一種新型的戶(hù)外鐵路信號(hào)燈設(shè)計(jì)

凌婷婷 張曉剛 于忠?guī)?/p>

基金項(xiàng)目：2023年遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目；項(xiàng)目名稱(chēng)：一種防雨水防腐蝕的信號(hào)燈；項(xiàng)目編號(hào)：S202313207015。

作者簡(jiǎn)介：凌婷婷（2002— ），女，江蘇蘇州人，本科生；研究方向：軌道交通信號(hào)與控制。

*通信作者：張曉剛（1976— ），男，河北石家莊人，工程師，講師，碩士；研究方向：軌道交通信號(hào)與控制，信號(hào)信息處理，電子工程設(shè)計(jì)及智能控制等。

摘要：鐵路信號(hào)燈長(zhǎng)期在戶(hù)外的露天環(huán)境下工作，鐵路信號(hào)燈受酸堿或環(huán)境腐蝕，導(dǎo)致內(nèi)部元件損毀，降低使用壽命。鐵路信號(hào)燈的防護(hù)性較差，當(dāng)火車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)，帶動(dòng)石塊飛起，飛起的石塊易砸傷信號(hào)燈，使其無(wú)法工作，增加維修成本。在雨雪天氣時(shí)，雨水會(huì)通過(guò)散熱孔進(jìn)入操作腔內(nèi)導(dǎo)致其內(nèi)部的電氣裝置短路受損，短路嚴(yán)重還會(huì)發(fā)生火災(zāi)，從而存在一定的缺陷。另外，該裝置通過(guò)抽氣扇進(jìn)行散熱時(shí)，操作腔內(nèi)的溫度與戶(hù)外溫度會(huì)形成一定的溫差，當(dāng)冷空氣進(jìn)入操作腔內(nèi)會(huì)形成冷凝水，同樣存在一定的危險(xiǎn)性。結(jié)合現(xiàn)有研究，文章設(shè)計(jì)了一種防雨水、防腐蝕的新型鐵路信號(hào)燈，可延長(zhǎng)使用壽命，提高利用率。

關(guān)鍵詞：信號(hào)燈；防雨雪；防腐蝕；戶(hù)外惡劣環(huán)境

中圖分類(lèi)號(hào)：U281.11? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0? 引言

2022年，我國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程15.5萬(wàn)km，其中高鐵營(yíng)業(yè)里程4.2萬(wàn)km。投產(chǎn)新線4 100 km，其中高鐵2 082 km。鐵路復(fù)線率為59.6%，電化率為73.8%。全國(guó)鐵路路網(wǎng)密度161.1 km/萬(wàn)km2，比2021年末增加4.4 km/萬(wàn)km2，如圖1所示。

我國(guó)鐵路系統(tǒng)龐大，其中作為列車(chē)運(yùn)行指路燈塔的鐵路信號(hào)燈更是高達(dá)幾百萬(wàn)個(gè)，但鐵路信號(hào)燈長(zhǎng)期在惡劣環(huán)境中工作，由于其防護(hù)性較差，當(dāng)火車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)，會(huì)帶動(dòng)地面上的石塊飛起，石塊容易朝鐵路信號(hào)燈的方向飛去，從而砸傷鐵路信號(hào)燈，造成鐵路信號(hào)燈損壞。另外，由于火車(chē)信號(hào)燈一般都是露天放置的，缺少保護(hù)，會(huì)受到惡劣環(huán)境的侵蝕，如遭遇雨天時(shí)，雨水會(huì)深入信號(hào)燈的內(nèi)部，導(dǎo)致電路短路等故障；如果遭遇酸雨天氣，雨水中的酸與堿性物質(zhì)容易毀壞信號(hào)燈并腐蝕內(nèi)部元件，降低使用壽命。這些情況會(huì)影響鐵路信號(hào)燈的正常運(yùn)行，干擾信號(hào)傳輸，降低信號(hào)燈的使用壽命，甚至影響列車(chē)的安全運(yùn)行。

