LED技术在场内信号机中应用的讨论.doc

《LED技术在场内信号机中应用的讨论.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《LED技术在场内信号机中应用的讨论.doc（11页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、页眉值得一读 LED 技术在场内信号机中应用的讨论技术在场内信号机中应用的讨论 摘摘 要：要：本文通过观察现场信号机存在的问题，分析了可能存在的不安全 因素，并通过讨论这些问题，找到了以 LED 技术为关键的解决问题的途径。 关键词：关键词：现状；解决；LED 页眉值得一读 前前 言言1 1、场内信号机现状、场内信号机现状2 1.1、既有设备概况、既有设备概况2 1.2、存在的问题、存在的问题2 1.2.1、白炽灯泡光源寿命短、白炽灯泡光源寿命短2 1.2.2、光照强度较低、光照强度较低2 1.2.3、光源用电量高、光源用电量高2 1.2.4、维修与更换工作量大、维修与更换工作量大3 1.3

2、带来的安全隐患带来的安全隐患3 2、解决建议、解决建议4 2.1、比较与推荐意见、比较与推荐意见4 2.1.1、寿命与可靠性、寿命与可靠性4 2.2.2、发光效率、发光效率4 2.2.3、节能、节能6 2.2.4、经济账、经济账6 2.2、设备改造评估、设备改造评估7 2.2.1、室内部分、室内部分7 2.2.2、室外部分、室外部分7 3、结语、结语8 参考文献参考文献9 1 前前 言言 化工铁路运输部所属铁路线路长度总计 36.8km，共有 78 条线路， 90 组道 岔，19 个道口。作业场所分为“三场两区” ，即 302、304、106 三个调车场， 302 东、西咽喉两个作业区。作业方

3、式采取平面推送调车法。所承运的化工原 料和产品，均属易燃、易爆、易腐蚀、易中毒的危险化学品。处于这种运输条 件下的调车作业，需要有安全可靠的信号显示来保证其在场内的运输行为。而 现有的信号机存在着不同程度的灭灯率高、光强不足、能耗高等问题。这些问 题与产品设计有关，虽然可以通过不断维护保证其正常运行，但在目前场内运 量不断加大的背景下，这些问题会不断地影响调车作业效率，甚至有可能引起 安全事故。所以，需要找到一种解决方法，来保证信号机的长时间、清晰、准 确以及无故障的信号显示。 2 1、场内信号机现状、场内信号机现状 1.1、既有设备概况、既有设备概况 2006 年后，为解决储运设施落后，不能

4、适应生产需求的局面，化工储运厂 结合既有站场设备的实际状况，进行了储运设施扩能改造，将原有的 6502 电气 集中系统改造为微机联锁集中控制系统，并将全场的信号设备纳入到这一系统 当中。同时，对全场的信号机也进行了更新，采用透镜式色灯信号机。 化工铁路运输部所属的调车场中的信号机情况如下表 1-1 所示： 表 1-1 场内信号设备概况 设备名称显示灯位 设备数量 （架） 设备类型信号光源 调车信号机复示信号机 高柱数量矮柱数量数量 透镜式色 灯信号机 二显示， 蓝、月白 167 51593 TX12-25/12- 25 型双灯丝 白炽灯泡 1.2、存在的问题、存在的问题 1.2.1、白炽灯泡光

5、源寿命短、白炽灯泡光源寿命短 场内调车信号机中蓝灯的亮灯率更高，亮灯时间更长，这使得日常断丝灭 灯的情况多出于蓝灯，另外，在 302 场 1#线上，由于作业频繁，导致蓝灯与月 白灯位的频繁转换和灭灯亮灯，在这里两种灯泡断丝灭灯故障率也相应增加， 其维修率即更换频率也比较高。据统计全场平均每周有 4 颗左右的灯泡因断丝 灭灯而需要更换，数量上来说蓝灯居多。 按照铁路信号维护规则技术标准的规定，TX12-25/12-25 型双灯丝白炽 灯泡主灯丝最低寿命为 1000h，约合 42 天。根据现场信号工人的实际经验，目 前我场信号机灯泡的使用寿命最高不超过 8 个月。 1.2.2、光照强度较低、光照强

