鐵路色燈信號(hào)機(jī)燈泡的分析與設(shè)計(jì)★

汪 鴻，張治國(guó)

（西安交通工程學(xué)院，陜西 西安 710300）

1 透鏡式色燈信號(hào)機(jī)

鐵路線上設(shè)置有大量色燈信號(hào)機(jī)構(gòu)，透鏡式色燈信號(hào)機(jī)機(jī)構(gòu)如圖1 所示，由燈泡、燈座、內(nèi)透鏡、外透鏡和遮檐等組成。

接車、發(fā)車或調(diào)車等指令，均靠信號(hào)機(jī)光源的不同顏色傳達(dá)。色燈信號(hào)機(jī)構(gòu)作為重要的信號(hào)裝備，其傳遞的信號(hào)與鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩耘c高效性息息相關(guān)。色燈信號(hào)機(jī)具有安全穩(wěn)定、不易受外界環(huán)境干擾、不受夜間影響、辨識(shí)度高、方便行車工作人員辨認(rèn)、利于維護(hù)等，優(yōu)點(diǎn)顯著。

20 世紀(jì)60 年代大部分采用單燈信號(hào)機(jī)，由于燈泡僅設(shè)置一根燈絲，當(dāng)故障斷絲時(shí)沒有備用光源，滅燈現(xiàn)象對(duì)行車安全造成隱患。20 世紀(jì)70 年代，針對(duì)單絲斷裂現(xiàn)象，我國(guó)的信號(hào)光學(xué)專業(yè)成功研制擁有雙燈絲的燈泡，推廣到整個(gè)路段使用。“單燈雙絲”成為鐵路信號(hào)燈泡的基本結(jié)構(gòu)和普遍形式，即使技術(shù)不斷創(chuàng)新改進(jìn)，依舊保持這個(gè)基本結(jié)構(gòu)和信號(hào)發(fā)光形式。20 世紀(jì)90 年代，信號(hào)光學(xué)專業(yè)總結(jié)前期研究成果，改善燈泡結(jié)構(gòu)，采用聚焦式的雙絲結(jié)構(gòu)，結(jié)合定焦盤式燈座使用，不僅提升了信號(hào)燈泡更換時(shí)的便捷性，而且極大增加了信號(hào)顯示的可靠性[1]。

2 透鏡式信號(hào)機(jī)燈泡缺點(diǎn)

信號(hào)燈泡映現(xiàn)并傳達(dá)的信息指導(dǎo)機(jī)車行駛，它是保障信號(hào)穩(wěn)定顯示、保證列車安全運(yùn)行的重要因素，隨著鐵路運(yùn)行密度不斷加大，行車速度不斷提升，越來(lái)越重視燈泡的品質(zhì)。白熾燈泡（TX12-25/12-25）、鹵鎢直柱型燈泡（LTX12-25/12-25），此兩種是我們國(guó)家前后大量使用的信號(hào)燈泡。

TX12-25/12-25 型直絲燈泡（T 指鐵路X 指信號(hào)，12-25/12-25 指雙絲燈泡且主副絲均為12 V 25 W）。主副燈絲互相平行且均為直絲，同時(shí)為保障安全，防止主絲斷裂砸到副絲，導(dǎo)致副絲無(wú)法正常點(diǎn)亮，下方設(shè)置為主燈絲，其軸心線垂直于燈泡中心線；上方設(shè)置的為副燈絲，主副絲垂直間隔約3 mm。為保障主絲點(diǎn)亮發(fā)出的光不被遮擋，主燈絲設(shè)置在副燈絲的前面，兩者相距3 mm 左右。

LTX12-25/12-25 鹵素直柱型燈泡是在發(fā)現(xiàn)鹵鎢循環(huán)原理后被制造出的。為光源市場(chǎng)注入新的生命力，它體積小便于安裝，且光效、壽命等性能均比白熾燈優(yōu)越。鹵鎢直柱型燈泡已經(jīng)基本取代了白熾燈泡。一般的白熾燈，發(fā)光效率與鎢絲溫度成正比關(guān)系，燈絲工作環(huán)境溫度非常高，但過(guò)高溫度會(huì)導(dǎo)致鎢的蒸發(fā)，玻殼也因沉淀下來(lái)的鎢逐漸發(fā)黑。20 世紀(jì)60 年代發(fā)明了鹵鎢燈，鹵族元素填充于白熾燈內(nèi)，用鹵鎢循環(huán)原理解決燈泡發(fā)黑問題。鹵鎢燈是改進(jìn)后的白熾燈，其泡殼內(nèi)填充氣體加有一定量的鹵族元素。

鹵鎢循環(huán)指燈絲在高溫下蒸發(fā)出鎢原子，并在遠(yuǎn)離燈絲的外圍同鹵鎢發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其產(chǎn)生的鹵鎢化合物具備揮發(fā)特性。氣態(tài)化合物四處分散，又在燈絲周邊分解成鎢與鹵素，即鎢重新回至燈絲、鹵素反復(fù)此化學(xué)反應(yīng)。下頁(yè)圖2 為鹵鎢循環(huán)縱切面示意圖。