為了改善信號(hào)燈的使用條件，很多學(xué)者進(jìn)行了改進(jìn)研究，設(shè)計(jì)了適用于雨雪天氣、防霧霾功能、便于維修的信號(hào)燈等［1-3］。但信號(hào)燈在霧霾天氣中并沒(méi)有考慮因霧氣腐蝕而產(chǎn)生的使用年限縮短問(wèn)題［1-2］，有些信號(hào)燈也沒(méi)有考慮到因霧氣天氣時(shí)導(dǎo)致的遮光罩顯示不清等問(wèn)題，都沒(méi)有系統(tǒng)考慮信號(hào)燈的設(shè)計(jì)，也并沒(méi)有因地制宜制定適合當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境的設(shè)計(jì)［3］。如何改善這些問(wèn)題，助力鐵路安全系統(tǒng)更加完善成為關(guān)鍵問(wèn)題。為此，本文提出一種具有防雨水、防腐蝕結(jié)構(gòu)的鐵路信號(hào)燈，以期為完善鐵路安全系統(tǒng)貢獻(xiàn)力量，具有一定實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。

1? 方案設(shè)計(jì)

這種新型的信號(hào)燈，包括的部件有：底板、支撐柱、信號(hào)燈箱體、側(cè)盒、支撐件、防水頂棚、導(dǎo)流槽、導(dǎo)流條、排水槽、散熱扇、吸水材料、絲桿、電機(jī)、隔板、傳動(dòng)桿、從動(dòng)錐齒輪、傳動(dòng)錐齒輪、套塊、刮板、吸水海綿擦。具體結(jié)構(gòu)如圖2（a）和（b）所示。

1.1? 功能設(shè)計(jì)

這種新型信號(hào)燈的功能主要包括：應(yīng)對(duì)雨雪天氣、防止冷凝水進(jìn)入內(nèi)部、防腐蝕的功能。

1.1.1? 應(yīng)對(duì)雨雪天氣

應(yīng)對(duì)雨雪天氣主要由以下幾個(gè)部件共同配合來(lái)完成，包括導(dǎo)流槽、防水頂棚、導(dǎo)流條、排水槽，如圖2（a）中的7～10所示。通過(guò)在信號(hào)燈箱體的頂部設(shè)置防水頂棚和導(dǎo)流條，頂部固定安裝防水頂棚，防水頂棚的頂部開(kāi)設(shè)若干個(gè)導(dǎo)流槽，防水頂棚的一側(cè)固定安裝導(dǎo)流條，導(dǎo)流條的頂部開(kāi)設(shè)排水槽，導(dǎo)流槽與排水槽配合，在冰雪融化或下雨天氣時(shí)可以通過(guò)導(dǎo)流槽將雨水導(dǎo)流至排水槽內(nèi)，并通過(guò)排水槽將雨水排至裝置后方從而避免雨水進(jìn)入信號(hào)燈箱體。

1.1.2? 防止冷凝水進(jìn)入內(nèi)部

防止冷凝水進(jìn)入內(nèi)部，主要設(shè)置吸水材料、刮板、吸水海綿擦等部件共同配合完成。如圖2（a）中12、20、21所示。通過(guò)在防水頂棚的底部設(shè)置吸水材料，當(dāng)散熱扇在散熱時(shí)，縱使溫差較大，吸水材料可以將冷空氣中的水分吸走，避免與熱風(fēng)接觸形成冷凝水的情況出現(xiàn)［4］。并且分別設(shè)置刮板與吸水海綿擦，可以先通過(guò)刮板對(duì)燈體表面的灰塵與凝霜刮除，隨后再通過(guò)吸水海綿擦對(duì)燈體表面進(jìn)行擦拭，可以使其清除效果更佳，并且在下雨天時(shí)如果有雨水濺到信號(hào)燈箱體一側(cè)，吸水海綿擦也可以將其表面的雨水擦掉，避免滲入信號(hào)燈箱體內(nèi)部對(duì)其內(nèi)部造成腐蝕的情況出現(xiàn)。

