋進(jìn)行封裝后，對電子鐵鞋的防水密封性能進(jìn)行了淋雨測試，檢驗(yàn)結(jié)果表明電子鐵鞋防水等級達(dá)到IPX5，能夠滿足鐵鞋在惡劣陰雨天氣環(huán)境下正常工作。

4.4 電子鐵鞋高低溫試驗(yàn)

為保證電子鐵鞋在夏季高溫和冬季低溫極限環(huán)境下能夠正常工作，進(jìn)行高溫+600℃、低溫?100℃試驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果表明電子鐵鞋在檢驗(yàn)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(nèi)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(guān)系到電子鐵鞋能否現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用。同時(shí)，軌道電路是否影響電子鐵鞋的正常工作關(guān)系到電子鐵鞋應(yīng)用的可靠性。在對電路嚴(yán)格設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了軌道電路測試實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明電子鐵鞋在正常工作的同時(shí)對軌道電路參數(shù)沒有造成任何不利影響，兩者相互之間無任何負(fù)面影響。

4.6.結(jié)束語

經(jīng)現(xiàn)場試用和相關(guān)檢驗(yàn)報(bào)告表明，該設(shè)備能夠滿足防溜鐵鞋運(yùn)用狀況的管理要求；且設(shè)備界面友好、操作簡便、性能穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了對鐵路站場防溜鐵鞋的監(jiān)測和電子巡檢。

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