主燈絲工作期間高溫使部分鎢原子蒸發(fā)，由于副絲與主絲距離太近（3 mm），一部分鎢原子沉積到副絲表面，并隨著工作時(shí)長(zhǎng)越來(lái)越多（正常情況副絲不點(diǎn)亮，不參與鹵鎢循環(huán)）。副燈絲各線圈之間沉積的鎢原子導(dǎo)致螺距逐漸變窄，螺距的破壞程度與主燈絲工作時(shí)間成正比。

鐵路行車安全需要，需嚴(yán)格按照“故障導(dǎo)向安全”原則：主燈絲為主要工作燈絲，副燈絲用作備份，當(dāng)主燈絲故障斷絲時(shí)，將會(huì)被外部檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)并自動(dòng)為副燈絲供電，同時(shí)接通報(bào)警電路，提示維護(hù)人員更換此燈泡。

傳統(tǒng)的雙燈絲白熾燈光源，它特有的發(fā)光原理和結(jié)構(gòu)特征，使其存在一些不可避免的缺點(diǎn)。如燈絲機(jī)械強(qiáng)度不夠，工作時(shí)間不長(zhǎng)、發(fā)光效率不高等。它的缺點(diǎn)決定著使用白熾燈有很大的維修工作量，我國(guó)鐵道里程增多、覆蓋更多偏遠(yuǎn)地區(qū)，增加了在信號(hào)維護(hù)方面的難度和財(cái)政支出，同時(shí)不利于安全行車[2]。

全面分析鹵鎢燈的工作機(jī)理、材料以及設(shè)計(jì)等方面，發(fā)現(xiàn)它也存在一些缺點(diǎn)。鹵鎢燈泡在一定溫度下產(chǎn)生的鹵鎢循環(huán)，由于泡內(nèi)空間較大、構(gòu)造相對(duì)繁復(fù)，無(wú)法避免鎢分子的積淀，影響光源亮度和燈絲耐沖擊性能以及壽命；其次副燈絲受影響的程度與主燈工作時(shí)長(zhǎng)成正比，當(dāng)主絲斷裂，無(wú)法保證備用燈絲能正常工作；燈絲為雙螺旋繞絲，微觀構(gòu)造更加精細(xì)復(fù)雜，增加了故障發(fā)生幾率。

綜上，鹵鎢燈泡在使用過(guò)程中，容易發(fā)生雙斷絲，無(wú)法保障信號(hào)燈的可靠性以及鐵路行車安全性。

作為色燈信號(hào)機(jī)的關(guān)鍵光源，鐵路信號(hào)燈泡始終保持單燈雙絲結(jié)構(gòu)，燈泡的質(zhì)量及性能嚴(yán)重影響著鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩?。單燈雙絲結(jié)構(gòu)，即主絲與副絲共用同一個(gè)燈室。信號(hào)機(jī)正常工作期間通電的是主絲，當(dāng)主絲發(fā)生故障，副絲立即代替其工作，此過(guò)程由點(diǎn)燈單元完成。依照鐵路應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)反饋的情況，燈泡主副絲均斷裂的幾率達(dá)1/1000，若全路一年采用60 萬(wàn)只鐵路燈泡，則會(huì)發(fā)生600 起左右雙斷故障，為鐵路行車安全帶來(lái)隱患。

3 透鏡式信號(hào)機(jī)燈泡雙燈一體化設(shè)計(jì)

創(chuàng)新設(shè)計(jì)的雙燈一體化燈泡，如圖3 和4 所示。主副燈絲置于同一玻璃罩內(nèi)，但處于密閉、高壓、互相獨(dú)立的氣體燈室。兩個(gè)燈室間用玻璃板隔開，然后通過(guò)金屬卡具固定。工作期間燈絲與周圍氣體不發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)，副燈絲不會(huì)被主燈絲工作期間的干擾；兩燈室裝置于同一個(gè)定焦盤燈頭上。同時(shí)給每個(gè)燈室沒充入稀有氣體氪。氪氣性能優(yōu)越，它不與泡內(nèi)任何組建發(fā)生理化反應(yīng)，減緩鎢原子蒸發(fā)；絕緣能力強(qiáng)，不易被擊穿等，有效增加燈泡使用壽命。

傳統(tǒng)信號(hào)燈泡結(jié)構(gòu)圖5 所示，主副燈絲共用一個(gè)燈室，“雙斷”故障時(shí)有發(fā)生，對(duì)鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩靶十a(chǎn)生很大影響。為了改善這一弊端，對(duì)燈泡進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

選用小玻殼，通過(guò)陶瓷基體完成一體化雙燈設(shè)計(jì)，主副燈泡工作環(huán)境獨(dú)立；提升燈絲的高溫性能，同時(shí)調(diào)整燈絲結(jié)構(gòu)設(shè)置；改善泡內(nèi)填充氣體及循環(huán)劑、改進(jìn)制作工藝；保持燈泡直柱型結(jié)構(gòu)且不改造現(xiàn)有定焦盤，方便調(diào)整垂直度以及燈絲高度，實(shí)現(xiàn)兼容通用。滿足鐵路標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，克服現(xiàn)有燈泡避端，提升各方面性能。燈絲的耐沖擊性能、使用壽命、照明距離、發(fā)光效率、安全性可靠性等都得到有效改善。