6、度较低 出场线高柱以及场内东西方向线路上的信号机，在白天天气晴朗日光强度 大时，机车乘务员、调车连结员经常报告这部分信号机在阳光的照射下看不清 信号显示，信号机光强较弱，容易导致机车冒进信号。 1.2.3、光源用电量高、光源用电量高 从节能降耗的角度来说，作为信号光源的白炽灯泡并不具有节能优势。常 用的 TX12-25/12-25 型双灯丝白炽灯泡额定功率为 25W。而目前技术成熟且已 3 开始使用的 LED 色灯信号机的光源额定功率仅为 7.45W。 1.2.4、维修与更换工作量大、维修与更换工作量大 场内东西距离在 5km 以内，共 78 条线路，167 架信号机，信号班每日现有 人员配备

7、为两人，他们的工作是对全场信号设备的巡视以及维护保养。 基于前述信号灯泡寿命短因素，试想若在作业高峰时出现主要作业线路上 多处信号机灭灯的状况，信号人员势必无法立即解决，这就会对调车作业效率 产生消极影响，也会埋下安全隐患。 1.3 带来的安全隐患带来的安全隐患 信号机断丝灭灯将直接导致排列好的进路不能开放信号，影响调车作业。 信号员根据当班调度下达的调车作业计划在信号台上开通进路后，进路显 示为白色光带，在现场线路中对应的轨道区段的防护信号机则同时显示月白色 灯光信号，此时若进路上某一架或几架信号机的白色灯泡断丝灭灯，则调车作 业人员便会无法判断进路是否开通。若停止前进，作业效率就会受到影响

8、；若 冒进信号，便有挤岔与掉道的危险。 同样，夏季日间阳光光强较大，会使工作人员无法看清信号机的信号显示， 一旦有人麻痹大意，理所当然，轻则进入错误区段线路，影响作业效率，重则 就极有可能发生挤岔甚至掉道等重大安全事故。 4 2、解决建议、解决建议 我厂在302场32#线东头编号为的D27的信号机就改造试用了LED的发光单 元，到目前为止其运行状况良好，未发生任何故障。为了提高场内信号显示的 可靠性和延长灯泡的使用寿命, 并从安全节能经济的角度考虑，建议采用LED 技术来改造现有信号机。 2.1、比较与推荐意见、比较与推荐意见 2.1.1、寿命与可靠性、寿命与可靠性 从寿命角度来说，铁路信号机

9、用 LED 发光二极管的平均寿命大于 10 万小 时，约合 11 年，这也是铁路信号维护规则技术标准的规定。相比最低寿命 只有 1000 小时的双丝灯泡来说其寿命优势时显而易见的。 从可靠性的角度来说，结构上双丝白炽灯泡在信号机中是作为唯一的光源， 一旦灯丝断丝就会灭灯，进入故障状态，必须等待维修人员更换灯泡后才能重 新点亮。而 LED 光源的结构是一个由五十五个到上百个发光二极管组成的发光 阵列（如图 2-1） ，部分的发光二极管的熄灭并不会对整个信号机的信号显示状 态有任何影响，这就大大提高了信号显示的可靠性。 图 2-1 LED 发光盘 改造后 D27 的 LED 发光单元具有 55 个

10、发光单管，自点亮至今，还未发生 单管灭灯现象，显示了良好的工作性能。 2.2.2、发光效率、发光效率 这里我们通过一个有效光通量的计算来对比二者的发光效率。 首先是白炽灯。现有铁路色灯信号机光学结构是由内梯菲涅尔透镜、外梯菲 涅尔透镜与白炽灯泡组成。 灯泡发出的总光束的一部分经透镜组折射后，成为近似平行光投向远方， 成为有效光束，光通量为 1，按下式计算： 5 1112 （式 1-1） 式中： 1信号机的有效光通量（lm） 灯泡发出的总光通量（lm） 。铁道行业标准规定铁路信号灯泡的光通 量不低于 285lm，实际产品要高于这个数值，这里按 300lm 来计算。 1透镜组的光利用系数。灯泡发出