1.2? 關(guān)鍵材料

1.2.1? 鋼鐵材料

考慮到使用年限與使用環(huán)境相關(guān)條件因素的影響，這種信號(hào)燈支撐結(jié)構(gòu)的材料可以選擇錳鋼材料［5］，該材料主要具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）強(qiáng)大的耐磨性能。由于含有錳元素，錳鋼具有極高的耐磨性，并且隨著外來(lái)的沖擊越大，高錳鋼自身的耐磨性就會(huì)越高。因?yàn)楦咤i鋼的表面有一層硬化層，在磨損的同時(shí)會(huì)不斷形成新的硬化層，這就使得本項(xiàng)目具備了適應(yīng)戶(hù)外惡劣環(huán)境的能力。（2）良好的抗沖擊性能。鋼材具備更強(qiáng)的抗沖擊能力，更適用于高強(qiáng)度的作業(yè)環(huán)境。（3）韌性和可塑性強(qiáng)。高錳鋼具有很高的抗拉強(qiáng)度和很強(qiáng)的可塑性及韌性，即使零件被磨損到很薄的狀態(tài)依然能承受很強(qiáng)的沖擊載荷而不易斷裂破裂，因此很適合用于生產(chǎn)制造鏈條、軸瓦等對(duì)耐用性有較高要求的構(gòu)件。（4）抗腐蝕性好。高錳鋼還具有極強(qiáng)的抗腐蝕性能，對(duì)于一些高鹽、強(qiáng)酸堿性的惡劣環(huán)境也很適用。（5）強(qiáng)大的焊接性能好。錳鋼的可焊性很高，不會(huì)影響其物理性能。

1.2.2? 吸水材料

該產(chǎn)品中多次提及的吸水材料是關(guān)鍵，吸水材料的好壞決定了該產(chǎn)品防止冷凝水能力的強(qiáng)弱，可以選擇PVA膠棉或尼龍輪［6］。（1）PVA吸水棉：該產(chǎn)品具有極強(qiáng)的吸水能力和給水能力，吸滿(mǎn)水后不滴。該產(chǎn)品含有防霉劑，不會(huì)發(fā)霉，比其他任何海綿的彈性都強(qiáng)而且不易撕裂。該產(chǎn)品很輕，柔滑且吸水性極好。（2）尼龍輪：尼龍的吸水率通常是其重量增加的百分比，當(dāng)材料暴露在濕氣或水中時(shí)，會(huì)吸收水分。同時(shí)尼龍對(duì)濕氣也有一定的吸收能力，當(dāng)尼龍暴露在高濕度環(huán)境中，它會(huì)吸收濕氣并增加其含水量，導(dǎo)致尺寸的微小變化。這兩種材料均為高吸水性可重復(fù)使用材質(zhì)，可以減少維護(hù)的次數(shù)。

1.3? 主體結(jié)構(gòu)

這種新型鐵路信號(hào)燈主體結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖2（b）中A處內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。在底板的頂部固定安裝支撐柱，支撐柱的頂部固定安裝信號(hào)燈箱體，信號(hào)燈箱體的兩側(cè)均固定安裝側(cè)盒，側(cè)盒的頂部固定安裝支撐件，支撐件的頂部固定安裝防水頂棚，防水頂棚的頂部開(kāi)設(shè)若干個(gè)導(dǎo)流槽，防水頂棚的一側(cè)固定安裝導(dǎo)流條，導(dǎo)流條的頂部開(kāi)設(shè)排水槽，導(dǎo)流槽與排水槽配合，信號(hào)燈箱體的頂部設(shè)置散熱扇，防水頂棚的底部設(shè)置吸水材料。

側(cè)盒的內(nèi)部轉(zhuǎn)動(dòng)安裝絲桿，支撐件的內(nèi)部安裝電機(jī)，電機(jī)的輸出端延伸至側(cè)盒的內(nèi)部與一個(gè)絲桿固定連接。側(cè)盒的頂部開(kāi)設(shè)與電機(jī)輸出端配合的孔，側(cè)盒的一側(cè)安裝隔板，其中隔板不影響刮板與吸水海綿擦的上下運(yùn)動(dòng)。隔板的內(nèi)部轉(zhuǎn)動(dòng)安裝傳動(dòng)桿，隔板的內(nèi)部開(kāi)設(shè)與傳動(dòng)桿配合的孔，傳動(dòng)桿的兩端均固定安裝從動(dòng)錐齒輪，絲桿的外側(cè)固定安裝傳動(dòng)錐齒輪，從動(dòng)錐齒輪與傳動(dòng)錐齒輪嚙合。絲桿的外側(cè)螺紋連接兩個(gè)套塊，套塊的內(nèi)部開(kāi)設(shè)與絲桿配合的孔，套塊的一側(cè)固定安裝刮板，套塊的一側(cè)且位于刮板的頂部安裝吸水海綿擦。當(dāng)吸水海綿擦擦拭凝霜后會(huì)被浸濕，當(dāng)其復(fù)位后散熱扇散熱會(huì)將其吹干，刮板和吸水海綿擦與信號(hào)燈箱體配合。

綜上，該新型鐵路信號(hào)燈使用時(shí)，首先當(dāng)信號(hào)燈箱體在使用時(shí)，可以開(kāi)啟散熱扇對(duì)其進(jìn)行散熱，在冬天散熱過(guò)程中所排出的熱風(fēng)與外部的冷空氣接觸時(shí)可以通過(guò)吸水材料吸收冷空氣中的水分，避免形成冷凝水，雨雪天氣時(shí)通過(guò)防水頂棚與導(dǎo)流條可以對(duì)信號(hào)燈箱體進(jìn)行防護(hù)，避免雨水侵入散熱扇與信號(hào)燈箱體內(nèi)部造成短路，最后當(dāng)信號(hào)燈箱體外側(cè)有灰塵或結(jié)霜時(shí)，可以開(kāi)啟電機(jī)，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，即可使套塊根據(jù)其絲桿外側(cè)的螺紋上下移動(dòng)，移動(dòng)過(guò)程中即可通過(guò)刮板與吸水海綿擦將信號(hào)燈箱體表面的灰塵雨水或是凝霜祛除，延長(zhǎng)其使用壽命。

2? 方案分析

通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，本方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：

2.1? 具有防水功能

設(shè)置防水螺栓，防止透明罩脫落。使風(fēng)機(jī)與出風(fēng)口之間連通，保持透明罩內(nèi)部的干燥，保證信號(hào)燈觀賞度，保護(hù)內(nèi)部元件，延長(zhǎng)使用壽命。同時(shí)保護(hù)信號(hào)燈，防止受潮；防止漏水，造成信號(hào)燈短路，避免事故的發(fā)生。

2.2? 具有防腐蝕功能

一方面，巧妙設(shè)置防腐蝕板位置，并使其呈弧形，減少雨水積流，減輕人工處理負(fù)擔(dān)。在透明罩上設(shè)置環(huán)形引流槽，當(dāng)起風(fēng)或雨量較大時(shí)，減少雨水對(duì)透明罩的腐蝕。另一方面，減少自然氣象對(duì)透明罩的腐蝕。通過(guò)采取物理阻隔阻礙金屬表面與腐蝕介質(zhì)接觸，防腐能力非?！氨粍?dòng)”，從而減少酸雨對(duì)透明罩的腐蝕。

2.3? 高溫耐磨、阻燃防火

防護(hù)罩所選材料具有耐高溫、耐磨等特性，可以有效保護(hù)機(jī)器設(shè)備不受損壞。此外，燈體材質(zhì)采用鋁合金燈體表面聚酯粉末噴涂，鋼化玻璃采用特殊工藝耐高溫線路板并使用阻燃電纜外觀呈線狀結(jié)構(gòu)打手法，防止高溫下影響機(jī)體運(yùn)行。

2.4? 拆裝方便、簡(jiǎn)單快捷

防護(hù)罩采用可拆式設(shè)計(jì)，可以隨時(shí)拆卸下來(lái)檢修設(shè)備，清潔防護(hù)罩，延長(zhǎng)其使用時(shí)長(zhǎng)。

2.5? 智能化精細(xì)管理

工作人員會(huì)根據(jù)信號(hào)燈使用周期，定期去查看鐵路信號(hào)的使用狀況和安全性能，以保證信號(hào)燈的穩(wěn)定使用。通過(guò)這樣的信息管理，使信號(hào)燈里面的各個(gè)裝置達(dá)到最好的狀態(tài)，周期性監(jiān)管，達(dá)到對(duì)鐵路工具的智能化精細(xì)管理。