11、的总光通量只有被透镜组所包含立 体角内的光折射后才被利用，铁路信号透镜组对灯泡含的立体角为 4.4sr，与灯 泡发光总立体角料（4 减去灯头遮光部分的立体角）之比为 0.36，此值即为透 镜组的光束利用率。 1颜色透镜的光透射比。铁标规定红色透镜光透射比为 8%，实际可以 达到 11%。 2无色透镜光透射比。铁标规定无色透镜光透射比不得低于 90%。 将上述各系数值代入公式（1） ，计算出红色铁路信号机的有效光通量为： 10.7 lm。 下面按照与灯泡有效光通量同样的计算方法来计算 LED 信号机的有效光通 量。 LED 信号机光学结构是由多只 LED 与聚光透镜阵列组成，LED 数量为数 十

12、只到一百多只，单元透镜直径为 1315mm。LED 铁路信号机的有效光通量 LED1 按下式估算： LED1LED（）（1） 3 4 （式 2-1） 式中： LED1LED 信号机的有效光通量（lm） LEDLED 发出的总光通量（lm） 。单只 LED 光通量由发光强度分布曲线 利用球带系数法计算，再乘以 LED 数量得出总光通量，也可以从 LED 的功率 乘以光效得到，100 只红色 LED 的总光通量为 240 lm。 温度影响系数，LED 光效率随温度升高而降低，不同颜色的 值不 相同，环境温度为 50条件下的红色 LED 的 为 0.30。 光束溢出损失系数，复旦大学教授发表在 20

13、02 年照明工程学报中的 论文提出“光束溢出损失”概念，LED 发出的光束有一部分射不到各自聚光透镜 上，不能形成有效光束， 值取 5.25。 3无色阵列透镜的光透射比，取 0.85。 6 3无色保护玻璃的光透射比，取 0.9。 将上述各系数值代入公式（2） ，计算出红色 LED 铁路信号机的有效光通量 为 96.4 lm。 本文提出计算方法虽然会存在误差，但从通过对比白炽灯的 10.7 lm 的有效 光通量可见 LED 信号机的光效率明显高于以白炽灯为光源信号机的光效率。 现场观察302场32#线D27LED蓝灯位的发光显示，其发光强度明显大于周 围的信号机。在夏季日光强度较大的早晨与特别是

14、下午在200m外观察该架信号 机的信号显示，也非常清晰。也说明其可以有效地改善地面信号显示不清，能 够满足调车作业人员的需求。 2.2.3、节能、节能 现场使用的灯泡为TX12-25/12-25型双灯丝白炽灯泡，该型灯泡额定功率为 25W。而目前在D27试用的LED光源额定功率仅为7.45W。那么二者一年的电能 消耗如下表2-1所示。 表2-1 双丝灯泡与LED的能耗比较 项目双丝灯泡LED差值 一年的能耗/度21965154 这是一个灯位不同发光单元的能耗比较，但如果将全场167架信号机，每架 都有2个灯位的条件考虑在内，再加以计算，这个差值就会是51436度，若工业 用电以1元每度计，则有

15、五万多元。所以，在石化公司乃至全国都在倡导节能降 耗的今天，LED的节能效果是非常可观的。 2.2.4、经济账、经济账 数据证明了LED的节能效果的确非常好，但是在全场范围内对信号机进行 的改造，是否会在经济上见到效益呢。我们再通过计算来寻找答案。 如前所述，LED的寿命为10万小时，相当于11年；而现场信号灯泡的平均 寿命大约为6个多月，平均每个灯位一年会消耗2个灯泡，11年就消耗22颗灯泡。 那么全场范围内的167架信号机11年就会消耗7,348颗灯泡，以每颗灯泡平均10 元计算，全场信号机11年的灯泡消耗费用为73,480元。而这11年内，这些灯泡 将会消耗804,606度电，按1元每度

16、计算就是804,606元。所以，全场白炽灯泡信 号机11年内会花费878,086元。而LED信号机在其寿命年限11年内的设备能耗费 用只有238,810元。 7 二者相抵，会有639,276元的差值。因此，对LED光源的投资在将来所节约 的资金是非常可观的。 2.2、设备改造评估、设备改造评估 我场的信号机都是在 06 年储运设施改造中完成的，机体及内部元件状况比 较良好，从成本和节约的角度来说，没有必要对全场的信号机进行全面更新。 根据铁路信号维护规则技术标准的规定 LED 机构不能改变现有信号点灯电 路和相关电路。所以根据结合我场实际情况，可以考虑只进行设备改造。 现有的信号机改造为 LE

17、D 信号机需要改造的内容室外部分主要有光源安装 部分、点灯单元的改造，室内部分主要有光源电压的调整。 2.2.1、室内部分、室内部分 由于 LED 信号机光源的输入功率仅 7.45W，加上点灯单元等附属器件，室 外点灯总功耗仅 13W 左右。若直接用于既有的信号点灯电路，则会因点灯回路 中的电流过小，无法达到 JZXC-H18（工作电流 100mA）等型号的灯丝继电器 的工作电流要求而无法正常吸起。 为解决这一问题，首先考虑人为增加 LED 光源的功率，但这样做虽然能够 满足继电器的吸起要求，但却丧失了 LED 发光管低能耗的特点，且会因耗能元 器件所产生的热量导致 LED 光源的工作环境变差

18、而影响其使用寿命。再考虑而 将灯丝继电器更换为小电流型继电器，会使点灯系统可靠传输距离减小而无法 达到原色灯信号机的标准。 为了即能够保持既有色灯信号机点灯电路的结构不变，又能充分发挥 LED 信号光源高效、节能、长寿命的特点，采用低压供电点灯电路是较好的解决方 案。该电点灯电路的结构与色灯信号机的点灯电路相同，在室内设一个具有隔 离和电压调整功能的隔离调压报警单元 GTB，将信号点灯电源电压降到 110V 左右输出，结合室外 BXZ-40 型 LED 信号光源专用点灯单元，可使点灯回路中 的额定工作电流满足 JZXC-H18 等型号的灯丝继电器的工作电流要求，也可以 满足 LED 发光单元的

19、正常工作需求。 2.2.2、室外部分、室外部分 LED 信号机的光源部分是在 180mm 的通光口径上安装 55 个 LED 构成的 LED 阵列。所以在安装时需要将原有灯泡的灯座拆除，其后直接连接点灯单元。 其安装结构如图 4-1。 8 图4-1 LED发光部分结构图 由于 LED 的小功率特点，我场原有为灯泡光源配备的点灯单元无法适用， 所以可以采用额定电压小的点灯单元。可安装在矮型信号机构的后门上或变压 器箱内。安装在标准机构后门时，需使用配套的过渡安装板。 通过上述设备的改造，便可在不对现有信号机和室内设备作很大调整的前 提下，实现灯泡信号机向 LED 信号机发光单元的转变。改造难度复

20、杂程度不高， 所以，改造处在可接受的范围里。 3、结语、结语 现场传统信号机存在的问题的解决是本论文的核心部分，这些问题都关系 到铁路运输作业的生产安全。 由论述可见，LED 技术以其寿命长、光照强度大、省能源、免维修的特点， 能够解决目前现场存在的信号机的显示问题，进而可以消除由此产生的安全隐 患。其节能特点能够在长期使用中为我厂节约大笔能耗的开支。 在对其设备改造的评估中发现改造难度并不大。设备改造并未改变现有信 号点灯电路和相关电路，而是利用现有条件加以改装部分设备。通过这些手段 将进一步提高信号机的安全性能，使场内调车安全作业得到充分稳定的保障。 9 参考文献参考文献 1 中华人民共和国铁道部.铁路技术管理规程. 北京: 中国铁道出版社,2006 年 11 月 2 中华人民共和国铁道部.铁道信号维护规则技术标准.北京:中国铁道出版社,2006 年 9 月 3 杨先成,付晓春.铁路 LED 信号机.北铁路通信信号.2004 年 4 方志良,刘福来,王湘晖,杨勇.高亮度 LED 铁路信号机光学系统研究.光电子激光.2005 年 5 梁福平,马牧燕,李泽峰,刘壮.LED 信号机的检测报警技术研究.仪器仪表学报,2006 年 4 月 6 张海南,王正权.大功率 LED 铁路信号灯的研究.上海铁道科技,2008 年