2.6? 專(zhuān)業(yè)先進(jìn)化、安全性能高

這款信號(hào)燈在一些特定的領(lǐng)域中可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的火車(chē)信號(hào)燈，使信號(hào)的傳輸不易受到外界環(huán)境的干擾，使其更加可靠。該款信號(hào)燈具有耐久性、高效性、穿透性、可自行更改的優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)信號(hào)燈相比較，成本低、使用時(shí)間長(zhǎng)。

3? 結(jié)語(yǔ)

方案在設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行了現(xiàn)有技術(shù)的分析和本行業(yè)的相關(guān)數(shù)據(jù)分析，力求科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，同時(shí)為該領(lǐng)域的未來(lái)研究提供了發(fā)展前景。本文對(duì)該信號(hào)燈的各個(gè)部件都進(jìn)行了不同程度的配合，比如刮板和吸水海綿擦與信號(hào)燈箱體配合；側(cè)盒的頂部開(kāi)設(shè)與電機(jī)輸出端配合的孔；隔板的內(nèi)部開(kāi)設(shè)與傳動(dòng)桿配合的孔；吸水材料與散熱扇配合［7］。另外，本文不僅設(shè)計(jì)了防雨裝置，還考慮到了吸水、導(dǎo)水問(wèn)題，想到了可能因?yàn)槭褂铆h(huán)境和使用年限等原因?qū)е碌纳倭坑晁M(jìn)入后的情況，因此本文又增加了相關(guān)措施，在節(jié)約成本的同時(shí)，保證提高使用年限。支撐結(jié)構(gòu)材料選用兼顧經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益的優(yōu)質(zhì)耐腐蝕材料。本設(shè)計(jì)為探尋解決我國(guó)不同地區(qū)鐵路交通安全問(wèn)題提供了新思路，具有一定的使用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

［1］王金牛.一種用于雨雪天氣的交通信號(hào)燈：CN215599821U［P］.2022-01-21.

［2］張金良.一種具有防霧霾功能的交通信號(hào)燈：CN207690298U［P］.2018-08-03.

［3］陳世春.一種方便維修的交通信號(hào)燈：CN215526931U［P］.2022-01-14.

［4］袁立順.淺談太陽(yáng)能無(wú)線信號(hào)燈在交通工程中的應(yīng)用［J］.黑龍江科技信息，2012（7）：10.

［5］鄒中秋，冀翼，張?chǎng)危?電力系統(tǒng)表面防腐［J］.廣東化工，2022（24）：114-116.

［6］學(xué)徒君.纖維的吸濕性［EB/OL］.（2021-11-15）［2023-07-22］.http：//www.cajcd.edu.cn/pub/wml.txt/980810-2.html.

［7］汪鴻，張治國(guó).鐵路色燈信號(hào)機(jī)燈泡的分析與設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2022（8）：46-47，50.

（編輯? 王雪芬）

Design of a new type of outdoor railway signal light

Ling? Tingting， Zhang? Xiaogang*， Yu? Zhongshuai

（Dalian University of Science and Technology， Dalian 116052， China）

Abstract： Railway signal lights work in outdoor environments for a long time， and are subject to acid， alkali or environmental corrosion， resulting in damage to internal components and reduced service life. The protective performance of railway signal lights is poor. When a train passes by， it drives stones to fly， which can easily damage the signal lights and make them unable to work， increasing maintenance costs. In rainy and snowy weather， rainwater can enter the operating chamber through the heat dissipation hole， causing short circuits and damage to the internal electrical devices. Severe short circuits can also lead to fires， resulting in certain defects. In addition， when the device dissipates heat through an exhaust fan， there will be a certain temperature difference between the operating chamber and the outdoor temperature. When cold air enters the operating chamber， condensation water will form， which also poses a certain risk. Based on existing research， the article designs a new type of railway signal light that is rainproof and corrosion-resistant， which can extend its service life and improve utilization efficiency.

Key words： lights; rain and snow prevention; anti-corrosion; outdoor harsh environment